Идем по приборам

Постоянное расширение областей применения гофрокартонной упаковки приводит к появлению новых и более жестких требований к качеству гофрокартона. Повышенное сопротивление сжатию, хорошее сопротивление изгибу, хорошие печатные свойства, повышенная влагостойкость – часть из таких требований.

Оптимизация свойств упаковки в соответствии с требованиями рынка – одна из насущных задач производителя. Ясно, что оптимизировать свойства при минимизации затрат можно только при отличном знании свойств как самого гофрокартона, так и материалов, из которых он производится. Если учесть, что затраты на исходные материалы могут составлять 50 и более процентов от всех затрат гофрокартонной фабрики, то станет очевидно, что даже небольшая экономия на материалах даст значительный потенциал прибыли.

Контроль свойств поступающих на предприятие картона для плоских слоев и бумаги для гофрирования часто рассматривают как способ проверить соответствие фактических данных специ-
фикациям поставщика. Однако знание параметров исходных материалов оказывается полезным для расчета теоретически достижимых показателей гофрокартона (сопротивления торцевому сжатию, сопротивления продавливанию). 

Сопротивление гофрокартона торцевому сжатию (ECT = edge crush test) может быть рассчитано по эмпирическим формулам:
ECT=K1 x (RCT1L +K2 x RCTFl +RCT2L)(1)
или 
ECT = K1 x (SCT1L +K2 x SCTFl +SCT2L) (2),
где K1 – константа, определяемая эмпирически для каждого отдельного производства и находящаяся обычно в пределах 1,5–1,2 в уравнении (1) и близкая к 1 в уравнении (2). 
RCT – сопротивление сжатию кольца (L – для картона для плоских слоев, Fl – бумаги для гофрирования); вместо K2 x RCTFl в формулу (1) можно подставить значение ССТ (сопротивление торцевому сжатию гофрированного образца – если гофра та же, что и в образце).
SCT – величина сопротивления сжатию на коротком расстоянии.
K2 – фактор гофрирования (конкретная величина, определяемая гофрирующими валами, обычно сообщается поставщиком валов).

Сопротивление торцевому сжатию гофрокартона измеряется в лаборатории предприятия, и затем можно провести сравнение расчетных и средних практических величин за определенный период и выяснить, насколько полно используются возможности исходного сырья. При нормальной работе гофроагрегата практическая величина сопротивления сжатию по торцу составляет от 90% до 95% от расчетной. Когда разница между расчетными и практическими значениями превышает 10%, необходимо устранить причину снижения прочности, которая, как правило, заключается в неоптимальной работе гофроагрегата.

Конечно, только использование точных приборов, у которых результат измерения не зависит от оператора, дает уверенность в правильности полученных данных. Приборы от фирмы TMI-Messmer Buchel обеспечивают получение стабильных и точных результатов измерения различных показателей бумаги, картона и гофрокартона при практически полном исключении ошибок оператора. Это достигается за счет автоматизации процесса измерения. 

Так, прибор для определения сопротивления сжатию (рис.1) сам определяет момент разрушения образца, прекращает измерение и передает данные в компьютер и на свой дисплей. На данном приборе можно выполнять все виды измерений сопротивления сжатию – по кольцу, сопротивление гофрированного образца по торцу, сопротивление плоскому сжатию гофрированного образца и гофрокартона, а также сопротивление гофрокартона сжатию по торцу. 

Для получения точных результатов необходимо качественно подготовить образец для испытания – кромки должны быть идеально ровными и взаимнопараллельными. Для картона для плоских слоев и бумаги удобно использовать штампы для вырубки полосок (рис. 2), образцы гофрокартона для испытания на сжатие по торцу используют пневматическую пилу (рис. 3), которая позволяет вырезать образцы даже многослойного гофрокартона (5- и 7-слойного), для круглых образцов с точно определенной площадью 100 см2 – круговой резак (рис.4). 

Точное измерение толщины исходных материалов и готового картона имеет важнейшее значение. Измерять толщину на гофрокартонном предприятии лучше всего с помощью точного микрометра (рис. 5), тогда и результаты измерений будут надежными, и их можно будет использовать в расчетах и для проверки работы гофроагрегата и машин конвертации. 

Из фактической толщины исходных материалов можно рассчитать толщину получаемого гофрокартона (разумеется, для гофры нужно еще учесть фактическую высоту зубчиков гофровалов). Зная теоретическую толщину гофрокартона из конкретных материалов, можно отследить, не занижена ли она при фактическом измерении толщины гофрокартона после гофроагрегата и после машин конвертации. Потеря толщины не должна быть более 5% на каждую операцию переработки. Если потеря толщины по сравнению с расчетной окажется выше, это означает, что есть проблема:

1. Износ гофровалов.
2. Неверное натяжение бумаги для гофрирования, завал гофры, как следствие.
3. Пережатие картона на любой из операций.

Толщина гофрокартона определяет, в совокупности с остальными показателями, его сопротивление сжатию и изгибу. Поэтому ошибка в измерении толщины может стоить фабрике весьма дорого.

В российских стандартах до сих пор показатель прочности при сжатии кольца является одним из важнейших для картона для плоских слоев. Метод прост, и одним из его достоинств является возможность проведения испытаний на том же приборе, на котором проводятся и остальные измерения сопротивления сжатию. 

Однако для образцов с низкой массой квадратного метра разрушение образца может при испытании по кольцу произойти за счет изгиба (излома), а не за счет сжатия. Более точным методом является измерение сопротивлению сжатию на коротком расстоянии, когда изгиб испытуемого образца исключен. Этот метод (метод SCT) принят в мире и теперь внесен и в российские стандарты. Измерения проводятся на специальном приборе (рис. 6). По методу SCT можно измерять прочность при сжатии не только картонов, но и бумаги для гофрирования, и прямо подставлять найденные значения в расчетную формулу (2). При производстве бумаги на экспорт потребители почти всегда требуют указывать значения SCT. 

Разумеется, потребителя гофрокартонной упаковки интересуют не отдельно взятые характеристики картона, а прочность самого короба. С точки зрения производителя упаковки прочность короба должна быть необходима и достаточна, а затраты на исходные материалы – минимизированы. Следовательно, в каждом конкретном случае имеет смысл рассчитать оптимальную композицию гофрокартона (массу квадратного метра по слоям, тип гофры, вид картона или бумаги – из первичной целлюлозы или из макулатуры). 

Существует несколько вариантов формулы Мак-Ки, где для расчета прочности короба при сжатии используются различные показатели: 

• BCT = K1 x (ECT)0,75x (S)0,25 x Z0,5 (3)
• S = (Smd x Scd)0,5 (3,1)
• BCT = K2 x (ECT)0,75x (T)0,25 x Z0,5 (4),
• где BCT – прочность короба при сжатии, Н;
• K1, К2 – постоянная (определяется эмпирически);
• ECT – величина сопротивления при сжатии по торцу, кН/м;
• S – среднее геометрическое величины сопротивления изгибу (жесткости) в машинном и поперечном направлении, Нм;
• Z-периметр короба, м;
• Т-толщина гофрокартона, м.

Мой опыт работы в отделе качества современного гофрокартонного предприятия показал, что формула (4) дает значение существенно выше, чем формула (3), при этом сравнение расчетных значений ВСТ (по формуле 3) и этой же величины, определенной с помощью пресса для испытания коробов, показало хорошую корреляцию результатов.

Корректное с точки зрения сопротивления материалов измерение сопротивления изгибу гофрокартона (жесткости) можно провести при условии, что образец равномерно прижат на достаточно большой площади, и нагрузка распределяется равномерно по всей площади испытуемого участка. Для этого имеется специальное приспособление, которое позволяет определить сопротивление гофрокартона изгибу в соответствии с ИСО-стандартом. 

Приспособление для определения сопротивления гофрокартона изгибу может устанавливаться на пресс или универсальную вертикальную машину. 

Разумеется, никто не отменял стандартного контроля качества исходных материалов, гофрокартона и конечного продукта. 

Для контроля сопротивлению продавливания у нас есть два прибора, соответствующие стандартам для бумаги, картона и гофрокартона. Обычно, если предприятие не производит исходные материалы (лайнер и флютинг), достаточно иметь один прибор для определения сопротивления продавливанию (рис.7).

Для целей контроля гофрокоробов и гофроизделий у нас есть пресс для испытания коробов на сжатие (рис.8). 

Если лаборатория оснащена всеми необходимыми приборами, то количество брака и рекламаций будет существенно ниже, а экономия на материалах быстро окупит затраты на качественные приборы.
Работа с приборами фирмы TMI-Messmer Buchel позволяет значительно сэкономить время сотрудников отдела качества, поскольку все результаты измерений автоматически заносятся в компьютер (при наличии программы сбора данных), данные по каждому образцу прибор сам подготавливает в виде отчета с расчетом средних значений, отчет может быть напечатан напрямую с прибора или передан в ПК для дальнейшей обработки данных. 

Алгоритм действий отдела качества по выбору оптимальных композиций для производства гофрокартона и одновременной оценки качества работы гофроагрегата и машин конвертации может выглядеть так: 

1. Входной контроль материалов (прочность при сжатии на коротком расстоянии, прочность при сжатии кольца, прочность при сжатии гофрированных образцов, масса квадратного метра, толщина, водопоглощение, влажность, сопротивление продавливанию и другие возможные измерения).
2. Текущий контроль – накопление базы данных по свойствам производимого гофрокартона (сопротивление торцевому и плоскостному сжатию, сопротивление продавливанию, жесткость при изгибе, толщина, масса квадратного метра). 

В базе данных рекомендуется подразделять картон не только в зависимости от типа гофры и массы квадратного метра его составляющих, но и с учетом того, какое сырье использовано (крафтлайнер или тестлайнер, гофра полухимическая или макулатурная). По каждому виду картона рассчитываем средние показатели за месяц и за квартал.

Сравниваем расчетные значения сопротивления сжатию по торцу с фактическми; коэффициент в формуле (1) подбираем так, чтобы для заведомо хорошо изготовленного картона расчетные и фактические значения были близки. Затем используем полученную формулу в расчете (до тех пор, пока работаем на одних и тех же гофровалах). При смене валов коэффициент может слегка измениться. Следует помнить, что коэффициент гофрирования в формуле (1) или (2) всегда должен соответствовать гофровалам.

Если средние за месяц и квартал показатели гофрокартона отличаются от рассчитанных более чем на 10%, значит, работа гофроагрегата далека от идеальной, гофровалы могли износиться, или есть другие причины снижения качества.

Выбор оптимальной композиции для конкретной коробки. Данный алгоритм действителен только для 4-клапанных коробок.

Для этого необходимо получить от отдела маркетинга данные, какой именно продукт будет упаковываться, масса груза в коробке, размеры коробки, количество коробов в штабеле, особенности конструкции (наличие отверстий и вкладышей). 

1. Рассчитываем нагрузку, которую должен выдержать короб, по формуле из ГОСТ 9142-90.
2. Вносим поправочный коэффициент запаса, равный 1,15, если это обычная четырехклапанная коробка, или 1,45, если в корпусе имеются вырубные отверстия. Если короб подвергается перемещению из помещений с низкой влажностью в помещения с высокой или в него загружают горячий или влажный продукт, повышающий коэффициент должен быть не менее 1,5. Получаем ВСТ ГОСТ.
3. Рассчитываем прочность короба при сжатии (ВСТ1) по формуле Мак-Ки с использованием средних данных по сопротивлению торцевому сжатию и жесткости для определенного картона. Периметр коробки подставляем, используя данные для данного заказа. 
4. Сравниваем полученное значение ВСТ1 с рассчитанным по ГОСТ с учетом повышающего коэффициента. Если полученное значение ВСТ1 равно или незначительно выше ВСТ ГОСТ, то композиция и тип гофры выбраны верно. Если разница более 15%, в расчет ВСТ1 подставляют данные для более легкой или более тяжелой композиции соответственно.

Печатные свойства материала определяются качеством поверхности, цветовыми характеристиками основы для печати, способностью материала к впитыванию. Прямая оценка печатных свойств лайнера может легко проводиться на приборе F1 (IGT) (рис. 9). Прибор позволяет получить запечатанные полоски (имитация флексо- и глубокой печати) практически на любой поверхности, включая гофрокартон. Это позволяет с минимальными затратами материала и времени оценить, как будет выглядеть отпечаток на реальном изделии (цвет, стойкость к истиранию, дефекты печати из-за плохой поверхности  и многое другое).

Для оценки печатных свойств также необходимо знать шероховатость/гладкость поверхности, воздухопроницаемость, динамическую впитываемость.

Для лайнера наиболее подходящим является прибор Бендтсена (рис. 10), позволяющий определить как шероховатость по Бендтсену, так и воздухопроницаемость (в любых выбранных единицах измерения). Если материал лицевого слоя очень шероховатый или имеет слишком низкую/высокую воздухопроницаемость, то можно ожидать проблем с качеством печати.

Стандартным методом контроля степени «проклейки» материала является измерение значения водопоглощения по Коббу (рис.11). Однако время проведения опыта достаточно большое (30 или  60 сек), что в сотни раз отличается от реального времени взаимодействия материала с клеем или краской. 

Современные методы определения динамической впитываемости позволяют получать точное описание взаимодействия материал – вода (или масло), что позволяет наиболее точно предсказать поведение материала при склейке или печати. 

Автоматический тестер Кобба (рис.12) позволяет за короткое время провести испытание, исключить ошибки, связанные с человеческим фактором, и точно предсказать число Кобба за несколько секунд.
Для печати особенно важно знать динамические характеристики впитывания поверхностью материала. Наиболее современными приборами для измерения поверхностной или общей впитываемости являются тестеры фирмы Emtec. Если основной целью является только контроль впитываемости поверхности материала, то можно использовать более простой тестер EST (рис. 13), а более полную картину обеспечивает динамический тестер поверхностной и общей впитываемости PDA C02 (рис.14).

Мы также предлагаем лабораторный гониометр, который позволяет не только оценить скорость влагопоглощения в динамическом режиме, но и контролировать угол смачивания, что чрезвычайно важно для предсказания поведения материала при склейке и печати (рис.15). Следует помнить, что этот прибор позволяет провести измерение на малой площади, в то время как приборы Emtec позволяют провести измерения на больших образцах. Тем не менее гониометр может быть очень полезен как для входного контроля материалов для печати, так и для подбора оптимальных по смачиванию составов краски.

Таким образом, система контроля качества на гофрокартонном предприятии может с помощью данных лаборатории, оснащенной приборами фирмы TMI -Messmer Buchel, позволить оптимизировать затраты на исходные материалы и вовремя предупреждать производство о возникших проблемах.

Производство исходных материалов – лайнера и флютинга – основа производства качественного гофрокартона. При этом вопросы качества на бумажном и картонном производстве связаны со множеством факторов – качеством сырья, степенью очистки макулатурной массы, используемыми химикатами, настройками машин. Существует множество современных приборов, позволяющих контролировать не только сам продукт (SCT, продавливание, разрывная машина и остальные), но и настраивать БДМ/КДМ (прибор ТСО), измерять катионную потребность и дзета-потенциал (приборы фирмы Emtec), оценивать степень проклейки по динамической впитываемости (приборы фирм Fibro, Emtec).  

Поставщиком в России и СНГ лабораторного оборудования компаний TMI-Messmer Buchel и Emtec является фирма «Сигма-Микрон». mail@sigma-micron.ru