Легкий, тонкий и прочный

Компания «Монди СЛПК» провела онлайн технический  семинар для производителей упаковки из картона. Темой вебинара была переработка низкограммажных топ-лайнеров ProVantage Komiwhite на гофроагрегатах потребителей высококачественных картонов производства «Монди СЛПК». Вебинар проводили Александр Стафеев и Сергей Лузан из Группы технической поддержки Mondi.

Вебинар представляет собой краткий обзор низкограммажных картонов «Монди СЛПК», а также обзор основных факторов, которые необходимо учитывать при переработке.

Семинар направлен на преодоление разрыва между производителями бумаги и производителями гофрокартона с целью улучшения сотрудничества и, соответственно, качества упаковки. 

Средний граммаж гофрокартона непрерывно снижается (рис.1) и на данный момент составляет порядка 500 г/м², соответственно снижаются граммажи бумаги для гофрирования. Легковесное сырье, которое сохраняет свою прочность, также способствует увеличению объемов выработки гофрокартона.

Изменения на этом рынке отражают растущую тенденцию к легким граммажам, как к бумагам, так и к картонам. Легкий и тонкий продукт – это популярная современная концепция в мире. На «Монди СЛПК» также происходит снижение среднего граммажа при производстве картона. Согласно новой спецификации на заводе начали использовать инновационный подход к допуску до 1 м². 

Проанализировав существующие качественные характеристики картона с беленым верхним слоем для плоских слоев гофрокартона массой 105 г, компания предлагает новую спецификацию с установленными гарантированными значениями. Так, норма для картона установлена –7/+1 г/м². Также пересмотрены расходы функциональных химикатов для улучшения динамической впитываемости сеточной стороны картона.

При сравнении спецификации и среднего типичного уровеня качества в компании поняли, что теряют свое конкурентное преимущество как по физико-механическим показателям, так и по внешнему виду самого картона. Также в компании понимают обеспокоенность клиентов, что существующая спецификация в стандарте организации сильно отличается от действующей, и сообщают, что в этом году запущена процедура обновления стандартов организации. 

Преимущества новой спецификации картона Komiwhite 105 г/м²: 
■    новый допуск по массе –7/+1 г/м² установлен для снижения рисков по переграммажу картона;
■    увеличение на 2–3% выхода м² по сравнению с 105 г/м², так как фактический вес картона составляет 102–103 г/м²;
■    увеличение гарантированных значений показателей сжатия на коротком расстоянии (SCTcd) дает возможность оптимизации рабочих композиций гофроупаковки для уменьшения стоимости гофроизделия;
■    снижение шероховатости лицевой стороны картона, что позволит улучшить печатные свойства;
■    благодаря применению новой технологии модифицированной поверхности сеточной стороны снижается риск появления дефектов при переработке («стиральная доска», морщины/складки/пузырение);
■    более прочное склеивание гофрокартона с меньшим количеством нанесения крахмального клея.

Следующий новый продукт, разработанный на «Монди СЛПК», – это картон KomiXLite с массой 90 г/м². Это достаточно легкий 2-слойный материал, который сохранил хорошие физико-механические показатели.

Преимущества KomiXLite 90 г/м²:
■    ориентация на декоративную функцию картона, адаптация к требованиям клиентов по качественной печати, этот картон можно использовать для производства SRP;
■    эффективная замена белых макулатурных картонов;
■    прочностные несущие характеристики оптимально подобраны для данного применения, индекс SCTcd = 18–20 кН* м/г;
■    увеличение на 14% выхода 1 м² по сравнению с картоном 105 г/м²;
■    благодаря применению новой технологии модифицированной поверхности сеточной стороны снижается риск появления дефектов при переработке («стиральная доска», морщины/складки/пузырение);
■    в мае 2020 года начата разработка технологии по производству картона из 100% беленого волокна, которая позволила улучшить внешний вид лицевой стороны картона, улучшить показатель белизны верхней стороны до 85% (ранее был достигнут уровень 77–78%), сохранить гарантируемые физико-механические показатели картона, в первую очередь прочность на сжатие в малом диапазоне.

Применение на практике

Низкие граммажи представляют большой интерес для производителей гофрокартона. Во-первых, объемы бумаг с низким граммажом, используемых при производстве гофрокартона, на данный момент увеличивается. Во-вторых, бумаги с низким граммажом вызывают проблемы с качеством по сравнению с картонами более высокого граммажа. При производстве легковесного картона температура считается решающим фактором в процессе производства гофрокартона, которая влияет на качество выпускаемых изделий и на образование дефектов. 

Легкие бумаги на подогревателе – влияние температуры

На рис. 2 бордовая линия показывает обхват подогревателя. При увеличении обхвата подогревателя происходит увеличение температуры, но при этом влажность картона снижается. Пунктирная черная линия поперек показывает, что при неком обхвате подогревателя достигается та температура, при которой влажность картона не изменяется. В дальнейшем, при увеличении обхвата подогревателя, температура остается стабильной (на графике обозначена оранжевой линией), но при этом влажность (синяя линия) будет снижаться, то есть вода начинает испаряться. В дальнейшем это может повлиять на качество производимого гофрокартона и вызвать проблемы при переработке. Практический пример: обхват подогревателя гофрокартона – 40%, температура равняется 85о, увеличили на 10% обхват, температура поднялась до 100о, при увеличении обхвата еще на 10% температура остается 100о. То есть можно говорить о том, что при обхвате подогревателя более 50% начинает происходить изменение влажности. То есть существует критическая точка, когда температура остается стабильной, а влажность начинает меняться. Поэтому необходимо найти точку, когда при изменении обхвата не происходит изменений температуры и влажности.

В качестве примера рассматриваем линию 3 и 4 на рис. 3. Линия 3 – это лайнер с базовым весом 127 г, принимаем, что это легкий лайнер. Линия 4 – это лайнер с базовым весом 337 г – тяжелый лайнер. Основное условие для этих лайнеров – влажность 7% и скорость переработки 225 м/мин. 

При обхвате подогревателя 50% на лайнере 3 происходят значительные изменения влажности и температуры. По оси Y указано значение –0,1, но в данном случае это значение еще ниже. –0,1 говорит о том, что при увеличении температуры на 10 ^оС влажность снижается на 1%. При этом лайнер 4 требует большего обхвата, и незначительные изменения произойдут только при обхвате 75%. Необходимо помнить, что при переработке легкограммажного сырья требуется меньше тепла, чтобы не происходило значительное увеличение влажности. 

Впитывание клея при изменении температуры

Впитываемость является экзотермическим процессом, поэтому чем ниже температура картона или бумаги, тем быстрее происходит впитывание клея. На рис. 4 проведен простой анализ. Это результат простого капельного теста, который проводили при четырех разных температурах путем нагревания образцов картона от температуры 23 ^оС до 125 ^оС.

При повышении температуры впитываемость капли увеличилась более чем на 30%. Этот простой пример говорит о том, что при понижении температуры можно добиться такой же прочности склеивания гофрокартона, но с меньшим количеством клея, поскольку известно, что крахмальный клей на 70–75% состоит из воды. Следует помнить, что, нанося клея на 1 г меньше на 1 м² гофрокартона, достигается экономия 1 т клея на 1 млн м².

Крайне важно снизить количество клея во избежание чрезмерного смачивания поверхности картона и бумаги. В противном случае это приведет к дефектам, когда плоский слой проваливается между вершинами гофры, к пузырчатости, короблению и сухому расклею. При производстве качественного гофрокартона с соответствующими показателями прочности необходимо учитывать несколько факторов:
■    соотношение температуры и влажности;
■    свойства бумаги;
■    правила контроля температуры определенных слоев гофрокартона;
■    точное нанесение крахмального клея.

Температурный режим на гофропрессе

Основной девиз – стараться держать температуру ниже 100%. Необходимо наладить такой режим работы гофроагрегата, чтобы температура картона или бумаги не превышала 100% в любой его точке, особенно в случае использования сырья с низким базовым весом. Понижение температуры дает только преимущества. Во-первых – это меньше проблем с качеством готовых гофролистов. Во-вторых – возможность снизить потребление крахмального клея и тепловой энергии. На рис. 5 изображен гофропресс с рекомендуемой температурой лайнера в диапазоне 70–90 ^оС и флютинга в диапазоне 65–85 ^оС перед непосредственным склеиванием. Температура более 100 ^оС в этой точке может привести к таким дефектам, как кристаллизация крахмального клея (сухой расклей), что приводит к образованию слабой связи между лайнером и флютингом. Также может появиться растрескивание на сгибах, эффект стиральной доски, пузыри на внутреннем плоском слое или же сильная деформация картона в поперечном направлении.

Температурный режим на клеильной машине

На рис. 6 изображен узел клеильной машины гофроагрегата. Здесь необходимо помнить о температурном каскаде. На основании лучших производственных практик для гофроагрегатов рекомендуется поддерживать температуру отдельных слоев бумаги и картона в процессе производства на уровне значений, показанных на рисунке. Мы видим лицевой лайнер перед входом в сушильную группу, температура должна быть не более 70 ^оС. Далее 3-слойный гофрокартон, его температура должна бать на 10–15 ^оС выше. При производстве 5-слойного гофрокартона температура должна быть еще на 10–15 ^оС выше, чем предыдушая. Это и есть температурный каскад. Согласно общепринятой теории, все слои, которые попадают на нагревательную плиту сушильного стола, должны иметь одинаковую влажность и температуру. Но, учитывая базовую конструкцию гофроагрегата, когда только лайнер контактирует с сушильной плитой, считается, что необходимо диференциировать температуру слоев, поступающих в сухую часть гофроагрегата, чтобы выровнять большой перепад температур с обеих сторон гофрокартона после сушильного стола. И только после реализации таких мер на гофропрессе или подогревателе при производстве 2-слойного гофрокартона на клеильной машине можно выровнять температуру и влажность после сушильного стола. Рекомендуется использовать описанный выше температурный каскад для слоев, поступающих в сушильный стол, – самая высокая температура от верхнего слоя гофрокартона, чтобы температура готового гофрокартона с верхней и с нижней стороны на выходе из сушильного стола существенно не отличалась. 

Температурный режим на сушильных плитах

Некоторые гофроагрегаты оборудованы датчиками температуры. Кроме того, существуют системы, которые позволяют частично регулировать и контролировать платы подогревателей. Рис. 7 показывает настройки температуры сушильного стола. Измерьте температуру гофрокартона после последней сушильной плиты. На рисунке показана рекомендуемая температура для каждого вида профиля. Например, профиль Е – температура в диапазоне 95–105 ^оС, профиль В и С – температура 110–120 ^оС, 5-слойный гофрокартон из легких граммажей – 120–135 ^о, ВС из тяжелых граммажей – 135–145 ^оС и 5-слойный гофрокартона из профилей DВ – 120–130 ^оС. Еще раз подчеркиваем, что мы рекомендуем всем клиентам делать процесс сушки максимально деликатным, то есть подавать минимальный объем тепла, необходимый для склеивания при условии нанесения минимального количества клея. Пересушивание гофрокартона на сушильном столе считается одной из самих распространенных проблем. В первую очередь, она приводит к сильному короблению вниз и увеличению количества клея, необходимого для склеивания слоев гофрокартона, а также к появлению дефектов на поверхности готового продукта. При поддержании соответствующей температуры бумаги и картона, в большинстве случаев гарантируется хорошее качество готового продукта.

Прижим на сушильных плитах

Поскольку температура после сушильной плиты – это один из критических параметров, этого можно достичь тремя разными способами (рис. 8). В первом случае можно использовать давление пара на сушильном столе – 12, 11, 10, 9 bar, при этом используя минимальный прижим. В этом случае мы получим желаемую температуру 120 ^оС. Эту же температуру можно получить и другим способом – изменить давление до 6, 7, 8, и 9 bar, то есть в этом случае давление не понижается, а повышается. В третьем случае можно еще снизить давление пара на сушильном столе – до 3, 4, 5 и 6 bar, при этом увеличивается прижим до максимума. Последний способ дает ряд преимуществ – производится картон желаемого качества с минимальным использованием энергии. Также в этом случае есть больше возможностей для регуляции процесса. Если скорость гофролинии будет снижаться, гофрокартон будет проводить больше времени на сушильном столе, соответственно нагреваться он будет больше. В этом случае можно снизить давление пара на сушильных плитах, однако металл будет охлаждаться довольно долго, потому есть и другая возможность – уменьшить прижим. 

В первом рассмотренном случае нет возможности снизить прижим, поскольку он и так был минимальным при высокой скорости гофролинии.

Также мы рекомендуем использовать настройки на сушильном столе, изменяя давление пара от низкого к высокому. Когда гофрокартон выходит на сушильный стол, температура внешнего лайнера – порядка 70 ^оС. Когда гофрокартон проходит через сушильне плиты, он нагревается, а теплоотдача от сушильных плит к гофрокартону регулируется температурным дифференциалом между температурой плит и температурой гофрокартона. То есть если уменьшать давление пара, то температура сушильных плит снижается, а температура гофрокартона увеличивается, соответственно падает эффективность теплоотдачи от сушильных плит гофрокартону. При работе с противоположными настройками – от низкого давления до высокого – возрастает температура сушильных плит и гофрокартона, то есть температурный дифференциал сохраняется, что приводит к более эффективной теплоотдаче. 

Поэтому рекомендуется использовать режим давления от низкого до высокого и полную загрузку прижима на максимальной скорости гофроагрегата.

Настройки по натяжению бумаги

Температура – важный критерий, но также необходимо не забывать о натяжении полотна. При натяжении бумаги в машинном положении полотно растягивается, что приводит к сжатию полотна в поперечном направлении. Чем более низкограммажный лайнер растягивается, тем больше получается изменение лайнера в машинном и поперечном направлении. 

Часто на поверхности гофрокартона появляются длинные и узкие пузыри, обычно в середине полотна. Почему так бывает? Когда полотно растягивают в машинном направлении, на краях оно не поддерживаемое и не ограничено в сжатии. Однако в центре полотно более зафиксировано и не может изменяться так же свободно, как на краях, поэтому при довольно сильном натяжении происходит возникновение бугров. Чем больше флютинга на 1 л.м, тем большее количество клея используется на лайнере и тем больше лайнер изменяет размеры, что вместе с растяжением приводит к пузырям.

Чтобы избежать таких проблем, необходимо помнить, что при снижении граммажа лайнера или флютинга необходимо также снижать настройки по натяжению полотна (рис. 9).

Пост-коробление

Кроме прочего, необходимо помнить о влажности гофрокартона. После производства картон основы имеет влажность в зависимости от типа от 7 до 10%, и в процессе гофрирования влажность меняется. Поэтому на финальной стадии влажность внутреннего и внешнего слоя может быть разной по сравнению с той, которая была в начале процесса. После производства гофрокартон может быть плоским, однако после кондиционирования возникают проблемы с короблением вверх и вниз. Причиной этого может быть нанесение большего количества клея на гофропрессе и меньшего на клеильной машине. Соответственно, влажность внутреннего лайнера более высокая, и после высыхания получается коробление. Поэтому мы рекомендуем работать не с клеевыми зазорами, а с обхватом подогревателя. Если этот вариант не дал желаемых результатов, необходимо несколько изменить натяжение полотна, при этом уменьшается контакт с бумагой и подогревателем и увеличивается теплоотдача. И только если и в этом случае не удалось получить плоский гофрокартон, рекомендуется использовать настройки клеильных зазоров.