Склейка под контролем

На вебинаре, организованном техническими специалистами компании Mondi, Александр Стафеев, ведущий инженер-технолог АО «Монди СЛПК», рассказал о практических аспектах процесса склейки гофрокартона, о рекомендациях по рецептуре клея для мокрой части гофроагрегата, параметрах и требованиях к качеству сырья, от которого сильно зависит качество склейки, о новых методах измерения показателя впитываемости и некоторых параметрах по визуализации ориентиров клеевых линий, используя доступный метод.

На рис. 1 показаны основные факторы, влияющие на склеивание слоев гофрокартона на гофроагрегате.
 
Процесс склейки представляет собой (рис. 2) процесс нанесения клея на вершины гофров клеевым валом, и далее происходит контакт с плоским слоем. Здесь происходит процесс теплопередачи, он продолжается по мере прохождения флютинга от клеевого вала на прижимной вал, и далее при прохождении флютинга через точку прижима происходит присоединение лайнера при высоком давлении. Из-за высокого давления первичная часть крахмального клея глубоко вдавливается в бумагу, в дальнейшем происходит набухание крахмальных зерен клея, при этом вязкость начинает быстро расти и формируется так называемая зеленая первичная склейка. В конечном итоге при высушивании гофрокартона клеевой шов созревает, и прочность склейки возрастает. Впитывание клея в флютинг и лайнер является существенным фактором для получения хорошей качественной склейки и, соответственно, получения качественной упаковки. 
 
На рис. 3 представлено графически, как выглядит процесс склеивания. График иллюстрирует изменение вязкости клея на основе крахмала после его нанесения на вершины гофры и контакта с лайнером при изготовлении гофрокартона. Ось Х – время, ось У – вязкость крахмального клея.

На этом графике видно, что процесс склеивания (этапы смачивания, впитывания, этап формирования зеленой склейки) происходит в доли секунды, и последний этап сваривания крахмального клея уже формирует клеевой шов. 

На рис. 4 мы видим, как выглядят этапы склеивания под микроскопом для полной визуализации картины. Для этого на первом этапе смачивания клей нагревается предварительно нагретым флютингом, снижается вязкость клея, что облегчает смачивание бумажной поверхности бумаги для гофрирования и лайнера. На этапе впитывания – лайнер и флютинг, склеиваемые под давлением. Клей проникает во флютинг и лайнер, обеспечивая первоначальное хрупкое сцепление. На третьем этапе «зеленая склейка» теплопередачи через бумагу клею дает быстрое увеличение вязкости, поскольку гранулы крахмала набухают и растворяются. Это обеспечивает «зеленую связь», которая должна быть достаточно прочной, чтобы противостоять последующим механическим воздействиям, проходя дальнейшие этапы переработки. И последний этап сваривания – когда гофрокартон полностью высыхает, связь полностью вызревает, крахмальный клей полностью сформировывает клеевой шов между флютингом и лайнером (рис. 5). 
 
На рис. 6 представлена рецептура клея. Существует общая рекомендация о применении рецептуры клея для гофропресса и клеильной машины. Например, для гофропресса время от нанесения клея и до соприкосновения двух бумаг составляет доли секунды, а именно около 0,06 секунды. Время проникновения клея под прижимной валик здесь намного короче. В зависимости от температуры гелеобразования клей желатинизируется через одну-две секунды. То есть примерно через 10 минут на накопительном столе мы получаем прочное склеивание двухслойного гофрокартона. Если говорить об узле клеильной машины, то это – более длительное время формирования связи: от нанесения клея до начала проникновения в бумагу и до соединения с нижним лайнером требуется в пять раз больше времени по сравнению с гофропрессом. Расстояние от места нанесения клея до места склеивания – порядка полутора метров. Для проникновения клея в лайнер используется значительно меньшее линейное давление прижима на сушильном столе.

Подведем итоги по процессу склеивания. Какие есть основные различия? Для гофропресса: очень короткое время контакта перед склеиванием флютинга и лайнера, очень высокое давление прижима, хороший коэффициент теплопередачи. 

Клеильная машина: более долгое время контакта перед склеиванием двухслойного гофрокартона и лайнера, низкое давление, плохой теплообмен, так как нагрев происходит только с одной стороны гофрокартона. Вот почему мы рекомендуем выдерживать температурный каскад слоев перед входом в сушильный стол. 

Основные итоги по рецептуре клея. Какие существуют различия? На гофропрессе – важно понимать, что там должна быть высокая температура гелеобразования клея, низкое содержание сухих веществ, более низкая вязкость клея из-за короткого времени склеивания. На клеильной машине должно быть низкое гелеобразование клея, более высокое содержание сухих веществ, более высокая вязкость, поскольку на этой позиции происходит долгое время склеивания.

Безусловно, сам клей должен быть нанесен в правильном количестве на вершины гофров. Нанесение качественного клея должно происходить постоянно на всех скоростях гофроагрегата.

Комментарий Ивана Овчаренко, ведущего инженера-технолога сервиса крахмалов ООО «Каргилл»

По рекомендациям рецептуры клея – это информация к размышлению. На гофропрессе даже на скорости 60 м/мин. от момента нанесения клея до момента попадания под прессовый вал проходит всего 0,2 секунды. А если мы возьмем профиль В со средним количеством вершин на погонном метре 190, то нахождение непосредственно под гладким валом у нас вообще ограничивается 1/190-й долей секунды. Поэтому я задался вопросом: а почему на гофроагрегате при таком коротком времени клей должен быть с более низкой вязкостью, с более низкой температурой гелеобразования? Потому, что если мы выйдем на скорость 300 м/мин., то те значения, которые я упоминал, увеличатся еще в 5 раз, время нахождения под гладким валом еще больше сокращается – почти до нуля. Таким образом, на высоких скоростях при недостижении температуры гелеобразования мы получаем на выходе сухую расклейку – белые полосы с высушенными гранулами крахмала.

Александ Стафеев
 
Далее мы поговорим о сырье. В отрасли существует ряд методов для прогнозирования качества склейки. На рис. 6 показан самый распространенный метод Кобба, который показывает, какое количество воды в граммах впитается на поверхность бумаги или картона за определенное время. На графике показано, что два лайнера могут иметь один уровень впитываемости по Коббу по окончании тестирования, равный 35 г, мы увидим различный уровень впитываемости по времени. Если мы посмотрим на оранжевый график, то увидим, что с первых секунд впитываемость воды начинает значительно увеличиваться. И этот эффект улучшенной впитываемости картона мы наблюдаем на наших картонах низких граммажей, таких как топ-лайнер 105 г/м² и беленый двухслойный картон массой 90 г/м2, так как сеточная сторона этого картона была модифицирована для лучшего проникновения крахмального клея.
 
На рис. 7 мы видим метод Drop Test, отражающий скорость впитываемости капли воды, помещенной на образец (измеряется в секундах). Этот метод в большинстве случаев показателен для тестирования непроклеенных видов бумаг или картонов.

Также хочу рассказать о новых методах измерения впитываемости, которые позволяют отследить параметры не только в статическом состоянии, но и в динамическом. Например, на рис. 8 показан динамический угол смачивания, в отличие от предыдущих статических методов измерения. Впитываемость воды можно измерить, посмотрев на изменение объемов капли воды. Угол смачиваемости зависит от силы взаимодействия молекул воды и молекул, образующих поверхность. Также есть зависимость от шероховатости поверхности, воздухопроницаемости бумаги и картона: насколько открыты поры бумаги или картона – это характеризует параметр воздухопроницаемости. Высокие значения угла означают низкую смачиваемость поверхности, то есть капли воды остаются на поверхности и не впитываются, так как низкие значения угла означают более высокую смачиваемость поверхности.

Несомненно, в этом методе анализируется и динамика изменения капли воды во времени – как динамически происходит изменение капли воды от первоначального состояния.

На рис. 9 показан прибор – анализатор динамической впитываемости, который позволяет измерять коэффициент пропускания ультразвуковых волн через среду и произвести оценку впитывания, гидрофобности или степень проклейки бумаги. На принципиальной схеме виден принцип работы этих приборов: УЗ-передатчик, среда, в которой находится образец, образец бумаги или картона, который закреплен клейкой лентой на пластину, и УЗ-приемник. Основной принцип работы заключается в прогнозировании взаимодействия бумаги с различными средами (такими как вода, минеральное масло, чернила, крахмалы и т. д.). Эти приборы позволяют в режиме реального времени построить графики и показать различные динамические характеристики, такие как смачиваемость поверхности или же капиллярная впитываемость волокон бумаги или картона. 

На рис. 10 показан контроль клеенанесения. Йодный тест или йодная проба – один из самых точных методов оценки контроля точности нанесения крахмального клея и определения его количества в процессе производства гофрокартона. Для проведения этого теста нам понадобится йод, емкость для размокания гофрокартона, кисть или опрыскиватель. Мы часто видим, что в специально отведенных местах на гофропроизводстве находятся ванны, емкости, где выполняется йод-тест. На рис. 10 (справа) показан пример хорошей производственной практики. 
 
На рис. 11 при исследовании многослойного гофрокартона рекомендуется в первую очередь отметить слои для идентификации: направление движения полотна, операторская, приводная сторона. Позиция: гофропресс или клеильная машина. При нанесении небольшого количества йодного раствора при помощи опрыскивателя на слой бумаги можно сделать выводы о качестве, толщине линий нанесения клея. Линии нанесения клея гораздо лучше исследовать после высыхания образца, так как в таком состоянии краска видна более ясно. При изготовлении йодного раствора используйте холодную воду и небольшое количество йода, достаточное для окраски воды в светло-коричневый свет, потому что при избыточном количестве йода будет гораздо сложнее анализировать йодные линии.

На следующих рисунках представлены визуальные ориентиры клеевых линий. Что мы должны оценивать при тестировании йод-теста? В первую очередь, конечно, сравнить количество нанесения клея, сравнить клееперенос флютинга, лайнера, проверить однородность клеевых линий, ширину клеевого шва, толщину полоски клея, также можем оценить состояние клеенаносящего вала, скоростной режим клеепереноса.

На рис. 12 показана нормальная аппликация крахмального клея при тестировании йод-тестом на лайнере. С позиции гофропресса клей нанесен равномерно: нет смещения или размазывания, параллельность клеевых линий по толщине мы видим. С позиции клеевой машины мы видим, что клей также нанесен ровно, нет перемычек или размазывания клеевой структуры.На следующих рисунках будут представлены распространенные ошибки: дефекты клеенанесения. 
 
На рис. 13 показаны большое и малое клее-нанесение на гофропрессе. Повторюсь о необходимости клеепереноса как на флютинге, так и на лайнере. На рис. 14 показаны высокая и низкая вязкость крахмального клея на гофропрессе – йод-тест, длинная текстура.
 
На рис. 15 показано, как выглядит йод-тест, если загрязнен клеевой вал или большой вал между клеевым и нижним гофровалом. Также видим такие дефекты, как нитевидные перемычки, несоответствие скоростей.

Образование линий гребенок, сухих прожилок, вакуумных линий отображено на рис. 16. Если попала пыль или клей гелеобразовался – происходит плохое клеенанесение. 
 
Следующие рисунки посвящены дефектам скомкивания бумаги, соотношению скоростей (рис. 17). Если мы говорим о позиции клеильной машины, то дефекты явно проявляют себя: большое и малое клеенанесение (рис. 18), низкая и высокая вязкость крахмального клея (рис. 19). Дефекты между собой похожи, но, используя эти рисунки, можно проанализировать, чтобы понимать, какие настройки необходимо устанавливать на линии.
 
На рис. 20 мы видим дефекты в случае загрязнения клеевого вала, клеевые перемычки.

Вопросы – ответы. Отвечает Иван Овчаренко, ведущий инженер-технолог сервиса крахмалов ООО «Каргилл»

Какие рекомендации по PH клея из пшеничного крахмала?

■    И у пшеничного, и у кукурузного крахмала PH будет в одном и том же диапазоне. Мы с помощью каустика в любом случае приводим его в щелочную сторону, где величина этого показателя будет составлять около 12. 

Какая длительность хранения клея в спокойном состоянии в расходных емкостях?

■    Это очень индивидуально и будет зависеть от окружающей обстановки и среды, где хранится клей. При более высокой температуре окружающей среды время хранения будет снижаться, поскольку микроорганизмы будут развиваться более активно. Поэтому без использования биоцидов и каких-либо специальных средств клей будет довольно быстро терять вязкость, приходя в негодность. Если же условия хранения хорошие, то в течение трех дней клей можно хранить без потери качества.

Вискозиметр Stain Hall и отечественный ВЗ 4 – это одно и то же или это разные приборы?

■    Это два разных вискозиметра. Отечественный хуже вискозиметра Stain Hall тем, что в нем измерение ведется до момента разрыва струи, а если у нас высоковязкие жидкости измерять ВЗ-4, то разрыв струи произойдет тогда, когда в вискозиметре может оставаться еще большое количество клея. А в вискозиметре Stain Hall независимо от вязкости мы весь объем клея прогоняем через отверстие и, соответственно, снимаем время. Но если эта вязкость в рекомендованном диапазоне – порядка 50–70 секунд, то тогда можно использовать ВЗ-4.

В чем причина большого расхода клея?

■    Скорее всего, проблема в температурных режимах. Потому что влажность мы снижаем как раз за счет высокой температуры, с помощью клея мы ее так не нагоним. Сколько бы мы клея не добавляли, значительно повысить влажность не получится. Поэтому надо подбирать рецепт клея, снижать температуру по максимуму, насколько это возможно, и тогда меньше придется «выравнивать» показатели. А те, кто работает на пшеничном крахмале, отмечают значительное снижение его расхода, если речь идет не о кашировании, а о производстве 3-, 5-, 7-слойного гофрокартона.