Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 7
1.1 Равномерность дисперсно-анизотропной структуры бумаги 7
1.2 Методы анализа и измерения равномерности макростуктуры бумаги 17
1.3 Взаимосвязь равномерности формования макроструктуры бумаги с группами потребительских свойств
1.4 Выводы по обзору литературы. Постановка цели и задач эксперимента 42
2 Методическая часть 44
2.1 Размол целлюлозных волокнистых полуфабрикатов 44
2.1.1 Проведение размола в лабораторном ролле 44
2.1.2 Проведение размола в мельнице Йокро 45
2.1.3 Определение степени помола 47
2.2 Фракционирование волокнистых полуфабрикатов 48
2.3 Определение структурно-морфологических характеристик волокон целлюлозных полуфабрикатов 49
2.4 Изготовление лабораторных образцов бумаги 52
2.5 Определение равномерности формирования макроструктуры бумаги лабораторного и промышленного изготовления 52
2.5.1 Определение характеристик неоднородности при помощи фотосканера HP
Scanjet G2710 и программы для количественной неоднородности структуры 52
бумаги на просвет
2.5.2 Определение равномерности формирования на анализаторе формования PTA-Line Formation Tester 57
2.5.2.1 Обработка результатов оптического сканирования структуры бумаги с помощью амплитудно-частотного преобразования Фурье 57
2.5.2.2 Количественная оценка неоднородности структуры бумаги с помощью
анализатора PTA-Line Formation Tester 61
2.6 Определение свойств бумаги лабораторного и промышленного изготовления 63
2.6.1 Подготовка образцов к испытаниям 63
2.6.2 Определение массы 1 м2, толщины и плотности 63
2.6.3 Определение зольности 63
2.6.4 Определение характеристик прочности образцов 63
2.6.5 Определение характеристик деформативности при растяжении 64
2.7 Статистическая обработка результатов исследований 66
3 Экспериментальная часть 68
3.1 Совершенствование методики оценки равномерности формования макроструктуры бумаги способом оптического сканирования 68
3.2 Анализ изменения параметров оптической неоднородности структуры бумаги в зависимости от технологических факторов
3.2.1 Влияние массы 1 м2 бумаги и степени разработки волокон 82
3.2.2 Влияние вида волокна и условий размола 87
3.2.3 Влияние структурно-морфологических свойств волокон полуфабрикатов 95
3.2.4 Влияние флокулирующих добавок 101
3.3 Сопоставление способов оценки оптической неоднородности структуры бумаги 105
3.3.1 Сопоставление способов оценки неоднородности просвета бумаги 105
3.3.2 Разработка алгоритма и программного обеспечения для объемной 109
визуализации равномерности макроструктуры бумаги
3.4 Перспективы практического использования метода оценки равномерности формования макроструктуры бумаги 115
Общие выводы 132
Список использованных источников
- Методы анализа и измерения равномерности макростуктуры бумаги
- Определение структурно-морфологических характеристик волокон целлюлозных полуфабрикатов
- Подготовка образцов к испытаниям
- Сопоставление способов оценки оптической неоднородности структуры бумаги
Введение к работе
Актуальность темы. Структура бумаги, как материала, характеризующегося дискретно-анизотропным распределением компонентов, формируется в условиях большей или меньшей степени технологической и статистической неоднородности. При прочих равных условиях (постоянство композиции по волокну и химикатам, концентрации бумажной массы, степени разработки волокон, массы 1м2, конструкции напускного устройства и формующей части БДМ) обеспечение равномерности макро- и микроструктуры бумажного листа является приоритетным условием достижения высокого уровня потребительских характеристик продукции. Максимально возможная равномерность формования (просвета) структуры бумаги, в сравнении с аналогами, гарантирует высокий и стабильный уровень физико-механических характеристик, печатных свойств, постоянство линейных размеров, а также толщины и массы 1м2 на локальных участках материала.
Вместе с тем, проблема качественной и количественной оценки равномерности формования макро- и микроструктуры целлюлозных материалов до настоящего времени находится в стадии решения как с позиций теоретического обоснования и описания, так и в прикладном (производственном) аспекте.
Одним из основных направлений исследований взаимосвязей между равномерностью структуры и потребительскими свойствами бумаги становится использование принципов и подходов, объединяющих в себе современные достижения технологии бумаги, вычислительных методов и информационных технологий. Немаловажно, чтобы результаты подобных мультидисциплинарных исследований способствовали разработке и внедрению в практическую деятельность доступных, экономичных методов контроля, анализа и совершенствования равномерности формования бумаги.
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы – реализация метода оптического сканирования и визуализации макроструктуры бумаги для анализа однородности ее формования.
Для достижения цели сформулированы и решены следующие задачи:
1. По результатам исследований лабораторных образцов бумаги предложен
ным методом оптического сканирования усовершенствовать методику и разрабо
тать программное обеспечение для оценки равномерности распределения компо
нентов макроструктуры в плоскости бумажного листа.
2. Проанализировать воздействие основных технологических факторов
(масса 1м2, интенсивность и условия размола, вид и свойства волокон целлюлозы,
добавка флокулянтов) на равномерность формирования и параметры оптической
неоднородности макроструктуры бумаги.
3. Сопоставить методы оптического сканирования макроструктуры бумаги
и разработать программное обеспечение для визуализации и анализа распределе
ния неоднородностей в объеме листа.
4. Проанализировать качество формования промышленной бумаги с ис
пользованием разработанного метода и программных продуктов.
Научная новизна. Разработан метод комплексной оценки равномерности просвета бумаги, включающий оптическое сканирование образцов в проходящем свете, расчет характеристик и компьютерную визуализацию однородности формования макроструктуры в плоскости и объеме листа с использованием авторского программного обеспечения.
Установлены диапазоны изменения параметров качества формования лабораторных и производственных образцов бумаги из небеленой и беленой целлюлозы в зависимости от варьирования влияющих факторов: условий размола и степени помола, вида волокна и его фракционного состава, массы 1м2 бумаги, добавки флокулирующих реагентов, зольности.
Применительно к различным видам бумаги получены новые данные о количественных значениях индекса формования (Iф) макроструктуры, рассчитываемого с использованием амплитудно-частотного Фурье-анализа. Установлено и обосновано отсутствие количественных взаимосвязей между характеристиками однородности формования, измеряемыми на основе принципа оптического сканирования структуры в проходящем свете, и физико-механическими свойствами бумаги.
Практическая ценность. Полученные экспериментальные данные о значениях характеристик однородности формования офисных видов бумаги и результаты визуализации равномерности их макроструктуры могут быть использованы для количественного производственного контроля качества просвета готовой продукции. Программное обеспечение для визуализации и анализа однородности распределения компонентов в плоскости и объеме листа защищено свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ в Роспатенте.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на I, II и IV международных научно-технических конференциях «Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов» (Архангельск, 2011, 2013 и 2017 г), а также на ежегодных научно-технических конференциях Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова (2009–2013 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получены 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя: введение; аналитический обзор литературы; методическую часть; экспериментальную часть, состоящую из четырех разделов; общие выводы; приложения. Содержание работы изложено на 149 страницах, включая 51 рисунок и 22 таблицы, библиографический список из 167 наименований.
Методы анализа и измерения равномерности макростуктуры бумаги
Одним из признаков бумаги как материала является полидисперсность элементов структуры, фазовая неоднородность, которые обусловливают определенную степень пористости. В известной теоретической работе H. Corte и C. Dodson [18] обосновали, что бумага относится к твердым пористым системам, поскольку соответствует критерию дискретности свободного объема. Так же как и сама твердая матрица, свободный объём может быть разделен на отдельные структурные элементы – поры, отличающиеся размером, формой, характером связи между собой и формирующие чаще всего непрерывную в пространстве открытую пористую структуру твердого тела. Организация пористой структуры материала непосредственным образом связана с организацией структуры его твердой части. Пористой структуре могут быть свойственны регулярность и иерархия в построении элементов [18].
В.И. Комаров в монографии [64], анализируя теории формирования и модели структуры бумаги, отмечает, применительно к мозаичной модели структуры, сложности и причины для количественного описания и единого понимания процессов, происходящих на микро- и макроуровне. Механические свойства бумаги определяются ее макроструктурными элементами – пересечения волокон, свободные сегменты волокна и пустоты. Для целей моделирования необходимо определить объемы составляющих структуры: связей, свободных сегментов и пустот. Непосредственно измерить число контактов в листе бумаги фактически невозможно, потому что размеры волокна и связей малы, а бумага достаточно жесткий материал. Описание геометрической структуры бумаги в сильной степени осложняется тем, что волокна в структуре различны по размерам и форме, не одинаково ориентированы. Кроме того, значительную долю объема листа занимают пустоты (капилляры) различных конфигураций и размеров [64].
Также В.И. Комаров дает трактовку понятий микро- и макроструктура бумажного листа, причем делает это через методы исследования и оценки структуры материала, которые подразделяются на две группы [64]: - изучение микроструктуры бумаги (исследование отдельных элементов композиции, степени связанности этих элементов, их ориентации в плоскости листа и по его толщине, фракционного распределения первичных структурных элементов по толщине листа); - изучение макроструктуры бумаги (строение и связи ориентированных вторичных элементов). Макроскопическое механическое поведение материалов удобно описывать с помощью деформации, которую создают напряжение, температура и время. Идеализированными схемами такого поведения являются упругость, пластичность, ползучесть, релаксация и упругое последействие.
С этих позиций исследование равномерности формирования (просвета) бумаги в настоящей диссертационной работе также относится к группе методов изучения макроструктуры, поскольку оптические способы оценки качества формования не распространяются на элементы микроструктуры (отдельные волокна и компоненты композиции, распределение и связи между ними, поры и пр.).
В диссертационной работе Ю.-А. Ю. Сташкявичуса [76], посвященной важнейшему вопросу – анизотропии свойств бумаги и методам ее оценки, сформулированы следующие особенности структуры бумаги: «а) сложный гетерогенный состав элементов структуры, характеризуемый наличием в композиции бумаги как относительно длинных, так и коротких волокон различного происхождения (в основном растительных, реже синтетических и минеральных), а также наполняющих, проклеивающих и окрашивающих веществ. Растительные волокна, являющиеся основой структуры большинства видов бумаги, отличаются между собой своим строением и свойствами, определяемыми видом волокнистого сырья и методами его обработки; б) анизотропное расположение элементов структуры по трем ее взаимно перпендикулярным направлениям, характеризуемое различием в ориентации волокон, в расположении их по размерам, а также в распределении проклеивающих, окрашивающих веществ, наполнителей и включений воздуха. Эта анизотропность структуры определяется в основном методами изготовления бумаги и используемым при этом оборудованием. Она, в свою очередь, оказывает влияние на анизотропию по направлениям бумажного полотна основных свойств бумаги. На анизотропию свойств бумаги влияние оказывает и влияние склонность волокон к хлопьеобразованию; в) капиллярно-пористый коллоидный характер структуры, обуславливает такие свойства бумаги, как впитывающая способность, воздухопроницаемость, гигроскопичность, деформация бумаги при изменении ее влажности, необратимое изменение свойств бумаги в результате ее сушки и др. г) наличие сил связи между элементами структуры бумаги, определяет механическую прочность и другие свойства бумаги. д) для большинства структур бумаги характерна разносторонность, т. е. различие свойств обеих поверхностей бумажного полотна. Это обусловлено не только анизотропией в расположении элементов структуры, но также различием в рельефе поверхностей бумаги под влиянием того, что обычно одна из поверхностей соприкасается с сеткой, а другая — с сукном. Соответствующие отпечатки (маркировка) па поверхности бумаги и определяют различие рельефа обеих сторон бумажного полотна. Сеточная сторона бумаги обычно менее гладкая и более пористая» [76].
Подобных подходов с технологической точки зрения придерживаются Д.М. Фляте, А.С. Смолин и другие авторы [52, 59, 60, 93, 111, 121], отмечая, что имеющиеся у технологов возможности обеспечивают широкие пределы изменения многих свойств бумаги за счет управления равномерностью структуры.
Проблема неоднородности структуры бумаги анализируется и с точки зрения экономической эффективности. Так, M. Nazhad и O. Ramezani [30–33] на основе исследования просвета лабораторных отливок оценивали экономические потери, причиной которых послужила неравномерность структуры бумаги. Неоднородность структуры лабораторных отливок определялась с помощью нормализованного индекса формования. Авторы установили, что лабораторные отливки, имевшие более однородную структуру, были как минимум на 30% прочнее, чем отливки с облачным просветом. При этом просвет бумаги, произведенной на БДМ, примерно в 2 раза ниже, чем у лабораторных образцов, что объясняется главным образом большой разницей в концентрации суспензий, а изотропным характером лабораторных отливок [32].
M. Hubbe [78] считает, что однородность бумаги возможно увеличить до такой степени, что ее прочностные характеристики будут эквивалентны бумаге с той же композицией, но с увеличенной примерно на 10% массой 1м2. Таким образом, производство бумаги с более однородным просветом дает возможность сократить массу 1м2 бумаги экономить до 10% сырья при сохранении прочности и других характеристик качества.
Определение структурно-морфологических характеристик волокон целлюлозных полуфабрикатов
Вместе с тем, результаты представляют интерес лишь с позиций качественной направленности, поскольку данные о корреляционных взаимосвязях в указанных сериях экспериментов автором [79] не приведены.
В работах Я.В. Казакова и О.С. Беляева [130, 131] представлены результаты комплексных исследований характеристик макроструктуры крафт-лайнера, в том числе с использованием ультразвукового неразрушающего контроля анизотропии жесткости при растяжении с помощью TSO-тестера Lorenzen&Wettre и анализатора формования PTA-Line Formation Tester. Авторы выполнили подробный статистический анализ неоднородности макроструктуры картона в различных аспекта и установили зависимости вариации характеристик от массы 1 м2 и других факторов. В одном из выводов отмечена возможность прогнозирования сопротивления продавливанию с учетом неоднородности структуры картона, оцениваемой с помощью индекса формования и отдельных классов размеров неоднородностей (1, 3 и 6 мм) [125].
Также в выводах по работе [125] авторами сделано предположение о возможности прогнозирования жесткости при изгибе и показателя SCT картона на основе их корреляции с толщиной, характеристиками TSO-тестера, а также «с учетом неоднородности структуры картона, оцениваемой на анализаторе формования». Однако представленные значения коэффициентов корреляции между характеристиками просвета и физико-механическими показателями картона не подтвердили наличие взаимосвязей в силу низкого уровня (ниже уровня значимости для исследованного объема выборки).
В прикладных работах французского центра технологии бумаги с использованием параметров оценки равномерности формования (индекс формования, распределение флоккул по классам размеров), используемых в приборах PTA-Line Formation Tester [124] и 2D FSensor - Lab formation Sensor [167], продемонстрированы качественные соотношения между просветом, размером флокул и отдельными показателями бумаги.
Так, для флютинга лучшее измеряемое качество формования и лучший визуальный просвет зафиксирован при монотонном снижении количества флокул в классах размеров от 1мм до 16мм (рисунок 1.5, а) и общем индексе формования 140. При этом наблюдалось более низкий уровень значений сопротивления сжатию в поперечном направлении по методу RCT. Более высокие значения RCT показали образцы флютинга с формально худшим формованием (при индексе – 180) и распределением флокул по классам размеров, указанным на рисунке 1.5, б. Третий, самый хаотичный, вариант распределения флокул в структуре флютинга по классам размеров также соответствовал индексу формования 180 (рисунок 1.5, в). При этом были отмечены нестабильность работы и повышение обрывности полотна в мокрой части БДМ.
Оценке влияния неоднородности макроструктуры бумаги на качество печати в целом и на отдельные аспекты показателей потребительских свойств посвящено значительное количество исследований. Результаты, полученные за последние 25 лет, проанализированы и представлены в обобщенном виде в работе В.Н. Леонтьева [90]. Автор справедливо отмечает, что их появлению способствовала разработка широкого спектра средств объективного контроля качества печати и характеристик структуры бумаги.
В частности, качество печати применительно к газетной бумаге исследовали J. Bernie и J. Douglas [102]. Они установили корреляционную связь между равномерностью формования и качеством печати разновидностей газетной бумаги и пришли к выводу, что наивысший эффект корреляции между оттиском и неоднородностью формования наблюдается в пределах шкалы измерений 4-8 мм с коэффициентом корреляции равным 0,56.
Кроме того, в работах [102, 103] J. Bernie, J. Romanetti и J. Douglas исследовали формование бумаги с целью прогнозирования качества печати, используя принцип разделения масштаба формования на отдельные шкалы в диапазоне 0,6–37 мм, и
установили, что наибольший коэффициент корреляции между оценками формования и оценками качества печати участков сплошной заливки на газетной бумаге составил 0,6.
I. M. Kajanto [56], показал, что формование отвечает примерно за 25 % колебаний оптической плотности и неравномерности оттиска на некаландрированных видах бумаги для печати. Воздействие каландрирования увеличивало влияние качества формования на неоднородность оттиска. Значение коэффициентов корреляции по его данным достигало до 0,6.
M. Farell, J.Chen и D. Lauber [133], пришли к выводу, что такие технологические параметры, как длина волокна, степень помола и степень удержания, опосредованно влияют на свойства бумаги для печати, обусловленные равномерностью формования: пористость и гладкость, которые, в свою очередь, влияют на параметры качества печати.
P.O. Trollsas [134] исследовал влияние небольших колебаний плотности поверхности бумаги на качество печати применительно к двум способам: высокой печати с фотополимерной печатной формой и офсетной печати. Было установлено, что равномерность бумаги, выраженная в виде колебаний плотности поверхности с помощью коэффициента вариации, влияет на перенос краски, колебания оптической плотности и растискивание оттиска. C. Ness и L. Gottsching [135] оценивали взаимосвязь между качеством формованием и пятнистостью оттиска при печати областей сплошной заливки применительно к офсетным видам бумаги из целлюлозных волокон (без механической массы в композиции) без покрытия. Авторы показали наличие корреляция между неоднородностью бумаги, измеренной в проходящем свете, и распределением краски, измеренном в отраженном свете. Коэффициент корреляции составил 0,63. P.M. Shallhorn и H.U. Heinze [136] продемонстрировали существование взаимосвязи между равномерностью формования, измеренной оптическим способом, и однородностью офсетных оттисков на тонких видах целлюлозной офсетной бумаги с коэффициентом корреляции 0,41. I.M. Kajanto в подобной работе [137] нашел зависимость и положительную корреляцию между равномерностью формования по методу Ambertec и неоднородностью оттиска на офсетных бумагах, которые особенно проявлялись при оценке качества печати в диапазоне от 2,1 и 6,3 мм. По мнению автора, неоднородность бумаги с позиции печатных свойств может быть снижена с помощью каландрирования на софт-каландре.
M.B. Lyne и B.D. Jordan [138] определяли показатели качества печати при различном освещении образцов, анализируя изображения с помощью Tapio Formation analyzer. Частотный анализ оттисков и неоднородности бумаги позволил установить что неоднородность бумаги, измеренная на основе обычного источника освещения, проявляет значительно более высокую корреляцию с качеством печати в диапазоне от 0,2 до 2,0мм (R = 0,55) по сравнению с неоднородностью бумаги, полученной на основе сканирования при помощи - излучения.
По мнению В.Н. Леонтьева [90], «данный вывод важен тем, что отражает отсутствие у исследователей неоднородности бумаги с помощью -излучения конечной цели. Если иметь в виду такой целью качество печати, то следует понимать, что -излучение позволяет измерять лишь локальные колебания массы, в то время как при взаимодействии обычного излучения с бумагой кроме массы участвуют поры, играющие важную роль в процессе взаимодействия с краской. Отсюда следует, что результаты, полученные авторами, на самом деле не являются чем-то неожиданным, а лишь объективно отражают существо проблемы».
Резюмируя представленные результаты исследований применительно к печатным видам бумаги, В.Н. Леонтьев [90] заключает, «что многообразие количественных оценок неоднородности бумаги связано со стремлением различных авторов получить более информативную оценку с точки зрения ее связи с качеством печати». Как показывают результаты, подвергнутые автором критическому анализу, объяснить неоднородность печати лишь неоднородностью бумаги не удается (коэффициент корреляции ни у кого из исследователей не оказывается выше 0,63) Это является дополнительным свидетельством того, что связь качества печати со свойствами бумаги более сложная.
Интересно, что практически такой же точки зрения придерживался Д.М. Фляте еще в 1980-х годах: «Как ни важен однородный просвет бумаги для печати, тем не менее, одна лишь характеристика просвета бумаги не дает возможности полностью оценить ее печатные свойства, так как не позволяет численно оценить такие важные печатные свойства, как ее сжимаемость, растяжимость, гладкость и впитывающую способность» [53].
Подготовка образцов к испытаниям
На первом этапе исследований выполнен критический анализ методики определения характеристик равномерности формования структуры бумаги, основанной на принципе оптического сканирования образцов, предложены и реализованы направления её совершенствования – сокращение времени на проведение испытаний, упрощение самой методики, а также компьютерная визуализация результатов измерений и их представление в электронной форме.
Экспериментальные данные для нахождения уровня и диапазонов варьирования характеристик равномерности просвета бумаги, их предварительной статистической обработки и использования при алгоритмизации и программировании получали на основе оптического сканирования изготовленных лабораторных образцов.
В качестве полуфабриката для изготовления лабораторных образцов использовали сульфатную хвойную небелёную целлюлозу нормального выхода, которая как длинноволокнистый и достаточно однородный по фракционному составу полуфабрикат имеет наибольшую склонность к флокуляции, по сравнению с другими волокнами.
В качестве материала-аналога рассматривали мешочную бумагу, которая преимущественно изготовляется как раз из хвойной небеленой целлюлозы, характеризуется достаточно широким диапазоном изменения массы 1м2, а показатели которой во-многом зависят от равномерности формования на БДМ.
Кроме того, при изготовлении лабораторных образцов мешочной бумаги из длинноволокнистой массы диапазоны изменения характеристик равномерности просвета дополнительно варьировали за счет двух других основных факторов – степени помола бумажной массы и добавки флокулянтов. Данные технологические факторы используются для регулирования качества продукции в производственных условиях.
Все лабораторные образцы бумаги с точки зрения распределения волокон в структуре являлись изотропными. Это позволило исключить влияние на равномерность формирования структуры ориентационных эффектов и анизотропии свойств, характерных для продукции промышленного изготовления.
Для получения первичной измерительной информации о равномерности распределения элементов в структуре образцов размером 3523мм использовали серийный оптический фотосканер с разрешением DPI до 2400 точек на дюйм (HP Scanjet G2710). Пиксельные изображения структуры образцов в проходящем свете, сгенерированные сканером в виде графических файлов формате .bmp, являлись исходными данными для разработки и апробации программного продукта «Программа для количественной оценки неоднородности структуры бумаги на просвет (Анализатор формования)» [157].
Алгоритм программы сочетает приём измерительной информации от оптического сканера в виде графического файла, визуализацию реальной структуры образца на просвет в плоскости, расчет и представление характеристик равномерности просвета, формирование базы данных сканированных изображений, экспорт результатов анализа.
Статистическая и математическая обработка с расчетом основных характеристик просвета в программе реализована на основе методики представленной в п. 2.5.1, т.е. использованы базовые характеристики, основанные на способности оптического излучения к проникновению сквозь материал: индекс просвета, неоднородность, светопропускание, контрастность и другие.
Помимо представления результатов измерения яркости отдельных точек образца, программа позволяет иллюстрировать динамику неравномерности формирования макроструктуры бумаги в зависимости от влияющих факторов. Для этого предусмотрено построение гистограммы распределения яркости. Варьирование яркости обрабатываемых точек позволяют анализировать неоднородность структуры листа бумаги на основе сопоставления параметров гистограмм распределения яркостей.
Примеры основного экранного интерфейса программы, а также опций распределения яркостей и профилей светового потока представлены на рисунке 3.1. fjf Экранный интерфейс программы для анализа формования макроструктуры листового материала: а – основное окно; б – опция гистограммы яркости; в – опция профиля светового потока Усовершенствованная методика оценки равномерности формования последовательно отработана и использована при анализе структуры трех серий лабораторных образцов из сульфатной хвойной небеленой целлюлозы. Вначале исследовали влияние на равномерность просвета массы 1м2 образцов-аналогов мешочной бумаги, которая составляла 60, 70, 80 и 90г. При этом были проанализированы две серии образцов: - из неразмолотой производственной массы со степенью помола 14ШР, волокна которой практически не разработаны, имеют низкую гибкость, способность к гидратации и образованию межволоконных водородных связей. Их флокуляция в основном должна проявляться за счет механических контактов грубых поверхностей клеточных стенок; - из массы, размолотой до 22ШР, что соответствует степени помола готовой массы, направляемой в смесительный насос на разбавление регистровой водой от БДМ. Волокна хвойной небеленой целлюлозы при данных условиях в максимальной степени сохраняют собственную прочность при одновременно высокой гибкости и достаточной для мешочной бумаги способности к образованию необходимого количества водородных связей в структуре листа. При этом флокуляция таких волокон в массе происходит преимущественно за счет поверхностных электрокинетических процессов и повышения вероятности контактов между волокнами вследствие внешнего и внутреннего фибриллирования. Результаты исследования указанных серий образцов представлены в таблицах 3.1 и 3.2, а также на рисунках 3.2 и 3.3. Экспериментальные данные позволили оценить границы диапазонов основных характеристик равномерности формования образцов из хвойной небелёной целлюлозы при изменении массы 1м2, а следовательно, и толщины лабораторных образцов бумаги, изготовленных из практически не обработанных и размолотых волокон: индекс просвета – 1,6…6,7; неоднородность просвета – 10… 18; светопропускание – 0,4…0,9; контрастность – 5…16; средняя яркость – 106…225.
Сопоставление способов оценки оптической неоднородности структуры бумаги
Показано, что зависимости достаточно точно аппроксимируются линейными уравнениями регрессии, причем данные для образцов бумаги промышленного изготовления более стабильны, и формируются в относительно узких диапазонах изменения качества формования. Области диапазонов варьирования качества формования промышленных образцов, четко разделяются для образцов бумаги из небеленых и беленых волокнистых полуфабрикатов.
Таким образом, метод измерения формования макроструктуры бумаги, основанный на использовании простейшего и доступного оптического устройства, а также, разработанное программное обеспечение являются альтернативой по отношению к существующим методам и устройствам оценки качества просвета, и в частности, методу определения индекса формования. Усовершенствованный метод, не уступая другим с точки зрения продолжительности анализа и чувствительности к изменению равномерности структуры целлюлозных материалов в широком диапазоне, является более конкурентоспособным по затратам.
Вместе с тем, анализ использования для оптического сканирования структуры бумаги в анализаторе формования PTA-Line Formation Tester дискретного светового излучателя (стробоскопа) и полученных экспериментальных данных, привел к заключению о возможности расширения массива получаемой информации за счет объемной визуализации исследуемых целлюлозно-бумажных материалов.
Результаты исследований равномерности формирования макроструктуры различных видов целлюлозно-бумажных материалов, выполненных с использованием методов оптического сканирования и анализа изображений в 2D-проекции, показали недостаточно полную возможность качественного сопоставления значений индекса формования (просвета). Прежде всего, это относится к объемной визуализации объектов исследований или промышленных видов бумаги, требующих оптимизации формования.
В частности, некоторое значение среднего индекса формования (например, Iф = 100) может служить количественной мерой оптической неоднородности структуры образцов, отличающихся по виду, композиции, массе 1м2 и др. Характерный пример изображений структуры производственных образцов, подобранных из различных этапов данного исследования, проиллюстрирован на рисунке 3.20. Даже без углубленной количественной оценки заметны различия характера распределения элементов в их структуре. При этом, указанное расчетное значение Iф, как коэффициент изменчивости распределения масс, может располагаться на границах или внутри диапазона значений, характерных для исследуемых видов образцов или готовой продукции.
Очевидно, что для практического использования необходим дополнительный методический инструмент, который позволил бы оперативно проводить качественный анализ результатов технологического регулирования равномерности формования бумаги. Таким инструментом может служить разработанное в рамках диссертационного исследования программное обеспечение PaperForming для 3D-визуализации и компьютерного анализа данных, получаемых методами оптического сканирования.
Схема укрупненного алгоритма обработки исходной измерительной информации при реализации процедуры визуализации приведена рисунке 3.21. Обрабатываемые данные заключены в прямоугольники, процедуры обработки – в эллипсовидные блоки. Поток управления, определяющий порядок вычислительных действий показан сплошными стрелками, потоки данных – пунктирами.
Исходное изображение, представляемое в растровом формате (.png, .jpeg), загружается в программу как матрица пикселей. Анализатор формования PTA-Line Formation Tester генерирует изображения размером 480480 пикселей. Для построения трёхмерной поверхности используются измеренные значения яркости. Яркость каждого пикселя задается одним байтом и, соответственно, принимает значения от 0 до 255. Сглаживание исходной матрицы яркостей позволяет перейти от анализа отдельных пикселей к анализу областей изображения. Для сглаживания применяется фильтр Гаусса [234]. Далее, на основе сглаженной матрицы яркостей строится полигональная сетка, которая затем интерполируется при помощи sinc-функций [235, 236], используемых для ускорения прорисовки поверхности.
Экранный интерфейс программы PaperForming: а – основное окно; б – построение медианы яркостей; в – построение координатной сетки; г – блок среднеквадратических отклонений яркости; д – просвет образца после обработки – вид сверху
При разработке программы использованы современные инструментальные средства: для написания кода – язык программирования C++; графический интерфейс пользователя разработан на основе классов библиотеки Qt [165]; построение трехмерных изображений и подготовка данных (например, сглаживающая фильтрация) – с помощью библиотеки VTK [166]. Перечисленные инструменты, как и само приложение, являются свободными и кроссплатформенными, т.е. не требуют лицензионного доступа.
Главной функцией программы является построение трехмерных поверхностей, демонстрирующих яркость различных областей исследуемых образцов бумаги. Графический интерфейс PaperForming и варианты опций представлены на рисунке 3.23.
Основную часть пользовательского окна занимает область визуализации данных в виде трехмерного изображения. Верхняя панель предназначена для открытия и сохранения файлов, а также для задания настроек изображений. При необходимости можно осуществлять дополнительные построения, позволяющие визуально оценить среднее значение (медиану), статистические параметры и отдельные экстремумы яркости. При отображении объемной структуры образца используются несколько цветовых схем: - «цветная» (в которой цвет зависит от уровня яркости, наиболее наглядная при отображении на экране компьютера); - «исходное изображение» (для сопоставления с поверхностью); - «черно-белая» (полезна при подготовке изображений к публикации). Поверхность можно отдалять, приближать и вращать. Также можно выбрать одну из проекций – сбоку, сверху и снизу (кнопки «1», «2», «3»). В правой части окна расположена область, служащая для отображения, анализа и редактирования параметров качества формования исследуемого объекта. Другая функция программы – связывание параметров качества с фотографиями образцов путем формирования локальной базы данных. Поддерживаются числовые (индекс формования, масса 1м2 и др.) и строковые (производитель, марка и др.) типы параметров. Также присутствует текстовое поле «заметка», предназначенное для ввода вспомогательной информации.