ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ СПОСОБ ОТСЛЕЖИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ДОБАВОК В БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ
FLUORESCENT METHOD OF TRACKING OF SURFACE ADDITIVES IN PAPERMAKING PROCESS

Область изобретения
Изобретение относится к отслеживанию и возможному регулированию добавления одной или более поверхностных добавок в бумагоделательном процессе.
Предпосылки создания изобретения
Существующая практика измерения количества поверхностных добавок обычно состоит из технологии разрушения полотна вручную и/или расчетов баланса массы, которые являются по своей природе относительными.
В случае переноса крахмала в клеильном прессе бумагоделательная машина (например, картонажная машина) будет во многих случаях наносить намного большее количество крахмала, добавляемого в бумагоделательный процесс, для того чтобы гарантировать, что на поверхности полотна удержится достаточно крахмала для предусматриваемой функции. Прошлые испытания включали применение дозирующего клеильного пресса, который позволял уменьшить крахмал благодаря технологии нанесения с помощью скребка. В то время как это позволяло существенно сократить крахмал в интервале от 50 до 70%, риск, связанный со сбоями из-за неожиданных и неконтролируемых колебаний переноса крахмала, оказался слишком велик. В результате многие бумагоделательные машины переделаны на клеильные прессы пудлингового типа для того, чтобы обеспечить достаточное количество крахмала, добавленного на полотно.
Поэтому потребовалось более точное и своевременное измерение количества поверхностных добавок на полотне. Это потенциально позволит бумагоделательной машине управлять скоростью добавления на очень низких уровнях, имея возможность быстро оценивать и регулировать статистически скорости добавления за пределами технических условий.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении предложен способ отслеживания и возможного регулирования добавления одной или более поверхностных добавок в бумагоделательный процесс, включающий следующие стадии: (а) добавление известного количества одной или более добавок в бумагоделательный процесс либо по отдельности, либо в известной пропорции с известным количеством одного или более инертных флуоресцентных индикаторов, при этом поверхностные добавки можно добавлять по отдельности, только когда поверхностные добавки обладают способностью к флуоресценции; (б) измерение флуоресценции поверхностных веществ и/или одного или более инертных флуоресцентных маркеров в точке, следующей за добавлением поверхностных добавок, и после формирования полотна, при этом поверхностные добавки можно измерить только тогда, когда они обладают способностью к флуоресценции, и при этом флуоресценцию измеряют с помощью флуорометра отражательного типа; (в) установление корреляции между величиной флуоресценции поверхностных добавок, когда они обладают способностью к флуоресценции, и/или инертных флуоресцентных маркеров на полотне и концентрацией поверхностных добавок в покрытии на полотне и/или толщиной покрытия на полотне; и (г) возможно, регулирование добавления одной или более поверхностных добавок в бумагоделательный процесс путем регулирования количества поверхностных добавок, добавленных в бумагоделательный процесс, в соответствии с толщиной покрытия на полотне и/или концентрацией поверхностных добавок в покрытии на полотне.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 показана схема работы флуорометра отражательного типа согласно одному из вариантов осуществления изобретения.
На Фиг.2 представлен график индивидуальной флуоресценции относительно индивидуального сухого переноса крахмала, показанного в сочетании крахмала и инертного флуоресцентного маркера.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Терминология:
«Бумагоделательный процесс»/«бумагоделательные процессы» - это процессы изготовления любых видов бумажной продукции (например, бумага, салфетки, картон и пр.) из волокнистой массы, включающей формирование водной целлюлозной массы для изготовления бумаги, дренирование массы для формирования полотна и сушку полотна. Стадии формирования бумажной массы, дренирования и сушки можно проводить любым традиционным способом, известным специалистам в данной области техники. Бумагоделательный процесс/процессы также могут включать стадию получения волокнистой массы, т.е. изготовления волокнистой массы из сырого древесного материала, и стадию отбеливания, т.е. химическую обработку волокнистой массы для улучшения белизны.
«Полотно»/«полотна» - это лист(листы), полученные в результате или во время бумагоделательного процесса/бумагоделательных процессов.
«Поверхностная добавка»/«поверхностные добавки» - это добавка(добавки) для изготовления бумаги, которые придают поверхности полотна одно или более химических и/или физических (например, механических) свойств. Например, полотно может быть бумажным полотном, салфеточным полотном, картонным полотном или любым иным типом полотна, полученного в результате бумагоделательного процесса. Например, придание химических свойств может обеспечить связывание «чернил» с бумагой более действенным образом.
NADH - это никотинамид-адениндинуклеотид восстановленный (в Н-форме) и/или его производные.
АТФ (АТР) означает аденозинтрифосфат.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
Как описано выше, одну или более добавок, добавленных в бумагоделательный процесс, отслеживают по флуорометрическому протоколу. Он требует, чтобы среда, подвергаемая флуоресценции, подходила для флуорометрических измерений, например, пленка покрытия возбуждена на всю глубину и регистрируют ее эмиссию. Специалист в данной области техники может определить это без излишних экспериментов.
Флуорометрический протокол включает следующие условия: (1) одна или более поверхностных добавок обладают способностью к флуоресценции, собственную и/или модифицированную для достижения флуоресценции, например, с помощью флуоресцирующего фрагмента или путем реагирования с находящейся в системе молекулой или с помощью других средств помимо собственных характеристик; (2) один или более инертных флуоресцентных маркеров добавлены в известной пропорции с поверхностными добавками; или (3) их сочетание.
Когда поверхностная добавка способна к флуоресценции, можно непосредственно установить корреляцию между флуоресценцией и концентрацией поверхностной добавки в покрытии/толщиной покрытия, содержащего поверхностную добавку, например калибровкой интенсивности флуоресценции по концентрации поверхностной добавки и/или толщине покрытия, содержащего поверхностную добавку. Специалист в данной области техники может осуществить такую процедуру без излишних экспериментов.
В одном из вариантов осуществления изобретения поверхностные добавки обладают собственной флуоресценцией.
В другом из вариантов осуществления изобретения к нефлуоресцирующим поверхностным добавкам может быть ковалентно присоединена флуоресцентная группировка. При этим функционализированные поверхностные добавки приобретают флуоресцентные свойства.
При использовании инертного флуоресцентного маркера его добавляют к поверхностной добавке в известной пропорции. Количество поверхностной добавки или толщину покрытия, содержащего поверхностную добавку, можно оценить по флуоресценции инертного флуоресцентного маркера, например путем калибровки интенсивности флуоресценции по концентрации добавки в покрытии на полотне и/или толщине покрытия, содержащего добавку, на полотне. Специалист в данной области техники может провести эту процедуру без излишних экспериментов.
По одному из вариантов инертные флуоресцентные маркеры можно добавить в рецептуру покрытия с конкретной известной концентрацией, так что при измерении концентрации инертных флуоресцентных маркеров можно получить представление о количестве покрытия на полотне или поверхностных добавок в покрытии на полотне.
Также можно отслеживать как поверхностные добавки, обладающие флуоресценцией, так и инертные флуоресцентные маркеры. Количество покрытия на полотне или поверхностных добавок в покрытии на полотне можно определить по флуоресценции инертного флуоресцентного маркера и флуоресценции поверхностной добавки путем калибровки интенсивности флуоресценции по концентрации добавки в покрытии на полотне и/или, по толщине покрытия, содержащего добавку, на полотне. Специалист в данной области техники может выполнить эту процедуру без излишних экспериментов.
В данном изобретении можно использовать любые типы одного или более инертных флуоресцентных маркеров.
Любому специалисту в области техники известно, что представляет собой инертный флуоресцентный маркер.
В одном из вариантов осуществления инертный флуоресцентный маркер представляет собой вещество, которой является химически неактивным по отношению к любому из компонентов в бумагоделательном процессе и с течением времени не разрушается. Оно полностью растворимо в системе при любых приемлемых уровнях концентрации. Интенсивность его флуоресцентности всегда / по существу пропорциональна его концентрации и не понижается или иным образом уменьшается системой.
В другом варианте осуществления изобретения инертный флуоресцентный маркер является инертным флуоресцентным маркером, на который не влияет заметно или существенно любой химический процесс в бумагоделательном процессе. Для количественной оценки того, что означает «заметно или существенно не влияет», это утверждение означает, что инертное флуоресцентное вещество имеет не более чем 10% изменение своего флуоресцентного сигнала в условиях, которые обычно встречаются в бумагоделательном процессе. Условия, которые обычно наблюдаются в бумагоделательном процессе, известны специалистам в бумажном производстве.
В другом варианте осуществления изобретения желательные характеристики инертного флуоресцентного маркера предпочтительно включают: высокую растворимость в воде, отличную химическую устойчивость, хорошие флуоресцирующие свойства в измеряемых длинах волн (например, не подавляемые другими добавками в компонентах полотна/бумажного полотна/картонного полотна), и их можно отслеживать в присутствии типичных оптических отбеливающих веществ, например, за пределами длин волн оптических отбеливателей для предотвращения интерференции между оптическими отбеливателями и инертными флуоресцентными маркерами.
В другом варианте инертным флуоресцентным маркером является маркер, разрешенный FDA (Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США), что требуется, например, в пищевой упаковке.
В другом варианте один или более инертных флуоресцентных маркеров выбирают из группы, включающей по меньшей мере одно вещество из следующих: флуоресцеин или производные флуоресцеина, родамин или производные родамина, сульфонатная соль нафталина, сульфонатная соль пирена, сульфонатная соль стильбена, сульфонатная соль бифенила, фенилаланин, триптофан, тирозин, витамин A (ретинол), витамин B2 (рибофлавин), витамин В6 (пиридоксин), витамин E (α-токоферолы), NADH, АТФ, этоксихин, кофеин, ванилин, конденсат нафталинсульфонат-формальдегида, конденсат фенилсульфонат-формальдегида, сульфированный лигнин, полимер, содержащий по меньшей мере одну из следующих группировок: нафталинсульфонаты, пиренсульфонаты, бифенилсульфонаты или стильбенсульфонаты.
В зависимости от бумагоделательного процесса оптимальная концентрация инертных флуоресцентных маркеров будет изменяться. Специалист в данной области техники может определить количество инертных флуоресцентных маркеров без излишних экспериментов. Предпочтительно, например, в случае с крахмалом, что более высокие концентрации инертных флуоресцентных маркеров работают лучше, чем более низкие концентрации инертных флуоресцентных маркеров.
Используемый флуорометр должен представлять собой флуорометр отражательного типа, поскольку желательно, чтобы он определял толщину нанесенного тонкого покрытия на поверхность матового полотна. Можно использовать один или более флуорометр.
Флуорометр отражательного типа имеется у компании Nalco Company или Ocean Optics, Dunedin, FL.
Схема выполнения флуорометра отражательного типа приведена на Фиг.1. Отражательный флуорометр использует оптическое волокно для возбуждения маркера на полотне и отслеживания его отраженной флуоресценции. Свет возбуждения обеспечивает подходящий источник света, такой как светодиод, ксеноновая вспышка или газоразрядная лампа. Исходящий от источника свет фильтруют подходящим фильтром возбуждения (например, от Semrock, Inc./Andover, Inc.) для устранения нежелательных длин волн в области флуоресцентного излучения. Свет отражается под углом 90 градусов, и его дополнительно фильтруют дихроичным фильтром для получения нового луча в другом направлении. Луч фокусируют на сердцевину оптоволоконного кабеля с помощью подходящей линзы. Другой конец оптического волокна размещают вблизи или в соприкосновении с поверхностью бумажного полотна, для того чтобы осветить участок его поверхности, вызывая флуоресцентное излучение. Излучение улавливают тем же волокном, которое несет отраженный свет обратно на линзы, на которых его коллимируют и направляют обратно на дихроичный фильтр. Отраженный свет возбуждения отражается обратно на источник, в то время как флуоресценция проходит непосредственно на фильтр излучения. Отфильтрованный свет обнаруживается подходящим оптическим детектором, таким как фотодиод или фотоумножительная трубка. Для корректировки изменяющейся интенсивности источника света можно использовать дополнительный эталонный детектор.
Другие конструкции флуорометров отражательного типа очевидны любому специалисту в данной области техники.
В настоящем изобретении могут быть использованы различные типы поверхностных добавок.
В одном из вариантов осуществления изобретения поверхностные добавки выбирают из группы, состоящей из по меньшей мере одного из следующих веществ: крахмал, пигменты, связующие, пластификаторы и прочие добавки для улучшения физических свойств бумажного/картонного полотна, включая поверхностную прочность, белизну, печатные свойства, влагонепроницаемость или адгезию по отношению к последующим покрытиям.
В другом варианте осуществления изобретения поверхностные добавки содержат ковалентно связанную флуоресцентную группировку.
В другом варианте осуществления изобретения крахмал содержит ковалентно связанную флуоресцентную группировку.
Поверхностные добавки можно добавлять на различных стадиях бумагоделательного процесса.
В одном из вариантов поверхностные добавки добавляют между формующей секцией бумагоделательного процесса и прессовой секцией бумагоделательного процесса.
В другом варианте поверхностные добавки добавляют в мокрой части бумагоделательного процесса.
Еще в одном варианте поверхностные добавки добавляют в бумагоделательный процесс между водяной камерой и полотном или на этих участках.
Флуоресценцию полотна можно измерять в различных точках бумагоделательного процесса.
В одном из вариантов флуоресценцию измеряют в некоторой точке после прессовой части.
В другом из вариантов флуоресценцию измеряют после сушильной секции бумагоделательного процесса.
В другом варианте флуоресценцию измеряют после сушильной линии в формующей секции.
В другом варианте флуоресценцию измеряют вблизи прессовой части.
В другом варианте флуоресценцию крахмала, содержащего ковалентно связанную флуоресцентную группировку, и/или флуоресценцию инертных флуоресцентных маркеров, добавленных в известной пропорции с крахмалом, измеряют после сушильной секции и до меловальной секции в бумагоделательном процессе.
В другом варианте флуоресценцию поверхностных добавок и/или инертных флуоресцентных маркеров, добавленных в известной пропорции с указанными поверхностными добавками, исключая крахмал, измеряют после меловальной секции бумагоделательного процесса.
Флуоресценцию можно измерять в фиксированной точке (одной точке), например, измерение в направлении машины, или во множестве точек, например, сканируя множество точек в направлении поперек полотна поперечным способом относительно направления перемещения бумажного полотна. Для осуществления этой задачи отражающий флуорометр можно использовать различными способами. Любой специалист в области техники может использовать различные способы выполнения.
В одном из способов флуоресценцию измеряют в одной точке или во множестве точек.
В другом варианте флуорометр можно конфигурировать для измерения в машинном направлении, то есть расположить в фиксированной точке.
В другом варианте измерение множества точек происходит путем сканирования флуорометра в поперечном направлении относительно направления указанного полотна в указанном бумагоделательном процессе, аналогично тому, как работают другие приборы для слежения за полотном, такие как датчики белизны или базового веса.
Еще в одном из вариантов флуорометр конфигурируют таким образом, чтобы можно было проводить измерения в потоке.
Для внедрения вышеуказанного протокола можно использовать контроллер.
Один или более контроллеров связаны с флуорометром и запрограммированы с алгоритмом для сбора указанных измерений флуоресценции, устанавливают корреляцию между величиной флуоресценции поверхностных добавок и/или инертных флуоресцентных маркеров на полотне и концентрацией поверхностных добавок в покрытии на полотне и/или толщиной покрытия на полотне; и, возможно, регулируют количество поверхностных добавок, добавляемых в бумагоделательный процесс, регулируют рабочие параметры бумагоделательной машины, регулируют настройки клеильной машины пудлингового или дозирующего типа или их сочетания в соответствии с толщиной покрытия на полотне и/или концентрацией поверхностных добавок в покрытии на полотне согласно заранее заданному протоколу.
Регулирование количества поверхностных добавок, добавленных в бумагоделательный процесс, в соответствии с толщиной покрытия на полотне и/или концентрацией поверхностных добавок в покрытии на полотне может быть выполнено различными способами.
Как указано выше, этот отклик может осуществить контроллер, или же он может быть выполнен вручную операторами бумагоделательных процессов.
Регулировку можно выполнить различными способами.
В одном из вариантов регулировку можно выполнить с применением штанги опрыскивателя, в которой можно регулировать скорость подачи поверхностных добавок на бумажное полотно.
В другом варианте можно независимо регулировать скорость подачи добавки во множестве зон поперек полотна, основываясь на показаниях флуоресценции при сканировании флуорометра в поперечном направлении относительно направления указанного полотна в указанном бумагоделательном процессе.
В другом варианте можно регулировать параметры бумагоделательного процесса, такие как скорость полотна в бумагоделательной машине и/или влажность полотна.
В другом варианте можно регулировать настройки дозирующего клеильного пресса в соответствии с толщиной покрытия на полотне и/или концентрацией поверхностных добавок в покрытии на полотне для сохранения желаемой толщины или для увеличения тоннажа выпускаемой продукции или минимизации перерасхода добавок или энергозатрат.
Следующие примеры не ограничивают существа изобретения.
ПРИМЕРЫ
Протокол
Испытания массы покрытия или толщины проведены с использованием стандартного протокола испытаний. На поверхности испытуемых образцов нанесли несколько меловальных растворов, содержащих различные количества твердых веществ покрытия. Предпочтительно, чтобы соотношение содержания твердых частиц и инертного флуоресцентного маркера было постоянным для всех растворов. Масса покрытия на каждом образце может изменяться во время нанесения покрытия с использованием различных техник нанесения. После сушки массу сухого покрытия или переноса измерили по разнице масс. Каждый в отдельности образце полотна взвесили до и после нанесения покрытия, а масса сухого покрытия была рассчитана по разности масс. Интенсивность флуоресценции сухой крахмальной пленки измеряли в нескольких местах данного образца полотна. Серию интенсивностей флуоресценции затем усреднили для получения одной величины интенсивности флуоресценции для каждого образца полотна. Для измерений интенсивности флуоресценции каждого образца полотна использовали два различных флуорометра.
Пример 1
Испытание проводили согласно вышеупомянутому протоколу на трех растворах крахмала, содержащих возрастающее количество твердых веществ крахмала при поддержании постоянного соотношения крахмала и инертного флуоресцентного маркера. Подложкой для каждого испытания являлось непокрытое 21-балльное картонное полотно. Каждый раствор наносили на отдельные образцы полотна четырех разных толщин с помощью ручного нанесения. Также на серии образцов нанесли четвертый раствор крахмала, не содержащего инертного флуоресцентного маркера, для сравнения с растворами с маркером. Заготовка, которую использовали в этом испытании, представляла собой непокрытый образец полотна.
2
2
На Фиг.2 показана зависимость интенсивности флуоресценции (в произвольных единицах - относительных единицах флуоресценции («RFU») от массы сухого крахмального покрытия (отбор, в г/м). Каждая точка соответствует отдельному образцу полотна. На Фиг.2 видно, что измеренные интенсивности флуоресценции всей серии образов полотна выстраиваются в линию по диагонали области графика. Линейная регрессия по всем точкам очень четко показывает прямую и надежную корреляцию между переносом сухого крахмала и количеством инертного флуоресцентного маркера, присутствующего в слое, измеренного по интенсивности флуоресценции. Линия тренда имеет y-отрезок, очень близкий к нулю, и коэффициент R больше 0,96. В некоторых случаях одна точка существенно удалена от линии. Такие же случайные точки наблюдались на двух отдельных флуорометрах, означая, что они относятся к образцу полотна, а не к ошибке прибора. Такие точки, похоже, являются следствием дефектов в слое крахмала на бумажном полотне. Эти данные демонстрируют, что с помощью заявленного способа можно обнаружить дефекты в покрытии.