Ученые Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна совместно с коллегами из Белорусского государственного технологического университета разработали метод получения 3D-модели микроструктуры волокон для цифрового анализа свойств бумаги и картона.
Такая модель позволяет оценить более десяти параметров, которые влияют на качество целлюлозосодержащего материала. Это первый цифровой метод оценки качества бумаги, характеристики которой сейчас тестируются с помощью специального оборудования. Однако проведение подобных исследований дорогостоящее, оно доступно не каждому предприятию и не позволяет оперативно обрабатывать результаты. В отличие от него метод, предложенный российскими и белорусскими учеными, будет использован на любом производстве и даст возможность провести сразу комплексную оценку качества бумаги. Исследование выполнено в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет 2030».
«Совместно с Республикой Беларусь мы получили грант на разработку метода создания 3D-микроструктуры бумаги. В его основу легли наши исследования по получению 2D-микроструктуры волокна. Белорусские коллеги ранее успешно использовали растровые компьютерные программы для анализа микроструктуры на поверхности. Этот метод оказался быстрым, однако неточным. Мы же работали с векторными программами. Наш метод был точным, но занимал много времени на обработку данных. В результате мы объединили наши усилия, чтобы быстро и точно получить сначала 2D-, а теперь и 3D-микроструктуру бумаги, которая предоставляет еще больше данных о характеристиках и составе бумаги», - комментирует один из авторов разработки, заведующий кафедрой инженерной графики и автоматизированного проектирования СПбГУПТД Николай Мидуков.
Полученная коллективом ученых 3D-микроструктура бумаги предоставляет данные о таких важных показателях, как ее пористость, шероховатость, объем волокон, равномерность распределения волокон и формования волокнистого целлюлозного материала и другие. Например, от пористости зависит впитывающая способность бумаги, которая является важным параметром для салфеток, а равномерность формования влияет на однородность толщины бумаги. Обнаруженные дефекты в микроструктуре, позволят предприятию внести изменения на конкретном этапе производства.
Кроме того, 3D-микроструктура позволяет картировать целлюлозосодержащий материал по элементному составу, который также сказывается на характеристиках бумаги. Например, мел влияет на белизну и физико-механические свойства бумаги и картона, то есть если мела в составе слишком много и он неравномерно распределен, бумага теряет прочность.
«Для получения 3D-микроструктуры бумаги сначала с помощью ионной резки создаём качественный поперечный срез, что позволяет нам изучать не только поверхность, но и микроструктуру поперечного среза бумаги. А чтобы в итоге получить волокно в объеме, мы делаем серию таких срезов с известным шагом. Далее с помощью программы для трехмерного проектирования из фотографий поперечных срезов бумаги создаем 3D-модель микроструктуры волокна. Мы планируем построить такие 3D-модели для разных видов бумаги – от офисной до упаковочного картона», - о технологии рассказывает Николай Мидуков.
Данный цифровой метод оценки параметров бумаги смогут использовать предприятия отрасли для быстрого и эффективного анализа свойств и состава целлюлозно-бумажной продукции. Еще одним результатом работы ученых станет перенос 3D-моделей микроструктуры разных видов бумаги и картона в виртуальную реальность, благодаря чему специалисты получат возможность побывать «внутри» этих материалов, изучая их характеристики.
Справка: Совместный научный и научно-технический проект, выполняемый образовательными и научными организациями, расположенными на территориях Санкт-Петербурга и Республики Беларусь на тему: «Разработка методов оценки и анализ неоднородности межволоконных связей в 2D/3D гетерогенной среде целлюлозных композиционных материалах» поддержан Комитетом по науке и высшей школе Правительства Санкт-Петербурга.