SE514572C2

SE514572C2 - A method for predicting and / or controlling the strength properties of foil-like materials

Info

Publication number: SE514572C2
Application number: SE9802652A
Authority: SE
Inventors: Thorulf Pettersson; Jorma Anttila
Original assignee: Skogsind Tekn Foskningsinst
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2001-03-12
Also published as: WO2000007010A1; EP1101109A1; SE9802652D0; AU5076599A; SE9802652L; CA2337335A1

Abstract

A method to predict and/or control the strength properties of a foil-like material in relation to machinery and processes for manufacturing this material. The measurements are performed locally on the foil-like material and with a high spatial resolution - from 20 mm and less - to obtain a mean value and variation regarding at least one local mechanical property of the foil-like material, whereby the strength value or control signal worked out from the measurement results obtained is used to achieve the strength prediction and/or the process and quality control desired.

Description

25 30 514 572 z det slag, som här avses. När man för önskad prediktion 'försöker använda data, som ger variationerna i lokal ytvikt, är problemet att den lokala ytvikten inte alltid återspeglar de viktiga, lokala mekaniska egenskaperna. ' I enlighet med uppfmningens principer blir det nu möjligt att förverkliga ett förfarande av det i inledningsstycket nämnda slaget genom att mätningar utföres lokalt på det folieliknande materialet och med hög spatial upplösning - från 20 mm och nedåt - för erhållande av medelvärde och variation beträffande åtminstone en lokal mekanisk egenskap hos det folieliknande materialet, varvid utifrân de erhållna mätresultaten framräknat styrkevärde eller framräknad styrsignal används för åstadkommande av önskad styrkeprediktion och/eller process- och kvalitetsstyming. 25 30 514 572 z the kind referred to herein. When trying to use data for the desired prediction, which gives the variations in local basis weight, the problem is that the local basis weight does not always reflect the important, local mechanical properties. In accordance with the principles of the invention, it will now be possible to realize a method of the kind mentioned in the introductory paragraph by carrying out measurements locally on the foil-like material and with a high spatial resolution - from 20 mm and down - to obtain a mean value and variation of at least one local mechanical property of the foil-like material, wherein from the measurement results obtained, calculated strength value or calculated control signal is used to achieve the desired strength prediction and / or process and quality control.

Olika fördelaktiga utföringsforrner av det nya framställningsförfarandet framgår av de osjälvständiga patentkraven 2-8. Sålunda kan de nämnda mätningarna vara av typ direkta och/eller indirekta mätningar. Speciellt görs en justering av styrkevärde och/eller styrsignal till följd av strukturella olikheter i det folieliknande materialet baserat på lokal mätning av ytterligare åtminstone en annan mekanisk egenskap, företrädesvis böjstyvhet. Mätningarna utföres lämpligen i mm-skala med hög upprepningsfrekvens i förhållande till processens dynamik. Det folieliknande materialet utgöres speciellt av papper. Åtminstone en av de lokala mekaniska egenskaperna mäts på i och för sig känt sätt, speciellt medelst den i US patent nr. 5 361 638 beskrivna anordningen. _ Uppﬁnningen kommer nu att beskrivas närmare nedan under hänvisning till de bifogade ritningarna, varvid: Fig. 1 i diagramform visar sambandet mellan standardtest och ultraljudstest på papper vid varierande dragstyvhetsindex och malnivå för pappersmassa; Fig. 2 i diagramform visar sambandet mellan med standardtest uppmätta medelvärden av dragstyvhetsindex och dragstyrkeindex vid olika malnivå; Fíg. 3 i diagramform visar sambandet mellan uppmätt dragstyrkeindex och enligt uppfinningen predikterat dragstyrkeindex vid olika malnivå.Various advantageous embodiments of the new manufacturing process appear from the dependent claims 2-8. Thus, the mentioned measurements can be of the type direct and / or indirect measurements. In particular, an adjustment of strength value and / or control signal is made due to structural differences in the foil-like material based on local measurement of at least one other mechanical property, preferably flexural stiffness. The measurements are suitably performed on a mm scale with a high repetition frequency in relation to the dynamics of the process. The foil-like material consists especially of paper. At least one of the local mechanical properties is measured in a manner known per se, in particular by means of that in U.S. Pat. 5,361,638. The invention will now be described in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which: Fig. 1 in diagrammatic form shows the relationship between standard test and ultrasonic test on paper at varying tensile stiffness index and grinding level for pulp; Fig. 2 in diagrammatic form shows the relationship between average values of tensile strength index and tensile strength index measured with standard tests at different grinding levels; Fig. 3 in diagrammatic form shows the relationship between measured tensile strength index and according to the invention predicted tensile strength index at different grinding levels.

Fig. 4 i diagramform visar sambandet mellan styrkekvoter och styvhetskvoter vid varierande orienteringsförhållanden (81 prover, 3 formningsenheter och 3 olika massor).Fig. 4 in diagrammatic form shows the relationship between strength ratios and stiffness ratios at varying orientation conditions (81 samples, 3 forming units and 3 different masses).

De nya rön, som föreliggande uppñmiing är baserad på, är att en framgångsrik prediktion av styrkeegenskaper hos papper, exempelvis dragstyrka, kräver användning av data för både medelvärdet och de statistiska variationer-na i den lokala dragstyvheten (Its) \\SPB\VOL3\uSers\EWR\DOK\WORD-DOK\P3363l-beskdoc 10 15 20 25 30 - ~ 514 572 3 och/eller det lokala dragstyvhetsindexet (ltsi), uppmättined en spatial upplösning på nrillirneternivå.The new findings on which the present invention is based are that a successful prediction of strength properties of paper, for example tensile strength, requires the use of data for both the mean and the statistical variations in the local tensile stiffness (Its) \\ SPB \ VOL3 \ uSers \ EWR \ DOK \ WORD-DOK \ P3363l-beskdoc 10 15 20 25 30 - ~ 514 572 3 and / or the local tensile stiffness index (ltsi), measured at a spatial resolution at the non-linear level.

De statistiska variationerna kan uttryckas med de uppmätta max- och/eller min- värdena, standardavvikelsen c, variationskoefﬁcienten CV eller nâgra andra parametrar, som kan erhållas från den statistiska frekvensfunktionen för de uppmätta lokala mekaniska egenskaperna. (Information beträffande lokala dragstyvhetsindexvariationer kan erhållas från lokala dragstyvhetsdata om även de lokala ytvikterna mäts på samma ställen).The statistical variations can be expressed by the measured maximum and / or minimum values, the standard deviation c, the coefficient of variation CV or some other parameters, which can be obtained from the statistical frequency function for the measured local mechanical properties. (Information regarding local tensile index variations can be obtained from local tensile data if the local basis weights are also measured in the same places).

Fram till helt nyligen har det inte funnits något mätförfarande, vilket har kunnat ge det slag av lokala data, som erfordras för den nämnda prediktionen. Lyckligtvis -har det nu genom utnyttjande av en ny anordning, som är beskriven i vårt US patent nr. 5' 361 638, blivit möjligt att erhålla erforderliga data. i Den typ av prediktionsmodell, som vi har funnit mycket användbar, är, såsom redan nämnts, baserad på information om både medelvärden och statiska variationer i lokal dragstyvhet och/eller lokalt dragstyvhetsindex uppmätt på millimeterskala.Until very recently, there has been no measurement method, which has been able to provide the kind of local data required for the said prediction. Fortunately, by utilizing a new device described in our U.S. Pat. 5 '361 638, it has become possible to obtain the required data. The type of prediction model that we have found very useful is, as already mentioned, based on information about both averages and static variations in local tensile stiffness and / or local tensile stiffness index measured on a millimeter scale.

I enlighet med uppfmningens principer ger, för det första, medelvärdet av dragstyvheten och dragstyvhetsindexet ett mått på den övre gränsen för den dragstyrka, som kan uppnås. Denna övre gräns kan uppnås endast om papperet är helt jämnt format, det vill säga om det saknar störande lokala variationer. I enlighet med uppfmningens principer kommer, för det andra, variationer i lokal dragstyvhet att ge upphov till en spatialt varierande påkärining i papperet, vilken kommer att minska dragstyrkan hos papperet under den nämnda övre gränsen.In accordance with the principles of the invention, first, the mean value of the tensile stiffness and the tensile stiffness index provide a measure of the upper limit of the tensile strength that can be achieved. This upper limit can only be achieved if the paper is perfectly evenly shaped, ie if it lacks disturbing local variations. In accordance with the principles of the invention, secondly, variations in local tensile stiffness will give rise to a spatially varying stress in the paper, which will reduce the tensile strength of the paper below the said upper limit.

Det förekommer avsevärda variationer i lokal dragstyvhet, mätt på millimeterskalan, i maskinellt framställda papper. För ett bra prediktionsresliltat är det därför mycket viktigt att ta hänsyn till dessa lokala variationer, vilkas arnplitud ändras med varierande produktionsförhállanden. Sambandet mellan uppmätta medelvärden på dragstyvhet och dragstyrka kommer att variera avsevärt, exempelvis med malnivån (malningen av pappersmassan), om de lokala variationerna inte beaktas; se Fig. 2.There are considerable variations in local tensile stiffness, measured on the millimeter scale, in machine-made papers. For a good prediction result, it is therefore very important to take into account these local variations, whose field amplitude changes with varying production conditions. The relationship between measured mean values of tensile stiffness and tensile strength will vary considerably, for example with the grinding level (grinding of the pulp), if the local variations are not taken into account; see Fig. 2.

Resultat av prediktionsförsök, vilka är baserade på data, som erhållits medelst den i US patent nr. 5 '361 638 beskrivna anordningen, visas i Fig. 3. Innehållet i nämnda US patent, vilket sålunda på ett genialt sätt bidrar till förverkligande av förfarandet enligt uppfinningen, är därför avsett att genom hänvisning ingå i föreliggande patentärende. Med användningen av en prediktionsmodell enligt uppfinningen och enligt vad som i detalj framgår av den nedanstående ekvationen erhålls en mycket god prediktion (rz = 0,997).Results of prediction tests, which are based on data obtained by the method of U.S. Pat. 5 '361 638, is shown in Fig. 3. The contents of said US patent, which thus in an ingenious manner contributes to the realization of the method according to the invention, is therefore intended to be incorporated by reference into the present patent case. With the use of a prediction model according to the invention and according to what appears in detail from the equation below, a very good prediction is obtained (rz = 0.997).

\\SPB\VOL3\users\EWR\DOK\WORD-DOK\P3363 l-beskdoc 10 15 20 25 30 '514 572 , 4_ Detta resultat har uppnåtts vid mycket varierande processförhållanden, i detta fall en varierande malnivå (malgrad).\\ SPB \ VOL3 \ users \ EWR \ DOK \ WORD-DOK \ P3363 l-beskdoc 10 15 20 25 30 '514 572, 4_ This result has been achieved under very varying process conditions, in this case a varying grinding level (grinding degree).

Draghållfasthet = f(m, om = konst» mLS/(l -i-o/m) Det är känt att strukturella skillnader i arket till följd av varierande orienteringsgrad (MD/CD-förhållandet; där MD år maskinriktningen och CD är tvärriktnirigen) samt varierande torkspänning (inspärmingskraft) vid papperets torkning påverkar relationen mellan uppmätt dragstyvhet och dragstyrka. Med den i US patent nr. 5 361 6387beskrivna anordningen kan data erhållas, som möjliggör en kompensering för förändringar till följd av strukturella olikheter. Exempel på data, som kan erhållas med mätmetoden, är lokal styvhet i olika riktningar (MD, CD och ZD) i papperet, dvs. dragstyvhet och böjstyvhet i MD och CD samt kompressionsstyvhet i tjockleksriktningen ZD.Tensile strength = f (m, if = art »mLS / (1-10 / m) It is known that structural differences in the sheet due to varying degrees of orientation (MD / CD ratio; where MD is the machine direction and CD is transverse) and varying With the device described in U.S. Patent No. 5,361,6387, data can be obtained which allow a compensation for changes due to structural differences. the measurement method, is local stiffness in different directions (MD, CD and ZD) in the paper, ie tensile stiffness and flexural stiffness in MD and CD and compression stiffness in the thickness direction ZD.

Resultat, som vi erhållit vid utvärdering av experimentella data, visar att vid ökande orientering (ökande MD/CD-förhållande) kommer dragstyrkan i MD i relation till dragstyrkan i CD att öka något mer än dragstyvheten i MD i relation till dragstyvheten i CD; se Pig. 4. Med kännedom om detta förhållande och de aktuella dragstyvheterna i nämnda riktningar kan inverkan av ett varierande MD/CD-förhållande kompenseras genom införandet av en funktion g av styvheterna i MD och CD, vilket ger: Dragstyrkeindex = f- g(styvhet-MD, styvhet-CD) Det är allmänt känt att dragstyvheten ökar i högre grad än dragstyrkan med ökande torkspänning. Samtidigt förändras relationen mellan upmätta styvheter i olika riktningar i papperet. Vid föreliggande uppfinning kan därför även demia påverkan kompenseras, i detta fall genom införande av en funktion h av styvheterna i MD, CD och ZD., dvs i maskin-, tvär- och Z-riktningarna. Vid bestämningen av dragstyrkan hos papper med olika stora lokala styvhetsvariationer, varierande MD/CD-förhållanden samt olika torkspänning utnyttjas således följande prediktionsfunktion: Dragstyrkeindex = f- g -h(styvheter-MD, styvheter-CD, styvhet-ZD) \\SPB\VOL3\uSerS\EWR\DOK\WORD-DOK\P3363 l-beskdoc 10 15 20 25 30 514 572- .5_ Föreliggande uppﬁrming kan även leda till en förbêittrad prediktion av ett materials dragstyrka på grundval av indirekta mätningar. I detta fall kompletteras förfarandet genom att ett samband utnyttjas mellan data från nâgra andra lokala mätningar och den lokala dragstyvhet och/eller det lokala dragstyvhetsindex, som erfordras för en bättre prediktion.Results, which we obtained when evaluating experimental data, show that with increasing orientation (increasing MD / CD ratio) the tensile strength in MD in relation to the tensile strength in CD will increase slightly more than the tensile stiffness in MD in relation to the tensile stiffness in CD; see Pig. With knowledge of this ratio and the actual tensile stiffnesses in said directions, the effect of a varying MD / CD ratio can be compensated by introducing a function g of the stiffnesses in MD and CD, which gives: Tensile strength index = f- g (stiffness-MD , stiffness CD) It is generally known that the tensile stiffness increases to a greater degree than the tensile strength with increasing drying tension. At the same time, the relationship between measured stiffnesses in different directions in the paper changes. In the present invention, therefore, the effect can also be compensated, in this case by introducing a function h of the stiffnesses in MD, CD and ZD, i.e. in the machine, transverse and Z directions. When determining the tensile strength of paper with different local stiffness variations, varying MD / CD ratios and different drying stresses, the following prediction function is thus used: Tensile strength index = f- g -h (stiffness-MD, stiffness-CD, stiffness-ZD) \\ SPB \ VOL3 \ uSerS \ EWR \ DOK \ WORD-DOK \ P3363 l-beskdoc 10 15 20 25 30 514 572- .5_ The present measurement can also lead to an improved prediction of the tensile strength of a material on the basis of indirect measurements. In this case, the method is supplemented by using a relationship between data from some other local measurements and the local tensile stiffness and / or the local tensile stiffness index, which is required for a better prediction.

Detta gäller naturligtvis om ett samband kan fastställas vid aktuella processförhållanden.This applies, of course, if a connection can be established in the current process conditions.

Exempel på indirekta mätningar, som kan användas (separat eller i kombination) för att generera data för demia typ av prediktion, är lokal ytvikt, lokal optisk densitet och lokal papperstjocklek.Examples of indirect measurements, which can be used (separately or in combination) to generate data for demia type of prediction, are local basis weight, local optical density and local paper thickness.

Slutligen är det sarmolikt att andra styrkeegenskaper för papper, 'exempelvis rivstyrka och kompressionsstyrka, på liknande sätt beror av variationema hos lokala mekaniska egenskaper, såsom den lokala styvheten (i planet och/eller i tjockleksriktningen) och den lokala böjstyvheten, det vill säga egenskaper, som är mätta med hög spatial upplösning.Finally, it is probable that other strength properties of paper, for example tear strength and compression strength, similarly depend on the variations of local mechanical properties, such as the local stiffness (in the plane and / or in the thickness direction) and the local flexural stiffness, i.e. properties. which are saturated with high spatial resolution.

\\SPB\VOL3\uscrs\EWR\DOK\WORD-DOK\P3363l-beslcdoc\\ SPB \ VOL3 \ uscrs \ EWR \ DOK \ WORD-DOK \ P3363l-bezcdoc

Claims

10 15 20 25 30 514 572 6 Patent claims

Method for predicting and / or controlling strength properties of the same in connection with machines and processes for the production of foil-like materials - characterized in that the mean value and variation with respect to at least one local tensile stiffness, flexural stiffness and / or compression stiffness of the foil-like material the material is obtained by performing measurements locally on the foil-like material and with a high spatial resolution - ﬁ 20 mm and down - whereby based on the obtained measurement results forwarded strength value or calculated control signal is used to achieve the desired strength prediction and / or process and quality control.

Method according to claim 1, characterized in that the approximate measurements are direct measurements.

3. A method according to claim 1, characterized in that said measurements are indirect measurements.

4. A method according to claim 1, characterized in that said measurements are both direct and indirect measurements.

Method according to one of Claims 1 to 4, characterized in that an adjustment is made to the strength value and / or control signal due to structural differences in the foil-like material based on local measurement of at least one other mechanical property, preferably flexural stiffness. .

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measurements are performed on a mm scale with a high repetition frequency in relation to the dynamics of the process.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the foil-like material consists of paper. O: \ EW'R \ DOK \ WORD-DOK \ l03363IOO-kramdoc