Έλεγχος ποιότητας πρώτων υλών από ανακτώμενες ίνες για παραγωγή κυματοειδούς χαρτονιού συσκευασίας

Transcript

1 Έλεγχος ποιότητας πρώτων υλών από ανακτώμενες ίνες για παραγωγή κυματοειδούς χαρτονιού συσκευασίας Αδαμόπουλος, Στέργιος 1,2 ; Μπιρμπίλης, Δημήτριος 2 ; Ράπτη, Έλλη 2 ; Βαλαή, Αγγελική 2 ; Καραγεώργος, Αντώνιος 2 1 Department of Forestry και Wood Technology, Linnaeus University, Lückligs plats 1, Växjo, Sweden 2 ΤΕΙ Θεσσαλίας, Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών,Τμήμα Σχεδιασμού και Τεχνολογίας Ξύλου και Επίπλου, Τ.Κ , Καρδίτσα, adamopoulos@teithessaly.gr, dmbirmbi@teithessaly.gr, erapti@ireteth.certh.gr, valai@teithessaly.gr, karageorgos@teithessaly.gr Περίληψη Η δυσκολία στην πρόβλεψη των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς προϊόντων χαρτιού που παράγονται από ετερογενείς πρώτες ύλες με μεγάλα ποσοστά ανακυκλωμένων ινών βάζει πολλούς περιορισμούς στην καλύτερη και αποτελεσματικότερη χρησιμοποίησή τους σαν υλικά συσκευασίας. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται το ερευνητικό έργο RF-CORRUG, κύριος στόχος του οποίου είναι η ανάπτυξη μεθόδων πρόβλεψης των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς προϊόντων χαρτιού που προέρχονται από ετερογενείς πρώτες ύλες με μεγάλα ποσοστά ανακυκλωμένων ινών προκειμένου να χρησιμοποιούνται αποτελεσματικότερα από τις επιχειρήσεις σε συσκευασίες κυματοειδούς χαρτονιού. Στο πλαίσιο του έργου πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις σε όλες τις διαθέσιμες ποιότητες χαρτιού στην Ελληνική και Ευρωπαϊκή αγορά για την παραγωγή κυματοειδούς χαρτονιού που αφορούν τόσο τη σύνθεσή τους αλλά και τις ιδιότητές τους (φυσικές και μηχανικές). Με βάση τις πειραματικές μετρήσεις, δημιουργήθηκαν μοντέλα παλινδρόμησης και νευρωνικών δικτύων για την πρόβλεψη των σημαντικότερων μηχανικών ιδιοτήτων των χαρτιών από τα χαρακτηριστικά και τα ποσοστά των διαφόρων τύπων ινών που χρησιμοποιήθηκαν στην παραγωγή τους. Λέξεις κλειδιά: κυματοειδές χαρτόνι, ανακτώμενες ίνες, μοντέλα πρόβλεψης ιδιοτήτων, παλινδρόμηση, νευρωνικά δίκτυα. Εισαγωγή Οι περιορισμοί στη διαθεσιμότητα παρθένων πρώτων υλών από τα δάση (FAO 2001) σε συνδυασμό με περιβαλλοντικές πολιτικές ευνοϊκές προς την ανακύκλωση χαρτιού (European Commission 1994) έχουν οδηγήσει τις επιχειρήσεις κυματοειδούς χαρτονιού να στραφούν σε ανακτώμενο χαρτί και άλλες πηγές ινών όπως μη ξυλώδη φυτά και υπολείμματα γεωργικών εκμεταλλεύσεων (Rowell et al 1997, Kramer 1998, Mabee 1998, Skog et al 1998). Το ποσοστό ανακυκλωμένου χαρτιού αναμένεται να αυξηθεί σημαντικά τα επόμενα χρόνια (European Recovered Paper Council 2002) με αποτέλεσμα να υπάρξει μια μεταβολή σε ετερογενείς, πολυάριθμες και μικρότερες πηγές ινών για την συσκευασία κυματοειδούς χαρτονιού. Οι πολτοί που παράγονται από ανακυκλωμένο χαρτί προέρχονται από ένα μίγμα διαφόρων τύπων χαρτιών και ποικίλουν σε σύνθεση από πηγή σε πηγή ακόμα και από την ίδια πηγή χρονικά (Virtanen και Nilson 1993). Οι περισσότεροι χαρτοπολτοί εμπορίου παράγονται γνωρίζοντας περίπου τα είδη ξύλου ή τις ομάδες ειδών που χρησιμοποιήθηκαν. Στη βιβλιογραφία υπάρχουν πολλές μελέτες που εξηγούν τις σχέσεις ανάμεσα στα χαρακτηριστικά των ινών και τις ιδιότητες των χαρτιών (Dinwoodie 1965, Horn 1974, Horn 1978, Paavilainen 1991, Hunt 1998). Αυτό φυσικά δεν ισχύει για τους χαρτοπολτούς που παράγονται από ανακυκλωμένο χαρτί, οι οποίοι περιέχουν ένα μίγμα ινών από πολλά είδη ξύλου και που έχουν παραχθεί με διάφορες μεθόδους πολτοποίησης. Η δυσκολία πρόβλεψης των ιδιοτήτων χαρτιού και προϊόντων χαρτιού από ανακτώμενους χαρτοπολτούς βάζει πολλούς περιορισμούς στην αποτελεσματική χρησιμοποίησή τους (Abubakr et al 1994). Σήμερα, οι τύποι χαρτιών που χρησιμοποιούνται στη συσκευασία κυματοειδούς χαρτονιούπεριέχουν % ανακτώμενες ίνες. Μαζί με την καθαρότητα του χαρτοπολτού, οι μορφολογικές ιδιότητες των ανακτώμενων ινών αποτελούν τα μεγαλύτερα ερωτήματα στην ανακύκλωση χαρτιού (Mckinney 1995, Law και Valade 1995). Οι ανακτώμενες ίνες τείνουν να είναι σπασμένες ή κατεστραμμένες και έχουν διαφορετικές ιδιότητες απ ότι οι παρθένες ίνες (τα μικροϊνίδια στην επιφάνεια των τοιχωμάτων τους τείνουν να έχουν καταρρεύσει) κάτι που έχει σαν αποτέλεσμα ασθενέστερους δεσμούς ανάμεσα στις ίνες και κατά συνέπεια μειωμένη μηχανική αντοχή χαρτιού (Eastwood και Clarke 1978, Howard και Bichard 1992, Scallan και Tigerstrom 1992, Laivins και Scallan 1993, Ince 2004). Η χρήση μοντέρνας τεχνολογίας (όπως για παράδειγμα μηχανικό ραφινάρισμα, επικαλύψεις, απομελάνωση, καθώς και πρόσθετα και συγκολλητικές ουσίες), κάτι που συνεπάγεται επιπλέον κόστος, είναι απαραίτητη προκειμένου να βελτιωθεί η ποιότητα των ανακτώμενων ινών. Οι επιχειρήσεις κυματοειδούς χαρτονιού βρίσκονται συνεχώς μπροστά στην πρόκληση να εξασφαλίζουν ικανοποιητική συμπεριφορά και αντοχή των προϊόντων συσκευασίας τους πάρα τη συνεχόμενη αύξηση του ανακυκλωμένου χαρτιού σαν βασική πρώτη ύλη ινών. Με βάση τα παραπάνω, υπάρχει η δυνατότητα για μείωση

2 του κόστους μέσω μιας επιλογής των κατάλληλων και οικονομικότερων τύπων χαρτιών για συγκεκριμένες χρήσεις συσκευασίας. Ένα πολύ σημαντικό βήμα προς αυτή τη κατεύθυνση μπορεί να γίνει μέσω της ανάδειξης των επιδράσεων των διαφόρων τύπων ινών και των μορφολογικών τους χαρακτηριστικών στην ποιότητα των χαρτιών συσκευασίας. Οι σχέσεις αυτές έχουν μελετηθεί πολύ λίγο (Ashley και Hodgson 2003). Για τον κλάδο της συσκευασίας από κυματοειδές χαρτόνι, η μεταβλητότητα των πρώτων υλών (χαρτιά συσκευασίας) με ολοένα και αυξανόμενο ποσοστό ανακυκλωμένων ινών είναι ένα πολύ συνηθισμένο τεχνικό πρόβλημα σε παγκόσμιο επίπεδο. Η δυσκολία στην πρόβλεψη των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς προϊόντων χαρτιού από ετερογενείς πρώτες ύλες με μεγάλα ποσοστά ανακυκλωμένων ινών βάζει πολλούς περιορισμούς στην καλύτερη και αποτελεσματικότερη χρησιμοποίησή τους σαν υλικά συσκευασίας. Σε αυτή την εργασία παρουσιάζεται το έργο «RF-CORRUG Έλεγχος ποιότητας πρώτων υλών από ανακτώμενες ίνες για παραγωγή κυματοειδούς χαρτονιού συσκευασίας», βασικός στόχος του οποίου είναι η ανάπτυξη μεθόδων πρόβλεψης των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς προϊόντων χαρτιού από ετερογενείς πρώτες ύλες με μεγάλα ποσοστά ανακυκλωμένων ινών προκειμένου να χρησιμοποιούνται αποτελεσματικότερα από τις επιχειρήσεις σε συσκευασίες κυματοειδούς χαρτονιού. Υλικά, Μέθοδοι & Αποτελέσματα Πρώτες ύλες από ανακτώμενες ίνες στις επιχειρήσεις κυματοειδούς χαρτονιού Σήμερα, οι συσκευασίες από κυματοειδές χαρτόνι κατασκευάζονται κυρίως από ανακυκλωμένες ίνες, με το ποσοστό τους να ανέρχεται στο 82% στην Ευρώπη (FEFCO 2012). Η μεγαλύτερη απειλή που αντιμετωπίζει η αλυσίδα παραγωγής κυματοειδούς χαρτονιού σχετίζεται με την έλλειψη της ποιότητας των ανακυκλωμένων ινών ως πρώτη ύλη. Ο πολτός που προέρχεται από ανακυκλωμένο χαρτί γενικά συσχετίζεται με κάποια υποβάθμιση στις ιδιότητες των ινών ή με μεγαλύτερη θραύση των ινών σε σχέση με τις παρθένες ίνες, ενώ η χρήση ανακυκλωμένων υλικών εισάγει και ρυπαντές (Ince 2004). Μία από τις πιο σημαντικές ιδιότητες του χαρτιού συσκευασίας είναι η μηχανική του αντοχή, η οποία εξαρτάται κυρίως από το μήκος των ινών από τις οποίες αποτελείται (Howard 1995). Οι ίνες είναι πιο μακριές σε πολτούς που προέρχονται αποκλειστικά από το ξύλο χωρίς ανακυκλωμένη πρώτη ύλη. Ωστόσο, η υψηλές πιέσεις που συνοδεύουν τη ζήτησή τους, λόγω των οικονομικών και οικολογικών περιορισμών στη χρήση δασικών υλικών, έχουν οδηγήσει σε μια κατάσταση όπου πολύ μικρή ποσότητα παρθένων ινών εισάγεται στην αλυσίδα της ανακύκλωσης. Αυτό σημαίνει ότι η ποιότητα των ανακυκλωμένων ινών, και ως συνέπεια των χαρτιών, μειώνεται συνεχώς σε κάθε κύκλο ανακύκλωσης. Επιπλέον, τα χαρτιά συσκευασίας παρουσιάζουν πολύ μεγάλη διακύμανση, η οποία συνιστά ένα εμπόδιο όταν πρόκειται για την κατασκευή συσκευασιών με ομογενείς ιδιότητες που καθορίζονται από τους πελάτες με συγκεκριμένο κόστος (Adamopoulos, Voulgaridis και Passialis 2014). Στο πλαίσιο του έργου RF-CORRUG, πραγματοποιήθηκε η ανάλυση της σύνθεσης και των μορφολογικών χαρακτηριστικών των ανακτώμενων ινών χαρτιών από ετερογενείς πρώτες ύλες. Συγκεκριμένα, μελετήθηκαν τριάντα δύο (32) χαρτιά που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία παραγωγής συσκευασίας από κυματοειδές χαρτόνι. Το υλικό της έρευνας επιλέχθηκε κατά τέτοιο τρόπο ώστε να περιλαμβάνει όλες τις δυνατές κατηγορίες χαρτιών που παράγονται στις ελληνικές επιχειρήσεις παραγωγής ανακυκλωμένου χαρτιού αλλά και που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή κυματοειδούς χαρτονιού στην Ελλάδα. Τα χαρτιά αντιπροσωπεύουν διαφορετικές ποιότητες επίπεδων χαρτιών (8 kraftliners και 8 testliners) και κυματοειδούς μέσου (8 semichemical flutings και 8 recycled flutings) διαθέσιμες την Ελλάδα για την παραγωγή κυματοειδούς χαρτονιού. Τα χαρτιά προήλθαν από διαφορετικούς προμηθευτές, τόσο από χώρες της Ευρώπης όσο και από την Τουρκία και τις ΗΠΑ. Χαρακτηριστικά ανακτώμενων ινών για την παραγωγή χαρτιών κατηγορίας κυματοειδούς χαρτονιού Έχει αποδειχτεί ότι τα εγγενή χαρακτηριστικά των ινών, συμπεριλαμβανομένων των ειδών ξύλου, της προέλευσης, της ηλικίας, και της χημικής σύνθεσης, επηρεάζουν σημαντικά τις τελικές ιδιότητες του χαρτιού (Lumiainen και Oy 1997). Έχει προταθεί επίσης ότι προκειμένου να προβλεφτούν οι ιδιότητες των φύλλων χαρτιού που προέρχονται από μίγμα πολτών, είναι καλύτερο να χρησιμοποιηθούν τα χαρακτηριστικά των ινών των πολτών που συνθέτουν το μίγμα από τις ιδιότητες των φύλλων χαρτιού που προέρχονται από αυτούς τους πολτούς (Görres κ.α. 1996). Πρόσφατες μελέτες πάνω σε ποικιλία χαρτιών που είναι διαθέσιμα στην αγορά για την παραγωγή κυματοειδούς χαρτονιού στη Ισπανία έχουν δείξει ότι, οι τεχνικές ανάλυσης ινών μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για την ανάλυση της διακύμανσης της δομής του και της ποιότητάς στον χρόνο (Adamopoulos 2006, Adamopoulos και Oliver 2006). Στο πλαίσιο του έργου RF-CORRUG, ο ποιοτικός και ποσοτικός καθορισμός των ινών των χαρτιών αναφορικά στη μέθοδο επεξεργασίας (χημικός, μηχανικός, ράκη, ημι-χημικός και χημικο-μηχανικός) πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με τη μέθοδο χρωστικής Herzberg (ISO : 1990). Οι ίνες ταξινομήθηκαν σε τρείς κατηγορίες: γένη κωνοφόρων, γένη πλατύφυλλων, και κατηγορίες μη ξυλωδών ειδών σύμφωνα με την μορφολογία τους (Ilvessalo-Pflaffli 1995). Επιπλέον, έγιναν μετρήσεις για τα παρακάτω χαρακτηριστικά:

3 Μήκος ινών (mm) Τύποι πολτού 3 Προέλευση 2 ποσοστά κατά βάρος κωνοφόρων, πλατυφύλλων, μη ξυλωδών ειδών, και ποσοστά κατά βάρος κατηγοριών μεθόδων πολτοποίησης των ινών (χημική, ημι-χημική και χημικο-μηχανική). Τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των ινών, όπως μήκος, διατομή, curl και kink, υπολογίστηκαν με τη χρήση της συσκευής MorfiTrac σύμφωνα με τα πρότυπα TAPPI T 233 cm-06, T 234 cm-02, T261 cm-00. Η ανάλυση της σύνθεσης (ποιοτική, ποσοτική) και ο μορφολογικός χαρακτηρισμός των ινών των χαρτιών συσκευασίας παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για τις ανακυκλωμένες πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή. Τα αποτελέσματα της ποσοτικής ανάλυσης των ινών αντανακλούν τις διαφορές στην ποιότητα μεταξύ των κατηγοριών των χαρτιών (Πίνακας 1). Τα χαρτιά kraftliner, τα οποία αντιπροσωπεύουν την καλύτερη ποιότητα των επίπεδων χαρτιών σε σχέση με τα Τestliners και έχουν και την μεγαλύτερη αντοχή, είναι λιγότερο μεταβλητά και έχουν γενικά υψηλότερα ποσοστά κωνοφόρων και χημικού πολτού. Η αποκλειστική χρήση ανακτημένων ινών στην παραγωγή της κατηγορίας Recycled fluting medium την καθιστούν ως την πιο μεταβλητή κατηγορία τόσο από ποιοτική και όσο και από ποσοτική άποψη. Σχετικά με τα μορφολογικά χαρακτηριστικά, οι παράμετροι kink, curl, fibrillation και fine content (Πίνακας 2) έχουν υψηλότερες τιμές στις ανακτημένες κατηγορίες χαρτιών (TL, RF) σε σχέση με αυτές που χρησιμοποιούν παρθένες ίνες (KL, SC) για κάθε κατηγορία. Αυτό οφείλεται στις κατεργασίες που υφίσταται ο πολτός κατά τη διάρκεια των επαναλαμβανόμενων κύκλων της ανακύκλωσης, κάτι που είχε σαν αποτέλεσμα να ισιώσουν οι ίνες σε κάποιο βαθμό. Το ποσοστό των λεπτών στοιχείων (fines content) στον πολτό επηρεάζει αρνητικά τη δομή και τις ιδιότητες του χαρτιού, αλλά καθώς όλες οι κατηγορίες χαρτιών περιέχουν ανακτημένες ίνες ήταν αναμενόμενο να βρεθούν υψηλές τιμές, ιδιαίτερα στις κατηγορίες Testliner (TL) και Recycled flutings (RF). Πίνακας 1. Πληροφορίες χαρτιών που μελετήθηκαν και ποσοστά κατά βάρος των κατηγοριών των ινών στα χαρτιά 1 Table 1. Information on the selected packaging grade papers και weight percentages of fibre components 1 Χώρα προέλευσης Κατηγορία Kraftliners (KL) Γαλλία, Νορβηγία, Πορτογαλία, Ελβετία, Η.Β., Η.Π.Α. Κυρίως από παρθένο πολτό kraft Επίπεδο χαρτί (Liners) Testliners (TL) Ελλάδα, Πορτογαλία, Ρουμανία, Ισπανία, Τουρκία Κυρίως από ανακυκλωμένες ίνες, με βάρος ίσο η μεγαλύτερο από 120 g/m 2 Κυματοειδές μέσο (flutings-medium) Semi-chemical Recycled flutings flutings (SC) (RF) Βουλγαρία, Κροατία, Ελλάδα, Φινλανδία, Πορτογαλία, Ρουμανία, Σουηδία, Ισπανία, Τουρκία Ελβετία, Ισπανία Κυρίως από ημιχημικό παρθένο πολτό Κυρίως από ανακυκλωμένες ίνες, με βάρος ίσο η μεγαλύτερο από 100 g/m 2 Γένη κωνοφόρων 56,31/14,63 33,19/9,89 26,93/12,76 26,19/7,05 Γένη πλατύφυλλων 38,89/13,93 61,69/7,12 66,99/12,18 65,23/7,09 Μη ξυλώδη είδη 4,8/2,02 5,12/4,44 3,38/2,83 8,58/1,81 Χημικός 60,85/5,89 30,1/20,18 26,54/12,64 51,19/3,64 Ημι-χημικός και χημικομηχανικός 39,15/5,89 69,9/20,18 73,46/12,64 48,81/3,64 1 μέσος όρος (mean values)/τυπική απόκλιση (standard deviation) 2 με βάση τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των ινών 3 με βάση τα χρώματα που παίρνουν οι ίνες με τη χρωστική Herzberg stain. Ο μηχανικός πολτός και τα ράκη βρέθηκαν σε ίχνη (ποσοστά κατά βάρος < 2% σε όλα τα χαρτιά Πίνακας 2. Μορφολογικά χαρακτηριστικά ινών των χαρτιών της έρευνας 1 Table 2. Morphology of the fibre components in the selected papers 1 Χαρακτηριστικά ινών Επίπεδο χαρτί (Liners) Κυματοειδές μέσο (flutings-medium) Kraftliners (KL) Testliners (TL) Semi-chemical flutings Recycled flutings Αριθμητικός μέσος όρος 0,75/0,11 0,49/0,01 0,63/0,11 0,51/0,03 Σταθμισμένο κατά μήκος 1,68/0,27 1,05/0,03 1,01/0,10 1,12/0,09 Σταθμισμένο κατά βάρος 2,49/0,27 1,78/0,08 1,42/0,12 1,90/0,25 Πλάτος ινών, µm 24,38/2,11 20,60/0,32 24,16/0,80 21,04/0,61 Πλάτος τοιχωμάτων, µm 6,20/0,49 5,42/0,19 5,72/0,43 5,66/0,13 Διατομή ινών, μm² 431,04/40,25 360,80/19,91 382,30/45,27 383,28/11,95 Δείκτης όγκου ινών, 106 μm³ 0,64/0,13 0,35/0,01 0,36/0,05 0,37/0,01 Coarseness, mg/m 0,20/0,02 0,19/0,01 0,16/0,02 0,18/0,01 Curl, % 12,12/0,64 12,62/1,12 9,48/2,04 11,74/0,84

4 Μηχανικές Φυσικές Kink index, l/m 551,5/155,3 913,9/162,3 507,1/201,6 794,6/126,1 Fibrillation, % 11,18/2,50 13,71/0,97 11,90/2,11 13,19/1,42 Fines, % 29,30/3,55 33,94/1,07 23,30/7,53 33,17/2,34 Ίνες ανά mg 6,659 (1,506) 10,858 (106) / /531 1 μέσος όρος (mean values)/τυπική απόκλιση (standard deviation) Ιδιότητες χαρτιών κατηγορίας κυματοειδούς χαρτονιού Οι ιδιότητες του χαρτιού επηρεάζουν σημαντικά τη συμπεριφορά του και διακρίνονται σε φυσικές, όπως είναι η μάζα ανά μονάδα επιφάνειας, το πάχος, η διαπερατότητα και η απορρόφηση νερού (cobb test), και μηχανικές, όπως είναι η αντοχή σε εφελκυσμό, σε σχίσιμο, και RCT. Τα χαρτιά κατηγορίας κυματοειδούς χαρτονιού μετά την παραγωγή τους αποθηκεύονται με τη μορφή παρτίδων οι οποίες έχουν παρόμοια χαρακτηριστικά ινών και ιδιότητες ανάλογα με τις πρώτες ύλες και την τελική χρήση τους. Η δειγματοληψία για τη μέτρηση των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων των χαρτιών της έρευνας έγινε με βάση την προδιαγραφή TAPPI Τ 400 om-90. Πριν τις δοκιμές των φυσικών ιδιοτήτων τα δείγματα χαρτιού κλιματίζονταν σε θάλαμο συνθηκών για 48 h σε συνθήκες 23οC και 50% RH σύμφωνα με το πρότυπο ISO 187 (1990). Τα αποτελέσματα των μετρήσεων των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων των χαρτιών παρουσιάζονται στον Πίνακα 3 και αποτυπώνουν τις ποιοτικές διαφορές ανάμεσα στις κατηγορίες χαρτιών. Σε αυτή τη μελέτη, τα χαρτιά kraftliner (KL) είναι αυτά με τη μεγαλύτερη μάζα ανά μονάδα επιφάνειας και πάχος. Τα χαρτιά της κατηγορίας επίπεδα (Liners) έχουν μικρότερη διαπερατότητα σε αέρα σε σχέση με τα χαρτιά της κατηγορίας κυματοειδές μέσο (Flutings-medium). Αν και γενικά, τα επίπεδα χαρτιά, τα οποία και χρησιμοποιούνται στις εξωτερικές στρώσεις του κυματοειδούς χαρτονιού, κατασκευάζονται έτσι ώστε να έχουν μειωμένη απορρόφηση νερού και ανθεκτικότητα σε υγρά περιβάλλοντα, αυτό δεν ισχύει απόλυτα για την κατηγορία Testliner η οποία παρουσιάζει αρκετά υψηλή απορρόφηση νερού (Πίνακας 3). Η αιτία είναι ότι η απορρόφηση είναι επιθυμητή ή τουλάχιστον όχι προβληματική όταν τα χαρτιά αυτής τις κατηγορίας χρησιμοποιούνται σε εσωτερικές στρώσεις κυματοειδούς χαρτονιού και χρειάζεται καλή απορρόφηση της κόλλας ή όταν χρησιμοποιούνται υδατοδιαλυτά μελάνια για εκτύπωση. Τα χαρτιά της κατηγορίας κυματοειδές μέσο έχουν μεγάλες τιμές απορρόφησης που απαιτείται για να αποκτήσουν το κυματοειδές σχήμα αλλά και για την απορρόφηση αμύλου κατά την παραγωγή τους. Ιδιότητα Πίνακας 3. Φυσικές και μηχανικές ιδιότητες των χαρτιών της έρευνας 1 Table 3. Physical και mechanical properties of the selected papers 1 Επίπεδο χαρτί (Liners) Kraftliners (KL) Testliners (TL) Κυματοειδές μέσο (flutings-medium) Semi-chemical Recycled flutings flutings Μάζα ανά μονάδα επιφάνειας (grammage), g/m 2 149,93/26,23 130,90/26,71 137,26/18,33 111,82/13,5 Πάχος, μm 0,24/0,05 0,21/0,05 0,21/0,04 0,2/0,04 Διαπερατότητα σε αέρα, ml/min 294,76/172,72 328,87/84,1 389,99/358,42 581,56/203,73 Απορρόφηση νερού (cobb test), g/m 2, 60 s 27,52/7,64 121,62/73,77 171,01/23,72 144,66/35,02 Αντοχή σε εφελκυσμό 2, MD 8,72/0,05 7,17/0,73 8,38/0,69 6,99/0,75 kn/m CD 6,23/1,38 2,65/0,80 4,47/0,95 2,46/0,28 Δείκτης εφελκυσμού 2, Nm/g MD 59,03/11,50 60,37/9,44 60,24/5,62 61,67/12,86 CD 41,69/10,43 21,71/4,24 31,72/3,58 21,40/1,65 Μήκος θραύσης 2, km MD 5,94/1,11 6,15/0,96 6,12/0,66 6,29/1,31 CD 4,25/1,06 2,21/0,43 3,32/0,36 2,19/0,17 Αντοχή zero-span 2, kn/m MD 17,57/1,98 12,15/1,75 20,73/2,34 13,98/1,08 CD 19,48/3,26 7,18/1,98 13,54/1,53 9,13/0,70 SCT 2, kn/m MD 6,16/1,60 4,51/0,83 6,33/1,98 4,00/0,77 CD 3,44/0,84 2,44/0,61 3,53/0,97 2,18/0,40 Αντοχή σε σχίση 2, mn MD 151,32/46,62 64,64/15,43 61,51/10,19 68,05/18,60 CD 171,14/67,20 82,77/7,61 89,75/16,15 85,43/9,84 Δείκτης σχίσης 2, mnm 2 /gr MD 9,89/1,85 5,37/1,09 4,38/0,37 5,81/1,07 CD 11,07/2,57 6,96/0,95 6,37/0,53 7,41/0,32 Αντοχή σε διάρρηξη, kpa 726,39/129,73 241,02/42,78 471,26/149,59 219,83/32,76 Δείκτης διάρρηξης, kpa m 2 /g 4,85/1,00 2,00/0,19 3,32/0,92 1,92/0,32 Αντοχή RCT 2, kn/m MD 1,82/0,65 1,34/1, CD 1,46/0,56 0,95/0, Αντοχή flat crush CMT, N ,19/48,24 162,75/57,43 Αντοχή corrugated crush CCT, kn/m ,00/0,46 1,50/0,59 1 μέσος όρος/mean values)/τυπική απόκλιση/standard deviation) 2 κατεύθυνση παράλληλα (MD) και κάθετα (CD) με τη διεύθυνση-μηχανή παραγωγής χαρτιού

5 Μοντέλα πρόβλεψης ιδιοτήτων χαρτιού από ανακτώμενες ίνες Ο βασικός στόχος του έργου RF-CORRUG είναι η ανάπτυξη μεθόδων πρόβλεψης των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς προϊόντων χαρτιού από ετερογενείς πρώτες ύλες με μεγάλα ποσοστά ανακυκλωμένων ινών προκειμένου να χρησιμοποιούνται αποτελεσματικότερα από τις επιχειρήσεις σε συσκευασίες κυματοειδούς χαρτονιού. Στο πλαίσιο του έργου αναπτύχθηκαν δύο κατηγορίες μοντέλων για την πρόβλεψη το ιδιοτήτων των χαρτιών. Η πρώτη κατηγορία μοντέλων βασίζεται στη μέθοδο της παλινδρόμησης με βάση την οποία αναπτύχθηκαν μοντέλα πρόβλεψης κάποιων μηχανικών ιδιοτήτων με βάση τα χαρακτηριστικά των ινών και τις φυσικές ιδιότητες χαρτιών. Από μια πλειάδα μεταβλητών (χαρακτηριστικά ινών και φυσικές ιδιότητες χαρτιών) επιλέχθηκαν μετά από έλεγχο (p-value) αυτές που σαν ανεξάρτητες μεταβλητές αξιολογήθηκε ότι είχαν σημαντική συνεισφορά στην εκτίμηση μέσω γραμμικών μοντέλων παλινδρόμησης σε επιλεγμένες μηχανικές ιδιότητες των χαρτιών που κατασκευάστηκαν από ανακτώμενες ίνες. Το αποτελεσματικότερο μοντέλο πρόβλεψης είναι αυτό που δίνει την αντοχή σε εφελκυσμό με μηδενική απόσταση υποστηριγμάτων (Zero span) κάθετα (CD) με τη διεύθυνση-μηχανή παραγωγής χαρτιού στα επίπεδα χαρτιά (liners) με βάση την προέλευση (είδος ξύλου, πολτός) και τα ποσοστά κατά βάρος των ινών. Για την ίδια ιδιότητα, υπάρχει επίσης μια καλή εκτίμηση με βάση τις φυσικές ιδιότητες (βάρος-πάχος) αλλά με σαφώς χαμηλότερο συντελεστή συσχέτισης σε σχέση με την προηγούμενη. Υψηλή συσχέτιση στα επίπεδα χαρτιά (liners) έχουμε και στις ιδιότητες: αντοχή σε εφελκυσμό κάθετα με τη διεύθυνση-μηχανή παραγωγής χαρτιού (Tensile strength-cd) και αντοχή σε σχίση με κάθετη διάταξη ινών προς την κατεύθυνση παραγωγής του χαρτιού (Tearing strength-cd), με βάση την προέλευση (είδος ξύλου) των ινών και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά (πολτός χημικής προέλευσης, ολόκληρες ίνες ή θραύσματα) των ινών από ξύλο κωνοφόρων ειδών. Η δεύτερη κατηγορία μοντέλων βασίζεται στη χρήση τεχνητών νευρωνικών δικτύων (ΤΝΝ), η λειτουργία των οποίων βασίζεται στη λειτουργία του ανθρώπινου εγκεφάλου, τα οποία προσφέρουν γρήγορη και ελαστική απόκριση, ανοχή σε σφάλματα και δυνατότητα εκμάθησης (Hassoun 1995, Bishop 1995). Για την εκπαίδευση των ΤΝΝ χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα εισόδου και εξόδου έτσι ώστε να καθοριστεί ο βέλτιστος αριθμός κρυμμένων νευρώνων για κάθε περίπτωση οι οποίοι θα δίνουν τη βέλτιστη δυνατή πρόβλεψη. Κατασκευάστηκαν συνολικά 4 δίκτυα, 2 για κάθε κατηγορία χαρτιού (επίπεδο, κυματοειδές), για την πρόβλεψη της αντοχής σε θλίψη (SCT-MD, SCT-CD) και εφελκυσμό (Tensile strength-md, Tensile strength-cd), με είσοδο τη μάζα ανά μονάδα επιφάνειας, το πάχος, και τα ποσοστά κατά βάρος των κατηγοριών των ινών στα χαρτιά (γένη κωνοφόρων, γένη πλατύφυλλων, και μη ξυλώδη είδη). Το αποτελεσματικότερο μοντέλο πρόβλεψης με συντελεστή συσχέτισης δίνει την αντοχή σε θλίψη παράλληλα και κάθετα στη διεύθυνση-μηχανή παραγωγής χαρτιού (SCT-MD, SCT-CD) για κυματοειδές μέσο. Συζήτηση Συμπεράσματα Στην παρούσα εργασία παρουσιάστηκε το ερευνητικό έργο RF-CORRUG, κύριος στόχος του οποίου είναι η ανάπτυξη μεθόδων πρόβλεψης των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς προϊόντων χαρτιού που παράγονται από ετερογενείς πρώτες ύλες με μεγάλα ποσοστά ανακυκλωμένων ινών προκειμένου να χρησιμοποιούνται αποτελεσματικότερα από τις επιχειρήσεις σε συσκευασίες κυματοειδούς χαρτονιού. Στο πλαίσιο του έργου πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις σε όλες τις διαθέσιμες ποιότητες χαρτιού στην Ελληνική και Ευρωπαϊκή αγορά για την παραγωγή κυματοειδούς χαρτονιού. Τα δεδομένα που συλλέχθηκαν στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία μοντέλων πρόβλεψης των σημαντικότερων ιδιοτήτων και συμπεριφοράς των χαρτιών με βάση τα χαρακτηριστικά και τα ποσοστά των διαφόρων τύπων ινών που χρησιμοποιήθηκαν στην παραγωγή τους. Τα μοντέλα πρόβλεψης που αναπτύχθηκαν βασίζονται στη χρήση της μεθόδου της γραμμικής συσχέτισης (παλινδρόμηση) καθώς και στη χρήση τεχνητών νευρωνικών δικτύων, με πολύ ενθαρρυντικά αποτελέσματα πρόβλεψης διαφόρων ιδιοτήτων. Στα μελλοντικά ερευνητικά σχέδια του έργου περιλαμβάνεται η κατασκευή ενός εργαλείο λογισμικού που θα υλοποιεί τα μοντέλα πρόβλεψης που αναπτύχθηκαν καθώς και την υλοποίηση μιας φιλικής διεπαφής χρήστη που θα δίνει τη δυνατότητα στους χρήστες του εργαλείου να λαμβάνουν ικανοποιητικές προβλέψεις με βάση τα στοιχεία εισόδου που θα επιλέγουν. Επιπλέον, θα πραγματοποιηθούν εκτεταμένες πιλοτικές δοκιμές για την αξιολόγηση τόσο της αποτελεσματικότητας του εργαλείου όσο και των μοντέλων πρόβλεψης. Ευχαριστίες H παρούσα έρευνα έχει συγχρηματοδοτηθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση/Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο - ΕΚΤ) και από εθνικούς πόρους μέσω του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» του Εθνικού Στρατηγικού Πλαισίου Αναφοράς/ΕΣΠΑ) Ερευνητικό Χρηματοδοτούμενο Έργο: ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ. Επένδυση στην κοινωνία της γνώσης μέσω του Ευρωπαϊκού Κοινωνικού Ταμείου. Abstract The difficulty in the prediction of paper product properties and behavior manufactured from heterogeneous raw materials with high percentage of recovered fibers puts many restrictions in their effective use as packaging material. This paper presents the research project RF-CORRUG, whose main objective is to develop methods for

6 the prediction of the properties and behavior of paper products manufactured from heterogeneous raw materials with high percentage of recovered fibers to be used effectively in the corrugated paper packaging industry. The project includes the experimental measurement of paper composition and properties (physical and mechanical) from all the available paper grades in the Greek and European market for the production of corrugated paperboard. Based on the experimental measurements, regression and neural networks models were developed for the most important mechanical properties of the papers considering the characteristics and percentages of the different fiber types used in their production. Βιβλιογραφία Abubakr S.M., Scott G.M. και Klungness J.H. (1995). Fiber fractionation as a method of improving handsheet properties after repeated recycling, TAPPI J., 78(5), Adamopoulos, S. (2006). Quantification of softwood, hardwood and nonwood fibres in packaging grade papers. Tappi Journal 5(3): Adamopoulos, S., και Oliver, J-V. (2006). Fibre composition of packaging grade papers as determined by the Graff "C" staining test. Wood and Fibre Science 38(4): Adamopoulos, S., Voulgaridis, E., και Passialis, C. (2014). Morphological characteristics of recovered fibres used in the production of corrugated board in Greece Ashley C.R. και Hodgson K.T. (2003). Papermaking properties and morphology of cellulose fiber recovered from municipal solid waste, TAPPI J., 2(10), Bishop, C. M. (1995). Neural networks for pattern recognition, Oxford university press. Dinwoodie J.M. (1965). The relationship between fiber morphology and paper properties: A review of literature, TAPPI J., 48(8), Eastwood F.G. και Clarke B. (1978). Fibre-water interaction in papermaking, Proc. of the BPBIF Symposium, Vol. II, London, UK. European Commission (1994). Council Directive of 20 December 1994 on packaging and packaging waste, 94/62/EC, Official Journal of the European Communities L365, European Recovered Paper Council (2002). The European declaration on paper recovery,erpc Annual report, Brussels. FAO (2001). Global Forest Resources Assessment 2000 Main Report, FAO Forestry Paper 140, Rome. FEFCO (2012). European database for corrugated board life cycle studies. FEFCO, Brussels, Belgium. Görres, J., Amiri, R., Wood, J. R., & Karnis, A. (1996). The apparent density of sheets made from pulp blends. Tappi journal, 79(1), Hassoun, M. H. (1995). Fundamentals of artificial neural networks, MIT press. Horn R.A. (1974). Morphology of wood pulp fiber from softwoods and influence on paper strength, USDA For. Serv. Res. Pap. FPL 242, For. Prod. Lab., Madison, WI. Horn R.A. (1978). Morphology of wood pulp fiber from hardwoods and influence on paper strength, USDA For. Serv. Res. Pap. FPL 312, For. Prod. Lab., Madison, WI. Howard R.C. και Bichard W.J. (1992). The basic effects of recycling on pulp properties, J.Pulp Paper Sci., 18(4), Howard, R. C. (1995). The effects of recycling on pulp quality. In R. W. J. McKinney (ed.) Technology of Paper Recycling, pp Blackie Academic and Professional, London. Hunt J.F. (1998). New Developments In Molded Pulp Process & Packaging II, Proc. Of IMPEPA, Chicago, Illinois. Ilvessalo-Pflaffli, M-S. (1995). Fibre Atlas - Identification of papermaking fibres. Springer series in wood science, Sprinnger-Verlag Berlin Heidelberg. Ince P.J. (2004). Fiber resources, In: Encyclopedia of Forest Sciences, Burley J., Evans J. Και Youngquist J.A./eds.), Elsevier Academic Press. ISO (1990). Paper, board and pulps. Fibre furnish analysis - Part 3: Herzberg staining test. ISO 187 (1990). Paper, board and pulps. Standard atmosphere for conditioning and testing and procedure for monitoring the atmosphere and conditioning of samples Kramer J.D. (1998). Wood fibre supply enough to match pulp and paper demand, Proc. Of the 1998 TAPPI Pulping Conference, TAPPI PRESS, Atlanta, p.31. Laivins G.V. και Scallan A.M. (1993). The mechanism of hornification of wood pulps, Proc. Of the 10th Fundamental Research Symposium, Oxford, UK,

7 Law K.N. και Valade J.L. (1995). Use of sulphonated reclaimed fibers from newspapers in the manufacture of newsprint, Conference Technologique Estivale, Quebec, Canada, May 31 June 2, Lumiainen, J., Oy, S.D.V. (1997). Refining of ECF and TCF bleached Scandinavian softwood kraft pulps under the same conditions. Paperi Ja Puu-Paper & Timber 79(2): Mabee W.E. (1998). The importance of recovered fibres in global fibre supply, Unasylva, 49(193), Mckinney R.W.J. (1995). Technology of Paper Recycling, Glasgow, UK, Paavilainen L. (1991). Influence of morphological properties of wood fibers on sulfate pulp fibers and paper properties, Proc. of 1991 IPPC, Kona, Hawaii, Rowell R.M, Young R.A. και Rowell J.K. (1997). Paper and composites from agro-based resources, CRC Lewis Publishers, Boca Raton, FL. Scallan A.M. και Tigerstrom A.C. (1992). Elasticity of the wet fiber wall: effects of pulping and recycling, J. Pulp Paper Sci., 18(5), Skog K.E., Ince P.J. και Haynes R.W. (1998). Wood fiber supply and demand in the United States, Proc. of the Forest Products Society Annual Meeting, June 23, Merida, Yucatan,Mexico. TAPPI T 233 cm-06. Fiber length of pulp by classification. TAPPI T 234 cm-02. Coarseness of pulp fibers. TAPPI T 261 cm-00. Fines fraction by weight of paper stock by wet screening. TAPPI Τ 400 om-90. Sampling and accepting a single lot of paper, paperboard, containerboard, or related product Virtanen Y. και Nilson, S. (1993). Environmental impacts of waste paper recycling, International Institute for Applied System Analysis, Earthscan Publ. Ltd, London.