陳漢秋 楊淑娟 梁福根 肖鵬 錢進(jìn) 楊飛 張勇，*

（1.浙江理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江杭州，310018；2.浙江傳化華洋化工有限公司，浙江杭州，311231；3.浙江宇博新材料有限公司，浙江臺(tái)州，318000）

生活用紙作為一種定量在12～18 g/m2之間的薄頁(yè)紙[1]，一般通過干法起皺工藝生產(chǎn)制成。在起皺過程中，纖維與刮刀產(chǎn)生劇烈的相互作用，其內(nèi)部發(fā)生變化，形成了微觀皺紋，并逐漸堆疊成宏觀皺紋，在很大程度上改變了紙張的柔軟特性[2-3]。研究表明，起皺刮刀、烘缸涂層化學(xué)品和起皺率等會(huì)對(duì)起皺產(chǎn)生影響，使紙張紋路發(fā)生變化，從而改變紙張的表面結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。起皺刮刀一直是生活用紙領(lǐng)域重要的研究?jī)?nèi)容[4-5]，刮刀的質(zhì)量決定著生活用紙的質(zhì)量。刮刀種類對(duì)皺紋粗細(xì)影響非常大[6]，陶瓷起皺刮刀使用時(shí)間可超過24 h，皺紋結(jié)構(gòu)變化慢；而鋼制起皺刮刀使用壽命短，在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較粗的皺紋，能很好地研究皺紋特征。

近年來(lái)，生活用紙表面形貌和紋路變化規(guī)律得到了相當(dāng)多的研究。Boudreau等人[7]搭建了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模起皺裝置，對(duì)起皺工藝進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)起皺力和皺紋波長(zhǎng)隨起皺角度增加而減小。Pan等人[8]利用粒子動(dòng)力學(xué)模型，系統(tǒng)研究了紙張起皺機(jī)理及關(guān)鍵參數(shù)對(duì)起皺過程的影響，發(fā)現(xiàn)起皺角度和涂層厚度對(duì)起皺工藝影響最大。Ismail等人[9]利用激光掃描共聚顯微鏡和X射線斷層掃描對(duì)紙張表面形貌和關(guān)鍵紋路參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)皺紋輪廓高度的平均值和單位長(zhǎng)度皺紋數(shù)與紙張的粗糙度和手感值沒有相關(guān)性。但這些研究均來(lái)自實(shí)驗(yàn)室紙機(jī)和模擬生產(chǎn)[10-11]，與企業(yè)生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)存在較大差異，而且也沒有對(duì)紙張紋路參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)地量化和統(tǒng)計(jì)分析，不能用于指導(dǎo)生活用紙的起皺過程和質(zhì)量評(píng)價(jià)。

為此，本課題探究了生活用紙紋路在鋼制起皺刮刀磨損下的變化及其對(duì)手感值的影響。實(shí)驗(yàn)通過記錄現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和收集樣品，利用基恩士3D顯微鏡分析紙張微觀形貌并量化紙張皺紋高度、寬度和長(zhǎng)度，利用柔軟度測(cè)試儀表征紙張的宏觀性能參數(shù)，以大量測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，科學(xué)地分析了用紋路參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)紙張質(zhì)量的可行性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料

生活用紙，平均定量15.5 g/m2，針葉木漿和闊葉木漿質(zhì)量比12.5∶87.5，由國(guó)內(nèi)某生活用紙生產(chǎn)企業(yè)提供。紙張的收集與生活用紙的生產(chǎn)周期有關(guān)，本研究共收集了4份紙張，均為單層。采樣時(shí)間和紙機(jī)生產(chǎn)參數(shù)見表1。

表1 采樣時(shí)間和紙機(jī)生產(chǎn)參數(shù)Table 1 Sampling time and tissue paper machine production parameters

1.2 設(shè)備及儀器

VHX-70003D顯微鏡，日本基恩士公司。柔軟度測(cè)試儀（Tissue Softness Analyzer，TSA），德國(guó)EMTEC公司。厚度測(cè)試儀，HDY-13型，杭州輕通博科技自動(dòng)化技術(shù)有限公司。

1.3 紙張紋路參數(shù)測(cè)試及性能表征

3D顯微鏡可對(duì)生活用紙紋路參數(shù)進(jìn)行定量分析，生活用紙紋路參數(shù)和物理含義如表2所示。將待測(cè)樣品放在溫度(25±1)℃、相對(duì)濕度(53±1)%的恒溫恒濕環(huán)境中，以保證待檢測(cè)樣品的水分含量相同，減少實(shí)驗(yàn)誤差。

表2 生活用紙紋路參數(shù)及物理含義Table 2 Crepes parameter of tissue paper and physical meaning

1.3.1 樣品的拼接

使用3D顯微鏡對(duì)紙張進(jìn)行拼接，拼接原理如圖1所示。將樣品置于垂直光源下，設(shè)置顯微鏡倍數(shù)為150，設(shè)置X軸和Y軸的移動(dòng)距離為4 mm，調(diào)節(jié)鏡頭的上下限，使兩者之間的距離大于3000 μm。利用鏡頭在Z軸、X軸、Y軸方向上反復(fù)驅(qū)動(dòng)來(lái)獲得紙張皺紋的輪廓并記錄顏色信息，最后得到4950 μm×4950 μm的圖像。

圖1 3D拼接原理圖Fig.1 Operational principle of the 3D splice

1.3.2 皺紋高度和寬度測(cè)試

在紙張成像區(qū)域內(nèi)的不同位置，分別畫3條垂直于皺紋結(jié)構(gòu)的直線，作為測(cè)量皺紋高度和寬度的長(zhǎng)度范圍，每條直線的長(zhǎng)度約4950 μm。在測(cè)量長(zhǎng)度范圍內(nèi)選取出現(xiàn)的皺紋高度大于1 μm和寬度大于50 μm的單個(gè)皺紋作為測(cè)量點(diǎn)（約20～30個(gè)），利用其參數(shù)計(jì)算皺紋高度和寬度值，示意圖如圖2所示。每份紙張拼接9個(gè)圖像，多次測(cè)量以減少實(shí)驗(yàn)誤差。皺紋的平均高度計(jì)算見式（1）。

圖2 皺紋高度與寬度測(cè)試過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the measurement process the crepes height and crepes width

式中，Wa為皺紋的平均高度，μm；n為測(cè)得數(shù)據(jù)的總數(shù)，個(gè)；hi為相鄰峰與谷的垂直距離，μm。

皺紋的平均寬度計(jì)算見式（2）。

式中，Wb為皺紋的平均寬度，μm；n為測(cè)得數(shù)據(jù)的總數(shù)，個(gè)；li為兩相鄰谷之間的水平距離，μm。

1.3.3 皺紋長(zhǎng)度測(cè)試

調(diào)出拼接好的圖像，選擇黑白模式，在測(cè)試界面上選擇測(cè)量/標(biāo)尺，設(shè)置方法為亮度（標(biāo)準(zhǔn)），然后顯示4個(gè)不同的圖像，選擇清晰度最高的圖像作為分析圖像，并去除細(xì)微噪點(diǎn)，勾選去除較小的粒子，將連在一起的皺紋使用編輯功能分離，得到測(cè)試圖，如圖3所示。通過軟件自動(dòng)測(cè)得圖中所有點(diǎn)的長(zhǎng)度，測(cè)量點(diǎn)約250～300個(gè)。皺紋的平均長(zhǎng)度計(jì)算見式（3）。

圖3 皺紋長(zhǎng)度測(cè)試過程示意圖Fig.3 Schematic of the measurement process of the crepes length

式中，Wc為皺紋的平均長(zhǎng)度，μm；n為所拼接圖像上測(cè)得的皺紋數(shù)，個(gè)；ci為單個(gè)皺紋的長(zhǎng)度，μm。

1.3.4 紙張厚度測(cè)試

使用厚度儀測(cè)試紙張上不同5個(gè)點(diǎn)（上、下、左、右、中間）厚度，并計(jì)算厚度平均值。

1.3.5 手感值的測(cè)量

TSA將紙張的物理性能和生理學(xué)觸感性能相結(jié)合，通過FacialⅢ算法，測(cè)得紙張柔軟度、粗糙度和挺度，并結(jié)合紙張定量、厚度和層數(shù)等信息，計(jì)算出紙張的綜合手感（HF）值[12-13]。

1.3.6 單位長(zhǎng)度皺紋數(shù)和每平方厘米皺紋數(shù)的計(jì)算

單位長(zhǎng)度皺紋數(shù)和每平方厘米皺紋數(shù)的計(jì)算分別見式（4）和式（5）。

式中，N1為單位長(zhǎng)度上的皺紋個(gè)數(shù)，個(gè)/cm；n1為每個(gè)樣品測(cè)得的皺紋總個(gè)數(shù)，個(gè)；L為每個(gè)樣品所畫直線的總長(zhǎng)度，cm；N2為每平方厘米上的皺紋個(gè)數(shù)，個(gè)/cm2；n2為每個(gè)樣品測(cè)得的皺紋總個(gè)數(shù)，個(gè)；S為每個(gè)樣品所拼接圖像的面積，cm2。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌分析

生活用紙樣品的表面形貌如圖4所示，紙張的表面形貌隨時(shí)間的增加（刮刀的磨損）發(fā)生明顯變化。當(dāng)刮刀磨損至84 min時(shí)，樣品T84皺紋細(xì)小且不均勻，圖中虛線方框中的皺紋峰谷較平整，而其他地方凸起明顯。這主要是因?yàn)樯a(chǎn)前期烘缸涂層較硬，含有很多細(xì)小纖維，與紙張黏結(jié)力更大，使紙張?jiān)诠蔚兜淖矒粝赂菀灼鸢櫍纬呻S機(jī)的微小紋路。樣品T154和T231的皺紋形狀逐漸隨刮刀磨損產(chǎn)生微弱改變。但在刮刀使用結(jié)束時(shí)，樣品T313則顯示了1個(gè)相對(duì)均勻的峰谷結(jié)構(gòu)，皺紋粗大，該變化會(huì)降低紙張的柔軟性能[14-15]。

圖4 生活用紙樣品截面形狀圖Fig.4 Cross-sectional shape diagram of tissue paper samples

此外，在相同取樣長(zhǎng)度下，當(dāng)刮刀工作313 min后，紙張皺紋平均高度增加了55%（從29.48 μm到45.82 μm），皺紋平均寬度增加了35%（從167.90 μm到226.01 μm），如表3所示；相反地，單位長(zhǎng)度和每平方厘米擁有更少的皺紋數(shù)，單位長(zhǎng)度皺紋數(shù)從58個(gè)/cm到43個(gè)/cm不等，每平方厘米皺紋數(shù)從1220個(gè)/cm2到1025個(gè)/cm2不等。這些特征主要是由刮刀磨損造成的[16-17]，使皺紋變寬變高。因此皺紋高度和寬度的不均勻性隨刮刀磨損而趨于均勻[18]，這與普遍認(rèn)為只有均勻的表面結(jié)構(gòu)才具有更柔軟的性能相反，微觀表面的非均勻性更能提高紙張的性能[19-20]，如樣品T84。

表3 生活用紙樣品的各種性能參數(shù)Table 3 Various performance parameters of the tissue paper samples μm

隨刮刀的磨損，紙張皺紋均勻性增加，不僅具有清晰的形狀，而且增加了單層紙張?bào)w積厚度[21]，這將會(huì)影響最終產(chǎn)品的整體質(zhì)量。

2.2 紋路高度統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得紋路總數(shù)如表4所示，生活用紙樣品的皺紋高度分布如圖5所示。由圖5可知，生活用紙樣品的皺紋高度主要分布在0～100 μm之間，占比接近100%。在0～20 μm內(nèi)，當(dāng)刮刀磨損84 min時(shí)，T84所占比例為40%；磨損313 min時(shí)，T313所占比例為16%，下降了60%，降低明顯。紙張?jiān)?0～60 μm內(nèi)所占比例相差不大。在60～100 μm內(nèi)，隨刮刀磨損紋路高度占比逐漸上升。

表4 實(shí)驗(yàn)測(cè)得紋路參數(shù)的總數(shù)Table 4 Total number of crepes parameters by experiment test

圖5 生活用紙樣品皺紋高度分布Fig.5 Crepes height distribution of the tissue paper samples

2.3 紋路寬度統(tǒng)計(jì)分析

生活用紙樣品的皺紋寬度分布如圖6所示。由圖6可知，T84、T154的皺紋寬度主要分布在100～250 μm之間，占比分別為85%、84%，而T231和T313的皺紋寬度分布在100～300 μm內(nèi)，占比分別為88%、84%。T84的皺紋寬度在50～150 μm內(nèi)，所占比例比T313增加了26個(gè)百分點(diǎn)，T84在250～450 μm內(nèi)的占比與T313相比減少了26個(gè)百分點(diǎn)。

圖6 生活用紙樣品皺紋寬度分布Fig.6 Crepes width distribution of the tissue paper samples

通過紋路高度和寬度數(shù)據(jù)分析表明，當(dāng)刮刀剛開始工作時(shí)，與烘缸表面類似于線性接觸，此時(shí)紙張皺質(zhì)量最好。隨著刮刀工作時(shí)間的推移，刮刀由剛開始的線性接觸變?yōu)槊娼佑|（如圖7所示），且面寬變化較快[5]。同時(shí)，紙張的皺紋由細(xì)到粗漸變，物理性能也隨之改變，當(dāng)刮刀磨損到一定程度后，皺紋結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯的改變，紙張質(zhì)量也跟著變差。

圖7 起皺刮刀初期狀態(tài)（左）和起皺刮刀末期狀態(tài)（右）Fig.7 Initial state of the doctor blade（left）and final state of the doctor blade（right）

2.4 紋路長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)分析

生活用紙樣品的皺紋長(zhǎng)度分布如圖8所示。由圖8可知，T84、T154、T231和T313的皺紋長(zhǎng)度主要分布在0～1500 μm內(nèi)，占比分別為91%、90%、90%和90%。4種紙?jiān)诿總€(gè)區(qū)間所占比例相差不大，這說明皺紋長(zhǎng)度對(duì)紙張的各種性能（如柔軟度等）幾乎沒有影響。

圖8 生活用紙樣品皺紋長(zhǎng)度分布Fig.8 Crepes length distribution of the tissue paper samples

2.5 手感值分析

手感和表面粗糙度是區(qū)分紙張柔軟度的主要因素[22-23]，眾所周知，手感值是一個(gè)綜合值，可以比較客觀地反映被測(cè)量紙的性能。圖9為生活用紙樣品的TSA測(cè)試圖。從圖9可知，隨刮刀磨損，紙張粗糙度峰（TS750值越大，表面越粗糙）逐漸增加，T313的TS750值比T84增加了25%（從8.734到10.908），紙張的粗糙度變差；樣品的柔軟度峰（TS7值越小，表面越柔軟）也呈逐漸增加的趨勢(shì)，T313的TS7值比T84增加了18%（從13.589到15.978），紙張的柔軟性逐漸降低。柔軟度和粗糙度隨時(shí)間變化逐漸增大，這表明刮刀緩緩磨損導(dǎo)致不均勻和細(xì)皺紋減少，均勻和粗皺紋增加。

圖9 生活用紙樣品TSA測(cè)試圖Fig.9 TSA test chart of the tissue paper samples

手感（HF）值與紙張紋路的平均寬度、平均高度、單位長(zhǎng)度皺紋數(shù)和每平方厘米皺紋數(shù)具均有關(guān)系，如圖10所示。由圖10（a）和圖10（b）可知，HF值隨皺紋平均高度和平均寬度的增加而降低，幾乎呈線性下降；由圖10（c）和圖10（d）可知，每平方厘米皺紋數(shù)和單位長(zhǎng)度皺紋數(shù)越多，HF值就越高。綜合以上因素，紙張的HF值會(huì)隨起皺刮刀的磨損慢慢降低，人們?cè)谟|摸或使用時(shí)會(huì)有一種粗糙感[24]。

圖10 HF值與紋路參數(shù)的關(guān)系Fig.10 Relationship between the HF value and parameters of the crepes

經(jīng)討論可知，刮刀磨損會(huì)降低單位長(zhǎng)度皺紋數(shù)，而單位長(zhǎng)度皺紋數(shù)越多，紙張的柔軟度越好，手感值也越高。在紙機(jī)上調(diào)整粘缸劑流量來(lái)改變紙張紋路，通過同樣測(cè)試方法，得到粘缸劑流量與單位長(zhǎng)度皺紋數(shù)的關(guān)系，如圖11所示。從圖11可以看出，當(dāng)增加粘缸劑流量，單位長(zhǎng)度皺紋數(shù)也會(huì)增加。因此，在刮刀磨損的過程中，適當(dāng)增加粘缸劑用量，可以改善皺紋質(zhì)量，從而延長(zhǎng)刮刀使用周期，提高產(chǎn)量，增加收益。

圖11 粘缸劑流量與單位長(zhǎng)度皺紋個(gè)數(shù)的關(guān)系Fig.11 Relationship between the flow of creping adhesive and the number of crepes per centimeter

3 紙張質(zhì)量評(píng)價(jià)及建議

上文討論了生活用紙紋路隨起皺刮刀磨損的變化及分布區(qū)間，也分析了紙張紋路變化對(duì)HF值的影響。最后利用紋路等級(jí)表對(duì)樣品進(jìn)行評(píng)價(jià)，如表5所示。由表5可知，T84的皺紋質(zhì)量最好，紙張質(zhì)量也最佳；T154和T231的皺紋質(zhì)量次之，紙張質(zhì)量較好；T313的皺紋質(zhì)量最差，紙張質(zhì)量欠佳。因此，在刮刀的壽命期內(nèi)，生產(chǎn)的第一卷原紙可以用作面巾紙的第一層進(jìn)行后續(xù)的加工，第二、三卷紙可以用作面巾紙的夾層，最后一卷結(jié)合實(shí)際情況則可以用作廁所紙。

表5 生活用紙樣品的皺紋質(zhì)量評(píng)估Table 5 Crepes quality assessment of tissue paper samples

4 結(jié)論

在本研究中，分別采用3D顯微鏡和柔軟度分析儀分析紙張的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)皺紋的高度、寬度和長(zhǎng)度進(jìn)行了量化分析和皺紋質(zhì)量分析。

4.1 隨著刮刀的磨損，紙張皺紋平均寬度和平均高度逐漸增加，單位長(zhǎng)度皺紋數(shù)和每平方厘米皺紋數(shù)逐漸減少。

4.2 只在刮刀磨損條件下，且當(dāng)刮刀結(jié)束工作時(shí)，生活用紙紋路高度主要集中在0～100 μm之間，且在20～60 μm之間的占比為50%左右，不隨刮刀磨損而改變；皺紋寬度分布在100～300 μm范圍內(nèi)，皺紋長(zhǎng)度分布在0～1500 μm內(nèi)。生產(chǎn)初期皺紋質(zhì)量最好，中期質(zhì)量次之，末期質(zhì)量欠佳。

4.3 紙張皺紋高度和皺紋寬度對(duì)綜合手感（HF）值有重要影響，皺紋高度越高，寬度越寬，HF值就越低；單位長(zhǎng)度皺紋數(shù)和每平方厘米皺紋數(shù)對(duì)HF值的影響則相反，皺紋數(shù)越多，HF值越高。