基于刮刀磨損下的生活用紙紋路研究及質(zhì)量評估

陳漢秋 楊淑娟 梁福根 肖鵬 錢進 楊飛 張勇，*

（1.浙江理工大學材料科學與工程學院，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，浙江臺州，318000）

生活用紙作為一種定量在12～18 g/m2之間的薄頁紙[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、烘缸涂層化學品和起皺率等會對起皺產(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)域重要的研究內(nèi)容[4-5]，刮刀的質(zhì)量決定著生活用紙的質(zhì)量。刮刀種類對皺紋粗細影響非常大[6]，陶瓷起皺刮刀使用時間可超過24 h，皺紋結(jié)構(gòu)變化慢；而鋼制起皺刮刀使用壽命短，在較短時間內(nèi)產(chǎn)生較粗的皺紋，能很好地研究皺紋特征。

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

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手感值的影響。實驗通過記錄現(xiàn)場生產(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、寬度和長度，利用柔軟度測試儀表征紙張的宏觀性能參數(shù)，以大量測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，科學地分析了用紋路參數(shù)來評價紙張質(zhì)量的可行性。

1 實 驗

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。采樣時間和紙機生產(chǎn)參數(shù)見表1。

表1 采樣時間和紙機生產(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。柔軟度測試儀（Tissue Softness Analyzer，TSA），德國EMTEC公司。厚度測試儀，HDY-13型，杭州輕通博科技自動化技術(shù)有限公司。

1.3 紙張紋路參數(shù)測試及性能表征

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

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顯微鏡對紙張進行拼接，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軸方向上反復驅(qū)動來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，作為測量皺紋高度和寬度的長度范圍，每條直線的長度約4950 μm。在測量長度范圍內(nèi)選取出現(xiàn)的皺紋高度大于1 μm和寬度大于50 μm的單個皺紋作為測量點（約20～30個），利用其參數(shù)計算皺紋高度和寬度值，示意圖如圖2所示。每份紙張拼接9個圖像，多次測量以減少實驗誤差。皺紋的平均高度計算見式（1）。

圖2 皺紋高度與寬度測試過程示意圖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為測得數(shù)據(jù)的總數(shù)，個；hi為相鄰峰與谷的垂直距離，μm。

皺紋的平均寬度計算見式（2）。

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

1.3.3 皺紋長度測試

調(diào)出拼接好的圖像，選擇黑白模式，在測試界面上選擇測量/標尺，設(shè)置方法為亮度（標準），然后顯示4個不同的圖像，選擇清晰度最高的圖像作為分析圖像，并去除細微噪點，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，得到測試圖，如圖3所示。通過軟件自動測得圖中所有點的長度，測量點約250～300個。皺紋的平均長度計算見式（3）。

圖3 皺紋長度測試過程示意圖Fig.3 Schematic of the measurement process of the crepes length

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

1.3.4 紙張厚度測試

使用厚度儀測試紙張上不同5個點（上、下、左、右、中間）厚度，并計算厚度平均值。

1.3.5 手感值的測量

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

1.3.6 單位長度皺紋數(shù)和每平方厘米皺紋數(shù)的計算

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

式中，N1為單位長度上的皺紋個數(shù)，個/cm；n1為每個樣品測得的皺紋總個數(shù)，個；L為每個樣品所畫直線的總長度，cm；N2為每平方厘米上的皺紋個數(shù)，個/cm2；n2為每個樣品測得的皺紋總個數(shù)，個；S為每個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間的增加（刮刀的磨損）發(fā)生明顯變化。當刮刀磨損至84 min時，樣品T84皺紋細小且不均勻，圖中虛線方框中的皺紋峰谷較平整，而其他地方凸起明顯。這主要是因為生產(chǎn)前期烘缸涂層較硬，含有很多細小纖維，與紙張黏結(jié)力更大，使紙張在刮刀的撞擊下更容易起皺，形成隨機的微小紋路。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，樣品T313則顯示了1個相對均勻的峰谷結(jié)構(gòu)，皺紋粗大，該變化會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，在相同取樣長度下，當刮刀工作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，單位長度和每平方厘米擁有更少的皺紋數(shù)，單位長度皺紋數(shù)從58個/cm到43個/cm不等，每平方厘米皺紋數(shù)從1220個/cm2到1025個/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體積厚度[21]，這將會影響最終產(chǎn)品的整體質(zhì)量。

2.2 紋路高度統(tǒng)計分析

實驗測試所得紋路總數(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)，當刮刀磨損84 min時，T84所占比例為40%；磨損313 min時，T313所占比例為16%，下降了60%，降低明顯。紙張在20～60 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 實驗測得紋路參數(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個百分點，T84在250～450 μm內(nèi)的占比與T313相比減少了26個百分點。

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，當刮刀剛開始工作時，與烘缸表面類似于線性接觸，此時紙張皺質(zhì)量最好。隨著刮刀工作時間的推移，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，紙張的皺紋由細到粗漸變，物理性能也隨之改變，當刮刀磨損到一定程度后，皺紋結(jié)構(gòu)會發(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 紋路長度統(tǒng)計分析

生活用紙樣品的皺紋長度分布如圖8所示。由圖8可知，T84、T154、T231和T313的皺紋長度主要分布在0～1500 μm內(nèi)，占比分別為91%、90%、90%和90%。4種紙在每個區(qū)間所占比例相差不大，這說明皺紋長度對紙張的各種性能（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，手感值是一個綜合值，可以比較客觀地反映被測量紙的性能。圖9為生活用紙樣品的TSA測試圖。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，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間變化逐漸增大，這表明刮刀緩緩磨損導致不均勻和細皺紋減少，均勻和粗皺紋增加。

圖9 生活用紙樣品TSA測試圖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)和單位長度皺紋數(shù)越多，HF值就越高。綜合以上因素，紙張的HF值會隨起皺刮刀的磨損慢慢降低，人們在觸摸或使用時會有一種粗糙感[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，刮刀磨損會降低單位長度皺紋數(shù)，而單位長度皺紋數(shù)越多，紙張的柔軟度越好，手感值也越高。在紙機上調(diào)整粘缸劑流量來改變紙張紋路，通過同樣測試方法，得到粘缸劑流量與單位長度皺紋數(shù)的關(guān)系，如圖11所示。從圖11可以看出，當增加粘缸劑流量，單位長度皺紋數(shù)也會增加。因此，在刮刀磨損的過程中，適當增加粘缸劑用量，可以改善皺紋質(zhì)量，從而延長刮刀使用周期，提高產(chǎn)量，增加收益。

圖11 粘缸劑流量與單位長度皺紋個數(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)量評價及建議

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HF值的影響。最后利用紋路等級表對樣品進行評價，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)，對皺紋的高度、寬度和長度進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，且當刮刀結(jié)束工作時，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；單位長度皺紋數(shù)和每平方厘米皺紋數(shù)對HF值的影響則相反，皺紋數(shù)越多，HF值越高。