一種評(píng)價(jià)涂布過程中紙張粗化程度的新方法

(中國制漿造紙研究院,北京,100020)

許 利 劉金剛

一種評(píng)價(jià)涂布過程中紙張粗化程度的新方法

(中國制漿造紙研究院,北京,100020)

許 利 劉金剛

采用特殊處理后的打印機(jī)潤濕紙張,通過調(diào)整打印圖片的灰度準(zhǔn)確控制紙張的潤濕量。之后用光學(xué)輪廓儀和探針臺(tái)階儀測定了紙張遇水前后的表面均方根粗糙度 (Rq)變化,并對 Rq值進(jìn)行了帶通濾波分析。結(jié)果顯示,1.28～2.56 mm的纖維組分是造成含高得率漿紙張粗化的主要原因。以最大熵原則作為閾值的選取標(biāo)準(zhǔn)測定了二值化后的紙張涂層覆蓋率。結(jié)果表明,依照此原則進(jìn)行二值化可以較真實(shí)地反應(yīng)涂層的覆蓋情況,測定的涂層覆蓋率結(jié)果可間接反映紙張的遇水粗化程度。

涂布原紙;粗化;頻譜分析;涂層覆蓋率

在表面施膠、涂布以及印刷過程中,紙張 (尤其是含機(jī)械漿的紙張)和水接觸后通常會(huì)發(fā)生粗化現(xiàn)象,造成表面粗糙度增加,涂布和印刷質(zhì)量下降[1-4]。以何種方式定量地潤濕紙張,同時(shí)檢測紙張粗糙度的變化,并對測量結(jié)果進(jìn)行分析處理,這對研究涂布過程中的粗化現(xiàn)象極其重要。

在各種不同的粗糙度測試方法中,有兩種測試方法占主要地位[5],一種是表面掃描法,如探針掃描法和光學(xué)輪廓法,通過被測表面的外形與理想表面外形的差異計(jì)算出粗糙度。另一種是空氣泄漏法,如印刷表面粗糙度 (PPS)和本特生粗糙度的測定。由于PPS和本特生粗糙度的測定結(jié)果僅僅是一個(gè)平均值,不涉及纖維變化的細(xì)節(jié),而且在測定過程中可能會(huì)對紙張表面部分翹起的纖維產(chǎn)生一定程度的破壞,所以盡管早期也有人用 PPS來反映粗化的程度,但卻不是最合適的評(píng)價(jià)方式[6]。

本實(shí)驗(yàn)采用改裝后的打印機(jī)潤濕紙張,做到了潤濕量的準(zhǔn)確控制,然后采用光學(xué)輪廓法和探針掃描法測定了純化學(xué)漿涂布原紙和含高得率漿涂布原紙壓光、潤濕前后的均方根粗糙度 Rq,分析了低定量涂布后 (<10 g/m2)紙張的涂層覆蓋性,初步確定了可用于評(píng)價(jià)涂布過程中粗化程度的新方法。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

進(jìn)口針葉木漿板 (NBKP):取自臨清銀河紙業(yè),初始游離度 685 mL;進(jìn)口闊葉木漿板 (LBKP):取自臨清銀河紙業(yè),初始游離度 600 mL;楊木 P-RC APMP:取自湖南岳陽紙業(yè),游離度 138 mL。

1.2 主要儀器

實(shí)驗(yàn)室用 G8K/KTF38,200 mm標(biāo)準(zhǔn)紙頁成形器,德國 Gockel&Co公司生產(chǎn);25FC-200E兩輥超級(jí)壓光機(jī),日本生產(chǎn);Wyco NT9100型光學(xué)輪廓儀,美國 Veeco公司生產(chǎn);Dektak150型觸針式臺(tái)階儀,美國 Veeco公司生產(chǎn)。

1.3 打漿

打漿設(shè)備:瓦利打漿機(jī)。打漿條件:濃度1.5%,浸泡 30 min,疏解 20 min,針葉木漿打漿加5 kg重的砣,闊葉木漿打漿加 4 kg重的砣,P-RC APMP疏解后直接使用。

表1 漿料性能

1.4 手抄片的制備

NBKP用量 30%,LB KP和 P-RC APMP用量70% (P-RC APMP用量分別為 0和 45%),抄紙濃度 4%,定量 80 g/m2,壓榨條件:壓力 2 MPa,時(shí)間 60 s。原紙平衡水分后在 0.1 MPa下進(jìn)行冷壓光。

1.5 原紙的潤濕

儀器:普通彩色噴墨打印機(jī)。

具體方法:將墨盒清洗后注水,調(diào)節(jié)被打印圖片的灰度,確定不同灰度的圖片對應(yīng)的墨盒出水量。預(yù)涂紙的涂布量約為 10 g/m2,涂料固含量 60%,其中2/3左右的水分被原紙吸收,基于這樣的假設(shè),本實(shí)驗(yàn)采用潤濕量為 4 g/m2左右的圖片打印原紙[7](見圖1)。為驗(yàn)證此潤濕方法的均勻性,將墨盒內(nèi)注入少量染料,打印圖片后經(jīng)顯微鏡觀察,紙頁無明顯的白色遺漏點(diǎn),進(jìn)而證明使用該方法時(shí)紙頁的潤濕較為均勻,如圖2所示。

圖1 潤濕量為 4.06 g/m2時(shí)的圖片

圖2 用稀釋后的染料潤濕的紙張表面

1.6 涂布

采用實(shí)驗(yàn)室刮棒手工涂布,涂布量 9～10 g/m2,涂料固含量 58.5%,黏度 613 mPa·s,配方如表2所示。

表2 涂料配方

2 紙張性能的測定

2.1 光學(xué)輪廓法測定粗糙度

2.1.1 測定點(diǎn)的選取

為了保證壓光和潤濕前后測定的位置一致,首次測定前對手抄片上的某一點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記,之后以該點(diǎn)為中心,上下左右各測 2個(gè)點(diǎn),每張紙測定 8個(gè)值,每個(gè)樣品測 3張紙,最后取平均值作為測定結(jié)果。濾波分析時(shí),對 24個(gè)數(shù)值分別濾波,之后再取其平均值作為分析結(jié)果。

2.1.2 表面輪廓的頻譜分析

數(shù)字圖像中往往存在著噪聲干擾,產(chǎn)生噪聲的原因很多,如光電元件產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲,數(shù)字化產(chǎn)生的量化噪聲等。噪聲表現(xiàn)在圖像中將會(huì)產(chǎn)生雜色點(diǎn)、條紋或明暗不均勻等現(xiàn)象,造成圖像的運(yùn)算變得復(fù)雜,會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來嚴(yán)重偏差。與普通的圖像錄入(攝像、拍照、掃描)不同,Wyco NT9100的去噪是在測定的同時(shí)自動(dòng)完成的,分析粗糙度時(shí)不需要進(jìn)行后續(xù)的去噪工作,可以直接根據(jù)纖維的尺寸分布進(jìn)行濾波處理。

使用Wyco光學(xué)系統(tǒng)自帶的 Vision 3.20軟件可以實(shí)現(xiàn)紙張的表面輪廓信息分割。處理時(shí)首先對紙張的表面圖像進(jìn)行傅里葉變換,之后采用高斯帶通濾波器濾波,從而獲得 2.5～5、5～10、10～20、20～40、40～80、80～160、160～320、320～640、640～1280、1280～2560、2560～5120μm波段下的表面粗糙度信息。如圖3～圖5所示,未經(jīng)過濾波的紙張表面僅能看出凹凸的輪廓 (顏色深處為凸出的區(qū)域,顏色淺處為凹陷的區(qū)域),經(jīng)過濾波后可以清晰地看出在不同波段范圍內(nèi)紙張表面的纖維分布,這里的波段和纖維尺寸并沒有嚴(yán)格的數(shù)量關(guān)系,但是對比圖4和圖5可知,濾波的波長和纖維的寬度有一定的對應(yīng)關(guān)系,這對于分析不同組分的纖維在粗化過程中的變化十分有意義。

2.2 探針掃描法測定粗糙度

用探針臺(tái)階儀測定粗糙度時(shí),設(shè)定的掃描長度為8 mm,截取值 (cutoff)2.5 mm,測定總長度 80 mm,探針直徑 12.5μm。

2.3 涂層覆蓋性的測定

2.3.1 Burn-out預(yù)處理[8]

將試樣放入質(zhì)量濃度 25 g/L的NH4Cl-C2H5OH·H2O (體積比 1∶1)溶液中浸漬直至飽和,然后將其在室溫下晾干,再置于 205℃的烘箱中干燥 3 min。此時(shí)原紙已經(jīng)被碳化成黑色,表面覆蓋著白色的涂料。之后通過掃描儀記錄紙張表面的灰度圖像,用于定量分析涂層的覆蓋性。

在灰度圖像中,每個(gè)像素點(diǎn)上的顏色深淺被量化成 0～255的灰度值,灰度值為 0代表黑色,灰度值為 255代表白色,因此,涂布紙表面的灰度值越大,說明紙張表面覆蓋的涂料越多。

2.3.2 圖像處理

(1)采用圖像分析軟件 Image-J對掃描后的灰度圖像進(jìn)行預(yù)處理。

經(jīng)過攝像機(jī)或者視頻采集卡獲得的圖像需要進(jìn)行后續(xù)的圖像濾波去噪。在這里,濾波時(shí)的波長對應(yīng)的是涂料粒子絮聚體的直徑,因此,可以將波長小于1 mm、大于 10 mm的信號(hào)視為與涂層表面無關(guān)的噪音[9],僅保留 1～10 mm的涂層信息。

任何一幅數(shù)字圖像都是一個(gè)空間域, (x,y)是圖像像素點(diǎn)上的空間坐標(biāo),坐標(biāo)上對應(yīng)的空間幅值f(x,y)稱為該點(diǎn)灰度。要進(jìn)行濾波處理首先就要將處于空間域的圖像轉(zhuǎn)換到頻率域中,這一點(diǎn)可以通過傅里葉變換實(shí)現(xiàn)。之后采用帶通濾波器 ( Image-J的java編程插件)在頻率域進(jìn)行濾波處理,最后進(jìn)行傅里葉反變換將其轉(zhuǎn)換到空間域,提取 1～10 mm波段的灰度圖像信息。

濾波處理時(shí),波長和頻率的相互關(guān)系如下:

式中,d0為帶通濾波器的濾波頻率,mm-1;w為帶通濾波器的帶寬,mm-1;λ1、λ2為濾波波段對應(yīng)的波長,mm;M為空間域圖像最大的像素點(diǎn)數(shù);DPI為掃描圖像時(shí)的分辨率;本實(shí)驗(yàn)中的λ1=1 mm,λ2=10 mm,M=512,DPI=300,代入公式后求出d0和 w,將其輸入 Image J的濾波器即可獲得 1～10 mm波段的圖像信息。

(2)涂層覆蓋性的評(píng)價(jià)

解決粗化問題的最終目的在于提高涂層的質(zhì)量,涂層的質(zhì)量體現(xiàn)在兩個(gè)方面:涂料分布的均一性和對原紙的覆蓋程度。涂布量分布的均一性可以通過灰度方差反映?；叶确讲钤叫?涂布量分布越均勻[8]。

為了對涂層的覆蓋率進(jìn)行量化,需要把灰度圖像中的涂料與裸露的纖維分割開,進(jìn)而計(jì)算出涂層所占的面積百分比。本實(shí)驗(yàn)通過 Image-J對紙張的灰度圖進(jìn)行二值化處理,把高于閾值的像素點(diǎn)灰度計(jì)為 255(白色,涂料),低于閾值的像素點(diǎn)灰度計(jì)為 0(黑色,裸露的纖維),處理后白色區(qū)域的面積百分比即為涂層的覆蓋率。在圖像分割的過程中,正確選擇閾值十分關(guān)鍵,若閾值過高則過多的涂料將被誤歸為裸露的纖維,反之,將有過多的裸露纖維被誤歸為涂料。本實(shí)驗(yàn)以自動(dòng)二值化的最大熵原則作為閾值的選取標(biāo)準(zhǔn),避免了人為設(shè)定閾值對測定結(jié)果的影響。

3 結(jié)果分析

3.1 光學(xué)輪廓法的檢測結(jié)果

為了便于比較,用潤濕前后 Rq的變化量表示紙張遇水后的粗化程度,用壓光效果的損失率表示壓光對于粗化的改進(jìn)效果,壓光效果損失率越大,壓光對于粗化的改進(jìn)效果就越差。

粗化程度 =(R2-R1)/R1×100%

壓光效果損失率 =(R2-R1)/(R0-R1)×100%

式中,R0、R1、R2分別為紙張壓光前、壓光后和潤濕后的粗糙度 Rq,μm

高斯帶通濾波后的粗糙度信息如圖6和圖7所示。

圖6 兩種紙樣潤濕前后的粗糙度變化 (粗化程度)

對于純化學(xué)漿紙,粗化程度在不同波段的分布較為均勻,普遍很低 (2.6%以下);而對于含高得率漿的紙,在 1280μm以下,粗化程度相對較低,但是在 1280μm以上,纖維遇水后的粗化程度忽然增大。根據(jù)鄒學(xué)軍等人[10]對粗糙度級(jí)別的劃分,這一尺寸的波段對應(yīng)的主要是纖維束,因此,可以推測高得率漿中的纖維束可能是紙張遇水粗化的根源所在,但也不排除另外一種情況:纖維在紙張表面的某一部位堆積過多,形成了大尺寸的纖維塊 (圖3中的深色塊狀區(qū)域),造成了粗化程度在這一尺寸范圍內(nèi)的大幅增加。

圖7 兩種紙樣遇水后的壓光效果損失率

圖8 含高得率漿紙?jiān)诓煌ǘ蜗碌谋砻娲植诙?/p>

從兩種紙樣的壓光效果損失率也可以看出,化學(xué)漿纖維更易被徹底壓潰,而高得率漿纖維 (尤其是那些可壓潰性很差的纖維束),遇水后從紙張表面隆起,壓光效果損失較多,造成表面粗糙度的增加。在1280μm以上的纖維中,1280～2560μm范圍內(nèi)的組分含量較多,而大于 2560μm的纖維對粗糙度的貢獻(xiàn)較少 (圖8),因此可以推測,減少 1280～2560 μm范圍內(nèi)的纖維或者纖維束含量,可以有效降低紙張的粗化程度,這一點(diǎn)將在之后的研究中進(jìn)一步證實(shí)。

3.2 探針掃描法的測定結(jié)果

和光學(xué)輪廓儀測定的結(jié)果分析方法一樣,本實(shí)驗(yàn)以潤濕后紙張的 Rq變化量 (粗化程度)和壓光效果損失率來替代簡單的 Rq數(shù)值比較。結(jié)果如表3所示。

在探針臺(tái)階儀的掃描過程中,從紙張表面隆起的纖維受到探針微弱的壓力,有可能會(huì)被壓下,同時(shí)考慮到探針的直徑為 12.5μm,可能無法掃描到紙張表面微小的凹槽,從而導(dǎo)致掃描結(jié)果小于光學(xué)測定的結(jié)果。另外,光學(xué)輪廓法測定的是 3D粗糙度,而探針臺(tái)階儀測定的是 2D粗糙度,測量精度也要略低于光學(xué)法。值得注意的是,由未經(jīng)過頻譜分析的 Rq值計(jì)算出的粗化程度都很低,然而這并不代表所有纖維的粗化程度都較低,利用頻譜分析可以更直觀地獲得不同組分纖維的粗化程度分布。

表3 分別采用探針掃描和光學(xué)輪廓法測定的含高得率漿紙的 Rq值

3.3 涂層覆蓋性的分析

(1)涂層的灰度標(biāo)準(zhǔn)差

經(jīng) Burn-out處理后的純化學(xué)漿涂布紙和含高得率漿涂布紙如圖9所示。純化學(xué)漿涂布紙和含高得率漿涂布紙的灰度標(biāo)準(zhǔn)差分別為 12.904、17.438,灰度平均值分別為 234.365、228.995;顯然,在同樣的涂布量下,與含高得率漿的紙相比,純化學(xué)漿紙的灰度標(biāo)準(zhǔn)差低,平均灰度值高 (紙張表面偏白),這就說明加入高得率漿后,紙張表面覆蓋的涂料減少了,涂層分布的均勻性也有所下降。

圖9 Burn-out后的紙張表面灰度圖

(2)涂層覆蓋率的計(jì)算

經(jīng)過二值化處理后得到的黑白圖像如圖10所示,其中,黑色區(qū)域?yàn)槁懵兜募垙埨w維,白色區(qū)域?yàn)橥繉印＝?jīng)圖像分析軟件計(jì)算,純化學(xué)漿涂布紙的涂層覆蓋率為 95.8%,含高得率漿涂布紙的涂層覆蓋率為91.3%。

圖10 二值化處理后的涂層表面

4 總 結(jié)

光學(xué)法測定紙張的粗糙度對紙張表面無壓力、無破壞,十分適合檢測紙張表面遇水后發(fā)生的微小變化,避免紙張的可壓縮性對測量結(jié)果的負(fù)面影響。此外,通過對紙張的輪廓信息進(jìn)行濾波處理,可以確定不同波段下紙張粗糙度的變化情況,從而有針對性地改進(jìn)纖維原料的特性,這為紙張質(zhì)量的提高提供了一個(gè)良好的途徑。

使用探針臺(tái)階儀進(jìn)行掃描時(shí)紙張受到一定的壓力,原本因粗化凸起的纖維受壓后變形,影響了測定結(jié)果,不能單獨(dú)用來評(píng)價(jià)粗化的程度,但是可以輔助光學(xué)法的測定結(jié)果進(jìn)行分析。涂層的覆蓋率可以間接地反應(yīng)原紙遇水后的粗化程度,以自動(dòng)二值化的最大熵原則選取閾值可以較真實(shí)地反應(yīng)涂層的覆蓋情況,得到量化后的涂層覆蓋率。

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A NewM ethod forM easuring Roughen ing of Base Paper during Coating

XU Li＊L IU Jin-gang
(China National Pulp and Paper Research Institute,Beijing,100020)

In this study,base paper with/without HYP was dampened with an improved inkjet printer,the surface roughnessRq during rougheningwasmeasured by optical profiler and stylus profiler,the frequency spectrum analysis was also used.The results showed that:1.28～2.56 mm fibers contributed to the main causes of roughening.In addition,binarization based onMaximum Entropy algorithm was applied to evaluate the coating coverage,and experimental result indicates that the proposed method ismore objective and accurate than visual assessment of coating coverage,can be used as an indirect characterization of roughening.

base paper;roughening;frequency spectrum analysis;coating coverage

TS762.2

A

0254-508X(2010)03-0036-05

許 利女士,在讀碩士研究生;主要研究方向:高得率漿在涂布紙中的應(yīng)用。

(＊E-mail:sunday8609@yahoo.cn)

2009-11-02(修改稿)

(責(zé)任編輯:馬 忻)