KemviewTM分析儀在生活用紙結(jié)構(gòu)分析上的應(yīng)用探討

周弋艷 黃曉嵩 凱米拉（上海）管理有限公司

KemviewTM分析儀在生活用紙結(jié)構(gòu)分析上的應(yīng)用探討

Tissue Structure Analysis by KemviewTMAnalyzer

周弋艷 黃曉嵩 凱米拉（上海）管理有限公司

介紹凱米拉公司的一種新型生活用紙結(jié)構(gòu)分析測(cè)定儀。該分析儀器可以分析生活用紙皺紋的結(jié)構(gòu)及其紙張表面的游離纖維端的數(shù)量。儀器測(cè)定的基本原理為：對(duì)測(cè)定樣品不同角度拍照后的綜合成像做圖像分析，根據(jù)光學(xué)陰影的原理對(duì)皺紋結(jié)構(gòu)和纖維端頭數(shù)量做詳細(xì)分析，并對(duì)不同類型的紙樣的測(cè)定結(jié)果做比較，以便更好地說明儀器的測(cè)定結(jié)果和應(yīng)用。

1 儀器介紹

1.1 背景

生活用紙與人們的日常生活息息相關(guān)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，其消費(fèi)量呈日漸增加的趨勢(shì)。生活用紙與一般文化用紙的最大區(qū)別，就是其獨(dú)特的起皺工藝[1]。濕紙幅粘貼在涂有貼缸劑并加熱的揚(yáng)克缸表面，在干燥后通過刮刀以一定的角度和揚(yáng)克缸接觸，把紙幅從揚(yáng)克缸上刮下而起皺。通過起皺，紙幅能達(dá)到特定的性能，比如伸長(zhǎng)率、松厚度提高，紙張更柔軟，抗張性能更好等。生活用紙的皺紋結(jié)構(gòu)是影響其性能的關(guān)鍵因素，因此對(duì)紙張皺紋結(jié)構(gòu)的分析也顯得至關(guān)重要。

目前生活用紙皺紋結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室分析儀器非常少，分析手段主要依賴于高倍的數(shù)碼相機(jī)拍照成像，然后用軟件進(jìn)行皺紋數(shù)量和頻率等的分析。美國Media Cybernetics公司開發(fā)的Image-Pro Plus圖像處理分析軟件，可以用在生活用紙皺紋的分析上[2]。還有一些互聯(lián)網(wǎng)免費(fèi)圖像分析軟件也可以用來對(duì)紙張成像進(jìn)行分析，如在Image J網(wǎng)站上的Image Analysis Software和StatSoft Inc.公司的分析軟件Statistica 6.0[1]。

圖1 生活用紙結(jié)構(gòu)分析儀KemviewTM

1.2 儀器基本原理[3,4]

凱米拉最新的生活用紙結(jié)構(gòu)分析儀器KemviewTM，其功能為分析生活用紙的皺紋結(jié)構(gòu)和紙張表面的游離纖維數(shù)量。儀器的英文簡(jiǎn)稱為SSAFFE，即Sheet Structure Analyze and Free Fiber End。圖1為儀器的外觀和軟件操作界面。

儀器基本測(cè)定原理為：通過在測(cè)試樣品周圍不同高度和不同角度設(shè)置多盞LED燈，樣品會(huì)在多角度光源下形成多重陰影。然后用高倍數(shù)碼相機(jī)拍照成像，最后通過軟件對(duì)成像進(jìn)行分析，得出紙張皺紋結(jié)構(gòu)和表面游離纖維端頭的具體數(shù)據(jù)。

如圖2為KemviewTM內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖（俯視）。中間為樣品支架和樣品，周圍環(huán)繞8個(gè)光源。8個(gè)光源設(shè)置在待測(cè)紙樣之上的兩個(gè)不同高度，其中4盞光源在紙張結(jié)構(gòu)分析成像中使用，另外4盞在紙張表面游離纖維端計(jì)數(shù)成像時(shí)使用。在拍照時(shí)，每次只亮一個(gè)光源。這樣在不同角度光源下，紙張表面結(jié)構(gòu)會(huì)有不同陰影。多次成像后的圖像會(huì)重疊在一起進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

KemviewTM對(duì)紙張表面的游離纖維端的測(cè)定有兩種方法：平面法和折疊法。使用平面法測(cè)定時(shí)，將紙樣平展鋪在樣品支架上，測(cè)定揚(yáng)克缸面上的游離纖維端。而折疊法測(cè)定樣品時(shí)，將紙樣對(duì)折鋪在樣品支架上，輕輕在對(duì)折邊緣壓上透明玻璃片。折疊時(shí)同樣是揚(yáng)克缸面折在外面。圖3是平面法測(cè)定游離纖維端的位置示意圖，圖4是折疊法測(cè)定游離纖維端的位置示意圖。

圖2 KemviewTM內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖（俯視）

圖3 游離纖維端的測(cè)定示意圖（平面法，側(cè)視）

圖4 游離纖維端的測(cè)定示意圖（折疊法，側(cè)視）

2 儀器的測(cè)定結(jié)果分析

2.1 皺紋結(jié)構(gòu)分析[5]

KemviewTM紙張成像分析結(jié)果得到的數(shù)據(jù)非常多，但主要測(cè)定的參數(shù)包括：皺紋的單位數(shù)量、長(zhǎng)度、寬度、起皺強(qiáng)度、標(biāo)記強(qiáng)度（有壓花、印花圖案以及成形網(wǎng)、毛毯結(jié)構(gòu)在紙張上留下的記號(hào)）和分布頻率、紙張的針孔比率、表面粗糙度等。以上的幾個(gè)參數(shù)能較好地評(píng)估出皺紋的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量。以下是各個(gè)測(cè)定參數(shù)的具體介紹。

皺紋個(gè)數(shù)：在紙機(jī)方向（Machine Direction，MD）的單位長(zhǎng)度（1mm）內(nèi)皺紋個(gè)數(shù)。

皺紋個(gè)數(shù)分布偏差：計(jì)算皺紋個(gè)數(shù)/每1mm所得值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

皺紋偏離角度偏差：在縱向方向的皺紋偏離角度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。皺紋如果與橫向（Cross Direction，CD）方向完全平行，則偏離角度定為0°。

皺紋個(gè)數(shù)分布強(qiáng)度：皺紋個(gè)數(shù)分布的最大值，即總變異數(shù)的百分比值，單位為%。

表面粗糙度：在3D成像上像素的標(biāo)準(zhǔn)偏差，單位為mm。

針孔比例：紙張上針孔面積占整張紙面積的比例，單位為%。

下面對(duì)儀器結(jié)果中的成像做簡(jiǎn)單介紹：

KemviewTM能對(duì)測(cè)定紙張做一個(gè)經(jīng)過梯度處理后的微觀成像。圖5是兩種不同類型生活用紙的成像圖片。左邊的是衛(wèi)生紙，低濕強(qiáng)高柔軟度；右邊的是擦拭紙，高濕強(qiáng)低柔軟度。橫坐標(biāo)為紙機(jī)方向MD（Machine Direction），縱坐標(biāo)為橫向CD（Cross Direction）。圖像上顯示的是紙張表面的皺紋分布，皺紋與CD同向。

圖5 生活用紙的梯度成像

很明顯，不同類型的生活用紙，因?yàn)槠湫枰母蓮?qiáng)度、濕強(qiáng)度、柔軟度等指標(biāo)不同，其呈現(xiàn)的皺紋結(jié)構(gòu)也是完全不同的。

儀器還會(huì)對(duì)皺紋成像做皺紋數(shù)量強(qiáng)度的分布圖。此分布圖能較直觀地顯示皺紋個(gè)數(shù)的比例分布，這個(gè)測(cè)定參數(shù)是評(píng)估起皺效果的重要指標(biāo)之一。圖6是兩個(gè)不同質(zhì)量等級(jí)的紙張的皺紋強(qiáng)度曲線分布圖，橫坐標(biāo)是1mm內(nèi)皺紋的個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)是皺紋個(gè)數(shù)的強(qiáng)度分布，用總方差表示，即皺紋總變異數(shù)的百分比值，單位是%。

從圖6看到：相對(duì)來說，高品質(zhì)的紙品，其皺紋的數(shù)量和強(qiáng)度分布更集中。皺紋強(qiáng)度的最高值越高，同時(shí)曲線的分布越集中，表示紙張表面的皺紋越均勻，起皺效果越好。

圖6 皺紋強(qiáng)度分布曲線圖

2.2 游離纖維端分析

KemviewTM除了皺紋結(jié)構(gòu)的分析之外，有一個(gè)很重要的測(cè)定指標(biāo)，就是對(duì)紙張表面游離纖維端的計(jì)數(shù)。柔軟度的提高是生活用紙追求的一個(gè)目標(biāo)，尤其是對(duì)面巾紙來說。而紙張表面游離纖維端數(shù)量的多少，直接影響紙張的表面柔軟度。游離纖維端越多，紙張?jiān)饺彳?。折疊法測(cè)定的過程中，將測(cè)定紙樣折疊后對(duì)折疊邊緣拍照成像。在紙張表面的纖維端伸出長(zhǎng)度超過50μm，將被計(jì)數(shù)為游離纖維端并以紅色標(biāo)記。

圖7是使用折疊法的兩種不同紙樣游離纖維端成像。很明顯，高柔軟度紙樣的纖維端頭較多。

圖7 紙張表面游離纖維端成像圖（折疊法）

3 幾種不同紙樣的測(cè)定結(jié)果對(duì)比分析

最后，將測(cè)定一些典型的紙樣做圖像和數(shù)據(jù)分析，以便讀者能更好地理解KemviewTM的分析測(cè)定結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)測(cè)定的紙樣共計(jì)3種：盒裝面巾紙、衛(wèi)生紙和擦拭紙（擦手紙）。3類紙種的特性分別為：面巾紙，高濕強(qiáng)、高柔軟度；衛(wèi)生紙，低濕強(qiáng)、高柔軟度；擦拭紙，高濕強(qiáng)、低柔軟度。表1中最后一列值為紙張的柔軟度值，測(cè)定的儀器為TSA（Tissue Softness Analyzer，e-M-tec）。列出柔軟度值做對(duì)比，能夠更好地對(duì)皺紋結(jié)構(gòu)，尤其是游離纖維端數(shù)量做詮釋。

在表1中，我們分成3類紙種來分析：

面巾紙對(duì)柔軟度的要求非常高，#1紙的柔軟度最高，對(duì)應(yīng)的表面纖維端數(shù)量也是最高的，數(shù)量達(dá)到122。這個(gè)值越高，表示紙面的絨毛觸感越好。在3種不同定位的面巾紙中，#1紙的皺紋個(gè)數(shù)分布強(qiáng)度最高，為1.11，這個(gè)值表明#1紙張皺紋的個(gè)數(shù)分布集中，有更好的柔軟度。另外從皺紋分布偏差和皺紋角度偏差的值來看，#1紙樣兩者的值也比#2和#3的小，這也表明#1紙樣皺紋的分布均勻性。

在衛(wèi)生紙的對(duì)比中，其表面游離纖維端的數(shù)量均比面巾紙要低，最高值在25左右，對(duì)應(yīng)的柔軟度值在82。這是因?yàn)樾l(wèi)生紙對(duì)柔軟度的需求沒有面巾紙高。從皺紋結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)上看，皺紋數(shù)量和面巾紙一樣，在2.5mm-1到3.5mm-1之間。皺紋的強(qiáng)度分布要比面巾紙稍低。

最后是擦拭紙，對(duì)紙品的要求主要體現(xiàn)在吸水性和強(qiáng)韌度上，所以在皺紋數(shù)量和皺紋強(qiáng)度上都是3類紙品中最低的。其表面粗糙度也明顯比面巾紙和衛(wèi)生紙高，均值接近0.1mm。而針孔比例是最高的，均值在0.35%左右。

綜上所述，對(duì)于柔軟度值需求最高的面巾紙，游離纖維端數(shù)量顯著提升是達(dá)到高品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一。皺紋個(gè)數(shù)和皺紋強(qiáng)度的提高，柔軟度也會(huì)相應(yīng)提升；衛(wèi)生紙的皺紋數(shù)量和皺紋強(qiáng)度的值越高，對(duì)應(yīng)的皺紋會(huì)越均勻，相應(yīng)會(huì)提高柔軟度值。壓花會(huì)降低表面纖維端的數(shù)量，紙張的粗糙度會(huì)增大；對(duì)于擦拭紙來說，皺紋數(shù)量和皺紋強(qiáng)度會(huì)提升柔軟度，同時(shí)表面粗糙度的增加和壓花都能提高紙的擦拭、附著能力。

表1

4 結(jié)束語

（1）紙張皺紋結(jié)構(gòu)分析儀，填補(bǔ)了生活用紙皺紋結(jié)構(gòu)分析手段的空白。在對(duì)紙產(chǎn)品皺紋結(jié)構(gòu)的分析中，能很好地指導(dǎo)紙機(jī)的運(yùn)行和化學(xué)藥品的添加，是提升運(yùn)行效率和產(chǎn)品品質(zhì)的有效手段。

（2）凱米拉公司的KemviewTM面世時(shí)間不長(zhǎng)，有很多測(cè)定參數(shù)需要做更進(jìn)一步的測(cè)試研究。相信經(jīng)過更多不同種類的紙樣測(cè)試研究對(duì)比之后，能對(duì)生活用紙產(chǎn)品品質(zhì)的提升提供更多有意義的指導(dǎo)。

（摘編自《紙和造紙》，2016年6月）

[1]McConnell W. The Science of Creping[C]. Tissue World Americas, September 21-23, 2004: 1-6.

[2]Archer S, Furman G. Embedded sheet structures: impact on tissue properties[C]. Tissue World France, April 4-7, 2005: 2.

[3]Raunio J-P, Ritala R. Simulation of creping pattern in tissue paper[ J]. Nordic Pulp and Paper Research Journal, 2012, 27(2): 1.

[4]Campbell C, Huang X S. A New Tissue structure analyzer for detailed sheet evaluation[C]. Tissue World Shanghai, November 12-15, 2014: 2-8.

[5]Raunio Jukka-Pekka. Sheet structure analyzer and free fiber end analyzer Manual[M]. Kemira, 2014: 1-17.