生活用紙柔軟度的分析和測(cè)量

Jessica Carette, Ho Fan Jang, Jimmy Jong, Daniel Richard, Xuejun Zou FPInnovations

生活用紙的柔軟度是消費(fèi)者關(guān)注的關(guān)鍵要素，也是產(chǎn)品的基本質(zhì)量參數(shù)，是優(yōu)質(zhì)和高利潤(rùn)生活用紙的決定性品質(zhì)。因?yàn)橄M(fèi)者對(duì)生活用紙柔軟度的認(rèn)知比較復(fù)雜，而且生活用紙各個(gè)屬性相互作用，所以如何測(cè)量消費(fèi)者感受到的柔軟度，并找到提高柔軟度的實(shí)際方法，一直是生活用紙生產(chǎn)商面臨的挑戰(zhàn)。

廣大消費(fèi)者都是柔軟度專家，他們用手指觸摸或揉捏一下就能判斷產(chǎn)品的柔軟度。柔軟是消費(fèi)者對(duì)生活用紙的首要需求，一般消費(fèi)者愿意為柔軟的3層產(chǎn)品支付更多錢，而不是冒著讓鼻子受刺激的風(fēng)險(xiǎn)省錢。因此，如果一個(gè)人可以很容易地識(shí)別柔軟與否，為什么量化這項(xiàng)特征如此困難？問題在于，我們的大腦使用了復(fù)雜的程序?qū)⒍鄠€(gè)感官輸入轉(zhuǎn)換為單一的柔軟度輸出。本文將討論影響生活用紙柔軟度的因素、柔軟度測(cè)量方式以及產(chǎn)品柔軟度改善方法。

柔軟度是什么？

實(shí)質(zhì)上，柔軟度是外力施加于物體上而使其變形的程度。例如，在頭部的壓力下，柔軟的枕頭比硬枕頭收縮更多；當(dāng)用手劃過時(shí)，天鵝絨表面上的柔軟纖維會(huì)彎曲偏斜；柔軟的彈簧比僵硬的彈簧更容易壓扁。

柔軟度是物體表面柔軟性、整體柔軟度和強(qiáng)度三個(gè)方面的融合，包括松厚度、光滑度、剛度、懸垂性等。柔軟度是人類大腦根據(jù)多個(gè)感官輸入，對(duì)皮膚與生活用紙相互作用的感知。任何基于聲學(xué)、光學(xué)或機(jī)械數(shù)據(jù)，測(cè)量柔軟度的方法都需要模擬人體觸覺感知的復(fù)雜過程。生活用紙抗張強(qiáng)度、負(fù)荷伸長(zhǎng)度、摩擦或粗糙度與手感柔軟度有一定關(guān)系，但手感柔軟度是消費(fèi)者主觀衡量每個(gè)變量的結(jié)果，這導(dǎo)致其很難用儀器來(lái)測(cè)量。因?yàn)槿匀粵]有世界公認(rèn)的柔軟度測(cè)試儀，采用評(píng)估小組和標(biāo)準(zhǔn)化抽樣方法仍是測(cè)量柔軟度手感值唯一普遍接受的方法。盡管有各自的局限，但仍有幾種測(cè)試儀可以使用，如Thwing-Albert儀器公司生產(chǎn)的Vantage壓縮檢測(cè)儀，以及德國(guó)Emtec公司制造的紙巾柔軟度分析儀。

柔軟度是如何形成的？

生活用紙柔軟度可以在生產(chǎn)過程的每一步中產(chǎn)生和消失。漿料選擇、打漿、化學(xué)品添加、脫水、干燥、起皺和加工，都在增強(qiáng)或降低柔軟度中發(fā)揮著不可或缺的作用。這些參數(shù)不是獨(dú)立存在的，最終產(chǎn)品物理性能的相關(guān)性是一個(gè)需要平衡的微妙博弈。例如，可以通過破壞纖維內(nèi)部結(jié)合來(lái)提升產(chǎn)品柔軟度，但是這會(huì)以降低上機(jī)運(yùn)行性能和頻繁停機(jī)為代價(jià)。同樣，可以通過選擇不同紙漿來(lái)增加表面柔軟度或整體柔軟度。FPInnovations創(chuàng)新研究院使用其實(shí)驗(yàn)衛(wèi)生紙機(jī)，對(duì)不同針葉木漿的使用效果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，與其他針葉木漿相比，加拿大北方漂白針葉木漿能夠提高產(chǎn)品柔軟度，同時(shí)保持上機(jī)運(yùn)行性能。眾所周知，桉木漿的纖維短，質(zhì)地均勻，可增加產(chǎn)品松厚度和柔軟度。然而，F(xiàn)PInnovations創(chuàng)新研究院的實(shí)驗(yàn)表明，源于加拿大的針葉木漿也可使產(chǎn)品具有相似的柔軟度。

影響柔軟度的因素

● 柔軟劑和解鍵劑

松厚度是通過產(chǎn)品定量表示的，與密度相反。密度較低的紙張更蓬松，所以比高密度的紙張更柔軟。松厚度可通過原料選擇（例如針葉木漿和闊葉木漿）、較小程度的壓榨脫水或使用化學(xué)添加劑來(lái)實(shí)現(xiàn)。柔軟劑和解鍵劑主要由季銨化合物組成，可通過兩種方式增加柔軟度。首先，這些陽(yáng)離子型或非離子型表面活性劑會(huì)阻斷纖維間的氫鍵結(jié)合，使纖維分離。纖維間結(jié)合區(qū)域減少，會(huì)在紙頁(yè)中形成空隙，從而使生活用紙產(chǎn)品更蓬松，由此產(chǎn)生的空隙也會(huì)增加產(chǎn)品的吸水性。其次，添加劑中的支鏈脂肪烷基也使產(chǎn)品表面平滑柔軟。

● 潤(rùn)膚劑和乳液

乳液越來(lái)越多地用于高端衛(wèi)生紙和面巾紙中，以降低其表面摩擦系數(shù)。為了最大限度地提高效率并減少損失，通常在起皺后，才將潤(rùn)膚劑和乳液噴至干燥的紙頁(yè)上。乳液的選擇會(huì)考慮區(qū)域特性以及避免使用致敏性物質(zhì)，主要成分通常包含植物和礦物油、植物或動(dòng)物提取蠟、脂肪酸、脂肪醇、脂肪酯和硅油。當(dāng)生活用紙被揉捏時(shí)，乳液成分中長(zhǎng)而柔軟的硅氧鏈，以及表面張力較低的硅氧烷聚合物會(huì)發(fā)生彎曲，帶來(lái)柔軟的手感。

但使用乳液的缺點(diǎn)是，將上述疏水性聚合物添加到紙頁(yè)表面時(shí)，紙頁(yè)的吸水性會(huì)降低。另一方面，多羥基化合物都是水溶性的，可增加生活用紙的表面平滑度，如甘油、丙二醇、聚氧乙二醇或聚氧丙二醇。

● 增濕強(qiáng)劑

除了表面性能和松厚度，強(qiáng)度也是生活用紙產(chǎn)品最終柔軟度的主要決定因素。使用增濕強(qiáng)劑和打漿可以確保紙頁(yè)的上機(jī)運(yùn)行性能和強(qiáng)度，減少因斷紙而產(chǎn)生的停機(jī)時(shí)間，同時(shí)也使最終產(chǎn)品更加耐用。因?yàn)樯钣眉埰矫鎻?qiáng)度很難測(cè)量，所以采用抗張強(qiáng)度和指數(shù)來(lái)表示。通常認(rèn)為抗張強(qiáng)度的增加等同于柔軟度成比例的降低。最新的增濕強(qiáng)劑有望在提高強(qiáng)度的同時(shí)保持產(chǎn)品的柔軟度。

生活用紙生產(chǎn)商已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了打漿對(duì)柔軟度的重要性。闊葉木硫酸鹽漿打漿及精磨是傳統(tǒng)使用的方法，重點(diǎn)是提高產(chǎn)品強(qiáng)度。目前的趨勢(shì)是最低限度地對(duì)闊葉木漿進(jìn)行打漿，或完全不進(jìn)行打漿，以提高產(chǎn)品柔軟度和松厚度，同時(shí)對(duì)針葉木漿單獨(dú)打漿，以達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度。另一種趨勢(shì)是，通過使用高濃打漿，以實(shí)現(xiàn)最高強(qiáng)度，同時(shí)保持松厚度和柔軟度。

在上述的四種改革方式中筆者比較認(rèn)同的是第二種改革方式：“不改變目前的75:25的共享比例，通過轉(zhuǎn)移支付或者稅收返還等方式，保證地方的既得利益”。這種改革方式更加符合當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展的規(guī)律，有利于更好地完成管理體制改革，實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展的目標(biāo)。在確定改革制度后，應(yīng)該先選取部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)作為改革試點(diǎn)，為改革工作的開展積累經(jīng)驗(yàn)。

● 干燥和起皺

衛(wèi)生紙機(jī)和其他造紙機(jī)最顯著的區(qū)別就是干燥部。在其他紙機(jī)中，紙頁(yè)被動(dòng)地通過一系列烘缸進(jìn)行干燥處理。而衛(wèi)生紙牢固地粘在揚(yáng)克缸的表面，然后用刮刀將其剝離。在烘缸的出紙側(cè)，鋼制或陶瓷刮刀抵在烘缸表面上，當(dāng)干燥后的紙頁(yè)被刮刀擠壓，刮刀在紙頁(yè)/涂層/烘缸貼合處引發(fā)快速的微小振動(dòng)，在紙頁(yè)上形成許多微小褶皺，并使一些纖維伸出紙面，降低了紙頁(yè)的密度和強(qiáng)度，增加了拉伸力。

圖1 衛(wèi)生紙機(jī)干燥部

烘缸上使用的涂層物質(zhì)包括對(duì)溫度敏感的粘缸劑、脫缸劑，有時(shí)還含有改性劑，統(tǒng)稱為起皺劑。粘缸劑將紙頁(yè)粘附在揚(yáng)克缸上，并在烘缸表面形成保護(hù)涂層。脫缸劑使紙頁(yè)均勻起皺，并確保在撞擊刮刀時(shí)不會(huì)斷裂。改性劑通過潤(rùn)滑來(lái)保護(hù)揚(yáng)克缸表面。針對(duì)特定生產(chǎn)速度、刮刀幾何結(jié)構(gòu)、溫度和漿料選擇并調(diào)整合適的起皺劑，可以使紙頁(yè)形成均勻且精細(xì)的褶皺結(jié)構(gòu)，并增加表面柔軟度。

起皺刮刀的幾何結(jié)構(gòu)決定著紙頁(yè)褶皺結(jié)構(gòu)的粗糙度。褶皺小而規(guī)則的紙頁(yè)比褶皺大的紙頁(yè)更柔軟。當(dāng)起皺后的紙頁(yè)在刮刀處折疊在一起時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生較大的褶皺。這可能是由起皺率不足（拉伸不足）、粘缸劑過多或起皺角度過小導(dǎo)致。如果起皺角度過小，引起褶皺堆積，就會(huì)產(chǎn)生較大的褶皺。資料顯示最合適的起皺角度為80°或80°左右。

圖2 起皺刮刀與烘缸的相對(duì)位置

起皺對(duì)產(chǎn)品的松厚度和柔軟度至關(guān)重要。然而，在這一領(lǐng)域幾乎沒有發(fā)表過相關(guān)文獻(xiàn)。為了解決這個(gè)問題，F(xiàn)PInnovations創(chuàng)新研究院與英國(guó)哥倫比亞大學(xué)（UBC）合作，對(duì)生活用紙起皺技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)研究，以深入了解起皺如何影響松厚度和柔軟度。目前已經(jīng)開發(fā)了一維模型，可預(yù)測(cè)起皺率及操作條件（刮刀角度、生產(chǎn)速度、紙頁(yè)性質(zhì)、粘缸劑性質(zhì)等）對(duì)其影響，這將有助于解釋起皺對(duì)柔軟度的影響。

FPInnovations創(chuàng)新研究院擁有許多先進(jìn)的顯微鏡和圖像分析技術(shù)，能夠有效地描述與柔軟度密切相關(guān)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)可以幫助我們更好地定義生活用紙生產(chǎn)中的結(jié)構(gòu)目標(biāo)，并且發(fā)現(xiàn)漿料配比和制造過程的微妙變化就可以改變產(chǎn)品的性質(zhì)（如柔軟度），使用反射光和快速傅里葉變換，可以確定生活用紙的表面柔軟度和起皺率（圖3）。

圖3 不同柔軟度值生活用紙的光反射圖像

如何測(cè)量柔軟度？

為了解決如何用設(shè)備測(cè)量柔軟度的問題，我們必須首先了解人類如何評(píng)價(jià)柔軟度。荷蘭心理學(xué)家David Katz在1926年發(fā)表了《紋理感知二元說》，提出人類的觸覺通過兩種基本傳感機(jī)制來(lái)評(píng)估紋理。Katz發(fā)現(xiàn)，在判斷粗糙表面時(shí)，人們不必用指尖觸摸整個(gè)表面（可以分辨出其空間特征的不同），而只有在指尖和表面之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)（相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)結(jié)果存在區(qū)別）時(shí)，才能區(qū)分出精細(xì)結(jié)構(gòu)。

● 手感測(cè)試小組

手感測(cè)試小組試驗(yàn)利用皮膚的靈敏度和大腦的完整計(jì)算能力，來(lái)量化生活用紙樣本的柔軟度。通過對(duì)比樣本和參考標(biāo)準(zhǔn)來(lái)解釋柔軟度的相對(duì)差異，并記錄小組成員對(duì)幾對(duì)樣本的定量或定性反應(yīng)。FPInnovations創(chuàng)新研究院使用平衡雙股線比較法或多元線性回歸模型來(lái)計(jì)算樣本的柔軟度。線性柔軟度值也稱為手感值（HF），范圍從0至100，100表示超柔軟。

手感測(cè)試小組試驗(yàn)得出的結(jié)論帶有主觀性，會(huì)因人而異，例如小組成員中可能有人對(duì)松厚柔軟的偏愛超過平滑度。為了平衡這種差異，需要進(jìn)行多次測(cè)試，并增加測(cè)試小組成員的多樣性，包含不同種族的男性和女性。多次小組測(cè)試的結(jié)果呈現(xiàn)高度的一致性和可重復(fù)性。

圖4 手感測(cè)試小組試驗(yàn)進(jìn)行中

● 機(jī)械測(cè)試

雖然手感測(cè)試小組試驗(yàn)可以重復(fù)，并且能夠?qū)Ρ雀鞣N不同類型的樣本，但這很浪費(fèi)時(shí)間。培訓(xùn)小組成員和維護(hù)參考樣本庫(kù)存的附加成本，超出了大多數(shù)生產(chǎn)商的能力范圍。為了減少測(cè)量的主觀性，并快速獲得可重復(fù)和可靠的柔軟度信息，可以對(duì)產(chǎn)品物理性能的相關(guān)性進(jìn)行研究。摩擦系數(shù)、表面形態(tài)、伸出纖維計(jì)數(shù)和褶皺計(jì)數(shù)都曾被單獨(dú)用來(lái)測(cè)試產(chǎn)品的表面柔軟度。同樣，可壓縮度、密度和模數(shù)也用來(lái)測(cè)算強(qiáng)度和整體柔軟度。但是，這些獨(dú)立的測(cè)試都只能反映出部分特點(diǎn)。由于柔軟度是所有要素的綜合測(cè)量，對(duì)其中幾項(xiàng)物理性能進(jìn)行測(cè)試，并不能得出有效結(jié)果。想要將兩個(gè)或更多物理性能相結(jié)合也很復(fù)雜，因?yàn)閷?duì)每個(gè)屬性的相對(duì)重要性要經(jīng)過主觀判斷。

之前已經(jīng)發(fā)明了可以同時(shí)測(cè)量產(chǎn)品多個(gè)物理屬性，并報(bào)告最終手感值的儀器。美國(guó)強(qiáng)生公司在20世紀(jì)50年代發(fā)明了這種手感測(cè)試儀。用一個(gè)桿通過插槽推動(dòng)紙頁(yè)來(lái)測(cè)量阻力，測(cè)得的阻力與挺度相關(guān)，但對(duì)樣本的滑動(dòng)方向和測(cè)試時(shí)的狀態(tài)很敏感，而且與手感測(cè)試小組得出的結(jié)論并不十分吻合。這種手感測(cè)試儀目前仍在紡織品中使用，因?yàn)闃颖鞠啾葋?lái)說更加結(jié)實(shí)。在這之后，還發(fā)明了其他幾項(xiàng)類似的測(cè)試儀器和方法，如Scott手感比較裝置、環(huán)路柔軟度試驗(yàn)和環(huán)桿柔軟度試驗(yàn)。

觸針法的重點(diǎn)是描繪樣本的表面特征。采用一種經(jīng)過改進(jìn)的觸針劃過樣本表面，記錄其粗糙度情況。但是這種方法不能測(cè)量產(chǎn)品的強(qiáng)度和整體柔軟度。

目前市場(chǎng)上最新且最有價(jià)值的相關(guān)儀器是Emtec生活用紙柔軟度分析儀（TSA）。Emtec以現(xiàn)有方法為基礎(chǔ)，綜合了柔軟度的三個(gè)方面（表面柔軟、強(qiáng)度和整體柔軟度）。TSA采用聲學(xué)方法來(lái)評(píng)估紙頁(yè)表面和纖維的柔軟度，并且由用戶輸入紙頁(yè)密度數(shù)據(jù)。TSA通過幾十種算法從不同角度分析相關(guān)參數(shù)，并給出最終的手感柔軟度評(píng)測(cè)。TSA是一種非常靈敏的儀器，能夠區(qū)分出柔軟度的細(xì)微變化，很快就成為工廠質(zhì)量管理方面的重要儀器。但是，TSA需要采用不同的算法來(lái)計(jì)算每種類型紙頁(yè)的柔軟度，而且很難對(duì)不同類型樣本的柔軟度進(jìn)行比較，也很難分析出層數(shù)增加和壓花對(duì)紙頁(yè)手感柔軟度的作用?？梢詾闇y(cè)試結(jié)果設(shè)定等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)反映真實(shí)的手感柔軟度值，但不同原料、不同等級(jí)、不同類型的產(chǎn)品都必須有自己的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 不同柔軟度測(cè)試方法比較

結(jié)論

生活用紙柔軟度是對(duì)表面柔軟度、整體柔軟度和強(qiáng)度等方面的主觀綜合評(píng)測(cè)。任何一項(xiàng)技術(shù)如果忽略其中一個(gè)方面，都將無(wú)法有效地反映真正的手感柔軟度值。測(cè)試儀器提高了柔軟度量化的速度，但這些技術(shù)仍然無(wú)法達(dá)到評(píng)估員的洞察力和準(zhǔn)確性。

（本刊編譯自Metissue/2016年第32期，王娟審校）