從濕部到干部生活用紙產品工藝優化

ALexander Gruener　胡云濤　上海林紙科學儀器有限公司

從濕部到干部生活用紙產品工藝優化

ALexander Gruener胡云濤上海林紙科學儀器有限公司

生活用紙的生產是一個非常復雜的過程，紙機在高車速下運行，原材料和成品的質量要符合加工要求和客戶需要，化學品的添加位置和添加量要正確、合適，生產設備需要設定合理的技術參數。除此之外，生產商、客戶對產品質量的期望值越來越高，且同時希望有更低的價格。這些問題涉及兩個方面，主要是生產商和所有與之相關的供應商，比如漿廠、化學品供應商、紙機和加工設備供應商等對于所涉及問題的解決方案是屬于濕部的工藝優化（化學品添加等）還是設備的運行（紙機和加工設備運行參數的設定等）問題。

下面介紹三個檢測儀器，它們可以幫助生產企業來確定最佳的生產工藝，通過最小化調整濕部的波動和最佳的干部工藝以及加工過程中紙機和包裝設備參數的設定，來優化產品質量和降低生產成本。

這三個檢測儀器分別是：Emtec TSA紙巾柔軟度測試儀，CAS顆粒電荷分析儀和FPA纖維電位分析儀。

1　 Emtec TSA紙巾柔軟度測試儀

該儀器可以檢測紙頁的三個基本參數：粗糙度/平滑度、真實柔軟度、硬挺度。這三個參數實際上決定了當我們觸摸紙頁時整體的“手感”印象。TSA不僅可以測定這些參數，更重要的是可以幫助調整像柔軟劑等化學品在濕部添加量的大小，因為添加的柔軟劑增加或減少，從TSA的監測數據可以反映“真實柔軟度”的變化。此外，TSA還可以幫助設定合理的紙機參數，例如起皺刮刀的角度，刮刀的使用壽命等。下面介紹一下Emtec TSA紙巾柔軟度測試儀的測試方法、工作原理和使用效果。

1.1 觸感理論的概述

傳統的紙頁手感測試方法是評測小組對手感的測試都會有不同的測試程序，有的是對紙頁進行揉皺，有的僅僅只是用手指劃一下紙頁表面，當然還會有其他完全不同的測試方法。所有的測試方法中，紙頁都會產生振動和不同的力阻礙其變形，這些變形和不同的力取決于樣品的真實柔軟度、表面平滑度/粗糙度和挺度。

在人手特別是在指尖部位存在兩類重要的傳感器。一類是Vater-Pacini-Bodies，負責接收快速的過程，如振動。另一類是Merkel-Bodies，負責接收緩慢變化的力。在接受這些不同的信號后，通過我們的神經傳輸到大腦中，然后會自動組成“柔軟性”，或更確切地說是手感的整體印象。這種整體印象中，手感是三個基本參數的組合，即柔軟度（主要影響因素包括纖維的挺度和特性、打漿度、還有化學品等）、表面粗糙度/平滑度（影響因素包括起皺和壓花工藝）和挺度（影響因素主要取決于纖維的特性，生產工藝和添加的化學品）。但由于不同人的指尖傳感器有不同的靈敏度，而且感應受其他外界因素的影響，所以，每個人對這三個基本參數的感應側重點也不盡相同，因此對質量的評價結果也就有差異。解決這個問題的有效方案就是使用一種客觀的測試儀器，規定統一的測試方法。目前生活用紙行業的解決方案就是采用TSA紙巾柔軟度測試儀。使用這個設備可以測量決定手感值的三個基本參數：真實柔軟度、平滑度/粗糙度和挺度，通過測量結果可以計算出手感值HF。因此這個檢測設備可以被看做是模擬人手的測試儀。

1.2 技術基礎與工作原理

TSA的檢測過程有兩個步驟，共需約60s。樣品被固定在樣品架上，樣品下方是一個噪音傳感器，上方是有固定刀片的轉子測試頭。測量時，測試頭下降到樣品上，有固定刀片的轉子以預定的負載在樣品上移動。第一步是噪音分析，通過噪音分析可以測試材料的平滑度/粗糙度和真實柔軟度。

平滑度/粗糙度對于平滑度/粗糙度，我們測試由樣品本身振動產生的聲音，如圖1所示。振動取決于樣品剖面，類似于播放唱片的原理。樣品的震動產生聲音，噪音被樣品下面的傳感器記錄，振動越大噪音越響。因此，噪音越大，紙頁越粗糙。

真實柔軟度對于真實柔軟度，我們是測試由轉子刀片振動產生的聲音。當刀片在樣品上移動時，單根纖維裸露出來，取決于纖維有多挺硬，單片收到或強或弱的振動。硬的纖維產生強的振動，軟的纖維產生弱的振動。同樣，刀片的振動產生噪音被樣品下面的傳感器記錄。纖維越挺硬，振動越大，表示紙頁越不柔軟。如圖2所示。

圖1　　 平滑度/粗糙度測定檢測原理

圖2　　 真實柔軟度原理

結果如圖3所示（Y軸=聲音，單位dB，X軸=頻率，單位Hz）。同時可以在PC軟件的數據文件中看到實際的數據。

圖3　　 聲音與振動頻率的關系

挺度挺度的測試如圖4所示。測試頭下降到樣品面，用一定的負載（100～600mN）下壓，這樣可以測量樣品的彈性，從而得到樣品的挺度。

圖4　　 挺度的測試

1.3 測試結果和結論

兩個步驟的測試結果決定生活用紙手感的三個基本參數：粗糙度/平滑度、真實柔軟度和挺度。

TSA不僅能測試三個基本參數，也可以計算出手感值，就像人得到的觸感一樣。更重要的是TSA不僅能計算出手感值，還可以得到適合客戶特定的評測小組的數學模型，這個非常重要，因為不同地區的消費者對好的品質期望值是不同的。他們的不同要求決定了三個參數之間的側重不同。并且還可以實現不同人的特殊需求采用不同手感值的計算方法，不同的產品也可用不同的計算方法，不同的算法應用于不同的產品，如衛生紙、手帕紙等。

三個真實參數的配合使用和手感值的計算結果使其指導生產成為可能。以上的檢測結果可以應用于工藝研究、產品生產和后續加工等環節。以下是TSA應用于不同領域的實例：

研發（紙漿供應商、生活用紙生產商）。可應用于目標產品的研發。例如通過改進原料的配比達到提高質量的目的。

產品生產過程工藝優化。在實際生產中發現，檢測儀器對于工藝優化和解決問題是非常有用的。首先一個例子就是柔軟劑可用于改善成品紙的手感，通過添加柔軟劑可以達到改善和提高手感的目的，但我們需要找出添加柔軟劑的量是多少，臨界點在哪里，這非常重要，因為這樣可以在保證質量的基礎上大大降低生產成本。另一個例子是根據測試結果來設定紙機的運行參數，從而改進產品質量。這樣整個過程中化學品和化學品量的變化以及紙機運行參數的變化都可以通過TSA的檢測結果來完成。

在加工階段，通過測量數據可以優化用于改善成品紙質量的乳液用量，不同壓花工藝參數的影響也可以通過TSA的測試結果表現出來。

2　 CAS顆粒電荷分析儀和FPA纖維電位分析儀

雖然TSA測量儀器是可以很好的用來發現問題，但如果發生不同類型的改變，如化學品的變化、紙機參數的變化或者加工工藝的變化，TSA是不能給出其他任何信息的，如化學品是否起作用等。因此，要達到過程優化的目的，有必要在濕部監測過程同時使用下面兩種檢測儀器：CAS顆粒電荷分析儀和FPA纖維電位分析儀。CAS用于測定漿料中的顆粒電荷，FPA用于測定纖維的ZETA電位。這兩個測試儀器對濕部工藝優化控制非常重要。

生活用紙生產的基本原材料是紙漿，紙漿漿料包括纖維、填料、細小纖維和陰離子垃圾等等。生產中添加化學品是為了影響纖維的性能進而影響原紙和成品紙的質量，同時也是確保穩定的工藝系統，纖維的表面會與陰離子垃圾發生相互作用。要確保整個生產系統穩定，就需要知道這些化學品、纖維和陰離子垃圾是如何相互作用的。

下面我們討論濕部三個不同的可能性以闡述采用CAS和FPA的重要性。

2.1 未做電荷測試

既沒有做顆粒電荷測試也沒有纖維表面電荷測試的情況下，生活用紙生產商就沒有漿料特性的數據信息。此外，通常生活用紙生產商在添加柔軟劑或濕強劑等化學助劑之前添加陰離子垃圾捕捉劑（陰離子垃圾捕捉劑是用于在添加其他化學品之前中和漿料中陰離子垃圾的化學助劑，添加后可以確保柔軟劑或WSA或者其他化學助劑能夠附著在纖維表面上而不會與陰離子垃圾發生作用），可能未完全發揮作用，這會導致產品質量出現問題，而且解決這類問題也很難及時找到正確的辦法，或者需要做一系列的檢測和花費大量時間去找到問題的所在，因為這些問題的產生不一定都來自濕部。

總而言之，不做電荷測試的不利后果有以下幾個方面：（1）可能會產生較大量的問題產品。

（2）由于錯誤的結論，很可能會導致化學品的過量添加，這樣也會增加廢水處理的難度等問題。

2.2 使用CAS檢測

生產過程中，在添加其他化學品之前添加了陰離子垃圾捕捉劑，檢測了漿料顆粒電荷，但是沒有測量纖維表面電荷。這會導致第一種情況中提到的類似問題的發生。根據CAS提供的紙漿中陰離子垃圾顆粒的電荷信息，如果使用陰離子垃圾捕捉劑，如同舉例中描述的一樣，由CAS測量結果計算得出的漿料中陽離子需求會下降。通過CAS測試后，可以很清楚地得出陰離子垃圾捕捉劑是否產生了作用。這時其他化學品如柔軟劑、WSA都可以加入，不會再中和陰離子垃圾。但事實上這并不意味著這些化學品會自動與纖維表面相互作用，這個實際情況不能通過CAS的測試來得到證實，所以是否發生作用了還是不明確，類似的問題如同第一種情況那樣還是存在的。

2.3 CAS和FPA同時檢測

漿料中添加陰離子垃圾捕捉劑，這時方案優化和工藝穩定通過有效的過程控制是可以實現的。這種情況下，之前說的那兩種情況就可以避免，原因是生活用紙生產商通過電荷測試，知道顆粒電荷的數據信息，了解陰離子垃圾捕捉劑是否已經中和了陰離子垃圾，并且通過纖維電荷測試，知道了柔軟劑或WSA等化學品與纖維之間是否發生了相互作用等。

CAS是測量漿料中的顆粒電荷和確定陽離子的需求來中和陰離子垃圾。由此可知，用于中和漿料中陰離子垃圾的陰離子垃圾捕捉劑用量是可以確定的。根據試驗，陽離子需求（陰離子垃圾）在添加陰離子垃圾捕捉劑后會降低90%左右，之后再增加更多的化學品后，陽離子需求就會慢慢接近于零。

FPA測試纖維表面電荷，或者說“纖維上還有多少空間”可供柔軟劑或WSA等化學品與之作用。這個結論可以告訴我們每種化學品合適的添加量，這時纖維表面電荷不應該受陰離子垃圾捕捉劑的影響，在每種化學品添加后應該越來越接近于零。

有了這兩種儀器測試的結果，前面列舉的兩個例子中出現的所有問題都可以得到解決，大大減少原材料的浪費，節約成本。有了這些信息，濕部工藝的優化就能很快得以實現，出現的問題也會迅速解決，從而避免了來自濕部的系列問題。

通過以上測試，生活用紙生產商能夠正確判斷問題是否來自于濕部，如果問題來自于濕部，可以做出相應調整，如果問題不是來自于濕部，則需考慮生產的其他環節。這樣，化學品的過量添加和因此而產生的成本增加問題都可以避免。處理廢水的化學品用量也會降低，添加的柔軟劑或WSA等化學品也會盡可能多的附著在纖維上，而不是隨白水進入廢水當中。

3　 總結

通過使用這三個測試儀器TSA、CAS和FPA，生活用紙的生產過程可以得到有效控制，工藝可以優化到最佳狀態。如果使用TSA進行相關測試來控制產品質量，那么出現的問題可以得到有效解決。

通過TSA測試可以比較清楚地判斷質量問題的來源。如果粗糙度/平滑度出現問題，原因可能來自于紙機運行參數的設置，也可能來自于起皺刮刀或壓花。如果真實柔軟度或挺度出現質量問題，很可能是生產過程中的濕部出現了問題，濕部添加的化學品，對纖維柔軟度的影響比較大。如果是濕部出現問題，CAS和FPA可以幫助我們來判斷和對工藝條件進行優化，確定合適的化學品添加量，以確保生產過程的穩定和保障產品質量。

通過這三款測試儀器的配合使用，可以實現最優化的生產工藝，有助于節省原料和節約成本，實現預期的質量效果。

（李智斌整理）

Process Optimization from the Wet to the Dry End of Tissue Production