生活用紙柔軟度的分析和測量

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

生活用紙的柔軟度是消費者關注的關鍵要素，也是產品的基本質量參數，是優質和高利潤生活用紙的決定性品質。因為消費者對生活用紙柔軟度的認知比較復雜，而且生活用紙各個屬性相互作用，所以如何測量消費者感受到的柔軟度，并找到提高柔軟度的實際方法，一直是生活用紙生產商面臨的挑戰。

廣大消費者都是柔軟度專家，他們用手指觸摸或揉捏一下就能判斷產品的柔軟度。柔軟是消費者對生活用紙的首要需求，一般消費者愿意為柔軟的3層產品支付更多錢，而不是冒著讓鼻子受刺激的風險省錢。因此，如果一個人可以很容易地識別柔軟與否，為什么量化這項特征如此困難？問題在于，我們的大腦使用了復雜的程序將多個感官輸入轉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、柔軟度測量方式以及產品柔軟度改善方法。

柔軟度是什么？

實質上，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；當用手劃過時，天鵝絨表面上的柔軟纖維會彎曲偏斜；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、整體柔軟度和強度三個方面的融合，包括松厚度、光滑度、剛度、懸垂性等。柔軟度是人類大腦根據多個感官輸入，對皮膚與生活用紙相互作用的感知。任何基于聲學、光學或機械數據，測量柔軟度的方法都需要模擬人體觸覺感知的復雜過程。生活用紙抗張強度、負荷伸長度、摩擦或粗糙度與手感柔軟度有一定關系，但手感柔軟度是消費者主觀衡量每個變量的結果，這導致其很難用儀器來測量。因為仍然沒有世界公認的柔軟度測試儀，采用評估小組和標準化抽樣方法仍是測量柔軟度手感值唯一普遍接受的方法。盡管有各自的局限，但仍有幾種測試儀可以使用，如Thwing-Albert儀器公司生產的Vantage壓縮檢測儀，以及德國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過程的每一步中產生和消失。漿料選擇、打漿、化學品添加、脫水、干燥、起皺和加工，都在增強或降低柔軟度中發揮著不可或缺的作用。這些參數不是獨立存在的，最終產品物理性能的相關性是一個需要平衡的微妙博弈。例如，可以通過破壞纖維內部結合來提升產品柔軟度，但是這會以降低上機運行性能和頻繁停機為代價。同樣，可以通過選擇不同紙漿來增加表面柔軟度或整體柔軟度。FPInnovations創新研究院使用其實驗衛生紙機，對不同針葉木漿的使用效果進行了比較。結果表明，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品柔軟度，同時保持上機運行性能。眾所周知，桉木漿的纖維短，質地均勻，可增加產品松厚度和柔軟度。然而，FPInnovations創新研究院的實驗表明，源于加拿大的針葉木漿也可使產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添加劑來實現。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，這些陽離子型或非離子型表面活性劑會阻斷纖維間的氫鍵結合，使纖維分離。纖維間結合區域減少，會在紙頁中形成空隙，從而使生活用紙產品更蓬松，由此產生的空隙也會增加產品的吸水性。其次，添加劑中的支鏈脂肪烷基也使產品表面平滑柔軟。

● 潤膚劑和乳液

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

但使用乳液的缺點是，將上述疏水性聚合物添加到紙頁表面時，紙頁的吸水性會降低。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。

● 增濕強劑

除了表面性能和松厚度，強度也是生活用紙產品最終柔軟度的主要決定因素。使用增濕強劑和打漿可以確保紙頁的上機運行性能和強度，減少因斷紙而產生的停機時間，同時也使最終產品更加耐用。因為生活用紙平面強度很難測量，所以采用抗張強度和指數來表示。通常認為抗張強度的增加等同于柔軟度成比例的降低。最新的增濕強劑有望在提高強度的同時保持產品的柔軟度。

生活用紙生產商已經認識到了打漿對柔軟度的重要性。闊葉木硫酸鹽漿打漿及精磨是傳統使用的方法，重點是提高產品強度。目前的趨勢是最低限度地對闊葉木漿進行打漿，或完全不進行打漿，以提高產品柔軟度和松厚度，同時對針葉木漿單獨打漿，以達到目標強度。另一種趨勢是，通過使用高濃打漿，以實現最高強度，同時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前經濟發展的規律，有利于更好地完成管理體制改革，實現我國經濟繁榮發展的目標。在確定改革制度后，應該先選取部分經濟發達地區作為改革試點，為改革工作的開展積累經驗。

● 干燥和起皺

衛生紙機和其他造紙機最顯著的區別就是干燥部。在其他紙機中，紙頁被動地通過一系列烘缸進行干燥處理。而衛生紙牢固地粘在揚克缸的表面，然后用刮刀將其剝離。在烘缸的出紙側，鋼制或陶瓷刮刀抵在烘缸表面上，當干燥后的紙頁被刮刀擠壓，刮刀在紙頁/涂層/烘缸貼合處引發快速的微小振動，在紙頁上形成許多微小褶皺，并使一些纖維伸出紙面，降低了紙頁的密度和強度，增加了拉伸力。

圖1 衛生紙機干燥部

烘缸上使用的涂層物質包括對溫度敏感的粘缸劑、脫缸劑，有時還含有改性劑，統稱為起皺劑。粘缸劑將紙頁粘附在揚克缸上，并在烘缸表面形成保護涂層。脫缸劑使紙頁均勻起皺，并確保在撞擊刮刀時不會斷裂。改性劑通過潤滑來保護揚克缸表面。針對特定生產速度、刮刀幾何結構、溫度和漿料選擇并調整合適的起皺劑，可以使紙頁形成均勻且精細的褶皺結構，并增加表面柔軟度。

起皺刮刀的幾何結構決定著紙頁褶皺結構的粗糙度。褶皺小而規則的紙頁比褶皺大的紙頁更柔軟。當起皺后的紙頁在刮刀處折疊在一起時，將會產生較大的褶皺。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致。如果起皺角度過小，引起褶皺堆積，就會產生較大的褶皺。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位置

起皺對產品的松厚度和柔軟度至關重要。然而，在這一領域幾乎沒有發表過相關文獻。為了解決這個問題，FPInnovations創新研究院與英國哥倫比亞大學（UBC）合作，對生活用紙起皺技術進行基礎研究，以深入了解起皺如何影響松厚度和柔軟度。目前已經開發了一維模型，可預測起皺率及操作條件（刮刀角度、生產速度、紙頁性質、粘缸劑性質等）對其影響，這將有助于解釋起皺對柔軟度的影響。

FPInnovations創新研究院擁有許多先進的顯微鏡和圖像分析技術，能夠有效地描述與柔軟度密切相關的產品結構。這些技術可以幫助我們更好地定義生活用紙生產中的結構目標，并且發現漿料配比和制造過程的微妙變化就可以改變產品的性質（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

如何測量柔軟度？

為了解決如何用設備測量柔軟度的問題，我們必須首先了解人類如何評價柔軟度。荷蘭心理學家David Katz在1926年發表了《紋理感知二元說》，提出人類的觸覺通過兩種基本傳感機制來評估紋理。Katz發現，在判斷粗糙表面時，人們不必用指尖觸摸整個表面（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生相對運動（相對運動產生的振動結果存在區別）時，才能區分出精細結構。

● 手感測試小組

手感測試小組試驗利用皮膚的靈敏度和大腦的完整計算能力，來量化生活用紙樣本的柔軟度。通過對比樣本和參考標準來解釋柔軟度的相對差異，并記錄小組成員對幾對樣本的定量或定性反應。FPInnovations創新研究院使用平衡雙股線比較法或多元線性回歸模型來計算樣本的柔軟度。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。

手感測試小組試驗得出的結論帶有主觀性，會因人而異，例如小組成員中可能有人對松厚柔軟的偏愛超過平滑度。為了平衡這種差異，需要進行多次測試，并增加測試小組成員的多樣性，包含不同種族的男性和女性。多次小組測試的結果呈現高度的一致性和可重復性。

圖4 手感測試小組試驗進行中

● 機械測試

雖然手感測試小組試驗可以重復，并且能夠對比各種不同類型的樣本，但這很浪費時間。培訓小組成員和維護參考樣本庫存的附加成本，超出了大多數生產商的能力范圍。為了減少測量的主觀性，并快速獲得可重復和可靠的柔軟度信息，可以對產品物理性能的相關性進行研究。摩擦系數、表面形態、伸出纖維計數和褶皺計數都曾被單獨用來測試產品的表面柔軟度。同樣，可壓縮度、密度和模數也用來測算強度和整體柔軟度。但是，這些獨立的測試都只能反映出部分特點。由于柔軟度是所有要素的綜合測量，對其中幾項物理性能進行測試，并不能得出有效結果。想要將兩個或更多物理性能相結合也很復雜，因為對每個屬性的相對重要性要經過主觀判斷。

之前已經發明了可以同時測量產品多個物理屬性，并報告最終手感值的儀器。美國強生公司在20世紀50年代發明了這種手感測試儀。用一個桿通過插槽推動紙頁來測量阻力，測得的阻力與挺度相關，但對樣本的滑動方向和測試時的狀態很敏感，而且與手感測試小組得出的結論并不十分吻合。這種手感測試儀目前仍在紡織品中使用，因為樣本相比來說更加結實。在這之后，還發明了其他幾項類似的測試儀器和方法，如Scott手感比較裝置、環路柔軟度試驗和環桿柔軟度試驗。

觸針法的重點是描繪樣本的表面特征。采用一種經過改進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量產品的強度和整體柔軟度。

目前市場上最新且最有價值的相關儀器是Emtec生活用紙柔軟度分析儀（TSA）。Emtec以現有方法為基礎，綜合了柔軟度的三個方面（表面柔軟、強度和整體柔軟度）。TSA采用聲學方法來評估紙頁表面和纖維的柔軟度，并且由用戶輸入紙頁密度數據。TSA通過幾十種算法從不同角度分析相關參數，并給出最終的手感柔軟度評測。TSA是一種非常靈敏的儀器，能夠區分出柔軟度的細微變化，很快就成為工廠質量管理方面的重要儀器。但是，TSA需要采用不同的算法來計算每種類型紙頁的柔軟度，而且很難對不同類型樣本的柔軟度進行比較，也很難分析出層數增加和壓花對紙頁手感柔軟度的作用。可以為測試結果設定等級標準來反映真實的手感柔軟度值，但不同原料、不同等級、不同類型的產品都必須有自己的標準。

表1 不同柔軟度測試方法比較

結論

生活用紙柔軟度是對表面柔軟度、整體柔軟度和強度等方面的主觀綜合評測。任何一項技術如果忽略其中一個方面，都將無法有效地反映真正的手感柔軟度值。測試儀器提高了柔軟度量化的速度，但這些技術仍然無法達到評估員的洞察力和準確性。

（本刊編譯自Metissue/2016年第32期，王娟審校）