檢測(cè)分析儀器

TSA柔軟度測(cè)試儀及其在造紙流程優(yōu)化中的應(yīng)用

ALexander Grüner/胡云濤    上海林紙科學(xué)儀器有限公司

    生活用紙最關(guān)鍵性的特征參數(shù)就是柔軟度和手感。傳統(tǒng)的辦法是用專(zhuān)家評(píng)估小組來(lái)人工測(cè)試這一質(zhì)量參數(shù)。人工測(cè)試存在許多缺點(diǎn)，而Emtec TSA紙巾柔軟度測(cè)試儀能夠客觀地測(cè)試分析，減少人為因素。目前國(guó)內(nèi)外知名的生活用紙廠商大多數(shù)已采用此先進(jìn)的的分析儀器和方法，包括生活用紙廠家、Metso等紙機(jī)設(shè)備供應(yīng)商、化學(xué)品公司、研究機(jī)構(gòu)和高校。這個(gè)儀器可以檢測(cè)紙頁(yè)的三個(gè)基本參數(shù)：粗糙度/平滑度、真實(shí)柔軟度、硬挺度。這三個(gè)參數(shù)實(shí)際上決定了當(dāng)我們觸摸紙巾時(shí)整體的“手感”印象。TSA不僅僅是可以測(cè)定這些參數(shù)，更重要的是可以幫助調(diào)整像柔軟劑等這樣的化學(xué)品在濕部添加量的大小，因?yàn)樘砑拥娜彳泟┰黾踊驕p少，從TSA的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以反映“真實(shí)柔軟度”的變化。此外，TSA還可以幫助設(shè)定合理的紙機(jī)參數(shù)，例如起皺刮刀的角度，刮刀的使用壽命等。因而具有可觀的投資回報(bào)！

1、觸感理論的概述

TSA柔軟度測(cè)試儀是一臺(tái)仿生設(shè)備，是模擬人手設(shè)計(jì)的。當(dāng)消費(fèi)者或者測(cè)試者拿到面巾紙或者衛(wèi)生紙的時(shí)候，都會(huì)搓揉，他們?cè)诿�或者搓揉的時(shí)候，就會(huì)形成振動(dòng)，在紙的表面也會(huì)產(chǎn)生剪切力和阻力，這些振動(dòng)、剪切力和阻力合起來(lái)對(duì)抗紙的變形。這些變形和不同的力取決于紙巾樣品的真實(shí)柔軟度、表面平滑度/粗糙度和挺硬度。

人手特別是在指尖部位存在兩類(lèi)重要的傳感器。一類(lèi)是Vater-Pacini-Bodies，負(fù)責(zé)接收快速的過(guò)程，如振動(dòng)。另一類(lèi)是Merkel-Bodies，負(fù)責(zé)接收緩慢變化的力。在接受這些不同的信號(hào)后，通過(guò)我們的神經(jīng)傳輸?shù)酱竽X中，然后會(huì)自動(dòng)組成“柔軟度”的印象或更確切地說(shuō)是手感的整體印象。這種整體印象中，手感是三個(gè)基本參數(shù)的組合：

一是真實(shí)的柔軟度。主要取決于每根纖維的挺度和特性，例如纖維不同的配比，打漿程度。也受柔軟劑等化學(xué)品的影響。

二是平滑度/粗糙度。主要取決于起皺和壓花工藝。

三是挺度。主要取決于纖維的特性，生產(chǎn)工藝和添加的化學(xué)品等。

但由于不同人的指尖傳感器有不同的靈敏度，而且感應(yīng)受其他外界因素的影響，所以，每個(gè)人對(duì)這三個(gè)基本參數(shù)的感應(yīng)側(cè)重點(diǎn)也不盡相同，因此對(duì)紙巾質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果也就有差異。解決這個(gè)問(wèn)題的唯一方案就是使用一種客觀的測(cè)試儀器，規(guī)定統(tǒng)一的測(cè)試方法。目前紙巾行業(yè)的解決方案就是采用TSA紙巾柔軟度測(cè)試儀。使用這個(gè)設(shè)備可以測(cè)量決定手感值的三個(gè)基本參數(shù)：真實(shí)柔軟度、平滑度/粗糙度和硬挺度，通過(guò)測(cè)量結(jié)果可以計(jì)算出手感值HF。因此這個(gè)檢測(cè)設(shè)備可以被看做是模擬人手的測(cè)試儀。

2、技術(shù)基礎(chǔ)與工作原理

TSA的檢測(cè)過(guò)程有兩個(gè)步驟，共需約60秒。樣品被固定在樣品架上，樣品下方是一個(gè)噪音傳感器，上方是有固定刀片的轉(zhuǎn)子測(cè)試頭。測(cè)量時(shí)，測(cè)試頭下降到樣品上，有固定刀片的轉(zhuǎn)子以預(yù)定的負(fù)載（100mN）在樣品上移動(dòng)。第一步是噪音分析，通過(guò)噪音分析可以測(cè)試材料的平滑度/粗糙度和真實(shí)柔軟度。

      平滑度/粗糙度   對(duì)于平滑度/粗糙度，測(cè)試由樣品本身垂直振動(dòng)產(chǎn)生的聲音。振動(dòng)取決于樣品剖面。這有點(diǎn)像唱片，但是是相反的。樣品的震動(dòng)產(chǎn)生聲音，就像上面解釋的噪音被樣品下面的傳感器記錄，振動(dòng)越大噪音越響。因此，噪音越大，紙巾越粗糙。

圖1 平滑度/粗糙度測(cè)試原理

    真實(shí)柔軟度   對(duì)于真實(shí)柔軟度，我們是測(cè)試由轉(zhuǎn)子刀片振動(dòng)產(chǎn)生的聲音。當(dāng)刀片在樣品上移動(dòng)時(shí)，單根纖維裸露出來(lái)，取決于纖維有多挺硬，單片收到或強(qiáng)或弱的振動(dòng)。挺硬的纖維產(chǎn)生強(qiáng)的振動(dòng)，軟的纖維產(chǎn)生弱的振動(dòng)。同樣，刀片的振動(dòng)產(chǎn)生噪音被樣品下面的傳感器記錄。纖維越挺硬，振動(dòng)越大，紙巾越不柔軟。

圖2 柔軟度測(cè)試原理

    測(cè)試結(jié)果曲線如圖3所示，Y軸=聲音，單位dB，X軸=頻率，單位Hz。第一個(gè)波峰表示平滑度/粗糙度，第二個(gè)波峰表示柔軟度。第一個(gè)波峰越小，越平滑；第二個(gè)波峰越小，越柔軟。如圖，壓花廁紙正面有花紋，所以波峰最大，粗糙度最大。反面次之，無(wú)壓花紙的波峰最小。

圖3 聲音與振動(dòng)頻率的關(guān)系

     挺硬度   挺硬度的測(cè)試如下圖所示，測(cè)試頭下降到樣品表面，測(cè)試完粗糙度和柔軟度之后，繼續(xù)加大壓力至600mN，紙樣發(fā)生形變，形變的大小決定挺度的大小，從而得到樣品的挺硬度。

圖4 挺度測(cè)試原理

    在TSA配套的PC軟件的數(shù)據(jù)文件中可以看到各個(gè)參數(shù)實(shí)際的數(shù)據(jù)，也可以得到根據(jù)這些參數(shù)及定量、厚度、層數(shù)等數(shù)據(jù)計(jì)算得到的手感值HF。

    TSA不僅能測(cè)試三個(gè)基本參數(shù)，也可以計(jì)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(jì)算出手感值，還可以得到適合客戶特定的評(píng)測(cè)小組的數(shù)學(xué)模型。這個(gè)非常重要，因?yàn)椴煌�地區(qū)的消費(fèi)者對(duì)好的紙巾的品質(zhì)期望值是不同的。他們的不同要求決定了三個(gè)參數(shù)之間的側(cè)重不同。并且還可以實(shí)現(xiàn)，不同人的特殊需求采用不同手感值的計(jì)算方法，不同的產(chǎn)品也可用不同的計(jì)算方法，不同的算法應(yīng)用于不同的產(chǎn)品，如廁所用紙、手帕紙等。

3、TSA在造紙流程中優(yōu)化的應(yīng)用

從紙漿變成紙產(chǎn)品，中間包含非常多的流程，簡(jiǎn)單的流程示意圖如圖5。備料階段的磨漿、配漿及化學(xué)品的添加都可以通過(guò)TSA來(lái)優(yōu)化，節(jié)省時(shí)間、材料和費(fèi)用。另外通過(guò)TSA的優(yōu)化，刮刀的使用壽命也可以延長(zhǎng)，降低刮刀更換頻率。

圖5 造紙過(guò)程流程圖

3.1紙漿配比優(yōu)化

不同的紙漿配比對(duì)衛(wèi)生紙質(zhì)量的影響是不一樣的。圖6是在美國(guó)進(jìn)行的一次實(shí)驗(yàn)。從這個(gè)圖可以看出纖維構(gòu)成75%桉木漿/25%針葉木漿的柔軟度8.2，最柔軟；手感值90，在所有測(cè)試組中最高。使用了脫墨漿的測(cè)試組手感值最低。另外第二天再現(xiàn)性測(cè)試的曲線基本上與第一天的曲線重合，這說(shuō)明TSA測(cè)試穩(wěn)定。在試機(jī)前測(cè)試手抄片，可以快速的選擇最優(yōu)的漿料配比，獲得滿足要求的原紙或成品紙，節(jié)省時(shí)間、材料和費(fèi)用。

圖6 紙漿配比對(duì)手感值的影響

3.2磨漿優(yōu)化

磨漿的目的是使纖維分絲帚化，增強(qiáng)纖維之間的結(jié)合力。但是磨漿的同時(shí)，纖維也會(huì)被切斷，纖維變短。磨漿的程度也可以通過(guò)TSA來(lái)優(yōu)化。通過(guò)圖7的TSA測(cè)試曲線發(fā)現(xiàn)，磨漿越重，紙張?jiān)狡交�，纖維越不柔軟。因此，可以通過(guò)TSA確定合適的磨漿程度。

圖7 磨漿對(duì)柔軟度的影響

3.3柔軟劑種類(lèi)的優(yōu)化

添加柔軟劑，真實(shí)的柔軟度會(huì)上升。但是不同的柔軟劑對(duì)平滑度/粗糙度、柔軟度和挺度這三個(gè)參數(shù)的影響是不一樣的，人用手來(lái)感覺(jué)可能沒(méi)有那么明顯，通過(guò)TSA可以清楚的知道每個(gè)參數(shù)是怎樣受到影響的，從而確定選擇哪種柔軟劑。

圖8 柔軟劑對(duì)三個(gè)參數(shù)的影響

3.4紙幅均一性優(yōu)化

現(xiàn)在衛(wèi)生紙機(jī)的幅寬都很寬，達(dá)6m左右，在橫向方向上定量、挺度、起皺發(fā)生變化都會(huì)導(dǎo)致粗糙度和柔軟度變化，最終影響紙幅橫向手感。發(fā)生這種情況的原因可能是紙機(jī)的速度改變，但是流漿箱沒(méi)有調(diào)整。流漿箱的設(shè)置是根據(jù)特定車(chē)速設(shè)定的，如果車(chē)速改變，就需要調(diào)整流漿箱，以確保紙幅橫向各噴嘴分配到相同的紙漿。一般情況下，手感測(cè)試組成員也可能發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題，但是時(shí)效性較差。而TSA能夠很快的顯示出數(shù)據(jù)，從而及時(shí)調(diào)整。

圖9 流漿箱噴漿示意圖

3.5刮刀優(yōu)化

   刮刀尤其是鋼制刮刀的使用壽命是有限的。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)衛(wèi)生原紙的質(zhì)量要求，一個(gè)刮刀可以生產(chǎn)1~8個(gè)大軸紙，然后需要更換刀片，而更換刀片需要耗費(fèi)2~3分鐘，這期間是沒(méi)有衛(wèi)生紙生產(chǎn)出來(lái)的。使用以前的既不準(zhǔn)確也不快的手感測(cè)試是可以的，因此為了運(yùn)行安全根據(jù)設(shè)定的周期強(qiáng)行改變刀片的使用周期。采用準(zhǔn)確和客觀方法的TSA，刀片可以根據(jù)需求更換。通過(guò)確定一個(gè)周期的最佳刀片數(shù)量，每個(gè)刀片可以完成更多的紙軸而產(chǎn)品質(zhì)量沒(méi)有下降。

    例：年產(chǎn)量：45,000t；

每軸生產(chǎn)時(shí)間：大約30min；

刀片更換時(shí)間：大約3min。

優(yōu)化前每個(gè)刀片周期的紙軸產(chǎn)量：4個(gè)/120min，12個(gè)刀片/天，換刀總時(shí)間36min/天。優(yōu)化后每個(gè)刀片周期的紙軸產(chǎn)量：6個(gè)/180min，8個(gè)刀片/天，換刀總時(shí)間24min/天。

因此，刀片更換節(jié)省的時(shí)間：350天╳12min=4200min/年，可以生產(chǎn)：140個(gè)大軸╳4t=560t額外產(chǎn)量，相當(dāng)于增加1.25%的產(chǎn)量。

通過(guò)節(jié)省刮刀降低費(fèi)用：鋼制刮刀價(jià)格為42.50歐元（寬5m），可以節(jié)省4個(gè)刮刀╳350天=1400個(gè)刮刀，相當(dāng)于節(jié)省1400*42.5=59,500歐元。

圖10 刮刀變化對(duì)手感值的影響

3.6助劑用量的優(yōu)化

助劑的添加可以改變樣品的柔軟度，但是添加量太少，達(dá)不到添加主機(jī)的目的，添加太多的話，浪費(fèi)材料，費(fèi)用太高。TSA可以幫助選擇最佳的助劑添加量。從11中看出，隨著助劑用量的增加，柔軟度逐漸變大，當(dāng)用量超過(guò)1.5g/m²的時(shí)候，柔軟度變化不大，因此助劑用量1.5-2 g/m²為最佳。

圖11 助劑用量對(duì)柔軟度的影響

使用TSA模型計(jì)算——面巾紙助劑應(yīng)用案例。

例：雙層面巾紙的年產(chǎn)量（30 g/m²）：10,000t；

    助劑用量（供應(yīng)商建議）：約3g/m²（每面1.5g/m²）；

    助劑總用量：約1000t（定量的10%用量）；

    助劑價(jià)格：約2-5歐元/kg；

    助劑年費(fèi)用：約200-500萬(wàn)歐元。

使用TSA優(yōu)化后，助劑用量1.5-2 g/m²為最佳，因此，助劑的用量可以節(jié)省10%-50%，相當(dāng)于費(fèi)用可以節(jié)約20萬(wàn)-250萬(wàn)歐元/年。而儀器價(jià)格（根據(jù)配件）大約為6萬(wàn)歐元，人員工資為3萬(wàn)歐元/人年，投資回報(bào)從5個(gè)月降到2個(gè)周。

4、結(jié)論

    TSA的界面直觀，測(cè)試穩(wěn)定，精度高。通過(guò)對(duì)三個(gè)基本參數(shù)粗糙度/平滑度，真實(shí)柔軟度和硬挺度的測(cè)定，能夠高效的進(jìn)行流程優(yōu)化，節(jié)約時(shí)間、材料和費(fèi)用。還可應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、投訴管理等方面。三個(gè)參數(shù)的配合使用和手感值HF可以比較客觀的測(cè)量紙的性能，代替人的不確定性。通過(guò)數(shù)學(xué)模型得出的HF結(jié)果很容易被各個(gè)評(píng)判小組接受，實(shí)現(xiàn)更好的質(zhì)量控制。