從濕部到干部生活用紙產(chǎn)品工藝優(yōu)化

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

從濕部到干部生活用紙產(chǎn)品工藝優(yōu)化

ALexander Gruener胡云濤上海林紙科學(xué)儀器有限公司

生活用紙的生產(chǎn)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，紙機(jī)在高車速下運(yùn)行，原材料和成品的質(zhì)量要符合加工要求和客戶需要，化學(xué)品的添加位置和添加量要正確、合適，生產(chǎn)設(shè)備需要設(shè)定合理的技術(shù)參數(shù)。除此之外，生產(chǎn)商、客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的期望值越來越高，且同時(shí)希望有更低的價(jià)格。這些問題涉及兩個(gè)方面，主要是生產(chǎn)商和所有與之相關(guān)的供應(yīng)商，比如漿廠、化學(xué)品供應(yīng)商、紙機(jī)和加工設(shè)備供應(yīng)商等對(duì)于所涉及問題的解決方案是屬于濕部的工藝優(yōu)化（化學(xué)品添加等）還是設(shè)備的運(yùn)行（紙機(jī)和加工設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定等）問題。

下面介紹三個(gè)檢測(cè)儀器，它們可以幫助生產(chǎn)企業(yè)來確定最佳的生產(chǎn)工藝，通過最小化調(diào)整濕部的波動(dòng)和最佳的干部工藝以及加工過程中紙機(jī)和包裝設(shè)備參數(shù)的設(shè)定，來優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本。

這三個(gè)檢測(cè)儀器分別是：Emtec TSA紙巾柔軟度測(cè)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(cè)試儀

該儀器可以檢測(cè)紙頁的三個(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)我們觸摸紙頁時(shí)整體的“手感”印象。TSA不僅可以測(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。下面介紹一下Emtec TSA紙巾柔軟度測(cè)試儀的測(cè)試方法、工作原理和使用效果。

1.1 觸感理論的概述

傳統(tǒng)的紙頁手感測(cè)試方法是評(píng)測(cè)小組對(duì)手感的測(cè)試都會(huì)有不同的測(cè)試程序，有的是對(duì)紙頁進(jìn)行揉皺，有的僅僅只是用手指劃一下紙頁表面，當(dāng)然還會(huì)有其他完全不同的測(cè)試方法。所有的測(cè)試方法中，紙頁都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)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(shí)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(fù)責(zé)接收快速的過程，如振動(dòng)。另一類是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，通過我們的神經(jīng)傳輸?shù)酱竽X中，然后會(huì)自動(dòng)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(gè)基本參數(shù)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(xué)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(chǎn)工藝和添加的化學(xué)品）。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)質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果也就有差異。解決這個(gè)問題的有效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。目前生活用紙行業(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/粗糙度和挺度，通過測(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。

1.2 技術(shù)基礎(chǔ)與工作原理

TSA的檢測(cè)過程有兩個(gè)步驟，共需約60s。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)載在樣品上移動(dòng)。第一步是噪音分析，通過噪音分析可以測(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，我們測(cè)試由樣品本身振動(dòng)產(chǎn)生的聲音，如圖1所示。振動(dòng)取決于樣品剖面，類似于播放唱片的原理。樣品的震動(dòng)產(chǎn)生聲音，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，紙頁越粗糙。

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)?shù)镀跇悠飞弦苿?dòng)時(shí)，單根纖維裸露出來，取決于纖維有多挺硬，單片收到或強(qiáng)或弱的振動(dòng)。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，表示紙頁越不柔軟。如圖2所示。

圖1　　 平滑度/粗糙度測(cè)定檢測(cè)原理

圖2　　 真實(shí)柔軟度原理

結(jié)果如圖3所示（Y軸=聲音，單位dB，X軸=頻率，單位Hz）。同時(shí)可以在PC軟件的數(shù)據(jù)文件中看到實(shí)際的數(shù)據(jù)。

圖3　　 聲音與振動(dòng)頻率的關(guān)系

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

圖4　　 挺度的測(cè)試

1.3 測(cè)試結(jié)果和結(jié)論

兩個(gè)步驟的測(cè)試結(jié)果決定生活用紙手感的三個(gè)基本參數(shù)：粗糙度/平滑度、真實(shí)柔軟度和挺度。

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貐^(qū)的消費(fèi)者對(duì)好的品質(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，如衛(wèi)生紙、手帕紙等。

三個(gè)真實(shí)參數(shù)的配合使用和手感值的計(jì)算結(jié)果使其指導(dǎo)生產(chǎn)成為可能。以上的檢測(cè)結(jié)果可以應(yīng)用于工藝研究、產(chǎn)品生產(chǎn)和后續(xù)加工等環(huán)節(jié)。以下是TSA應(yīng)用于不同領(lǐng)域的實(shí)例：

研發(fā)（紙漿供應(yīng)商、生活用紙生產(chǎn)商）?？蓱?yīng)用于目標(biāo)產(chǎn)品的研發(fā)。例如通過改進(jìn)原料的配比達(dá)到提高質(zhì)量的目的。

產(chǎn)品生產(chǎn)過程工藝優(yōu)化。在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)儀器對(duì)于工藝優(yōu)化和解決問題是非常有用的。首先一個(gè)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(dá)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(diǎn)在哪里，這非常重要，因?yàn)檫@樣可以在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上大大降低生產(chǎn)成本。另一個(gè)例子是根據(jù)測(cè)試結(jié)果來設(shè)定紙機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，從而改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量。這樣整個(gè)過程中化學(xué)品和化學(xué)品量的變化以及紙機(jī)運(yùn)行參數(shù)的變化都可以通過TSA的檢測(cè)結(jié)果來完成。

在加工階段，通過測(cè)量數(shù)據(jù)可以優(yōu)化用于改善成品紙質(zhì)量的乳液用量，不同壓花工藝參數(shù)的影響也可以通過TSA的測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)出來。

2　 CAS顆粒電荷分析儀和FPA纖維電位分析儀

雖然TSA測(cè)量?jī)x器是可以很好的用來發(fā)現(xiàn)問題，但如果發(fā)生不同類型的改變，如化學(xué)品的變化、紙機(jī)參數(shù)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(xué)品是否起作用等。因此，要達(dá)到過程優(yōu)化的目的，有必要在濕部監(jiān)測(cè)過程同時(shí)使用下面兩種檢測(cè)儀器：CAS顆粒電荷分析儀和FPA纖維電位分析儀。CAS用于測(cè)定漿料中的顆粒電荷，F(xiàn)PA用于測(cè)定纖維的ZETA電位。這兩個(gè)測(cè)試儀器對(duì)濕部工藝優(yōu)化控制非常重要。

生活用紙生產(chǎn)的基本原材料是紙漿，紙漿漿料包括纖維、填料、細(xì)小纖維和陰離子垃圾等等。生產(chǎn)中添加化學(xué)品是為了影響纖維的性能進(jìn)而影響原紙和成品紙的質(zhì)量，同時(shí)也是確保穩(wěn)定的工藝系統(tǒng)，纖維的表面會(huì)與陰離子垃圾發(fā)生相互作用。要確保整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定，就需要知道這些化學(xué)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(gè)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(cè)試

既沒有做顆粒電荷測(cè)試也沒有纖維表面電荷測(cè)試的情況下，生活用紙生產(chǎn)商就沒有漿料特性的數(shù)據(jù)信息。此外，通常生活用紙生產(chǎn)商在添加柔軟劑或濕強(qiáng)劑等化學(xué)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(xué)品之前中和漿料中陰離子垃圾的化學(xué)助劑，添加后可以確保柔軟劑或WSA或者其他化學(xué)助劑能夠附著在纖維表面上而不會(huì)與陰離子垃圾發(fā)生作用），可能未完全發(fā)揮作用，這會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題，而且解決這類問題也很難及時(shí)找到正確的辦法，或者需要做一系列的檢測(cè)和花費(fèi)大量時(shí)間去找到問題的所在，因?yàn)檫@些問題的產(chǎn)生不一定都來自濕部。

總而言之，不做電荷測(cè)試的不利后果有以下幾個(gè)方面：（1）可能會(huì)產(chǎn)生較大量的問題產(chǎn)品。

（2）由于錯(cuò)誤的結(jié)論，很可能會(huì)導(dǎo)致化學(xué)品的過量添加，這樣也會(huì)增加廢水處理的難度等問題。

2.2 使用CAS檢測(cè)

生產(chǎn)過程中，在添加其他化學(xué)品之前添加了陰離子垃圾捕捉劑，檢測(cè)了漿料顆粒電荷，但是沒有測(cè)量纖維表面電荷。這會(huì)導(dǎo)致第一種情況中提到的類似問題的發(fā)生。根據(jù)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(cè)量結(jié)果計(jì)算得出的漿料中陽離子需求會(huì)下降。通過CAS測(cè)試后，可以很清楚地得出陰離子垃圾捕捉劑是否產(chǎn)生了作用。這時(shí)其他化學(xué)品如柔軟劑、WSA都可以加入，不會(huì)再中和陰離子垃圾。但事實(shí)上這并不意味著這些化學(xué)品會(huì)自動(dòng)與纖維表面相互作用，這個(gè)實(shí)際情況不能通過CAS的測(cè)試來得到證實(shí)，所以是否發(fā)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(shí)檢測(cè)

漿料中添加陰離子垃圾捕捉劑，這時(shí)方案優(yōu)化和工藝穩(wěn)定通過有效的過程控制是可以實(shí)現(xiàn)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(chǎn)商通過電荷測(cè)試，知道顆粒電荷的數(shù)據(jù)信息，了解陰離子垃圾捕捉劑是否已經(jīng)中和了陰離子垃圾，并且通過纖維電荷測(cè)試，知道了柔軟劑或WSA等化學(xué)品與纖維之間是否發(fā)生了相互作用等。

CAS是測(cè)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(jù)試驗(yàn)，陽離子需求（陰離子垃圾）在添加陰離子垃圾捕捉劑后會(huì)降低90%左右，之后再增加更多的化學(xué)品后，陽離子需求就會(huì)慢慢接近于零。

FPA測(cè)試?yán)w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(xué)品與之作用。這個(gè)結(jié)論可以告訴我們每種化學(xué)品合適的添加量，這時(shí)纖維表面電荷不應(yīng)該受陰離子垃圾捕捉劑的影響，在每種化學(xué)品添加后應(yīng)該越來越接近于零。

有了這兩種儀器測(cè)試的結(jié)果，前面列舉的兩個(gè)例子中出現(xiàn)的所有問題都可以得到解決，大大減少原材料的浪費(fèi)，節(jié)約成本。有了這些信息，濕部工藝的優(yōu)化就能很快得以實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)的問題也會(huì)迅速解決，從而避免了來自濕部的系列問題。

通過以上測(cè)試，生活用紙生產(chǎn)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(yīng)調(diào)整，如果問題不是來自于濕部，則需考慮生產(chǎn)的其他環(huán)節(jié)。這樣，化學(xué)品的過量添加和因此而產(chǎn)生的成本增加問題都可以避免。處理廢水的化學(xué)品用量也會(huì)降低，添加的柔軟劑或WSA等化學(xué)品也會(huì)盡可能多的附著在纖維上，而不是隨白水進(jìn)入廢水當(dāng)中。

3　 總結(jié)

通過使用這三個(gè)測(cè)試儀器TSA、CAS和FPA，生活用紙的生產(chǎn)過程可以得到有效控制，工藝可以優(yōu)化到最佳狀態(tài)。如果使用TSA進(jìn)行相關(guān)測(cè)試來控制產(chǎn)品質(zhì)量，那么出現(xiàn)的問題可以得到有效解決。

通過TSA測(cè)試可以比較清楚地判斷質(zhì)量問題的來源。如果粗糙度/平滑度出現(xiàn)問題，原因可能來自于紙機(jī)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置，也可能來自于起皺刮刀或壓花。如果真實(shí)柔軟度或挺度出現(xiàn)質(zhì)量問題，很可能是生產(chǎn)過程中的濕部出現(xiàn)了問題，濕部添加的化學(xué)品，對(duì)纖維柔軟度的影響比較大。如果是濕部出現(xiàn)問題，CAS和FPA可以幫助我們來判斷和對(duì)工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，確定合適的化學(xué)品添加量，以確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定和保障產(chǎn)品質(zhì)量。

通過這三款測(cè)試儀器的配合使用，可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的生產(chǎn)工藝，有助于節(jié)省原料和節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的質(zhì)量效果。

（李智斌整理）

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