从湿部到干部生活用纸产品工艺优化

ALexander Gruener　胡云涛　上海林纸科学仪器有限公司

从湿部到干部生活用纸产品工艺优化

ALexander Gruener胡云涛上海林纸科学仪器有限公司

生活用纸的生产是一个非常复杂的过程，纸机在高车速下运行，原材料和成品的质量要符合加工要求和客户需要，化学品的添加位置和添加量要正确、合适，生产设备需要设定合理的技术参数。除此之外，生产商、客户对产品质量的期望值越来越高，且同时希望有更低的价格。这些问题涉及两个方面，主要是生产商和所有与之相关的供应商，比如浆厂、化学品供应商、纸机和加工设备供应商等对于所涉及问题的解决方案是属于湿部的工艺优化（化学品添加等）还是设备的运行（纸机和加工设备运行参数的设定等）问题。

下面介绍三个检测仪器，它们可以帮助生产企业来确定最佳的生产工艺，通过最小化调整湿部的波动和最佳的干部工艺以及加工过程中纸机和包装设备参数的设定，来优化产品质量和降低生产成本。

这三个检测仪器分别是：Emtec TSA纸巾柔软度测试仪，CAS颗粒电荷分析仪和FPA纤维电位分析仪。

1　 Emtec TSA纸巾柔软度测试仪

该仪器可以检测纸页的三个基本参数：粗糙度/平滑度、真实柔软度、硬挺度。这三个参数实际上决定了当我们触摸纸页时整体的“手感”印象。TSA不仅可以测定这些参数，更重要的是可以帮助调整像柔软剂等化学品在湿部添加量的大小，因为添加的柔软剂增加或减少，从TSA的监测数据可以反映“真实柔软度”的变化。此外，TSA还可以帮助设定合理的纸机参数，例如起皱刮刀的角度，刮刀的使用寿命等。下面介绍一下Emtec TSA纸巾柔软度测试仪的测试方法、工作原理和使用效果。

1.1 触感理论的概述

传统的纸页手感测试方法是评测小组对手感的测试都会有不同的测试程序，有的是对纸页进行揉皱，有的仅仅只是用手指划一下纸页表面，当然还会有其他完全不同的测试方法。所有的测试方法中，纸页都会产生振动和不同的力阻碍其变形，这些变形和不同的力取决于样品的真实柔软度、表面平滑度/粗糙度和挺度。

在人手特别是在指尖部位存在两类重要的传感器。一类是Vater-Pacini-Bodies，负责接收快速的过程，如振动。另一类是Merkel-Bodies，负责接收缓慢变化的力。在接受这些不同的信号后，通过我们的神经传输到大脑中，然后会自动组成“柔软性”，或更确切地说是手感的整体印象。这种整体印象中，手感是三个基本参数的组合，即柔软度（主要影响因素包括纤维的挺度和特性、打浆度、还有化学品等）、表面粗糙度/平滑度（影响因素包括起皱和压花工艺）和挺度（影响因素主要取决于纤维的特性，生产工艺和添加的化学品）。但由于不同人的指尖传感器有不同的灵敏度，而且感应受其他外界因素的影响，所以，每个人对这三个基本参数的感应侧重点也不尽相同，因此对质量的评价结果也就有差异。解决这个问题的有效方案就是使用一种客观的测试仪器，规定统一的测试方法。目前生活用纸行业的解决方案就是采用TSA纸巾柔软度测试仪。使用这个设备可以测量决定手感值的三个基本参数：真实柔软度、平滑度/粗糙度和挺度，通过测量结果可以计算出手感值HF。因此这个检测设备可以被看做是模拟人手的测试仪。

1.2 技术基础与工作原理

TSA的检测过程有两个步骤，共需约60s。样品被固定在样品架上，样品下方是一个噪音传感器，上方是有固定刀片的转子测试头。测量时，测试头下降到样品上，有固定刀片的转子以预定的负载在样品上移动。第一步是噪音分析，通过噪音分析可以测试材料的平滑度/粗糙度和真实柔软度。

平滑度/粗糙度对于平滑度/粗糙度，我们测试由样品本身振动产生的声音，如图1所示。振动取决于样品剖面，类似于播放唱片的原理。样品的震动产生声音，噪音被样品下面的传感器记录，振动越大噪音越响。因此，噪音越大，纸页越粗糙。

真实柔软度对于真实柔软度，我们是测试由转子刀片振动产生的声音。当刀片在样品上移动时，单根纤维裸露出来，取决于纤维有多挺硬，单片收到或强或弱的振动。硬的纤维产生强的振动，软的纤维产生弱的振动。同样，刀片的振动产生噪音被样品下面的传感器记录。纤维越挺硬，振动越大，表示纸页越不柔软。如图2所示。

图1　　 平滑度/粗糙度测定检测原理

图2　　 真实柔软度原理

结果如图3所示（Y轴=声音，单位dB，X轴=频率，单位Hz）。同时可以在PC软件的数据文件中看到实际的数据。

图3　　 声音与振动频率的关系

挺度挺度的测试如图4所示。测试头下降到样品面，用一定的负载（100～600mN）下压，这样可以测量样品的弹性，从而得到样品的挺度。

图4　　 挺度的测试

1.3 测试结果和结论

两个步骤的测试结果决定生活用纸手感的三个基本参数：粗糙度/平滑度、真实柔软度和挺度。

TSA不仅能测试三个基本参数，也可以计算出手感值，就像人得到的触感一样。更重要的是TSA不仅能计算出手感值，还可以得到适合客户特定的评测小组的数学模型，这个非常重要，因为不同地区的消费者对好的品质期望值是不同的。他们的不同要求决定了三个参数之间的侧重不同。并且还可以实现不同人的特殊需求采用不同手感值的计算方法，不同的产品也可用不同的计算方法，不同的算法应用于不同的产品，如卫生纸、手帕纸等。

三个真实参数的配合使用和手感值的计算结果使其指导生产成为可能。以上的检测结果可以应用于工艺研究、产品生产和后续加工等环节。以下是TSA应用于不同领域的实例：

研发（纸浆供应商、生活用纸生产商）。可应用于目标产品的研发。例如通过改进原料的配比达到提高质量的目的。

产品生产过程工艺优化。在实际生产中发现，检测仪器对于工艺优化和解决问题是非常有用的。首先一个例子就是柔软剂可用于改善成品纸的手感，通过添加柔软剂可以达到改善和提高手感的目的，但我们需要找出添加柔软剂的量是多少，临界点在哪里，这非常重要，因为这样可以在保证质量的基础上大大降低生产成本。另一个例子是根据测试结果来设定纸机的运行参数，从而改进产品质量。这样整个过程中化学品和化学品量的变化以及纸机运行参数的变化都可以通过TSA的检测结果来完成。

在加工阶段，通过测量数据可以优化用于改善成品纸质量的乳液用量，不同压花工艺参数的影响也可以通过TSA的测试结果表现出来。

2　 CAS颗粒电荷分析仪和FPA纤维电位分析仪

虽然TSA测量仪器是可以很好的用来发现问题，但如果发生不同类型的改变，如化学品的变化、纸机参数的变化或者加工工艺的变化，TSA是不能给出其他任何信息的，如化学品是否起作用等。因此，要达到过程优化的目的，有必要在湿部监测过程同时使用下面两种检测仪器：CAS颗粒电荷分析仪和FPA纤维电位分析仪。CAS用于测定浆料中的颗粒电荷，FPA用于测定纤维的ZETA电位。这两个测试仪器对湿部工艺优化控制非常重要。

生活用纸生产的基本原材料是纸浆，纸浆浆料包括纤维、填料、细小纤维和阴离子垃圾等等。生产中添加化学品是为了影响纤维的性能进而影响原纸和成品纸的质量，同时也是确保稳定的工艺系统，纤维的表面会与阴离子垃圾发生相互作用。要确保整个生产系统稳定，就需要知道这些化学品、纤维和阴离子垃圾是如何相互作用的。

下面我们讨论湿部三个不同的可能性以阐述采用CAS和FPA的重要性。

2.1 未做电荷测试

既没有做颗粒电荷测试也没有纤维表面电荷测试的情况下，生活用纸生产商就没有浆料特性的数据信息。此外，通常生活用纸生产商在添加柔软剂或湿强剂等化学助剂之前添加阴离子垃圾捕捉剂（阴离子垃圾捕捉剂是用于在添加其他化学品之前中和浆料中阴离子垃圾的化学助剂，添加后可以确保柔软剂或WSA或者其他化学助剂能够附着在纤维表面上而不会与阴离子垃圾发生作用），可能未完全发挥作用，这会导致产品质量出现问题，而且解决这类问题也很难及时找到正确的办法，或者需要做一系列的检测和花费大量时间去找到问题的所在，因为这些问题的产生不一定都来自湿部。

总而言之，不做电荷测试的不利后果有以下几个方面：（1）可能会产生较大量的问题产品。

（2）由于错误的结论，很可能会导致化学品的过量添加，这样也会增加废水处理的难度等问题。

2.2 使用CAS检测

生产过程中，在添加其他化学品之前添加了阴离子垃圾捕捉剂，检测了浆料颗粒电荷，但是没有测量纤维表面电荷。这会导致第一种情况中提到的类似问题的发生。根据CAS提供的纸浆中阴离子垃圾颗粒的电荷信息，如果使用阴离子垃圾捕捉剂，如同举例中描述的一样，由CAS测量结果计算得出的浆料中阳离子需求会下降。通过CAS测试后，可以很清楚地得出阴离子垃圾捕捉剂是否产生了作用。这时其他化学品如柔软剂、WSA都可以加入，不会再中和阴离子垃圾。但事实上这并不意味着这些化学品会自动与纤维表面相互作用，这个实际情况不能通过CAS的测试来得到证实，所以是否发生作用了还是不明确，类似的问题如同第一种情况那样还是存在的。

2.3 CAS和FPA同时检测

浆料中添加阴离子垃圾捕捉剂，这时方案优化和工艺稳定通过有效的过程控制是可以实现的。这种情况下，之前说的那两种情况就可以避免，原因是生活用纸生产商通过电荷测试，知道颗粒电荷的数据信息，了解阴离子垃圾捕捉剂是否已经中和了阴离子垃圾，并且通过纤维电荷测试，知道了柔软剂或WSA等化学品与纤维之间是否发生了相互作用等。

CAS是测量浆料中的颗粒电荷和确定阳离子的需求来中和阴离子垃圾。由此可知，用于中和浆料中阴离子垃圾的阴离子垃圾捕捉剂用量是可以确定的。根据试验，阳离子需求（阴离子垃圾）在添加阴离子垃圾捕捉剂后会降低90%左右，之后再增加更多的化学品后，阳离子需求就会慢慢接近于零。

FPA测试纤维表面电荷，或者说“纤维上还有多少空间”可供柔软剂或WSA等化学品与之作用。这个结论可以告诉我们每种化学品合适的添加量，这时纤维表面电荷不应该受阴离子垃圾捕捉剂的影响，在每种化学品添加后应该越来越接近于零。

有了这两种仪器测试的结果，前面列举的两个例子中出现的所有问题都可以得到解决，大大减少原材料的浪费，节约成本。有了这些信息，湿部工艺的优化就能很快得以实现，出现的问题也会迅速解决，从而避免了来自湿部的系列问题。

通过以上测试，生活用纸生产商能够正确判断问题是否来自于湿部，如果问题来自于湿部，可以做出相应调整，如果问题不是来自于湿部，则需考虑生产的其他环节。这样，化学品的过量添加和因此而产生的成本增加问题都可以避免。处理废水的化学品用量也会降低，添加的柔软剂或WSA等化学品也会尽可能多的附着在纤维上，而不是随白水进入废水当中。

3　 总结

通过使用这三个测试仪器TSA、CAS和FPA，生活用纸的生产过程可以得到有效控制，工艺可以优化到最佳状态。如果使用TSA进行相关测试来控制产品质量，那么出现的问题可以得到有效解决。

通过TSA测试可以比较清楚地判断质量问题的来源。如果粗糙度/平滑度出现问题，原因可能来自于纸机运行参数的设置，也可能来自于起皱刮刀或压花。如果真实柔软度或挺度出现质量问题，很可能是生产过程中的湿部出现了问题，湿部添加的化学品，对纤维柔软度的影响比较大。如果是湿部出现问题，CAS和FPA可以帮助我们来判断和对工艺条件进行优化，确定合适的化学品添加量，以确保生产过程的稳定和保障产品质量。

通过这三款测试仪器的配合使用，可以实现最优化的生产工艺，有助于节省原料和节约成本，实现预期的质量效果。

（李智斌整理）

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