检测分析仪器

TSA柔软度测试仪及其在造纸流程优化中的应用

ALexander Grüner/胡云涛    上海林纸科学仪器有限公司

    生活用纸最关键性的特征参数就是柔软度和手感。传统的办法是用专家评估小组来人工测试这一质量参数。人工测试存在许多缺点，而Emtec TSA纸巾柔软度测试仪能够客观地测试分析，减少人为因素。目前国内外知名的生活用纸厂商大多数已采用此先进的的分析仪器和方法，包括生活用纸厂家、Metso等纸机设备供应商、化学品公司、研究机构和高校。这个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巾时整体的“手感”印象。TSA不仅仅是可以测定这些参数，更重要的是可以帮助调整像柔软剂等这样的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。因而具有可观的投资回报！

1、触感理论的概述

TSA柔软度测试仪是一台仿生设备，是模拟人手设计的。当消费者或者测试者拿到面巾纸或者卫生纸的时候，都会搓揉，他们在摸或者搓揉的时候，就会形成振动，在纸的表面也会产生剪切力和阻力，这些振动、剪切力和阻力合起来对抗纸的变形。这些变形和不同的力取决于纸巾样品的真实柔软度、表面平滑度/粗糙度和挺硬度。

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“柔软度”的印象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：

一是真实的柔软度。主要取决于每根纤维的挺度和特性，例如纤维不同的配比，打浆程度。也受柔软剂等化学品的影响。

二是平滑度/粗糙度。主要取决于起皱和压花工艺。

三是挺度。主要取决于纤维的特性，生产工艺和添加的化学品等。

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，因此对纸巾质量的评价结果也就有差异。解决这个问题的唯一方案就是使用一种客观的测试仪器，规定统一的测试方法。目前纸巾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/粗糙度和硬挺度，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。

2、技术基础与工作原理

TSA的检测过程有两个步骤，共需约60秒。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（100mN）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，测试由样品本身垂直振动产生的声音。振动取决于样品剖面。这有点像唱片，但是是相反的。样品的震动产生声音，就像上面解释的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，纸巾越粗糙。

图1 平滑度/粗糙度测试原理

    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。挺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，纸巾越不柔软。

图2 柔软度测试原理

    测试结果曲线如图3所示，Y轴=声音，单位dB，X轴=频率，单位Hz。第一个波峰表示平滑度/粗糙度，第二个波峰表示柔软度。第一个波峰越小，越平滑；第二个波峰越小，越柔软。如图，压花厕纸正面有花纹，所以波峰最大，粗糙度最大。反面次之，无压花纸的波峰最小。

图3 声音与振动频率的关系

     挺硬度   挺硬度的测试如下图所示，测试头下降到样品表面，测试完粗糙度和柔软度之后，继续加大压力至600mN，纸样发生形变，形变的大小决定挺度的大小，从而得到样品的挺硬度。

图4 挺度测试原理

    在TSA配套的PC软件的数据文件中可以看到各个参数实际的数据，也可以得到根据这些参数及定量、厚度、层数等数据计算得到的手感值HF。

    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纸巾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，如厕所用纸、手帕纸等。

3、TSA在造纸流程中优化的应用

从纸浆变成纸产品，中间包含非常多的流程，简单的流程示意图如图5。备料阶段的磨浆、配浆及化学品的添加都可以通过TSA来优化，节省时间、材料和费用。另外通过TSA的优化，刮刀的使用寿命也可以延长，降低刮刀更换频率。

图5 造纸过程流程图

3.1纸浆配比优化

不同的纸浆配比对卫生纸质量的影响是不一样的。图6是在美国进行的一次实验。从这个图可以看出纤维构成75%桉木浆/25%针叶木浆的柔软度8.2，最柔软；手感值90，在所有测试组中最高。使用了脱墨浆的测试组手感值最低。另外第二天再现性测试的曲线基本上与第一天的曲线重合，这说明TSA测试稳定。在试机前测试手抄片，可以快速的选择最优的浆料配比，获得满足要求的原纸或成品纸，节省时间、材料和费用。

图6 纸浆配比对手感值的影响

3.2磨浆优化

磨浆的目的是使纤维分丝帚化，增强纤维之间的结合力。但是磨浆的同时，纤维也会被切断，纤维变短。磨浆的程度也可以通过TSA来优化。通过图7的TSA测试曲线发现，磨浆越重，纸张越平滑，纤维越不柔软。因此，可以通过TSA确定合适的磨浆程度。

图7 磨浆对柔软度的影响

3.3柔软剂种类的优化

添加柔软剂，真实的柔软度会上升。但是不同的柔软剂对平滑度/粗糙度、柔软度和挺度这三个参数的影响是不一样的，人用手来感觉可能没有那么明显，通过TSA可以清楚的知道每个参数是怎样受到影响的，从而确定选择哪种柔软剂。

图8 柔软剂对三个参数的影响

3.4纸幅均一性优化

现在卫生纸机的幅宽都很宽，达6m左右，在横向方向上定量、挺度、起皱发生变化都会导致粗糙度和柔软度变化，最终影响纸幅横向手感。发生这种情况的原因可能是纸机的速度改变，但是流浆箱没有调整。流浆箱的设置是根据特定车速设定的，如果车速改变，就需要调整流浆箱，以确保纸幅横向各喷嘴分配到相同的纸浆。一般情况下，手感测试组成员也可能发现这个问题，但是时效性较差。而TSA能够很快的显示出数据，从而及时调整。

图9 流浆箱喷浆示意图

3.5刮刀优化

   刮刀尤其是钢制刮刀的使用寿命是有限的。一般来说，根据卫生原纸的质量要求，一个刮刀可以生产1~8个大轴纸，然后需要更换刀片，而更换刀片需要耗费2~3分钟，这期间是没有卫生纸生产出来的。使用以前的既不准确也不快的手感测试是可以的，因此为了运行安全根据设定的周期强行改变刀片的使用周期。采用准确和客观方法的TSA，刀片可以根据需求更换。通过确定一个周期的最佳刀片数量，每个刀片可以完成更多的纸轴而产品质量没有下降。

    例：年产量：45,000t；

每轴生产时间：大约30min；

刀片更换时间：大约3min。

优化前每个刀片周期的纸轴产量：4个/120min，12个刀片/天，换刀总时间36min/天。优化后每个刀片周期的纸轴产量：6个/180min，8个刀片/天，换刀总时间24min/天。

因此，刀片更换节省的时间：350天╳12min=4200min/年，可以生产：140个大轴╳4t=560t额外产量，相当于增加1.25%的产量。

通过节省刮刀降低费用：钢制刮刀价格为42.50欧元（宽5m），可以节省4个刮刀╳350天=1400个刮刀，相当于节省1400*42.5=59,500欧元。

图10 刮刀变化对手感值的影响

3.6助剂用量的优化

助剂的添加可以改变样品的柔软度，但是添加量太少，达不到添加主机的目的，添加太多的话，浪费材料，费用太高。TSA可以帮助选择最佳的助剂添加量。从11中看出，随着助剂用量的增加，柔软度逐渐变大，当用量超过1.5g/m²的时候，柔软度变化不大，因此助剂用量1.5-2 g/m²为最佳。

图11 助剂用量对柔软度的影响

使用TSA模型计算——面巾纸助剂应用案例。

例：双层面巾纸的年产量（30 g/m²）：10,000t；

    助剂用量（供应商建议）：约3g/m²（每面1.5g/m²）；

    助剂总用量：约1000t（定量的10%用量）；

    助剂价格：约2-5欧元/kg；

    助剂年费用：约200-500万欧元。

使用TSA优化后，助剂用量1.5-2 g/m²为最佳，因此，助剂的用量可以节省10%-50%，相当于费用可以节约20万-250万欧元/年。而仪器价格（根据配件）大约为6万欧元，人员工资为3万欧元/人年，投资回报从5个月降到2个周。

4、结论

    TSA的界面直观，测试稳定，精度高。通过对三个基本参数粗糙度/平滑度，真实柔软度和硬挺度的测定，能够高效的进行流程优化，节约时间、材料和费用。还可应用于产品开发、投诉管理等方面。三个参数的配合使用和手感值HF可以比较客观的测量纸的性能，代替人的不确定性。通过数学模型得出的HF结果很容易被各个评判小组接受，实现更好的质量控制。