KemviewTM分析仪在生活用纸结构分析上的应用探讨

周弋艳 黄晓嵩 凯米拉（上海）管理有限公司

KemviewTM分析仪在生活用纸结构分析上的应用探讨

Tissue Structure Analysis by KemviewTMAnalyzer

周弋艳 黄晓嵩 凯米拉（上海）管理有限公司

介绍凯米拉公司的一种新型生活用纸结构分析测定仪。该分析仪器可以分析生活用纸皱纹的结构及其纸张表面的游离纤维端的数量。仪器测定的基本原理为：对测定样品不同角度拍照后的综合成像做图像分析，根据光学阴影的原理对皱纹结构和纤维端头数量做详细分析，并对不同类型的纸样的测定结果做比较，以便更好地说明仪器的测定结果和应用。

1 仪器介绍

1.1 背景

生活用纸与人们的日常生活息息相关，随着经济的发展和生活水平的提高，其消费量呈日渐增加的趋势。生活用纸与一般文化用纸的最大区别，就是其独特的起皱工艺[1]。湿纸幅粘贴在涂有贴缸剂并加热的扬克缸表面，在干燥后通过刮刀以一定的角度和扬克缸接触，把纸幅从扬克缸上刮下而起皱。通过起皱，纸幅能达到特定的性能，比如伸长率、松厚度提高，纸张更柔软，抗张性能更好等。生活用纸的皱纹结构是影响其性能的关键因素，因此对纸张皱纹结构的分析也显得至关重要。

目前生活用纸皱纹结构的实验室分析仪器非常少，分析手段主要依赖于高倍的数码相机拍照成像，然后用软件进行皱纹数量和频率等的分析。美国Media Cybernetics公司开发的Image-Pro Plus图像处理分析软件，可以用在生活用纸皱纹的分析上[2]。还有一些互联网免费图像分析软件也可以用来对纸张成像进行分析，如在Image J网站上的Image Analysis Software和StatSoft Inc.公司的分析软件Statistica 6.0[1]。

图1 生活用纸结构分析仪KemviewTM

1.2 仪器基本原理[3,4]

凯米拉最新的生活用纸结构分析仪器KemviewTM，其功能为分析生活用纸的皱纹结构和纸张表面的游离纤维数量。仪器的英文简称为SSAFFE，即Sheet Structure Analyze and Free Fiber End。图1为仪器的外观和软件操作界面。

仪器基本测定原理为：通过在测试样品周围不同高度和不同角度设置多盏LED灯，样品会在多角度光源下形成多重阴影。然后用高倍数码相机拍照成像，最后通过软件对成像进行分析，得出纸张皱纹结构和表面游离纤维端头的具体数据。

如图2为KemviewTM内部结构示意图（俯视）。中间为样品支架和样品，周围环绕8个光源。8个光源设置在待测纸样之上的两个不同高度，其中4盏光源在纸张结构分析成像中使用，另外4盏在纸张表面游离纤维端计数成像时使用。在拍照时，每次只亮一个光源。这样在不同角度光源下，纸张表面结构会有不同阴影。多次成像后的图像会重叠在一起进行数据分析。

KemviewTM对纸张表面的游离纤维端的测定有两种方法：平面法和折叠法。使用平面法测定时，将纸样平展铺在样品支架上，测定扬克缸面上的游离纤维端。而折叠法测定样品时，将纸样对折铺在样品支架上，轻轻在对折边缘压上透明玻璃片。折叠时同样是扬克缸面折在外面。图3是平面法测定游离纤维端的位置示意图，图4是折叠法测定游离纤维端的位置示意图。

图2 KemviewTM内部结构示意图（俯视）

图3 游离纤维端的测定示意图（平面法，侧视）

图4 游离纤维端的测定示意图（折叠法，侧视）

2 仪器的测定结果分析

2.1 皱纹结构分析[5]

KemviewTM纸张成像分析结果得到的数据非常多，但主要测定的参数包括：皱纹的单位数量、长度、宽度、起皱强度、标记强度（有压花、印花图案以及成形网、毛毯结构在纸张上留下的记号）和分布频率、纸张的针孔比率、表面粗糙度等。以上的几个参数能较好地评估出皱纹的结构和质量。以下是各个测定参数的具体介绍。

皱纹个数：在纸机方向（Machine Direction，MD）的单位长度（1mm）内皱纹个数。

皱纹个数分布偏差：计算皱纹个数/每1mm所得值的标准偏差。

皱纹偏离角度偏差：在纵向方向的皱纹偏离角度的标准偏差。皱纹如果与横向（Cross Direction，CD）方向完全平行，则偏离角度定为0°。

皱纹个数分布强度：皱纹个数分布的最大值，即总变异数的百分比值，单位为%。

表面粗糙度：在3D成像上像素的标准偏差，单位为mm。

针孔比例：纸张上针孔面积占整张纸面积的比例，单位为%。

下面对仪器结果中的成像做简单介绍：

KemviewTM能对测定纸张做一个经过梯度处理后的微观成像。图5是两种不同类型生活用纸的成像图片。左边的是卫生纸，低湿强高柔软度；右边的是擦拭纸，高湿强低柔软度。横坐标为纸机方向MD（Machine Direction），纵坐标为横向CD（Cross Direction）。图像上显示的是纸张表面的皱纹分布，皱纹与CD同向。

图5 生活用纸的梯度成像

很明显，不同类型的生活用纸，因为其需要的干强度、湿强度、柔软度等指标不同，其呈现的皱纹结构也是完全不同的。

仪器还会对皱纹成像做皱纹数量强度的分布图。此分布图能较直观地显示皱纹个数的比例分布，这个测定参数是评估起皱效果的重要指标之一。图6是两个不同质量等级的纸张的皱纹强度曲线分布图，横坐标是1mm内皱纹的个数，纵坐标是皱纹个数的强度分布，用总方差表示，即皱纹总变异数的百分比值，单位是%。

从图6看到：相对来说，高品质的纸品，其皱纹的数量和强度分布更集中。皱纹强度的最高值越高，同时曲线的分布越集中，表示纸张表面的皱纹越均匀，起皱效果越好。

图6 皱纹强度分布曲线图

2.2 游离纤维端分析

KemviewTM除了皱纹结构的分析之外，有一个很重要的测定指标，就是对纸张表面游离纤维端的计数。柔软度的提高是生活用纸追求的一个目标，尤其是对面巾纸来说。而纸张表面游离纤维端数量的多少，直接影响纸张的表面柔软度。游离纤维端越多，纸张越柔软。折叠法测定的过程中，将测定纸样折叠后对折叠边缘拍照成像。在纸张表面的纤维端伸出长度超过50μm，将被计数为游离纤维端并以红色标记。

图7是使用折叠法的两种不同纸样游离纤维端成像。很明显，高柔软度纸样的纤维端头较多。

图7 纸张表面游离纤维端成像图（折叠法）

3 几种不同纸样的测定结果对比分析

最后，将测定一些典型的纸样做图像和数据分析，以便读者能更好地理解KemviewTM的分析测定结果。

实验测定的纸样共计3种：盒装面巾纸、卫生纸和擦拭纸（擦手纸）。3类纸种的特性分别为：面巾纸，高湿强、高柔软度；卫生纸，低湿强、高柔软度；擦拭纸，高湿强、低柔软度。表1中最后一列值为纸张的柔软度值，测定的仪器为TSA（Tissue Softness Analyzer，e-M-tec）。列出柔软度值做对比，能够更好地对皱纹结构，尤其是游离纤维端数量做诠释。

在表1中，我们分成3类纸种来分析：

面巾纸对柔软度的要求非常高，#1纸的柔软度最高，对应的表面纤维端数量也是最高的，数量达到122。这个值越高，表示纸面的绒毛触感越好。在3种不同定位的面巾纸中，#1纸的皱纹个数分布强度最高，为1.11，这个值表明#1纸张皱纹的个数分布集中，有更好的柔软度。另外从皱纹分布偏差和皱纹角度偏差的值来看，#1纸样两者的值也比#2和#3的小，这也表明#1纸样皱纹的分布均匀性。

在卫生纸的对比中，其表面游离纤维端的数量均比面巾纸要低，最高值在25左右，对应的柔软度值在82。这是因为卫生纸对柔软度的需求没有面巾纸高。从皱纹结构分析数据上看，皱纹数量和面巾纸一样，在2.5mm-1到3.5mm-1之间。皱纹的强度分布要比面巾纸稍低。

最后是擦拭纸，对纸品的要求主要体现在吸水性和强韧度上，所以在皱纹数量和皱纹强度上都是3类纸品中最低的。其表面粗糙度也明显比面巾纸和卫生纸高，均值接近0.1mm。而针孔比例是最高的，均值在0.35%左右。

综上所述，对于柔软度值需求最高的面巾纸，游离纤维端数量显著提升是达到高品质的关键因素之一。皱纹个数和皱纹强度的提高，柔软度也会相应提升；卫生纸的皱纹数量和皱纹强度的值越高，对应的皱纹会越均匀，相应会提高柔软度值。压花会降低表面纤维端的数量，纸张的粗糙度会增大；对于擦拭纸来说，皱纹数量和皱纹强度会提升柔软度，同时表面粗糙度的增加和压花都能提高纸的擦拭、附着能力。

表1

4 结束语

（1）纸张皱纹结构分析仪，填补了生活用纸皱纹结构分析手段的空白。在对纸产品皱纹结构的分析中，能很好地指导纸机的运行和化学药品的添加，是提升运行效率和产品品质的有效手段。

（2）凯米拉公司的KemviewTM面世时间不长，有很多测定参数需要做更进一步的测试研究。相信经过更多不同种类的纸样测试研究对比之后，能对生活用纸产品品质的提升提供更多有意义的指导。

（摘编自《纸和造纸》，2016年6月）

[1]McConnell W. The Science of Creping[C]. Tissue World Americas, September 21-23, 2004: 1-6.

[2]Archer S, Furman G. Embedded sheet structures: impact on tissue properties[C]. Tissue World France, April 4-7, 2005: 2.

[3]Raunio J-P, Ritala R. Simulation of creping pattern in tissue paper[ J]. Nordic Pulp and Paper Research Journal, 2012, 27(2): 1.

[4]Campbell C, Huang X S. A New Tissue structure analyzer for detailed sheet evaluation[C]. Tissue World Shanghai, November 12-15, 2014: 2-8.

[5]Raunio Jukka-Pekka. Sheet structure analyzer and free fiber end analyzer Manual[M]. Kemira, 2014: 1-17.