小尺寸紙樣勻度測試方法研究

劉谷紅 陳奇峰,2 陳廣學,* 樊慧明 王 命

(1.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州,510640；2.齊魯工業大學制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室，山東濟南，250353)

·紙樣勻度測試·

小尺寸紙樣勻度測試方法研究

劉谷紅1陳奇峰1,2陳廣學1,*樊慧明1王 命1

(1.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州,510640；2.齊魯工業大學制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室，山東濟南，250353)

為了解決標準勻度測試方法對試樣尺寸的限制，在現有光透射勻度測試儀器的基礎上，進行簡單的改進，得到一種基于疊加法的勻度測試方法。兩種紙樣在4種尺寸條件下、并結合背景紙樣，用新的測試方法進行勻度測試實驗，研究了試樣尺寸、紙張勻度對測試結果的影響，分析了新方法的可行性。結果表明，新方法能一定程度上代替標準測試方法的測試結果；新方法對本身勻度較差的測試紙樣更加適用；改變背景紙樣，新方法所測得的紙樣勻度指數總體變化趨勢基本一致，證明了其普適性。

勻度；測試；疊加法；紙張

紙張的勻度表示紙張中各組分的分布均一性，是衡量紙張質量的一個重要參數。紙張勻度嚴格的定義為：紙張在微觀尺寸上定量的分布變化[1-2]。紙張的主要結構是纖維交織而成的三維網絡，而在紙張纖維網絡成形的過程中，纖維間會不可避免地進行絮聚，而纖維的絮聚將直接導致勻度的下降。勻度是紙張綜合性能的體現，其與紙張強度性能、光學性能、印刷性能緊密相關[3-4]。隨著紙張的用途越來越廣泛，對紙張的質量要求也越來越嚴，而眾多研究表明，紙張勻度的提高，能一定程度地提高紙張強度性能、光學性能和印刷性能[5- 6]。因此，關于紙張勻度的一系列問題一直都是行業中的熱點話題。

紙張勻度的表征經歷了從目測、到用光學儀器、再到用β射線不斷改進的檢測方法[7]。目測法也能一定程度地評價紙張勻度情況，但是其對觀測者的經驗要求較高，且不能用數字來量化表達，只能感觀比較，不適應于科學研究。用光學儀器來表征紙張勻度情況，使得對于紙張勻度進行研究成為可能。用光學儀器主要是利用透過紙張的光通量變化來定量間接表征紙張勻度的變化，簡單快捷，是現用的主要勻度測試儀器。β射線透射式紙頁勻度儀是一種優良的勻度測量和分析儀器，但因為價格昂貴，放射源需要經常更換，維護費用高,中小用戶很難接受，其使用范圍受限[8]?，F在廣泛使用的光透射式勻度測試儀，其原理均是得到關于定量變化率與光透射變化率之間的比例關系。

本研究主要是對光學測試勻度方法中所使用的光透射勻度測試儀的測試方法進行改進。光透射勻度測試儀的測試原理是基于K-M理論[9-11]，得到光透射變化率與紙張定量變化率之間的關系，通過電腦處理后表示成各種勻度指數[12]。一般情況下，光透射勻度測試儀對試樣尺寸均有要求，本實驗使用的德國塵埃勻度儀要求紙樣測試尺寸為120 mm×120 mm，但在測試更小尺寸紙樣的勻度時，這種測試方法就存在尺寸受限問題。在單獨評價全張紙樣勻度時，用小尺寸紙張的勻度來表征大尺寸紙張勻度是可行的，但用大尺寸紙張勻度來表征小尺寸紙張勻度會存在誤差，因為對于勻度較差的紙張而言，從同一張紙張上取出的試樣的勻度值之間存在明顯差異。因此，如何在現有的儀器基礎上，進行簡單的改進，使勻度測試中試樣的尺寸限制解除，并能準確地表征所測試樣的勻度值，顯得非常的重要。YINGLIN CHEN[13]提出一種對K-M理論的不連續應用，把紙層理論上分解成N層自由表面疊加而成，對之進行光透射測試。本研究的目標就是利用疊加原理，對傳統勻度測試方法進行改進，得到一種勻度測試的新方法，此方法主要解決勻度測試中對試樣尺寸的限制。

1 測試原理

勻度測試原理如圖1所示。圖1(a)是現行的光透射式勻度測試儀的測試原理圖，基于K-M理論，根據透射光的變化，轉換得到單位面積紙張定量的變化，即勻度指數F，如式(1)所示，紙樣上某處的光通量越大，定量越小。

(1)

式中,F為勻度指數值，T為光的透過率，W為質量，C為每種紙張對應的常數。

圖1 測試原理圖

圖1(b)是小尺寸紙樣勻度測試方法的測試原理圖。通過把小尺寸紙樣疊加在標準尺寸試樣上，在這里，標準紙樣即為背景紙樣，且背景紙樣上有位置標識，小尺寸紙的系列試樣，均通過同一背景紙樣，同一標志位置處疊加測試。

在保證測試面積不變的情況下，由于小尺寸紙樣的疊加，引起背景紙樣透射光的變化，從而表現為測試結果中勻度指數的變化，此變化能表征小尺寸紙樣的勻度情況。

新方法中透射光接收器所接收到的光是背景紙樣和小尺寸紙樣疊加后的透射光，經過系統的數據處理，得到的F′值作為背景紙樣和小尺寸紙樣疊加后的勻度指數。一系列小尺寸紙樣在采用相同的背景紙樣使用，同一儀器測試時，所得到的一系列勻度指數的波動即可體現小尺寸紙樣的勻度情況，這一點在紙張勻度研究中有非常重大的意義。根據式(2)可以算出3次平行測試結果的相對波動。

(2)

2 實 驗

2.1 實驗材料

測試紙樣A(未涂布的原紙，勻度指數76.2，定量65 g/m2，廣東某紙業有限公司)，測試紙樣B(未涂布的原紙，勻度指數95.7，定量65 g/m2，廣東某紙業有限公司)，背景紙樣1(勻度指數64.5，定量85 g/m2，廣東某紙業有限公司)，背景紙樣2(勻度指數101.5，定量85 g/m2，廣東某紙業有限公司)。

2.2 實驗儀器

塵埃勻度儀(型號：2D LAB F/SENSOR，德國)，定量取樣器(CB-D100)，可調距切紙刀(CB-Q300)。

2.3 實驗方法

在勻度儀的測試口處固定一張帶有定位標識的背景紙樣，待測試試樣依據背景上的標識進行放置，每個尺寸取24個樣，隨機變換試樣擺放位置，測試其勻度指數值。

2.4 實驗步驟

(1)所有紙樣在恒溫恒濕(23±1℃，50±2%RH)下處理24 h，在背景紙樣中心區域標出一面積為100 cm2的圓，并在勻度測試儀的測試口處固定背景紙樣。

(2)把紙樣A、紙樣B均截切出24個尺寸為210×220 mm的紙樣，分別記為S1A、S1B，結合背景紙樣，依次測量24個紙樣的疊合勻度指數。

(3)用標準取樣器，在S1A、S1B中心區域取出面積為100 cm2的圓形紙樣，分別記為S2A、S2B。

(4)根據背景紙樣上所標出的圓形標識，把面積為100 cm2的S2A、S2B24個圓形試樣依次放入，測試疊合勻度指數。

(5)用切紙刀把S2A、S2B圓形試樣均切成兩半，取其1/2，記為S3A、S3B，放入背景紙樣的標識內，依次放入測試疊合勻度指數。

(6)用抗張強度取樣器，在S3A、S3B上取寬度為15 mm的紙樣，記為S4A、S4B，根據背景紙樣上的標識，依次放入測試勻度指數值。如圖2所示為各尺寸取樣結果。

(7)記錄有效數據。

圖2 紙樣A和紙樣B的各尺寸試樣圖

3 結果與討論

3.1 試樣尺寸對測試結果的影響

圖3 各尺寸紙樣的勻度指數曲線

因為測試結果是疊加后的勻度指數，比較4個尺寸的疊合勻度指數的絕對值沒有意義。以S1為基準，按照試樣測試尺寸從大到小的順序對比勻度指數變化情況如圖3(a)。從圖3(a)可知，當紙樣A的尺寸由S1變成S2時，比較S1A與S2A曲線發現：第一，兩種尺寸紙樣的勻度指數值變化趨勢基本相同，說明新方法是準確的。第二，在局部區域有不同，說明用傳統測試方法下所得到的試樣勻度指數來評價小尺寸紙張的勻度指數存在一定的誤差。這兩點都能說明本方法具有一定的意義。當紙樣A的尺寸從S2到S3的過程中，試樣的勻度指數變化趨勢出現明顯的不同。當尺寸從S3到S4過程中，試樣勻度指數變化趨勢有一定程度的相似性，但局部有不同，且差距較大。這可以說明，隨著試樣尺寸的進一步減少，試樣間的勻度指數差異能更加明顯地表征出來，同時也說明了，標準方法中，用全張紙張勻度測試值來表征小尺寸試樣的勻度指數值的誤差之大。從圖3(b)可知，紙樣B尺寸在S1、S2兩種情況下，勻度指數值變化趨勢幾乎相同，也就是說這種情況下，用S1情況下所測勻度指數來表征所有勻度指數值誤差較小。當在S2、S3兩種尺寸下，紙樣B勻度指數變化趨勢出現大的變化，但此兩種尺寸下，勻度指數較大的點有一定的對應性。當在S3、S4兩種尺寸下，試樣勻度指數變化趨勢幾乎相同，這與圖3(a)中表現出來的現象不完全相同，因為紙樣B的勻度比紙樣A穩定，說明新方法對本身勻度較差的測試紙樣更加適用。張紙本身的勻度對試樣在各種尺寸下的測試結果是有影響的。也可以說明，對于勻度較差的紙張，用標準試樣的勻度指數值來表征各尺寸下試樣勻度存在較大誤差。

表1 試樣尺寸變化過程中勻度指數值變化情況

圖4 三次平行測試后，各尺寸紙樣的勻度指數曲線

圖5 S3A、S4A在兩種背景紙樣下的勻度指數曲線

3.2 新方法與標準方法測試結果比較

從圖3可以看出，以S1為基準，紙樣A和紙樣B在S2、S3、S4尺寸時，勻度指數變化情況基本與S1一致。這說明新方法與標準方法的統一。試樣尺寸變化過程中，勻度指數值變化情況如表1所示，紙樣A在S3、S4尺寸時，極差比S1尺寸下大，紙樣B各尺寸條件下，極差均小于S1尺寸。這可以由原始紙樣勻度穩定性來說明，因為紙樣B的勻度較紙樣A穩定。這說明越是勻度不穩定的紙張，在做勻度分析時，用標準測試方法的大尺寸紙樣勻度表征小尺寸紙樣勻度的誤差越大，新方法越有效果。

3.3 測試結果穩定性分析

考慮到測試紙樣的放置情況可能會影響新方法的應用，為了證明新方法的穩定性，變換擺放位置，重復實驗3次，測試結果如圖4所示。從圖4可知，紙樣A在尺寸為S1、S2、S3時，所測得的試樣勻度指數可重復性高，3次所測得勻度指數值基本一致。而在尺寸S4時，所測得試樣勻度指數可重復性有所降低。因為試樣與背景紙樣的疊加形式均會出現一定程度的變化，比如：紙樣在放置時反轉和正面反置現象，正是這些變化，引起了數據重復性的下降。也說明，對于新方法中，背景紙樣上的標識很重要，操作時對于試樣的擺放也很重要?？赏ㄟ^多次測試，取平均值來減少誤差。紙樣B在S1、S2、S3、S4，數據重復性均高于紙樣A，這與前面所述的紙樣A、B的勻度有關系。

3.4 背景紙樣對勻度指數的影響

為了證明新方法的普遍適用性，選取2種不同勻度的背景紙樣做對比實驗，紙樣A的勻度指數變化曲線如圖5所示。從圖5可知，相同試樣在不同背景紙樣下，測試所得勻度值是不同的，但試樣勻度指數總體變化趨勢基本相似。以此證明背景紙樣對于新方法的測量結果沒有本質上的影響。但是根據公式(2)，可得到紙樣A在4種尺寸條件下，勻度指數相對波動分別為：16.7%、17.6%、0.68%、0.6%，紙樣B分別為：1.7%、0.83%、0.54%、0.5%。數據的減小說明隨著測試紙樣尺寸的減小，各紙樣勻度指數曲線趨于穩定，即受背景紙樣的影響越來越大。所以新方法中應該選擇勻度好、透明度高的背景紙樣，比如照相原紙、薄膜等，才更加準確地反應出試樣的勻度情況，因為勻度更好的背景能夠減少實際操作過程中位置微少偏差所帶來的試樣勻度指數的誤差。

4 結 論

本研究通過對光透射勻度測試儀的測試方法進行簡單改進，兩種紙樣(A、B)在4種尺寸(由大到小為S1、S2、S3、S4)條件下以背景紙樣為依托，對任何尺寸的測試紙樣進行勻度測量，使其突破對試樣尺寸的限制，能準確表征非標準測試尺寸的小尺寸紙樣勻度。

(1)當測試尺寸由大變小時，各尺寸紙樣的勻度變化趨勢基本一致，說明了新方法與標準方法的統一，新方法能一定程度上代替標準方法；局部的不同說明新方法有利于提高勻度測量精度。

(2)新方法對本身勻度較差的紙樣更加適用。

(3)通過改變背景紙樣，測量在S3、S4小尺寸下的疊合勻度指數發現，相同紙樣在不同背景紙樣下，其勻度指數總體趨勢基本一致，證明新方法的普遍適用性。

(4)新方法中應該盡量選擇勻度好、透明度高的背景紙樣才更好反映出試樣的勻度情況。本研究提供一種測試小尺寸紙樣的新方法，促進關于紙張勻度性能的研究。

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(責任編輯：董鳳霞)

Method to Test the Formation of Paper in Small Dimension Sample

LIU Gu-hong1CHEN Qi-feng1,2CHEN Guang-xue1,*FAN Hui-ming1WANG Ming1

(1.StateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510640;2.KeyLabofPulpandPaperScience&TechnologyofMinistryofEducation,QiluUniversityofTechnology,Ji’nan,ShandongProvince, 250353)

(*E-mail: 457817836@qq.com)

In order to solve the limitation in dimension of test sample in traditional formation test, a new test method with simple improvement on the current formation test instrument, was proposed based on superposition rule. Comparing the traditional and new methods, the effects of sample dimension and paper formation of two paper sample with four dimensions on the test results were studied. The feasibility of the new method was analyzed. The results showed that the measured results of new method could replace that of traditional method in some degree, the new method applied to the paper sample with poor formation. Changing the background sample, the variation tendency of sample formation index were similar when using the new method.

formation; test; superposition; paper

劉谷紅女士,在讀碩士研究生；研究方向：智能包裝。

2016- 12-13(修改稿)

本課題得到制漿造紙工程國家重點實驗室資助的自主研究項目(項目編號2016C02)、華南理工大學中央高?；究蒲袠I務費項目(No.D2154620)、制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室開放基金資助(項目編號KF201502)。

TS727+.5

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.03.009

*通信作者：陳廣學,博士，教授，博士生導師；研究方向：印刷包裝新型功能性材料。