Меню

1. Мягкость в сравнении с прочностью

Мягкость и прочность обычно рассматриваются как два наиболее важных потребительских свойства бумаги тиссью.  Мягкость должна быть максимальной, чтобы улучшить восприятие продукта потребителем, в то время как прочность должна быть на уровне, обеспечивающем адекватное функционирование продукта во время использования. К сожалению, существует хорошо известная обратная зависимость между мягкостью и прочностью, как показано на рисунке 1.  При увеличении мягкости прочность уменьшается, или, соответственно, при увеличении прочности мягкость уменьшается.

Поэтому основной целью разработки продукции тиссью является выход за рамки существующего соотношения прочности и мягкости для данного процесса (показано черной линией ниже) и получение улучшенной мягкости при меньшем снижении прочности, или, что еще лучше, без потери прочности (показано красной линией).

Рисунок 1. Обратная зависимость между мягкостью и прочность

(Перевод: softness - мягкость, strength - прочность)

2. Определение мягкости

Восприятие мягкости потребителем представляет собой сложное взаимодействие с продуктом, на которое влияют как физические, так и сенсорные свойства продукта тиссью. Лепорте, обобщивший исследования мягкости тканей в Институте целюллозно-бумажной химии, отметил, что «воспринимаемая мягкость представляется чрезвычайно сложной. Нейронные паттерны, участвующие в ощущении мягкости, могут быть связаны с нейронными паттернами, уже установленными в мозге, и, как таковые, относятся к области эстетики».  Во взаимодействии участвуют следующие органы чувств:

- Тактильные

- Визуальные

- Слуховые

- Обонятельные

Хотя в восприятии мягкости участвуют все вышеперечисленные органы чувств, основным определяющим фактором является тактильный. Человеческое чувство осязания начинается с рецепторов в коже, которые обеспечивают электрические сигналы, передающиеся в центральную нервную систему и в мозг. 

Удивительно, но в коже человеческой руки насчитывается около 17 000 механорецепторов.  Важно отметить, что тактильное восприятие зависит от движения руки над интересующим предметом, в данном случае листом тиссью.

Мягкость тиссью, по общему мнению, состоит из двух компонентов: объемной мягкости и поверхностной мягкости [2,3].  Восприятие объемной мягкости определяется по мягкому сминанию или складыванию тиссью и находится в обратной зависимости от жесткости при изгибе. Восприятие поверхностной мягкости определяется легким проведением кончиками пальцев по поверхности тиссью.  Оно связано с гладкостью, текстурой и однородностью поверхности тиссью и, следовательно, очень чувствительно к выступающим волокнам или неровностям на поверхности.  Сжимаемость поверхности также играет роль в мягкости поверхности.

Рисунок 2.  Оценка потребительской мягкости 

Перевод: 

Мягкость объёма (ощущается при лёгком сминании тиссью)

Мягкость поверхности (оценивается путём лёгкого проведения кончиками пальцев по поверхности тиссью)

Свойства листа, важные для мягкости, включают:

• Жесткость при изгибе 

• Прочность при растяжении 

• Гибкость

• Драпировка

• Толщина 

• Сжимаемость

Характеристики листа, важные для мягкости поверхности, включают:

• Текстура 

• Трение

• Однородность

• Cмазывающая способность; маслянистость

• Сжимаемость

3. Оценка мягкости

Производителям тиссью важно иметь средства для оценки или ранжирования мягкости своей и конкурирующей продукции, поскольку она является основным фактором, определяющим предпочтения потребителей при выборе продуктов. Наиболее распространенная методика оценки мягкости включает субъективные тестирования, проводимые на группе испытуемых, которые заключаются в присвоении произвольного значения рейтинга мягкости конкретному образцу ткани, обычно в сравнении с набором стандартов [4, 5].  Групповое тестирование может включать одиночные или множественные сравнения между образцами и стандартами. Значения рангов могут быть присвоены по произвольным шкалам, например 1-10 или 1-100.  В большинстве случаев для сравнения используется набор заранее определенных стандартов мягкости тиссью. В качестве альтернативы образцы можно ранжировать между собой без использования стандартов. Недостатком групповых тестов является то, что на них может чрезмерно влиять человеческий фактор и, кроме того, их проведение может быть длительным и дорогостоящим. Необходимо содержать группу обученных экспертов. 

В попытке сделать испытания на мягкость более простыми, быстрыми и объективными, инструментальные методы (как альтернатива групповым испытаниям) применяются в течение многих лет и продолжают разрабатываться.  Методы могут быть использованы для оценки мягкости основной массы и поверхности как отдельных компонентов. Затем эти отдельные результаты могут быть объединены в разработанный пользователем алгоритм для приблизительной оценки мягкости. Кроме того, некоторые инструментальные методы включают в себя оба компонента мягкости (объемную и поверхностную) в одно измерение.

Объемный компонент мягкости может быть количественно определен относительно простым способом с помощью одного или, предпочтительно, комбинации различных известных методов измерения жесткости, сопротивления изгибу и/или жесткости при изгибе. Жесткость при растяжении иллюстрируется ниже как наклон кривой «напряжение-деформация». Этот наклон называется модулем упругости. Модуль Юнга относится к начальному наклону кривой напряжения-деформации, в то время как секущий модуль - это наклон линии от начала координат до любой обозначенной точки на кривой напряжения-деформации. Производители определяют конечную точку, основываясь на собственной оценке того, что лучше всего коррелирует с воспринимаемой потребителем мягкостью сыпучих продуктов.

Рисунок 3.  Кривая напряжение-деформация

Перевод: по вертикали - нагрузка/давление, по горизонтали - удлинение/напряжение, модуль Юнга, секущий модуль

Мягкость поверхности труднее поддается количественной оценке, поскольку, как уже упоминалось, на ее восприятие влияет множество субъективных физиологических и сенсорных факторов.  Для описания ощущений от поверхности тиссью можно использовать две аналогии с типами текстильных тканей (см. рис. 4).  В первом случае увеличение количества свободных концов волокон, выступающих над поверхностью тиссью, может улучшить ощущение поверхности.  Такую поверхность принято называть фланелевой.  Во втором случае увеличение гладкости и/или смазки поверхности также может улучшить ощущение на руке. Такая поверхность называется шелковой.

Рисунок 4.  Микрофотографии (40x), демонстрирующие шелкоподобную (слева) и фланелеподобную (справа) текстуры

Профилометры, или инструменты типа щупа, используются для приближенного определения движения кончика человеческого пальца по поверхности ткани.  Одним из первых примеров является аппарат LENA, описанный Холлмарком и показанный на рисунке 5.

Рисунок 5. Измерение мягкости поверхности с помощью профилометра LENA.

Перевод: перо прибора, тиссью, выпирающий винт для настройки пера прибора

Трение поверхности можно измерить с помощью тестера коэффициента трения (COF), как показано на рисунке 6.

Рисунок 6.  Метод COF для измерения мягкости поверхности

Перевод: зажим, «сани», образец бумаги, шкив/блок, сила, платформа, датчик

Примерами приборов, которые объединяют измерения поверхностной и объемной мягкости в одно общее значение мягкости, являются Handle-O-Meter, система оценки Кавабата и Tissue Softness Analyzer  (анализатор мягкости тиссью) (TSA).  За последние пять лет TSA, поставляемый компанией Emtec Electronic GmbH, стал довольно широко использоваться в промышленности для оценки мягкости. Он обеспечивает индекс ощущения руки (HF), основанный на измерениях поверхностной и объемной мягкости, а также физических свойств тиссью, включая штангенциркуль, основной вес и количество слоев. Показатель поверхностной мягкости определяется путем анализа частотного спектра, который собирается при вращении и легком надавливании кругового набора из восьми лепестков на поверхность тиссью. Измерение объемной мягкости достигается путем вдавливания измерительной головки в поверхность тиссью для деформации образца с различными заданными усилиями, что позволяет рассчитать упругие, вязкоупругие и пластические деформации.

4. Факторы, влияющие на мягкость

Как показано на рисунке 7 ниже, на мягкость могут влиять десятки различных переменных в процессе изготовления тиссью. В этом разделе мы опишем некоторые из них.

Рисунок 7: На мягкость может влиять очень много факторов и операций в процессе производства бумаги

Перевод 

Операции: соотношение MD/CD, геометрия крепирования, характеристики класса, соотношение крепов, подготовка целлюлозы, уровень влажности при крепировании, формирование конфигурации, растяжение/креп, контроль ph, технология сушки, управление водными ресурсами, конвертитнг, обучение

Механические переменные: тип машины, напорный ящик, дизайн сетки, дизайн сукна, каландирование, геометрия ракеля, прессование, размол, сушка

Химические переменные: разрыхлители, смягчающее средство/лосьон (примочка), усилительные добавки, смягчители мокрой части, контроль заряда, формирование резервуара-накопителя, пеногасители, лосьоны, управление мокрой частью, контроль заряда, крепирование/расцепление/пакет модификаторов

Волокно: переработка/очистка от краски, древесина мягкой породы, древесина твердых пород, суспензия целлюлозы, ХТММ, сухие листы, грубость/шероховатость, управление мелкими частицами.

Отделка волокнами - выбор используемых волокон, в основном первичного сухого листа, первичной суспензии целлюлозы или переработанной массы, может оказать огромное влияние на ощущение поверхности и мягкость. Для первичной целлюлозы очень важно соотношение лиственных и хвойных пород древесины, учитывая различия, которые вносят короткие волокна лиственных пород и более длинные волокна хвойных пород. Для салфеток для ванной комнаты или салфеток для лица производители, как правило, используют больше древесины лиственных пород и меньше древесины хвойных пород, чтобы получить как объемную мягкость, так и мягкость поверхности. С другой стороны, для бумажных полотенец используется больше волокон хвойных пород, чтобы придать листу прочность и впитываемость.

Ключевой характеристикой различных сортов древесины и целлюлозы является количество волокон на грамм. Например, эвкалипт, который широко используется для производства тиссью, имеет около 20 миллионов волокон на грамм. Большее количество волокон на грамм необходимо для более равномерного ощущения поверхности.  Южные смешанные лиственные породы из США имеют около 4 миллионов волокон на грамм, а северные смешанные лиственные породы - около 8 миллионов. Типичная древесина хвойных пород, таких как сосна или ель, имеет 2 миллиона волокон на грамм.

Стратификация/слоистость

В наши дни двухслойные напорные ящики являются довольно стандартными в производстве тиссью, хотя используются и трехслойные. Стратегия заключается в том, чтобы поместить твердую древесину снаружи, что придаёт мягкость и улучшает ощущение на ощупь. А мягкая древесина кладется на внутреннюю сторону для прочности. В зависимости от того, сколько слоев используется в готовом продукте, производители могут расположить лист таким образом, чтобы самая мягкая поверхность находилась снаружи, обеспечивая комфорт для пользователя.

Отлив

Как и для многих других сортов бумаги, отлив чрезвычайно важен для листов с низкой основной массой, таких как салфетки, как с точки зрения прочности, так и с точки зрения мягкости. На отлив оказывает большое влияние выбор состава волокон/мелочи, что, в свою очередь, влияет на количество волокон на грамм. Поскольку между прочностью и мягкостью существует обратная зависимость, вы хотите максимизировать прочность, которую можно получить при хорошем отливе листа, в соответствии с теорией «слабых связей». Кроме того, что касается мягкости, чем более однородный или хорошо сформированный лист вы представляете шаберу, тем равномернее будет крепирование и, следовательно, тем равномернее будет мягкость. Таким образом, отлив играет очень важную роль на протяжении всего процесса и в готовом продукте.

Процесс производства

Несмотря на то, что традиционная конфигурация машины или крещен формер является наиболее распространенным типом машин, производящих тиссью, существует множество технологий, позволяющих создавать гораздо более высокоструктурированные листы. Среди них хорошо известный процесс TAD, а также более новые варианты, такие как NTTTM, ATMOSTM, e-TADTM и f-TAD TM. В TAD, как и во всех высокоструктурированных листах, цель состоит в том, чтобы предотвратить уплотнение, что улучшает мягкость материала.

Прессование

Аналогичным образом, чтобы предотвратить уплотнение листа, вы также хотите свести к минимуму прессование, насколько это возможно. Для этого в большинстве обычных машин сегодня достаточно одного прижимного вала к цилиндру янки, а не двух прижимов. Однако если вы пытаетесь изготовить достаточно плотный лист, например, низкокачественную тиссью класса Away-from-Home (AfH), при очень высокой скорости производства, то, возможно, вам потребуется два пресса, а не один. В последнее десятилетие очень популярными стали башмачные прессы, так как благодаря более широкой зоне прессования удается избежать высокого пикового давления. В процессе TAD мокрое прессование, как правило, вообще не производится.

Каландрирование 

Некоторые машины и производители также используют каландрирование с помощью каландра, расположенного после крепирования и перед рифлением. Это делается для того, чтобы добиться более равномерной поверхности.

Крепирование 

Крепирование определяет тиссью. Поэтому все виды тиссью подвергаются крепированию, за исключением UCTADTM (UnCreped TAD) от Kimberly-Clark. Процесс крепирования уменьшает плотность и увеличивает объем полотна, разрушая большую часть связей между волокнами и улучшая мягкость. Затем, в зависимости от структуры крепа, которую вы создаете с помощью покрытия и адгезии, вы можете получить тонкий или обычный креп, чтобы контролировать мягкость поверхности. Физика и геометрия шабера, конечно, также определяют это. 

5. Химическое размягчение тиссью

Как показано на рисунке 7, помимо таких факторов, как используемые волокна, механическая конфигурация бумагоделательной машины и ее компонентов, а также эксплуатационные переменные, еще одним возможным способом достижения желаемой мягкости является химический способ. Таким образом, когда требуется улучшение мягкости, но нецелесообразно вносить изменения в типы волокон, конфигурацию машины или ее работу, хорошим вариантом является химическое смягчение тиссью. Это часто простое и легкое решение для улучшения качества тиссью, особенно за счет повышения объемной и поверхностной мягкости. Кроме того, оно не требует больших капитальных затрат, кроме трубопроводов, насосов и, возможно, системы нанесения спрея.

Дебондеры/смягчители 

С точки зрения химии, между дебондером и смягчителем обычно есть лишь незначительные различия. Разница заключается в том, как эти химические вещества применяются для достижения желаемого смягчения полотна тиссью. По сути, разница в том, как они классифицируются, заключается в следующем:

• Дебондеры работают за счет вмешательства в водородные связи (H-связи) между волокнами (рис. 8). Это означает, что они увеличивают среднее расстояние между волокнами и уменьшают плотность листа. Действие дебондеров показано на рисунке 9.

• Смягчители, с другой стороны, работают за счет улучшения ощущения поверхности листа, не делая при этом ничего особенного для содействия масштабному дебондингу.

• Дебондер способствует потере сопротивления разрыву, в то время как смягчитель стремится добиться мягкости поверхности без значительного разрыва.

• Смягчители довольно часто добавляют, распыляя их на полотно, когда оно переносится войлоком перед цилиндром янки. Но иногда эти химические вещества используются на цилиндре янки, где они переносятся на полотно. Следует отметить, что нельзя наносить смягчающее средство на водной основе после скрепления полотна, поскольку добавление воды при скреплении приведет к потере большей части структуры, которую вы только что создали в полотне.

  
  

Рисунок 8: Схематическое изображение механизма действия катионного дебондера

Рисунок 9: Эффекты, возникающие при использовании дебондера 

Перевод 

Одинаковый вес 

• Малый объём 

• Высокая плотность

• Высокое сцепление/склеивание

• Не мягкий

• Большой объём

• Низкая плотность 

• Низкое сцепление

• Мягкий упругий

Типичные химические вещества, используемые для дебондинга и размягчения, включают следующие:

• Катионные поверхностно-активные вещества

  Четвертичные аммониевые соединения ("кваты"), содержащие одну или две жирные алкильные цепи: 

  - диалкилдиметилкваты

  - диалкилимидазолиновые кваты

  - диамидоаминовые кваты

  - сложные эфиры кваты

  - и т.д.

• Неионные поверхностно-активные вещества

• Амфотерные поверхностно-активные вещества

Как показано на рисунке 10, катионные смягчители характеризуются относительно сильной ионной связью с волокнами через положительно заряженную гидрофильную головную группу. Амфотерные ПАВ также могут функционировать подобным образом, в то время как неионные ПАВ могут адсорбироваться на поверхности волокон за счет более слабых взаимодействий, таких как силы Ван-дер-Ваальса и гидрофобные эффекты.  Все ПАВ характеризуются как имеющие как гидрофильную, так и гидрофобную части молекулы. Как показано на рисунке 10, гидрофобная часть смягчающего вещества направлена в сторону от поверхности волокна и обеспечивает смазывающий эффект при прикосновении.

Рисунок 10: Микро- и макросхема механизма катионного смягчения, которое обеспечивает смазывающий эффект на поверхности тиссью

Перевод

Поверхность тиссью

Прочно прикреплен к волокнам

Нанесение смягчителя или дебондера обычно осуществляется одним из трех способов. Их можно смешать с массой в мокрой части, распылить непосредственно на лист или на цилиндр янки, распылить на сухой лист в процессе конвертинга. На рисунке 11 показана схема всех возможных вариантов.

Как и в большинстве других видов деятельности в производстве тиссью, существуют компромиссы, которые необходимо учитывать при принятии решения о добавлении химикатов на мокром этапе или их распылении. Решение производителя тиссью в значительной степени зависит от конкретной ситуации, связанной с производственными и качественными требованиями.

Рисунок 11: Типичные точки нанесения смягчителя

Перевод

Смягчитель/Разрыхрытель/Дебондер добавляется к мокрой части, 0,5-5 кг на тонну

Распыляемый на лист смягчитель, 0,5-5 кг на тонну

Распыляемый на сухой лист жидкий лосьон, 0,5-5 кг на тонну

Добавление смягчителей и дебондеров в мокрой части машины (преимущества и недостатки)

Преимущества

• Улучшает объем и мягкость поверхности

• Максимальное отслоение

• Простота доставки

• Равномерное покрытие

• Увеличение объема 

• Улучшенная гибкости 

Недостатки

• Снижение растяжения 

• Взаимодействие с другими добавками 

• Медленная регулировка

• Медленные изменения бренда

• Образуется в бурной воде

• Уменьшенная впитываемость воды

• Влияет на покрытие янки цилиндра

Нанесение смягчителей методом распыления: преимущества и недостатки

Преимущества 

• Отличный контроль

• Экономически эффективный

• Минимальный эффект растяжения 

• Быстрый ответ

• Быстрые изменения бренда

• Может заменить продукты с плохими биологическими характеристиками 

Недостатки 

• Процесс должен быть хорошо организован

• Ограниченное объемное улучшение

• Требуется система распыления

• Увеличение водной нагрузки

• Потенциальные помехи с адгезией Yankee

• Возможное загрязнение бурной воды

• Увеличение образования пыли и ворса

Лосьоны

Добавление лосьонов на линии конвертинга получает все большее распространение, поскольку их можно распылять или печатать на листе. Таким образом достигается ряд преимуществ, включая устранение любых помех, связанных с добавками для мокрой части или с химией покрытия цилиндра янки. Эта процедура также позволяет очень гибко выбирать ингредиенты, а также делает возможным широкий спектр добавок. По сути вы можете добавить лосьон на лист, чтобы придать ему необходимую мягкость. Некоторые лосьоны также предназначены для нанесения на кожу успокаивающих и смягчающих добавок.

6. Вывод

Эта статья отредактирована Кириллом Кондратьевым, инженером-технологом компании "Эволюция комфорта". Кирилл курирует направление тиссью в создаваемом журнале ЦБП.    

Вы можете написать Кириллу, какие темы в области тиссью вам интересны, и мы о них напишем. Связаться с Кириллом можно по адресу 84991599935k@gmail.com и телеграмму.   

Также мы ищем редакторов направлений Целлюлоза, Лайнеры, Другие картоны (специальные виды картонов).    

Если бы вы хотели писать и редактировать статьи на технические темы, свяжитесь с Ириной Летягиной.