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    以纸代塑:纸质吸管用纸开发中关键因素的分析与控制

    阅读次数:     发布时间:2021-06-30 11:28:02

    作者:陈国平先生( 镇江大东纸业有限公司,高级工程师,总经理特别助理;任技术部经理时负责公司产品开发和技术工作,现负责公司生产协调工作)

     
           随着塑料吸管的禁用,市场推出了纸质吸管作为其替代产品,纸质吸管制作加工过程为:将所购原纸先进行分切,一般将600mm规格卷筒纸分切成14.5~15mm纸条卷筒,加工好的纸条卷筒经涂黏合胶水后由制管机螺旋绕制成吸管。纸质吸管采用三层结构,分别采用定量为60g/m2的纸作为面纸,定量为120g/m2的纸作为芯纸和底纸,其中芯纸在加工时两面涂覆黏合胶水用来黏合面纸、底纸。


           在纸质吸管加工过程中,其纸张要求具有一定的挺度和干、湿强度,以适应制管机加工纸质吸管的要求;要有合适的平滑度以满足分切机将卷筒纸张分切成纸条的能力;在具有抗液体渗透性能的同时纸面要具有一定吸收黏合胶水的能力,即要有一定的干燥速率,纸张表面对黏合胶水的干燥速率影响纸质吸管加工过程的效率和成品率。纸质吸管用纸纸面对黏合胶水干燥速率往往成为衡量该产品质量优劣的重要性能。为开发生产出120g/m2纸质吸管用纸,根据该产品的用途和性能要求进行了相关分析,确认了开发关键因素并对此进行了控制,成功开发了符合客户要求的产品,使该产品得以推广应用。

           1  关键因素的分析确认

           纸质吸管用纸对黏合胶水的干燥速率是纸张对黏合胶水扩散、渗透快慢和吸收量大小综合行为的结果,作为由植物纤维组成的纸张,纤维本身具有亲液性,同时纸张结构是一多孔性的体系,纤维与纤维之间存在一定孔隙,具有毛细管作用。纸张本身是能够满足对黏合胶水(在此将黏合胶水作为广义的液体)干燥速率要求的。但该纸张作为吸管用纸要和各类饮料液体接触,又要阻止饮料液体的扩散、渗透和吸收,需对纸张进行施胶处理使纸张具有抗液性。也就是说120g/m2纸质吸管用纸既要能够满足抗液体渗透性,同时也要能够具有一定的黏合胶水干燥速率,二者要求之间有矛盾性。如何在开发生产过程中处理好二者之间的平衡,能够保证同时满足二者要求,与该产品所要求的挺度、干湿强度、平滑度相比较,在开发生产时较难处理和控制,故应成为该产品能否开发成功的关键因素。

           2  确立评价方法和标准

           如何建立产品的评价体系、选择好评价方法和标准,往往是成功开发产品的关键之一。

           纸质吸管用纸上述关键因素与纸张施胶度和纸张本身的结构(主要是孔隙率)有关,故需检测纸张的施胶度和纸张的孔隙率。根据现有条件,纸张的孔隙率用透气度间接表示,采用肖伯尔式透气度仪进行检测。而检测纸张施胶度的方法有多种,在产品设计之初选择了采用渗透法施胶度和卡伯值作为该产品的施胶度评价方法,通过渗透法施胶度和卡伯值来综合评估该产品抗拒液体渗透能力和对黏合胶水的渗透吸收能力。

           渗透法施胶度和卡伯值选择多少作为控制标准,能够满足该产品要求,以及透气度控制标准多少为宜,同时验证透气度与渗透法施胶度、卡伯值是否有相互关联性,为此在开发试抄过程中一一做了探索。在开发之初由于缺乏客户纸样的来样检测分析,依据产品的用途和要求在现有产品中选择相近产品作为开发蓝本,通过购买快餐店市售咖啡进行纸张抗液体渗透形式试验,确认以现有的120g/m2白牛皮纸为基础进行开发,拟定试抄工艺和标准。经过四次试生产对透气度和施胶度的数据进行了分析总结,其相关数据如表1所示。

           结合四次试生产产品的试用效果,客户反馈第四次试验产品效果最好,能够完全满足要求,第三次试验产品也能够使用。为此确认了后继批量生产控制标准:渗透法施胶度控制在80~130s,Cobb值(60s)控制在20~25g/m2,透气度控制在大于350mL/min。同时也验证了透气度与渗透法施胶度有相互关联性,呈负关联性,可通过透气度调整渗透法施胶度,来提高纸张对黏合胶水的干燥速率,而透气度与卡伯值相互关联性没有显现,可用来控制纸张对液体的抗渗性。

           3  工艺和生产控制

    表1 试生产的相关数据
     
    试抄顺序 第一次 第二次 第三次 第四次
    定量/(g/㎡) 121.2 123.6 123 122.2
    厚度/um 175 170 169 168
    渗透法施胶度/s 168 145 128 84
    Cobb值(60s)/(g/㎡) 20.8 22.9 20.1 21.3
    透气度/(ml/min) 192 285 350 490
     
     
           针对确认的关键因素,如何稳定地达到施胶度和透气度标准,在工艺和生产上进行了控制。首先在工艺上进行保证,在纤维配比上增加长纤浆比例,由原30%增加至45%。在保证纸张强度和挺度的前提下尽可能降低打浆度,特别是短纤浆的打浆度,将短纤浆的打浆度由原30~32°SR降低至25~27°SR。对打浆浓度也给予控制,其打浆浓度控制在3.4%~3.6%。并严格控制干损纸浆的用量和打浆度,实践证明干损纸浆的用量对纸张透气度影响较大,故将干损纸浆的用量由原对原生浆30%的比例降为10%。另对施胶剂用量进行控制,施胶剂用量对纸张的施胶度起决定作用,在渗透法施胶度和卡伯值中,选择卡伯值作为施胶剂用量控制标准,在卡伯值标准范围内,尽可能减少施胶剂加入量。由于该产品要具有一定湿强度,生产中需加入湿强剂。湿强剂一方面增加纸张的湿强度,另一方面对纸张施胶度有影响,在使用范围内随湿强剂用量的增加,纸张抗液体渗透性加强,对湿强剂用量须平衡控制。在满足湿强度和卡伯值的前提下须减少用量。

           在生产操作上控制和调整,对纸机的上网浓度控制调整,由原0.8%左右的浓度调整为0.6%左右。在网部传动负荷允许的条件下增加了网部真空吸水箱的真空度。对施胶剂和湿强剂的使用浓度进行控制调整,提升计量泵的控制精度,施胶剂由原液使用改为稀释一倍使用,湿强剂在原稀释浓度上再稀释一倍进行使用。对表面施胶浓度进行调整,将表面施胶浓度由12%调整为8%。

           4  结束语

           在产品开发生产过程中根据产品的用途和要求,要能够分析出影响产品使用的关键因素,抓住重点,要选择对产品使用有重大影响和生产上较难控制的性能要求作为关键因素,在此基础上确定检测方法和制订合理的控制标准,并通过工艺和生产加以有效控制,往往是产品能否开发成功的关键所在。