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纸张测试前的调湿程序

发表时间:[ 2006年11月29日 ]
                                                    整理:艾德宪
    随着同业对纸张的品质及稳定性要求愈来愈高,他们往往会为自己添置简单的纸张测试设备,为纸张进行测试,以作内部参考,或与供应商提供的数据互相比较以作为收货标准。然而测试数据的准确性往往产生很多不必要的争拗或误会。事实上,数据上的偏差是必然存在的,除了源自于测试样品本身正常的数据波动外,样品的取样(Sampling)、测试前对样品的处理、使用仪器的类型、测试的技巧和方法都会影响测试的数据。问题只在于数据上的偏差是否在我们控制的范围内。故此针对纸张测试的国际标准如TAPPI(Technical  Association  of  the  Pulp  and  Paper  Industry)和ISO(International  Standards  Organization)都会把测试的程序,由怎样取样、处理、测试方法、仪器要求,以至报告形式都有清楚列明,务必令根据标准来测试的人员能得到可比较的测试数据。而对于纸张样品测试前的处理程序,住住为人所忽略。故藉此机会在这里和大家一起探讨其重要性。
    由于纸张是一种吸湿性(Hygroscopic)的物料,意即它会随着环境相对湿度(Relatively  Humidity  -R.H.)的变化吸收水分和释放水分。举例说,当我们把纸张由一个相对湿度较低的地方移到一个相对湿度较高的地方,由于新环境有较高的水气压(Vapour  Pressure),由空气中进入纸张的水气会较多释放,故纸张的含水量会增加,直至纸张的相对湿度提升到与环境相同,这时我们便会说纸张与环境已达至平衡状态(Equilibrium)。相反,当我们把纸张由一个相对湿度较高的地方移到一个相对湿度较低的地方,由于新环境有较低的水气压,纸张释放到空气中的水气会较吸收的多,此时纸张的水含量会减少,直至纸张的相对湿度与环境相同。由以上例子,我们可以了解到环境的相对湿度与纸张的水份含量(Moisture  Content)是息息相关的。而纸张水分含量亦同时影响纸张的各种特性,包括:
    (一)、纸张的机械特性(Mechanical  Properties),如抗张强度(Tensile  Strength)、刚挺度(Stiffness)等。
    (二)、纸张的结构特性(Structural  Properties),如纸重(Grammage)、平滑度(Smoothness)等。
    (三)、纸张的其他特性,如纸张的带电特性、尺寸的稳定性、吸收能力等。
    各种特性的改变难度胀裂强度(Burst)抗张强度(Tensile)撕裂强度(Tear)耐折度(Fold)刚挺度(Stiffness)相对湿度%纸张相对湿度与纸张特性的关系假设现在我们分别在50%R.H.、23°C和10%R.H.、23°C两个不同的环境下,为同一迭纸张进行含水量测试,前者的含水量大约为纸重的6%,而后者则大约为2%。如果我们这迭纸张在50%R.H.、23°C的环境下是2000磅,根据以上含水量流失百分比计算整迭纸张的重量时,将发觉纸张重量会有80磅偏差之多。从这个例子,读者不难发现,如要取得准确的纸张数据,每次测试时,纸张样品含水量的稳定性是相当重要的。换言之,我们必须于测试前先把纸张样品通过预先调湿(Preconditioning)和调湿(Conditioning)程序把水含量稳定下来,才为纸张进行测试。
    为了让大家测试时对环境控制有统一的依据,国际测试标准亦提供了对测试环境的要求。因为温度改变,会令相对湿度改变,举例说:测试环境的温度突然改变1°C,测试环境的相对湿度会随之改变约3%。故此要控制好环境的相对湿度,我们也要同时控制好环境的温度。所以从测试标准的要求中,我们会看到对于温度控制非常严格。                  
    再者,对于某类纸张如合成纸或经过胶处理的纸张,温度的影响住住比湿度的影响来得重要。
    相对湿度R.H.R.H容许差异温度容许差异预先调湿环境Preconditioning  
atmosphere10-35%无22-40°C;无调湿环境Conditioning  atmosphere50.0%±2%23°C±1°C;测试环境Testingat  mosphere50.0%±2%23°C±1°C。
    如我先前所说,测试时纸张的水分是否稳定是相当重要的,调湿程序正正是为了让纸张在测试前与环境达到平衡状态而设。但不同纸张成分及重量都有所不同,理所当然,所需的调湿时间一定会有分别。那么我们怎样厘定不同纸张所需的调湿时间,以确认纸张已经达到平衡状态呢?在这方面,最简单的做法莫过于参考国际测试标准提供的一些建议。至于标准里的调湿时间是怎样订出来?如果我们时常重复测试同一种纸张,我们又是否有方法订出更准确的调湿时间,以缩短测试流程的时间?至于较少人认识的「预先调湿」程序又是什么?他对测试的数据又有什么影响?对于这些疑问,将会于下期继续和大家探讨。
    纸张种类标准建议时间,一般常用磅数纸张一般调湿4小时已足够,轻磅纸板最少调湿4-8小时,重磅纸板或经特别抗水处理的纸张最少调湿16小时,以蜡处理过的纸类最少调湿72小时。
    前面我们已探讨过调湿(Conditioning)的主要目的,是要令每个纸张样本的水含量在测试前,都已到达稳定状态,令测试数据有更高的重复性。由于不同纸张的调湿时间有别,我们亦引用了测试标准中对纸张调湿所需时间的一些建议,给大家参考。
    细心的你可能发现,调湿时间的建议中,并未有详细界定市场上的所有纸张种类。所以当我们切实执行调湿程序时,可能对纸张的分类,以至所需的调湿时间产生疑问。而且建议中不同纸张的调湿时间往往以倍数增加,如果我们要定期为不同种类的纸张进行测试作为生产前的品质审定,岂不非常费时。如果我们能为自己常用的纸张订立准确的调湿时间,整个测试流程所需时间就能大大减少。
    事实上不同测试标准中,亦有提供一些指引给我们去界定不同纸张样本确实的调湿时间。较为简单的做法,我们可以在调湿的过程中,最少每隔一小时量度样本的重量一次(确实的时段可根据纸张样本的特性、重量及大小而调整),当量度重量的改变少于前一次量度重量的0.25%时,就代表调湿中的纸张样本基本上已到达稳定的平衡状态,可以进行其他各种测试。而另外一种方法在概念上与先前所提的没有两样,是以图表记录形式来找出更准确的调湿时间。轴为调湿时间的对数(Logarithm),而Y轴则为纸张样本的重量。当我们在调湿过程中记录所需时间及样本重量,并把资料绘成曲线,当曲线与X轴平均时(样本重量再没有改变),所需的时间就是属于该样本的调湿时间。样本重量A  B  C  log(调湿时间)纸张样本的调湿曲线在调湿前先记录样本的重量如纸张样本调湿前是低于50%R.H.,调湿过程会令到样本重量增加,直至到达与环境R.H.平衡的状态,此时样本的重量再不会随着调湿时间有明显的波动及改变(B点)根据调湿曲线与X轴的平均情况来决定该样本的调湿时间(C点)。
    当我们测试的数据是针对纸张的物理特性(如抗张强度、刚挺度等);或要求更准确的数据,用来和其他地方测试出来的数据作比较时,我们会发现单靠调湿程序并不足够。事实上纸张调湿前存放环境相对湿度的高低,也会直接影响到调湿后样本的水含量,以至测试出来结果的准确性。举例说:如果我们有两个相同的测试样本,分别来自相对湿度高于50%和低于50%的地方,当调湿完成后,纸张水含量的偏差可以高达1.6%至6%,从而令到物理特性测试数据的偏差高达5至25%之多。这种由纸张存放相对湿度历史所造成误差的现象,我们称为「Hysteresis」。由于我们不能完全排除这种现象的发生,亦不能准确地预计到由它所引致含水量波动的范围,以及测试结果的误差,所以我们必须采取一些步骤,将他的影响减至最少。
    纸张水含量%15Q  P  0050100B  C降低R.H.增加R.H.相对湿度(R.H.)%纸张的「Hysteresis」现象,当纸张由低于50%R.H.的存放地方,移到50%R.H.的地方进行调湿。纸张水含量会根据曲线C而改变,而最后的水含量为P当纸张由高于50%R.H.的存放地方,移到50%R.H.的地方进行调湿。纸张水含量会根据曲线B  而改变,而最后的水含量为Q,纸张调湿前水含量的历史(存放相对湿度),会令到调湿度纸张水含量存在着一个测不准性-Uncertainty和P之间的距离),造成测试数据上的误差,实验发现如果在纸张调湿前,先把纸张存放在一个相对湿度低于50%的地方一段时间,是有助于把样本水含量的波动控制在0.15%之内,所以我们称这一个处理程序为预先调湿(Preconditioning)。至于预先调湿的温度及湿度要求,大家可以参阅上期,而所需时间,一般为24小时。如我们要较准确的预先调湿时间,也可参考测试标准中对预先调湿的一些建议。纸张种类标准建议时间,纸张(单张)少于1小时,轻磅纸板1至2小时,重磅纸板或瓦通纸板5至10小时,纸板或瓦通纸板制成品12至16小时,经抗水处理的纸张或纸板不少于24小时。标准建议对纸张预先调湿所需时间,而在实际的纸张测试过程中,就三个阶段的环境控制,大家可能觉得非常困难。但事实上,除调湿过程可能会遇上一点少麻烦外,基本上一般家居设备都能应付得来,以下是一些环境控制的建议,大家不妨用以作为参考:
    1.预先调湿-由于对环境温度及相对湿度的要求比较宽松,我们只要运用空气调节装置,小心控制纸张存放环境便成。
    2.调湿-由于要求比较严格,而且存放时间较长,建议使用有恒温、恒湿的存放设备。
    3.测试环境-由于测试时间较短,我们只要适当地运用空气调节装置及抽湿设备,于测试时间内控制好环境的温度及湿度便成。
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