探討紙張測試前的調濕程序
發布時間：2024-07-02 點擊：105
隨著同業對紙張的品質及穩定性要求愈來愈高，他們往往會為自己添置簡單的紙張測試設備，為紙張進行測試，以作內部參考，或與供應商提供的數據互相比較以作 為收貨標準。然而測試數據的準確性往往產生很多不必要的爭拗或誤會。事實上，數據上的偏差是必然存在的，除了源自于測試樣品本身正常的數據波動外，樣品的 取樣(sampling)、測試前對樣品的處理、使用儀器的類型、測試的技巧和方法都會影響測試的數據。問題只在于數據上的偏差是否在我們控制的范圍內。 故此針對紙張測試的國際標準如tappi(technical association of the pulp and paper industry)和iso(international standards organization)都會把測試的程序，由怎樣取樣、處理、測試方法、儀器要求，以至報告形式都有清楚列明，務必令根據標準來測試的人員能得到可比 較的測試數據。而對于紙張樣品測試前的處理程序，住住為人所忽略。故藉此機會在這里和大家一起探討其重要性。
由于紙張是一種吸濕性(hygroscopic)的物料，意即它會隨著環境相對濕度(relatively humidity -r.h.)的變化吸收水分和釋放水分。舉例說，當我們把紙張由一個相對濕度較低的地方移到一個相對濕度較高的地方，由于新環境有較高的水氣壓 (vapour pressure)，由空氣中進入紙張的水氣會較多釋放，故紙張的含水量會增加，直至紙張的相對濕度提升到與環境相同，這時我們便會說紙張與環境已達至平 衡狀態(equilibrium)。相反，當我們把紙張由一個相對濕度較高的地方移到一個相對濕度較低的地方，由于新環境有較低的水氣壓，紙張釋放到空氣 中的水氣會較吸收的多，此時紙張的水含量會減少，直至紙張的相對濕度與環境相同。由以上例子，我們可以了解到環境的相對濕度與紙張的水份含量 (moisture content)是息息相關的。而紙張水分含量亦同時影響紙張的各種特性，包括：
(一)紙張的機械特性(mechanical properties)，如抗張強度(tensile strength)、剛挺度(stiffness)等。
(二)紙張的結構特性(structural properties)，如紙重(grammage)、平滑度(smoothness)等。
(三)紙張的其他特性，如紙張的帶電特性、尺寸的穩定性、吸收能力等。
各種特性的改變難度脹裂強度(burst)抗張強度(tensile)撕裂強度(tear)耐折度(fold)剛挺度(stiffness)相對濕度%紙張相對濕度與紙張特性的關系．
假設現在我們分別在50%r.h.、23°c 和10%r.h.、23°c 兩個不同的環境下，為同一迭紙張進行含水量測試，前者的含水量大約為紙重的6%，而后者則大約為2%。如果我們這迭紙張在50%r.h.、23°c 的環境下是2000磅，根據以上含水量流失百分比計算整迭紙張的重量時，將發覺紙張重量會有80磅偏差之多。從這個例子，讀者不難發現，如要取得準確的紙 張數據，每次測試時，紙張樣品含水量的穩定性是相當重要的。換言之，我們必須于測試前先把紙張樣品通過預先調濕(preconditioning)和調濕 (conditioning)程序把水含量穩定下來，才為紙張進行測試。
為了讓大家測試時對環境控制有統一的依據，國際測試標準亦提供了對測試環境的要求給我們依循(表一)。因為溫度的改變，會令相對濕度改變，舉例說：測試環 境的溫度突然改變1°c，測試環境的相對濕度會隨之改變大約3%。故此要控制好環境的相對濕度，我們也要同時控制好環境的溫度。所以從測試標準的要求中， 我們會看到對于溫度的控制非常嚴格。再者，對于某類紙張如合成紙或經過膠處理的紙張，溫度的影響住住比濕度的影響來得重要。
相對濕度r.h. r.h 容許差異溫度溫度容許差異
預先調濕環境preconditioning atmosphere10-35%無22-40°c 無
調濕環境conditioning atmosphere50.0%±2% 23°c±1°c
測試環境testingat mosphere 50.0%±2% 23°c±1°c
圖表一 國際標準對紙張測試程序環境控制的要求
如我先前所說，測試時紙張的水分是否穩定是相當重要的，調濕程序正正是為了讓紙張在測試前與環境達到平衡狀態而設。但不同紙張的成分及重量都有所不同，理 所當然，所需的調濕時間一定會有分別。那么我們怎樣厘定不同紙張所需的調濕時間，以確認紙張已經達到平衡狀態呢？在這方面，最簡單的做法莫過于參考國際測 試標準提供的一些建議(圖表二)。至于標準里的調濕時間是怎樣訂出來？如果我們時常重復測試同一種紙張，我們又是否有方法訂出更準確的調濕時間，以縮短測 試流程的時間？至于較少人認識的「預先調濕」程序又是什么？他對測試的數據又有什么影響？對于這些疑問，將會于下期繼續和大家探討。
紙張種類標準建議時間
一般常用磅數紙張 一般調濕4小時已足夠
輕磅紙板最少調濕4-8小時
重磅紙板或經特別抗水處理的紙張 最少調濕16小時
以蠟處理過的紙類最少調濕72小時
圖表二 國際標準對紙張調濕所需時間的建議
前面我們已探討過調濕(conditioning)的主要目的，是要令每個紙張樣本的水含量在測試前，都已到達穩定狀態，令測試的數據有更高的重復性。由 于不同紙張的調濕時間有別，我們亦引用了測試標準中對紙張調濕所需時間的一些建議，給大家參考。
細心的讀者可能發現，調濕時間的建議中，并未有詳細界定市場上的所有紙張種類。所以當我們切實執行調濕程序時，可能對紙張的分類，以至所需的調濕時間產生 疑問。而且建議中不同紙張的調濕時間往往以倍數增加，如果我們要定期為不同種類的紙張進行測試作為生產前的品質審定，豈不非常費時。如果我們能為自己常用 的紙張訂立準確的調濕時間，整個測試流程所需時間就能大大減少。
事實上不同測試標準中，亦有提供一些指引給我們去界定不同紙張樣本確實的調濕時間。較為簡單的做法，我們可以在調濕的過程中，最少每隔一小時量度樣本的重 量一次(確實的時段可根據紙張樣本的特性、重量及大小而調整)，當量度重量的改變少于前一次量度重量的0.25%時，就代表調濕中的紙張樣本基本上已到達 穩定的平衡狀態，可以進行其他各種測試。而另外一種方法在概念上與先前所提的沒有兩樣，是以圖表記錄形式來找出更準確的調濕時間(圖一)。圖表中x 軸為調濕時間的對數(logarithm)，而y 軸則為紙張樣本的重量。當我們在調濕過程中記錄所需時間及樣本重量，并把資料繪成曲線，當曲線與x 軸平均時(樣本重量再沒有改變)，所需的時間就是屬于該樣本的調濕時間。
樣本重量a b c log (調濕時間)
圖 紙張樣本的調濕曲線
在調濕前先記錄樣本的重量
如紙張樣本調濕前是低于50%r.h.，調濕過程會令到樣本重量增加，直至到達與環境r.h.平衡的狀態，此時樣本的重量再不會隨著調濕時間有明顯的波動及改變(b 點)
根據調濕曲線與x 軸的平均情況來決定該樣本的調濕時間(c 點)
當我們測試的數據是針對紙張的物理特性(如抗張強度、剛挺度等)；或要求更準確的數據，用來和其他地方測試出來的數據作比較時，我們會發現單靠調濕程序并 不足夠。事實上紙張調濕前存放環境相對濕度的高低，也會直接影響到調濕后樣本的水含量，以至測試出來結果的準確性。舉例說：如果我們有兩個相同的測試樣 本，分別來自相對濕度高于50%和低于50%的地方，當調濕完成后，紙張水含量的偏差可以高達1.6%至6%，從而令到物理特性測試數據的偏差高達5至 25%之多。這種由紙張存放相對濕度歷史所造成誤差的現象，我們稱為「hysteresis 」(圖)。由于我們不能完全排除這種現象的發生，亦不能準確地預計到由它所引致含水量波動的范圍，以及測試結果的誤差，所以我們必須采取一些步驟，將他 的影響減至最少。
紙張水含量%15q p 0050100b c 降低r.h.增加r.h.相對濕度(r.h.)%(圖二)紙張的「hysteresis 」現象．
當紙張由低于50%r.h.的存放地方，移到50%r.h.的地方進行調濕。紙張水含量會根據曲線c 而改變，而最后的水含量為p ．
當紙張由高于50%r.h.的存放地方，移到50%r.h.的地方進行調濕。紙張水含量會根據曲線b 而改變，而最后的水含量為q ．
紙張調濕前水含量的歷史(存放相對濕度)，會令到調濕度紙張水含量存在著一個測不準性-uncertainty(圖中q 和ｐ之間的距離)，造成測試數據上的誤差．
實驗發現如果在紙張調濕前，先把紙張存放在一個相對濕度低于50%的地方一段時間，是有助于把樣本水含量的波動控制在0.15%之內，所以我們稱這一個處 理程序為預先調濕(preconditioning)。至于預先調濕的溫度及濕度要求，大家可以參閱上期，而所需時間，一般為24小時。如我們要較準確的 預先調濕時間，也可參考測試標準中對預先調濕的一些建議(表)。
紙張種類標準建議時間
紙張(單張) 少于1小時
輕磅紙板1至2小時
重磅紙板或瓦通紙板 5至10小時
紙板或瓦通紙板制成品 12至16小時
經抗水處理的紙張或紙板 不少于24小時
表三 標準建議對紙張預先調濕所需時間
而在實際的紙張測試過程中，就三個階段的環境控制，大家可能覺得非常困難。但事實上，除調濕過程可能會遇上一點少麻煩外，基本上一般家居設備都能應付得來，以下是一些環境控制的建議，大家不妨用以作為參考：
1.預先調濕-由于對環境溫度及相對濕度的要求比較寬松，我們只要運用空氣調節裝置，小心控制紙張存放環境便成。
2.調濕-由于要求比較嚴格，而且存放時間較長，建議使用有恒溫、恒濕的存放設備。
3.測試環境-由于測試時間較短，我們只要適當地運用空氣調節裝置及抽濕設備，于測試時間內控制好環境的溫度及濕度便成。
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由于紙張是一種吸濕性(hygroscopic)的物料，意即它會隨著環境相對濕度(relatively humidity -r.h.)的變化吸收水分和釋放水分。舉例說，當我們把紙張由一個相對濕度較低的地方移到一個相對濕度較高的地方，由于新環境有較高的水氣壓 (vapour pressure)，由空氣中進入紙張的水氣會較多釋放，故紙張的含水量會增加，直至紙張的相對濕度提升到與環境相同，這時我們便會說紙張與環境已達至平 衡狀態(equilibrium)。相反，當我們把紙張由一個相對濕度較高的地方移到一個相對濕度較低的地方，由于新環境有較低的水氣壓，紙張釋放到空氣 中的水氣會較吸收的多，此時紙張的水含量會減少，直至紙張的相對濕度與環境相同。由以上例子，我們可以了解到環境的相對濕度與紙張的水份含量 (moisture content)是息息相關的。而紙張水分含量亦同時影響紙張的各種特性，包括：
(一)紙張的機械特性(mechanical properties)，如抗張強度(tensile strength)、剛挺度(stiffness)等。
(二)紙張的結構特性(structural properties)，如紙重(grammage)、平滑度(smoothness)等。
(三)紙張的其他特性，如紙張的帶電特性、尺寸的穩定性、吸收能力等。
各種特性的改變難度脹裂強度(burst)抗張強度(tensile)撕裂強度(tear)耐折度(fold)剛挺度(stiffness)相對濕度%紙張相對濕度與紙張特性的關系．
假設現在我們分別在50%r.h.、23°c 和10%r.h.、23°c 兩個不同的環境下，為同一迭紙張進行含水量測試，前者的含水量大約為紙重的6%，而后者則大約為2%。如果我們這迭紙張在50%r.h.、23°c 的環境下是2000磅，根據以上含水量流失百分比計算整迭紙張的重量時，將發覺紙張重量會有80磅偏差之多。從這個例子，讀者不難發現，如要取得準確的紙 張數據，每次測試時，紙張樣品含水量的穩定性是相當重要的。換言之，我們必須于測試前先把紙張樣品通過預先調濕(preconditioning)和調濕 (conditioning)程序把水含量穩定下來，才為紙張進行測試。
為了讓大家測試時對環境控制有統一的依據，國際測試標準亦提供了對測試環境的要求給我們依循(表一)。因為溫度的改變，會令相對濕度改變，舉例說：測試環 境的溫度突然改變1°c，測試環境的相對濕度會隨之改變大約3%。故此要控制好環境的相對濕度，我們也要同時控制好環境的溫度。所以從測試標準的要求中， 我們會看到對于溫度的控制非常嚴格。再者，對于某類紙張如合成紙或經過膠處理的紙張，溫度的影響住住比濕度的影響來得重要。
相對濕度r.h. r.h 容許差異溫度溫度容許差異
預先調濕環境preconditioning atmosphere10-35%無22-40°c 無
調濕環境conditioning atmosphere50.0%±2% 23°c±1°c
測試環境testingat mosphere 50.0%±2% 23°c±1°c
圖表一 國際標準對紙張測試程序環境控制的要求
如我先前所說，測試時紙張的水分是否穩定是相當重要的，調濕程序正正是為了讓紙張在測試前與環境達到平衡狀態而設。但不同紙張的成分及重量都有所不同，理 所當然，所需的調濕時間一定會有分別。那么我們怎樣厘定不同紙張所需的調濕時間，以確認紙張已經達到平衡狀態呢？在這方面，最簡單的做法莫過于參考國際測 試標準提供的一些建議(圖表二)。至于標準里的調濕時間是怎樣訂出來？如果我們時常重復測試同一種紙張，我們又是否有方法訂出更準確的調濕時間，以縮短測 試流程的時間？至于較少人認識的「預先調濕」程序又是什么？他對測試的數據又有什么影響？對于這些疑問，將會于下期繼續和大家探討。
紙張種類標準建議時間
一般常用磅數紙張 一般調濕4小時已足夠
輕磅紙板最少調濕4-8小時
重磅紙板或經特別抗水處理的紙張 最少調濕16小時
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圖表二 國際標準對紙張調濕所需時間的建議
前面我們已探討過調濕(conditioning)的主要目的，是要令每個紙張樣本的水含量在測試前，都已到達穩定狀態，令測試的數據有更高的重復性。由 于不同紙張的調濕時間有別，我們亦引用了測試標準中對紙張調濕所需時間的一些建議，給大家參考。
細心的讀者可能發現，調濕時間的建議中，并未有詳細界定市場上的所有紙張種類。所以當我們切實執行調濕程序時，可能對紙張的分類，以至所需的調濕時間產生 疑問。而且建議中不同紙張的調濕時間往往以倍數增加，如果我們要定期為不同種類的紙張進行測試作為生產前的品質審定，豈不非常費時。如果我們能為自己常用 的紙張訂立準確的調濕時間，整個測試流程所需時間就能大大減少。
事實上不同測試標準中，亦有提供一些指引給我們去界定不同紙張樣本確實的調濕時間。較為簡單的做法，我們可以在調濕的過程中，最少每隔一小時量度樣本的重 量一次(確實的時段可根據紙張樣本的特性、重量及大小而調整)，當量度重量的改變少于前一次量度重量的0.25%時，就代表調濕中的紙張樣本基本上已到達 穩定的平衡狀態，可以進行其他各種測試。而另外一種方法在概念上與先前所提的沒有兩樣，是以圖表記錄形式來找出更準確的調濕時間(圖一)。圖表中x 軸為調濕時間的對數(logarithm)，而y 軸則為紙張樣本的重量。當我們在調濕過程中記錄所需時間及樣本重量，并把資料繪成曲線，當曲線與x 軸平均時(樣本重量再沒有改變)，所需的時間就是屬于該樣本的調濕時間。
樣本重量a b c log (調濕時間)
圖 紙張樣本的調濕曲線
在調濕前先記錄樣本的重量
如紙張樣本調濕前是低于50%r.h.，調濕過程會令到樣本重量增加，直至到達與環境r.h.平衡的狀態，此時樣本的重量再不會隨著調濕時間有明顯的波動及改變(b 點)
根據調濕曲線與x 軸的平均情況來決定該樣本的調濕時間(c 點)
當我們測試的數據是針對紙張的物理特性(如抗張強度、剛挺度等)；或要求更準確的數據，用來和其他地方測試出來的數據作比較時，我們會發現單靠調濕程序并 不足夠。事實上紙張調濕前存放環境相對濕度的高低，也會直接影響到調濕后樣本的水含量，以至測試出來結果的準確性。舉例說：如果我們有兩個相同的測試樣 本，分別來自相對濕度高于50%和低于50%的地方，當調濕完成后，紙張水含量的偏差可以高達1.6%至6%，從而令到物理特性測試數據的偏差高達5至 25%之多。這種由紙張存放相對濕度歷史所造成誤差的現象，我們稱為「hysteresis 」(圖)。由于我們不能完全排除這種現象的發生，亦不能準確地預計到由它所引致含水量波動的范圍，以及測試結果的誤差，所以我們必須采取一些步驟，將他 的影響減至最少。
紙張水含量%15q p 0050100b c 降低r.h.增加r.h.相對濕度(r.h.)%(圖二)紙張的「hysteresis 」現象．
當紙張由低于50%r.h.的存放地方，移到50%r.h.的地方進行調濕。紙張水含量會根據曲線c 而改變，而最后的水含量為p ．
當紙張由高于50%r.h.的存放地方，移到50%r.h.的地方進行調濕。紙張水含量會根據曲線b 而改變，而最后的水含量為q ．
紙張調濕前水含量的歷史(存放相對濕度)，會令到調濕度紙張水含量存在著一個測不準性-uncertainty(圖中q 和ｐ之間的距離)，造成測試數據上的誤差．
實驗發現如果在紙張調濕前，先把紙張存放在一個相對濕度低于50%的地方一段時間，是有助于把樣本水含量的波動控制在0.15%之內，所以我們稱這一個處 理程序為預先調濕(preconditioning)。至于預先調濕的溫度及濕度要求，大家可以參閱上期，而所需時間，一般為24小時。如我們要較準確的 預先調濕時間，也可參考測試標準中對預先調濕的一些建議(表)。
紙張種類標準建議時間
紙張(單張) 少于1小時
輕磅紙板1至2小時
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紙板或瓦通紙板制成品 12至16小時
經抗水處理的紙張或紙板 不少于24小時
表三 標準建議對紙張預先調濕所需時間
而在實際的紙張測試過程中，就三個階段的環境控制，大家可能覺得非常困難。但事實上，除調濕過程可能會遇上一點少麻煩外，基本上一般家居設備都能應付得來，以下是一些環境控制的建議，大家不妨用以作為參考：
1.預先調濕-由于對環境溫度及相對濕度的要求比較寬松，我們只要運用空氣調節裝置，小心控制紙張存放環境便成。
2.調濕-由于要求比較嚴格，而且存放時間較長，建議使用有恒溫、恒濕的存放設備。
3.測試環境-由于測試時間較短，我們只要適當地運用空氣調節裝置及抽濕設備，于測試時間內控制好環境的溫度及濕度便成。
金山綠色創意印刷示范園區推動地區綠色印刷發展
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調整“墨性”的輔助劑—沖淡劑（撤淡劑）
500張一次裝訂 千頁百匯S600膠圈裝訂機
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