Eine objektive Methode zur Bestimmung der Weichheit von Hygienepapieren
WILKEN R.
1 Einleitung
Hygiene Papiere stellen nur etwa 6 % der insgesamt in Deutschland produzierten Papier- mengen, sie haben aber eine große Bedeutung für die Lebensqualität der Bevölkerung und entsprechend groß ist die Nachfrage nach Produkten aus diesen Papieren. Im Vordergrund stehen dabei die sogenannten Tissue-Papiere, deren Merkmal eine sehr lockere und volumi- nöse Blattstruktur ist. Zur Erhöhung des Volumens werden sie gekreppt und - um bestimmte technische Eigenschaften zu optimieren - geprägt. Tissue-Papiere werden ein- oder mehrla- gig zu Taschentüchern, Toilettenpapieren oder Küchenrollen konfektioniert. Die entspre- chenden Produkte müssen eine Reihe von spezifischen Anforderungen erfüllen. Sie müssen beispielsweise hinreichend nassfest sein, ein Mindestmaß an mechanischer Festigkeit besit- zen, physiologisch unbedenklich und eben weich sein.
Die Weichheit eines Tissue-Produktes ist eine subjektiv wahrgenommene Eigenschaft, die auch in der industriellen Praxis nach bestimmten, nicht einheitlich festgelegten Methoden sensorisch bestimmt und bewertet wird. Den Methoden liegt in der Regel der paarweise Ver- gleich zugrunde. Wahrgenommen und bewertet wird die Weichheit in erster Linie durch den Tastsinn, wobei die Oberflächenbeschaffenheit des planliegenden Produkts ebenso erfühlt wird wie die Volumeneigenschaften, wobei noch zu unterscheiden ist, ob das Produkt gefal- tet oder geknüllt wird. Zweifellos wird das Empfinden von Weichheit auch durch andere Sin- neseindrücke mit beeinflusst, wenn auch in deutlich geringerem Maße.
Vor dem Hintergrund der Komplexität des subjektiven Begriffs „Weichheit“ wird deutlich, dass dessen Objektivierung durch ein messendes Verfahren ausgesprochen schwierig ist. In der Vergangenheit hat es zwar immer wieder Ansätze gegeben, wirklich durchgesetzt hat sich aber keines. So ist heute nach wie vor der sensorische Paneltest die einzige Bewertungs- möglichkeit für die Weichheit von Tissue-Produkten. Die Methodik dieser Tests konnte in den vergangenen Jahren immer weiter verbessert werden, so dass heute die Weichheit mit gro- ßer Auflösung und sehr geringer Toleranzbreite mit Maßzahlen beschrieben werden kann.
Problematisch ist dabei allerdings der große Aufwand, den ein Paneltest mit sich bringt. Sei- ne Zuverlässigkeit ist erheblich davon abhängig, wie groß das Panel ist und wie gut die Testpersonen geschult sind. Ein weiteres Problem ist der Umstand, dass jeder Hersteller von Tissue-Produkten eine eigenständige Prüfmethodik entwickelt hat, deren Einzelheiten streng geheim gehalten werden. Das hat zur Folge, dass die Kennzahlen für die Weichheit ver- schiedener Hersteller nicht miteinander verglichen werden können.
Es besteht aus den genannten Gründen ein großes Interesse an der Entwicklung einer Me- thode zur messtechnischen Beschreibung der Eigenschaft „Weichheit“. Dieses bereit zu stellen, war Gegenstand und Ziel des durchgeführten Forschungsvorhabens. Die Untersu- chungsmethodik war dabei wie folgt: Basis waren eine Reihe von Tissue-Produkten eines namhaften Herstellers, deren Weichheit mittels Paneltest in eine Reihenfolge von weniger weich bis sehr weich gebracht worden waren. Diese Papiere wurden unter exakt kontrollier- ten Bedingungen mit unterschiedlichen Messmethoden untersucht. Favorisiert wurden die Messverfahren, die die beste Korrelation mit dem sensorischen Produktranking aufwiesen. In aufwändigen Messreihen unter Anwendung von zum Teil speziell konstruierten Messgeräten erwies sich eine Messanordnung als besonders leistungsfähig, nämlich das Kreispendel nach Bekk. Die ermittelten Pendelzeiten korrelierten streng mit den sensorischen Rangfolge, allerdings mit wesentlich geringerer Auflösung als diese. Als weitere gut korrelierende Me- thode erwiesen sich die WABY-Faktoren. Alle anderen erprobten Messverfahren zeigten keine Korrelation und mussten demzufolge als ungeeignet verworfen werden.
Bei beiden Verfahren kann die Weichheit verschiedener Tissue-Produktgruppen nicht mit- einander verglichen werden, nur innerhalb einer Produktgruppe sind sinnvolle Aussagen möglich.
2 Begriffdefinitionen Nach [1] umfasst
die Gruppe der Hygienepapiere (umfasst) Zellstoffwatte, Tissue und Krepppapier, zum größten Teil aus Zellstoff und zum geringen Teil aus Altpapierstoff oder mit Holzstoffbeimi- schungen hergestellt. Die hohe Bedeutung, die Tissue inzwischen erreicht hat, hat dazu ge- führt, dass sich diese Bezeichnung im internationalen Sprachgebrauch als Sammelbezeich- nung für Hygienepapiere eingebürgert hat. Sie werden zur Herstellung von Toilettenpapier und zahlreicher anderer Hygieneprodukte, wie Taschentücher, Küchentücher, Handtücher und Kosmetiktücher, verwendet.
Man unterscheidet demnach folgende Arten von Hygienepapiere, nämlich
• Zellstoffwatte
• Krepppapiere
• Tissuepapiere
wobei der Begriff Tissue oft als Synonym für Hygienepapiere generell verwendet wird.
Die Hygienepapiersorten sind wiederum definiert nach [1]:
Zellstoffwatte
Zellstoffwatte ist ein lose gefügtes, saugfähiges Fasererzeugnis großer Dehnbarkeit, beste- hend aus mehreren dünnen, lockeren, fein gekreppten Schichten, wobei jede Lage ein nied- riges Flächengewicht und im Gegensatz zum Tissue eine offene Struktur aufweist. Als Fa- serstoff wird Zellstoff eingesetzt.
Krepppapier:
Krepppapier wird durch einen mit Kreppen bezeichneten Verfahrensschritt hergestellt. Krep- pen bewirkt eine Verkürzung der Papierbahn und damit erhöhte Dehnbarkeit des Papiers in Maschinenrichtung. Das Papier wird dadurch schmiegsamer und unempfindlich gegen me- chanische Stöße. Beim Nasskrepppapier erzielt man die Kreppfalten auf einem Zylinder mit Kreppschaber, der die noch feuchte Papierbahn (bei einem Trockengehalt von 40 bis 80 %) staucht, bevor sie abgnommen und getrocknet wird.
Tissuepapier:
Tissue wird auf speziellen Papiermaschinen gefertigt, die im Anschluss an den Stoffauflauf und der Siebpartie nur zwei Pressen und einen großen Trockenzylinder haben, an dem auch der Kreppschaber anliegt. Zur Intensivierung der Trocknung wird zusätzlich Heißluft über das Papier geblasen. Die Maschinen erreichen eine Geschwindigkeit bis zu 2.000 m/min.
3 Hygienepapierproduktion
Gemessen an der Gesamtproduktion der deutschen Papierindustrie ist der Anteil der Hygie- nepapiere vergleichsweise klein. Betrug die gesamte Papierproduktion im Jahre 2000 mehr als 18 Mio t, dann war der Anteil der Hygienepapiere etwas mehr als 1 Mio t [2], wobei diese Menge sich näherungsweise wie folgt aufteilt:
Zellstoffwatte und Tissue: 488 kt Toilettenpapier: 450 kt Sonstige Hygienepapiere: 79 kt
Hygienepapiere sind das Ausgangsmaterial von Hygienepapierwaren, wobei die Weiterver- arbeitung meist, aber nicht ausschließlich, im herstellenden Unternehmen stattfindet. In Zahlen ausgedrückt:
Gesamtproduktionsmenge: 1.018 kt Weiterverarbeitung im eigenen Unternehmen: 926 kt Weiterverarbeitung außerhalb des Unternehmens: 45 kt
Die wichtigsten aus Hygienepapier hergestellten Fertigprodukte sind
• Papiertaschentücher
• Toilettenpapier
• Küchentücher
• Handtücher
• Sonstiges (z.B. Kosmetiktücher)
Während Papiertaschentücher überwiegend aus Tissuepapier hergestellt werden, gibt es bei den Toilettenpapieren und Küchenrollen einschließlich der verwandten Produkte wie Papier- handtücher usw. einen starken Anteil an Krepppapieren. Im Folgenden werden ausschließ- lich die höherwertigen Produkte aus Tissuepapier betrachtet.
4 Herstellung von Hygienepapier und Hygienepapierwaren
Grundsätzlich erfolgt die Hygienepapierherstellung in völlig analoger Weise wie die Herstel- lung aller anderen Papiersorten, wobei jedoch einige Besonderheiten zu beachten sind, die auch für das Forschungsthema relevant sind. Es muss deshalb etwas ausführlicher als oben geschehen auf den Produktionsprozess eingegangen werden.
Ziel des Produktionsprozesses ist die Erzeugung eines Produktes mit folgenden Merkmalen:
• Weichheit und Volumen (auf diese Begriffe wird später noch näher eingegangen werden)
• Staubfreiheit (dieses Qualitätsmerkmal wird im Rahmen des vorliegenden Berichtes nicht weiter behandelt)
Für die späteren Eigenschaften von Tissuepapieren und Hygienepapierwaren ist bereits die richtige Auswahl der Zellstoffe von Bedeutung. Für höherwertige Hygienepapierprodukte werden ausschließlich Zellstoffe und zwar zunehmend Kurzfaserzellstoffe verwendet, für andere Produkte auch Altpapierstoff ggf. mit Holzstoffbeimischungen.
Die Gestaltung von Stoffauflauf und Blattbildung erfolgt in Tissuemaschinen sehr unter- schiedlich. Gemeinsames Merkmal aller nachfolgenden Prozessschritte ist es zu vermeiden, dass das gebildete Blatt mehr als unvermeidlich gepresst und verdichtet wird. Dies würde zu Lasten des angestrebten Volumens und der Weichheit des Fertigproduktes gehen. Deshalb werden die Nipdrücke in den Pressen so gering wie möglich eingestellt und die Druckbelas- tung des Produktes während der Trocknung so weit wie möglich reduziert. Ein wirklicher Fortschritt konnte durch die kürzlich erfolgte Neukonstruktion des Trocknungszylinders erzielt werden, bei dem die zur Trocknungsunterstützung eingesetzte Heißluft das Tissueblatt senk- recht durchströmt [3].
Viele Hygienepapiere müssen feuchtigkeits- oder wasserbeständig sein. Diese Eigenschaft erreicht man durch die Zugabe von Nassfestmitteln meist auf der Basis von Epichlorhydrin.
Die Nassfestmittel werden in der Masse zugegeben. Sie polymerisieren durch die Wärme- zufuhr in der Trockenpartie. Den endgültigen Nassverfestigungsgrad erreichen die Papiere erst nach einigen Tagen Reifezeit.
Gelegentlich werden die Papiere im Rahmen der Produktion mit einer Oberflächenbe- schichtung ausgestattet, durch die subjektiv wahrgenommenen taktilen und/oder olfaktori
schen Eigenschaften verbessert werden sollen. Beispiele dafür sind Silikonlotionen oder auch Duftstofflotionen.
Charakteristika der Tissuepapierherstellung sind somit
• die geringe flächenbezogene Masse (um 25 g/m²),
• die hohe Produktivität der Tissuemaschinen (Bahngeschwindigkeiten deutlich über 2.000 m/min werden erreicht),
• die Inline-Feinkreppung am Trockenzylinder,
• die Nassfestausstattung und Oberflächenveredelung.
Die Fertigung der Hygienpapierwaren aus dem Tissuepapier hängt wesentlich von der Art des Produktes ab.
Taschentücher
In der Regel werden zur Papiertaschentuchherstellung Tissuepapiere zu einem 4-lagigen Produkt zusammengeführt. Der Lagenzusammenhalt wird durch eine Prägung bewirkt, die einerseits die mechanische Verhakelung von Fasern zur Folge hat und die anderseits zum Aufbau lokaler Faser-Faser-Bindungen führt. Die Prägung kann darüber hinaus dekorative Aufgaben erfüllen. Sie erhöht das Volumen des Fertigproduktes und ist deshalb ein wichtiger Einflussfaktor auf die Weichheit. Die so hergestellte 4-lagige Bahn wird zu Formaten konfek- tioniert, die gefaltet werden und in der gewünschten Stückzahl meist in Folie verpackt wer- den.
Toilettenpapier
Auch Toilettenpapiere bestehen in der Regel aus mehrlagigen Bahnen von Tissuepapieren, die durch Prägung miteinander verknüpft sind. Im Gegensatz zum Papiertaschentuch sind 2- und 3-lagige Produkte gebräuchlich. Die Ausrüstung erfolgt in Rollen, wobei die Breitrollen mit hoch leistungsfähigen Schneidanlagen in die Schmalrollen aufgeschnitten werden. Eine technische Herausforderung, die hier allerdings nur erwähnt und nicht näher behandelt wer- den soll, ist das Ankleben des Rollenanfangs an die Hülse und des Rollenendes an die be- reits gewickelte Rolle.
Küchentücher
Küchentücher bestehen in aller Regel aus 2-lagigen Tissuepapieren mit entsprechender flä- chenbezogener Masse. Auch sie werden geprägt, um den Zusammenhalt der Lagen zu si- chern, das Volumen und die subjektiv wahrgenommen Weichheit des Produktes zu erhöhen.
Die dekorative Bedeutung der Prägung ist auch hier von Bedeutung. Die Ausrüstung des Papiers zur Küchenrolle hat große Ähnlichkeit mit der Toilettenpapierausrüstung.
5 Zum Begriff der Weichheit
Es ist oben bereits mehrfach darauf hingewiesen worden, dass die Weichheit ein wichtiges Merkmal von Tissuepapieren und mehr noch von Hygienpapierwaren darstellt. Bei Papierta- schentücher ist diese Eigenschaft ein wichtiges Element der Produktwerbung. Ein Hersteller stellt als Produktvorteil folgende Eigenschaften heraus:
• niesfest (Merkmal für die mechanische Papierfestigkeit),
• weich (Merkmal für angenehmen Griff und angenehmer Benutzungseigenschaft),
• weiss (Merkmal für Hygiene und Sauberkeit).
Andere Hersteller benutzen andere Begrifflichkeiten für die gleichen Eigenschaften, je nach Anwendungsbereich des Fertigproduktes.
Im Sinne des optimalen Marketings ist es notwendig und richtig, dass bei allen drei Produkt- vorteilen der sensorische Aspekt der Produktwahrnehmung in den Vordergrund gestellt wird.
Dabei könnten die Merkmalen „niesfest“ und „weiss“ auch mit technischen Merkmalsausprä- gungen hinterlegt werden, beispielsweise durch die Angabe einer Bruchkraft oder eines Berstwiderstandes. Dem Merkmal „weiss“ könnte ein Farbort zugeordnet werden. Beim Merkmal „weich“ ist das aber bisher nicht möglich. Weichheit ist eine ausschließlich subjektiv wahrnehmbare Eigenschaft, die nicht einmal in eindeutigen naturwissenschaftlichen Begriff- lichkeiten zu beschreiben ist. Der Grund dafür ist, dass das subjektive Weichheitsempfinden aus dem Zusammenspiel vieler Produktmerkmale entsteht. Dieses komplexe Zusammenwir- ken soll im Folgenden näher beleuchtet werden.
Weichheit ist in erster Linie eine taktile, also vom Tastsinn wahrgenommene Eigenschaft.
Dabei sind folgende Fälle zu unterscheiden:
• Wahrnehmung der Weichheit durch Abtasten der Oberfläche
Bei dieser Verfahrensweise gleiten die tastenden Fingerkuppen über das plan ausliegen- de Produkt. Beinflussend für die Wahrnehmung ist die Oberflächenstruktur des Produk- tes und die Beschaffenheit des von der Fingerkuppe erzeugten Stauberges. Letzteres wird sicher erheblich von dem Porenvolumen und der Viskoelastizität des Produktes be- stimmt. Auch freie, aus der Oberfläche herausragende Faserenden werden die Oberflä- chenweichheit mit beeinflussen.
• Wahrnehmung der Weichheit durch Falten und/oder Knüllen
Im Gebrauch werden Tissueprodukte gefaltet und/oder geknüllt, wobei das Weichheits- empfinden hier sicher wesentlich weniger von den Oberflächeneigenschaften als viel- mehr von den Volumeneigenschaften dominiert wird. Das Porenvolumen des Blattes wird ebenso wie die Viskoelastizität Einflussgröße sein.
Die Weichheit des Tissueproduktes wird nicht nur vom Tastsinn beurteilt. Auch die anderen Sinnesorgane sind von Bedeutung. Von der Weisse als Merkmal war schon die Rede. Wer- den bei der tastenden Weichheitsbewertung von Tissue beispielsweise knisternde Geräu- sche erzeugt, wird dieses sicher unbewusst als weichheitsmindernd registriert werden. In gleicher Weise werden auch insbesondere unangenehme oder artfremde Gerüche Einfluss auf das Beurteilungsergebnis nehmen.
6 Verfügbare Mess- und Bewertungsverfahren für die Weichheit Panel-Test
Gegenwärtiger Stand der Technik ist die Bewertung der Weichheit von Tissue und Tissue- Produkten sensorisch mit Hilfe eines Panels gut ausgebildeter Prüfpersonen. Die sensori- sche Prüfung wird durchgängig von allen Herstellern und Verarbeitern angewendet, jedoch nicht nach einheitlicher Methodik. Vielmehr ist die Prüfmethodik streng gehütetes Know-How, das deshalb auch im Rahmen dieses Berichtes nicht im Detail dargestellt werden kann. Be- standteil der Prüfungen sind aber stets die bereits oben erwähnten tastende Bewertung der Oberflächenbeschaffenheit und die Bewertung des Falt- bzw. Knüllverhaltens. Vorgehens- weise und Bewertungskriterien sind unterschiedlich. Weichheitsbewertungen sind deshalb nicht von Hersteller zu Hersteller übertragbar. Auch in der PTS werden sensorische Weich- heitsbeurteilungen durchgeführt, wobei naturgemäß der Ausbildungsgrad des Panels nicht den gleichen Standard haben kann, wie es bei den industriellen Panels der Fall ist. Die Me- thodik der Vorgehensweise in der Forschungsstelle bei der Durchführung von Panel-Tests ist wie folgt:
• die Mitglieder des Panels werden aufgefordert, die vorbereiteten Proben vor sich auf völ- lig ebenen Probeauflageflächen auszubreiten,
• die Oberflächen werden durch sanfte streifende Bewegung der Fingerkuppen abgetastet,
• die Beurteilung erfolgt subjektiv nach Empfindungen wie „angenehm“ und „weich“,
• durch paarweisen Vergleich wird eine Rangfolge der Proben gebildet und das Ergebnis in eine vorgefertigte Tabelle eingetragen.
Für die Beurteilung der Weichheit beim Falten und Knüllen sind analoge Verfahrensvor- schriften üblich.
Die in den einzelnen Häusern entwickelten Prüfmethoden erlauben zusammen mit dem ho- hen Ausbildungsstand der Prüfpersonen in den Panels Weichheitsbewertungen mit sehr ho- her Auflösung und Wiederholbarkeit. Die Präzision und Zuverlässigkeit von Paneltests ma- chen ihren Einsatz unverzichtbar. Vielfach sind die Methoden so weit entwickelt, dass die Weichheit der Produkte mit Masszahlen belegt werden können. Im Folgenden werden diese Maßzahlen mit „Weichheitsfaktor“ bezeichnet. Es sei aber noch einmal darauf hingewiesen, dass diese Faktoren nur innerhalb eines Unternehmens von Bedeutung sind. Der Vergleich der Weichheit von Produkten verschiedener Unternehmen anhand der jeweiligen Weich- heitsfaktoren ist nicht möglich.
Dies und der für die Ermittlung der Weichheitsfaktoren erforderliche sehr hohe Aufwand und der Zeitraum, bis ein Ergebnis vorliegt, machen ein schnelles messendes Bewertungsverfah- ren sehr wünschenswert.
In der Vergangenheit ist eine Reihe von Arbeiten in dieser Richtung durchgeführt worden.
Eine Auswahl daraus sei im Folgenden kurz vorgestellt:
Kawabata-System
Das Kawabata Bewertungssystem ist für textile Materialien entwickelt worden. Das System besteht aus der Messung einer Vielzahl von Parametern, aus denen auf komplexe und hier nicht näher erläuterte Weise die Bewertung abgeleitet wird. Gemessen werden
• Zugfestigkeit,
• Scherfestigkeit,
• Biegesteifigkeit,
• Kompressibilität,
• Dicke und flächenbezogene Masse und
• Oberflächenbeschaffenheit.
Die Eignung des Kawabata-Systems für die Bewertung von Tissue-Papier wurde von Carr und Roberts [4] geprüft. Ergebnis: Im Prinzip geeignet, jedoch sehr aufwändig und proble- matisch bezüglich der gravierenden Festigkeitsunterschiede von textilen Materialien und Tissue.
Neuronale Netze
In [5] wird ein Ansatz dargestellt, über neuronale Netze Aussagen über die Weichheit von Tissue zu gewinnen. Diese Arbeiten stehen wohl erst am Anfang und haben bisher noch keine umsetzbaren Ergebnisse erbracht.
Surface Softness Analyzer
Ein von Hollmark [6] vorgeschlagenes Verfahren zur Bewertung der Oberflächenweichheit funktioniert auf der Basis eines Schallplattenspielers. Auf den Plattenteller wird eine Probe des Tissue-Papiers aufgelegt und für die Dauer von etwa 15 Sekunden in Rotation versetzt.
In dieser Zeit werden mittels eines modifizierten „Tonarms“ die Amplitude und die Frequenz der Oberflächenrauhigkeit gemessen. Aus beiden Messgrößen wird eine Kennzahl für die Oberflächenweichheit abgeleitet.
Handle-O-Meter
Beim Handle-O-Meter wird eine Tissue-Probe über eine Nut definierter Breite gelegt. Ein Schwert drückt die Probe in die Nut. Die dafür notwendige Kraft wird gemessen.
WABY-Faktor
Unter dem WABY-Faktor [8] versteht man den Quotienten aus der Probenflexibilität und der Bruchkraft. Die Flexibilität ist ihrerseits definiert durch den Quotienten der Zugkraft (20 N/m)
und der dadurch hervorgerufenen Dehnung. In der Literatur wird bereits die Flexibilität in eine gewisse Beziehung zur Weichheit gesehen.
PAAREA
PAAREA ist nach [8] die sogenannte physiologische Oberflächenweichheit, die als ein Faktor definiert ist, der gewonnen wird, in dem eine Tissue Probe in Maschinenrichtung mit einem Profilometer abgetastet wird. Das gewonnene Signal wird fouriertransformiert, so dass eine Amplituden-Frequenz-Darstellung entsteht, die noch geeignet gefiltert werden muss, um an die subjektive taktile Empfindung angepasst zu werden. Schließlich wird die Fläche unter der gefilterten Kurve integriert. Das Integral liefert den sogenannten PSS-Faktor, der mit dem Weichheitsempfinden korrelieren soll.
7 Weichheitsmessung 7.1 Zielsetzung Ausgehend von
• einer Auswahl von Tissue-Produkten mit bekannter sensorischer Einstufung des Weich- heitsgrades und
• der oben beschriebenen Analyse des Begriffs „Weichheit“ nach physikalischen Gesichts- punkten
waren geeignete Messverfahren auszuwählen und/oder neue Messverfahren zu entwickeln und auf die Tissue-Produkte anzuwenden. Zu ermitteln waren die bzw. das Messverfahren mit der besten Korrelation zu den Ergebnissen der sensorischen Weichheitsbewertung. Ziel war es - im Gegensatz zu früheren Arbeiten anderer Autoren - ein einfaches Messverfahren bzw. System von Messverfahren zu identifizieren und zu validieren, mit dem die messende Weichheitsbewertung mit dem gleichen Ranking wie mit der Sensorik möglich ist, wobei be- wusst in Kauf zu nehmen war, dass das Auflösungsvermögen geringer als bei den sensori- schen Prüfungen sein kann.
7.2 Zusammenstellung der Proben
In Zusammenarbeit mit einem Hersteller von Tissue-Papieren und Hygienepapierwaren wur- de eine Auswahl typischer Produkte vorgenommen. Von diesen waren die Weichheitsbe- wertungen des Prüfpanels des Herstellers bekannt. Sie sind mit Hilfe des Weichheitsfaktors codiert wiedergegeben. Zu beachten ist, dass die Weichheitsfaktoren nur innerhalb einer Produktgruppe das Ranking von Produkten erlauben, nicht aber produktgruppenübergrei- fend. Einige charakteristische Merkmale der Prüfmuster sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
Tabelle 1: Zusammenstellung der Tissue-Produkte, die in den Hauptuntersuchungen einge- setzt worden waren. Erläuterungen zum Weichheitsfaktor im Text.
Produktart Code flächenbezogene Masse, g/m²
Anzahl Lagen
Dicke, mm
Weichheits- faktor
Taschentuch 1 1 66,5 4 0,25 6,5
Taschentuch 2 2 62,1 4 0,30 7,0
Taschentuch 3 3 67,4 4 0,30 7,5
Toilettenpapier 1 4 35,7 2 0,26 5,0
Toilettenpapier 2 5 66,5 4 0,50 8,3
Toilettenpapier 3 6 34,5 2 0,30 5,9
Toilettenpapier 4 7 48,2 3 0,51 7,1
Küchentuch 1 8 38,6 2 0,50 6,0
Küchentuch 2 9 38,3 2 0,66 7,0
Küchentuch 3 10 45,3 2 0,78 7,0
Alle Prüfungen wurden im Normklima bei 23°C und 50 % rel. Luftfeuchte durchgeführt. In diesem Klima wurden die Proben vor Beginn der Prüfungen für mindestens 24 h konditio- niert.
7.3 Messtechnische Bewertung der Weichheit mit dem Kreispendel nach Bekk Abbildung 1 zeigt die Ansicht eines Kreispendels nach Bekk. Zum Gebrauch wird es auf die zu untersuchende Probe aufgesetzt und so weit aus der Ruhelage herausgedreht, bis der Anschlag die Probenoberfläche berührt. Wird nun das Pendel freigegeben, schwinkt es um die Ruhelage mit abnehmender Schwingungsweite. Gemessen wird die Zeit bis zum voll- ständigen Abklingen der Schwingung.
Abb.1: Das Bekk-Kreispendel. Nach dem definierten Verkippen des Kreispendels und Auslösen der Pendelschwingung wird die Zeit gemessen, bis die Schwingung abge- klungen ist.
Für eine Messung in beiden Prüfrichtungen (Maschinenrichtung MD und quer zur Maschi- nenrichtung CD) sollten die Länge und Breite der Proben mindestens 16 cm sein. Das For- mat der Küchentücher (Muster 8-10) erlaubte die Messung, die nutzbaren Flächen der Toi- lettenpapiere und Taschentücher dagegen nicht. Bei den Toilettenpapieren (Muster 4-7) wurde deshalb nur in Maschinenrichtung geprüft. Bei den Papiertaschentücher war die Fal- tung eingrenzendes Merkmal. Hinreichend große Prüfflächen konnten nur bei Prüfung quer zur Maschinenrichtung erhalten werden. Bei allen Mustern wurden die Oberseite und die Unterseite geprüft.
Die Ergebnisse sind in Abbildung 2, 3 und 4 graphisch dargestellt.
Die graphischen Darstellungen unterscheiden zwischen den jeweiligen Produktgruppen. Hin- sichtlich der Definition des Weichheitsfaktors sei auf die Ausführungen im Abschnitt 3 ver- wiesen. An dieser Stelle sei noch einmal angemerkt, dass es sich um einen subjektiven von einem Prüfpanel ermittelten Faktor handelt. Die subjektive Weichheitsempfindung ist um so intensiver, je größer der Weichheitsfaktor ist. Die Abszissen der folgenden Abbildungen zei- gen somit von links nach rechts zunehmendes Weichheitsempfinden an.
Abbildung 2: Der Zusammenhang zwischen Pendelzeiten mit dem Bekk-Pendel und der subjektiven Weichheitsempfindung bei den Taschentüchern. Erläuterungen im Text.
Abbildung 3: Der Zusammenhang zwischen Pendelzeiten mit dem Bekk-Pendel und der subjektiven Weichheitsempfindung bei den Toilettenpapieren. Erläuterungen im Text.
0 5 10 15 20 25
6 6,5 7 7,5 8
Weichheitsfaktor
Pendelzeit, s
Oberseite Unterseite
0 5 10 15 20
5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9
Weichheitsfaktor
Pendelzeit, s
Oberseite Unterseite
Abbildung 4: Der Zusammenhang zwischen Pendelzeiten mit dem Bekk-Pendel und der subjektiven Weichheitsempfindung bei den Küchenpapieren. Erläuterungen im Text.
7.4 Messtechnische Bewertung der Weichheit durch Messung der Verformbarkeit In Anlehnung an das Handle-O-Meter-Verfahren wurde eine Versuchsanordnung gewählt, bei der die Verformbarkeit des Tissuepapiers messend bewertet wurde.
Grundlage des Versuchs war eine Nut, in die die Tissueprobe mittels eines Schwertes hineingedrückt wurde. Während dieses Vorganges wurde der Kraft-Weg-Verlauf aufgezeich- net. Im konkreten Fall wurden Nut und Schwert durch ein Rillwerkzeugpaar repräsentiert, wie es zum Rillen von Karton üblicherweise eingesetzt wird. Im vorliegenden Fall hatte das Rill- messer eine Breite von 1,5 mm und die Rillnut war 5 mm breit.
Abb.5: Schema des Versuchsaufbaus zur Bestimmung der Verformbarkeit. Erläuterungen im Text.
In einer Zug-Druck-Prüfmaschine der Bauart Zwick Z010 wurde das Rillmesser mit Messer- breite von 1,5 mm in die obere Klemme eingespannt; die untere Klemme nahm das Gegen- werkzeug mit der Rillnut auf. Die Versuche wurden bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 12 mm/min ( entspricht 2 mm/s) durchgeführt.
Von jedem Muster wurden Proben in Maschinenrichtung (MD) und quer dazu (CD) mit einer Breite von 30 mm und einer Länge von 100 mm genommen. Die Proben wurden jeweils auf die Grundplatte mit der Rillnut aufgelegt. Das Rillmesser wurde gestartet und der Kraft-Weg- Verlauf aufgezeichnet. Nach einer Eindringtiefe von 4 mm wurde der Versuch abgebrochen.
10 10,5 11 11,5 12 12,5
5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9
Weichheitsfaktor
Pendelzeit, s
Oberseite MD Oberseite CD Unterseite MD Unterseite CD
5 mm
Tissue-Probe Rillmesser
Als Maß für die Verformbarkeit wurde der Gradient der Kraft-Weg-Kurve im Wegbereich 0 bis 1 mm gewählt.
Abb.6: Zusammenhang zwischen Verformbarkeit und Weichheitsfaktor für die Taschentü- cher.
Abb.7: Zusammenhang zwischen Verformbarkeit und Weichheitsfaktor für die Toilettenpa- pieren.
0,01 0,02 0,03 0,04
6 6,5 7 7,5 8
Weichheitsfaktor
Gradient, N/mm
MD CD
0,08 0,12 0,16 0,2 0,24 0,28
5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 Weichheitsfaktor
Gradient, N/mm
MD CD
Abb.8: Zusammenhang zwischen Verformbarkeit und Weichheitsfaktor für die Küchenpa- pieren.
Aus den Abbildungen ist ersichtlich, dass ein klarer Zusammenhang zwischen den Verfor- mungseigenschaften, gemessen nach dem beschriebenen Verfahren und der Weichheit nicht konstatiert werden kann. Diese Aussage dürfte wohl auch für das ähnlich arbeitenden Handle-O-Meter zutreffend sein.
7.5 Messtechnische Bewertung der Weichheit mit Hilfe der WABY-Faktoren
Zur Bestimmung der WABY-Faktoren benötigt man zunächst die Bruchkraft. Diese wurden nach DIN EN 12625 Teil 4 (03.99) bestimmt. Dabei wurden folgende Prüfbedingungen ein- gehalten:
Probenbreite: 50 mm
Einspannlänge: 50 mm
Dehnungsgeschwindigkeit: 50 mm/min
Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 zusammengestellt.
Tabelle 2: Bruchkräfte und Bruchdehnungen der Tissuepapiere. Angegeben sind jeweils die Mittelwerte aus je 4 Einzelmessungen
Bruchkraft, N/50 mm Bruchdehnung, %
Muster MD CD MD CD
1 30,1 11,1 11,4 3,5
2 21,4 4,3 17,6 10,5
3 26,5 12,9 11,8 4,4
4 15,5 5,7 13,5 5,2
5 19,3 8,0 12,3 5,6
6 13,2 4,9 16,8 6,1
7 19,6 10,2 18,9 6,4
8 30,1 13,4 6,1 6,7
9 13,2 7,2 9,8 8,9
10 22,5 19,1 13,6 8,1
Zur Berechnung der WABY-Faktoren benötigt man nun noch die Flexibilität, die – wie oben schon erwähnt – durch die Dehnung bei einer Zugkraft von 20 N/m definiert ist. Diese Deh- nungswerte sind in Tabelle 3 aufgeführt.
0,01 0,03 0,05 0,07 0,09
5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 Weichheitsfaktor
Gradient, N/mm
MD CD
Tabelle 3: Dehnungswerte bei einer Zugkraft von 20 N/m Dehnung, %
Muster MD CD
1 0,30 0,27
2 0,53 0,83
3 0,42 0,22
4 0,57 0,61
5 1,06 0,71
6 1,32 0,95
7 1,16 0,66
8 0,47 0,55
9 1,32 1,46
10 1,05 0,66
Benötigt wird das geometrische Mittel aus MD- und CD-Ergebnis. Zusammen mit dem geo- metrischen Mittel der MD- und CD-Bruchkraft lassen sich nun die WABY-Faktoren berech- nen:
CD MD
CD MD
B B
F WABY F
⋅
= ⋅
Darin ist F die Flexibilität, worunter im vorliegenden Fall der Quotient aus Zugkraft (20 N/m) und der dadurch hervorgerufenen Dehnung zu verstehen ist:
0 1
0 1
D D
K F K
−
= −
Unter den gewählten Versuchsbedingungen war K1 = 20 N/m und K0 = 0. Entsprechend ist die Dehnung D0 = 0. B steht für Bruchkraft.
Das Ergebnis ist in den folgenden Abbildungen graphisch dargestellt.
Abb.9: Zusammenhang zwischen WABY-Faktor und Weichheitsfaktor für die Taschentü- cher.
Abb.10: Zusammenhang zwischen WABY-Faktor und Weichheitsfaktor für die Toilettenpa- pieren.
0,1 0,15 0,2
6 6,5 7 7,5 8
Weichheitsfaktor
WABY-Faktor
0 0,05 0,1 0,15 0,2
5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9
Weichheitsfaktor
WABY-Faktor
Abb.11: Zusammenhang zwischen WABY-Faktor und Weichheitsfaktor für die Küchenpa- pieren.
Den Abbildungen kann entnommen werden, dass die Weichheit aller Produkte zumindest dem Trend nach vom WABY-Faktor differenziert wird. Der WABY-Faktor ist somit eine grundsätzlich geeignete Größe zur messenden Kennzeichnung der Weichheit.
8 Diskussion und Bewertung der Ergebnisse
Wie eingangs erwähnt, ist die taktile subjektive Bewertung der Weichheit von Tissue- Papieren durch ein erfahrenes Panel und anhand einer erprobten Methodik die Basis jeder Weichheitsbewertung. Die bestehenden Erfahrungen zeigen, dass mit diesem Bewertungs- verfahren zuverlässige und wiederholbare Kennzeichnungen der Weichheit möglich sind, solange keine Vergleiche zwischen Produkten verschiedener Hersteller notwendig sind.
Weiterhin zeigen die Erfahrungen, dass eine ungewöhnlich große Spreizung möglich ist, also eine sehr feine Unterteilung der Weichheitsgrade vorgenommen werden kann.
Vor dem Hintergrund dieses Sachverhaltes war die sensorisch taktile Bewertung der Weich- heit der Produkte, die dem vorliegenden Bericht zugrunde lag, das „Maß aller Dinge“. Alle messenden Verfahren mussten sich mit der sensorischen Prüfung vergleichen und nur die Verfahren können als erfolgreich angesehen werden, die zumindest zum gleichen Ranking führen.
Insgesamt haben die Ergebnisse die Theorie bestätigt, nach der die Weichheit in erster Linie eine Eigenschaft der Struktur der Tissue-Papiere ist. Diese Aussage gilt sowohl für die Ober- flächenweichheit als auch für die Volumenweichheit.
Der WABY-Faktor basiert allein auf das Verformungsverhalten des Tissue im Zugversuch. Er stellt eine Beziehung auf zwischen dem Verformungsverhalten bei kleinen Zugkräften und der Gesamtfestigkeit des Papiers her. Damit wird nur ein Teil der komplexen Struktureigen- schaften eines Tissue-Papiers erfasst, dieser allerdings in verhältnismäßig strenger physika- lischer Weise. Möglicherweise ist das Fehlen von Einflüssen anderer Art der Grund dafür, dass der Korrelationsfaktor beim WABY-Faktor nicht besonders hoch ist.
Eine sehr hohe Korrelation zeigt dagegen die Schwingungszeit des Bekk-Kreispendels. Die Ursache dürfte in den komplexen Belastungsbedingungen liegen, die das schwingende Pen- del auf das Tissue-Papier ausübt. Der reinen Druckbelastung ist eine dynamische Belastung überlagert, mit der die viskoelastischen Eigenschaften der Papierstruktur offenbar sehr gut erfasst werden können, was auch bei der sensorischen Bewertung eine große Rolle spielen
0 0,05 0,1
5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9
Weichheitsfaktor
WABY-Faktor
dürfte. Eine Interpretation im Sinne physikalischer Modelle ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt allerdings noch nicht möglich.
Mit dem Bekk-Kreispendel steht aber ein einfaches Messgerät zur Verfügung, mit dem die Weichheit von Tissue-Papieren bewertet werden kann, wobei die Bewertungsrangfolge ge- nau der der sensorischen Prüfung entspricht. das Auflösungsvermögen des Bekk- Kreispendels ist allerdings bedeutend geringer als das der sensorischen Prüfung. Es kann somit diese Prüfung nicht ersetzen, es kann aber zu einer schnellen und kostengünstigen Vorprüfung erfolgreich eingesetzt werden.
Danksagung
Das Forschungsvorhaben AiF 12117 B, aus dessen Ergebnissen die vorliegende Arbeit zu- sammengestellt wurde, wurde durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsverei- nigungen (AiF), Köln, mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) finanziell gefördert. Dafür sei an dieser Stelle gedankt.
Autoren
Dr. R. Wilken Waltraud Knapp
PTS München PTS München
Hessstr. 134 Hessstr. 134
80797 München 80797 München
Tel.: 089 12146 80 Tel.: 089 12146 83
Fax: 089 12146 36 Fax: 089 12146 36
r.wilken@ptspaper.de w.knapp@ptspaper.de
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