Porównawcza ocena testów penetracji wody w papier

Wyjaśniono złożoność penetracji wody w strukturę papieru w oparciu o takie podstawowe zjawiska, jak zwilżanie powierzchni włókna, rozprzestrzenianie się zwilżania, wnikanie nawilżającej wody w pory papieru oraz do wnętrza włókien (pęcznienie). Stanowiło to podstawę do oceny użyteczności powszechnie używanych testów pomiarowych, takich jak kąt zwilżania, test Herculesa (HST) oraz test Bristowa. Podano charakterystykę tych testów i uzasadniono ich ograniczone możliwości precyzyjnego i całościowego interpretowania wnikania wody w papier. Słowa kluczowe: penetracja wody, zwilżanie powierzchni, wnikanie w pory papieru, pęcznienie, testowanie kąta zwilżania, HST, Bristow test. Porównawcza ocena testów penetracji wody w papier Część 1. Charakterystyka zjawiska i konwencjonalne metody pomiarowe Critical Review of Water Penetration Tests Part 1. Scientific bases of water penetration into paper structure This is part 1 of a series on testing water penetration into paper. The subject at hand is very complex and not completely understood. Part one outlines the scientific basis of water penetration into paper, interpretation and suitability of presently used tests. Keywords: water penetration, wetting, spreading, swelling, testing, contact angle, HST, Bristow Tester Introduction The penetration of water into paper from printing inks, coating colors and adhesives impacts both the visual and physical properties of paper final products. It was observed that it makes a significant difference if most of the penetrating water enters into paper pores or inside the fibers pores (1). Both infiltrated portions of water have different destructive effects. Consequently, the portions of water entered into two types of paper pores and have a strong (positive or negative) impact on: Gloss and smoothness Ink density, Show thru Color register Paper flatness Coating weight or glue dewatering Scratches Dry coating layer structure, and others Therefore, it is critical to understand the scientific principles of water penetration into paper structure. Objective 1. Outline the scientific bases of water penetration into paper. 2. Discuss the results obtained on most frequently used water penetration tests. Background Water penetration starts from the surface of paper and progresses into the bulk of the paper structure. While fiber density Dr. J.W. Skowroński, Adj. Associate Professor, North Carolina State University, Raleigh, North Carolina, USA, jerzyskowronski@aol.com Wprowadzenie Jerzy W. Skowroński Natura wnikania wody w papier podczas drukowania, powlekania wodnymi mieszankami powlekającymi lub też powierzchniowego zaklejania skrobią wpływa na właściwości wizualne oraz wytrzymałościowe końcowego produktu papierowego. Zaobserwowano, że zachodzące zmiany zależą od tego, czy woda penetruje tylko w pory papieru, czy też do wnętrza włókien (1). Zmiany strukturalne papieru w obu przypadkach są inne. Porcje wody wnikającej w pory papieru lub wewnątrz włókien mają odmienny wpływ na: gładkość i połysk intensywność nadruku, przebicie druku pasowanie kolorów płaskość leżenia papieru zadrukowanego szybkość odwadniania mieszanki powlekającej lub kleju strukturę warstwy powlekającej i inne. Celem niniejszej pracy było dokonanie oceny wnikania wody w strukturę papieru oraz użyteczności metod najczęściej stosowanych do jego pomiaru, w oparciu o naukowe podstawy tego zjawiska. Charakterystyka zjawiska wnikania wody w papier Struktura papieru Woda naniesiona na powierzchnię papieru wnika w głąb jego struktury. Ponieważ gęstość litej substancji ścianki komórkowej włókien wynosi ok. 1,4 g/cm 3, a gęstość papieru tylko 0,75 g/cm 3, można przyjąć, że ok. 50% objętości papieru zajmują pory wypełnione powietrzem. Pory w papierze można podzielić na cztery grupy (rys. 1): pory otwarte po nawilżanej stronie papieru pory otwarte po obu stronach papieru 271

pory zamknięte wewnątrz papieru mikropory wewnątrz włókien (2). Wnikanie wody w strukturę papieru Lyne (3) uważał, że wnikanie wody w papier jest kombinacją następujących zjawisk: zwilżania powierzchni, rozprzestrzeniania się nawilżonej powierzchni oraz penetracji kapilarnej penetracji pod ciśnieniem dyfuzji wewnątrz włókien i ich pęcznienia. Penetracja kapilarna Niskanen (4) określił wnikanie wewnątrz papieru jako płynięcie kapilarne do aktywnych kapilar oraz użył równania Lukas- Washburna do ilościowego opisu tego zjawiska: [1] Rys. 1. Struktura grubości papieru z czterema rodzajami porów Fig. 1. Thickness direction paper structure with four kinds of pores Ciecz Liquid Ciecz Liquid gdzie: h droga penetracji r promień kapilary g napięcie powierzchniowe q kąt zwilżania h lepkość cieczy t czas penetracji W przypadku zerowego ciśnienia penetracja kapilarna wymaga zwilżania oraz rozprzestrzeniania się zwilżania w kapilarach. Jeśli nie, to brakuje siły wciągającej ciecz w kapilary. Zwilżanie Kryterium spontanicznego zwilżania powierzchni dla cieczy o napięciu powierzchniowym g L oraz energii powierzchniowej ciała stałego g s jest przedstawione na rysunku 2. Lepoutre (5) uznał, że faza pośrednia o energii g sl zostanie utworzona spontanicznie, jeśli zmiana energii swobodnej DG w będzie ujemna. Równanie na rysunku 2 definiuje, że siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy oraz cząsteczkami ciała stałego są większe niż między cząsteczkami cieczy. Rozprzestrzenianie się wilgoci Rozprzestrzenianie się wilgoci polega na zastąpieniu powierzchni ciała stałego przez fazę pośrednią miedzy ciałem stałym a cieczą, wraz z powierzchnią cieczy (rys. 3). Proces ten będzie spontaniczny, jeśli całkowita zmiana swobodnej energii będzie ujemna (5-7). Zwykle g sl jest względnie małe w porównaniu do g L i może być pominięte. W związku z tym, generalną zasadą jest, że rozprzestrzenianie się cieczy na powierzchni ciała stałego zachodzi, jeśli energia powierzchniowa cieczy jest mniejsza niż energia powierzchniowa ciała stałego. Kąt zwilżania (rys. 4) jest miarą oddziaływania między cząsteczkami cieczy i cząsteczkami ciała stałego. Większy kąt kontaktu oznacza mniejszą interakcję. Na poziomie makrostatyczny Rys. 2. Kryterium spontanicznego zwilżania powierzchni Fig. 2. Criterion for spontaneous wetting Rys. 3. Kryterium spontanicznego rozprzestrzeniania się wilgoci Fig. 3. Criterion for spontaneous spreading is about 1.40 g/cm 3, the paper density is about one half of that value (i.e. approximately 0.75 g/cm 3 ). This means that about 50% of paper volume consists of pores filled primarily with air. There are four kinds of pores observed in paper (Fig. 1): pores open to the paper s surface pores open to both sides pores closed inside the bulk of paper micro-pores inside fibers (2). Water penetration into paper was considered by Lyne (3) as combination event of the following phenomena: of wetting, spreading and capillary penetration pressure penetration diffusion into the fiber wall and swelling. Capillary penetration According to Niskanen (4), the penetration into paper occurs by capillary flow into effective capillaries. To analyze this flow, the Lukas-Washburn equation is used: where: h is the distance traveled Ciecz Liquid [1] 272

Faza gazowa Fluid 1 (vapor) Zwiastun Precursor Faza ciekła Fluid 1 (liquid) Rys. 4. Zwilżanie a kąt styku Fig. 4. Wetting and contact angle r capillary radius g surface tension q contact angle between the liquid and the capillary wall h fluid viscosity t time At zero pressure, capillary penetration requires wetting and spreading into uniform capillaries. Otherwise, no force pulls the liquid into the capillary system. Rys. 5. Penetracja kapilarna oraz dyfuzja do ścianek włókien Fig. 5. Capilar penetration and diffusion into fiber walls Wetting In the case of having a liquid of surface energy g L and a solid of surface energy g S (Fig. 2), Lepoutre (5) considered that an interface of energy g SL will be created spontaneously if the change in free energy DG W is negative. The equation states that the forces of interaction between the molecules of the liquids and those of the solids are greater than those between the liquid. Spreading Spreading of a liquid over a solid surface implies the replacement of the solid surface by a solid-liquid interface plus a liquid surface (Fig. 3). The process will be spontaneous if the overall change in free energy is negative (5-7). Usually, g SL is relatively small compared to g L, and so, may be neglected. Therefore, the general rule states that the spreading will occur if the surface energy of the liquid is lower than that of a solid. The contact angle (Fig. 4) is a measurement of the interaction between the molecules of the liquid and those of the solid. As the contact angle increases, the lower is the interaction. On the macroscopic level, the static contact angle (q), which is measured at equilibrium conditions, represents the common characteristic of wetting. On a solid surface, wetting occurs when the contact angle of the liquid front is below 90 degree (Fig. 4). For the microscopic level, the model of a constant contact angle is inadequate. It was postulated that a liquid does not end abruptly at the three phase s coexistence (solid/liquid/gas). Instead, a thin precursor film extends into the front of the bulk liquid phase (as shown on Fig. 4). Also, this precursor film differs in its properties from the bulk liquid phase. In particular, the bulk surface tension does not hinder spreading (4). Rys. 6. Penetracja cieczy w pory i włókna dla modelowego i rzeczywistego papieru (10) Fig. 6. Penetration into pores and fibers for both model and real paper (10) kąt kontaktu (q), który jest mierzony w stanie równowagi, reprezentuje ogólną charakterystykę zwilżania. Zwilżanie powierzchni ciała stałego następuje wtedy, kiedy kąt zwilżania cieczy wynosi poniżej 90 (rys. 4). Jednakże model stałego kąta zwilżania nie jest wystarczający do wyjaśnienia tego zjawiska w skali mikro. Argumentowano, że faza ciekła nie kończy się nagle (ostro) na granicy zbiegu trzech faz (stałej, ciekłej i gazowej), lecz, że istnieje cienka warstwa cząsteczek wyprzedzających fazę ciekłą (rys. 4). Właściwości wyprzedzającej warstewki różnią się od właściwości fazy ciekłej. W szczególności napięcie powierzchniowe objętościowej fazy ciekłej nie może inicjować zwilżania powierzchni (4). Dyfuzja do ścianki włókna oraz pęcznienie Penetracja wody w pory papieru między włóknami może także prowadzić do penetracji w pory wewnątrz włókien. Reaville i Hine (8) sugerowali, że wnikanie wody w strukturę papieru jest zależne od powierzchniowej dyfuzji zachodzącej w przestrzeni wyprzedzającej front wnikającej wody. Pierwszoplanową rolę w tej wymianie masy odgrywa kondensacja fazy gazowej (pary) na hydrofilowych częściach ścianek włókien wewnątrz porów papieru, po której następuje ponowne odparowywanie i kondensacja w coraz dalszych częściach powierzchni włókien w głąb porów papieru (rys. 5). Jednocześnie zachodzi również penetracja 273

wody wewnątrz struktury włókna. Vernhoeff, Hart i Dallay (9) stwierdzili, że wnikanie wody w niezaklejony papier zachodzi tak gwałtownie, że czasowe rozdzielenie penetracji w pory papieru od penetracji wewnątrz włókien jest niemożliwe. Jednakże penetracja wody w pory papieru i dyfuzja wody wewnątrz włókien wpływa na papier w inny sposób (10). Dyfuzja do wnętrza włókien powoduje pęcznienie włókien, a zatem rozszerzanie się papieru. Ta różnica jest przedstawiona na rysunku 6. W przypadku modelowego papieru można rozważyć dwie sytuacje: jeśli cała woda (Dv) wniknie wyłącznie do wnętrza porów włókien, wtedy objętość papieru wzrośnie o (Dv), powodując pęcznienie (O-A) jeśli penetracja w głąb włókien jest opóźniona, wtedy objętość porów papieru (Dp) zostaje wypełniona bez wywoływania pęcznienia (O-B). Kiedy dodatkowa objętość wody (Dv) wniknie do wnętrza włókien z opóźnieniem, następuje spęcznienie (B-C). W przypadku typowego papieru penetracja wody do wnętrza włókien wykazuje niewielkie tylko opóźnienie lub inną prędkość wnikania. W takiej sytuacji ciecz może penetrować papier i pory włókien jednocześnie aż do momentu, kiedy pory papieru się zapełnią (O-D). Potem woda będzie absorbowana tylko przez włókna (D-C). Wnikanie pod ciśnieniem W przypadku papierów zadrukowanych, powlekanych lub zaklejonych powierzchniowo wnikanie wody w papier będzie inne niż w poprzednim przykładzie. Napięcie powierzchniowe takiego przetwarzanego papieru jest małe w porównaniu z wywieranym na wodę w strefie docisku urządzenia przetwarzającego papier ciśnieniem zewnętrznym, które ją wpycha w strukturę papieru. W związku z tym równanie opisujące taką penetrację wody w papier zmieni się w stosunku do równania [1]: gdzie: p ciśnienie w strefie docisku K stała Kozeny uwzględniająca nieregularności kształtu i powierzchni porów papieru (11) Rzeczywista penetracja wody w papier Salminen (12) wykazał eksperymentalnie, że wnikanie wody w różne rodzaje papieru nie potwierdza równania Lukasa-Washburna. Odchylenia od tego równania są spowodowane przez: opóźnienie zwilżania powierzchni spowodowane przez zaklejenie papieru ciśnienie w strefie docisku podczas drukowania lub przetwarzania papieru. Może ono być tak duże, że zmniejsza grubość papieru, a tym samym zmniejsza objętość porów lub je zamyka. Po opuszczeniu strefy docisku papier się rozpręża, potencjalnie powodując zassanie wody w powiększające się pory [2] Diffusion into fiber wall and swelling The capillary flow into interfiber pores may also lead to intrafiber pores flow. Reaville and Hine (8) have suggested that the rate of water transport is determined by the surface diffusion occurring ahead of the liquid front. The primary transport process is regarded as the condensation of the vapor phase in the hydrophilic part of pore walls, which is followed by progressive re-evaporation and condensation up the pore construct (Fig. 5). Simultaneously, lateral penetration is happening into the wall. Vernhoeff, Hart and Gallay (9) have stated that water transport into unsized sheets is taking place so rapidly that the processes of capillary penetration and diffusion into fiber wall can not be adequately separated. However, capillary penetration and diffusion impact paper differently (10). The latter leads to the swelling of fibers, and hence of the paper. That difference can be illustrated on Fig. 6. In the case of model papers, one can consider the two following situations: If all penetrating liquid (Dv) enters the fiber pores, then the paper s volume will increase by (Dv) causing swelling (O-A) If penetration into the fiber is delayed, then the paper s pores volume Vp is filled-up without causing swelling (O-B). When the additional volume of (Dv) enters the fiber pores with delay, it will cause the swelling (B-C). In the case of a typical paper, the penetration of a liquid into fiber pores shows only a small delay or different penetration rate. Therefore, a liquid may penetrate into paper and fiber pores at the same time until the paper s pores fill-up (O-D). After this period, water will only be absorbed by fibers (D-C) Pressure penetration In the case of printing or other converting processes, the nip pressure can force a liquid to penetrate the paper. In such a circumstance, the surface tension is small compared to the external pressure. And so, the governing equation changes to: where: p is the liquid pressure in the nip, K Kozeny constant to account for irregular and tortuous pores (11). Reality of water penetration into paper Salminen (12) has demonstrated experimentally that the transfer of water to different papers often does not agree with the Lukas-Washburn equation. Some of the implications for real paper and real converting processes are: Wetting delay phenomena ( caused by sizing) In some printing and converting processes, the nip pressure is so great that it compresses paper, and thereby reducing pore volume and closing-up some pores. At the same time, the paper [2] 274

does recover its thickness at the nip exit, and thus, potentially causing the suction of liquid into the expanding paper pores Some of the paper pores are open only to the application side. Subsequently, the counter pressure of air needs to be considered The paper pores diameter and surface demonstrate high irregularity The fiber network expands after contact with water. This is secondary to fiber twisting, shape recovery and the release of internal stresses after breakage of internal bonds (13). All the above listed implications have made the interpretation of the water/liquid penetration into paper a very complex investigation. Each of the first three tests has a different focus on the liquid paper interaction, and each provides information useful to a specific situation. The Contact Angle Test is a liquid drop test that characterizes the chemical aspects of the liquid fiber interaction (14, 15). The Hercules Sizing Test is a flooding liquid test that combines chemical characterization with the structural aspect of tested paper (porosity) (16). The Bristow Wheel Tester is a loose imitation of the printing process that attempts to capture the dynamics of the interaction between a small amount of liquid and the paper surface structure (10). Rys. 7. Dynamiczny pomiar kąta zwilżania powierzchni Fig. 7. Dynamic Contact Angle Test wzrost ciśnienia powietrza zamkniętego w tych porach, które są otwarte tylko od strony wnikającej wody nieregularność średnicy oraz powierzchni porów papieru usieciowanie struktury włókien. Po kontakcie włókien z wodą ulega ona rozszerzeniu, zachodzi skręcanie włókien, powrót kształtu oraz usunięcie wewnętrznych naprężeń po zerwaniu wiązań między włóknami (13). Wszystkie wymienione implikacje powodują, że interpretacja zjawiska wnikania wody w papier na podstawie wyników uzyskanych metodami konwencjonalnymi jest bardzo złożona i trudna. Każda z trzech starszych metod pomiarowych ma inne podejście do badania oddziaływania wody z papierem i dlatego też wyniki każdej z nich są bardziej lub mniej użyteczne w zależności od warunków procesu przetwarzania papieru. Pomiar kąta zwilżania jest wykonany z kroplą wody dla charakteryzowania chemicznej natury oddziaływania wody z włóknem (14, 15). Test Herculesa jest testem, w którym próbka papieru jest zalana wodą i charakteryzuje zarówno chemiczną naturę powierzchni włókien, jak i porowatość struktury włóknistej papieru (16). Test Bristowa jest swobodną imitacją procesu drukowania, która próbuje uchwycić dynamikę oddziaływania między małą ilością cieczy a strukturą powierzchni papieru (10). Krótki przegląd typowych testów wnikania wody w papier Pomiar kąta zwilżania W związku z dynamiczną naturą zjawiska zwilżania i rozprzestrzeniania się wilgoci statyczna metoda pomiaru kąta zwilżania jest kłopotliwa i niedokładna. Współczesna wersja tego testu (17, 18) jest znana jako pomiar dynamicznego kąta zwilżania i polega na automatycznym umieszczeniu kropli wody na powierzchni papieru oraz zarejestrowaniu kamerą video zmian kształtu kropli wody w celu obliczenia następujących wskaźników opisujących dynamikę zwilżania: kąt zwilżania w funkcji czasu lub też w określonym czasie (a) prędkość rozprzestrzeniania się wilgoci (DW) wnikanie w strukturę papieru jako (-DH/DW) (rys. 7). Test stopnia zaklejenia Herculesa Podczas gdy dynamiczny pomiar kąt zwilżania skupia się na powierzchni papieru, test Herculesa (HST) rozszerza to do objętości papieru. Mierzy on czas potrzebny do przeniknięcia zabarwionej wody poprzez pory całej grubości papieru (rys. 8), tj. do chwili, w której nastąpi zmiana zabarwienia na tylnej powierzchni papieru, co sygnalizują czujniki optyczne (19). Rys. 8. HST do pomiaru prędkości penetracji cieczy Fig. 8. Measurement of penetration rate on HST Test Bristowa Podczas gdy dynamiczny pomiar kąta zwilżania monitoruje dynamikę zachowania się pojedynczej kropli cieczy, test Bristowa mierzy dynamikę penetracji cieczy wylanej na powierzchnię papieru (10). Zasada pomiarowa tego testu jest przedstawiona na rysunku 9A, a jego interpretację ilustruje rysunek 9B. Testowany 275

pasek papieru jest założony na koło, które może się poruszać z różną prędkością (rys. 9A). Dozownik cieczy jest wypełniony 1 ml zabarwionej wody. Pomiar rozpoczyna się w momencie uruchomienia koła oraz opuszczenia dozownika w celu nałożenia 1 ml cieczy na powierzchnię próbki. Nałożona ciecz zostawia ślad o szerokości 1 cm i długości kilku centymetrów. Większa prędkość ruchu koła daje dłuższy ślad naniesionej cieczy, większa prędkość wnikania cieczy w papier daje ślad krótszy. Naniesiona objętość cieczy na jednostkę powierzchni (V) jest obliczana ze wzoru pokazanego na rysunku 9B. Pomiar jest powtarzany przy różnych prędkościach ruchu koła pomiarowego. Czas kontaktu oblicza się przez podzielenie 1 mm szerokości otworu dozownika cieczy przez prędkość ruchu koła. Interpretacja otrzymanych wyników jest pokazana na rysunku 9B. Nałożona objętość cieczy jest przedstawiona w funkcji pierwiastka kwadratowego czasu kontaktu (czas kontaktu papieru z cieczą w szczelinie dozownika). Jak widać na rysunku, przez bardzo krótki okres kontaktu nałożona objętość cieczy pozostaje stała. Przy dłuższym kontakcie objętość ta wzrasta proporcjonalnie do czasu. Kształt krzywej zmian nałożonej objętości cieczy świadczy o tym, że przy bardzo krótkim kontakcie nie ma wnikania cieczy w papier. Według interpretacji Bristowa, początkowa objętość (L) jest objętością nierówności powierzchni papieru wynikających z jego szorstkości, a czas (tb) jest opóźnieniem czasowym zwilżania papieru (zanim ciecz zacznie wnikać w papier). Nachylenie krzywej (S) pokazuje szybkość wnikania cieczy w papier (8). Fizyczne znaczenie czasu zwilżania (tb) nie jest jeszcze dobrze zrozumiałe. Między innymi nie jest jasne, w jakim stopniu na trudności interpretacyjne (tb) wpływa niedoskonałość pomiaru wykonanego przy bardzo krótkim czasie kontaktu między papierem i dozownikiem (poniżej 40 ms). Naukowe wyjaśnienie znaczenia opóźnienia czasowego zwilżania powierzchni papieru zostało zaproponowane przez Lopoutre, Inoue oraz Asplera (20), w oparciu o badania Kaelble (21). Założyli oni, że cząsteczki wody dyfundują we włókna i obniżają temperaturę mięknięcia amorficznej celulozy na powierzchni włókna, pozwalającego na odwrócenie się polarnych grup hydroksylowych w rotacji na zewnątrz, co w konsekwencji sprawia, że energia powierzchni włókna wzrasta, a międzyfazowa energia maleje. Wówczas czas potrzebny na wzrost ciśnienia kapilarnego odpowiada opóźnieniu czasowemu zwilżania. A Rys. 9. Zasada testu oraz interpretacja jego wyników w aparacie Bristowa Fig. 9. Bristow tester principle and the interpretation of obtained results B Brief review of some typical liquid absorption tests for paper Contact angle test Due to the dynamic nature of wetting and spreading, the static method of measuring the contact angle was very difficult. The modern version of that test (17, 18), known as the Dynamic Contact Angle, is an automated process depositing a drop of liquid onto paper while videotaping the change of the liquid drop shape. Recording the elapse of time and making calculation provides: contact angle at specified time (a) spreading speed (DW) penetration as (-DH / DW) (Fig. 7) Hercules Sizing Tester Whereas the Dynamic Contact Angle Test focuses on the paper surface, the focus of the Hercules Sizing Tester (HST) extends to paper bulk (Fig. 8). HST measures the time required for a colored liquid to get through the paper pores along the thickness to the other side of the tested paper. The change of color in paper s back side surface is recognized by optical sensors (19). Bristow Wheel Tester Whereas the Dynamic Contact Angle Test monitors the behavior dynamics of a single drop of liquid, the Bristow Wheel Tester measures the dynamics of penetration of a liquid flooding the paper surface (10). The principle of testing is presented on Fig. 9A and its interpretation is illustrated on Fig. 9B. The tested paper sample strip is attached to a wheel which can move at different speeds (Fig. 9A). A liquid applicator is filled-up with 1 ml of colored testing liquid. Measurement then starts when the wheel initiates movement and the liquid applicator drops down to touch the paper surface to deposit 1 ml of testing liquid volume. The deposited testing liquid will leave a tracing of certain length. This tracing length is about few cm in length and dependent on the penetration rate of liquid into paper. Specifically, a faster penetration of liquid into paper will show a shorter tracing. The applied volume (V) is then calculated from the formula (Fig. 9B). 276

Podsumowanie W oparciu o podstawy naukowe oddziaływania między papierem a wodą można stwierdzić, że trzy porównane metody pomiaru wnikania wody w papier (pomiar kąta zwilżania, test Herculesa i test Bristowa) charakteryzują trzy różnego rodzaju oddziaływania między wodą a papierem: Measurement is repeated at different wheel speeds to obtain the applied volume at a different liquid / paper contact time. The contact time is the result of dividing 1 mm of applicator slot by wheel speed. The interpretation of the results is presented on Fig. 9B. The applied volume is plotted as a function of the square root of contact time (residence time). For a very brief contact time (tb), the applied volume remains constant and shows a proportional increase with time for longer contact times. The graph shape generated suggests that there is no penetration into paper for short contact times. Bristow s interpretation is that the initial volume (L) is the paper roughness volume and that time (tb) is the wetting delay time (time before liquid starts to penetrate into the paper). The slope (S) represents the penetration rate. The physical meaning of wetting delay is not well understood. Moreover, it is not clear, how much of this is the lack of understanding which can be attributed to factors yet unknown to science and how much can be attributed to the imperfection of measurement (development of contact between applicator and paper at very short times - up to about 40 ms). A scientific explanation for wetting delay time was delivered by Lepoutre, Inoue and Aspler (20) based on the work of Kaelble (21). They had assumed that water molecules diffuse into fiber and lower the glass transition temperature of amorphous cellulose on the surface, and thereby, allowing polar hydroxyl groups to rotate outwards. As the result, the surface energy increases and the interfacial energy decreases. The time required to increase the capillary pressure in this way corresponds to the wetting delay time. Summary Three discussed water penetration tests reflect three different kinds of water paper interaction: water drop on paper surface water flooding of paper structure in static soaking mode water flooding of paper surface in dynamic mode Therefore, the suitability of used test depends on tested paper application (in converting or usage). However, none of discussed tests can not distinguish paper pores penetration from fiber pores penetration and characterize the uniformity of penetration. This issue can be addressed by using three novel tests presented in Part 2. oddziaływanie między kroplą wody a powierzchnią papieru (włókien) zalanie wodą papieru w statycznych warunkach moczenia zalewanie powierzchni papieru małą ilością wody w warunkach dynamicznych przy krótkim czasie kontaktu wody z papierem. W konsekwencji, przydatność każdego z tych testów zależy od metody przetwarzania papieru oraz/lub przeznaczenia testowanego papieru. Należy jednak zaznaczyć, że omówione testy razem lub osobno nie są w stanie odróżnić wnikania wody w pory papieru od wnikania wody w pory włókien ani też określić równomierności wnikania wody w papier. To zagadnienie może być rozwiązane przy zastosowaniu nowych technik pomiarowych, które zostaną przedstawione w drugiej części niniejszej pracy. Literatura/Literature 1. Skowronski J.: A Clarification of the Complexity of Ink Paper Interactions in Inkjet Printing and their Impact on Printed Paper Properties, Praca habilitacyjna, Politechnika Łódzka, Łódź 2009. 2. Corte H., Kallmes O.J.: Formation and Structure of Paper, Ed. Bolam F., London 1962, s. 13. 3. Lyne B.: Handbook of Physical and Mechanical Testing of Paper and Paperboard, Ed. Mark R.E., Marcel Dekker, New York 1984, s. 103. 4. Niskannen K.: Paper Physics, Tappi Press, Atlanta 1998, s. 14. 5. Lepoutre P.: Design Criteria for Paper Performance, Ed. Petter Kolseth at el., STFI-Meddelande, Stockholm 1987, s. 127. 6. Moutuho I., Figureiredo M., Ferriera: Evaluating the surface energy of laboratory made paper sheets by contact angle measurement, Tappi J. 90, 6, 27 (2007). 7. Neimo L.: Papermaking Chemistry, Finnish Paper Eng. Ass., Finland 1999, s. 151. 8. Reaville E.T., Hine W.R.: Tappi J. 50, 6, 262 (1967). 9. Verhoeff J., Hart J.A., Gallay W.: Pulp Paper Can. 64, 12, T509 (1967). 10. Bristow J.A.: Paper Structure and Properties, Ed. Bristow J.A. and Kolseth P., Marcel Decker, New York 1986, s. 183. 11. Corte H.: Handbook od Paper Science, Ed. Rance H.F., Elsevier, Amsterdam 1982, s. 10. 12. Salminen P.: Studies of water transport in paper during short contact times, Doctoral dissertation, Abo Akademi, Turku, Finland 1988. 13. Skowronski J.: Surface Roughening of Precalendered Base Sheets During Coating, J. Pulp Paper Sci. 16, 3, J102 (1990). 14. Yang T.: Phil. Trans. Roy. Soc. 95, 65 (1805). 15. KSV Instruments Ltd.: www.ksvltd.com 16. Tappi Test Methods T530 pm 89. 17. Etzler F.M., Buche M., Bobalek J.F., Weiss M.A.: Surface Free Energy of Paper and Inks; Printability Issues, TAPPI Papermakers Conference Proceedings, 1995, s. 383-394. 18. Aurenty P.: An apparatus for characterization of the static and dynamic wettability of complex interfaces, Review of Scientific Instruments 64, 4, 1 (1997). 19. Boone S.R.: Use of T 530 (HST) [TAPPI Test Method T 530 pm-89] on Calcium Carbonate-Containing Papers, Tappi J. 79, 2, 123 (1996). 20. Lepoutre P., Inoue M.,Aspler J.S.: Wetting Time and Critical Surface Tension. Tappi J. 68, 12, 86 (1985). 21. Kaelble D.H.: Paper Physics Seminar, STFI, Stockholm, June 1984. 277