ISO 24118-12023 纸和纸板触笔接触法第1部分表面粗糙度的测定标准立项发展报告

纸和纸板触笔接触法第1部分：表面粗糙度的测定标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Paperandboard—Styluscontactmethod—Part1:Determinationofsurfaceroughness摘要纸和纸板的表面粗糙度是影响印刷适性、涂布加工、复合工艺及终端使用性能的关键质量指标之一。随着现代造纸工业向高速化、精细化和功能化方向发展，以及数字印刷、柔性包装等新兴应用领域对纸面微观形貌要求的不断提高，建立统一、精确、可比的表面粗糙度测定方法标准已成为国际造纸行业亟须解决的基础性技术问题。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2023年10月20日正式发布了ISO24118-1:2023《纸和纸板触笔接触法第1部分：表面粗糙度的测定》，该标准由ISO/TC6（纸、纸板和纸浆技术委员会）负责制定，是ISO在纸和纸板表面粗糙度检测领域的重要标准成果。本标准规定了采用触笔接触法测定纸和纸板表面粗糙度的术语定义、原理、仪器要求、试样制备、试验步骤、结果计算与表示以及试验报告等关键技术内容，适用于绝大多数印刷用纸、包装用纸及特种纸板的表面粗糙度评价。本报告系统梳理了该标准的立项背景、技术内容、适用范围及预期影响，并结合国内外相关标准体系进行了对比分析，旨在为标准使用者、检验检测机构及造纸企业提供全面、准确的技术指引，推动该国际标准在我国造纸行业的有效实施与广泛应用。关键词：纸和纸板；表面粗糙度；触笔接触法；国际标准；ISO24118-1；印刷适性；质量检测一、引言表面粗糙度是表征材料表面微观几何形貌特征的重要参数，对于纸和纸板而言，其表面粗糙度直接影响油墨转移的均匀性、印刷品的光泽度和清晰度、涂布层的附着力以及压痕、折叠等后加工工序的质量稳定性。在高速印刷条件下，纸张表面过高的粗糙度会导致印刷网点丢失、实地密度不足等问题；而过度平滑的表面又可能引发透印、蹭脏等印刷故障。因此，准确测定和有效控制纸和纸板的表面粗糙度，对于造纸企业优化生产工艺、印刷企业评估原材料性能以及终端用户保证产品质量均具有重要的工程实践意义。在国际标准化领域，ISO/TC6一直致力于纸浆、纸、纸板和纸制品相关试验方法和产品规范的标准化工作。此前，纸和纸板表面粗糙度的检测主要依赖空气泄漏法（如本特森法、谢菲尔德法、印刷表面法）等间接测定手段，这些方法虽在行业内得到广泛应用，但其测定原理基于气流通过纸面与测量环之间间隙的阻力，反映的是表面孔隙结构的综合效应，无法精确表征表面微观峰谷的定量几何特征。随着精密加工技术和传感器技术的发展，触笔接触法（又称探针轮廓法）已被证明可实现对材料表面粗糙度参数的直接、定量测量，并且在金属、陶瓷、聚合物等材料领域已有成熟的国际标准（如ISO21920系列）。然而，将触笔接触法系统性地引入纸和纸板这类柔性、多孔、可压缩性材料的表面粗糙度检测，国际上尚缺乏统一的技术规范。在此技术背景下，ISO/TC6经过前期充分的技术调研和试验验证，于2020年正式启动了ISO24118系列标准的制定工作，将纸和纸板表面粗糙度的触笔接触法测定分为若干部分逐步推进。2023年10月20日，ISO24118-1:2023作为该系列标准的第1部分正式发布，填补了纸和纸板表面粗糙度触笔接触法检测国际标准的空白，为全球造纸及相关行业提供了统一的技术依据。二、标准编制背景2.1行业发展需求2.2现有方法的局限性造纸行业广泛使用的空气泄漏法表面粗糙度测定方法（如本特森法（Bendtsen）、谢菲尔德法（Sheffield）、印刷表面法（PPS）等）存在以下局限性：一是测量结果受环境湿度、夹持压力、测量头磨损等因素影响较大，重复性和再现性有待提高；二是空气泄漏法反映的是纸张表面与测量环间气流的综合泄漏情况，其对表面微观形貌的响应是非线性的，无法提取Ra（算术平均偏差）、Rz（微观不平度十点高度）等标准化粗糙度参数；三是空气泄漏法的测量分辨率有限，难以满足高平滑度涂布纸和特种纸的表面质量评价需求。2.3国际标准化动态ISO/TC6（Paper,boardandpulps）下属的WG9工作组长期负责纸和纸板表面性能试验方法的标准化工作。近年来，在德国、芬兰、日本等国专家的积极推动下，WG9开始系统调研触笔接触法在纸和纸板表面粗糙度检测中的应用可行性。多轮实验室间比对试验（round-robintests）结果表明，在优化测量参数和试样处理条件下，触笔接触法能够获得与空气泄漏法良好相关的测量结果，同时能提供更丰富的表面形貌信息。基于此，WG9决定制定ISO24118系列标准，其中第1部分规定基本测定方法，后续部分将进一步规定滤除波长的选择、测量长度等扩展内容。2.4政策与市场需求驱动在政策层面，各国对产品质量和消费者权益保护的监管日益严格，造纸及印刷包装行业的产品质量追溯体系要求更加精确的性能检测手段。在市场层面，国际贸易中纸和纸板产品的质量认证和贸易技术壁垒协调也需要统一的国际检测标准。ISO24118-1的发布为全球造纸行业提供了一个建立在精密计量学基础上的、通用的表面粗糙度检测平台，有助于促进技术交流与贸易便利化。三、标准主要内容3.1范围ISO24118-1:2023规定了使用触笔接触法测定纸和纸板表面粗糙度的试验方法。该方法适用于大多数印刷纸、书写纸、包装纸及纸板产品，但不适用于表面含有松散的纤维、涂料块或其他可能导致触笔在规定测量力下产生异常偏移的松散附着物的纸张，也不适用于表面柔软度极高、在测量力作用下易产生显著变形的材料。3.2规范性引用文件该标准在技术内容上引用了ISO186（纸和纸板—测定平均质量的取样方法）、ISO187（纸、纸板和纸浆—调湿和试验的大气条件及其试样调湿和试验的方法）、ISO534（纸和纸板—厚度、层积紧度和表观层积紧度的测定）等基础性国际标准，确保取样方法、调湿条件等前置环节的一致性和可比性。3.3术语和定义标准对以下关键术语进行了界定：-表面粗糙度（surfaceroughness）：指由加工或其他因素产生的、具有较小间距和微观峰谷的表面微观几何形状特性；-触笔接触法（styluscontactmethod）：通过具有规定几何尺寸和测量力的金刚石或蓝宝石触笔沿样品表面以恒定速度移动，由位移传感器记录触笔的垂直运动轨迹，从而获得表面轮廓的测量方法；-轮廓算术平均偏差（Ra）：在取样长度内，被评定轮廓上各点至中线偏差绝对值的算术平均值；-轮廓最大高度（Rz）：在取样长度内，最大轮廓峰高与最大轮廓谷深之和。3.4原理该标准的测量原理为：将具有规定尖端半径（通常为2μm或5μm）和锥角的触笔以规定的测量力（通常为0.75mN～1.5mN）垂直压在被测纸样表面，触笔以恒定速度沿垂直于纸幅纵向的方向（通常为横向）移动一段规定的测量长度。触笔在跟随表面轮廓运动时产生的垂直位移由高精度位移传感器（如LVDT或光学干涉传感器）实时采集，经模数转换和数字滤波后，由数据处理系统按照规定的评价算法计算出Ra、Rz等表面粗糙度参数。3.5仪器与设备标准对测量仪器提出了以下主要技术要求：-触笔：尖端半径允差±0.5μm，锥角60°±2.5°，材质为金刚石或蓝宝石；-测量力：可调范围0.5mN～5mN，在设定值处稳定度优于±0.1mN；-位移传感器：垂直分辨率不低于12nm，线性量程不小于100μm；-驱动机构：水平驱动速度10μm/s～100μm/s可调，速度偏差不大于±5%；-数据处理系统：应具备轮廓滤波（高斯滤波）、去除形状误差和波纹度成分、计算粗糙度参数等功能。3.6试样制备标准规定，试样应按照ISO186进行取样，按照ISO187规定的标准大气条件（温度23℃±1℃，相对湿度50%±2%）进行至少4小时的调湿处理。每个样品应至少制备5个试样，每个试样的测试区域应避开可见的纸病、尘埃、水印等局部不均匀区域。对于需要区分纸幅纵向（MD）和横向（CD）表面粗糙度差异的情况，应在两个方向上分别取样和测量。3.7试验步骤标准规定的试验步骤包括：1.仪器校准：使用标准粗糙度样块进行校准，校准周期不超过24小时；2.试样固定：将试样平展地放置在测量平台上，确保无褶皱、无拉伸变形；3.测量参数设置：设定测量长度（推荐5.6mm，含0.8mm评估长度）、截止波长（λc=0.8mm）、触笔移动速度（推荐50μm/s）；4.测量操作：缓慢降低触笔至试样表面，待示值稳定后启动测量程序；5.数据记录：每个试样至少采集3条平行测量轮廓，记录每条轮廓的Ra、Rz值。3.8结果计算与表示结果以所有测量轮廓的算术平均值表示，保留三位有效数字。标准差和变异系数应一并报告，用于评价纸张表面粗糙度的均匀性。测试报告应包含完整的测试条件信息，包括调湿条件、测量参数、触笔规格等。四、标准的结构框架与编制原则4.1标准框架结构ISO24118-1:2023的整体结构按照ISO/IEC导则第2部分的规范编排，依次为：前言、引言、范围、规范性引用文件、术语和定义、原理、仪器、取样与试样制备、试验步骤、结果计算与表示、精密度、试验报告以及附录（资料性）等。该框架设置完整合理，层次分明，兼顾了方法标准的系统性和可操作性，为系列后续部分的技术扩展预留了接口。4.2编制原则该标准在编制过程中遵循了以下原则：科学性：测量原理建立在接触式表面计量学的成熟理论基础之上，关键参数（触笔半径、测量力、截止波长等）的选取参考了ISO21920系列标准及大量验证试验数据，确保测量结果在物理意义上的可靠性和准确性。适用性：充分考虑纸和纸板区别于硬质材料的特殊性，在触笔尖端半径、测量力上限、取样长度和评定长度等方面进行了针对性优化，兼顾了对柔软、多孔、可压缩表面的适应性和对微观形貌的灵敏分辨力。协调性：标准在术语体系、参数定义、滤波方法等方面与ISO21920系列保持高度一致性，有利于不同材料表面粗糙度参数的比对和互换；同时也注意与已有空气泄漏法标准（如ISO8791系列）之间的关系界定，确保新旧方法在行业应用中的平稳过渡和有效互补。可操作性：标准对仪器性能指标、校准要求、试样处理、测量步骤等做出明确、具体的规定，具备良好的操作指导性，便于不同实验室按照统一规范开展检测工作。五、主要参与单位与技术贡献5.1标准起草的主要推动力量ISO24118-1:2023的制定汇集了全球造纸检测领域多个权威机构的专家力量。在ISO/TC6/WG9工作框架下，来自芬兰VTT技术研究中心、德国联邦材料研究与检验研究所（BAM）、日本制纸联合会、美国TAPPI以及瑞典RISE研究院等机构的专家在方法开发、实验室间比对和文本起草等方面发挥了核心作用。5.2主要参与单位技术贡献以德国联邦材料研究与检验研究所（BAM）为例，BAM是德国联邦经济和气候保护部直属的资深材料科学研究机构，在材料性能检测与标准化领域拥有超过150年的历史积淀，其在表面计量学和精密测量技术方面的研究水平处于国际领先地位。在ISO24118-1的编制过程中，BAM的专家团队主导完成了触笔参数优化和表面响应特性验证等关键基础研究工作。项目团队利用高精度标准样块和多种典型纸样（包括未涂布印刷纸、轻量涂布纸、铜版纸、液体包装纸板等），系统研究了不同触笔尖端半径和测量力条件下获得的表面粗糙度参数差异，并结合光学干涉法和共聚焦显微镜法进行了交叉验证，为确定最佳测量条件提供了翔实的试验依据。同时，BAM还牵头组织了涉及12个国家、18个实验室的国际化比对试验，统计分析结果表明，在标准规定的条件下，Ra值的实验室间再现性标准偏差可控制在6%以内，验证了该方法的可靠性和精密度。此外，BAM的专家深度参与了标准中术语定义和方法原理部分的起草工作，将其在接触式轮廓测量领域积累的丰富理论经验和技术规范融入标准条款之中，为保障标准的科学严谨性发挥了重要作用。六、标准实施的意义与预期影响6.1对造纸行业的意义ISO24118-1:2023的实施将为造纸企业提供一种更加精确、客观的表面粗糙度评价工具。通过对压光、涂布、表面施胶等关键工序前后纸张表面粗糙度的定量测定，企业可以更加科学地优化工艺参数，实现产品质量的精准控制。同时，该标准所定义的Ra、Rz等参数具有较强的通用性，便于企业内部不同生产线之间以及企业与下游客户之间的技术交流。6.2对印刷包装行业的价值对于印刷企业而言，ISO24118-1提供的表面粗糙度数据可用于更准确地预测油墨转移行为、评估印刷品光泽度和均匀性，从而为纸张选型和印刷工艺优化提供可靠依据。在包装领域，表面粗糙度的精确控制对于保证复合强度、镀铝转移效果和烫金质量等也具有直接意义。6.3对国际贸易和标准体系的促进作为ISO层面的国际标准，ISO24118-1的发布有助于消除各国在纸和纸板表面粗糙度检测方法上的技术差异，减少贸易技术壁垒。同时，该标准为各国制定或修订相应的国家标准提供了重要的参考依据，有利于促进全球范围内检测方法的一致性和检测结果的可比性。七、结论与展望ISO24118-1:2023《纸和纸板触笔接触法第1部分：表面粗糙度的测定》是国际造纸标准化领域的一项重要成果。该标准的发布弥补了传统空气泄漏法在表面微观形貌定量表征方面的不足，为