确定木质纸浆物参数的方法和设备技术

本发明专利技术涉及一种荧光显微技术，用于测量单独的纤维状颗粒的物理和化学特性。每单位长度的荧光强度被表示为正比于纤维粗度，此外，可由荧光图像得到其他纤维特性，如纤维长度、宽度和壁厚，并且从荧光光谱得出木质素含量。根据单独的纤维状颗粒，尤其是木质纸浆纤维的物理和化学特性，本发明专利技术将提供一种用于确定纸浆样品均匀性的方法。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

概括来说本专利技术涉及纸浆和纸工业，具体地说，涉及一种用来快速、精确测量单独的木质纸浆纤维的物理和化学特性，如纤维粗度、宽度、壁厚和木质素含量的新颖且有用的设备和方法或技术。
技术介绍
为了保证纸张质量，了解造纸中所用木质纸浆纤维的物理特性非常重要。重要的特性包括纤维长度，以及诸如横截面面积、宽度、周长和壁厚的横向尺寸，如附图说明图1所示。纤维长度主要影响纸张强度，纤维横向尺寸影响所有纸张特性结构，强度及视觉。遗憾的是，许多重要的纤维横向尺寸难于测量。而且，所有纤维特性实质上具有一定分布。认为在控制纸浆质量时，有关纤维特性分布的信息与其平均值相比更加重要，因为它提供纸浆中非均匀性的程度，使我们能识别具有所不需要特性的纤维的量。定义为每单位长度质量，并与纤维横截面面积乘以纤维壁材料的密度有关的纤维粗度，是一个重要的纤维特性。已研制出用于快速确定纤维长度分布的光学仪器，如Kajaani纤维长度分析仪(Kajaani电子有限公司，芬兰)，纤维质量分析仪(Optest，加拿大)和纤维长度分析仪(Andritz Sprout-Bauer公司，美国)。如果已知待测纸浆纤维的总质量，这些仪器将计算统计平均的纤维粗度。这种技术既不能提供有关纤维粗度分布的信息，也不能用于在线测量粗度。目前尚无可用的快速且精确测量单独的木质纸浆纤维粗度的方法，这是由于它们极小的重量和不规则形状。纤维壁厚是另一个重要的纤维特性。相同粗度的两个纤维，如果它们的周长不同，则可能具有相当迥异的壁厚。近来，一种新型仪器——Kajaani FibreLab纤维分析仪，提供对流过毛细管的纤维的纤维宽度和胞壁厚的测量。这种仪器的原理基于显微成像。这种测量技术非常适合于纤维宽度，因为其尺寸在数十微米范围内。不过，这种直接成像技术对于精确的纤维壁厚测量而言面临许多困难。首先，精确测量几微米范围内的纤维壁厚需要高分辩率，从而需要高精密光学系统和精确聚焦。对于流动纤维来说，难以实现精确聚焦。第二，该测量基于纤维投影的二维图像。对图像的判读可能复杂而且困难。第三，最多只能从纤维两侧获得这种壁厚测量，而不是围绕整个纤维。从而，测量取决于纤维取向，因为围绕纤维方向壁厚发生改变。最后，该直接成像方法仅能测量表观纤维壁厚，其取决于纤维壁膨胀和分层的程度，或者外部原纤化作用，不过不是真正的纤维壁厚。因而，依然缺少测量单独纤维壁厚的快速且精确的技术。近来，已经研究出利用共焦激光扫描显微(CLSM)的光学取剖面能力，获得木质纸浆纤维横截面图像的非破坏性方法。当与图像分析相结合时，该技术能精确测量单独纤维的横向尺寸，如壁厚和横截面，从而测量纤维粗度。虽然该技术可提供许多有关纤维质量的有价值的信息，并且是一种优良的研究工具，不过它对于大多数实际用途而言太慢。需要一种与CLSM技术具有相同或可比拟精度、用于测量单独纤维横向尺寸的新型快速技术。在化学纸浆制造过程中，通过从木材中部分或全部去除木质素，从木片获得木质纸浆纤维产品和/或纸张产品。对化学纸浆纤维而言，木质素含量是一种重要的质量参数和特性。测量化学制浆过程之后纸浆中残留的木质素量，以Kappa数为单位。有几种用于测量纸浆中Kappa数的商业Kappa数分析仪。不过，均匀性对产品质量的重要性不仅来自于纤维的物理特性，而且来自于其化学特性。遗憾的是，所能得到的有关单独纤维中和其之间木质素含量变化性的数据很少。确定单独的纸浆纤维Kappa数的方法包括使用密度梯度柱和傅里叶变换红外(FTIR)显微分析，以及原发荧光强度测量。近来，Liu等人描述了一种基于荧光着色纤维的荧光显微光度术的方法。不过，这些方法或者太慢或者不可靠。仍然没有用于测量单独纤维的木质素含量/Kappa数的快速、可靠的技术或设备。已知，木材、纸浆和纸张样品表现出固有的荧光性。这种荧光性是来自纤维素，半纤维素，木质素和制浆过程中产生的人造木质素的荧光总和。已经对机械和化学纸浆片的荧光光谱进行了若干研究。一般而言，这些研究发现对于所有纸浆片样品，在给定激发波长下具有相似的宽带发射光谱。例如，使用350ηm激发光获得的荧光发射光谱具有375到600ηm之间的宽无定形带，最大值在450ηm左右。木材纤维的荧光性是一种非常复杂的作用。已知纸张或纸浆发出的荧光是纸张基础重量或每平米克重和激发波长的高阶非线性函数。还表明对木质素含量具有不可预见的依赖性。例如，木质素含量增大能导致荧光性降低，这是因为再吸收机制。从而，不能断定是否可使用荧光强度确定木质纸浆纤维的物理和化学特性。近来，使用基于光学荧光光谱学的技术确定化学成分，例如，纸张中木质素的局部分布量。Jeffers等人描述了一种用于通过荧光彩色位移在线测量木质纸浆中木质素的方法。不过，这些技术遭受通常与纸浆和纸张发出的荧光有关的问题。例如，表明减小木质素含量造成荧光强度增大。期望荧光光谱受上述问题影响。纤维与水折射率的不匹配在纤维壁和水之间的界面处产生光中断。基于测量横向尺寸的光学方法测量悬于水中的纤维的方法，面临诸如光散射干扰的问题。而且，光学测量依赖于光学特性、光散射与待评价纤维取向之间复杂的关系。因而，仍然需要一种快速且精确测量单独纤维物理和化学特性的技术。专利技术概述本专利技术试图提供一种确定颗粒，特别是木质纸浆纤维物理和化学特性的方法。本专利技术还试图提供一种用于确定颗粒，特别是木质纸浆纤维物理和化学特性的设备。按照本专利技术的一个方面，提供一种确定木质纸浆物理或化学参数的方法，包括a)将至少一预定波长的激发光施加给木质纸浆，以从该木质纸浆单独的纤维颗粒产生荧光发射光，b)对于每个所述预定波长，检测所述荧光发射光的荧光强度，和c)根据所述荧光强度确定木质纸浆单独纤维颗粒的物理或化学参数。按照本专利技术的另一方面，提供一种用于确定木质纸浆物理或化学参数的设备，包括i)将至少一个预定波长的激发光施加给木质纸浆，以从木质纸浆单独纤维颗粒产生荧光发射光的装置，ii)用于对于每个预定波长，检测荧光发射光的荧光强度的检测装置；和iii)用于根据荧光强度确定木质纸浆单独纤维颗粒的物理或化学参数的装置。本专利技术主要依靠纤维状颗粒的荧光特性，提供测量单独纤维状颗粒，尤其是木质纸浆纤维的物理和化学特性的方法，和实现该方法的设备或测量仪器，如果需要则同时提供方法和设备。附图简要说明图1表示长度为L，其横截面面积为A，宽度为W，中心线周长为P和壁厚为T的纤维。纤维横截面的平均纤维壁厚为A/P；图2(a)，2(a1)，2(b)和2(b1)表示浸入水中的纤维的两个共焦横截面图像及其各自的荧光图像；图3(a)和3(b)表示对于图2a，2a1和2b，2b1中两个纤维，沿纤维上的距离(μm)的垂直壁厚VT(μm)和荧光强度分布。在产生共焦横截面图像的相同位置获得纤维上的荧光强度分布。这些分布的相似性证明，光散射没有显著影响到使用荧光强度量化纤维壁厚；图4为未漂白软木牛皮纸浆木材纤维的典型荧光图像。通过去除背景确定出每单位长度的荧光强度，通过在所示位置处对多个纤维进行共焦显微术确定其横截面面积；图5表示对于图4所示测量，每单位长度荧光强度IFI/L与纤维横截面面积A之间的强相关性，IFI/L和A的单位分别为任意单位AU和μm2；图6(a)，6(b)和6(c)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种确定木质纸浆物理或化学参数的方法，包括： ａ）将至少一个预定波长的激发光施加给木质纸浆，以从所述纸浆的单独纤维颗粒产生荧光发射光， ｂ）对于每个所述预定波长，检测所述荧光发射光的荧光强度，以及 ｃ）根据所述荧光强度确定该木质纸浆的单独纤维颗粒的物理或化学参数。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：蒋霍凡，
申请(专利权)人：加拿大纸浆和纸张研究所，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]