一种基于X射线断层扫描的纸张绝对渗透率预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于X射线断层扫描的纸张绝对渗透率预测方法，过程如下：采用X射线断层扫描仪无损化扫描纸张，获取纸张三维结构序列图；使用数字图像后处理技术对原始扫描序列图进行对比度调节、滤波处理和图像分割；利用三维可视化软件构建纸张的三维孔隙结构，并以纸张的孔隙率作为估算表征单元REV尺寸的依据，确定适用于渗透模拟的REV尺寸大小；在构建的REV三维孔隙结构模型中，利用数值模拟软件对流体在纸张内部的渗透过程进行数值模拟，根据达西定律预测纸张绝对渗透率。本发明专利技术克服了传统方法测量纸张绝对渗透率操作复杂、不安全、无法观测到流体在纸张孔隙结构中具体的流动情况(流速分布、压力分布、流体路径等)的缺点。点。点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于X射线断层扫描的纸张绝对渗透率预测方法


[0001]本专利技术涉及制浆造纸
、计算机图像处理及计算机数值模拟，具体为一种基于X射线断层扫描的纸张绝对渗透率预测方法。

技术介绍

[0002]纸张是由植物纤维相互交织形成的多孔、薄型层状材料。因为纸张的可再生和可回收性，正在逐步代替塑料制品，进而被开发为可用于分离、吸附、过滤和电化学等领域的功能性材料，并逐步在石油化工、医药和环境保护等领域得到广泛应用。纸张结构会影响纸张的力学性能、渗透性能和印刷适性等物理性能。在纸张大部分的应用中，都会牵涉到流体在其内部的传输过程，只是根据应用领域的不同，流体在纸张中的渗透情况存在巨大差别。近年来，为研制高性能的纸基功能材料，纸张纤维多孔网络结构中的流体流动行为引起了国内外学者和材料设计人员广泛的研究兴趣。新型纸基材料根据应用的不同，需要具有良好的透过性或阻隔性，这些性能与微观的纤维多孔网络结构息息相关，准确预测纤维多孔网络的传输特性将为设计和使用新型纸基材料提供重要的参考价值。绝对渗透率是表征纸张渗透性能的主要关键参数，它是材料的固有属性，描述了多孔材料对流体流动的阻碍作用。目前，国标中还没有一种明确规定的测定纸张绝对渗透率的方法。传统的测量纸张绝对渗透率的实验方法操作复杂且价格昂贵，例如以压汞法为代表的实验方法，该方法是将汞在一定压力下压入多孔体中，根据汞的压入量计算纸张的孔隙率，从而计算出纸张的绝对渗透率，但压汞法由于在检测过程中会接触到汞(剧毒)，尤其是汞具有很强的挥发性，操作不当易对人体造成伤害。因此，为了降低实验成本，学者们进行了大量研究，发现在微观层面下纤维多孔网络可采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的数值模拟方法来预测材料的绝对渗透率。计算流体力学是通过数值法求解流体流动控制方程，从而得到流场的离散定量描述，并以此预测流体运动规律的科学。该方法在岩石、织布等多孔材料的渗透性能研究中得到广泛应用，但在纸张的渗透性能研究中鲜有应用。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于X射线断层扫描的纸张绝对渗透率预测方法。该方法首先需要把造纸纤维按照实验室标准抄纸流程抄造为纸张，采用X射线断层扫描对纸张进行扫描，获取纸张三维结构的序列图像，将序列图像依次进行对比度调节、滤波处理和图像分割处理，然后构建纸张的三维孔隙结构，并以纸张的孔隙率作为估算表征单元(Representative Elementary Volume,REV)尺寸的依据，确定适用于纸张渗透性能数值模拟的REV尺寸。在最佳的REV尺寸下，根据图像分割结果把REV孔隙结构单独分离出来。最后，对REV三维孔隙模型进行网格剖分，转化为离散的有限元模型，得到纸张REV三维孔隙结构模型。利用数值模拟软件对流体在纸张REV三维孔隙结构模型中的渗透过程进行数值模拟，根据达西定律预测纸张的绝对渗透率。使用该方法能够避免使用有毒物质，安全环保，可以观测到流体在纸张孔隙结构中具体的流动情况(流速分布、压力
分布、流体路径等)。
[0004]本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0005]一种基于X射线断层扫描的纸张绝对渗透率预测方法，对纸浆浆板进行打浆处理，采用快速凯塞法把浆料抄造为纸张，将纸张裁剪放在X射线断层扫描仪的载物台上，通过扫描获取纸张的三维结构序列图；将纸张的序列图依次进行对比度调节、滤波处理和图像分割处理后，在三维可视化软件中构建纸张三维孔隙结构；接着确定适用于渗透性能数值模拟的表征单元REV尺寸，把REV模型的孔隙部分单独提取出来，对REV三维孔隙模型进行网格剖分，转化为离散的有限元体网格模型。最后，在构建的纸张REV三维孔隙有限元体网格中，利用数值模拟软件对流体在纸张内部的渗透过程进行数值模拟，根据达西定律预测纸张的绝对渗透率。
[0006]一种基于X射线断层扫描的纸张绝对渗透率预测方法，所述纸张绝对渗透率预测方法包括以下步骤：
[0007]S1、制备浆料、抄造纸张；
[0008]S2、将纸张裁剪成(0.5mm
×
0.5mm)
‑
(4mm
×
4mm)大小的正方形，然后固定于X射线断层扫描仪的载物台上，采用X射线断层扫描仪表征纸张的微观三维结构，获取纸张三维结构的序列图像；
[0009]S3、对纸张三维结构的序列图像依次进行对比度调节、滤波和图像分割，得到优化后的二维纸张截面序列图；
[0010]S4、在三维可视化软件中对所述二维纸张截面序列图进行重建，构建纸张微观三维结构；
[0011]S5、以纸张的孔隙率作为估算表征单元REV尺寸的依据，确定适用于渗透性能数值模拟的表征单元REV尺寸；
[0012]S6、把表征单元REV的孔隙部分进行单独提取得到纸张REV三维孔隙结构模型，并对该纸张REV三维孔隙结构模型进行Delaunay三角网格剖分，转化为离散的有限元体网格模型；
[0013]S7、在有限元体网格模型中，利用数值模拟软件对流体在纸张内部的渗透过程进行数值模拟；
[0014]S8、基于步骤S7中得到的纸张渗透数值模拟结果，依据达西定律计算纸张REV三维孔隙结构模型的绝对渗透率，完成纸张绝对渗透率的预测。
[0015]进一步地，所述步骤S1过程如下：
[0016]按照国家标准(GBT 24325
‑
2009)，采用Valley槽式打浆机，对浆板进行疏解和打浆，获得打浆度均为20
‑
50
°
SR的纸浆，有利于提高纸张匀度和强度，将获得的纸浆密封保存；
[0017]按照实验室抄造纸张的国家标准(GB/T24326
‑
2009)，先使用快速凯塞法纸页成型机抄造为湿纸页，再通过真空干燥器对湿纸页进行干燥，最后把成形的纸张贮存于恒温恒湿室(温度23℃，湿度50
±
2％)，以保证纸张形状和含水量的稳定，纸张定量为60
‑
120g/m2。
[0018]进一步地，所述步骤S2过程如下：
[0019]S21、根据纸张样品的组成及结构情况确定X射线源的管电压50kV、电流390μA。改变管电压会改变发射的X射线光谱，以优化重构过程中的对比度，电流将线性增加X射线的
强度；
[0020]S22、将纸张固定于X射线断层扫描仪的载物台上，并在低分辨率下调整纸张到视野中央位置，逐渐调高分辨率到目标分辨率，并在调高过程中随时保持图像在视野中心；
[0021]S23、调整纸张的高度位置，将纸张移出视野范围，调整曝光时间，然后进行CCD平场校正以减少图像中的噪声和伪影，随后将纸张移回视野范围内，并微调聚焦电流进行X射线聚焦；
[0022]S24、设置X射线断层扫描仪的扫描步长、扫描次数和扫描范围，以完成对完整纸张的扫描。添加文件储存路径后，启动射线源开始扫描，获取纸张的三维结构序列图像。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于X射线断层扫描的纸张绝对渗透率预测方法，其特征在于，所述纸张绝对渗透率预测方法包括以下步骤：S1、制备浆料、抄造纸张；S2、将纸张裁剪成(0.5mm
×
0.5mm)
‑
(4mm
×
4mm)大小的正方形，然后固定于X射线断层扫描仪的载物台上，采用X射线断层扫描仪表征纸张的微观三维结构，获取纸张三维结构的序列图像；S3、对纸张三维结构的序列图像依次进行对比度调节、滤波和图像分割，得到优化后的二维纸张截面序列图；S4、在三维可视化软件中对所述二维纸张截面序列图进行重建，构建纸张微观三维结构；S5、以纸张的孔隙率作为估算表征单元REV尺寸的依据，确定适用于渗透性能数值模拟的表征单元REV尺寸；S6、把表征单元REV的孔隙部分进行单独提取得到纸张REV三维孔隙结构模型，并对该纸张REV三维孔隙结构模型进行Delaunay三角网格剖分，转化为离散的有限元体网格模型；S7、在有限元体网格模型中，利用数值模拟软件对流体在纸张内部的渗透过程进行数值模拟；S8、基于步骤S7中得到的纸张渗透数值模拟结果，依据达西定律计算纸张REV三维孔隙结构模型的绝对渗透率，完成纸张绝对渗透率的预测。2.根据权利要求1所述的一种基于X射线断层扫描的纸张绝对渗透率预测方法，其特征在于，所述步骤S2过程如下：S21、根据纸张样品的组成及结构情况确定X射线源的管电压50kV、电流390μA；S22、将纸张固定于X射线断层扫描仪的载物台上，并在低分辨率下调整纸张到视野中央位置，逐渐调高分辨率到目标分辨率，并在调高过程中随时保持图像在视野中心；S23、调整纸张的高度位置，将纸张移出视野范围，调整曝光时间，然后进行CCD平场校正以减少图像中的噪声和伪影，随后将纸张移回视野范围内，并微调聚焦电流进行X射线聚焦；S24、设置X射线断层扫描仪的扫描步长、扫描次数和扫描范围，添加文件储存路径后，启动射线源开始扫描，获取纸张的三维结构序列图像。3.根据权利要求1所述的一种基于X射线断层扫描的纸张绝对渗透率预测方法，其特征在于，所述步骤S3过程如下：S31、首先对纸张三维结构的序列图像进行对比度调节，增大图像中孔隙相与纤维相的对比度；S32、采用非局部均值滤波处理消除三维结构序列图像中的噪声点；S33、对降噪后的三维结构序列图像采用最大类间方差法获得阈值，根据阈值进行图像分割处理，分割图像中的孔隙相与纤维相，其中像素值为1的白色像素点为孔隙，像素值为0的黑色像素点为纤维。4.根据权利要求1所述的一种基于X射线断层扫描...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈文浩，许洁，刘寅，王益，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：