基于纖維形態(tài)的紙漿抄造性能研究

楊 揚(yáng) 李慶華

(齊魯工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，山東濟(jì)南，250000)

基于纖維形態(tài)的紙漿抄造性能研究

楊 揚(yáng) 李慶華*

(齊魯工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，山東濟(jì)南，250000)

通過對(duì)纖維測(cè)量?jī)x采集的圖像進(jìn)行計(jì)算，得出紙漿纖維長(zhǎng)度、卷曲度及細(xì)小纖維含量等形態(tài)參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)獲取紙漿抄造性能。探究了纖維形態(tài)參數(shù)與紙漿抄造性能之間的關(guān)系，并對(duì)描述的可行性進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。

紙漿纖維；形態(tài)參數(shù)；抄造性能

目前，纖維形態(tài)參數(shù)測(cè)量，主要通過國(guó)外進(jìn)口纖維質(zhì)量分析儀(FQA)[1]和國(guó)內(nèi)自主研發(fā)基于機(jī)器視覺FQA[2]，對(duì)于這些方面的介紹和研究已經(jīng)較為成熟。對(duì)于全木漿纖維[3]、混合漿纖維[4]、非木漿纖維[5- 6]，甚至化學(xué)纖維[7]抄造性能的研究也都已經(jīng)十分成熟。通過纖維形態(tài)參數(shù)和紙漿抄造性能都可對(duì)紙漿和紙張品質(zhì)做出預(yù)測(cè)和鑒別，纖維的形態(tài)參數(shù)通過測(cè)量得出是外在表現(xiàn)，其抄造性能通過實(shí)驗(yàn)獲取是內(nèi)在性質(zhì)，但是目前對(duì)兩者關(guān)系的研究很少。本課題研究了纖維長(zhǎng)度、卷曲度及細(xì)小纖維含量等纖維形態(tài)參數(shù)和紙漿抄造性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以纖維形態(tài)參數(shù)來描述紙漿抄造性能，以減少對(duì)紙漿評(píng)價(jià)時(shí)的大量測(cè)量和實(shí)驗(yàn)。

1 纖維形態(tài)參數(shù)的測(cè)量

紙漿纖維的形態(tài)參數(shù)主要包括紙漿纖維的長(zhǎng)度、卷曲度及細(xì)小纖維含量等，這些參數(shù)是評(píng)價(jià)纖維質(zhì)量的主要指標(biāo)。本課題紙漿纖維的圖像通過流道式紙漿纖維測(cè)量?jī)x獲取。此纖維測(cè)量?jī)x由齊魯工業(yè)大學(xué)和濟(jì)南潤(rùn)之科技有限公司聯(lián)合開發(fā)研制，采用高精度工業(yè)面陣相機(jī)對(duì)流道內(nèi)的紙漿纖維進(jìn)行采集，然后將采集的圖像傳送到電腦，便于實(shí)時(shí)的計(jì)算和分析，并通過在VC++6.0的環(huán)境下配置OPENCV1.0來實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的計(jì)算操作。

1.1單根纖維的提取

圖像采集后進(jìn)行濾波、平滑、二值化等預(yù)處理，然后對(duì)圖像進(jìn)行連通標(biāo)記來提取纖維輪廓。將每個(gè)連通區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)之和看作該輪廓的面積，并設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)輪廓面積小于設(shè)定的閾值時(shí)，把此輪廓作為細(xì)小纖維，進(jìn)行計(jì)數(shù)；當(dāng)輪廓面積大于此閾值時(shí)，把此輪廓作為非細(xì)小纖維并對(duì)輪廓進(jìn)行細(xì)化，然后對(duì)細(xì)化后線條上的像素點(diǎn)進(jìn)行判斷。若某一像素點(diǎn)八鄰域內(nèi)只有一個(gè)像素點(diǎn)則該像素點(diǎn)為此線條的端點(diǎn)，記錄該線條的端點(diǎn)個(gè)數(shù)。有兩個(gè)端點(diǎn)的纖維是單根纖維，有多個(gè)端點(diǎn)的纖維是聚集纖維。

1.2纖維長(zhǎng)度、卷曲指數(shù)和細(xì)小纖維含量計(jì)算方法

設(shè)曲線y=f(x)是區(qū)間[a，b]上的函數(shù)，a和b分別為纖維的兩個(gè)端點(diǎn)，則可用曲線的長(zhǎng)度來表示纖維的長(zhǎng)度：

(1)

記錄上述單個(gè)纖維的兩個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)分別為(i1，j1)和(i2，j2)，則卷曲長(zhǎng)度L0為：

(2)

卷曲指數(shù)P為：

(3)

采用上述方法測(cè)量后，得到的是以像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為單位的結(jié)果，而實(shí)際中纖維長(zhǎng)度測(cè)量應(yīng)用的數(shù)據(jù)是以微米(μm)為長(zhǎng)度單位，所以必須將像素點(diǎn)標(biāo)定為標(biāo)準(zhǔn)單位：

l=p·L

(4)

式中，l為纖維長(zhǎng)度，μm；p為比例系數(shù)；L為以像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為單位的長(zhǎng)度。

2 纖維形態(tài)參數(shù)與紙漿抄造性能的關(guān)系

紙漿抄造性能主要包括濕紙幅的強(qiáng)度性能、黏附性能和紙漿濾水性能3個(gè)方面。

2.1濕紙幅強(qiáng)度性能

一般來說，濕紙幅強(qiáng)度只用濕抗張強(qiáng)度來表示已經(jīng)足夠，但隨著造紙業(yè)各種化學(xué)漿的引入使得只用濕抗張強(qiáng)度來表示濕紙幅強(qiáng)度顯得不夠全面。參考加拿大制漿造紙研究所Seth R S等人的“破裂包絡(luò)線”理論[8]，以濕紙幅累積破裂功為指標(biāo)，結(jié)合濕抗張強(qiáng)度來描述濕紙幅的綜合強(qiáng)度特性。

表1 針葉木漿和闊葉木漿的濕紙幅強(qiáng)度性能

2.2纖維形態(tài)參數(shù)

采用上述纖維形態(tài)參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算方法對(duì)表1中的針葉木漿和闊葉木漿分別進(jìn)行多次形態(tài)參數(shù)的測(cè)量，取平均值，結(jié)果見表2。

表2 不同紙漿的纖維形態(tài)參數(shù)

2.3纖維形態(tài)參數(shù)對(duì)濕紙幅強(qiáng)度的影響

加拿大學(xué)者Seth R S以化學(xué)木漿和機(jī)械木漿為研究對(duì)象，把濕紙幅強(qiáng)度的形成歸結(jié)為纖維間的相互作用。這種“相互作用”屬于纖維與水、空氣的界面張力、范德華力及纖維間摩擦力等綜合作用的結(jié)果[9]。用分子間作用力來表述濕紙幅強(qiáng)度性能符合客觀實(shí)際，但這些相互作用性能來源于紙漿纖維本身。筆者希望通過紙漿纖維的形態(tài)參數(shù)對(duì)這種相互作用的形成和影響做出初步的描述。

首先考慮纖維長(zhǎng)度的影響，從表1可以看出，針葉木漿抄造濕紙幅的抗張強(qiáng)度和累積破裂功均比闊葉木漿的高，并且針葉木漿1的高于針葉木漿2的，闊葉木漿1的高于闊葉木漿2的。而表2中，針葉木漿纖維平均長(zhǎng)度與闊葉木漿纖維平均長(zhǎng)度有較明顯的差距，并且隨著纖維長(zhǎng)度的增加，濕紙幅抗張強(qiáng)度和累積破裂功呈增加的趨勢(shì)。這是由于長(zhǎng)纖維作為“骨架”能提供更多的結(jié)合點(diǎn)，同時(shí)長(zhǎng)纖維本身具有較高的強(qiáng)度，有利于應(yīng)力均勻分布，因此認(rèn)為隨著纖維長(zhǎng)度的增加，濕紙幅強(qiáng)度性能越好。

其次是卷曲指數(shù)的影響，在纖維平均長(zhǎng)度和細(xì)小纖維含量不變的情況下，改變纖維的卷曲指數(shù)。一般認(rèn)為，隨著打漿的進(jìn)行，紙漿纖維的卷曲指數(shù)逐漸減小，因此增加打漿度即為減小卷曲指數(shù)。研究表明，對(duì)同一漿料進(jìn)行適度的打漿，可使纖維分絲帚化，增加纖維間的接觸面積，促進(jìn)范德華力等的作用，會(huì)提高濕紙幅強(qiáng)度。從表3也驗(yàn)證了卷曲指數(shù)越低濕紙幅強(qiáng)度性能越好。

表3 卷曲指數(shù)與濕紙幅強(qiáng)度性能

表4 細(xì)小纖維含量與濕紙幅強(qiáng)度性能

最后是細(xì)小纖維含量的影響，在不改變纖維平均長(zhǎng)度和卷曲指數(shù)(打漿度)的情況下，增加細(xì)小纖維含量。細(xì)小纖維有助于纖維間的接觸并能將纖維緊緊連在一起，但隨著紙張內(nèi)添加的細(xì)小組分越多，單位體積內(nèi)纖維的比例就越少，因此在一定范圍內(nèi)，隨著細(xì)小纖維含量的增加，濕紙幅強(qiáng)度會(huì)增加，但超過某一閾值，隨著細(xì)小纖維含量的增加，濕紙幅強(qiáng)度會(huì)減小。衛(wèi)曉琳等認(rèn)為新鮮細(xì)小纖維的存在會(huì)改變紙張的一些重要性能，當(dāng)添加20%的新鮮細(xì)小纖維時(shí)，對(duì)紙張強(qiáng)度的影響達(dá)到極限值[10]。這與實(shí)驗(yàn)預(yù)期及實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

2.4紙漿纖維形態(tài)參數(shù)與紙漿的黏附性能和濾水性能

濕紙幅在網(wǎng)面或輥面的黏附，可看作是濕紙幅在固體材料表面的黏附性能?？捎灭じ焦肀碚鳚窦埛酿じ教匦裕瑒冸x濕紙幅所做的功稱為剝離功，其值等于濕紙幅的黏附功，即把單位面積的固液界面分離成相同面積的固液表面所需的功[11]。與卷曲度和細(xì)小纖維含量相似的針葉木漿和闊葉木漿對(duì)比發(fā)現(xiàn)，針葉木漿的黏附功要比闊葉木漿的小一些，可見纖維長(zhǎng)度有助于減小黏附功。

在抄紙過程中，紙漿在網(wǎng)上的濾水行為，被稱為紙漿的濾水性能?，F(xiàn)在廣泛使用的紙漿濾水性能的評(píng)價(jià)方法依然是采用打漿度儀間接測(cè)量的方法，雖然具有一定的局限性，但對(duì)用紙漿參數(shù)來描述紙漿的濾水性能仍然具有重要意義。

由表5可知，隨著打漿度的提高和卷曲指數(shù)的減小，紙漿的黏附功和濾水時(shí)間都會(huì)增大，此時(shí)卷曲指數(shù)越大，紙漿的黏附性能越好，濾水性能越差。加上之前得出卷曲指數(shù)越低濕紙幅強(qiáng)度性能越好，因此很難準(zhǔn)確地用濕紙幅累積破裂功、黏附功和濾水性能綜合評(píng)價(jià)打漿對(duì)紙漿抄造性能的影響。用紙漿濕紙幅累積破裂功與黏附功的比值S/A來評(píng)價(jià)紙漿的抄造性能可以較為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)紙漿的抄造性能[12]，適度的打漿可以改善紙漿的抄造性能。

表5 打漿度對(duì)黏附力和濾水時(shí)間的影響

表6 細(xì)小組分對(duì)黏附功和累積破裂功的影響

注 全級(jí)分漿中P200為50%。

由表6可以看出，雖然除去細(xì)小纖維會(huì)使黏附功減小，但是濕紙幅累積破裂功減小速度更快，從而造成濕紙幅累積破裂功與黏附功之比值(S/A)下降，進(jìn)而影響到紙漿的抄造性能。因此，適當(dāng)保留細(xì)小纖維可以改善漿料的抄造性能。

綜上可知，較好抄造性能的紙漿應(yīng)具有較高濕紙幅累積破裂功、較低的濕紙幅黏附功和較好的濾水性能，因此要想獲得較好抄造性能，紙漿的形態(tài)參數(shù)應(yīng)該滿足較長(zhǎng)的纖維長(zhǎng)度、適宜的卷曲度和恰當(dāng)?shù)募?xì)小纖維含量。

3 纖維形態(tài)參數(shù)對(duì)紙漿抄造性能的具體描述

針對(duì)纖維形態(tài)參數(shù)和紙漿抄造性能之間有沒有直接具體的相關(guān)關(guān)系問題，本節(jié)采用IBM SPSS統(tǒng)計(jì)軟件的22.0版本對(duì)纖維形態(tài)參數(shù)和紙漿抄造性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并通過曲線擬合，對(duì)其相關(guān)性給出具體的答案和適宜的描述。由于本文所有纖維形態(tài)參數(shù)和紙漿抄造性能參數(shù)均來源于原木纖維，并未對(duì)非木纖維的特性進(jìn)行研究，因此本節(jié)所得的擬合曲線和擬合函數(shù)僅對(duì)長(zhǎng)度超過0.49 mm以上的原木纖維有效。

3.1纖維長(zhǎng)度對(duì)紙漿抄造性能的影響

分別對(duì)纖維長(zhǎng)度與抗張指數(shù)和累積破裂功進(jìn)行線性、二次曲線和三次曲線擬合。粗略地說，決定系數(shù)R2表示被模型解釋的方差與原始數(shù)據(jù)總方差之比，越高說明模型解釋能力越強(qiáng)，但并不是越高越好，通常超過80%可以認(rèn)為擬合得較好。圖1和圖2分別為纖維長(zhǎng)度對(duì)抗張指數(shù)的線性描述和纖維長(zhǎng)度對(duì)累積破裂功的3次描述，圖像左上顯示的是該回歸曲線的決定系數(shù)，這兩幅圖像的描述函數(shù)分別為y=0.41x+0.25和y=7.9x3-23.12x2+24.56x-2.72。

圖1 纖維長(zhǎng)度與抗張指數(shù)關(guān)系

圖2 纖維長(zhǎng)度與累積破裂功關(guān)系

3.2細(xì)小纖維含量和打漿度對(duì)紙漿抄造性能的影響

分別對(duì)細(xì)小纖維含量與抗張指數(shù)和累積破裂功進(jìn)行線性、二次曲線和三次曲線擬合，并選擇適宜描述曲線和描述函數(shù)。如圖3和圖4所示，其描述函數(shù)分別為：y=-1.01×10-4x2+3.36×10-3x+0.52和y=-4.18×10-3x2+0.2x+5.14。由于打漿度對(duì)濕紙幅累積破裂功、黏附功和濾水性能都有影響，因此對(duì)打漿度和紙漿濕紙幅累積破裂功與黏附功的比值S/A進(jìn)行線性、二次曲線和三次曲線進(jìn)行曲線擬合，并選擇適宜描述曲線和描述函數(shù)，如圖5所示，其描述函數(shù)為：y=-3.13×10-4x2+0.03x+0.45。

圖3 細(xì)小纖維含量與抗張指數(shù)關(guān)系

圖4 細(xì)小纖維含量與累積破裂功關(guān)系

圖5 打漿度與S/A關(guān)系

3.3預(yù)測(cè)及驗(yàn)證

為了保證以上描述圖像和描述函數(shù)的準(zhǔn)確可信，必須選擇一種未參與第二節(jié)計(jì)算的原木紙漿進(jìn)行驗(yàn)證，因此選擇了纖維長(zhǎng)度0.85 mm、打漿度為45°SR，未添加細(xì)小纖維的毛竹漿進(jìn)行預(yù)測(cè)和驗(yàn)證。其根據(jù)描述曲線和描述函數(shù)的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值見表7。

表7 預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

由表7可知，其預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的偏差最大為+1.259%，最小值僅為-0.282%，因此其纖維長(zhǎng)度和打漿度的描述曲線可信度較高，可以用來直接描述其抄造性能。

將逐步添加細(xì)小纖維后的抗張指數(shù)和累積破裂功通過相同的方式進(jìn)行曲線擬合，其對(duì)比結(jié)果如圖6和圖7所示，其描述函數(shù)分別為y=-1.23×10-4x2+4.09×10-3x+0.6和y=-5.12×10-3x2+0.24x+6.1。由描述函數(shù)可知，其常數(shù)項(xiàng)為未添加細(xì)小纖維的抗張指數(shù)和破裂功的初始值，不同漿種的初始值不盡相同，最大的偏差來源于描述函數(shù)在x2和x的系數(shù)，均在20%左右。通過對(duì)比圖可以看出雖然描述函數(shù)具體系數(shù)的精確度有待提高，但是卻將其先增后減的趨勢(shì)準(zhǔn)確地展現(xiàn)出來。

圖6 抗張指數(shù)對(duì)比圖

圖7 累積破裂功對(duì)比圖

4 總結(jié)和展望

較好抄造性能的紙漿應(yīng)具有較高濕紙幅累積破裂功、較低的濕紙幅黏附功和較好的濾水性能。纖維的長(zhǎng)度、卷曲度和細(xì)小纖維含量均可以改變紙漿的抄造性能，總體來說，要想獲得較好抄造性能，紙漿的形態(tài)參數(shù)應(yīng)該滿足較長(zhǎng)的纖維長(zhǎng)度、適宜卷曲度和恰當(dāng)?shù)募?xì)小纖維含量。紙漿纖維的形態(tài)參數(shù)和抄造性能之間的關(guān)系可以通過統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行擬合，擬合的結(jié)果也得到了很好驗(yàn)證。纖維長(zhǎng)度和打漿度的偏差較小可信度較高，可以用來直接描述漿種的抄造性能，但是細(xì)小纖維含量的擬合結(jié)果不盡人意。

本文只考慮了纖維形態(tài)參數(shù)的幾個(gè)基本部分，并且僅對(duì)長(zhǎng)度0.49 mm以上的原木紙漿進(jìn)行研究，并未對(duì)其他紙漿如粗度、扭結(jié)度和長(zhǎng)度較短的原木紙漿、混合漿、非木漿等進(jìn)行研究，使得研究不夠完善。但相信隨著實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)量的增加，一定能得出比較完善的描述體系，使得紙漿的抄造性能可以通過纖維的形態(tài)參數(shù)更加直觀地顯現(xiàn)出來。進(jìn)一步為廢紙漿通過形態(tài)測(cè)量對(duì)成紙性能的預(yù)測(cè)奠定研究基礎(chǔ)。

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StudyonPapermakingPerformanceofthePulpBasedonFiberMorphology

YANG Yang LI Qing-hua*

(QiluUniversityofTechnology,Ji’nan,ShandongProvince, 250000) (*E-mail: 83786013@qq.com)

Through the calculation of the images collected by the fiber measuring instrument, the morphological parameters of the pulp including fiber length, curl and fines were obtained, at the same time the papermaking performance of the pulp was studied by experiment. The relationship between morphological parameters of the pulp and its papermaking performance was analyzed and verified.

pulp fiber； morphological parameters； papermaking performance

劉振華)

TS71+2

A

1000- 6842(2017)04- 0011- 05

2016- 12- 15

制漿造紙科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(KF2015018)。

楊 揚(yáng)，男，1992年生；在讀碩士研究生；主要研究方向：控制科學(xué)與工程。

*通信聯(lián)系人：李慶華，E-mail:83786013@qq.com。