對(duì)位芳綸紙的勻度檢測(cè)分析方法

劉俊華 張美云 陸趙情 王 坤

(1.陜西科技大學(xué)，陜西省制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710021;2.西安酷派軟件科技有限公司，陜西西安，710075)

對(duì)位芳綸 (聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺，簡(jiǎn)稱PPTA)紙是以對(duì)位芳綸短切纖維和對(duì)位芳綸漿粕纖維為原料，按照造紙工藝抄造成對(duì)位芳綸原紙，再經(jīng)浸漬及熱壓成型制備的高性能材料，具有密度小、比強(qiáng)度及比剛度高、抗沖擊、突出的耐腐蝕性和自熄性、優(yōu)良的環(huán)境穩(wěn)定性和絕緣性、良好的高溫穩(wěn)定性和透電磁波性能等特點(diǎn)，在國(guó)防軍工、航空航天、遙感通訊等領(lǐng)域作為理想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料和透波材料以及新型復(fù)合材料得到廣泛應(yīng)用［1］。然而與造紙常規(guī)使用的植物纖維原料相比，對(duì)位芳綸短切纖維兩端大小相同，長(zhǎng)度均一，纖維表面光滑，缺少化學(xué)活性基團(tuán)，憎水性強(qiáng)，不能單獨(dú)直接用于抄紙。而對(duì)位芳綸漿粕纖維表面呈毛絨狀，微纖叢生，毛羽豐富，粗糙如木材漿粕，纖維軸向尾端原纖化成針尖狀，比表面積較大，表面氨基含量也是芳綸短切纖維的10倍以上，從而使其與同類纖維、水介質(zhì)和酰胺類的復(fù)合樹(shù)脂間更易形成氫鍵［2］。這兩種纖維在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，其在紙張中如何均勻分布即成形后紙張的勻度，是影響芳綸紙各種性能指標(biāo)的重要因素之一。

通常，勻度是指組成紙張的物質(zhì)在微觀上的分布與變化情況，取決于定量不均勻點(diǎn)的面積和其相對(duì)平均定量的偏差程度。所以，可以通過(guò)紙張定量不均勻點(diǎn)的幾何特征 (面積或等效直徑)、微觀定量的統(tǒng)計(jì)特征 (均值、標(biāo)準(zhǔn)差、均方差等)和其分布特征 (不同定量范圍的點(diǎn)在紙張平面的空間分布規(guī)律)等參數(shù)，對(duì)紙張的勻度進(jìn)行表征［3］。但迄今為止，國(guó)際上尚無(wú)統(tǒng)一的勻度評(píng)價(jià)方法。本實(shí)驗(yàn)采取兩種不同的勻度檢測(cè)方法對(duì)芳綸紙的勻度進(jìn)行了研究和探索。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

對(duì)位芳綸短切纖維 (以下簡(jiǎn)稱短切纖維)和對(duì)位芳綸漿粕 (以下簡(jiǎn)稱芳綸漿粕)，由國(guó)內(nèi)某化工有限公司提供，其中，短切纖維長(zhǎng)度為4～5 mm，芳綸漿粕長(zhǎng)度為0.5～2 mm。分散劑由日本某化學(xué)品公司提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

Kubler型標(biāo)準(zhǔn)纖維疏解機(jī)，瑞典L＆W公司生產(chǎn);BFT-1型β射線透射式紙張勻度儀，芬蘭AMBERTEC公司生產(chǎn);HH-Z型恒溫水浴鍋，北京科偉永興有限公司生產(chǎn);ZQJ1-B-Ⅱ型紙頁(yè)成形器，陜西科技大學(xué)機(jī)械廠生產(chǎn);BS310s型分析天平，北京賽多利斯儀器有限公司生產(chǎn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 短切纖維的預(yù)處理及抄造、成型

將短切纖維用十二烷基苯磺酸鈉進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理以去除雜質(zhì);同時(shí)用槽式打漿機(jī)將芳綸漿粕在2.5 kg的負(fù)荷下進(jìn)行原纖化處理，處理濃度2%，打漿度控制在47°SR。短切纖維與芳綸漿粕按一定的配比抄片，分散劑用量為0.5%(相對(duì)于絕干纖維)，冷壓3 min，壓力為4 MPa，烘干6 min，溫度為105℃，然后熱壓成型，熱壓溫度控制在240℃，熱壓壓力為14 MPa。抄造的芳綸紙定量為45 g/m2。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)用芳綸紙樣的選取

實(shí)驗(yàn)對(duì)熱壓后的芳綸紙進(jìn)行了勻度檢測(cè)。為了更客觀地衡量不同紙張對(duì)物質(zhì)流的能量吸收，對(duì)所測(cè)紙張采用相同的成像模式，并掃描了足夠數(shù)量的測(cè)試面積，并對(duì)同一類紙樣在相同條件下進(jìn)行了多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取平均值為最終勻度值。實(shí)驗(yàn)紙樣的纖維配比如表1所示。

表1 對(duì)位芳綸紙的纖維配比

1.3.3 芳綸紙的勻度檢測(cè)

勻度測(cè)量?jī)x器的測(cè)量原理，基本上都是根據(jù)不同定量的紙張，對(duì)特定的物質(zhì)流 (光，β射線)等吸收程度的不同來(lái)測(cè)量紙張定量的微區(qū)分布［4］。在商品化的紙張勻度測(cè)量?jī)x器中，根據(jù)測(cè)量手段和測(cè)量方法的不同，可分為兩大類，即β射線透射式和光透射式。其中，光透射式根據(jù)檢測(cè)方法的不同又可分為光電式及CCD圖像型［5］。本實(shí)驗(yàn)采用這兩類測(cè)定方法對(duì)熱壓后芳綸紙的勻度進(jìn)行了研究。光透射的圖像采用MATLAB軟件進(jìn)行后分析和處理，β射線透射式對(duì)勻度的分析通過(guò)芬蘭公司生產(chǎn)的BFT-1型β射線透射式紙張勻度儀實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 光透射式分析儀器對(duì)紙張勻度的測(cè)定

2.1.1 測(cè)試原理

根據(jù)庫(kù)貝爾卡-門(mén)柯的紙張光學(xué)理論，提出了紙的均質(zhì)模型，以光學(xué)常數(shù)-紙張的光散射系數(shù)s和光吸收系數(shù)k，建立了一系列性能關(guān)系式。其中紙張透光率 (T)簡(jiǎn)化后的基本公式如式 (1)所示:

式中:R∞——紙張光學(xué)反射率;

系數(shù)k決定;

s——光散射系數(shù);

w——紙張定量。

對(duì)式 (1)進(jìn)行微分并整理得出:

由此可見(jiàn)，紙張透光率的變化率與定量變化率之間的關(guān)系。根據(jù)這個(gè)公式，可以得到勻度測(cè)試的理論公式［6］:

具體實(shí)驗(yàn)操作如下:

將紙樣置于毛玻璃樣品臺(tái)上，光源發(fā)出均勻而穩(wěn)定的光，透過(guò)紙樣的光線進(jìn)入CCD攝像鏡頭，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化處理。試樣被分為若干個(gè)像素，每個(gè)像素按明暗不同分為256個(gè)灰度等級(jí)［7］。統(tǒng)計(jì)圖像上各像素點(diǎn)的灰度等級(jí)并按不同的數(shù)學(xué)模型來(lái)加以處理，即可得到紙張不同的勻度指標(biāo)。

2.1.2 芳綸紙張勻度的測(cè)定

勻度反映紙張中纖維等固體組分的分布，質(zhì)量分布決定圖像的灰度［8］。因此可以利用不同灰度數(shù)據(jù)的處理模型來(lái)研究紙張的勻度。根據(jù)紙張勻度的質(zhì)量結(jié)構(gòu)特征，本實(shí)驗(yàn)采用了兩種圖像灰度數(shù)據(jù)的處理模型，分別是灰度直方圖和均方差。研究中采用MATLAB軟件來(lái)處理芳綸紙張的勻度圖像，結(jié)果如圖1所示。

紙張中固體組分的分布是個(gè)二維隨機(jī)函數(shù)，對(duì)紙樣圖像中各個(gè)像素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得出灰度分布的直方圖。直方圖表示數(shù)字圖像中每一灰度級(jí)與其出現(xiàn)的頻數(shù) (具有該灰度級(jí)像素的數(shù)目)間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，橫坐標(biāo)表示灰度級(jí)，縱坐標(biāo)表示圖像各個(gè)像素點(diǎn)出現(xiàn)的次數(shù)或頻率［9］。直方圖可以直觀地反映紙張中質(zhì)量分布的均勻情況，包括紙張厚薄的差別大小、厚薄點(diǎn)的分布狀況等。勻度好的紙張，其直方圖窄而高，反之則寬而矮［10］。

由圖1可知，5#紙樣的灰度分布最窄，也就是說(shuō)勻度最好，即當(dāng)短切纖維與芳綸漿粕的配比為3∶7時(shí)，兩種纖維的分散、交織情況最好，比表面積較大的芳綸漿粕較均勻地分布在骨架纖維周圍，兩種纖維構(gòu)成的界面黏結(jié)情況較好，可以順利完成外載荷的熱力學(xué)傳導(dǎo)，避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象。圖1中可以得出這6種不同纖維配比的紙張勻度分布情況優(yōu)劣順序?yàn)?#＞4#＞6#＞3#＞2#＞1#。由于短切纖維長(zhǎng)度長(zhǎng)且表面光滑，含量越高，構(gòu)成的紙張孔隙度就越大，因此添加適當(dāng)?shù)谋砻娉拭q狀、微纖叢生的芳綸漿粕，可以填充這些孔隙，提升紙張的勻度。但芳綸漿粕含量過(guò)高又會(huì)使紙張的強(qiáng)度降低，纖維間的堆積現(xiàn)象明顯。因此，在抄造芳綸紙時(shí)，纖維間的配比是必須考慮的問(wèn)題?；叶戎庇^圖是可以定性得出紙張的勻度，本研究還對(duì)圖像上每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度進(jìn)行了定量統(tǒng)計(jì)分析，即得出了所給紙樣勻度圖像的均方差。本實(shí)驗(yàn)中，1#、2#、3#、4#、5#、6#紙樣的均方差分別為 12.0523、11.1603、8.4024、6.7839、5.9135、4.3545，同 樣可以說(shuō)明5#紙樣的勻度最好，1#紙樣的勻度最差，這個(gè)結(jié)果和從灰度直方圖得到的直觀結(jié)果是一致的。

圖1 紙樣圖像的灰度直方圖

需要說(shuō)明的是，本勻度測(cè)試方法對(duì)測(cè)定漿料體系的分散性同樣適用，前提是先將漿料體系的三維分布情況轉(zhuǎn)換成圖像的灰度圖。

2.2 β射線透射式紙張勻度儀對(duì)紙張勻度的測(cè)定

2.2.1 測(cè)試原理

β射線透射式紙張勻度儀的測(cè)量孔徑小，有較高的測(cè)量分辨率，并采用低強(qiáng)度的放射源和高靈敏度的射線探測(cè)器，可以真實(shí)準(zhǔn)確地探測(cè)到紙張定量的微小變化，該儀器用一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行操作控制和數(shù)據(jù)處理，并配有完整的數(shù)據(jù)分析軟件［11］。測(cè)量時(shí)，把紙樣夾入β射線發(fā)射膜片和照相軟片之間，曝光后，對(duì)帶有質(zhì)量分布情況的負(fù)相底片用微量顯像密度計(jì)進(jìn)行掃描，所得的檢測(cè)值送入計(jì)算機(jī)而得出定量矩陣圖和關(guān)于質(zhì)量分布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如方差、標(biāo)準(zhǔn)偏差等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)［12］。其測(cè)定結(jié)果可選擇多種輸出形式，可以用多種圖表和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)表示，比較直觀。實(shí)際應(yīng)用中往往以其定量標(biāo)準(zhǔn)偏差作為紙張勻度的評(píng)價(jià)指標(biāo)［13］。β射線透射式紙張勻度儀對(duì)所測(cè)樣品適應(yīng)性強(qiáng)，可以測(cè)單張紙，也可測(cè)整卷紙，在歐美國(guó)家，已成為許多造紙廠進(jìn)行質(zhì)量控制的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 芳綸紙的定量標(biāo)準(zhǔn)偏差

2.2.2 芳綸紙張勻度的測(cè)定

本實(shí)驗(yàn)采用BFT-1型β射線透射式紙張勻度儀對(duì)上述6種不同纖維配比的紙張進(jìn)行定量標(biāo)準(zhǔn)偏差的測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2中的紙張三維結(jié)構(gòu)分布及定量分布直方圖可直觀地看出，5#芳綸紙樣的定量波動(dòng)較小，定量標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，勻度相對(duì)最好，然后依次是4#、6#、3#、2#紙樣，1#紙樣的勻度最差。

由此可知，上述兩種測(cè)定芳綸紙樣勻度的結(jié)果是一致的，在紙張的測(cè)試中，可以結(jié)合多種方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)分別采用光透射式勻度儀和β射線透射式紙張勻度儀對(duì)對(duì)位芳綸紙的勻度進(jìn)行了檢測(cè)和分析。

3.1 采用光透射式勻度儀檢測(cè)芳綸紙的勻度，還要通過(guò)相關(guān)的圖像處理軟件 (如 MATLAB)進(jìn)行后處理。此方法優(yōu)點(diǎn)是不僅適用于紙張的測(cè)定，還可用于漿料體系分散性的測(cè)定。

3.2 采用β射線透射式紙張勻度儀檢測(cè)芳綸紙的勻度，操作較簡(jiǎn)便，所有的定量矩陣圖表和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可由計(jì)算機(jī)直接獲得，但該方法不能用于漿料體系等懸浮液的測(cè)定。

3.3 β射線透射式紙張勻度儀和光透射式勻度儀只是根據(jù)測(cè)量手段和測(cè)量方法的不同而劃分的，其測(cè)量原理是一致的，都是根據(jù)不同定量的紙張，對(duì)特定的物質(zhì)流 (光，β射線)等吸收程度的不同來(lái)測(cè)量紙張定量的微區(qū)分布，從而得出紙張的勻度分布情況，所以其得出的結(jié)論一致。

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