基于X射線法無損測(cè)定再造煙葉基片的定量

朱宏福 堵勁松 常紀(jì)恒 樊新順田曉輝 王嘉紹 魯端峰

(1. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001; 2. 河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司，河南 許昌 461100)

再造煙葉是利用煙梗、煙末、碎煙片等卷煙生產(chǎn)過程中的廢棄物，外加植物纖維，經(jīng)過重新組合而成的產(chǎn)品，又稱煙草薄片[1]。造紙法再造煙葉借鑒了制漿造紙的工藝特點(diǎn)，與稠漿法和輥壓法再造煙葉相比，其物理性能、焦油釋放量、燃燒性能以及卷煙填充性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[2]。造紙法再造煙葉加工工序主要包括：提取、濃縮、打漿、抄造、涂布等，漿料經(jīng)抄造后形成再造煙葉基片，基片定量波動(dòng)也會(huì)傳遞到再造煙葉成品，引起再造煙葉成品定量波動(dòng)，對(duì)成品的物理指標(biāo)的穩(wěn)定性有較大影響，而且基片定量波動(dòng)勢(shì)必引起進(jìn)入涂布機(jī)之前的基片厚度和水分的變化，導(dǎo)致產(chǎn)品的涂布率波動(dòng)劇烈，對(duì)成品的化學(xué)指標(biāo)穩(wěn)定性有很大的影響[3]。現(xiàn)階段生產(chǎn)線上針對(duì)再造煙葉基片定量的測(cè)定通常按國標(biāo)[4]執(zhí)行，但該法周期時(shí)間長，數(shù)據(jù)反饋滯后不適合生產(chǎn)線的基片定量的測(cè)定與控制。目前也有針對(duì)基片定量的無損測(cè)定研究報(bào)道[5]，但存在測(cè)定準(zhǔn)確度不高，測(cè)定儀器受環(huán)境溫濕度影響較大等因素，不適合在線測(cè)定。

近年來基于β或X射線吸收原理無損測(cè)定方法在許多行業(yè)應(yīng)用越來越成熟。朱芃睿等[6]根據(jù)β射線計(jì)數(shù)衰減及能量損失測(cè)量鋁鍍膜密度；呂松等[7]基于低能X射線透射成像技術(shù)研究塊凍蝦中蝦的凈含量在線檢測(cè)；Bergsten等[8]使用X射線微密度計(jì)對(duì)完整或準(zhǔn)備的鉆芯上的木材密度進(jìn)行批量測(cè)量；Anina等[9]利用X射線微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(mCT)開發(fā)了高通量方法，以確定玉米全粒體積和密度。以上技術(shù)的原理利用β或X射線在穿透物質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生光電、康普頓、電子對(duì)等效應(yīng)，從而導(dǎo)致射出射線強(qiáng)度相對(duì)于射入射線強(qiáng)度有一定的衰減，衰減比例與被穿透物體的定量呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，射線強(qiáng)度與定量的關(guān)系式遵循lambert-beer定律[10]。應(yīng)用β射線測(cè)定不同材料樣品時(shí)需要改變不同天然射線源，操作復(fù)雜，且在無工作狀態(tài)時(shí)也會(huì)向外界輻射一定的能量，影響人體健康。X射線技術(shù)測(cè)定不同材料時(shí)需要不同范圍的管電壓，管電壓與射線能量呈一定的正比關(guān)系。本試驗(yàn)擬研究X射線定量儀測(cè)定再造煙葉基片所需的管電壓，并研究X射線定量儀測(cè)定不同配比基片的定量指示值(X射線定量儀設(shè)定參數(shù)不變的情況下測(cè)定樣品的測(cè)定值)與參照GB/T 451.2—2002測(cè)定的定量實(shí)測(cè)值的規(guī)律，建立線性回歸模型，通過線性回歸模型計(jì)算得到定量實(shí)測(cè)值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

煙梗、煙末、外加纖維、輕質(zhì)碳酸鈣(PCC)：河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司；

低濃盤磨機(jī)：MD-3000型，巴西瑞格美德實(shí)業(yè)有限公司；

快速紙頁成型器：ZQJ1-B-II型，陜西科技大學(xué)機(jī)械廠；

標(biāo)準(zhǔn)漿料解離器：PD-10型，西班牙TECHLAB SYSTEMS公司；

X射線定量儀：DC-X0020標(biāo)準(zhǔn)型，深圳市大成精密設(shè)備有限公司；

電子天平：感量0.000 1 g，德國Sartorius公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 漿料的制備

(1) 煙末漿的制備：煙末在磨漿之前先在恒溫水浴鍋中用水進(jìn)行萃取，萃取條件為： 料液比1∶6 (g/mL)，溫度55 ℃，處理時(shí)間45 min；固液分離后的煙末利用低濃盤磨進(jìn)行磨漿。

(2) 煙梗漿制備：煙梗原料在磨漿之前先在恒溫水浴鍋中進(jìn)行萃取，萃取條件為：料液比1∶4 (g/mL)，溫度65 ℃，處理時(shí)間45 min，處理后的煙梗進(jìn)行固液分離，固液分離后的煙梗利用低濃盤磨進(jìn)行磨漿。

(3) 外加纖維漿制備：利用低濃盤磨對(duì)外加纖維進(jìn)行磨漿。

1.2.2 再造煙葉基片的制備

(1) 不同碳酸鈣含量再造煙葉基片的配料：固定梗末比(煙梗漿與煙末漿的質(zhì)量比)為5∶5，外加纖維漿含量占煙梗漿與煙末漿的總質(zhì)量的10%，分別添加不同含量的碳酸鈣，使碳酸鈣含量占煙梗漿與煙末漿的總質(zhì)量百分比為0%，5%，10%，15%，20%，依次記為1#-1、1#-2、1#-3、1#-4、1#-5。

(2) 不同梗末比再造煙葉基片的配料：固定碳酸鈣含量為0%，外加纖維漿含量為20%，分別添加不同含量的煙梗漿和煙末漿，使梗末比為10∶0，8∶2，6∶4，5∶5，4∶6，依次記為2#-1、2#-2、2#-3、2#-4、2#-5。

(3) 不同外加纖維再造煙葉基片的配料：固定碳酸鈣含量為0%，梗末比為5∶5，分別添加不同含量外加纖維漿(5%，10%，15%，20%，25%)，依次記為3#-1、3#-2、3#-3、3#-4、3#-5。

(4) 不同再造煙葉基片的抄造：將煙末漿、煙梗漿、外加纖維漿和碳酸鈣按著上述配料通過解離器進(jìn)行疏解與攪拌，調(diào)整漿料濃度為(1.0±0.1)%，使用快速紙頁成型器抄造成不同定量的基片，放在密封袋里備用。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2010、IBM SPSS Statistics 20、Origin Pro 9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 X射線定量儀測(cè)定再造煙葉基片的適用性檢驗(yàn)

圖1為X射線定量儀在電壓5 400 V持續(xù)10 s測(cè)定空氣和不同定量的1#-4再造煙葉基片射線強(qiáng)度。由圖1 可以看出不同定量的樣品射線強(qiáng)度有所變化，可以區(qū)分不同定量的再造煙葉基片樣品；表1為在電壓5 400 V 下測(cè)定不同配比不同定量的再造煙葉基片的質(zhì)量吸收系數(shù)，通過測(cè)定的射出空氣射線強(qiáng)度、射出再造煙葉基片射線強(qiáng)度和再造煙葉基片定量，根據(jù)lambert-beer公式求得質(zhì)量吸收系數(shù)[10]：

(1)

式中：

I——穿透被測(cè)物質(zhì)的射出射線強(qiáng)度；

I0——未穿透被測(cè)物質(zhì)的入射射線強(qiáng)度；

λ——被測(cè)物質(zhì)單位面積的質(zhì)量吸收系數(shù)；

m——被測(cè)物質(zhì)的定量,g/m2。

當(dāng)X射線定量儀的靶材料和管電壓確定時(shí)，質(zhì)量吸收系數(shù)與樣品含有成分有關(guān)[11]。由表1可以看出，同種配比的不同定量的基片質(zhì)量吸收系數(shù)較穩(wěn)定，不同配比的基片質(zhì)量吸收系數(shù)有所變化，說明了同配比不同定量的基片含有化學(xué)成分較一致，保證了測(cè)定同配比不同定量的基片不需考慮質(zhì)量吸收系數(shù)對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。綜上，在測(cè)定同配比不同定量的再造煙葉基片時(shí)，在保證質(zhì)量吸收系數(shù)穩(wěn)定的情況下，可以識(shí)別同配比不同定量的再造煙葉基片差異性，為測(cè)定的定量指示值與定量實(shí)測(cè)值建立相應(yīng)的模型提供了依據(jù)。

圖1 不同定量基片的射線強(qiáng)度Figure 1 Ray intensity of different grammage paper base

定量/(g·m-2)1#-43#-2質(zhì)量吸收系數(shù)/(m-2·g)1#-43#-249.754.40.006 40.006 152.855.70.006 50.006 154.860.50.006 50.006 160.163.60.006 50.006 165.565.70.006 40.006 165.771.90.006 40.006 171.274.80.006 40.006 174.077.00.006 40.006 175.880.80.006 40.006 1

2.2 X射線管電壓的優(yōu)化

圖2 1#-4和3#-2在不同管電壓下基片定量

Figure 2 Repeatability results of 1#-4 and 3#-2 substrates under different tube voltages

2.3 動(dòng)態(tài)掃描徑向路線的確定

圖5為X射線定量儀正面圖。為了解決X射線定量儀測(cè)定時(shí)環(huán)境溫濕度在不停變化，射線強(qiáng)度、射線感應(yīng)器也隨著時(shí)間緩慢飄移。掃描時(shí)采用兩點(diǎn)修正模型，在掃描架的右端留有足夠的空氣以保證掃描架能正確采集射線穿透空氣后的強(qiáng)度，此強(qiáng)度稱為I0，在掃描的左端是一種熱性能和機(jī)械能較穩(wěn)定的高分子材料(Mylar片)，掃描過程中會(huì)每隔段時(shí)間掃描一次Mylar片和空氣，Mylar片的定量為已知，求出Mylar片質(zhì)量吸收系數(shù)，通過 Mylar片質(zhì)量吸收系數(shù)測(cè)定出樣品的定量指示值。

表2 不同管電壓靈敏度分析結(jié)果

圖3 質(zhì)量吸收系數(shù)隨管電壓的變化Figure 3 Mass absorption coefficient with tube voltage

圖4 檢出限隨管電壓的變化Figure 4 Detection limit with tube voltage changes

圖5 X射線定量儀Figure 5 X-ray grammage instrument

X射線定量儀測(cè)定點(diǎn)光斑直徑為30 mm，不同配比基片規(guī)格皆為直徑200 mm圓形樣品，樣品放在載物臺(tái)上沿著不同徑向路線(8條和4條)進(jìn)行掃描，8條徑向路線掃描結(jié)果可以反映出整個(gè)基片定量變化的信息，4條徑向路線掃描反映整個(gè)基片部分定量變化的信息。表4為分別沿著8條和4條徑向路線掃描測(cè)定不同配比基片的定量指示值結(jié)果，其中Shapiro-Wilk是檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)性，Games-Howell檢驗(yàn)8條與4條測(cè)定結(jié)果的平均值是否有差異性，相對(duì)偏差為8條與4條掃描得到平均值的絕對(duì)差值除以兩者的平均值。由表3可以看出沿8條與4條不同徑向路線掃描得到平均值最大相對(duì)偏差為0.223%，兩者路線掃描不同配比基片的定量指示值數(shù)據(jù)的Shapiro-Wilk檢驗(yàn)P值均>0.05，說明了再造煙葉基片不同點(diǎn)的定量指示值符合正態(tài)分布，可以進(jìn)行Games-Howell檢驗(yàn)，Games-Howell檢驗(yàn)的P值均>0.05，說明沿8條與4條徑向測(cè)定路線得到的平均值無差異性。為了節(jié)省時(shí)間，本次試驗(yàn)選用4條徑向掃描路線。

2.4 不同配比的再造煙葉基片測(cè)定定量模型的建立

由圖6中可以看出，不同配比的基片定量指示值與定量實(shí)測(cè)值線性關(guān)系較高，分別建立其線性回歸模型如表4～6。表4～6中k、b和R2分別為線性回歸模型的斜率、截距和決定系數(shù)，MXRD是同配比不同定量的基片通過其線性回歸模型預(yù)測(cè)的定量值與定量實(shí)測(cè)值最大相對(duì)偏差，其中線性回歸模型決定系數(shù)R2均>0.99，模型預(yù)測(cè)值與定量實(shí)測(cè)值最大偏差均<1%，說明了針對(duì)不同配比的基片，可以先建立定量實(shí)測(cè)值與定量指示值的線性回歸模型，然后進(jìn)行基片定量的測(cè)定。

表3 不同徑向掃描路徑次數(shù)定量指示值結(jié)果

Figure 6 Scatter plot of grammage indication value and grammage measured value of different ratio paper bases

表4不同碳酸鈣含量的基片線性回歸模型參數(shù)

Table 4 Parameters of linear regression model of paper bases with different contents of calcium carbonate

樣品號(hào)碳酸鈣/%kbR2MXRD/%1#-100.384-0.7750.9960.5621#-250.378-1.0140.9970.4871#-3100.367-2.5630.9920.7891#-4150.3590.9710.9960.5611#-5200.3461.4300.9970.842

表5不同梗末比的基片線性回歸模型參數(shù)

Table 5 Parameters of linear regression model of paper bases with different tobacco stem and tobacco powder ratio

樣品號(hào)煙梗︰煙末kbR2MXRD/%2#-14︰60.393-3.6630.9970.8412#-25︰50.396-2.9980.9980.5122#-36︰40.392-3.3740.9970.4862#-48︰20.3810.3920.9960.3682#-510︰00.378-2.0980.9960.678

表6不同外加纖維含量的基片線性回歸模型參數(shù)

Table 6 Parameters of linear regression model of paper bases with different contents of external fiber

樣品號(hào)外加纖維/%kbR2MXRD/%3#-150.374-1.5440.9990.5443#-2100.382-1.7520.9990.8733#-3150.383-1.4570.9980.5563#-4200.395-2.8240.9960.4443#-5250.393-2.1850.9980.342

圖7 不同配比基片測(cè)定定量模型斜率的變化Figure 7 Variation of determination model slope about different ratio paper bases

由圖7可以看出不同配比碳酸鈣對(duì)模型斜率影響較大，不同配比的外加纖維和梗末比對(duì)模型斜率影響相對(duì)較小。從圖7(a)中可以看出，碳酸鈣在0%～20%時(shí)隨著碳酸鈣的增多，斜率逐漸降低，不同配比的碳酸鈣模型的斜率與添加碳酸鈣的含量有著較高的線性關(guān)系，這是由于碳酸鈣的增多導(dǎo)致了質(zhì)量吸收系數(shù)的增大，因而斜率減?。粡膱D7(b)可以得出，在煙梗漿占煙梗漿和煙末漿總質(zhì)量的百分比為40%～100%時(shí)，隨著煙梗漿占煙草漿的增多，質(zhì)量吸收系數(shù)有呈上升的趨勢(shì)，分析其原因是質(zhì)量吸收系數(shù)與樣品含有的元素序數(shù)、元素含量百分比有關(guān)[12]237-241，樣品中較大元素序數(shù)的元素含量越多，質(zhì)量吸收系數(shù)越大。煙梗漿含有的灰分比煙末漿的灰分多[14]，隨著煙梗漿的增多，灰分含量增多，質(zhì)量吸收系數(shù)升高，斜率減小。從圖7(c)可以得出，外加纖維在5%～25%時(shí)隨著外加纖維的增多，斜率呈上升趨勢(shì)，分析原因主要是因?yàn)橥饧永w維含有的灰分相對(duì)于煙梗煙末較小[14]，隨著外加纖維的增多，灰分含量百分比變少，質(zhì)量吸收系數(shù)減小，斜率增大。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)以不同再造煙葉基片為研究對(duì)象，研究了X射線定量儀測(cè)定再造煙葉基片的定量的方法，通過研究得出以下主要結(jié)論：① 采用X射線定量儀測(cè)定再造煙葉基片的定量具有較高的可行性；② 在本試驗(yàn)范圍內(nèi)本方法與國標(biāo)法測(cè)定再造煙葉基片的定量最大相對(duì)誤差<1%；③ 不同配比的再造煙葉基片對(duì)于測(cè)定結(jié)果有一定的影響，其中碳酸鈣的含量對(duì)測(cè)定結(jié)果影響較大，梗末比和外加纖維的含量對(duì)于測(cè)定結(jié)果影響相對(duì)較小。

X射線定量儀測(cè)定再造煙葉基片的定量具有準(zhǔn)確度高、數(shù)據(jù)反饋迅速等優(yōu)勢(shì)，不同配比再造煙葉基片對(duì)測(cè)定結(jié)果有著不同程度的影響，在實(shí)際應(yīng)用中，需對(duì)不同含量碳酸鈣的再造煙葉基片對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響進(jìn)行深入研究。