紅外光譜技術(shù)在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用
2014/12/6 9:10:02 點(diǎn)擊：
1近紅外光譜的發(fā)展現(xiàn)狀
近紅外光譜(Near-InfraredSpectroscopy―NIR)作為迅速崛起的光譜分析技術(shù)在分析測(cè)試領(lǐng)域中所起的作用越來(lái)越引起人們的關(guān)注。在1997年分析化學(xué)與應(yīng)用光譜學(xué)匹茲堡會(huì)議(Pittcon’97)上，關(guān)于近紅外光譜方面的文章有178篇，NIR反射光譜仍然是這次會(huì)議的重要話題。由此可見，由于在樣品分析時(shí)基本不需處理，且不破壞和消耗樣品，自身又無(wú)環(huán)境污染，所以近紅外光譜作為一種快速分析測(cè)試儀器正在被越來(lái)越多的分析工作者認(rèn)識(shí)和使用，同時(shí)也受到工業(yè)控制領(lǐng)域的關(guān)注。在1998年分析化學(xué)與應(yīng)用光譜學(xué)匹茲堡會(huì)議(Pittcon’98)上，推出的聲光可調(diào)濾光片(AOTF)和近紅外探頭已成功地用于近紅外在線過(guò)程監(jiān)控儀器中，用以監(jiān)測(cè)聚合物粘度、酸數(shù)、添加劑、聚合度等。進(jìn)入90年代以來(lái)，NIR作為一門現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)已基本成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大，從最初的食品行業(yè)，迅速滲透到石油、化工、環(huán)境和生化等行業(yè)，在工藝控制、產(chǎn)品質(zhì)量分析檢測(cè)方面發(fā)揮了突出的作用，并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，在過(guò)程控制方面獲得了廣泛的成功。
2近紅外光譜技術(shù)在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用
目前世界范圍內(nèi)漿和紙的產(chǎn)量和質(zhì)量正不斷增長(zhǎng)，若僅僅依靠提供優(yōu)質(zhì)的纖維原料和改進(jìn)制漿造紙工藝來(lái)促進(jìn)生產(chǎn)是不夠的，還必須研制和使用一些新型的過(guò)程分析儀器和傳感器。隨著近紅外光譜技術(shù)和光譜數(shù)據(jù)處理軟件的進(jìn)展，為開發(fā)新型的過(guò)程分析儀器提供了新的途徑。下面介紹的NIR在制漿造紙過(guò)程中的應(yīng)用，雖然絕大部分應(yīng)用情況目前仍然局限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，但將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)必定為現(xiàn)場(chǎng)分析和測(cè)控，實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)變。
2.1檢測(cè)紙頁(yè)涂料中的水分含量
在400～1100nm的范圍內(nèi)，采用透過(guò)模式，分析涂料混合物中的水分含量。雖然，由于涂料中懸浮顆粒的存在使測(cè)量的重現(xiàn)性受影響，但是對(duì)于連續(xù)流動(dòng)的涂料，卻可以避免這個(gè)問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。
2.2確定紙漿中針葉木的含量
在1100～2500nm的范圍內(nèi)，采用反射模式，取兩個(gè)樣品分別用于校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值和在線測(cè)量值。雖然在線測(cè)量值的誤差比預(yù)期的要大，但是測(cè)量結(jié)果仍然表明NIR可以用于確定紙漿中的針葉木含量。
2.3測(cè)量混合木漿的卡伯值
采用反射模式，取27個(gè)樣品在2180nm處用于標(biāo)定曲線，9個(gè)樣品作為測(cè)試集，測(cè)量誤差為5.6%。雖然測(cè)量結(jié)果表明NIR可能用于測(cè)量混合木漿的卡伯值，但是測(cè)量誤差能否被工業(yè)過(guò)程所接受，還有待考究。
2.4測(cè)量蒸煮鍋噴放管線中紙漿的Kno(卡伯值的對(duì)數(shù))
在1100～2500nm的范圍內(nèi)，采用反射模式，測(cè)量紙漿的Kno。在1672nm處進(jìn)行一元線性回歸，測(cè)量誤差為1.0%;由于波長(zhǎng)波動(dòng)的影響，再引入1436nm進(jìn)行多元線性回歸，使測(cè)量誤差下降為0.5%。
2.5測(cè)量紙頁(yè)的水分和紙板的重量
采用反射模式，利用水在1940nm處的特征吸收測(cè)量紙頁(yè)中的水分;紙板重量的變化在2100～2500nm的范圍內(nèi)表現(xiàn)明顯，在2346nm處進(jìn)行一元線性回歸。結(jié)果表明，NIR對(duì)紙頁(yè)的水分和紙板的重量均很敏感。由于樣品本身的不均勻性，所以測(cè)量掃描時(shí)樣品的面積應(yīng)該較大，以取平均值。
2.6監(jiān)測(cè)紙頁(yè)的樹脂層
采用反射模式，在1100～2500nm的范圍內(nèi)分析樣品，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于未經(jīng)涂布的紙?jiān)?688nm、1766nm和2160nm無(wú)特征吸收，所以可以避開紙頁(yè)的影響。在2160nm標(biāo)定曲線，誤差為0.7%。
2.7監(jiān)測(cè)紙漿棉短絨混合物的卡伯值
采用反射模式，在1100～2500nm的范圍內(nèi)分析樣品，在1680nm進(jìn)行一元線性回歸，誤差為1.2個(gè)卡伯值，標(biāo)定的有效范圍為3.4～33.9個(gè)卡伯值。此結(jié)果對(duì)干、濕紙漿棉短絨混合物均適用。
2.8檢測(cè)薄頁(yè)紙上的聚硅酮層含量
對(duì)8個(gè)聚硅酮濃度為0.69%～5.67%的薄紙頁(yè)樣品在1100～2500nm的范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，在1744nm進(jìn)行一元線性回歸，誤差為0.2%。
2.9檢測(cè)木纖維中的蠟和苯酚樹脂含量
采用反射模式，在1100～2500nm的范圍內(nèi)，分別對(duì)蠟的濃度為0.3%～2.4%的木纖維樣品和苯酚樹脂的濃度為1.3%～4.3%的木纖維樣品進(jìn)行掃描。在2158nm處標(biāo)定苯酚樹脂，誤差為0.4%;在1728nm處標(biāo)定蠟，誤差為0.1%。
2.10檢測(cè)干木漿中的木素含量
采用反射模式，在1100～2500nm的范圍內(nèi)，對(duì)木素濃度為5.7%～33.6%的木漿進(jìn)行掃描。在2172nm和1556nm處進(jìn)行多元線性回歸，誤差為1%。
2.11檢測(cè)木纖維中的蠟和苯酚甲醛樹脂含量
采用反射模式，在1100～2500nm的范圍內(nèi)，掃描木纖維、純蠟、經(jīng)冷凍干燥的苯酚甲醛樹脂及含有蠟和苯酚甲醛樹脂的木纖維，發(fā)現(xiàn)纖維中的蠟在2250nm、2310nm和1725nm均有特征吸收，而樹脂則在1980nm處有特征吸收。
2.12檢測(cè)絨毛漿中的吸水劑含量
采用反射模式，在1100～2500nm的范圍內(nèi)，對(duì)吸水劑濃度為0.00%～44.9%的絨毛漿樣品進(jìn)行掃描，在1752nm處標(biāo)定，誤差為6%。
2.13檢測(cè)涂布紙的涂布層
在1100～2500nm的范圍內(nèi)，對(duì)涂料濃度為0～12%的涂布紙，利用光纖測(cè)量NIR反射光譜，在2316nm處標(biāo)定，誤差為0.1%。但是還不能排除紙頁(yè)中無(wú)機(jī)物的影響。
3展望
由上述可見，近紅外光譜在制漿造紙行業(yè)應(yīng)用廣泛，具有很好的應(yīng)用前景。特別是將近紅外光譜用于測(cè)定紙漿中木素含量或步伯值，近年來(lái)已成為國(guó)際上制漿造紙行業(yè)分析測(cè)試領(lǐng)域的熱門話題。但是，其中要注意的問(wèn)題有：(1)對(duì)于不同的漿種，必須重新標(biāo)定曲線和方程;(2)紙漿主要成分是碳水化合物，具有吸濕性，所以在測(cè)定其光譜時(shí)應(yīng)該在同一周圍環(huán)境下進(jìn)行，減少水分干擾，從而減少誤差;(3)考慮到紙漿成分的復(fù)雜性，用近紅外光譜進(jìn)行紙漿的定量分析，最好采用導(dǎo)數(shù)光譜，多特征吸收峰的多元回歸方法，來(lái)測(cè)定紙漿中的木素含量。
近紅外光譜(Near-InfraredSpectroscopy―NIR)作為迅速崛起的光譜分析技術(shù)在分析測(cè)試領(lǐng)域中所起的作用越來(lái)越引起人們的關(guān)注。在1997年分析化學(xué)與應(yīng)用光譜學(xué)匹茲堡會(huì)議(Pittcon’97)上，關(guān)于近紅外光譜方面的文章有178篇，NIR反射光譜仍然是這次會(huì)議的重要話題。由此可見，由于在樣品分析時(shí)基本不需處理，且不破壞和消耗樣品，自身又無(wú)環(huán)境污染，所以近紅外光譜作為一種快速分析測(cè)試儀器正在被越來(lái)越多的分析工作者認(rèn)識(shí)和使用，同時(shí)也受到工業(yè)控制領(lǐng)域的關(guān)注。在1998年分析化學(xué)與應(yīng)用光譜學(xué)匹茲堡會(huì)議(Pittcon’98)上，推出的聲光可調(diào)濾光片(AOTF)和近紅外探頭已成功地用于近紅外在線過(guò)程監(jiān)控儀器中，用以監(jiān)測(cè)聚合物粘度、酸數(shù)、添加劑、聚合度等。進(jìn)入90年代以來(lái)，NIR作為一門現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)已基本成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大，從最初的食品行業(yè)，迅速滲透到石油、化工、環(huán)境和生化等行業(yè)，在工藝控制、產(chǎn)品質(zhì)量分析檢測(cè)方面發(fā)揮了突出的作用，并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，在過(guò)程控制方面獲得了廣泛的成功。
2近紅外光譜技術(shù)在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用
目前世界范圍內(nèi)漿和紙的產(chǎn)量和質(zhì)量正不斷增長(zhǎng)，若僅僅依靠提供優(yōu)質(zhì)的纖維原料和改進(jìn)制漿造紙工藝來(lái)促進(jìn)生產(chǎn)是不夠的，還必須研制和使用一些新型的過(guò)程分析儀器和傳感器。隨著近紅外光譜技術(shù)和光譜數(shù)據(jù)處理軟件的進(jìn)展，為開發(fā)新型的過(guò)程分析儀器提供了新的途徑。下面介紹的NIR在制漿造紙過(guò)程中的應(yīng)用，雖然絕大部分應(yīng)用情況目前仍然局限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，但將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)必定為現(xiàn)場(chǎng)分析和測(cè)控，實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)變。
2.1檢測(cè)紙頁(yè)涂料中的水分含量
在400～1100nm的范圍內(nèi)，采用透過(guò)模式，分析涂料混合物中的水分含量。雖然，由于涂料中懸浮顆粒的存在使測(cè)量的重現(xiàn)性受影響，但是對(duì)于連續(xù)流動(dòng)的涂料，卻可以避免這個(gè)問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。
2.2確定紙漿中針葉木的含量
在1100～2500nm的范圍內(nèi)，采用反射模式，取兩個(gè)樣品分別用于校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值和在線測(cè)量值。雖然在線測(cè)量值的誤差比預(yù)期的要大，但是測(cè)量結(jié)果仍然表明NIR可以用于確定紙漿中的針葉木含量。
2.3測(cè)量混合木漿的卡伯值
采用反射模式，取27個(gè)樣品在2180nm處用于標(biāo)定曲線，9個(gè)樣品作為測(cè)試集，測(cè)量誤差為5.6%。雖然測(cè)量結(jié)果表明NIR可能用于測(cè)量混合木漿的卡伯值，但是測(cè)量誤差能否被工業(yè)過(guò)程所接受，還有待考究。
2.4測(cè)量蒸煮鍋噴放管線中紙漿的Kno(卡伯值的對(duì)數(shù))
在1100～2500nm的范圍內(nèi)，采用反射模式，測(cè)量紙漿的Kno。在1672nm處進(jìn)行一元線性回歸，測(cè)量誤差為1.0%;由于波長(zhǎng)波動(dòng)的影響，再引入1436nm進(jìn)行多元線性回歸，使測(cè)量誤差下降為0.5%。
2.5測(cè)量紙頁(yè)的水分和紙板的重量
采用反射模式，利用水在1940nm處的特征吸收測(cè)量紙頁(yè)中的水分;紙板重量的變化在2100～2500nm的范圍內(nèi)表現(xiàn)明顯，在2346nm處進(jìn)行一元線性回歸。結(jié)果表明，NIR對(duì)紙頁(yè)的水分和紙板的重量均很敏感。由于樣品本身的不均勻性，所以測(cè)量掃描時(shí)樣品的面積應(yīng)該較大，以取平均值。
2.6監(jiān)測(cè)紙頁(yè)的樹脂層
采用反射模式，在1100～2500nm的范圍內(nèi)分析樣品，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于未經(jīng)涂布的紙?jiān)?688nm、1766nm和2160nm無(wú)特征吸收，所以可以避開紙頁(yè)的影響。在2160nm標(biāo)定曲線，誤差為0.7%。
2.7監(jiān)測(cè)紙漿棉短絨混合物的卡伯值
采用反射模式，在1100～2500nm的范圍內(nèi)分析樣品，在1680nm進(jìn)行一元線性回歸，誤差為1.2個(gè)卡伯值，標(biāo)定的有效范圍為3.4～33.9個(gè)卡伯值。此結(jié)果對(duì)干、濕紙漿棉短絨混合物均適用。
2.8檢測(cè)薄頁(yè)紙上的聚硅酮層含量
對(duì)8個(gè)聚硅酮濃度為0.69%～5.67%的薄紙頁(yè)樣品在1100～2500nm的范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，在1744nm進(jìn)行一元線性回歸，誤差為0.2%。
2.9檢測(cè)木纖維中的蠟和苯酚樹脂含量
采用反射模式，在1100～2500nm的范圍內(nèi)，分別對(duì)蠟的濃度為0.3%～2.4%的木纖維樣品和苯酚樹脂的濃度為1.3%～4.3%的木纖維樣品進(jìn)行掃描。在2158nm處標(biāo)定苯酚樹脂，誤差為0.4%;在1728nm處標(biāo)定蠟，誤差為0.1%。
2.10檢測(cè)干木漿中的木素含量
采用反射模式，在1100～2500nm的范圍內(nèi)，對(duì)木素濃度為5.7%～33.6%的木漿進(jìn)行掃描。在2172nm和1556nm處進(jìn)行多元線性回歸，誤差為1%。
2.11檢測(cè)木纖維中的蠟和苯酚甲醛樹脂含量
采用反射模式，在1100～2500nm的范圍內(nèi)，掃描木纖維、純蠟、經(jīng)冷凍干燥的苯酚甲醛樹脂及含有蠟和苯酚甲醛樹脂的木纖維，發(fā)現(xiàn)纖維中的蠟在2250nm、2310nm和1725nm均有特征吸收，而樹脂則在1980nm處有特征吸收。
2.12檢測(cè)絨毛漿中的吸水劑含量
采用反射模式，在1100～2500nm的范圍內(nèi)，對(duì)吸水劑濃度為0.00%～44.9%的絨毛漿樣品進(jìn)行掃描，在1752nm處標(biāo)定，誤差為6%。
2.13檢測(cè)涂布紙的涂布層
在1100～2500nm的范圍內(nèi)，對(duì)涂料濃度為0～12%的涂布紙，利用光纖測(cè)量NIR反射光譜，在2316nm處標(biāo)定，誤差為0.1%。但是還不能排除紙頁(yè)中無(wú)機(jī)物的影響。
3展望
由上述可見，近紅外光譜在制漿造紙行業(yè)應(yīng)用廣泛，具有很好的應(yīng)用前景。特別是將近紅外光譜用于測(cè)定紙漿中木素含量或步伯值，近年來(lái)已成為國(guó)際上制漿造紙行業(yè)分析測(cè)試領(lǐng)域的熱門話題。但是，其中要注意的問(wèn)題有：(1)對(duì)于不同的漿種，必須重新標(biāo)定曲線和方程;(2)紙漿主要成分是碳水化合物，具有吸濕性，所以在測(cè)定其光譜時(shí)應(yīng)該在同一周圍環(huán)境下進(jìn)行，減少水分干擾，從而減少誤差;(3)考慮到紙漿成分的復(fù)雜性，用近紅外光譜進(jìn)行紙漿的定量分析，最好采用導(dǎo)數(shù)光譜，多特征吸收峰的多元回歸方法，來(lái)測(cè)定紙漿中的木素含量。
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