楊 揚 李慶華

(齊魯工業(yè)大學電氣工程與自動化學院，山東濟南，250000)

基于纖維形態(tài)的紙漿抄造性能研究

楊 揚 李慶華*

(齊魯工業(yè)大學電氣工程與自動化學院，山東濟南，250000)

通過對纖維測量儀采集的圖像進行計算，得出紙漿纖維長度、卷曲度及細小纖維含量等形態(tài)參數(shù)，通過實驗獲取紙漿抄造性能。探究了纖維形態(tài)參數(shù)與紙漿抄造性能之間的關(guān)系，并對描述的可行性進行了分析和驗證。

紙漿纖維；形態(tài)參數(shù)；抄造性能

目前，纖維形態(tài)參數(shù)測量，主要通過國外進口纖維質(zhì)量分析儀(FQA)[1]和國內(nèi)自主研發(fā)基于機器視覺FQA[2]，對于這些方面的介紹和研究已經(jīng)較為成熟。對于全木漿纖維[3]、混合漿纖維[4]、非木漿纖維[5- 6]，甚至化學纖維[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紙漿和紙張品質(zhì)做出預測和鑒別，纖維的形態(tài)參數(shù)通過測量得出是外在表現(xiàn)，其抄造性能通過實驗獲取是內(nèi)在性質(zhì)，但是目前對兩者關(guān)系的研究很少。本課題研究了纖維長度、卷曲度及細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應關(guān)系，以纖維形態(tài)參數(shù)來描述紙漿抄造性能，以減少對紙漿評價時的大量測量和實驗。

1 纖維形態(tài)參數(shù)的測量

紙漿纖維的形態(tài)參數(shù)主要包括紙漿纖維的長度、卷曲度及細小纖維含量等，這些參數(shù)是評價纖維質(zhì)量的主要指標。本課題紙漿纖維的圖像通過流道式紙漿纖維測量儀獲取。此纖維測量儀由齊魯工業(yè)大學和濟南潤之科技有限公司聯(lián)合開發(fā)研制，采用高精度工業(yè)面陣相機對流道內(nèi)的紙漿纖維進行采集，然后將采集的圖像傳送到電腦，便于實時的計算和分析，并通過在VC++6.0的環(huán)境下配置OPENCV1.0來實現(xiàn)對圖像的計算操作。

1.1單根纖維的提取

圖像采集后進行濾波、平滑、二值化等預處理，然后對圖像進行連通標記來提取纖維輪廓。將每個連通區(qū)域內(nèi)像素點個數(shù)之和看作該輪廓的面積，并設定一個閾值，當輪廓面積小于設定的閾值時，把此輪廓作為細小纖維，進行計數(shù)；當輪廓面積大于此閾值時，把此輪廓作為非細小纖維并對輪廓進行細化，然后對細化后線條上的像素點進行判斷。若某一像素點八鄰域內(nèi)只有一個像素點則該像素點為此線條的端點，記錄該線條的端點個數(shù)。有兩個端點的纖維是單根纖維，有多個端點的纖維是聚集纖維。

1.2纖維長度、卷曲指數(shù)和細小纖維含量計算方法

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

(1)

記錄上述單個纖維的兩個端點坐標分別為(i1，j1)和(i2，j2)，則卷曲長度L0為：

(2)

卷曲指數(shù)P為：

(3)

采用上述方法測量后，得到的是以像素點個數(shù)為單位的結(jié)果，而實際中纖維長度測量應用的數(shù)據(jù)是以微米(μm)為長度單位，所以必須將像素點標定為標準單位：

l=p·L

(4)

式中，l為纖維長度，μm；p為比例系數(shù)；L為以像素點個數(shù)為單位的長度。

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度性能、黏附性能和紙漿濾水性能3個方面。

2.1濕紙幅強度性能

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

表1 針葉木漿和闊葉木漿的濕紙幅強度性能

2.2纖維形態(tài)參數(shù)

采用上述纖維形態(tài)參數(shù)的測量和計算方法對表1中的針葉木漿和闊葉木漿分別進行多次形態(tài)參數(shù)的測量，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)對濕紙幅強度的影響

加拿大學者Seth R S以化學木漿和機械木漿為研究對象，把濕紙幅強度的形成歸結(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度性能符合客觀實際，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。

首先考慮纖維長度的影響，從表1可以看出，針葉木漿抄造濕紙幅的抗張強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度與闊葉木漿纖維平均長度有較明顯的差距，并且隨著纖維長度的增加，濕紙幅抗張強度和累積破裂功呈增加的趨勢。這是由于長纖維作為“骨架”能提供更多的結(jié)合點，同時長纖維本身具有較高的強度，有利于應力均勻分布，因此認為隨著纖維長度的增加，濕紙幅強度性能越好。

其次是卷曲指數(shù)的影響，在纖維平均長度和細小纖維含量不變的情況下，改變纖維的卷曲指數(shù)。一般認為，隨著打漿的進行，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，對同一漿料進行適度的打漿，可使纖維分絲帚化，增加纖維間的接觸面積，促進范德華力等的作用，會提高濕紙幅強度。從表3也驗證了卷曲指數(shù)越低濕紙幅強度性能越好。

表3 卷曲指數(shù)與濕紙幅強度性能

表4 細小纖維含量與濕紙幅強度性能

最后是細小纖維含量的影響，在不改變纖維平均長度和卷曲指數(shù)(打漿度)的情況下，增加細小纖維含量。細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)，隨著細小纖維含量的增加，濕紙幅強度會增加，但超過某一閾值，隨著細小纖維含量的增加，濕紙幅強度會減小。衛(wèi)曉琳等認為新鮮細小纖維的存在會改變紙張的一些重要性能，當添加20%的新鮮細小纖維時，對紙張強度的影響達到極限值[10]。這與實驗預期及實驗結(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?，剝離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]。與卷曲度和細小纖維含量相似的針葉木漿和闊葉木漿對比發(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價方法依然是采用打漿度儀間接測量的方法，雖然具有一定的局限性，但對用紙漿參數(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間都會增大，此時卷曲指數(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)越低濕紙幅強度性能越好，因此很難準確地用濕紙幅累積破裂功、黏附功和濾水性能綜合評價打漿對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來評價紙漿的抄造性能可以較為準確地評價紙漿的抄造性能[12]，適度的打漿可以改善紙漿的抄造性能。

表5 打漿度對黏附力和濾水時間的影響

表6 細小組分對黏附功和累積破裂功的影響

注 全級分漿中P200為50%。

由表6可以看出，雖然除去細小纖維會使黏附功減小，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，進而影響到紙漿的抄造性能。因此，適當保留細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)應該滿足較長的纖維長度、適宜的卷曲度和恰當?shù)募毿±w維含量。

3 纖維形態(tài)參數(shù)對紙漿抄造性能的具體描述

針對纖維形態(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)計軟件的22.0版本對纖維形態(tài)參數(shù)和紙漿抄造性能進行統(tǒng)計和分析，并通過曲線擬合，對其相關(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，并未對非木纖維的特性進行研究，因此本節(jié)所得的擬合曲線和擬合函數(shù)僅對長度超過0.49 mm以上的原木纖維有效。

3.1纖維長度對紙漿抄造性能的影響

分別對纖維長度與抗張指數(shù)和累積破裂功進行線性、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，但并不是越高越好，通常超過80%可以認為擬合得較好。圖1和圖2分別為纖維長度對抗張指數(shù)的線性描述和纖維長度對累積破裂功的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 纖維長度與抗張指數(shù)關(guān)系

圖2 纖維長度與累積破裂功關(guān)系

3.2細小纖維含量和打漿度對紙漿抄造性能的影響

分別對細小纖維含量與抗張指數(shù)和累積破裂功進行線性、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。由于打漿度對濕紙幅累積破裂功、黏附功和濾水性能都有影響，因此對打漿度和紙漿濕紙幅累積破裂功與黏附功的比值S/A進行線性、二次曲線和三次曲線進行曲線擬合，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 細小纖維含量與抗張指數(shù)關(guān)系

圖4 細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預測及驗證

為了保證以上描述圖像和描述函數(shù)的準確可信，必須選擇一種未參與第二節(jié)計算的原木紙漿進行驗證，因此選擇了纖維長度0.85 mm、打漿度為45°SR，未添加細小纖維的毛竹漿進行預測和驗證。其根據(jù)描述曲線和描述函數(shù)的預測值和實測值見表7。

表7 預測值和實測值對比

由表7可知，其預測值和實測值的偏差最大為+1.259%，最小值僅為-0.282%，因此其纖維長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。

將逐步添加細小纖維后的抗張指數(shù)和累積破裂功通過相同的方式進行曲線擬合，其對比結(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)項為未添加細小纖維的抗張指數(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準確地展現(xiàn)出來。

圖6 抗張指數(shù)對比圖

圖7 累積破裂功對比圖

4 總結(jié)和展望

較好抄造性能的紙漿應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。纖維的長度、卷曲度和細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)應該滿足較長的纖維長度、適宜卷曲度和恰當?shù)募毿±w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)計軟件進行擬合，擬合的結(jié)果也得到了很好驗證。纖維長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)的幾個基本部分，并且僅對長度0.49 mm以上的原木紙漿進行研究，并未對其他紙漿如粗度、扭結(jié)度和長度較短的原木紙漿、混合漿、非木漿等進行研究，使得研究不夠完善。但相信隨著實驗和實際應用數(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。進一步為廢紙漿通過形態(tài)測量對成紙性能的預測奠定研究基礎。

[1] 王丹楓. 纖維形態(tài)參數(shù)及測量[J]. 中國造紙， 2000， 19(1): 36.

[2] 馬磊. 基于機器視覺的紙漿纖維形態(tài)參數(shù)測量的研究[D]. 濟南: 山東輕工業(yè)學院， 2009.

[3] 沈陽耀, 陶利. 淺談全木漿底層紙的抄造[J]. 江蘇造紙, 2001(3): 19.

[4] 陳禮輝, 詹懷宇. 混合竹材漂白硫酸鹽漿濕紙幅強度和黏附特性[J]. 中國造紙學報, 2003, 18(2): 94.

[5] 何北海, 盧謙和. 非木纖維紙漿的抄造性能研究[J]. 華南理工大學學報, 1998, 26(7): 99.

[6] 李 權(quán), 林金國, 黃秋月, 等. 三年生花眉竹不同部位纖維形態(tài)特征的分析研究[J]. 中國造紙, 2017, 36(6): 27.

[7] 范玉敏, 湯人望, 胡曉東, 等. 聚乳酸纖維在濕法非織造材料生產(chǎn)中的抄造性能[J]. 中國造紙, 2014, 33(10): 31.

[8] Seth R S, Page D H. Fiber properties and tearing resistance[J]. TAPPI Journal, 1988, 71(2): 103.

[9] Seth R S, Kingsland M A. The reinforcing properties of softwood kraft pulps[J]. Pulp & Paper Canada, 1990, 91(7): T273.

[10] 衛(wèi)曉琳, 李洪才. 細小組分和纖維之間的相互作用及其對紙張性能的影響[J]. 國際造紙, 2013, 32(1): 17.

[11] 陳道義, 張軍營. 膠結(jié)基本原理[M]. 北京: 科學出版社, 1992.

[12] 陳禮輝, 何北海, 詹懷宇, 等. 紙漿抄造性能的評價方法[J]. 福建林學院學報, 2001, 21(2): 116.

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

制漿造紙科學與技術(shù)教育部重點實驗室開放基金項目(KF2015018)。

楊 揚，男，1992年生；在讀碩士研究生；主要研究方向：控制科學與工程。

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