CN101861514A - 用于在造纸工艺中监测表面添加剂的荧光法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种监测和任选地控制将一种或多种表面添加剂添加到造纸工艺中的方法。该方法包括下述步骤：(a)单独地或按照与已知量的一种或多种惰性荧光示踪剂的已知比例，将已知量的一种或多种表面添加剂添加到造纸工艺中，其中当表面添加剂能够发荧光时，可以只单独添加表面添加剂；(b)在添加表面添加剂后和在已经形成纸页后的位置处，测量表面添加剂和/或一种或多种惰性荧光示踪剂的荧光，其中当表面添加剂能够发荧光时，可以只测量表面添加剂，且其中用基于反射率的荧光计测量荧光；(c)使纸页上的当表面添加剂能够发荧光时的表面添加剂和/或惰性荧光示踪剂的荧光的量与纸页上的涂层内的表面添加剂的浓度和/或纸页上的涂层的厚度相关联；以及(d)任选地，通过调节被添加到造纸工艺中的表面添加剂的量来控制将一种或多种表面添加剂添加到造纸工艺中，以响应纸页上的涂层厚度和/或纸页上的涂层内的表面添加剂的浓度。

Description

用于在造纸工艺中监测表面添加剂的荧光法
发明领域
本发明涉及监测和任选地控制将一种或多种表面添加剂添加到造纸工艺中。
发明背景
用于测量表面添加剂的量的当前措施通常由纸页离解(sheetdisintegration)的手动技术和/或质量平衡计算组成，它们本质上是相关的。
在施胶压榨处的淀粉采集的情形中，造纸商(如，纸板制造商)将会在许多情况下过多施用添加到造纸工艺中的淀粉的量，以便确保足够的淀粉被维持在纸页的表面上用于官能目的。过去的试验包括计量施胶压榨应用，这允许经由叶片施用技术来减少淀粉。虽然这允许将淀粉显著减少在50％-70％的范围内，但是与因淀粉采集的不能预测的且不受控制的变化引起的失效相关的风险太大而无法克服。因此，许多造纸商恢复至捣拌型施胶压榨(puddle style size press)，以便确保足够的淀粉被添加到纸页。
因此，期望更准确且更及时地测量纸页上的表面添加剂的量。这可能将会允许造纸商驱使添加速率至非常低的水平，同时能够快速预测并控制统计学上超出规范的添加速率。
发明概述
本公开内容提供了一种监测和任选地控制将一种或多种表面添加剂添加到造纸工艺中的方法，该方法包括下述步骤：(a)单独地或按照与已知量的一种或多种惰性荧光示踪剂的已知比例，将已知量的一种或多种表面添加剂添加到造纸工艺中，其中当表面添加剂能够发荧光时，可以只单独添加表面添加剂；(b)在添加表面添加剂后和在已经形成纸页后的位置处，测量表面添加剂和/或一种或多种惰性荧光示踪剂的荧光，其中当表面添加剂能够发荧光时，可以只测量表面添加剂，且其中用基于反射率的荧光计测量荧光；(c)使纸页上的当表面添加剂能够发荧光时的表面添加剂和/或惰性荧光示踪剂的荧光的量与纸页上的涂层内的表面添加剂的浓度和/或纸页上的涂层的厚度相关联；以及(d)任选地通过调节被添加到造纸工艺中的表面添加剂的量来控制将一种或多种表面添加剂添加到造纸工艺中，以响应纸页上的涂层厚度和/或纸页上的涂层内的表面添加剂的浓度。
附图简述
图1显示了在本发明的一个实施方案中，基于反射率的荧光计是如何工作的示意图。
图2显示了由淀粉和惰性荧光示踪剂的组合显示的单个荧光对单种淀粉干涂层量(dry pick-up)的图。
发明详述
定义：
“造纸工艺(papermaking process)”/“造纸工艺(papermakingprocesses)”指的是由纸浆制造任何种类的纸制品(如，纸、薄纸、纸板等)的方法，该方法包括形成含水的纤维素造纸配料，使配料滤水以形成纸页并干燥纸页。形成造纸配料、滤水和干燥的步骤可以按照本领域的技术人员通常已知的任何常规方式来实施。造纸工艺还可以包括制浆阶段(即，由木质原材料制造纸浆)和漂白阶段(即化学处理纸浆以便改善亮度)。
“纸页(sheet)”/“纸页(sheets)”指的是因造纸工艺或在造纸工艺过程中形成的纸页。
“表面添加剂(surface additive)”/“表面添加剂(surface additives)”指的是在纸页表面上赋予一种或多种化学和/或物理(如，机械)性能的造纸添加剂。例如，纸页可以是纸张(paper sheet)、薄纸页、纸板页(boardsheet)或由造纸工艺产生的任何其他类型的纸页。例如，所赋予的化学性能可以允许“油墨”以更有效的方式粘结到纸上。
“NADH”指的是还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和/或其衍生物。
“ATP”意指腺苷三磷酸。
优选的实施方案：
如上所述，通过基于荧光的方案来示踪被添加到造纸工艺中的一种或多种表面添加剂。这要求暴露于荧光的介质适于荧光测量，如激发涂层的整个膜深度并收集其发射。本领域的普通技术人员能够对此进行确定而无需过多的试验。
荧光方案包括下面的方法：(1)一种或多种表面添加剂能够发荧光，固有地发荧光和/或被改性以发荧光，如具有荧光部分或通过与系统内的分子反应或通过除了固有特征之外的其他方式，(2)按照与表面添加剂的已知比例添加一种或多种惰性荧光示踪剂，或(3)其组合。
当表面添加剂能够发荧光时，荧光可以直接与涂层内的表面添加剂的浓度/包含表面添加剂的涂层的厚度直接相关联，如通过用表面添加剂的浓度和/或包含表面添加剂的涂层的厚度来校准荧光强度。本领域的普通技术人员能够实施此过程，而无需过多的试验。
在一个实施方案中，表面添加剂本身是发荧光的。
在另一个实施方案中，荧光部分可以共价地连接到非荧光表面添加剂。因此，官能化的表面添加剂具有荧光特性。
当包括惰性荧光示踪剂时，按照与表面添加剂已知的比例添加惰性荧光示踪剂。表面添加剂的量或包含表面添加剂的涂层的厚度可以从惰性荧光示踪剂的荧光推出，如通过用纸页上的涂层内的添加剂的浓度和/或纸页上的包含添加剂的涂层的厚度来校准荧光强度。本领域的普通技术人员能够实施此过程而无需过多的试验。
在一个实施方案中，可以按照特定的已知浓度将惰性荧光示踪剂添加到涂层制剂中，使得可以通过测量惰性荧光示踪剂的浓度推出纸页上的涂层或纸页上的涂层内的表面添加剂的量。
还可以监测发荧光的表面添加剂和惰性荧光示踪剂两者。通过用纸页上的涂层内的添加剂的浓度和/或纸页上的包含添加剂的涂层的厚度来校准荧光强度，可以从惰性荧光示踪剂的荧光和表面添加剂的荧光推出纸页上的涂层或纸页上的涂层内的表面添加剂的量。本领域的普通技术人员能够实施此过程而无需过多的试验。
不同类型的一种或多种惰性荧光示踪剂可以用于本发明。
本领域的普通技术人员将知道惰性荧光示踪剂是什么。
在一个实施方案中，惰性荧光示踪剂是一种与造纸工艺中的任何组分不发生化学反应且本身不会随时间降解的物质。所有相关水平的浓度的惰性荧光示踪剂在系统中都是完全可溶的。惰性荧光示踪剂的荧光强度与其浓度总是/基本上是成比例的且不会被系统抑制或以其他方式被减小。
在另一个实施方案中，惰性荧光示踪剂是不会显著或明显受到造纸工艺中的任何其他化学的影响的惰性荧光示踪剂。为了量化“不会显著或明显受到影响”所表示的意思，此表述意指惰性荧光化合物在造纸工艺中经常遇到的条件下，在其荧光信号上具有不超过10％的变化。造纸工艺中经常遇到的条件对造纸工艺领域的普通技术人员来说是已知的。
在另一个实施方案中，惰性荧光示踪剂的期望的特征优选包括：高的水溶解度、极佳的化学稳定性、可管控的波长下的良好的荧光特性(如，不会因纸页/纸张/纸板组分中的其他添加剂而被抑制)，且可以在常用的光学增亮剂存在下被监测，如在光学增亮剂的波长外以防止光学增亮剂与惰性荧光示踪剂之间的干扰。
在另一个实施方案中，惰性荧光示踪剂是FDA批准的示踪剂，这是，如食品包装所要求的。
在一个实施方案中，一种或多种惰性荧光示踪剂选自由下述物质中的至少一种组成的组：荧光素或荧光素衍生物、若丹明或若丹明衍生物、萘的磺酸盐、芘的磺酸盐、芪的磺酸盐、联苯的磺酸盐、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、维生素A(视黄醇)、维生素B2(核黄素)、维生素B6(吡哆醇)、维生素E(α-生育酚)、NADH、ATP、乙氧喹啉、咖啡碱、香草醛、萘磺酸盐甲醛缩合物、苯磺酸盐甲醛缩合物、磺化木质素、包含下述部分中的至少一种的聚合物：萘磺酸盐、芘磺酸盐、联苯磺酸盐或芪磺酸盐。
根据造纸工艺，惰性荧光示踪剂的最佳浓度将会变化。本领域的普通技术人员无需过多的试验就可以确定惰性荧光示踪剂的量。优选地，如在淀粉的情形中，较高浓度的惰性荧光示踪剂比较低浓度的惰性荧光示踪剂工作得更好。
所采用的荧光计应该是基于反射率的荧光计，这是因为期望确定施用到不透明的纸页的表面上的薄涂层的厚度。可以采用一个或多个。
基于反射率的荧光计可从Nalco Company或Ocean optics，Dunedin，FI得到。
图1中给出了基于反射率的荧光计的一个实施方案的图。反射荧光计采用光导纤维来激发纸页上的示踪剂并监测其反射荧光。诸如LED、氙闪光灯或放电灯的合适的光源提供了激发光。原始来源的光被合适的激发滤光片(从Semrock，Inc./Andover，Inc.得到)过滤以去除荧光发射区内的不期望的波长。光在90度被反射并另外通过二向色滤光片(dichroic filter)过滤以沿着不同的方向产生新的光束。光束被合适的透镜聚焦到纤维光缆的芯(core)上。光导纤维的其他端被设置靠近或接触纸张的表面，以便照亮其表面的区域，引起荧光发射。由相同的纤维俘获发射，相同的纤维将反射光载回到透镜，反射光在透镜处被变平行并被引导回到二向色滤光片上。反射的激发光被反射回到源，而荧光直穿到达发射滤光片。诸如光电二极管或光电倍增管的合适的光学检测器检测过滤的光。任选的参考检测器可以用于校正变化的光源强度。
基于反射率的荧光计的其他设计对本领域的普通技术人员来说将是明显的。
不同类型的表面添加剂可以用在本发明中。
在一个实施方案中，表面添加剂选自由下述物质中的至少一种组成的组：淀粉、颜料、粘合剂、增塑剂以及改善纸张/纸板页的物理特性的其他添加剂，这些物理特性包括表面强度、亮度、可印刷性、耐水性或随后涂层的粘附力(adhesion)。
在另一个实施方案中，表面添加剂包含共价键合的荧光部分。
在另一个实施方案中，淀粉包含共价键合的荧光部分。
可以在造纸工艺的不同阶段添加表面添加剂。
在一个实施方案中，在造纸工艺的成形段(forming section)与造纸工艺的压榨段(press section)之间添加表面添加剂。
在一个实施方案中，在造纸工艺的湿部添加表面添加剂。
在一个实施方案中，在水箱与纸页之间，或在水箱处和纸页处向造纸工艺中添加表面添加剂。
可以在造纸工艺的不同位置处测量纸页的荧光。
在一个实施方案中，在压榨段之后的一些位置处测量荧光。
在另一个实施方案中，在造纸工艺的干燥段之后测量荧光。
在另一个实施方案中，在成形段中的干燥线之后测量荧光。
在另一个实施方案中，在最接近压榨段处测量荧光。
在另一个实施方案中，在造纸工艺的干燥段之后且在造纸工艺的涂布段之前，测量包含共价键合的荧光部分的淀粉的荧光和/或按照与淀粉的已知比例添加的惰性荧光示踪剂的荧光。
在另一个实施方案中，在造纸工艺的涂布段之后，测量表面添加剂的荧光和/或按照与不包括淀粉的所述表面添加剂的已知比例添加的惰性荧光示踪剂的荧光。
可以在固定位置(一个位置)处测量荧光，如机器方向的测量，或在多个位置处测量荧光，如以相对于纸页的前行方向横向的方式扫描遍布纸页的多个位置。可以按照各种方式来采用反射荧光计以实施此任务。本领域的普通技术人员将会理解实施此任务的多种方式。
在一个实施方案中，在一个位置处或多个位置处测量荧光。
在另一个实施方案中，荧光计可以被构建成在机器方向测量，如被设置在固定位置处。
在另一个实施方案中，通过在所述造纸工艺中，以相对于所述纸页的方向横向的方式扫描荧光计来发生多个位置的测量，这类似于诸如亮度或基重探针的其他纸页监测仪器的做法。
在另一个实施方案中，荧光计被构建成可以进行在线测量。
控制器可以用于实施上述方案。
一个或多个控制器与荧光计通信并用算法编程以收集所述荧光测量结果，使纸页上的当表面添加剂能够发荧光时的表面添加剂和/或惰性荧光示踪剂的荧光的量与纸页上的涂层内的表面添加剂的浓度和/或纸页上的涂层的厚度相关联；以及任选地，调节被添加到造纸工艺中的表面添加剂的量，以根据预先确定的方案响应纸页上的涂层厚度和/或纸页上的涂层内的表面添加剂的浓度。
为响应纸页上的涂层厚度和/或纸页上的涂层内的表面添加剂的浓度，可以采用多种方式来调节被添加到造纸工艺的表面添加剂的量。
如上所述，控制器可以实施此响应，或其可以通过造纸工艺操作员手动进行。
可以通过多种方式进行此调节。
在一个实施方案中，通过使用喷杆来进行调节，其中可以调节表面添加剂到纸页的进料速率。
在另一个实施方案中，可以基于荧光读数，通过以相对于所述造纸工艺中的所述纸页的方向横向的方式扫描荧光计来独立地调节遍布纸页的多个区域内的添加剂进料速率。
在另一个实施方案中，可以调节造纸工艺参数，诸如通过造纸机的纸页速度和/或纸页湿度。
在另一个实施方案中，可以调节计量施胶压榨的设定值，以响应纸页上的涂层厚度和/或纸页上的涂层内的表面添加剂的浓度，以维持期望的厚度或使生产吨数速率(production tonnage rate)最大或使添加剂或能量的用量最少。
下面的实施例并不是限制性的。
实施例
方案
依据标准测试方案进行了涂层重量(coat weight)或涂层厚度的测试。将包含不同量的涂层固体的若干种涂层溶液施用到测试样品纸页的表面。优选地，所有溶液的固体含量和惰性荧光示踪剂的比保持恒定。采用不同的涂布技术，可以在涂层施用时间时改变每一个样品纸页上的涂层重量。干燥之后，通过重量差测量了干涂层重量或干涂层量。在施用涂层之前或之后，称重每一个单独的样品纸页，并通过重量差来计算干的涂层重量。对给定的样品纸页来说，在若干位置处测量干的淀粉膜的荧光强度。然后，求一系列荧光强度的平均值以得出每一个样品纸页的单独的荧光强度值。两个不同的荧光计用于测量每一个样品纸页的荧光强度。
实施例1
依据上述方案以三种淀粉溶液运行测试，三种淀粉溶液包含逐渐增大的淀粉固体，同时保持淀粉与惰性荧光示踪剂的比恒定。每一次测试的基材是未涂布的21点纸板页。经由手动施用方法，以四种不同的厚度将每一种溶液施用到单独的样品纸页上。将不包含惰性荧光示踪剂的第四种淀粉溶液也施用到一系列样品纸页上以便与示踪溶液进行比较。此试验中使用的空白样品是未涂布的样品纸页。
图2显示了相对于荧光强度(任意单位-相对荧光单位(“RFU”))以图绘制的淀粉的干涂层重量(涂层量，以g/cm2表示)。每一个点对应于单个样品纸页。图2显示出所测量的整个系列样品纸页的所测量的荧光强度落在了沿着绘制区域的对角线的线上。对所有点进行的线性回归非常清楚地显示了，淀粉的干涂层量与由荧光强度测量的存在于层中的惰性荧光示踪剂的量之间的直接且可靠的相关性。趋势线具有非常接近于0的y截距和大于0.96的R2因子。在一些情形中，从线中明显地去掉一个点。用两个单独的荧光计观察到相同的偏离点(stray point)，表明了这是相同纸页的性质，而不是与仪器相关的误差。这种点可能是由于纸幅上的淀粉层中的缺陷。此数据证明了用要求保护的发明的方法可以检测到涂层缺陷。

Claims (18)

1.一种监测和任选地控制将一种或多种表面添加剂添加到造纸工艺中的方法，所述方法包括下述步骤：
a.单独地或按照与已知量的一种或多种惰性荧光示踪剂的已知比例，将已知量的一种或多种表面添加剂添加到造纸工艺中，其中当所述表面添加剂能够发荧光时，可以只单独添加所述表面添加剂；
b.在添加所述表面添加剂后和在已经形成纸页后的位置处，测量所述表面添加剂和/或一种或多种惰性荧光示踪剂的荧光，其中当所述表面添加剂能够发荧光时，可以只测量所述表面添加剂，且其中用基于反射率的荧光计测量荧光；
c.使纸页上的当所述表面添加剂能够发荧光时的所述表面添加剂和/或惰性荧光示踪剂的荧光的量与纸页上的涂层内的所述表面添加剂的浓度和/或纸页上的涂层的厚度相关联；以及
d.任选地，通过调节被添加到所述造纸工艺中的所述表面添加剂的量来控制将一种或多种表面添加剂添加到所述造纸工艺中，以响应纸页上的涂层厚度和/或纸页上的涂层内的所述表面添加剂的浓度。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述纸页是纸张或纸板页。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述表面添加剂选自由下述物质中的至少一种组成的组：淀粉、颜料、粘合剂、增塑剂以及改善纸张/纸板页的物理特性的其他添加剂，所述物理特性包括表面强度、亮度、可印刷性、耐水性、随后涂层的粘附力。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述表面添加剂中的一种或多种包含共价键合的荧光部分。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述淀粉包含共价键合的荧光部分。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述惰性荧光示踪剂选自由下述物质中的至少一种组成的组：荧光素或荧光素衍生物、若丹明或若丹明衍生物、萘的磺酸盐、芘的磺酸盐、芪的磺酸盐、联苯的磺酸盐、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、维生素A(视黄醇)、维生素B2(核黄素)、维生素B6(吡哆醇)、维生素E(α-生育酚)、NADH、ATP、乙氧喹啉、咖啡碱、香草醛、萘磺酸盐甲醛缩合物、苯磺酸盐甲醛缩合物、磺化木质素、包含下述部分中的至少一种的聚合物：萘磺酸盐、芘磺酸盐、联苯磺酸盐或芪磺酸盐。
7.如权利要求1所述的方法，其中在造纸工艺的成形段与造纸工艺的压榨段之间，或在造纸工艺的成形段处和造纸工艺的压榨段处添加所述表面添加剂。
8.如权利要求1所述的方法，其中在造纸工艺的湿部添加所述表面添加剂。
9.如权利要求1所述的方法，其中在水箱与纸页之间，或在水箱处和纸页处，向造纸工艺中添加所述表面添加剂。
10.如权利要求1所述的方法，其中在压榨段之后的一些位置处测量荧光。
11.如权利要求1所述的方法，其中在造纸工艺的干燥段之后测量荧光。
12.如权利要求1所述的方法，其中在成形段中的干燥线之后测量荧光。
13.如权利要求1所述的方法，其中在最接近压榨段处测量荧光。
14.如权利要求5所述的方法，其中在造纸工艺的干燥段之后且在造纸工艺的涂布段之前，测量所述淀粉和/或按照与所述淀粉的已知比例添加的所述惰性荧光示踪剂的荧光。
15.如权利要求1所述的方法，其中在造纸工艺的涂布段之后，测量所述表面添加剂和/或按照与不包括淀粉的所述表面添加剂的已知比例添加的所述惰性荧光示踪剂。
16.如权利要求1所述的方法，其中在一个位置处或在多个位置处测量荧光。
17.如权利要求16所述的方法，其中在所述造纸工艺中，通过以相对于所述纸页的方向横向的方式扫描荧光计来发生多个位置的测量。
18.如权利要求1所述的方法，其中一个或多个控制器与所述荧光计通信并用算法编程以收集所述荧光测量结果，使纸页上的所述表面添加剂和/或所述惰性荧光示踪剂的荧光的量与纸页上的涂层内的所述表面添加剂的浓度和/或纸页上的涂层的厚度相关联；以及任选地，调节被添加到所述造纸工艺中的所述表面添加剂的量，调节造纸机操作参数，调节捣拌型或计量施胶压榨的设定值，或其组合，以根据预先确定的方案响应纸页上的涂层厚度和/或纸页上的涂层内的所述表面添加剂的浓度。
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