CN103091201A - 一种纸浆纤维粒子的纤维密度和当量直径的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纸浆纤维粒子的纤维密度和当量直径的测定方法：该方法纸浆纤维经过疏解、过滤、分散均匀后，通过纤维质量分析仪分别测定纸浆的纤维粗度C、纤维质量平均纤维长度L_W、纤维质量平均纤维宽度W_W，按照公式

测得纤维密度；通过纤维质量分析仪分别测定纸浆的质量平均纤维长度L_W和质量平均纤维宽度W_W按照公式

Description

一种纸浆纤维粒子的纤维密度和当量直径的测定方法

技术领域

本发明一种涉及纸浆纤维粒子参数的测量，特别是涉及一种纸浆纤维粒子的纤维密度和当量直径的测定方法。

技术背景

目前，在流体力学研究中，陈克复、孙加龙等(纸浆悬浮液两相流的数值计算与模拟，华南理工大学博士论文，2003年)指出：将纸浆悬浮液按照欧拉模型作为固液两相流研究，水作为固液两相流中的液相，而纸浆纤维粒子是固液两相流中的固相。根据纸浆纤维粒子的形状，林建忠(超常颗粒多相流体动力学-圆柱状颗粒两相流，北京：科学出版社，2008：PP71-91)认为将其作为长圆柱状粒子研究比较合适。为了研究纸浆两相流的流场特点，需要对长圆柱状纸浆纤维粒子的关键物性参数：纸浆纤维粒子密度和当量直径进行确定。

至今为止，常用的纤维密度测定方法有很多，如排水法、比重瓶(计)法、液体浮力法和气体容积法等等。但每种方法都受精度、仪器、装置、人为误差等的限制，互存利弊，大大制约了其使用范围。经过多年的实践验证，现被国际标准化组织承认，并列入相关标准的试验方法有三种，即液体置换法、浮沉法、密度梯度柱法。在这三种测定方法中，主要存在下面的问题：1)试验中，附着在纤维表面和纤维单丝间夹杂气泡的存在使数据误差较大，如何去除气泡比较麻烦；2)需要解决纤维或悬丝等的表面张力效应和温度变化对密度测定的影响；3)必须准确选用各方法中浸润液所需的溶液；4)需要对纤维悬浮态作正确的判定；5)需要正确制备密度梯度柱。而且，纤维密度是一个相对概念，由于纤维内部存在缝隙和孔洞，使其不是均质体而很难测量其本身的体积。同时，由于纤维的吸湿性影响，测量纤维的质量时不可能得到绝对干重，条件改变时，纤维的密度值也将改变，因此密度值也是一个条件值。

对于纸浆纤维的当量直径，虽然没有统一的公式，但可以将长圆柱体球形化，获得当量直径，在计算中纸浆纤维作为长圆柱体的长度和直径的确定主要有下面两种方法：按照一种纸浆纤维的参数进行模拟，忽略不同种纸浆纤维的参数不同会引起不同的数值计算结果；按照书上介绍的数据范围计算纸浆纤维粒子的平均纤维长度和宽度，从而大致计算其当量直径。

因此，目前的纸浆纤维粒子的纤维密度和当量直径的确定方法主要存在下面的问题：1、纸浆纤维粒子的纤维密度测量方法，对测量结果的影响比较大，不够精确，测量过程比较麻烦。2、纸浆纤维粒子当量直径的测定方法忽略了纸浆经过不同的物理或者化学处理后，会得到不同的纤维长度和宽度，从而产生的当量直径差异较大，更不用说不同种的纸浆纤维粒子，现有的方法是一种很粗略的算法。3、纸浆纤维粒子的纤维密度和当量直径的测定不能统一用一种方法进行测量，测量过程不方便，比较麻烦。

发明内容

为克服现有技术的不足和缺陷，本发明的目的在于提供一种纸浆纤维粒子的纤维密度和当量直径的测定方法，能够一次性地，更方便、更精确地确定纸浆纤维粒子的纤维密度和当量直径。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种纸浆纤维粒子的纤维密度和当量直径的测定方法，包括如下步骤：

(1)预处理：待测纸浆经热水浸泡后用打散器充分疏解；用洗浆袋过滤疏解过的纸浆得到滤液；

(2)取样：取疏解好的纸浆放入盛有纯水的标准分散器，采用搅拌使纸浆纤维分散均匀，取分散好的纸浆倒入纤维质量分析仪测量塑料杯；

(3)测量：通过纤维质量分析仪分别测定纸浆的纤维粗度C、纤维质量平均纤维长度L_W、纤维质量平均纤维宽度W_W，按照公式(1)测得纤维密度；通过纤维质量分析仪分别测定纸浆的质量平均纤维长度L_W和质量平均纤维宽度W_W按照公式(2)来计算当量直径；

$r=\frac{C}{{0.785W}_W^2}---\left(1\right);$ $r_0=0.354\sqrt{{W_W}^2+{2W}_W{L}_W}---\left(2\right)$

纤维密度是指单位体积内的纤维质量，单位为cm³/g；纤维的粗度是指纤维单位长度的绝干质量。

为进一步实现本发明目的，所述热水浸泡是指纸浆经80℃热水浸泡12h。所述打散器充分疏解是指用打散器疏解8-15min。所述用打散器疏解的时间进一步优选为10min。所述用洗浆袋过滤是指用150目的洗浆袋过滤纸浆纤维粒子。步骤(3)测量每个试样的参数是测定5组数据后取平均值。采用150目的洗浆袋可以避免细小纤维流失过多从而影响到FQA纤维质量分析仪的准确度；过滤的目的是去掉没有完全疏解的浆团和杂质。

本发明将疏解、过滤、分散均匀的纸浆纤维，放在纤维质量分析仪FQA中进行测量，对测量后的纸浆纤维长度的数量分布，长度加权分布，宽度的数量分布，宽度加权分布以及质量加权分布的直方图及积分分布曲线进行分析比较，从中选择纸浆纤维的粗度C、质量平均纤维长度L_W和质量平均纤维宽度W_W按照纸浆纤维密度和当量直径的计算公式直接进行计算。具体是选择纤维粗度、纤维质量平均纤维长度、纤维质量平均纤维宽度按照公式(1)来计算纤维密度，选择质量平均纤维长度和质量平均纤维宽度按照公式(2)来计算当量直径的方法。

纸浆纤维在FQA(Fiber Quality Analyzer纤维质量分析仪)测定前的准备：浆料经80℃热水浸泡12h后用打散器充分疏解，约10min。用150目的洗浆袋过滤。取少量疏解好的浆料放入盛有高纯水的标准分散器，搅拌使浆料纤维分散均匀，取适量分散好的浆料倒入FQA专用测量塑料杯，测量的纤维在8000根以上，直径范围为0.07mm-10mm。按照FQA操作规程测定纸浆的纤维粗度C、数量平均长度L_n、质量平均纤维长度L_W和质量加权平均长度L_ww，数量平均宽度W_n、质量平均纤维宽度W_W和质量加权平均宽度W_WW，细小纤维含量，纤维卷曲，纤维扭结等数据，每个试样测定5组数据组后取平均值。

纤维的粗度C是指纤维单位长度的绝干质量，如100米长纤维的绝干毫克重或者是以每米长纤维的绝干毫克数来表示。对于同一种纤维可以用三种不同的平均长度的数值来表示：数量平均长度Ln、质量平均纤维长度L_W和质量加权平均长度L_WW。其中纤维数量平均纤维长度L_n为所测定的纤维的总长度除以总纤维根数所得到的算术平均值；质量平均纤维长度L_W为所测各长度组分的平均纤维长度与相组分质量乘积的总和与所测纤维的总质量相除；质量加权平均长度L_WW非常接近纤维破坏前的纤维长度，它主要代表了被测试样中长度比较大组分纤维的平均长度。

由于细小纤维的根数对L_n的影响比较大，L_n通常不能真实地反映纤维的造纸特性，也不能真实反映大部分纤维的长度，更不能反映出纤维被破坏的真实程度；质量加权平均长度L_ww非常接近纤维破坏前的纤维长度，它主要代表了被测试样中长度比较大的组分纤维的平均长度。虽然在纤维损伤不严重的情况下纤维的L_WW与原料的长度非常接近，但是机械浆中的纤维的L_WW不能代表原料的纤维的长度；而质量平均长度L_W主要用于表示纤维受破坏程度及作为纸张的物理性能的好坏的指标，更能准确地反映纤维的实际长度。纤维的宽度分类和定义与纤维长度是一致的，质量平均宽度W_w更能准确地反映纤维的实际宽度。

基于上面对纤维的当量直径、纤维密度以及各种平均纤维长、宽度的分析，由于纸浆纤维的形状具有长圆柱体的特征，在流场的研究中需要将其球形化，也就是将其作为球形粒子来进行研究，称为纸浆纤维粒子；如果用r₀表示球形粒子的半径，单根纤维作为一个长圆柱体，其直径为质量平均宽度W_w，长度为质量平均长度L_W，则下面等式(3)成立：

$4p{r_0}^2=\frac{p}{4}{W_W}^2\·2+{\mathrm{pW}}_W{L}_W---\left(3\right)$

根据等式(3)，则有其当量直径可近似为：

$r_0=0.354\sqrt{{W_W}^2+2W_W{L}_W}---\left(2\right)$

对于纤维的密度，是指单位体积内的纤维质量(cm³/g)。而纤维粗度表示每米长纤维的绝干毫克数，也就是每米长的纤维质量，对于单根纤维作为一个长圆柱体，其直径为质量平均宽度W_w，那么纤维密度r可近似表示为：

$r=\frac{C}{{0.785W}_W^2}---\left(1\right)$

与已有的技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明可以对不同种类纤维和经过不同处理的纤维进行针对性计算，得到比较精确的纤维密度和当量直径。

2、本发明操作简单、方便。

3、本发明中纤维密度和当量直径可以从一次测量中同时获取。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明所要求的保护范围并不局限于实施例所表述的范围。

经过不同处理后浆料经80℃热水浸泡12h后，用打散器充分疏解10min。用150目的洗浆袋过滤，取少量过滤好的浆料放入盛有高纯水的标准活塞分散器，搅拌使浆料纤维分散均匀，取适量分散好的纸浆倒入FQA专用测量塑料杯，采用Mesto公司提供的kajaaniFS300纤维分析仪进行纤维分析，测量中统计纤维的根数均在15000-30000根之间。

实施例1

将氧漂白后的桉木纤维浆料经80℃热水浸泡12h，用打散器充分疏解10min，再采用150目的洗浆袋过滤，将过滤的桉木纤维浆料放入活塞分散器(Mesto公司配套)进行搅拌分散，将分散好后的浆料倒入FQA专用测量塑料杯(Mesto公司配套)，采用kajaaniFS300纤维分析仪(Mesto公司)进行测量，能够自动获得到纤维分布图和表1中第2列的纤维参数。

表1桉木纤维参数

	氧漂白后的桉木纤维	OQP后的桉木纤维
			纤维粗度C(mg/m)	0.062	0.061
数量平均纤维长度Ln(mm)	0.59	0.57
			质量平均纤维长度Lw(mm)	0.71	0.67
质量加权平均长度Lww(mm)	0.87	0.75
			数量平均纤维宽度Wn(mm)	14.28	13.88
质量平均纤维宽度Ww(mm)	14.43	14.03
			质量加权平均宽度Www(mm)	15.45	16.01

通过表1中第2列的参数，选择纤维粗度C、质量平均纤维长度L_w、质量平均纤维宽度W_w按照下面的公式(1)和公式(2)进行计算。

$r=\frac{C}{{0.785W}_W^2}---\left(1\right)$

$r_0=0.354\sqrt{{W_W}^2+2W_W{L}_W}---\left(2\right)$

从表1中可以知道，氧漂白后的桉木纤维C＝0.062mg/m，L_W=0.71mm，W_W＝14.43mm，将这些数值代入上面的公式(1)和公式(2)中，可以得到氧漂白后的纸浆中桉木纤维的当量直径是r₀＝0.0509m，纤维密度是r＝379kg/m³。

从上面氧漂白后的纸浆中桉木纤维的当量直径和纤维密度的测定方法可以知道，通过FQA纤维分析仪可以一次性简单地、方便地得到纤维粗度C、质量平均纤维长度L_w、质量平均纤维宽度W_w，从而很容易确定桉木纤维的当量直径和纤维密度，为研究纸浆的流场和纸浆纤维粒子的参数确定提供了准确的数据。该测量方法操作简单、方便。纤维密度和当量直径可以从一次测量中同时获取。

实施例2

将OQP(O为氧脱木素，Q为螯合剂处理，P为过氧化氢漂白)处理后的桉木纤维浆料经80℃热水浸泡12h，用打散器充分疏解10min，再采用150目的洗浆袋过滤，取少许过滤的桉木纤维放入带有搅拌的活塞分散器(Mesto公司配套)进行分散，将分散好后的浆料倒入FQA专用测量塑料杯(Mesto公司配套)，采用kajaaniFS300纤维分析仪(Mesto公司)进行测量。得到纤维分布图和表1第3列的纤维参数。

通过表1中第3列的参数，选择纤维粗度C、质量平均纤维长度L_w、质量平均纤维宽度W_w按照下面的公式(1)和公式(2)进行计算。

$r=\frac{C}{{0.785W}_W^2}---\left(1\right)$

$r_0=0.354\sqrt{{W_W}^2+{2W}_W{L}_W}---\left(2\right)$

从表1中可以知道，OQP后的桉木纤维C＝0.061mg/m，L_W＝0.67mm，W_W＝14.03mm，将这些数值代入上面的公式(1)和公式(2)，可以得到OQP处理后的纸浆中桉木纤维的当量直径是r₀＝0.0488m，纤维密度是r＝395kg/m³。从OQP后的纸浆中桉木纤维的当量直径和纤维密度的测定方法可以知道，通过FQA纤维分析仪可以很容易确定各种纤维的当量直径和纤维密度；但是对于经过不同处理方法的同种木纤维，其当量直径和纤维密度差异很多。所以本发明介绍的纸浆纤维当量直径和纤维密度的确定方法非常合理。

Claims (6)

1.一种纸浆纤维粒子的纤维密度和当量直径的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)预处理：待测纸浆经热水浸泡后用打散器充分疏解；用洗浆袋过滤疏解过的纸浆得到滤液；

(2)取样：取疏解好的纸浆放入盛有纯水的标准分散器，采用搅拌使纸浆纤维分散均匀，取分散好的纸浆倒入纤维质量分析仪测量塑料杯；

(3)测量：通过纤维质量分析仪分别测定纸浆的纤维粗度C、纤维质量平均纤维长度L_W、纤维质量平均纤维宽度W_W，按照公式(1)测得纤维密度；通过纤维质量分析仪分别测定纸浆的质量平均纤维长度L_W和质量平均纤维宽度W_W按照公式(2)来计算当量直径；

$r=\frac{C}{{0.785W}_W^2}---\left(1\right);$ $r_0=0.354\sqrt{{W_W}^2+{2W}_W{L}_W}---\left(2\right)$

纤维密度是指单位体积内的纤维质量，单位为cm³/g；纤维的粗度是指纤维单位长度的绝干质量。

2.根据权利要求1所述的纸浆纤维粒子的纤维密度和当量直径的测定方法，其特征在于：所述热水浸泡是指纸浆经80℃热水浸泡12h。

3.根据权利要求1所述的纸浆纤维粒子的纤维密度和当量直径的测定方法，其特征在于：所述打散器充分疏解是指用打散器疏解8-15min。

4.根据权利要求3所述的纸浆纤维粒子的纤维密度和当量直径的测定方法，其特征在于：所述用打散器疏解的时间为10min。

5.根据权利要求3所述的纸浆纤维粒子的纤维密度和当量直径的测定方法，其特征在于：所述用洗浆袋过滤是指用150目的洗浆袋过滤纸浆纤维粒子。

6.根据权利要求3所述的纸浆纤维粒子的纤维密度和当量直径的测定方法，其特征在于：步骤(3)测量每个试样的参数是测定5组数据后取平均值。