CN104679998A - 一种化学木浆纤维特性与纸页抗张强度关系建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学木浆纤维特性与纸页抗张强度关系建模方法。本发明是以化学法制备的木浆纤维作为模型的样本，其中包括针叶木浆和阔叶木浆，将不同树种的木浆板进行疏解和PFI磨浆，获得不同形态参数的纤维12种；设模型中含有纸页的抗张强度为T、伸长率为s、纤维卷曲指数为 ，则纸页抗张强度模型表达式为，其中a、m、n为常数。本发明中纸页抗张强度模型中参数均为纤维特性参数，且可以通过常规的分析和测试方法获得。

Description

一种化学木浆纤维特性与纸页抗张强度关系建模方法

技术领域

本发明涉及一种化学木浆纤维特性与纸页抗张强度关系建模方法，属于制浆造纸技术领域。

背景技术

纸是由植物纤维随机构建的网状结构材料，其强度性能决定于所用纤维的种类及其性能。纤维的性能主要包括纤维长度、粗度、宽度、卷曲指数、扭结指数、细小纤维含量、纤维本身的强度、纤维间的结合强度及纤维间的相对结合面积等。基于这些参数对纸页抗张强度的影响效果，国内外学者建立和发展了纸页的抗张强度模型。关于纸页的抗张强度模型主要分三种：Page抗张模型及它的改良模型；Cox模型(后被称为Shear-lag模型)及其改良模型；线性回归及神经网络，即计算机模拟分析模型。其中，Page模型因其简明性而被广泛研究，简单形式如式(1)：

$\frac{1}{T}=\frac{9}{8Z}+\frac{12\mathrm{A\ρg}}{\mathrm{bPL}\left(\mathrm{RBA}\right)}---\left(1\right)$

式中，T-纸页的裂断长，m

Z-纸页零距离裂断长，m

A-纤维的横截面面积，m²

ρ-纤维的表观密度，Kg/m³

g-重力加速度常数，m/s²

P-纤维的横截面周长，m

L-纤维的长度，m

b-纤维间的剪切结合强度，N/m²

RBA-纤维间的相对结合面积

Page模型的优点在于其简单，即纸页的抗张强度是由单根纤维的强度和纤维间的结合决定的。但是，Page模型存在一定的局限性，因为该模型的建立是以假设纸页中纤维是笔直的、没有卷曲和扭结的、沿着纤维长度的弹性模量均一为前提条件的。事实上，实际生产过程中使用的植物纤维原料不可能满足这一理想的状态。此外，模型中的纸页零距离抗张强度(Z)需要纸页抄造后才能获得。另一种纸页抗张强度模型是将纸页看作为短纤维复合材料，即为Shear-lag模型，其表达式如式(2)：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_s=\frac{3{\mathrm{\&tau;}}_b\mathrm{pl}\left(\mathrm{RBA}\right)}{32{\mathrm{\&rho;}}_{c}A},l<l_{\mathrm{crit}}\\ T_s=\frac{3{\mathrm{\&sigma;}}_f}{8{\mathrm{\&rho;}}_c}(1-\frac{l_{\mathrm{crit}}}{2l}),l>l_{\mathrm{crit}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

$l_{\mathrm{crit}}=\frac{2{\mathrm{\&sigma;}}_{f}A}{{\mathrm{\&tau;}}_{b}p\left(\mathrm{RBA}\right)}$

式中：τ_b-纤维间的剪切应力，N

ρ_c-纤维密度,Kg/m³

A-纤维横截面面积,m²

l-纤维长度,m

σ_f-纤维本身强度,N/m²

l_crit-纤维临界长度,m

无论是Page模型、Shear-lag模型及其它们的改良模型，均可以被用来定量地评价纤维的某些特性和纸页固有性能对纸页抗张强度的重要性。但是，模型中均存在一些参数难以通过常规的分析和测试方法获得，如纤维间的相对结合面积(RBA)。

发明内容

基于纤维特性对纸页抗张强度的重要性，本发明的目的是提供一种化学木浆纤维特性与纸页抗张强度关系建模方法，为制浆造纸过程提供指导，减少木浆纤维原料的浪费,降低企业生产成本。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

(1)将化学法制备的木浆纤维作为模型的样本，其中包括针叶木两种，阔叶木两种。将不同树种的木浆板进行疏解和PFI磨浆，获得不同形态参数的纤维12种；

(2)假设纸页的抗张强度和伸长率是受共同因素的影响，建立基于纸页伸长率s及纤维卷曲指数C_w的纸页抗张强度模型，模型的表达式为T＝m·C_w ^a·s^b，a、m、n为常数；

(3)在步骤(2)的基础上，将纤维的重均长度l_w引入模型，建立基于纸页伸长率s、卷曲指数C_w及纤维重均长度l_w的纸页抗张强度模型，模型的表达式为m₁、a₁、b₁和c₁为常数；

(4)虽然卷曲的纤维伸展时能够提高纸页的抗张强度，但是卷曲的纤维对纸页的抗张强度不一定起决定性作用。而浆料的保水值(Water Retention Value,WRV)是表征纸浆纤维原料的润胀水化程度的指标，可以反映打浆过程中纤维润胀和细纤维化程度，这意味着浆料的保水值更能确切反映纤维间的结合程度，并对纸页的抗张强度的影响较显著。因此，在步骤(3)的基础上，用浆料的保水值代替纤维的卷曲指数C_w，建立基于纸页伸长率s、纤维重均长度l_w及浆料保水值(WRV)的纸页抗张强度模型，模型的表达式为m₂、a₂、b₂和c₂为常数；

(5)在步骤(4)的基础上，将纤维的扭结指数k纳入模型中，建立基于纸页伸长率s、纤维重均长度l_w、浆料保水值(WRV)及纤维扭结指数k的纸页抗张强度模型，模型的表达式为m₃、a₃、b₃、c₃和d为常数；

(6)以上所建立的模型中，均存在纸页伸长率s这一参数，该参数需要将纸页抄造出后才能够获得，这样失去了从纤维特性参数出发预测纸页抗张强度的意义。因此，在前人的研究的基础上及以上一系列模型的启发，从纤维特性参数进一步建立了一系列的纸页伸长率的半经验数学模型，最后得到最佳模型的表达式为s＝n·WRV^α·k^β，n、α和β为常数。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)模型简单，物理意义明确，模型中的参数均为纤维特性参数。

(2)模型中的参数可以通过常规的分析和测试方法获得。

附图说明

图1(a)基于模型T＝m·C_w ^a·s^b得到纸页的抗张指数预测值与测试值(自然对数)的关系。

图1(b)基于模型得到纸页的抗张指数预测值与测试值(自然对数)的关系。

图1(c)基于模型得到纸页的抗张指数预测值与测试值(自然对数)的关系。

图1(d)基于模型得到纸页的抗张指数预测值与测试值(自然对数)的关系。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表达的范围。除非另有说明。

实施例1：

将木浆板进行疏解和PFI磨浆，磨浆转数为2500R和4500R。将获得的每一种纤维浆料抄造成定量为60g/m²的纸页，在恒温恒湿(温度：23±1℃，湿度：50±2％RH)实验室自然干燥24h后，进行纸页的抗张强度和伸长率的测试。采用纤维质量分析仪进行纤维形态测试，得到的为基于重均纤维长度计算得到的纤维卷曲指数C_w。将纸页的抗张强度、伸长率和纤维的卷曲指数带入纸页抗张强度模型T＝m·C_w ^a·s^b中，采用Minitab统计分析软件进行拟合，模型预测值和测试的抗张强度(自然对数)的相关系数为0.91，模型的数学表达式为：T＝46.53·C_w ^-0.48·s^1.21，参见图1(a)。

实施例2：

将木浆板进行疏解和PFI磨浆，磨浆转数为2500R和4500R。将获得的每一种纤维浆料抄造成定量为60g/m²的纸页，在恒温恒湿(温度：23±1℃，湿度：50±2％RH)实验室自然干燥24h后，进行纸页的抗张强度和伸长率的测试。采用纤维质量分析仪进行纤维形态测试，得到的为基于重均纤维长度计算得到的纤维卷曲指数C_w，纤维的重均长度l_w。将纸页的抗张强度、伸长率、纤维卷曲指数和重均长度带入纸页抗张强度模型采用Minitab统计分析软件进行拟合，得到的模型预测值和测试值的相关系数为0.90，模型的数学表达式为：T＝44.26·C_w ^-0.46·s^1.22·l_w ^-0.22，参见图1(b)。

实施例3：

将木浆板进行疏解和PFI磨浆，磨浆转数为2500R和4500R。测定磨浆前后浆料的保水值(WRV)。再将获得的每一种纤维浆料抄造成定量为60g/m²的纸页，在恒温恒湿(温度：23±1℃，湿度：50±2％RH)实验室自然干燥24h后，进行纸页的抗张强度和伸长率的测试。采用纤维质量分析仪进行纤维形态测试，测得纤维的重均长度l_w，将纸页抗张强度、伸长率、浆料的保水值和纤维的重均长度带入纸页抗张强度模型采用Minitab统计分析软件进行拟合，得到的模型预测值和测试值的相关系数为0.95，模型的数学表达式为：T＝7.91×10^-3·WRV^1.62·s^0.76·l_w ^0.17，参见图1(c)。

实施例4：

将木浆板进行疏解和PFI磨浆，磨浆转数为2500R和4500R。测定磨浆前后浆料的保水值(WRV)。再将获得的每一种纤维浆料抄造成定量为60g/m²的纸页，在恒温恒湿(温度：23±1℃，湿度：50±2％RH)实验室自然干燥24h后，进行纸页的抗张强度和伸长率的测试。采用纤维质量分析仪进行纤维形态测试，测得纤维的重均长度l_w，扭结指数k。将纸页抗张强度、伸长率、浆料的保水值、纤维的重均长度和扭结指数带入纸页抗张强度模型采用Minitab统计分析软件进行拟合，得到的模型预测值和测试值的相关系数为0.96，模型的数学表达式为：T＝5.59×10^-4·WRV^1.54·s^0.87·l_w ^0.27·k^0.44，参见图1(d)。

实施例5：

将纸页的伸长率、纤维扭结指数和浆料保水值带入模型s＝n·WRV^α·k^β中，利用Minitab统计分析软件进行拟合，得到的模型预测值和测试值的相关系数为0.83，模型的数学表达式为：s＝0.40·WRV^1.84·k^-1.06。将该模型带入实施例1-4中的纸页抗张强度模型。

结合以上实例1-4列表如下：

表1建立的一系列化学浆纤维预测纸页抗张强度的模型

Claims (5)

1.一种化学木浆纤维特性与纸页抗张强度关系建模方法，其特征在于：以化学法制备的木浆纤维作为模型的样本，其中包括针叶木浆和阔叶木浆，将不同树种的木浆板进行疏解和PFI磨浆，获得不同形态参数的纤维12种；

设模型中含有纸页的抗张强度为T、伸长率为s、纤维卷曲指数为                                                ，则纸页抗张强度模型表达式为，其中a、m、n为常数。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：引入纤维的重均长度，即模型中含有纸页的抗张强度T、伸长率s、纤维卷曲指数和纤维重均长度四个参数，则纸页抗张强度模型表达式为，其中、、和为常数。

3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于：采用浆料的保水值WRV替换纤维的卷曲指数，即模型中含有纸页的抗张强度T、伸长率s、浆料的保水值WRV和纤维重均长度四个参数，则纸页抗张强度模型表达式为，其中、、和为常数。

4.根据权利要求3所述的建模方法，其特征在于：将纤维的扭结指数k纳入模型中，即模型中含有纸页的抗张强度T、伸长率s、纤维重均长度、扭结指数k和浆料保水值WRV五个参数，则纸页抗张强度模型表达式为，其中、、、和为常数。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的建模方法，其特征在于：纸页的伸长率，其中WRV为浆料保水值，k为扭结指数，、和为常数。