ES2236135T3

ES2236135T3 - Procedimiento y aparato para medir las propiedades de fibras.

Info

Publication number: ES2236135T3
Application number: ES01271539T
Authority: ES
Inventors: Ho Fan Jang
Original assignee: PULP PAPER RES INST; Pulp and Paper Research Institute of Canada
Current assignee: PULP PAPER RES INST; Pulp and Paper Research Institute of Canada
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2001-12-17
Publication date: 2005-07-16
Anticipated expiration: 2021-12-17
Also published as: ATE289416T1; DE60108982D1; BR0116395A; WO2002050533B1; EP1350098A1; CN1481503A; JP2004515793A; AU2002215788A1; CA2329294C; EP1350098B1; CN1220056C; US6806955B2; WO2002050533A1; US20020117274A1; CA2329294A1; DE60108982T2

Abstract

Un procedimiento para determinar un parámetro físico de partículas de fibras individuales de pasta de madera que comprende: a) aplicar luz de excitación a al menos una longitud de onda predeterminada a pasta de madera, para producir luz de emisión de fluorescencia procedente de partículas de fibras individuales de dicha pasta, b) detectar intensidad de fluorescencia de dicha luz de emisión de fluorescencia, para cada dicha longitud de onda predeterminada, caracterizado porque el procedimiento comprende además la etapa de c) determinar dicho parámetro físico de dichas partículas de fibras individuales de pasta a partir de dicha intensidad de fluorescencia o imágenes de fluorescencia.

Description

Procedimiento y aparato para medir las propiedades de fibras.

Campo técnico

La presente invención trata, en general, de la industria de la pasta y el papel y, en particular, de un aparato y procedimiento o técnica nuevos y útiles para mediciones rápidas y exactas de propiedades físicas de fibras individuales de pasta de madera, como peso unitario, anchura y espesor de pared de la fibra.

Técnica antecedente

Los siguientes documentos se analizan más detalladamente en esta sección. Para facilidad de referencia, las referencias a estos documentos se ofrecen entre paréntesis a lo largo de toda esta sección.

	US5.311.290	(P1)
	US5.293.219	(P2)
	US5.486.915	(P3)
	US4.837.446	(P4)
	WO99/15877	(P5)

Seth, R. S., "Fibre quality factors in papermaking-II. The importance of fibre coarseness", actas del simposio de la Sociedad de Investigación de Materiales (MRS), Pittsburg, PA, Vol. 197, págs. 143-161 (1990)

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(1)

Paavilainen, L., "Importance of cross-dimensional fibre properties and coarseness for the characterisation of softwood sulphate pulp", Paperi ja Puu 75 (5): 343 (1993)

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(2)

Jang, H. F., Robertson, A. G. y Seth, R. S., "Transverse dimensions of wood pulp fibres by confocal laser scanning microscopy and image analysis", J Mater. Sci. 27: págs. 6391-6400 (1992)

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(3)

Seth, R. S., Jang, H. F., Chan, B. K. y Wu, C. B., "Transverse dimensions of wood pulp fibres and their implication for end use", en The Fundamentals of Papermaking Materials: Transactions of the Eleventh Fundamental Symposium celebrado en Cambridge: septiembre de 1997, editado por C. F. Baker, PIRA International, Leatherhead, Reino Unido, págs. 473-503 (1997)

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(4)

Boyer, B. y Rudie, A., "Measurement of delignification diversity within kraft pulping processes", en las actas TAPPI, Pulp Conference, págs. 765-770 (1995)

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(5)

Liu, Y., Gustafson, R., Callis, J. y McKean, W., "Fluorescence microphotometry in determining the lignin content of single pulp fibres", publicaciones preliminares, 9º Simposio internacional sobre química de la madera y la pasta de madera, Montreal, págs. T2-1 - T2-5 (1997)

Liu, Y., Gustafson, R., Callis, J. y McKean, W., "A novel method to measure fibre kappa number", TAPPI J. 82 (9), págs. 107-111 (1999)

Liu, Y., Gustafson, R., Callis, J. y McKean, W., "Microspectroscopic analysis and kappa determination of single pulp fibres stained with acridine orange", J. Pulp Paper Sci 25(10), págs. 351-355 (1999)

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(6)

Olmstead, J. A. y Gray, D. G., "Fluorescence spectroscopy of cellulose, ligning and mechanical pulps: a review", J. Pulp and Paper Science 23(12), págs. 571-581 (1997)

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(7)

Carlsson, J., Malmqvist, L., Nilsson, C. M. y Persson, W., "Application of optical fluorescence spectroscopy to paper production", Publicaciones previas, Congreso Internacional sobre Física del Papel TAPPI, San Diego, págs. 429-436 (1999)

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(8)

Sprent, P., "Applied Nonparametric Statistical Methods", segunda edición, Chapman & Hall, Nueva York
(1993)

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(9)

"G18 - Kappa Number of Pulp", Standard Methods for the Technical Section of the CPPA, Montreal; "T236 - Kappa Number of Pulp", Procedimientos estándar TAPPI, TAPPI PRESS, Atlanta

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(10).

Para asegurar la calidad del papel, es importante conocer las propiedades físicas de las fibras de pasta de madera usadas en la fabricación de papel. Propiedades importantes incluyen la longitud de la fibra y dimensiones transversales como áreas de las secciones transversales, anchura, perímetro y espesor de pared, como se muestra en la Fig. 1 (1-2). Aunque el principal efecto de la longitud de la fibra es sobre la resistencia de la hoja, las dimensiones transversales de las fibras afectan a todas las propiedades estructurales, de resistencia y ópticas del papel. Por desgracia, muchas dimensiones transversales importantes de las fibras han sido difíciles de medir. Por otra parte, todas las propiedades de las fibras están distribuidas por naturaleza. La información sobre las distribuciones de propiedades de las fibras se considera más importante que sus valores medios en el control de la calidad de la pasta ya que proporciona el alcance de la heterogeneidad en una pasta, y nos permite identificar la cantidad de fibras con propiedades no deseadas.

El peso unitario de las fibras, definido como masa por longitud unitaria y relacionada con el área de la sección transversal de las fibras por la densidad de materiales de las paredes de las fibras, es una propiedad importante de las fibras (1-2). Fueron desarrollados instrumentos ópticos, como el analizador de longitud de fibras Kajaani (Kajaani Electronics ltd, Finlandia), el Analizador de Calidad de Fibras (Optest, Canadá) (P1), y el analizador de longitud de fibras (Andritz Sprout-Bauer, Inc, EE. UU.) (P2) para la determinación rápida de distribución de longitudes de fibras. Si la masa total de fibras de pasta de madera que se mide es conocida, estos instrumentos calcularán el peso unitario de la media poblacional de las fibras. Esta técnica no puede proporcionar la información sobre distribución de peso unitario de las fibras, ni ser implantada para una medición en línea de peso unitario. Aún no se dispone de un procedimiento rápido y exacto para medir el peso unitario de las fibras individuales de pasta de madera debido a su peso extremadamente pequeño y su forma irregular.

El espesor de la pared de las fibras es otra propiedad importante de las fibras. Dos fibras de peso unitario similar pueden tener espesores de pared completamente diferentes si sus perímetros son diferentes. Recientemente, un nuevo instrumento, el analizador de fibras Kajaani FibreLab, proporciona mediciones para anchura de fibras y espesor de pared de células de fibras que circulan a través de un tubo capilar [P5]. El principio de este instrumento está basado en formación de imágenes microscópicas. Esta técnica de medición es bastante adecuada para anchura de fibras porque su dimensión está en el intervalo de decenas de micrómetros.

Sin embargo, esta técnica directa de formación de imágenes presenta muchas dificultades para mediciones exactas de espesor de pared de las fibras. En primer lugar, una medición exacta para espesor de pared de fibras, que está en el intervalo de unos pocos micrómetros, requiere alta resolución y, por lo tanto, óptica de alta precisión y enfoque preciso. El enfoque preciso es difícil de lograr para una fibra que circula. En segundo lugar, la medición está basada en la imagen proyectada bidimensional de una fibra. La interpretación de imagen puede ser compleja y difícil. En tercer lugar, esta medición de espesor de pared se obtiene, como mucho, sólo desde dos lados de la fibra, pero no alrededor de toda la fibra. Por lo tanto, la medición depende de la orientación de la fibra, ya que el espesor de pared varía alrededor de la fibra. Y, por último, el procedimiento directo de formación de imágenes sólo puede medir el espesor aparente de pared de fibra que depende del grado de dilatación y exfoliación, o fibrilación externa, de la pared de las fibras, pero no del verdadero espesor de pared de las fibras. Por consiguiente, aún no hay una técnica rápida y exacta para medir el espesor de pared de fibras individuales.

Recientemente ha sido desarrollado un procedimiento no destructivo para obtener imágenes de la sección transversal de fibras de pasta de madera que usa la capacidad de seccionamiento óptico de la microscopía confocal de barrido láser (CLSM) [3]. Cuando se combina con análisis de imágenes, esta técnica es capaz de medir con exactitud dimensiones transversales de fibras individuales, como el espesor de pared y la sección transversal, y de ahí el peso unitario de la fibra [4]. Aunque esta técnica proporciona mucha información valiosa sobre la calidad de la fibra, y es una buena herramienta de investigación, es demasiado lenta para la mayoría de los propósitos prácticos. Se necesita una técnica rápida nueva con exactitud similar o comparable a la de la técnica CLSM para medir dimensiones transversales de fibras individuales.

En un procedimiento químico de fabricación de pasta, la producción de fibras de pasta de madera y/o productos de papel a partir de astillas de madera es eliminando, ya sea parcial o completamente, lignina de la madera. El contenido de lignina es un parámetro y propiedad de calidad importante para fibras de pasta química. La cantidad de lignina que queda en una pasta después del procedimiento de desfibrado químico se mide en términos de índice Kappa. Existen unos pocos analizadores de índice Kappa comerciales disponibles para medir el índice Kappa en una pasta. Sin embargo, la importancia de la uniformidad para producir calidad surge no sólo de las propiedades físicas de las fibras, sino también de sus propiedades químicas. Por desgracia, se dispone de pocos datos sobre variabilidad del contenido de lignina dentro y entre fibras individuales. Los procedimientos para determinar el índice Kappa de fibras de pasta individuales incluyen el uso de una columna de gradiente de densidad y análisis microscópico infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) [5], y una medición de intensidad de fluorescencia primaria [P4]. Recientemente, Liu y col. describieron un procedimiento basado en microfotometría por fluorescencia de fibras teñidas fluorescentes [6]. Sin embargo, estos procedimientos son o demasiado lentos o no fiables. Aún no existe una técnica o aparato rápido y fiable para medir el contenido de lignina/índice Kappa de fibras individuales.

Se sabe que las muestras de madera, pasta y papel presentan fluorescencia inherente. Esta fluorescencia es la suma de la fluorescencia de celulosa, hemicelulosa, lignina y los artefactos de lignina generados durante el procedimiento de desfibrado [7]. Los espectros de fluorescencia de hojas de pasta mecánica y química han sido investigados en varios estudios. En general, estos estudios encontraron espectros de emisión de banda ancha similares para todas las muestras de hojas de pasta a una longitud de onda de excitación dada. Por ejemplo, los espectros de emisión de fluorescencia obtenidos usando luz de excitación de 350 nm tienen amplias bandas sin estructura entre 375 y 600 nm, y tienen máximos alrededor de 450 nm.

La fluorescencia de fibras de madera es un proceso muy complejo. Se sabe que la fluorescencia de papel o pasta es una función altamente no lineal del peso base o gramaje y de la longitud de onda de excitación. También muestra una dependencia impredecible del contenido de lignina. Por ejemplo, aumentar el contenido de lignina puede llevar a una reducción de fluorescencia debido a mecanismo de reabsorción [8]. Así, no está claro si puede usarse intensidad de fluorescencia para cuantificar propiedades físicas y químicas de fibras de pasta de madera. Recientemente, se han usado técnicas basadas en espectroscopia por fluorescencia óptica en la determinación de la composición química, por ejemplo, la abundancia local de lignina en el papel [8]. Jeffers y col. describieron un procedimiento para medición en línea de lignina en pasta de madera por cambio de color de la fluorescencia [P3]. Sin embargo, estas técnicas adolecen de los problemas asociados normalmente a la fluorescencia procedente de pasta y papel. Por ejemplo, reducir el contenido de lignina demuestra que produce un aumento de intensidad de fluorescencia. Se espera que los espectros de fluorescencia estén afectados por los problemas anteriormente mencionados.

Según se analizó, P3 y P4 describen procedimientos y dispositivos para determinar la concentración de lignina/índice Kappa (es decir, parámetros químicos) de pasta de madera usando mediciones de fluorescencia. P4 describe además la determinación de longitud de fibra a partir de mediciones de sombra (es decir, parámetro físico).

El desajuste de índices de refracción en fibras y agua crea discontinuidades ópticas en la pared de las fibras e interfaces de agua. Procedimientos basados en procedimientos ópticos para medir mediciones de dimensiones transversales en fibras suspendidas en agua se enfrentan a problemas como interferencias de dispersión de luz. Por otra parte, las mediciones ópticas dependen de la relación compleja entre propiedades ópticas, dispersión de luz y orientaciones de las fibras que son evaluadas.

Por lo tanto, todavía existe una necesidad de una técnica rápida y exacta para medir propiedades físicas de fibras individuales.

Descripción de la invención

Según la invención se provee un procedimiento y un aparato para determinar un parámetro físico de partículas de fibras individuales de pasta de madera según cualquiera de las reivindicaciones adjuntas.

En un aspecto de la invención se provee un procedimiento de determinación de un parámetro físico de partículas de fibras individuales de pasta de madera que comprende: a) aplicar luz de excitación a al menos una longitud de onda predeterminada a pasta de madera, para producir luz de emisión de fluorescencia procedente de partículas de fibras individuales de la pasta de madera, b) detectar intensidades de fluorescencia de dicha luz de emisión de fluorescencia para cada dicha longitud de onda predeterminada, y c) determinar un parámetro físico de partículas de fibras individuales de la pasta de madera a partir de dichas intensidades de fluorescencia.

En otro aspecto de la invención, se provee un aparato para determinar un parámetro físico de partículas de fibras individuales de pasta de madera que comprende: i) medios para aplicar luz de excitación a al menos una longitud de onda predeterminada a pasta de madera, para producir luz de emisión de fluorescencia procedente de partículas de fibras individuales de la pasta de madera, ii) medios de detección para detectar intensidades de fluorescencia de la luz de emisión de fluorescencia para cada longitud de onda predeterminada, y iii) medios dispuestos para determinar un parámetro físico de partículas de fibras individuales de la pasta de madera a partir de las intensidades de fluorescencia.

La invención se basa principalmente en propiedades de fluorescencia de partículas como fibras para proporcionar un procedimiento, y aparatos o instrumentos de medición que implementan el procedimiento para medir propiedades físicas de partículas como fibras individuales, en particular fibras de pasta de madera.

Breve descripción de los dibujos

La Fig. 1 muestra una fibra con longitud L, y el área de su sección transversal A, anchura W, perímetro de la línea central P y espesor de pared T. El espesor medio de pared de fibra de una sección transversal de la fibra es A/P;

Las Figs. 2(a), (a1), (b) y (b1) muestran dos imágenes confocales de la sección transversal de fibras sumergidas en agua y sus imágenes de fluorescencia respectivas;

Las Figs. 3(a) y 3(b) muestran espesores de paredes verticales VT (\mum) y perfiles de intensidad de fluorescencia a lo largo de la distancia a través de la fibra (\mum) para las dos fibras de las Figs. 2a, 2a1 y 2b1, 2b2. Los perfiles de intensidad de fluorescencia a través de las fibras fueron obtenidos en los mismos lugares donde fueron generadas las imágenes confocales de la sección transversal. La similitud de estos perfiles confirma que la dispersión de la luz no afecta significativamente al uso de intensidad de fluorescencia para cuantificar el espesor de pared de fibras;

La Fig. 4 es una imagen de fluorescencia típica de fibras de madera de pasta kraft de madera de coníferas sin blanquear. Se determinaron las intensidades de fluorescencia por longitud unitaria, con fondo eliminado, y sus áreas de las secciones transversales mediante microscopía confocal para varias fibras en los lugares indicados;

La Fig. 5 muestra una marcada correlación entre intensidad de fluorescencia por longitud unitaria I_{FI/L} y el área de la sección transversal de la fibra A para las mediciones mostradas en la Fig. 4. Las unidades para I_{FI/L} y A son la unidad arbitraria AU y \mum^{2} respectivamente;

Las Figs. 6(a), (b) y (c) muestran que las diversas dimensiones transversales de las fibras, como espesores de pared T1 y T2, y T3 y T4, espesores de pared de fibras verticales H1 y H2, y anchura de fibra W pueden ser generadas a partir de sus imágenes de fluorescencia de fibras;

La Fig. 7 muestra una estimación de perímetro externo de la fibra OFP a partir de parámetros obtenidos de imagen de fluorescencia;

Las Figs. 8(a), (b) y (c) son gráficos de dimensiones transversales obtenidas a partir de técnica de fluorescencia frente a las de microscopía confocal para fibras de pasta química de madera de coníferas sin blanquear;

Las Figs. 9(a), (b) y (c) son gráficos de dimensiones transversales obtenidas a partir de técnica de fluorescencia frente a las de microscopía confocal para fibras de pasta química de madera de frondosas sin blanquear;

La Fig. 10 muestra un gráfico de intensidad de fluorescencia de fibras por longitud unitaria y funciones de distribución acumulativa de área de la sección transversal CDF de una pasta química de madera de coníferas sin blan-
quear;

La Fig. 11 muestra un gráfico de intensidad de fluorescencia por longitud unitaria frente al área de la sección transversal para fibras de pasta química de madera de frondosas totalmente blanqueada. Las fibras fueron teñidas ligeramente con un fluorocromo;

La Fig. 12 muestra la correlación entre intensidad de fluorescencia de fibras por longitud unitaria y área de la sección transversal de tres pastas totalmente blanqueadas;

La Fig. 13 muestra una correlación entre intensidad de fluorescencia por longitud unitaria y área de la sección transversal de las fibras para fibras de pasta termomecánica de tres especies diferentes: pícea mariana (BS), tsuga del Pacífico (WH) y pícea occidental (WS);

La Fig. 14 muestra un gráfico de intensidad de fluorescencia por longitud unitaria frente al área de la sección transversal para fibras de pasta química de especies de madera de coníferas mezcladas sin blanquear;

La Fig. 15 muestra un gráfico de intensidad de fluorescencia por longitud unitaria frente al área de la sección transversal para fibras de dos pastas químicas de madera de coníferas sin blanquear con dos índices Kappa diferentes, como ejemplo útil para entender la invención;

La Fig. 16 muestra un gráfico que traza intensidad de fluorescencia por longitud unitaria a partir de una barrera de longitud de onda larga /filtro de paso largo frente a la de una barrera de longitud de onda corta/filtro de paso largo para fibras procedentes de muestras de pasta con tres índices Kappa diferentes, como nuevo ejemplo útil para entender la invención;

La Fig. 17 muestra una correlación entre las relaciones de intensidad de fluorescencia y los índices Kappa para pastas químicas con diferentes contenidos de lignina, como otro ejemplo útil para entender la invención;

La Fig. 18 muestra que puede usarse un solo factor de calibración para medir el peso unitario de la fibra/área de la sección transversal de fibras de pasta de madera con índices Kappa diferentes, como ejemplo útil para entender la invención;

La Fig. 19 muestra un diagrama de bloques esquemático de un sistema que usa técnica de fluorescencia para medir propiedades de fibras según la presente invención;

La Fig. 20 es un diagrama que ilustra la aplicación de un haz de excitación pequeño, I_{o}, a una muestra;

La Fig. 21 es un diagrama que ilustra la aplicación de un haz de excitación grande, I_{o}, a muestras de masa diferen-
te;

La Fig. 22 es un diagrama que ilustra la aplicación de un haz de excitación, I_{o}, sólo a una parte de una muestra de fibra; y

La Fig. 23 es un diagrama que ilustra la aplicación de un haz de excitación, I_{o}, a toda una muestra de fibra.

Descripción detallada de la invención

La presente invención usa intensidades de fluorescencia de fibras teñidas o sin teñir en una técnica para medir con exactitud y rápidamente dimensiones transversales de fibras individuales. La presente invención para medir dimensiones transversales de fibras está validada por la técnica CLSM establecida.

Propiedades transversales de las fibras

Los resultados experimentales muestran que si una muestra, como una partícula como fibra, es excitada con una longitud de onda en una región de absorción débil, que puede comprender desde ultravioleta a longitud de onda visible, se descubre que la intensidad de fluorescencia I_{FL} es proporcional al espesor de la muestra, d:

I_{FL} \infty I_{o}d

donde I_{o} es la intensidad de la luz de excitación. Se sabe que la mayoría de las muestras de madera, pasta y papel tienen el valor máximo de absorción cerca de 280 nm. Se escoge la longitud de onda de excitación de manera que la absorción en la muestra, como en una fibra individual, es débil, y puede generarse suficiente intensidad de fluorescencia para detección adecuada. Por ejemplo, los resultados mostrados en este documento fueron generados con la excitación en la región de longitud de onda que comprende desde 360 nm (ultravioleta) hasta 500 nm (visible). En general, la excitación puede estar en la región de longitud de onda de 5 nm a 700 nm, preferentemente de 250 nm a
600 nm.

Como se muestra en las Figs. 2a, 2a1, 2b y 2b1, fueron generadas simultáneamente imágenes confocales de la sección transversal [3] e imágenes de fluorescencia típicas de fibras de pasta de madera sumergidas en agua. El nivel de gris de las fibras en las imágenes de fluorescencia es proporcional a la intensidad de fluorescencia. Los espesores de paredes verticales y los perfiles de intensidad de fluorescencia generados a partir de las imágenes de las Figs. 2a, 2a1, 2b y 2b1 se muestran coherentes con los presentados en las Figs. 3a y 3b.

Analizar los perfiles de intensidad de fluorescencia puede generar muchas dimensiones transversales importantes de las fibras. Por ejemplo, el área de la sección transversal de la fibra es proporcional al área bajo el perfil de intensidad de fluorescencia, como se muestra en las Figs. 3a y 3b. También, la intensidad de fluorescencia total es proporcional a la masa de material. El peso unitario de las fibras se define como masa por longitud de fibra unitaria, y por lo tanto corresponde a la intensidad de fluorescencia total dividida por la longitud de fibra que es excitada.

La Figura 4 muestra una imagen de fluorescencia típica de fibras de pasta de madera. Se determinaron las intensidades de fluorescencia por longitud unitaria en los lugares indicados. El área de la sección transversal de las fibras generada para estas secciones de fibras también se determinó simultáneamente usando técnica de microscopía confocal. La Fig. 5 muestra que el coeficiente de determinación (R^{2}) es 0,97. Esto confirma una marcada correlación entre área de la sección transversal de la fibra e intensidad de fluorescencia por longitud unitaria.

Los resultados anteriores demuestran que los problemas, normalmente asociados a fluorescencia procedente de papel o pasta, no se encuentran aquí en la fluorescencia cuando se obtiene fluorescencia en una fibra individual excitada en una región de absorción débil. Además, se descubre que otros problemas esperados, como dispersión de la luz en las interfaces fibra-pared, que es crítica en otros procedimientos ópticos, son insignificantes para estas medicio-
nes.

La anchura de fibra proyectada puede determinarse a partir del límite de la imagen de fluorescencia, según se ilustra en las Figs. 6a, 6b y 6c. Las anchuras de los valores máximos en ambos lados, T1 y T2, pueden usarse para estimar el espesor de pared de las fibras, particularmente para fibras no aplastadas.

Si el factor de calibración entre intensidad de fluorescencia y área de la sección transversal de las fibras es conocido, puede relacionarse la intensidad del píxel con el espesor de material de la pared de la fibra en ese lugar del píxel. Por ejemplo, la intensidad de fluorescencia en el medio de la fibra puede usarse para estimar el espesor de pared doble. Los valores máximos en la imagen de fluorescencia pueden relacionarse con los espesores de pared de fibras verticales, H1 y H2. El perímetro externo de la fibra (OFP) puede estimarse a partir de la suma de la anchura de fibra W, H1, H2 y la W1 calculada como se muestra en la Fig. 7.

Con el área de la sección transversal de la fibra conocida y OFP puede calcularse el espesor medio de pared y el perímetro de la línea central de una fibra con unas pocas iteraciones mediante un ordenador. Este procedimiento de hallar el espesor de pared de las fibras es mucho mejor, más fácil y más exacto que la técnica directa de formación de imágenes. Como se muestra en las Figs. 8a, 8b y 8c, las dimensiones transversales de las fibras, como el área de la sección transversal de la pared, A, el perímetro de la línea central, P, y el espesor de pared, T, obtenidas a partir de imágenes de fluorescencia, están en buena concordancia con las obtenidas a partir de la técnica de microscopía confocal para fibras de pasta de madera de coníferas sumergidas en agua. Las Figs. 9a, 9b y 9c muestran que esta técnica también funciona para fibras de pasta de madera de frondosas. En las Figs. 8a, 8b, 8c y 9a, 9b y 9c, I_{FL/L} indica intensidad de fluorescencia por longitud unitaria en unidades arbitrarias y FM se refiere a las mediciones obtenidas mediante técnica de microscopía por fluorescencia en \mum; y S identifica la pendiente.

Puede usarse un único detector para medición muy rápida de intensidad de fluorescencia. La intensidad de fluorescencia procedente de una fibra de una longitud conocida o de una parte de fibra que es irradiada proporcionará la información sobre el peso unitario de la fibra como se analizó en relación con las Figuras 22 y 23. La Figura 10 muestra la función empírica de distribución acumulativa CDF de la intensidad de fluorescencia por longitud unitaria I_{FL/L} de fibras en fibras de pasta química de madera de coníferas sin blanquear generada por un detector de tubo fotomultiplicador y la de áreas de sección transversal de fibras obtenida usando la técnica de microscopía confocal CLSM. El ensayo Kolmogorov-Smirnov (K-S) muestra un nivel muy significativo de 94,3% para estas dos distribuciones [9]. Este sistema de fluorescencia sencillo puede combinarse con otras técnicas de medición óptica para otras propiedades de las fibras, como formación de imágenes por transmisión para anchura de fibra y/o longitud de fibra. El espesor de pared de fibras puede estimarse a partir del peso unitario de las fibras y mediciones de anchura obtenidas a partir de técnicas de fluorescencia y formación de imágenes por transmisión, respectivamente.

Esta técnica de intensidad de fluorescencia cuantifica no sólo el peso unitario de las fibras, sino también la masa de finos y partículas pequeñas individuales, que es muy difícil de medir con cualquier otra técnica. Estas mediciones de finos y partículas pequeñas son muy útiles, particularmente para la calidad de pastas termomecánicas. Esta técnica también nos permite investigar propiedades de fibras a lo largo de una fibra, como se demuestra en la imagen de fluorescencia mostrada en la Fig. 4. Por lo tanto, esta nueva invención puede determinar la variabilidad no sólo entre fibras individuales, sino también dentro de ellas.

En comparación con otras técnicas, la técnica de fluorescencia es relativamente rápida, sencilla, sensible y robusta. El procedimiento requiere sólo mínima preparación de muestras (similar a la de para medición de longitud de fibra en un sistema abierto). No se requiere teñido excepto para muestras de fluorescencia muy baja. Las propiedades de las fibras pueden medirse sobre fibras de pasta de madera en estado seco o húmedo. La técnica no requiere óptica de alta precisión o enfoque preciso, ya que las mediciones de intensidad no requieren alta resolución. Estas ventajas son particularmente importantes en sistemas abiertos para mediciones como el peso unitario de las fibras y espesor de pared. Los resultados muestran que las mediciones de fluorescencia pueden realizarse para todo tipo de fibra con un amplio intervalo de longitudes de onda de excitación. Por otra parte, la técnica no requiere cálculo complicado para interpretar los datos. Los requisitos necesarios son un factor de calibración para pastas con diferentes propiedades de fluorescencia un sistema eficiente para captar la señal de fluorescencia, u un detector sensible. El factor de calibración para una pasta puede obtenerse fácilmente de la siguiente manera. Si se miden la masa y longitud total de las fibras de pasta, podría calcularse el peso unitario de las fibras de la media poblacional a partir de la masa dividida por la longitud. El peso unitario medio de las fibras podría usarse entonces para calibrar la intensidad media de fluores-
cencia.

Para algunas fibras de pasta de madera como las fibras de pasta kraft totalmente blanqueada, su autofluorescencia es muy baja. Las fibras de baja fluorescencia pueden teñirse ligeramente con un tinte fluorocromo para aumentar su fluorescencia. La Fig. 11 muestra una buena correlación entre la intensidad de fluorescencia por longitud unitaria I_{Fl/L} y el área de la sección transversal A para fibras de pasta kraft de madera de frondosas totalmente blanqueada, ligeramente teñida con un tinte para tela doméstico. Cuando se aplican las mismas condiciones de teñido a fibras de pasta kraft totalmente blanqueada de diferentes especies de madera de frondosas y de coníferas, se aplica el mismo factor de calibración sin tener en cuenta las especies. Esto se demuestra en la Fig. 12 donde la correlación entre donde las medias de intensidad de fluorescencia de fibras por longitud unitaria y área de la sección transversal de tres pastas diferentes según álamo AS, eucalipto EU y pino del sur de EE. UU. SP es excelente.

La Figura 13 muestra la intensidad de fluorescencia por longitud unitaria I_{FL/L}frente al área de la sección transversal A para fibras de pasta termomecánica (TMP) de tres especies diferentes, pícea mariana BS, tsuga del Pacífico WH y pícea occidental WS. La mejor correlación se halla donde la longitud de onda de la luz de excitación está en la región del ultravioleta al violeta intenso. También se muestra que las tres especies tenían una correlación similar. Esto sugiere que podría aplicarse un factor de calibración a fibras TMP de la mayoría de las especies. Las unidades AU para intensidad de fluorescencia por longitud unitaria I_{Fl/L} son unidades arbitrarias.

La Figura 14 muestra una buena correlación entre la intensidad de fluorescencia por longitud unitaria I_{Fl/L} y el área de la sección transversal A de fibras de pasta kraft de madera de coníferas sin blanquear de especies mezcladas cocidas al mismo tiempo. Se muestra que si las fibras son cocidas hasta tener índice Kappa similar, sus factores de calibración son muy similares.

El factor de calibración depende del contenido de lignina y su propiedad de fluorescencia en esas fibras. Se espera que las fibras con diferente contenido de lignina tengan diferentes factores de calibración, como se muestra la Fig. 15 para fibras de pasta química de madera de coníferas sin blanquear con dos índices Kappa diferentes. Las fibras de pasta con mayor contenido de lignina, por lo tanto, mayor índice Kappa, tienen intensidades de fluorescencia por longitud unitaria I_{Fl/L}más fuertes para las mismas áreas de la sección transversal A. El contenido de lignina aumentado que lleva a un aumento de fluorescencia está en contraste con los resultados de fluorescencia normal de pasta y papel; la fluorescencia procedente de fibras individuales elimina problemas complicados como la reabsor-
ción.

Contenido de lignina de fibras individuales

Como ejemplos de fondo que son útiles para entender la invención, esta sección mostrará la técnica para determinar el contenido de lignina o índice Kappa de una fibra de pasta de madera individual, permitiendo la caracterización de la uniformidad del contenido de lignina de una pasta después del procedimiento de desfibrado químico. Por otra parte, esta medición del contenido de lignina o índice Kappa de fibras puede usarse para modificar el factor de calibración usado para las mediciones anteriores de peso unitario de las fibras con diferentes contenidos de lignina.

La técnica puede determinar el contenido de lignina o índice Kappa de fibras individuales a partir de la relación de las intensidades de fluorescencia obtenidas con dos barreras/filtros de paso largo/de paso de banda en o a diferentes regiones de longitudes de onda. Esto es diferente del procedimiento de intensidad de fluorescencia descrito por Renard y col. [P4] para la medición de lignina de fibra individual. En esta técnica, la intensidad de fluorescencia por longitud unitaria de una fibra individual está fuertemente relacionada con el peso unitario de la fibra más que con el contenido de lignina de la fibra. Esta técnica está basada en la fluorescencia primaria de fibras individuales, pero no en la fluorescencia secundaria de una fibra teñida fluorescente según se describe en Liu y col. [6].

La Figura 16 muestra las intensidades de fluorescencia por longitud unitaria I_{Fl/L}generadas usando las barreras/filtros de paso largo/de paso de banda de longitud de onda larga (LW) frente a corta (SW) para fibras de pasta de madera individuales procedentes de tres pastas de índice Kappa diferente. Estos datos fueron generados con excitación de 365 nm de una lámpara de arco de mercurio, y dos filtros de paso largo con 420 nm para longitudes de onda de paso corto y 520 nm para longitudes de onda de paso largo. Las pendientes de las líneas ajustadas, que se muestra que son diferentes, corresponden a las relaciones medias de intensidades entre filtros de longitud de onda larga y corta para las tres pastas. Los valores de las pendientes frente a los índices Kappa medidos de estas pastas están trazados mediante procedimientos estándar [10] como se muestra en la Fig. 17. El coeficiente de determinación R^{2} de 0,98 muestra una marcada correlación entre esta relación y el índice Kappa de fibras de pasta de madera. Por lo tanto, esta relación puede usarse para el índice Kappa de fibras individuales. La presente técnica, por lo tanto, proporciona un procedimiento para determinar la uniformidad de índice Kappa en una pasta. Como también se muestra en la Fig. 16, los diferentes valores R^{2} para las líneas ajustadas indican la heterogeneidad de índice Kappa en las pastas. Se muestra que las pastas con índice Kappa superior son más heterogéneas. Además, esta nueva técnica puede determinar variabilidad de contenido de lignina no sólo entre fibras individuales, sino también dentro de ellas.

La información sobre índice Kappa de fibras individuales puede usarse para ajustar el factor de calibración entre el peso unitario de la fibra y su intensidad de fluorescencia. Por ejemplo, el índice Kappa superior K corresponde a alta intensidad de fluorescencia por longitud unitaria y relación de intensidad superior, como se muestra en las Figs. 15 y 17. Si las relaciones de intensidad para pasta con índices Kappa 54,5 y 29,7 se usan para ajustar el factor de calibración para fibras con índice Kappa diferente como se muestra en la Fig. 15, la intensidad de fluorescencia por longitud unitaria describirá únicamente el peso unitario de la fibra sin tener en cuenta su índice Kappa, como se muestra en la Fig. 18. Esto muestra que tanto el peso unitario de la fibra como el índice Kappa K de una fibra individual de pasta de madera de fibras de pasta química sin blanquear pueden determinarse simultáneamente a partir de sus intensidades de fluorescencia I.

Descripción de las realizaciones preferidas

La Fig. 19 es un diagrama de bloques esquemático de los componentes principales de la presente invención. Aquí están breves descripciones para cada componente.

Fuente de luz (1): El sistema comprende medios de fuente de luz para aplicar luz de excitación a una longitud de onda seleccionada a fibras para producir luz de emisión de fluorescencia que tiene una distribución espectral de intensidad de fluorescencia. La longitud de onda de la luz de excitación comprende desde el ultravioleta a la luz visible. La presente invención puede aplicarse para excitación mediante cualquier fuente que proporcione intensidad de fluorescencia mensurable, por ejemplo, lámpara de arco de mercurio, un gas, tinte, láser de estado sólido, diodo láser, o lámpara de xenón, y puede ser pulsada o continua, o mediante iluminación directa o iluminación remota a través de una fibra óptica.

Detección de fuente de luz (2): El sistema comprende un detector para monitorizar la intensidad de luz de excitación.

Óptica y filtros de excitación/captación (3): El sistema comprende filtros para seleccionar una única y/o múltiples longitudes de onda para excitación apropiada, que proporciona mediciones exactas de peso unitario e índice Kappa de fibras de pasta de madera. La óptica de excitación/captación comprende lentes y/o óptica de fibra que suministra luz de excitación con configuración deseable a la muestra de fibra, y que recoge la luz de emisión de fluorescencia hacia atrás hacia los detectores si se necesita. La óptica de excitación incluye un montaje de barrido láser si es necesario. El sistema combinado de filtro de excitación/captación, que incluye filtro de excitación, espejo dicroico y filtro de barrera, es un montaje para epifluorescencia. La técnica de epifluorescencia es una opción para captar la luz de emisión hacia atrás.

Célula de flujo (4): El sistema comprende una célula de flujo para fibras circulantes para mediciones rápidas como en un instrumento en línea. La sección transversal de una célula de flujo puede ser de forma cuadrada, rectangular y circular. El diámetro de célula de flujo comprende desde tamaño capilar hasta pocos milímetros. La presente invención funciona para fibras que se mueven o estacionarias.

Separador de haz (5): El sistema comprende un separador de haz de manera que la luz de excitación continuará para transmisión de formación de imágenes de fibras, y la fluorescencia hacia adelante de las fibras también será captada y detectada.

Óptica de captación (6, 9): El sistema comprende óptica de captación, lentes y/o óptica de fibra, que recoge luz de emisión de fluorescencia para los detectores, y/o espectrómetros, y/o que forma imágenes de fluorescencia en cámaras. La óptica de captación se usa para captar la señal de fluorescencia en cualquier dirección, hacia atrás, hacia adelante, a derecha e izquierda. Las ópticas de captación A y B se usan para captar señales de fluorescencia de diferentes direcciones.

Filtros de barrera/de paso de banda (7, 10): El sistema comprende filtros de barrera/ paso largo/ paso de banda A y B para seleccionar regiones diferentes y/o iguales de emisiones de fluorescencia que han de ser detectadas, analizadas y/o representadas por imágenes. Los filtros ópticos se escogen para proporcionar mediciones exactas del peso unitario e índice Kappa de fibras de pasta de madera.

Detector de fluorescencia/formación de imágenes por fluorescencia/analizador espectral (8, 11): El sistema comprende detectores de luz para detectar la intensidad de fluorescencia de la luz de emisión, y/o para formación de imágenes por fluorescencia, y/o para determinar la distribución espectral de intensidad de fluorescencia y establecer señales indicativas de la misma. Cualquier detector proporciona una señal proporcional a la intensidad de fluorescencia ya sean unos detectores de matriz única y/o lineal hechos de tubos fotomultiplicadores, y/o dispositivos de estado sólido, y/o una cámara digital, y ya sea un dispositivo acoplado por carga (CCD) unidimensional o bidimensional y/o una cámara de matriz de semiconductor complementario de óxido de metal (CMOS) para intensidad de fluorescencia, y/o formación de imágenes y/o análisis espectral. Estos detectores proporcionan mediciones para peso unitario y anchura de fibras. Los detectores también proporcionan mediciones del índice Kappa de fibras (16) sobre la base de la técnica anteriormente descrita. Los sistemas detectores A y B se usan para detectar señales de fluorescencia después de los filtros de barrera/paso largo/paso de banda A y B respectivamente.

Detector de transmisión/formación de imágenes (12): El sistema comprende detectores de luz, y/o una cámara digital, y/o CCD unidimensional y/o bidimensional y/o cámaras CMOS para detectar intensidad de transmisión y/o imagen. La imagen de transmisión proporciona mediciones para longitud de fibra, rizado y anchura de fibras
(14).

Procesamiento y registro de datos (13, 15): El sistema comprende medios para registrar, analizar y dar salida a los datos.

En una nueva relación con las Figs. 20, 21, 22 y 23, ha sido de terminado según la invención que la intensidad de fluorescencia es proporcional a la masa de la partícula como fibra que es excitada. Como se indicó anteriormente, la intensidad de fluorescencia I_{Fl} es proporcional al espesor de la muestra.

En relación con la Fig. 20, el haz de excitación, I_{o}, se refiere en este caso a un pequeño haz infinitesimal. Cuando el haz de excitación barre la muestra A, la intensidad de fluorescencia es proporcional al espesor de la muestra A a través de la que se transmite el haz. Este concepto ha sido confirmado experimentalmente para fibras de pasta de madera como se muestra en las Figs. 3(a) y (b). Esto también muestra que la intensidad de fluorescencia es proporcional a la masa de la muestra A (partícula como fibra) que es excitada. Por ejemplo, el volumen de la muestra A que es excitada es d x \deltaA, donde d es el espesor de muestra y \deltaA es el área de la sección transversal del haz de excitación I_{o}. La masa de muestra está relacionada con el volumen por la densidad del material. Por lo tanto, la masa de la muestra A se obtiene captando la intensidad de fluorescencia procedente de la muestra cuando es barrida por el haz de excitación, como un láser.

En la Fig. 21, el haz de excitación I_{o} es grande comparado con el tamaño de las muestras B y C, y la intensidad de fluorescencia es proporcional a la masa de muestras homogéneas B y C. De este modo, la intensidad de fluorescencia procedente de las muestras B y C es proporcional a sus masas M1 y M2, respectivamente. Esto se lleva a cabo creando un haz de excitación de intensidad uniforme con un condensador.

En el caso de una muestra como una fibra, según se ilustra en la Fig. 22, si sólo está siendo excitada una parte de la fibra, la intensidad de fluorescencia será proporcional a la masa de esa parte de fibra. El peso unitario de la fibra es proporcional a la intensidad de fluorescencia dividida por la longitud de excitación EL. Esta configuración se realiza creando una hoja de haz de excitación paralelo, siendo el espesor del haz la longitud de excitación EL, como se muestra en la Fig. 22. En general, el espesor del haz puede estar comprendido entre unos pocos micrómetros y varios milímetros.

Si la longitud de excitación EL es larga, y está siendo excitada toda una fibra, como se ilustra en la Fig. 23, la intensidad de fluorescencia es proporcional a la masa de toda la fibra. El peso unitario medio de fibra de esta fibra es proporcional a la intensidad de fluorescencia dividida por la longitud de toda la fibra L.

Nomenclatura

CLSM	Microscopía confocal de barrido láser
CCD	Dispositivo acoplado por carga
CMOS	Semiconductor complementario de óxido de metal
EL	Longitud de excitación
d	Espesor de muestra
FM	Técnica de microscopía por fluorescencia
LW	Longitud de onda larga
I_{o}	Intensidad de luz de excitación
I_{Fl}	Intensidad de fluorescencia
I_{Fl/L}	Intensidad de fluorescencia por longitud unitaria
M	Masa de muestra
SW	Longitud de onda corta

Terminología matemática

A. U.	Unidad arbitraria
CDF	Función de distribución acumulativa
K-S	Ensayo de Kolmogorov-Smirnov
n	Número de mediciones
R^{2}	Coeficiente de determinación
S	Pendiente de línea de ajuste lineal

Fibra

A	Área de la sección transversal de la pared de la fibra
L	Longitud de la fibra
K	Índice Kappa
OFP	Perímetro externo de la fibra
P	Perímetro de la línea central
T	Espesor de pared de la fibra
W	Anchura de la fibra
VT	Espesores de pared de fibra vertical
TMP	Pasta termomecánica

Especies de madera

AS	Álamo
BS	Pícea mariana
EU	Eucalipto
SP	Pino del sur de EE. UU.
WH	Tsuga del Pacífico
WS	Pícea occidental

Claims

1. Un procedimiento para determinar un parámetro físico de partículas de fibras individuales de pasta de madera que comprende:

a) aplicar luz de excitación a al menos una longitud de onda predeterminada a pasta de madera, para producir luz de emisión de fluorescencia procedente de partículas de fibras individuales de dicha pasta,

b) detectar intensidad de fluorescencia de dicha luz de emisión de fluorescencia, para cada dicha longitud de onda predeterminada, caracterizado porque el procedimiento comprende además la etapa de

c) determinar dicho parámetro físico de dichas partículas de fibras individuales de pasta a partir de dicha intensidad de fluorescencia o imágenes de fluorescencia.

2. Un procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa a) se aplica al menos una única longitud de onda de luz de excitación en el intervalo de 5 nm a 700 nm.

3. Un procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque dicha luz de excitación tiene una longitud de onda de 250 nm a 600 nm.

4. Un procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque dicha longitud de onda es de 360 nm a 500 nm.

5. Un procedimiento según la reivindicación 1, 2, 3 ó 4, caracterizado porque la etapa c) comprende determinar el espesor de fibra en dicha pasta de madera a partir de la intensidad de fluorescencia detectada en b).

6. Un procedimiento según la reivindicación 1, 2, 3 ó 4, caracterizado porque la etapa c) comprende determinar el área de la sección transversal de la fibra en dicha pasta de madera a partir de un área bajo un perfil de intensidad de fluorescencia derivada de la intensidad de fluorescencia detectada en b).

7. Un procedimiento según la reivindicación 1, 2, 3 ó 4, caracterizado porque dicha etapa c) comprende determinar el peso unitario de la fibra en dicha pasta de madera a partir de la intensidad de fluorescencia por longitud unitaria detectada en la etapa b).

8. Un procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa c) comprende determinar espesor de pared, perímetro y anchura de la fibra de dicha fibra de pasta de madera a partir de perfiles de intensidad de fluorescencia derivados de la intensidad de fluorescencia y/o imágenes detectadas en b).

9. Un aparato para determinar un parámetro físico de partículas de fibras individuales de pasta de madera que comprende:

i) medios para aplicar luz de excitación a al menos una longitud de onda predeterminada a pasta de madera, para producir luz de emisión de fluorescencia procedente de partículas de fibras individuales de la pasta de madera,

ii) medios de detección para detectar intensidad de fluorescencia de la luz de emisión de fluorescencia para cada longitud de onda predeterminada, caracterizado porque el aparato comprende además,

iii) medios dispuestos para determinar el parámetro físico de las partículas de fibras individuales de pasta de madera a partir de dicha luz de emisión de fluorescencia o a partir de imágenes de fluorescencia.

10. Un aparato según la reivindicación 9, caracterizado porque dichos medios i) están adaptados para aplicar luz de excitación a al menos una única longitud de onda en el intervalo de 5 nm a 700 nm.

11. Un aparato según la reivindicación 10, caracterizado porque dicha longitud de onda es de 250 nm a 600 nm.

12. Un aparato según la reivindicación 10, caracterizado porque dicha longitud de onda es de 360 nm a 500 nm.