纤维平均长度及其仪器法测定结果分析.docx

赖燕明谢益民伍红(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室 ,广州 , 510640)摘 要 :阐述了造纸纤维三种不同的平均长度表示法的意义 。用 fs - 200 纤维分析仪对若干造纸原料 、同种原料的不同制浆方法的纤维长度 、粗度进行测定 ,并对测定值的分析 。研究发现切断不严重的浆 ( 非机械浆) 的二重重 均长度非常接近原料的二重重均长度 ;一些原料和浆的粗度和二重重均长度在数值上有良好的对应关系 。关键词 :纤维平均长度 ;粗度 ; fs - 200 纤维分析仪 ;纸浆 ;造纸原料纤维长度是评价造纸植物原料和纸浆质量的重要指标之一 。由于造纸纤维长度的不均一 ,通常需 要测定大量的纤维和用统计的方法计算纤维的平均 长度 。同一种纤维可以用三种不同的平均长度的数 值来表示 ,这三种数值分别是 : 数量平均长度 (l n ) 、 质量平均长度 (l w ) 和质量加权平均长度 (l ww ) 。传统的纤维长度测量方法主要通过显微镜或光 学投影仪进行 ,也可以通过筛分仪 、框架法挂浆湿重 间接测定 。这些方法耗时 、费力和误差比较大 ,在一 定程度上限制了纤维长度这一参数的实际应用 。近 年来随着测量技术的发展 ,已经可以用仪器自动快速的测定造纸纤维的长度 ,同时打印出结果 ,大大缩 短测量时间而且再现性好 。因此纤维平均长度这一 参数在造纸行业的科研和生产中的应用越来越广 泛 。如对浆板质量的检测 ,磨浆系统的监控 、纸机网 部细小纤维的流失等 。对仪器测定中三种纤维平均长度的理解 、分析和应用已受到较多的关注 。本文 阐述这三种长度的定义及计算方法和用 fs - 200 纤维分析仪测定一些纤维的长度和粗度 ,并从这些 实例中探讨其实际意义 。l i 所测得各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 。例如 : 10 根 质量相同长度为 5 mm 长的纤维 ,未破坏前的 l n =10 5 = 5 mm ,如果其中一根被等分为 5 段 ,这时的10数量平均纤维长度 ln = 95 + 5 1= 3 . 57 mm 。9 + 5显然在这种情况下 ,l n 并不能真实反映大部分纤维的长度 。也未能反映出纤维被破坏的真实程度 。 质量平均纤维长度 ,也就是长度加权平均长度(l engt h weighted average l engt h) 也称为重均纤维 长度 ,定义为所测各长度组分的平均纤维长度与相 应组分质量乘积的总和被所测纤维的总质量除之1。以下列公式表示 : 6 mil i(2)l w =6 mi其中 :l w 质量平均纤维长度mi 所测定各组分纤维的质量l i 所测得各组分纤维得平均长度根据式 (2) 计算前面所举的例子 。当纤维被破 坏后 l w 的值 :1纤维平均长度定义及计算方法1 5 9 + 1 1 5数量 平 均 纤 维 长 度 , 也 简 称 数 均 纤 维 长 度(arit hmetic average fiber lengt h) ,定义为所测定的 纤维的总长度除以总纤维根数所得到的算术平均5l w = 4 . 6 mm10可见 l w 比 l n 更接近纤维被破坏的实际情况 。clar k 的实验认为 ,质量平均纤维长度与纸张的 物理强度有密切关系 : 耐破因子与 l w 成正比 ,撕裂值1。 6 nil i( )l n =1因子与 l 3/ 2 成正比 , 裂断长与 l 1/ 2 成正比2 。因6 niww其中 :l n 数量平均纤维长度ni 所测定各组分纤维的根数此 ,测定质量平均纤维长度尤为重要 。但实际上测取每根纤维的质量是不可能的 ,一个近似的计算方 国家自然科学基金( 30170756) ,教育部博士点基金( 20020561022) 和教育部重点基金( 01137) 资助项目pap e r scie nce & tec h n ol ogy 2003 v ol . 22 n o . 335法是将试样的纤维单位长度的质量 (即粗度) 视为一数大约在 2 万至 3 万根时为仪器测量的最佳状态 ,仪器能精确测量出纤维投影平均长度 l 和纤维根个常数 d1(2) 式得 :,那么 ,每一组分的质量 mi = dl i ni ,代入50数 n ,当输入质量m 时 ,仪器自动计算并打印50006 nil 2 6 dl i nil ii(3)l w =出粗度 c 。2 . 2造纸原料和不同制浆过程的纤维长度测定值 的比较6 dl i ni 6 nil i式中 : ni 、l i 与前面所表示的相同 。公式 (3) 的意义为 :l w = 6 各组分纤维根数 各组分纤维平均长度的平方表 1某浆厂竹浆磨浆前后的纤维平均长度6 纤维总长度由(3) 可见实际上 l w 是按长度计算得出 ,因此也称 为长度加权平均长度 。1 . 3质量加权平均长度 ,也称为二重重均纤维长度( weight weighted averge fiber l engt h) .有关研究表明2 ,木浆的质量平均纤维长度与 纤维粗度由良好的对应关系 ,它们的数值近似相当 。数均长度( mm)重均长度( mm)二重重均长度( mm)磨浆前0 . 531 . 241 . 77磨浆后0 . 411 . 171 . 77表 1 中 l n 、l w 在磨浆前后的变化较客观地反映了磨浆过程对纤维长度的影响 ,可以知道生产中工艺 过程的变化 ,从而得出符合要求的纸或纸浆 。而在因此用 l 代替 d ,得 mi = l 2 n ,代入 ( 2) ,得出质量磨浆前后的 l相同 ,说明有相当一部分纤维在磨i iww加权平均长度 :浆过程中长度基本保持不变 ,未被切断 。6 nil - 3表 2 加勒比松木片与蒸煮筛后浆的纤维变化il ww =(4) 6 n l - 2i i数均长度( mm)重均长度( mm)二重重均长度( mm)因为 6 nil - 2 是所测得纤维的总质量 , 所以称之为i质量加权平均长度用公式 ( 4) 计算前面的例子 , 即加勒比松木片1 . 802 . 803 . 5353 + 5 13l ww = 9蒸煮筛后浆1 . 092 . 753 . 48= 4 . 91 mm , 可见 l ww 非常接近9 52 + 5 12纤维破坏前的纤维长度 5 mm ,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 。表 3某种麻机械浆与该种麻未漂白化学浆纤维平均长度数均长度( mm)重均长度( mm)二重重均长度( mm)2用 fs - 200 纤维分析仪测定纤维长度的实验及分析某种麻机械浆0 . 921 . 381 . 89某种麻未漂白化学浆1 . 441 . 902 . 392 . 1实验方法2 . 1 . 1纤维长度及分布频率的测定 如果是植物原料 ,则首先将原料分离成单纤维或者制成纸浆 。即将原料切成火柴棍大小 ,经水蒸 排气 后 , 用 1 1 的 冰 乙 酸 和 双 氧 水 ( 浓 度 30 35 %) ,在 60 下浸泡数小时 ,直至原料刚好能分离成单纤维 。纸浆或单纤维样洗净后经疏解打散 , 稀释至0 . 001 %浓度的悬浮液 ,混合均匀后取一部分倒入烧 杯中 ,然后按仪器操作方法操作 。2 . 1 . 2粗度的测定试样的准备可按 2 . 1 . 1 , 不过必须准确地测量 纤维的质量 m ,方法如下 : 取大约相当于绝干量 4g 以上的浆料经分散后用 150 目抄片器抄成湿纸页 ,取出一部分测水份 ,然后准确称取一定量 (0 . 4g1g绝干量) 的湿纸页 , 配成 5l 悬浮液 , 在充分搅拌下 用 50 ml 移液管吸取悬浮液进行测量 ,进机的纤维根36从表 1 、2 、3 可以看出 ,在纤维损伤不严重的情况下浆的 l ww 与原料的长度非常接近 , 但是机械浆的l ww不能代表原料的纤维的长度 。2 . 3纤维平均长度与粗度的关系纤维粗度 ( coarseness) 是单位长度纤维的质量 ,常用 100 m 长纤维的毫克数表示 :105 mc =l nn式中 : n 纤维总根数c 纤维粗度 ( mg/ 100 m) m 绝干浆样总重量 ( mg)l n 数量平均纤维长度 ( mm)表 4 是若干种造纸原料按标准方法处理后用 fs -200 纤维分析仪测定的纤维长度和粗度的值 。结果 表明 ,阔叶木材和甘蔗渣的 l ww 与粗度 c 的十分之造纸科学与技术 2003 年 第 22 卷 第 3 期 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 一在数值上非常接近 。一些草类浆的 l ww 与粗度也有良好的对应关系 ,如表 5 所示 。的平均长度不能简单地进行比较 ,显微镜投影法则规定长度小于 0 . 1 mm 纤维不计 ,非纤维细胞不计 ,测定原料纤维时断损纤维不计 ,而自动纤维长度测 量方法 ,其测定结果包括了全部的含纤维素细胞成份 。有研究表明 ,对于针叶木的纤维的重量平均长度 ,阔叶木及非木材植物纤维原料的二重重量平均 纤维长度与纤维长度较显微镜标准方法测量值更接 近 。4笔者实验结果表明 : 一些植物原料的显微镜测定值与其对应的化学浆的 fs - 200 分析仪测定值l ww也比较接近 。表 4造纸原料的纤维长度和粗度数均长度( mm)重均( mm)粗度( c)( mg/ 100 m)二重重均( mm)雷林一号桉0 . 520 . 660 . 809 . 3木麻黄0 . 660 . 861 . 009 . 2刚果桉0 . 460 . 600 . 727 . 1尾叶桉0 . 610 . 770 . 919 . 6巨尾桉0 . 620 . 780 . 898 . 5黎蒴0 . 630 . 891 . 0410 . 0甘蔗渣0 . 471 . 051 . 7718 . 63结论湿地松加勒比松1 . 82 . 563 . 1242 . 0311 纤维平均长度的三种表示法 :l n 、l w 、l ww 各有不同的物理意义 ,l n 、l w 多数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 ,l ww 代 表了较长部分的纤维的长度 。312 阔叶木等一些原料或浆的 l ww 与其对应的纤维粗度 ( c) 的十分之一在数值上比较接近 。313 纤维破坏不严重的情况下 ,例如得率不是很低 的化学浆 ,l ww 与该浆原料的纤维长度较接近 。而 机械浆的 l ww原料的纤维长度相差较大 。参考文献 :1 . 022 . 443 . 2442 . 2表 5 硫酸盐法荻浆与 pf i 磨浆后纤维长度的变化关系数均长度( mm)重均长度( mm)二重重均 粗度( c)( mm)( mg/ 100 m)硫酸盐法( 14 . 5sr)pf i 磨浆后( 43sr)0 . 380 . 881 . 5316 . 20 . 330 . 771 . 3914 . 4由上表 l n 、l w 、l ww 的值的对比可以看出 , p f i 磨至43sr 的浆显然长度下降 ,但是对应的粗度也减小 。l ww与 0 . 1c 比较接近 。用 fs - 200 纤维分析仪测定的长度为投影长度 ,针叶木等纤维较细长的原料 因纤维较长 ,易卷曲 ,因而测定的粗度值存在误差 , 粗度与 l ww的关系与阔叶木不一样 。2 . 4 fs - 200 纤维分析仪纤维长度测定值与显微 镜投影法测定值的比较fs - 200 纤维分析仪与显微镜投影法测定纤维中华人民共和国标准. 造纸纤维长度测定法 , gb/ t10336 -1989苏求风. 纸浆性质的评价 ,中国造纸 ,1986 ,1 ,58 - 96赖燕明 ,刘道恒 ,伍红 ,唐爱民. 纤维粗度的测定及其影响因素 ,广东造纸 ,2000 ,5 ;45 - 48石淑兰等. 一些非木材植物原料的 kajaani fs - 100 纤维分析 ,中国造纸 ,1988 ,6 ,45 - 481234average fiber length and its instrumental mea surement result analysisl ai y a n m i n gx ie y i m i nw u hon g( state key l ab. of pulp & paper engineering ,so ut h china u niv. of tech . , guangzho u 510640)abstract : : the meaning of t hree met ho ds fo r exp ressing t he average lengt h of fibers fo r paper making was expa2tiated in t his article . fiber lengt h ,coarseness of raw material and p ulp f ro m different p ulping p rocess were deter2mined by fs - 200 t ype fiber analyzer . mo reover ,t he o btained result s were