在回用纤维工艺中自动地测定粘性物的方法
【专利摘要】本发明涉及利用近红外(NIR)光谱与一个或多个自动纸页成型器结合在生产回用纤维纸浆的工艺中连续地并自动地测定粘性物水平的方法以及系统。
【专利说明】在回用纤维工艺中自动地测定粘性物的方法 发明领域
[0001] 本发明涉及利用近红外（NIR)光谱与一个或多个自动纸页成型器（sheet former)结合在生产回用纤维纸浆的工艺中连续地并自动地测定粘性物水平的方法以及系 统。
【背景技术】
[0002] 在近二十年间，随着环境和经济的需求，纸的生产中回用纤维的用量日益增长。在 纸原料转化为纸浆过程中，在制浆过程中再生纸被分解为纤维。在该制浆过程中，将纸破碎 并在升高的温度下用化学品处理。除去纸浆的纤维悬浮液在包括例如筛选、浮选和/或离 心清洗的几个步骤中被进一步处理，并且可以通过添加氧化漂白剂和/或还原漂白剂进行 漂白。
[0003] 使用回用纤维带来的一个问题是再生纸中的多种污染物。许多这些污染物粘附到 纤维和填充剂，因此可能在回收工艺中产生问题。这样的污染物中的一种为"粘性物"。粘 性物按它们的来源和形成过程分别被分类为初级粘性物和二级粘性物。在生产回用纤维纸 浆的过程中，初级粘性物随着再生纸被引入，而二级粘性物则由物理化学过程产生。粘性物 可能有多种不同的来源，诸如，来自各种纸制品的粘合剂施用、来自装订和纸箱密封剂的热 熔粘接剂、自粘的标签、来自涂层纸的聚合粘结剂以及油墨残留。通常粘性物分为热熔胶、 压敏粘合剂（PSAs)、乳胶、粘结剂（binder)、树脂（pitch)和油墨以及它们的组合。根据粘 性物尺寸大小也可将其分为大粘性物和微粘性物。
[0004] 粘性物可能导致操作方面及产品质量问题。粘性物能够在造纸机械设备诸如线、 毛毡、压辊和烘缸的表面上沉积，导致工艺失常、阻碍纤维粘合以及降低产品质量。例如，粘 性物可能导致纸中的亮斑和暗斑乃至片材断裂，由此降低纸的质量、导致生产损失以及为 了清洗的额外的操作中止。因此，必须监控粘性物以改善造纸工序和产品质量。
[0005] 再生纸浆中的粘性物的量可以通过例如再制浆参数的优化、清洗与筛选、浮选、分 散以及化学处理来降低。常见的减少粘性物或减少它们的粘性特性的化学处理为：通过添 加例如滑石和/或膨润土、化学除粘剂例如聚合物来分散和/或钝化粘性物，以及用化学品 处理工艺设备以延缓沉积。这些化学处理显著提高了操作成本。
[0006] 在现有技术中，通常使用标准实验室分析程序例如提取法或实验室筛选确定微粘 性物和大粘性物的量。按照定义，微粘性物为在实验室筛选中通过100ym带孔筛板的粘性 物。大粘性物定义为100ym筛的残留物中的粘性物。用于确定粘性物水平的标准实验室 分析程序容许测定微粘性物、大粘性物或这两种类型的粘性物。
[0007] 例如，使用被称为"Pulmacshiveanalyzer" 或"Haindlfractionator" 的装置 能够监测大粘性物，所述装置筛选出来自配料的大粘性物并且通过图像分析确定大粘性物 水平。这个过程通常需要几个小时来完成，并且作为大粘性物水平的追溯控制是有益的。
[0008]也有建议使用近红外（NIR)光谱与多元数据分析结合来测定粘性物的量。例如，EnricoPigorsch和PetraBehnsen(PTSHeidenau,journalATIP,第 64 卷，第4期）建议 通过NIR测量在线监测纸幅中的微粘性物负载。
[0009] 然而，用于测定粘性物的大多数标准实验室分析程序费时费力，而且不允许连续 监测待处理纸浆中的粘性物负载。此外，它们限于测定某种的粘性物（即某种化学性质或 组成的粘性物），例如，热熔胶、压敏粘合剂（PSAs)、乳胶、粘结剂、树脂或油墨；或者限于测 定某种尺寸的粘性物（即微粘性物或大粘性物）。结果，用于测定粘性物的单个标准实验室 分析程序无法说明可能由粘性物所致的所有效应和问题，因为各个工序就粘性物的尺寸和 化学性质而言是基于不同的测量原理。
[0010] 尚未出现任何在生产回用纤维纸浆的工艺中连续地并且自动地测定"所有"种类 粘性物的粘性物水平的方法或者系统。
[0011] 因此，需要在生产回用纤维纸浆的工艺中连续地并且自动地测定粘性物水平的综 合方法。特别地，需要能够用简单且有效的单个测量测定不同种类的粘性物的方法。
【发明内容】
[0012] 本发明涉及利用近红外（NIR)光谱与一个或多个自动纸页成型器结合在生产回 用纤维纸浆的工艺中连续地并自动地测定粘性物水平的方法，所述方法包括如下步骤：
[0013] (a)使用标准试验室分析程序确定一系列样品的粘性物水平，利用该结果作为参 考值以建立NIR光谱的一个或多个校准模型，并且将该校准模型的数据集存储在电子存储 设备上；
[0014] (b)从生产线中的至少一个取样点自动取出样品，将该样品从生产线通过样品线 传输到至少一个自动纸页成型器，用该样品形成纸页，并且干燥该纸页；
[0015] (c)将来自步骤（b)的干燥纸页输送到测量区域，然后记录该纸页在近红外区中 的光谱以获得光谱数据；
[0016] (d)利用至少一个存储的校准模型在计算机上处理步骤（c)中得到的光谱数据， 并且对于每个校准模型，接收作为输出的生产回用纤维纸浆的工艺中的所述粘性物水平的 值。
[0017] 本发明的方法使在生产回用纸浆工艺中实时监控粘性物的量变得可能。该方法允 许回用纸浆生产工艺以前馈方式控制，以降低粘性物的量和/或调节该工艺从而使生产工 艺中的粘性物的不良影响最小化，例如废品率和/或化学品用量。
[0018] 该方法可被用于任何常规的生产回用纤维纸浆的工艺，其中所述工艺例如包含将 再生纸制浆的步骤以及清洗由此产生的纤维悬浮液的步骤，所述清洗例如是通过筛选、离 心清洗和/或浮选。
[0019] 近红外（NIR)校准模型可以通过如下方式建立：利用偏最小二乘法回归将通过在 近红外的范围内对参考样品进行光谱测量而获得的参考光谱数据校准到所述参考样品的 已知粘性物值。
[0020] 通过利用NIR光谱仪对成型纸页进行光谱测量，所述NIR光谱仪诸如傅里叶变换 近红外光谱仪。光谱仪可包括用于在纸页上非接触式测量的光纤-耦合测量头。优选地， 光谱测量在近红外光谱区中实施，最优选地在833nm至2564nm或者12000CHT 1至3900CHT1 波长范围内。利用各成型纸页的透射或者反射收集光谱数据，优选地利用反射。以这种方 法得到各纸页的光谱数据。
[0021] 所述NIR校准模型是通过对具有已知粘性物值的参考样品进行光谱测量而详细 制定的，并且此后通过利用多元数据分析产生NIR校准模型。多元数据分析可以利用例如 偏最小二乘法回归（PLS)来实施。多变量分析（MVA)是基于多变量统计学的统计原则，其 包括一次对多于一个统计的结果变量的观测与分析。该统计技术允许考虑所有变量对有关 响应的影响，例如，不同取样点的数据和/或设备与工艺参数。
[0022] 参考样品的已知粘性物值为利用用于确定粘性物的标准实验室分析程序所确定 的样品中粘性物的量，包括参考方法诸如Ingede法No. 4,Kaipola粘性物法，利用二甲基甲 酰胺（DMF)、叔-丁基甲醚（TBME)或者二氯甲烷（DCM)提取，流式细胞术，将造纸机刮刀的 沉积物添加至纸浆样品，或者添加工业粘合剂至纸浆样品。
[0023] 通过单个的标准实验室分析参考方法确定的参考样品的粘性物值与该参考样品 的光谱数据被用作相关性的输入，以产生各标准实验室分析参考方法的校准模型。因此，有 可能通过利用一个或多个校准模型处理得到的来自样品的光谱数据来预测不同种类粘性 物的粘性物水平。换句话说，来自单次抽样样品的单个NIR光谱的光谱数据能够被利用作 为一个或多个校准模型的输入，由此作为输出得到一个或多个粘性物值，如同利用形成各 个校准模型的基础的各相应实验室分析参考方法所确定的。
[0024] 还可以将单个校准模型的输出数据组合以产生第二多元模型，以下称为第二模 型。所述第二模型可用于预测或者确定数值，该数值表示了生产工艺中粘性物的有害作用， 例如，纸质量缺陷和/或造纸机的问题，例如，造纸机械上的沉积物、纸幅断裂、漏洞与斑 点。该第二模型的值还被称为粘性物扰动势（disturbingpotential)。工艺条件与机械设 定的历史数据还可用作能够被考虑用于预测粘性物扰动势的额外的值，因为这些参数能够 影响粘性物的危害性，例如，纸浆的pH值与灰分含量或者造纸机的烘缸的温度曲线图。
[0025] 第一粘性物值例如可通过利用流式细胞术确定，以及第二粘性物值例如可利用 Kaipola粘性物法确定。然后，将这些方法的输出数据结合，并且根据它们对造纸机的运行 性能的相关影响进行权衡，从而产生粘性物扰动势。综上所述，不同的参考方法能够表示粘 性物的不同类型或者不同尺寸。粘性物的这些不同类型或者尺寸对造纸机的运行性能的影 响尤其依赖于主要的工艺条件，诸如，纸浆的pH值和灰分含量、造纸机的烘缸的温度曲线 图。通过在主要的工艺条件下根据粘性物的不同量对造纸机的运行性能和纸质量的影响对 它们进行权衡，获得能反映由粘性物所引起的实际问题的粘性物扰动势。
[0026] 利用不同NIR校准模型预测的粘性物值对造纸机/工艺的运行性能的权重可以借 助于多元数据分析确定。这例如能够通过建立第二多元模型实现，其中，计算表示粘性物的 量的变量对表示例如在特定时间周期内的断裂数和/或造纸机械上的沉积物的参数的权 重。这可以借助于PLS实现。在该模型中，表示粘性物的量的变量可以为借助于不同的NIR 校准模型确定的预测粘性物值，其中所述NIR校准模型通过对样品进行光谱测量且对该光 谱测量运用NIR多元校准模型而获得。第二模型可进一步包含其它的工艺与纸浆参数，例 如，纸浆的pH值与灰分含量、造纸机的烘缸的温度曲线图。
[0027] 第二模型能被用以确定新样品的粘性物扰动势，其中所述新样品如以上说明的在 工艺中被在线收集。此后，预测的粘性物扰动势值被用于调节所述工艺，例如，通过调节筛 选的废品率或者通过操纵加入纤维悬浮液的化学品的量。
[0028] 此处使用的术语"一个（种）或多个（种）"表示1至50的整数，优选地为1至 15的整数，更优选地为1、2、3、4、5、6、7或者8。
[0029] 本发明的方法的特征还能够在于，所述方法进一步包含在记录所述NIR光谱之后 测量所述纸页的重量的步骤。
[0030] 本发明的方法的特征还能够在于，借助于多元数据分析通过将参考光谱数据校准 到参考样品的已知粘性物值来建立校准模型，其中所述参考光谱数据通过在近红外区中对 参考样品进行光谱测量而得到。
[0031] 此外，本发明的方法的特征能够在于，每小时从生产线中的至少一个取样点取出 至少一份样品。优选地至少每30分钟，更优选地为至少每15分钟并且最优选地约为每5 至12分钟从生产线中的至少一个取样点取出至少一份样品。根据本发明的方法，有可能 在某一时间间隔在生产线中的限定取样点取出单独样品，例如，每小时至少一份样品、每30 分钟至少一份样品、每5至15分钟至少一份样品。
[0032] 本发明的方法的特征还能够在于，利用近红外（NIR)光谱与自动纸页成型器结 合的生产回用纤维纸浆的工艺包含以下工艺步骤中的至少一个：制浆，高浓度（HD)清洗， 预-筛选，高重量（HW)清洗，中间浓度（1C)筛选，预-浮选、精筛、增稠（即：例如使用盘 式过滤器去除纸浆中的水）、除水（即：例如通过引导纸浆经由螺旋压榨机或者双网压榨机 去除纸浆中的水）、分散（即：纸浆的热力-机械处理以减小粘性物的尺寸），后-浮选、增 稠、除水、浆塔（即：位于脱墨设备和造纸机之间的储罐，其中存储脱墨纸浆），或者它们的 组合。
[0033] 本发明的方法的特征还能够在于，利用近红外（NIR)光谱与自动纸页成型器结合 的生产回用纤维纸浆的工艺依次具有以下工艺设置：制浆，HD清洗，预-筛选，HW清洗，1C 筛选，预-浮选、精筛、增稠、除水、分散，后-浮选、增稠、除水以及浆塔。
[0034] 根据本发明，能够从生产线中的一个或者几个取样点取样。生产线中的取样点能 够选自如下取样点：紧邻预-筛选的下游，紧邻HW清洗的下游，紧邻1C筛选的下游，紧邻 预-浮选的下游，紧邻精筛的下游，紧邻分散的下游，紧邻后-浮选的下游，紧邻浆塔的下 游。这样，能够以前馈方式控制废品率。
[0035] 例如，可在至少一个筛选机之前即筛选机的上游取出一份样品。在该取样点，纤维 悬浮液包含大量的大粘性物与微粘性物。第二取样点例如可在脱墨纸浆存储塔之后，其中 纤维悬浮液仍包含大粘性物与微粘性物，但水平较低。第三取样点可以在造纸机的网前箱， 其中纸浆悬浮液还包含二级粘性物。根据本发明的一个实施方案，样品可以以一定的时移 取自取样点的组合，例如如上所述的三个取样点，所述时移依赖于纸页成型器的生产量。
[0036] 本发明的方法的特征能够在于，从生产线中的至少两个取样点取样，更优选地，从 生产线中的至少三个取样点取样。这样使得在生产线中不同位置监控不同种类与尺寸的粘 性物成为可能，例如，监控大粘性物与微粘性物。
[0037] 本发明的方法的特征能够在于，从位于紧邻浆塔的下游的生产回用纤维纸浆的生 产线中的取样点取样。
[0038] 优选地，该方法利用一个或多个标准分析程序来建立相应的校准模型。优选地，该 标准分析程序选自 ：Ingede法No.4，Kaipola粘性物法，通过二甲基甲酰胺（DMF)、叔丁基甲 醚（TBME)或二氯甲烷（DCM)提取，流式细胞术，添加造纸机的刮刀的沉积物至纸浆样品，或 添加工业粘合剂至纸浆样品，或者它们的组合。
[0039] INGEDE法4描述了用于再生纸处理工艺的纸浆的实验室筛选工序。该筛选程序 在100ym带孔筛板上的筛渣以能够借助于图像分析系统确定大粘性物的方式制备。得到 的值是表示为mm2/kg纸楽的大粘性物面积。具体地，Ingede法No. 4是为了测定大粘性 物而建立的方法，并且该方法的详细的说明可从Ingede网站（http://www.Ingede.com/ ingindxe/methods/Ingede-method-〇4_2013.pdf，09. 04. 2013)得到。该方法可用于获得 参考粘性物值，其中使用根据ZMV/1. 4/86的Haindl分选机以及具有标称100ym筛孔的 带孔筛板（根据 ZELLCHEMINGTechnicalLeafletRECOl，"AnforderungenandieGiite vonSchlitzplattenfiirLabor_Sortieraggregate，'（engl. :"QualityRequirementsof SlottedPlatesforLaboratoryScreeningDevices，'）；www.zellcheming.de) 〇
[0040]Kaipola粘性物法还描述了实验室筛选工序，但是在筛选之后，通过肉眼检查确定 大粘性物面积之后进行，即使用尺寸类比的方式人工计算粘性物。得到的值为通过_2/kg 纸浆表示的大粘性物面积。具体地，该Kaipola粘性物法包含如下步骤：
[0041] 1?制备纸浆
[0042] 如果根据DINENISO4119确定的样品的浓度超过2%，则根据IS05263-1用实验 室破碎机将纸浆离解。将50g全干纸浆在3000rpm与2%的浓度条件下进行离解10分钟。 否则纤维碎片可能会干扰筛选。离解之后将纸浆用自来水填充直至5升。
[0043] 2?筛选
[0044] 用Somerville筛（TAPPIT275sp-07)进行筛选，其中用100iim带孔筛板筛选50g 全干纸浆20分钟。将筛板上的残余物转移至直径为110mm的白色滤纸，用铝箔覆盖，加载加 热的金属活塞（直径130mm，2. 8kg)并在烘箱板上干燥。所述板的温度为100至110°C，进 行干燥直到所述滤纸变成淡褐色，约费时10分钟。如果在滤纸上有残余物的叠加，则应使 用另外的白色滤纸。这就意味着必须将带孔筛板的残渣在干燥之前分开到多于一张滤纸。
[0045] 3?粘性物测定
[0046] 干燥之后除去铝箔。用自来水再润湿残余物所在的滤纸。湿滤纸被置于黑色表面 上，其上可见粘性物以白斑形式可见。使用如图1〇(按比例）所示的透明参考箔通过人工 计数和量度估算粘性物量（白斑）。将该透明箔置于润湿的滤纸上，然后根据下表A将粘性 物分级并与箔的面积相比较。累加每级粘性物的数量并乘以粘性物的各尺寸级别的平均面 积。然后将其结果乘以20以获得每kg纸浆的粘性物面积。
[0047] 表A.用参考箔进行的粘性物评价
[0048]
【权利要求】
1. 利用近红外（NIR)光谱与一个或多个自动纸页成型器的结合在生产回用纤维纸浆 的工艺中连续地并且自动地测定粘性物水平的方法，包括步骤： (a) 使用标准试验室分析程序确定一系列样品的粘性物水平，利用该结果作为参考值 以建立NIR光谱的一个或多个校准模型，并且将所述校准模型的数据集存储在电子存储设 备上； (b) 从生产线中的至少一个取样点自动取出样品，将所述样品从生产线通过样品线传 输到至少一个自动纸页成型器，用所述样品形成纸页，并且干燥所述纸页； (c) 将来自步骤（b)的干燥纸页输送到测量区域然后记录所述纸页在近红外区中的光 谱以获得光谱数据； (d) 利用至少一个存储的校准模型在计算机上处理步骤（c)中得到的所述光谱数据， 并且对于每个校准模型，接收作为输出的生产回用纤维纸浆的工艺中的所述粘性物水平的 值。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在记录所述NIR光谱 之后测量所述纸页的重量的步骤。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助于多元数据分析通过将参考光谱 数据校准到所述参考样品的已知粘性物值来建立校准模型，其中所述参考光谱数据通过在 近红外区中对参考样品进行光谱测量而得到。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，每小时从生产线中的至少一 个取样点取出至少一份样品。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，利用近红外（NIR)光谱与自 动纸页成型器结合的生产回用纤维纸浆的工艺包括以下工艺步骤中的至少一个：制浆，HD 清洗，预筛选，HW清洗，1C筛选，预-浮选、精筛、增稠、除水、分散，后-浮选、增稠、除水、浆 塔，或者它们的组合。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，利用近红外（NIR)光谱与自 动纸页成型器结合的生产回用纤维纸浆的工艺依次具有如下工艺设置：制浆，高密度（HD) 清洗，预-筛选，高重量（HW)清洗，中间浓度（1C)筛选，预-浮选、精筛、增稠、除水、分散， 后-浮选、增稠、除水以及浆塔。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，生产线中的至少一个取样 点选自如下取样点：紧邻预-筛选的下游，紧邻HW清洗的下游，紧邻1C筛选的下游，紧邻 预-浮选的下游，紧邻精筛的下游，紧邻分散的下游，紧邻后-浮选的下游，紧邻浆塔的下 游。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，样品取自生产线中的至少两 个取样点，更优选地取自生产线中的至少三个取样点。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，样品取自回用纤维纸浆生产 的生产线中位于紧邻浆塔的下游的取样点。
10. 根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述标准分析程序选自： Ingede法No.4，Kaipola粘性物法，通过二甲基甲酰胺（DMF)、叔丁基甲醚（TBME)或二氯甲 烷（DCM)提取，流式细胞术，添加造纸机刮刀的沉积物至纸浆样品，或添加工业粘合剂至纸 浆样品。
11. 根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括步 骤：基于根据权利要求1的步骤（d)的粘性物水平的确定值，控制从再生纸生产回用纤维纸 浆的工艺中的粘性物水平。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，用于在从再生纸生产回用纤维纸浆的 工艺中控制粘性物水平的步骤包括：调节至少一个筛选机的废品率，调整预-浮选或后-浮 选的运行条件，调节分散器的设置和/或操纵加入纤维悬浮液的化学品的量，其中所述化 学品具有钝化、稳定、脱粘、固定或减少纸浆中粘性物的含量的作用。
13. 利用近红外（NIR)光谱与自动纸页成型器结合在生产回用纤维纸浆的工艺中根据 权利要求1至10中任一项所述的方法连续地自动地测定粘性物水平的系统，所述系统包 括： 至少一个自动纸页成型器，以形成取自生产线中至少一个取样点的样品的纸页；一个 或多个装置，用于将样品通过样品线从生产线输送到所述至少一个自动纸页成型器；一个 或多个输送装置，用于将纸页从纸页成型器输送到用于记录纸页在近红外区中的光谱的测 量区域；光谱仪，用以对所形成的纸页在NIR区域中进行光谱测量；以及为实施多元数据分 析编制程序的计算机。
【文档编号】D21H21/02GK104246064SQ201380020236
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年4月16日 优先权日:2012年4月16日
【发明者】P·亨格斯巴赫, R·克劳泽 申请人:斯托拉恩索公司