对位芳纶纸的匀度检测分析方法

刘俊华 张美云 陆赵情 王 坤

(1.陕西科技大学，陕西省制浆造纸重点实验室，陕西西安，710021;2.西安酷派软件科技有限公司，陕西西安，710075)

对位芳纶 (聚对苯二甲酰对苯二胺，简称PPTA)纸是以对位芳纶短切纤维和对位芳纶浆粕纤维为原料，按照造纸工艺抄造成对位芳纶原纸，再经浸渍及热压成型制备的高性能材料，具有密度小、比强度及比刚度高、抗冲击、突出的耐腐蚀性和自熄性、优良的环境稳定性和绝缘性、良好的高温稳定性和透电磁波性能等特点，在国防军工、航空航天、遥感通讯等领域作为理想的轻质结构材料和透波材料以及新型复合材料得到广泛应用［1］。然而与造纸常规使用的植物纤维原料相比，对位芳纶短切纤维两端大小相同，长度均一，纤维表面光滑，缺少化学活性基团，憎水性强，不能单独直接用于抄纸。而对位芳纶浆粕纤维表面呈毛绒状，微纤丛生，毛羽丰富，粗糙如木材浆粕，纤维轴向尾端原纤化成针尖状，比表面积较大，表面氨基含量也是芳纶短切纤维的10倍以上，从而使其与同类纤维、水介质和酰胺类的复合树脂间更易形成氢键［2］。这两种纤维在性能上互相取长补短，产生协同效应，其在纸张中如何均匀分布即成形后纸张的匀度，是影响芳纶纸各种性能指标的重要因素之一。

通常，匀度是指组成纸张的物质在微观上的分布与变化情况，取决于定量不均匀点的面积和其相对平均定量的偏差程度。所以，可以通过纸张定量不均匀点的几何特征 (面积或等效直径)、微观定量的统计特征 (均值、标准差、均方差等)和其分布特征 (不同定量范围的点在纸张平面的空间分布规律)等参数，对纸张的匀度进行表征［3］。但迄今为止，国际上尚无统一的匀度评价方法。本实验采取两种不同的匀度检测方法对芳纶纸的匀度进行了研究和探索。

1 实验

1.1 实验材料

对位芳纶短切纤维 (以下简称短切纤维)和对位芳纶浆粕 (以下简称芳纶浆粕)，由国内某化工有限公司提供，其中，短切纤维长度为4～5 mm，芳纶浆粕长度为0.5～2 mm。分散剂由日本某化学品公司提供。

1.2 实验仪器

Kubler型标准纤维疏解机，瑞典L＆W公司生产;BFT-1型β射线透射式纸张匀度仪，芬兰AMBERTEC公司生产;HH-Z型恒温水浴锅，北京科伟永兴有限公司生产;ZQJ1-B-Ⅱ型纸页成形器，陕西科技大学机械厂生产;BS310s型分析天平，北京赛多利斯仪器有限公司生产。

1.3 实验方法

1.3.1 短切纤维的预处理及抄造、成型

将短切纤维用十二烷基苯磺酸钠进行化学预处理以去除杂质;同时用槽式打浆机将芳纶浆粕在2.5 kg的负荷下进行原纤化处理，处理浓度2%，打浆度控制在47°SR。短切纤维与芳纶浆粕按一定的配比抄片，分散剂用量为0.5%(相对于绝干纤维)，冷压3 min，压力为4 MPa，烘干6 min，温度为105℃，然后热压成型，热压温度控制在240℃，热压压力为14 MPa。抄造的芳纶纸定量为45 g/m2。

1.3.2 实验用芳纶纸样的选取

实验对热压后的芳纶纸进行了匀度检测。为了更客观地衡量不同纸张对物质流的能量吸收，对所测纸张采用相同的成像模式，并扫描了足够数量的测试面积，并对同一类纸样在相同条件下进行了多次重复实验，取平均值为最终匀度值。实验纸样的纤维配比如表1所示。

表1 对位芳纶纸的纤维配比

1.3.3 芳纶纸的匀度检测

匀度测量仪器的测量原理，基本上都是根据不同定量的纸张，对特定的物质流 (光，β射线)等吸收程度的不同来测量纸张定量的微区分布［4］。在商品化的纸张匀度测量仪器中，根据测量手段和测量方法的不同，可分为两大类，即β射线透射式和光透射式。其中，光透射式根据检测方法的不同又可分为光电式及CCD图像型［5］。本实验采用这两类测定方法对热压后芳纶纸的匀度进行了研究。光透射的图像采用MATLAB软件进行后分析和处理，β射线透射式对匀度的分析通过芬兰公司生产的BFT-1型β射线透射式纸张匀度仪实现。

2 结果与讨论

2.1 光透射式分析仪器对纸张匀度的测定

2.1.1 测试原理

根据库贝尔卡-门柯的纸张光学理论，提出了纸的均质模型，以光学常数-纸张的光散射系数s和光吸收系数k，建立了一系列性能关系式。其中纸张透光率 (T)简化后的基本公式如式 (1)所示:

式中:R∞——纸张光学反射率;

系数k决定;

s——光散射系数;

w——纸张定量。

对式 (1)进行微分并整理得出:

由此可见，纸张透光率的变化率与定量变化率之间的关系。根据这个公式，可以得到匀度测试的理论公式［6］:

具体实验操作如下:

将纸样置于毛玻璃样品台上，光源发出均匀而稳定的光，透过纸样的光线进入CCD摄像镜头，转换成数字信号后送入计算机进行数字化处理。试样被分为若干个像素，每个像素按明暗不同分为256个灰度等级［7］。统计图像上各像素点的灰度等级并按不同的数学模型来加以处理，即可得到纸张不同的匀度指标。

2.1.2 芳纶纸张匀度的测定

匀度反映纸张中纤维等固体组分的分布，质量分布决定图像的灰度［8］。因此可以利用不同灰度数据的处理模型来研究纸张的匀度。根据纸张匀度的质量结构特征，本实验采用了两种图像灰度数据的处理模型，分别是灰度直方图和均方差。研究中采用MATLAB软件来处理芳纶纸张的匀度图像，结果如图1所示。

纸张中固体组分的分布是个二维随机函数，对纸样图像中各个像素点的灰度值进行统计分析，可以得出灰度分布的直方图。直方图表示数字图像中每一灰度级与其出现的频数 (具有该灰度级像素的数目)间的统计关系，横坐标表示灰度级，纵坐标表示图像各个像素点出现的次数或频率［9］。直方图可以直观地反映纸张中质量分布的均匀情况，包括纸张厚薄的差别大小、厚薄点的分布状况等。匀度好的纸张，其直方图窄而高，反之则宽而矮［10］。

由图1可知，5#纸样的灰度分布最窄，也就是说匀度最好，即当短切纤维与芳纶浆粕的配比为3∶7时，两种纤维的分散、交织情况最好，比表面积较大的芳纶浆粕较均匀地分布在骨架纤维周围，两种纤维构成的界面黏结情况较好，可以顺利完成外载荷的热力学传导，避免了应力集中现象。图1中可以得出这6种不同纤维配比的纸张匀度分布情况优劣顺序为5#＞4#＞6#＞3#＞2#＞1#。由于短切纤维长度长且表面光滑，含量越高，构成的纸张孔隙度就越大，因此添加适当的表面呈毛绒状、微纤丛生的芳纶浆粕，可以填充这些孔隙，提升纸张的匀度。但芳纶浆粕含量过高又会使纸张的强度降低，纤维间的堆积现象明显。因此，在抄造芳纶纸时，纤维间的配比是必须考虑的问题。灰度直观图是可以定性得出纸张的匀度，本研究还对图像上每一个像素点的灰度进行了定量统计分析，即得出了所给纸样匀度图像的均方差。本实验中，1#、2#、3#、4#、5#、6#纸样的均方差分别为 12.0523、11.1603、8.4024、6.7839、5.9135、4.3545，同 样可以说明5#纸样的匀度最好，1#纸样的匀度最差，这个结果和从灰度直方图得到的直观结果是一致的。

图1 纸样图像的灰度直方图

需要说明的是，本匀度测试方法对测定浆料体系的分散性同样适用，前提是先将浆料体系的三维分布情况转换成图像的灰度图。

2.2 β射线透射式纸张匀度仪对纸张匀度的测定

2.2.1 测试原理

β射线透射式纸张匀度仪的测量孔径小，有较高的测量分辨率，并采用低强度的放射源和高灵敏度的射线探测器，可以真实准确地探测到纸张定量的微小变化，该仪器用一台微型计算机来进行操作控制和数据处理，并配有完整的数据分析软件［11］。测量时，把纸样夹入β射线发射膜片和照相软片之间，曝光后，对带有质量分布情况的负相底片用微量显像密度计进行扫描，所得的检测值送入计算机而得出定量矩阵图和关于质量分布的统计数据，如方差、标准偏差等统计数据［12］。其测定结果可选择多种输出形式，可以用多种图表和数据统计来表示，比较直观。实际应用中往往以其定量标准偏差作为纸张匀度的评价指标［13］。β射线透射式纸张匀度仪对所测样品适应性强，可以测单张纸，也可测整卷纸，在欧美国家，已成为许多造纸厂进行质量控制的事实标准。

图2 芳纶纸的定量标准偏差

2.2.2 芳纶纸张匀度的测定

本实验采用BFT-1型β射线透射式纸张匀度仪对上述6种不同纤维配比的纸张进行定量标准偏差的测定，测定结果见图2。从图2中的纸张三维结构分布及定量分布直方图可直观地看出，5#芳纶纸样的定量波动较小，定量标准偏差最小，匀度相对最好，然后依次是4#、6#、3#、2#纸样，1#纸样的匀度最差。

由此可知，上述两种测定芳纶纸样匀度的结果是一致的，在纸张的测试中，可以结合多种方法对实验结果进行比对分析。

3 结论

本实验分别采用光透射式匀度仪和β射线透射式纸张匀度仪对对位芳纶纸的匀度进行了检测和分析。

3.1 采用光透射式匀度仪检测芳纶纸的匀度，还要通过相关的图像处理软件 (如 MATLAB)进行后处理。此方法优点是不仅适用于纸张的测定，还可用于浆料体系分散性的测定。

3.2 采用β射线透射式纸张匀度仪检测芳纶纸的匀度，操作较简便，所有的定量矩阵图表和统计数据可由计算机直接获得，但该方法不能用于浆料体系等悬浮液的测定。

3.3 β射线透射式纸张匀度仪和光透射式匀度仪只是根据测量手段和测量方法的不同而划分的，其测量原理是一致的，都是根据不同定量的纸张，对特定的物质流 (光，β射线)等吸收程度的不同来测量纸张定量的微区分布，从而得出纸张的匀度分布情况，所以其得出的结论一致。

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