专利名称：连续测定制造纤维板的木纤维流特性的方法
技术领域：
本发明涉及连续测定制造纤维板的木纤维流特性的方法。
通常知道诸如纤维湿度、树脂含量、光学特性和纤维特性，诸如碎片和纤维长度分布之类的特性会影响纤维成品的质量特性。适当的，特别是稳定的纤维湿度易于，比如对板制造受压面的检查，并为板上密度分布的有效控制创造了条件。
在板受压之后，添加在板制造内的树脂硬化了并且同纤维网状物一起制造出坚固的纤维复合结构。树脂的添加可通过在分离纤维工艺后从压气机注入或在烘干阶段之后向机械树脂混合器注入。树脂含量对板成品强度特性，诸如弯曲强度和拉伸强度，起主要作用。树脂含量经常通过树脂成品所具有的特别性质来调节。然而，经常配置过量的树脂以保证质量的理想水平，因为没有办法来准确控制诸如纤维湿度、纤维长度分布和密度之类的其它因素，这些因素同样影响完成的纤维板性质。
至今，在达到纤维板成品的理想特性中，还不了解对纤维网状物应该以什么方式来规定纤维特性(诸如纤维长度分布和碎片)才是最佳。之所以会这样的一个原因是因为预先不可获得测定和表征MDF(中密度纤维板)纤维的任何简单的快速测量方法。但是，现在可用的测定和表征纤维特性的设备要借助于图像分析。然而，这是一项复杂的技术，只可在实验室的环境中操作，一定不适合制造MDF中的在线测量。
由于迄今为止，无设备可用来在纤维板制造过程中连续在线测量纤维表征的参数，研究纤维特性应该以什么方式设计从而可以理想的方式生产出具有理想特性的纤维成品变得十分困难。这种研究同样投入在达到对分离纤维工艺的理想控制的不断努力中，从而可获得理想的纤维特性。
当纤维特性被控制时，对树脂的需要可被最小化并且生产成本也可减小。树脂占了纤维板制造的直接成本的大约三分之一。树脂涂层，即木纤维上树脂的分布，也受纤维长度分布的影响。细纤维部分需要比较粗纤维更多的树脂。结果，当使用纤维的纤维长度分配不合适时，提高树脂的含量不会产生预期的成品板强度上的增加。
测定木片成分诸如Klason木纤素，抽取的和全部的碳水化合物的光谱数据的多元分析，在下述中有所描述Meder R等人在“对话信息服务”(DialogInformation Services)第248卷，PIRA，对话附录第00393878/5，PIRA附录第20017450号，和Meder.R等人的“Prediction of wood chip and pulp andpaper properties via multivariate analysis of spectral data，”Melbourne，澳大利亚，1994年5月2日到6日，479到484页。此处，使用了主元件分析(PCA)和主元件回归(PCR)来分析取自检测木片的近红外光谱(NIR)、傅里叶(Fourier)变换的红外光谱和核磁共振(NMR)光谱。
WO 97/04299描述了取自诸如锯屑、刨花和木片之类用于制造切片板的未加工材料的近红外(NIR)光谱的多元数据分析。还描述了控制板制造的测量值的使用。
本发明的目的是在光谱数据的多元分析基础上提炼该技术，从而使它也能够用于连续测定纤维板制造的木纤维的特性，所述的特性对成品板的特性起决定性作用。
该目的用根据权利要求1的方法达到。
根据本发明的方法，纤维长度分配的连续测定显著地增强了控制制造工艺的能力并优化了该工艺的成本，主要通过一直分配所要求的十分恰当的树脂量。此外，从测得的纤维的长度分布连续反馈到分离纤维工艺对于控制该工艺也成为可能。对纤维特性的在线质量控制，以及迄今为止在纤维板中纤维的制造过程中不可能的事情，可用该方法实现。此外，在树脂涂层纤维的流程中，对树脂质量的测定，从反射光谱提供了所分配树脂的总量、预先自身可能的测定以及纤维上树脂的分布这样的连续信息。纤维流中的纤维湿度含量，可用根据本发明的方法从反射光谱获得，它是纤维板制造中的重要参数。另外，纤维流的亮度/颜色能够连续地测定。纤维流的亮度/颜色也是对在木片或纤维上进行预热处理后效果的一种量度，同时它还提供成品亮度/颜色的信息。
根据本发明方法的一个有优势的实施例，使用波长在范围400-2500nm范围内的光谱。主要是对两个物理过程，即能量吸收和光散射的研究，得出该波长范围特别适合测定所述的纤维流的质量特性。近红光(NIR)光谱基于700到2500nm波长范围内的电磁辐射。吸收辐射的包含C-H、O-H和N-H键的主要有机物质处于该范围内。能量主要激励谐波以及旋转和振动状态的组合。有机材料在NIR范围内吸收的能量少于在UV和IR范围内吸收的。结果，近红外光更深地进入样本。非均匀物质，诸如木纤维，导致了与微粒大小相关的光散射。这个特性，加上分子的振动和旋转，使表征纤维流中纤维的大小分布，即测定纤维长度分布成为可能。
根据本发明方法的另外一个有优势的实施例，为纤维流的校准样本建立了纤维长度的参考分布。也使用同一的校准样本测定来自被测量反射光谱的纤维长度分布，而且这些长度在相对所述参考纤维长度分布的校准工序中，用多元统计回归的方法模拟，以测定所述的被测量的光谱值和纤维长度分配之间的预定关系。参考纤维长度分布通过标准化的方法适当地测定。在模拟的方法中，测定了被测量的光谱值和树脂含量、纤维湿度以及光学特性的参考值之间的预定关系，随后，通过用基耶达(Kjeldahl)方法测定氮树脂的氮含量适当地建立了树脂含量的参考值，通过烘干并称量校准样本从而测定纤维湿度的参考值，且根据ISO亮度标准测定光学特性的参考值。
根据本发明方法的另一个有优势的实施例，来源于反射光谱的一个或更多参数，也就是纤维长度分布、树脂含量、纤维湿度和光学特性，被用于在线控制纤维备制工艺的反馈工序中，从而赋予使用的木纤维理想的特性。这样做使连续的对所述参数的基本质量控制成为可能。
现在，将参考唯一的附1对本发明进行更详细的描述，该图描绘了根据本发明执行方法的例子。
该图描绘了有意在纤维板制造中使用的木纤维流的机械或气动传送2。木纤维适宜用少于500kWh/h的特定冲击能量在提炼工艺中准备。在处于分离纤维和烘干工艺之后的测量时间点，用合适波长的光照射纤维流，且通过在400-2500nm波长范围内，即在可见(VIS)光和近红外光(NIR)的范围内，探测器4拾取反射光谱。探测到的光谱在6进行A/D转换。在图中的8显示了最终光谱的典型形态。
在根据本发明方法中所要求的标准以下列方式在图中的10完成。
纤维流的一些校准样本根据测试计划准备，在计划中，选择测试变量的能级从而在重要特性——即纤维长度分布、树脂含量、纤维湿度和光学特性——的值当中产生良好的散布。校准样本能够包含全规模生产中的操作阶段。
上述种类的反射光谱被记录作为校准样本，且对于每个前述特性使用适当的实验室方法，测定参考值。从而，纤维长度分布(和刨花)可使用——比如，图像分析——来测定。在使用氮树脂的情况下，能用基耶达(Kjeldahl)方法有利地测定树脂含量。如果，比如使用了不含氮的酚醛树脂，必须使用一些其它适当的方法来测定树脂的参考值。可使用烘干和称量工序建立纤维湿度的参考值，而且可根据测定光反射的ISO亮度标准来测定光学特性。
在图中的计算单元12中，可在记录用于纤维流校准样本的光谱和相关参考值之间，用多元统计回归的方法，较佳为主元件分析(PCA)和预测潜在结构(PLS)回归，建立数学相关。这种类型的计算是很著名的，参看，比如MartensH和Naes T，“多元的标准”，Wiley&Sons，纽约(1989)；Wold S，Johansson E和Cocchi M，“在药品设计中的QSAR中使用部分最小二乘法对潜在结构进行推测，“理论、方法和应用”，Kubini H.，Ed，(1993)；Hoskuldsson A，“PLS回归方法，”化学统计学杂志，第2卷(1998)；Geladi P.和Kowalski B.R.，化学分析学报，185(1986)和Wold S.，Esbensen K.，和Geladi P.，主要元件分析，化学统计和智能实验室系统，2(1987)。
通过以下的步骤创建了标准模型或者说是参考值和相关光谱之间的关系，如上述的，用适当的实验室方法测定，(品质变量(y)作为光谱(x)的函数y＝f(x))，校准工序在一些纤维流样本上用上述特性中较好的变量或参数值进行。
通过以这种方法建立的关系，能从随后记录的纤维流的反射光谱获得所述的参数。这样做便完成了对图中20和22处的纤维长度分布、14处的树脂含量、16处的纤维湿度和18处的光学特性的非接触在线测量。从而，四种列举的特性通过光谱的信息内容在一个相同的测量工序中测定。
木纤维的湿度含量正常为5-20％，经常为10-20％。
在纤维板制造中使用的纤维的长度对云杉纤维来说，通常为0.15-4mm，诸如山毛榉之类的较短木纤维的纤维长度上限大约为3mm。
在根据本发明的方法中，纤维长度分布对于讨论的长度范围，能够以相当大数目的间隔来测定。在0-7mm的长度范围内，根据本发明的方法能以小到0.1mm的间隔测定纤维长度分布，即所述的长度范围被细分成70个间隔或部分，近似图中22处的分布。
纤维长度分布、树脂含量和纤维湿度这三个参数，如以上所讨论的，对控制质量和优化纤维板制造的成本起到最主要的作用。光学特性也很重要，因为通常需要可能最薄的板。因此，根据本发明方法的这种连续的在线测量使对纤维特性的反馈和在线质量控制——这些迄今为止在纤维板制造中不可能的事情成为可能。
权利要求
1.一种在纤维板制造过程中对木纤维特性进行连续测定的方法，其特征在于，纤维流样本用光照射，根据所测的反射光谱，纤维流样本的一个或更多特性——纤维长度分布、树脂含量、纤维湿度和光学特性从被测光谱值和所述特性的绝对量级之间预定的关系确定。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，使用在400-2500nm波长范围内的光谱。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，测定纤维流校准样本的参考纤维长度分布，并对从该同一校准样本得的反射光谱确定的纤维长度分布，在相对所述参考纤维长度分布的校准工序中用多元统计回归方法模拟，从而测定所述的所测光谱值和纤维长度分配之间的预定关系。
4.根据上述权利要求中任一项权利要求的方法，其特征在于，测定纤维流校准样本的参考纤维湿度，并对从该同一校准样本测得的反射光谱所测定的参考纤维湿度，在相对所述参考纤维湿度的校准工序中用多元统计回归方法相关，从而测定所述的所测光谱值和纤维湿度之间的预定关系。
5.根据上述权利要求中任一项权利要求的方法，其特征在于，测定纤维流校准样本的参考树脂含量，并对从该同一标准样本测得的反射光谱所测定的光谱值，在相对所述参考树脂含量的校准工序中，用多元统计回归方法来相关，从而测定所述的所测光谱值和树脂含量之间的预定关系。
6.根据上述权利要求中任一权利要求的方 法，其特征在于，测定纤维流校准样本光学特性的参考值，并参从该同一校闪著准样本测得的反射光谱测定的光谱值，在相对所述光学参考值的校准工序中，用多元统计回归方法使其相关，从而测定所述的光谱值和光学特性之间的关系。
7.根据权利要求3-6中任一权利要求的方法，其特征在于，根据测试计划准备校准样本，对所选择的测试变量用不同的级别的测试计划，从而在不同的校准样本中产生纤维长度分布、纤维湿度、树脂含量和光学特性的良好散布。
8.根据上述权利要求中任一权利要求的方法，其特征在于，从反射光谱所测得的纤维长度分布、树脂含量、纤维湿度和光学特性的一个或更多参数在反馈工序中使用以实现对纤维备制工艺的在线控制，从而赋予所用木纤维理想的特性。
9.根据权利要求8的方法，其中在提炼过程中产生纤维，该方法的特征在于，纤维长度分布、树脂含量、纤维湿度和光学特性的一个或更多参数被反馈以控制分离纤维过程。
全文摘要
在对纤维板制造中木纤维流(2)特性的连续测定的方法中，纤维流的样本用光照射，根据所测的反射光谱确定的样本的纤维长度分布(20、22)、树脂含量(14)、纤维湿度(16)和光学特性(18)的一个或更多特性，从所测光谱值和所述特性的绝对量级之间的预定关系来确定。
文档编号G01N21/88GK1408063SQ0180592
公开日2003年4月2日 申请日期2001年3月1日 优先权日2000年3月2日
发明者T·林格伦, J·卡尔松, U·贝克隆德 申请人:瓦勒梅纤维技术Ab