监控造纸工艺中表面添加剂的荧光方法

监控造纸工艺中表面添加剂的荧光方法
【专利摘要】本发明公开通过荧光方法监控和任选地控制加入一种或多种表面添加剂至造纸工艺的设备和方法。
【专利说明】监控造纸工艺中表面添加剂的荧光方法
[0001]相关申请案
[0002]本申请是美国专利申请系列N0.12/047736的部分继续申请，美国专利申请系列N0.12/047736是美国专利申请系列N0.11/942,065的部分继续申请，其各自通过引用方式并入本文中。
【技术领域】
[0003]本发明涉及监控和任选地控制加入一种或多种表面添加剂至造纸工艺。
[0004]发明背景
[0005]目前测定表面添加剂的量的操作通常由薄片破裂的手动技术和/或本质上相对的质量平衡计算组成。
[0006]在表面施胶压榨下淀粉吸收(pickup)的情况中,造纸商(例如,纸板制造商)在多数情况下大概会采用大量的淀粉，将其加入造纸工艺，从而确保足够的淀粉在薄片表面上达到功能目的。过去尝试使用计量施胶压榨(metering size press)应用，它使得通过刮板式应用技术可减少淀粉用量。尽管这使得可显著降低淀粉量，范围达50-70%，但是由于无法预期和无法控制淀粉吸收差异导致的失败，使得风险太大而无法克服。因此，许多造纸商又使用胶土型施胶压榨(puddle style size press),从而确保加入薄片足够量的淀粉。
[0007]荧光用于测定在造纸工艺中淀粉浓度，但是单独使用荧光会导致不准确或者不精确的测量值。因而需要在薄片上表面添加剂的量的更准确、精确、和及时测量值。这可能使得造纸商将加入速度控制得非常低的水平，但是能够快速预测和统计上控制不合格加入速度。更加理想的方法可提供在薄片上表面添加剂的更加准确和及时测量值，其将颤幅(flutter amplitude)和/或薄片温度考虑在内。更加理想的方法另外会测定在表面添加剂中示踪剂与淀粉的比率。
发明概要
[0008]本公开提供监控和任选地控制加入一种或多种表面添加剂至造纸工艺的方法，所述方法包括以下步骤:(a)单独或者与已知量的一种或多种惰性荧光示踪剂以已知比例加入已知量的一种或多种表面添加剂至造纸工艺，其中可仅当表面添加剂能够发荧光时单独加入表面添加剂；(b)在加入表面添加剂随后的点处和在形成薄片之后测定表面添加剂和/或一种或多种惰性荧光示踪剂的荧光，其中可仅当表面添加剂能够发荧光时测定表面添加剂，以及其中使用基于反射率的荧光计来测定荧光；(C)使在薄片上表面添加剂(当它们能够发荧光时)和/或惰性荧光示踪剂的荧光的量与在薄片上的涂层中表面添加剂的浓度和/或在薄片上涂层的厚度相关联；以及(d)通过对应于在薄片上涂层厚度和/或在薄片上的涂层中表面添加剂的浓度调节加入造纸工艺的表面添加剂的量来任选地控制加入一种或多种表面添加剂至造纸工艺。
[0009]监控和任选地控制加入一种或多种表面添加剂至造纸工艺的方法包括以下步骤:a)单独或者与已知量的一种或多种惰性荧光示踪剂以已知比例加入已知量的包含一种或多种表面添加剂的组合物至造纸工艺，其中可仅当表面添加剂能够发荧光时单独加入包含表面添加剂的组合物；b)在薄片形成之前的点处测定表面添加剂和/或一种或多种惰性荧光示踪剂的荧光；C)在加入表面添加剂随后的点处和在形成薄片之后任选地测定包含表面添加剂和/或一种或多种惰性荧光示踪剂的组合物的荧光，其中可仅当表面添加剂能够发荧光时测定表面添加剂以及其中使用基于反射率的荧光计来测定荧光；d)使表面添加剂(当它们能够发荧光时)和/或惰性荧光示踪剂的荧光的量与表面添加剂的浓度相关联；以及如果步骤c)发生，则使在薄片上表面添加剂(当它们能够发荧光时)和/或惰性荧光示踪剂的荧光的量与在薄片上的涂层中表面添加剂的浓度和/或在薄片上涂层的厚度相关联；以及e)通过对应于表面添加剂的浓度调节加入造纸工艺的表面添加剂的量来任选地控制加入包含一种或多种表面添加剂的组合物至造纸工艺，以及如果步骤c)发生，则通过对应于在薄片上涂层厚度和/或在薄片上的涂层中表面添加剂的浓度调节加入造纸工艺的表面添加剂的量来任选地控制加入包含一种或多种表面添加剂的组合物至造纸工艺。
[0010]监控和任选地控制加入一种或多种表面添加剂至造纸工艺的方法包括以下步骤:a)单独或者与已知量的一种或多种惰性荧光示踪剂以已知比例加入已知量的包含一种或多种表面添加剂的组合物至造纸工艺，其中可仅当表面添加剂能够发荧光时单独加入包含表面添加剂的组合物山)在用于支撑或填充或施加水性组合物至所述造纸工艺内的设备中测定表面添加剂和/或一种或多种惰性荧光示踪剂的荧光；c)在加入表面添加剂随后的点处和在形成薄片之后任选地测定包含表面添加剂和/或一种或多种惰性荧光示踪剂的组合物的荧光，其中可仅当表面添加剂能够发荧光时测定表面添加剂和其中使用基于反射率的荧光计来测定荧光；d)使表面添加剂(当它们能够发荧光时)和/或惰性荧光示踪剂的荧光的量与表面添加剂的浓度相关联，以及如果步骤c)发生，则使在薄片上表面添加剂(当它们能够发荧光时)和/或惰性荧光示踪剂的荧光的量与在薄片上的涂层中表面添加剂的浓度和/或在薄片上涂层的厚度相关联；以及e)通过对应于表面添加剂的浓度调节加入造纸工艺的表面添加剂的量来任选地控制加入包含一种或多种表面添加剂的组合物至造纸工艺；以及如果步骤c)发生，则通过对应于在薄片上涂层厚度和/或在薄片上的涂层中表面添加剂的浓度调节在设备中表面添加剂的浓度来任选地控制加入包含一种或多种表面添加剂的组合物至造纸工艺。
[0011]本发明的另一实施方案是荧光监控和任选地控制加入至少一种表面添加剂至造纸工艺的方法。造纸工艺包括形成薄片。薄片具有温度和颤幅。本方法包括以下步骤:在将组合物加入造纸工艺之前第一次测定组合物的荧光；在形成薄片之后加入已知量的组合物至造纸工艺；第二次测定薄片的荧光；使用非接触式传感器来第三次测定薄片的温度；使用所述位移传感器任选地第四次测定所述颤幅；使用所述经测定的薄片温度来校正所述第二次测定；首先使所述组合物的所述经测定的荧光与在所述组合物中所述至少一种表面添加剂的浓度相关联；其次使所述薄片的所述经校正测定的荧光与在所述组合物中所述至少一种表面添加剂的浓度相关联；以及基于任意测定值任选地控制至少一部分所述造纸工艺和/或所述至少一种表面添加剂的加入。
[0012]组合物包含一定浓度的至少一种表面添加剂。使用荧光计设备来进行第二次测定。荧光计设备包括荧光计、非接触式温度传感器、和任选的位移传感器。荧光计包括二向色镜和至少两台荧光检测器。本方法可包括基于第二相关步骤来测定在薄片上组合物的涂层厚度的另外的步骤。
[0013]此外，如果所述至少一种表面添加剂不能够发荧光，则所述组合物进一步包含惰性荧光示踪剂。当存在时，在组合物中惰性荧光示踪剂与已知量的至少一种表面添加剂以已知比例存在。
[0014]本发明的又一实施方案是监控和任选地控制加入至少一种表面添加剂至造纸工艺的设备。造纸工艺包括薄片，以及薄片具有温度和颤幅。设备包括荧光计、温度传感器、和位移传感器。荧光计包括紫外线光源、荧光检测器、参考检测器、参考反射器、二向色镜、和任选的电子控制单元。将所述紫外线光源可操作定位以发射紫外光至所述二向色镜和所述参考反射器上，一部分所述紫外光通过所述参考反射器反射至所述参考检测器，以及另一部分所述紫外光通过二向色镜反射至薄片上。荧光检测器测定由薄片发射出的荧光。发射出的荧光通过二向色镜以及至荧光检测器内。温度传感器是非接触式传感器，将其可操作定位以测定薄片的温度。将位移传感器可操作定位以测定薄片的颤幅。
[0015]由以下详细的描述、连同所附权利要求，本发明的这些和其他特征和优势显而易见。
[0016]附图简述
[0017]在阅读以下详细的描述和附图之后，本发明的益处和优势对于相关领域的普通技术人员更加容易理解，其中:
[0018]图1显示在本发明的一个实施方案中基于反射率的荧光计如何工作的示意图；
[0019]图2显示通过淀粉和惰性荧光示踪剂组合示出的单独的荧光比对单独的淀粉干燥吸收的图；
[0020]图3显示薄片荧光计的实施方案的组件视图；
[0021]图4显示薄片荧光计的实施方案的典型操作的示意图；
[0022]图5显示薄片荧光计的实施方案的仰视图；以及
[0023]图6显示薄片荧光计设备的实施方案的内视图，其包括实施方案的典型操作的示意图；
[0024]图7显示装备有光纤的液体荧光计设备的实施方案的内视图；
[0025]图8显示装备有光纤的液体荧光计的实施方案的组件视图；
[0026]图9显示可连同液体荧光计使用的光纤传感器的实施方案的详细视图；
[0027]图10显示光纤传感器的一个安装位置的实施方案；
[0028]图11是薄片荧光的图，一条绘图线未经薄片温度差异值校正以及另一条绘图线经薄片温度差异值校正；以及
[0029]图12是薄片荧光的图，多条绘图线未经薄片颤幅校正以及多条其他绘图线经薄片颤幅校正。
[0030]发明详述
[0031]定义:
[0032]“造纸工艺”是指由纸浆制造任何类型的纸产品(例如，纸、组织、纸板等)的方法，其包括形成水性纤维质造纸配料、排出配料以形成薄片以及干燥薄片。形成造纸配料、排出和干燥的步骤可以本领域熟练技术人员通常所知的任何常见方式进行。造纸工艺也可包括制浆阶段(即由木质原料制备纸浆)和漂白阶段(即化学处理纸浆以改善亮度)。而且，造纸工艺包括施加至纸张的所有处理步骤，直至最终用户接收和在使用纸产品之前任选地分析纸张。
[0033]“薄片”是指由于造纸工艺导致或在造纸工艺中形成的薄片。术语“纸张”与术语“薄片”可交换使用。
[0034]“表面添加剂”是指赋予一种或多种化学和/或物理(例如，机械性)性质在薄片表面上的造纸添加剂。例如，薄片可以为纸张、纸巾、纸板、或者通过造纸工艺制造的任何其他类型的薄片。例如，赋予的化学性质使得“油墨”可以更加有效的方式结合纸。
[0035]“元件A和/或元件B”表示元件A、或元件B、或元件A和元件B两者存在于给定的情况下。
[0036]尽管本发明容许各种形式的实施方案，但是在理解本公开考虑到本发明的例证、而不是旨在限制本发明为示出的具体实施方案下，在附图中显示以及在下文处描述多个目前优选的实施方案。
[0037]应当进一步理解，本说明书的该部分的标题，即“发明详述”涉及美国专利局的要求，并不是暗示、也不应当推测限制本文公开的主题。
[0038]如上所讨论，测定淀粉浓度的一种方法采用荧光示踪。本方法包括在将表面添加剂化合物加入薄片之前测定它的荧光，然后测定薄片的荧光。多种变量能够影响测定值的准确度和/或精确度。这些变量包括薄片颤幅、薄片温度、和在化合物中示踪剂与淀粉的比率。薄片颤抖能够导致在使用荧光示踪技术测定涂层厚度中的误差。在薄片温度中差异也能够导致荧光强度差异。
[0039]造纸商应当知道的关键参数是在表面添加剂中示踪剂与淀粉的比率。因为淀粉和示踪剂流体通常彼此独立以及能够改变，所以在造纸工艺中比率可在未知情况下改变。
[0040]优选的实施方案:
[0041]如上所述，通过基于荧光的方案来追踪加入造纸工艺的一种或多种表面添加剂。这要求暴露于荧光的介质适合于荧光测定，例如，激发涂层的全部膜厚以及收集它的发射光。本领域普通技术人员在没有过量试验下能够测定它。
[0042]荧光方案包括以下步骤:(I) 一种或多种表面添加剂能够自身发荧光和/或经例如使用荧光部分或通过与系统中分子反应或者通过除了本身性质之外的其他方式改变发荧光；(2)与表面添加剂以已知比例加入一种或多种惰性荧光示踪剂；或者(3)其组合。
[0043]当表面添加剂能够发荧光时，例如，通过校准荧光强度与表面添加剂的浓度和/或包含表面添加剂的涂层的厚度，能够直接使荧光与在涂层中表面添加剂的浓度/包含表面添加剂的涂层的厚度相关联。本领域普通技术人员在没有过量试验下能够进行该步骤。
[0044]在一个实施方案中，表面添加剂本身发突光。
[0045]在另一实施方案中，荧光部分能够共价连接非荧光表面添加剂。因此，功能化表面添加剂具有荧光性质。
[0046]当涉及惰性荧光示踪剂时，与表面添加剂以已知比例加入惰性荧光示踪剂。例如通过校准荧光轻度与在薄片上涂层中添加剂的浓度和/或在薄片上包含添加剂的涂层的厚度，由惰性荧光示踪剂的荧光能够推测表面添加剂的量或者包含表面添加剂的涂层的厚度。本领域普通技术人员在没有过量试验下能够进行该步骤。
[0047]在一个实施方案中，可将惰性荧光示踪剂以具体已知浓度加入涂层配制物，使得通过测定惰性荧光示踪剂的浓度，能够推测在薄片上涂层或者在薄片上涂层中表面添加剂的量。
[0048]也能够监控表面添加剂和惰性荧光示踪剂，该表面添加剂发荧光。通过校准荧光强度与在薄片上涂层中添加剂的浓度和/或在薄片上包含添加剂的涂层的厚度，由惰性荧光示踪剂的荧光和表面添加剂的荧光能够推测在薄片上涂层或者在薄片上涂层中表面添加剂的量。本领域普通技术人员在没有过量试验下能够进行该步骤。
[0049]一种或多种惰性荧光示踪剂的各种类型均可用于本发明。
[0050]本领域普通技术人员知道何为惰性荧光示踪剂。
[0051]在一个实施方案中，惰性荧光示踪剂是物质，其与在造纸工艺中任何组分化学上不反应，并且它自身不会随着时间降解。在所有相关浓度水平下它完全溶于系统中。其荧光强度总是/基本上与它的浓度成比例，并且不会由系统猝灭或消失。
[0052]在另一实施方案中，惰性荧光示踪剂是不受在造纸工艺中任何其他化学物质明显或显著影响的惰性荧光示踪剂。为了定量所谓“不明显或显著影响”的意思，该陈述表示在造纸工艺中通常遇到的情况下惰性荧光化合物在荧光信号中没有超过10%改变。在造纸工艺中通常遇到的情况为造纸工艺领域普通技术人员所已知。
[0053]在另一实施方案中，惰性荧光示踪剂的所需特性优选包括:高水溶性、极好化学稳定性、在可掌控波长处良好荧光性质(例如，不会被在薄片/纸张/纸板组分中其他添加剂猝灭)，以及在常见光学光亮剂存在下例如在光学抛光剂的波长外能够对其进行监控，从而预防在光学抛光剂和惰性荧光示踪剂之间的干扰。
[0054]在另一实施方案中，惰性荧光示踪剂是经FDA批准的示踪剂，其需要例如食品包装。
[0055]在一个实施方案中，一种或多种惰性荧光示踪剂选自以下至少一种:荧光素或荧光素衍生物、罗丹明或罗丹明衍生物、萘的磺酸盐、芘的磺酸盐、芪的磺酸盐、联苯的磺酸盐、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、维生素A(视黄醇)、维生素B2(核黄素)、维生素B6(吡哆醇)、维生素E(α-生育酚)、NADH、ATP、乙氧喹、咖啡碱、香草醛、萘磺酸盐甲醛缩合物、苯基磺酸盐甲醛缩合物、木质素磺酸盐、包含以下部分至少一者的聚合物:萘磺酸盐、芘磺酸盐、联苯磺酸盐、或芪磺酸盐。
[0056]取决于造纸工艺，惰性荧光示踪剂的最优浓度可改变。本领域普通技术人员能够在没有过量试验下测定惰性荧光示踪剂的量。优选地，例如，在淀粉的情况下，较高浓度的惰性荧光示踪剂比较低浓度的惰性荧光示踪剂更好地作用。
[0057]当测定纸张或固体表面时，利用的荧光计应当为基于反射率的荧光计，这是由于需要测定施加至不透明薄片的表面上的薄涂层的厚度。可利用一种或多种荧光剂。
[0058]基于反射率的突光计可由Nalco Company或Ocean Optics, Dunedin, FL获得。
[0059]在图1中给定基于反射率的荧光计的一个实施方案的图。反射率荧光计使用光纤以在薄片上激发示踪剂以及监控它反射的荧光。合适的光源(例如LED、氙闪光灯或放电灯)提供激发光。通过合适的激发滤光片(由Semrock, Inc./Andover, Inc.可得到)过滤原始光源以去除在荧光发射区中非所需的波长。将光线以90度反射，另外通过二向色滤光片过滤以得到沿着不同方向的新光束。通过合适的透镜将光束聚焦至光纤电缆的核心。将光纤的其他端定位紧邻或接触纸张的表面以照亮导致荧光发射的它表面的区域。通过相同纤维捕集发射，该纤维承载反射光至透镜，在此它对准和导向返回至二向色滤光片上。将反射的激发光反射回光源，而荧光直接通过发射滤光片。合适的光检测器(例如光电二极管或光电倍增管)检测过滤的光。任选的参考检测器能够用于校正不同光源强度。
[0060]基于反射率的荧光计的其他设计对于本领域普通技术人员显而易见。
[0061]可利用其他类型的荧光计，特别是在测定非固体表面的荧光的情况下。
[0062]在一个实施方案中，当在薄片形成之前测定造纸工艺的湿部时或者当测定在设备中表面添加剂的水性组合物的荧光时，可使用手持式或台式荧光计，其中将样品收集以及放入的吸收池内，该吸收池插入荧光计内。可选择地，可使用基于光纤的手持式或台式荧光计，其中将探针浸入收集的样品中用于荧光读数。
[0063]在另一实施方案中，当在薄片形成之前测定造纸工艺的湿部时或者当测定在设备中表面添加剂的水性组合物的荧光时，可使用联机荧光计，其中样品流过合适的流动池，其中能够连续测定样品荧光。可选择地，可使用基于光纤的联机荧光计，其中将探针安装使得将它浸入样品中或者安装在流动池中用于荧光测定。
[0064]在本发明中可利用各种类型的表面添加剂。
[0065]在一个实施方案中，表面添加剂选自以下至少一者:淀粉、颜料、胶结剂、增塑剂、和其他添加剂以改善纸张/纸板薄片的物理性质，其包括表面强度、亮度、可印刷性、抗水性、或与后续涂层的粘附。
[0066]在另一实施方案中，表面添加剂包含共价结合的荧光部分。
[0067]在另一实施方案中，淀粉包含共价结合的荧光部分。
[0068]可将表面添加剂在造纸工艺中各阶段下加入。
[0069]在一个实施方案中，在造纸工艺的形成部分和造纸工艺的压榨部分之间加入表面添加剂。
[0070]在另一实施方案中，在造纸工艺的湿部处加入表面添加剂。
[0071]在另一实施方案中，在水室和纸张之间或者在水室和纸张处将表面添加剂加入造纸工艺。
[0072]在造纸工艺中在各点处可测定薄片的荧光。
[0073]在一个实施方案中,在压榨部分之后在一些点处测定突光。
[0074]在另一实施方案中，在造纸工艺的干燥部分之后测定荧光。
[0075]在另一实施方案中，在形成部分中干燥线之后测定荧光。
[0076]在另一实施方案中，在接近压榨部分处测定荧光。
[0077]在另一实施方案中，在最终使用之前将纸转化成狭窄网状物或薄片之后，在造纸工艺中测定荧光。
[0078]在另一实施方案中，在造纸工艺的干燥部分之后以及在涂敷部分之前，测定包含共价结合的荧光部分的荧光和/或与淀粉以已知比例加入的惰性荧光示踪剂的荧光。
[0079]在另一实施方案中，在造纸工艺的涂敷部分之后测定表面添加剂的荧光和/或与所述表面添加剂以已知比例加入的惰性荧光示踪剂的荧光。
[0080]在固定点(一个点)处(例如，在机器方向中测定)或者在多个点处(例如，以相对于纸张运行方向交叉方向的方式在薄片内扫描多个点处)可测定荧光。可以各种方式利用反射率荧光计以进行该任务。本领域普通技术人员理解进行该任务的各种方式。[0081 ] 在一个实施方案中，在一个点或多个点处测定荧光。
[0082]在另一实施方案中,可配置突光计以测定例如位于固定点处的机器方向。
[0083]在另一实施方案中，类似于其他薄片监控仪器的方法，例如亮度或纸张定量探针，通过以相对于在所述造纸工艺中所述薄片的方向交叉方向的方式扫描荧光计来进行多个点的测定。
[0084]在另一实施方案中，配置荧光计，使得能够进行联机测定。
[0085]可利用控制器以完成以上参考的方案。
[0086]一个或多个控制器与荧光计通讯以及使用算法程序化控制器以收集所述荧光测定值、使在薄片上表面添加剂(当它们能够发荧光时)和/或惰性荧光示踪剂的荧光的量与在薄片上的涂层中表面添加剂的浓度和/或在薄片上涂层的厚度相关；以及对应于与预测的方案相一致的在薄片上涂层厚度和/或在薄片上的涂层中表面添加剂的浓度来任选地调节加入造纸工艺的表面添加剂的量。
[0087]对应于在薄片上涂层厚度和/或在薄片上的涂层中表面添加剂的浓度来调节加入造纸工艺的表面添加剂的量能够以各种方式进行。
[0088]如上所示，控制器能够实施该应答或者能够通过造纸工艺操作者手动进行。
[0089]通过各种方式能够进行调节。
[0090]在一个实施方案中，通过使用喷杆能够进行调节，其中能够调节将表面添加剂加入纸张的填充速率。
[0091]在另一实施方案中，基于通过以相对于与在所述造纸工艺中所述薄片的方向交叉方向方式扫描荧光剂的荧光读数能够在薄片内多个区域中独立地调节添加剂填充速率。
[0092]在另一实施方案中，能够调节造纸工艺参数，例如通过造纸机器的薄片速度、和/或薄片湿度。
[0093]在另一实施方案中，对应于在薄片上涂层厚度和/或在薄片上的涂层中表面添加剂的浓度能够调节计量施胶压榨的设置值，从而维持所需厚度或者最大化产出吨数速率或者最小化使用的添加剂或能量。
[0094]在另一实施方案中，通过一种或多种机器将表面添加剂加入薄片上:喷淋系统、辊式涂敷设备、刮板式涂敷设备、流延式涂敷设备、棒式涂敷设备、气刀刮涂设备、帘式涂敷设备、柔版涂敷设备(flexo coater)、槽棍涂敷设备(gravure coater)、和网式涂敷设备。
[0095]在另一实施方案中，设备也可包括在造纸工艺中造纸机器的一或多部分，其中表面添加剂与造纸工艺中薄片相接触。
[0096]在另一实施方案中，对应于通过手持式、台式、联机荧光计、或其组合的设备由一种或多种样品得到的荧光测定值能够调节在设备中表面添加剂的浓度。
[0097]至于测定用于保持或填充水性组合物至造纸工艺内的设备，设备可具有本领域普通技术人员已知的各种种类。尤其，设备也可包括造纸机器的部件，其中表面添加剂接触薄片。
[0098]在一个实施方案中，上述设备是保持一种或多种化学物质的化学进料装置或接受器。
[0099]在进一步的实施方案中，化学物质是表面添加剂。至于待填充至方法内的化学物质的类型，它们能够具有各种类型，其包括但不限于上述的那些。[0100]在一实施方案中，设备使用两类荧光计以监控至少一种表面添加剂:一种测定薄片的荧光以及另一种测定包含至少一种表面添加剂的组合物的荧光。可使组合物荧光计与折射计、温度传感器或两者耦合。
[0101]在一实施方案中，薄片荧光计包括位移传感器以测定和校正薄片颤抖。位移传感器可采用激光位移传感器的形式。薄片荧光计可使用二向色分光镜以由荧光强度从发散光中分离激发光。
[0102]在一实施方案中，荧光计一者或两者使用固态光源以激发荧光。固态光源可包括LED灯。至少薄片荧光计测定值的优选波长为约280nm。
[0103]参照图3，各图显示可用于实施本发明的薄片荧光计(I)的实施方案。荧光计包括荧光检测器(10)、发射滤光片(12)、参考检测器(14)、紫外线光源(18)、透镜(16)、激发滤光片(22)、参考反射器(24)、和二向色镜(28)。紫外线光源(18)可以为无窗的LED。
[0104]参照图4，显示薄片荧光计(I)的操作的典型周期的示意图。紫外线光源(18)发射光线(80),其通过透镜(16)。透镜(16)将光线(80)聚成聚焦光束(50)。一部分聚焦光束(50)通过参考反射器(24)反射，以及成为参考光束(70)。当比较聚焦光束(50)的尺寸时，参考反射器(24)应当相对小，参考反射器(24)优选为具有0.02至0.1英寸的直径的圆形。参考光束(70)通过参考反射器(24)的相类似截面形状和尺寸的孔，优选相同截面形状和尺寸，以及至参考检测器(14)内。聚焦光束的另一名称为激发光束。
[0105]聚焦光束(50)通过激发滤光片(22)和由二向色镜(28)反射，通过光束窗(26)以及至纸张(99)上。来自纸张(99)的光发荧光(90)和由纸张(99)反射(60)，并返回通过光束窗(26)。荧光束(90)通过二向色镜(28)和发射滤光片(12)，然后至荧光检测器(10)内。反射光束(60)由纸张(99)反射，再次由二向色镜(28)反射，从而使得反射光束不进入荧光检测器(10)。
[0106]图5显示薄片荧光计(101)的可替代实施方案的仰视图。除了在图3和图4中显示的标准实施方案之外，可替代实施方案包括位移传感器(107)和非接触式温度传感器
(104)、和光束窗(126)以及参考反射器(124)。非接触式温度传感器(104)提供方便地测定温度的能力，这对于用户有价值。非接触式温度传感器(104)可以为红外线温度传感器。位移传感器(107)提供测定荧光计(I)与纸张(99)的距离的方便方法。
[0107]参照图6，显示薄片荧光计设备(100)的操作的典型周期的示意图，其包括薄片荧光计(101)、非接触式温度传感器(104)、和位移传感器(107)。紫外线光源(118)发射光线(未编号)，其通过透镜(未显不)。透镜聚焦光线至聚焦光束(150)内。一部分聚焦光束
(150)通过参考反射器(124)反射以及成为参考光束(170)。参考光束(170)进入参考检测器(114)内。聚焦光束的另一名称为激发光束。
[0108]聚焦光束(150)通过激发滤光片(在图3和4中显示)和由二向色镜(在图3和4中显示)反射，其通过光束窗(126)、孔(162)，以及至纸张(99)上。来自纸张(99)的光发荧光(190)和由纸张(99)反射以及返回通过孔(162)和光束窗(126)。荧光束(190)通过二向色镜(在图3和4中显示)以及发射滤光片(在图3和4中显示)，然后至荧光检测器
(110)内。当非接触式温度传感器(104)采取红外线温度传感器的形式时，非接触式温度传感器(104)测定由纸张(99)发射的红外光(106)。位移传感器(107)测定位移传感器(107)与纸张(99)的距离。距离对应于颤幅，其能够在任意一次时间或者变化时间内测定，所有这些并入术语“颤抖”、“薄片颤抖”、和“颤幅”的意思内。
[0109]构成设备的附件可操作连接控制系统(185)。此外，显示任选的校准按钮(175)。本领域技术人员容易理解，控制系统(185)能够单独地用于单一荧光计设备(100)、或者可以在多个荧光计(101)和任意数目的本文所述的多种装置之间共享、或者可构成一个或多个操作步骤。
[0110]参照图7，显示液体荧光计设备(200)的实施方案。液体荧光计设备(200)包括荧光计(201)，其以类似于在图3和4中显示的薄片荧光计的方式构造和操作。液体荧光计设备(200)可另外包括光纤设备(226)、吹扫空气入口(292)、吹扫空气出口(294)、和校准按钮(275)。光纤设备(226)的末端(在图9中更详细所示)通常可操作定位，从而使末端至少接触组合物(299)。
[0111]参照图8，显示液体荧光计(201)的实施方案。以类似于在图3和4中显示的薄片荧光计的方式构造和操作液体荧光计(201)。荧光计包括荧光检测器(210)、发射滤光片
(212)、参考检测器(214)、紫外线光源(218)、聚焦透镜(216)、激发滤光片(222)、和参考反射器(224)。替代并入二向色镜，液体荧光计(201)可使用准直透镜(228)。液体荧光计
(201)此外采用光纤设备(图7，标号226)，显示起动支柱(227)和接收支柱(229)。紫外线光源(218)可以为无窗的LED。
[0112]参照图9,显示光纤设备226的实施方案的详细示意图,其包括起动支柱(227)、接收支柱(229)、和末端(233)。末端(233)通常可操作定位，使得末端(233)至少接触组合物(图7，标号299)。
[0113]参照图10，显示安装至折射计(301)上的光纤设备(226)的实施方案。组合物流动通过取样管线(340)至折射计(301)内，通过光纤设备(226)的末端(233)和任选的温度传感器(315)。任选的温度传感器(315)可以为RTD。图10的实施方案也显示校准液进样口(330)。
[0114]图11和12显示荧光强度测定值的曲线示图，该荧光强度测定值为原始值以及经薄片温度(图11)和薄片颤幅(图12)校正。
[0115]在一实施方案中，在孔(162)中提供气流。这些流体有助于预防碎片和在孔中由主体缩合。能够挤压气体通过涡流冷却器以帮助维持恒定的荧光计内部温度。气体可以为空气。
[0116]在一实施方案中，采用具有峰值检测集成的脉冲方式电子设备的技术用于保持LED冷却。此外，技术使得强度更高以及增加检测信号至噪音，如与其他技术相比使得可更好抵制环境光线。
[0117]在一实施方案中，将非接触式温度传感器并入测定装置内。非接触式温度传感器可以为红外线温度传感器。非接触式温度传感器(104)可操作连接荧光计设备(100)，从而使得非接触式温度传感器(104)可测定薄片温度。测定的薄片温度可用于校正薄片温度对荧光强度的作用。
[0118]在一实施方案中，在造纸工艺中测定至少一种表面添加剂的方法测定当将组合物递送至施胶压榨时在组合物中荧光示踪剂浓度。使用光纤荧光计可进行在组合物流体中荧光示踪剂浓度的测定。组合物包含至少一种表面添加剂以及如果必要，其包括荧光示踪剂。至少一种表面添加剂可以为淀粉化合物。如果至少一种表面添加剂不发荧光，则荧光示踪剂为必要的。
[0119]在一实施方案中，表面添加剂可由至少一种淀粉组成。通过折射计法可测定淀粉固体浓度。使用荧光计可测定荧光示踪剂，优选并入使用光纤设备。也可测定淀粉温度。淀粉折射计法和温度的测定使得可准确计算在淀粉流体中示踪剂与淀粉的比率。在淀粉流体中示踪剂与淀粉的比率以及测定的薄片荧光使得可准确计算在造纸工艺中应用的淀粉的量。
[0120]在一实施方案中，在淀粉体系中测定的示踪剂浓度提供用于控制在反馈控制系统中示踪剂进料泵的输入。在优选的实施方案中，无论可出现任何系统干扰，反馈控制维持在所需浓度下示踪剂与淀粉的比率。
[0121]荧光计设备或者荧光计设备的任何组件(例如，荧光计、温度传感器、位移传感器等)可提供至造纸工艺内的输入。输入可提供使得可进行造纸工艺和/或加入待控制的至少一种添加剂的信息。在这些情况下，使输入与通过荧光计设备或者荧光计设备的任意组件测定的至少一个值相关联。术语“薄片荧光计”、“薄片荧光计设备”、“液体荧光计”、和“液体荧光计设备”完全用于彼此区分设备的零件。
[0122]以下例子并不是限制性。
实施例
[0123]方案
[0124]按照标准测试方案来进行涂层重量或涂层厚度测试。将包含各种量的涂层固体的多种涂层溶液施加至测试样品薄片的表面。优选地，所有溶液的固体含量和惰性荧光示踪剂比率保持恒定。在涂层施加中使用各种涂层技术能够改变在各样品薄片上涂层总量。在干燥之后，通过重量差异来测定干燥涂层重量、或者吸收量。在涂层施加之前后称重所有单个样品薄片，并通过重量差异来计算干燥涂层重量。在给定样品薄片的多个位置处测定干燥淀粉膜的荧光强度。然后将一系列荧光强度平均以得到各样品薄片的单一荧光强度值。两个不同荧光计用于测定各样品薄片的荧光强度。
[0125]实施例1
[0126]按照使用包含增加淀粉固体但保持淀粉和惰性荧光示踪剂比率恒定的三种淀粉溶液的上述方案来进行测试。各测试的基材为非涂敷的21-点纸板薄片。通过手动施加方法将各溶液以四种不同厚度施加至单独的样品薄片上。将未包含惰性荧光示踪剂的第四种淀粉溶液也施加至一系列样品板上，从而用于比较追踪的溶液。在该试验中使用的空白对照未未涂敷的样品薄片。
[0127]图2显示针对荧光强度(以任意单位表示-相对荧光单位("RFU"))绘制的淀粉干燥涂层厚度(吸收量，以g/m2表示)。各点对应于单个样品板。图2显示落在沿着绘图区域对角线的线上测定的全部系列样品的测定的荧光强度。在所有点上的线性回归非常清晰地显示如通过荧光强度测定的在淀粉干燥吸收和存在于激光的惰性荧光示踪剂的量之间直接和可靠的相关性。趋势线具有非常接近零的y_截断以及R2-因子大于0.96。在少数情况下，一个点显著偏离直线。使用两个单独的荧光计观察到相同杂散的点，这表明它是样品薄片的性质，不是与仪器相关的误差。这些点可能是由于在纸网状物上淀粉激光的缺陷导致。该数据证实使用所要求的本发明的方法能够检测涂层缺陷。[0128]无论该公开的文本内是否具体指出，本文引用的所有专利均通过引用方式并入本文中。
[0129]在本公开中，措辞“一个”或“一种”可认为包括单数和复数。相应地，在合适处，凡提及复数事项应当包括单数。此外，术语“第一次”、“第二次”、“第三次”等仅用于区分不同步骤，除非这些步骤对于进行方法为必须，并不一定表示一系列步骤的顺序。
[0130]由上，据观察，在未违背本发明的新颖概念的实际精神和范围下能够实现多种修改和变化。理解，不旨在或者推测受到示出的具体实施方案或例子的限制。本公开旨在通过所附权利要求涵盖落入权利要求范围内的所有这些修订形式。
【权利要求】
1.一种荧光监控和任选地控制加入至少一种表面添加剂至造纸工艺的方法，所述造纸工艺包括形成薄片，所述薄片具有温度和颤幅，所述方法包括以下步骤: 在将组合物加入所述造纸工艺之前第一次测定所述组合物的荧光，所述组合物包含一定浓度的所述至少一种表面添加剂； 在形成所述薄片之后加入已知量的所述组合物至所述造纸工艺； 第二次测定所述薄片的荧光，使用荧光计设备进行所述第二次测定，所述荧光计设备包括荧光计、非接触式温度传感器、和任选的位移传感器，所述荧光计包括二向色镜和至少两台荧光检测器； 使用所述非接触式温度传感器第三次测定所述薄片的温度； 使用所述位移传感器任选地第四次测定所述颤幅； 使用所述经测定的薄片温度来校正所述第二次测定； 首先使所述组合物的所述经测定的荧光与在所述组合物中所述至少一种表面添加剂的浓度相关联； 其次使所述薄片的所述经校正的测定荧光与在所述组合物中所述至少一种表面添加剂的浓度相关联； 基于任意测定值任选 地控制至少一部分所述造纸工艺和/或所述至少一种表面添加剂的加入；其中 如果所述至少一种表面添加剂不能够发荧光，则所述组合物进一步包含惰性荧光示踪剂，所述惰性荧光示踪剂与已知量的所述至少一种表面添加剂以已知比例存在于所述组合物中。
2.一种荧光监控和任选地控制加入至少一种表面添加剂至造纸工艺的方法，所述造纸工艺包括形成薄片，所述薄片具有温度和颤幅，所述方法包括以下步骤: 在将组合物加入所述造纸工艺之前第一次测定所述组合物的荧光，所述组合物包含一定浓度的所述至少一种表面添加剂，所述荧光对应于在所述组合物中所述至少一种表面添加剂的浓度； 在形成所述薄片之后加入已知量的所述组合物至所述造纸工艺； 第二次测定所述薄片的荧光，使用荧光计设备进行所述第二次测定，所述荧光计设备包括荧光计、非接触式温度传感器、和位移传感器，所述荧光计包括二向色镜和至少两台荧光检测器； 使用所述非接触式温度传感器第三次测定所述薄片的温度； 使用所述位移传感器第四次测定所述颤幅； 使用在所述第三次测定和/或所述第四次测定的差异值来校正所述第二次测定；首先使所述组合物的所述经测定的荧光与在所述组合物中所述至少一种表面添加剂的浓度相关联； 其次使所述薄片的所述经校正的测定荧光与在所述组合物中所述至少一种表面添加剂的浓度相关联； 使用由所述第一次关联和所述第二次关联中获得的数值来测定在所述薄片上所述组合物的涂层厚度；以及 基于任意测定值任选地控制至少一部分所述造纸工艺和/或所述至少一种表面添加剂的加入；其中 如果所述至少一种表面添加剂不能够发荧光，则所述组合物进一步包含惰性荧光示踪剂，所述惰性荧光示踪剂与已知量的所述至少一种表面添加剂以已知比例存在于所述组合物中。
3.一种监控和任选地控制加入至少一种表面添加剂至造纸工艺的设备，所述造纸工艺包括薄片，所述薄片具有温度和颤幅，所述设备包括: 荧光计； 温度传感器；以及 位移传感器；其中 所述荧光计包括紫外线光源、荧光检测器、参考检测器、参考反射器、二向色镜、和任选的电子控制单元，其中将所述紫外线光源可操作定位以发射紫外光至所述二向色镜和所述参考反射器上； 一部分所述紫外光通过所述参考反射器反射至所述参考检测器，以及另一部分通过所述二向色镜反射至所述薄片上； 所述荧光检测器测定由所述薄片发射出的荧光，所述发射出的荧光通过所述二向色镜以及至所述荧光检测器内； 所述温度传感器是非接触式温度传感器以及将其可操作定位以测定所述薄片的温度；以及 将所述位移传感器可操作定位以测定所述薄片的所述颤幅。
4.权利要求3所述的设备，其中所述温度传感器是红外线温度传感器。
5.权利要求3所述的设备，其中所述设备提供至所述造纸工艺内的输入，所述输入控制至少一部分的所述造纸工艺，所述输入与以下数值的至少一者相关联:经检测的荧光、经测定的所述薄片的温度、和经测定的所述薄片的颤幅。
6.权利要求3所述的设备，其中所述设备包括第二荧光计，所述第二荧光计包括光纤设备。
7.权利要求1所述的方法，其中通过以下机械的至少一者将所述组合物加入至所述薄片上:喷淋系统、辊式涂敷设备、刮板式涂敷设备、流延式涂敷设备、棒式涂敷设备、气刀刮涂设备、帘式涂敷设备、柔版涂敷设备、槽辊涂敷设备、和网式涂敷设备。
8.权利要求2所述的方法，其中通过以下机械的至少一者将所述组合物加入至所述薄片上:喷淋系统、辊式涂敷设备、刮板式涂敷设备、流延式涂敷设备、棒式涂敷设备、气刀刮涂设备、帘式涂敷设备、柔版涂敷设备、槽辊涂敷设备、和网式涂敷设备。
9.权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括基于所述第二次关联来测定在所述薄片上所述组合物的涂层厚度的步骤。
10.权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括第五次测定所述组合物的温度的步骤。
11.权利要求2所述的方法，其中所述方法进一步包括第五次测定所述组合物的温度的步骤。
12.权利要求1所述的方法，其中使用包括光纤设备的荧光计来进行所述第一次测定。
13.权利要求2所述的方法，其中使用包括光纤设备的荧光计来进行所述第一次测定。
14.权利要求12所述的方法，其中另外使用折射计进行所述第一次测定。
15.权利要求13所述的方法，其`中另外使用折射计进行所述第一次测定。
【文档编号】G01N21/64GK103764911SQ201280042679
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年9月20日 优先权日:2011年9月23日
【发明者】R·H·班克斯, 张志毅, J·L·托马斯 申请人:纳尔科公司