一种基于红外差谱技术的木质素含水率检测方法与流程

本发明可应用在木质素评价领域，它以红外差谱技术为基础测定木质素含水率，具有广泛的应用前景。

背景技术：

作为自然界中第二大天然高分子材料，木质素是极具潜力的可再生资源。木质素应用非常广泛。它既可作为增强剂添加在橡胶和塑料中；又可添加到发泡材料中，提高泡沫的物理性能而；又可与矿粉混合，可提高冶炼回收率；还可加入水泥中，改善混凝土的流动性和抗渗透性，提高混凝土强度和密实性，缩短凝结时间，提高抗压强度。上述应用，均需控制木质素的含水率。因此，测量木质素含水率具有重要的现实意义。

传统烘干法测量木质素含水率时，需要花费大量时间用于烘干。而本发明是利用红外差谱测定木质素含水率，可大幅度减少测量时间。除此之外，基于红外差谱技术的木质素含水率检测方法还具有材料需求量少、测试精度高等优点，适合林业科研人员和林业产业工业化发展的需要。

技术实现要素：

本发明将改进传统烘干法的不足，提供一种检测快速、样品需求少的基于红外差谱技术的木质素含水率检测方法。

本发明提出的技术方案为：

一种基于红外差谱技术的木质素含水率检测方法，包括以下步骤：

1)制备平衡样品：将待测木质素样品放置于恒湿箱中，制得不同湿度下的平衡样品；

2)制备全干样品：将待测木质素样品放入烘箱，先在60℃低温下烘干2小时，之后将温度调至103±2℃，连续烘干8～10h，其间，每隔2h试称一次，至最后两次称重之差不超过0.3％，制得全干样品；

3)传统法测定平衡样品含水率：利用传统烘干法测定步骤1)中不同湿度下平衡样品含水率，首先将这些平衡样品放置在量程不小于200g的天平上称其重量g，然后将样品放入温度为103±2℃的恒温箱中烘干6小时，再取出称重，并做记录，然后再放回烘箱中继续烘干。随后每隔2小时称重一次，直到最后两次称量之差不超过0.3％，记为g0，然后根据y＝(g-g0)/g×100％计算其含水率y；

4)获取红外差谱图：利用红外光谱仪测得步骤2)中全干样品的红外光谱图k0和步骤1)中不同湿度下平衡样品的红外光谱图kw，用不同湿度下平衡样品的红外光谱图kw减去全干样品k0的红外光谱图，得到红外差谱图kw-0；计算在红外差谱图中波数在2900-3700cm^-1之间的面积aw-0；

5)构建红外差谱技术检测木质素含水率的模型：将步骤3)中各个样品的含水率y和步骤4)中面积aw-0利用最小二乘法线性回归得到方程：y＝aaw-0+b，用以计算木质素样品的含水率；方程中y为木质素含水率，aw-0分别为红外差谱图中波数在2900-3700cm^-1之间的面积，a、b为不同木质素样品含水率测定的参数；

6)测定木质素样品含水率：利用步骤5)中所获得的回归方程，批量测定待测木质素样品含水率。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述待测木质素样品为厚度低于10微米，面积大于1平方微米的微量样品。

步骤6)中在获得回归方程之后，批量测定待测木质素样品时单个样品测定只需1s。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的基于红外差谱技术的木质素含水率检测方法，本发明所测木质素样品为厚度低于10微米，面积大于1平方微米的微量样品，大大降低了含水率测定过程中所需样品量。同时，将测定时间缩短为1s，适用于样品的批量检测。该检测方法克服了现有技术测量周期长、测量样品需求量大的不足。

附图说明

图1为本发明建模中所用银杏木质素样品在2900-3700cm^-1范围内红外差谱图。

图2为本发明建模中所用银杏木质素样品所获得的回归方程。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

一种基于红外差谱技术的木质素含水率检测方法，包括以下步骤：

1)制备平衡样品：将待测木质素样品放置于恒湿箱中，制得不同湿度下的平衡样品；

2)制备全干样品：将待测木质素样品放入烘箱，先在60℃低温下烘干2小时，之后将温度调至103±2℃，连续烘干8～10h，其间，每隔2h试称一次，至最后两次称重之差不超过0.3％，制得全干样品；

3)传统法测定平衡样品含水率：利用传统烘干法测定步骤1)中不同湿度下平衡样品含水率，首先将这些平衡样品放置在量程不小于200g的天平上称其重量g，然后将样品放入温度为103±2℃的恒温箱中烘干6小时，再取出称重，并做记录，然后再放回烘箱中继续烘干。随后每隔2小时称重一次，直到最后两次称量之差不超过0.3％，记为g0，然后根据y＝(g-g0)/g×100％计算其含水率y；

4)获取红外差谱图：利用红外光谱仪测得步骤2)中全干样品的红外光谱图k0和步骤1)中不同湿度下平衡样品的红外光谱图kw，用不同湿度下平衡样品的红外光谱图kw减去全干样品k0的红外光谱图，得到红外差谱图kw-0；计算在红外差谱图中波数在2900-3700cm^-1之间的面积aw-0；

5)构建红外差谱技术检测木质素含水率的模型：将步骤3)中各个样品的含水率y和步骤4)中面积aw-0利用最小二乘法线性回归得到方程：y＝aaw-0+b，用以计算木质素样品的含水率；方程中y为木质素含水率，aw-0分别为红外差谱图中波数在2900-3700cm^-1之间的面积，a、b为不同木质素样品含水率测定的参数；

6)测定木质素样品含水率：利用步骤5)中所获得的回归方程，批量测定待测木质素样品含水率。

上述木材样品为微量样品，厚度低于10微米，面积大于1平方微米。

以下以3种不同的木材(银杏木、水曲柳、松木)中提取的木质素含水率检测为例来说明本发明的检测方法：

实施例1

(1)制备平衡样品：利用经典的贝克曼方法，提取银杏木中木质素若干，将待测木质素样品放置于恒湿箱中，制得不同湿度为8％、17％、26％、32％、38％、47％、53％、60％、68％、70％、75％、79％、83％、92％和95％下的平衡样品；

(2)制备全干样品：将待测木质素样品放入烘箱，先在60℃低温下烘干2小时，之后将温度调至103±2℃，连续烘干8～10h，其间，每隔2h试称一次，至最后两次称重之差不超过0.3％，制得全干样品；

(3)传统法测定平衡样品含水率：利用传统烘干法测定步骤(1)中不同湿度下平衡样品含水率，首先将这些平衡样品放置在量程不小于200g的天平上称其重量g，然后将样品放入温度为103±2℃的恒温箱中烘干6小时，再取出称重，并做记录，然后再放回烘箱中继续烘干。随后每隔2小时称重一次，直到最后两次称量之差不超过0.3％，记为g0，然后根据y＝(g-g0)/g×100％计算其含水率y；

(4)获取红外差谱图：利用红外光谱仪测得步骤(2)中全干样品的红外光谱图k0和步骤(1)中不同湿度下平衡样品的红外光谱图k8％，k17％，k26％，k32％，k38％，k47％，k53％，k60％，k68％，k70％，k75％，k79％，k83％，k87％，k92％，k95％，用不同湿度下平衡样品的红外光谱图kw减去全干样品k0的红外光谱图，得到红外差谱图k8％-0，k17％-0，k26％-0，k32％-0，k38％-0，k47％-0，k53％-0，k60％-0，k68％-0，k70％-0，k75％-0，k79％-0，k83％-0，k87％-0，k92％-0，k95％-0，如图1所示，计算在红外差谱图中波数在2900-3700cm^-1之间的面积aw-0；

(5)构建红外差谱技术检测木质素含水率的模型：将步骤(3)中各个样品的含水率y和步骤(4)中面积aw-0利用最小二乘法线性回归得到方程：y＝0.0057aw-0-0.2344，用以计算木质素样品的含水率，方程中y为木质素含水率，aw-0分别为红外差谱图中波数在2900-3700cm^-1之间的面积。

将各个试样的含水率y和红外差谱面积aw-0构建红外差谱技术检测木质素含水率的模型时，模型的相关系数大于0.95，如图2所示，获得了满意的预测精度。随机制得相对湿度为15％的银杏木质素试样，利用上述方法，测得含水率为0.0315，而传统烘干法测得的含水率为0.031，计算相对误差为1.61％，且单个样品耗时仅为1s，说明应用本发明的方法能够快速准确地检测木质素含水率。

实施例2

利用本发明所述方法，对水曲柳木质素含水率进行红外差谱检测，获得回归方程：y＝0.0054aw-0-0.2331。批量检测水曲柳木质素试样时，单个样品耗时仅为1s。随机制得相对湿度为15％的水曲柳木质素试样，利用上述方法，测得含水率为0.0318，而传统烘干法测得的含水率为0.0305，计算相对误差为4.26％。结果说明应用本发明的方法能够快速准确地检测木质素含水率。

实施例3

利用本发明所述方法，对松木木质素试样含水率进行红外差谱检测，获得回归方程：y＝0.0060aw-0-0.2354。批量检测松木木质素试样时，单个样品耗时仅为1s。随机制得相对湿度为15％的松木木质素试样，利用上述方法，测得含水率为0.0324，而传统烘干法测得的含水率为0.032，计算相对误差为1.25％。结果说明应用本发明的方法能够快速准确地检测木质素含水率。