摘要：本文就近紅外光技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和制漿造紙工業(yè)發(fā)展的需要，介紹了近紅外光譜技術(shù)在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：近紅外光譜；制漿造紙

1近紅外光譜的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，近紅外光譜(Near-Infrared Spectroscopy—NIR)作為迅速崛起的光譜分析技術(shù)在分析測試領(lǐng)域中所起的作用越來越引起人們的關(guān)注。在1997年分析化學(xué)與應(yīng)用光譜學(xué)匹茲堡會議(Pittcon’97)上，關(guān)于近紅外光譜方面的文章有178篇，NIR反射光譜仍然是這次會議的重要話題。由此可見，由于在樣品分析時基本不需處理，且不破壞和消耗樣品，自身又無環(huán)境污染，所以近紅外光譜作為一種快速分析測試儀器|儀表正在被越來越多的分析工作者認識和使用，同時也受到工業(yè)控制領(lǐng)域的關(guān)注。在1998年分析化學(xué)與應(yīng)用光譜學(xué)匹茲堡會議(Pittcon’98)上，推出的聲光可調(diào)濾光片(AOTF)和近紅外探頭已成功地用于近紅外在線過程監(jiān)控儀器中，用以監(jiān)測聚合物粘度、酸數(shù)、添加劑、聚合度等。進入90年代以來，NIR作為一門現(xiàn)代測試技術(shù)已基本成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴大，從最初的食品行業(yè)，迅速滲透到石油、化工、環(huán)境和生化等行業(yè)，在工藝控制、產(chǎn)品質(zhì)量分析檢測方面發(fā)揮了突出的作用，并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益，在過程控制方面獲得了廣泛的成功。

2近紅外光譜技術(shù)在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用

目前世界范圍內(nèi)漿和紙的產(chǎn)量和質(zhì)量正不斷增長，若僅僅依靠提供優(yōu)質(zhì)的纖維原料和改進制漿造紙工藝來促進生產(chǎn)是不夠的，還必須研制和使用一些新型的過程分析儀器和傳感器。隨著近紅外光譜技術(shù)和光譜數(shù)據(jù)處理軟件的進展，為開發(fā)新型的過程分析儀器提供了新的途徑。下面介紹的NIR在制漿造紙過程中的應(yīng)用，雖然絕大部分應(yīng)用情況目前仍然局限于實驗室內(nèi)，但將來的發(fā)展趨勢必定為現(xiàn)場分析和測控，實現(xiàn)從實驗室走向生產(chǎn)現(xiàn)場的轉(zhuǎn)變。

2.1檢測紙頁涂料中的水分含量

在400～1100nm的范圍內(nèi)，采用透過模式，分析涂料混合物中的水分含量。雖然，由于涂料中懸浮顆粒的存在使測量的重現(xiàn)性受影響，但是對于連續(xù)流動的涂料，卻可以避免這個問題，從而實現(xiàn)在線測量。

2.2確定紙漿中針葉木的含量

在1100～2500nm的范圍內(nèi)，采用反射模式，取兩個樣品分別用于校準實驗室測量值和在線測量值。雖然在線測量值的誤差比預(yù)期的要大，但是測量結(jié)果仍然表明NIR可以用于確定紙漿中的針葉木含量。

2.3測量混合木漿的卡伯值

采用反射模式，取27個樣品在2180nm處用于標定曲線，9個樣品作為測試集，測量誤差為5.6%。雖然測量結(jié)果表明NIR可能用于測量混合木漿的卡伯值，但是測量誤差能否被工業(yè)過程所接受，還有待考究。

2.4測量蒸煮鍋噴放管線中紙漿的Kno(卡伯值的對數(shù))

在1100～2500nm的范圍內(nèi)，采用反射模式，測量紙漿的Kno。在1672nm處進行一元線性回歸，測量誤差為1.0%；由于波長波動的影響，再引入1436nm進行多元線性回歸，使測量誤差下降為0.5%。

2.5測量紙頁的水分和紙板的重量

采用反射模式，利用水在1940nm處的特征吸收測量紙頁中的水分；紙板重量的變化在2100～2500nm的范圍內(nèi)表現(xiàn)明顯，在2346nm處進行一元線性回歸。結(jié)果表明，NIR對紙頁的水分和紙板的重量均很敏感。由于樣品本身的不均勻性，所以測量掃描時樣品的面積應(yīng)該較大，以取平均值。

2.6監(jiān)測紙頁的樹脂層

采用反射模式，在1100～2500nm的范圍內(nèi)分析樣品，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于未經(jīng)涂布的紙在1688nm、1766nm和2160nm無特征吸收，所以可以避開紙頁的影響。在2160nm標定曲線，誤差為0.7%。

2.7監(jiān)測紙漿棉短絨混合物的卡伯值

采用反射模式，在1100～2500nm的范圍內(nèi)分析樣品，在1680nm進行一元線性回歸，誤差為1.2個卡伯值，標定的有效范圍為3.4～33.9個卡伯值。此結(jié)果對干、濕紙漿棉短絨混合物均適用。

2.8檢測薄頁紙上的聚硅酮層含量

對8個聚硅酮濃度為0.69%～5.67%的薄紙頁樣品在1100～2500nm的范圍內(nèi)進行掃描，在1744nm進行一元線性回歸，誤差為0.2%。

2.9檢測木纖維中的蠟和苯酚樹脂含量

采用反射模式，在1100～2500nm的范圍內(nèi)，分別對蠟的濃度為0.3%～2.4%的木纖維樣品和苯酚樹脂的濃度為1.3%～4.3%的木纖維樣品進行掃描。在2158nm處標定苯酚樹脂，誤差為0.4%；在1728nm處標定蠟，誤差為0.1%。

2.10檢測干木漿中的木素含量

采用反射模式，在1100～2500nm的范圍內(nèi)，對木素濃度為5.7%～33.6%的木漿進行掃描。在2172nm和1556nm處進行多元線性回歸，誤差為1%。

2.11檢測木纖維中的蠟和苯酚甲醛樹脂含量

采用反射模式，在1100～2500nm的范圍內(nèi)，掃描木纖維、純蠟、經(jīng)冷凍干燥的苯酚甲醛樹脂及含有蠟和苯酚甲醛樹脂的木纖維，發(fā)現(xiàn)纖維中的蠟在2250nm、2310nm和1725nm均有特征吸收，而樹脂則在1980nm處有特征吸收。

2.12檢測絨毛漿中的吸水劑含量

采用反射模式，在1100～2500nm的范圍內(nèi)，對吸水劑濃度為0.00%～44.9%的絨毛漿樣品進行掃描，在1752nm處標定，誤差為6%。

2.13檢測涂布紙的涂布層

在1100～2500nm的范圍內(nèi)，對涂料濃度為0～12%的涂布紙，利用光纖測量NIR反射光譜，在2316nm處標定，誤差為0.1%。但是還不能排除紙頁中無機物的影響。

3展望

由上述可見，近紅外光譜在制漿造紙行業(yè)應(yīng)用廣泛，具有很好的應(yīng)用前景。特別是將近紅外光譜用于測定紙漿中木素含量或步伯值，近年來已成為國際上制漿造紙行業(yè)分析測試領(lǐng)域的熱門話題。但是，其中要注意的問題有：(1)對于不同的漿種，必須重新標定曲線和方程；(2)紙漿主要成分是碳水化合物，具有吸濕性，所以在測定其光譜時應(yīng)該在同一周圍環(huán)境下進行，減少水分干擾，從而減少誤差；(3)考慮到紙漿成分的復(fù)雜性，用近紅外光譜進行紙漿的定量分析，可以采用導(dǎo)數(shù)光譜，多特征吸收峰的多元回歸方法，來測定紙漿中的木素含量。

在廣東省自然科學(xué)基金的資助下，作者還在進行用近紅外光譜測量紙漿卡伯值測量機理的研究，以及通過測量蒸煮液中木素含量來預(yù)測紙漿卡伯值的研究。詳細內(nèi)容請見后續(xù)報道。

參考文獻
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