專利名稱：連續(xù)測(cè)定制造纖維板的木纖維流特性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及連續(xù)測(cè)定制造纖維板的木纖維流特性的方法。
通常知道諸如纖維濕度、樹脂含量、光學(xué)特性和纖維特性，諸如碎片和纖維長(zhǎng)度分布之類的特性會(huì)影響纖維成品的質(zhì)量特性。適當(dāng)?shù)?，特別是穩(wěn)定的纖維濕度易于，比如對(duì)板制造受壓面的檢查，并為板上密度分布的有效控制創(chuàng)造了條件。
在板受壓之后，添加在板制造內(nèi)的樹脂硬化了并且同纖維網(wǎng)狀物一起制造出堅(jiān)固的纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)。樹脂的添加可通過在分離纖維工藝后從壓氣機(jī)注入或在烘干階段之后向機(jī)械樹脂混合器注入。樹脂含量對(duì)板成品強(qiáng)度特性，諸如彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，起主要作用。樹脂含量經(jīng)常通過樹脂成品所具有的特別性質(zhì)來調(diào)節(jié)。然而，經(jīng)常配置過量的樹脂以保證質(zhì)量的理想水平，因?yàn)闆]有辦法來準(zhǔn)確控制諸如纖維濕度、纖維長(zhǎng)度分布和密度之類的其它因素，這些因素同樣影響完成的纖維板性質(zhì)。
至今，在達(dá)到纖維板成品的理想特性中，還不了解對(duì)纖維網(wǎng)狀物應(yīng)該以什么方式來規(guī)定纖維特性(諸如纖維長(zhǎng)度分布和碎片)才是最佳。之所以會(huì)這樣的一個(gè)原因是因?yàn)轭A(yù)先不可獲得測(cè)定和表征MDF(中密度纖維板)纖維的任何簡(jiǎn)單的快速測(cè)量方法。但是，現(xiàn)在可用的測(cè)定和表征纖維特性的設(shè)備要借助于圖像分析。然而，這是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，只可在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境中操作，一定不適合制造MDF中的在線測(cè)量。
由于迄今為止，無設(shè)備可用來在纖維板制造過程中連續(xù)在線測(cè)量纖維表征的參數(shù)，研究纖維特性應(yīng)該以什么方式設(shè)計(jì)從而可以理想的方式生產(chǎn)出具有理想特性的纖維成品變得十分困難。這種研究同樣投入在達(dá)到對(duì)分離纖維工藝的理想控制的不斷努力中，從而可獲得理想的纖維特性。
當(dāng)纖維特性被控制時(shí)，對(duì)樹脂的需要可被最小化并且生產(chǎn)成本也可減小。樹脂占了纖維板制造的直接成本的大約三分之一。樹脂涂層，即木纖維上樹脂的分布，也受纖維長(zhǎng)度分布的影響。細(xì)纖維部分需要比較粗纖維更多的樹脂。結(jié)果，當(dāng)使用纖維的纖維長(zhǎng)度分配不合適時(shí)，提高樹脂的含量不會(huì)產(chǎn)生預(yù)期的成品板強(qiáng)度上的增加。
測(cè)定木片成分諸如Klason木纖素，抽取的和全部的碳水化合物的光譜數(shù)據(jù)的多元分析，在下述中有所描述Meder R等人在“對(duì)話信息服務(wù)”(DialogInformation Services)第248卷，PIRA，對(duì)話附錄第00393878/5，PIRA附錄第20017450號(hào)，和Meder.R等人的“Prediction of wood chip and pulp andpaper properties via multivariate analysis of spectral data，”Melbourne，澳大利亞，1994年5月2日到6日，479到484頁。此處，使用了主元件分析(PCA)和主元件回歸(PCR)來分析取自檢測(cè)木片的近紅外光譜(NIR)、傅里葉(Fourier)變換的紅外光譜和核磁共振(NMR)光譜。
WO 97/04299描述了取自諸如鋸屑、刨花和木片之類用于制造切片板的未加工材料的近紅外(NIR)光譜的多元數(shù)據(jù)分析。還描述了控制板制造的測(cè)量值的使用。
本發(fā)明的目的是在光譜數(shù)據(jù)的多元分析基礎(chǔ)上提煉該技術(shù)，從而使它也能夠用于連續(xù)測(cè)定纖維板制造的木纖維的特性，所述的特性對(duì)成品板的特性起決定性作用。
該目的用根據(jù)權(quán)利要求1的方法達(dá)到。
根據(jù)本發(fā)明的方法，纖維長(zhǎng)度分配的連續(xù)測(cè)定顯著地增強(qiáng)了控制制造工藝的能力并優(yōu)化了該工藝的成本，主要通過一直分配所要求的十分恰當(dāng)?shù)臉渲俊４送?，從測(cè)得的纖維的長(zhǎng)度分布連續(xù)反饋到分離纖維工藝對(duì)于控制該工藝也成為可能。對(duì)纖維特性的在線質(zhì)量控制，以及迄今為止在纖維板中纖維的制造過程中不可能的事情，可用該方法實(shí)現(xiàn)。此外，在樹脂涂層纖維的流程中，對(duì)樹脂質(zhì)量的測(cè)定，從反射光譜提供了所分配樹脂的總量、預(yù)先自身可能的測(cè)定以及纖維上樹脂的分布這樣的連續(xù)信息。纖維流中的纖維濕度含量，可用根據(jù)本發(fā)明的方法從反射光譜獲得，它是纖維板制造中的重要參數(shù)。另外，纖維流的亮度/顏色能夠連續(xù)地測(cè)定。纖維流的亮度/顏色也是對(duì)在木片或纖維上進(jìn)行預(yù)熱處理后效果的一種量度，同時(shí)它還提供成品亮度/顏色的信息。
根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)有優(yōu)勢(shì)的實(shí)施例，使用波長(zhǎng)在范圍400-2500nm范圍內(nèi)的光譜。主要是對(duì)兩個(gè)物理過程，即能量吸收和光散射的研究，得出該波長(zhǎng)范圍特別適合測(cè)定所述的纖維流的質(zhì)量特性。近紅光(NIR)光譜基于700到2500nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射。吸收輻射的包含C-H、O-H和N-H鍵的主要有機(jī)物質(zhì)處于該范圍內(nèi)。能量主要激勵(lì)諧波以及旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)狀態(tài)的組合。有機(jī)材料在NIR范圍內(nèi)吸收的能量少于在UV和IR范圍內(nèi)吸收的。結(jié)果，近紅外光更深地進(jìn)入樣本。非均勻物質(zhì)，諸如木纖維，導(dǎo)致了與微粒大小相關(guān)的光散射。這個(gè)特性，加上分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，使表征纖維流中纖維的大小分布，即測(cè)定纖維長(zhǎng)度分布成為可能。
根據(jù)本發(fā)明方法的另外一個(gè)有優(yōu)勢(shì)的實(shí)施例，為纖維流的校準(zhǔn)樣本建立了纖維長(zhǎng)度的參考分布。也使用同一的校準(zhǔn)樣本測(cè)定來自被測(cè)量反射光譜的纖維長(zhǎng)度分布，而且這些長(zhǎng)度在相對(duì)所述參考纖維長(zhǎng)度分布的校準(zhǔn)工序中，用多元統(tǒng)計(jì)回歸的方法模擬，以測(cè)定所述的被測(cè)量的光譜值和纖維長(zhǎng)度分配之間的預(yù)定關(guān)系。參考纖維長(zhǎng)度分布通過標(biāo)準(zhǔn)化的方法適當(dāng)?shù)販y(cè)定。在模擬的方法中，測(cè)定了被測(cè)量的光譜值和樹脂含量、纖維濕度以及光學(xué)特性的參考值之間的預(yù)定關(guān)系，隨后，通過用基耶達(dá)(Kjeldahl)方法測(cè)定氮樹脂的氮含量適當(dāng)?shù)亟⒘藰渲康膮⒖贾?，通過烘干并稱量校準(zhǔn)樣本從而測(cè)定纖維濕度的參考值，且根據(jù)ISO亮度標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定光學(xué)特性的參考值。
根據(jù)本發(fā)明方法的另一個(gè)有優(yōu)勢(shì)的實(shí)施例，來源于反射光譜的一個(gè)或更多參數(shù)，也就是纖維長(zhǎng)度分布、樹脂含量、纖維濕度和光學(xué)特性，被用于在線控制纖維備制工藝的反饋工序中，從而賦予使用的木纖維理想的特性。這樣做使連續(xù)的對(duì)所述參數(shù)的基本質(zhì)量控制成為可能。
現(xiàn)在，將參考唯一的附1對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，該圖描繪了根據(jù)本發(fā)明執(zhí)行方法的例子。
該圖描繪了有意在纖維板制造中使用的木纖維流的機(jī)械或氣動(dòng)傳送2。木纖維適宜用少于500kWh/h的特定沖擊能量在提煉工藝中準(zhǔn)備。在處于分離纖維和烘干工藝之后的測(cè)量時(shí)間點(diǎn)，用合適波長(zhǎng)的光照射纖維流，且通過在400-2500nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，即在可見(VIS)光和近紅外光(NIR)的范圍內(nèi)，探測(cè)器4拾取反射光譜。探測(cè)到的光譜在6進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。在圖中的8顯示了最終光譜的典型形態(tài)。
在根據(jù)本發(fā)明方法中所要求的標(biāo)準(zhǔn)以下列方式在圖中的10完成。
纖維流的一些校準(zhǔn)樣本根據(jù)測(cè)試計(jì)劃準(zhǔn)備，在計(jì)劃中，選擇測(cè)試變量的能級(jí)從而在重要特性——即纖維長(zhǎng)度分布、樹脂含量、纖維濕度和光學(xué)特性——的值當(dāng)中產(chǎn)生良好的散布。校準(zhǔn)樣本能夠包含全規(guī)模生產(chǎn)中的操作階段。
上述種類的反射光譜被記錄作為校準(zhǔn)樣本，且對(duì)于每個(gè)前述特性使用適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)室方法，測(cè)定參考值。從而，纖維長(zhǎng)度分布(和刨花)可使用——比如，圖像分析——來測(cè)定。在使用氮樹脂的情況下，能用基耶達(dá)(Kjeldahl)方法有利地測(cè)定樹脂含量。如果，比如使用了不含氮的酚醛樹脂，必須使用一些其它適當(dāng)?shù)姆椒▉頊y(cè)定樹脂的參考值?？墒褂煤娓珊头Q量工序建立纖維濕度的參考值，而且可根據(jù)測(cè)定光反射的ISO亮度標(biāo)準(zhǔn)來測(cè)定光學(xué)特性。
在圖中的計(jì)算單元12中，可在記錄用于纖維流校準(zhǔn)樣本的光譜和相關(guān)參考值之間，用多元統(tǒng)計(jì)回歸的方法，較佳為主元件分析(PCA)和預(yù)測(cè)潛在結(jié)構(gòu)(PLS)回歸，建立數(shù)學(xué)相關(guān)。這種類型的計(jì)算是很著名的，參看，比如MartensH和Naes T，“多元的標(biāo)準(zhǔn)”，Wiley&Sons，紐約(1989)；Wold S，Johansson E和Cocchi M，“在藥品設(shè)計(jì)中的QSAR中使用部分最小二乘法對(duì)潛在結(jié)構(gòu)進(jìn)行推測(cè)，“理論、方法和應(yīng)用”，Kubini H.，Ed，(1993)；Hoskuldsson A，“PLS回歸方法，”化學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)雜志，第2卷(1998)；Geladi P.和Kowalski B.R.，化學(xué)分析學(xué)報(bào)，185(1986)和Wold S.，Esbensen K.，和Geladi P.，主要元件分析，化學(xué)統(tǒng)計(jì)和智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，2(1987)。
通過以下的步驟創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)模型或者說是參考值和相關(guān)光譜之間的關(guān)系，如上述的，用適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)室方法測(cè)定，(品質(zhì)變量(y)作為光譜(x)的函數(shù)y＝f(x))，校準(zhǔn)工序在一些纖維流樣本上用上述特性中較好的變量或參數(shù)值進(jìn)行。
通過以這種方法建立的關(guān)系，能從隨后記錄的纖維流的反射光譜獲得所述的參數(shù)。這樣做便完成了對(duì)圖中20和22處的纖維長(zhǎng)度分布、14處的樹脂含量、16處的纖維濕度和18處的光學(xué)特性的非接觸在線測(cè)量。從而，四種列舉的特性通過光譜的信息內(nèi)容在一個(gè)相同的測(cè)量工序中測(cè)定。
木纖維的濕度含量正常為5-20％，經(jīng)常為10-20％。
在纖維板制造中使用的纖維的長(zhǎng)度對(duì)云杉纖維來說，通常為0.15-4mm，諸如山毛櫸之類的較短木纖維的纖維長(zhǎng)度上限大約為3mm。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，纖維長(zhǎng)度分布對(duì)于討論的長(zhǎng)度范圍，能夠以相當(dāng)大數(shù)目的間隔來測(cè)定。在0-7mm的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的方法能以小到0.1mm的間隔測(cè)定纖維長(zhǎng)度分布，即所述的長(zhǎng)度范圍被細(xì)分成70個(gè)間隔或部分，近似圖中22處的分布。
纖維長(zhǎng)度分布、樹脂含量和纖維濕度這三個(gè)參數(shù)，如以上所討論的，對(duì)控制質(zhì)量和優(yōu)化纖維板制造的成本起到最主要的作用。光學(xué)特性也很重要，因?yàn)橥ǔＰ枰赡茏畋〉陌?。因此，根?jù)本發(fā)明方法的這種連續(xù)的在線測(cè)量使對(duì)纖維特性的反饋和在線質(zhì)量控制——這些迄今為止在纖維板制造中不可能的事情成為可能。
權(quán)利要求
1.一種在纖維板制造過程中對(duì)木纖維特性進(jìn)行連續(xù)測(cè)定的方法，其特征在于，纖維流樣本用光照射，根據(jù)所測(cè)的反射光譜，纖維流樣本的一個(gè)或更多特性——纖維長(zhǎng)度分布、樹脂含量、纖維濕度和光學(xué)特性從被測(cè)光譜值和所述特性的絕對(duì)量級(jí)之間預(yù)定的關(guān)系確定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，使用在400-2500nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，測(cè)定纖維流校準(zhǔn)樣本的參考纖維長(zhǎng)度分布，并對(duì)從該同一校準(zhǔn)樣本得的反射光譜確定的纖維長(zhǎng)度分布，在相對(duì)所述參考纖維長(zhǎng)度分布的校準(zhǔn)工序中用多元統(tǒng)計(jì)回歸方法模擬，從而測(cè)定所述的所測(cè)光譜值和纖維長(zhǎng)度分配之間的預(yù)定關(guān)系。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其特征在于，測(cè)定纖維流校準(zhǔn)樣本的參考纖維濕度，并對(duì)從該同一校準(zhǔn)樣本測(cè)得的反射光譜所測(cè)定的參考纖維濕度，在相對(duì)所述參考纖維濕度的校準(zhǔn)工序中用多元統(tǒng)計(jì)回歸方法相關(guān)，從而測(cè)定所述的所測(cè)光譜值和纖維濕度之間的預(yù)定關(guān)系。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其特征在于，測(cè)定纖維流校準(zhǔn)樣本的參考樹脂含量，并對(duì)從該同一標(biāo)準(zhǔn)樣本測(cè)得的反射光譜所測(cè)定的光譜值，在相對(duì)所述參考樹脂含量的校準(zhǔn)工序中，用多元統(tǒng)計(jì)回歸方法來相關(guān)，從而測(cè)定所述的所測(cè)光譜值和樹脂含量之間的預(yù)定關(guān)系。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的方 法，其特征在于，測(cè)定纖維流校準(zhǔn)樣本光學(xué)特性的參考值，并參從該同一校閃著準(zhǔn)樣本測(cè)得的反射光譜測(cè)定的光譜值，在相對(duì)所述光學(xué)參考值的校準(zhǔn)工序中，用多元統(tǒng)計(jì)回歸方法使其相關(guān)，從而測(cè)定所述的光譜值和光學(xué)特性之間的關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求3-6中任一權(quán)利要求的方法，其特征在于，根據(jù)測(cè)試計(jì)劃準(zhǔn)備校準(zhǔn)樣本，對(duì)所選擇的測(cè)試變量用不同的級(jí)別的測(cè)試計(jì)劃，從而在不同的校準(zhǔn)樣本中產(chǎn)生纖維長(zhǎng)度分布、纖維濕度、樹脂含量和光學(xué)特性的良好散布。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的方法，其特征在于，從反射光譜所測(cè)得的纖維長(zhǎng)度分布、樹脂含量、纖維濕度和光學(xué)特性的一個(gè)或更多參數(shù)在反饋工序中使用以實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維備制工藝的在線控制，從而賦予所用木纖維理想的特性。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中在提煉過程中產(chǎn)生纖維，該方法的特征在于，纖維長(zhǎng)度分布、樹脂含量、纖維濕度和光學(xué)特性的一個(gè)或更多參數(shù)被反饋以控制分離纖維過程。
全文摘要
在對(duì)纖維板制造中木纖維流(2)特性的連續(xù)測(cè)定的方法中，纖維流的樣本用光照射，根據(jù)所測(cè)的反射光譜確定的樣本的纖維長(zhǎng)度分布(20、22)、樹脂含量(14)、纖維濕度(16)和光學(xué)特性(18)的一個(gè)或更多特性，從所測(cè)光譜值和所述特性的絕對(duì)量級(jí)之間的預(yù)定關(guān)系來確定。
文檔編號(hào)G01N21/88GK1408063SQ0180592
公開日2003年4月2日 申請(qǐng)日期2001年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月2日
發(fā)明者T·林格倫, J·卡爾松, U·貝克隆德 申請(qǐng)人:瓦勒梅纖維技術(shù)Ab