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纸浆热性能及纸张热老化评价新方法研究

作　者: 文艾
导　师: 陈港
学　校: 华南理工大学
专　业: 制浆造纸工程
关键词: 纸浆 热稳定性 纸张 热老化 模型
分类号: TS714
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


相比纸张（纸浆）的力学性质及光学性质,纸张（纸浆）的热学性质还有待于进一步认识与研究。深刻认识与研究纸张（纸浆）的热学性质,有助于研究工作者在纸张（纸浆）现有功能的基础上更好地开发和利用其热学性能,同时有助于深入了解热作用对纸张性质变化的影响,为减缓纸张及各种纸质文档资料的热老化提供理论基础。本论文着重研究了纸张（纸浆）的热学性质,以弥补此项研究领域的不足,为纸张（纸浆）热学性质的进一步研究与利用奠定基础。本研究首先利用热重分析（TG）对各种纸浆纤维素的高温（200380℃）热解特性进行了系统地探讨,并基于TG分析建立起对纸浆纤维素热解动力学方程,对各种纸浆纤维素的热稳定性进行了详细的比较分析。其次,在热分析评价的基础上进行了纸张在较低温度下（120170℃）的热老化试验,通过分析各老化特征参量的变化趋势,建立起纸张热老化降解模型。再次,探讨了采用TG来评价纸张老化性能的可行性,建立了一种以TG量化评价老化纸张热性能的新方法,以便能够实现快速便捷地检测纸张老化。最后,应用NIR技术对纸张老化程度的无损快速测定进行了探讨。论文取得的主要结论有:1、在给定的升温速率下,浆料热降解主要经历吸附水解吸和纤维素热解失重两个失重阶段。使用单一或者多个关键温度能够对浆料的热稳定性做出初步判断,针叶木纸浆热稳定性优于阔叶木纸浆;非木材类纸浆中的麻浆、竹浆的热稳定性低于针叶木纸浆,棉浆的热稳定性最佳;脱墨浆热稳定性较原生化学浆差,化机浆热稳定性很差;未漂浆的热稳定性较漂白浆差。热稳定指数能够很好的结合热重曲线轮廓及某一关键温度进行综合评价,热稳定指数应用于浆料的热稳定性评价准确可行。2、纸浆热解机理函数可以用模型方程G （a ）=-ln（1-a）来描述,纸浆热解动力学方程为:ln[G（α）/T2]=ln（AR/βE）-E/RT。根据纸浆纤维素的热解模型,可估算热力学参数活化能E及指前因子A,活化能越大的纸浆发生热解降的程度就越小,热稳定性越好;可根据活化能的大小对浆料的热稳定性做出判断,判定结果与关键温度及热稳定指数判定结果一致。3、老化温度对纸张的力学性质（抗张强度）及光学性质（白度）影响显著,随着老化时间的增加,抗张强度、白度及聚合度（DP）不断下降,下降速率与老化温度成正比。纤维素在老化过程中的晶体类型及结晶度并没有发生变化。推导得到了纤维降解的动力学模型,基于TTSP得到了实用性更强、应用范围更广泛的纸张热老化一阶模型以及二阶模型。基于改进模型可实现利用现有的加速老化数据来评估其他老化温度下的纸张老化性能。4、DP/DP0与DT0.5存在指数量化关系:DP/DP0=0.8064exp(-DT0.5/0.8404)+0.1625,DT0.5可作为衡量纸张老化程度的一个参量,根据得到的指数模型方程可计算出相应的聚合度值。利用TG可建立一种量化评价纸张老化的方法,经检验所得模型与实验数据有很好的吻合,模型具有较好的实用性。5、NIR主成分分析能够为纸张老化程度的判别与类别分析提供一种新的方法。采用近红外光谱建立DP校正模型,得到DP预测值与实测值的偏差范围为-4.884.53%,模型的预测效果很好,可以用来快速、无损测定老化纸张的聚合度。近红外图谱研究结果表明:无定形区及半结晶区变化受老化过程的影响较大,结晶区变化受老化过程的影响不确定。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章 绪论  12-24
  1.1 纸浆及纸张性质  12-17
    1.1.1 力学性质  12-15
    1.1.2 光学性质  15-16
    1.1.3 热学性质  16-17
  1.2 纸张（纸浆）热学性能及耐热性能评价  17-21
    1.2.1 现有的评价纸张耐热与耐久性能的方法  18-19
    1.2.2 TG 在评价材料热性能中的应用  19-21
  1.3 纸张热老化研究  21-22
  1.4 本课题主要研究内容  22-24
第二章 纸浆热失重特性分析  24-36
  2.1 实验原料与方法  24-25
    2.1.1 实验原料  24-25
    2.1.2 热重分析方法  25
  2.2 结果与讨论  25-35
    2.2.1 不同升温速率下纸浆TG 分析  25-26
    2.2.2 不同种类浆料TG 分析  26-30
    2.2.3 纸浆热稳定性能比较  30-33
    2.2.4 纸浆热稳定指数  33-35
  2.3 本章小结  35-36
第三章 纸浆热重分析动力学研究及热性能评价  36-49
  3.1 动力学模型的建立  36-38
  3.2 模型机理函数G(α)的选择  38-41
  3.3 活化能及指前因子  41
  3.4 热分析动力学参数的求解  41-44
  3.5 热稳定性评价  44-47
    3.5.1 针叶木、阔叶木及非木材类浆热稳定性比较  44-46
    3.5.2 化学浆、化机浆及脱墨浆热稳定性比较  46-47
    3.5.3 漂白浆与未漂浆热稳定性比较  47
  3.6 本章小结  47-49
第四章 纸张热老化性能及热降解动力学研究  49-67
  4.1 实验原料与方法  49-51
    4.1.1 实验原料  49
    4.1.2 实验方法  49-51
  4.2 结果与讨论  51-65
    4.2.1 纸张机械性能随老化时间的变化  51-52
    4.2.2 纸张光学性能随老化时间的变化  52-53
    4.2.3 纸张老化XRD 分析  53-56
    4.2.4 聚合度及降解动力学  56-58
    4.2.5 基于TTSP 纸张热降解模型  58-65
  4.3 本章小结  65-67
第五章 基于热重分析的纸张老化特性及评价研究  67-73
  5.1 实验原料与方法  67
    5.1.1 实验原料  67
    5.1.2 实验方法  67
  5.2 结果与讨论  67-72
    5.2.1 老化过程中热力学参数的变化  67-68
    5.2.2 纸张老化过程的TG 分析  68-70
    5.2.3 TG 评价老化程度  70-72
  5.3 本章小结  72-73
第六章 纸张热老化NIR光谱研究及聚合度无损检测方法的建立  73-85
  6.1 实验原料与方法  73-74
    6.1.1 实验原料  73
    6.1.2 近红外（NIR）分析  73-74
  6.2 结果与讨论  74-83
    6.2.1 纸张老化程度近红外定性分析  74-76
    6.2.2 近红外聚合度定量分析模型  76-79
    6.2.3 近红外光谱表征分析  79-82
    6.2.4 纤维素结晶区/无定形区的变化  82-83
  6.3 本章小结  83-85
结论  85-87
参考文献  87-91
攻读硕士学位期间取得的研究成果  91-92
致谢  92-93
附件  93

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中图分类: > 工业技术 > 轻工业、手工业 > 造纸工业 > 基础理论 > 造纸化学
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