近红外光谱技术在制浆造纸工业中的应用

1　近红外光谱的发展现状 　　近年来，近红外光谱(Near-Infrared Spectroscopy—NIR)作为
迅速崛起的光谱分析技术在分析测试领域中所起的作用越来越引起人们的关注。在

1997 年

分析化学与应用光谱学匹兹堡会议

(Pittcon’97)上，关于近红外光谱方面的文章有 178 篇，

NIR 反射光谱仍然是这次会议的重要话题。由此可见，由于在样品分析时基本不需处理，且
不破坏和消耗样品，自身又无环境污染，所以近红外光谱作为一种快速分析测试仪器正在
被越来越多的分析工作者认识和使用，同时也受到工业控制领域的关注。在

1998 年分析化

学与应用光谱学匹兹堡会议

(Pittcon’98)上，推出的声光可调滤光片(AOTF)和近红外探头已

成功地用于近红外在线过程监控仪器中，用以监测聚合物粘度、酸数、添加剂、聚合度等。进
入

90 年代以来，NIR 作为一门现代测试技术已基本成熟，其应用领域迅速扩大，从最初的

食品行业，迅速渗透到石油、化工、环境和生化等行业，在工艺控制、产品质量分析检测方面
发挥了突出的作用，并创造了巨大的经济效益，在过程控制方面获得了广泛的成功。

 2　近

红外光谱技术在制浆造纸工业中的应用

 　　目前世界范围内浆和纸的产量和质量正不断增

长，若仅仅依靠提供优质的纤维原料和改进制浆造纸工艺来促进生产是不够的，还必须研
制和使用一些新型的过程分析仪器和传感器。随着近红外光谱技术和光谱数据处理软件的进
展，为开发新型的过程分析仪器提供了新的途径。下面介绍的

NIR 在制浆造纸过程中的应

用，虽然绝大部分应用情况目前仍然局限于实验室内，但将来的发展趋势必定为现场分析
和测控，实现从实验室走向生产现场的转变。

 2.1　检测纸页涂料中的水分含量 　　在 400

～

1100nm 的范围内，采用透过模式，分析涂料混合物中的水分含量。虽然，由于涂料中悬

浮颗粒的存在使测量的重现性受影响，但是对于连续流动的涂料，却可以避免这个问题，
从而实现在线测量。

 2.2　确定纸浆中针叶木的含量 　　在 1100～2500nm 的范围内，采用

反射模式，取两个样品分别用于校准实验室测量值和在线测量值。虽然在线测量值的误差比
预期的要大，但是测量结果仍然表明

NIR 可以用于确定纸浆中的针叶木含量。 2.3　测量混

合木浆的卡伯值

 采用反射模式，取 27 个样品在 2180nm 处用于标定曲线，9 个样品作为测

试集，测量误差为

5.6%。虽然测量结果表明 NIR 可能用于测量混合木浆的卡伯值，但是测

量误差能否被工业过程所接受，还有待考究。

 2.4　测量蒸煮锅喷放管线中纸浆的 Kno(卡伯

值的对数

) 　　在 1100～2500nm 的范围内，采用反射模式，测量纸浆的 Kno。在 1672nm 处

进行一元线性回归，测量误差为

1.0%；由于波长波动的影响，再引入 1436nm 进行多元线

性回归，使测量误差下降为

0.5%。 2.5　测量纸页的水分和纸板的重量 　　采用反射模式，

利用水在

1940nm 处的特征吸收测量纸页中的水分；纸板重量的变化在 2100～2500nm 的范

围内表现明显，在

2346nm 处进行一元线性回归。结果表明，NIR 对纸页的水分和纸板的重

量均很敏感。由于样品本身的不均匀性，所以测量扫描时样品的面积应该较大，以取平均值。
 2.6　监测纸页的树脂层 　　采用反射模式，在 1100～2500nm 的范围内分析样品，结果发
现，由于未经涂布的纸在

1688nm、1766nm 和 2160nm 无特征吸收，所以可以避开纸页的影

响。在

2160nm 标定曲线，误差为 0.7%。 2.7　监测纸浆棉短绒混合物的卡伯值 　　采用反

射模式，在

1100～2500nm 的范围内分析样品，在 1680nm 进行一元线性回归，误差为 1.2

个卡伯值，标定的有效范围为

3.4～33.9 个卡伯值。此结果对干、湿纸浆棉短绒混合物均适用。

 2.8　检测薄页纸上的聚硅酮层含量 　　对 8 个聚硅酮浓度为 0.69%～5.67%的薄纸页样品
在

1100～2500nm 的范围内进行扫描，在 1744nm 进行一元线性回归，误差为 0.2%。 2.9 

检测木纤维中的蜡和苯酚树脂含量

 　　采用反射模式，在 1100～2500nm 的范围内，分别