应用超声波探测研究液体与纸页相互作用的动态过程

摘要：介绍了一种基于超声波探测研究液体与纸页相互作用动态过程的测量装置，对其工作原理、仪器构造进行了分析。并利用其对不同液体（水、正己烷）与纸页、PVC膜等相互作用的动态过程进行了研究。结果表明，应用超声波探测可以快速准确的分析液体与纸页相互作用的动态过程，如固－液界面间空气的压缩、排出，纤维的润胀、吸收，H－H键的断裂及纸页中组分的破坏等变化；并提供了一种新式的精确测量纸页施胶度的方法。

关键词： 超声波探测  动态过程  施胶度

        

绝大多数纸页在加工和使用过程中都要与液体（油墨、水、有机溶剂等）接触，发生渗透、吸收、润胀等相互作用，如纸页的印刷、施胶、涂布及包装等。而液体与纸页相互作用的动态过程直接决定着最终产品的适应性，对动态作用过程进行研究对于提高纸张质量及适应性具有非常重要的意义[1, 2]。

       然而，液体与纸页间的作用过程一直是研究的难点，因为液体与纸页的相互作用是一个非常复杂的动态过程。既有液体在纸页中的渗透、吸收等物理变化过程；又有纤维的润胀、吸收，H-H键的断裂及纸张中组分的破坏等化学变化过程[3]。并且动态作用过程从液体与纸张接触的瞬间开始，并随时间的延伸而不断变化。这就要求在极短的时间内对作用过程进行分析，也增加了研究的难度。许多研究者采用不同的理论模型对其进行研究，结果都不是很理想。本研究引入特定emcoDPM超声波探测装置对液体与纸页间相互作用的动态过程进行分析，并对其工作原理及性能进行了介绍[8]。

 

1．emcoDPM超声波探测装置

 

1．1 工作原理

       emcoDPM超声波探测装置主要由特定超声波发射及接收装置，试样固定夹，样品槽，电脑及与之相适应的捕获、分析和记录图像的软件构成，结构示意如图1所示。其工作原理是超声波发射器在电磁脉冲作用下产生声学脉冲，发出1MHz稳定的低频超声波，超声波透过液体到达被检测试样，并对试样进行穿透及吸收；之后继续穿过检测液体而到达超声波接收装置。通过接收装置，声学信号转换成电信号，利用特定程序对此过程中振幅的变化进行分析并转换成数字信号作为一定时刻下的测量值，以进行分析。超声波在不同物质中的透过或吸收是不同的，这是因为超声波对物体的弹性模量变化是非常敏感的。弹性模量稍有变化，超声波传播就会受到影响。超声波在空气、液体、纸张中的传播是不同的。从液体与纸页接触瞬间开始，纸页孔隙中空气的压缩、排除，液体的渗透、吸收，纤维的润胀，H-H键的断裂及纸样组分的破坏等都会引起超声波传播振幅的变化。通过检测分析超声波在液体与纸页接触过程中的衰减或增强变化而研究动态作用过程。

1．2 适用范围

emcoDPM超声波探测仪可用来研究液体与纸页相互作用的动态过程，如纸张孔隙中空气的压缩、排除，纤维的润胀、吸收，H-H键的断裂，纸页组分的破坏等；评价涂布纸或其他纸张的抗水性能；精确测量各种纸张的施胶度（表面施胶和内部施胶），尤其对于低施胶度纸张的抗水性检测具有重要意义。

1．3 性能特点

emcoDPM超声波探测仪能反映液体与纸页相互作用的动态过程，准确地评价纸张抗液性能的优劣。测量结果能从50ms（1秒＝1000毫秒）开始，反映1ms时间间隔内的超声波变化，动态的反映空气、测量液体、纸张三相界面接触的动态变化。该测试方法的程序简单、仪器操作全自动，测量精确，具有极高的再现性。它还可测量多种不同材料薄膜与液体的动态作用过程。对于研究薄膜材料与液体的适应性具有重要意义。

 

 

图1  超声波探测工作原理示意图

 

2．实验部分

 

2．1 主要实验仪器及材料

emcoDPM超声波探测仪，德国EMCO公司产；PVC膜(厚度 0.5mm)，铝铂(厚度 0.2mm)及多种不同纸样（原纸、铜版纸、新闻纸、滤纸等）；蒸馏水，正己烷，专用胶带（不与水和己烷发生反应）。

2．2实验方法

将试样（纸样或PVC膜）裁成规定的尺寸，长×宽＝70×50mm；用专用胶带将试样粘附在试样夹上，固定好试样夹，注意在粘附胶带及试样过程中一定不能留有气泡，否则会影响测量结果；将测量槽中注入测试液体，至所要求的液位；打开测量程序，设定好一系列测定参数（温度，测量时间，试样下降速度等）；开始测量，仪器进入全自动测量状态，到达设定的测量时间后，试样夹自动退出，并将测量结果输入电脑，并汇编图像数据，进行分析。

 

3．结果与讨论

 

3．1  PVC膜，铝铂与水作用的动态过程

       实验中，为了降低实验的复杂性并与纸页进行比较，首先选用表面光滑的PVC膜及铝铂进行实验。因为PVC膜、铝铂组成相对简单，不似纸页结构那样复杂，且不与水发生化学反应。超声波发射器产生1MHz频率稳定的超声波对PVC膜及铝铂与水作用的动态作用进行研究，时间为120s，结果如图1所示。

图2中可以看出，PVC膜、铝铂在水中非常稳定，两条曲线完全重合在一起。在与水接触的最初阶段，超声波透过率略有上升；在测量开始瞬间t＝68ms时，超声波透过率分别为98.6%和99.5%；之后随着时间的增加，透过率在3.9s和4.2s时达到100%，并处于恒定状态。这说明PVC膜和铝铂在与水完全接触后，并没有发生任何物理和化学变化，弹性模量恒定；而最初阶段的透过率增加，则是由于固－液界面间空气的排出引起的，由于两种试样的表面都非常光滑，因此初始阶段的超声波透过率变化很小。

 

图2  PVC膜和铝铂与水作用的动态过程

 

       3．2  不同纸样与水作用的动态过程

       研究纸页与水作用的动态过程，对于提高纸页的加工及印刷适应性具有重要意义。实验中，采用超声波探测对多种纸样与水作用的动态过程进行了研究，如图3及表1所示。结果表明，不同纸页与水作用的动态变化过程有着明显的差异。

图3 不同纸样与水作用的动态过程比较

                         

表1  不同纸页的t，tB， tS

不同试样 时间	铜版原纸	铜版纸	LWC	新闻纸	滤纸
t , s	0.066	0.065	0.063	0.066	0.064
tB, s	2.4	0.317	0.876	0.156	0.064
tS ,s	5.4	27.1	36	0.444	0.084

      注：t－测量开始时间，tB－超声波透过率达最大时间，tS－超声波透过率下降最快时间

 

图3可以看出，铜版原纸与水接触的瞬间（测量瞬间t＝66ms）开始，超声波透过率为70.1%；之后超声波透过率迅速增加，并在tB＝2.4s时透过率达到最大100％。这是因为铜版原纸与水瞬间接触时，铜版原纸表面的粗糙度及孔隙率造成了原纸表面有一定量的空气，水首先与空气发生接触，而并不能直接到达纸页，即首先发生气－液界面接触；空气在水的压力下被压缩、排出，对超声波的吸收越来越少，因此超声波透过率迅速增加。当tB＝2.4s时，固－液界面间的空气被完全排出，纸页与水处于相互接触的临界状态，此时弹性模量达到最高，液体真正到达并开始润湿纸页表面。

       当超声波透过率在tB＝2.4s达到最大100％；之后，随着时间的增加，超声波透过率逐渐减少，即纸页对超声波的吸收逐渐增强； 并在tS＝5.4s时，纸页对超声波的吸收速率达到最大（斜率最大）。纸页对超声波吸收增加的主要原因是由于纸样与水接触后发生了一系列的物理和化学变化，导致纸页弹性模量增加。如纤维的润胀、吸收，H-H键的断裂，纸页中组分（添加剂）等的破坏等都会造成超声波吸收量的增加。随着时间的增加，超声波透过率逐渐降低，最后基本趋于稳定，这是因为纸页与水的动态作用过程基本趋于稳定，即纤维的润胀、吸收，H-H键的断裂及纸页组分的破坏等作用都已经达到一定饱和状态。

       图3可以看出，铜版纸和LWC与水作用的动态过程曲线非常相似。从纸样与水接触的测量瞬间（分别为65ms和63ms）开始，铜版纸与LWC的超声波透过率已经分别达到99.3%和99.6%，它们与水接触过程中空气的压缩、排出过程非常短暂，从曲线上几乎看不出这一过程的存在，这点与PVC膜和铝铂非常相似。铜版纸在tB＝317ms时，空气已经完全排出，透过率达到最大；LWC纸样也在tB＝876ms时，超声波透过率达到最大。这与铜版原纸与水接触过程中存在明显的空气排出、压缩过程具有明显不同。分析表明，铜版纸和LWC都经过表面涂布，纸页表面非常光滑，孔隙率很小，因而空气的填充量较少，因此接触过程中空气的压缩、排出过程非常短暂，对超声波透的吸收很小。随着时间的增加，铜版纸和LWC的超声波透过率逐渐降低，最后基本趋于稳定。这是因为涂层的成分及原纸已经不断与水发生相互作用，弹性模量持续增加。在同一时间下，可以看出LWC的曲线始终位于铜版纸曲线上方。这说明在同样条件下，LWC的抗水性优于铜版纸的抗水性。

       新闻纸和滤纸这两种高吸收性纸样的施胶度及吸收性用常规方法已经不能检测，但是在印刷及使用过程中，它们都会与液体接触（油墨或水），研究它们与液体接触的动态作用过程对于提高纸页的适应性非常重要。图3可以看出，这两种高吸收性纸样与水作用的动态过程具有一定的相似性，即与水接触后它们的超声波透过率急剧下降，并在很短的时间内达到稳定状态。这说明两种纸样在与水接触时，迅速发生并完成润胀、吸收，H-H键的断裂等过程。并且从图中的曲线明显可以看出，滤纸的吸水性明显高于新闻纸。通过这种与液体动态作用过程的曲线来衡量纸页的吸收性具有重要意义，可用来检验新闻纸吸收性与油墨的匹配性及滤纸吸液性能的优劣等。

3．3  纸样在正己烷和水中动态作用过程的比较

       纸页是由纤维通过H-H键结合而成的多孔材料；在与水接触时，纸页发生润胀、吸收及H-H键的断裂等物理和化学变化，引起纸页弹性模量的变化而影响着超声波透过率。实验中，选用正己烷代替水进行实验，比较纸页在有机溶剂和水中的动态作用过程。众所周知，正己烷不与纤维发生化学反应，不会引起纤维间H-H键的断裂。实验结果如图4所示。

 

图4 纸页在水中和正己烷中动态作用的比较

 

图4可以看出，新闻纸和滤纸在水和正己烷中的动态作用过程明显不同。接触的最初阶段开始，它们的超声波透过率都迅速下降，这是由于纸页表面孔隙中大量空气的排出造成的。但是，纸页在水中的超声波透过率降低的幅度明显高于在正己烷中。说明纸页在水中已经发生了纤维的润胀、吸收及H-H键的断裂等过程。在水中，当纸页的润胀、吸收及H-H键断裂达到饱和后，纸页状态已经基本趋于稳定，不再发生物理化学变化，弹性模量基本保持恒定，超声波透过率也趋于稳定。而纸页在正己烷中超声波透过率最初迅速降到最低值；之后，随着时间的增加，超声波透过率逐渐升高，最后基本趋于稳定，几乎接近于100%。这表明正己烷与纸页作用过程中，并没有破坏纤维之间的H-H键，但与正己烷的长时间作用，却使纸页的弹性模量增加，即纸页挺度明显增加。分析表明，挺度增加的原因是由于正己烷抽提出纸页纤维中的水分而造成的。纸页从正己烷中取出后，正己烷迅速挥发，水分重新进入纸页中，纸页与测量前变化不大。

3．4          超声波探测精确测量纸页抗水性

传统的施胶度测量方法如Cobb吸水法、画线法及HST法在应用中存在一定的局限性，它们反映的只是一段时间内的静态平均值，且存在一定的人为误差[4-7]。而且对于高吸收性的纸页，这些方法已经不能测量它们的施胶度及抗水性，如新闻纸、滤纸或面巾纸等。应用超声波探测则可以精确测量纸页的抗水性，反映纸页与水作用下的动态变化过程，并能在一定程度上分别反映纸页的表面疏水性（表面施胶）和内部疏水性（浆内施胶）效果。实验中，对四种不同施胶度的胶版纸进行测量，如图5所示。

 

图5 不同纸样精确施胶度的测量

 

 

表2 不同方法测量的施胶度比较

试样 测量方法	1＃	2＃	3＃	4＃
Cobb值，g/m2	16.7	19.4	24.5	－
tB，s（超声波）	2.4	2.0	1.0	0.106

 

注：“－”表示吸水性太高，无法测量

 

图5可以看出，四种胶版纸样在水中的动态作用过程明显不同。从测量开始到超声波透过率达到最大所需要的时间tB反映了纸页表面的疏水性（表面施胶度）；而内部疏水性（内部施胶度）则与超声波透过率下降过程中曲线的形状和时间相关，tS代表了曲线下降速率最快点的时间，即此时纤维的润胀、吸收及H-H键的断裂达到最快。表2中列出了试样采用Cobb吸水法及超声波探测法的测量结果。可以看出，应用超声波探测可以精确测量纸样的施胶度。有些试样应用Cobb吸水法已经无法区别或不能测量，而应用超声波探测则可以快速精确的测量。

3．5 放大试验

       基于前面实验的基础上，又对许多不同施胶度的试样进行了放大试验，反复验证超声波探测测量的准确性，部分试验结果如表3所示。

 

表3 不同试样的超声波探测分析放大试验

 

试样 测量方法	书写纸	多功能 办公用纸	拷贝纸	面巾纸 1＃	面巾纸 2＃	面巾纸 3＃	胶印 新闻纸	滤纸
Cobb值，g/m2	14.3	17.8	21.6	－	－	－	－	－
tB，s（超声波）	3.5	2.3	1.8	0.273	0.206	0.182	0.146	0.066

 

注：“－”表示吸水性太高，用Cobb法无法测量

 

大量试验结果表明，超声波探测测量的结果与采用Cobb值法或渗透法（氯化铁－硫氰酸铵溶液）具有很好的相关性，可以精确的测量不同纸样的抗水性。尤其对于低施胶度或没有施胶的试样，采用常规方法无法测量其疏水性，而采用超声波探测方法可以准确快速的比较试样的疏水性。

 

3．结论

3．1 基于特定超声波探测可以精确的测量纸页与水的动态作用过程，系统地反映接触过程中空气的压缩、排出，纤维的润胀、吸收，H-H键的断裂及纸页组分的破坏等变化，。

3．2 超声波探测提供了一种可以精确测量纸页的施胶度及抗水性的方法，能分别反映纸页的表面疏水性和内部疏水性。尤其对于常规方法不能检测的纸页（低施胶度或不经施胶的纸样），超声波探测法可以快速准确的对其进行测量比较。

 

作者：

王玉珑，博士，长沙理工大学化学与环境工程学院，研究方向：湿部化学与加工纸。

曹振雷，博导，研究员级高级工程师，中国制浆造纸研究院