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备料（木材）通常包括：减小尺寸、去皮、切片和筛选。
顾名思义，去皮是在切片之前去除原木外层的树皮，因为树皮是制浆过程中的污染物。去皮后，将原木通过切片机，生产出大小和形状一致的木片，以非常大限度地提高制浆过程的效率。
备料的末尾阶段是筛选木片。过小或过大的木片均会从大量木片中分离出来，用于能源回收或进一步加工。
各种材料都可以用来造纸，如：芦苇、亚麻、棉花、蔗渣（蔗浆）。不过，大多数纸张都是用经过处理的木纤维制成的。制浆厂和造纸厂需要使用多种化学品和大量能源来加工木材进行造纸，从木材到成品纸的整个生产链中，产品筛查和质量控制都是必须采取的重要措施。本文介绍了近红外光谱如何在制浆造纸过程中同时监测多个关键质量控制参数。
制浆造纸行业简介
制浆造纸行业主要生产和销售以不同类型木材为原料的纤维素制品。制浆造纸厂使用机械方法和化学方法加工木材，生产各种用途的纸制品。
图1显示了2019年按国家分列的环球纸张、薄纸和纸板生产份额[1]。中国占非常大份额，其次是美国、巴西和日本，这四个国家的产量占环球产量的一半以上。
图1. 2019年按国家分列的环球纸张、纸巾和纸板生产份额[1]。
木材是纸张的前身，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。由于微观结构的不同，木材可分为软木和硬木。针叶树（有针叶和球果，如：松树、冷杉和云杉）属于软木树种，阔叶树（有叶子和种子，如：橡树、山毛榉、胡桃木）则属于硬木树种。
硬木的纤维较短，生产的纸张较为柔软，但成品更平滑、更不透光，更加适合印刷。软木的纤维较长且结实，可以增强纸张的强度，这种木材更常用于制作纸箱和其它包装。
制浆造纸过程
制浆造纸过程包括四个主要阶段：备料、制浆、漂白和造纸，下文将逐一介绍这些步骤。图2是整个过程的概览。
图2. 一般制浆造纸过程示意图。
在生产过程之前、期间和之后对各种质量控制参数进行筛查和监控，对于生产出消费者可以信赖的高质量纸制品至关重要。近红外光谱是一种可用于制浆造纸过程中各个阶段质量控制的方法。本文阐述了近红外光谱的工作原理，并以木浆为例说明了近红外光谱仪在制浆造纸行业的质量控制和产品筛查中优于其它方法的地方。
近红外光谱技术简介
光和物质以多种方式相互作用（如，吸收、反射、散射、发射、透射）。在讨论光谱方法中使用的光时，通常用波长或波数来描述。近红外光谱仪（如，瑞士万通DS2500近红外光谱固体分析仪）通过测量光与物质的相互作用，可以生成充满信息的光谱（图3）。
图3. 近红外光与纸张样品相互作用产生的近红外光谱，可以看到水分、纤维素和羟基含量分别对应的吸收峰。
近红外光谱对某些官能团的敏感性使其成为量化水分含量、卡伯值、木质素含量和树脂含量等化学参数的理想方法。由于这种相互作用也取决于样品基质，因此近红外光谱还可以检测物理参数（如，密度、强度）。
由此产生的光谱中包含了大量关于样品的信息，这使得近红外光谱成为快速多参数分析的理想选择。
用于木浆和纸制品的近红外光谱测量模式
决定使用哪种近红外光谱测量模式取决于样品类型，分析木浆和纸制品等固体时，应使用漫反射模式（图4）。在这种测量模式下，样品暴露在近红外光下，会吸收部分近红外光，而未被吸收的近红外光则反射回来，由检测器进行测量。
图4. a)固体样品的测量通常在样品杯中进行。 b) 测量模式称为漫反射，即样品暴露在近红外光下，漫反射光被吸收。
纸张生产商使用近红外光谱的优势
近红外光谱为用户的分析应用提供了许多优势，尤其是在质量控制和产品筛查方面。由于多种原因，对时间和成本的节约成为其显著优势。无需进行样品前处理，几秒钟内即可获得结果。近红外光谱是一种多参数分析技术，无需为获得相同的结果而在不同的仪器上分别进行多次耗时的分析。另外，近红外光谱还是一种无损分析方法，无需使用任何化学试剂。
除上述几点外，近红外光谱还被ASTM等标准组织批准用于质量控制[2]。而且，近红外光谱仪十分便于用户使用，即使是非技术人员也可轻松操作，这使其有别于其它复杂的分析技术。
制浆造纸过程的产品筛查和质量控制参数
研究、开发和质量控制都依赖于实验室测试，制浆造纸厂需要使用多种标准化测试方法来测定原料、中间体和成品的物理性质和化学性质。表1列出了制浆造纸过程产品筛查和质量控制的相关测试参数。
表1. 制浆造纸过程中的各种产品筛查和质量控制参数及其典型分析方法。
| 过程阶段 | 参数 | 传统分析方法 |
|---|---|---|
| 原料分析 | 堆积密度 | 密度测量 |
| 水分含量 | 卡尔费休滴定 | |
| 基因改良研究： | ||
| 浆产率 | 重量分析 | |
| 纤维素含量 | 重量分析 | |
| 木质素含量 | 水解 / 重量分析 / 光度测量 | |
| 化学制浆和漂白 | 木质素含量 | 水解 / 重量分析 / 光度测量 |
| 纤维素含量 | 重量分析 | |
| 树脂含量 | 高效液相色谱（HPLC） | |
| 卡伯值 | 滴定 | |
| 断裂强度 | 短距压缩强度测试（SCT） |
|
| 抗弯强度 | 环压强度测试（RCT） | |
| 抗张强度 | 张力测量 | |
| 纸浆游离度 | 加拿大标准游离度测试（CSF） | |
| 黑/白液和粗塔罗油 | 滴定 | |
| 成品质量控制 | 水分含量 | 卡尔费休滴定 |
| 纸张克重 | 重量分析 | |
| 灰分含量 | 烘箱法 | |
| 硅酮含量 | 气相色谱（GC） |
|
| 硬木/软木比例 | 显微镜检查 | |
| 涂层 | 光度测量 | |
纸浆和纸张分析的整体解决方案
瑞士万通针对纸浆和纸张分析的近红外光谱解决方案带有一套可立即使用的预校准模型，用于测定卡伯值、密度、抗弯强度、断裂强度、抗张强度和纸浆游离度（表2）。有了这套预校准模型，该解决方案可作为初始模型使用，而无需事先进行任何方法开发。
表2.用于分析纸浆产品关键质量参数的近红外光谱预校准模型。
| 参数 | 范围 | SECV | R2 |
|---|---|---|---|
| 应用密度（g/cm3） | 0.2–0.65 | 0.039 | 0.855 |
| 抗弯强度（MPa） | 20–94 | 7.4 | 0.821 |
| 断裂强度（MPa | 6–32 | 2.6 | 0.828 |
| 抗张强度（MPa） | 6–68 | 5 | 0.905 |
| 卡伯值 | 0–175 | 3.8 | 0.996 |
| 纸浆游离度（mL） | 130–800 | 72 | 0.766 |
表3显示了已加工木浆的质量控制结果。该示例表明，可见-近红外光谱可同时测定木浆中六个不同的质量控制参数（卡伯值、应用密度、纸浆游离度、断裂强度、抗弯强度和抗张强度）。
表3.使用可见-近红外光谱分析木浆中多组分的示例。
| 参数 | 模型参数 | ||
|---|---|---|---|
| R2 | SEC | SECV | |
| 卡伯值 | 0.986 | 2.9 mg | 3.0 mg |
| 应用密度 | 0.903 | 0.0292 g/cm3 | 0.0308 g/cm3 |
| 纸浆游离度 | 0.785 | 68mL | 71mL |
| 断裂强度 | 0.803 | 2.5 MPa | 2.6 MPa |
| 抗弯强度 | 0.768 | 7.2 MPa | 7.4 MPa |
| 抗张强度 | 0.875 | 5 MPa | 5 MPa |
总结
使用近红外光谱对纸浆和纸张产品进行质量控制和产品筛查，比其它传统的实验室参考方法更有优势。这种光谱方法不仅可以节省生产者的时间，确保高质量的产品，而且绿色环保、易于使用。只需一次扫描，即可同时分析多个关键质量参数。
即使是非技术人员，也可在30秒内获得木浆中卡伯值、应用密度、纸浆游离度、断裂强度、抗弯强度和抗张强度的结果。与其它实验室技术相比，由于近红外光谱数据生成的频率更高，因此可以对生产过程进行更加严格的质量控制。
参考资料
[1] Statista Research Department. Paper production global capacity share by country. Statista. https://www.statista.com/statistics/664968/global-paper-production-capacity-share-by-country/ (accessed 2023-11-23).
[2] ASTM International. Standard Practices for Infrared Multivariate Quantitative Analysis; ASTM E1655-17; ASTM International, 2018.
拓展阅读
提高QC实验室的效率：近红外光谱如何帮助节省高达90%的成本
对质量控制过程的低估是导致内外部产品不合格的主要因素之一，据报道，这会导致10-30%的营业额损失。因此，国家制定了许多不同的标准来支持制造商解决这一问题。不过，由于获得结果的时间较长，且化学试剂的相关成本也非常高，这使得许多公司在其质量控制过程中选择使用近红外光谱仪。本白皮书阐述了近红外光谱的潜力，并展示了其可节约高达90%成本的巨大潜力。
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