一种纸张寿命的评定方法技术

本发明专利技术涉及一种纸张的寿命的评定方法，通过纸样人工加速老化方法，运用凝胶渗透色谱的分子量表征技术，联合蒙特卡洛计算机模拟技术预估纸张的寿命。本发明专利技术中蒙特卡洛方法能够弥补凝胶色谱表征的不足，采用与纸样老化机制吻合的动力学模型，全面提供老化反应体系分子的分子量分布，大大提高纸张寿命预估结果的有效性；另外，本发明专利技术能够预测纸张在特定温度条件下的保存时间，对环境的依赖性小，能够推广到其他不同的实验室。其他不同的实验室。其他不同的实验室。

【技术实现步骤摘要】
一种纸张寿命的评定方法


[0001]本专利技术属于测量
，特别是涉及一种纸张寿命的评定方法。

技术介绍

[0002]纸张的主要成分是纤维素分子。纤维素分子的老化降解是一个动力学过程。目前广为接受的纸张老化动力学模型为一级反应模型，运用该模型结合阿伦尼乌斯模型即可预估纸张的寿命。在实行这种方案的时候面临两个问题，其一，特定纸样的老化是否符合一级动力学模型；其二，平均分子量统计结果的精度如何。粘度法与凝胶渗透色谱是目前常用的分子量表征手段。其中，粘度法只能提供单一的粘均分子量数值。而凝胶色谱表征技术，虽然能够展示分子量的递变规律，但是难以直接判定纸样的降解反应机制，而且由此获得的分子量分布数据在高分子量区域精度不够，而无论是平均聚合度的统计精度抑或是动力学模型的种类都将影响纸张寿命的估值。
[0003]另一种寿命预估方法是将老化实验条件下纸张的寿命与实际保存条件下的老纸的保存时间作为时间转化系数，但是具有一定年限的老纸的搜集困难且珍贵古籍不宜进行有损测试，并且按照该方法测得的纸张寿命依赖于老纸的生产时间与保存状况，对环境的依赖性强。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了解决上述问题而提供一种纸张寿命的评定方法。
[0005]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0006]一种纸张寿命的评定方法，包括以下步骤：
[0007](1)将待测纸样分为多组，分别置于多个温度不同的恒温老化箱内进行干热老化实验，并间隔一定时间取样；
[0008](2)将其中一组老化条件下的纸样和未老化纸样溶解于二甲基乙酰胺与氯化锂溶液中，然后通过凝胶渗透色谱仪表征纸样的分子量分布；
[0009](3)通过蒙特卡洛方法对未老化纸样的分子量分布进行计算机模拟，并与步骤(2)的实验结果进行比对，若模拟结果的分子量分布与实验结果一致，并且符合一级动力学反应特性，则进行步骤(4)；
[0010](4)将各组的老化纸样与未老化纸样溶解于铜乙二胺溶液中，通过毛细管粘度计测定其粘均聚合度，然后通过一级反应模型计算不同温度下的反应速率常数，结合阿伦尼乌斯方程估算反应的活化能；
[0011](5)结合步骤(4)计算的活化能与步骤(3)蒙特卡洛方法获得的反应速率常数，运用阿伦尼乌斯方程计算特定温度条件下的反应速率常数，最后将老化终态纸样的平均聚合度、未老化的纸样的平均聚合度以及特定温度条件下的反应速率常数带入一级反应模型中，即估算出纸张寿命。
[0012]本专利技术通过纸样人工加速老化方法，运用凝胶渗透色谱的分子量表征技术，联合
蒙特卡洛计算机模拟技术预估纸张的寿命。蒙特卡洛方法能够弥补凝胶色谱表征的不足，筛选符合纸样老化机制的动力学模型，全面提供老化反应体系中的分子量分布，大大提高纸张寿命预估结果的有效性；本专利技术预测纸张在特定温度条件(例如室温)下的保存时间，对环境的依赖性小，能够推广到其他不同的实验室
[0013]进一步地，待测纸样至少在4个不同温度下进行干热老化实验。
[0014]进一步地，所述的待测纸样在恒温老化箱内干热老化实验的最低为温度为105℃，例如在105～150℃，每个温度系列下取6
‑
10个纸样。
[0015]进一步地，步骤(3)通过蒙特卡洛方法对未老化纸样的分子量分布进行模拟，相关算法如下：
[0016]计算聚合度为i数量为N
i
的分子发生降解反应的可能性a
i*
：
[0017][0018]反应发生的时间间隔Δt直接抽样，依据
[0019][0020]参与反应的分子u通过直接抽样方式来确定，即
[0021][0022]式中，r1与r2是由计算机产生的单位区间均匀分布的随机数，k为微观反应速率常数；m为体系中聚合度的最大值。
[0023]进一步地，步骤(4)通过毛细管粘度计测定其粘均聚合度，计算公式为：
[0024][0025]一级反应模型为：
[0026][0027]阿伦尼乌斯方程为：
[0028][0029]上述公式中，[η]为特性粘度，DP
η
为粘均聚合度，DP
n
为数均聚合度，A为指前因子，R为摩尔气体常数，T为热力学温度，E
a
为表观活化能。
[0030]进一步地，所述的待测纸样剪裁至适当大小，夹持在老化箱内部的架子上使其处于悬空状态，避免触碰箱体内壁。
[0031]进一步地，所述的待测纸样的老化实验在恒定温度下不间断进行。
[0032]进一步地，一级动力学方程涉及的DP为纤维素的数均聚合度，寿命评定采用数均聚合度；
[0033]在步骤(2)中为了简化运算，采用粘均聚合度来估算活化能；
[0034]步骤(4)蒙特卡洛模拟所用的微观反应速率常数与宏观速率常数相等，其取值参考实验测试结果。
[0035]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0036]1、以蒙特卡洛模拟来辅助凝胶色谱表征结果，能够推导纸张内部纤维素分子的老化机制，从而为寿命评估提供有效的动力学模型；
[0037]2、蒙特卡洛方法能够全面提供纸张在各个分子量区间的数量分布情况，能够精确计算老化前后的平均分子量，这是单一的凝胶色谱表征所难以达到的；
[0038]3、采用人工加速纸张老化的方法，其可控性强，对环境的依赖性小，能够推广到其他实验室。
附图说明
[0039]图1为毛边纸在105℃干热老化条件下的分子量分布的实验结果；
[0040]图2为实验结果(线)与蒙特卡洛(点)结果的对比；
[0041]图3为蒙特卡洛结果的动力学分析；
[0042]图4为四组老化温度下的动力学分析结果(a)与活化能估算结果(b)；
[0043]图5为纤维素数均聚合度与寿命曲线图。
具体实施方式
[0044]下面通过具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0045]一种纸张寿命的评定方法，包括以下步骤：
[0046](1)将待测纸样置于恒温老化箱内，进行4组不同温度下的干热老化，温度设定为105℃、130℃、140℃与150℃，并间隔一定时间取样，每组取6
‑
10个纸样；
[0047](2)将105℃老化条件下的纸样以及未老化纸样溶解于二甲基乙酰胺与氯化锂的溶液中，通过凝胶渗透色谱表征不同老化时间下纸样的分子量分布；
[0048](3)通过蒙特卡洛方法对未老化纸样的分子量分布进行模拟，相关算法如下：
[0049]计算聚合度为i数量为N
i
的分子发生降解反应的可能性
[0050][0051]反应发生的时间间隔直接抽样，依据
[0052][0053]参与反应的分子u可通过直接抽样方式来确定，即
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纸张寿命的评定方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将待测纸样分为多组，分别置于多个温度下不同的恒温老化箱内进行干热老化实验，并于一定时间后取样；(2)将其中一组老化条件下的纸样和未老化纸样溶解于二甲基乙酰胺与氯化锂溶液中，然后通过凝胶渗透色谱仪表征纸样的分子量分布；(3)通过蒙特卡洛方法对未老化纸样的分子量分布进行计算机模拟，并与步骤(2)的实验结果进行比对，若模拟结果的分子量分布与实验结果一致，并且符合一级动力学反应特性，则进行步骤(4)；(4)将各组的老化纸样与未老化纸样溶解于铜乙二胺溶液中，通过毛细管粘度计测定其粘均聚合度，然后通过一级反应模型计算不同温度下的反应速率常数，结合阿伦尼乌斯方程估算反应的活化能；(5)结合步骤(4)计算的活化能与步骤(3)蒙特卡洛方法获得的反应速率常数，运用阿伦尼乌斯方程计算特定温度条件下的反应速率常数，最后将老化终态纸样的平均聚合度、未老化的纸样的平均聚合度以及特定温度条件下的反应速率常数带入一级反应模型中，即估算出纸张寿命。2.根据权利要求1所述的一种纸张寿命的评定方法，其特征在于，待测纸样的干热老化实验至少在4个不同温度下进行。3.根据权利要求2所述的一种纸张寿命的评定方法，其特征在于，所述的待测纸样在恒温老化箱内干热老化实验的最低为温度为105℃。4.根据权利要求3所述的一种纸张寿命的评定方法，其特征在于，所述的待测纸样在恒温老化箱内干热老化实验的温度为105～150℃，每个温度系列下取6
‑
10个纸样。5.根据权利要求1所述的一种纸张寿命的评定方...

【专利技术属性】
技术研发人员：金超，张红东，杨玉良，杨光辉，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：