木片浸漬程度數(shù)學模型的應用

呂衛(wèi)軍 曹春昱 薛崇昀 劉錫炳 黎的非 張 勇

（1.中國制漿造紙研究院，北京，100020；2.赤天化紙業(yè)股份有限公司，貴州赤水，564700）

木片浸漬對于化學漿和化學機械漿非常重要［1］。19世紀50～60年代，木片浸漬機理在研究過程中得到了不斷發(fā)展和完善［2-3］。近年來，隨著人們對蒸煮前和機械處理前預浸漬重要性認識的進一步提高，不少研究者采用數(shù)學建模的方式來研究木片浸漬過程，這些數(shù)學模型有些偏重于滲透過程，有些偏重于擴散過程。能夠最終表達木片浸漬程度的數(shù)學模型并不多見［4-5］。本實驗在已建立的木片浸漬程度數(shù)學模型［6］的基礎上提供了數(shù)學模型的應用實例，以供參考。

1 實驗

1.1 原料與儀器

用于木片浸漬程度評價的原料為紅松，切片大小為60mm（L）×60mm（T）×（3、5、7、9mm）（R），紅松片需六面刨光，將其放入無干燥劑的干燥器中平衡水分備用。

主要儀器有秒表、天平（0.0001g）、水浴鍋、家用小型蒸鍋。

1.2 實驗方法

1.2.1 木片厚度對浸漬程度的影響

將厚度為3mm的木片從干燥器中取出，迅速將木片完全浸入溫度80℃、NaOH濃度0.5mol/L（密度1.02g/cm3）浸漬液中，在規(guī)定的時間內(nèi)取出（木片取出時間分別為2.5、5.0、10.0、15.0、25.0、30.0、45.0、60.0、120.0、180.0min），在木片表面無液滴滴落時稱取質(zhì)量，最后在105℃烘至恒重，測定絕干質(zhì)量。厚度為5、7、9mm的木片浸漬程度測定方法同上。

1.2.2 預汽蒸對木片浸漬程度的影響

實驗所用木片厚度為3mm，實驗步驟如1.2.1所述，不同之處是在浸漬前須對木片進行預汽蒸。預汽蒸在小型家用蒸鍋中常壓進行，待鍋中液體沸騰后將木片放在篦子上進行預汽蒸，時間分別為5和10min，預汽蒸完成后迅速將木片放入浸漬液中。

1.2.3 添加表面活性劑對木片浸漬程度的影響

實驗所用木片厚度為3mm，實驗步驟如1.2.1所述，不同之處是浸漬液中需添加1％（質(zhì)量分數(shù)）的表面活性劑。

1.2.4 溫度和pH值對木片浸漬程度的影響

實驗所用木片厚度為3mm，實驗步驟如1.2.1所述，不同之處是浸漬液分別為20℃和80℃的NaOH（0.5mol/L）溶液和20℃的水。

1.2.5 木片密度和漿料性能的測定

木片的絕干密度按照GB/T1933—1991進行測定；木片骨架密度采用空隙率測定儀AutoPoreⅣ9500進行測定。

1.2.6 木片浸漬程度的計算木片浸漬程度采用下式進行計算：

其中，ρw=1.35g/cm3；ρdc=0.47g/cm3；ρl=1.02g/cm3；ml/mdc為浸漬后木片中水分與木片絕干質(zhì)量的比值。

1.2.7 數(shù)據(jù)處理

采用Origin7.5的ExpAssoc方程對所得數(shù)據(jù)進行非線性擬合處理。

2 結果與討論

2.1 木片厚度對浸漬程度的影響

不管是闊葉材還是針葉材，液體在木片內(nèi)部的徑向流動都是主導因素［2-3］。已有研究表明，木材徑向的質(zhì)量流是橫向和切向的50～200倍，因此木材的長度對于液體的浸漬來說是關鍵的因素［7］。一些直接的和間接的實驗表明，減小木材的長度可以提高浸漬程度［8］。然而有關木片厚度對浸漬程度影響的研究并不多見。本實驗僅就木片厚度對浸漬程度的影響進行研究，結果如圖1所示。

圖1 木片浸漬程度隨木片厚度的變化

從圖1可以看出，木片浸漬程度隨浸漬時間的延長總體呈上升趨勢。浸漬時間為60min時，木片厚度從9mm降低到3mm，木片浸漬程度由0.231增加至0.474，提高了105％。從擴散理論上講，由于木片厚度的減小能夠為浸漬液擴散和空氣溶解提供短的途徑，最終影響浸漬程度。隨著木片厚度的降低，同一時間點的木片浸漬程度有所提高，也就是說木片厚度會影響最終浸漬程度。

2.2 預汽蒸對木片浸漬程度的影響

木片毛細管孔隙中存在的空氣是影響木片浸漬最為主要的因素之一，在浸漬前盡量去除孔隙中的空氣是木片達到完全浸漬的前提條件。最常用的空氣去除技術是常壓或超常壓下的預汽蒸［9］。但預汽蒸對木片浸漬程度到底有多大的影響，少有量化的數(shù)據(jù)可查。本實驗通過木片浸漬程度數(shù)學模型研究了預汽蒸對木片的浸漬程度的影響，結果如圖2所示。

由圖2可以看出，在無預汽蒸的條件下，浸漬60min時，木片的浸漬程度為0.471。預汽蒸5min后做同樣的處理，木片浸漬程度可以達到0.573，相比無預汽蒸，木片浸漬程度提高了21.7％。延長預汽蒸時間到10min，木片浸漬程度進一步提高至0.609，相比無預汽蒸，木片浸漬程度提高了29.3％。從實驗結果來看，預汽蒸對于提高木片的浸漬程度非常有效，但是把預汽蒸時間由5min增加至10min，浸漬程度僅增加了6.3％。雖然預汽蒸最為重要的因素是預汽蒸時間［10］，但從實驗結果看，預汽蒸時間并不是越長越好。理論上講，當水蒸氣的分壓與環(huán)境的壓力相同時，存在于木片孔隙中的空氣將被完全去除。因此，要達到空氣的完全去除，首先要保證預汽蒸時間，另外，要處理好水蒸氣壓力和溫度的關系。

圖2 不同預汽蒸時間對木片浸漬程度的影響

2.3 添加表面活性劑對木片浸漬程度的影響

向浸漬液添加表面活性劑能減小液-固接觸角和增大木材表面的潤濕能力。表面活性劑還可以通過對含羥基抽出物的潤濕和乳化作用來改善浸漬效果［11-12］。另外，表面張力的減小也可能對浸漬作用產(chǎn)生負面影響。事實上，表面活性劑的使用首先還是要考慮毛細管結構和木材的組成成分。表面活性劑的作用機理尚未完全清楚。有些研究表明，表面活性劑對浸漬效率的作用很小或沒有［11］；而在有些實驗中，向蒸煮液中添加表面活性劑會改善蒸煮效果，蒸煮效果的改善主要是由于浸漬效果的改善引起的［12-13］。

如前所述，在木片進行化學或機械處理前添加表面活性劑，對木片浸漬程度有多大的影響及其影響方式如何，目前尚無定論。雖然現(xiàn)在已有研究開始涉及這個領域，但也很少看到量化的數(shù)據(jù)。本實驗通過木片浸漬程度數(shù)學模型研究了添加表面活性劑對木片浸漬程度的影響，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，浸漬60min時，添加表面活性劑處理的木片較未添加表面活性劑處理的木片浸漬程度由0.474增加至0.558，浸漬程度提高了17.7％。而在180min時，添加表面活性劑處理的木片比未添加表面活性劑處理的木片浸漬程度由0.663增加至0.671，木片浸漬程度僅提高了1.2％。結果表明，表面活性劑可以加快液體向木片內(nèi)部浸漬滲透的速度，但加速作用隨著時間的延長趨于緩和。

從圖2和圖3可以看出，預汽蒸和添加表面活性劑對木片浸漬程度的影響是不同的。預汽蒸的主要作用是移除存在于木片孔隙中的氣體。氣體的移除一方面是由于氣體自身的熱膨脹，另一方面是由于溫度的提高使水蒸氣的分壓增加，從而驅(qū)趕存在于木片孔隙中的氣體。氣體的移除會對木片最終的浸漬程度產(chǎn)生明顯的影響，而且這種影響隨時間變化不大。添加表面活性劑會導致液-固接觸角減小和木片表面潤濕性能增加，從而加速浸漬速率，最終影響木片浸漬程度。但這種加速作用隨時間的延長而減弱或消失。

圖3 添加表面活性劑對木片浸漬程度的影響

采用表面活性劑強化預浸漬已經(jīng)成為節(jié)能降耗的一個研究方向。然而，面對諸多的表面活性劑，如何進行選擇是一個急需解決的問題。對每一種表面活性劑都進行制漿實驗將花費大量的時間，并消耗大量的人力和物力。本實驗對6種不同的表面活性劑采用木片浸漬程度數(shù)學模型進行篩選，結果如表1所示。

表1 不同表面活性劑浸漬程度對比

從表1中可以看出，浸漬液中添加表面活性劑GRK2后，木片浸漬程度低于空白實驗，因此，GRK2并不能提高木片的浸漬程度，甚至對于木片浸漬效果有負作用。向浸漬液中添加表面活性劑DEP-70、MA-240、GRK1，木片浸漬程度提高了13.3％～15.3％。浸漬液中添加表面活性劑1和表面活性劑2的效果最為明顯，表面活性劑1能將浸漬液向木片內(nèi)部浸漬的程度提高28.0％，表面活性劑2能提高24.3％。由以上的實驗結果可以看出，如果采用表面活性劑進行強化預浸漬實驗，可以選擇對木片浸漬程度提高較為明顯的表面活性劑1和表面活性劑2，且表面活性劑1效果優(yōu)于表面活性劑2。實驗也表明，采用木片浸漬程度數(shù)學模型可以快速對不同表面活性劑進行篩選，縮小表面活性劑的篩選和實驗范圍。

2.4 溫度和pH值對木片浸漬程度的影響

浸漬過程中，溫度、壓力和浸漬液pH值等條件的變化可以影響到木片浸漬程度的變化。本實驗僅就溫度和pH值對木片浸漬程度的影響進行探討，結果如圖4所示。

圖4 溫度和pH值對木片浸漬程度的影響

從圖4可以看出，當浸漬液的pH值相同時（為同濃度NaOH），提高浸漬液的溫度可以明顯提高木片浸漬程度。浸漬60min時，NaOH浸漬液溫度由20℃提高至80℃，木片浸漬程度提高38.2％。在低于沸點和恒壓的條件下，提高溫度會提高浸漬液的滲透速率，這主要是由于提高溫度可以降低浸漬液的黏度［2-3］。浸漬液的溫度也可能通過影響木材的毛細管結構和影響潤脹而改變滲透過程［14］。溫度對浸漬液向木材內(nèi)部滲透的最終影響還要決定于木材的類型、浸漬液性質(zhì)和浸漬壓力等因素。

浸漬液會對木材的潤脹起到不可忽視的作用。浸漬液中的羥基對于木材來說具有很強的親和性，可能會引起木材較大的潤脹作用［14］。本實驗僅對20℃下NaOH（pH值13.7）浸漬液對木片浸漬程度的影響進行了研究。研究表明，相對于純水，NaOH可以明顯提高木片的浸漬程度。然而，到目前為止，木片的潤脹是如何影響木材的毛細管結構和浸漬液的滲透過程尚未完全明了。有研究表明，像硫酸鹽蒸煮液這樣的堿性蒸煮液，由于對木片具有潤脹作用，浸漬液滲透過程相對較慢，但滲透程度卻相對較高［15］。利用木片浸漬程度數(shù)學模型還可以計算不同pH值對木片浸漬程度的影響，由于篇幅的限制，不再詳細介紹。

3 結論

通過研究木片厚度、預汽蒸和添加表面活性劑等對木片浸漬程度的影響和分析，進一步表明木片浸漬程度數(shù)學模型能夠成功表達這幾種影響因素對浸漬的影響程度，是評價木片浸漬程度的一個有效工具。

影響木片浸漬程度的因素很多，本實驗僅對部分影響因素采用木片浸漬程度數(shù)學模型進行研究。當然，利用木片浸漬程度數(shù)學模型還可以計算其他影響因素和“滲透幫助”技術對木片浸漬程度的影響。

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