剪切力對(duì)造紙濕部絮凝作用的影響

胡 芳

(齊齊哈爾大學(xué)輕工與紡織學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾，161006)

剪切力對(duì)造紙濕部絮凝作用的影響

胡 芳

(齊齊哈爾大學(xué)輕工與紡織學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾，161006)

本文綜述了剪切力對(duì)造紙濕部絮凝作用的影響，內(nèi)容包括造紙過(guò)程主要單元操作中的剪切力水平及其對(duì)絮凝的影響、剪切力大小的評(píng)價(jià)、選擇性解聚的現(xiàn)象、不同助留體系形成絮體的抗剪切性和可逆轉(zhuǎn)性以及絮凝過(guò)程控制。

絮凝;絮體;剪切力;助留劑

在造紙過(guò)程中，所處理的紙料都是以纖維懸浮液的狀態(tài)存在的，當(dāng)紙料流速改變時(shí)，紙料的管路運(yùn)輸、網(wǎng)上流動(dòng)和脫水成形等過(guò)程均會(huì)發(fā)生很大變化。當(dāng)流速很低時(shí)，紙料管內(nèi)流動(dòng)將形成栓流，纖維易于絮聚;當(dāng)流速太高時(shí)，網(wǎng)上流動(dòng)不均勻，紙張的性能指標(biāo)下降。紙機(jī)上脫水元件的脈動(dòng)濾水行為則直接影響著細(xì)小組分的留著率，即紙料濃度不變時(shí)，壓力脈沖越大，細(xì)小組分留著率越低。總之，“動(dòng)態(tài)”是造紙濕部的重要特性。因此，研究流場(chǎng)，特別是流場(chǎng)中的流體剪切力對(duì)紙料絮凝作用的影響，具有重要的意義。

1 造紙單元操作中的剪切力

在一個(gè)典型的造紙過(guò)程中，纖維懸浮液會(huì)經(jīng)過(guò)一系列的單元操作。表1表明了這些單元操作的主要功能［1］，并列出了流體動(dòng)力學(xué)剪切力的程度，以及這些操作如何影響絮凝。

如表1所述，只有單根纖維能夠通過(guò)紙機(jī)系統(tǒng)壓力篩的篩縫。但是，這樣的纖維上附著有許多細(xì)小組分。例如，附著了碳酸鈣微粒的纖維可以毫無(wú)困難地通過(guò)壓力篩。另一方面，流體動(dòng)力學(xué)剪切力會(huì)使部分細(xì)小組分被除去。造紙工作者可以通過(guò)選擇在壓力篩之前或之后加入高分子質(zhì)量絮凝劑來(lái)調(diào)節(jié)其操作結(jié)果。

除了表1中所列舉的造紙各單元操作的功能外，造紙過(guò)程的單元操作還提供了許多加入助劑或化學(xué)品的位置。通過(guò)選擇不同的加入點(diǎn)，操作者能夠在實(shí)際生產(chǎn)中選擇混合條件以及每種化學(xué)品在紙幅成形前存在于纖維懸浮液中的時(shí)間的長(zhǎng)短。優(yōu)化化學(xué)助劑添加順序，對(duì)過(guò)程效率和產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響。

2 剪切力的大小

絮凝是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，其效果由絮凝劑的化學(xué)作用和物系的流體動(dòng)力學(xué)行為決定。G值 (水體流動(dòng)的速度梯度)大小表征物系中剪切力的強(qiáng)弱。在膠體顆粒絮凝過(guò)程中，剪切力作用至關(guān)重要。一方面剪切力可保證顆粒間的有效碰撞，為顆粒的碰撞提供能量，同時(shí)也使絮凝劑快速、均勻地分散，促使顆粒迅速生長(zhǎng);另一方面，當(dāng)顆粒聚集體生長(zhǎng)到足夠大時(shí)，剪切力的存在使較大顆粒聚集體發(fā)生機(jī)械破碎及骨架變形，使聚集體粒徑逐漸衰減，結(jié)構(gòu)愈加密實(shí)。對(duì)于剪切力控制的膠體顆粒絮凝過(guò)程，物系中層流剪切、湍流剪切及湍流慣性碰撞等流體動(dòng)力學(xué)條件尤為重要，這些因素相互作用，共同影響絮凝過(guò)程的進(jìn)行和效率。根據(jù)流動(dòng)性質(zhì)的不同，Teresa等［2］提出G值的大小通過(guò)不同的方式進(jìn)行估算。王補(bǔ)宣等［3］認(rèn)為G值大小反映了輸入系統(tǒng)的能量強(qiáng)度，影響G值大小的因素除了流體動(dòng)力學(xué)條件外，絮凝劑的用量、物理化學(xué)性質(zhì)，膠體顆粒的體積大小、空間分布、表面性質(zhì)等都會(huì)引起能量耗散與分布不均，對(duì)絮凝過(guò)程產(chǎn)生重要影響。綜合上述因素，將G值表述為:

表1 典型紙機(jī)的單元操作、剪切力水平和對(duì)絮凝作用的影響

式中，K1是促進(jìn)膠體顆粒發(fā)生絮凝的因素;K2是引發(fā)膠體顆粒發(fā)生破碎的因素。如此，G值的物理意義將發(fā)生改變，表征了給定系統(tǒng)中膠體顆粒絮凝與破碎的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果。

3 選擇性解聚——絮體類型及剪切力的作用

要實(shí)現(xiàn)理想的成形，人們不希望破壞纖維-細(xì)小纖維以及纖維-填料之間的異質(zhì)絮體，這種絮體對(duì)于它們?cè)诩埛械牧糁抢硐氲?。但是如果絮體太大，就會(huì)降低紙張勻度。而在造紙過(guò)程中的實(shí)際情況，與人們的這一期望是相符的。有研究者提出［1］，分離所需的臨界剪切力，與微粒的R-3/2成正比，因此將微粒從某一表面上通過(guò)形成滾動(dòng)而分離，微粒越小所需的剪切力越大。分離填料-纖維所需要的剪切力為分離纖維-纖維所需要的剪切力的1600倍。這個(gè)結(jié)果盡管是個(gè)估計(jì)值，但說(shuō)明與將兩根纖維彼此分開(kāi)相比較，將填料微粒從纖維表面分離下來(lái)需要相當(dāng)大強(qiáng)度的流送。這為造紙工作者提供了便利，通過(guò)選擇助留劑和適當(dāng)?shù)奶砑游恢?，即具有一定剪切程度的單元操作，就可以形成一定?qiáng)度的絮體，使纖維的聚集不能夠保持，但又不會(huì)破壞細(xì)小纖維和填料在纖維上的吸附，這樣就可以同時(shí)優(yōu)化成形和留著［4］。

4 不同助留體系形成絮體在剪切力下的作用

不同的助留機(jī)理形成的絮凝作用有很大差別，絮體具有不同的抗剪切性和可逆轉(zhuǎn)性。

4.1 電荷中和、補(bǔ)丁機(jī)理和架橋機(jī)理

Blanco等［5］研究了 CPAM、PEI和硫酸鋁對(duì)于1%碳酸鈣懸浮液的絮凝過(guò)程，研究結(jié)果表明，PAM通過(guò)架橋絮凝機(jī)理形成的絮體較大，PEI通過(guò)補(bǔ)丁機(jī)理形成中等的絮體而硫酸鋁通過(guò)電荷中和作用形成的絮體最小。不同絮體的性質(zhì)也不同，當(dāng)采用硫酸鋁時(shí)，增加攪拌速率很容易使絮體破碎，當(dāng)攪拌速率降低時(shí)，絮體的尺寸幾乎完全恢復(fù)。但是，當(dāng)使用PAM時(shí)，絮凝較慢，而且比PEI和硫酸鋁需要更長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到最大尺寸。PEI表現(xiàn)出的性質(zhì)居中，它通過(guò)補(bǔ)丁機(jī)理發(fā)生絮凝。

硬絮體的破碎涉及到助留劑聚合物中共價(jià)鍵的斷裂，重新分散的絮凝懸浮液中，絮凝劑的平均分子質(zhì)量被發(fā)現(xiàn)大大減小了，在每個(gè)被分開(kāi)的表面上留下了聚合電解質(zhì)的片段。由于流體動(dòng)力學(xué)作用引起的顆粒表面的分子運(yùn)動(dòng)，以及受附近細(xì)小組分或纖維表面相反電荷的影響，聚合物會(huì)重新組織。此時(shí)，聚合物的作用類似低分子質(zhì)量聚合電解質(zhì)引起的補(bǔ)丁效應(yīng)，并形成松軟絮聚體。與架橋作用相比較，補(bǔ)丁機(jī)理的可逆轉(zhuǎn)性更強(qiáng)，因?yàn)殪o電吸引力是可以逆轉(zhuǎn)的。補(bǔ)丁絮凝劑以平坦的構(gòu)型被吸附，在剪切過(guò)程中不易發(fā)生分子鏈的斷裂。

聯(lián)合使用絮凝劑可獲得協(xié)同效果，形成更強(qiáng)的絮體并在分散后有較高的再絮凝能力。

4.2 雙元聚合物體系

典型雙元聚合物體系通?；谝环N高電荷的短鏈陽(yáng)電荷聚合物，然后再應(yīng)用一種高分子質(zhì)量的陰離子聚合物。補(bǔ)丁和架橋絮凝的聯(lián)合，以及相反電荷聚合物之間的較強(qiáng)的靜電相互作用，使得絮體的強(qiáng)度更高，抗剪切力更強(qiáng)。

4.3 微粒體系

微粒體系大多基于陽(yáng)離子聚合物和陰離子微粒的聯(lián)合作用。這些體系的一般思想是在早期向紙料中加入陽(yáng)離子聚合物，形成初始的大規(guī)模絮凝，這一絮凝被剪切力分解。然后在靠近流漿箱處加入微粒，形成第二次絮凝，主要由與吸附的陽(yáng)離子聚合物之間電荷相互作用控制。由于靜電相互作用，由加入微粒引起的絮凝對(duì)重新構(gòu)型和被吸附陽(yáng)離子聚合物鏈的斷裂不敏感。

Lindstr?m［6］首先描述了微粒助留體系具有可逆轉(zhuǎn)性，在網(wǎng)部和壓榨部提供更快速的脫水，并且干燥后紙張的孔隙度更高。夏新興等的研究發(fā)現(xiàn)［7］，微粒助留體系比陽(yáng)離子聚丙烯酰胺 (CPAM)單元助留體系具有更好的留著和抗剪切性能。Swerin［8］對(duì)比CPAM作為單元體系和微粒體系的可逆轉(zhuǎn)性。研究發(fā)現(xiàn)，CPAM單獨(dú)使用時(shí)，絮體尺寸隨時(shí)間的進(jìn)行而衰減，而加入微粒形成了高度的再絮凝，即衰減趨勢(shì)降低。微粒體系具有更強(qiáng)的可逆轉(zhuǎn)絮凝的性質(zhì)也被Alfano 等［9］證實(shí)。

4.4 網(wǎng)絡(luò)絮凝

Se-Young等［10］研究高嶺土懸浮液在湍動(dòng)條件下由不同聚合物體系引起的絮凝和再絮凝，聚合物體系包括:單元聚合物、雙元聚合物、微粒和PEO/PFR體系。研究認(rèn)為，由PEO/PFR體系形成的絮體，比其他系統(tǒng)具有更高的初始抗剪切力，但在連續(xù)剪切條件下的再絮凝不明顯，因?yàn)槿鄙匐姾勺饔昧?。Cadotte等［11］的研究發(fā)現(xiàn)，由PEO和CF形成的絮體強(qiáng)度最大，而PEI和PAC形成的絮體的強(qiáng)度最低。PEO/CF絮體隨時(shí)間和剪切力而分解，并且不會(huì)重新形成。

5 絮凝過(guò)程控制

紙機(jī)上絮凝的優(yōu)化通?；趯?duì)濃度、留著和電荷的檢測(cè)。有幾種在線濕部化學(xué)檢測(cè)設(shè)備用于濃度、留著和電荷的檢測(cè)，但對(duì)于絮凝控制而言均屬于非直接控制，而直接用于控制絮凝的絮凝探測(cè)器可以大大改善過(guò)程控制。

5.1 脈沖光散射分析儀 (Photometric Dispersion Analyser，PDA)

檢測(cè)分散穩(wěn)定性的一種方法是記錄PDA濁度信號(hào)的均方差，稱為絮凝指數(shù) (Flocculation Index，F(xiàn)I)，該值與絮聚的程度和絮聚體尺寸有關(guān)［12］。通過(guò)PDA對(duì)紙料絮凝過(guò)程的監(jiān)測(cè)，其FI曲線的變化可直接反映水中顆粒物的絮凝狀態(tài)［13］。如圖1的絮凝測(cè)定裝置［14］，對(duì)比了3個(gè)點(diǎn)的絮凝情況。張紅杰等［15］將PDA與DDJ相結(jié)合，高效、直觀、動(dòng)態(tài)地表征了高得率漿的不同替代比例對(duì)CPAM/膨潤(rùn)土助留系統(tǒng)負(fù)面影響的程度和過(guò)程。

圖1 絮聚測(cè)定裝置

5.2 聚焦光束反射測(cè)量?jī)x (Focused Beam Reflectance Measurement，F(xiàn)BRM)

早在20世紀(jì)90年代就開(kāi)始利用激光技術(shù)優(yōu)化絮凝，通過(guò)研究絮凝、解絮和再絮凝來(lái)研究絮體抗剪切力的能力，而FBRM的特點(diǎn)是可以在線測(cè)量顆粒系統(tǒng)的粒徑分布。FBRM探測(cè)器示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 FBRM探測(cè)器示意圖

如圖2所示［16］，探頭內(nèi)部發(fā)射出的高度聚焦的激光束穿過(guò)探頭窗口附近的顆粒，并產(chǎn)生反射，直到激光束到達(dá)顆粒的另一端。FBRM接收反射信號(hào)，計(jì)算出激光束經(jīng)過(guò)顆粒的時(shí)間，并折算成兩端的距離，即弦長(zhǎng) (chord length)。FBRM每秒可以測(cè)得上百萬(wàn)個(gè)弦長(zhǎng)，從而在很短的時(shí)間內(nèi)就可得到一個(gè)弦長(zhǎng)頻率分布，弦長(zhǎng)分布為懸浮液微粒系統(tǒng)提供了一種微粒數(shù)量定量和尺寸信息的方法。目前FBRM在造紙濕部絮凝中的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面［17］:①紙機(jī)系統(tǒng)在線測(cè)量和化學(xué)處理優(yōu)化控制;②白水絮凝與DCS失穩(wěn)過(guò)程的研究;③紙漿懸浮液化學(xué)絮凝機(jī)理與流變性之間關(guān)系的研究;④助留體系絮凝機(jī)理及絮體性質(zhì)。

5.3 基于動(dòng)力學(xué)與分形分析的絮凝控制新指標(biāo)

赫俊國(guó)等［18］通過(guò)對(duì)湍流水體中絮凝體的受力分析表明，在絮凝工藝中特征尺度量級(jí)的渦旋起重要作用，其離心慣性效應(yīng)是絮凝體碰撞凝聚的動(dòng)力學(xué)致因;通過(guò)對(duì)絮凝動(dòng)力學(xué)傳質(zhì)過(guò)程影響因素的分析，利用數(shù)學(xué)分析方法，確定了絮凝體密度正比于水流的剪切強(qiáng)度;通過(guò)對(duì)絮凝體的形態(tài)分析，確定了絮凝體強(qiáng)度反比于水體剪切強(qiáng)度;進(jìn)而提出一個(gè)基于動(dòng)力學(xué)與形態(tài)學(xué)分析的新絮凝控制指標(biāo)Fr0。

6 結(jié)語(yǔ)

造紙生產(chǎn)過(guò)程中，紙料時(shí)刻處于不同的剪切條件下，初始絮體常常在高剪切力下被打碎，如果剪切力被去除，會(huì)形成部分再絮凝。在大多數(shù)情況下，絮體在離開(kāi)系統(tǒng)之前必須多次經(jīng)過(guò)高和低剪切力區(qū)域。絮凝和再絮凝的動(dòng)態(tài)過(guò)程及程度復(fù)雜，并且與引起絮凝的助留劑的結(jié)構(gòu)之間有密切關(guān)系，化學(xué)和機(jī)械的因素都決定著紙張的勻度。顯然，對(duì)于絮凝和再絮凝的原理的深入理解將有助于工業(yè)過(guò)程的控制和優(yōu)化。

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Effect of Shear Force on Flocculation of Papermaking Wet-end

HU Fang
(College of Light Industry ＆ Textile Engineering，Qiqihar University，Qiqihar，Heilongjiang Province，161006)
(E-mail:fangh16@163．com)

The paper reviewed the effect of shear force on flocculation of papermaking wet-end．Hydrodynamic shear levels of unit operations of a typical papermaking process and their effects on flocculation，the level of shear force，phenomenon of selective deflocculation and resistance to shear and reversibility of flocs induced by various retention aid systems and flocculation process control were introduced．

flocculation;flocs;shear force;retention aids

TS754

A

0254-508X(2011)09-0069-04

胡 芳女士，博士，教授;主要研究方向:造紙濕部化學(xué)及造紙助劑。

2011-01-27(修改稿)

(責(zé)任編輯:馬 忻)