紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力及其在造紙工業(yè)中的應(yīng)用研究進展

沙九龍　王　晨　James Olson　張　輝

(1.南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室,江蘇南京,210037；2.Pulp and Paper Center, University of British Columbia, Vancouver, V6T1Z4,Canada；3.南京林業(yè)大學(xué)江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇南京,210037)

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綜述

紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力及其在造紙工業(yè)中的應(yīng)用研究進展

沙九龍1,2,3王晨1,2,3James Olson2張輝1,3,*

(1.南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室,江蘇南京,210037；2.Pulp and Paper Center, University of British Columbia, Vancouver, V6T1Z4,Canada；3.南京林業(yè)大學(xué)江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇南京,210037)

紙漿纖維懸浮液是以纖維為固相的非均相混合物,屬多相流體。屈服應(yīng)力作為紙漿纖維懸浮液最重要的流變參數(shù)之一,在制漿造紙高效、節(jié)能、低耗的生產(chǎn)操作技術(shù)及裝備的優(yōu)化設(shè)計方面扮演著重要的角色。本文就紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力的產(chǎn)生及其影響因素、測量方法及裝置進行歸納和總結(jié)；在此基礎(chǔ)上,闡述了紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力在制漿造紙生產(chǎn)中的應(yīng)用,并對紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力的進一步研究及其在造紙工業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用提出了思路。

制漿造紙；紙漿纖維懸浮液；流變特性；屈服應(yīng)力

制漿造紙工業(yè)是典型的流程工業(yè),從蒸煮工段一直到造紙機上的紙張成形,都涉及到不同濃度下紙漿纖維懸浮液的流動過程。因此,為維持制漿造紙各操作單元的高效、經(jīng)濟和穩(wěn)定運行，保證良好的半成品及產(chǎn)品品質(zhì),研發(fā)相關(guān)工段的先進裝備,對紙漿纖維懸浮液的流變特性進行研究與分析具有重要的現(xiàn)實意義[1]。

影響紙漿纖維懸浮液流變特性的因素很多,包括紙漿的濃度、纖維自身的特性、纖維間的交織程度(纖維絮團)、紙漿中的添加劑,以及一些外部因素如pH值、溫度、剪切力和剪切時間等。這些因素的存在造成紙漿纖維懸浮液在剪切作用下流變特性的多變性和復(fù)雜性,給研究和測量紙漿的流變特性帶來困難[2]。目前,關(guān)于紙漿纖維懸浮液流變特性方面的研究已成為國內(nèi)外制漿造紙科研領(lǐng)域的重要課題。

屈服應(yīng)力作為紙漿纖維懸浮液最重要的流變參數(shù)之一,其在制漿造紙生產(chǎn)過程操作技術(shù)以及裝備的優(yōu)化設(shè)計方面扮演著重要的角色[3- 4]。在紙漿流變特性研究領(lǐng)域,關(guān)于紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力的研究頗多,且主要集中在測量方法上,而對于屈服應(yīng)力在制漿造紙過程操作和裝備設(shè)計方面的應(yīng)用研究卻不多見[5]。

與國外本領(lǐng)域研究現(xiàn)狀相比,國內(nèi)在研究的廣度和深度,抑或通過紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力指導(dǎo)實際生產(chǎn)和核心造紙裝備的設(shè)計方面都還有較大的差距。為系統(tǒng)性地認識和了解紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力及其在制漿造紙相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用,本文在查閱大量國內(nèi)外文獻的基礎(chǔ)上,歸納和總結(jié)了紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力的產(chǎn)生及影響因素、測量方法和裝置，并闡述了其在制漿造紙生產(chǎn)中的應(yīng)用,旨在為制漿造紙工藝與裝備技術(shù)開發(fā)的科研人員和廠商提供一定參考。

1　紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力

紙漿纖維懸浮液是以纖維作為固相的非均相混合物,屬多相流體。常用造紙纖維的平均長度為1～3 mm,長徑比約為60～100。當(dāng)紙漿纖維懸浮液達到一定的濃度時,懸浮液中的纖維由于機械交織,會形成復(fù)雜的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),即纖維絮團。絮團內(nèi)纖維間的交織纏繞會限制纖維的自由流動,同時使纖維網(wǎng)絡(luò)具備一定的抵抗外部剪切作用力的物理強度。為了使紙漿纖維懸浮液產(chǎn)生流動,需在紙漿外部施加一定的剪切力以破壞纖維間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),即剪切力的大小要超過纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強度,這個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強度稱為紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力[6]。

1.1集聚因子

對某一特定紙漿纖維懸浮液,纖維間的交織點數(shù)越多,則形成的纖維網(wǎng)絡(luò)越緊密,相應(yīng)的紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力越大。通常，用集聚因子N來描述紙漿懸浮液內(nèi)纖維交織的密集程度,數(shù)值N表示在懸浮液內(nèi)以單根纖維長度為直徑的球形區(qū)域內(nèi)纖維的總數(shù)目[7],見式(1)。

(1)

其中,L為纖維長度(m),d為纖維直徑(m),δ為纖維粗度(kg/m),Cv、Cm分別為紙漿纖維懸浮液的體積濃度與質(zhì)量濃度(%)。

在低濃條件下,紙漿中的空氣含量很低,可以將紙漿纖維懸浮液近似看作兩相流體,隨著漿濃的升高,紙漿中的空氣含量增加,此時的紙漿為含有纖維、水和氣體的多相流體。在氣體含量較高時,通常會使用體積濃度Cv來替代質(zhì)量濃度Cm,兩者之間可以互相轉(zhuǎn)換[7]。

其中,ρf為纖維的密度(kg/m3)；Xw為纖維細胞壁內(nèi)的含水率(%)；ρw為水的密度(kg/m3)；VL為纖維細胞腔體積(m3/kg)；ρb為紙漿纖維懸浮液的密度(kg/m3)。

早在1950年,Mason[8]將集聚因子N=1時的紙漿濃度定義為臨界濃度,在臨界濃度以下,紙漿懸浮液中的纖維是自由運動的,纖維之間并未產(chǎn)生機械交織,因而懸浮液中不存在網(wǎng)絡(luò)絮團。20世紀90年代,Kerekes等人[7]利用圖像分析技術(shù)發(fā)現(xiàn),當(dāng)集聚因子N=60時,單根纖維不再自由運動,纖維交織在一起形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),紙漿纖維懸浮液具有明顯的屈服應(yīng)力；通過纖維自鎖理論可以得出,此時單根纖維長度上的交織點數(shù)為3。Martinez等人[9]通過實驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)N=16時,紙漿懸浮液中纖維開始發(fā)生交織,纖維絮團開始形成,但此時的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定；當(dāng)集聚因子N<16時,懸浮液中的纖維十分稀疏,不存在纖維網(wǎng)絡(luò)。因此,Martinez將N=16定義為膠凝集聚因子,換而言之,當(dāng)N>16時,紙漿纖維懸浮液存在屈服應(yīng)力。

1.2屈服應(yīng)力的研究現(xiàn)狀

纖維絮團的存在影響著紙漿纖維懸浮液的流變特性,纖維網(wǎng)絡(luò)的纏繞交織使得紙漿纖維懸浮液呈現(xiàn)屈服效應(yīng)。自20世紀80年代以來,一些學(xué)者和科研人員一直致力于紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力方面的研究。

1981年,Gullichsen等人[10]利用轉(zhuǎn)矩流變儀測量了低濃紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力和流變曲線；Kerekes等人[11]在前人研究的基礎(chǔ)上,通過數(shù)據(jù)分析,得出紙漿纖維懸浮液在中低濃度下的屈服應(yīng)力與紙漿濃度的關(guān)系式,見式(2)。

(2)

其中,τy是屈服應(yīng)力(Pa),a和b是與纖維特性相關(guān)的常數(shù)。1990年,Bennington等人[6]通過轉(zhuǎn)矩流變儀測量木漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力,得出a和b的取值范圍分別在1.18～24.5和1.25～3.02?；诶w維網(wǎng)絡(luò)強度理論,Bennington還建立了屈服應(yīng)力與纖維長寬比、彈性模量間的定量關(guān)系。

(3)

其中,E是彈性模量(Pa),A是纖維長寬比,c為與纖維特性相關(guān)的常數(shù)。為了研究纖維特性對屈服應(yīng)力的影響,Wikstr?m等人[12]利用轉(zhuǎn)矩流變儀測試了紙漿在不同工藝條件下的屈服應(yīng)力,結(jié)果顯示屈服應(yīng)力會隨漿濃、卡伯值、纖維長度和pH值的提高而增大,而隨溫度的升高而降低。并且,Wikstr?m在式(3)的基礎(chǔ)上考慮了纖維的挺度,引入了纖維的慣性動量,得到：

(4)

其中,D為纖維內(nèi)徑(m),d為纖維外徑(m)。Andersson等人[13]考慮纖維的吸附力和彎曲力等機械作用力,建立了纖維懸浮液的屈服應(yīng)力與機械作用力間的定量關(guān)系,結(jié)果顯示屈服應(yīng)力與纖維間的吸附力呈平方關(guān)系；利用纖維的黏彈特性,Swerin等人[14]和Damani等人[15]采用平板流變儀靜態(tài)測量了紙漿纖維懸浮液的黏彈性模量,間接得出漂白化學(xué)漿的屈服應(yīng)力,但測量結(jié)果與Bennington等人的測量值相差較大。Chen等人[16]運用轉(zhuǎn)子剪切實驗對麥草漿進行中濃流體化實驗,測量了中濃草類纖維懸浮液的屈服應(yīng)力,結(jié)果表明，屈服應(yīng)力與漿濃之間依然滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系。Dalpke等人[17]測量了不同制漿方法得到的紙漿的屈服應(yīng)力,結(jié)果顯示，屈服應(yīng)力與纖維長度的平方成正比關(guān)系。TATSUMI等人[18]用平行板流變儀測定了3%質(zhì)量濃度以下的纖維素纖維懸浮液的黏彈特性,分析漿濃、纖維形狀參數(shù)對動態(tài)存儲模量和屈服應(yīng)力的影響,建立漿濃和存儲模量、屈服應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系；Ventura等人[19]利用塞爾型流變儀研究了紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力隨纖維長度、漿濃和溫度之間的變化關(guān)系,測量結(jié)果與Wikstr?m等人的研究結(jié)論一致。Derakhshandeh等人[20]運用超聲多普勒測速儀結(jié)合旋轉(zhuǎn)黏度計測量了商品木漿在0.5%～5.0%質(zhì)量濃度下的屈服應(yīng)力,結(jié)果顯示屈服應(yīng)力隨pH值的提高而增大,且pH值對化學(xué)漿屈服應(yīng)力的影響程度較機械漿大。Sha等人[21]在此基礎(chǔ)上利用相同的測量裝置研究機械處理對紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力的影響,研究發(fā)現(xiàn)，纖維表面的細纖維化以及纖維的翹曲對紙漿屈服應(yīng)力的影響很大,屈服應(yīng)力與紙漿游離度間呈非線性變化關(guān)系。為了研究纖維平均長度和粗度對屈服應(yīng)力的影響,Martinez等人[22]建立了屈服應(yīng)力與集聚因子之間的函數(shù)關(guān)系式,見式(5)。

τy=α(N-Ngel)β

(5)

其中,Ngel是膠凝集聚因子,即Ngel=16,α和β是與纖維特性相關(guān)的常數(shù)。研究結(jié)果得出β=2.3。Farnood等人[23]通過實驗分析得出類似的結(jié)論,他們發(fā)現(xiàn)，紙漿的屈服應(yīng)力與其濃度的平方成正比關(guān)系。Sha等人[24]通過多普勒測速儀結(jié)合轉(zhuǎn)矩流變儀測量不同纖維配比下的木漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力；結(jié)果顯示，混合纖維懸浮液的屈服應(yīng)力隨著長纖維配比的增加而線性增大。

當(dāng)紙漿質(zhì)量濃度Cm>8%時,纖維懸浮液中將充斥大量的空氣,為此,Pettersson等人[25]研究了高濃紙漿纖維懸浮液中空氣含量對屈服應(yīng)力的影響,見式(6)。

(6)

其中,Φ是紙漿中氣體的體積分數(shù),a,b和c是與纖維特性相關(guān)的常數(shù)。

2　紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力的測定方法

紙漿纖維懸浮液屬于多相流體,纖維絮團作為離散相,其尺寸大小約為1～3 cm[2]。商業(yè)流變儀主要采用平板和庫艾特式的結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子和定子間的間隙很小,通常在1 cm以下[26-27]。由于間隙過小,在測量紙漿纖維懸浮液的流變特性時,纖維絮團的旋轉(zhuǎn)流動受到限制,同時也會造成纖維的阻塞。此外,在低剪切速率下,由于轉(zhuǎn)子表面十分光滑,紙漿纖維懸浮液會在轉(zhuǎn)子的外圍形成一層很薄的水膜,此時的測量結(jié)果無法表征紙漿纖維懸浮液的實際特性,這種現(xiàn)象被稱為“壁面滑移”[2,26]。因此,為了更好地反映紙漿纖維懸浮液的實際流變特性,需要采用特殊的測量裝置和測量方法。

2.1測量裝置

2.1.1改進型轉(zhuǎn)子流變儀

為了消弱壁面滑移的影響,Swerin等人[14]和Damani等人[15]在流變儀轉(zhuǎn)子的表面涂覆一層砂粒,使得轉(zhuǎn)子表面的粗糙度超過轉(zhuǎn)子壁面水膜的厚度,同時,將轉(zhuǎn)子與定子的間隙調(diào)整為10 mm,可有效減弱纖維絮團的沉積和阻塞；減弱滑移效應(yīng)的另一種方法是改進流變儀轉(zhuǎn)子和槽體的結(jié)構(gòu),Gullichsen等人[10]和Bennington等人[6]采用槳葉式的轉(zhuǎn)子,并且在測量槽體內(nèi)部設(shè)置檔條來減弱滑移效應(yīng),如圖1所示。

圖1　槳葉式轉(zhuǎn)子及改進后的槽體

2.1.2管道流變儀

與靜態(tài)測量紙漿的屈服應(yīng)力不同,為了更加接近紙漿纖維懸浮液在工業(yè)生產(chǎn)中的實際流動狀況,可以根據(jù)紙漿纖維懸浮液在管路中的流態(tài)和速度分布動態(tài)計算屈服應(yīng)力[20]。紙漿纖維懸浮液在管道中流動時,隨著流速的不斷增大,紙漿纖維懸浮液的流態(tài)會由初始的塞流逐漸過渡到湍流狀態(tài)。在塞流狀態(tài)下,可將管路中紙漿纖維懸浮液的流動區(qū)域分為2部分：在緊靠管壁的環(huán)流區(qū)域,管壁剪切應(yīng)力較大,這個區(qū)域的紙漿呈黏性流動狀態(tài)；環(huán)流區(qū)以內(nèi)的塞流區(qū),纖維塞體處于整體流動狀態(tài),纖維間很少存在相對運動[28-29]。在紙漿塞流流動狀態(tài)下,通過測量纖維塞體的尺寸可以間接測量紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力。

2.2測量方法

2.2.1振蕩剪切法

利用改進后的流變儀測量紙漿纖維懸浮液的黏彈特性,可以得到紙漿纖維懸浮液的存儲模量和耗能模量,如圖2所示,此時紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力為存儲模量下降時的臨界剪切應(yīng)變與對應(yīng)的存儲模量的乘積[14-15]。

2.2.2剪切強度法

利用槳葉式流變儀,采用控制剪切應(yīng)變的模式,得到紙漿纖維懸浮液的剪切應(yīng)力隨時間變化的曲線,屈服應(yīng)力通過剪切應(yīng)力在時間域的最大值來表征[6]。

圖2　紙漿纖維懸浮液的耗能模量和存儲模量曲線

圖3　紙漿瞬態(tài)黏度η隨剪切應(yīng)力σ變化的動態(tài)曲線

圖4　低剪切速率下紙漿纖維懸浮液的剪切區(qū)域分布

2.2.3瞬態(tài)黏度法

利用槳葉式流變儀,采用控制剪切應(yīng)力的模式,測量紙漿纖維懸浮液的瞬態(tài)黏度隨剪切應(yīng)力變化的動態(tài)曲線,如圖3所示。圖3中瞬態(tài)黏度達到最大值時的剪切應(yīng)力即為屈服應(yīng)力[20]。

2.2.4流變曲線回歸法

通過測量紙漿纖維懸浮液流變曲線,即剪切應(yīng)力-剪切速率曲線,采用Herschel-Bulkley本構(gòu)方程[1]描述紙漿纖維懸浮液在層流狀態(tài)下的流變特性,并進行數(shù)據(jù)回歸得到相應(yīng)的流變參數(shù),可得到紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力。

2.2.5蠕變測試法

蠕變測試通過測量紙漿纖維懸浮液在不同剪切應(yīng)力梯度下的黏度(或剪切速率)響應(yīng)曲線來估算屈服應(yīng)力,當(dāng)施加的外部剪切應(yīng)力接近紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力時,紙漿纖維懸浮液的黏度(或剪切速率)曲線會出現(xiàn)分叉現(xiàn)象[30],產(chǎn)生分叉的黏度曲線所對應(yīng)的剪切應(yīng)力值即可近似作為紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力。

2.2.6其他方法

對于大間隙的槳葉式流變儀,在低剪切速率下,紙漿纖維懸浮液會在流變儀槽體內(nèi)形成2個區(qū)域,即剪切區(qū)和未剪切區(qū)(滯流區(qū)),如圖4所示,Derakhshandeh等人[20]利用UDV(超聲多普勒測速儀)測量紙漿纖維懸浮液剪切域屈服半徑Ry，間接計算屈服應(yīng)力。對于槳葉轉(zhuǎn)子半徑為R1(m)、高度為h(m)、槽體半徑為R2(m)的流變儀,通過測量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩M(N·m)和屈服半徑Ry(m),并利用式(7)可計算紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力。

(7)

對管道流變儀來說,在半徑R(m)、長度L(m)的管路中,紙漿纖維懸浮液處于塞流狀態(tài)時,若已知紙漿流動過程中塞體的半徑R0(m),則紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力可由此段管路的壓降ΔP(Pa)計算得出。

(8)

基于上述測量原理,Nikbakht等人[31]和Laven-son等人[32]分別利用UDV(超聲多普勒測速儀)和MRI(核磁共振成像儀)測量了紙漿纖維和玉米秸稈纖維懸浮液在管路中的塞體直徑,進而得出懸浮液的屈服應(yīng)力。目前,這種非接觸式的在線測量方法越來越受到科研和工程技術(shù)人員的青睞。

3　紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力在造紙工業(yè)中的應(yīng)用

研究和測量紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力不僅可為制漿造紙生產(chǎn)過程提供理論指導(dǎo),對于制漿造紙過程裝備的研發(fā)和應(yīng)用亦具有重要的意義。目前,關(guān)于紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力在制漿造紙工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用主要集中在以下幾個方面。

3.1紙漿管路

制漿造紙生產(chǎn)過程中都會涉及到不同濃度下紙漿纖維懸浮液的泵送和輸運,而紙漿纖維懸浮液在流動過程中的壓頭損失是設(shè)計和優(yōu)化紙漿管路系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)[33]。早在20世紀70年代,Moller[34]首次利用屈服應(yīng)力進行無量綱分析,推演出紙漿在管路中流動時的雷諾數(shù),并且測量出紙漿在不同雷諾數(shù)下的管路摩擦因子,簡化了紙漿管路壓頭損失的計算過程。該雷諾數(shù)可由式(9)計算得到。

(9)

式中，ρ和μ表示水的密度(kg/m3)和黏度(Pa·s),U和D分別表示紙漿的流速(m/s)和管路直徑(m)。

Scanpump[35]公司在Moller[36]科研成果的基礎(chǔ)上編寫了紙漿管路壓頭損失計算手冊,為合理設(shè)計和選用紙漿管路系統(tǒng)提供了依據(jù)。Moller[36]發(fā)現(xiàn),在不改變其他實驗條件的情況下,紙漿纖維懸浮液在管路中的流速升高到某一臨界值Uc時,紙漿纖維懸浮液的壓頭損失會接近純水的壓頭損失,當(dāng)流速超過Uc時,紙漿纖維懸浮液的壓頭損失會小于水,這是紙漿流送過程特有的減阻現(xiàn)象。此外,Moller還歸納出紙漿纖維懸浮液發(fā)生流動減阻的臨界條件,即Re=2。因此,結(jié)合紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力值,可以反推出臨界流速的大小,進而為減阻輸運紙漿纖維懸浮液提供理論依據(jù)。

3.2紙漿混合

漿濃在臨界濃度以上,紙漿纖維懸浮液是具有屈服應(yīng)力的非牛頓流體。在混合操作過程中,攪拌槳外圍區(qū)域內(nèi)的紙漿會吸收葉輪傳遞的轉(zhuǎn)動動量而處于流動混合狀態(tài),這個區(qū)域稱為葉輪洞穴。而洞穴外部區(qū)域的紙漿則處于滯流狀態(tài),這部分區(qū)域稱為混合死區(qū)。為保證良好的混合效果,生產(chǎn)中應(yīng)合理調(diào)節(jié)葉輪的轉(zhuǎn)速,以保證足夠的葉輪洞穴尺寸,同時避免葉輪轉(zhuǎn)速過高產(chǎn)生無用攪拌的能耗。為此,一些研究者根據(jù)生產(chǎn)需要嘗試建立數(shù)學(xué)模型用于預(yù)測葉輪洞穴的尺寸。Solomon等人[37]根據(jù)洞穴邊界表面的剪切應(yīng)力等于流體屈服應(yīng)力，建立了洞穴球體模型,見式(10)。

(10)

式中,Dc為洞穴半徑(m),D為葉輪半徑(m),ρ為紙漿纖維懸浮液密度(kg/m3)，N為葉輪轉(zhuǎn)速(r/min),P0為攪拌葉輪的功率準(zhǔn)數(shù),τy為紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力(Pa)。

Amanullah等人[38]認為，軸流式攪拌槳傳遞到洞穴邊界表面的力是切向力和軸向力的合力,并對上述洞穴球體模型進行了改進。Hui等人[39]在Amanullah的基礎(chǔ)上考慮了漿槽壁面的作用,建立了洞穴柱體模型,并通過實驗驗證得出,柱體模型預(yù)測的葉輪洞穴尺寸與實際尺寸的誤差在13%以內(nèi)。

3.3紙漿流態(tài)化

紙漿纖維懸浮液在臨界濃度以上時表現(xiàn)出屈服效應(yīng),為了泵送中濃紙漿纖維懸浮液,就必須對纖維網(wǎng)絡(luò)施加足夠的剪切應(yīng)力,使纖維網(wǎng)絡(luò)完全分散,從而使中濃紙漿流態(tài)化,具有流動特性[28]。紙漿纖維懸浮液的流態(tài)化可包含2種尺度規(guī)模,即絮團尺度和纖維尺度,2種流態(tài)化尺度分別表征絮團間的自由流動和纖維間的自由流動。對于中濃紙漿,僅需達到絮團尺度的流態(tài)化即可同低濃紙漿一樣用離心泵進行輸送[2,5]。早在20世紀80年代,Wahren[40]用單位體積紙漿所消耗能量的大小(W/m3)來定量描述紙漿初始流態(tài)化的條件,即：

(11)

其中,εF為紙漿初始流態(tài)化時的能量耗散因子,τy是紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力(Pa),μ為水的黏度(Pa·s)。

Bennington等人[41]在Wahren基礎(chǔ)上運用紙漿懸浮液的表觀黏度得出εF與漿濃Cm之間的數(shù)量關(guān)系式,即：

(12)

在中濃漿泵和混合器方面,陳奇峰等人[42]根據(jù)紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力設(shè)計了中濃紙漿泵的湍流發(fā)生器,陳克復(fù)[28]根據(jù)中濃紙漿的流態(tài)化原理設(shè)計出中濃紙漿混合器。

3.4紙張成形

紙張成形是造紙過程的重要組成部分,通過紙漿在網(wǎng)上濾水成形,將紙料抄造成為濕紙幅。因此,為了保證良好的紙張質(zhì)量,紙漿在網(wǎng)部應(yīng)均勻分散,使紙張全幅的定量、厚度和勻度等均勻一致。Martinez等人[9]發(fā)現(xiàn),當(dāng)集聚因子N<16時,纖維是自由運動的；而集聚因子N>16時,纖維的運動由于纖維間的交織纏繞而受到影響,紙張成形質(zhì)量逐漸降低。為了達到理想的成形效果,Martinez等人[22]對紙機成形部的紙幅進行取樣研究,得到流漿箱上網(wǎng)濃度的閾值,即N>16時：

(13)

3.5紙漿纖維懸浮液的計算流體學(xué)模擬與仿真

近年來,隨著大容量高速計算機的廣泛應(yīng)用,利用計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)對紙漿纖維懸浮液的流動過程進行數(shù)值計算和模擬得以快速發(fā)展[43- 44]。由于紙漿流動的復(fù)雜性,通常需要借助合適的理論假設(shè)和流動模型。當(dāng)紙漿處于層流狀態(tài)時,常用改良的Herschel-Bulkley模型作為本構(gòu)方程表征紙漿的非牛頓流體特性[45- 46],見式(14)：

(14)

4　紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力的研究與應(yīng)用展望

關(guān)于紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力的研究是一項復(fù)雜而工程意義顯著的工作,無論在基礎(chǔ)理論研究方面,還是在造紙工藝過程優(yōu)化、相關(guān)設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用方面,都具有重要的理論和實用價值。盡管目前關(guān)于紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力的研究頗多,但筆者認為在以下方面仍需繼續(xù)深入探討。

4.1紙漿纖維的物理特性方面的研究

(1)結(jié)合我國國情和造紙原料使用現(xiàn)狀,研究比較非木材纖維原料以及廢紙纖維原料的紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力。

(2)探索紙漿纖維的長度分布、纖維長徑比對紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力的影響。目前進行的相關(guān)研究主要是針對纖維數(shù)均長度和平均長徑比對屈服應(yīng)力的影響,并未考慮纖維尺寸分布狀況,因此研究尺寸分布更加均一的紙漿纖維的屈服應(yīng)力能夠進一步了解纖維尺寸對屈服應(yīng)力的影響程度。

(3)紙漿中的細小纖維會影響纖維的交織和濾水性能,而挺度反映了纖維的彈性,二者對紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力的影響還需進一步的研究。

4.2屈服應(yīng)力的測量方法和裝置方面的研究

由于紙漿纖維流變特性復(fù)雜多變,不論是科研實驗還是工業(yè)生產(chǎn),都迫切需要更加簡便快捷和精確的測量紙漿屈服應(yīng)力的方法和測量裝置,滿足經(jīng)濟、高效和實用性的要求,最終規(guī)范化并形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4.3屈服應(yīng)力在造紙相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

4.3.1紙漿流送方面的研究

減阻劑是一種高分子聚合物的化學(xué)制品,能減少液體在管道內(nèi)湍流流動時的摩阻。造紙工業(yè)中常用的減阻劑有聚丙烯酰胺和羧甲基纖維素,二者對紙漿泵送、篩選和凈化具有明顯的節(jié)能作用[47]；但其對紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力的影響卻鮮有研究,因此探索減阻劑對屈服應(yīng)力的影響并研究其機理可為改變紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力提供參考。

4.3.2碎漿及攪拌過程中轉(zhuǎn)子能效優(yōu)化的研究

探索研究不同轉(zhuǎn)子在不同工藝條件(紙漿種類、濃度)下的功率準(zhǔn)數(shù)-屈服應(yīng)力雷諾數(shù)曲線,可為轉(zhuǎn)子選型,攪拌過程優(yōu)化節(jié)能,以及根據(jù)雷諾相似準(zhǔn)則進行放大中試操作等方面提供理論依據(jù)。

4.3.3篩選和凈化方面的應(yīng)用研究

探索研究紙漿纖維在其他具有屈服應(yīng)力流體中的離心分離狀況,可將長度和長徑比不同的纖維分離開來,以此可開發(fā)新型的纖維分級裝備；研究雜質(zhì)在紙漿懸浮液中的分離阻力系數(shù)隨屈服應(yīng)力的變化曲線,可為改善和提升凈化能效提供理論依據(jù)。

4.3.4紙張成形方面的應(yīng)用研究

探索研究夾網(wǎng)成形以及填料、化學(xué)助劑等濕部非纖維添加物的種類及含量對紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力的影響,可為紙機濕部的穩(wěn)定運行提供參考。

4.4其他方面

隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展,資源、環(huán)境和能源等問題已成為各國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。因此,尋找低成本、綠色環(huán)保、可再生的資源成為世界各國的重點研究方向。其中,以木材纖維為原料生產(chǎn)和制備微纖化纖維和納米纖維具有良好的發(fā)展前景[48]。而生產(chǎn)和應(yīng)用納米纖維仍需將其配制成纖維懸浮液,因此對納米纖維懸浮液的屈服應(yīng)力進行前瞻性研究符合經(jīng)濟社會發(fā)展的需要；其次,利用納米纖維素配制紙張表面高級涂料或3D打印等功能性材料過程中也需要了解其流變過程,科研人員需持續(xù)關(guān)注這些方面的研究動態(tài)。

5　結(jié)束語

紙漿纖維懸浮液是以纖維作為固相的非均相混合物,屬多相流體。纖維絮團的存在使紙漿纖維懸浮液呈現(xiàn)屈服效應(yīng)。根據(jù)紙漿的屈服應(yīng)力可為管路優(yōu)化、紙漿混合與泵送、紙張成形以及計算機流體仿真提供理論依據(jù)。

目前，國內(nèi)外關(guān)于紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力的研究主要集中在3個方面：①紙漿纖維物理特性及一些外部因素如溫度、pH值和剪切作用對屈服應(yīng)力的影響；②紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力的測量方法和測量裝置；③紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力在造紙工業(yè)中的應(yīng)用。

在紙漿流變特性領(lǐng)域,國內(nèi)關(guān)于紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力的研究甚少,國內(nèi)在研究的深度和廣度,以及利用紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力指導(dǎo)實際生產(chǎn)和核心裝備的開發(fā)方面與國外造紙工業(yè)發(fā)達國家還有較大差距。

在有關(guān)紙漿纖維原料、纖維尺寸分布和細小纖維含量、填料和化學(xué)助劑等添加物的種類及含量等因素對屈服應(yīng)力的影響方面,新型快捷高效的屈服應(yīng)力測量方法和裝置方面,以及屈服應(yīng)力在紙漿減阻流送、轉(zhuǎn)子優(yōu)化、新型篩選和凈化裝置與工藝、紙張成形和纖維素類納米材料等領(lǐng)域的應(yīng)用方面還需不斷研究和探索。

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Research Progress about the Yield Stress of Pulp Fiber Suspension and Its Application in Pulp and Paper Industry

(責(zé)任編輯：馬忻)

SHA Jiu-long1,2,3WANG Chen1,2,3James Olson2ZHANG Hui1,3,*

(1.JiangsuProvincialKeyLabofPulpandPaperScienceandTechnology,NanjingForestryUniversity,Nanjing,JiangsuProvince, 210037; 2.PulpandPaperCenter,UniversityofBritishColumbia,Vancouver,V6T1Z4,Canada; 3.JiangsuCo-InnovationCenterforEfficientProcessingandUtilizationofForestResources,

NanjingForestryUniversity,Nanjing,JiangsuProvince, 210037)

(*E-mail： zhnjfu@163.com)

Pulp fiber suspension is multiphase heterogeneous mixture, within which fibers are considered as solid phase. Yield stress is one of most important rheological properties of pulp fiber suspension which plays an important role in design and effective operation of the equipment in pulp and paper industry. This paper reviewed past studies on the generation and measurements of yield stress of pulp fiber suspension and its impact factors, moreover, details about the applications of yield stress of pulp fiber suspension in pulp and paper industry were presented as well. In addition, further studies and applications of yield stress of pulp fiber suspension in relevant fields of papermaking industry were discussed.

pulp and papermaking； pulp fiber suspension； rheology； yield stress

2016- 01- 25

江蘇省高校博士研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(KYLX15_0933)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(PAPD)。

沙九龍，男，1988年生；在讀博士研究生；主要從事制漿造紙節(jié)能減排技術(shù)與裝備方向研究。

*通信聯(lián)系人:張輝，E-mail:zhnjfu@163.com。

TS71

A

1000- 6842(2016)03- 0050- 08