打漿過程預(yù)添加CMC對楊木APMP漿懸浮液屈服應(yīng)力的影響

陳樹潤， 沙九龍， 何 晶， 王 晨， 沈 軍， 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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210037；2.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;3.江蘇理文造紙有限公司，江蘇 常熟 215536)

打漿過程預(yù)添加CMC對楊木APMP漿懸浮液屈服應(yīng)力的影響

CHEN Shurun

陳樹潤1，2， 沙九龍1，2， 何 晶1，2， 王 晨1，2， 沈 軍3， 張 輝1，2*

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210037；2.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;3.江蘇理文造紙有限公司，江蘇 常熟 215536)

楊木；APMP；打漿；CMC-Na；屈服應(yīng)力

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

楊木APMP漿，初始打漿度29°SR，由山東某紙業(yè)公司提供；羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)，白色粉末狀固體，由南京某化學(xué)品公司提供。

20S2-23L型瓦利打漿機(jī)，陜西科技大學(xué)生產(chǎn)；TD7-PFI型立式磨漿機(jī)，咸陽通達(dá)輕工設(shè)備有限公司；RST-SST型流變儀，美國Brookfield公司；Morfi Comapct型纖維形態(tài)分析儀，法國TECHPAP公司；P95568型標(biāo)準(zhǔn)纖維疏解器，PTI Austria公司；P95587型肖波爾叩解度儀，PTI Austria公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 瓦利打漿機(jī)處理 稱取一定量的楊木APMP漿，用去離子水浸泡24 h，按照標(biāo)準(zhǔn)紙漿實(shí)驗(yàn)室打漿瓦利打漿機(jī)法(GB/T 24325—2009)對楊木APMP漿打漿處理，打漿時(shí)間分別為10、15和20 min。

將經(jīng)過去離子水浸泡24 h后的漿料在質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%下分別加入1%、1.5%、2%、2.5%和3%(以絕干漿質(zhì)量計(jì)，下同)的CMC-Na進(jìn)行預(yù)處理10 min，再進(jìn)行打漿處理15 min。

1.2.2 PFI磨處理 稱取一定量的楊木APMP漿，用去離子水浸泡24 h，采用纖維疏解器先對漿料進(jìn)行疏解，按照標(biāo)準(zhǔn)紙漿實(shí)驗(yàn)室打漿PFI磨法(QB/T 1463—2010)對楊木APMP漿進(jìn)行打漿，打漿轉(zhuǎn)數(shù)分別為6 000、8 000和10 000 r。

將經(jīng)過去離子水浸泡24 h后的漿料在漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%下分別加入1%、1.5%、2%、2.5%和3%的CMC-Na進(jìn)行預(yù)處理10 min，再進(jìn)行打漿處理(打漿轉(zhuǎn)數(shù)為8 000 r)。

1.3 分析方法

1.3.1 漿料的纖維形態(tài)分析 分別稱取相當(dāng)于絕干漿量40 mg的楊木APMP漿和經(jīng)過1.2節(jié)打漿處理的漿料，充分疏解后配成1 000 mL漿料懸浮液，使用纖維形態(tài)分析儀對漿料的纖維形態(tài)進(jìn)行分析。

1.3.2 剪切應(yīng)力梯度法測定屈服應(yīng)力 經(jīng)過瓦利打漿機(jī)和PFI磨處理過的楊木APMP漿分別配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、1.5%、2%、2.5%和3%的漿料懸浮液，流變儀按照剪切應(yīng)力梯度法，逐漸增加剪切應(yīng)力，得到剪切速率與剪切應(yīng)力曲線，當(dāng)剪切速率由小于1 s-1階躍到大于1 s-1時(shí)所對應(yīng)的剪切應(yīng)力即為屈服應(yīng)力(τy)

2 結(jié)果與討論

2.1 楊木APMP漿打漿度與屈服應(yīng)力的關(guān)系

用瓦利打漿機(jī)打漿，打漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，初始打漿度為29°SR，分別經(jīng)過10、15和20 min打漿后，打漿度分別為35、45和63°SR；分別測得不同打漿度的PFS的剪切速率曲線，從而得出屈服應(yīng)力(τy)如圖1(a)所示。用PFI磨打漿處理，打漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，初始打漿度為29°SR，經(jīng)過打漿轉(zhuǎn)數(shù)分別為6 000、8 000和10 000 r打漿后，打漿度分別為36、40和45°SR；同樣，分別得出對應(yīng)的屈服應(yīng)力(τy)如圖1(b)所示。

圖1 不同打漿方式和打漿度條件下PFS的屈服應(yīng)力變化曲線

按照1.3.1節(jié)的方法分析上述漿料的纖維形態(tài)，得到不同設(shè)備打漿處理后漿料纖維的數(shù)均長度和重均長度如表1所示。

表1 不同打漿方式處理后漿料纖維的數(shù)均長度與重均長度

由圖1可見，楊木APMP漿的屈服應(yīng)力隨著其漿料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而迅速增加；經(jīng)過打漿處理后，具有不同打漿度漿料的屈服應(yīng)力增加趨勢有差異。如圖1(a)所示，瓦利打漿機(jī)處理后的漿，在相同漿料質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，隨著打漿度的提高，漿料的屈服應(yīng)力逐漸減??；而經(jīng)過PFI磨打漿處理后的漿(圖1(b))，在相同漿料質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，屈服應(yīng)力隨著打漿度的提高有大幅度的增加。由表1可知，經(jīng)過瓦利打漿機(jī)處理過的漿料，隨著打漿度的提高，纖維長度大幅度減小；經(jīng)過PFI磨處理的漿料，其纖維長度減小不明顯。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因?yàn)椋和呃驖{機(jī)打漿主要是纖維的切斷作用，分絲、帚化作用相對較小，隨著打漿時(shí)間的增加所產(chǎn)生的切斷作用增大，纖維長度大幅度減小，纖維的分絲、帚化沒有明顯的增加，雖然漿料的濾水性能降低，表現(xiàn)為打漿度的提高，但是纖維之間的結(jié)合減少，纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度減小，因此經(jīng)過瓦利打漿機(jī)處理的漿料懸浮液的屈服應(yīng)力隨著打漿度的升高而不斷減小；而PFI磨打漿主要是纖維的分絲、帚化作用，切斷作用相對較小，隨著打漿轉(zhuǎn)數(shù)的增加，纖維大幅度的分絲、帚化，但是纖維長度減小不明顯，漿料的濾水性能降低，表現(xiàn)為打漿度的提高，與此同時(shí)增加了纖維之間的結(jié)合，使纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度增大，因此經(jīng)過PFI磨處理的漿料懸浮液的屈服應(yīng)力隨著打漿度的升高有明顯的增加。

由圖1可知，打漿方式的不同，使得漿料在相同的打漿度下屈服應(yīng)力有顯著差別。當(dāng)進(jìn)行低濃度游離打漿(瓦利打漿機(jī)打漿,質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%)時(shí)，主要是纖維的切斷作用，使得纖維長度大幅度減小，進(jìn)而漿料懸浮液的屈服應(yīng)力隨著打漿度的升高而減?。划?dāng)進(jìn)行中高濃度黏狀打漿(PFI磨打漿，質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%)時(shí)，主要是纖維的分絲、帚化作用，使得纖維表面積增加，纖維長度變化不明顯，進(jìn)而增加纖維之間的機(jī)械交織，增加漿料懸浮液的屈服應(yīng)力。

表2 不同打漿方式處理后漿的指數(shù)方程系數(shù)

由表2可知：2種打漿方式的R2值均很高，即與指數(shù)方程擬合程度很好，說明完全滿足該指數(shù)方程式；同時(shí)，該指數(shù)方程中系數(shù)a的大小受打漿度變化的影響較大。

2.2 添加CMC-Na預(yù)處理對打漿度的影響

按1.2節(jié)實(shí)驗(yàn)方法，對楊木APMP漿進(jìn)行添加CMC-Na預(yù)處理，CMC-Na添加量與打漿度的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可知，在相同的打漿條件(漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)和時(shí)間)下，加入CMC-Na預(yù)處理能在一定程度上提高打漿度；用瓦利打漿機(jī)和PFI磨打漿，當(dāng)添加2%的CMC-Na并預(yù)處理10 min，打漿后打漿度值最大，其中瓦利打漿機(jī)處理后的漿，其打漿度由45°SR提高到48°SR，PFI磨處理時(shí)，則由40°SR提高到50°SR；隨著CMC-Na添加量的繼續(xù)增加打漿度又開始降低。相對于瓦利打漿機(jī)，用PFI磨對經(jīng)過CMC-Na預(yù)處理的漿料打漿處理后，其打漿度提高更大。

這是因?yàn)楫?dāng)添加CMC-Na對漿料預(yù)處理時(shí)，由于CMC-Na的乳化分散性和固態(tài)分散性作用，能夠分散紙漿纖維，減少紙漿纖維之間的機(jī)械交織，從而減少漿料懸浮液的屈服應(yīng)力；瓦利打漿機(jī)打漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，屬于低濃度游離打漿，打漿作用主要是纖維的切斷，因此，打漿過程中漿料懸浮液的屈服應(yīng)力較小，漿料懸浮液的流動性較好，添加CMC-Na預(yù)處理對于打漿的影響不是很大；但是對于PFI磨而言，在漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)10%進(jìn)行中高濃度黏狀打漿，打漿作用主要是纖維的分絲帚化，因此，打漿過程中漿料幾乎不具有流動性，當(dāng)添加CMC-Na預(yù)處理后，一定程度上分散了纖維，使纖維之間的機(jī)械交織減少，增加了纖維的流動性，從而在打漿過程中使?jié){料在相同的打漿條件和打漿轉(zhuǎn)數(shù)下，打漿度有明顯的提高，而當(dāng)CMC-Na添加量過多時(shí)，反而過多地增加了纖維之間、纖維與打漿機(jī)磨片之間的滑動，使紙漿纖維難以切斷、細(xì)纖維化，不能達(dá)到提高打漿度的目的。

圖2 CMC-Na添加量對打漿度的影響

分析以上結(jié)果可以看出，打漿之前添加CMC-Na預(yù)處理在一定程度上可以提高打漿度，中高濃度黏狀打漿(如PFI磨)相較于低濃度游離打漿(如瓦利打漿機(jī))打漿效果改善更為明顯。因此，在研究中高濃打漿技術(shù)時(shí)可以考慮加入適量的CMC-Na等助劑，從而提高打漿度，實(shí)現(xiàn)打漿過程的高效節(jié)能降耗。

2.3 添加CMC-Na預(yù)處理對打漿后漿料屈服應(yīng)力的影響

按照1.2節(jié)的實(shí)驗(yàn)方法，打漿前加入一定量的CMC-Na預(yù)處理10 min，然后測定打漿后漿料懸浮液的屈服應(yīng)力(τy)，得到不同CMC-Na添加量的屈服應(yīng)力曲線，如圖3所示。

由圖3可見，加入CMC-Na預(yù)處理后再進(jìn)行打漿處理，使得打漿后漿料懸浮液的屈服應(yīng)力有明顯的降低；對于用瓦利打漿機(jī)和PFI磨，當(dāng)添加2%的CMC-Na預(yù)處理后再打漿后，得到的漿料懸浮液的屈服應(yīng)力處于最低水平，當(dāng)漿料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)漿料懸浮液的屈服應(yīng)力分別為16.4和22.8 Pa，與未添加CMC-Na的漿料相比減少了11.7和19.7 Pa；然而當(dāng)添加過量的CMC-Na時(shí)，漿料懸浮液的屈服應(yīng)力有所波動，但總體上比添加2%CMC-Na時(shí)有所增加，相對于添加3%的CMC-Na，當(dāng)添加2.5%的CMC-Na預(yù)處理后打漿所得漿料懸浮液的屈服應(yīng)力較大。出現(xiàn)這種情況的原因是：漿料中的CMC-Na能夠很好地增加漿料纖維的分散性，降低纖維之間的機(jī)械交織及其強(qiáng)度，利于漿料在打漿設(shè)備中的流動，經(jīng)過打漿處理的漿料，打漿度提高的同時(shí)，在CMC-Na的作用下，漿料纖維分散性增強(qiáng)，不利于纖維之間機(jī)械交織，因此漿料懸浮液的屈服應(yīng)力有不同程度的降低，故適量添加CMC-Na可在提高打漿度的同時(shí)降低漿料懸浮液的屈服應(yīng)力；而當(dāng)添加過量CMC-Na時(shí)，由于CMC-Na本身黏性較高，CMC-Na附著在纖維的表面，增加了漿料的黏性，使得CMC-Na分散漿料纖維的作用減弱，對于提高打漿度和降低漿料懸浮液屈服應(yīng)力的作用減弱。

對于主要以分絲帚化為主的PFI磨打漿而言，打漿之后纖維之間的機(jī)械交織作用不斷增強(qiáng)，添加CMC-Na預(yù)處理打漿，使得漿料纖維能夠很好地分散，大幅度地減少機(jī)械交織及其強(qiáng)度，從而很大程度上減少漿料懸浮液的屈服應(yīng)力；對于主要以切斷為主的瓦利打漿機(jī)而言，纖維長度大幅度減小，纖維之間的機(jī)械交織強(qiáng)度隨著打漿度的升高而減弱，添加CMC-Na預(yù)處理對于瓦利打漿機(jī)處理的漿料懸浮液的屈服應(yīng)力有所減少，但是相較于PFI磨處理，屈服應(yīng)力的減少相對較小。

分析可知：添加2%的CMC-Na預(yù)處理后進(jìn)行打漿，得到的漿料的打漿度提高最大，同時(shí)漿料懸浮液的屈服應(yīng)力處于最低水平；相對于低濃游離打漿，當(dāng)進(jìn)行中高濃度黏狀打漿時(shí)，添加CMC-Na對于打漿度和漿料懸浮液的屈服應(yīng)力的影響效果更為明顯。

表3 不同打漿方式處理后漿的指數(shù)方程系數(shù)(2% CMC-Na)

分析以上結(jié)果可知，在打漿之前加入2%的CMC-Na預(yù)處理，能最大程度提高打漿度的同時(shí)使得漿料懸浮液的屈服應(yīng)力處于最低的水平，不僅能夠降低打漿能耗，促進(jìn)后續(xù)的輸送、篩選、混合、紙頁成型等工段中漿料的流動，進(jìn)而促進(jìn)打漿、輸送等工段向著高濃方向發(fā)展；同時(shí)，在生產(chǎn)過程中可以根據(jù)打漿方式和打漿度的不同，通過該指數(shù)方程求得楊木APMP漿料懸浮液的屈服應(yīng)力的大小和變化趨勢，從而為漿料的輸送、混合、篩選和紙頁成型等工段的優(yōu)化、設(shè)計(jì)和裝備的高效節(jié)能降耗技術(shù)開發(fā)等提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)；在利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)對打漿過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬時(shí)，根據(jù)打漿過程中漿料屈服應(yīng)力的變化趨勢進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，使得模擬更加接近實(shí)際的工作情況，模擬結(jié)果對于實(shí)際生產(chǎn)情況有直接應(yīng)用意義。

3 結(jié) 論

3.2 添加CMC-Na預(yù)處理漿料10 min,則打漿過程中漿料打漿度隨CMC-Na添加量(以絕干漿質(zhì)量計(jì))的增加先升高后降低；當(dāng)CMC-Na添加量為2%時(shí)，經(jīng)瓦利打漿機(jī)處理的漿料打漿度可由45°SR提高到48°SR，而經(jīng)PFI磨處理的漿料打漿度可由40°SR提高到50°SR，并且漿料懸浮液的屈服應(yīng)力均達(dá)到最低值，分別為16.4和22.8 Pa(漿料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%)。

3.3 CMC-Na在中、高濃漿料打漿過程中對漿料流動性的促進(jìn)作用更為明顯。因此，可以應(yīng)用于中高濃度打漿、輸送、篩選和混合等制漿造紙工藝過程中，以促進(jìn)中高濃度制漿造紙技術(shù)的發(fā)展。在生產(chǎn)中可以根據(jù)打漿方式和CMC-Na預(yù)處理添加量的不同，優(yōu)化設(shè)計(jì)更為合理的技術(shù)工藝流程和選取更為合適的裝備，減少資源的消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)可為制漿造紙各工段的高效節(jié)能降耗工藝和裝備技術(shù)研發(fā)提供理論依據(jù)。

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Influence of Addition of CMC Before Refining on the Yield Stress of Refined Poplar APMP Pulp Fiber Suspension

CHEN Shurun1,2, SHA Jiulong1,2, HE Jing1,2, WANG Chen1,2, SHEN Jun3, ZHANG Hui1,2

(1.Jiangsu Provincial Key Lab of Pulp and Paper Science and Technology,Nanjing Forestry University, Nanjing 210037,China; 2. Jiangsu Co-innovation Center for Efficient Processing and Utilization of Forest Resources, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China； 3. Jiangsu Lee & Man Paper Co., Ltd., Changshu 215536, China)

poplar; APMP; refining; CMC-Na; yield stress

10.3969/j.issn.0253-2417.2017.02.014

2016- 08-26

江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(201609)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(無編號)

陳樹潤(1990— )，男，山東煙臺人，碩士生，研究方向：制漿造紙節(jié)能減排技術(shù)與裝備

*通訊作者：張 輝，教授，博士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域?yàn)橹茲{造紙節(jié)能減排技術(shù)與裝備、造紙機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)； E-mail:hgzh@njfu.edu.cn。

TQ35；TS734

A

0253-2417(2017)02- 0108- 07

陳樹潤，沙九龍，何晶，等.打漿過程預(yù)添加CMC對楊木APMP漿懸浮液屈服應(yīng)力的影響[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2017，37(2)：108-114.