纖維尺寸對(duì)漂白硫酸鹽木漿懸浮液屈服應(yīng)力的影響

王 晨, 鄭學(xué)梅, 張 輝, 沙九龍， 程金蘭

(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)

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纖維尺寸對(duì)漂白硫酸鹽木漿懸浮液屈服應(yīng)力的影響

王 晨, 鄭學(xué)梅, 張 輝*, 沙九龍， 程金蘭

(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)

WANG Chen

漂白硫酸鹽木漿；纖維懸浮液；屈服應(yīng)力；集聚因子

纖維懸浮液廣泛存在于制漿造紙、食品、聚合物及生物產(chǎn)品等化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域之中[1]，在一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)下纖維纏繞交織所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得懸浮液表現(xiàn)為非牛頓流體，需要受到一定的應(yīng)力作用才能呈現(xiàn)出屈服效應(yīng)而流動(dòng)起來(lái)，因此屈服應(yīng)力是其重要的流變性能參數(shù)之一。而對(duì)于與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)生活需要有著密切聯(lián)系的制漿造紙工業(yè)而言[2]，紙漿纖維懸浮液的屈服應(yīng)力的研究，可以為漿料的輸送、攪拌、混合、中高濃漿泵、高速紙機(jī)流漿箱等制漿造紙工藝及機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論依據(jù)[3]。已有紙漿纖維懸浮液屈服應(yīng)力的研究主要著眼于屈服應(yīng)力與質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系[4-5]，而纖維尺寸對(duì)屈服應(yīng)力影響的研究還相對(duì)較少[6-7]，對(duì)于兩者之間的關(guān)系還缺乏深入的認(rèn)識(shí)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中常將纖維尺寸不同的漿料混合后抄造，因此漿料混合后對(duì)屈服應(yīng)力的影響也需要進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)工作?；诖?，本研究采用硫酸鹽法蒸煮并漂白的針葉木和闊葉木漿板為原料，分別分析了這兩種漿料的纖維尺寸在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)和集聚因子范圍內(nèi)對(duì)屈服應(yīng)力的影響，并改變兩種漿料的質(zhì)量比，探討了混合漿料的纖維尺寸對(duì)屈服應(yīng)力的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

硫酸鹽漂白針葉木漿板(銀星)和硫酸鹽漂白闊葉木漿板(森博)。

電子天平，量程120 g，精度0.000 1 g；纖維形態(tài)分析儀Morfi (TECHPAP France)，長(zhǎng)度測(cè)量范圍0.2～10 mm，寬度測(cè)量范圍5～75 μm；流變儀Brookfield (MA USA)，采用槳式轉(zhuǎn)子，4葉片，葉片寬度為20 mm，高度為80 mm，外部槽體內(nèi)徑為120 mm，剪切力控制范圍0.7～420 Pa，剪切速率控制范圍0～306 s-1。

1.2 纖維懸浮液配制

遵照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 462—1989測(cè)定兩種漿板的干度，以確定其中的絕干漿含量，其中針葉材漿板干度為92.38%，闊葉材漿板干度為92.35%。而后依據(jù)3組實(shí)驗(yàn)中各實(shí)驗(yàn)樣本中絕干漿質(zhì)量，換算得到各樣本所需漿板質(zhì)量。表1和表2所示為各實(shí)驗(yàn)樣本的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或集聚因子，及對(duì)應(yīng)的漿板質(zhì)量。配制樣本時(shí)稱取相應(yīng)質(zhì)量的漿板在裝有900 mL去離子水的容積為1 L的玻璃燒杯中浸泡24 h，之后用疏解機(jī)疏解10 min使?jié){料分散，再加入去離子水配制成質(zhì)量為1 kg符合要求的實(shí)驗(yàn)樣本。

表1 單一漿料樣本中所需漿板質(zhì)量

表2 混合漿料各樣本中所需漿板質(zhì)量

1.3 屈服應(yīng)力測(cè)量

圖1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的針葉木懸浮液的流變曲線Fig.1 Flow curves of softwood pulp with 1% concentration

將配制好的纖維懸浮液實(shí)驗(yàn)樣本倒入流變儀測(cè)量槽內(nèi)，移動(dòng)流變儀轉(zhuǎn)子下降直至其完全沒(méi)入樣本液面以下，通過(guò)流變儀自帶程序設(shè)定其自動(dòng)工作步驟。為了保證初始條件一致，每一個(gè)的實(shí)驗(yàn)樣本在測(cè)試前由程序控制轉(zhuǎn)子對(duì)其進(jìn)行剪切速率200 s-1下預(yù)剪切3 min，再靜置5 min后開(kāi)始測(cè)量。

測(cè)量時(shí)，在控制剪切應(yīng)力模式下，使剪切應(yīng)力由較小的初始值逐步增加到某一值，在此過(guò)程中流變儀測(cè)量并記錄漿料的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線，當(dāng)在對(duì)數(shù)坐標(biāo)體系下剪切速率曲線出現(xiàn)明顯的應(yīng)力平臺(tái)，如圖1所示，即轉(zhuǎn)子發(fā)生初始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力即為漿料懸浮液的屈服應(yīng)力[8]。所有測(cè)試過(guò)程均維持在室溫20 ℃下進(jìn)行。同一實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 漿料纖維性能分析

由纖維形態(tài)分析儀測(cè)量得到的針葉木和闊葉木漿料纖維長(zhǎng)度分布如表3所示，兩種漿料的長(zhǎng)度分布均符合正態(tài)分布規(guī)律。兩種漿料及混合漿料纖維平均尺寸如表4所示?？梢钥闯觯S著針葉木漿料質(zhì)量的增加，混合漿料的纖維平均長(zhǎng)度和平均粗度都呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。

表3 兩種漿料的纖維長(zhǎng)度分布

2.2 單一漿料纖維尺寸對(duì)屈服應(yīng)力的影響

2.2.1 相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)的屈服應(yīng)力 大多數(shù)文獻(xiàn)均表明屈服應(yīng)力(τy)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Cm)之間呈冪率關(guān)系[9-10]，見(jiàn)式(1)：

(1)

式中：τy—屈服應(yīng)力，N;Cm—質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;a,b—與紙漿纖維特性相關(guān)的常數(shù)。

表4 含不同針葉木漿混合漿料的纖維平均尺寸

Kerekes等[11]在總結(jié)前人所做工作的基礎(chǔ)上，得出式(1)中參數(shù)a的范圍在1.5～25，參數(shù)b的范圍在1.7～3.0。Bennington等[12]通過(guò)轉(zhuǎn)矩流變儀測(cè)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之間，而本實(shí)驗(yàn)中所求得的針葉木和闊葉木的a和b均在此范圍之內(nèi)，由此驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

由圖2還可以看出，在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，針葉木顯示出比闊葉木更高的屈服應(yīng)力。這說(shuō)明纖維尺寸越大，相鄰纖維更容易接觸并糾纏在一起，增強(qiáng)了纖維間機(jī)械連接及纖維網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度，從而使懸浮液在宏觀上呈現(xiàn)出更高的屈服應(yīng)力。比較針葉木和闊葉木可知，纖維尺寸越大系數(shù)a增加而指數(shù)b則減小。

2.2.2 相同集聚因子范圍內(nèi)的屈服應(yīng)力 Kerekes等[13]綜合考慮了質(zhì)量分?jǐn)?shù)與纖維結(jié)構(gòu)尺寸，提出了集聚因子(N)以表征纖維交織情況，其表示在懸浮液內(nèi)以平均纖維長(zhǎng)度為直徑的球形區(qū)域內(nèi)的纖維數(shù)量。對(duì)于紙漿纖維懸浮液，集聚因子可以近似由質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Cm)、纖維長(zhǎng)度(L)和纖維粗度(δ)來(lái)表示，如式(2)所示：

(2)

將式(2)中與纖維尺寸有關(guān)的參數(shù)統(tǒng)一為形狀系數(shù)(β)，則得到式(3)：

N≈5·Cm·β

(3)

本實(shí)驗(yàn)中所使用的針葉木漿料形狀系數(shù)βA=15.72，闊葉木漿料形狀系數(shù)βB=8.8。圖3為兩種紙漿纖維懸浮液在相同集聚因子范圍內(nèi)的屈服應(yīng)力。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)纖維懸浮液屈服應(yīng)力 圖3 不同集聚因子纖維懸浮液屈服應(yīng)力

Fig.2 Variation of the yield stress versus mass fraction Fig.3 Variation of the yield stress versus crowding number

集聚因子在一定程度上反映了纖維交織情況，集聚因子越大，纖維數(shù)量則越多，形成的纖維網(wǎng)絡(luò)越緊密，因此相應(yīng)的紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力也越大。然而，在相同集聚因子下，兩種漿料的屈服應(yīng)力并不相同，形狀參數(shù)較小的闊葉木漿料有更高的屈服應(yīng)力。

將圖2和圖3中所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸得到屈服應(yīng)力與質(zhì)量分?jǐn)?shù)和形狀系數(shù)之間的關(guān)系，如式(4)所示(相關(guān)系數(shù)R2=0.986)：

(4)

由式(3)帶入式(4)，可得：

τy≈0.003·N2.2/β0.6

(5)

由式(5)可以看出，屈服應(yīng)力并不能由單一集聚因子的函數(shù)來(lái)表示，其可能的原因是懸浮液中纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與纖維接觸點(diǎn)處的作用力、接觸點(diǎn)的數(shù)量密切相關(guān)[12]。接觸點(diǎn)的數(shù)量很難測(cè)量與統(tǒng)計(jì)，但其同時(shí)受到纖維數(shù)量和纖維尺寸的影響。Dodson預(yù)測(cè)單根纖維上接觸點(diǎn)與集聚因子成正比，而同時(shí)又與纖維長(zhǎng)徑比成反比[14]，這與式(5)中屈服應(yīng)力與集聚因子和形狀系數(shù)之間關(guān)系相似。闊葉木漿料纖維形狀系數(shù)較小，在相同集聚因子下同體積懸浮液中纖維間接觸點(diǎn)總數(shù)較多，因此其屈服應(yīng)力大于針葉木漿料。

2.3 混合漿料纖維懸浮液的屈服應(yīng)力

圖4所示為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，針葉木漿料與闊葉木漿料按照不同質(zhì)量比例混合后纖維懸浮液的屈服應(yīng)力。可以看出混合漿料的屈服應(yīng)力值均處在相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下兩種漿料獨(dú)自存在時(shí)屈服應(yīng)力值的區(qū)間內(nèi)，并且隨著針葉木漿料在混合漿料中的質(zhì)量比例(x)的增加而呈現(xiàn)出近似線性遞增(如圖中線條所示)，即：

τy(AB)≈τy(B)+(τy(A)-τy(B))/100·x

(6)

但由表3數(shù)據(jù)可看出混合漿料的平均長(zhǎng)度及粗度與針葉木漿料的質(zhì)量比例未呈線性相關(guān)。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸如式(7)所示(R2=0.997)，混合漿料屈服應(yīng)力與質(zhì)量分?jǐn)?shù)及形狀系數(shù)之間的關(guān)系與單一種類漿料(式(4))基本一致。

(7)

因此在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下混合漿料的形狀系數(shù)應(yīng)滿足：

(8)

如圖5所示，混合漿料形狀系數(shù)的1.6次方隨著針葉木漿料在混合漿料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加基本呈線性關(guān)系(如圖中線條所示)。因而可以推測(cè)，對(duì)于纖維結(jié)構(gòu)尺寸并不均勻的某種漿料，可以看成是由多種單一形狀系數(shù)的纖維按照一定的比例混合而成，該種漿料的屈服應(yīng)力與各組分屈服應(yīng)力之間也應(yīng)存在相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。

圖4 混合漿料纖維懸浮液屈服應(yīng)力

圖5 混合漿料形狀系數(shù)(βAB)的1.6次方

3 結(jié) 論

3.1 在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，被測(cè)針葉木漿由于纖維尺寸較大，纖維網(wǎng)絡(luò)有較高強(qiáng)度，其屈服應(yīng)力也大于闊葉木漿，并且纖維尺寸增大，屈服應(yīng)力與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的冪率關(guān)系中乘數(shù)項(xiàng)系數(shù)增加而指數(shù)項(xiàng)系數(shù)減小。

3.2 雖然集聚因子全面考慮了纖維懸浮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和纖維尺寸，在一定程度上反映了纖維交織情況，但屈服應(yīng)力并不能由單一集聚因子的函數(shù)來(lái)表示，還與形狀系數(shù)成反比，即τy≈0.003·N2.2/β0.6。因此，在相同集聚因子范圍內(nèi)，形狀參數(shù)較小的闊葉木漿料具有更高的屈服應(yīng)力。

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Influence of Fiber Size on Yield Stress of Bleached Kraft Wood Pulp Fiber Suspension

WANG Chen, ZHENG Xuemei, ZHANG Hui, SHA Jiulong, CHENG Jinlan

(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)

bleached kraft wood pulp; fiber suspension; yield stress; crowding number

10.3969/j.issn.0253-2417.2017.03.012

2016-05-13

江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程(無(wú)編號(hào))；江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助(201317)

王 晨(1981— )，男，江蘇南京人，講師，博士，主要從事制漿造紙裝備研究；E-mail: chenwang8102@163.com

*通訊作者：張 輝(1962— )，男，江蘇啟東人，教授，博士，主要從事制漿造紙裝備研究；E-mail: zhnjfu@163.com。

TQ35;TS71

A

0253-2417(2017)03- 0089-06

王晨,鄭學(xué)梅,張輝，等.纖維尺寸對(duì)漂白硫酸鹽木漿懸浮液屈服應(yīng)力的影響[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2017，37(3)：89-94.