基于分散劑的PVA纖維束分散性能研究

楊 雪 楊 柳

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

聚乙烯醇（PVA）纖維具有高強(qiáng)高模、耐磨性好、親和力和結(jié)合性強(qiáng)等優(yōu)點［1］，可顯著提高水泥基復(fù)合材料的劈裂抗拉強(qiáng)度，同時能夠改善水泥基復(fù)合材料的變形和破壞特性［2-4］。

目前研究發(fā)現(xiàn)，PVA纖維束分散成單絲狀態(tài)能夠提高混凝土的抗沖擊能力。由于PVA纖維束具有親水性，使其在機(jī)械攪拌下容易相互纏繞，不利于纖維束的分散［5］。而分散劑可使纖維表面快速濕潤、表面勢能降低、固體質(zhì)點間的勢壘上升到足夠高，從而達(dá)到分散、穩(wěn)定纖維的作用［6］?；诖?，本研究根據(jù)PVA纖維束的親水特性選擇不同分散劑，以研究其對PVA纖維束分散性能的影響。

1 分散劑選擇

PVA纖維表面具有極性羰基基團(tuán)和羥基基團(tuán)，甲基纖維素（MC）、羥乙基纖維素（HEC）和羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）這3種分散劑中都具有極性羥基基團(tuán)，這部分基團(tuán)可與PVA纖維表層的極性羰基基團(tuán)或者羥基基團(tuán)以及水分子相結(jié)合，從而增強(qiáng)PVA纖維表層的浸潤性，提高PVA纖維束的分散性能。因此，本研究選取甲基纖維素（MC）、羥乙基纖維素（HEC）和羧甲基纖維素鈉（CMCNa）3種分散劑展開研究。由于分散劑通常為粉末狀，應(yīng)在使用前將分散劑均配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的水溶液。

2 拌合理論

攪拌前，假設(shè)攪拌槳的角速度為ω1，轉(zhuǎn)動慣量為J1；PVA纖維束的角速度為ω2，轉(zhuǎn)動慣量為J2；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的分散劑水溶液的角速度為ω3，轉(zhuǎn)動慣量為J3。攪拌后，假設(shè)攪拌槳、纖維束和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的分散劑水溶液具有共同的角速度ω。

攪拌槳、纖維束和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的分散劑水溶液攪拌前的動量和L1及動能和E1可表示為式（1）、式（2）。

攪拌槳、纖維束和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的分散劑水溶液攪拌后的動量和L2及動能和E2可表示為式（3）、式（4）。

根據(jù)動量守恒定律得式（5）。

則攪拌槳、纖維束和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的分散劑水溶液的動能改變量ΔE表示為式（6）。

從式（6）可以看出，動能主要用于PVA纖維束的變形和分散。

3 PVA纖維束分散效果仿真分析

3.1 數(shù)值模型建立

首先運(yùn)用CATIA創(chuàng)建PVA纖維束攪拌設(shè)備的三維模型，攪拌槳為四直葉，接著導(dǎo)入CFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和仿真分析，其中，設(shè)定攪拌槳工作區(qū)域為旋轉(zhuǎn)域，其他區(qū)域為靜止域。

3.2 流體參數(shù)設(shè)定

材料的屬性設(shè)置如下。PVA纖維束的密度ρ1=1.3 g/cm3，動力黏度μ1=22 Pa·s，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的分散劑水溶液的密度分別為ρmMC=1.04 g/cm3、ρmCMC=1.06 g/cm3、ρmHEC=0.95 g/cm3。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的分散劑水溶液的動力黏度分別為μMC=2 Pa·s、μHEC=16 Pa·s、μCMC=12 Pa·s。并 設(shè)置PVA的體積分?jǐn)?shù)為70%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的分散劑的水溶液的體積分?jǐn)?shù)為30%，速度設(shè)置為0 m/s，并設(shè)定四直葉攪拌槳的轉(zhuǎn)速為600 r/min。

3.3 仿真結(jié)果及分析

3.3.1 速度矢量。抽取攪拌槳Y=0 mm的縱截面，則不添加分散劑和添加不同分散劑的PVA纖維束速度分布矢量圖如圖1所示。

從圖1（a）可以觀察到，在不添加分散劑的情況下，PVA纖維束在四直葉攪拌槳Y=0 mm的縱截面具有上下流動不對稱的特點，并且攪拌槳上下兩個方向均形成了向上和向下的“雙循環(huán)”小流場，符合四直葉攪拌槳徑向流場的特性，從而說明仿真參數(shù)設(shè)置的可靠性。

從圖1（b）、圖1（c）、圖1（d）可觀察到，當(dāng)添加MC分散劑時，PVA纖維束在四直葉攪拌槳Y=0 mm的縱截面具有上下整體均勻流動的特點；當(dāng)添加HEC和CMC-Na分散劑時，PVA纖維束在攪拌槽內(nèi)的攪拌槳下方的流動狀態(tài)明顯比攪拌槳上方流動狀態(tài)劇烈，并且HEC比CMC-Na更劇烈。由此可知，添加分散劑后，PVA纖維束的流動狀態(tài)得到改善，有利于纖維束的攪拌和分散，而其中HEC的效果最好。

圖1 無分散劑和添加不同分散劑的速度矢量圖

3.3.2 湍流動能。抽取攪拌槳Y=0 mm的縱截面，則不添加分散劑和添加3種分散劑的流場湍流動能云圖如圖2所示。

觀察圖2可知，當(dāng)不添加分散劑時，攪拌槳流場湍流動能最大值僅為0.161 7 m2/s2，當(dāng)添加MC、HEC、CMC-Na分散劑后，湍流動能最大值均明顯增大，最大值分別為1.988 m2/s2、14.13 m2/s2、13.3 m2/s2。由此可知，添加分散劑后，有利于PVA纖維束的攪拌分散，而其中添加HEC分散劑時，湍流動能最強(qiáng)烈。

圖2 無分散劑和添加分散劑的湍流動能云圖

綜上，添加分散劑對PVA纖維束的分散具有促進(jìn)作用，且分散效果HEC最優(yōu)，其次為CMC-Na，MC最差。

4 PVA纖維束分散效果試驗

4.1 試驗設(shè)備制取

本研究采用一款四直葉攪拌槳的立式精密電動攪拌設(shè)備進(jìn)行PVA纖維束攪拌試驗。設(shè)備主要由驅(qū)動部分、攪拌部分和支撐部分組成。

4.2 PVA纖維束分散效果評價參數(shù)

PVA纖維束攪拌后的圖像紋理特征因分散劑種類的不同而不同。本研究引入灰度共生矩陣特征參數(shù)中的角二階矩f1和熵f2這兩個參數(shù)對PVA纖維束分散效果進(jìn)行評價。角二階矩f1越小，熵f2越大，則纖維分散效果越好。

4.3 試驗分析

為了驗證分散劑對PVA纖維束分散效果的影響，每種分散劑同等條件下進(jìn)行10組試驗，攪拌設(shè)備的轉(zhuǎn)速設(shè)置為600 r/min，攪拌時間為3 min，攪拌后的PVA纖維束如圖3所示，然后進(jìn)行紋理特征提取，得到不同分散劑的10組角二階矩和熵值，然后求其平均值，如表1所示。

表1 無分散劑與添加分散劑的角二階矩和熵值

圖3 試驗中攪拌分散后的PVA纖維束

從表1可以看出，HEC的角二階矩最小，熵值最大，說明PVA纖維束分散效果最好，CMC-Na和MC的角二階矩雖略比無分散劑的角二階矩大，但熵值分別提高了30.6%、13.4%，仍對PVA纖維束具有明顯的分散作用?？傊?，添加分散劑對PVA纖維束分散性能都有改善作用，并且在3種分散劑中，添加HEC分散劑對PVA纖維束的分散效果最好，而添加MC分散劑對纖維束的分散效果最差。

5 結(jié)語

本研究基于PVA纖維束的親水性特征，選用了3種具有極性羥基基團(tuán)的分散劑進(jìn)行仿真和試驗研究，仿真結(jié)果和試驗結(jié)果一致，即分散劑對PVA纖維束分散性能都具有改善效果，并且HEC分散劑的效果最好。