CMC對漂白針葉木漿懸浮液屈服應(yīng)力的影響及其應(yīng)用

何 晶 陳樹潤 沙九龍 王 晨 張 輝，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)

CMC對漂白針葉木漿懸浮液屈服應(yīng)力的影響及其應(yīng)用

何 晶1陳樹潤1沙九龍1王 晨1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)

漂白針葉木漿；CMC；纖維懸浮液；屈服應(yīng)力；能量耗散因子

制漿造紙工業(yè)是典型的流程化工業(yè)，從蒸煮工段一直到紙漿上網(wǎng)成形都涉及到不同濃度紙漿懸浮液的流動。紙漿懸浮液是以纖維為固相的非均相混合物，屬于非牛頓流體，具有復(fù)雜的流變特性，研究其流變特性對各工段穩(wěn)定及高效運(yùn)行，降低紙漿輸送能耗和工藝處理過程中的能耗具有重要意義[1]。

當(dāng)紙漿懸浮液達(dá)到一定濃度時(shí)，纖維由于機(jī)械交織形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，限制了其自由流動，同時(shí)纖維網(wǎng)絡(luò)具備一定抵抗外部剪切力的強(qiáng)度，這種強(qiáng)度稱為紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力(Yield Stress)[2-3]。在生產(chǎn)過程中，為了泵送紙漿，必須對紙漿纖維網(wǎng)絡(luò)施加足夠的剪切應(yīng)力，使纖維完全分散，從而使紙漿流態(tài)化[4]。

自20世紀(jì)80年代以來，對紙漿懸浮液屈服應(yīng)力的研究主要集中在紙漿纖維物理特性、漿濃和一些外部因素對屈服應(yīng)力的影響[5-7]，紙漿懸浮液屈服應(yīng)力的測量方法和測量裝置的研究[8-9]，紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力在造紙工業(yè)中的應(yīng)用研究[10-13]。

影響紙漿懸浮液流變特性的因素除了漿濃、纖維自身特性和纖維間的交織程度外，還有一些外部因素，如添加劑、pH值、溫度、剪切力和剪切時(shí)間等[14]。目前，關(guān)于添加劑對紙漿懸浮液屈服應(yīng)力影響的研究很少，也沒有將羧甲基纖維素(CMC)作為減阻劑應(yīng)用于改善紙漿懸浮液流變性能方面的研究。因此，筆者研究了造紙工業(yè)中常用的添加劑CMC對漂白針葉木漿懸浮液屈服應(yīng)力的影響，進(jìn)而探討將其應(yīng)用于紙漿運(yùn)輸、混合等過程中的可行性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要原料與試劑

紙漿：漂白硫酸鹽針葉木漿，山東某漿紙公司提供。

試劑：CMC粉末，國內(nèi)某化學(xué)試劑公司生產(chǎn)，黏度為300～800 mPa·s。

1.2 主要儀器

標(biāo)準(zhǔn)纖維疏解機(jī)：型號PTI，澳大利亞。

Brookfield商業(yè)流變儀：型號RST-SST，轉(zhuǎn)子為VT- 80- 40，葉片4片(寬度20 mm，高度80 mm)，外部槽體內(nèi)徑100 mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 原料準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)前，先將風(fēng)干的漿板撕成約2 cm×2 cm的小碎片，然后用水浸泡約5 min，再用標(biāo)準(zhǔn)纖維疏解機(jī)疏解分散；然后去除紙漿中大部分水，平衡水分24 h后，用烘箱干燥，測量2組平行樣的水分，算出平均值。將紙漿配成漿濃分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%和4.0%的紙漿懸浮液。

用磁力攪拌器將CMC粉末配置成濃度為1.0%的溶液，備用。

1.3.2 紙漿流變性測試

向紙漿中分別加入0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%(相對于絕干漿質(zhì)量)的CMC，然后采用控制剪切應(yīng)力模式(CSS)，使剪切應(yīng)力由較小的初始值逐漸增大到設(shè)定值，測量紙漿懸浮液剪切應(yīng)變隨剪切應(yīng)力的變化情況。在對數(shù)坐標(biāo)體系下，當(dāng)剪切速率曲線出現(xiàn)明顯的應(yīng)力平臺，剪切速率由某一極小值(剪切速率<1 s-1)突然變?yōu)槟骋惠^大值(剪切速率>1 s-1)，也就是轉(zhuǎn)子發(fā)生初始轉(zhuǎn)動時(shí)對應(yīng)的剪切應(yīng)力即為紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力。為了保證均一的初始條件，所有實(shí)驗(yàn)樣品在測試前需在剪切速率為200 s-1條件下先預(yù)剪切3 min，然后靜置5 min開始測量。

1.3.3 紙漿攪拌能耗測試實(shí)驗(yàn)

采用控制剪切速率模式(CSR)測定紙漿懸浮液在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速0～600 r/min區(qū)間內(nèi)的轉(zhuǎn)子扭矩，利用功率與扭矩的關(guān)系式(見式(1))間接測量出攪拌功率隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的情況。為保證均一的初始條件，所有實(shí)驗(yàn)樣品在測試前需在剪切速率為200 s-1條件下先預(yù)剪切3 min，然后靜置5 min開始測量。

T=9550P/n

(1)

式中，T為扭矩，N·m；P為功率，kW；n為轉(zhuǎn)速，r/min；9550是系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 CMC對紙漿懸浮液屈服應(yīng)力的影響

利用剪切應(yīng)力梯度法測量紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力，測得漿濃為1.0%的漂白針葉木漿懸浮液的剪切速率-剪切應(yīng)力曲線，結(jié)果如圖1所示。

圖1 漿濃1.0%的漂白針葉木漿懸浮液流變曲線

由圖1可知，在初始階段，漂白針葉木漿懸浮液的剪切速率隨剪切應(yīng)力的增大而緩慢增大，說明施加在紙漿懸浮液上的剪切應(yīng)力引起了紙漿懸浮液連續(xù)不可逆轉(zhuǎn)的微小應(yīng)變。

當(dāng)剪切應(yīng)力繼續(xù)增大到臨界值(約為7.6 Pa)時(shí)，剪切速率發(fā)生急劇變化(由0.65 s-1突變?yōu)?.10 s-1)，產(chǎn)生了剪切應(yīng)力平臺，說明紙漿懸浮液內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化由微小的應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟪叨鹊奈灰疲垵{懸浮液中的纖維絮團(tuán)產(chǎn)生了明顯的剪切流動，即纖維絮團(tuán)被撕裂破壞，此時(shí)的臨界剪切應(yīng)力即為紙漿懸浮液的靜態(tài)屈服應(yīng)力[14]。

當(dāng)剪切應(yīng)力超過靜態(tài)屈服應(yīng)力而繼續(xù)增大時(shí)，紙漿懸浮液的剪切速率呈線性增大，流動速度加快，紙漿懸浮液發(fā)生大規(guī)模的剪切流動。

通過剪切應(yīng)力模式分別測出不同漿濃和添加不同量CMC的紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力，并繪制出如圖2所示的CMC添加量不同時(shí)紙漿懸浮液屈服應(yīng)力與漿濃間的變化曲線。

圖2 CMC添加量和漿濃對漂白針葉木漿懸浮液屈服應(yīng)力的影響

由圖2可知，在CMC添加量不變的情況下，紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力隨漿濃的增大而呈非線性增大，且滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系，見式(2)。

(2)

式中，τy為紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力，Pa；Cm為漿濃， %；a和b為與纖維特性相關(guān)的常數(shù)。

通過非線性回歸法得到a和b，結(jié)果列于表1中。由表1可知，相關(guān)系數(shù)R2接近于1，說明紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力與式(2)的擬合程度很好，且參數(shù)a和b分別在Bennington測得的取值范圍1.18～24.5和1.25～3.02內(nèi)[3]。

表1 添加CMC后漂白針葉木漿懸浮液屈服應(yīng)力指數(shù)方程回歸系數(shù)

由圖2可知，在同一漿濃下，添加一定量的CMC可在一定程度上減小紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力，CMC添加量為1.5%時(shí)，紙漿懸浮液屈服應(yīng)力最?。坏^續(xù)增加CMC添加量時(shí)，紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力反而增大，這是因?yàn)樘砑舆^量的CMC時(shí)，多余的CMC存在于纖維之間，增大了紙漿的黏稠度，不利于紙漿流動，進(jìn)而使紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力增大。

進(jìn)一步分析圖2可知，當(dāng)漿濃為4%時(shí)，與未添加CMC的紙漿懸浮液相比，添加1.5%CMC的紙漿懸浮液屈服應(yīng)力下降最多，約降低16.2%。同時(shí)，隨著漿濃的增大，CMC對紙漿懸浮液屈服應(yīng)力的影響越大。這是因?yàn)殡S著漿濃增大，單位體積內(nèi)纖維的數(shù)量增加，纖維間的接觸面積增大，互相纏繞的概率變大，纖維絮聚現(xiàn)象嚴(yán)重，紙漿內(nèi)部流動阻力增大，CMC中由于含有親水性的羧甲基基團(tuán)，易與紙漿纖維親和，同時(shí)與纖維表面所帶的負(fù)電荷相互排斥，使得纖維均勻分散，施加較小的剪切應(yīng)力即可使紙漿產(chǎn)生流動。漿濃越大，CMC對纖維的分散效果越顯著，因而較高漿濃的紙漿懸浮液屈服應(yīng)力受CMC的影響更大。

綜上所分析，在紙漿中添加1.5%的CMC可以顯著減小紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力，從而有助于紙漿的流送、攪拌和篩選等操作。

2.2 CMC對紙漿懸浮液攪拌能耗的影響

圖3 漿濃4.0%的漂白針葉木漿懸浮液攪拌功率-轉(zhuǎn)速曲線圖

由上述研究可知，添加1.5%的CMC可顯著減小漿濃為4%的紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力。因此，研究了該情形下CMC對紙漿懸浮液攪拌能耗的影響。圖3為流變儀轉(zhuǎn)子的攪拌功率隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化曲線。從圖3可以看出，與未添加CMC的紙漿懸浮液相比，添加1.5%的CMC后，轉(zhuǎn)子攪拌功率明顯降低，在轉(zhuǎn)速200～500 r/min范圍內(nèi)，兩者差異較顯著；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越大，攪拌功率下降越多，在轉(zhuǎn)速約為500 r/min時(shí)，攪拌功率約降低40.6%。

由于紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力減小，在攪拌初期，只需要很小的剪切力即可破壞纖維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使紙漿懸浮液產(chǎn)生流動。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高，紙漿懸浮液從層流狀態(tài)逐步過渡到湍流狀態(tài)。在湍流狀態(tài)下，流體中的分子會因渦流和其他雜亂運(yùn)動而耗損大量的能量。CMC作為減阻劑，可以與紊流流體發(fā)生相互作用，具體的節(jié)能機(jī)制推理如下。

假設(shè)流體沿容器圓周方向的流動分為3個(gè)基本區(qū)域：①容器中心，即轉(zhuǎn)子周圍的紊流核心區(qū)，該區(qū)域包含了容器中的絕大部分流體，其液體質(zhì)點(diǎn)不斷發(fā)生互相撞擊與摻混，并沿轉(zhuǎn)子徑向雜亂無章地運(yùn)動；②緊貼器壁的層流邊層區(qū)，其液體質(zhì)點(diǎn)沿周向一層一層運(yùn)動；③層流邊層區(qū)與紊流核心區(qū)之間的緩沖區(qū)，該區(qū)域流體的流動狀態(tài)表現(xiàn)為層流到紊流的過渡。

有研究表明[15]，緩沖區(qū)是紊流最先形成的區(qū)域。層流邊層區(qū)靠近緩沖區(qū)的部分稱為薄間層。薄間層中的液體分子會偶爾進(jìn)入緩沖區(qū)，而后開始振動，形成渦流旋渦，同時(shí)運(yùn)動加速，并向紊流核心區(qū)靠近，最終進(jìn)入紊流核心區(qū)。薄間層的液體分子從緩沖區(qū)進(jìn)入紊流核心區(qū)的瞬間會損耗大量的能量。CMC可以在緩沖區(qū)起作用，在流體中伸展，吸收薄間層的能量，干擾薄間層的液體分子從緩沖區(qū)進(jìn)入紊流核心區(qū)，阻止其形成紊流或減弱紊流的程度，進(jìn)而降低攪拌能耗，且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，攪拌能耗降低效果越顯著。

2.3 CMC對紙漿懸浮液輸送的影響

對于紙漿輸送，當(dāng)漿濃高于臨界濃度時(shí)，紙漿表現(xiàn)出屈服效應(yīng)，只有當(dāng)剪切應(yīng)力超過屈服應(yīng)力時(shí)，紙漿才會產(chǎn)生流動。一旦紙漿懸浮液開始流動，其就以絮團(tuán)間自由滑動或單根纖維間自由滑動的形式流動，即出現(xiàn)絮團(tuán)尺度和纖維尺度2種尺度規(guī)模的紙漿流態(tài)化[15]。在20世紀(jì)80年代，Wahren[16]用單位體積紙漿所消耗的能量，即能量耗散因子εF(W/m3)來定量描述紙漿初始流態(tài)化的條件，即：

(3)

式中，τy為紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力(Pa)，μ為水的黏度(Pa·s)。

對工業(yè)生產(chǎn)而言，能量耗散因子εF比屈服應(yīng)力τy更有意義。因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)過程中，人們對紙漿的湍流流動更感興趣，而紙漿懸浮液湍流時(shí)的剪切應(yīng)力難以量化，但εF卻可以幫助實(shí)現(xiàn)紙漿湍流時(shí)剪切應(yīng)力的量化。紙漿懸浮液流態(tài)化包含的2種尺度規(guī)模，即絮團(tuán)尺度和纖維尺度，分別表征絮團(tuán)間的自由流動和纖維間的自由流動[17]。在湍流流體中，湍動能量分解成更小漩渦并最終消散轉(zhuǎn)化為熱量，能量耗散的大小直接反映了小規(guī)模漩渦的湍流剪切程度，這種剪切會導(dǎo)致纖維尺度的流態(tài)化。

Bennington等[18]運(yùn)用紙漿懸浮液的表觀黏度得到了紙漿初始流態(tài)化時(shí)的能量耗散因子εF與漿濃Cm之間的關(guān)系式：

(4)

式中，c和d為與纖維特性和容器幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。

當(dāng)CMC添加量不同時(shí)，紙漿懸浮液的能量耗散因子εF隨漿濃Cm的變化曲線如圖4所示。由圖2和圖4可知，能量耗散因子εF隨漿濃的變化趨勢同屈服應(yīng)力一致。添加CMC可以降低能量耗散因子εF；添加1.5%的CMC時(shí)，能量耗散因子εF降低最顯著，且在漿濃為4%時(shí)，下降最多，約為29.8%。

圖4 能量耗散因子隨漿濃的變化曲線

當(dāng)紙漿懸浮液發(fā)生初始流態(tài)化時(shí)，CMC可與湍動漩渦相互作用，吸收湍流旋渦的一部分動能，并以彈性能的形式儲存起來[15]，使旋渦動能減少，旋渦消耗的能量也隨之減少，進(jìn)而能量耗散因子εF也降低。當(dāng)增加CMC添加量，CMC在管道內(nèi)形成彈性底層的厚度也隨之增大，減阻效果越好，但多余的CMC卻增加了紙漿內(nèi)部纖維間的流動阻力，不利于紙漿的流動，在這2種作用的綜合影響下，CMC添加量的增大并未使能量耗散因子εF繼續(xù)降低。

通過非線性回歸法得到的c和d列于表2中。由表2可知，相關(guān)系數(shù)R2接近于1，說明本實(shí)驗(yàn)的紙漿懸浮液的能量耗散因子與式(3)的擬合程度很好。Bennington通過實(shí)驗(yàn)測得c約為4.5×104、d約為2.5。本實(shí)驗(yàn)測得的回歸系數(shù)與上述數(shù)據(jù)均在相同的數(shù)量級。

表2 能量耗散因子指數(shù)方程的回歸系數(shù)

3 結(jié) 論

3.2 在漂白針葉木漿懸浮液中加入CMC可降低紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力，當(dāng)CMC添加量為1.5%時(shí)，降低效果最為顯著；隨著漿濃的增大，CMC的影響效果更顯著。向漿濃為4%的紙漿懸浮液中添加1.5%的CMC可使屈服應(yīng)力降低16.2%。

3.3 添加CMC可使紙漿懸浮液的屈服應(yīng)力減小，因而可明顯降低其攪拌能耗。當(dāng)漿濃為4%、CMC添加量為1.5%、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，攪拌功率降低了40.6%。

3.4 利用能量耗散因子εF可以定量描述紙漿初始流態(tài)化的條件，CMC對紙漿懸浮液能量耗散因子的影響與屈服應(yīng)力一致。添加1.5%的CMC，單位體積紙漿攪拌能耗降低最顯著，達(dá)到紙漿流態(tài)化所需要的能量降低最多，且漿濃越大，能量降低效果越顯著。向漿濃為4%的針葉木漿懸浮液中添加1.5%的CMC，能量耗散因子降低約29.8%。

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(責(zé)任編輯：陳麗卿)

Influence of the Addition of CMC on the Yield Stress of NBKP Suspension and Its Application in Pulp Transporting and Mixing

HE Jing1CHEN Shu-run1SHA Jiu-long1WANG Chen1ZHANG Hui1,2,*

(1.JiangsuProvincialKeyLabofPulpandPaperScienceandTechnology,NanjingForestryUniversity,Nanjing,JiangsuProvince, 210037； 2.JiangsuCo-innovationCenterforEfficientProcessingandUtilizationofForestResources,NanjingForestryUniversity,Nanjing,JiangsuProvince, 210037)

(*E-mail: zhnjfu@163.com)

Improvement of the rheological properties, including the yield stress, of the needles of bleached kraft pulp (NBKP) suspension was studied through adding CMC. Results showed that the yield stress increased rapidly with the pulp suspension concentration increasing under steady-state shear conditions, followed an exponent equation, and adding CMC did not affect the relationship. For a given concentration of the pulp suspension, its yield stress would increase firstly and, then, reduce with the increase of CMC dosage, and when adding 1.5% CMC (on oven dry pulp), the yield stress reduced most significantly. With the pulp suspension concentration increasing, the impact of adding CMC on the yield stress was more and more obvious, and when 1.5% of CMC was added into the pulp of 4% concentration, the yield stress reduced the most, reaching 16.2%, which could significantly reduce the energy consumption of the pulp agitation up to about 40.6%. Adding CMC might also reduce the energy dissipation factor at the onset of pulp suspension fluidization, which made it easier to be transported.

needles of bleached kraft pulp (NBKP); CMC; fiber suspension; yield stress; energy dissipation factor

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(PAPD)。

何 晶，女，1991年生；在讀碩士研究生；主要研究方向：制漿造紙節(jié)能減排技術(shù)與裝備。

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

TS734

A

1000- 6842(2017)01- 0027- 05

收到日期：2016- 10- 05