廢紙漿纖維懸浮液屈服應力的主要影響因素研究

蔣 旸 陳樹潤 沙九龍 沈 軍 王 晨 張 輝，*

(1.南京林業(yè)大學江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室，江蘇南京，210037；2.南京林業(yè)大學江蘇省林業(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)

廢紙漿纖維懸浮液屈服應力的主要影響因素研究

蔣 旸1，2陳樹潤1，2沙九龍1，2沈 軍3王 晨1，2張 輝1，2，*

(1.南京林業(yè)大學江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室，江蘇南京，210037；2.南京林業(yè)大學江蘇省林業(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)

廢紙漿；纖維懸浮液；流變特性；屈服應力；影響因素

造紙工業(yè)作為重要的基礎原材料工業(yè)，生產中節(jié)能減排、降本增效是永恒的主題。據核查，在制漿造紙廠生產過程中，用于紙漿纖維懸浮液輸送和物理性工藝功能處理(打漿、篩選、凈化分離、碎漿、分散等)的動力消耗占制漿造紙過程總動力消耗的40%～60%，且貫穿于現(xiàn)代化造紙機濕部的整個過程[1]，漿料流變特性(尤其是屈服應力)始終是發(fā)展中高濃制漿造紙過程技術與裝備的重要理論基礎。近年來更多的發(fā)展研究聚焦于生物質精煉，而造紙原料方面的基礎研究日漸為人淡忘；但如今環(huán)保、輕便、可回收的紙基包裝材料，使得以廢紙為原料的包裝類紙產品需求持續(xù)快速增長，廢紙漿已占我國造紙工業(yè)原料的66%以上[1]。

紙漿纖維懸浮液是非牛頓型流體。當紙漿懸浮液達到一定濃度時，懸浮液中的纖維由于機械交織形成復雜的網絡結構，限制纖維的自由流動，因此須在漿料外部施加一定的剪切力來破壞纖維網絡結構，這個網絡結構強度稱為紙漿纖維懸浮液的屈服應力[2]。而影響紙漿纖維懸浮液屈服應力的內部因素有很多，其中包括漿料的纖維形態(tài)、濃度、打漿度和相關添加劑，以及一些外部因素，如pH值、溫度T、剪切力τ等，這些因素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雜性。

國內外對廢紙漿纖維懸浮液屈服應力的研究較少。廢紙漿中含有較多雜質；且與原生漿相比，在循環(huán)使用過程中纖維發(fā)生了一些不可逆的變化；不同的廢紙漿性質變化情況也存在明顯差別。

紙漿纖維懸浮液是以纖維作為固相的非均相混合物，屬于多相流體。在低剪切速率下，紙漿纖維懸浮液處于層流狀態(tài)，考慮到纖維懸浮液的屈服應力和剪切變稀特性，更加符合屈服假塑性流體的特性[4-6]。其流變方程為Herschel-Bulkley本構方程，簡稱H-B方程，即：

(1)

1981年，Gullichsen和Harkonen[7]利用轉矩流變儀測量了低濃紙漿纖維懸浮液的屈服應力和流變曲線；Swerin等[8]和Damani等[9]采用平行板流變儀靜態(tài)測量了紙漿纖維懸浮液的黏彈性模量，間接得出漂白化學漿纖維懸浮液的屈服應力；陳克復等[10]運用轉子剪切試驗對麥草漿進行中濃流體化試驗，測量了中濃草類漿料纖維懸浮液的屈服應力；Tatsumi等[11]通過平行板流變儀測定了濃度3%以下的纖維懸浮液的黏彈特性，并分析了相關屈服應力；Derakhshandeh等[12]運用超聲多普勒測速儀結合旋轉黏度計測量了濃度0.5%～5%的商品木漿的屈服應力。Kerekes等[13]在前人研究的基礎上，通過數據分析，得出了紙漿纖維懸浮液在中低濃度下的屈服應力與紙漿濃度的關系式，具體如下：

(2)

式中，a和b為與漿料纖維特性相關的常數；Cm為紙漿懸浮液的質量濃度，%。

1990年，Bennington等[14]通過轉矩流變儀測量木漿纖維懸浮液的屈服應力，得出a、b值范圍分別在1.18～24.50和1.25～3.02之間。如今，測量屈服應力主要方法有振蕩剪切法(通過測量紙漿纖維懸浮液存儲模量與其下降時的臨界剪切應變乘積)、瞬態(tài)黏度法(通過測量紙漿纖維懸浮液的瞬態(tài)黏度隨剪切應力變化的最大值)、剪切應力梯度法、流變曲線回歸法(通過測量紙漿纖維懸浮液流變曲線進行數據回歸)、蠕變測試法、非接觸式超聲多普勒測速儀(操作方便，但在高濃度下的測量數據不穩(wěn)定)和核磁共振成像儀在線測量方法等。

影響紙漿纖維懸浮液屈服應力的各因素中，由于制漿造紙過程漿料濃度變化和纖維種類與形態(tài)存在較大差異，且是主要因素。因此，本研究著重于分析這兩個因素對屈服應力的影響，通過研究降低屈服應力的路徑來降低生產過程物理處理或輸送過程(如打漿、篩選、混合攪拌、輸送、成形等)的能耗，達到指導節(jié)能降耗的目的。

例如20世紀80年代，Wahren[15]用單位體積漿料所消耗能量的大小來定量描述紙漿初始流態(tài)化的條件，即：

(3)

式中，εF為單位體積漿料所消耗能量，W/m3；τy為紙漿纖維懸浮液的屈服應力，Pa；μ為水的黏度，Pa·s。

同時，研究廢紙漿纖維懸浮液屈服應力的主要影響因素，對彌補目前我國造紙主要原料的廢紙漿纖維懸浮液流動特點、相關流動模型和特征以及測量方法等深入研究的不足具有較大意義[16-18]。

1 實 驗

1.1主要儀器

GBJ-A型標準纖維疏解機。PTI型平板篩漿機，Austria。Morfi Comapct型纖維形態(tài)分析儀。

RST-SST型Brookfield商業(yè)流變儀，轉子為VT-80-40，葉片4片(寬度20 mm，高度80 mm)，外部槽體內徑100 mm。

1.2原料及處理

收集代表性舊報紙與廢箱紙板各2 kg，測定其制得漿料的纖維形態(tài)特性，結果見表1。由表1可知，OCC漿和ONP漿的纖維長度相當，但OCC漿的纖維寬度比ONP漿的大，ONP漿的纖維長寬比比OCC漿的大。

表1 OCC漿和ONP漿纖維形態(tài)特性

實驗前，將采集到的舊報紙和廢箱紙板撕碎并在水中浸泡24 h，然后用疏解機疏解10 min后取樣測量漿料水分，將2種漿料分別配置成濃度為1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%和4.0%的6種紙漿纖維懸浮液各1000 mL(因為當廢紙漿料濃度超過4%時，流變儀轉子不能帶動漿料進行剪切與疏解，故本實驗漿料濃度選擇為1.5%～4.0%)。實驗過程中盡可能保持溫度T、pH值、纖維形態(tài)和打漿度等其他因素的相對穩(wěn)定。由于實際生產中OCC原料中夾雜有較多的廢渣、玻璃等雜質，因此需要經過篩選與凈化等處理過程予以清除。

1.2紙漿纖維懸浮液屈服應力的測定方法

屈服應力測試使用流變儀，因實驗操作方便、效率高且數據清晰，故采用流變曲線回歸法(RCR)和剪切應力梯度法(SSG)。為了保證均一的初始條件，所有的實驗樣本在測試前需在剪切速率為200 s-1下預剪切3 min，然后靜置5 min開始測量。所有測試過程均在26℃下進行。

1.2.1流變曲線回歸法

在控制剪切速率模式(CSR)下，測定漿料在剪切速率1～10 s-1間的剪切應力-剪切速率流變曲線，并使用SPSS軟件采用H-B本構方程回歸流變曲線，計算出漿料在剪切速率為1 s-1時的剪切應力即為屈服應力。

1.2.2剪切應力梯度法

在控制剪切應力模式(CSS)下，根據剪切速率為1 s-1時測得的剪切應力，在其上下選取一定的范圍，使剪切應力由較小的初始值逐步增加到某一值，并在此過程中測量漿料纖維懸浮液的剪切應變隨剪切應力的變化曲線；當曲線出現(xiàn)明顯的應力平臺，即剪切速率由0增加至1 s-1時對應的剪切應力即為漿料纖維懸浮液的屈服應力，如圖1為ONP漿纖維懸浮液在1.5%濃度下測得的流變曲線，出現(xiàn)的應力平臺即所對應的屈服應力值。

圖1 濃度為1.5%的ONP漿纖維懸浮液流變曲線

2 結果與分析

2.1采用流變曲線回歸法測定的屈服應力

采用流變曲線回歸法分別測量不同濃度ONP漿和OCC漿纖維懸浮液的流變曲線，測得的剪切速率-剪切應力變化曲線分別如圖2和圖3所示。

圖2 ONP漿纖維懸浮液的流變曲線

圖3 OCC漿纖維懸浮液的流變曲線

由圖2和圖3可見，漿料濃度從1.5%增加到4.0%，ONP漿和OCC漿纖維懸浮液的剪切應力均隨著剪切速率的增加而增加。根據H-B本構方程對流變曲線進行回歸分析，得到不同濃度ONP漿和OCC漿纖維懸浮液的屈服應力，見表2。

表2 根據H-B本構方程回歸漿料纖維懸浮液的屈服應力

注 Δτy為ONP漿和OCC漿纖維懸浮液屈服應力間的差值，下同。

由表2可知，屈服應力隨著漿料濃度的增加而非線性增加，相關系數R2很高，說明所測得的流變曲線與H-B方程擬合很好。ONP漿纖維懸浮液的屈服應力均大于OCC漿纖維懸浮液的，且兩種漿料纖維懸浮液之間屈服應力的差值在2.7～14.8 Pa范圍內，大致呈增大趨勢，可以繪制出兩種漿料纖維懸浮液的屈服應力與漿料濃度間的變化曲線，如圖4所示。

圖4 采用流變曲線法得到的不同濃度下漿料纖維懸浮液的屈服應力變化曲線

2.2采用剪切應力梯度法測定的屈服應力

圖1所示為在控制剪切應力模式下，濃度為1.5%的ONP漿纖維懸浮液的剪切速率變化曲線。通過流變儀測量多次取平均值，可以測出不同濃度下ONP漿和OCC漿纖維懸浮液的屈服應力，見表4。

表3 流變曲線法測定方程(2)得到的漿料纖維懸浮液的回歸系數

表4 不同漿料濃度下ONP漿和OCC漿纖維懸浮液的屈服應力

圖5 采用剪切應力梯度法測得的兩種漿料纖維懸浮液的屈服應力變化曲線

由表4和圖5綜合分析可見，在漿料濃度為1.5%～4.0%時，采用剪切應力梯度法測量獲得的ONP漿纖維懸浮液的屈服應力由7.68 Pa增加到103.59 Pa，OCC漿纖維懸浮液屈服應力由4.58 Pa增加到86.39 Pa，這是因為隨著漿料濃度的增加，漿料纖維顆粒增加，導致纖維交織、纏繞的機會增加，為了使?jié){料流體充分湍流，則纖維懸浮液屈服應力相應增大。同一漿濃下，ONP漿纖維懸浮液的屈服應力均大于OCC漿纖維懸浮液的，且差值大致在2.8～17.2 Pa之間逐漸增大，這是因為ONP漿的纖維長寬比相對較大，使纖維懸浮液內纖維與纖維間的交織和勾連程度(隨著漿料濃度的增加越明顯)更為緊密，纖維絮聚現(xiàn)象更加嚴重，使得相應的屈服應力增大。

表5 剪切應力梯度法測定方程(2)得到的纖維懸浮液剪切應力回歸系數

2.3兩種屈服應力測量方法的比較分析

根據表2和表4，將兩種測量方法得到的紙漿纖維懸浮液屈服應力與漿料濃度間的變化關系進行比較，對于同種漿料纖維懸浮液使用不同的測試方法得到的屈服應力值不同，采用剪切應力梯度法測得的屈服應力數值稍大一些；在1.5%～4.0%的濃度范圍內，與采用流變曲線回歸法相比，在相同漿料濃度下采用剪切應力梯度法測得的ONP漿和OCC漿纖維懸浮液的屈服應力要分別高5.1%～9.4%和1.3%～13.9%。

2.4廢紙漿與原生漿纖維懸浮液屈服應力的比較分析

2016年，沙九龍等利用流變儀測得漂白針葉木漿和闊葉木漿纖維懸浮液的屈服應力和流變曲線[7]，由于廢紙漿與原生漿在纖維性質上有較大差距，現(xiàn)將表4中所測廢紙漿纖維懸浮液與已知原生漿纖維懸浮液的屈服應力進行比較，屈服應力均采用剪切應力梯度法測定，結果見圖6。

圖6 廢紙漿與原生漿纖維懸浮液的屈服應力曲線比較

由圖6可知，ONP漿與OCC漿纖維懸浮液屈服應力均明顯小于漂白針葉木漿的，但大于楊木APMP漿的，與桉木漿的相當，這主要是由纖維長寬比的不同引起的。漂白針葉木漿纖維長寬比為80.28，桉木漿纖維長寬比為45.03，楊木APMP纖維長寬比為21.71，OCC漿和ONP漿的纖維長寬比分別為29.22和33.70。因為當纖維長寬比增大時，漿料纖維絮團交織得更加緊密，則需要更大的剪切力來破壞纖維間的網絡結構使之產生流動，即屈服應力更大。

2.5應用分析

造紙過程中通過降低屈服應力來降低紙漿物理性工藝處理和輸送工序(打漿、篩選凈化、混合攪拌、輸送、紙頁成形等)的能耗，即減少紙漿纖維懸浮液的泵送和輸運能耗。紙漿混合操作過程中可通過屈服應力計算合理控制葉輪轉速以避免產生無用攪拌能耗，紙幅成形過程中通過屈服應力計算出上下漿網速差范圍以達到良好的成形效果，達到節(jié)能減排的目的，還可為管路優(yōu)化以及計算機流體仿真等提供理論依據[7]。

3 結 論

本研究通過兩種測量方法即流變曲線回歸法和剪切應力梯度法，使用Brookfield流變儀分析了漿料濃度在1.5%～4.0%下ONP漿和OCC漿纖維懸浮液的屈服應力變化情況，主要得出如下結論。

3.3漿料濃度在1.5%～4.0%范圍內時，在相同條件下對ONP漿和OCC漿纖維懸浮液采用剪切應力梯度法測得的屈服應力要比采用流變曲線回歸法測得的屈服應力高，分別高5.1%～9.4%和1.3%～13.9%。

3.4在相同漿料濃度下，ONP漿纖維懸浮液的屈服應力均大于OCC漿纖維懸浮液的，且屈服應力的差值在2.7～17.2 Pa之間，隨著漿料濃度的增加這一差值逐漸增大，即隨著廢紙漿料纖維懸浮液纖維長寬比的增大，屈服應力增大。而與原生漿纖維懸浮液相比，漂白針葉木漿纖維懸浮液的屈服應力明顯大于廢紙漿纖維懸浮液，楊木APMP漿纖維懸浮液的屈服應力明顯小于廢紙漿纖維懸浮液的。因此采用較低質量濃度的OCC漿作為原料，可降低造紙過程中纖維懸浮液的屈服應力，達到降低紙漿物理性工藝處理和輸送工序能耗的目的。

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Keywords：recycled pulp; fiber suspension; rheological behavior; yield stress; influence factors

(責任編輯：郭彩云)

ResearchontheMajorInfluenceFactorsonYieldStressofRecycledFiberSuspension

JIANG Yang1,2CHEN Shu-run1,2SHA Jiu-long1,2SHEN Jun3WANG Chen1,2ZHANG Hui1,2,*

(1.JiangsuProvincialKeyLabofPulpandPaperScienceandTechnology,NanjingForestryUniversity,Nanjing,JiangsuProvince,210037; 2.JiangsuCoInnovationCenterforEfficientProcessingandUtilizationofForestResources,NanjingForestryUniversity,Nanjing,JiangsuProvince,210037; 3.JiangsuLee&ManPaperManufactureLimited,Changshu,JiangsuProvince,215536) (*E-mail:zhnjfu@163.com)

TS71

A

1000-6842(2017)03-0021-06

2017-04-02

蔣 旸，女，1994年生；在讀碩士研究生；主要研究方向：制漿造紙節(jié)能減排技術與裝備。

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