剪切力對造紙濕部絮凝作用的影響

胡 芳

(齊齊哈爾大學輕工與紡織學院，黑龍江齊齊哈爾，161006)

剪切力對造紙濕部絮凝作用的影響

胡 芳

(齊齊哈爾大學輕工與紡織學院，黑龍江齊齊哈爾，161006)

本文綜述了剪切力對造紙濕部絮凝作用的影響，內容包括造紙過程主要單元操作中的剪切力水平及其對絮凝的影響、剪切力大小的評價、選擇性解聚的現象、不同助留體系形成絮體的抗剪切性和可逆轉性以及絮凝過程控制。

絮凝;絮體;剪切力;助留劑

在造紙過程中，所處理的紙料都是以纖維懸浮液的狀態存在的，當紙料流速改變時，紙料的管路運輸、網上流動和脫水成形等過程均會發生很大變化。當流速很低時，紙料管內流動將形成栓流，纖維易于絮聚;當流速太高時，網上流動不均勻，紙張的性能指標下降。紙機上脫水元件的脈動濾水行為則直接影響著細小組分的留著率，即紙料濃度不變時，壓力脈沖越大，細小組分留著率越低。總之，“動態”是造紙濕部的重要特性。因此，研究流場，特別是流場中的流體剪切力對紙料絮凝作用的影響，具有重要的意義。

1 造紙單元操作中的剪切力

在一個典型的造紙過程中，纖維懸浮液會經過一系列的單元操作。表1表明了這些單元操作的主要功能［1］，并列出了流體動力學剪切力的程度，以及這些操作如何影響絮凝。

如表1所述，只有單根纖維能夠通過紙機系統壓力篩的篩縫。但是，這樣的纖維上附著有許多細小組分。例如，附著了碳酸鈣微粒的纖維可以毫無困難地通過壓力篩。另一方面，流體動力學剪切力會使部分細小組分被除去。造紙工作者可以通過選擇在壓力篩之前或之后加入高分子質量絮凝劑來調節其操作結果。

除了表1中所列舉的造紙各單元操作的功能外，造紙過程的單元操作還提供了許多加入助劑或化學品的位置。通過選擇不同的加入點，操作者能夠在實際生產中選擇混合條件以及每種化學品在紙幅成形前存在于纖維懸浮液中的時間的長短。優化化學助劑添加順序，對過程效率和產品質量有很大的影響。

2 剪切力的大小

絮凝是一個非常復雜的問題，其效果由絮凝劑的化學作用和物系的流體動力學行為決定。G值 (水體流動的速度梯度)大小表征物系中剪切力的強弱。在膠體顆粒絮凝過程中，剪切力作用至關重要。一方面剪切力可保證顆粒間的有效碰撞，為顆粒的碰撞提供能量，同時也使絮凝劑快速、均勻地分散，促使顆粒迅速生長;另一方面，當顆粒聚集體生長到足夠大時，剪切力的存在使較大顆粒聚集體發生機械破碎及骨架變形，使聚集體粒徑逐漸衰減，結構愈加密實。對于剪切力控制的膠體顆粒絮凝過程，物系中層流剪切、湍流剪切及湍流慣性碰撞等流體動力學條件尤為重要，這些因素相互作用，共同影響絮凝過程的進行和效率。根據流動性質的不同，Teresa等［2］提出G值的大小通過不同的方式進行估算。王補宣等［3］認為G值大小反映了輸入系統的能量強度，影響G值大小的因素除了流體動力學條件外，絮凝劑的用量、物理化學性質，膠體顆粒的體積大小、空間分布、表面性質等都會引起能量耗散與分布不均，對絮凝過程產生重要影響。綜合上述因素，將G值表述為:

表1 典型紙機的單元操作、剪切力水平和對絮凝作用的影響

式中，K1是促進膠體顆粒發生絮凝的因素;K2是引發膠體顆粒發生破碎的因素。如此，G值的物理意義將發生改變，表征了給定系統中膠體顆粒絮凝與破碎的競爭結果。

3 選擇性解聚——絮體類型及剪切力的作用

要實現理想的成形，人們不希望破壞纖維-細小纖維以及纖維-填料之間的異質絮體，這種絮體對于它們在紙幅中的留著是理想的。但是如果絮體太大，就會降低紙張勻度。而在造紙過程中的實際情況，與人們的這一期望是相符的。有研究者提出［1］，分離所需的臨界剪切力，與微粒的R-3/2成正比，因此將微粒從某一表面上通過形成滾動而分離，微粒越小所需的剪切力越大。分離填料-纖維所需要的剪切力為分離纖維-纖維所需要的剪切力的1600倍。這個結果盡管是個估計值，但說明與將兩根纖維彼此分開相比較，將填料微粒從纖維表面分離下來需要相當大強度的流送。這為造紙工作者提供了便利，通過選擇助留劑和適當的添加位置，即具有一定剪切程度的單元操作，就可以形成一定強度的絮體，使纖維的聚集不能夠保持，但又不會破壞細小纖維和填料在纖維上的吸附，這樣就可以同時優化成形和留著［4］。

4 不同助留體系形成絮體在剪切力下的作用

不同的助留機理形成的絮凝作用有很大差別，絮體具有不同的抗剪切性和可逆轉性。

4.1 電荷中和、補丁機理和架橋機理

Blanco等［5］研究了 CPAM、PEI和硫酸鋁對于1%碳酸鈣懸浮液的絮凝過程，研究結果表明，PAM通過架橋絮凝機理形成的絮體較大，PEI通過補丁機理形成中等的絮體而硫酸鋁通過電荷中和作用形成的絮體最小。不同絮體的性質也不同，當采用硫酸鋁時，增加攪拌速率很容易使絮體破碎，當攪拌速率降低時，絮體的尺寸幾乎完全恢復。但是，當使用PAM時，絮凝較慢，而且比PEI和硫酸鋁需要更長的時間達到最大尺寸。PEI表現出的性質居中，它通過補丁機理發生絮凝。

硬絮體的破碎涉及到助留劑聚合物中共價鍵的斷裂，重新分散的絮凝懸浮液中，絮凝劑的平均分子質量被發現大大減小了，在每個被分開的表面上留下了聚合電解質的片段。由于流體動力學作用引起的顆粒表面的分子運動，以及受附近細小組分或纖維表面相反電荷的影響，聚合物會重新組織。此時，聚合物的作用類似低分子質量聚合電解質引起的補丁效應，并形成松軟絮聚體。與架橋作用相比較，補丁機理的可逆轉性更強，因為靜電吸引力是可以逆轉的。補丁絮凝劑以平坦的構型被吸附，在剪切過程中不易發生分子鏈的斷裂。

聯合使用絮凝劑可獲得協同效果，形成更強的絮體并在分散后有較高的再絮凝能力。

4.2 雙元聚合物體系

典型雙元聚合物體系通常基于一種高電荷的短鏈陽電荷聚合物，然后再應用一種高分子質量的陰離子聚合物。補丁和架橋絮凝的聯合，以及相反電荷聚合物之間的較強的靜電相互作用，使得絮體的強度更高，抗剪切力更強。

4.3 微粒體系

微粒體系大多基于陽離子聚合物和陰離子微粒的聯合作用。這些體系的一般思想是在早期向紙料中加入陽離子聚合物，形成初始的大規模絮凝，這一絮凝被剪切力分解。然后在靠近流漿箱處加入微粒，形成第二次絮凝，主要由與吸附的陽離子聚合物之間電荷相互作用控制。由于靜電相互作用，由加入微粒引起的絮凝對重新構型和被吸附陽離子聚合物鏈的斷裂不敏感。

Lindstr?m［6］首先描述了微粒助留體系具有可逆轉性，在網部和壓榨部提供更快速的脫水，并且干燥后紙張的孔隙度更高。夏新興等的研究發現［7］，微粒助留體系比陽離子聚丙烯酰胺 (CPAM)單元助留體系具有更好的留著和抗剪切性能。Swerin［8］對比CPAM作為單元體系和微粒體系的可逆轉性。研究發現，CPAM單獨使用時，絮體尺寸隨時間的進行而衰減，而加入微粒形成了高度的再絮凝，即衰減趨勢降低。微粒體系具有更強的可逆轉絮凝的性質也被Alfano 等［9］證實。

4.4 網絡絮凝

Se-Young等［10］研究高嶺土懸浮液在湍動條件下由不同聚合物體系引起的絮凝和再絮凝，聚合物體系包括:單元聚合物、雙元聚合物、微粒和PEO/PFR體系。研究認為，由PEO/PFR體系形成的絮體，比其他系統具有更高的初始抗剪切力，但在連續剪切條件下的再絮凝不明顯，因為缺少電荷作用力。Cadotte等［11］的研究發現，由PEO和CF形成的絮體強度最大，而PEI和PAC形成的絮體的強度最低。PEO/CF絮體隨時間和剪切力而分解，并且不會重新形成。

5 絮凝過程控制

紙機上絮凝的優化通常基于對濃度、留著和電荷的檢測。有幾種在線濕部化學檢測設備用于濃度、留著和電荷的檢測，但對于絮凝控制而言均屬于非直接控制，而直接用于控制絮凝的絮凝探測器可以大大改善過程控制。

5.1 脈沖光散射分析儀 (Photometric Dispersion Analyser，PDA)

檢測分散穩定性的一種方法是記錄PDA濁度信號的均方差，稱為絮凝指數 (Flocculation Index，FI)，該值與絮聚的程度和絮聚體尺寸有關［12］。通過PDA對紙料絮凝過程的監測，其FI曲線的變化可直接反映水中顆粒物的絮凝狀態［13］。如圖1的絮凝測定裝置［14］，對比了3個點的絮凝情況。張紅杰等［15］將PDA與DDJ相結合，高效、直觀、動態地表征了高得率漿的不同替代比例對CPAM/膨潤土助留系統負面影響的程度和過程。

圖1 絮聚測定裝置

5.2 聚焦光束反射測量儀 (Focused Beam Reflectance Measurement，FBRM)

早在20世紀90年代就開始利用激光技術優化絮凝，通過研究絮凝、解絮和再絮凝來研究絮體抗剪切力的能力，而FBRM的特點是可以在線測量顆粒系統的粒徑分布。FBRM探測器示意圖見圖2。

圖2 FBRM探測器示意圖

如圖2所示［16］，探頭內部發射出的高度聚焦的激光束穿過探頭窗口附近的顆粒，并產生反射，直到激光束到達顆粒的另一端。FBRM接收反射信號，計算出激光束經過顆粒的時間，并折算成兩端的距離，即弦長 (chord length)。FBRM每秒可以測得上百萬個弦長，從而在很短的時間內就可得到一個弦長頻率分布，弦長分布為懸浮液微粒系統提供了一種微粒數量定量和尺寸信息的方法。目前FBRM在造紙濕部絮凝中的應用主要有以下幾個方面［17］:①紙機系統在線測量和化學處理優化控制;②白水絮凝與DCS失穩過程的研究;③紙漿懸浮液化學絮凝機理與流變性之間關系的研究;④助留體系絮凝機理及絮體性質。

5.3 基于動力學與分形分析的絮凝控制新指標

赫俊國等［18］通過對湍流水體中絮凝體的受力分析表明，在絮凝工藝中特征尺度量級的渦旋起重要作用，其離心慣性效應是絮凝體碰撞凝聚的動力學致因;通過對絮凝動力學傳質過程影響因素的分析，利用數學分析方法，確定了絮凝體密度正比于水流的剪切強度;通過對絮凝體的形態分析，確定了絮凝體強度反比于水體剪切強度;進而提出一個基于動力學與形態學分析的新絮凝控制指標Fr0。

6 結語

造紙生產過程中，紙料時刻處于不同的剪切條件下，初始絮體常常在高剪切力下被打碎，如果剪切力被去除，會形成部分再絮凝。在大多數情況下，絮體在離開系統之前必須多次經過高和低剪切力區域。絮凝和再絮凝的動態過程及程度復雜，并且與引起絮凝的助留劑的結構之間有密切關系，化學和機械的因素都決定著紙張的勻度。顯然，對于絮凝和再絮凝的原理的深入理解將有助于工業過程的控制和優化。

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Effect of Shear Force on Flocculation of Papermaking Wet-end

HU Fang
(College of Light Industry ＆ Textile Engineering，Qiqihar University，Qiqihar，Heilongjiang Province，161006)
(E-mail:fangh16@163．com)

The paper reviewed the effect of shear force on flocculation of papermaking wet-end．Hydrodynamic shear levels of unit operations of a typical papermaking process and their effects on flocculation，the level of shear force，phenomenon of selective deflocculation and resistance to shear and reversibility of flocs induced by various retention aid systems and flocculation process control were introduced．

flocculation;flocs;shear force;retention aids

TS754

A

0254-508X(2011)09-0069-04

胡 芳女士，博士，教授;主要研究方向:造紙濕部化學及造紙助劑。

2011-01-27(修改稿)

(責任編輯:馬 忻)