打浆过程预添加CMC对杨木APMP浆悬浮液屈服应力的影响

陈树润， 沙九龙， 何 晶， 王 晨， 沈 军， 张 辉*

(1.南京林业大学 江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏 南京 210037；2.南京林业大学 江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心，江苏 南京 210037;3.江苏理文造纸有限公司，江苏 常熟 215536)

打浆过程预添加CMC对杨木APMP浆悬浮液屈服应力的影响

CHEN Shurun

陈树润1，2， 沙九龙1，2， 何 晶1，2， 王 晨1，2， 沈 军3， 张 辉1，2*

(1.南京林业大学 江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏 南京 210037；2.南京林业大学 江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心，江苏 南京 210037;3.江苏理文造纸有限公司，江苏 常熟 215536)

杨木；APMP；打浆；CMC-Na；屈服应力

1 实 验

1.1 材料与仪器

杨木APMP浆，初始打浆度29°SR，由山东某纸业公司提供；羧甲基纤维素钠(CMC-Na)，白色粉末状固体，由南京某化学品公司提供。

20S2-23L型瓦利打浆机，陕西科技大学生产；TD7-PFI型立式磨浆机，咸阳通达轻工设备有限公司；RST-SST型流变仪，美国Brookfield公司；Morfi Comapct型纤维形态分析仪，法国TECHPAP公司；P95568型标准纤维疏解器，PTI Austria公司；P95587型肖波尔叩解度仪，PTI Austria公司。

1.2 实验方法

1.2.1 瓦利打浆机处理 称取一定量的杨木APMP浆，用去离子水浸泡24 h，按照标准纸浆实验室打浆瓦利打浆机法(GB/T 24325—2009)对杨木APMP浆打浆处理，打浆时间分别为10、15和20 min。

将经过去离子水浸泡24 h后的浆料在质量分数2%下分别加入1%、1.5%、2%、2.5%和3%(以绝干浆质量计，下同)的CMC-Na进行预处理10 min，再进行打浆处理15 min。

1.2.2 PFI磨处理 称取一定量的杨木APMP浆，用去离子水浸泡24 h，采用纤维疏解器先对浆料进行疏解，按照标准纸浆实验室打浆PFI磨法(QB/T 1463—2010)对杨木APMP浆进行打浆，打浆转数分别为6 000、8 000和10 000 r。

将经过去离子水浸泡24 h后的浆料在浆质量分数10%下分别加入1%、1.5%、2%、2.5%和3%的CMC-Na进行预处理10 min，再进行打浆处理(打浆转数为8 000 r)。

1.3 分析方法

1.3.1 浆料的纤维形态分析 分别称取相当于绝干浆量40 mg的杨木APMP浆和经过1.2节打浆处理的浆料，充分疏解后配成1 000 mL浆料悬浮液，使用纤维形态分析仪对浆料的纤维形态进行分析。

1.3.2 剪切应力梯度法测定屈服应力 经过瓦利打浆机和PFI磨处理过的杨木APMP浆分别配制成质量分数为1%、1.5%、2%、2.5%和3%的浆料悬浮液，流变仪按照剪切应力梯度法，逐渐增加剪切应力，得到剪切速率与剪切应力曲线，当剪切速率由小于1 s-1阶跃到大于1 s-1时所对应的剪切应力即为屈服应力(τy)

2 结果与讨论

2.1 杨木APMP浆打浆度与屈服应力的关系

用瓦利打浆机打浆，打浆质量分数为2%时，初始打浆度为29°SR，分别经过10、15和20 min打浆后，打浆度分别为35、45和63°SR；分别测得不同打浆度的PFS的剪切速率曲线，从而得出屈服应力(τy)如图1(a)所示。用PFI磨打浆处理，打浆质量分数为10%时，初始打浆度为29°SR，经过打浆转数分别为6 000、8 000和10 000 r打浆后，打浆度分别为36、40和45°SR；同样，分别得出对应的屈服应力(τy)如图1(b)所示。

图1 不同打浆方式和打浆度条件下PFS的屈服应力变化曲线

按照1.3.1节的方法分析上述浆料的纤维形态，得到不同设备打浆处理后浆料纤维的数均长度和重均长度如表1所示。

表1 不同打浆方式处理后浆料纤维的数均长度与重均长度

由图1可见，杨木APMP浆的屈服应力随着其浆料质量分数的增加而迅速增加；经过打浆处理后，具有不同打浆度浆料的屈服应力增加趋势有差异。如图1(a)所示，瓦利打浆机处理后的浆，在相同浆料质量分数条件下，随着打浆度的提高，浆料的屈服应力逐渐减小；而经过PFI磨打浆处理后的浆(图1(b))，在相同浆料质量分数条件下，屈服应力随着打浆度的提高有大幅度的增加。由表1可知，经过瓦利打浆机处理过的浆料，随着打浆度的提高，纤维长度大幅度减小；经过PFI磨处理的浆料，其纤维长度减小不明显。出现以上现象的原因为：瓦利打浆机打浆主要是纤维的切断作用，分丝、帚化作用相对较小，随着打浆时间的增加所产生的切断作用增大，纤维长度大幅度减小，纤维的分丝、帚化没有明显的增加，虽然浆料的滤水性能降低，表现为打浆度的提高，但是纤维之间的结合减少，纤维网络结构的强度减小，因此经过瓦利打浆机处理的浆料悬浮液的屈服应力随着打浆度的升高而不断减小；而PFI磨打浆主要是纤维的分丝、帚化作用，切断作用相对较小，随着打浆转数的增加，纤维大幅度的分丝、帚化，但是纤维长度减小不明显，浆料的滤水性能降低，表现为打浆度的提高，与此同时增加了纤维之间的结合，使纤维网络结构的强度增大，因此经过PFI磨处理的浆料悬浮液的屈服应力随着打浆度的升高有明显的增加。

由图1可知，打浆方式的不同，使得浆料在相同的打浆度下屈服应力有显著差别。当进行低浓度游离打浆(瓦利打浆机打浆,质量分数2%)时，主要是纤维的切断作用，使得纤维长度大幅度减小，进而浆料悬浮液的屈服应力随着打浆度的升高而减小；当进行中高浓度黏状打浆(PFI磨打浆，质量分数10%)时，主要是纤维的分丝、帚化作用，使得纤维表面积增加，纤维长度变化不明显，进而增加纤维之间的机械交织，增加浆料悬浮液的屈服应力。

表2 不同打浆方式处理后浆的指数方程系数

由表2可知：2种打浆方式的R2值均很高，即与指数方程拟合程度很好，说明完全满足该指数方程式；同时，该指数方程中系数a的大小受打浆度变化的影响较大。

2.2 添加CMC-Na预处理对打浆度的影响

按1.2节实验方法，对杨木APMP浆进行添加CMC-Na预处理，CMC-Na添加量与打浆度的关系曲线如图2所示。由图2可知，在相同的打浆条件(浆质量分数和时间)下，加入CMC-Na预处理能在一定程度上提高打浆度；用瓦利打浆机和PFI磨打浆，当添加2%的CMC-Na并预处理10 min，打浆后打浆度值最大，其中瓦利打浆机处理后的浆，其打浆度由45°SR提高到48°SR，PFI磨处理时，则由40°SR提高到50°SR；随着CMC-Na添加量的继续增加打浆度又开始降低。相对于瓦利打浆机，用PFI磨对经过CMC-Na预处理的浆料打浆处理后，其打浆度提高更大。

这是因为当添加CMC-Na对浆料预处理时，由于CMC-Na的乳化分散性和固态分散性作用，能够分散纸浆纤维，减少纸浆纤维之间的机械交织，从而减少浆料悬浮液的屈服应力；瓦利打浆机打浆质量分数为2%时，属于低浓度游离打浆，打浆作用主要是纤维的切断，因此，打浆过程中浆料悬浮液的屈服应力较小，浆料悬浮液的流动性较好，添加CMC-Na预处理对于打浆的影响不是很大；但是对于PFI磨而言，在浆质量分数高达10%进行中高浓度黏状打浆，打浆作用主要是纤维的分丝帚化，因此，打浆过程中浆料几乎不具有流动性，当添加CMC-Na预处理后，一定程度上分散了纤维，使纤维之间的机械交织减少，增加了纤维的流动性，从而在打浆过程中使浆料在相同的打浆条件和打浆转数下，打浆度有明显的提高，而当CMC-Na添加量过多时，反而过多地增加了纤维之间、纤维与打浆机磨片之间的滑动，使纸浆纤维难以切断、细纤维化，不能达到提高打浆度的目的。

图2 CMC-Na添加量对打浆度的影响

分析以上结果可以看出，打浆之前添加CMC-Na预处理在一定程度上可以提高打浆度，中高浓度黏状打浆(如PFI磨)相较于低浓度游离打浆(如瓦利打浆机)打浆效果改善更为明显。因此，在研究中高浓打浆技术时可以考虑加入适量的CMC-Na等助剂，从而提高打浆度，实现打浆过程的高效节能降耗。

2.3 添加CMC-Na预处理对打浆后浆料屈服应力的影响

按照1.2节的实验方法，打浆前加入一定量的CMC-Na预处理10 min，然后测定打浆后浆料悬浮液的屈服应力(τy)，得到不同CMC-Na添加量的屈服应力曲线，如图3所示。

由图3可见，加入CMC-Na预处理后再进行打浆处理，使得打浆后浆料悬浮液的屈服应力有明显的降低；对于用瓦利打浆机和PFI磨，当添加2%的CMC-Na预处理后再打浆后，得到的浆料悬浮液的屈服应力处于最低水平，当浆料质量分数为3%时浆料悬浮液的屈服应力分别为16.4和22.8 Pa，与未添加CMC-Na的浆料相比减少了11.7和19.7 Pa；然而当添加过量的CMC-Na时，浆料悬浮液的屈服应力有所波动，但总体上比添加2%CMC-Na时有所增加，相对于添加3%的CMC-Na，当添加2.5%的CMC-Na预处理后打浆所得浆料悬浮液的屈服应力较大。出现这种情况的原因是：浆料中的CMC-Na能够很好地增加浆料纤维的分散性，降低纤维之间的机械交织及其强度，利于浆料在打浆设备中的流动，经过打浆处理的浆料，打浆度提高的同时，在CMC-Na的作用下，浆料纤维分散性增强，不利于纤维之间机械交织，因此浆料悬浮液的屈服应力有不同程度的降低，故适量添加CMC-Na可在提高打浆度的同时降低浆料悬浮液的屈服应力；而当添加过量CMC-Na时，由于CMC-Na本身黏性较高，CMC-Na附着在纤维的表面，增加了浆料的黏性，使得CMC-Na分散浆料纤维的作用减弱，对于提高打浆度和降低浆料悬浮液屈服应力的作用减弱。

对于主要以分丝帚化为主的PFI磨打浆而言，打浆之后纤维之间的机械交织作用不断增强，添加CMC-Na预处理打浆，使得浆料纤维能够很好地分散，大幅度地减少机械交织及其强度，从而很大程度上减少浆料悬浮液的屈服应力；对于主要以切断为主的瓦利打浆机而言，纤维长度大幅度减小，纤维之间的机械交织强度随着打浆度的升高而减弱，添加CMC-Na预处理对于瓦利打浆机处理的浆料悬浮液的屈服应力有所减少，但是相较于PFI磨处理，屈服应力的减少相对较小。

分析可知：添加2%的CMC-Na预处理后进行打浆，得到的浆料的打浆度提高最大，同时浆料悬浮液的屈服应力处于最低水平；相对于低浓游离打浆，当进行中高浓度黏状打浆时，添加CMC-Na对于打浆度和浆料悬浮液的屈服应力的影响效果更为明显。

表3 不同打浆方式处理后浆的指数方程系数(2% CMC-Na)

分析以上结果可知，在打浆之前加入2%的CMC-Na预处理，能最大程度提高打浆度的同时使得浆料悬浮液的屈服应力处于最低的水平，不仅能够降低打浆能耗，促进后续的输送、筛选、混合、纸页成型等工段中浆料的流动，进而促进打浆、输送等工段向着高浓方向发展；同时，在生产过程中可以根据打浆方式和打浆度的不同，通过该指数方程求得杨木APMP浆料悬浮液的屈服应力的大小和变化趋势，从而为浆料的输送、混合、筛选和纸页成型等工段的优化、设计和装备的高效节能降耗技术开发等提供坚实的理论依据；在利用计算流体力学(CFD)对打浆过程进行计算机模拟时，根据打浆过程中浆料屈服应力的变化趋势进行相关参数设置，使得模拟更加接近实际的工作情况，模拟结果对于实际生产情况有直接应用意义。

3 结 论

3.2 添加CMC-Na预处理浆料10 min,则打浆过程中浆料打浆度随CMC-Na添加量(以绝干浆质量计)的增加先升高后降低；当CMC-Na添加量为2%时，经瓦利打浆机处理的浆料打浆度可由45°SR提高到48°SR，而经PFI磨处理的浆料打浆度可由40°SR提高到50°SR，并且浆料悬浮液的屈服应力均达到最低值，分别为16.4和22.8 Pa(浆料质量分数为3%)。

3.3 CMC-Na在中、高浓浆料打浆过程中对浆料流动性的促进作用更为明显。因此，可以应用于中高浓度打浆、输送、筛选和混合等制浆造纸工艺过程中，以促进中高浓度制浆造纸技术的发展。在生产中可以根据打浆方式和CMC-Na预处理添加量的不同，优化设计更为合理的技术工艺流程和选取更为合适的装备，减少资源的消耗，提高经济效益；同时可为制浆造纸各工段的高效节能降耗工艺和装备技术研发提供理论依据。

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Influence of Addition of CMC Before Refining on the Yield Stress of Refined Poplar APMP Pulp Fiber Suspension

CHEN Shurun1,2, SHA Jiulong1,2, HE Jing1,2, WANG Chen1,2, SHEN Jun3, ZHANG Hui1,2

(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； 3. Jiangsu Lee & Man Paper Co., Ltd., Changshu 215536, China)

poplar; APMP; refining; CMC-Na; yield stress

10.3969/j.issn.0253-2417.2017.02.014

2016- 08-26

江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室开放基金(201609)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(无编号)

陈树润(1990— )，男，山东烟台人，硕士生，研究方向：制浆造纸节能减排技术与装备

*通讯作者：张 辉，教授，博士生导师，研究领域为制浆造纸节能减排技术与装备、造纸机械状态监测与故障诊断技术； E-mail:hgzh@njfu.edu.cn。

TQ35；TS734

A

0253-2417(2017)02- 0108- 07

陈树润，沙九龙，何晶，等.打浆过程预添加CMC对杨木APMP浆悬浮液屈服应力的影响[J].林产化学与工业，2017，37(2)：108-114.