基于分散剂的PVA纤维束分散性能研究

杨 雪 杨 柳

（重庆电子工程职业学院，重庆 401331）

0 引言

聚乙烯醇（PVA）纤维具有高强高模、耐磨性好、亲和力和结合性强等优点［1］，可显著提高水泥基复合材料的劈裂抗拉强度，同时能够改善水泥基复合材料的变形和破坏特性［2-4］。

目前研究发现，PVA纤维束分散成单丝状态能够提高混凝土的抗冲击能力。由于PVA纤维束具有亲水性，使其在机械搅拌下容易相互缠绕，不利于纤维束的分散［5］。而分散剂可使纤维表面快速湿润、表面势能降低、固体质点间的势垒上升到足够高，从而达到分散、稳定纤维的作用［6］。基于此，本研究根据PVA纤维束的亲水特性选择不同分散剂，以研究其对PVA纤维束分散性能的影响。

1 分散剂选择

PVA纤维表面具有极性羰基基团和羟基基团，甲基纤维素（MC）、羟乙基纤维素（HEC）和羧甲基纤维素钠（CMC-Na）这3种分散剂中都具有极性羟基基团，这部分基团可与PVA纤维表层的极性羰基基团或者羟基基团以及水分子相结合，从而增强PVA纤维表层的浸润性，提高PVA纤维束的分散性能。因此，本研究选取甲基纤维素（MC）、羟乙基纤维素（HEC）和羧甲基纤维素钠（CMCNa）3种分散剂展开研究。由于分散剂通常为粉末状，应在使用前将分散剂均配制成质量分数为15%的水溶液。

2 拌合理论

搅拌前，假设搅拌桨的角速度为ω1，转动惯量为J1；PVA纤维束的角速度为ω2，转动惯量为J2；质量分数为15%的分散剂水溶液的角速度为ω3，转动惯量为J3。搅拌后，假设搅拌桨、纤维束和质量分数为15%的分散剂水溶液具有共同的角速度ω。

搅拌桨、纤维束和质量分数为15%的分散剂水溶液搅拌前的动量和L1及动能和E1可表示为式（1）、式（2）。

搅拌桨、纤维束和质量分数为15%的分散剂水溶液搅拌后的动量和L2及动能和E2可表示为式（3）、式（4）。

根据动量守恒定律得式（5）。

则搅拌桨、纤维束和质量分数为15%的分散剂水溶液的动能改变量ΔE表示为式（6）。

从式（6）可以看出，动能主要用于PVA纤维束的变形和分散。

3 PVA纤维束分散效果仿真分析

3.1 数值模型建立

首先运用CATIA创建PVA纤维束搅拌设备的三维模型，搅拌桨为四直叶，接着导入CFD中进行网格划分和仿真分析，其中，设定搅拌桨工作区域为旋转域，其他区域为静止域。

3.2 流体参数设定

材料的属性设置如下。PVA纤维束的密度ρ1=1.3 g/cm3，动力黏度μ1=22 Pa·s，质量分数为15%的分散剂水溶液的密度分别为ρmMC=1.04 g/cm3、ρmCMC=1.06 g/cm3、ρmHEC=0.95 g/cm3。质量分数为15%的分散剂水溶液的动力黏度分别为μMC=2 Pa·s、μHEC=16 Pa·s、μCMC=12 Pa·s。并 设置PVA的体积分数为70%，质量分数为15%的分散剂的水溶液的体积分数为30%，速度设置为0 m/s，并设定四直叶搅拌桨的转速为600 r/min。

3.3 仿真结果及分析

3.3.1 速度矢量。抽取搅拌桨Y=0 mm的纵截面，则不添加分散剂和添加不同分散剂的PVA纤维束速度分布矢量图如图1所示。

从图1（a）可以观察到，在不添加分散剂的情况下，PVA纤维束在四直叶搅拌桨Y=0 mm的纵截面具有上下流动不对称的特点，并且搅拌桨上下两个方向均形成了向上和向下的“双循环”小流场，符合四直叶搅拌桨径向流场的特性，从而说明仿真参数设置的可靠性。

从图1（b）、图1（c）、图1（d）可观察到，当添加MC分散剂时，PVA纤维束在四直叶搅拌桨Y=0 mm的纵截面具有上下整体均匀流动的特点；当添加HEC和CMC-Na分散剂时，PVA纤维束在搅拌槽内的搅拌桨下方的流动状态明显比搅拌桨上方流动状态剧烈，并且HEC比CMC-Na更剧烈。由此可知，添加分散剂后，PVA纤维束的流动状态得到改善，有利于纤维束的搅拌和分散，而其中HEC的效果最好。

图1 无分散剂和添加不同分散剂的速度矢量图

3.3.2 湍流动能。抽取搅拌桨Y=0 mm的纵截面，则不添加分散剂和添加3种分散剂的流场湍流动能云图如图2所示。

观察图2可知，当不添加分散剂时，搅拌桨流场湍流动能最大值仅为0.161 7 m2/s2，当添加MC、HEC、CMC-Na分散剂后，湍流动能最大值均明显增大，最大值分别为1.988 m2/s2、14.13 m2/s2、13.3 m2/s2。由此可知，添加分散剂后，有利于PVA纤维束的搅拌分散，而其中添加HEC分散剂时，湍流动能最强烈。

图2 无分散剂和添加分散剂的湍流动能云图

综上，添加分散剂对PVA纤维束的分散具有促进作用，且分散效果HEC最优，其次为CMC-Na，MC最差。

4 PVA纤维束分散效果试验

4.1 试验设备制取

本研究采用一款四直叶搅拌桨的立式精密电动搅拌设备进行PVA纤维束搅拌试验。设备主要由驱动部分、搅拌部分和支撑部分组成。

4.2 PVA纤维束分散效果评价参数

PVA纤维束搅拌后的图像纹理特征因分散剂种类的不同而不同。本研究引入灰度共生矩阵特征参数中的角二阶矩f1和熵f2这两个参数对PVA纤维束分散效果进行评价。角二阶矩f1越小，熵f2越大，则纤维分散效果越好。

4.3 试验分析

为了验证分散剂对PVA纤维束分散效果的影响，每种分散剂同等条件下进行10组试验，搅拌设备的转速设置为600 r/min，搅拌时间为3 min，搅拌后的PVA纤维束如图3所示，然后进行纹理特征提取，得到不同分散剂的10组角二阶矩和熵值，然后求其平均值，如表1所示。

表1 无分散剂与添加分散剂的角二阶矩和熵值

图3 试验中搅拌分散后的PVA纤维束

从表1可以看出，HEC的角二阶矩最小，熵值最大，说明PVA纤维束分散效果最好，CMC-Na和MC的角二阶矩虽略比无分散剂的角二阶矩大，但熵值分别提高了30.6%、13.4%，仍对PVA纤维束具有明显的分散作用。总之，添加分散剂对PVA纤维束分散性能都有改善作用，并且在3种分散剂中，添加HEC分散剂对PVA纤维束的分散效果最好，而添加MC分散剂对纤维束的分散效果最差。

5 结语

本研究基于PVA纤维束的亲水性特征，选用了3种具有极性羟基基团的分散剂进行仿真和试验研究，仿真结果和试验结果一致，即分散剂对PVA纤维束分散性能都具有改善效果，并且HEC分散剂的效果最好。