呂衛(wèi)軍 曹春昱 薛崇昀 劉錫炳 黎的非 張 勇

（1.中國制漿造紙研究院，北京，100020；2.赤天化紙業(yè)股份有限公司，貴州赤水，564700）

木片浸漬對(duì)于化學(xué)漿和化學(xué)機(jī)械漿非常重要［1］。19世紀(jì)50～60年代，木片浸漬機(jī)理在研究過程中得到了不斷發(fā)展和完善［2-3］。近年來，隨著人們對(duì)蒸煮前和機(jī)械處理前預(yù)浸漬重要性認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步提高，不少研究者采用數(shù)學(xué)建模的方式來研究木片浸漬過程，這些數(shù)學(xué)模型有些偏重于滲透過程，有些偏重于擴(kuò)散過程。能夠最終表達(dá)木片浸漬程度的數(shù)學(xué)模型并不多見［4-5］。本實(shí)驗(yàn)在已建立的木片浸漬程度數(shù)學(xué)模型［6］的基礎(chǔ)上提供了數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用實(shí)例，以供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料與儀器

用于木片浸漬程度評(píng)價(jià)的原料為紅松，切片大小為60mm（L）×60mm（T）×（3、5、7、9mm）（R），紅松片需六面刨光，將其放入無干燥劑的干燥器中平衡水分備用。

主要儀器有秒表、天平（0.0001g）、水浴鍋、家用小型蒸鍋。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 木片厚度對(duì)浸漬程度的影響

將厚度為3mm的木片從干燥器中取出，迅速將木片完全浸入溫度80℃、NaOH濃度0.5mol/L（密度1.02g/cm3）浸漬液中，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)取出（木片取出時(shí)間分別為2.5、5.0、10.0、15.0、25.0、30.0、45.0、60.0、120.0、180.0min），在木片表面無液滴滴落時(shí)稱取質(zhì)量，最后在105℃烘至恒重，測(cè)定絕干質(zhì)量。厚度為5、7、9mm的木片浸漬程度測(cè)定方法同上。

1.2.2 預(yù)汽蒸對(duì)木片浸漬程度的影響

實(shí)驗(yàn)所用木片厚度為3mm，實(shí)驗(yàn)步驟如1.2.1所述，不同之處是在浸漬前須對(duì)木片進(jìn)行預(yù)汽蒸。預(yù)汽蒸在小型家用蒸鍋中常壓進(jìn)行，待鍋中液體沸騰后將木片放在篦子上進(jìn)行預(yù)汽蒸，時(shí)間分別為5和10min，預(yù)汽蒸完成后迅速將木片放入浸漬液中。

1.2.3 添加表面活性劑對(duì)木片浸漬程度的影響

實(shí)驗(yàn)所用木片厚度為3mm，實(shí)驗(yàn)步驟如1.2.1所述，不同之處是浸漬液中需添加1％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的表面活性劑。

1.2.4 溫度和pH值對(duì)木片浸漬程度的影響

實(shí)驗(yàn)所用木片厚度為3mm，實(shí)驗(yàn)步驟如1.2.1所述，不同之處是浸漬液分別為20℃和80℃的NaOH（0.5mol/L）溶液和20℃的水。

1.2.5 木片密度和漿料性能的測(cè)定

木片的絕干密度按照GB/T1933—1991進(jìn)行測(cè)定；木片骨架密度采用空隙率測(cè)定儀AutoPoreⅣ9500進(jìn)行測(cè)定。

1.2.6 木片浸漬程度的計(jì)算木片浸漬程度采用下式進(jìn)行計(jì)算：

其中，ρw=1.35g/cm3；ρdc=0.47g/cm3；ρl=1.02g/cm3；ml/mdc為浸漬后木片中水分與木片絕干質(zhì)量的比值。

1.2.7 數(shù)據(jù)處理

采用Origin7.5的ExpAssoc方程對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 木片厚度對(duì)浸漬程度的影響

不管是闊葉材還是針葉材，液體在木片內(nèi)部的徑向流動(dòng)都是主導(dǎo)因素［2-3］。已有研究表明，木材徑向的質(zhì)量流是橫向和切向的50～200倍，因此木材的長度對(duì)于液體的浸漬來說是關(guān)鍵的因素［7］。一些直接的和間接的實(shí)驗(yàn)表明，減小木材的長度可以提高浸漬程度［8］。然而有關(guān)木片厚度對(duì)浸漬程度影響的研究并不多見。本實(shí)驗(yàn)僅就木片厚度對(duì)浸漬程度的影響進(jìn)行研究，結(jié)果如圖1所示。

圖1 木片浸漬程度隨木片厚度的變化

從圖1可以看出，木片浸漬程度隨浸漬時(shí)間的延長總體呈上升趨勢(shì)。浸漬時(shí)間為60min時(shí)，木片厚度從9mm降低到3mm，木片浸漬程度由0.231增加至0.474，提高了105％。從擴(kuò)散理論上講，由于木片厚度的減小能夠?yàn)榻n液擴(kuò)散和空氣溶解提供短的途徑，最終影響浸漬程度。隨著木片厚度的降低，同一時(shí)間點(diǎn)的木片浸漬程度有所提高，也就是說木片厚度會(huì)影響最終浸漬程度。

2.2 預(yù)汽蒸對(duì)木片浸漬程度的影響

木片毛細(xì)管孔隙中存在的空氣是影響木片浸漬最為主要的因素之一，在浸漬前盡量去除孔隙中的空氣是木片達(dá)到完全浸漬的前提條件。最常用的空氣去除技術(shù)是常壓或超常壓下的預(yù)汽蒸［9］。但預(yù)汽蒸對(duì)木片浸漬程度到底有多大的影響，少有量化的數(shù)據(jù)可查。本實(shí)驗(yàn)通過木片浸漬程度數(shù)學(xué)模型研究了預(yù)汽蒸對(duì)木片的浸漬程度的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，在無預(yù)汽蒸的條件下，浸漬60min時(shí)，木片的浸漬程度為0.471。預(yù)汽蒸5min后做同樣的處理，木片浸漬程度可以達(dá)到0.573，相比無預(yù)汽蒸，木片浸漬程度提高了21.7％。延長預(yù)汽蒸時(shí)間到10min，木片浸漬程度進(jìn)一步提高至0.609，相比無預(yù)汽蒸，木片浸漬程度提高了29.3％。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，預(yù)汽蒸對(duì)于提高木片的浸漬程度非常有效，但是把預(yù)汽蒸時(shí)間由5min增加至10min，浸漬程度僅增加了6.3％。雖然預(yù)汽蒸最為重要的因素是預(yù)汽蒸時(shí)間［10］，但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，預(yù)汽蒸時(shí)間并不是越長越好。理論上講，當(dāng)水蒸氣的分壓與環(huán)境的壓力相同時(shí)，存在于木片孔隙中的空氣將被完全去除。因此，要達(dá)到空氣的完全去除，首先要保證預(yù)汽蒸時(shí)間，另外，要處理好水蒸氣壓力和溫度的關(guān)系。

圖2 不同預(yù)汽蒸時(shí)間對(duì)木片浸漬程度的影響

2.3 添加表面活性劑對(duì)木片浸漬程度的影響

向浸漬液添加表面活性劑能減小液-固接觸角和增大木材表面的潤濕能力。表面活性劑還可以通過對(duì)含羥基抽出物的潤濕和乳化作用來改善浸漬效果［11-12］。另外，表面張力的減小也可能對(duì)浸漬作用產(chǎn)生負(fù)面影響。事實(shí)上，表面活性劑的使用首先還是要考慮毛細(xì)管結(jié)構(gòu)和木材的組成成分。表面活性劑的作用機(jī)理尚未完全清楚。有些研究表明，表面活性劑對(duì)浸漬效率的作用很小或沒有［11］；而在有些實(shí)驗(yàn)中，向蒸煮液中添加表面活性劑會(huì)改善蒸煮效果，蒸煮效果的改善主要是由于浸漬效果的改善引起的［12-13］。

如前所述，在木片進(jìn)行化學(xué)或機(jī)械處理前添加表面活性劑，對(duì)木片浸漬程度有多大的影響及其影響方式如何，目前尚無定論。雖然現(xiàn)在已有研究開始涉及這個(gè)領(lǐng)域，但也很少看到量化的數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)通過木片浸漬程度數(shù)學(xué)模型研究了添加表面活性劑對(duì)木片浸漬程度的影響，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，浸漬60min時(shí)，添加表面活性劑處理的木片較未添加表面活性劑處理的木片浸漬程度由0.474增加至0.558，浸漬程度提高了17.7％。而在180min時(shí)，添加表面活性劑處理的木片比未添加表面活性劑處理的木片浸漬程度由0.663增加至0.671，木片浸漬程度僅提高了1.2％。結(jié)果表明，表面活性劑可以加快液體向木片內(nèi)部浸漬滲透的速度，但加速作用隨著時(shí)間的延長趨于緩和。

從圖2和圖3可以看出，預(yù)汽蒸和添加表面活性劑對(duì)木片浸漬程度的影響是不同的。預(yù)汽蒸的主要作用是移除存在于木片孔隙中的氣體。氣體的移除一方面是由于氣體自身的熱膨脹，另一方面是由于溫度的提高使水蒸氣的分壓增加，從而驅(qū)趕存在于木片孔隙中的氣體。氣體的移除會(huì)對(duì)木片最終的浸漬程度產(chǎn)生明顯的影響，而且這種影響隨時(shí)間變化不大。添加表面活性劑會(huì)導(dǎo)致液-固接觸角減小和木片表面潤濕性能增加，從而加速浸漬速率，最終影響木片浸漬程度。但這種加速作用隨時(shí)間的延長而減弱或消失。

圖3 添加表面活性劑對(duì)木片浸漬程度的影響

采用表面活性劑強(qiáng)化預(yù)浸漬已經(jīng)成為節(jié)能降耗的一個(gè)研究方向。然而，面對(duì)諸多的表面活性劑，如何進(jìn)行選擇是一個(gè)急需解決的問題。對(duì)每一種表面活性劑都進(jìn)行制漿實(shí)驗(yàn)將花費(fèi)大量的時(shí)間，并消耗大量的人力和物力。本實(shí)驗(yàn)對(duì)6種不同的表面活性劑采用木片浸漬程度數(shù)學(xué)模型進(jìn)行篩選，結(jié)果如表1所示。

表1 不同表面活性劑浸漬程度對(duì)比

從表1中可以看出，浸漬液中添加表面活性劑GRK2后，木片浸漬程度低于空白實(shí)驗(yàn)，因此，GRK2并不能提高木片的浸漬程度，甚至對(duì)于木片浸漬效果有負(fù)作用。向浸漬液中添加表面活性劑DEP-70、MA-240、GRK1，木片浸漬程度提高了13.3％～15.3％。浸漬液中添加表面活性劑1和表面活性劑2的效果最為明顯，表面活性劑1能將浸漬液向木片內(nèi)部浸漬的程度提高28.0％，表面活性劑2能提高24.3％。由以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，如果采用表面活性劑進(jìn)行強(qiáng)化預(yù)浸漬實(shí)驗(yàn)，可以選擇對(duì)木片浸漬程度提高較為明顯的表面活性劑1和表面活性劑2，且表面活性劑1效果優(yōu)于表面活性劑2。實(shí)驗(yàn)也表明，采用木片浸漬程度數(shù)學(xué)模型可以快速對(duì)不同表面活性劑進(jìn)行篩選，縮小表面活性劑的篩選和實(shí)驗(yàn)范圍。

2.4 溫度和pH值對(duì)木片浸漬程度的影響

浸漬過程中，溫度、壓力和浸漬液pH值等條件的變化可以影響到木片浸漬程度的變化。本實(shí)驗(yàn)僅就溫度和pH值對(duì)木片浸漬程度的影響進(jìn)行探討，結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫度和pH值對(duì)木片浸漬程度的影響

從圖4可以看出，當(dāng)浸漬液的pH值相同時(shí)（為同濃度NaOH），提高浸漬液的溫度可以明顯提高木片浸漬程度。浸漬60min時(shí)，NaOH浸漬液溫度由20℃提高至80℃，木片浸漬程度提高38.2％。在低于沸點(diǎn)和恒壓的條件下，提高溫度會(huì)提高浸漬液的滲透速率，這主要是由于提高溫度可以降低浸漬液的黏度［2-3］。浸漬液的溫度也可能通過影響木材的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)和影響潤脹而改變滲透過程［14］。溫度對(duì)浸漬液向木材內(nèi)部滲透的最終影響還要決定于木材的類型、浸漬液性質(zhì)和浸漬壓力等因素。

浸漬液會(huì)對(duì)木材的潤脹起到不可忽視的作用。浸漬液中的羥基對(duì)于木材來說具有很強(qiáng)的親和性，可能會(huì)引起木材較大的潤脹作用［14］。本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)20℃下NaOH（pH值13.7）浸漬液對(duì)木片浸漬程度的影響進(jìn)行了研究。研究表明，相對(duì)于純水，NaOH可以明顯提高木片的浸漬程度。然而，到目前為止，木片的潤脹是如何影響木材的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)和浸漬液的滲透過程尚未完全明了。有研究表明，像硫酸鹽蒸煮液這樣的堿性蒸煮液，由于對(duì)木片具有潤脹作用，浸漬液滲透過程相對(duì)較慢，但滲透程度卻相對(duì)較高［15］。利用木片浸漬程度數(shù)學(xué)模型還可以計(jì)算不同pH值對(duì)木片浸漬程度的影響，由于篇幅的限制，不再詳細(xì)介紹。

3 結(jié)論

通過研究木片厚度、預(yù)汽蒸和添加表面活性劑等對(duì)木片浸漬程度的影響和分析，進(jìn)一步表明木片浸漬程度數(shù)學(xué)模型能夠成功表達(dá)這幾種影響因素對(duì)浸漬的影響程度，是評(píng)價(jià)木片浸漬程度的一個(gè)有效工具。

影響木片浸漬程度的因素很多，本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)部分影響因素采用木片浸漬程度數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。當(dāng)然，利用木片浸漬程度數(shù)學(xué)模型還可以計(jì)算其他影響因素和“滲透幫助”技術(shù)對(duì)木片浸漬程度的影響。

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