劉 嘉 朱小林

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640)

磨漿處理是造紙的一個(gè)重要過程，其目的是根據(jù)紙或紙板的質(zhì)量要求和使用紙漿的種類及特征，在可控的情況下用物理方法改善纖維的形態(tài)和性質(zhì)，使制造出來的紙或紙板符合預(yù)期的質(zhì)量要求［1］。國內(nèi)傳統(tǒng)的磨漿方式一般采用低濃磨漿 (一般在6%以下)，但是在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中，人們也逐漸發(fā)現(xiàn)低濃磨漿存在諸多弊病，例如:對纖維切斷比較多、成漿質(zhì)量不均勻、磨漿能耗較高等。上述弊病造成企業(yè)生產(chǎn)成本較高，產(chǎn)品質(zhì)量提升困難。鑒于傳統(tǒng)低濃磨漿的缺陷，近年來國內(nèi)研究開發(fā)出中高濃磨漿 (一般在10%以上)的技術(shù)和設(shè)備，在一些造紙企業(yè)逐步得到了推廣和生產(chǎn)應(yīng)用［2-3］。為了更好地了解磨漿，有必要對磨漿過程及磨漿的作用規(guī)律有更加深入的認(rèn)識，以便于優(yōu)化磨漿工藝和參數(shù)。

磨漿過程是對紙漿纖維進(jìn)行機(jī)械處理，所以磨漿過程實(shí)質(zhì)是能量轉(zhuǎn)換過程。各種前期的磨漿機(jī)理基本是從能量轉(zhuǎn)換的角度來解釋磨漿過程的。Smith于1922年提出了帚化理論 (Fiberage Theory)，該理論建立在對紙漿磨漿前后形態(tài)觀察的基礎(chǔ)上，是一種經(jīng)驗(yàn)理論，缺乏數(shù)據(jù)的支持。隨著研究的深入，現(xiàn)代磨漿理論主要有Lewis及Leider提出的比邊緣負(fù)荷理論(Specific Edge Load，簡稱SEL)、Lumiainen提出的比表面負(fù)荷理論 (Specific Surface Load，簡稱SSL)和一些定性機(jī)理假說 (如Banks、Hourani提出的絮聚假說)［4-5］。這些磨漿機(jī)理雖然能夠解釋磨漿過程的一些情況，但它們都只是針對低濃磨漿，并且只是一些理論性的假設(shè)。對于中濃磨漿，華南理工大學(xué)的劉士亮等人［6］在近幾年提出了一個(gè)“內(nèi)摩擦效應(yīng)”，他們認(rèn)為中濃磨漿對紙漿纖維的作用主要來自于纖維絮團(tuán)內(nèi)部的摩擦。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電荷耦合元件 (Charge-Coupled Device，簡稱CCD)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，高速攝像技術(shù)近年來得到快速發(fā)展。高速攝像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、科技、消費(fèi)電子、醫(yī)療等領(lǐng)域，為人類探索微觀世界和瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)過程提供了豐富的視覺信息。Atack等人［7］通過高速攝像技術(shù)觀察了低濃磨漿時(shí)紙漿的分布狀態(tài)，Kwei-Nam Law等人［8］通過高速攝像技術(shù)對中高濃磨漿時(shí)纖維的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了觀測。他們的研究只對木片盤磨機(jī)的工作原理有一定幫助，并且沒有應(yīng)用纖維的示蹤物，沒有微觀上的觀察。為了探索中低濃磨漿過程，本研究采用高速攝像技術(shù)記錄磨片工作的全過程，對磨片的工作過程進(jìn)行了可視化研究，并進(jìn)行相關(guān)的分析。旨在對比中、低濃磨漿的差異性，并對二者的磨漿機(jī)理進(jìn)行分析，為中、低濃磨漿理論研究提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為了對中、低濃磨漿的過程進(jìn)行直接觀測，采用了高速攝像機(jī)對磨漿過程進(jìn)行完整記錄。實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接示意圖如圖1所示。盤磨機(jī)電機(jī)的最高工作頻率是50 Hz，額定轉(zhuǎn)速是1480 r/min，電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速(0～1480 r/min)可通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。電機(jī)連接盤磨設(shè)備，盤磨機(jī)的磨片用透明的材料制成。RDT-16型高速攝像機(jī)，美國生產(chǎn)，拍攝速度范圍是60～20000幀/s。高速攝像機(jī)連接在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，通過MiDAS軟件配套控制，與此同時(shí)也可以通過調(diào)節(jié)攝像機(jī)的位置和參數(shù)來拍攝不同角度、不同位置的運(yùn)動(dòng)情況。磨片齒形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中使用的紙漿為化機(jī)漿。為了更好地模擬中、低濃磨漿過程，選擇低濃磨漿漿濃為3%，中濃磨漿漿濃為12%，溫度為室溫。為了方便攝像機(jī)捕捉跟蹤紙漿纖維的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)方式、軌跡和受力狀況，以及之后的圖像處理，對一部分紙漿進(jìn)行直接染料的染色處理，將其染成黑色。其中染色紙漿的性能和狀態(tài)與未染色紙漿只有細(xì)微的差異，并且不會(huì)發(fā)生混染的現(xiàn)象。盤磨機(jī)電機(jī)頻率設(shè)為35 Hz，磨片內(nèi)外圈磨齒的位置及相關(guān)參數(shù)見圖3。

2 數(shù)據(jù)采集及處理方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用1000 W的新聞燈從動(dòng)盤側(cè)照入，通過這種透光源從定盤側(cè)拍攝，具體見圖4。

從圖4(a)可以看出，畫面整體比較亮，磨齒的形狀和擋漿板的位置較清楚，但也有不少陰影部分。根據(jù)圖4(b)的拍攝示意圖，光線是通過動(dòng)盤、紙漿以及定盤磨齒后被攝像機(jī)捕捉到，由此可推測出定盤溝槽中的陰影就是定盤積聚的紙漿，而在磨齒上看到的白而亮的物質(zhì)就是紙漿。由于光線透過紙漿的強(qiáng)度不同而引起光線上的強(qiáng)弱，灰度有所不同，表明紙漿厚度的不同。在定盤磨齒上看到的黑色物質(zhì)分為兩類:一種是動(dòng)盤溝槽積聚的紙漿，一類是染色紙漿。前者是呈規(guī)律出現(xiàn)而且范圍大，速度與動(dòng)盤速度一致后者是小而更深，與動(dòng)盤轉(zhuǎn)速不一致。通過上述對比就能容易地找出染色紙漿。通過對比染色紙漿的深度，也可以看出染色紙漿厚度的情況。這一部分紙漿就是實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)跟蹤觀察的對象。

圖4 通過透射光源對磨漿過程一個(gè)磨齒的拍攝圖片

以前的研究表明，紙漿的磨漿過程是一個(gè)很復(fù)雜的過程。從紙漿的濃度分析，磨片之間是一個(gè)固液氣三相混合狀態(tài)。然而氣相在此過程對紙漿流動(dòng)性和分散性的影響可以忽略，所以把磨漿過程當(dāng)成一個(gè)固液兩相的混合物，它是一個(gè)多相流的模型，這一點(diǎn)是流體分析界公認(rèn)的事實(shí)。所以在分析的時(shí)候，多相流的相關(guān)理論就是分析中低濃磨漿過程的主要理論來源［9］。由圖4可知，纖維絮團(tuán)形態(tài)變化直接反映其受力情況，如果纖維絮團(tuán)的形態(tài)變化明顯就說明其受力大，磨漿效果好;相反，如果形態(tài)變化不明顯，則說明纖維本身沒有什么變化，磨漿效果不好。

2.2 圖片的處理

采集到的原始圖片對比度不明顯，整體偏亮，非常不利于觀測。使用MiDAS軟件自帶的圖片處理器對圖片對比度、亮度、GAMA值和LOG值幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)選擇sharp的濾波器能夠較好地處理這種情況。通過這些處理可以突出拍攝紙漿的形狀，使分析更直觀、清楚。圖5展示了同一圖片處理前后的效果對比。

3 結(jié)果與分析

3.1 中、低濃磨漿紙漿在磨片內(nèi)圈的比較

圖6是中低濃磨漿時(shí)，高速攝像機(jī)在2000幀/s的速度下連續(xù)拍攝的磨片內(nèi)圈第二排畫面，其中，圖6(a)～圖6(c)為低濃磨漿時(shí)在磨片內(nèi)圈同一磨齒、相同轉(zhuǎn)速下的拍攝情況，圖6(d)～圖6(f)為中濃磨漿時(shí)在磨片內(nèi)圈同一磨齒、相同轉(zhuǎn)速下的拍攝情況。除圖6(a)～圖6(c)中標(biāo)號①是染色紙漿外，標(biāo)號②、③的白色物質(zhì)均是紙漿的纖維絮團(tuán)。從圖6可以看出，中、低濃磨漿時(shí)紙漿的運(yùn)動(dòng)方向大致和動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。除此之外，中、低濃磨漿時(shí)紙漿在磨齒上的分布也大致相同，均分布在定盤磨齒的左側(cè)而且以左上角居多。這是因?yàn)樵谀{過程中，紙漿的流動(dòng)隨動(dòng)盤運(yùn)動(dòng)但同時(shí)又受到離心力的作用。當(dāng)紙漿從溝槽越過擋漿板時(shí)紙漿會(huì)更多地甩到磨齒的左上角。中、低濃磨漿除了上述共同點(diǎn)外還存在較大區(qū)別。

(1)紙漿的運(yùn)動(dòng)形式不同 (見圖7)

圖7中①、②、③對應(yīng)著圖6上①、②、③所指的纖維絮團(tuán);A、B、C表示一組圖的先后順序。從圖7(a)中可以明顯看到，在低濃磨漿狀態(tài)下，①、②、③這些纖維絮團(tuán)更多是以整塊的方式運(yùn)動(dòng)，而且它們的形態(tài)沒有發(fā)生變化。但在中濃磨漿狀態(tài)下，在①、②纖維絮團(tuán)附近剝離出許多小的纖維絮團(tuán)，且這些小的纖維絮團(tuán)的形態(tài)均發(fā)生了變化。

這是因?yàn)樵诘蜐饽{狀態(tài)下，紙漿更接近于流體，纖維絮團(tuán)在水中分散得比較均勻，而且在相同機(jī)械剪切力下紙漿的速度快，所以低濃磨漿狀態(tài)下的紙漿以較連續(xù)的方式通過磨齒，而且在磨齒中形態(tài)變化不大，所受的流體剪切力不大。中濃磨漿則相反，紙漿一般以塊狀進(jìn)入磨齒內(nèi)圈，它們的體積大、阻力大、速度慢，在內(nèi)圈主要是以破碎混合為主。所以從圖7(b)會(huì)看到有許多剝離的小纖維絮團(tuán)，這些小纖維絮團(tuán)有利于混合，對中濃磨漿意義很大。因此中低濃磨漿時(shí)，紙漿在內(nèi)圈的運(yùn)動(dòng)形式才會(huì)有上述差別。

(2)漿層的厚度不同

根據(jù)圖4可知，光線是通過動(dòng)盤與定盤后再被攝像機(jī)捕捉，所以當(dāng)磨齒間漿層厚度越大時(shí)，在圖片上看到的漿層顏色就越深。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，與低濃磨漿情況相比，中濃磨漿時(shí)紙漿層的顏色更深，尤其是在齒刃處，它們大多是深灰偏黑的顏色。所以可以說明低濃磨漿在齒刃處的漿層厚度比中濃磨漿的小。

這個(gè)現(xiàn)象曾在劉士亮等人［4］的內(nèi)摩擦理論中有詳述，他們推斷中濃磨漿時(shí)齒刃處的漿層厚度要比低濃磨漿時(shí)的大，本研究是對這個(gè)理論的驗(yàn)證。出現(xiàn)這種現(xiàn)象有以下幾個(gè)原因:第一漿濃越大進(jìn)入磨齒的紙漿就越多，第二就是紙漿流體形態(tài)的影響。紙漿流態(tài)化程度越高，紙漿在磨齒間所受的阻力越小，越容易通過磨齒，所以低濃磨漿時(shí)的漿層較薄。在中濃磨漿的情況下，紙漿流體化程度低，所以紙漿是以絮狀的形式進(jìn)入磨齒間，漿層要厚。

3.2 中、低濃磨漿紙漿在磨片外圈的比較

圖8是相同轉(zhuǎn)速下中、低濃磨漿時(shí)高速攝像機(jī)在4000幀/s的速度下連續(xù)拍攝的磨片外圈第二排的情況。其中標(biāo)號①所示的是染色紙漿，標(biāo)號②的白色塊狀物體為紙漿。由圖8可知，在外圈中紙漿的分布更均勻，不再集中在齒刃處，同時(shí)紙漿流態(tài)化更明顯。這主要是因?yàn)樵谕馊μ帲€速度高，紙漿已比較完全地混合和疏解。此時(shí)紙漿的流速快，而纖維都以小塊絮團(tuán)為主。但中、低濃磨漿還是存在較大的差異。

(1)中、低濃磨漿時(shí)紙漿的連續(xù)性不同

由圖8可以明顯看出，低濃磨漿狀態(tài)下的紙漿是以連續(xù)的方式通過磨齒，但中濃磨漿時(shí)卻是以小塊絮團(tuán)且不連續(xù)的方式存在。根據(jù)陳克復(fù)等人［10］的研究認(rèn)為，紙漿在濃度低于7%的情況下呈連續(xù)介質(zhì)，而濃度高于7%時(shí)則喪失了流動(dòng)性，須要有外加的切應(yīng)力才能使其流動(dòng)。這就解釋了上述差異的原因。但無論對低濃連續(xù)性的流體還是中濃磨漿時(shí)這種小塊絮團(tuán)的運(yùn)動(dòng)，它們都具有較大的流速，這個(gè)速度就會(huì)對紙漿中的纖維絮團(tuán)產(chǎn)生力的作用。但由于中、低濃磨漿時(shí)漿濃的不同，力的作用大小及效果不同。

(2)中、低濃磨漿時(shí)在磨齒間所受流體剪切力存在差異

從圖8中還可以看出中、低濃磨漿時(shí)纖維絮團(tuán)形態(tài)變化的差異。下面著重觀察標(biāo)號①的染色紙漿。從圖8(a)和圖8(b)可以發(fā)現(xiàn)很多小的染色紙漿，它們隨著紙漿快速地通過了磨齒，但這些染色紙漿本身的形態(tài)并未發(fā)生太大變化。在圖8(d)～圖8(f)中，標(biāo)號①的染色紙漿位置變化不大，但圖8(e)中，在右側(cè)發(fā)現(xiàn)有剝離的小而黑的纖維絮團(tuán)，它在圖8(f)中變大但漿層厚度變小。這些都是受流體剪切力的影響。

眾所周知，流體可分為牛頓流體和非牛頓流體，區(qū)分它們的依據(jù)就是流體的切應(yīng)力是否與速度梯度成正比。而紙漿顯然不是牛頓流體，所以它的切應(yīng)力τ滿足式(1):

式中，τ為流體切應(yīng)力，與纖維絮團(tuán)所受的流體剪切力是一對反作用力;μ為流體的黏度，只與流體本身的性質(zhì)有關(guān);為與速度梯度的函數(shù)，對任何流體而言，這個(gè)函數(shù)與速度梯度都是正相關(guān)的關(guān)系［10］。

圖8 盤磨機(jī)電機(jī)頻率35 Hz下外圈磨齒的磨漿情況

對于低濃與中濃磨漿時(shí)纖維絮團(tuán)所受的流體剪切力的大小就只與紙漿黏度及速度梯度有關(guān)。對于不同濃度的紙漿，紙漿黏度隨漿濃的提高而增加。從圖8可以明顯看出，在低濃磨漿狀態(tài)下，纖維絮團(tuán)快速地經(jīng)過磨齒;而在中濃磨漿狀態(tài)下，纖維絮團(tuán)的停留時(shí)間很長。這些纖維絮團(tuán)與紙漿的速度差是中濃大于低濃，由此可以得出中濃磨漿時(shí)紙漿的黏度及速度梯度均大于低濃的，所以中濃磨漿時(shí)紙漿所受的流體剪切力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低濃的。因此在中濃狀態(tài)下，紙漿在流體剪切力的作用下會(huì)發(fā)生圖8(e)所示的剝離以及圖8(f)所發(fā)生的分散。流體剪切力作用于纖維絮團(tuán)連接薄弱的地方，會(huì)使纖維絮團(tuán)內(nèi)部變得疏松，也有可能讓它們變得更緊密，這樣就會(huì)讓纖維絮團(tuán)發(fā)生剝離、搓揉、壓潰等作用，完成中濃磨漿處理過程。

通過上述分析可知，無論是低濃磨漿還是中濃磨漿，紙漿都會(huì)受到兩種力的作用，即機(jī)械剪切力和流體剪切力。機(jī)械剪切力主要發(fā)生在齒刃的交接處，而流體剪切力是存在于整個(gè)磨漿過程。對于低濃磨漿而言，它們所受流體剪切力的作用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)械剪切力，而中濃磨漿則主要以流體剪切力為主。

綜上所述，中、低濃磨漿由于它們本身漿濃的不同會(huì)使得磨漿過程及方式變得不同。低濃磨漿時(shí)，內(nèi)圈紙漿厚度小，流態(tài)化程度較高，紙漿以較快速度通過磨齒，分布更加均勻。在外圈處，低濃紙漿連續(xù)，所受的流體剪切力小，但這種連續(xù)流體會(huì)受到磨齒和擋漿板邊緣機(jī)械的剪切力，從而使纖維形態(tài)發(fā)生變化。但對于中濃磨漿而言，在內(nèi)圈磨齒的齒刃處紙漿很厚，這樣便減小了磨齒處機(jī)械剪切力對纖維的影響。而且在內(nèi)圈處，纖維以較大塊絮團(tuán)的方式運(yùn)動(dòng)，但通過齒刃處的機(jī)械剪切力讓其分散混合。在外圈處，紙漿以一種分散的狀態(tài)流動(dòng)，處于流態(tài)化中的纖維絮團(tuán)受到較大的流體剪切力。這種流體剪切力會(huì)讓纖維絮團(tuán)的形態(tài)及運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生變化，而纖維絮團(tuán)之間也會(huì)由于流體剪切力而相互作用，從而使形態(tài)發(fā)生變化。這些現(xiàn)象的觀測與分析對深入研究中、低濃磨漿的過程及機(jī)理有很大幫助，對指導(dǎo)盤磨機(jī)的設(shè)計(jì)及研究中、低濃磨漿的數(shù)值模擬提供了依據(jù)。國內(nèi)外對這些方面的研究較少，還需要更多學(xué)者更深入的探討與研究。

4 結(jié)論

4.1 對于中濃和低濃磨漿過程，在磨片內(nèi)圈磨齒處，紙漿層薄，紙漿流速快，紙漿纖維主要以大塊絮團(tuán)的運(yùn)動(dòng)方式通過磨齒。中濃磨漿時(shí)，內(nèi)圈齒刃處的紙漿層厚，而且纖維絮團(tuán)以剝離形式為主，紙漿流速慢，主要在這個(gè)區(qū)域發(fā)生破碎混合。

4.2 紙漿在磨片外圈的情況是，低濃磨漿時(shí)的紙漿以更連續(xù)的方式通過磨齒，它們的形態(tài)變化小，所受的流體剪切力小。中濃磨漿時(shí)的紙漿以一種間斷的方式通過磨齒，纖維絮團(tuán)的形態(tài)發(fā)生較大變化，所受流體剪切力大。

4.3 中、低濃磨漿時(shí)，使紙漿纖維形態(tài)發(fā)生變化的力均來自機(jī)械剪切力和流體剪切力。但對于低濃磨漿而言，紙漿主要是受機(jī)械剪切力的作用;中濃磨漿時(shí)紙漿則更多的是受流體剪切力的作用。

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