木素對蒸煮液流變性的影響

黑液是造紙過程中產生的殘余溶液。由于近幾年的研究發現黑液在制漿過程中再應用可以改善漿的質量[1～7],這使人們對黑液性質的了解有了進一步的要求。在對黑液的物理化學性質的系列研究中,我們已經報道了離子濃度對蒸煮液表面張力的影響及木素對黑液表面張力的影響。本文繼續研究黑液中的木素含量對其粘度、密度和Hamaker常數的影響。1實驗部分1.1黑液本研究所用黑液如前文所介紹,為一系列取自一個連續等溫(170℃)硫酸鹽蒸煮過程不同時間的黑液。1.2紫外分光光度計如前文所介紹,黑液中的木素含量是根據文獻介紹的方法測試的。通過應用紫外分光光度計(ShimadzuUV240Graphicord,Japan),以測試木素溶解在0.1mol/L的NaOH溶液中的峰值為標準,然后根據此結果估算各黑液樣品的UV峰值所對應的木素含量。1.3為混合溶液測定粘度黑液的粘度是用Ostwald毛細管粘度計(23℃)測試的。1.4為測定蒸餾水密度黑液的密度是用DMA60振動管密度計(23℃)測試的。1.5waalus力Hamaker常數是一個反映固體或液體分子性質的參數。比如,根據Hamaker常數及分子間的Lifshitz-vanderWaals力,我們可以由此得到分子間的距離d0,如公式(1)所示。其中,AL代表液體的Hamaker常數,γLLW代表液體的Lifshitz-vanderWaals力。黑液的Hamaker常數AL,是根據Hough-White方法測試的。由于已知聚四氟乙烯板的Hamaker常數AS為3.75×10-20J,所以AL可以由以下公式得到:其中θ為固體和液體之間的接觸角。2連續蒸煮對黑液hamaker常數的影響一般而言,液體的粘度和密度都是表征其流動特性的參數。但對黑液來說,研究其粘度和密度的意義還在于認識木素在其中所起的作用。這是因為木素明顯地影響黑液的許多性質。圖1反映了黑液中木素含量與粘度之間的關系,可以看到黑液的粘度η是隨著木素的量增加而增加的,但這種正比關系并不是以一種不變的比例系數發展。比如,根據圖1,當木素的量小于約1kg/m3時,黑液的粘度隨著木素量的增加上升很快,但當木素量大于約1kg/m3時其粘度值增加速率逐漸減慢。這意味著木素含量在約1kg/m3左右將是一個影響黑液流變性的敏感點。圖2反映了經過不同蒸煮時間后取得的黑液的密度與木素含量之間的變化關系。雖然此圖也反映了與圖1一致的現象,即黑液的密度隨木素增加而增大。但值得注意的是,這兩個圖中白液所在的位置不一樣。這是因為白液的密度要大于一些黑液的緣故。圖3反映了蒸煮液的Hamaker常數與木素含量之間的關系。由于Hamaker常數的值具有明顯的極性范圍,所以圖3的Hamaker常數值說明蒸煮液的極性與碳氫化合物同類。但值得一提的是,圖3的現象說明木素的存在使蒸煮液的分子之間引力降低。這是因為Hamaker常數A正比于蒸煮液的vanderWaals力,如圖4所示。由于所有黑液都取自不同的蒸煮時間,而黑液的這些物理化學性質是如何隨蒸煮時間變化的是人們所感興趣的。所以圖5～7分別給出了黑液的粘度、密度及Hamaker常數與蒸煮時間的關系。由圖5、6可知,黑液的粘度和密度都是在等溫連續制漿過程中隨時間的延長而降低的,但兩者下降的速率不一致。圖7說明,蒸煮初期黑液的Hamaker常數極小,但隨著時間的延長,Hamaker常數會逐漸增大。這是因為在等溫連續蒸煮過程中從蒸煮黑液中帶出的木素量在蒸煮后期已非常少的緣故。由于我們已經知道了硫酸鹽蒸煮液的表面張力分量γLLW,所以根據測試得到的Hamaker常數AL及公式(1),我們可以進一步得到蒸煮液的分子距離d0。圖8描述了木素對蒸煮液中分子距離d0的影響。非常有意義的是,在本例中所有這些黑液的分子間距離似乎可以分成兩種狀態,并以木素含量約0.5kg/m3為分界值。比如,當黑液含木素量小于該值時,對黑液的分子間距離的影響極為明顯,而當含木素量大于此值后黑液的分子間距離似乎變化極小。事實上,此為界值,對圖1、2中黑液的粘度和密度隨木素含量增加而增加出現不同的斜率也是一個極好的注解,即:木素含量小于該值時因為其分子間距離較大,所以使得黑液的粘度和密度隨木素含量增加而快速增加,但一旦黑液中木素含量大于此值,黑液的粘度和密度隨木素含量增加的速率出現明顯的降低。3分子間距離對黑液粘度的影響本文的研究說明,當木素存在時,蒸煮液的粘度和密度都增大;而Hamaker常數下降。其原因是黑液的分子間距離有變化。尤其是本文發現木素量約0.5kg/m3似乎