摘要：本文介紹了制漿造紙科學(xué)中用于預(yù)測(cè)主要參數(shù)對(duì)產(chǎn)品和工藝過(guò)程影響的方程范例。一些方程是很久以前由其他科學(xué)學(xué)科導(dǎo)出的，沿用于制漿造紙工程技術(shù);另一些方程是制漿造紙研究人員根據(jù)基本原理開(kāi)發(fā)的，以解決現(xiàn)有科學(xué)未能解決的特別問(wèn)題。本文簡(jiǎn)要描述了這些方程的由來(lái)、含義和應(yīng)用，其中“紙漿纖維絮凝的聚集數(shù)”以前鮮有提及。
關(guān)鍵詞：制漿造紙科學(xué);纖維絮聚;物理定律;方程;數(shù)學(xué)模型
制漿造紙技術(shù)是基于廣泛范圍的物理和化學(xué)科學(xué)。這些科學(xué)中的許多知識(shí)本質(zhì)上都是定性的，但有些是定量的，并以方程的形式表示。這樣的方程以簡(jiǎn)潔的方式描述了許多參數(shù)的組合影響，從而可以進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。方程可以是經(jīng)驗(yàn)的，如通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合得到。方程也可以是確定性的，源于因果關(guān)系。
兩種類型的方程都是有價(jià)值的，但是后者更有價(jià)值，因?yàn)槭腔趯?duì)問(wèn)題基礎(chǔ)的理解，這些方程通常更準(zhǔn)確，其適用范圍也更清楚。制漿造紙科學(xué)中使用的許多方程來(lái)源于其他學(xué)科，通常會(huì)進(jìn)行修改以解決制漿造紙應(yīng)用中的特定問(wèn)題。在其他情況下，由于特別需求，必須開(kāi)發(fā)出全新的方程。此研究的目的是描述制漿造紙學(xué)科中使用的一些重要方程，以期展示其含義和應(yīng)用。
造紙論文投稿刊物：《中國(guó)造紙》是由中國(guó)造紙學(xué)會(huì)、中國(guó)制漿造紙研究院有限公司主辦的專業(yè)技術(shù)性刊物。《中國(guó)造紙》作為我國(guó)造紙工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的權(quán)威性科技期刊，自1982年創(chuàng)刊以來(lái)，一貫秉承科學(xué)、創(chuàng)新的辦刊宗旨和嚴(yán)謹(jǐn)、務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)，致力于服務(wù)我國(guó)造紙及相關(guān)行業(yè)。在造紙及相關(guān)行業(yè)各界人士的厚愛(ài)與幫助下、在造紙行業(yè)科研和生產(chǎn)一線工程技術(shù)人員的大力支持下，《中國(guó)造紙》逐步成為我國(guó)造紙界聲望最高、影響力最大的技術(shù)性刊物之一，在國(guó)內(nèi)外享有盛譽(yù)。
1源于其他學(xué)科領(lǐng)域的方程
1.1Kubelka-Munk方程
紙張的2個(gè)主要光學(xué)特性是白度和不透明度。白度是紙張對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光的反射率，而不透明度則是黑色在紙張相對(duì)面上“透視通過(guò)”的減少。兩種性質(zhì)均取決于紙張的光反射率，即紙張散射光和吸收光的能力。
1.2Kozeny-Carman方程
在制漿造紙工藝中，如紙漿洗滌、紙張成形和壓榨，其中通過(guò)紙漿層的流動(dòng)性至關(guān)重要。在工業(yè)過(guò)程中，需要增加壓力來(lái)克服流動(dòng)阻力，因此需要預(yù)測(cè)壓力、阻力和通過(guò)紙漿層流速之間的關(guān)系。1921年和1937年，Kozeny[2]和Carman[3]開(kāi)發(fā)了一條方程，來(lái)表示以粒徑和孔隙率為特征的各種多孔的通過(guò)介質(zhì)的流動(dòng)。因?yàn)榧垵{層是可壓縮的，且纖維直徑可能隨潤(rùn)脹而變化，因此通過(guò)紙漿層的流動(dòng)是個(gè)特別的問(wèn)題。
1.3Ergun方程
在制漿造紙工業(yè)過(guò)程中，另一個(gè)重要的流動(dòng)是制漿化學(xué)藥劑通過(guò)木片層的流動(dòng)。
1.4Bernoulli方程
流體流動(dòng)在紙張成形中尤為重要。在紙張成形過(guò)程中，從流漿箱高速噴出的射流撞擊到快速移動(dòng)的成形網(wǎng)上，開(kāi)始脫水過(guò)程中，其噴射速度的控制至關(guān)重要，可通過(guò)測(cè)量流漿箱中的壓力并利用Bernoulli方程計(jì)算得到。1738年，DanielBernoulli發(fā)現(xiàn)，隨著流體流動(dòng)速度的增加，流體壓力降低;因此導(dǎo)出了Bernoulli方程，用于描述流體的動(dòng)能、勢(shì)能和壓力能之間的能量平衡。
2為制漿造紙開(kāi)發(fā)的方程
2.1硫酸鹽制漿H-因子
硫酸鹽法制漿是應(yīng)用最廣泛的化學(xué)制漿工藝，其中溫度和時(shí)間是關(guān)鍵參數(shù)，決定著木片的蒸煮程度。眾所周知，溫度和時(shí)間可以互換，但不能確定到什么程度，所以必須為每個(gè)研究案例做許多實(shí)驗(yàn)，而木材和制漿化學(xué)的復(fù)雜性形成了一個(gè)障礙。
2.2磨漿比邊緣負(fù)荷磨漿是制備造紙用紙漿的關(guān)鍵操作，它可以將紙張的抗張強(qiáng)度提高3倍或更多。量化磨漿作用的主要參數(shù)是比磨漿能耗(SRE)，通過(guò)把提供給磨漿機(jī)的凈功率除以通過(guò)纖維的質(zhì)量來(lái)確定。在固定磨盤的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，磨漿機(jī)的功率分布在各個(gè)轉(zhuǎn)子磨齒的交叉處。1966年，Brecht等人[12]開(kāi)發(fā)了一條方程，用切割邊緣長(zhǎng)度來(lái)描述這種分布，通過(guò)將轉(zhuǎn)子磨齒數(shù)乘以固定磨盤磨齒數(shù)，乘以磨齒長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算。
2.3紙漿纖維絮凝的聚集數(shù)一定質(zhì)量濃度的紙漿纖維彼此相互作用形成絮凝物，從而使紙漿懸浮液具有機(jī)械強(qiáng)度，由纖維的長(zhǎng)度和粗度(每單位長(zhǎng)度的質(zhì)量)以及懸浮液濃度決定。生產(chǎn)實(shí)踐中，通常需要考慮這些參數(shù)的綜合影響，可以通過(guò)纖維聚集數(shù)N來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2.4紙張長(zhǎng)網(wǎng)成形自從長(zhǎng)網(wǎng)造紙機(jī)發(fā)明以來(lái)，纖維懸浮液通過(guò)從水平案輥支撐的銅網(wǎng)上脫水使紙張成形。過(guò)去認(rèn)為造成脫水的力是重力，因此當(dāng)造紙機(jī)車速提高時(shí)，就會(huì)加長(zhǎng)脫水的案輥區(qū)。然而在20世紀(jì)50年代初期的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，提高造紙機(jī)車速需要更短的案輥區(qū)而不是更長(zhǎng)的案輥區(qū)。Burkhard等人[15]根據(jù)1956年在造紙機(jī)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，確定引起脫水的力不是重力，而是案輥和網(wǎng)之間的區(qū)域產(chǎn)生的抽吸力，由Bernoulli方程控制，該方程描述了壓力(抽吸力)與速度的平方關(guān)系。
3結(jié)語(yǔ)
綜上所述，無(wú)論是源于已有的科學(xué)知識(shí)，還是專門為制漿造紙的應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的方程，都簡(jiǎn)潔地描述了多個(gè)參數(shù)的作用，從而可以定量預(yù)測(cè)其綜合作用。這些方程標(biāo)志著制漿造紙科學(xué)的發(fā)展，也為制漿造紙科學(xué)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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作者：陳嘉川4萬(wàn)金泉5孔凡功4，*孫姣姣1，4
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