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用力学观点观察分析调浆工艺过程——“上浆力学”之一

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用力学观点观察分析调浆工艺过程——“上浆力学”之一

发布时间: 2003/9/24 文章出处: 　

　　整个调浆、上浆过程都在一个复杂的力学系统的影响支配之下，为此提出“上浆力学”概念。应用“上浆力学”这一理论观点去观察、分析、解决调浆具体技术问题的体会，详细说明了剪切力降粘、均质作用的原理、作用、规律及对浆液的重要影响，并在生产实践调浆中充分应用各种剪切力手段，总结出“快速一步调浆法”，取得满意的效果。
　　1、“上浆力学”概念
　　在整个调浆、上浆过程中，除了少量的化学反应外，主要是物理现象的过程。例如：调浆、上浆工艺中的浆液粘度、浆桶、浆槽的温度和搅拌，浆纱机的车速和压力，浆液的渗透、被覆、吸附、粘着及成膜等等。这些物理现象的过程，都与各种各样的作用力有关。所以我们认为整个调浆、上浆过程是在一个复杂的力学系统的影响支配之下，我们称影响支配调浆、上浆过程的力学系统为“上浆力学”系统。
　　调浆、上浆过程中与各种物理现象相关的作用力有：由加热高温引起的分子布郎运动的扩散力，机械搅拌的剪切力、切割力，高压煮浆桶内的压力，输浆泵的挤压力、切割力，压浆辊的压力等等（以上可统称为剪切力），还有形成浆液粘度的阻滞力，浆液的渗透力、吸附力、润湿力、粘着力（分湿粘着力和干粘结力），浆液的表面张力和经纱的张力等等。就是这些不同的作用力，影响、支配着浆纱机和浆液的性能、功能、上浆的难易和浆纱质量的好坏。上述这许多作用力中，对调浆、浆纱影响最大的作用力是：能影响浆液粘度的各种剪切力，浆液本身的渗透力和粘着力和上浆必备的压浆力。
　　我们提出“上浆力学”这一概念，是想抛砖引玉，希望有兴趣的同仁从“力学”的角度去观察、分析、研究浆纱的各种问题，或者说希望给同行们提供一个观察、分析调浆、上浆技术问题的方法。
　　本文根据笔者多年来在浆纱工作和技术服务的实践中，学习运用力学理论、观点分析、解决调浆工艺过程中的一些具体问题的体会，说明各种剪切力对浆液的粘度、粘着力和浆膜的光滑细腻都有重要的影响，调浆时应充分利用这些剪切力快速调制高质量的浆液，来确保浆纱质量。
　　2、浆液的调制与剪切力手段的应用
　　2.1　因能否调制出低粘度浆液是“二高一低”工艺的关键，所以我们对调制浆液的质量要求是“一低、二准、三保证”。
　　浆液的调制是上浆工程极为重要的基础工作，浆液是上浆的唯一原料，直接影响上浆效果的好坏，抓上浆质量首先要抓好浆液的调制工作。
　　贯彻“二高一低”新工艺，关键是能否调制出高浓度、低粘度的浆液，只有能调制出低粘度浆液才能把浆液浓度提高，有了高浓度浆液才能够把高压浆力用上去，所以能否调制出低粘度浆液是贯彻“二高一低”新工艺的基础和关键。想调制低粘度浆液除了采用低粘度浆料配方外，（低粘度浆料配方也要充分利用剪切力手段、充分煮搅进行均质降粘），还可以在调浆工序应用各种高剪切力手段，用普通粘度的浆料（或原淀粉）也能调制出低粘度、高浓度、高粘着力的浆液来。
　　我们对调制浆液的质量要求归结为“一低、二准、三保证”，即是一：浆液的结构粘度要尽可能降低；二：配料要准确、浓度（含固量）要准确；三：调浆的各步操作和时间要保证。
　　各厂在调制浆液时，对“二准、三保证”都能比较重视，但对“一低”这一点还有不同的认识。表现在：有的厂有剪切降粘的设备手段而不用，仍在沿用“闷浆”的方法，即浆液煮沸（有的厂实际温度只到90℃左右）后就不再煮搅，而是关汽、关搅拌进行“闷浆”若干时间，他们怕的是浆液若在调浆桶内粘度降低后到浆槽内再要降低，浆液粘度低了不好。其实浆液粘度总是要降低的，粘度低了并不是坏事，只要适当提高浆液的浓度，来维持浆槽内浆液粘度在一定的范围之内即可，只是在什么时候降低合适；即浆液粘度若在调浆桶内尽量降低后，到浆槽内就不再降或降的很少，浆液粘度稳定。相反若浆液在调浆桶内粘度少降或不降，经输浆泵到浆槽后则还要再继续降低，这样浆槽内的浆液粘度就不稳定，对上浆不利。浆液粘度在浆槽内晚降不如在调浆桶内早降。有的厂在用PVA淀粉混合浆上浆时，怕淀粉煮的时间太长粘度降低，仍在沿用“分体”调浆的方法，淀粉与PVA分开煮，然后再混合使用，这种方法除占用设备多外，PVA分批投料的量也不准确，混合后煮搅的时间也不充分，主要是淀粉得不到充分的煮搅、均质、分解，粘度很高，到浆槽后受浆槽内各种剪切力的作用（压浆力、浸浆棍及经纱、汽煮等的搅拌剪切力），粘度还是要降低。这样，浆槽内浆液粘度偏高且不稳定，对上浆不利。我们强调“一低”的意义，根据力学的观点分析于下。
　　2.1.1 粘度和结构粘度（又叫表观粘度）
　　粘度的定义是：流体在流动过程中的阻滞力（或阻尼力）。例如：一立方厘米的流体移（流）动一厘米距离的阻滞力为“一达因”时，该流体的粘度即为一个粘度单位。所以严格地说任何流体都有一定的粘度值。
　　结构粘度：流体分为两类，一类为牛顿流体（又叫溶液），流体内分子量均匀一致，例如：分子量一样的化学物质的溶液；还有一类为非牛顿流体，流体内所含物质的分子量大小不一致，有团粒（块）结构，绝大多数的高聚物，如：淀粉糊、混合浆液等都属于非牛顿流体这一类。因为非牛顿流体内有大小不一的团粒（块）不均匀的“结构”，流体在流动时的阻滞力就大，粘度也就高，这高出来的这部分粘度就是该流体的结构粘度。为了说明结构粘度的存在，在表一列出了同样的物质同样的含固量，几种不同流体内部结构和粘度的比较。如表一：
　　表一　　　同物质同浓度的几种流体结构与粘度的比较

　同物质同浓度流体　　　　　　　　流体内部结构　　　　　粘度大小　　　　结构粘度
　
原淀粉糊（非牛顿流体）　　　　存在大小不一的团块结构　　　最大　　　　　　大

降解淀粉糊（非牛顿流体）　　　仍存在大小不一的团块结构　　次大　　　　　　稍小

糊精糊液（非牛顿流体）　　　　存在差异不大的团粒结构　　　粘度较低　　　　小

麦芽糖粘液（非牛顿流体）　　　不均匀结构差异很小　　　　　仍有粘度　　　　很微小

葡萄糖溶液（牛顿流体）　　　分子量均匀无团粒不均匀结构　　粘度很小　　　　无

　　2.1.2 剪切力降粘的原理、特点、意义和实例
　　剪切降粘的原理：我们现已知道大多数的高聚物材料，加工过程中的流体一般都不能服从式（1）表达的牛顿粘流定律：
　　τ=ηγ=ηD　　　 (1)
　　也就是说剪切应力与切变速率之间不一定呈直线关系，所以目前研究高聚物流体时，一般是采用奥斯特华德提出的经验流变方程式。
　　τ=K·γa　　　　 (2)
　　式中：　 K、a为材料常数
　　若将奥氏方程式（2）改为牛顿粘流定律式（1）的形式则有：
　　τ= K·γa = K·γa-1·γ
　　设　　　ηa= K·γa-1
　　则得：　τ=ηa·γ　　　　(3)
　　式中：　τ为剪切应力
　　ηa为表观粘度（或结构粘度）
　　γ为剪切速率
　　由式（3）可知同一流体的表观粘度（ηa）值是随切变速率（γ）值的变化而变化的。
　　当a<1时，粘度η随切变速率γ的增大而减少，这种非牛顿流体称切力变稀（或剪切降粘）流体，绝大部分高聚物浆液都属于这一类型。
　　各种剪切力都有将流体（或胶体）内较大的结构击碎变小的功能，所以各种剪切力都有一定的“均质作用”，使流体内结构的质量趋向均一。这样流体结构粘度便可降低，所有非牛顿流体都遵守“剪切降粘”这一规律。
　　剪切降粘特点：由式（3）还可看出：各种剪切力均质降粘的最终幅度大小与各种剪切力的总和大小有一定的对应关系；而与总剪切力作功的总和无直接关系。即一定大小的剪切力将粘度降至一个对应的水平之后，再继续作功，粘度也不再降低。这一特点对我们调制浆液非常重要。
　　剪切力均质降粘的意义：从本质上讲剪切力均质降粘的作用与在变性淀粉厂用其它物理、化学方法降解淀粉的作用是一样的，都有一定的“均质”作用。但作为上浆用料，剪切力的“均质”降粘作用还有一层重要意义，即胶体内部结构均质降粘之后能明显地增加胶体的粘着力。这是因胶体内部结构均质后，胶体与粘接物接触时“胶质”（胶体内的粘着物质）与被粘接物接触的机会和面积就增加，所以粘着力增加（参见本文作者在1990年《棉纺织技术》第9期上发表的《切力强分解快速调浆工艺的探讨》一文）；浆膜结构也更加细腻、光滑。当然剪切降粘也要有个限度，即要保持在成膜好、粘着力大的范围内。为此，列举如下几个直观例子来说明这一道理：
　　例一：农民虽然用水阴透了一堆黄泥，但因湿黄土（湿泥）有大小团块结构形成的结构粘度太大，无粘着力，不粘砖，不能用；但农民将这堆湿黄泥充分地搅拌之后，结构粘度降低，变成稀泥，稀泥有了粘着力就能粘砖砌墙使用。
　　例二：石棉某厂七十年代曾获质量银牌奖的棉府绸织物，调浆的方法是：每次调半桶玉米原淀粉浆（那时还没有变性淀粉），用快速（120转/分）不停搅拌，大汽煮浆6～7小时，浆液变稀，颜色变成金黄色时才使用。浆液流动性好，粘着力也良好。
　　例三：油漆涂料行业制成胶体涂料后，都要经过一个研磨工序，使用球磨机或分子磨之类研磨设备进行胶体研磨，除达到均质降粘、分散染料颗粒、增强粘结力的目的外，更为重要的是研磨“均质”后，还可以使漆膜涂层更加细腻、光滑、美观。
　　2.1.3　建议改进调浆设备，充分应用各种剪切力功能设计
　　根据淀粉糊胶体内部结构不均匀，结构粘度很高，和非牛顿流体都遵守剪切均质降粘的原理，我们建议调浆设备可以想办法应用高剪切力的设计。例如：高压煮釜桶、高压循环浆泵、淀粉糖厂应用的高压喷射液化设备（压力可调节），目前化工行业已采用的“动态混合器”（输入压力可调节）及强力超声混合设

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