纤维素超声微细化处理效果的影响因素研究

付 汨，孙世琪，刘 斌

（北京工商大学 材料与机械工程学院，北京 100048）

近年来，随着绿色环保概念的推广，纤维素在工业和民用领域都受到了广泛关注。研究发现，微细化的纤维素比表面积大、聚合度降低、易于降解，在食品、化妆品、医药等领域具有广阔的应用前景[1]。微细化纤维素可通过物理、化学和生物等方法制备[2]，超声破碎作为纤维素微细化处理的一种新型方法，具有处理效率高、成本低、操作方便、无污染等优点。

超声空化产生的破碎能是超声微细化处理的物理机制，当超声波在料液介质中传播时，料液介质的压力形成周期性变化，溶于料液介质中的微小气泡核成长、膨胀、压缩直至溃灭的过程。空化气泡溃灭时会产生极端高温高压的环境，且伴随着射流现象，从而产生极大的机械力，达到破碎纤维素颗粒的效果。纤维素超声微细化处理时，料液腔内超声空化现象的分布范围、空化的作用时间、空化强度都会影响其处理效果。相关研究表明[3-5]，料腔声场内超声空化随液位高度变化，区域分布特性明显改变，空化强度与声源功率大小密切相关。

为获取超声微细化处理的优化工艺条件，达到更好的微细化处理效果，研究了超声处理过程中影响纤维素微细化效果的3个关键因素。计算了20 kHz频率与特定料腔半径时谐振液位高度，使用有限元分析方法对不同液位、功率条件下超声空化能的分布进行了模拟，使用20 kHz超声声源对不同液位高度料腔中纤维素料液进行微细化处理，通过对纤维素粒径测量与电镜观察，分析了不同处理时间、液位高度与功率条件对纤维素的超声微细化效果的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

α-Cellulose纤维素粉，阿拉丁试剂 （上海） 有限公司提供；纯净水，实验室自制。

直径分别为60，80，100 mm的圆柱形有机玻璃料腔；超声换能器，直径13 mm，频率20 kHz变幅杆，中科院声学所产品；MS 2000型激光粒度分析仪，英国马尔文公司产品；飞纳台式扫描电镜，荷兰Phenom-world公司产品。

1.2 超声空化声压场分布的有限元分析

超声空化气泡的形成与场内交变压力相关，当场内交变压力幅值达到形成空化泡的阈值时，则形成空化效应。超声场内空化分布特性可由声压分布确定。因此，利用有限元方法分析了超声场内的声压分布。根据声波传播特性，当声源在低功率、小振幅情况下，其传播满足线性波动方程，场内声压的分布情况与空化效应形成的场能分布具有较好的一致性[3]；当声源功率加大、声源振幅较大时，声波呈非线性传播，引发场内介质的声致流动现象，空化场能的分布与声流密切相关[6]，需加入流体分析。

采用Comsol5.4进行有限元分析。①几何模型：容器为圆柱形腔体，变幅杆浸入料液30 mm，采用二维轴对称模型。②材料选择：以Comsol材料库中水为模型材料。③声学边界条件：变幅杆端部作为声源，设置其在不同功率条件下的速度，变幅杆与水交界面设置为硬声场边界，其余边界均为软声场边界。④流体边界条件：水与空气交界面设为开放边界，其余设为无滑移边界。⑤网格划分：采用自由四边形网格对二维轴对称模型进行划分，在变幅杆附近建立边界层，2种模拟使用同一网格。

1.3 纤维素超声微细化处理试验

1.3.1 计算谐振液位

不同的料腔形状结构对应着不同的模态频率，当圆柱形料腔半径确定时，液位高度决定了其对应的特征频率。在声源频率与料腔半径确定时，谐振液位[7]根据公式 （1） 求得：

式中：f——声源频率，Hz；

c——声波在介质中传播速度，m/s；

j0n——0阶柱贝塞尔函数的第n个根值；

q——声波沿料腔轴向转播模态相关数值；

a——料腔半径，mm。

根据公式（1），在超声频率为20 000 Hz，半径为40 mm时，三阶模态液位高度为157 mm。

1.3.2 试验步骤

配制质量分数2%的纤维素料液，使用玻璃棒搅拌均匀，取相同体积料液倒入半径30，40，50 mm柱形玻璃料腔内，将变幅杆端部浸入液面30 mm，在表1各试验组条件下对料液进行超声破碎试验，分别在处理2，4，7，10，20 min时取样进行粒径和电镜分析。

试验参数见表1。

表1 试验参数

1.4 粒径测量

对不同处理时间的纤维素料液样品进行粒度分析，测量结果取3次测量平均值，粒径指标采用测量得到的D10，D50，D90，即粒度累积分布中10%，50%，90%所对应的粒径。其中，D10体现了纤维素颗粒群中超微细颗粒的体积变化情况，D50体现了纤维素颗粒群的平均粒度，D90体现了纤维素颗粒群中大径粒子的分布。

1.5 电镜观察

取少量不同处理时间的纤维素料液样品，加水稀释、搅拌均匀后滴于导电胶上自然风干，喷金处理后进行电镜扫描。

2 结果与分析

2.1 处理时间对纤维素超声微细化处理的影响

声源功率P为70 W，液位高度h为157 mm时，超声微细化处理纤维素的D10，D50，D90随处理时间t的变化。

P=70 W，h=157 mm时纤维素粒径随时间的变化见图1。

由图1可知，随着处理时间的增加，纤维素的整体粒径逐渐减小，超声处理2 min时，D10，D50，D90值分别为14，41，106 μm，减小幅度极大；之后随着时间的增加，D10，D50，D90变化幅度逐渐减小，分别趋近于8，24，65 μm。

声源功率70 W，液位高度157 mm时微细化处理不同时间纤维素电镜测量。

P=70 W，h=157 mm电镜图见图2。

由图2可知，纤维素原样结构呈不规则棒状，大部分颗粒长度大于60 μm，直径大于20 μm；处理时间2 min时，部分纤维素长度小于30 μm，直径较小的小于10 μm；4 min时，大部分纤维素颗粒长度为10～30 μm；7 min时，除了个别大尺寸纤维素颗粒，绝大部分微粒长度都为25 μm左右，直径接近5 μm；处理时间达到20 μm时，长度大于40 μm的纤维素颗粒基本消失，部分纤维素长度小于15 μm，直径为3 μm左右。因此，随着处理时间的增加，纤维素微细化效果更加明显，在2 min以内，纤维素尺度变化最大，继续增加处理时间，纤维素颗粒尺寸变化渐渐变小，逐步接近超声微细化处理的极限尺度。

综上所述，在功率与液位高度一定时，随着处理时间的增加，纤维素超声微细化效果增强，在2 min以内，纤维素颗粒微细化效率最大，之后随着时间增加，纤维素单位时间内尺度变化逐渐减小。

2.2 液位对纤维素超声微细化处理的影响

功率70 W时3种不同液位条件下料腔内变幅杆轴向声压的分布。

不同液位高度时声源轴向声压分布见图3。

由图3可知，处于非谐振液位（101 mm） 的料腔高压区主要集中在变幅杆端部附近，且声压沿变幅杆轴向衰减极快；处于谐振液位（157 mm） 料腔中出现3个高压中心，声压幅值远高于非谐振结构，声压从高压中心沿轴逐渐减小，空化区域显著增大；液位高度为279 mm时，柱形料腔内部也出现了3个高压区域，求解特征频率发现该结构在频率为20 554 Hz时呈三阶模态，而声源频率20 000 Hz接近该结构特征频率，因此出现接近其三阶模态的“准谐振现象”。

低功率时3种不同液位高度条件下处理的纤维素粒径指标D10与D50变化图。

不同液位高度时粒径随时间变化见图4。

由图4可知，在处理2 min时，液位高度为谐振液位（157 mm） 时，纤维素的D10与D50分别为14 μm与41 μm， 小于非谐振液位 （101 mm） 的16 μm与55 μm。处理4～7 min时，液位高度为279 mm的料腔处理纤维素粒径小于液位高度为101 mm的纤维素粒径。3种不同液位高度处理时，谐振结构处理效果最好，准谐振结构次之，与数值分析的结果一致。

液位高度157 mm与101 mm，声源功率70 W，超声处理4 min时纤维素微细颗粒电镜观察。

P=70 W，T=4 min谐振和非谐振电镜图见图5。

由图5可知，谐振条件下长度低于30 μm纤维素微细颗粒比例远远大于非谐振结构，且谐振条件下没有观察到长度高于100 μm的纤维素微细颗粒，而非谐振条件下存在。因此，在功率与处理时间相同的情况下，谐振条件处理的纤维素长度越小、效果更好。

综上所述，应用超声对纤维素进行微细化处理时，在超声频率与料液体积一定时，液位高度不同会影响料腔内部的声压分布，在某些特定液位会产生谐振现象，极大地增加高压区域，扩大空化范围，从而增强超声微细化效果，且液位高度越接近谐振高度，超声处理效果越明显。

2.3 功率对纤维素超声微细化处理的影响

声源功率140 W，液位高度101 mm时超声声流现象的速度场分布。

P=140 W，h=101 mm时声流速度场见图6。

由图6可知，声源高功率工作时，在流体内部会产生声流现象，流动从变幅杆端部开始，到达柱料腔底部时沿径向扩散，声流现象将变幅杆端部附近形成的空化气泡输送到料腔其他区域，扩大了超声空化范围。

液位高度101 mm，声源功率为70 W与140 W时超声微细化处理纤维素中位粒径D50随时间的变化。

超声微细化处理纤维素中位粒径分布图见图7。

由图7（a） 可知，处理2 min，声源功率140 W时纤维素中位粒径接近34 μm，小于70 W时的55 μm；液位高度157 mm，声源功率70 W与140 W时超声微细化处理纤维素中位粒径D50随时间的变化。由图7（b） 可知，处理时间2 min，声源功率140 W时纤维素中位粒径接近38 μm，小于低功率时的 41 μm；随着处理时间达到20 min时，高功率条件下液位高度101 mm与157 mm的料腔中纤维素所趋向的极限中位粒径分别接近15 μm与17 μm，低功率条件下液位高度101 mm与157 mm的料腔中纤维素所趋向的极限中位粒径分别接近27 μm与24 μm。因此，相同处理时间内，高功率条件下，纤维素粒径D50值明显降低。

在液位高度101 mm、声源功率140 W与70 W时超声微细化处理2 min，可以看出，高功率时，大部分纤维素颗粒长度在20 μm左右，直径小于10 μm，且长度在60 μm以上的纤维素颗粒基本没有；低功率时，存在长度大于90 μm的纤维素颗粒，大部分微粒长度在20 μm以上，直径大于10 μm。因此，高功率条件下，纤维素微细化程度更高，处理效果更好。

综上所述，高功率条件下，料腔中出现声流现象，空化范围扩大。与低功率条件相比，在液位高度与处理时间相同的条件下，声源高功率时，纤维素D50值明显降低，超声微细化效果增强。

h=101 mm，t=2 min电镜图见图8。

3 结论

通过有限元方法分析了不同料腔中超声空化能的区域分布，采用20 kHz的超声声源在不同功率条件下对液位高度为101，157，279 mm的纤维素料液进行了超声微细化处理，探究超声处理时间、料腔几何形状（液位高度）、声源功率对纤维素微细化效果的影响，结果表明：

（1） 在超声处理2 min内纤维素微细化效果的效率最高，粒径指标D50达到41 μm，随着处理时间的增加，纤维素微细化效果增强，20 min时纤维素粒径D50达到25 μm，单位时间内微细化处理效率逐渐降低。

（2）处于谐振液位高度的料腔内部形成3个空化高能区域，空化区域相比非谐振液位时明显增大。低功率条件下，处理时间为2 min时，谐振液位（h=157 mm） 处理效果最明显，相比非谐振液位（h=101 mm） 粒径D50值小约14 μm。

（3） 高功率条件下，料腔中会形成声流现象，扩大超声空化区域面积。处理时间2 min，纤维素微细化效果相比于低功率条件下明显增强，随着处理时间的增加，相比低功率条件，高功率时纤维素粒径能达到的极限尺度更小。研究了纤维素超声微细化处理效果的影响因素，为优化纤维素微细化处理工艺条件，合理利用超声空化场能提供了理论参考。