【摘 要】
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纸张是由植物纤维相互交织形成的多孔、薄型层状材料。纸基材料的孔隙结构是影响流体流动和渗透性能的关键因素,对过滤、吸附、分离等应用尤为重要。因此,精确表征纸张纤维-孔隙微观结构进而探究其与纸张的渗透性能之间的联系具有重要意义。传统的实验测量方法既无法将纸张内部孔隙结构可视化,也不能建立孔隙结构及其与纸张渗透性能间的相关关系。为了解决上述问题,本文首先对纸张的真实孔隙结构进行无损化三维表征,然后对液体
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纸张是由植物纤维相互交织形成的多孔、薄型层状材料。纸基材料的孔隙结构是影响流体流动和渗透性能的关键因素,对过滤、吸附、分离等应用尤为重要。因此,精确表征纸张纤维-孔隙微观结构进而探究其与纸张的渗透性能之间的联系具有重要意义。传统的实验测量方法既无法将纸张内部孔隙结构可视化,也不能建立孔隙结构及其与纸张渗透性能间的相关关系。为了解决上述问题,本文首先对纸张的真实孔隙结构进行无损化三维表征,然后对液体和气体在孔隙内的流动情况进行数值模拟,分析孔隙结构对纸张内部的流体流动影响及作用机理,为后续设计和优化纸基材料结构与性能提供了一种新型研究手段。本研究主要开展了以下研究内容:（1）以棉浆、阔叶木浆、针叶木浆为原料,制备不同打浆度和不同定量的纯纤维纸张,利用毛细流量孔径仪和透气度仪分别测量纸张的孔径结构和渗透性能,以研究不同因素（纤维种类、打浆度和定量）对纸张孔隙及其渗透性能的影响,以便实现对纸页结构的调控。结果表明,不同原料纸张的平均孔径从大到小依次为棉浆纸＞阔叶木浆纸＞针叶木浆纸。随着打浆度和定量的增大,对于三种纤维原料,其纸张的孔径大小都逐渐减小,孔径分布范围和峰值也随之往更小方向变化,渗透性能下降。相比于定量因素,打浆度对纸张孔径大小和孔径分布的影响更大。（2）采用X-CT技术在500 nm分辨率下无损化表征纸张的微观三维结构,得到一组二维序列切片图,使用数字图像后处理技术对原始数据进行对比度调节、滤波处理和图像分割。然后利用三维可视化软件Avizo对处理后的CT图像进行三维重建,并确定了表征单元（Representative Elementary Volume,REV）的尺寸。进而,在REV尺度下从孔隙模型中提取了常见的孔隙结构参数,包括孔隙率、曲折度、分形维数和孔径分布峰值。结果表明:非局部均值滤波对CT图像的除噪效果最好,最大类间方差算法对纤维相和孔隙相的分割最为准确,REV的尺寸为400×400×450体素最合适。基于X-CT三维孔隙模型提取的纸张孔隙结构参数值（孔隙率为0.657、曲折度为1.519、分形维数2.432、孔径分布峰值在[1,2]μm）与压汞仪测得的实验值（孔隙率为0.605、曲折度为1.507、分形维数2.569、孔径分布峰值在[1,2]μm）基本吻合,证明了该方法的可靠性。（3）在REV三维孔隙模型中,利用数值仿真软件COMSOL对液体汞和空气在纸张内部的渗透过程进行了数值模拟。从以下方面对渗透过程进行研究:单元网格大小对有限元网格质量优劣以及绝对渗透率模拟计算结果的影响;探究了不同压降下Z向渗透流动的规律;对平面方向流体的渗透情况进行了数值模拟;针对边缘REV的实际情况,模拟多出口边界条件下的流体渗透过程。结果表明:网格划分参数设置面片大小为2.5μm、边界层网格单元大小为0.5μm、面片距离为0.125μm所得到的Level 4等级网格的质量最好。该网格条件下所得绝对渗透率计算值为1.70μm~2,与压汞法测得的实验值1.88μm~2最为接近;Z向不同的入口压力下,压力沿着流体渗透方向呈二次方下降,流体的出口速度随入口压力的增大呈线性增大。流体沿平面渗透方向的截面压力呈线性下降趋势;平面方向上渗透模拟得到的绝对渗透率值（8.42μm~2）大约是Z向渗透（1.70μm~2）的5倍;多出口边界条件下的流体渗透过程,压力呈指数下降,同时流速也迅速增加,使得流体的流动路径更加多变,并大多集中在侧面出口流出。
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