（制浆造纸工程专业论文）造纸湿部化学环境状态表征的研究.pdf

造纸湿部化学环境状态表征的研究 摘要 随着现代造纸工业的发展，人们对纸机湿部的化学环境状态越来越重 视。纸机湿部的变化往往难于解释，而造纸湿部化学环境状态的好坏，对造 纸生产线的产量和质量起着至关重要的作用。长期以来人们一直在寻求一个 能很好的解决湿部化学控制的模型，用以指导造纸湿部化学添加剂的选型、 添加地点和添加量以及能为纸机的稳定性提供数据和预测纸机的不正常状 况。 本文对造纸湿部化学环境状态表征的研究，是以造纸湿部化学理论为基 础，主要研究纸浆悬浮液中水、纤维、细小纤维、填料以及各种化学助剂之 间相互反应和作用的规律，详细的讨论了各湿部化学环境因素对湿部化学环 境状态的影响，它的核心基础就是胶体化学和表面化学。 在对造纸湿部化学环境状态表征的研究中分常规湿部化学环境因素和 电荷分析两方面来进行。常规湿部化学环境因素包括：温度、浓度、p h 值、 电导率、打浆度等，在其分析研究中利用有交互作用的正交方程可以得出结 论：p h 值在这几个因素中对湿部化学环境状态的影响最大，特别是在加入 硫酸铝的过程中p h 值从7 3 下降n 6 0 时，变化非常明显。因此在湿部化学环 境状态表征的研究中p h 直是一个很重要的表征参数。 利用电荷分析对湿部化学环境状态的研究中确定用z e t a 电位和胶体滴 定比率( c o l l o i dt i t r a t i o nr a t i o n ，简称c t r ) 来作为湿部化学环境状态表征的 重要参数。z e t a 电位在3 - - 5 m v 之间时，造纸湿部浆料系统的留着率最高； 而c 1 r 对不同的浆料系统有不同的控制范围，对于漂白针叶木浆料来说，其 最佳的控制范围是在0 2 o 5 之间，而对于草浆浆料来说，最佳的控制范围是 在0 4 - - 0 6 5 之间，这主要是由浆料系统本身的性质决定的。在采用电荷分析 时，浆料系统的组成成分还有湿部环境因素都对他们的测定结果有很大的影 响，如细小纤维含量、打浆度、p h 值、电导率、浓度等。本研究对各因素 进行了系统的分析，以确定本研究中所测定的结果都是在同一条件下得出， 使结论具有可比性。 本文还利用造纸湿部化学环境状态表征进行了初步的应用性研究。利用 p h d 耋、z e t a 电位和c t 来表征和优化造纸湿部化学品的添加工艺，纸机的优 化控制。通过实验和初步应用性研究，可以用p h 值、z e t a 电位和c 限来表征 造纸湿部化学环境状态。 关键词：纸浆悬浮液，环境因素分析，电荷分析，湿部化学，造纸 i i s t u d yo fw e t - e n dc h e m i s t r ye n r o n m 科ti n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mp a p e r m a k i n gi n d u s t r y , p a p e r m a k e r sp a y m o r ea t t e n t i o nt ot h ew e te n de n v i r o n m e n t i ti sd i f f i c u l tt ou n d e r s t a n dw h a t h a p p e n e di nw e te n ds e c t i o nd u r i n gp a p e r m a l d n gp r o c e s s ，b e c a u s ei t i sv e r y c o m p l e x i t ya n dl e v i t y h o w e v e ri ti st h em a i nf a c t o ri np a p e r m a k i n g ，m o r ea n d m o r ep a p e r m a k e rd i v ei n t oi ta n dw a n t st of i n dt h ec i p h e rt ot r a n s l a t et h e c o m p l e x i t ya n dl e v i t yo fw e te n ds e c t i o ni np a p e r m a k i n g i ft h ef i n d i n gc o m e s t r u e ，i tc a nh e l pp a p e r m a k e rc h o o s et h er i g h ta d d i t i v e s ，r i g h td o s a g ea n dr i g h t p o s i t i o no fw e te n dc h e m i s t r y , a n do f f e rt h eb a s i cm o d e li nd e a l i n gw i t ht h e a b n o r m a l i t ys i t u a t i o nd u r i n gp a p e r m a k i n gp r o c e s s w r e te n dc h e m i s t r yi sat e c h n i c a lt e r mo fp a p e r m a k i n gi n d u s t r y i tm a i n l y s t u d i e so nt h er e g u l a t i o no fr e a c t i o n sa n df u n c t i o n so fw a t e r , f i b e r s ，f i n e s ，f i l e r p a r t i c l e sa n do t h e rc h e m i c a la d d i t i v e si np u l ps u s p e n s i o n n 圮t o k e no f e n v i r o n m e n to fw e te n dc h e m i s t r yi sd i s c u s s e di nt h e s e so nt h es i d eo fc h a r g e a n a l y s i sb a s e do nc o l i c i i d a lc h e m i s t r ya n ds u r f a c ec h e m i s t r y , a n do nt h eo t h e r s i d eo fb a s i ce n v i r o n m e n tp a r a m e t e r sl i k ep h , c o n s i s t e n c e ，t e m p e r a t u r e ，b e a t i n g d e g r e e ，c o n d u c t i v i t y , t i m ea n ds oo n d u r i n gs t u d i e so nb a s i ce n v i r o n m e n tp a r a m e t e r s ，i tp r o v e dt h a tp hi sm o s t i m p o r t a n tf a c t o r i na l lp a r a m e t e r s ，e s p e c i a l l ya l u m i n u mi o na d d e di np u l p s u s p e n s i o nt h a tb r i n gg r e a tc h a n g eo nw e te n ds e c t i o ns i t u a t i o nw h e np hd r o p f r o m7 3t o6 0 c o n s e q u e n t l y , i ti so n eo f t h ef a c t o r st ot o k e nw e te n dc h e m i s t r y e n v i r o n m e n t d u r i n gp a p e r m a k i n gp r o c e s s t e c h n i q u e sf o rc h a r g ea n a l y s i s ，z e t ap o t e n t i a la n dc o l l o i dt i t r a t i o nr a t i o n ( c t r ) i n d e t a i li nt o k e nt h ee n v i r o n m e n to fw e te n dc h e m i s t r y t h er e s u l t ss h o w t h ef a c t o rt h a tz e t ap o t e n t i a la n dc t rc a nb eu s e da st h et o k e no fw e te n d c h e m i s t r ye n v i r o n m e n t n er e t a i n m e n ti sm a i n t a i n e di ng o o dc o n d i t i o nw h e ni t k e e p sz e t ap o t e n t i a lb e t w e e n 3a n d 一5 h o w e v e rc t ri sd i f f e r e n td e p e n d0 1 1 d i f f e r e n tp u l ps u s p e n s i o n ，f o re x a m p l e ：i d e a lr a n g e0 2 - 4 ) 5f o rs o f t w o o dp u l p ， l l i i d e a lr a n g e0 4 , - - o 6 5f o rs t r a wp u l p d u r i n gt h ec h a r g ea n a l y s i s ，t h er e s u l t ss h o w t h a tm a n yf a c t o r sc a ni n f l u e n c et h ep r e c i s i o no fz e t ap o t e n t i a la n dc t r , s u c h 勰 f i b e rf i n ec o n t e n t ，p h , b e a t i n gd e g r e e ，c o n d u c t i v i t ya n dc o n s i s t e n c e ，w h i c ha r e r e s e a r c h e di no r d e rt ok e 印t h er e s u l tp r e c i s i o ni nd e t a i l i t si d e a lc o n d i t i o nt h a tp hi so v e r7 ，a n dz e t ai sb e t w e e n - 3 a n d - 5 ，a n d c t ri sa r o u n d0 4i nw e te n dc h e m i s t r ye n v i r o n m e n ti np a p e r m a k i n g i tg i v e s v a l u a b l ea n dd i f f e r e n ti n f o r m a t i o ni nc h o o s i n gt h er i g h tw e te n da d d i t i v e sa n d o p t i m i z i n gw e t e n dc h e m i s t r ye n v i r o n m e n td u r i n gp a p e r m a k i n g k e y w o r d s ：p u l ps u s p e n s i o n ，e n v i r o n m e n ta n a l y s i s ，c h a r g ea n a l y s i s ，w e te n d c h e m i s t r y , p a p e r m a k i n g i v 造纸湿部化学环境状态表征的研究 i 绪论 1 1 湿部化学环境状态的提出 从七十年代以来国际造纸工业在向着高速化、连续化、大型化发展的过程中，面临 着三个突出的问题，即：原料、能源和环境污染。一方面，资源的缺乏，废纸回收利用 率的提高，白水系统的封闭循环，导致了浆质的下降，另一方面，从节约资源、减少浆 耗、降低废水污染负荷的角度出发，必须尽量提高浆中的细小组分的保留率【i 】。此外， 从节约能源的角度出发，在细小组分含量高的情况下又要尽量强化纸机湿部的脱水。 长期以来，国内外造纸工作者一直为纸的质量不稳定或达不到设计要求而困惑 2 1 。 如尽管严格控制了造纸的工艺参数和操作规程，但同时周期性的运行性问题仍十分突 出，不得不通过摊放自水，对湿部、压榨部、干燥部、旄胶压榨等进行清洗来解决。 为了解决上述各种矛盾，七十年代后，国外造纸助剂的发展十分迅速，除常用的填 料、施胶剂、沉淀剂、染料以外，助留剂、助滤剂、增强剂、毛布清洗剂、消泡剂、防 腐剂等得到了广泛的应用 3 , 4 1 。显然，大量助剂的应用就需要确定最佳的使用条件，不但 可以保证纸张的质量，而且可以节约资源、保护环境，以获得最高的质量和最好的经济7 效益。为此，早在七十年代，国外就对造纸助剂的应用技术开始了广泛的研究d “1 ，产。 生了造纸湿部化学”这一新型的交叉学科，这方面的研究至今仍然没有停止i s , 9 , l 】。 “ 在这里的湿部化学环境状态是在湿部化学理论的基础上，对纸机湿部的化学环境状 态进行客观描述和系统表征的研究，造纸湿部化学环境状态的优化与控制水平决定着造 纸生产线的产量和质量。尽管造纸湿部化学体系是一个极其复杂的体系，以至于要真正 搞清各化学组分的含量、性能及对纸机运行和纸张质量的影响都是极其困难的t 2 , 1 ，i 。然 而，经过多年的探索摸索，人们已经从这些复杂的湿部化学环境状态体系中找到一些规 律。迄今为止，造纸湿部化学环境状态仍然是造纸科学的前沿研究领域。 1 2 造纸湿部化学环境状态在造纸过程中的地位 以前的造纸过程，几乎没有湿部化学的概念，更谈不上湿部调整与控制。它的主要 特征是1 1 ，坷：一般为圆网成形和普通的长网成形，纸机车速低；采用传统的松香一铝矾 施胶系统，抄纸过程是在酸性条件下完成的；面临环保方面的压力较小，白水排放前未 经处理或稍经处理；废纸回收利用率很低；化学助剂的使用显得盲目而缺乏理论指导。 而现在，随着经济的发展，人们对造纸工业提出了更多、更高、更新的要求，相应地， 造纸工业也作出了调整，获得了长足的进步。湿部化学环境状态的调控日益显得必要。 这主要体现在以下几个方面【1 6 1 ： 陕西科技大学硕士学位论文 a 人们对纸张的品种要求增多，对纸张质量的要求也更高，这势必牵涉到浆料制备 系统与纸张抄造系统的改革、调整； b 纸机车速进一步提高，出现了夹网成型纸机。以新闻纸为例，目前有记录的最高 车速已超过1 8 0 0 n f f m i n ，而纸张定量却降至4 2 9 m 2 左右。在以前这是难以办到的，正是 有了湿部化学的有力支持，才成功做到了这一点； c 纸厂越来越倾向于采用c a c o , 加填，以往的施胶体系已不再适用，必须添加一定 的化学助剂，以提高填料的留着率，同时施胶方法从酸性施胶向中性、碱性施胶发展， a k d 、a s ( 占据着越来越重要的地位： d 由于环保和经济效益上的原因，封闭循环白水的呼声越来越高。但这势必会造成 纸机抄造系统中某些有害物质的积累，导致湿部系统紊乱，纸机难以正常生产，因而有 必要利用湿部控制这把“利器”对其进行调控： e 废纸回收利用率加大。美国、加拿大等国已经立法，规定某些纸种中废纸所必须 达到的配比。废纸中所含的杂质较多，同样需要进行湿部调控，以保证生产的顺利进行。 总之，湿部化学关系到造纸纸页成形过程中的几乎每一个环节，从浆料的消泡、除 气、加填、施胶、着色，到湿纸页的滤水、增强，无不与之紧密相关。因此，深入了解 湿部化学性质是进行湿部控制的基础和前提，良好的湿部化学调控是纸张正常生产的有 力保障。 1 2 ；1 湿部化学环境状态对湿部控制的影响 纸机湿部发生的变化往往难于解释，当用湿部化学环境状态表征处理这些问题时， 可以快速地获得有价值的信息，从而判断纸机是否在最优的环境体系下运行。对浆水体 系的湿部化学环境状态表征是对纸机状态分析的一种有力工具，在应付纸机的多种变量 时具有指导意义。对浆水体系湿部环境状态表征的研究不仅可以指导生产、用于生产， 而且对化学品的应用也具有一定指导作用m - q ，具有可行性。 ( 1 ) 指导选用湿部化学添加剂 能否通过添加湿部化学助剂来调整湿部化学系统，改善纸机性能，提高纸机的质量 昵? 回答是肯定的。尽管造纸湿部化学体系是一个极其复杂的体系，通过对湿部化学环 境状态表征的研究可以优化湿部化学，指导选用合适的化学湿部添加剂。 ( 2 ) 优化湿部化学添加剂添加量 ( 3 ) 湿部化学添加剂添加地点选择 一般选择靠近网前箱部位高位箱是比较理想的添加地点其次还有如沉沙沟、旋翼筛 进出口处，这要视各厂的实际情况而定。越靠近网部，助留、助滤效果越好，但对纸页 匀度和强度的影响也越大。因此，利用湿部化学环境状态表征的应用可以指导选择最佳 的添加地点。 2 造纸湿部化学环境状态表征的研究 ( 4 ) 湿部化学添加剂添加方法的选择 添加方法有连续计量添加和间断计量添加。许多纸厂填料的加入部位是不一样的， 可以利用湿部化学环境状态表征研究的应用确定最佳的添加方法。 ( 5 ) 效益测算 经济效益是判断应用是否成功，纸厂是否采用化学助剂的主要依据。经济效益可从 下面几方面进行核算； 叠细小纤维、填料的留着率提高； b 其他原材料如木浆、松香、矾土、填料或旋胶剂等用量； c 抄造率提高，车速加快，日产量提高以及能耗下降等； d 成纸质量改善； e 三废减轻等。 1 2 2 湿部化学环境状态对成纸性能的影响 湿部化学对成纸性能的影响【t 一呵概括为以下几方面：纸页结构性能、成纸物理强 度、表面性能及耐久性能。 ( 1 ) 结构性能 包括成纸定量、厚度、匀度、纵横拉力比、两面性、透气度、粗糙度等。 女 a 成纸均匀度；纸料在网上脱水成形的过程中，纤维悬浮液中存在絮聚一解絮聚的 平衡，絮聚物的强度与规模以及流场中流体剪切力的分布将决定着成纸的均匀度。俄纸 匀度是纸页中各种配料三维分布的一个函数，一张成型好的纸页对光观察时应是均匀 的，配料中的纤维组分过量的絮凝对均匀度将产生不利的影响，这将导致斑点出现以及 降低纸页强度和纸页与油墨的结合等。因此，造纸工作者必须避免过多地应用强絮凝剂。 b 成纸两面性：两面性主要发生在湿部脱水过程中。纸页成形最初仅仅是长纤维和 附着在其上的细小纤维留着在网子上，随后形成的纸页变成一个过滤介质，使许多细小 组分截留在湿纸页中，从而使得分布在正面的细小组分比网面多，正是纸页中物料的非 均匀z ”向分布产生了纸页的两面差。通过絮凝可以增加细小纤维在纤维上的附着，使 纸料中的细小纤维更多的在最初形成纸页阶段被固定住。因此，增加填料或改善留着以 及纸料中的絮凝状态等，通常可降低纸的粗糙度和空隙度，减小纸张的两面差。 ( 2 ) 强度性能 通过湿部化学手段，如改善纤维悬浮液中纤维的均匀交织以及絮凝的状态，添加增 强的化学助剂等。均能改善成纸的强度性能。实践证明，随着回收纤维在配料中的应用 比例的增加，干强剂的使用在今后几年内会变得更普遍和重要。另外，填料和施胶剂的 使用也会影响纤维问结合强度。 经验表明，与酸性抄纸相比，中性或碱性抄纸能改进纤维的结合，可改善成纸的强 3 陕西科技大学硕士学位论文 度。因此，在过去l o 年中北美和欧洲的许多纸厂实现了从酸性抄纸向碱性抄纸的转换。 ( 3 ) 表面性能 成纸表面性能主要指：色泽、亮度、不透明度、光泽度、平滑度、施胶度以及印刷 适性等，湿部添加剂的使用方案等多种湿部化学因素对上述性能指标有着显著的影响。 一般地，调色染料的配方会直接影响成纸的色泽；填料种类及用量将直接影响到成 纸的不透明度、印刷适性等；施胶剂的选用以及施胶工艺将直接影响到成纸施胶度以及 印刷适性；采用c a c 0 3 填料替代滑石粉，将有效地提高成纸的不透明度；采用松香中性 施胶剂替代传统的反应型施胶剂a k d ，将明显改善成纸在印刷机和喷墨印刷机上的运行 性能与印刷效果，并将明显改善中性双胶纸以及轻量涂布纸的亮度、光泽度、平滑度等 性能指标。 另一方面，纸机湿部化学平衡的控制状态将显著影响到与上述性能相关的添加剂 ( 如调色染料、施胶剂、填料等) 的使用效果。这是因为纸料中6 0 以上的湿部添加剂往 往吸附在仅占纸料组成4 0 e 左右的细小纤维上。 为了提高光泽度和白度，在形成的纸幅中保留高含量矿物填料是必须的。另一方面， 矿物填料的聚集对光散射效率将产生不利影响。 由于絮凝剂可提高填料留着，也会促进填料的聚集。所以这两方面的因素对造纸工 作者提出一个两难的问题，即如何达到两者间的平衡，更好的理解发生在填料、纤维和 助留剂间的化学反应是非常必要的。 此外，旌胶剂还必须达到快速完全的留着，以防止纸机清洗和运行困难，旌胶剂的 使用效果受配料和纸机多种因素的影响。 ( 4 ) 耐久性 耐久性主要是指纸张的物理强度、亮度、色泽等方面的抗老化性能。纸张的耐久性 对图书、资料及档案的保存是很重要的，其他领域也有类似的问题，并越来越引起人们 的注意。 造纸湿部化学对纸张耐久性的影响也很大，实际上，已经证实碱性抄纸比酸性抄纸 有很好的耐久性，纤维的化学物理状况( 如未充分洗涤的杂质残留物、金属离子、碳酸 钙、填料等) 也有一定的影响，这些都属于湿部化学范畴。长期以来的研究工作都集中 在湿部化学的改进和控制方面。 1 2 3 湿部化学环境状态对纸机性能的影响 湿部化学对纸机运行性有正、反两方面的影响，一方面，湿部化学可用在增加滤水 性，减少空气进入和消除泡沫，保持纸机清洁，以及提高细小组分的留着率减少流失等 方面。另一方面，如果这些因素失去控制，相同的湿部化学现象会使纸机运转不正常， 纸页产生斑点和气泡，并降低滤水性，使纸机不清洁，从而降低生产效率等，其主要表 4 造纸湿部化学环境状态表征的研究 现在以下几方面阎： ( 1 ) 细小组分的留着 纸料在网上滤水成形的过程中，在流体剪切力的作用下，大量的细小组分随白水流 走，纸料悬浮液中絮聚的规模与强度，成形过程中流体剪切力的强弱，湿部添加剂的分 子量，电荷种类及电荷密度等湿部化学因素都将显著影响细小组分的留着。当这些湿部 化学环境因素的控制达到最佳值时，细小组分的留着率最高。此时，排放白水浓度保持 在最低值，有利于白水的封闭循环与清洁生产的实现，还将有利于减少清水消耗，减轻 系统的管道结垢与腐浆的产生。 ( 2 ) 沉淀、结垢以及泡沫的形成 湿部化学失控时经常发生沉淀和结垢，常见的是化学添加剂的过量使用，电荷不平 衡，化学品的不相容以及化学平衡的不稳定等，所有这些现象都能导致纸机产生沉淀和 结垢，目前已有许多方法可以清理沉淀和结垢，但最好的办法还是找到失控的原囚，并 从湿部化学平衡的角度加以调整控制。 残存在自水系统中的表面活性物质以及木材纤维含有的能稳定空气进入纸浆中的 物质( 某些化学添加剂也起同样的作用) ，会降低纸料的滤水性，产生粘状物和泡沫。如 果发生时，最好的方法是找到根源并消除它，如果不可能做到，一般可采用机械的和化 学的方法来消除，如加入消泡剂就是一个有效的措施。 ( 3 ) 纸料的滤水性 滤水性在纸机运行中是一个重要的性能。纸幅滤水程度将受纤维与纤维以及细小组 分间的絮凝影响，如果纤维悬浮液中形成疏松多孔的絮凝物时，将改善湿纸层的滤水性， 从而加快纸料在网上的滤水。特别是纸料的滤水性将显著影响纸机车速的快慢与干燥汽 耗的大小。 1 3 湿部化学环境状态的表征 所谓湿部化学环境状态的表征是湿部各化学环境因素同纸机的运行性能和成纸质 量之间的内在关系的表征。因为纸料中悬浮液各组分的行为如纤维和细小纤维等与胶体 相似，而各组分之间的化学反应大都发生在颗粒的表面，因此，造纸湿部化学环境状态 表征也可理解为发生在造纸湿部的各组分之间的胶体化学与表面化学。 1 4 湿部化学特性的基本理论 1 4 1 纤维和细小纤维的湿部化学特性 纤维和细小纤维的化学特性主要表现为吸附性能、润涨性能、离子交换性能等 2 3 】。 主要受到纤维和细小纤维比表面积、表面电荷和表面化学组成的影响。 纤维和细小纤维的表面电荷受其表面化学组成及电离状态的影响，也受吸附添加剂 5 陕西科技大学硕士学位论文 的数量和性质的影响，纤维和细小纤维总是带负电荷，在有盐溶解时，该吸附过程一般 称为离子交换过程。纤维和细小纤维的离子交换对许多造纸现象是很重要的，其中有界 面动电特性、染料的吸附、砧针、聚合电解质、松香胶以及纤维和细小纤维的絮凝等， 纤维对各种离子的吸附强度依次为：n + ( c h 3 ) 4 l i + 心j a + k 十 a 渤矿 b a 2 + a j ”，这 些阳离子对负电荷的中和能力也遵循以上次序，所以a 1 3 + 离子的吸附性将会改变纤维的 表面电性。另外打浆度、p h 值和铝盐对纤维素动电特性也有重要的影响。 从湿部化学的定义可知，细小组分是湿部化学中的重要角色】。下面我们来看看细 小组分的具体内涵。众所周知，上网纸料是含有各种大小、形状和组成不同的固体物料 的悬浮液，纸浆中除了或多或少地存在着整根纤维以外，还存在着相当数量的细小纤维。 它们是来自纤维原料中的小细胞和自纤维上撕裂下来的碎片或碎屑，加入到纸料中的颜 料和填料也作为细小粒子而存在。此外，由于抄造和纸张性能的需要，还需要加入多种 不同的湿部添加剂，如，胶料、淀粉，增强剂、以及染料等等。 一般说来，纸浆中通过7 5 岬小孔( 2 0 0 目) 的粒子构成细小纤维部分。这一定义，是 根据在显微镜下，对通过若干不同网目筛网的细小纤维和留在筛网上经过洗涤后的纤维 的比较而定的。纸料中的细小组分则包括细小纤维和加入到纸浆中的颜料和填料。对于 草类原料来说，细小组分还应该包括杂细胞。 细小纤维是一种宽度为0 1 o 5 岬l 长几十微米的棒状、半结晶的微细纤维物料。因 细小纤维颗粒体积小，比表面积大，大约是纤维的5 8 倍。由于比表面积强烈地影响着 表面吸附，使得它与纤维的主要区别不仅是在化学组成方面更重要的是其吸水润胀能力 为纤维的2 - - - 3 倍，它的行为在很多方面与胶体物质相似。 1 4 2 造纸系统中电荷的产生 造纸纤维和各种助剂悬浮在水中都会产生一定的静电荷，包括纤维、细小纤维、填 料、助留剂、干强剂、木素、半纤维素、分散剂、矾土等，不论是分散的颗粒还是溶解 的分子都是如此。静电荷包括表面电荷和溶解电荷，两者在湿部化学中都起着重要的作 用l m 5 捌。 ( 1 ) 纤维和细小纤维的表面电荷 纤维和细小纤维表面一般带负电荷，这些表面阴离子之间的斥力使得纤维能够在水 中稳定地存在，而为了获得良好的成形必须在纸机的网部克服这种斥力。在硫酸盐浆中， 纤维素和半纤维素的羟基是电荷的最大来源；未漂浆中含有的木素羟基、机械浆经亚硫 酸盐处理而具有一定量的磺酸基，除磺酸基在宽p h 值范围内能电离之外，纤维和填料 的其他电荷基园大多数都是弱酸，所以其电离度取决于体系的p a 值。 ( 2 ) 颜料和填料的表面电荷 一些矿物颜料如瓷土等，晶格上离子的同晶型替代物将导致电荷的不平衡而产生静 电荷；也有一些矿物颜料如二氧化钛，其电荷源于表面羟基的离子化。但 6 造纸湿部化学环境状态表征的研究 是这些矿物颜料的表面电荷的类型与p h 值和化学环境密切相关。 ( 3 ) 造纸系统中的溶解电荷 造纸系统中，很大一部分溶解电荷是随原料偶然进人到系统中的外来干扰性物质， 它们的存在不但会干扰化学添加剂的使用效果，而且还可能导致纸机的运转性能下降或 形成沉积物；某些过程助剂如树脂分散剂、填料分散剂、网毯清洗剂等也是造纸系统中 溶解电荷的来源之一；所有未留存在纸页内的溶解的功能型助剂经白水循环进入到纸机 流浆箱后成为系统中溶解电荷的又一来源，这些物质被称为“溶解污染物”。其电荷或来 源于羧基( 阴离子) ，或来源于各种季胺或叔胺基团( 阳离子) 等其他基团，这些基团的电 离取决于p h 值和基团的本质，这些溶解电荷的携带者可总称之为聚合电解质。 因此，造纸浆料就是一种由带电粒子包括纤维和细小纤维、填料粒子和聚合电解质 所组成的悬浮液。 1 4 3 界面动电现象 ( 1 ) 表面电荷的产生 众所周知，沉于水中的石块，基本维持原来的物理作用状态。但当把它渐次细分， 直至界面作用力起主导作用时，就不仅受到物理作用，还要受到化学作用，显示出胶体 粒子的特征，粒子的带电，也是这种特征之一。这种带电的原因在于水中粒子的总面积 增大，粒子跟水或溶于水中的微量电解质的相互作用加剧而使粒子表面带电。鼍。 一般认为，表面电荷产生的机理有以下四种： a 极性基的电离 b 对于离子的吸附( 包括h + 和o h - ) c 晶格的内部缺陷 d 构成晶格的离子产生部分电离 比如在纤维素纤维上，由于微量c o o h 基及残余的半纤维素和木素上的可电离基的 存在，便因极性基电离的机理而带上负电荷，o h 基及其它阴离子产生如b 中所述的被吸 附，还会加强他的负电性，另外，在片状白土粒子的主平面上，由于同质置换作用，造 成晶格内部缺陷，从而带有负电荷，而在其端面上，当介质为酸性时，带有正电荷。这 种正电荷是由于离子吸附的机理造成了对 r 的吸附，或由于构成晶格的离子产生部分电 离的机理，致使部分o h 电离等原因形成的。当采用少量分散剂使白土分散时，会因b 中吸附离子的作用而使表面带负电荷。 ( 2 ) 造纸湿部系统中常见物质的电荷特性 从所带电荷的特性角度来说，造纸湿部系统中常见物质可分成两类： a 阴离子型：纸浆纤维、木素、制浆废料、漂白废料、高得率纸浆度料、填料白土、 二氧化钛( t i 0 2 ) 、皂型松香胶、阴离子分散松香胶、大多数染料、阴离子型助留剂、阴 7 陕西科技大学硕士学位论文 离子型干强剂、阴离子树脂分散剂、胶乳等。 b 阳离子型：n a + 、h + 、c a 2 + 、m 矿、a 1 3 + 、羟基铝聚合物、碳酸钙( c a c 0 3 ) 、阳离 子分散松香胶、阳离子a k d 乳液、阳离子型助留剂、阳离子型干强剂、湿强剂、阳离子 淀粉等。 ( 3 ) s t e r n 双电层理论 在固定层( s t e m ) 和扩散层的分界界面的电位称为z e t a 电位，通常侧量表面电荷时， 实际上测出的是z e t a 电位而不是表面电位，胶体化学中通常称其为“双电层电位”。双电 层结构如图1 1 所示： o 图1 - 1 双电层结构 f i g 1 - 1m o d e lo f z e t ap o t e n t i a l 在造纸湿部体系中，纤维和微细纤维都含有较多的羧酸和磺酸基团，因此具有带电 荷的表面。纤维素纤维对各种离子的吸引程度的顺序为n ( c h 3 ) + l i + n a + k + a g + c a 2 = m 9 2 + - b a 2 + b a * b b * d d c * d c a * c b 。c ，也就是说p h 的影响最大，温度次之，对于交互 作用，温度和p h 值的交互作用的影响较大。 陕西科技大学硕士学位论文 表3 7 对撕裂指数影响的方差分析 t a b l e 3 7a n a l y s i so f v a r i a n c e0 1 1t e a r i n gi n d e x aba * bca * c8 c d a * db * dc * d 因素 图3 1 3 环境因素对撕裂指教的影响 f i g 3 - 1 3a f f e c to f e n v i r o n m e n tf a c t o ro nt e a r i n gi n d e x 从图3 1 3 中可以看出，各因素对撕裂指数影响大小依次为：a b a * c c * d ，就是 说温度f f o p h 值影响最大，交互作用的影响不是很大。 8 6 4 2 0 稍恹 表3 8 对浊度影响的方差分析 t a b l e 3 - 8a n a l y s i so f v a r i e n o f tt u r b i d i t y 因素偏差平方和 自由度 f i 土 f 临界值 a b a + b c a + c b c d a d b + d c d 0 3 3 4 1 3 3 3 3 3 2 4 6 6 7 1 3 3 3 4 1 6 6 6 3 4 0 0 0 1 6 6 6 3 l 0 7 0 6 5 。7 0 6 0 2 5 0 7 7 6 s 4 9 3 8 0 0 7 7 9 0 7 7 0 2 5 0 0 0 2 8 1 4 9 4 1 6 1 0 0 0 1 6 1 舯o 1 6 1 0 0 0 1 6 1 o o o 1 6 1 0 0 0 1 6 1 0 0 0 1 6 1 0 0 0 1 6 1 0 0 0 1 6 1 0 0 0 1 6 1 伽l o 误差 7 3 3 41 4 0 3 2 j l l j 2 4 椒1 6 8 0 aba * bca b * cda * db * d c * d 因素 图3 1 4 环境因素对浊度的影响 f i g 3 1 4a f f e c to f e n v i r o n m e n tf a c t o ro l lt u r b i d i t y 从图3 - 1 4 d p 可以看出各因素对浊度的影响先后次序：d c b ，即浓度影响最大，电 导率次之，温度影响较小。交互作用的影响很小，可以忽略不计。 3 2z e t a 电位分析法对湿部化学环境状态的影响 在纸机抄造过程中，控制湿部参数z e t a 电位是非常关键的。要获得浆料的最佳留着 率和滤水性能，理论上来说是在等电点下抄纸。 3 】 陕西科技大学硕士学位论文 3 2 1z e t a 电位分析法对湿部化学环境状态的影响 实验中采用电荷调整剂( 阳性) 来改变z e t a 电位： 4 1 0 0 3 9 0 0 目 邀 蕃 裂3 7 0 0 售 盥 磐 旃 3 5 0 0 - 1 5 - 1 0 5o5 z e t a 电位( w ) 1 6 0 1 2 0 一 叠 醚 8 0 赛 4 0 图3 1 5z e t a g 住, 对漂白钟叶未浆料系统湿部化学环境状态的影响 f i g 3 1 5 a f f e c t o f z e t a p o t e n t i a l o i l w e t e n de n v i r o n m e n t o f s o f t w o o d p u l p 3 9 0 0 3 3 0 0 3 5- 3 0- 2 5 - 2 0- 1 5 z e t a 电位( f ) 图3 1 6z e t a 电位对漂白草浆浆料系统湿部化学环境状态的影响 f i g 3 1 6a f f e c to f z e t ap o t e n t i a lo rw e t e n de n v i r o n m e n to f w h e a tp u l p 从图3 - 1 5 和图3 1 6 中可以看出，不管是针叶木浆料系统还是草浆浆料系统，都是随 着z e t a 电位的增加，浊度先下降，在3 5 m v 时趋于稳定，此时留着率最高，而纸幅的 裂断长下降了约4 0 0 6 0 0 m ，裂断长的降低是由于大量的细小纤维和填料留着在纸页 中，影响了纤维问的氢键结合，使纤维间结合力减小了的缘故。当纸浆的z e t a 电位为正 (n琶毯爨 脚 m 瑚 加 造纸湿部化学环境状态表征的研究 时，纤维、填料表面存在了多余的正电荷，它们之间存在静电斥力，从而使纤维、填料 和造纸助剂间的亲和力变弱，有部分絮团也会散开，留着率下降。 在生产实际中，需要监侧湿部系统中的变化趋势，保证z e t a 电位微负时抄纸。这同 最近一些国内外的学者研究的观点是相同的a 训。 3 2 2 影响z e 纽电位因素的分析 ( 1 ) 细小纤维含量对z e t a 电位的影响 漂白针叶木浆料依次经过筛网：3 0 目、5 0 目、1 0 0 目、2 0 0 h ，筛后的各组分平衡水 分后，配成0 1 浓度，用z e 协电位分析仪测定各组分的z e t a 电位，结果如表3 9 示。 表3 - 9 筛分网目对z e t a 电位关系 t a b l e 3 9 a f f t o f s i e v e p o 托o r z e t a p o t 雌6 a l o 一0 蓦砌 曲 里一1 5 o n - 2 0 - 2 5 筛分两目压协电位( m y ) 3 0 5 0 1 0 0 2 0 0 全体 - o 6 4 5 7 6 1 0 7 8 2 0 0 3 1 2 0 7 网目 图3 1 7 筛分网目与z e t a 电位关系 f - g 3 1 7a f f e c to f s i e v ep o r eo rz 咖p 删a l 研究发现，如图3 1 7 ，长纤维和细小纤维的z e t a 电位值存在着很大差异、细小纤维 的z c t a 电位( 负值) 明显大于粗大组分的z c t a 电位。表3 9 中，通过1 0 0 目和2 0 0 目筛的细小 纤维的z e 扭电位负值最大，而比它粗大的组分( 3 0 和5 0 目) 的z e t a 电位，比全体浆料的 陕西科技大学硕士学位论文 z e t a 电位小。由此可以看出，细小纤维含量对z e t a 电位的影响很大，细小纤维含量越多， z e t a 电位负值越大，主要原因是细小纤维的比表面积大、电荷密度高。 c 2 ) 温度对z e t a 电位的影响 童 翅 罾 基 高 o - 4 - 8 1 2 一1 6 - 2 0 l o 1 5z 0z 5 3 03 54 04 5 温度( ) 4 3 - 1 8 温度对z e t a 的影响 t a b 3 - 1 8 a f f e c t o f t e m p e r a t u r e o n z e t a p o t e n t i a l 从图3 1 8 中可以看出不同的温