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造纸化学品 讲课人 游薇 1 造纸的步骤 纸浆来源 各类化学品的作用 选取所需化学试剂 造纸 纸浆提取方法 2 废纸纸浆的关键是筛选和净化 除去杂质 纸浆来源 天然纤维纸浆 废旧纤维纸浆 合成纤维纸浆 3 各类纸浆化学品 制浆化学品 脱墨剂 蒸煮助剂 消泡剂 漂白助剂 纸浆防腐剂 树脂控制剂 4 废纸纸浆提取纸浆纤维的关键是筛选和净化 除去杂质 印刷废纸制浆的关键是脱墨 脱墨剂在废旧纤维纸浆中的应用 5 废纸脱墨的原理 脱墨剂作用于油墨中的黏着剂进行皂化和乳化 破坏油墨中与纤维间的粘结力使油墨和其它杂质与纸纤维脱离 并在分散剂和吸附剂作用下使其不再凝聚在纤维上 再经脱墨设备将油墨粒子从中除去 油墨纸浆 脱墨剂 温度 机械作用 油墨粒子纸浆纤维 6 废纸脱墨的方法 洗涤法 除去油墨粒径很小 亲水性颗粒 浮选法 除去油墨粒径较大 憎水性颗粒 短程法 含油墨量很小 7 1 洗涤法 原理 用脱水处理使油墨和纸纤维分离方法 脱墨剂 废纸浆 水反复洗涤 油墨及污物随水排除纸纤维留在浆中 8 2 浮选法 原理 利用纸纤维和油墨的可湿性不同 将可湿性差的油墨浮在浆面除去方法 料浆 通空气 形成气泡 憎水性的油污吸附在泡沫上聚集在料浆表面 9 洗涤法脱墨剂主要成分 NaOH 分散剂 有机试剂 防油墨沉积剂 表面活性剂及其螯合剂 捕集剂 浮选法脱墨剂的主要成分 10 各类脱墨化学品的作用 NaOH调节废纸浆的Ph至碱性范围 是油墨中的树脂皂化和水解 使使油墨从纤维上脱落 分散剂使废纸碎解过程中产生的油墨及赃物颗粒在浆料悬浮液中分散的细小一些 便于洗涤和脱水过程中除去 螯合剂与重金属离子形成水溶性的络合物 防止这些重金属离子对双氧水的分解作用 11 双氧水脱色时增加纸浆的白度 双氧水破坏油墨粒子表面形成亲水新物质 捕集剂将油墨粒子聚集在一起然后附集在空气泡上除掉 硅酸钠 钝化金属离子 缓冲剂作用 使Ph值稳定 润滑 降低溶液表面张力 有分散作用 防止油墨再沉积在纤维上 浮选时使油墨粒径变大 易于去除 12 造纸化学品 蒸煮助剂 13 造纸原料及成分 1 原料 植物性纤维2 主要化学成分 1 纤维素 2 半纤维素 3 木素 4 抽出物 树脂 果胶 酚类化合物 5 灰分 14 白色或是接近无色的物质 为高聚物 其同纤维素和半纤维素一起构成纤维素纤维 支撑植物生长 木素是由苯基丙烷结构单元通过醚键和碳一碳键连接而成的高分子化合物 木素 15 蒸煮助剂 一 蒸煮的目的及原理用以加速蒸煮液对纤维原料的渗透或加速脱木素作用 从而缩短蒸煮时间或降低蒸煮温度 减少蒸煮药剂的用量 提高纸浆强度或得率的化学品原理 适当的将原料中的木素除去使纤维分离 同时使纤维和半纤维受到不同程度降解 改善蒸煮条件 16 二 蒸煮过程 渗透与反应阶段 控制纤维素及半纤维素与碱液的反应溶出阶段 溶出阶段 17 三 蒸煮的方法 主要分为碱法和亚硫酸盐法1 碱法蒸煮碱液 NaOH Na2Sn 作用于三维交联网状结构的木素使其发生化学键断裂 并引入亲水基 在蒸煮过程加进去的碱起以下几种作用 与木素起反应 中和木素的酚羟基 占20 25 中和碳水化合物碱性降解的产生的有机酸 占70 75 与树脂 二氧化硅等少量成分的作用 黑液中保留部分残碱 使PH值在10以上 防止木素沉淀 少量被纤维吸附 根据原料的种类 纸浆硬度 强度等质量要求来定 18 2 亚硫酸盐法蒸煮酸性亚硫酸盐法 亚硫酸氢盐法 中性亚硫酸盐法 碱性亚硫酸盐法碱性亚硫酸盐法原理 R纤维素 CHO S2 2 3OH R纤维素 COO 2S2 2H2O停止剥皮反应 增加了纸浆的得率和强度亚硫酸盐使木素发生水解和磺化 蒸煮结束废液与纸浆需尽快分离 保证纸浆纯度 19 四 常用蒸煮助剂 多硫化钠 Na2Sn 蒽醌 亚硫酸钠 NaSO3 羟胺 NH2OH 硼氢化钠 NaBH4 1 多硫化钠 Na2Sn 将硫直接加进硫酸盐蒸煮液中4S 6NaOH 2Na2S Na2S2O3 3H2ONa2S nS Na2Sn 1或nS HS OH S2 n 1 H2O 20 由此可见 Na2Sn实际上是Na2S和Sn 1的复合物Na2S Sn 1 其中一个S2 有还原性 其它n 1个S0有氧化性 Na2Sn的氧化性则由单质硫形成 21 二 蒽醌 22 优点 用量少 无臭 污染性小 制浆效率快 能耗低 碱和漂白化学品用量低 纤维收率高 缺点 所得到的纸和纸板不能用于食品包装等方面 23 造纸化学品 分散剂 24 对于造纸过程来说 纤维特别是长纤维 填料和一些助剂等都是水不溶性的 它们有在水溶液中自行聚集的趋势 而且不同物料之间往往因不相容性而尽量远离 这样就难以得到性能均匀 强度理想的纸张 为了解决长纤维在抄造过程中的这一问题在在造纸过程中就要用到分散剂 为什么要用分散剂 25 分散剂的作用原理 对于造纸过程来说 纤维 填料和一些助剂等都是水不溶性的 它们有在水溶液中自行聚集的趋势 而且不同物料之间往往因不相容性而尽量远离 这样就难以得到性能均匀 强度理想的纸张 加入分散剂则可以使固体粒子表面形成双分子层结构 层分散剂极性端与水有较强亲合力 增加了固体粒子被水润湿的程度 固体颗粒之间因静电斥力而远离 达到良好分散效果 良好的纤维分散剂要求有一定的热解性 即随着温度的升高而逐渐分解 黏度也相应降低 这样就不会留在已干燥的纸页上 不会因使用纤维分散剂而影响纤维的原有性能 26 分散剂的种类 在造纸工业中使用的分散剂品种很多 按照用途来分为三类 纤维分散剂 树脂分散剂 涂布分散剂 27 1纤维分散剂 用作纤维分散剂的造纸化学品一般都具有一定的水溶性和亲水性 以及适宜的流变学特性 根据其作用机理一般分为三大类 水溶性高分子 表面活性剂 电解质类无机盐 非离子型分散剂 如脂肪醇聚氧乙烯醚甲基硅烷 油酸聚氧乙烯脂 阴离子型分散剂 如脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠 土耳其红油 纤维素硫酸钠 烷基二苯醚磺酸钠 烷基酚聚氧乙烯醚磷酸脂盐 包括焦磷酸钾 六偏磷酸钠等 它是目前在浆料分散方面用得较多的一类 其典型代表为聚氧化乙烯和聚丙烯酰胺 28 水溶性高分子 水溶性高分子 又称水溶性树脂或水溶性聚合物 是一种亲水性的高分子材料 在水中能溶解或溶胀而形成溶液或分散液 它是目前在浆料分散方面用得较多的一类 其典型代表为聚氧化乙烯和聚丙烯酰胺 其中应用合成类高分子作为分散剂时 分子量的选择是关键 如对聚丙烯酰胺来讲 在低分子量时是分散材料的有效增稠剂 而高分子量时则是重要的絮凝剂 因此 选择合适的分子量对浆料分散状态的好坏起决定性的影响 29 水溶性高分子种类 30 PAM的化学名称为聚丙烯酰胺 为白色粉末 溶于水 不溶于乙醇 丙酮等有机溶剂 水溶液pH值在1 10时 黏度变化很小 pH值在10以上时 黏度显著增加 作为分散剂使用的一般是它的钠盐 由于分子链中含有羧基 对带负电的纤维素纤维有分散效果 并且在相对分子量为300万左右时 能提高浆液黏度 有利于纤维悬浮 故是一种长纤维的高效分散剂 1 1聚丙烯酰胺 PAM PAM 分子式 31 PAM的分散作用机理 由于PAM分子链中含有羧基 具有降低表面张力的作用 有助于水对固体的湿润 这对于纤维 填料等在水中的分散特别有利 当PAM加入浆料时 可以使纤维 填料表面形成双分子结构 外层分散剂极端与水有较强亲和力 增加了纤维 填料等固体粒子被水润湿的程度 纤维 填料等固体颗粒之间因静电斥力而远离 达到良好的分散效果 PAM还可以作为助滤剂 聚丙烯酰胺作为助留助滤剂 合理使用可以获得以下效果 提高细小纤维和填料留着率 表现在成纸灰分含量提高 定量增加 降低网下白水浓度 加速白水中细小纤维的沉降速度 改善纸料的滤水性能 破坏了成纸的匀度 这是使用PAM的一个负面效果 32 1 2聚氧化乙烯 PEO 聚氧化乙烯 Polythyleneoxide 又称聚环氧乙烷 是环氧乙烷多相催化开环聚合而成的高分子聚合物 由环氧乙烷聚合而成不同聚合度的高分子量物质 具有明显的晶型结构 其聚合物的性能主要取决于平均分子量的大小 当相对分子量为200 600时成稠状液体 相对分子量在1000以上呈蜡状固体 100万以上时呈硫质或者硬质固体 色泽随分子量 催化剂 溶剂不同而变化 33 PEO作用机理 以其稀溶液在抄纸机网前箱加入 可吸附在浆料纤维表面形成一层滑而不黏的水合膜 使浆料纤维具有良好的悬浮性而不致过快沉降 从而使纤维分散和减少絮聚 改善网外观组织匀度 聚氧化乙烯的水溶液是一种胶体 添加后纤维沉降速度减慢 对提高纸页匀度起到一定作用 聚氧化乙烯加入后 浆料的打浆度急剧下降 而随加入量的加大又有回升的趋势 这是因为少量加入时降低了水的阻力 滤水加快 增加用量 由于其自身黏度很大 其加快滤水的程度超过了降低水阻力的作用 因此又表现为回升 加入聚氧化乙烯后打浆度降低 纤维长度有所提高 成纸柔软度提高 吸水增加 纸张起皱均匀 打浆时间降低一半 节约了电能 上网浓度提高 白水浓度降低 流失减少 并节约了清水 由于供浆充足 纤维组织均匀 孔眼少 纸机车速提高 生产能力提高 34 1 3树胶很多树胶对纤维素纤维有极佳的分散效果 这些树胶是纤维的保护胶体 其负电荷在纤维上均匀地分布 能阻止纤维的结合 当然 它们亦可能提高悬浮介质的黏度 使纤维的凝聚作用减少 1 4海藻酸钠海藻酸钠是水溶性高分子 对纤维有显著分散能力 且黏度稳定 分子链在高剪切力下不易发生降解 海藻酸钠分散纤维的能力特别高 但是价格较昂贵 所以应用较少 1 5其它纤维分散剂甲基纤维素 羧甲基纤维素 羟乙基纤维素等 都是典型的高分子表面活性剂 可作为纤维分散剂 35 2树脂分散剂 无机分散剂 表面活性剂 高分子分散剂 主要无机极性分散剂有滑石粉 高岭土 硅藻土等 滑石粉具有弱憎水性 所以可以将憎水性的树脂粒子吸附在表面上 减低树脂的黏度和黏着性 从而防止相互凝聚 石棉具有正的电位 而硅藻土的比表面积大 并且经特殊处理可改变表面电荷 它们都有一定的效果 加入阴离子表面活性剂 可提高树脂粒子的负电荷密度 增加其稳定性 同时由于分散剂的定向吸附 形成水化膜 使树脂由增水性变为亲水性状态 加入非离子表面活性剂可有效地分散树脂 减少相互凝聚或沉淀地趋势 这一类效果最好的树脂分散剂有 脂肪醇聚氧乙烯醚 烷基酚聚氧乙烯醚 丁基萘磺酸钠剂甲醛与萘磺酸的缩合物 用得最多的是聚氧化乙烯 其他的如甲基纤维素 羧甲基纤维素 羟乙基纤维素 聚丙烯酸钠等都可以作为树脂分散剂 36 3涂布分散剂 涂料中颜料以固体粒子形态与树脂 水或溶剂等其他组成混合存在 根据热力学的观点 这是一个不稳定的体系 为了获得稳定而均匀分布的涂料 需要使用分散剂 分散剂是纸张涂料中最重要的助剂 其中大多是表面活性剂 其作用为 赋予各个颜料粒子电荷 使其相互产生斥力 覆盖各个颜料粒子表面 起到保护性胶体的作用 在粒子周围形成高黏度状态 防止各个粒子凝集 37 涂布分散剂作用原理 涂布时涂料配方中一般要加入颜料分散剂 否则涂布层过厚且不均匀 分散剂总的作用是保证涂料中颜料不发