制浆造纸原理与工程+造纸第一章+纸料的流体和造纸湿部化学特性+华南理工大学+.ppt

第一章纸料的流体和造纸湿部化学特性 第一节纸料的组成与特性 一 纸料的组成纸料悬浮液体系是由固 液 气三相组成的复杂分散体系 固 主要是纤维 细小纤维 其次是胶料 填料 非纤维添加物液 主要成分是水 此外还有助留剂 助滤剂等气 主要是空气 二 组成纸料各组分性质 一 水1 水是纸料悬浮液的介质 也是纸料的重要组分所有的湿法抄造都借助水作为悬浮液介质 水还会造成抄造环境 如抄造的酸碱性2 水具有较高的表面张力水具有比一般液体都高的表面张力 抄造过程中 湿纸幅形成强度 泡沫的形成与破灭 纸幅内施胶等造纸现象都受到表面张力的影响3 水能施纤维产生润涨直接导致纤维间结合力增加 一些液体的表面张力 纸浆纤维由于带有羟基 能在水这种极性溶液中发生润涨 导致比体积增加 纤维胞壁结构更为松弛 内聚力下降 提高了柔软性和可塑性 为打浆时的细纤维化创造了条件 并最终作为纸页纤维间结合的 粘合剂 二 纤维与细小纤维一般认为通过75 m 200目 的粒子构成细小纤维不能通过的粒子是纤维部分 因为通过200目的筛子不仅仅是细小纤维 还包括矿物填料 因此统称为细料固体粒子 1 细料固体中的细小纤维与纤维的不同特性 1 细小纤维具有大的比表面积 2 细小纤维对造纸湿部添加剂有强烈的吸附能力2 细小纤维和纤维表面带有负电荷由于与半纤维素 氧化纤维素 氧化木素相关的表面基团的电离作用 纤维和细小纤维总是带负电荷3 纤维和细小纤维的离子交换行为纤维的离子交换能力来源于自然的酸性半纤维素纤维对各种无机离子吸附能力由强到弱的顺序为 N CH3 3 Li Na K Ag Ca2 Mg2 Ba2 Al3 三 功能性添加剂功能性添加剂是企图为变纸页中的一个成分而改变纸页的性能 如着色剂 施胶剂 湿强剂等 四 控制性添加剂用于改变湿部纸料的性能 如助留剂 消泡剂 防腐剂树 脂控制剂等 三 纸料的特性 一 纸料分散体系具有絮集的性质其絮聚的临界浓度为约为0 05 在临界浓度以上 纤维之间由于没有足够的转动空间而容易产生 碰撞 从而使纤维间相互交织 产生絮聚 二 纸料分散体系还具有胶体的特性打浆后产生的纤维表面细纤维化 亦即纤维表面起毛和产生很多细小纤维及其它细料固体颗粒 从整体来看它具有胶体大小尺寸 配料中可能还有溶解的无机盐及聚电解质 表面活性剂 胶料 填料等 纸料分散体系的胶体颗粒表面还带有电荷 一般为负电荷 其相斥性使胶体颗粒具有一定分散稳定性 三 纸料分散体的表面电动现象 分散在水里的纸料胶体颗粒 其颗粒持有离子性及表面层的分子结构如果有极性的话 由于从悬浮液中选择性地吸附离子 表面具有了一定的电位便产生了动电行为 第二节纸料悬浮液的流体力学性质一 纸料悬浮液的流动状态和流动特性曲线 一 纸料悬浮液的流动状态流动状态可分为塞流 混流和湍流三种基本状态 二 纸料悬浮液的流动特性曲线 纸浆悬浮液的三种状态 纸浆悬浮液的流动特性曲线 二 影响纸料悬浮液流动状态和流动曲线的主要因素 一 悬浮液流动速度的影响当纸料浓度一定时 在临界浓度上 流动速度提高 对管道内纸料纤维施加的剪切力加强 纤维网络塞体瓦解直至完全分散 进入湍流状态 二 纸料浓度的影响纸料浓度对流动过程中压头损失具有显著的影响 三 纤维的物理结构和化学性质的影响较长纤维和表面粗糙及较柔软的纤维 能够增加纤 硫酸盐木浆的流动特性曲线 管道 76 2mm直径的铜管 直管打浆度 15 5 SR浆温19 浆料 未漂硫酸盐木浆 的机械缠结 进而增加纤维网络和絮聚的强度 非木材纤维纸浆由于在纤维形态 杂细胞含量 化学组成等方面与木材纤维纸浆有较大区别 因而两者的流动性有较大的差别 三 纸料悬浮液的流动特性 一 纸料悬浮液流动过程中的湍动1 湍动的概念当流体的雷诺数超过一定数值时 流体就处于湍动状态 这时管道内的每一个流体质点作不规则的 在速度大小和方向都发生变化的脉动 流体这种不 规则的脉动在工程常称为湍动 2 湍动的表示方法湍动尺度和湍动强度湍动尺度是指在湍动力场中 发生速度波动的平均距离大小的量 即指湍动规模大小 湍动强度指在湍动场中 发生速度变化大小的量即湍动时产生剪切力的大小和湍动时产生的强度 3 湍动的类型 1 低强度湍动不能分散网络 2 高强大湍动剪切力不能作用于单根纤维上 不能分散纤维网络 3 高强微湍动强度很高而且尺度很小的湍动 强大的剪切力可以作用于每根纤维 从而破坏纤维絮聚物内在的强度 达到分散目的 所希望的湍动 4 湍动的特点生存期短 具有两重性 即分散纤维又给纤维创造碰撞交缠的机会 二 纸料悬浮液的纤维絮聚1 纤维絮聚原因纤维与纤维之间相互发生碰撞产生机械交缠而连接起来的结果 纤维絮凝主要由两个原因造成 一是纤维几何尺寸以及纤维本身的模量等相关物理性能导致的纤维之间的相互缠绕 第二个原因是纤维之间电荷吸引力以及其它吸引力使纤维聚集起来 将长纤维打浆切短 添加短纤维 降低抄造浓度 改善浆料揣动效果等措施均可改善纸张匀度 合成聚合物电解质 淀粉 树胶和其它化学助剂对匀度可起有利或不利的影响 2 湍动和纤维絮聚的关系湍动的强度低 不足以将絮聚物分散 湍动的尺度很大时 絮聚物可完整的存在于大涡悬中 也不能分散絮聚物 高强度微湍动能分散絮聚物 但过强的湍动给消能造成困难 第三节造纸的纸料的湿部化学特性一 造纸湿部纸料配料组分的胶体化学特性 一 造纸湿部纸料配料组分的胶体化学特性可分为亲水体系和疏水体系 疏液胶体的特性 微粒呈悬浮状 非溶液状态溶剂和微粒之间有微小作用力或亲和力在形成集聚方面具有热不稳定性微粒与周围介质之间的界面影响系统性能 亲液胶体的特性 小分子聚集体或高分子的真正溶液溶剂和微粒之间有强烈的吸引力微粒和周围介质之间没有真正的界面亲水体系是大分子溶液 属于一种稳定体系 而疏水体系是一个高度分散的多相体系 有很大的比表面积和很高的比表面自由能 造纸过程中疏水胶体体系 全部都分散在水中的填料分散在水中的细小纤维松香胶造纸过程中亲水胶体体系 溶解在水中的淀粉溶解在水中的树胶溶解在水中的半纤维素溶解在水中的表面活性剂 分散剂 增湿剂溶解在水中的助留剂 助滤剂 匀度助剂 二 造纸湿部分子间力主要有分子间的电性排斥力和吸引力及分子间结合力1 分子间电性结合力和吸引力纸料中的纤维素和半纤维素的羧基 糖醛酸 木素中含有的酸基以及来自制浆过程中的磺酸基 这些组分在水中产生电离 将某种离子送到水中 而配料组分粒子本身则带有与之相反的电荷 2 分子间的结合力1 亲水系统该系统一般指高分子部分 即分散相与水具有强亲和力的系统 如配料中溶于水的淀粉 半纤维素及溶于水的表面活性剂 分散剂 湿润剂和溶于水的助留剂 助滤剂 成形助剂等 2 疏水系统该系统是指分散相与水没有亲和力或只有很弱的亲和力的系统 其性质较为稳定 必须含有稳定剂才能较好生存 如分散在水中的填料 颜料 细小纤维及分散的松香胶液和水中的松香颗粒 疏水系统胶粒表面布满着同符号的电荷 其主要来源有两方面 一方面是吸附 一方面是表面上的分子产生电离 四 双电层悬浮胶粒表面带有相同符号的电荷 界面电荷的存在会影响到造纸纤维悬浮液中离子的分布 离子表面带有同符号的离子 而反离子分布在它的周围 双电层包括吸附层和扩散层 与微粒表面电荷相对的离子 成为平衡离子 它被靠近表面的静电作用力和范德华力紧紧地吸附住 在该区域内电位可迅速减弱 这一吸附层又被称为stern层 它对离子的吸附能力非常强 可以阻止由于热运动使离子脱离固体表面 在stern层和其余溶液之间存在一个流体滑移面 离子呈扩散分布 离子在该区域受分子热运动的影 实际所测得的Zeta电位是指流体滑移面的电位 而不是真正的表面电荷 整个体系被称为双电层 双电层 五 凝聚 絮聚和稳定性胶体分子的聚集可以分为两种 一种是凝聚 另一种是絮聚 凝聚作用是指造纸湿部配料中许多细料固体颗粒形成丛状 串状的聚集体 在这种聚集中细料固体颗粒仍保持其个体身份 但在动力性质上失去了独立性 整个凝聚体作为一个运动单元 絮凝作用是指两个或多个细料固体颗粒聚集后 融合成一个新的大细料颗粒 比表面积减少 体系的比表面自由能有明显降低 二 絮聚和凝聚的相互作用凝聚表示细小聚集体的历程 可借助强烈的搅拌增加细料固体粒子碰撞次数和碰撞力而增加动能 使相近的固体细料粒子足以克服双电层排斥力 粒子得以结合 絮凝作用是长链分子的聚合物电解质 阴离子 阳离子 非离子和两性离子 吸附到纤维或细料固体粒子表面上 通过桥联和嵌镶两种机理而发生聚集 三 电解质的聚集与吸附 无机盐明矾等电解质非离子聚合类阳离子将铵基引入聚合物链阴离子将羧基引入聚合物链两性离子四 与表面羧基的反应纤维表面上的羧基反映了其电离能力 平衡式如下 由于纤维表面羧基等基团的存在 使纤维表面带有负电荷 羧基可与松香酸铝构成配位键 干燥过程中能产生氢联反应 形成没有活性的大分子 加入聚电解质可以降低纤维表面的羧基电荷 产生电荷中和作用 五 溶解物与抄纸悬浮液组成的离子反应 一 造纸湿部纸料悬浮液中加入电解质的反应 1 Al H2O 6 3 和 RCOO 生成松香酸铝 松香酸铝与纤维表面羧基起络合反应构成配位键 2 染色中加入矾土液作为媒染剂 使带负电荷的酸性染料改变电性 更好地吸附纤维等固体上 3 瓷土粒子表面吸附Ca2 Mg2 等阳离子改变自身电性 更容易吸附到纤维表面上 4 排除纸料悬浮液中的干扰物质 配料中加入像矾土 聚合氯化铝 低分子量高电荷密度阳离子聚合物等中和剂来处理 二 加入增强剂的反应增强剂主要有聚丙烯酰胺 聚胺 聚酰胺型阳离子聚合物及阳离子淀粉 聚丙烯酰胺 酰胺基中的氢与纤维中羟基结合 加强了氢键的结合强度 使纸干强度增加 三聚氰胺甲醛树脂 经盐酸处理后 盐酸中的H离子与树脂结合 使树脂粒子带上正电荷 被带负电的纤维吸附 减少了膨胀 增加了湿强度 三 加入助留剂的反应1 中和反应被强力吸附的平衡离子与聚合离子的扩散区使悬浮水溶液中的微粒表面产生双电层 该电层在一定条件下有一定厚度 当电解质加入到悬浮液中 由于平衡离子数量和利用率的增加 双电层厚度减小 从而降低了微粒表面Zeta电位 降低了排斥力组分和净作用电位 微粒更易于彼此接近 并更有可能絮聚 这种由于加入过量平衡离子而使静电位移向零点荷状态的絮凝作用 称之为电荷中和作用 存在一个临界盐浓度 在该浓度下双电层充分压缩而使絮凝得以继续进行 通常称为临界絮凝浓度 化合价越高 离子降低表面电荷的效率越高 例如在离子化合价为 1 2和 3时 所需临界絮凝浓度分别为4000 100 15 电荷中和反应 2 嵌镶反应当高电荷密度 4毫克当量电荷 g 低相对分子 嵌镶结合 量 100000 的阳离子聚合电解质与阴离子胶体微粒混合时 聚合物分子完全被吸附在微粒表面上 并形成局部带正电荷的补丁 此补丁有效地使该处微粒表面的阴离子变为阳离子 微粒表面的其余部分仍为阴离子 3 桥联结合高分子量聚合物具有较长的分子链段 聚合物是通过其一系列伸展到液相中的环状和尾状物而被吸附到微粒表面上的 这些环状和尾状物完全伸展出了双电层 桥联结合 通过伸出来的环状和尾状物 吸附到第二微粒的负极表面上 就发生了絮凝作用 4 助滤剂加入的作用当将聚合物电解质或阳离子加入到纤维悬浮液中时 使产生纤维表面上微纤丝裂溃的表面电荷减少 从而减少了流体动力学比表面积 其结果是使流体从成型网络层流出的阻力减少 助剂使纤维内部以及外部的空隙区减少 减少了与纤维结合的水量 聚合物电解质使细小物质和纤维絮聚 使造纸配料的有效比表面积减少 使流体阻力减小 六 泡沫泡沫对湿法抄纸具有很大的影响 造成流浆箱浆料浓度波动 使纸料流动状态不稳