1-紙料的流體和造紙

1、第一章 紙料的流體和造紙濕部化學特性1第一節(jié) 紙料的組成與特性一、紙料的組成紙料懸浮液體系是由固、液、氣三相組成的復(fù)雜分散體系。固：主要是纖維、細小纖維，其次是膠料、填料、非纖維添加物液：主要成分是水，此外還有助留劑、助濾劑等氣：主要是空氣2二、組成紙料各組分性質(zhì)（一）水1.水是紙料懸浮液的介質(zhì)，也是紙料的重要組分所有的濕法抄造都借助水作為懸浮液介質(zhì)，水還會造成抄造環(huán)境，如抄造的酸堿性2.水具有較高的表面張力水具有比一般液體都高的表面張力，抄造過程中，濕紙幅形成強度、泡沫的形成與破滅，紙幅內(nèi)施膠等造紙現(xiàn)象都受到表面張力的影響3.水能施纖維產(chǎn)生潤漲直接導致纖維間結(jié)合力增加3一些液體的表面張力4紙

2、漿纖維由于帶有羥基，能在水這種極性溶液中發(fā)生潤漲，導致比體積增加，纖維胞壁結(jié)構(gòu)更為松弛，內(nèi)聚力下降，提高了柔軟性和可塑性，為打漿時的細纖維化創(chuàng)造了條件，并最終作為紙頁纖維間結(jié)合的“粘合劑”。（二）纖維與細小纖維一般認為通過75m（200目）的粒子構(gòu)成細小纖維不能通過的粒子是纖維部分。因為通過200目的篩子不僅僅是細小纖維，還包括礦物填料，因此統(tǒng)稱為細料固體粒子51.細料固體中的細小纖維與纖維的不同特性（1）細小纖維具有大的比表面積（2）細小纖維對造紙濕部添加劑有強烈的吸附能力2.細小纖維和纖維表面帶有負電荷由于與半纖維素、氧化纖維素、氧化木素相關(guān)的表面基團的電離作用，纖維和細小纖維總是帶負電荷

3、3.纖維和細小纖維的離子交換行為纖維的離子交換能力來源于自然的酸性半纖維素纖維對各種無機離子吸附能力由強到弱的順序為：N(CH3)3+Li+Na+K+Ag+Ca2+Mg2+Ba2+Al3+6（三）功能性添加劑功能性添加劑是企圖為變紙頁中的一個成分而改變紙頁的性能，如著色劑、施膠劑、濕強劑等（四）控制性添加劑用于改變濕部紙料的性能，如助留劑、消泡劑、防腐劑樹、脂控制劑等。三、紙料的特性（一）紙料分散體系具有絮集的性質(zhì)其絮聚的臨界濃度為約為0.05，在臨界濃度以上，纖維之間由于沒有足夠的轉(zhuǎn)動空間而容易產(chǎn)生7碰撞，從而使纖維間相互交織，產(chǎn)生絮聚。（二）紙料分散體系還具有膠體的特性打漿后產(chǎn)生的纖維表面

4、細纖維化，亦即纖維表面起毛和產(chǎn)生很多細小纖維及其它細料固體顆粒，從整體來看它具有膠體大小尺寸。配料中可能還有溶解的無機鹽及聚電解質(zhì)、表面活性劑、膠料、填料等。紙料分散體系的膠體顆粒表面還帶有電荷，一般為負電荷。其相斥性使膠體顆粒具有一定分散穩(wěn)定性。（三）紙料分散體的表面電動現(xiàn)象8分散在水里的紙料膠體顆粒，其顆粒持有離子性及表面層的分子結(jié)構(gòu)如果有極性的話，由于從懸浮液中選擇性地吸附離子，表面具有了一定的電位便產(chǎn)生了動電行為。第二節(jié) 紙料懸浮液的流體力學性質(zhì)一、紙料懸浮液的流動狀態(tài)和流動特性曲線（一）紙料懸浮液的流動狀態(tài)流動狀態(tài)可分為塞流、混流和湍流三種基本狀態(tài)。9（二）紙料懸浮液的流動特性曲線紙

5、漿懸浮液的三種狀態(tài)10紙漿懸浮液的流動特性曲線11二、影響紙料懸浮液流動狀態(tài)和流動 曲線的主要因素（一）懸浮液流動速度的影響當紙料濃度一定時（在臨界濃度上）流動速度提高，對管道內(nèi)紙料纖維施加的剪切力加強，纖維網(wǎng)絡(luò)塞體瓦解直至完全分散，進入湍流狀態(tài)。（二）紙料濃度的影響紙料濃度對流動過程中壓頭損失具有顯著的影響。（三）纖維的物理結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)的影響較長纖維和表面粗糙及較柔軟的纖維，能夠增加纖12硫酸鹽木漿的流動特性曲線管道：76.2mm直徑的銅管、直管打漿度：15.5。SR 漿溫19漿料：未漂硫酸鹽木漿13的機械纏結(jié)，進而增加纖維網(wǎng)絡(luò)和絮聚的強度。非木材纖維紙漿由于在纖維形態(tài)、雜細胞含量、化學組

6、成等方面與木材纖維紙漿有較大區(qū)別，因而兩者的流動性有較大的差別。三、紙料懸浮液的流動特性（一）紙料懸浮液流動過程中的湍動1.湍動的概念當流體的雷諾數(shù)超過一定數(shù)值時，流體就處于湍動狀態(tài)，這時管道內(nèi)的每一個流體質(zhì)點作不規(guī)則的、在速度大小和方向都發(fā)生變化的脈動，流體這種不14規(guī)則的脈動在工程常稱為湍動。2.湍動的表示方法湍動尺度和湍動強度湍動尺度是指在湍動力場中，發(fā)生速度波動的平均距離大小的量，即指湍動規(guī)模大小。湍動強度指在湍動場中，發(fā)生速度變化大小的量即湍動時產(chǎn)生剪切力的大小和湍動時產(chǎn)生的強度。3.湍動的類型（1）低強度湍動 不能分散網(wǎng)絡(luò)（2）高強大湍動 剪切力不能作用于單根纖維 上，不能分散纖維

7、網(wǎng)絡(luò)15（3）高強微湍動 強度很高而且尺度很小的湍動，強大的剪切力可以作用于每根纖維，從而破壞纖維絮聚物內(nèi)在的強度，達到分散目的，所希望的湍動。4.湍動的特點生存期短，具有兩重性，即分散纖維又給纖維創(chuàng)造碰撞交纏的機會。（二）紙料懸浮液的纖維絮聚1.纖維絮聚原因纖維與纖維之間相互發(fā)生碰撞產(chǎn)生機械交纏而連接起來的結(jié)果。16纖維絮凝主要由兩個原因造成：一是纖維幾何尺寸以及纖維本身的模量等相關(guān)物理性能導致的纖維之間的相互纏繞。第二個原因是纖維之間電荷吸引力以及其它吸引力使纖維聚集起來。將長纖維打漿切短、添加短纖維、降低抄造濃度、改善漿料揣動效果等措施均可改善紙張勻度。合成聚合物電解質(zhì)、淀粉、樹膠和其它

8、化學助劑對勻度可起有利或不利的影響。 172.湍動和纖維絮聚的關(guān)系湍動的強度低，不足以將絮聚物分散，湍動的尺度很大時，絮聚物可完整的存在于大渦懸中，也不能分散絮聚物。高強度微湍動能分散絮聚物，但過強的湍動給消能造成困難。第三節(jié) 造紙的紙料的濕部化學特性一、造紙濕部紙料配料組分的膠體化學特性（一）造紙濕部紙料配料組分的膠體化學特性可分為親水體系和疏水體系18疏液膠體的特性：微粒呈懸浮狀，非溶液狀態(tài)溶劑和微粒之間有微小作用力或親和力在形成集聚方面具有熱不穩(wěn)定性微粒與周圍介質(zhì)之間的界面影響系統(tǒng)性能。親液膠體的特性：小分子聚集體或高分子的真正溶液溶劑和微粒之間有強烈的吸引力微粒和周圍介質(zhì)之間沒有真正的

9、界面親水體系是大分子溶液，屬于一種穩(wěn)定體系，而疏水體系是一個高度分散的多相體系，有很大的比表面積和很高的比表面自由能。19造紙過程中疏水膠體體系：全部都分散在水中的填料分散在水中的細小纖維松香膠造紙過程中親水膠體體系：溶解在水中的淀粉溶解在水中的樹膠溶解在水中的半纖維素溶解在水中的表面活性劑、分散劑、增濕劑溶解在水中的助留劑、助濾劑、勻度助劑20（二）造紙濕部分子間力主要有分子間的電性排斥力和吸引力及分子間結(jié)合力1.分子間電性結(jié)合力和吸引力紙料中的纖維素和半纖維素的羧基（糖醛酸），木素中含有的酸基以及來自制漿過程中的磺酸基，這些組分在水中產(chǎn)生電離，將某種離子送到水中，而配料組分粒子本身則帶有與

10、之相反的電荷。212.分子間的結(jié)合力1.親水系統(tǒng)該系統(tǒng)一般指高分子部分，即分散相與水具有強親和力的系統(tǒng)。如配料中溶于水的淀粉、半纖維素及溶于水的表面活性劑、分散劑、濕潤劑和溶于水的助留劑、助濾劑、成形助劑等。222.疏水系統(tǒng)該系統(tǒng)是指分散相與水沒有親和力或只有很弱的親和力的系統(tǒng)。其性質(zhì)較為穩(wěn)定，必須含有穩(wěn)定劑才能較好生存，如分散在水中的填料、顏料、細小纖維及分散的松香膠液和水中的松香顆粒。疏水系統(tǒng)膠粒表面布滿著同符號的電荷，其主要來源有兩方面：一方面是吸附；一方面是表面上的分子產(chǎn)生電離。23（四）雙電層懸浮膠粒表面帶有相同符號的電荷，界面電荷的存在會影響到造紙纖維懸浮液中離子的分布，離子表面帶

11、有同符號的離子，而反離子分布在它的周圍。雙電層包括吸附層和擴散層。與微粒表面電荷相對的離子，成為平衡離子，它被靠近表面的靜電作用力和范德華力緊緊地吸附住。在該區(qū)域內(nèi)電位可迅速減弱。這一吸附層又被稱為stern層，它對離子的吸附能力非常強，可以阻止由于熱運動使離子脫離固體表面。在stern層和其余溶液之間存在一個流體滑移面，離子呈擴散分布，離子在該區(qū)域受分子熱運動的影。24實際所測得的Zeta電位是指流體滑移面的電位，而不是真正的表面電荷。 整個體系被稱為雙電層。雙電層25（五）凝聚、絮聚和穩(wěn)定性膠體分子的聚集可以分為兩種：一種是凝聚，另一種是絮聚。凝聚作用是指造紙濕部配料中許多細料固體顆粒形成

12、叢狀、串狀的聚集體，在這種聚集中細料固體顆粒仍保持其個體身份，但在動力性質(zhì)上失去了獨立性，整個凝聚體作為一個運動單元。絮凝作用是指兩個或多個細料固體顆粒聚集后，融合成一個新的大細料顆粒，比表面積減少，體系的比表面自由能有明顯降低。26二、絮聚和凝聚的相互作用凝聚表示細小聚集體的歷程，可借助強烈的攪拌增加細料固體粒子碰撞次數(shù)和碰撞力而增加動能，使相近的固體細料粒子足以克服雙電層排斥力，粒子得以結(jié)合。絮凝作用是長鏈分子的聚合物電解質(zhì)（陰離子、陽離子、非離子和兩性離子）、吸附到纖維或細料固體粒子表面上，通過橋聯(lián)和嵌鑲兩種機理而發(fā)生聚集。三、電解質(zhì)的聚集與吸附27 無機鹽 明礬等電解質(zhì) 非離子 聚合類

13、 陽離子 將銨基引入聚合物鏈 陰離子 將羧基引入聚合物鏈 兩性離子四、與表面羧基的反應(yīng)纖維表面上的羧基反映了其電離能力，平衡式如下：28由于纖維表面羧基等基團的存在，使纖維表面帶有負電荷。羧基可與松香酸鋁構(gòu)成配位鍵，干燥過程中能產(chǎn)生氫聯(lián)反應(yīng)，形成沒有活性的大分子。加入聚電解質(zhì)可以降低纖維表面的羧基電荷，產(chǎn)生電荷中和作用。五、溶解物與抄紙懸浮液組成的離子反應(yīng)（一）造紙濕部紙料懸浮液中加入電解質(zhì)的反應(yīng)（1）Al(H2O)63+和RCOO-生成松香酸鋁，松香酸鋁與纖維表面羧基起絡(luò)合反應(yīng)構(gòu)成配位鍵。29（2）染色中加入礬土液作為媒染劑，使帶負電荷的酸性染料改變電性，更好地吸附纖維等固體上。（3）瓷土粒

14、子表面吸附Ca2+Mg2+等陽離子改變自身電性，更容易吸附到纖維表面上。（4）排除紙料懸浮液中的干擾物質(zhì)。配料中加入像礬土、聚合氯化鋁、低分子量高電荷密度陽離子聚合物等中和劑來處理。（二）加入增強劑的反應(yīng)增強劑主要有聚丙烯酰胺、聚胺、聚酰胺型陽離子聚合物及陽離子淀粉。聚丙烯酰胺：酰胺基中的氫與纖維中羥基結(jié)合，加強了氫鍵的結(jié)合強度，使紙干強度增加。30三聚氰胺甲醛樹脂：經(jīng)鹽酸處理后，鹽酸中的H離子與樹脂結(jié)合，使樹脂粒子帶上正電荷，被帶負電的纖維吸附，減少了膨脹，增加了濕強度。（三）加入助留劑的反應(yīng)1.中和反應(yīng) 被強力吸附的平衡離子與聚合離子的擴散區(qū)使懸 浮水溶液中的微粒表面產(chǎn)生雙電層。該電層在一

15、定條件下有一定厚度。當電解質(zhì)加入到懸浮液中，由于平衡離子數(shù)量和利用率的增加，雙電層厚度減小。從而降低了微粒表面Zeta電位，降低了排斥力組分和凈作用電位。31微粒更易于彼此接近，并更有可能絮聚。這種由于加入過量平衡離子而使靜電位移向零點荷狀態(tài)的絮凝作用，稱之為電荷中和作用。 存在一個臨界鹽濃度，在該濃度下雙電層充分壓縮而使絮凝得以繼續(xù)進行，通常稱為臨界絮凝濃度。化合價越高，離子降低表面電荷的效率越高， 例如在離子化合價為+1，+2和+3時，所需臨界絮凝濃度分別為4000：100：15。32電荷中和反應(yīng)332.嵌鑲反應(yīng)當高電荷密度（4毫克當量電荷/g）、低相對分子嵌鑲結(jié)合34量（100000）的

16、陽離子聚合電解質(zhì)與陰離子膠體微?；旌蠒r，聚合物分子完全被吸附在微粒表面上，并形成局部帶正電荷的補丁。此補丁有效地使該處微粒表面的陰離子變?yōu)殛栯x子，微粒表面的其余部分仍為陰離子。3.橋聯(lián)結(jié)合高分子量聚合物具有較長的分子鏈段，聚合物是通過其一系列伸展到液相中的環(huán)狀和尾狀物而被吸附到微粒表面上的。這些環(huán)狀和尾狀物完全伸展出了雙電層。35橋聯(lián)結(jié)合36通過伸出來的環(huán)狀和尾狀物， 吸附到第二微粒的負極表面上，就發(fā)生了絮凝作用。4.助濾劑加入的作用當將聚合物電解質(zhì)或陽離子加入到纖維懸浮液中時，使產(chǎn)生纖維表面上微纖絲裂潰的表面電荷減少，從而減少了流體動力學比表面積。其結(jié)果是使流體從成型網(wǎng)絡(luò)層流出的阻力減少。助劑使纖維內(nèi)部以及外部的空隙區(qū)減少，減少了與纖維結(jié)合的水量。聚合物電解質(zhì)使細小物質(zhì)和纖維絮聚，使造紙配料的有效比表面積減少，使流體阻力減小。37六、泡沫泡沫對濕法抄紙具有很大的影響：造成流漿箱漿料濃度波動，使紙料流動狀態(tài)不穩(wěn)定