造纸湿部化学基本理论及助留助滤研究的基本方法

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造纸湿部化学基本理论及助留助滤研究的基本方法

王海毅#,

（陕西咸阳#-西北轻工业学院轻化工系，

谢来苏!

’#!".#；!-天津轻工业学院化工系造纸研究室,天津$""!!!/

摘要：较详细地论述了造纸湿部化学的基本理论及研究内容，介绍了目前国内外实验室研究评价湿部助留助滤常用的一些仪器及研究方法。关键词：造纸；湿部；化学助留助滤；研究

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#引言

随着现代化造纸工业在高速纸机、双网成形、

$湿部化学的重要性、基本理论及研究内容

提到湿部化学，一般人们往往孤立地将它看作

封闭白水系统、废纸利用和中性造纸等新技术领域方面取得的成功，造纸湿部化学也以日新月异的速度得到了迅速发展。

近年来，国内外的造纸实践经验证明，各种化学助剂在造纸生产过程中的应用能起到事半功倍的作用，因此越来越得到各造纸生产厂家的青睐。

是抄纸过程中细小固形物的留着问题，但是随着人们对湿部化学研究的不断深入，就会发现仅把湿部化学的研究范围限定在助留的界限内就太狭窄了。常见的湿部化学现象有：

!细小固形物的留着；"纸机的脱水；#纤维的絮聚（纸页匀度）；$施胶剂的留着和施胶过程；%湿强剂的留着；&干强剂的留着；’染料的留着；(结垢形成及结垢控制；预防及消除。)泡沫的产生、这些化学现象会受到制浆厂、漂白车间、损纸回收系统以及纸浆造纸厂其它部门若干因素的影响。原水的质量也可以影响抄纸化学作用。虽然纸机湿部往往是发生抄纸化学问题的主要场所，但问题的解决却通常在纸厂的其它地方。因此，湿部化学也被

!湿部化学的定义

造纸湿部化学是论述造纸浆料中各组分如纤

维、水、料、化学助剂等在造纸机网部滤水、留着、成形以及白水循环过程中产生的相互间反应与作用的规律，以及影响造纸机产品质量的一门学科。

收稿日期：!""#)"0)#1

造纸化学品!""#（!）#$称作“抄纸化学”。

近年来，越来越多的厂家使用碱法抄纸，而碱法抄纸在高填料含量方面的需求使抄纸化学显得更为重要。许多厂家已发现，要达到较高的填料含量而不彻底地研究抄纸化学是不可能的。

造纸湿部化学的研究内容主要包括造纸湿部化学理论、造纸湿部化学品及作用机理、湿部化学测量、控制及应用三部分。

$%#造纸湿部化学的基本理论

纸浆悬浮液是一种复杂的多分散体系，除了纸图

#造纸原料相对尺寸大小

浆纤维和细小纤维外，还视纸种的不同而含有填料和各种化学添加剂。电位、电泳和沉降电位7种。

湿部化学的重要任务之一就是研究纸浆悬浮电渗&9.96+;<*’<*=*(是液体在外加电压的影响液中纤维、微细纤维、填料和各种化学助剂之间相下，透过多孔性固体的现象，电渗是固体不动，液体互作用的规律，它的核心基础是胶体化学和表面化动&见图!）。学。

组成纸料的组分除了纤维以外，其余的组分颗粒均在胶体粒子范围之内&直径小于#"!’(，具有胶体性质，因此界面动电现象就成了湿部化学的核心问题&见图#(。

在胶体的凝聚和分散过程中起主导作用的是作用在胶体粒子和介质之间的界面力，也可以说是由于这种界面力的增强而造成的粒子带电特性。

)*+,-./&#0"1年(对胶体的定义为：胶体是由分图

!电渗散相&也称非连续相(和分散介质&也称连续相(所组流动电势&*+;9-’=:>?<+9:+=-.(是施加机械力使成的二元系统，其分散度相当于#"234#"256’之间。液体流过多孔性固体，则在多孔性固体的两端会产

但是胶体粒子并没有明确上界限，不同的研究生一个阻碍液体流动的电位差。流动电位是电渗者，有时将胶体的范围扩大到#"276’，而且在乳浊的逆转，电渗是外加电压引起液体流动，流动电位液和悬浮液中，有些分散度大于#"276’的粒子，也是外加压力引起液体流动而产生电位&见图$(。具有胶体的性质。

如果从)*+,-./的定义出发，纤维素纤维和填料等主要造纸原料都将被视为过于粗大的粒子，但如果由界面的观点来看，一般也可以当作胶体物质来看待。

89::9++等对胶体系统不规定分散度的界限定义如下：所谓胶体分散液，就是其分散相比单个分子大，但具有充分的细度。决定系统性质的因素不图$流动电势仅有惯性力，而且界面力也起着重要的作用。

动电现象是个总题目，它包括7种现象，而这7电泳&9.96+;<?@<;9*=*(是当胶体溶液中放置电极种现象又都与双电层的可动部分和带电表面沿滑通电后，胶体粒子在电场中移动的现象，电泳是固动面的分离有关。界面动电现象可分为电渗、流动体动，液体不动&见图7(。

#$造纸化学品!""#（!）

如上所述，湿部化学的核心基础是胶体化学和表面化学，因此有关造纸湿部化学的基本理论研究也主要是根据胶体化学和表面化学的基本理论，应用研究胶体化学和表面化学的一些基本研究手段进行的，如抄纸过程中细小纤维、填料的聚集；溶解的聚合物分子等在纤维、细小纤维及填料上的吸附；纤维、细小组分对水的吸附；浆料或纸浆悬浮液中微粒子

!电位的测定等这些造纸湿部化学经常

研究的课题都是胶体化学和表面化学的研究范畴。

45!造纸湿部化学品的助留助滤及其作用机理

图$

微电泳

这部分研究内容主要包括造纸用精细化学品的合成，结构的鉴定以及与造纸配料中各组分的作用机理和影响因素。

目前，许多学说都认为6#738，细小纤维和填料等在纸页中的留着主要通过两种方式作用，即机械截留和胶体絮凝作用来实现的，而随着对留着机理不断深入的研究，认为后一种作用更为重要。

细小纤维在纸页中的留着是通过两种机理来实现的，即机械截留和胶体絮凝。

沉降电势%&’()*’+,-,).+/.,’+,)-01是指固体粒子在液体中迅速沉降时，容器上部与下部液体之间所产生的电位。沉降电位是电泳的逆转，电泳是外加电压引起粒子运动，沉降电位是粒子运动而产生电位%见图21。

45!5#细小纤维的机械截留或过滤作用

机械截留是通过纤维沉淀在运动的织物上形成纸幅的缝隙来抓住细小纤维。在开始时，由于成形网的开口比细小纤维微粒要大，只有纸料中的长纤维部分被成形网截留。

图

2

沉降电势

在大量的细小纤维机械截留之前，纤维要形成一定厚度的浆垫，当纤维形成浆垫后，更多的细小纤维就会在更密的浆垫上被截留。这一过程就会导致纸幅在网子的一面粗糙，而在毛毯一面形成平滑、致密的结构。一般可通过控制定量来改变留着，良好的成形可通过均匀的浆垫来过滤细小纤维，促进细小纤维有更好的留着。同样9如果通过胶体机理形成的絮团越大，细小纤维的留着率就越大。

由于纸机中的情况复杂，脱水要通过成形部脱水元件脉动滤水行为而发生脱水，在每一个压力脉冲之后，浆垫将增厚并从纸料悬浮液中吸附水和细小组分。当下一个真空脉冲到达时，浆垫就很快被压缩并使细小组分沿水流方向运动，结果降低了纸

上述$种电动现象的关系可用图3表示。如果知道由这些动电现象所测得的物理量与!电位的关系，就可以知道滑移面上的电位，即粒子的表观电位。

对造纸来说，上述$种动电现象中流动电位和电泳是常用的。前者主要用于纤维素纤维体物等的!

电位测定。

动电现象

加电压引起双电层错动电泳

电渗

机械力引起双电层错动

流动电位

互为逆转

沉降电位

!电位

测定，后者主要用于微细纤维、填料以及排水中固

幅中细小组分的留着。压力脉冲越大和浓度越低，最终的细小组分留着率越低。

机械截留或过滤仅对纸料的纤维部分有效，为了增加纸幅中细小组分的留着和分布均匀，必须将

图3$种动电现象的相互关系

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#?细小粒子直接粘附在纤维表面，以使细小组分跟着

纤维一起留住或形成足够大的细小絮聚体，被形成的纸页有效地过滤出来。这可通过胶体絮聚来实现。

$%!%!细小组分的胶体絮聚

在造纸过程中，胶体絮聚是细小组分留着的主要机理，包括由纯细小组分形成的絮凝物以及含有纤维的细小组分絮凝物。在后者中，细小纤维吸附在表面上，这些细小组分随着纤维在纸机成形部被固定并结合在成形浆垫中。

纯纤维絮凝是不希望出现的，在造纸过程中应尽量避免。造纸应促进细小纤维和纤维间的絮凝。

为了使细小纤维在纸幅中分布均匀，只要在纸页成形之前，大多数细小组分粘附在纤维上，就可实现这一点，如果仅由细小组分形成的絮凝物通过机械截留而留着，只有当纸页形成之后才可进行，这样&先形成的纸幅中细小组分对纸页的两面性影响不大。希望细小组分均匀分布的另一原因是由于化学添加剂倾向于吸附在细小组分上，为了使化学添加剂有良好的分布，细小组分必须很均匀地分布在纸幅中。

胶体絮聚作用包括絮凝作用’()*++,)-./*01和凝聚作用’+*-2,)-./*01。

凝聚作用’+*-2,)-./*01指用无机盐或分子量小、电荷密度较高的聚合物使胶体悬浮液失去稳定性而发生絮聚作用，所产生的絮聚物使细小而紧密聚集的沉淀物，它主要通过电荷中和、异相凝聚和补丁作用几种形式而实现的：

’-1高分子量电解质的正电荷部分被吸附在负电粒子表面。聚合物的环和链伸展到周围的介质中；’:1被吸附的聚电解质再吸附另一粒子，在两个粒子之间形成一个“桥”，“硬絮聚”即为这种机理。

图8“补丁”絮聚示意图

絮凝作用’(9*++,)-./*01指用一长链聚合物将胶体聚合在一起，使胶体悬浮液失去稳定性而发生絮凝作用，所产生的絮凝物为粗大、疏松、多孔的团块。絮凝作用主要通过桥联絮凝和网络絮凝作用两种形式来实现的：

!桥联絮凝作用’:4/;2/02(9*++,)-./*01。是一些高分子量、低电荷密度的聚合物与胶体颗粒之间的作用。高分子量的聚电解质首先吸附于胶体颗粒表面，未被吸附的部分形成一些链节和链环伸向悬浮液介质，随后这些链节和链环吸附在另外的颗粒上，从而形成絮聚物’见图<1。

!电荷中和作用’+3-42505,.4-)/6-./*01。原理是加入的电解质或低分子量聚电解质压迫带相反电荷粒子的双电层，使其斥力减弱，依靠范德华力使胶体颗粒发生凝聚作用。

图<桥联絮聚示意图

"网络絮凝作用’05.=*4>(9*++,)-./*01。是通过高分子量的聚合物在溶液中形成网络，借助机械截留和与胶体颗粒的吸附作用来实现絮凝，与桥联絮凝作用相比，静电作用在网络絮凝过程中所起的作用要小得多。

"异相凝聚作用’35.54*+*-2,)-./*01。是指两种带相反电荷的胶体颗粒相遇而产生的凝聚作用。

#补丁作用’7-.+3/021。是完全基于静电引力，因此也将此作用归于凝聚作用。其原理是具有较高电荷密度、中低分子量的带阳电荷的聚电解质’如聚乙烯亚胺、聚胺等1破坏了纤维等物质的双电层，进而形成补丁，强烈地吸附在细小纤维等的表面，使其电荷被中和，从而失去稳定性’见图81。

$%$湿部化学的测量和控制

最近几年，许多造纸技术的发展，诸如提高纸机车速、高湍流流浆箱、夹网成形器、增加回水用量、更高的填料量以及碱性抄纸等，对纸机的湿部参数的测量与控制提出了更高的要求。

#?目前所控制的湿部化学参数可分为)类：第#类是那些与纤维和细小物质的絮聚密切相关的，如留着率、滤水和纸页匀度；

第!类是那些直接与组分含量有关的，如*+值总酸度、浆浓和不同助剂加入量；

第)类是纸张性能，虽然这不属于湿部化学的内容，但很多在纸机湿部为控制纸张性能所采取的措施，直接影响系统的抄纸化学，因此也归入进来。上述参数已基本涵盖目前造纸工业所进行的大多数的湿部化学控制，过程控制时均为反馈控制回路。目前缺乏测量抄纸化学参数的在线传感器严重阻碍着湿部化学控制系统的发展和使用。

令人欣慰的是低浓传感器已经面世，且运行良好，可以做单程固形物留着率的基本测量仪表。参考文献,-./0描述了这类传感器目前用于在线留着率测量的情况，其他一些研究者开发了在线阳离子需求和电荷测量传感器。最近已有一些工厂将数理统计质量控制法应用于抄纸化学的控制。

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响。这种方法,#"0是使浆料悬浮液在受到搅动的情况下通过网子，搅动由一可调的搅拌器产生，使实验过程中不形成纤维层。它最大的特点是研究留着的胶体状况时，排除了静态脱水时形成的纤维层的影响，而且纸料通过筛网时可受到不同程度的湍流，因此对于给定的纸浆和添加剂混合物，在湍流范围内可以定性地指示聚合电解质的助留助滤效果，也可以比较有关添加剂和纸浆系统中的各种预处理效能。

目前，&2344仪的应用方面已有许多改进，下面是

&2344仪的主要用途：

!细小组分筛选。测定浆样中细小组分的特性，

估计单程留着率。

添加剂评估。!切变阻力，

机械因素和单程留着方"留着的研究。助留剂、面的研究。

不良的一次网部留着率意味着白水中&2344指出，

填料的积累，而这将降低脱水速率，并从而降低纸机的生产能力。一次网部留着率高可以减少毛毯堵塞的危险，有助于延长毛毯的寿命，得到更均匀的纸页。一次网部留着率高还可减轻白水回收系统的负荷，因而研究纸机的一次留着率是非常必要的。随着对湿部研究的不断深入，又出现了一些研究助留助滤的仪器。

1浆料组分留着特性常用的实验室仪器及

评价方法

在纸机上进行大量的留着实验是不经济的，所以只有用实验的方法来评估助留剂和解释各种化学参数对单程留着的影响。实验室把评估助留剂通常作为运用助留剂上机实验的第一步。而后者与试用过程中的问题解决和过程改进方面的研究有密切关系。

由于纸机形式多种多样，而我们又不能对纸机湿部条件进行精确的模拟，所以必须选择一种实验室的研究方法来评价助留剂的效果以及各种化学参数对一次留着率的影响。到目前为止，己开发了许多不同的实验室仪器用以助留剂等的留着效果的研究。主要包括静态沉降仪、自由脱水仪、纸页形成器以及&2344动态滤水罐5’67893:’28378;<=82>。上面的各种装置中，除&2344动态滤水罐之外，其余装置都已有了许多改进和发展，而’’=被认为能够较好地预测纸机动态留着状况。这个仪器是#$-?年由美国学者@ABA&2344发明的一种动态滤水仪,$0。此仪器研究的目的旨在不考虑机械截留的情况下，研究机械搅动和胶体作用对细小组分和滤水的影

图$移动带式滤水测试器（%&’(）

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