造紙工藝學：紙料流體和造紙濕部化學特性

1、造紙工藝學 Paper making Principles and Engineering .第一篇紙料制備 .紙料的流體和造紙濕部化學特性 .磨漿 .非纖維添加物質的應用 .第二篇紙和紙板抄造 .供漿系統(tǒng)和白水系統(tǒng) .紙的抄造 .紙板的制造 .紙和紙板的結構及性質 課程介紹 課程的基本要求 圓角矩形標注: 掌握基本概念 掌握基本原理與工藝 了解生產(chǎn)方法、工藝及設備的發(fā)展 了解實際生產(chǎn) 掌握基本概念 掌握基本原理與工藝 了解生產(chǎn)方法、工藝及設 備的發(fā)展 了解實際生產(chǎn) 緒論 流程圖: 資料帶: 紙的概念、組成、生產(chǎn)方法 造紙工業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位 國內(nèi)外造紙工業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展 紙和的分類及用途 紙

2、和紙板的性能指標 紙與印刷 紙的概念、組成、生產(chǎn)方法 造紙工業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位 國內(nèi)外造紙工業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展 紙和的分類及用途 紙和紙板的性能指標 紙與印刷 .主要介紹的內(nèi)容 緒論 紙是什么？ .（一）紙是一種特殊 的材料。 .紙是由纖維和其 他固體顆粒物質交織 結合而成的多孔性網(wǎng) 狀結構薄型材料。 （二）紙是由植物纖維為主體的纖維物 質構成的。 輔料：膠料、填料、 染料等各種助劑。 加工方法：手工、機 械（各種造紙機） 厚薄均勻：纖維，輔 料分布均勻（紙質量 核心） . （三）紙的生產(chǎn)過程 . 打漿 添料 凈化、篩選 上網(wǎng)、抄造 一、造紙工業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位 .與國民經(jīng)濟發(fā)展和人類文明建設

3、相關的重要基礎 原材料。 反映國力和文化發(fā)展水平。用于印刷、包裝、 建材、化工、電子、能源、交通等。 .造紙工業(yè)是“朝陽工業(yè)”。綠色環(huán)保材料 .國際上認為是六大支柱產(chǎn)業(yè)之一。 二、國內(nèi)外造紙工業(yè)的 現(xiàn)狀和發(fā)展 .現(xiàn)狀和發(fā)展 1、產(chǎn)量大幅提高 1979年全國紙和紙板產(chǎn)量430萬噸 1990年全國紙和紙板產(chǎn)量1800萬噸 2000年全國紙和紙板產(chǎn)量3000萬噸 2003年全國紙和紙板產(chǎn)量4300萬噸，人均消費37 公斤 2004年全國紙和紙板產(chǎn)量4950萬噸，人均消費42 公斤 .2、技術裝備的現(xiàn)代化 .3、品種增加和產(chǎn)品高檔化 .存在問題 .1、原料結構不合理，木漿比例低 .2、產(chǎn)品結構不合理

4、.3、水資源消耗大，污染嚴重 .我國噸漿紙的綜合能耗為1.551.7t標準煤， 世界先進水平為085t；我國漿紙綜合水耗約 100m3，其中噸紙水耗50m3，而世界先進水平 噸漿紙綜合水耗為35m3，噸紙水耗10m3。 .我國造紙行業(yè)總排水量僅次于化工與鋼鐵,位 居工業(yè)部門排放量的第3位,而COD排放量則占 全國工業(yè)排放量的三分之一。水污染治理成為 關注的熱 點, 是造紙企業(yè)生存與發(fā)展的關鍵。 三、紙和紙板的分類及用途 .紙和紙板的區(qū)別： 以200-250(g/m2的定量為一分界線，定 量小于200 -250(g/m2的稱為紙或厚度在 500微米以下的。 大于200-250(g/m2的稱為紙板

5、。 .紙的分類P4 文化用紙 包裝用紙 技術用紙 生活、裝飾用紙 .紙板的分類 包裝用紙板 技術用紙板 建筑用紙板 印刷用紙板 文本框: 四、原紙尺寸和幅面尺寸 四、原紙尺寸和幅面尺寸 .卷筒紙原紙寬度：1575mm, 1092mm, 880mm, 787mm。 平板紙原紙尺寸： 1000 x 1400 mm, 900x 1280mm 880 x 1230mm, 880 x 1092mm, 787 x 1092mm, 787 x 960mm, 紙的幅面尺寸： .國家標準GB148-59規(guī)定： 幅面尺寸分為A、B、C三組。 A: 841x 1189 mm B: 1000 x 1414 mm C:

6、 764 x 1064 mm .國際上通用ISO標準：A0A6。 A0全開本，A664開本。 五、紙和紙板的性能指標 .外觀質量 .物理性能 .光學性能 .印刷適性 .電氣性能 （一）外觀質量 .紙和紙板的外觀質量包括有塵埃、針眼、孔洞、 破洞、透明點、半透明點、皺紋、折子條痕、 筋道、泡泡紗、網(wǎng)印、毯印、斑點、漿疙瘩、 裂口、色澤不一等在光線下肉眼可見的各種紙 病。每種紙和紙板都有它一定的外觀要求。 產(chǎn)生塵埃的原因： .原料帶入自制漿凈化 商品漿外包裝 副料 .操作過程：人為因素 .車間環(huán)境：衛(wèi)生，清潔程度 外觀紙病產(chǎn)生的原因 .針眼、填料顆粒太大，濕紙經(jīng)抽真空產(chǎn)生 .孔洞、大的漿疙瘩 .破

7、洞、大的漿疙瘩 .透明點、膠粒太大 .半透明點、膠粒太大或氣泡 .與設備、操作、環(huán)境、原料等有關 （二）物理性質 .定量：每平方米紙或紙板的重量，單位為g/m2。 向低定量方向發(fā)展：印刷品重量減輕，節(jié)約原料。 .厚度：紙樣在兩測量板之間、在一定壓力下直接測量出來 的厚度（mm）。 .縱橫向：紙或紙板與紙機運行相同的方向，稱為縱向；而 與紙機運行方向垂直的，則稱為橫向。 縱橫差問題：夾網(wǎng)長網(wǎng)圓網(wǎng)，機械強度，變形性 .正反面：抄紙時，濕紙或紙板在網(wǎng)部貼著網(wǎng)子的一面，稱 為反面或網(wǎng)面，另一面則稱為正面。 正反差問題：夾網(wǎng)長網(wǎng)圓網(wǎng)，平滑度，施膠度，色澤 .緊度（或松厚度）：緊度指：每立方厘米紙或 紙板

8、的重量，單位為g/cm3。 .松厚度：為緊度的倒數(shù)，即每克紙或紙板所有 的體積，單位為cm3/g。輕型紙、圣經(jīng)紙。 .透氣度：一定面積的紙或紙板在一定的真空作 用下，每分鐘透過的空氣量，或透過100ml空氣 所需的時間，ml/min或s/100ml。 文本框 : （二） 物理性質 （二）物理性質 .平滑度：在一定的真空度下，一定容積的空氣通 過受一定壓力的試樣表面與玻璃面之間的間隙所 需的時間，s。 .機械強度性質 (1 抗張強度 紙或紙板所能承受的最大拉力，kN/m。 (2 裂斷長 由于紙或紙板因本身重量而斷裂時的長度，m或 km。 （二）物理性質 （二）物理性質 (3 伸長率 表示紙或紙板

9、受到張力至斷裂時的伸長，以對原 紙試樣長度的百分率表示。 (4 耐破度 單位面積的紙或紙板所能承受最大的壓力，kPa。 （二）物理強度 .(5 耐折度：紙或紙板在一定張力情況下能經(jīng) 受往返折迭的次數(shù)。 .(6 撕裂度：裂斷預先有切口的試樣至一定長 度所需的力，mN。 .(7 紙板環(huán)壓強度 環(huán)形的紙板試樣在一定的加壓速度下平行受 壓，直到試樣被壓潰為止，這時試樣所能承受 最大的力kN/m。 適用于測量厚度小于1mm的包裝箱紙板的邊 緣強度。 .白度：白紙或紙板的潔白程度。肉眼所見 .亮度： 表示紙或紙板表面對457nm波長光從不同角 度照射的反射度與已知反射度的氧化鎂板在同 樣光照射下的反射度之

10、比，% 儀器測定ISO標 準 .光澤度：儀器測定 紙或紙板表面鏡面反射的一種性質，它能反 映出印刷品光澤和光彩上的質量。% 文本框: （三） 光學性能 （三）光學性能 （三）光學性能 .透明度：儀器測定、ISO標準 光線透過紙的程度，以能看清楚字跡或線條 的紙頁層數(shù)表示。 .不透明度：是以單張試樣在完全吸收的黑色襯 墊上的反射能力與完全不透明的若干張試樣的 反射能力之比率。 （四）印刷性能 印刷性能是紙張在印刷過程中的綜合反映。 .平滑度：平滑度對印刷紙尤為重要。 .施膠度 .尺寸穩(wěn)定性（伸縮性） 紙或紙板的尺寸穩(wěn)定性一般以它們的伸縮性表 示。伸縮性指紙或紙板浸水或在不同濕度下尺寸 的相對變化

11、，以尺寸的伸縮對試樣原來尺寸的百 分率表示。 （四）印刷性能 .表面強度 紙或紙板的印刷表面拉毛阻力。我國常用IGT 印刷性測量器進行拉毛實驗。 .挺度 紙或紙板能承受本身重量抗彎曲的強度性質。 其大小關系到在印刷機中是否容易遞紙或退紙。 (五 電氣性質 .作為絕緣材料的紙或紙板除具有物理性質和化 學性質以外，還具有一定的電氣性能。主要的 電氣性能有相對介電常數(shù)、耐電壓強度、介質 損失角、導電質點等。 六、紙與印刷 （一）造紙與印刷的關系 70%的紙和紙板要經(jīng)過印刷加工的。 造紙產(chǎn)品中60為包裝用紙（其中部分也需 要 印刷） 30為文化用紙 包裝紙和紙板的產(chǎn)量由1992年的830萬噸增 加到2

12、002年的2420萬噸。 （二）印刷方法 .分類：壓印式印刷和非壓印式印刷。 .壓印式印刷有： 1、凸版印刷：25%，普通的書籍 印版中的圖文凸出。印刷壓力較大。 2、凹版印刷：19%，裝飾材料 印版中的圖文凹陷，且深淺不同。也可分為 平壓凹印和輪轉凹印兩種。 3、平版印刷：42%，報紙，膠版印刷，多色套 印，彩色圖案等。 印版的圖文和空白部分在同一平面上。制版 時使有圖文的部分著墨，而空白處憎墨，形成 印版。 常用的有膠版印刷，多為輪轉膠印機，印刷 速度快，而印刷壓力較小。 .非壓印式印刷： .噴墨印刷、有機調色劑打印系統(tǒng)、磁強照相打 印、熱印刷系統(tǒng)等。傳真機、打印機、復 印機 （三）紙的印

13、刷適應性（printability） .1、印刷運行特性 外觀質量 紙頁物理強度：有良 好的抗張強度和表面 強度。 2、適印質量-主要指標 .不透明度衡量光學透印的指標。 .印刷不透明度-衡量油墨滲透的指標。 .平滑度-與印刷著墨程度有關。 .光澤度-與印品印后質量有關。 思考題 .紙和紙板的定義 .紙和紙板的生產(chǎn)過程 .紙與紙板有哪些性質？ .印刷方法的分類與特點 第一篇紙料制備 制備供紙機抄造的合格的紙料 包括打漿、施膠、加包括打漿、施膠、加 填、調色、添加各種填、調色、添加各種 化學助劑、配漿，篩化學助劑、配漿，篩 選、凈化，調濃等工選、凈化，調濃等工 序。序。 概述 .有關術語 .紙料

14、：經(jīng)處理后由一種或幾種造紙用的纖維和非 纖維物質混合的纖維懸浮液。 .漿料：用于造紙的纖維原料 .合格紙料：經(jīng)篩選和凈化后的紙料 .紙漿：用于造紙的纖維原料 .紙料制備：制備供紙機抄造的合格的紙料 .配漿：把兩種或兩種以上紙料混合起來的過程 云形標注: 濕法抄紙的是一個加水脫水的過程 用于抄紙的紙料是液體狀態(tài) 因而紙料流動特性和濕部化學特性對抄紙過程及其最終成紙?zhí)匦员貙⒂兄卮笥绊?這是研究紙料的流體和 造紙濕部化學特性的目的和意義所在 第一章紙料的流體和第一章紙料的流體和 造紙濕部化學特性造紙濕部化學特性 .濕法抄紙的是一個加水脫水的過程濕法抄紙的是一個加水脫水的過程 .用于抄紙的用于抄紙的紙

15、料紙料是液體狀態(tài)是液體狀態(tài) .因而因而紙料紙料流動特性和流動特性和濕部化學特性濕部化學特性對對 抄紙過程及其最終成紙?zhí)匦员貙⒂兄爻堖^程及其最終成紙?zhí)匦员貙⒂兄?大 影響大影響 .這是研究這是研究紙料的流體和紙料的流體和 造紙濕部化學特性造紙濕部化學特性的目的和意義所在的目的和意義所在 第一節(jié)、紙料的組成和特性 一、紙料的組成：加什么有什么 固體類：纖維、細料、各種添加物。 不同的纖維、細料性質有不同的 成紙性能。 液體類：水、各種溶解物、DCSDCS（dissolved and colloidal substancesdissolved and colloidal substances， 陰

16、離子垃圾等、對濕部化學有重大影響陰離子垃圾等、對濕部化學有重大影響 空氣：對高速紙機影響較大 二、組成紙料各組分的性質 （一）、水： .抄紙介質 .羥基極性 .氧原子的孤對電子高的電 負性 .高的表面張力72.9mN/m 72.9mN/m .使纖維發(fā)生潤脹？ .使紙張產(chǎn)生強度的來源 一張濕紙的強度特別低？ .水的質量與紙的質量有關 廢水造紙？ .用水量與成本、污染有關 （二）、纖維 流體力學定義：是一種細長的并且存在一定彎 曲性的粒子，直徑：1010-55mm、長度、長度1010-44-1010-33mm。 具有很不規(guī)則的表面，使纖維懸浮夜有明顯具有很不規(guī)則的表面，使纖維懸浮夜有明顯 的網(wǎng)狀結

17、構性質，但出現(xiàn)網(wǎng)狀結構性質是有的網(wǎng)狀結構性質，但出現(xiàn)網(wǎng)狀結構性質是有 條件的。條件的。絮集是不可避免的絮集是不可避免的 表面帶負電荷；葡萄糖醛尾酸，大量羧基 不同的原料、制漿方法，打漿程度對纖維的影 響不同。 纖維的性質影響成型性和最終的紙的質量 （三）、細小纖維 定義：通過200200目，目，7575微米孔微米孔 與纖維的特性不同 .大的比表面、 .對濕部添加劑有強烈的吸附能力 表面帶負電荷，陰離子垃圾的來源 .與纖維之間的離子交換行為 （四）、功能添加劑 .定義：企圖為變紙頁中的一個成分而 改變紙頁性能。 （五）、控制添加劑 .定義：是用于改變紙機濕部紙料性 質的。 .特點：不一定成為紙的

18、成分，對紙 的性質影響液很小或者間接。 三、紙料特性 .定義：臨界濃度：0.05%0.05% 當紙料濃度在臨界濃度以下時，由于每根 纖維有足夠的運動空間，故纖維間的相互 作用很小，其流動狀態(tài)與水流大體相同。 而當紙料濃度在0.05%0.05%以上時，纖維間的以上時，纖維間的 相互碰撞并互相交織的機會就增加了，因相互碰撞并互相交織的機會就增加了，因 此，此，紙料懸浮液表現(xiàn)出與水不同的流動特紙料懸浮液表現(xiàn)出與水不同的流動特 性。性。 紙料特性： （一）、紙料分散體系的絮集特性 紙料的上網(wǎng)濃度一般在0.1%0.1%-1.0%1.0%，遠大，遠大 于臨界 濃度（于臨界濃度（0.05%0.05%），），

19、絮集是不可避免的絮集是不可避免的 （二）、紙料分散體系的膠體特性 細小纖維、填料、膠料、聚合電解質等， 膠體大小的尺寸和性質。 （三）、紙料分散體系的表面動電現(xiàn)象 膠體顆粒表面帶有電荷 第二節(jié)紙料懸浮液的流體力學特性 紙料的流動是固、液、氣共存的混合 體，流動機理復雜，影響因素也很多。 隨著紙漿的種類、濃度、流速、打漿 度、溫度等的變化，紙料的流動特性 也隨之變化。 一、紙料懸浮液的 流動狀態(tài)和流體特性曲線 .目的意義 研究紙料懸浮液在水中的流動狀 態(tài)和流體特性曲線，找出其影響 因素，指導生產(chǎn)。 （一）、紙料懸浮液的流動狀態(tài) 定義定義： .塞流：纖維網(wǎng)絡像塞塞流：纖維網(wǎng)絡像塞 子一樣整體向前滑

20、移子一樣整體向前滑移 .湍流：流速足夠大湍流：流速足夠大 時，剪切力足以克服時，剪切力足以克服 網(wǎng)絡內(nèi)摩擦力的流動網(wǎng)絡內(nèi)摩擦力的流動 狀態(tài)。狀態(tài)。 .各個質點的速度都是各個質點的速度都是 相同的相同的 .混合流：塞流到湍流混合流：塞流到湍流 的過度流的過度流 （二）紙料懸浮液的流體特性曲線 .結論： .1、三種流動狀態(tài) 2、有阻力減少現(xiàn)象 33、與水有明顯差別、與水有明顯差別 二、影響紙料懸浮液流動狀態(tài)和 流動曲線的主要因素 懸浮液的流速、紙料的濃度、纖維結構和性質；流道的形 狀、管子內(nèi)壁的粗糙度 （一）懸浮液的流速：流速差別產(chǎn)生的剪切力是破壞纖維 網(wǎng)絡的主要動力。 在其它條件一定的情況下，流

21、速與紙料懸浮液流動狀態(tài)的 關系仍可用雷諾數(shù)表示：衡量的尺度 塞流 湍流 混合流 ，在普通長網(wǎng)紙機用隔板整 流的原理，階梯擴散布漿器可以看成非常粗糙的管子 （二）濃度對流體特性曲線的影響 四種濃度、四區(qū)四種濃度、四區(qū) .結論：、與前同樣結論：、與前同樣 規(guī)律規(guī)律 、濃度增加，阻力增、濃度增加，阻力增 加加 .應用：應用：（11）紙料輸）紙料輸 送，降低能耗。送，降低能耗。 （22）流漿箱紙料分布）流漿箱紙料分布 （三）、纖維的物理結構和化學性質 .纖維的物理結構： 纖維的長度、表面粗糙度、柔軟性、等與纖維的 機械纏結密切相關。 .纖維的化學性質： 半纖維素含量、木素含量、雜細胞含量 三、紙料懸浮

22、液的流動特性 .（一）、紙料懸浮液流動過程中的湍動 .湍動定義： 流體質點作不規(guī)則的在速度大 小和方向都發(fā)生變化的脈動。 .表示方法：湍動尺寸、湍動強度、 .湍動的類型：高強度微湍動：纖維規(guī)模 .湍動的特點：幾分之一毫秒：高速紙機成 紙勻度高的原因 （二）紙料懸浮液中的纖維絮聚 .纖維絮聚物：交纏物 .纖維絮聚的原因：相互碰撞，機械交纏 .湍動與纖維絮聚的關系：動態(tài)平衡的關系 .湍動可以分散纖維絮聚：當湍動的規(guī)模（尺寸）小于 纖維絮聚物尺寸 .湍動可以產(chǎn)生纖維絮聚：當湍動的規(guī)模（尺寸）大于 纖維絮聚物尺寸 第三節(jié)、造紙的紙料 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

23、部紙料配料組分的造紙濕部紙料配料組分的膠體膠體 化學化學特性特性 (二、造紙濕部分子間力、造紙濕部分子間力 （三）、疏水系統(tǒng)和親水系統(tǒng) （四）、雙電層 （五）、絮聚、凝聚和穩(wěn)定性 (一一造紙濕部紙料配料組分造紙濕部紙料配料組分 的膠體化學特性的膠體化學特性 .濕部紙料膠體化學特性濕部紙料膠體化學特性 .膠體膠體：親液：親液-熱力學熱力學 .憎液憎液 .造紙：親水造紙：親水-造紙一水為解質造紙一水為解質 .疏水疏水 .表面帶有電荷表面帶有電荷 (二二、造紙濕部、造紙濕部分子間力分子間力 分子間的電荷排斥力和吸引力分子間的電荷排斥力和吸引力 把植物纖維、松香膠、填料、等各種添加把植物纖維、松香膠、

24、填料、等各種添加 劑看成劑看成大分子大分子-討論它們之間的作用力討論它們之間的作用力 電荷排斥力：同性相斥電荷排斥力：同性相斥 電荷吸引力：異性相吸電荷吸引力：異性相吸 在一定的距離內(nèi)、一定的電荷量的范圍內(nèi)在一定的距離內(nèi)、一定的電荷量的范圍內(nèi) 分子間結合力：分子間結合力：吸引力與排斥力的平衡吸引力與排斥力的平衡 （三）、疏水系統(tǒng)和親水系統(tǒng) .把造紙濕部紙料配料組分劃分成兩大系統(tǒng) .親水系統(tǒng)： 定義：指高分子部分，即分散相與水具有強親和力 的系統(tǒng)。 來源：水溶性物質，淀粉、水溶性化學助劑 .疏水系統(tǒng)： 定義：指分散相與水沒有強親和力的系統(tǒng)。 來源：填料、細小纖維、松香膠粒等 （四）、雙電層 .膠體電荷膠體電荷 .吸附層吸附層-反電層反電層 .擴散層擴散層 .ZetaZeta-電位：膠體電荷與電位：膠體電荷與 反電層形成的電位差。反電層形成的電位差。 .意義意義：要把松香膠等負電：要把松香膠等負電 荷物質保留在紙中，需要荷