紙料的流體和造紙

紙料的流體和造紙第1頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第一節(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(xì)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：主要是空氣第2頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二、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(huì)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(guò)程中，濕紙幅形成強(qiáng)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(rùn)漲直接導(dǎo)致纖維間結(jié)合力增加第3頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六一些液體的表面張力第4頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六紙漿纖維由于帶有羥基，能在水這種極性溶液中發(fā)生潤(rùn)漲，導(dǎo)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(shí)的細(xì)纖維化創(chuàng)造了條件，并最終作為紙頁(yè)纖維間結(jié)合的“粘合劑”。（二）纖維與細(xì)小纖維一般認(rèn)為通過(guò)75μm（200目）的粒子構(gòu)成細(xì)小纖維不能通過(guò)的粒子是纖維部分。因?yàn)橥ㄟ^(guò)200目的篩子不僅僅是細(xì)小纖維，還包括礦物填料，因此統(tǒng)稱為細(xì)料固體粒子第5頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.細(xì)料固體中的細(xì)小纖維與纖維的不同特性（1）細(xì)小纖維具有大的比表面積（2）細(xì)小纖維對(duì)造紙濕部添加劑有強(qiáng)烈的吸附能力2.細(xì)小纖維和纖維表面帶有負(fù)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(tuán)的電離作用，纖維和細(xì)小纖維總是帶負(fù)電荷3.纖維和細(xì)小纖維的離子交換行為纖維的離子交換能力來(lái)源于自然的酸性半纖維素纖維對(duì)各種無(wú)機(jī)離子吸附能力由強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋篘(CH3)3+<Li+<Na+<K+<Ag+<Ca2+<Mg2+<Ba2+<Al3+第6頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（三）功能性添加劑功能性添加劑是企圖為變紙頁(yè)中的一個(gè)成分而改變紙頁(yè)的性能，如著色劑、施膠劑、濕強(qiáng)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(shù)、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(méi)有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)空間而容易產(chǎn)生第7頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六碰撞，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)生的纖維表面細(xì)纖維化，亦即纖維表面起毛和產(chǎn)生很多細(xì)小纖維及其它細(xì)料固體顆粒，從整體來(lái)看它具有膠體大小尺寸。配料中可能還有溶解的無(wú)機(jī)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(fù)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(dòng)現(xiàn)象第8頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六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(dòng)電行為。第二節(jié)紙料懸浮液的流體力學(xué)性質(zhì)一、紙料懸浮液的流動(dòng)狀態(tài)和流動(dòng)特性曲線（一）紙料懸浮液的流動(dòng)狀態(tài)流動(dòng)狀態(tài)可分為塞流、混流和湍流三種基本狀態(tài)。第9頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（二）紙料懸浮液的流動(dòng)特性曲線紙漿懸浮液的三種狀態(tài)第10頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六紙漿懸浮液的流動(dòng)特性曲線第11頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二、影響紙料懸浮液流動(dòng)狀態(tài)和流動(dòng)曲線的主要因素（一）懸浮液流動(dòng)速度的影響當(dāng)紙料濃度一定時(shí)（在臨界濃度上）流動(dòng)速度提高，對(duì)管道內(nèi)紙料纖維施加的剪切力加強(qiáng)，纖維網(wǎng)絡(luò)塞體瓦解直至完全分散，進(jìn)入湍流狀態(tài)。（二）紙料濃度的影響紙料濃度對(duì)流動(dòng)過(guò)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(xué)性質(zhì)的影響較長(zhǎng)纖維和表面粗糙及較柔軟的纖維，能夠增加纖第12頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六硫酸鹽木漿的流動(dòng)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：未漂硫酸鹽木漿第13頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六的機(jī)械纏結(jié)，進(jìn)而增加纖維網(wǎng)絡(luò)和絮聚的強(qiáng)度。非木材纖維紙漿由于在纖維形態(tài)、雜細(xì)胞含量、化學(xué)組成等方面與木材纖維紙漿有較大區(qū)別，因而兩者的流動(dòng)性有較大的差別。三、紙料懸浮液的流動(dòng)特性（一）紙料懸浮液流動(dòng)過(guò)程中的湍動(dòng)1.湍動(dòng)的概念當(dāng)流體的雷諾數(shù)超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，流體就處于湍動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)管道內(nèi)的每一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則的、在速度大小和方向都發(fā)生變化的脈動(dòng)，流體這種不第14頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六規(guī)則的脈動(dòng)在工程常稱為湍動(dòng)。2.湍動(dòng)的表示方法湍動(dòng)尺度和湍動(dòng)強(qiáng)度湍動(dòng)尺度是指在湍動(dòng)力場(chǎng)中，發(fā)生速度波動(dòng)的平均距離大小的量，即指湍動(dòng)規(guī)模大小。湍動(dòng)強(qiáng)度指在湍動(dòng)場(chǎng)中，發(fā)生速度變化大小的量即湍動(dòng)時(shí)產(chǎn)生剪切力的大小和湍動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)度。3.湍動(dòng)的類型（1）低強(qiáng)度湍動(dòng)不能分散網(wǎng)絡(luò)（2）高強(qiáng)大湍動(dòng)剪切力不能作用于單根纖維上，不能分散纖維網(wǎng)絡(luò)第15頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（3）高強(qiáng)微湍動(dòng)強(qiáng)度很高而且尺度很小的湍動(dòng)，強(qiáng)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(qiáng)度，達(dá)到分散目的，所希望的湍動(dòng)。4.湍動(dòng)的特點(diǎn)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(jī)會(huì)。（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(jī)械交纏而連接起來(lái)的結(jié)果。第16頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六纖維絮凝主要由兩個(gè)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(dǎo)致的纖維之間的相互纏繞。第二個(gè)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(lái)。將長(zhǎng)纖維打漿切短、添加短纖維、降低抄造濃度、改善漿料揣動(dòng)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(shù)膠和其它化學(xué)助劑對(duì)勻度可起有利或不利的影響。

第17頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.湍動(dòng)和纖維絮聚的關(guān)系湍動(dòng)的強(qiáng)度低，不足以將絮聚物分散，湍動(dòng)的尺度很大時(shí)，絮聚物可完整的存在于大渦懸中，也不能分散絮聚物。高強(qiáng)度微湍動(dòng)能分散絮聚物，但過(guò)強(qiáng)的湍動(dòng)給消能造成困難。第三節(jié)造紙的紙料的濕部化學(xué)特性一、造紙濕部紙料配料組分的膠體化學(xué)特性（一）造紙濕部紙料配料組分的膠體化學(xué)特性可分為親水體系和疏水體系第18頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六疏液膠體的特性：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(qiáng)烈的吸引力微粒和周圍介質(zhì)之間沒(méi)有真正的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(gè)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。第19頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六造紙過(guò)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(xì)小纖維松香膠造紙過(guò)程中親水膠體體系：溶解在水中的淀粉溶解在水中的樹(shù)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、勻度助劑第20頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（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(lái)自制漿過(guò)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之相反的電荷。第21頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.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(qiáng)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(rùn)劑和溶于水的助留劑、助濾劑、成形助劑等。第22頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.疏水系統(tǒng)該系統(tǒng)是指分散相與水沒(méi)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(xì)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(hào)的電荷，其主要來(lái)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。第23頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（四）雙電層懸浮膠粒表面帶有相同符號(hào)的電荷，界面電荷的存在會(huì)影響到造紙纖維懸浮液中離子的分布，離子表面帶有同符號(hào)的離子，而反離子分布在它的周圍。雙電層包括吸附層和擴(kuò)散層。與微粒表面電荷相對(duì)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(duì)離子的吸附能力非常強(qiáng)，可以阻止由于熱運(yùn)動(dòng)使離子脫離固體表面。在stern層和其余溶液之間存在一個(gè)流體滑移面，離子呈擴(kuò)散分布，離子在該區(qū)域受分子熱運(yùn)動(dòng)的影。第24頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六實(shí)際所測(cè)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(gè)體系被稱為雙電層。雙電層第25頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（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(xì)料固體顆粒形成叢狀、串狀的聚集體，在這種聚集中細(xì)料固體顆粒仍保持其個(gè)體身份，但在動(dòng)力性質(zhì)上失去了獨(dú)立性，整個(gè)凝聚體作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元。絮凝作用是指兩個(gè)或多個(gè)細(xì)料固體顆粒聚集后，融合成一個(gè)新的大細(xì)料顆粒，比表面積減少，體系的比表面自由能有明顯降低。第26頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二、絮聚和凝聚的相互作用凝聚表示細(xì)小聚集體的歷程，可借助強(qiáng)烈的攪拌增加細(xì)料固體粒子碰撞次數(shù)和碰撞力而增加動(dòng)能，使相近的固體細(xì)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(zhǎng)鏈分子的聚合物電解質(zhì)（陰離子、陽(yáng)離子、非離子和兩性離子）、吸附到纖維或細(xì)料固體粒子表面上，通過(guò)橋聯(lián)和嵌鑲兩種機(jī)理而發(fā)生聚集。三、電解質(zhì)的聚集與吸附第27頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六無(wú)機(jī)鹽明礬等電解質(zhì)非離子聚合類陽(yáng)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：第28頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六由于纖維表面羧基等基團(tuán)的存在，使纖維表面帶有負(fù)電荷。羧基可與松香酸鋁構(gòu)成配位鍵，干燥過(guò)程中能產(chǎn)生氫聯(lián)反應(yīng)，形成沒(méi)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)6]3+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。第29頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（2）染色中加入礬土液作為媒染劑，使帶負(fù)電荷的酸性染料改變電性，更好地吸附纖維等固體上。（3）瓷土粒子表面吸附Ca2+Mg2+等陽(yáng)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(yáng)離子聚合物等中和劑來(lái)處理。（二）加入增強(qiáng)劑的反應(yīng)增強(qiáng)劑主要有聚丙烯酰胺、聚胺、聚酰胺型陽(yáng)離子聚合物及陽(yáng)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(qiáng)了氫鍵的結(jié)合強(qiáng)度，使紙干強(qiáng)度增加。第30頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六三聚氰胺甲醛樹(shù)脂：經(jīng)鹽酸處理后，鹽酸中的H離子與樹(shù)脂結(jié)合，使樹(shù)脂粒子帶上正電荷，被帶負(fù)電的纖維吸附，減少了膨脹，增加了濕強(qiáng)度。（三）加入助留劑的反應(yīng)1.中和反應(yīng)被強(qiáng)力吸附的平衡離子與聚合離子的擴(kuò)散區(qū)使懸浮水溶液中的微粒表面產(chǎn)生雙電層。該電層在一定條件下有一定厚度。當(dāng)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。第31頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六微粒更易于彼此接近，并更有可能絮聚。這種由于加入過(guò)量平衡離子而使靜電位移向零點(diǎn)荷狀態(tài)的絮凝作用，稱之為電荷中和作用。存在一個(gè)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(jìn)行，通常稱為臨界絮凝濃度。化合價(jià)越高，離子降低表面電荷的效率越高，例如在離子化合價(jià)為+1，+2和+3時(shí)，所需臨界絮凝濃度分別為4000：100：15。第32頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電荷中和反應(yīng)第33頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.嵌鑲反應(yīng)當(dāng)高電荷密度（＞4毫克當(dāng)量電荷/g）、低相對(duì)分子嵌鑲結(jié)合第34頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期六量（＜100000）的陽(yáng)離子聚合電解質(zhì)與陰離子膠體微?；旌蠒r(shí)，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(bǔ)丁。此補(bǔ)丁有效地使該處微粒表面的陰離子變?yōu)殛?yáng)離子，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(zhǎng)的分子鏈段，聚合物是通過(guò)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。第35頁(yè)，共40頁(yè)，202