采用汞压入法测量纸张微孔分布和孔隙率

1、作者简介 :王玉珑先生 ,究生 ; 研究方向 :工纸与特种纸 。 收稿日期 :2005207215(修改稿 纸张孔隙测定采用汞压入法测量纸张微孔分布和孔隙率王玉珑 1 曹振雷 2 王燕忠 2(11天津科技大学 , 天津 , 300222; 21中国制浆造纸研究院 , 北京 , 100020 摘 要 :介绍了利用汞压入法测量纸张微孔分布和孔隙率的原理 ; 并采用该方法对铜版原纸、铜版纸及过滤纸的孔径分布和孔隙率进行了分析。 结果表明 , 构 , 过滤纸板内部阶梯孔径分布等。 关键词 :微孔分布 ; 孔隙率 ; 汞压入法中图分类号 :TS77 文献标识码 : 203 , 、 的孔隙结构决定的 。

2、纸张孔 径分布及孔隙率对印刷纸尤为重要 , 因为印刷油墨的颜料粒子也具有一定的粒度 分布范围 , 两者之间只有很好地匹配才能印刷出高质 量的印品 。 准确分析纸张的孔径分布 、 孔隙率及其与 纸张印刷适性之间的关系一直是人们研究的热点 。 目 前公认的方法是采用模型化方法 , 即把存在于纸张中 复杂的孔隙看成一系列平行的圆柱形的毛细管 , 其中 以汞压入法 122最具有代表性 , 并在实际中得到了广泛 的应用 。 汞压入法可以测量多孔材料的孔径分布 、 孔 隙率 、 比表面积 , 并能从降压时排除汞的情况来推测不 规则孔的孔形状 , 是实验室不可缺少的手段 。本文对汞压入法的测量原理 、 仪器

3、设备进行了介 绍 , 并利用汞压入法对铜版原纸 、 铜版纸及过滤纸板 的孔径分布及孔隙率进行了分析 。 1 汞压入法的测量原理 111 孔径分布及孔隙率的测量汞压入法是将汞在一定压力下压入多孔体中。 由 于汞对固体具有不浸润性 , 其所需压力应克服驱使汞 从毛细管内流出的毛细管阻力 ; 孔径越小 , 毛细管阻 力就越大 , 所需压力也就越高 。 一定的压强值对应于 一定的孔径值 。 而相应的汞压入量 , 相当于该孔径的 体积 。 因此 , 实验中测定了多孔体各个压强点下的汞 压入量及相应的压力大小后 , 即可根据圆柱孔模型理 论求出其孔径分布及孔隙率 。, 为了研究方 , 需要把问题简化 ,

4、在汞压入法研究中 , 按实验中 汞的进出情况不同 , 可以把多孔体内的孔分为 3类 :(1 汞在升压时进入孔内和降压时自孔中排除对应于 同一压强 , 孔的形状为圆柱状或 V 形 。 (2 汞在升压 时进入孔内的压强高于排除时对应的压强 , 孔的形状 为墨水瓶状 , 它有狭小的口径和肥大的腹腔 。 (3 汞 一旦被压入 , 再也不能从孔中排除 , 这类孔暂且称为 残留孔 , 它的存在可能与孔的结构和实验条件有关 , 还有待进一步研究 。 112 仪器组成汞压入法的实验设备由低压系统、 高压系统和膨 胀计组成 。 统称为压汞测孔仪 。 低压系统主要用来灌 汞和测量粗孔的结构 。 一些测孔仪的低压系

5、统和高压 系统是分开的 , 但也有一些测孔仪把低压系统和高压 系统合并在一起 , 以便样品的测量连续进行 。 高压系 统是测孔仪最重要的组成部分 。 它主要由高压产生器 和高压倍增器组成 。 将装有样品的膨胀计置于高压油 容器中 , 借助高压油泵对膨胀计不断加压 , 逐点测量 汞压入量 , 直至最大压力 。 膨胀计主要用来盛装被检 测样品 , 而且用来测定孔的体积 。 2 实验211 仪器和检测样品仪器和药品 美国麦克公司产全自动压汞仪 ; 汞。 实验样品 铜版原纸 、自制铜版纸 、过滤纸板 (过滤啤酒用 。 212 实验步骤91 研究论文中国造纸 2006年第 25卷第 3期根据被测样品孔隙

6、率的大小 , 分别称取适量样品 (一般 012018g 置于膨胀计中 , 涂高压密封油 , 加 盖后用螺纹密封 , 置于低压系统中灌汞并测定粗孔大 小 , 然后移至高压系统中加压测定高压下微孔的大 小 、 分布及孔隙率 。 3 结果与讨论311 纸样的平均孔径及孔隙率采用汞压入法对纸样的平均孔径及孔隙率进行分 析 , 结果如表 1所示 。 由表 1可看出 , 铜版纸 、铜版 原纸 、 过滤纸板的汞压入量 、孔隙率依次迅速增加 。这是因为铜版纸表面经过涂布后 (胶乳 、淀粉 、颜料 等覆盖 , 其表面封闭性较好 , 开孔减少 , 孔隙率降 低 ; 而铜版原纸表面主要为纤维交织而成 , 在大量孔隙

7、 , 且粗糙度较高 , 后 , 135012%降 至 26319nm 和 , 大大改善的主要原因 。 而进口过滤纸板为了提高其过 滤效率 , 加入大量的硅藻土并合理控制其孔径分布 , 以提高其开孔性 , 其孔隙率高达 7818%。表 1 不同纸样的平均孔径 、 孔隙率汞压入量 /m L g -1总开孔面积 /m 2 g -1中值孔径(V /nm 平均孔径(4V/A /nm 孔隙率11992497191038144167818312 纸张的孔径分布纸张或涂层的孔径分布对纸张印刷、 过滤及其他 图 1 不同纸样孔径分布性能起着决定性作用 , 有些时候单纯采用平均孔径及 孔隙率并不能完全反映纸样结构

8、 。 利用汞压入法分析铜版 纸 、铜 版 原 纸 和 过 滤 纸 板 的 孔 径 分 布 如 图 1所示 。 图 1分析结果表明 , 铜版原纸 、 铜版纸及过滤纸板的孔径分布具有明显差异 。 铜版原纸的孔径分布主要集中在 60280m , 1025m 和 01033m 3个 分布范围内 , 且在 3个区域内基本呈现单峰分布 , 而 且 3个分布区间具有近似的分布面积 。 铜版纸为原纸 经过表面涂布后而得 , 由图 1可以看出 , 原纸经过涂 布后孔径分布面积明显减小 , 由最初的 3个面积近似 的单峰变为铜版纸的 1个近似的单峰结构 , 且孔径分 布主要集中在 01022m 之间 。这说明 ,

9、 涂料明显 改变了原纸表面的孔径分布 , 且对 01022m 大小 的孔径贡献最大 。 进口过滤纸板的孔径分布主要集中 在 01220m 之间 , , 几乎呈 , , 它们决定了纸张的印刷性 过滤性能及其他性能 。 铜版纸比原纸具有更好的 印刷性能 , 主要是由于其经过涂布之后 , 涂层孔径分 布和孔隙率与印刷油墨的颜料粒子之间具有更好的匹 配性 , 从而印刷出高质量的印刷品 。 过滤纸板具有良 好的过滤性能 , 既要求具有足够的孔隙率又必须具有 合适的孔径分布 。 纸张的孔径分布与纸页的光学性能 (白度 、 不透明度 、 光散射系数 、 光泽度等 及印刷性 能 (印刷光泽 、 油墨吸收性 、

10、 表面强度等 有着密切的 联系 324, 值得深入研究 。 3 13 误差分析 汞压入法不仅可以测定纸张或涂层的微孔分布和 孔隙率 , 也可以用来测定颗粒堆积体的孔径分布及孔 隙率 。 汞压入法测定过程中应该注意如下方面 , 以减 小实验误差 。 汞压入法计算中用到汞的表面张力和接 触角 。 实验中汞的接触角和表面张力分别为 130°和 418kN/cm 。 另外 , 汞的环境温度变化或玷污杂质都会 引起表面张力的变化 , 为减少误差 , 实验中应采用高 纯度的汞并保持恒温 。 在实验中 , 每个压力点的测量 需要足够的平衡时间 , 否则汞来不及进到应该进入的 孔中 , 本实验的平衡

11、时间为 10s 。 计算时采用圆柱孔 模型 , 但实际孔形要复杂得多 。 如对墨水瓶孔 , 若采 用升压曲线计算孔径分布误差是较大的 , 这还是一个 有待解决的实际问题 。 4 结 语汞压入法被认为是研究多孔材料孔径分布及孔隙 率最有效的方法之一 , 在纸张孔隙率及涂层微孔测量 中得到了广泛应用 。 尤其对于研究涂布纸涂层结构与 印刷适性之间的联系具有重要意义 , 压汞法对一些不 能用常规法测量透气度的试样也具有较高的优越性 。02 研究论文China Pulp &Paper Vol 125, No 13, 2006但汞压入法由于在检测过程中会接触到汞 (剧毒 , 尤 其汞具有很强的挥

12、发性 , 操作不当会对人体造成伤 害 , 因此 , 应小心操作且按规定处理实验废弃物 。参 考 文 献1 G uner Eksi , D ouglas W Bous field 1M odeling of coating structure develop 2mentC11996T appi coating con ference , 19962 R obert W Johns on , Lloyd Abrams 1Use of mercury porosimetry to charac 2terize pore structure and m odel end -use properties

13、 of coated papersJ1T appi ,1999,82(1 :2393 Clim ps on N A , T aylor J H 1P ore size distribution and optical scattering co 2efficients of clay structuresJ1T appi ,1976,59(7 :894 Arai Y, N ojima K 1C oating S tructure for Obtaining Print G lossC.1997C oating C on ference Proceedings ,1997U se of Merc

14、ury Porosimetry to Characterize Pore Size and PorosityW ANG Y u 2long 1, 3 C AO Zhen 2lei 2 W ANG Y an 2zhong 2(1. Tianjin Univer sity o f Science and Technology , Tianjin , 300222; 2. China National Pulp and Paper Research , Beijing , 100020(3E 2mail :ljy329163. com Abstract :The principle and inst

15、rument of using mercury porosimetry to characterize P ore diameter and porosi 2ty of coated paper , offset paper and filter paper board were K ey w ords :pore size ; porosity ; mercury porosimetry ; (责任编辑 :王 岩 消息2006年 5月下旬在北京召开由中国造纸学会 、 日本造纸学会共同主办的首 届中日造纸技术交流会将于 2006年 5月下旬在北 京召开 。 此次会议是由中日双方造纸学会经过认真

16、 策划 , 精心准备的一次盛会 。 现就有关信息发布如 下 :会议主办单位 :中国造纸学会 、 日本造纸学会 会议承办单位 :中国造纸学会 会议召开时间 :2006年 5月 23 24日 会议召开地点 :北京渔阳饭店丽晶厅会议将邀请中日双方造纸界知名专家 、 教授进 行演讲 , 与会者届时可与演讲者互动交流问题 。演讲题目及演讲人 :11中国造纸工业现状及展望 曹振雷博士 , 中国造纸学会常务副理事长 兼秘书长21合理利用禾草类纤维造纸的理论与实践 李忠正教授 , 南京林业大学31中国造纸工业的技术进步 黄运基教授 , 中国中轻国际工程有限公司41中国新闻纸工业现状及发展趋势 蒋 鹏总工程师 , 广州造纸股份有限公司51岳阳纸业 P 2RC AP MP 车间成功开机和生产经验 张栋基副总经理 , 泰格林纸集团61建设中的世界第一大竹浆厂 靳福明副总工程师 , 中国中轻国际工程有 限公司71中国造纸工业非木材制浆污染防治进展 林乔元教授 , 中国制浆造纸研究院81中国生活用纸产业的技术进展 江曼霞教授 , 中国造纸协会生活用纸委员会91日本造纸工业概况 丰福邦隆 , 日本纸浆技术协会101扩大速生材克隆人工林方法 伊藤一弥 , 王子制纸森林资源研究所主席 研究员111关于优良树种植树造林研究 田边稔明 , 王子制纸森林科学研究所主任 研究员121纸浆脱墨生产的挑战及新技术 杉野