造纸工艺学：纸料流体和造纸湿部化学特性

1、造纸工艺学 Paper making Principles and Engineering .第一篇纸料制备 .纸料的流体和造纸湿部化学特性 .磨浆 .非纤维添加物质的应用 .第二篇纸和纸板抄造 .供浆系统和白水系统 .纸的抄造 .纸板的制造 .纸和纸板的结构及性质 课程介绍 课程的基本要求 圆角矩形标注: 掌握基本概念 掌握基本原理与工艺 了解生产方法、工艺及设备的发展 了解实际生产 掌握基本概念 掌握基本原理与工艺 了解生产方法、工艺及设 备的发展 了解实际生产 绪论 流程图: 资料带: 纸的概念、组成、生产方法 造纸工业在国民经济中的地位 国内外造纸工业的现状和发展 纸和的分类及用途 纸

2、和纸板的性能指标 纸与印刷 纸的概念、组成、生产方法 造纸工业在国民经济中的地位 国内外造纸工业的现状和发展 纸和的分类及用途 纸和纸板的性能指标 纸与印刷 .主要介绍的内容 绪论 纸是什么？ .（一）纸是一种特殊 的材料。 .纸是由纤维和其 他固体颗粒物质交织 结合而成的多孔性网 状结构薄型材料。 （二）纸是由植物纤维为主体的纤维物 质构成的。 辅料：胶料、填料、 染料等各种助剂。 加工方法：手工、机 械（各种造纸机） 厚薄均匀：纤维，辅 料分布均匀（纸质量 核心） . （三）纸的生产过程 . 打浆 添料 净化、筛选 上网、抄造 一、造纸工业在国民经济中的地位 .与国民经济发展和人类文明建设

3、相关的重要基础 原材料。 反映国力和文化发展水平。用于印刷、包装、 建材、化工、电子、能源、交通等。 .造纸工业是“朝阳工业”。绿色环保材料 .国际上认为是六大支柱产业之一。 二、国内外造纸工业的 现状和发展 .现状和发展 1、产量大幅提高 1979年全国纸和纸板产量430万吨 1990年全国纸和纸板产量1800万吨 2000年全国纸和纸板产量3000万吨 2003年全国纸和纸板产量4300万吨，人均消费37 公斤 2004年全国纸和纸板产量4950万吨，人均消费42 公斤 .2、技术装备的现代化 .3、品种增加和产品高档化 .存在问题 .1、原料结构不合理，木浆比例低 .2、产品结构不合理

4、.3、水资源消耗大，污染严重 .我国吨浆纸的综合能耗为1.551.7t标准煤， 世界先进水平为085t；我国浆纸综合水耗约 100m3，其中吨纸水耗50m3，而世界先进水平 吨浆纸综合水耗为35m3，吨纸水耗10m3。 .我国造纸行业总排水量仅次于化工与钢铁,位 居工业部门排放量的第3位,而COD排放量则占 全国工业排放量的三分之一。水污染治理成为 关注的热 点, 是造纸企业生存与发展的关键。 三、纸和纸板的分类及用途 .纸和纸板的区别： 以200-250(g/m2的定量为一分界线，定 量小于200 -250(g/m2的称为纸或厚度在 500微米以下的。 大于200-250(g/m2的称为纸板

5、。 .纸的分类P4 文化用纸 包装用纸 技术用纸 生活、装饰用纸 .纸板的分类 包装用纸板 技术用纸板 建筑用纸板 印刷用纸板 文本框: 四、原纸尺寸和幅面尺寸 四、原纸尺寸和幅面尺寸 .卷筒纸原纸宽度：1575mm, 1092mm, 880mm, 787mm。 平板纸原纸尺寸： 1000 x 1400 mm, 900x 1280mm 880 x 1230mm, 880 x 1092mm, 787 x 1092mm, 787 x 960mm, 纸的幅面尺寸： .国家标准GB148-59规定： 幅面尺寸分为A、B、C三组。 A: 841x 1189 mm B: 1000 x 1414 mm C:

6、 764 x 1064 mm .国际上通用ISO标准：A0A6。 A0全开本，A664开本。 五、纸和纸板的性能指标 .外观质量 .物理性能 .光学性能 .印刷适性 .电气性能 （一）外观质量 .纸和纸板的外观质量包括有尘埃、针眼、孔洞、 破洞、透明点、半透明点、皱纹、折子条痕、 筋道、泡泡纱、网印、毯印、斑点、浆疙瘩、 裂口、色泽不一等在光线下肉眼可见的各种纸 病。每种纸和纸板都有它一定的外观要求。 产生尘埃的原因： .原料带入自制浆净化 商品浆外包装 副料 .操作过程：人为因素 .车间环境：卫生，清洁程度 外观纸病产生的原因 .针眼、填料颗粒太大，湿纸经抽真空产生 .孔洞、大的浆疙瘩 .破

7、洞、大的浆疙瘩 .透明点、胶粒太大 .半透明点、胶粒太大或气泡 .与设备、操作、环境、原料等有关 （二）物理性质 .定量：每平方米纸或纸板的重量，单位为g/m2。 向低定量方向发展：印刷品重量减轻，节约原料。 .厚度：纸样在两测量板之间、在一定压力下直接测量出来 的厚度（mm）。 .纵横向：纸或纸板与纸机运行相同的方向，称为纵向；而 与纸机运行方向垂直的，则称为横向。 纵横差问题：夹网长网圆网，机械强度，变形性 .正反面：抄纸时，湿纸或纸板在网部贴着网子的一面，称 为反面或网面，另一面则称为正面。 正反差问题：夹网长网圆网，平滑度，施胶度，色泽 .紧度（或松厚度）：紧度指：每立方厘米纸或 纸板

8、的重量，单位为g/cm3。 .松厚度：为紧度的倒数，即每克纸或纸板所有 的体积，单位为cm3/g。轻型纸、圣经纸。 .透气度：一定面积的纸或纸板在一定的真空作 用下，每分钟透过的空气量，或透过100ml空气 所需的时间，ml/min或s/100ml。 文本框 : （二） 物理性质 （二）物理性质 .平滑度：在一定的真空度下，一定容积的空气通 过受一定压力的试样表面与玻璃面之间的间隙所 需的时间，s。 .机械强度性质 (1 抗张强度 纸或纸板所能承受的最大拉力，kN/m。 (2 裂断长 由于纸或纸板因本身重量而断裂时的长度，m或 km。 （二）物理性质 （二）物理性质 (3 伸长率 表示纸或纸板

9、受到张力至断裂时的伸长，以对原 纸试样长度的百分率表示。 (4 耐破度 单位面积的纸或纸板所能承受最大的压力，kPa。 （二）物理强度 .(5 耐折度：纸或纸板在一定张力情况下能经 受往返折迭的次数。 .(6 撕裂度：裂断预先有切口的试样至一定长 度所需的力，mN。 .(7 纸板环压强度 环形的纸板试样在一定的加压速度下平行受 压，直到试样被压溃为止，这时试样所能承受 最大的力kN/m。 适用于测量厚度小于1mm的包装箱纸板的边 缘强度。 .白度：白纸或纸板的洁白程度。肉眼所见 .亮度： 表示纸或纸板表面对457nm波长光从不同角 度照射的反射度与已知反射度的氧化镁板在同 样光照射下的反射度之

10、比，% 仪器测定ISO标 准 .光泽度：仪器测定 纸或纸板表面镜面反射的一种性质，它能反 映出印刷品光泽和光彩上的质量。% 文本框: （三） 光学性能 （三）光学性能 （三）光学性能 .透明度：仪器测定、ISO标准 光线透过纸的程度，以能看清楚字迹或线条 的纸页层数表示。 .不透明度：是以单张试样在完全吸收的黑色衬 垫上的反射能力与完全不透明的若干张试样的 反射能力之比率。 （四）印刷性能 印刷性能是纸张在印刷过程中的综合反映。 .平滑度：平滑度对印刷纸尤为重要。 .施胶度 .尺寸稳定性（伸缩性） 纸或纸板的尺寸稳定性一般以它们的伸缩性表 示。伸缩性指纸或纸板浸水或在不同湿度下尺寸 的相对变化

11、，以尺寸的伸缩对试样原来尺寸的百 分率表示。 （四）印刷性能 .表面强度 纸或纸板的印刷表面拉毛阻力。我国常用IGT 印刷性测量器进行拉毛实验。 .挺度 纸或纸板能承受本身重量抗弯曲的强度性质。 其大小关系到在印刷机中是否容易递纸或退纸。 (五 电气性质 .作为绝缘材料的纸或纸板除具有物理性质和化 学性质以外，还具有一定的电气性能。主要的 电气性能有相对介电常数、耐电压强度、介质 损失角、导电质点等。 六、纸与印刷 （一）造纸与印刷的关系 70%的纸和纸板要经过印刷加工的。 造纸产品中60为包装用纸（其中部分也需 要 印刷） 30为文化用纸 包装纸和纸板的产量由1992年的830万吨增 加到2

12、002年的2420万吨。 （二）印刷方法 .分类：压印式印刷和非压印式印刷。 .压印式印刷有： 1、凸版印刷：25%，普通的书籍 印版中的图文凸出。印刷压力较大。 2、凹版印刷：19%，装饰材料 印版中的图文凹陷，且深浅不同。也可分为 平压凹印和轮转凹印两种。 3、平版印刷：42%，报纸，胶版印刷，多色套 印，彩色图案等。 印版的图文和空白部分在同一平面上。制版 时使有图文的部分着墨，而空白处憎墨，形成 印版。 常用的有胶版印刷，多为轮转胶印机，印刷 速度快，而印刷压力较小。 .非压印式印刷： .喷墨印刷、有机调色剂打印系统、磁强照相打 印、热印刷系统等。传真机、打印机、复 印机 （三）纸的印

13、刷适应性（printability） .1、印刷运行特性 外观质量 纸页物理强度：有良 好的抗张强度和表面 强度。 2、适印质量-主要指标 .不透明度衡量光学透印的指标。 .印刷不透明度-衡量油墨渗透的指标。 .平滑度-与印刷着墨程度有关。 .光泽度-与印品印后质量有关。 思考题 .纸和纸板的定义 .纸和纸板的生产过程 .纸与纸板有哪些性质？ .印刷方法的分类与特点 第一篇纸料制备 制备供纸机抄造的合格的纸料 包括打浆、施胶、加包括打浆、施胶、加 填、调色、添加各种填、调色、添加各种 化学助剂、配浆，筛化学助剂、配浆，筛 选、净化，调浓等工选、净化，调浓等工 序。序。 概述 .有关术语 .纸料

14、：经处理后由一种或几种造纸用的纤维和非 纤维物质混合的纤维悬浮液。 .浆料：用于造纸的纤维原料 .合格纸料：经筛选和净化后的纸料 .纸浆：用于造纸的纤维原料 .纸料制备：制备供纸机抄造的合格的纸料 .配浆：把两种或两种以上纸料混合起来的过程 云形标注: 湿法抄纸的是一个加水脱水的过程 用于抄纸的纸料是液体状态 因而纸料流动特性和湿部化学特性对抄纸过程及其最终成纸特性必将有重大影响 这是研究纸料的流体和 造纸湿部化学特性的目的和意义所在 第一章纸料的流体和第一章纸料的流体和 造纸湿部化学特性造纸湿部化学特性 .湿法抄纸的是一个加水脱水的过程湿法抄纸的是一个加水脱水的过程 .用于抄纸的用于抄纸的纸

15、料纸料是液体状态是液体状态 .因而因而纸料纸料流动特性和流动特性和湿部化学特性湿部化学特性对对 抄纸过程及其最终成纸特性必将有重抄纸过程及其最终成纸特性必将有重 大 影响大影响 .这是研究这是研究纸料的流体和纸料的流体和 造纸湿部化学特性造纸湿部化学特性的目的和意义所在的目的和意义所在 第一节、纸料的组成和特性 一、纸料的组成：加什么有什么 固体类：纤维、细料、各种添加物。 不同的纤维、细料性质有不同的 成纸性能。 液体类：水、各种溶解物、DCSDCS（dissolved and colloidal substancesdissolved and colloidal substances， 阴

16、离子垃圾等、对湿部化学有重大影响阴离子垃圾等、对湿部化学有重大影响 空气：对高速纸机影响较大 二、组成纸料各组分的性质 （一）、水： .抄纸介质 .羟基极性 .氧原子的孤对电子高的电 负性 .高的表面张力72.9mN/m 72.9mN/m .使纤维发生润胀？ .使纸张产生强度的来源 一张湿纸的强度特别低？ .水的质量与纸的质量有关 废水造纸？ .用水量与成本、污染有关 （二）、纤维 流体力学定义：是一种细长的并且存在一定弯 曲性的粒子，直径：1010-55mm、长度、长度1010-44-1010-33mm。 具有很不规则的表面，使纤维悬浮夜有明显具有很不规则的表面，使纤维悬浮夜有明显 的网状结

17、构性质，但出现网状结构性质是有的网状结构性质，但出现网状结构性质是有 条件的。条件的。絮集是不可避免的絮集是不可避免的 表面带负电荷；葡萄糖醛尾酸，大量羧基 不同的原料、制浆方法，打浆程度对纤维的影 响不同。 纤维的性质影响成型性和最终的纸的质量 （三）、细小纤维 定义：通过200200目，目，7575微米孔微米孔 与纤维的特性不同 .大的比表面、 .对湿部添加剂有强烈的吸附能力 表面带负电荷，阴离子垃圾的来源 .与纤维之间的离子交换行为 （四）、功能添加剂 .定义：企图为变纸页中的一个成分而 改变纸页性能。 （五）、控制添加剂 .定义：是用于改变纸机湿部纸料性 质的。 .特点：不一定成为纸的

18、成分，对纸 的性质影响液很小或者间接。 三、纸料特性 .定义：临界浓度：0.05%0.05% 当纸料浓度在临界浓度以下时，由于每根 纤维有足够的运动空间，故纤维间的相互 作用很小，其流动状态与水流大体相同。 而当纸料浓度在0.05%0.05%以上时，纤维间的以上时，纤维间的 相互碰撞并互相交织的机会就增加了，因相互碰撞并互相交织的机会就增加了，因 此，此，纸料悬浮液表现出与水不同的流动特纸料悬浮液表现出与水不同的流动特 性。性。 纸料特性： （一）、纸料分散体系的絮集特性 纸料的上网浓度一般在0.1%0.1%-1.0%1.0%，远大，远大 于临界 浓度（于临界浓度（0.05%0.05%），），

19、絮集是不可避免的絮集是不可避免的 （二）、纸料分散体系的胶体特性 细小纤维、填料、胶料、聚合电解质等， 胶体大小的尺寸和性质。 （三）、纸料分散体系的表面动电现象 胶体颗粒表面带有电荷 第二节纸料悬浮液的流体力学特性 纸料的流动是固、液、气共存的混合 体，流动机理复杂，影响因素也很多。 随着纸浆的种类、浓度、流速、打浆 度、温度等的变化，纸料的流动特性 也随之变化。 一、纸料悬浮液的 流动状态和流体特性曲线 .目的意义 研究纸料悬浮液在水中的流动状 态和流体特性曲线，找出其影响 因素，指导生产。 （一）、纸料悬浮液的流动状态 定义定义： .塞流：纤维网络像塞塞流：纤维网络像塞 子一样整体向前滑

20、移子一样整体向前滑移 .湍流：流速足够大湍流：流速足够大 时，剪切力足以克服时，剪切力足以克服 网络内摩擦力的流动网络内摩擦力的流动 状态。状态。 .各个质点的速度都是各个质点的速度都是 相同的相同的 .混合流：塞流到湍流混合流：塞流到湍流 的过度流的过度流 （二）纸料悬浮液的流体特性曲线 .结论： .1、三种流动状态 2、有阻力减少现象 33、与水有明显差别、与水有明显差别 二、影响纸料悬浮液流动状态和 流动曲线的主要因素 悬浮液的流速、纸料的浓度、纤维结构和性质；流道的形 状、管子内壁的粗糙度 （一）悬浮液的流速：流速差别产生的剪切力是破坏纤维 网络的主要动力。 在其它条件一定的情况下，流

21、速与纸料悬浮液流动状态的 关系仍可用雷诺数表示：衡量的尺度 塞流 湍流 混合流 ，在普通长网纸机用隔板整 流的原理，阶梯扩散布浆器可以看成非常粗糙的管子 （二）浓度对流体特性曲线的影响 四种浓度、四区四种浓度、四区 .结论：、与前同样结论：、与前同样 规律规律 、浓度增加，阻力增、浓度增加，阻力增 加加 .应用：应用：（11）纸料输）纸料输 送，降低能耗。送，降低能耗。 （22）流浆箱纸料分布）流浆箱纸料分布 （三）、纤维的物理结构和化学性质 .纤维的物理结构： 纤维的长度、表面粗糙度、柔软性、等与纤维的 机械缠结密切相关。 .纤维的化学性质： 半纤维素含量、木素含量、杂细胞含量 三、纸料悬浮

22、液的流动特性 .（一）、纸料悬浮液流动过程中的湍动 .湍动定义： 流体质点作不规则的在速度大 小和方向都发生变化的脉动。 .表示方法：湍动尺寸、湍动强度、 .湍动的类型：高强度微湍动：纤维规模 .湍动的特点：几分之一毫秒：高速纸机成 纸匀度高的原因 （二）纸料悬浮液中的纤维絮聚 .纤维絮聚物：交缠物 .纤维絮聚的原因：相互碰撞，机械交缠 .湍动与纤维絮聚的关系：动态平衡的关系 .湍动可以分散纤维絮聚：当湍动的规模（尺寸）小于 纤维絮聚物尺寸 .湍动可以产生纤维絮聚：当湍动的规模（尺寸）大于 纤维絮聚物尺寸 第三节、造纸的纸料 湿部化学特性 一、造纸湿部纸料配料组分的胶体化 学特性 (一、造纸湿

23、部纸料配料组分的造纸湿部纸料配料组分的胶体胶体 化学化学特性特性 (二、造纸湿部分子间力、造纸湿部分子间力 （三）、疏水系统和亲水系统 （四）、双电层 （五）、絮聚、凝聚和稳定性 (一一造纸湿部纸料配料组分造纸湿部纸料配料组分 的胶体化学特性的胶体化学特性 .湿部纸料胶体化学特性湿部纸料胶体化学特性 .胶体胶体：亲液：亲液-热力学热力学 .憎液憎液 .造纸：亲水造纸：亲水-造纸一水为解质造纸一水为解质 .疏水疏水 .表面带有电荷表面带有电荷 (二二、造纸湿部、造纸湿部分子间力分子间力 分子间的电荷排斥力和吸引力分子间的电荷排斥力和吸引力 把植物纤维、松香胶、填料、等各种添加把植物纤维、松香胶、

24、填料、等各种添加 剂看成剂看成大分子大分子-讨论它们之间的作用力讨论它们之间的作用力 电荷排斥力：同性相斥电荷排斥力：同性相斥 电荷吸引力：异性相吸电荷吸引力：异性相吸 在一定的距离内、一定的电荷量的范围内在一定的距离内、一定的电荷量的范围内 分子间结合力：分子间结合力：吸引力与排斥力的平衡吸引力与排斥力的平衡 （三）、疏水系统和亲水系统 .把造纸湿部纸料配料组分划分成两大系统 .亲水系统： 定义：指高分子部分，即分散相与水具有强亲和力 的系统。 来源：水溶性物质，淀粉、水溶性化学助剂 .疏水系统： 定义：指分散相与水没有强亲和力的系统。 来源：填料、细小纤维、松香胶粒等 （四）、双电层 .胶体电荷胶体电荷 .吸附层吸附层-反电层反电层 .扩散层扩散层 .ZetaZeta-电位：胶体电荷与电位：胶体电荷与 反电层形成的电位差。反电层形成的电位差。 .意义意义：要把松香胶等负电：要把松香胶等负电 荷物质保留在纸中，需要荷