第三章 纸料组分的胶体化学

第三章纸料组分的胶体化学纸料中的纤维、细小纤维、填料、干扰物、添加剂等粒度很小，具有很大的比表面积，大部分纸料组分的作用发生在颗粒表面，纸料各组分间的相互作用属于胶体的范畴。胶体的本质特征是分散粒子的直径为1nm～100nm，介于溶液和浊液之间。第一节造纸配料组分及其相互间的作用1、造纸配料组分造纸配料组分主要包括纤维、细小纤维、填料、染料、干扰物及各种功能助剂和过程助剂。按各组分的性质，可分为：悬浮粒子组分，如纤维、细小纤维和填料胶体组分，如施胶剂、微粒组分和干扰性胶体组分表面活性剂类，清洁剂、分散剂、消泡剂等聚电解质，如助留助滤剂、干湿强剂等电解质，通过各种途径带入纸料中的盐类2、造纸配料组分的大小与数量造纸粒子组分间的尺寸相差很大，纤维长度2～3mm或更长，填料粒子则仅几个um，其他组分则更小，直到可溶组分。典型的上网浓度和纸料配比下各纸料组分的相对数量：纸料总浓度0.6％，白土加入量15％，膨润土和胶体二氧化硅加入量为0.14％，淀粉加入量0.73%，PAM加入量0.045%。3、造纸配料组分间的相互作用纤维、填料和细小纤维的聚集；溶解的聚合物分子在纤维、细小纤维和填料上的吸附；树脂和施胶剂分子的聚集；树脂和施胶剂分子在纤维、细小纤维和填料上的吸附；悬浮和溶解性的阴离子物质表面负电荷的中和；溶解性的无机盐和非溶解性的粒子化合物之间的平衡；组分中表面活性剂分子胶束的形成和应用；纤维、细小组分等对水的吸附作用第二节造纸湿部胶体特性从胶体化学的角度可将造纸湿部中的各种纸料组分体系分为两大类：疏水性胶体和水溶性高分子溶液。疏水性胶体为颗粒的悬浮体系；溶剂水和颗粒间的亲和力较小，存在明显的界面；体系不稳定，易于聚集；粒子与悬浮介质之间的界面强烈影响体系性质。亲水性胶体体系为大分子的真溶液或小分子的聚集体；溶剂和微粒间有强烈吸附力；溶剂和介质间不存在真正的界面。1、湿部中的疏水胶体分散体系造纸中典型的疏水胶体包括：分散在水中的颜料或填料；分散在水中的细小组分；分散在水中的皂化松香胶；分散松香胶乳液和其他施胶剂乳液；微粒组分，如二氧化硅溶胶、膨润土悬浮液。这些疏水胶体常常是纸料体系中的重要组分，也是湿部化学研究的核心内容。影响胶体稳定性的基本作用包括静电作用力、氢键作用、疏水作用、共价键结合力和范德华力。其中静电作用力和氢键作用是维持胶体体系的分散与稳定的主要作用力。2、湿部的高分子溶液造纸湿部的亲水性的胶体主要包括：溶解在水中的淀粉、树胶、半纤维素等天然水溶性聚合物；溶解在水中的消泡剂、分散剂、润湿剂等表面活性剂；溶解在水中的助留剂、助滤剂、干强剂、湿强剂和匀度助剂等合成水溶性聚合物。这些亲水性胶体可以分为两类：第一种包括助留、助滤剂和干、湿强剂等水溶性天然和合成聚合物，是高分子聚合物的水溶液，其颗粒尺寸虽大，但呈分子状态，与疏水胶体有本质差别；第二类为低分子化合物的缔合体，如润湿剂、表面活性剂、消泡剂和分散剂。3、聚合物在纸浆纤维上的吸附高分子聚合物分子量高、带电，纤维素纤维具有多孔性，因此聚合物和纸浆纤维存在相互吸附的作用，这是各种高分子助剂起到相应作用的前提条件。非离子聚合物的吸附主要来自氢键作用的产生；聚电解质的吸附主要靠其与纤维素纤维之间正负电荷的静电吸附作用。4、阳离子聚电解质在纤维上吸附的动态变化阳离子聚电解质的吸附、重构与扩散过程阳离子聚电解质的劈断与转移另外，纸浆的pH值、混合剪切作用、纸浆浓度、温度等都会影响阳离子聚电解质在纸浆纤维上的吸附第三节纸浆悬浮体的聚集方式为了提高纸料各组分的留着率，需要使胶体粒子聚集，利于细小纤维和填料粒子的留着。但长纤维大量聚集会严重影响纸页的匀度和光学性能。因此合理控制纸料悬浮体的聚集过程，使纸料尽可能多而均匀的分布在纸页中非常重要。胶体粒子聚集按聚集机理可以分为凝聚和絮聚两种方式。凝聚主要由简单电解质和低分子量聚合电解质引起，主要通过电中和作用产生；絮聚主要由高分子量聚合物引起，主要通过架桥作用产生。胶体的聚集与稳定的方式：电荷中和作用电荷补丁模型桥联絮聚空间与空位稳定作用1、电荷中和作用纸料粒子在悬浮液中会形成双电层结构，包括不动的吸附层和滑动的扩散层，双电层表面带有负电荷（zeta电位），通过粒子之间的排斥力作用，纸料粒子悬浮体处于稳定状态。当反离子物质加入纸料中，由于电荷中和作用，导致双电层厚度和zeta电位降低，粒子间排斥力减小，胶体稳定性降低，直至出现絮聚现象。这类纸料絮聚体在水力和机械力作用下易破坏，但剪切力消失，可重聚，即具有完全可逆性。常称之为软絮聚体，结构致密，有利于纸料脱水和形成均匀纸页。主要由简单电解质和低分子量聚合电解质引起，受电解质的价态影响最大。引起胶体聚集的最低电解质浓度，称为临界凝聚浓度（C.C.C.）.2、电荷补丁模型低至中等分子量（10～100万）、高电荷密度（>4meq/g,或阳离子化度>40%）的阳离子电解质与带负电荷的纸料混合，纸料颗粒表面对聚电解质强烈吸附，聚合物分子完全进去紧密层，吸附在颗粒表面，使该处表面电荷完全中和并形成阳离子型，称为阳离子补丁，而颗粒其与部分仍带有负电荷。阳离子补丁与纸料粒子的带负电荷处相互吸引，产生聚集。阳离子补丁的形成及带补丁颗粒间的聚集均以静电中和为主要作用机理，形成的聚集体结构致密。聚集体受力时易破坏，但剪切力消失，重新聚集，即具有相当可逆性，也属于软絮聚体，有利于脱水和形成均匀的纸页。电荷补丁模型3、桥联絮聚高分子量（>100万）、低电荷密度（阳离子化度<10%）的阳离子聚合电解质在水溶液中以较为卷曲的、多链圈链尾的形式存在。当与带负电荷的纸料混合时，这些聚合物就以链圈、链尾的形式吸附到带负电荷的纸料颗粒表面。被吸附的聚合物链圈、链尾可直接吸附在另一带负电荷的纸料颗粒表面而引起絮聚，这种絮聚方式被称为桥联絮聚。要取得桥联絮聚，聚合物的分子量必须足够大到能在颗粒间架桥；而其电荷密度既不能太高到引起分子链间的过分排斥，不利于链圈链尾的形成，又不能太低，影响聚合物在颗粒表面的吸附。桥联絮聚体大而疏松，具有一定的抗剪切作用，称为硬絮聚体。受剪切力破坏后不能重新絮聚，具有不可逆性。桥联絮聚有利于改善纸料的留着率和重力脱水能力，但真空脱水能力差，因此纸机的整体脱水能力降低。吸附桥联桥联机理模型4、空间与空位稳定作用纸料悬浮体除通过静电排斥力保持稳定，还可利用非粒子聚合物对纸料颗粒产生的空间或空位