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造纸原理与工程讲授：袁世炬绪论一、造纸工业在国民经济中的地位是与国民经济发展和人类文明建设息息相关的重要基础原材料产业；纸的消费是衡量国家现代化水平和文明建设的重要标志。二、国内外造纸工业的现状及发展趋势1、纸和纸板总产量及人均消费量世界总产量：近4亿吨（07年）中国总产量：0.839亿吨（08年，居世界第一位）世界人均消费量：56.3kg/（人·年）（08年）发达国家人均消费量：＞300kg/（人·年）中国人均消费量：50kg/（人·年）（预计2010年达世界人均）湖北省08年产量超100万吨，国内排名13位P1P12、国内造纸工业现状已基本建立比较完整的造纸工业技术研究开发、人才培养、装备制造、产品生产和市场销售等体系。国际造纸跨国公司的进入和我国造纸工业大力引进国际先进技术，有力地推动我国造纸工业的发展。目前我国已具备从造纸生产和消费大国向世界造纸强国转变的现实基础。3、现代造纸工业的特点和发展趋势是资金密集型、技术密集型、能源密集型和大规模型产业。具有生产连续性强、工艺流程复杂、能源消耗高、原材料处理量大、污染负荷重、投资大的特点。生产规模大型化、产品高档化、技术装备现代化、生产清洁化和水资源的节约利用是当今世界造纸工业发展的主要趋势。P1P14、国内造纸工业存在的主要问题√造纸原料结构不合理，木浆比重低√纸和纸板总量不足，产品结构不合理√企业规模小√技术装备落后√水资源消耗大√环境污染严重P2三、纸、纸板及加工纸的概念（一）纸和纸板的概念纸是一种特殊的材料，由纤维（主要是植物纤维）和其他固体颗粒物质（如胶料、填料、助剂等非纤维添加物质）交织结合而成的、具有多孔性网状物性的特殊薄张材料。纸和纸板的区别：在于它的定量和厚度。我国：一般定量200g/m2以下，厚度500µm以下称纸；国际标准化组织推荐标准：定量超过250g/m2称为纸板。（二）加工纸的概念加工纸是指根据所要求的特性，对原纸进行某种加工（如涂布、复合、成形、变性、整饰加工等），使之改变或提高纸张原有的形状、外观和物理化学特性所得的纸种。P4四、纸、纸板的分类及用途P4四、纸、纸板的分类及用途P5五、纸和纸板的规格（一）原纸尺寸（卷筒纸和平板纸）P6（二）纸的幅面尺寸国家标准：A、B、C三组国际标准：为国家标准A组0～6组号（A0～A6）规则：（1）各组内每号尺寸可对折成邻近号尺寸（2）各组内的用纸幅面均为相似形（三）纸的偏斜度一般不超过3mm。P7六、印刷与纸和纸板（一）印刷方法的分类和特点印刷方法分为压印式印刷法非压印式印刷法凸版印刷凹版印刷平版印刷（胶版、石版）如喷墨印刷、静电复印等P8（二）印刷对造纸工业发展的要求√适应印刷机运转速度提高的要求进一步提高纸张强度（抗张强度、撕裂强度）和匀度。√适应印刷品质量和档次提高的要求进一步提高印刷纸的档次和质量，如匀度及定量、厚度、松密度和水分的均匀性，表面结合强度、平滑度和印刷适性等，同时降低纸张的定量。√适应新的印刷方法、印刷油墨、印刷工艺和印刷设备的要求不断研究和开发新产品和提高现有产品对上述要求的适应性。P8七、包装与纸和纸板在塑料、金属、玻璃及纸和纸板四大包装材料中，纸和纸板是最主要的包装材料，用量最多。当前包装纸材料的发展情况：开发适于绿色包装需求的纸、纸板和纸制品发展高档次、高质量包装纸和纸板包装用纸和纸板低定量化和发展重型化包装纸箱P10八、纸和纸板制造的过程主要工艺流程贮浆池打浆贮浆池添料净化、脱气筛浆流浆箱网部压榨部干燥部压光部卷取胶料、填料、助剂等超级压光包装纤维回收回收纤维回收白水水力碎浆机由纸料制备和纸的抄造两大部分组成损纸损纸损纸第一篇纸料制备P11概述一、纸料的概念指供制造纸和纸板用的纸浆。经过纸料制备系统后由一种或几种造纸用的纤维或非纤维物质混合的纤维悬浮液。二、纸料制备（一）纸料制备概念纸料到达造纸机之前所有处理过程的总称。（二）纸料制备主要工序第一章纸料的流体和造纸湿部化学特性P13第一节纸料的组成和特性一、纸料的组成一般纸料悬浮液是由固、液、气三相组成的复杂分散体系。固相：纤维、胶料、填料、颜料、非纤维添加物质等液相：主要是水，及各种添加剂如助留剂、助滤剂、消泡剂、防腐剂、干强剂、湿强剂等气相：主要是空气空气存在的两个原因：一是输送和贮存过程中混入二是由于各种原因，空气进入纤维细胞中二、组成纸料各组分的性质（一）水1、水是纸料悬浮液的介质，也是纸料的重要组分2、水具有较高的表面张力3、水能使纤维产生润胀，直接导致纤维间结合力增加P14（二）纤维与细小纤维1、细料固体中的细小纤维与纤维的不同特性（1）细小纤维具有大的比表面积（为纤维的5～8倍）导致强烈吸附：吸添加剂——实现化学作用吸水——滤水性能降低（2）细小纤维对造纸湿部添加剂有强烈的吸附能力2、细小纤维和纤维表面带有负电荷原因：①表面基团的电离作用②吸附阴离子3、纤维和细小纤维的离子交换行为（三）功能性添加剂——改变纸页性能（四）控制性添加剂——改变纸机湿部纸料性能P15三、纸料的特性（一）纸料分散体系具有絮集（聚）的性质（二）纸料分散体系具有胶体的特性（三）纸料分散体系的表面动电现象临界浓度：0.05％临界浓度以上，纤维相互碰撞、交缠→絮聚→纤维网状物任何纸料分散体系都有絮聚的倾向纤维本身大于胶体颗粒，但从整体上看具有胶体大小的尺寸加入某种物质易使“胶体”聚集因“胶体”表面带同样的负电荷，使其具有一定的分散稳定性双电层Zeta电位P16第二节纸料悬浮液的流体力学特性一、纸料悬浮液的流动状态和流动特性曲线（一）纸料悬浮液的流动状态三种流动状态塞流混流湍流“上下临界流速”概念（主要取决于浓度）（二）纸料悬浮液的流动特性曲线P17二、影响纸料悬浮液流动状态和流动曲线的主要因素（一）悬浮液的流动速度的影响（二）纸料浓度的影响（三）纤维的物理结构和化学性质的影响——决定性因素流速↑→剪切力↑→网络塞体分散→混流→湍流浓度越低，越易形成湍流状态即较低浓度的纸浆形成湍流时的流速要求较低物理结构：长纤维、表面粗糙纤维及柔软纤维易缠结、絮聚，延缓了湍流状态的出现杂细胞含量高的浆料易分散化学性质：半纤维素含量高的浆料易分散如草浆易出现湍流状态的原因：①纤维较短②杂细胞含量高③半纤维素含量高——不易缠结——非纤维状结构——易润胀，流动性好P18三、纸料悬浮液的流动特性（一）纸料悬浮液流动过程中的湍动1、湍动的概念每一个流体质点作不规则的、在速度大小和方向上都发生变化的脉动。（脉动是湍动的象征）2、湍动的表示方法①湍动尺度（规模）②湍动强度ū··ū1ū2ū——平均流速ū1ū2——X轴方向上相邻两点的流速脉动速度：ū′=︱ū2－ū1︱湍动强度=ū′/ūP183、湍动的类型——三种流态①低强微湍流②高强大湍流③高强微湍流——一种湍动强度很高而湍动尺度又很小时，强大的剪切力就可以施于每根纤维上，从而破坏纤维絮聚物的内在强度，达到分散的目的，这是纸料流送过程中所希望的一种湍动状态。4、湍动的特点①生成期很短（以毫秒或几分之一毫秒计）规模越小，生成期就越短②具两重性（分散纤维和为纤维絮聚创造机会）一旦湍动衰减下来，纤维又将絮聚∴应在流送中，保持连续不断的湍动。√P18（二）纸料悬浮液的纤维絮聚1、纤维絮聚原因纤维与纤维之间相互发生碰撞产生机械交缠。一根纤维只要有三个交替地与其他纤维接触的点，就能形成纤维絮聚物的基本结构。若絮聚进一步发育－→纤维网络状结构－→絮聚团2、湍动与纤维絮聚的关系絮聚←→分散主要控制湍动，以分散纤维√一是控制湍动的规模√二是控制湍动的强度湍动的尺度小于或等于纤维尺度，使湍动作用于每根纤维湍动的强度能克服纤维缠结强度P19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）造纸湿部纸料配料组分的胶体化学特性造纸湿部纸料配料组分的胶体化学重要特性：湿部纸料悬浮液是一个多相性体系；其配料组成的粒子属粗分散体系，具胶体大小的尺寸；高的比表面积和比表面自由能；大多数反应都发生在这些粒子之间。从热力学观点讲，造纸湿部纸料也可分为：亲水体系疏水体系——稳定体系——高比表面自由能的分散体系P20（二）造纸湿部分子间力1、分子间的电性排斥力和吸引力2、分子间的结合力添加剂与纤维中的某些基团反应而发生。如：PAM的酰胺基中的氢易与纤维中的羟基结合－CONH2OH－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋P20（三）疏水系统和亲水系统1、亲水系统一般指高分子部分，即分散相与水具有强亲和力的系统对电解质的稳定性较大例如：溶于水的淀粉、半纤维素及表面活性剂、分散剂、助留剂、助滤剂、成形助剂等2、疏水系统指分散相与水没有亲和力或只有很弱亲和力的系统遇着微量的电解质就会聚集而生成沉淀例如：分散在水中的填料、颜料、细小纤维及胶料等P21（四）双电层形成离子层和扩散层。离子层(吸附层)胶粒表面与扩散层之间的电位差为Zeta电位。（五）凝聚、絮聚和稳定性凝聚：细料固体颗粒形成丛状、串状的聚集体。各颗粒仍保持其个体身份，凝聚过程是可逆的。絮聚：指多个细料固体颗粒聚集融合成新的大细料颗粒。比表面积减少，比表面自由能降低。絮聚过程是不可逆的。稳定性：疏水胶体虽有聚集的倾向，但又常常存在阻止和延缓聚集过程的因素，而得以保持其高度分散状态。P22二、絮聚与凝聚的相互作用凝聚——Zeta电位接近于零（等电点）时，细料固体粒子产生凝聚。凝聚结构疏松，几乎不能抵抗机械剪切力。絮聚——长链分子的聚合物电解质吸附到纤维或细料固体粒子表面，通过桥联和嵌镶两种机理而发生聚集。“微絮聚”：细料固体粒子在纤维表面上互相絮聚。可提高细料固体粒子的留着率，不影响纸张匀度。“巨絮聚”：纤维与纤维间的絮聚，影响纸张匀度。相互作用——加入聚合物电解质不但产生絮聚，而且Zeta电位下降；Zeta电位接近等电点是凝聚的必要条件；凝聚力为絮聚创造了良好的化学环境。P22三、电解质的聚集和吸附电解质分为：无机盐类聚合物（非、阴、阳和两性离子）无机盐（如明矾）：使分散体系脱稳而发生聚集长链状聚合物：分子中的多官能团中和分散体系中的细料固体粒子表面电荷，产生强烈地吸附后在粒子间进行桥联或嵌镶作用而形成聚集。如：阳离子型可直接吸附在阴离子的纤维和细料固体粒子上阴离子型需借助明矾P23四、与表面羧基的反应纤维表面含有羧基（RCOOH），使纤维表面常带有负电荷。其反应如：与松香酸铝构成配位键与带阳电荷的电解质中和五、溶解物与抄纸悬浮液组成的离子反应溶解物：电解质及各种助剂等（一）加入电解质的反应如：加入矾土（硫酸铝）硫酸铝→［AI(H2O)6］3+→与松香酸离子（RCOO－）反应→生成松香酸铝→与纤维素羧基（－COO－）构成配位键（二）加入增强剂的反应如聚丙烯酰胺：酰胺基中的氢与纤维羟基结合P24（三）加入助留剂的反应1、中和反应2、嵌镶反应3、桥联结合4、助滤剂加入的作用（P25）使纤维发生收缩，减少其比表面积，从而降低流体的阻力，提高湿纸幅的滤水性能。P25六、泡沫泡沫的危害：纸料浓度波动，纸料流动状态不稳定；封闭湿纸幅表面微孔，造成网部脱水困难；泡沫还会形成浮浆，使纸料上网出现团块；抄纸板时，降低层间结合；产生泡沫孔、泡沫斑等纸病等。泡沫产生的原因：纸料中存在表面活性物质消除、控制泡沫的方法：1、降低泡沫稳定剂的效能（作用）化学反应、非极性溶剂2、降低泡沫稳定性提高表面张力、降低表面黏度等3、形成局部薄弱点形成低表面张力点第二章磨（打）浆P27第一节概述一、磨（打）浆的概念纸料纤维受到剪切力的作用剪切力：来自机械的作用和流体的作用打浆：源自间歇式槽式打浆机磨浆：源自连续式盘磨打浆机二、磨（打）浆的目的和任务（一）磨（打）浆的目的根据纸质量要求和使用的纸浆的种类和特征，在可控的情况下用物理方法改善纤维的形态和性质，使制造出来的纸符合预期的质量要求。（二）磨（打）浆的任务（1）改变纤维形态（2）控制纸料在网上的滤水性能P28三、磨（打）浆前后浆料性质的变化浆料含有很多纤维束纤维粗、长表面光滑挺硬而富有弹性纤维比表面积小又缺乏结合性能所抄纸张：匀度差、疏松多孔、表面粗糙易起毛结合强度甚低，不能满