造纸化学品——第五组

本组成员：李强陈思卉吴瑞强史军涛林贞翔施宗楠刘宽曹玉惠造纸化学品及其应用Chemicalsforpapermaking造纸的步骤纸浆来源各类化学品的作用选取所需化学试剂造纸纸浆提取方法•在造纸工业中，造纸化学品的应用对纸张的质量和生产的经济性起着决定性的作用。•它们能赋予纸张各种优异的特殊性能（如抗水性、抗油性、湿强度、平滑性、印刷适性、柔软性等），•能使较差的纤维原料生产出更薄、更白、更牢的纸；•它们使生产过程优化、纸机运行速度提高。应用造纸化学品的重要性造纸化学品的种类和作用•分为功能型添加物质和控制型添加物质两大类。•功能型添加物质是作为纸中的一种成分，以改变纸张性质为目的。①施胶剂和定着剂是为取得防潮抗水性能；②填料或颜料是为了增加纸张不透明度、白度、匀整性以改善印刷适性；③染料或有色颜料是为了使纸张着色生产色纸；④增强剂是为了增加纸张的干强度或湿强度；⑤纤维分散剂或柔软剂是为了改善纸张匀度或柔软性；⑥光学改性剂是为了获得某种光学性能；⑦特殊添加剂是为了使纸张获得某一特殊性能。造纸化学品的发展趋势•我国的造纸化学品发展的主要特点是推广应用的领域及纸种进一步扩大，产品开始出现系列化，新产品不断出现，产品开发重视经济效益。•各种新型的施胶剂、干(湿)增强剂、助留(滤)剂、杀菌剂、絮凝剂、消泡剂、涂布胶黏剂、柔软剂、废纸脱墨剂等投入生产，在纸厂得到了广泛的应用。第一节内部施胶一、施胶的目的、方法及发展情况（一）施胶的目的•施胶的目的是使纸或纸板具有抗拒液体(特别是水和水溶液)扩散和渗透的能力，以适宜于书写或防潮抗湿。（二）施胶方法•纸内施胶（浆内施胶）•纸面施胶（表面施胶）•双重施胶（浆内和表面均施胶）二、施胶剂的选用原则•选择施胶剂时应从施胶效果、经济效益、工艺可行性等方面考虑，选择的主要原则是：(1)具有较低的表面自由能，液固接触角较大。(2)成膜性好，或易分散成微细颗粒，分散后的悬浮液稳定性好，不易产生凝聚。(3)施胶环境应接近中性，不产生腐蚀作用。(4)资源丰富，价格便宜。内部施胶液体在纸页表面的扩散和渗透机理•内部施胶的目的在于改变纤维的表面以便控制含水液体向纸内的渗透。•纸或纸板主要由纤维组成，纤维具有亲水性。纤维本身有微细管，纸页上又有许多孔隙，能起毛细管作用，这样液滴便会在纸面上产生扩散与渗透现象，使纸具有吸液性能。内部施胶内部施胶液滴在纸面上三相交界面的受力状况sv=sL+Lvcos内部施胶杨氏方程（T.YoungEquation）•sv=sL+Lvcos•sv－－固、气两相间的比表面能；•sL－－固、液两相间的比表面能；•Lv－－液、气两相间的比表面能；•－－液、固两相间的接触角。•施胶理论－－Washburn方程：•液体在毛细管中的上升速度R•L－－浸透深度（cm）;•t－－浸透时间(s)；•－－液体比表面能自由能，（N/cm）；•－－液体粘度（Pa.s）；•r－－毛细管半径（cm）；•－－液、固两相间接触角（度）。内部施胶•对于某一纸种及某一液体，毛细管长度L，液体表面张力以及粘度可视为定值，因此液体在纸页上的渗透速率R只与毛细管半径r及纸面与液体两相间接触角有关。•毛细管半径越小，接触角越大，则渗透越困难。内部施胶接触角理论根据T.Young方程Washborn方程，增大液固间的接触角均有利于纸页阻抗液体的吸收。因此，接触角理论认为，施胶的效果主要是由于松香胶微粒被吸附在纸页的表面，改变了纸页表面的性质，即增大了液固间的接触角，减少了纸面对液体的附着力。施胶效果的产生松香胶施胶过程理论•纤维和松香粒子在水中均带负电荷，相互不能接近。为了使松香胶粒子与纤维结合，必须消除这一障碍。•由胶体电位（电泳淌度、Zeta电位）的研究证实，在pH4－6范围内，松香胶加入硫酸铝液后，所生成的沉淀物具有正电性，这一现象与施胶过程有重要的关系。（一）松香胶体系1、松香松香是由称为树脂酸的一系列三环酸所组成，是一种复杂的混合体，松香酸是该系列的主要成分，其分子式为C19H29COOH，分子量302.04。松香是一种棕色透明的水不溶固体，其颜色从很浅的琥珀色到深红褐色不等。第二节纸内施胶松香酸和海松酸化学结构式纸内施胶蒸煮过松香的结构特性程松香的化学反应主要是受酸性基团（羧基）和共轭不饱和双键支配。因此，增加羧基含量和减少共轭不饱和值，均可增加松香胶与纤维素的亲和性，减少氧化趋势，从而提高其施胶效果。另一方面，树脂酸中大分子量的碳氢化合物又能有效地隔离两性分子中小分子量的极性羧基，松香分子经过适当的定向排列后，可以构成有效的疏水表面。松香的质量参数酸值：中和1克松香所消耗的KOH的毫克数。酸值越大，表明松香中含松香酸量越高，松香纯度越好。•皂化值：指完全皂化1克松香所消耗的KOH毫克数。皂化值表示松香中包括松香酸在内的树脂酸和脂类的总含量。该值与酸值之差越大，说明松香中含脂越高，松香纯度越差。松香胶的分类•以游离松香含量划分•褐色胶－－又称中性胶。不含游离松香，即全部松脂酸都被皂化，胶液呈中性或微碱性，颜色为暗褐色。•白色松香胶－－含有20－40％的游离松香。颜色呈乳白色，呈碱性。•高游离松香胶－－含有70－80％的游离松香。性质不稳定，易凝聚成大颗粒。影响施胶的主要因素pH值控制在4－5之间，以求得到较多的六水铝离子特点•普通松香胶均为皂型松香胶。而高分散松香胶是100％游离松香的高游离松香分散体。•少用或不用硫酸铝作沉淀剂，可用在pH6－7的条件下施胶。•施胶效果是普通松香胶的两倍左右。分散松香胶分散松香胶的施胶机理•皂化松香胶•皂化松香乳液与矾土起“触发反应”，形成粗大的沉淀。反应生成物主要为松香酸铝和少量的游离松香。•分散松香胶•微细游离松香与矾土起“延迟反应”，形成的松香酸铝仅仅附在游离松香微粒的表面以络合的形式存在。分散松香胶的施胶机理皂化松香胶•与矾土形成粗大絮块，在纤维上难以均匀分布。•熔点高，流动性差，定向排列的转向功能较差，因此接触角只有58o•分散松香胶•与矾土反应较慢，松香微粒呈相互分离的小球，易于在纸页上均匀分布。且胶膜稳定性好。•熔点较低，易于流动，定向排列功能好，接触角可达90o第三节合成施胶剂•常用的是AKD和ASA，其结构特点是由能与纤维素反应的活性基团和疏水基团构成；反应基团能与纤维素反应生成酮酯，而拥有的长碳链具有憎液性官能团，从而起施胶作用合成施胶剂•AKD的使用•AKD不溶于水，制胶时需加入分散剂和乳化剂（如阳离子淀粉）。•AKD适用于在pH值为8.2的条件下使用。•AKD在水中不稳定，容易水解失效。为了减少AKD发生水解，其加入点应靠近纸机上网处。•AKD在65.5℃以上时极易水解生成酮而丧失施胶效果，因此胶液应保持在较低的温度下。•施胶中可使用阳离子型的助留剂。的施胶机理ADK的施胶特点•AKD是一种纤维素反应型施胶剂，它既能作为浆内施胶剂，也能作为表面施胶剂。•AKD的熔点较低，在纸机干燥部的高温条件下很容易与纤维反应，形成酮基酯衍生物，并定位在纤维上，疏水端面向纤维的表面形成疏水层，具有优异的防水性，是一种高效施胶剂。•AKD的施胶作用在纸页干燥以后尚未完成，卷取后存放24小时仅完成80％，若干天后施胶反应还在继续进行。AKD烯基琥珀酸酐•性质：ASA是一种同分异构体化合物的液体混合物，带黄色的油状产品，不溶于水。乳液在数小时内便会失去活性，使用之前必须在纸厂现场乳化•使用：ASA一般在弱碱性条件下使用，也可在较低pH下(5.0)使用，或有硫酸铝存在的环境中使用，但在碱性条件下ASA熟化速度要快得多。ASA第四节染色和调色一、染色和调色的目的和作用1、为了生产颜色纸需进行染色。2、生产白纸需对纸页进行调色，以使得每批产品的色调趋于一致。3、对某些纸种，需要提高白度，因此需加入增白剂增白。•染色：指在纸浆或纸张中加入某些色料使纸能有选择性地吸收可见光中的大部分光谱，不吸收并反射出所需要色泽的光谱。色料的分类和性质•色料分为：•颜料－－有色的填料，不溶于水，与纤维无亲和能力，着色的质量主要取决于其粒度及其在纸页上的分散。分为无机颜料和人造颜料两种。•染料－－溶于水，着色质量好。分为天然染料与人造染料两种。造纸工业中主要使用人造染料。人造染料•1、碱性染料•具有氨基碱性基团的有机化合物。可溶于水，着色力极强，容易使纤维上色，色彩鲜艳，价格低廉。在造纸生产上应用广泛。•但耐光、耐热性极差，对酸、碱、氯根的抵抗力也弱。故产品容易褪色。人造染料•2、酸性材料•具有苯羟基或磺酸基的酸性有机化合物，呈酸性。其染色离子时酸根与钠、钾和铵等阳离子结合而成，极易溶于水，水的硬度和浆温对染色影响不显著。•酸性染料的着色能力和色度的鲜明性较碱性染料差一些，而耐光、耐热性比碱性染料强，但耐酸、耐碱和抗氯性能极差，抗潮解性也较弱。染色方法（一）染色方法•浆内染色•（间歇染色、连续染色）•纸面染色•（浸渍法、压光法和涂布法）染料湿部染色的物化过程•造纸染料的染色过程可分为三个阶段：(1)染料被纤维吸附：染料加入纸料后，纸料液中水相的染料移向纤维表面，纤维上的染料浓度逐渐升高，而水相里的染料浓度相应降低。(2)染料向纤维内部扩散：吸附在纤维表面的染料不断地向纤维的无定形区扩散，直至纤维内外孔隙全被染透。(3)染料在纤维中固着：进入纤维孔隙的染料相互聚集，并与纤维大分子形成离子键(相反电荷)、氢键和范德华力(分子间结合力)或沉积(无机或有机颜料)结合。第五节纸张湿强度与湿强剂一、湿纸强度、湿强度的概念•湿纸强度是指纸页抄造过程未经干燥的湿纸页的强度，一般是指进入烘缸前干度为20％～50％时的湿纸页强度，或称初始湿强度。•纸页的湿强度是指经干燥后的纸张再被水润湿完全饱和后所具有的强度，或称再湿强度。•一般纸张被水完全润湿后只保留原来强度的3％～8％，湿强纸可保留15％～40％或更高。•纸页之所以具有强度是由于组成纸页的纤维之间存在摩擦力和结合力。•构成湿纸强度的基础是纤维之间的摩擦力，摩擦力越大，湿纸强度也越大。•构成干纸强度的基础除与纤维之间摩擦力大小有关外，主要决定于纤维之间的结合力，结合力越大，干纸强度也越大•由于纤维之间的结合力比摩擦力大得多，因此纸页的干纸强度比湿纸强度大得多影响湿强度的因素•决定湿强度大小的因素主要是防止纸页再润湿和氢键被破坏的程度。•湿强剂的性质和用量是决定纸张湿强度的主要因素。湿强剂种类和特性1、酸熟化热固性湿强树脂•（脲醛树脂UF、三聚氰胺甲醛、树脂MF、聚乙烯亚胺PEI等）2、碱熟化热固性湿强树脂•（聚酰环氧树脂PAE）3、其他湿增强剂•(聚胺树脂PA、合成胶乳PEL等)湿强剂增湿强作用机理纸页强度的丧失•湿纸幅经脱水干燥后，产生了大量的内部纤维键合。由于氢键在内部纤维键合中起着重要的作用，纸幅也因此获得最大的强度。•当纸页与水接触以及纤维－纤维间结合被水－纤维间键合取代后，纸页将失去其结合强度。第六节纸张干强度与干强剂一、纸张干强度及影响干强度的因素•干强度是指风干纸的强度性质。•影响纸张干强度的因素有：纤维间的结合力、纤维形态与性质、纸张中应力分布和添加物质等，而纤维间结合力是决定性因素。使用增干强剂的目的和作用①可以配用阔叶木、枝桠材、草类原料等短纤维原料甚至配用废纸原料来生产对强度要求较高的高档纸张。②可以在保持原有使用质量要求的前提下，降低纸页定量节约原料。③可以提高产品档次。④在取得相同纸张强度的情况下，可缩短打浆时间，节约电耗和干燥用蒸汽；降低了纸料打浆度，滤水性能改善，可提高车速，增加产量。增干强剂的种类、特性和应用(一)增干强剂的种类•三大类：1、天然动植物胶•（明胶、桃胶、原淀粉和改性淀粉）2、合成树脂•（聚丙烯酰胺、丙稀酰胺与丙烯酸共聚物、聚乙烯醇、脲醛树脂、酚醛树脂等）3、水溶性纤维素衍生物类•（甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素等）增干强剂的性质及应用1．淀粉•主要有3种形式，即原淀粉、改性淀粉和淀粉衍生物。•淀粉增干强剂能提高纸页的干强度，包括抗张强度、耐破度和耐折度，能改善纸页的表面性能