造纸湿部化学 第九章增强剂.docVIP

第九章 增强剂 低定量、薄型化，纸张强度。 9.1 纸结构和强度的形成 纸张具有层状结构，平面内纤维排列杂乱，相互交错，并以二维取向为主，层与层间的结合主要靠氢键和分子间力，但作用点数目远远小于层内。在纸张平面内，纤维素分子链间通过氢键结合而相互连结，这种结合通过抄纸前的打浆作用得以加强，因为打浆作用能使纤维束分离、分丝甚至切断成短纤维，使得纤维－纤维分子链间的结合点增多。加入填料后，填料颗粒具有较大的比表面积和表面极性，纤维可以通过分子间力作用，对纸张的强度有积极作用，但加入量过多则会使纤维－纤维间结合力下降，从而使纸张的强度降低。 一般来说，成纸强度受浆料纤维本身强度和纤维之间或与涂层之间结合强度及面积的影响较大，而纤维之间的结合则是纸张产生强度的主要原因，若纸页中保持大量的未结合的短纤维会导致纸页强度的降低。纤维之间的结合可以归纳为如下几种： （1）氢键键能约为82kJ/mol，已被证明是纤维结合的主要作用力，约80％的强度由氢键结合产生。因为纤维素分子上带有大量的羟基，而分子间和分子内都可以发生氢键合。当从纤维层间脱除水分子时可导致纤维充分的接触。当湿纤维层形成、湿压和干燥时，相邻的纤维形成紧密接触，并且在脱水分子之后，在纤维表面间可产生氢键结合。因为氢键具有加和性，每个纤维素结构单元有三个羟基，故加合值远远大于其化学键能。 （2）离子键 键能约为214 kJ/mol334kJ/mol。表面改性的纤维及加入的一些阴离子型聚合物，其分子链上含有可电离基团如羧基等，可和水中的高价金属离子如铝离子、铵离子等，或加入的阳离子电解质形成离子键产生牢固的结合。 （3）配位键 这种结合很少，存在能给出电子的离子或分子与具有能接受电子空轨道的离子或原子，通过配位键按一定的组成和空间构型形成结合。 （4）共价键 键能约为334 kJ/mol418kJ/mol。含有活性基的有机化合物或高分子可以直接和纤维形成醚键、酯键或其他牢固结合的共价键，如PAE的环氧基可和纤维羟基形成醚键。 （5）范德华力 即分子间作用力，包括偶极力、诱导力和色散力，键能约为8.28 kJ/mol20.07kJ/mol。当分子间距少于0.4nm时，开始发生相斥作用；反之则发生吸附作用。在浆中，各种添加剂之间的距离大于范德华半径，故分子间力是它们作用的主要形式。色散力是高分子作用的主要形式，且具有加和性。 （6）物理缠结 纤维素属于刚性分子，基本呈直链型构象。长纤维之间不发生物理缠结，所以缠结主要是指加入的聚合物分子间的缠结，即柔性分子链相互缠绕，作用点可以滑移。当一条分子链运动时，可以带动其他分子链发生相应运动，并将应力传递到整个网络上。 一般来说，纸页的强度指纸页承受各种机械力时的抵抗力，一般包括抗张强度、撕裂强度、耐折强度、抗弯强度、耐破强度、表面强度、内部结合强度和压缩强度等。由于水的浸湿会对纸页强度造成较大的影响，所以将纸的强度分为“干强度”和“湿强度”，相应的有纸张干强剂和湿强剂。 影响纸张强度的主要因素源于纸张原料的构成和生产工艺。从纸张原料来说，纤维种类和纤维平均长度、填料的种类和用量以及抄造纸料的pH值等，均会影响纸页的各种强度。如长的针叶木纤维纸张具有比短的阔叶木纤维纸张更高的强度性能；碱性条件下抄造的纸张具有比酸性条件下更好的纸页强度从生产工艺方面来看，适当增大湿压榨力和打浆度有利于增加纸页强度。 从纸页强度形成的角度来分析，影响纸页强度的因素主要有4个方面：（1）单根纤维的强度；（2）纤维间的结合强度；（3）纤维间的结合面积；（4）纤维的排列和分布情况，即纸页成形匀度。其中，第一项主要与原料的种类、获取纤维的制浆和漂白过程以及纤维的回用次数有关，湿部化学对其没有影响。对于第四项，纸页中纤维间的键合分布强烈地影响纸页的匀度，并受广泛范围内的机械和化学因素的影响。一般来说，差的匀度相应地影响纸页的强度；经验也表明，匀度很差的纸页不可能有好的强度。造纸工作者一直力图实现良好的匀度，匀度也强烈地影响纸页的其它性质。影响纸页成形的因素既有流体力学的作用，又有湿部胶体化学力的作用。湿部化学对纸页成形的影响主要通过控制纤维絮聚和纸料滤水来实现，过度絮聚导致＂团块＂的形成以及很差的纸页匀度，滤水过慢引起造纸机网前箱浓度升高，连带地也使得实现良好的纸页匀度更为困难。第二项和第三项同时受抄纸工艺和湿部化学的影响。通过适当提高打浆度和湿压榨程度、在湿部添加增强剂等，均可大大增加纤维间的结合强度和结合面积，从而得到较高的纸页强度。 9.2 干强剂纸的强度受纤维间结合的大小支配。纤维间结合的强度与结合部内形成的氢、共价的数量和质量直接相关。纤维间的结合可通过纸浆的、长纤维配比的增加或增强剂的利用来提高。打浆通过机械作用使纤维产生变形、润胀、压溃、切断和细纤维化等，使纸