胶体化学的发展及其在造纸工业中的应用

胶体化学的发展及其在造纸工业中的应用

08级化学4班

40807204

铁雨薇

胶体化学( colloidal chemistry) 是研究广义的胶体分散系的物理化学性质的一门科学[1] 。1861年Thomas Graham提出/ 胶体0( Colloid) 一词, 标志胶体化学的产生。1864 年, 英国科学家格雷阿姆对胶体进行了大量实验, 而且在多方面有开创性地研究, 导致建立了一门有系统性的学科) ) ) 胶体化学。但直到1907 年俄国科学家法伊曼才给胶体这个概念以确切的定义。他提出胶体是物质处在粒子大小为1~ 100 nm 之间的分散状态。而今, 胶体化学的应用已渗透到很多领域, 如造纸、食品加工、精细化工等工业。

1 蒸煮过程中胶体化学理论的应用及实践从胶体化学的观点来看, 制浆过程是将大块植物原料分散成纤维素分散体的过程[ 1] 。在蒸煮过程中, 蒸煮液的有效成分应充分进入原料内部。在浸透过程中, 存在两个作用: 其一是毛细管作用, 主要是靠压力差通过导管或管胞( 或纤维) 胞腔进行。毛细管浸透率与毛细管半径的四次方成正比, 与压力差成正比, 与蒸煮液粘度成反比。在纤维原料水分含量低时, 排除原料毛细管内的空气后, 浸透加快。试验证明, 沿纵向的毛细管浸透率比横向大得多。其二是扩散作用, 靠浓度差使蒸煮液中的离子扩散浸入原料内部。在纤维原料水分含量高至纤维饱和点( 即毛细管完全被水充满) 时, 离子浸透到原料中心的过程就主要靠扩散作用进行了。扩散作用取决于有效毛细管截面积, 试验表明, 在碱法蒸煮中, 木材发生内部润胀, 11碱液在纵向和横向上的扩散几乎一样, 因而浸透速率相近[ 2] 。

2 洗涤过程中胶体化学理论的应用及实践从胶体化学的观点来看, 纸浆与废液组成的是一种液态非均相系。由于含水纸浆与黑液的密度相差较小, 往往采用过滤的方法分离。过滤是利用有许多毛细空道的浆层作介质, 在浆层两侧压强差的推动下, 使洗涤液与悬浮固体，纤维分离。扩散过程为物质的传递过程。纸浆的扩散洗涤即是利用浆中残留废液浓度大于洗涤液的浓度的差别, 使纤维壁内外废液中的溶质分子自动移向水中, 水分子也向纤维运动以进行置换, 这就是分子扩散作用。

3 漂白过程中胶体化学理论的应用及实践从胶体化学的观点来看, 漂白过程是漂白剂离子通过化学作用除去木素或破坏其中的发色基的过程[3] 。现代漂白是多段漂白, 每段使用不同化学品和技术条件, 每段之间一般都带有段间洗涤[4] 。氯化(C) : 在酸性介质中与元素氯起反应。碱处理(E) : 溶解掉与烧碱(NaOH) 起反应的产物。二氧化氯(D) : 在酸性介质中与二氧化氯( ClO2) 起反应。氧化(O) : 在高压下于碱性介质中与分子氧起反应。次氯酸盐(H) : 在碱性介质中与次氯酸盐起反应。过氧化氢: 在碱性介质中与过氧化氢起反应。臭氧(Z) : 在酸性介质中与臭氧起反应。漂白流程的前期阶段主要是脱除纸浆的木素。这部分漂白流程可作为蒸煮脱木素过程的继续。一般说来, 明显的增白作用只发生在脱除残余木素之

后[5] 。

4 抄纸过程中胶体化学理论的应用与实践从胶体体系方面认识造纸化学较为容易, 例如, 大多数胶体体系可分成疏液的和亲液的两种体系[ 6] , 下面是这两种体系的主要特性。疏液系统的特性: 1 粒子的悬浮- 非溶液体系; o 溶剂和粒子间的吸引力或亲和力较小; . 体系不稳定导致聚集; . 界面存在有强烈地影响体系行为的粒子和悬浮介质。亲液系统的特性: 1 高分子的真溶液或者小分子的聚集; o 溶剂和离子间的强烈吸引; . 粒子与介质间无真正的分

解面。如果分散介质是水时, 可相应的称其为疏水和亲水胶体体系[6] 。由于造纸体系的分散一般是在水介质中进行的, 所以造纸系统中的分散胶体体系也可称为疏水体系和亲水体系。

4. 1 造纸湿部胶体体系的特性

下面列出了造纸湿部中一些典型的胶体体系。疏水胶体体系: 1 分散在水中的颜料; 分散在水中的细小纤维; . 分散在水中的松香胶粒; .分散的松香施胶液。亲水胶体体系: 1 溶于水的淀粉; o 溶于水的胶粒; . 溶于水的半纤维素; . 溶于水的表面活性剂、分散剂、湿润剂; . 溶于水的助留剂、助滤剂以及成形助剂。其中有两种亲水胶体是非常重要的, 第一种是助留剂和助滤剂、干强剂和湿强剂, 它们会影响亲水物质的行为。第二种则是缔合化合物如湿润剂、表面活性剂、消泡剂和分散剂。一般造纸系统中, 色料和细小纤维与水是可湿润并可作用的物质, 但实际上, 细小纤维表面通常被覆盖着一层纤维素和半纤维素形成的凝胶。即使是松香粒子分散后与水反应达到一定的程度也是不可能形成非常稳定的胶体分散体系的。对此问题的另一种看法是对单个粒子也可湿润, 在其表面上可吸附一定的水, 但它仍然是具有疏水特性的分散体系[7~ 8] 。

4. 1. 1 疏水分散系的稳定性

疏水分散系的研究主要是讨论它们回复到平衡聚集状态时的速度, 以上列出的所有疏水

胶体体系在造纸过程中都会变回到聚集状态。实际生产中, 造纸工作者非常希望能控制这种胶体的聚集过程, 以便能使各种物质在纸页中均匀地分布,并且能最大程度地保留在纸页中, 如果不能很好地控制这种胶体体系的聚集过程, 就会导致纸页质量降低, 以及产生沉淀等问题。疏水胶体分散系的稳定性通常用保持分散的能力来表示, 以及通过胶体粒子从液体中沉淀出所用的时间来测量。这种相分离也许是由于原分散粒子因重力沉降而变成更大的聚集体。疏水胶体聚集机理的主要类型包括:凝聚: 胶体悬浮液在盐和低分子质量、高电荷12 造纸化学品2004( 4)密度聚合电解质作用下的失稳。絮凝: 胶体悬浮液通过粒子与长链高聚物的结合而失稳。

4. 1. 2 疏水胶体颗粒的表面电荷

当固体颗粒分散在水中时, 静电荷在固、水界面上会产生积累。在造纸湿部体系中, 这种电荷也许由纤维表面产生电离的羧基和磺酸盐以及半纤维素、溶解木素、助留剂和阳离子淀粉等物质分子在表面上吸附而产生, 矿物填料如瓷土, 二氧化钛通过水在界面上的离子化以及其他荷电物质的吸附也会产生电荷[ 9] 。水是一种极性介质, 当造纸配料组分与水接触时, 其界面上常常带有电荷, 如配料中加入的高分子电解质电离时可使整个分子带电。若高分子电解质属两性电解质, 它的电离及分子静电荷强烈地依赖于介质的pH 值, 在低pH 值时分子带正电荷, 在高pH 值时带负电荷[10]。有些物质如纤维在水中并不电离却也能带电, 因为它的表面具有选择性吸附水中的H+ 、OH- 或其它离子的能力, 从而使其表面带上某种电荷。吸附不仅可使固体表面带电, 而且还可使已带某种电荷的表面改变电荷的符号, 这种情况常发生在加入高价反离子或吸附能力特别强的反离子。分散于水中的纸料胶体颗粒, 其颗粒具有离子性及表面层的分子结构, 当它具有极性时, 可从悬浮液中选择性地吸附离子, 因表面具有一定的电位便产生了动电行为。造纸过程中的动电现象是湿部化学的稳定要素。由于纤维素通常带的是负电荷, 因此要使带有同样负电荷的松香胶、填料等吸附于纸料纤维,就必须减少其相互的排斥力。当加入矾土液电解质时, 悬浮液的pH 值降低。控制加入量使Zeta电位接近零时, 颗粒的相互排斥力变小, 此时细料固体颗粒就会聚集在纤维表面上。从电荷的角度来看, 悬浮胶体颗粒带有相同符号的电荷, 界面电荷的存在会影响到造纸纤维悬浮液中离子的分布。胶粒表面带有同符号的离子, 而反离子分布在它的周围, 反离子一方面受胶粒的电吸引, 有靠近胶粒的趋势, 另一方面因本身的电排斥作用有远离胶粒的趋势。在大多数情况下, 一部分反离子和胶粒紧密地联在一起, 电泳时和胶粒一起移动, 这部分反离子和胶粒表面上的离子形成的电层叫作吸附层, 它的厚度大约是一个分子的距离; 另一部分反离子分布在胶粒周围,离胶粒越近越浓, 离胶粒越远越稀, 形成电荷符号与吸附层相反的另一带电层( 称为扩散层) [11] , 如图1 所示。