主要探讨高得率浆中DCS (胶体性和溶体性物质)在造纸湿部的絮聚行为。研究结果表明,通过动态滤水仪(DDJ)和光度分散分析仪(PDA)可以高效、直观地表征含高得率浆纸料中PCC填料的动态絮聚行为;利用原子力显微镜(AFM)图像,可分析高得率浆中的DCS被阴离子垃圾捕集剂(ATC)中和、絮聚的状态,并推断出DCS絮聚体吸附于纤维或细小组分的表面。文章来自中国学者论文网，本论文中心专业从事等业务，如需转载请注明出处，谢谢！参考资料：

　　关键词:高得率浆;溶解性和胶体性物质;动态絮聚行为;原子力显微镜

本课题得到中国-加拿大政府间国际科技合作项目(项目编号:2008DFA91290)的资助。
　　近些年,阔叶木高得率浆(High Yield Pulp,HYP)由于其独特的性能(例如较高的松厚度、不透明度和挺度)[1-2]在高附加值纸种的生产过程中得到广泛应用。然而,与漂白化学浆相比, HYP含有较多的溶解性和胶体性物质(Dissolved and ColloidalSubstance, DCS)及细小组分。现今纸厂白水系统的封闭循环很容易导致DCS和细小组分在造纸湿部发生累积。
　　高得率浆中的DCS主要由阴离子半纤维素、氧化木素、树脂酸和脂肪酸组成[3],这类物质能够与阳离子型造纸助剂反应形成聚合电解质复合体,进而降低造纸助剂的使用效率。DCS还对纸张性能和纸机运行性产生不利影响。
　　例如, DCS会明显降低纸张的许多物理性能、光学性能和印刷性能。减少DCS负面影响的xxx方法就是利用高阳电荷、低相对分子质量的聚合物(例如聚胺、PEI、PDADMAC、改性阳离子淀粉等)对浆料进行预处理。这类助剂通常被称为阴离子垃圾捕集剂(Anionic Trash Catcher,ATC)或固着剂[4-6]。ATC能够降低DCS的阳离子需求,致使DCS吸附或沉积在纤维、填料和细小组分的表面。目前,已有许多有关机械浆制浆漂白过程中DCS的形成以及对造纸湿部和纸张质量影响的研究报道[3-9],提供了许多关于机械浆产生DCS的化学和物理行为方面的信息。然而,鲜有数据证实DCS在造纸湿部纤维表面的吸附。文章来自中国学者论文网，本论文中心专业从事发表等业务，如需转载请注明出处，谢谢！参考资料：

　　随着现代显微技术的进步,xx可以采用扫描探针显微镜(Scanning ProbeMicroscope, SPM)和原子力显微镜(Atomic ForceMicroscope, AFM)将细微的表面结构展现出来。AFM技术已被广泛应用于生物科学和材料科学,研究聚合物和半导体的相关性能。
　　最近几年,有许多有关AFM在纤维素、残余木素、纤维表面、木素和纤维素复合体、纸张涂层等方面的研究报道[10-11]。
　　本试验主要采用动态滤水仪(Dynamic DrainageJar, DDJ)和光度分散分析仪(Photometric DispersionAnalyzer, PDA)模拟含高得率浆纸料的动态絮聚行为;通过AFM图像分析探讨DCS的絮聚和在纤维表面的吸附。
　　1　实　验
　　1·1　实验原料针叶木漂白硫酸盐浆(主要为云杉, SWBKP)、阔叶木漂白硫酸盐浆(桉木, HWBKP)和杨木高得率浆(HYP: 325/85,加拿大标准游离度(CSF)325 mL,白度85% ),来自加拿大Tembec公司。
　　SWBKP和HWBKP分别用PFI打浆至470 mL CSF和490 mL CSF;杨木HYP没有进一步打浆。3种浆料的DCS含量如表1所示。阳离子聚丙烯酰胺(CPAM, Percol292)和阴离子膨润土(Hydrocol 0)来自Hydrocol公司; PCC (AlbcarHO)取自加拿大SpecialtyMineral公司。聚乙烯亚胺(PEI;相对分子质量25000)来自加拿大Aldrich化学品公司。实验过程均采用去离子水。
　　1 . 2　动态絮聚实验动态絮聚实验的主要设备是光度分散分析仪(PDA),它能对悬浮液中的聚集体(或絮凝体)的絮聚或解絮状态的变化提供敏感的信号[12-15],而且在较宽的悬浮液和颗粒尺寸范围内都有效。
　　原理上,PDA是通过一个较强发光二极管发出的较窄光束垂直穿过浆料流动方向,如图1所示。随着浆料悬浮液不断地流过透明管,通过光束的颗粒数目是在不断变化的,这样导致悬浮液浓度在局部上是变化的。正是这个局部的变化引起二极管发出的光线强度变化,输出的结果采用电压表示(电压正比于光线强度)。在本实验中, PDA被用于模拟填料留着的动态变化。
　　所需实验装备如图2所示,为一个封闭循环装置。该装置可以动态表征填料的单程留着情况以及助剂作用效率随时间的变化趋势。
　　通过检测浆料悬浮液的相对浊度(Tr)来比较不同助留体系的絮凝能力,见公式(1)。方程中的数值应采用DC信号的{zd0}值来参与计算。典型PDA的电压输出信号如图3所示。电压信号的{zd0}值反映了加入助剂后填料的单程留着情况;一般随时间的变化和助剂作用效率的变化,填料单程留着下降,网下白水浊度上升,电压会逐渐降低。
　　Tr=TfTi=lnU0/UflnU0/Ui(1)式中:Tr为相对浊度;Ti为未絮聚悬浮物浊度;Tf为最终悬浮物浊度;U0为最初电压;Ui为未絮聚悬浮物电压;Uf为最终悬浮物电压。
　　图3　典型PDA的电压输出示意图将500 mL浓度0·5%的浆料悬浮液加入到DDJ中,循环流动直至稳定。DDJ网下滤液在设定的120 mL/min流量的蠕动泵作用下,通过直径为3 mm的透明软管,进入PDA。DDJ的机械搅拌设定为500 r/min。最初电压信号调整为10·0 V。大约60 s后,加入30%用量的PCC (对绝干浆,下同)。
　　对于单组分助留体系,大约160 s时加入0·05%用量的CPAM;对于二元助留体系,先在160 s时加入0·05%用量的CPAM,经10 s后再将搅拌速度提高到750 r/min, 15 s后降低转速至500 r/min,接着加入0·3%用量的膨润土;对于多组分助留体系,先在160 s加入一定量的PEI, 20 s后加入0·05%用量的CPAM,接下来的步骤与二元助留体系相同。所有的输出电压信号被PicoLog program (Pico Technology提供的软件)记录500 s。
　　1·3　原子力显微镜观察的试样制备向SWBKP、HWBKP和杨木HYP的混合浆料中加入一定量的PEI,将浆料悬浮液进行手抄片,不进行任何压榨。
　　所有的手抄片采取风干处理。将手抄片试样利用双面胶粘在金属基座上,利用纳米级-IIIa型扫描探针显微镜———AFM (Digital InstrumentsMe-trologyGroup, CA, USA)对纸页表面进行观察。采用标准探针(顶部为硅元素)选择敲击模式来观察纤维表面的地貌形态。
　　相图是敲击模式的一个延伸功能。它能够收集表面结构的纳米级别的信息。3种图像同时产生:高度图、放大图和相图。高度图是与高度相关的颜色变化图形,它是以x、y和z的3点数据方式贮存的;它也可以进一步处理,进行三维图像的观察,或产生定量的横向剖面图像。放大图是随着探针间歇地接触表面,由AFM悬臂的振动所产生的“纠错”信号产生的图像。相图是在敲击模式下由于探针接触不同的表面引起悬臂振动的变化,产生待测表面相的变化的对照图像。它可以提供一些有关纤维表面形态变化和材料变化的有价值信息。
　　2　结果与讨论
　　2·1　含高得率浆纸料的动态絮聚行为由表1可以看出,杨木HYP含有较多的DCS(15·80 mmol/kg);在相近pH值下,杨木HYP的DCS含量几乎是化学浆的4~6倍。
　　前期的实验结果表明[16],杨木HYP的白度越高,浆料中所含的DCS越多;在多组分助留系统中采用阴离子垃圾捕集剂,特别是高相对分子质量的聚乙烯亚胺,能够有效地xxDCS的不利影响。本实验结合DDJ和PDA进一步研究含杨木HYP纸料的动态絮聚行为。
　　图4给出了在二元助留体系中杨木HYP替代比例对填料留着的影响。理论上,较高的电压反映DDJ网下白水较低的浊度和网上细小组分较好的絮聚和留着状况。如图4所示,在第1点加入30%用量的PCC后,电压迅速下降,网下白水的浊度迅速增加,大量PCC填料通过成形网进入白水系统。当在第2点加入CPAM后,电压又迅速回升,说明浆料体系中的细小组分在成形网上得到很好地絮聚和留着。经过较强的机械剪切力后,网上的较大絮团被破坏成较小的微絮团。根据Hydrocol助留理论,在第3点加入阴离子型膨润土,使浆料体系中的微絮团形成“絮团网络”得以留着于网上(即得到电压的{zg}值)。
　　另外,由图4还可以看出,随时间的进一步延长,电压逐渐下降,说明网下白水的浊度在逐渐增加,助留剂的作用效率在逐渐下降,这也进一步验证了使用助留剂的一个重要原则就是浆料体系加入助留剂后要在最短的时间内上网成形。
　　图4　二元助留体系中杨木HYP替代比例对填料留着的影响由图4可以看出,随着杨木HYP替代比例的增加,系统的填料留着逐渐下降,这主要是由于杨木HYP的DCS的负面影响引起的。相对浊度很明显地从-0·084增加到0·037。此处出现负号的原因是:参照公式(1)和图3可知,参与计算的电压信号{zd0}值Uf大于最初电压U0。通过动态絮聚模拟进一步证实杨木HYP的使用对传统二元助留体系具有一定的负面影响。