湿端电荷测量原理.ppt

湿部电荷测定原理与助留助滤剂的应用 1.电荷分析的意义 在造纸湿部系统的控制中，获的能表征系统状态的湿部化学参数是重要的一环，而湿部电荷分析技术则是湿部化学控制的有力工具。电荷测量用于造纸湿部化学控制的研究一直很活跃，据近几年TAPPI造纸添加剂委员会助留助滤分会的调查结果显示，纸料的电荷最需要在线测量技术，因为纸料组分的电荷会影响细小纤维的留着、填料留着、染色效果、胶料乳化、胶料留着等造纸过程，纸料对化学添加剂的吸附与留着均受静电荷的影响，所以纸料组分的静电荷在许多湿部化学现象中起着重要的作用，测量和控制这些电荷在湿部化学过程控制中是非常关键的一项技术。 2．电荷的来源 2．1纤维和细小纤维的表面电荷：半纤维素、氧化的纤维素、氧化的木素上的基团电离产生 2．2颜料和填料的表面电荷 2．3聚合电解质的溶解电荷 3．电荷分析方法 检测造纸湿部电荷的两种应用最广泛的技术是利用Zeta电位的方法和胶体滴定法。尽管这两种方法可以指导人们了解造纸系统中的电荷，但他们检测到的物理／化学性质差别很大。从热力学的角度看，动电学测量的是内涵性质，而有胶体滴定测得的电荷需求量是一种广延性质。 3．1Zeta电位法 造纸物料中的颗粒一般都带有负电荷，颗粒表面的负电荷吸引着束缚在表面上的一层平衡离子（这种情况下为正电荷）和一层水分子，此层称为Stern层，由于此约束层的存在，不可能直接在表面测量电荷数量。然而，可以测量约束层和溶液本体之间的剪切平面上的电位，此电位即为Zeta电位。扩散层在此平面以外，那里离子成分逐渐接近溶解本体的成分。这代表经典胶体化学的“双电层”。 3．1Zeta电位法 3．1Zeta电位法 利用Zeta电位对造纸湿部进行电荷分析，有以下特点：（1）Zeta电位是对微粒表面电荷密度的间接说明，他无法表示体系总的电荷量。（2）Zeta电位只与微粒表面电荷有定性的关系，它依赖于许多人为和技术因素，如：试样温度、离子强度及筛出胶体的技术等。（3）大多数Zeta电位分析的限制是他们只能分析物料中在胶体粒子尺寸范围的组份，这里不包括除细小纤维以外的所有纤维，对以可溶胶体存在的阴离子垃圾很不敏感。（4）Zeta电位还能反映电荷的分析状况。Zeta电位的测量中，电荷的大小和电性可由在给定电场中微粒的运动而得出。由于这些电荷引起的反应可强可弱，并依赖于微粒表面组成，因此Zeta电位分布可能是变化的（不是所有的微粒带有相同的电荷），尤其是在不只一种物质的条件下，如矿物填料＋纤维素纤维。 要获得浆料的最佳留着率和滤水性能，条件之一就是在等电点（Zp＝0）下抄纸。生产实际中，需要监控湿部系统中的Zeta电位变化趋势，保证在Zeta电位接近零时抄纸。因此测定上网浆料（网前箱中）的Zeta电位是非常重要的。前人工作指出：Zp＝0并不能保证抄纸处于最佳条件，尤其是在考虑化学添加剂如阳离子聚丙烯酰胺的留着率时。如果投加的阳离子化学品在与纤维、填料中和之前先于阴离子垃圾电中和，那么即使Zp接近于0，留着率也会较低。 测定Zeta电位的作用在于：判定体系电荷性质，决定在调整其时应加入何种性质的聚电解质。这一作用需在其他方法的配合下才能较好发挥。 3．2胶体滴定法 3．2．1溶解电荷的测定 可溶电荷量的测定依据是聚合电解质可与带相反电荷的聚合电解质或表面活性剂形成复合物。聚合电解质复合物中的作用力包括静电作用、憎水相互作用、氢键和范德华力等。在反应中由于聚合电解质分子的长链结构，当反应物分子之间某一对链段一旦发生复合反应，相邻链段由于不需要发生分子构型的显著变化，更加容易发生复合反应。 一般认为，聚合电解质复合物的形成过程是两步机理：首先是电荷相反的两个聚合物相互接近，这是一个扩散过程；然后是已经接近的聚合电解质链段上相反电荷的中和过程，这一过程与聚合物的结构、电荷密度和反应体系内的小分子电解质有关。 对于聚合电解质复合物的超分子结构，Michaels提出“炒蛋模型”（scambled－egg model）。一般认为，这个模型比“软梯模型”（ladder model）更接近于真实情况。从试验结果可以发现，“炒蛋模型”和“软梯模型”仅是两种极端的情况。一般的结果位于两者之间，但更接近于前者。所以即使两种聚合物上电荷间距不同，仍可以实现一一化学计量。对于柔韧的聚合物，这种一一化学计量非常好，所以胶体滴定即可用于测量聚合物上电荷的量，又可以测量聚合物本身的量（如果其当量重量是已知的）。在一些情况下，立体或几何因素可能会阻碍“良好”复合体的形成，严格一一化学计量的偏差是可能的。可以发现，刚性结构大分子的这些几何因素不许电荷靠得很近，以达到完全的电荷中和。在实际情况中，一一化学计量的聚合电解质复合物的形成，可以认为是精确的或较为