温度控制器原理国内制浆造纸自控及仪表现状与发展
　　　|　　　
　　　|　　　
　　　|　　　
　　　|　　　
以质为本　科技创新
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
产品分类　　　　　　　　　
联系我们　　　　　　　　　　　
24小时值班电话：　　　　　　　　　　　　　　　　24小时手机：　周经理　　　　　　　张经理　　　　　　　陈经理
支持淘宝交易
在线旺旺：外地进货，一律货到付款
您现在的位置：&&>>&&>>&正文
温度控制器原理国内制浆造纸自控及仪表现状与发展
当前位置: 首页 > 纸业资讯 > 行业指导 > 行业技术 > 正文 国内制浆造纸自控及仪表现状与发展style="text-indent:2 padding:0 margin:0line-height:240%;">摘要:制浆造纸过程是一个复杂的工业过程,具有高度不确定性、非线性、关连性、大滞后和状态不完全性等特点,目前控制系统以现场总线为核心,正朝着整厂集中控制的方向发展,控制内容更具广泛性,控制方式更具专业化。本文分析了我国制浆造纸自控及仪表的现状和发展趋势,阐述了自动控制系统在制浆造纸生产中的重要作用,对具体的控制方式进行了探讨。关键词:自动控制;仪表;通讯;现场总线;PROFIBUS-DP;DCS制浆造纸生产的自动控制,过去应用的范围十分有限,主要集中在制浆过程的局部简单仪表控制和纸机的电气传动控制方面,大量的控制内容是通过现场人工调整实现的。改革开放以来,通过国外先进技术产品的引进,以及借鉴相关行业自电脑开机报警动控制方面的经验,自动控制在造纸生产中逐步得到了应用,正朝着整厂集中控制的方向发展。近年来,许多厂家在生产过程的重点环节进行了自控系统的技术改造,如蒸煮控制、盘磨控制、配浆控制、上浆流送控制、纸机传动、纸机干燥部多段通气控制(热泵控制)和水分定量检测等方面,取得了明显的效果。1.1制制浆过程制浆过程的自动化控制主要集中在蒸煮、磨浆、配浆和打浆的控制,主要控制参数有:液位、温度、压力、流量和浓度等。从过程控制的层面上来说,一方面对生产过程的电动机和电磁阀进行逻辑、顺序的控制;另一方面对罐类和工艺管道上的各种阀门进行工艺参数的调节。制浆设备中,单体设备较多,由于种种原因,制浆设备本体的机电一体化产品不多,相当部分企业在制浆过程中自动化程度普遍不高。近些年盘磨、挤浆机电脑报警音、热分散等设备在自动化控制方面有了较大的进步,设备性能有所改善;在配浆和上浆浓度调节部分的改造较多,对提高和稳定产品质量,取得了一定效果。制浆生产的自动控制系统最初可以认为是仪表控制系统和继电器逻辑控制系统的结合,主要由二次仪表作为控制器来进行单回路或多回路的自动控制。许多厂家一直延用至今,基本上是一种独立、分离的控制。随着电子技术的发展,从20世纪80年代开始,以PLC为主流产品的控制器得到了普遍的应用。由于最初的PLC控制器以逻辑、顺序控制为主,形成了一方面采用PLC控制器进行电动机、电磁阀的联锁和控制;另一方面采用二次仪表作为控制器来进行单回路或多回路的自动调节控制。从80年代末期开始,PLC控制器的功能和技术概念发生了重大变化,以一个过程控制系统的面貌出现;而且在k型热电偶补偿导线组态方便性和灵活性上有了很大改善,以其容量、速度、字长、周期等为指标,形成了系列产品,从而具备了从事复杂控制的能力。PLC控制器在制浆造纸生产的局部自动控制中得到了普遍的应用。新型操作终端的出现和CRT显示技术的进步,特别是PLC控制器通讯能力的加强,使智能的、动态的人机界面越来越多地应用在制浆生产的关键控制点,如蒸球、磨浆、配浆等部分,在被控现场配置液晶或等离子显示真彩操作终端,可方便的与PLC联接,融入控制器的操作系统中。触摸式界面在用户规定的刷新时间内提供各种实时数据,显示相关状态参数、设定值与实测值,且以数字量形式或棒图形式显示组态相关参数图形;同时,触摸式界面还具有各种操作功能,可进行参数的设定和逻辑控制。为了在控制室可清楚地反映生产过程的整体和局部信息,利abb智能家居系统用上位计算机,对生产过程进行集中监测、操作和管理。操作人员可以从控制室的显示器上所显示的不同画面中,观察到生产过程的状态,并在专用的操作终端上或直接在控制显示器上对生产过程的各项工艺参数进行控制。制浆造纸的生产过程,从控制上来说,是一个多设备协调的联动系统,尤其是企业向着大规模化的方向发展,原有落后的控制方式越来越不能满足生产的要求。这样DCS就应运而生。DCS,即集散控制系统,又名分布式的计算机控制系统,是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量技术、通信网络技术、CRT显示技术和人机接口技术相互渗透发展起来的。DCS集散型控制系统,从结构上讲就是将采集和控制分散在多个现场控制站,而将操作和中央供料系统配件监视功能集中在一个或多个操作站。它从硬件上采用标准化、模块化和系列化产品,系统上各工作站是通过网络接口相联接的,各工作站能完全独立地运行。系统的实时控制网络使系统资源共享,对系统结构组态进行在线修正、在线维修。它的突出优点是系统的硬件和软件都具有灵活的组态和配置能力。软件的开放性尤为突出。制浆造纸生产过程的DCS控制系统包括若干个子工段控制系统:如湿法备料及连蒸、白水回收、洗选漂、抄纸、烘缸三段通汽、上浆浓度和QCS等等。每个控制子系统既有着相对的独立性,又彼此互相联系。因此整个系统采用控制环节分散、数据处理集中的方式,即多操作站的DCS系统。DCS通过系统总线把车间和各工段的DCS联成一个网络。各DCS子系统主要由基本I/O单元、过程主站、操作站、报警站、操作终端、显示器、报警打印机和报告消防报警系统安装打印机组成,再加上生产现场的检测仪表和执行机以及控制中心组成一个完整的造纸生产的自动控制系统。DCS控制系统的系统结构一般分为过程控制级、自动化级和现场级。系统硬件配置一般为:●工业控制计算机作为操作员站组成上位机管理系统。●大型控制器组成自动化中心控制系统。●操作显示终端作为现场人机界面。●分布式远程控制站作为控制单元。过程控制级的操作界面采用工业控制计算机,使用标准软件和网络,以实现过程诊断、过程监视、控制及信息管理。标准的显示和操作窗口,实时显示工艺流程控制点的过程参数,操作员可以很方便地通过动态画面,实时监视设备状态,如液位高低,阀门开度、电机启停等;同时,根据该工段的工艺流程需要,及时对设备进行控制。对于调节回路有两种控制方式,即自动调节和手动调pt100分度表节。当点击画面上的自动手动旋转开关,可以切换自动手动方式。在自动状态下,调节回路由PLC进行控制,自动调节阀门的开度。此时,若点击阀门,将出现提示窗口,提示此时是处于自动状态下,不能手动调节阀门。若处于手动状态下,操作工可以自行调节阀门开度。发现异常事件,作出提示、报警及处理命令;并可调阅与修改控制参数,远程切换工作状态,故障诊断及报表打印;也可保存生产报表及报警信息。过程控制级的PC机,通过生产管理网络,接受中心PLC的生产数据,向经营管理网络传送各类生产数据及接受各类生产任务。过程控制站的控制能力至关重要,主要以控制功能块的能力、数量、组态方便性和灵活性来衡量;过程控制站的可靠性和环境适应性同样重要,可通过冗余配置使其可靠性更高,但目前在造纸生产线的应用还很少见,其道口烧鸡主要考虑的是其性能价格比的原因。自动化级均采用装有单处理器或多处理器的高性能大型PLC控制器。自动化级与过程控制级的通讯由工业以太网实现。与现场级的通讯由PROFIBUS-DP通讯网络实现,作为一部分的中心控制单元,根据工艺要求控制现场设备的运行状态。完成各现场PLC所组成的子系统之间的协调控制。目前较为普遍的配置是采用大型控制器组成自动化中心控制系统,即过程控制级。系统容易扩展和具备网络通讯能力;采用分布式结构,远程智能化接口提供了各种电压和保护等级的数字、模拟I/O单元,可以集中放置,也可以分散安装在现场。为使人员方便操作,并考虑到工艺工程师和控制工程师的需要,每一工段配置一台上位监控微机,作为普通级操作员站,操作员可通过上位机对现场设备进行操作和控制。现场级,主要由标霍尼韦尔中国代理商准的系统产品连接在现场总线上。(1)现场操作面板。操作面板适合于分散的、与设备相关的控制和监视。不同的传动和传动组均可有标准的图形显示及相同的操作步骤。现场操作与显示终端以动态图形实时显示生产数据,现场操作人员可通过触摸屏操作现场设备。(2)远程I/O站。远程I/O站通过现场控制网络、联接中心控制PLC、交换各种实时信息;通过I/O口,联接智能过程控制仪、变送器等实施调节控制。根据现场设备的布局,采用分布式布局,就地实时响应生产过程事件,极大地减少了现场至控制室的电缆联线,使生产过程控制局部化、模块化,不仅提高了系统的性能,使风险系数降低,而且又有利于系统的扩展与维护。(3)驱动单元,如变频控制器,调节阀等。监控系统是DCS系统的一个重要组成部分,采用的过程监控系统的特点适合于对过程事件的快速消防设备报价反应。过程监控系统的基本功能:图形系统:通过组态,可构成丰富多彩的动态参数控制画面。信息报警:捕捉过程信息和本地事件,将这些内容归在档案库中,并在需要时有选择地提取它们,或直接转移到相关的过程画面上产生报警信息。生产报表:提供一套报表系统,可方便地对历史数据或即时数据组合生成用户所需的生产报表。工艺流程图:动态显示全厂工艺流程,使操作人员能了解全厂各工艺段的运行状况,便于调度管理。设备工况运行图:动态显示各厂内设备的实时运行状态,随时了解厂内的设备及生产情况。浏览系统:在自动化系统的服务器中,应支持3～10个客户的网上浏览,这样,业主在一些管理或技术部门的办公室里,可以对整个工厂的运行情况进行浏览。系统自诊断:集成控制系统应有一套完整的自诊断功能,可以在运铂热电阻pt100行中自动地诊断出系统的任何一个部件是否出现故障,并且在监控软件中及时、准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点及相关信息。在系统或工艺设备发生故障后,I/O状态应返回到工艺要求预设置的状态上。系统操作权限:整个监控系统应有多个操作级别,每个级别均应有各自的用户和口令,它能防止用户越权存取显示数据和系统功能,具有相当高的安全可靠性。1.2制造纸过程造纸过程的自动化控制突出地表现在纸机的传动控制方面。因纸种变化,纸机的速比变化较大,浆料配比、不同纸张特性等,使纸机车速需要有较大范围的调整;同时电网电压、频率和负荷的波动,也会引起纸机车速的变化,烘干部各段不同的加热温度,都会使纸页产生纵向的收缩,因此,要求纸机传动控制系统是一个稳定、精确、同步、协调的变速传动系统热电偶的定标与测量。造纸生产过程的电气传动,分为定速传动和变速传动。定速传动主要有泵类、搅拌类电机,现在对于大功率定速电机的控制,已逐步推广采用具备良好起动功能的软起动控制器。由于纸机传动控制目前几乎毫无例外地采用多点分部传动的形式,客观上对自动控制系统提出了快速、精确、稳定和可靠等较高的要求;又因纸机传动在生产中的特殊重要地位,纸机电气传动控制的一般配置由较大型PLC控制单元、矢量型变频单元和生产管理计算机组成。运用PROFIBUS通讯协议构成先进的现场总线网络,传输各种生产数据,执行生产指令;控制各传动点的运行状态。近些年电气传动系统普遍采用国外进口控制装置,传动系统的稳速精度、动态响应和可靠性等方面得到了大大提高。其通讯功能强,具有多种通讯协议;参数范围广,可适用于各种应用消防报警设备图例场合;能自动测试负载特性,实现系统的最优化;能通过磁通电流控制自动进行负载补偿,完善的保护功能如:过温、过压、欠压、失步、接地错误等等;如力矩控制、张力控制、卷径计算等,能满足造纸工业的各种特殊工艺要求,使长期困扰厂家的国产模拟控制装置的诸多问题有了根本性的改变,提高了生产效益。目前传动系统已由最初的模拟控制向全数字网络通讯方向过渡,后者分辨率更高、控制更精确,同时,作为整厂集中控制系统的一个子系统,便于与其它有关部分通过数据网络联接,因此,一些著名品牌高档次的控制器正越来越多地得到应用。与制浆过程所不同的是,纸机本体设备如:流浆箱、压光机、卷纸机、切纸机、复卷机等,设备本体配备的自动化技术水平是较高的。实践证明,纸机主传动系统自普遍采用数字式驱动装置以来,控丹佛斯 温度传感器制精度和系统的安全可靠性得到了极大提高,已完全能够满足纸机向大型、高速发展的需要。除此而外,上浆系统、蒸汽冷凝水系统、真空系统、损纸系统、涂料制备系统等控制也是十分重要的。QCS纸页质量检测控制系统是一种新型高技术产品,是纸机控制纸页质量的最有效的手段。目前国外产品占主要地位,国内研究开发多年,与国外产品尚有较大差距。目前在大中型纸机上的应用还是较为普遍的,为监测纸页水分定量,掌握工艺参数提供了很大帮助;便于产品质量的控制。但由于种种原因,绝大部分并未与上浆浓度和烘缸温度实现真正意义上的闭环自动控制。2.1制控制系统以现场总线为核心自动控制系统向综合化、开放化发展已成必然,工厂自动化要求各类设备之间的通讯能力更强,相互融合。以现场总线为核心的集散自动控热电偶与热电阻区别制系统FCS正在兴起,开放的结构将方便地与所有控制设备系统进行数据交换,成为真正集成的、贯穿全系统的新型自动控制系统。2.1.1制全集成自动化思想随着工业自动化现代控制理论和计算机技术的迅速发展,使得工业自动化过程控制系统能够在系统各层次之间的数据交换量迅速增大,这就为实现一种全集成自动化控制思想提供了基础。全集成自动化思想就是用一种系统完成原来由多种系统搭配起来才能完成所有功能的系统。应用这种解决方案,可以大大简化系统的结构,减少了大量接口部件,应用全集成自动化可以克服上位机和工业控制器之间、连续控制和逻辑控制之间、集中与分散之间的界限。同时,全集成自动化解决方案还可以为所有的自动化应用提供统一的技术环境,主要包括:统一的数据管理、统一的通讯火灾自动报警图集、统一的组态和编辑软件等。基于这种环境,各种各样不同的技术可以在一个用户接口下,集成在一个有全局数据库的系统中。2.1.2制现场总线工业控制自动化技术是保证生产高效可靠运行的重要手段,20世纪90年代,现场总线控制系统的出现和应用,标志着自动化技术的又一次飞跃,传统控制系统设备间的一对一联线,不仅增加安装维护费用,也降低了系统的可靠性,带来安全隐患;模拟信号传输,限制了传输媒体和传输结构的选择,信号的精确度受到影响。因此,工厂构建一个合理的局域网是十分重要的,不仅要考虑控制系统的通讯网络的特点和安全性,还必须考虑与工厂原有控制系统的通讯网络的互联和可能扩建工程生产线的联网,以达到数据通讯资源共享的目的。现场总线是现代控制系统的核心,本质上是一种数字化通信铠装热电阻wzpk 336协议,是连接智能现场设备和自动化系统的数字化、全分散、双向传输、多分支结构的通信网;由于其在工业控制自动化的前沿地位,代表了技术发展的方向。PROFIBUS现场总线由于其高实时性及技术较为成熟,在全世界范围得到了广泛的应用,也是目前国内应用最普遍的一种。PROFIBUS现场总线是基于国际标准EN50170的开放的现场总线,它主要用于现场控制及检测采集单元的数据交换,采用令牌调度原理进行数据通讯,主要包括最高波特率可达12 M 的高速总线PROFIBUS-DP(H 2 )和用于过程的本安型低速总线P R O F I B U S - P A(H 1 )。D P 和P A的完美结合使得PROFIBUS现场总线在结构和性能上优于其他现场总线。既适合于自动化系统与现场信号单元的通讯,也可用于直接连接带有接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表及设备,对现场信号进行采集、监控和处理,用一对双绞线替代了传统的大量的热电偶 热电阻区别传输电缆。2.1.3制仪表(总线型变送器)由于控制系统发生了新的变革,为了适应现场总线控制系统的要求,仪表、变送器已经从模拟型、智能型发展到了现场总线型。现场总线作为一种数字式通信网络从控制室一直延伸到生产现场,使过去采用点到点式的模拟量信号传输变为多点一线的串行数字式传输。在现场总线型变送器中,其优越性是显而易见的:全数字传输,稳定性和精确度高于智能型变送器,除了保持智能型变送器优良的测量性能外,还增加了运算和控制功能,内嵌有PID控制、逻辑运算、算术运算、累加等模块,用户通过组态软件对这些功能模块进行任意调用,实现参数的现场控制。多变量测量是现场总线型变送器又一特点,即一台变送器可以同时测量多个过程变量。由于每台现场总线型变送器内配有多个感测元件,它就可火灾自动报警产品以同时测量多个过程变量,并通过现场总线传输出去。目前,世界各大仪表生产厂都相继推出了现场总线型变送器,通过认证的变送器已经有60多种。综上所述,现场总线型变送器已经不是传统意义上的变送器了,它是一个集变送、控制和通信功能于一身的现场设备。现场总线型变送器的出现,必会给仪表和自动化领域带来新的革命性变革。2.2制控制内容的广泛性和控制方式的专业化制浆造纸过程是一个连续的过程,自动化控制是根据生产工艺的特点和要求,实现全过程、实时有效的控制,更好地为生产工艺服务,因此,控制内容将进一步扩大,控制系统的控制模式或方法将更加符合或贴近生产实际,更具有独创性和专业性。在控制方式上,应用如自适应、自诊断、最优化等手段,在软件的设计中采用容错等新的先进的技术成果,在pt100增强系统可靠性的同时,结合制浆造纸生产的设备与工艺实际,提高系统控制的实际效果,成为自动控制方面努力的目标。按照系统分散控制的概念,生产过程的系统划分会更细、更单元化。随着制浆造纸生产设备的不断进步,单机本体设备的自动化程度会有所提高,控制系统的层次会更加分明,会形成既相互独立,又全系统贯通的自动控制结构。如造纸生产自动控制系统将分为过程控制DCS系统、设备控制MCS系统、质量控制QCS系统、断纸监测WMS系统、纸病监测WIS系统,马达控制中心MCC等,而这些系统又都将被集成在一个更大的网络中。麦草湿法备料和蒸煮工段近几年纷纷由间歇蒸煮向连续蒸煮变革。连续蒸煮工段应用DCS系统较为普遍。鉴于连蒸系统的工艺过程是一个高温高压过程,具有一定的危险性,控制系统的发展将首先高度重视系统的欧姆龙温度控制器安全性和可靠性,除软件的设计中采用容错技术外,CPU双备冗余系统应被考虑;其次,通过销鼓计量器的草片量与加入“T”型管药液的流量的比值控制是蒸煮的关键,运行中比值的控制精度影响着产品的质量,因现采用以销鼓计量器的转速比间接检测草片量的方法,误差较大,有待改进;洗、选、漂工段,除砂器和压力筛的进浆和出浆压力的压力差,应得到有效的控制,以提高除砂和筛选的效果;对于双辊或双网挤浆机,采用双点传动、具有负荷均衡分配的变速控制会得到推广,使得浓缩过程变得容易调整;在漂白部分,对于进入混合器的氧化物漂剂,应实现流量的自动控制;在磨浆部分,无论是单盘磨、双盘磨或锥型磨,采用功率控制磨浆间距的方法是完全成熟的,主要受到进退刀传动机构精度的制约,如采用液压传动系统,将显著改善设n型热电偶备品质。国内废纸制浆中,热分散设备才开始应用,从系统上讲热分散生产线对自动控制的要求是较高的,控制的内容有温度、压力、位置间隙等,其控制系统有待于进一步完善。由于纸机生产向高产量、高品质的方向发展,对纸浆的配浆及浓度控制的要求不断提高,因此,上浆浓度的调节和控制将越来越普遍地得到应用。造纸过程的多分部传动近年应用变频控制技术效果显著,实现了电动机在长期恒定负载下的连续运行,系统的热稳定状态较为理想。各分部传动点应处于硬速度特性,由于纸页经过加热会出现收缩变化,在压光、卷取部需要一定幅度的软特性,除了加装张力传感器进行动态速度补偿外,在中小纸机上利用矢量型变频器具有的自适应功能块,根据输出转距的变化,通过速度补偿自适应调节,实现间接张力控制应温控仪接线图得到推广应用,以减少断头和人工干预。但驱动器的动态参数优化功能没有充分发挥出来,在遇到负载扰动时,快速的抑制和调整的时间还不适应,特别在大型高速纸机上,变频器直流侧母线电压过高的情况时有发生,因此,采用公共直流母线作为各逆变器的馈电系统会得到更多的应用。纸机过程控制将归类于DCS系统:包括上浆系统、蒸汽冷凝水系统、真空系统、损纸系统和涂料制备系统。纸机设备本体的过程控制内容将统一规划,称为MCS。流浆箱的流速与压力、润滑油的循环、压榨部的线压、网部的摇振和移动喷水、网和毛毯的纠偏、压光机的液压系统、卷取部的气动系统等将在设备本体控制系统的基础上,集中管理。MCC马达控制中心将向智能化方向发展,如果条件允许,将摒弃MCC室内放置远程I/O的模式,每个电机控制单元,可看作FCS系统控制下海湾消防设备报价的一个执行器。若采用PROFIBUS P联接,则每个电机就是一个DP站点。纸页质量控制系统QCS的应用会更广泛。为能帮助改善质量,提高产量和降低成本,除了纸页定量和水分的测量和控制外,还包括灰分、厚度、白度、光泽度、平滑度、透明度、涂布量等内容的测量和控制。重要的是QCS应与上浆浓度和烘缸温度等相关参数实现真正意义上的闭环自动控制。对于普通纸机,选用纵向质量测量和控制;对于大型或有特殊要求的纸机,还会增加横向质量测量和控制。断纸监测系统WMS目前在国内的应用还极少见,即采用摄像技术在纸机容易断纸的地方进行监测记录,断纸发生时,该系统将自动追溯存储在摄像机中的断纸前一定时区所捕捉到的断纸信号和相关纸病信号,图像会与生产同步,使技术人员快速判定断纸区域和断纸原因。纸病监测系统WIS,用于在线检验温度传感器型号如斑点、孔洞、皱纹、裂口、条痕等纸病,可与切纸机联接,剔除次品。检验数据也用于质量管理,确定纸病的成因。目前制浆造纸企业的生产过程如烘缸表面温度控制、烘箱干燥温度连续控制、压榨辊线压力控制、纸页张力控制等还是采用间接的或手控的方式进行的。这些都有待于推广和应用。制浆造纸过程是一个复杂的工业过程,也是一项技术性很强的工作,具有高度不确定性、非线性、关连性、大滞后和状态不完全性。目前,国内造纸行业的自动化水平总的来说还属落后的,我们应从生产过程的优化控制等底层自动化方面开始做起。在系统配置时,应使厂家的有关技术人员充分了解所选的控制系统的硬件、软件及其技术特性;结合工艺设备及其控制要求,应充分考虑管理信息系统的要求,使全厂的控制系统构成一个能够相互通信什么是自动控制系统、相互调阅的生产管理系统。以便使厂部生产指挥部门可更迅速、更全面地掌握全厂生产过程、状态,指挥调整工艺运行参数,及时进行生产调度和优化,为企业的发展服务。相信较短的时间内我国制浆造纸自控及仪表的控制水平会有一个飞跃。我要发表评论:查看评论上一篇:下一篇:近期热门图片更多...纸业论坛新贴更多...纸业论坛热贴更多...纸商通会员最新供应更多...纸商通会员最新求购更多...关于中纸网 服务项目 刊登广告 信息反馈 资讯投稿 登录邮箱 自动访问 收藏本站 联系我们电力系统非线性控制
上一篇文章： 下一篇文章：
潍坊市得普环保设备有限公司主营产品：
　电话：　87227　传真：　24小时手机：　　E-mail：　QQ：711495　邮编：2260511公司地址：山东省潍坊安丘市潍安路221号　技术支持：安丘在线复旦大学身边的材料科学期末考试题_百度文库
两大类热门资源免费畅读
续费一年阅读会员，立省24元！
复旦大学身边的材料科学期末考试题
上传于||文档简介
&&复​旦​大​学​《​身​边​的​材​料​科​学​》​期​末​考​试​题
阅读已结束，如果下载本文需要使用1下载券
想免费下载本文？
定制HR最喜欢的简历
下载文档到电脑，查找使用更方便
还剩8页未读，继续阅读
定制HR最喜欢的简历
你可能喜欢 上传我的文档
 下载
 收藏
该文档贡献者很忙，什么也没留下。
 下载此文档
正在努力加载中...
纸浆电阻应变流速仪的改进
下载积分：1500
内容提示：纸浆电阻应变流速仪的改进,纸浆电阻应变
文档格式：PDF|
浏览次数：0|
上传日期： 21:56:52|
文档星级：
该用户还上传了这些文档
纸浆电阻应变流速仪的改进
官方公共微信表面活性剂与制浆造纸
核心提示：表面活性剂与制浆造纸一、概&&& 述
&&& 表面活性剂在制浆造纸工业中的使用越来越受到造纸科学工作者的重视。据报道在英国表面活性剂的消费为纸张总产量的0．05％左右。
&&& 表面活性剂加入到液体中时，即使浓度非常小，也会自发地引起表面或界面间张力的强烈降低。表面活性剂结构上具有两性特点，其一端具有亲水性，另一端则具有疏水性。l这种两性分子会自身定向排列在溶液表面上，极性基团伸向水中，而疏水的烃基则伸向空气或者油的界面，从而降低液体的表面张力。表面活性剂能起乳化、分散、增溶、润湿、发泡、消泡、润滑、洗涤、柔软、抗静电、防腐蚀等作用。
制浆过程主要是从木材中将木素、半纤维素、树脂、色素以及灰分等尽量地与纤维素分离开，表面活性剂的作用就在于分离杂质，提纯纤维素。在生产人造纤维的过程中，人们往往在浆粕．的碱浸渍时添加表面活性剂，这是借助表面活性剂的分散作用和洗涤作用来达到除去树脂的效果。在漂白工序中添加渗透性好的阴离子和非离子表面活性剂(一般用量为0。o3％～0．o5％)，能取得均一的漂白效果。此外，在纸浆漂洗过程中加入洗涤活性物质烷基苯磺酸钠和壬基酚聚氧乙烯醚，也能获得良好的洗涤鼓果。另外在废纸脱墨、造纸施胶、毛毯洗涤及造纸涂布涂料分徽剂等≥表面活性剂都有广泛的应用。&
二、表面活性剂的特点
&&& 当一种物质加入到某液体中，若能使其表面张力降低，人们则称这种物质具有表面活性。具有表面活性的物质叫作表面活性物质。
&&& 表面活性物质可以分成两类。第1类是随着其浓度的增大，溶液的表面张力逐渐地下降，如图1曲线1所示，像乙醇、丁醇、醋酸等就属于此类表面活性物质；第Ⅱ类是在低浓度时，溶液的表面张力随表面活性物质浓度的增大而急剧地下降，但增加到一定浓度以后，曲线开始变得平坦，如图1中曲线Ⅱ所示，如肥皂、合成洗涤剂等就属此类，这类表面活性物质叫作表面活性剂。因此，具有表面活性的物质并非都是表面活性剂。
图1表面活性物质与表面张力的关系示意图
&&& 从化学结构上看，所有的表面活性剂分子都是由极性的亲水基和非极性的亲油基两部分组成的。亲水基使分子伸向水相，而亲油基则使分子离开水相而伸向油相，因此表面活性剂分子是两亲性分子。它们的亲油基是由烃基构成的，而亲水基却是多种多样的。由于表面活性剂具有很大的表面活性，故在工农业生产及日常生活中广泛地用于乳化、分散、增溶、润湿、发泡、洗涤、柔软等各种用途。
&&& 表面活性剂的应用已有很长的历史，在古代就有人用草灰与山羊脂制成肥皂。后来又有人制得磺化蓖麻油，并将其作为去污剂用于纺织、制革等工业生产中。直到1917年才在德国第一次人工合成了表面活性剂二异丙基萘磺酸钠。20世纪20年代末期又出现了烷基硫酸钠和阳离子表面活性剂沙帕明(Sapamine)等。20世纪40年代初期人们成功地由山梨醇和脂肪酸合成了非离子型表面活性剂斯盘(Span)及吐温(Tween)。尤其是近年来关于表面活性剂的科学和实践发展很快，相继出现了诸如高分子表面活性剂等许多高效能的表面活性剂，并对其结构、性能及乳化作用的内部机理进行了深入的研究。
&&& 表面活性剂只有溶于水或有机溶剂后才能发挥其特性。因此，表面活性剂的性能系对其溶液而言，应具有下列特点：
&&& (1)双亲(双增)性：表面活性剂的分子中同时含有亲水(憎油)性的极性基团和亲油(憎水)性的非极性基团，因而使表面活性剂既具有亲水又有亲油的双亲性。
&&& (2)溶解性：表面活性剂至少应溶于液相中的某一相。
&&& (3)表面吸附：表面活性剂的溶解，使溶液的表面自由能降低，产生表面吸附，当吸附达平衡时，表面活性剂在溶液内部的浓度小于溶在表面的浓度。
&&& (4)界面定向排列：吸附在界面上的表面活性剂分子，能定向排列成单分子膜。
&&& (5)形成胶束：表面活性剂溶于水，并达到一定浓度时，表面张力、渗透压、电导率等溶液性质发生急剧的变化。此时，表面活性剂的分子会产生凝聚而生成凝胶物开始出现这种变化的极限浓度称为临界胶束浓度，简称CMC；
&(6)多功能性：表面活性剂在其溶液中显示多种功能。如能降低表面张力，具有发泡、消泡、分散、乳化、湿润、抗静电、增溶、杀菌、防腐等。有时也可表现为单一功能。
三、表面活性剂的性质&&
表面活性剂的基本性质有润湿和渗透性、乳化和破乳性、分散性、增溶性、发泡和消泡性、洗涤性。
&&& 表面活性剂的派生性质有：柔软性、抗静电性、杀菌性和防腐性。&&& ．
&&& 1．表面活性剂的润湿和渗透性
&&& 广义地说，润湿作用是一种流体从基质表面把另一种流体取代的过程。&&& ，
&&& 润湿过程大致可以分成三类：铺展润湿、粘附润湿和浸入润湿。这三种润湿可以分别在不同的实际过程中出现，也可以同时在一个过程中出现。
&&& 沾湿指液体与固体接触，变液／气界面和固／气界面为固／液界面的过程。浸湿指固体浸入液体中的过程，洗涤过程即为浸湿过
程，铺展过程是指以固／液界面代替固／气界面时，液体在固体表面扩展开。
&&& 使用液滴的接触角来描述润湿过程，可得到润湿方程。一般用接触角口来判定润湿，即口角越小，溶液对固体的表面润湿性越好。如图2。
图2液滴与固体表面的接触角
&&& 应用表面活性剂能很好地改变润湿状况，表面活性剂能降低界面的能力，使水能较好地
湿润固体或液体表面。实际中可用润湿速度(时间)来评价表面活性剂的润湿性。
2．表面活性剂的起泡和消泡性
&&& 泡沫是由于空气或其他气体从液面下通入，液体发生膨胀，并以液膜将气泡包围而形成的，只有溶液才能形成气泡，表面活性剂加入后能存在于气／液界面，并形成一种弹性膜，膜的弹性是产生泡沫的必要条件。一般阴离子表面活性剂的发泡力最大，如肥皂、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、油酸钠等都可作为发泡剂。
&&& 分子中带有支链疏水基的表面活性剂，比同数目碳原子直链的表面活性剂，能使水的表面张力降低到更低值，所以，支链疏水基比直链疏水基表面活性剂能产生较高的初始泡沫。由于带支链疏水基的表面活性剂有比较弱的内聚力，因此，直链疏水基比支链疏水基表面活性剂的泡沫稳定性要好。
&&& 当表面活性剂分子上的亲水基团，移向分子中较中间位置时，一般会使泡沫高度增加，但又同时会使得CMC升高，其结果必然又使起泡率降低。
添加剂中有机物质能加速达到平衡表面张力，并降低膜弹性，所以可作为泡沫抑止剂。相反，有些能减慢表面活性荆到达平衡表面张力的物质，降低CMC的物质，则可作为泡沫稳定剂。实践经验指出，凡分子中含有多个极性基团，并能和水分子形成氢键的添加剂，对泡沫的稳定能力较强。对表面活性剂溶液的泡沫来说，最为有效的稳定剂常为长碳链的、水中溶解性差的极性化合物。如月桂醇(C12H250H)对十二烷基硫酸钠(C12H25OS03Na)溶液的泡沫，有良好的稳定作用。再如N，N一二甲基十二胺氧化物对十二烷基苯磺酸钠溶液的泡沫，也有很好的稳定作用。另外一些天然蛋白质的水解产物(主要成分为各种类型的氨基酸)以及乙醇酰胺化合物R-C0-NH-CH2CH20H，以及某些脂肪酸酰胺都是效果良好的泡沫稳定剂。值得一提的是，某些两性表面活性剂，如N-烷基氨基酸钠盐[R-NH-CH2COONa，R-N(CH2COONa)2]和某些甜菜碱磺酸盐[R- +N(CH3)2-CH2CH2CH2S03]对泡沫都有很好的稳定作用。&&&
一般认为，消泡剂的破泡作用是因为它能使局部区域的表面张力降低到十分低的程度，从而使这些区域由于受周围较高表面张力的作用，使泡沫迅速减薄以至达到破裂点而发生破裂，恩肘还能促使液体从泡沫中流失而缩短泡沫的寿命。
例如长碳链脂肪酸钙盐可以很好地阻止十二烷基苯磺酸钠的起泡，据认为前者的阻泡作用就是产生了一种脆性的，排列紧密的表面膜，取代了原十二烷基苯磺酸钠所产生的弹性表面膜的结果。
&&& 还有一些表面活性剂，它们本身就是一类无泡或低泡的、内聚力很低的、扩散速度又很快的物质。例如一些非离子表面活性剂，硬脂酸环氧乙烷缩合物[C17H35COO(CH2CH2O)nH]是一种很好的抑泡剂。
&& &3．表面活性剂的乳化和破乳作用&
&&& 表面活性剂的乳化作用是表面活性剂应用最为广泛的性质之一。例如在化妆品、食品、纺织、造纸、金属的切削液、油漆、农药、医药等方面，乳化剂都起着重要的作用。各种类型的表面活性剂都可以作为乳化剂来使用，但非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂应用得比较多。
&&& 乳化作用是指两种互不相溶的液体形成乳状液的过程。乳状液是指一种不溶解或溶解度很小的液体，以一定大小的液滴分散存在于第二种液体中，形成具有明显稳定的悬浊液。
&&& 对两种互不相溶的液体，如果仅通过机械搅拌的方法总是不能形成稳定的乳状液的。要形成明显稳定的乳状液，必须加入第三组分，这第三组分就是表面活性剂，一般称其为乳化剂。
乳状液按分散相的性质一般可以分为两种：油分散在水中形成求包油型乳状液，以0／W(油／水)表示，如牛乳、豆浆等为0／W型乳液：水分散在油中形成油包水型乳状液，以W／O(水／油)表示，如原油、人造奶油等为w／o型乳液。
&&& 要想得到在较长时间内比较稳定的乳状液，除了选择乳化能为瞻较强的表面漕崔剂，-以及确定最合适比例以外，还可以采取下列的。些措施，以促使乳状液的稳定：①减小不连续相液滴粒子的直径，②缩小两橱酹密度差异;③提高连续相的粘度；④降低两液相间的界面张力；⑤调节pH，使得液滴表面上带有更多电荷；⑥投加一些有效的乳化稳定剂；⑦尽量避免温度的变化、振动、摩擦、蒸发、浓缩或稀释等情况的发生。
&&& 乳化稳定剂一般有天然的植物胶、淀粉、蛋白质，以及一些合成或改性的高分子聚合物如聚乙烯醇、羧甲基纤维素等，某些无机物如胶状硅酸也可作为乳化稳定剂使用。
&&& 表面活性剂的结构和性质对乳化作用影响极大，不仅能影响乳化程度，还影响着乳状液的类型。例如水溶性表面活性剂，倾向于生成0／W型乳状液。油溶性表面活性剂，倾向于生成0／W型乳状液。如N一十二烷基一N，N一二聚氧乙烯基甘氨酸季铵盐这种两性表面活性剂，比N一十二烷基甘氨酸，有更多的极性基团，有较强的水溶性。因此，前者比后者更倾向于形成0／W型乳状液。同时前者比后者的乳化能力也强。据文献报道，前者就是一种优良的润湿剂和表面活性剂。
&&& 若表面活性剂分子结构中，疏水基的亲油性增加，相对来说亲水基的亲水性能较弱，则倾向于形成0／W型乳状液。例如C17H35CONHCH2CH20H和Cl7H35CON(CH2CH20H)2，它们的亲水基“-CON-”和“-OH”，都是比较弱的亲水基，因此是一种较好的W／O型的表面活性剂。
&&& 此外，当一种亲水性较好的表面活性剂，和另一种亲油性较好的表面活性剂混合使用时，往往能形成稳定性良好的乳状液。例如当亲水性较好的阴离子表面活性剂如十二烷基硫酸钠，加少量亲油性较好的十二醇，可以制得很稳定的0／W型乳状液，两者之间有很好的协同效应。
最后，当被乳化的油相极性较大时，则要求亲水性较强的表面活性剂作乳化剂，才能得到较稳定的乳状液。相反，若被乳化的油相极性较小，或无极性时，则要求亲油性较强的表面活性剂作乳化剂，才能得到较稳定的乳状液。&&
以上是从实践中总结出的经验规则，并非绝对的规律，在初步选用表面活性剂时可作一定的参考。
&&& 4．表面活性剂的分散作用
&&& 许多生产工艺中，需要固体微粒均匀和稳定地分散在液体介质中。例如油漆、药物、染料、颜料等方面。近来在工业水处理中和油田开发过程中使用固体微粒均匀稳定地分散在水介质中显得更为至关重要。甚至可以认为是能否使工艺成功的关键所在。表面活性剂对固体的分散过程，一般有三个阶段。
&&& 1)圆体微粒的澜湿
&&& 把固体微粒均匀分散在液体中，：首先液体必须能充分润湿每一微粒或粒子团，并且至少要在最后阶段实现铺展润湿，使空气能完全被润湿介质从微粒表面上被取代出去。所形成的接触角应为0。，因此当加表面活性剂作为润湿剂时，在固体微粒表面形成了吸附层，这就降低了固气界面或固液界面的表面张力，降低了界面张力和接触角，因此就可能增加了固体微粒在液体介质中的分散能力。若液体是水时，由于水的表面张力较大，因此，可加入表面活性剂增加固体微粒在水中的分散能力。
&&& 2)粒子的分散或碎裂
&&& 当粒子或粒子团一旦被液体润湿，粒子就会在液体介质中逐渐分散开来，离子型表面活性剂可以通过在粒子团中粒子表面的吸附，使粒子带有相同的电荷，从而使它们相互排斥而加速分散，也可以通过表面活性剂吸附在粒子团的隙缝中，或者吸附在由于粒子晶体应力作用所造成的微隙中；由于排斥力的作用，降低了固体粒子或粒子团碎裂所需要的机械功，从而使粒子团被碎裂或使粒子碎裂成更小的晶体，并逐步分散在液体介质中。
&&& 3)阻止固体微粒的重新聚集
&&& 固体微粒一旦分散在液体中，得到的是一个均匀的分散体系，但稳定与否则要取决于已分散的固体微粒能否重新聚集以形成凝聚物。由于表面活性剂吸附在固体微粒的表面上，从而阻止微粒的重新聚集，所加的表面活性剂降低了固液界面的界面张力，也增加分散体系的热力学稳定性。因此总的结果是在一定孵条件下，降低了粒子聚集的倾向。
一般来说，固体微粒分散在以水为介质的分散体系中是最为常见的。为了阻止微粒聚集，大多数应用的是离子型表面活性剂。例如当被分散的固体是以非极性为主时，可加入各种离子型表砸活性剂，当这些表面活性剂吸附在不带电荷的固体微粒表面时，会使其带有同种电荷而相互排斥，从而形成阻止粒子聚集的屏障，同时由于表面活性剂分子在固体粒子表面上的定向作用——非极性基团指向非极性粒子的表面，极性基团指向水相，这就降低了固液界面张力，也更有利于固体粒子在水相中的分散。这种吸附效率是随着憎水基团的碳链的增长而增加音9，，因此可以推测，在这种情况下，长碳链的离子型表面活性剂，比短碳链的更有效。但是对于已带有电荷的固体微粒分散体系，为了稳定、均匀地分散，则一般不常用离子型表面活性剂。因为若使用的是和固体微粒带相反电荷的表面活性剂，则在微粒所带的电荷被中和前，可能发生絮凝而不能有效的分散，这样只有当中和粒子的表面电荷之后，再吸附第二层表面活性剂离子，固体微粒才能重新带电荷，重新分散。如果使用和固体微粒有相同电荷的表面活性剂离子时，由于表面活性剂的极性基团只能指向相同电荷的微粒表面外，即指向水相，这种吸附状况的固体微粒，由于静电的斥力而阻止微粒之间的吸附，从而达到分散的效果。并且只有当水相中离子型的表面活性剂的浓度比较高时，才有强的吸附作用，使分散体系稳’定。对带有电荷的固体微粒的分散所使用的一般是结构中带有较多的极性基团的聚电解质(常称离子型高分子表面活性剂)。它们分子中所带相同电荷数越多，电离能也越大。使固体微粒分散体系趋于稳定的电能屏障作用，并非是使体系稳定的惟一因素，空间障碍也可以阻止粒子间相互吸引，紧密靠近。因此，在很多场合下，非离子型表面活性剂对固体微粒有很好的分散作用，其机理是产生了很大的空间障碍。
5．表面活性剂的增溶作用
&&& 表面活性剂在水溶液中形成胶束后具有使不溶于水的有机物的溶解度显著增大的能力，且此时溶液呈透明状，胶束的这种作用称为增溶。能产生增溶作用的表面活性剂叫做增溶剂，被增溶的有机物称为被增溶物。如果在已增溶的液体中继续加入被增溶物，达到一定量后，溶液透明状变为乳浊状，这种乳液即为乳状液，在此乳状液中再加入表面活性剂，溶液又变得透明无色。虽然这种变化是连续的，但乳化和增溶本质上是不周的。增溶作用可使被增溶物的化学势显著降低，使体系变得更稳定，即增溶在热力学上是稳定的，只要外界条件不变，体系不随时间变化。而乳化在热力学上是不稳定的。这可由下面的事实说明，乳化的苯和增溶的苯，它们的蒸气压不相同，前者的蒸气压与纯苯的相同，后者的蒸气压显著低于纯苯，由化学势的表示式μ=μ0+RTlnp户知，乳状液的P与纯苯的相同，大于被增溶苯的，所以，乳状液的化学势大于增溶液的化学势，因此乳状液的稳定性显著地低于增溶体系，即增溶体系在热力学上是稳定的。
& &&6．表面活性剂的洗涤作用
&&& 洗涤作用可定义为，从浸在某种介质(一般为水)中的固体表面除去污垢的过程。在此过程中，借助于洗涤剂以减弱污垢与固体表面之粘附作用，并施以外力(包括机械搅拌或人工洗)，使污垢与固体表面分离而悬浮于介质中，最后将污垢洗净、冲走。洗涤剂在洗涤过程中的作用，一是除去物品表面的油污，二是将油污分散、悬浮，使之不易在物品表面上再沉积。洗涤作用首先是洗涤液润温被洗物表面，否则，发挥不了洗涤液的洗涤作用。水在天然纤维(棉、毛等)上的润湿性较好，在人造纤维上较差，表面活性剂能够降低水的表面张力，使其接触角减小，因而，纤维的斓湿在洗涤剂作用下比较容易实现。其次是，洗涤液把污垢润瀑詹，．再把污垢顶替下来。液体油污原来是以铺展开的油膜存在予物体表面，在洗涤液湿润的条件下，逐渐卷缩成油珠，最后被冲洗以至离开表面。固体油污靠的是洗涤剂，特别是优质的洗涤剂，具有较低的表面张力与界面张力，对固体表面有较好的润湿能力，能顶替油污，使油污卷缩成油珠而乳化，分散在洗液中，有利于洗涤。另外，油污可加溶于表面活性剂的胶束中，从而油污不可能再沉积，大大提高了洗涤效果。然而，这种加溶去污的机理，只有在洗涤剂集中于某一局部(衣物上撒上洗衣粉搓洗)的情况下，才能实现。其次，表面活性剂吸附在污垢与洗涤物的界面上，使界面各种性质均发生变化，如表面张力降低，利于分散形成乳状液，同时，界面吸附形成具有较大强度的界面膜使乳状液更稳定，不易沉积于洗涤物表面。非离子表面活性剂吸附后，成为质点表面的水化保护层，稳定性增高，非离子表面活性剂除油污能力比阴离子表面活性剂强，而阳离子表面活性剂总是以其疏水基朝向水中的方式被吸附，故其洗涤作用最差。在同系物中，表面活性剂碳氢链越长，洗涤性越好，表面活性剂的乳化与起泡作用对于洗涤也是有利的，表面活性剂的乳化作用，形成稳定的乳状液，油污质点被悬浮起来不易沉淀在衣物表面。表面活性剂形成泡沫有助于带走尘土污垢，很多经验发现泡沫与洗涤有直接关系。
&&& 总之，洗涤剂的洗涤作用是综合发挥了表面活性剂的润湿、吸附、乳化、分散、悬浮、起泡、加溶、降低表面张力等功能，才显示出洗涤的良好效果。如果洗涤剂使污垢与被污染物品表面分离能力差，而且分散、悬浮污垢的能力也不佳，则洗涤过程就不能很好的完成。
7．表面活性剂的柔软性与抗静电性
&&& 表面活性剂作为柔软剂，一般又可分成暂时柔软剂和永久柔软剂两种。表面活性剂能使纤维具有平滑柔软的性质，，原因之一是降低了纤维间的静摩擦因数。当纤维吸附了表面活性剂后，表面活性剂的疏水基团则朝向纤维表面外侧，纤维与纤维之间形成一层润滑剂膜，从而降低了纤维的静摩擦因数，纤维的平滑柔软性增加。然而这种吸附型的平滑柔软过程，并不是永久性的，一旦经多次水洗，表面活性剂离开了纤维表面，则这种平滑柔软性能也随之消失。而永久型的柔软剂，是利用一种带有长碳链疏水基的物质与纤维的羟基或其他基团发生化学反应，把一些疏水基接在纤维的表面，长久在纤维间降低静摩擦力，从而获得长久的柔软平滑性能。虽经多次水洗也不丧失这种性质。
&&& 目前在纤维织品上作柔软剂使用的表面活性剂，仍以阳离子或阴离子表面活性剂为较多，非离子表面活性剂也多，但阳离子表面活性剂会和直接染料以及荧光增白剂等发生相互作用而降低增白程度以及变色，因此在使用上受到一定限制，人们已开始大量使用两性表面活性剂来作纤维的柔软剂使用。例如十二烷基二甲基甜菜碱，可以在较广的pH范围内显示出优异的柔软效果。特别对羊毛和亚麻织品既有丰富的柔软效果，又有有效的洗净作用，目前在有些纤维的柔软整理上已经大量使用。另外，咪唑啉两性表面活性剂和N-烷基-β-氨基丙酸等，都在不少场合中作柔软剂使用。
&&& 表面活性剂作为纤维的抗静电剂，一般要求有比较大的疏水基和比较强的亲水基团。表面活性剂所以能作为纤维的抗静电剂使用，一般认为首先是表面活性剂在纤维界面的吸附，疏水基朝向纤维，强的亲水基团朝向空气，使纤维的离子导电性能和吸湿导电性能增加，即产生了放电现象，使纤维表面的电阻降低，这样就使纤维表面的静电产生与放电相平衡，从而防止了纤维表面静电的积累，纤维表面的电阻值可大约衡量纤维抗静电性能的优劣。Wilson建议表面电阻值Rs&1013Ω时，抗静电性能为劣等，1012～1012Ω者为可以，1011～1012Ω者为良好，1010～1011Ω者为优等，Rs小于l010Ω者为特优等。
&&& 抗静电剂和平滑柔软剂一样，可以分成暂时抗静电剂和永久抗静电剂两种。暂时抗静电科主要利用表面活性剂对纤维的吸附而产生抗静电性能。常用的暂时抗静电剂中，有各种阳离子表面活性剂和阴离子表面活性剂，以及各种性能优异的两性表面活性剂。
& &&8．表面活性剂的杀菌性
&&& 杀菌抑霉作用是表面活性剂的派生性质，阳离子和两性表面活性剂在这方面的作用比较显著。表面活性剂杀菌抑霉的机理尚不完全清楚，据信是表面活性剂的阳离子电荷吸附于微生物的细胞壁，破坏细胞壁内的某种酶；与蛋白质发生某种反应并影响微生物正常的代谢过程，最终导致微生物死亡。一般情况下，阳离子表面活性剂，特别是分子结构中带苄基的季铵盐具有较强的杀菌性，但存在其他蛋白质或重金属离子的场合，某些两性表面活性剂的杀菌能力将超过阳离子表面活性剂，特别是与阴离子表面活性复配时，更显示出两性表面活性剂的优越性。
9．表面活性剂的安全性和温和性
表面活性剂的安全性的温和性是表面活性剂的自然属性，亦是人们对其使用性能的一般要求。随着生活水平的提高，人们对这方面的性能越来越关注。
表面活性剂的安全性主要指表面活性剂的毒性，如急性、亚急性、慢性毒性、溶血性；对生育繁殖的影响，如胚胎毒性、致突变性如致癌性等。实验表明，非离子和两性离子型表面活性剂的毒性最低，非离子表面活性剂的溶血作用最小，因而在口服药物、注射针剂和食品、化妆品中的应用比较广泛；阳离子表面活性剂的毒性最高，但溶血作用比阴离子表面活性剂低，一般只用作外用消毒杀菌剂。
&&& 表面活性剂的温和性主要指对皮肤、眼睛等粘膜组织的刺激性和致敏性，这主要是由于表面活性剂通过渗入皮肤，或溶出粘膜中有效成分，或与蛋白质发生反应等作用方式引起的。两性和非离子型中多数品种温和性很好，刺激性最低，如两性咪唑啉、烷基葡糖苷等，阴离子型中某些好的温和性，如磺基琥珀酸酯二钠盐类，其刺激性甚至低于两性和非离子型表面活性剂。阳离子型表面活性剂的温和性最差，这可能与其毒性大，与蛋白质作用强烈有关系。提高温和性的有效手段是脱除表面活性剂产品中的杂
质，与低刺激性表面活性剂复配，但根本上还需要大力发展高温和性、低刺激性的表面活性剂品种。
& &&10．表面活性剂的生物降解性
&&& 生物降解性是指含碳有机化合物在微生物作用下转化为可供细胞代谢使用的碳源，分解成二氧化碳和水现象。根据微生物作用的方式和作用阶段的差异，生物降解主要包含以下几方面：初级生物降解；达到环境能接受程度的生物降解：指含碳有机化合物被分解到对环境无不良影响程度的中级生物降解作用；最终生物降解指转化为无机物的生物降解作用，如分解为C0：和水的过程。由于表面活性剂使用后经下水道排放会在水域里蓄积，造成泡沫堆积或对水生物造成毒害，因此表面活性剂的生物降解性对环境污染是十分重要的。一般若在法定试验时间(19d)内，初级生物降解达不到80％的表面活性剂是被禁用或限制使用，如四聚丙烯烷基苯磺酸盐和烷基酚聚氧乙烯醚就属于此类。几种常见的表面活性剂的初级生物降解性列于表1。
表1&& 表面活性剂的生物降解性
四、表面活性剂在造纸中的应用
&&& 根据表面活性剂的性质，可以总结出表面活性剂在制浆造纸中的主要作用有加速蒸煮渗透、脱墨、洗涤、抗静电、柔软、润滑、分散、乳化等作用。
&& &1．加速渗透剂(Penetrants)
&&& 渗透的前提是润湿，表面活性剂改善润湿性能主要有两种方式：
&&& 改善固体性能，如通过单层吸附使带相反电荷高能表面拒水、抗粘；通过多层吸附使高能表面更加亲水。
&&& 改善液体性能，即在润湿剂与固体表面带同种电荷时，通过降低固液表面张力，从而增大润湿性。一些具有支链结构或多烷基结构的表面活性剂具有好的润湿性能，其HLB范围在7～9，如快速渗透剂T(磺基琥珀酸双异辛酯单钠盐)、渗透剂JFC等。只有通过表面活性剂的润湿作用，才能加速蒸煮助剂和其他助剂的渗透和均匀分散。在制浆和抄纸过程中，常要加入的渗透剂是磺化琥珀酸酯盐(渗透剂T)、润湿剂JFC、丁基萘磺酸钠等。有时加入一些有机溶剂可以帮助渗透。较理想的渗透剂应有一定的耐碱性和耐高温性，因为制浆一般在强碱性和较高的温度下进行。
& 2．柔软剂(softening agents)
& 柔软是对纤维而言。表面活性剂能在纤维表面形成疏水基向外的反向吸附，降低纤维物质的动、静摩擦因数，从而获得平滑柔软的手感。通常总是将表面活性剂和油剂一起混合使用，表面活性剂可有效降低纤维物质的静摩擦因数，油剂则可以降低纤维物质的动摩擦因数。柔软润滑的效果可以用静摩擦因数和动摩擦因数的差值来表示，差值愈小，柔软润滑作用愈强。不同类型的柔软剂适用于不同类型的纤维表面。纸纤维表面带负电荷，用阳离子或两性离子表面活性剂的效果要好得多。柔软剂、平滑剂的配方中除了表面活性剂外，一般要加入有机硅高分子或羊毛脂这样的脂类，以充分降低纤维表面能。
&&& 在柔软剂中以有机硅表面活性剂和有机硅高分子的效果最佳，但原料价格较高。往往要和其他柔软性组分配合使用以降低成本。
&&& 3．抗静电剂(anti-static agents)
&&& 在特殊加工纸的生产中有时会遇到抗静电问题。表面活性剂处理纸后，可产生亲水性外表面，即作为抗静电剂的表面活性剂在材料表面形成正向吸附，疏水基朝向材料表面，亲水基伸向空间，纤维的离子导电性和吸湿导电性因此增加，产生了放电现象，使表面电阻下降，从而防止了静电积累。
&&& 作为抗静电剂使用，一般要求表面活性剂有比较大的疏水基和比较强的亲水基团。使用量最多、性能最好的是阳离子表面活性剂，其次是两性表面活性剂。阴离子表面活性剂的一些品种也是优良的抗静电剂，如碳链较长的烷基磺酸盐、烷基硫酸盐甚至钠皂，特别是高碳磷硫酸酯盐的抗静电性可以与阳离子相比。导电纸要求加入各种导电剂，其中各种离子型的表面活性剂都可以作为导电性原料加以利用。特别是亲水性表面活性剂具有较优异的导电性。
&&& 4．污水处理絮凝剂(flocculating agents)
&&& 制浆造纸产生的污水量很大，已成为各国日益重视的问题。污水处理的办法很多，近年来使用表面活性剂作为絮凝剂取得明显的效果。常用的絮凝剂有月桂酸钠、硬脂酸钠等阴离子表面活性剂和十二烷基胺基乙酸、十八烷基三甲基氯化铵等阳离子表面活性剂。
&&& 具有显著絮凝作用的往往是一些分子质量较大的表面活性剂或极性高聚物，有时亦可以是一些带有异性电荷且能与悬浮物形成配合物的无机盐，在废水处理中最典型的是加入明矾达到填料和树脂聚集的目的。但更多和更有效的是加入高分子絮凝剂，它们可以通过搭桥作用等机理使分散微粒发生凝结。实际上这在施胶、助留、助滤过程中也都有重要的作用。各种离子型且具有高分子质量的聚丙烯酰胺(PAM)及淀粉接枝聚丙烯酰胺在这方面有着引人注目的效果。
&&& 阳离子表面活性剂在废水处理时，还可起到显著的杀菌作用。在黑液处理中，容易在蒸发时结垢，使热效率降低，而且难以清理。采用间歇酸洗法，需停机清洗。如在制浆黑液碱回收工艺中使用抗结垢剂，可降低黑液粘度，减少结垢，加速蒸发。这类抗垢剂大多由脂肪酸聚氧乙烯酯、二乙基羟胺磷酸盐、多聚磷酸钠组成。高分子抗结垢剂主要是聚丙烯酸钠、丙烯酸马来酸酐共聚物盐等。这类高分子抗结垢剂的分子质量较低，对水中多价金属离子具有明显的螯合作用，可防止结垢。
&& &5．分散剂(dispersing agents)
&&& 在纸的加工过程中分散问题很多，如涂布时涂料配方中一般要加入颜料分散剂，否则涂布层过厚且不均匀；乳液松香胶又称为高分散胶，这里胶料的分散问题实际是一关键。要选择合适的乳化剂和分散剂才能得到颗粒细腻且高度分散的胶料；树脂分散均匀则会最大限度地发挥作用。
&&& 分散是指内相为不溶性微粒分布在外相为液体或半固体中组成的粗分散体系，这样的体系称作悬浮液。悬浮液至少由三种基本成分组成：分散相、连续相和分散剂，表面活性剂常用作分散剂或悬浮剂。
&&& 对于造纸过程来说，纤维、填料和一些助剂等都是水不溶性的。它们有在水溶液中自行聚集的趋势，而且不同物料之间往往因不相容性而尽量远离。这样就难以得到性能均匀、强度理想的纸张。加入表面活性剂、分散剂则可以使固体粒子表面形成双分子层或双电层结构，外层分散剂极性端与水有较强亲和力，增加了固体粒子被水润湿的程度。固体颗粒之间因静电斥力而远离，达到良好分散效果。
&&& 表面活性荆可以使悬浮液中的固体分散粒子被液相载体充分润湿和均匀分散，并使体系的分离、聚集和固体微粒的沉降速度降至最低，以维持悬浮液最大的动力学稳定性。表面活性剂意所以能起分散作用，主要因为具有以下几个方面的作用：①霹以通
过静电作用在亲水粒子表面形成反向吸附层，增大油溶性；或是通过疏水作用在亲油粒子表面形成正向吸附，增大水溶性。②单分子膜造成空间阻碍，阻止了分散微粒重新靠近和合并。③加大离子型表面活性剂浓度，在反向吸附层上形成的第二层带电吸附层会使分散粒子因电性排斥而得到分散。
&&& 6．树脂控制剂(pitch control agent)
&&& 造纸原料中除纤维素、木素和半纤维素这三种主要成分外，在某些木材原料中还含有少量的树脂。树脂中不仅含有可皂化物如树脂酸、脂肪酸及其酯，还有非皂化物如萜烯、高碳醇等。这些物质淤积于浆内，会严重影响纸页抄造和成品质量，故在制浆过程中应尽量脱除。
&&& 在抄纸过程中常遇到树脂障碍问题，即树脂自纤维中游离出来，凝聚成颗粒，粘附在纸机各部件上，堵塞铜网，污染毛毯，有时会在纸和纸板上留下黑点，使质量降低。
&&& 7．毛毯清洗剂(detergents)
&&& 表面活性剂的洗涤和去污作用在造纸过程中特别重要，除废纸脱墨、树脂控制等作用以外，另一个作用就是毛毯清洗作用。纸机在抄纸过程中，毛毯往往由于树脂沉淀等原因容易粘附细小纤维、填料、树脂等，造成毛布孔眼堵塞，特别是草浆由于杂细胞多、粘度大，难于洗涤，造成毛毯的严重污染，致使纸机运行产生障碍，影响纸张质量，降低毛毯使用寿命。所以，一般造纸厂将树脂控制和毛毯清洗共同应用，才能保证纸机的正常运转。毛毯洗涤剂的成分主要由各种表面活性剂组成，一般常用的有阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂等。
&& &8．废纸脱墨剂(deinking agents)
&&& 随着环保压力的日益增加，为了缓解制浆原料不足，废纸的回收利用越来越引起人们的重视。废纸制成的再生浆具有不透明度高、纤维组织均匀，能满足多数纸张的质量要求、不必经过打浆处理即可抄纸等优点，而且用再生浆抄成的纸，绒毛少、平整、适用性广。
常用的脱墨剂是由表面活性剂与无机药品组成，或是多种表面活性剂的复配物。在脱墨剂配方中常使用钾皂、磺化油、直链烷基苯磺酸钠、脂肪醇硫酸钠、磺基琥珀酸二辛酯钠盐、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸酯钠盐等阴离子表面活性剂，以及烷基酚聚氧乙烯醚、烷基醇聚氧乙烯醚、聚醚、聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯、脂肪酸聚氧乙烯酯等非离子表面活性剂；常使用氢氧化钠、三聚磷酸钠、硅酸钠、石油溶剂等药品。与采用氢氧化钠或硅酸钠的传统脱墨法相比，采用表面活性剂复配物做脱墨剂效果更好。
9．消泡剂(foam killer)
&&& 造纸原料在备料、蒸煮、洗选、漂白、打浆等过程中，除原料切碎和纸张干燥工序以外，其余都是在水中进行的。由于造纸原料中的胶质物、皂类物质的存在，在制浆造纸的各个工段都会产生泡沫，并且对各工序都有不同程度的危害；特别是造纸工段到处都能见到泡沫，排放的废水中更是漂浮着大量泡沫，所以，消泡技术在制浆造纸中非常广泛。表面活性剂在消泡中有着重要的作用。
&& &10．施胶剂的乳化剂(emulsifying agent)
&&& 由于皂化松香施胶剂的效率低，所以，分散松香胶的应用已经非常普遍，而分散松香胶的制备主要依靠表面活性剂的作用来完成。
11．防水防油剂(grease proofing agents and water proofingagents)
&&& 有许多特种纸张需要防水防油处理，其中有机硅类表面活性剂具有很好的防水作用，有机氟表面活性剂则具有非常优异的防水防油作用。
& &&12．防腐杀菌剂(fungicide)
&&& 纸浆在经过制浆工段到造纸工段要经过很多工序，也要经历一定时间，所以，浆料在储存过程中会出现微生物繁殖，造成腐浆，一般加入防腐杀菌剂，阳离子和两性离子表面活性剂具有很好的杀菌作用。
& &&五、造纸工业用表面活性剂的发展趋势
&&& 随着表面活性剂在造纸工业中应用的普及与重视，我国在造纸专用表面活性剂的应用方面已有很大发展，但与世界发达国家的差距仍很大，今后国内研究和生产单位应注意以下几方面的研究和发展趋势。
1．中性分散松香胶用乳化剂、AKD、ASA专用乳化剂的开发
中性施胶具有胶料用量少、纸机腐蚀性小、可用碳酸钙作填料等优点，中性分散松香胶的制备关键是乳化剂的制备与筛选、复配。据日本专利报道高分散松香胶乳化剂中具有三个以上苯环结构时，其乳化和稳定作用很好；以及高分子表面活性剂如聚苯乙烯吡啶等具有很高的分散性能。国外已大量普及使用AKD、ASA施胶，所以，国内也应进一步加大开发AKD、ASA等反应性中性施胶剂的乳化剂力度。
&&& 2．高温蒸煮用表面活性剂的开发
&&& 目前的蒸煮助剂主要仍以蒽醌及其衍生物、表面活性剂，但两者各有优缺点，如果将其两者进行复配使用或开发具有蒽醌结构特征的表面活性剂类蒸煮助剂以及耐高温性表面活性剂、特别是高分子表面活性剂用于蒸煮助剂的开发。
&&& 3．废纸脱墨专用表面活性剂的开发
&&& 随着废纸脱墨由洗涤法向浮选法的过渡，浮选法用表面活性剂也从脂肪酸盐向脂肪酸聚氧乙烯酯、脂肪醇聚氧乙烯醚为主方向发展，如国外的FN一55脱墨剂为两种非离子表面活性剂组成；据报道脂肪醇磷酸单酯和双酯等也是良好的油墨粒子捕集剂，同时也应注意高分子表面活性剂、分散剂、捕集剂等进一步开发是废纸脱墨质量的关键。特别是针对办公用纸以及射线固化油墨的
脱墨剂的开发。
&&& 4．加工纸用表面活性剂的开发
&&& 随着工业用纸、生活用纸功能要求的不断提高，加工纸用助剂的发展越来越受到人们的重视，如有机氟施胶剂、有机硅防水剂、润滑剂硬脂酸钙、氧化聚乙烯隔离剂的乳化等特殊表面活性剂的开发。特别是低成本有机氟、有机硅等特殊表面活性剂在造纸中的应用研究，以及针对国内纸餐具的防水防油剂制备用表面活性剂的开发应引起国内研究者的充分重视。
手机扫描，快速浏览！
&&&&& &&&&&}