表面分析技術(shù)在制漿造紙研究中的應(yīng)用

段繼生

摘 要：表面分析技術(shù)是一種綜合利用電子、光子、離子、原子、強(qiáng)電場、熱能與固體表面的相互作用，測量從表面散射或發(fā)射的電子、光子、離子、原子、分子的能譜、質(zhì)譜、光譜、衍射圖像或者空間分布，得到其表面成分及結(jié)構(gòu)、表面電子態(tài)及所發(fā)生何種物理化學(xué)過程等的技術(shù)，目前這種表面分析技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了制漿造紙行業(yè)。本文對一些主要的表面分析技術(shù)在制漿造紙行業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：表面分析技術(shù)；制漿造紙；應(yīng)用

在實(shí)際的制漿造紙過程中，要對紙張的表面信息及性質(zhì)進(jìn)行全面描述，就需要對紙張按照從宏觀到微觀的不同的層次進(jìn)行研究。表面分析技術(shù)是一種綜合性技術(shù)，不同的技術(shù)之間的互補(bǔ)作用，可以實(shí)現(xiàn)對紙漿各種成分的測定，可以實(shí)現(xiàn)對紙漿表面信息的分析，得到的分析信息可以作為選擇和制造紙漿的依據(jù)。從長遠(yuǎn)來看，表面分析技術(shù)可以對制漿造紙行業(yè)的發(fā)展起到強(qiáng)有力的推動作用。

一、電子顯微鏡分析方法在制漿造紙業(yè)的應(yīng)用

電子顯微鏡分析方法主要分為兩類：掃描和透射，它主要的優(yōu)點(diǎn)是對所分析的物質(zhì)無形狀要求，放大倍數(shù)高達(dá)20萬倍，可以將表面凹凸不平的物質(zhì)顯示的非常清楚，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的立體感。除此之外，這種分析方法的樣品制備過程非常簡單，易于操作。電子顯微鏡分析方法的作用原理為：將電子和物質(zhì)之間作用產(chǎn)生的各種透射電子、能量損失電子、吸收電子等信息作為分析的樣品，然后對這些樣品的形貌進(jìn)行觀察。

電子顯微鏡分析方法在制漿造紙業(yè)的應(yīng)用有：掃描電子顯微鏡可以實(shí)現(xiàn)在較低的放大倍數(shù)下對紙漿的纖維形態(tài)的觀察，亦可以實(shí)現(xiàn)在較高放大倍數(shù)下對單根纖維的取向及表面形貌的觀察；透射電子顯微鏡可以對一些經(jīng)過樹脂包埋和切片的植物纖維的橫截面進(jìn)行觀察，通過觀察來研究植物纖維中纖維細(xì)胞的排列狀況，以此選擇出最適合制漿造紙的木材。除此之外，透射電子顯微鏡還可以檢驗(yàn)紙張涂布之后的涂層是否均勻，涂層均勻的作為優(yōu)質(zhì)紙張，涂層不均勻、符合出廠標(biāo)準(zhǔn)的，可以返回重新加工[1]。

二、原子力電子顯微鏡分析方法在制漿造紙業(yè)的應(yīng)用

原子力顯微鏡是一種掃描型探針式顯微鏡，它可以用來觀察非導(dǎo)電樣品物質(zhì)的表面形貌，它的使用范圍不受限制，無論是真空還是大氣，都可以對物體進(jìn)行準(zhǔn)確的觀察。原子力顯微鏡的工作原理是：以探針的方式在三維空間觀察微觀世界，獲得探針和樣品相互作用的到的信息，其在X、Y方向的側(cè)向分辨率可以達(dá)到2納米，垂直方向的分辨率可以達(dá)到0.1納米。原子顯微鏡能在制漿造紙業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，離不開其簡單的樣品制備手續(xù)，高分辨率，不受時(shí)間與空間的限制的優(yōu)點(diǎn)。

在制漿造紙行業(yè)中，原子力顯微鏡主要用于研究紙漿表面的納米結(jié)構(gòu)，對力學(xué)曲線進(jìn)行測定等。從力學(xué)曲線中，可以看出紙漿的物理特性，看出紙漿的垂直力大小，這種力的大小可以反映出紙張的強(qiáng)度，紙張強(qiáng)度越高，說明紙質(zhì)越好。目前，人們已經(jīng)利用原子力顯微鏡實(shí)現(xiàn)了對STMP以及TMP表面的測定。從測定結(jié)果來看，CTMP表面有細(xì)小纖維聚集，TMP表面有不定形的分子及粒子，這種對漿表面成分進(jìn)行測定的技術(shù)可以幫助造紙業(yè)在制漿過程中更加精確的選擇木材，制造出好的紙張。

三、化學(xué)分析電子能譜分析技術(shù)在制漿造紙業(yè)的應(yīng)用

化學(xué)分析電子能譜被稱為ESCA，是對物質(zhì)表面進(jìn)行化學(xué)分析的有效方法，它具有定量分析的優(yōu)點(diǎn)，能夠測定各種以化學(xué)物形式存在的元素的價(jià)態(tài)，能夠感受電子移動影響的官能團(tuán)以及原子團(tuán)價(jià)態(tài)的化學(xué)位移。電子能譜的作用原理為：先選定好要測定的樣品，選用X射線對樣品進(jìn)行照射，使樣品里面的原子或者分子受到X射線的照射從而被激發(fā)出來，測量出這些電子的能量分布圖，從能量分布圖譜中獲取能量信息，在這個(gè)過程中，最大的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)過X射線照射后樣品的結(jié)構(gòu)不會被破壞[2]。

在制漿造紙業(yè)中，化學(xué)分析電子能譜可以用于鑒定木材的表面成份，對表面物質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從不同的特征峰的位置來推測出木材的化學(xué)成分組成，能夠清晰地了解不同木材之間的差異，從而在制漿造紙過程中選出最適合的木材。

化學(xué)分析電子能譜技術(shù)還可以分析紙張表面的施膠劑，NESS就利用這項(xiàng)技術(shù)對H2O2漂白作用進(jìn)行了分析，研究出其對TMP漿料施膠性能的影響，從結(jié)果中可以看出，H2O2能夠降低漿料的自施膠能力。除此之外，這項(xiàng)技術(shù)還可以對楊木爆破漿的表面進(jìn)行研究，從結(jié)果顯示來看，爆破處理可以提高楊木表面的氧和碳的比例，也可以增強(qiáng)表面的硫化程度，這結(jié)果對爆破漿強(qiáng)度高的原因做出了合理的解釋。紙張?zhí)己吭礁?，說明紙張的強(qiáng)度越高，紙張的拉伸性越好，紙質(zhì)越好，越有利于書寫、不劃筆。

四、接觸角分析技術(shù)在制漿造紙業(yè)的應(yīng)用

接觸角可以反映出固體表面是否濕潤及潤濕性的優(yōu)劣程度，所謂潤濕，就是在界面上一種流體取代另一種流體的現(xiàn)象，最常見的是液體經(jīng)過固體表面變成氣體。通常情況下，固體物質(zhì)表面的能越高，就越容易將液體潤濕，液體在固體表面上的接觸角越小，說明其潤濕性能也就越好。一般的判斷依據(jù)為：當(dāng)接觸角在0到90°之間，說明液體對固體潤濕；當(dāng)接觸角在90°到180°之間，說明液體對固體是不潤濕的；當(dāng)接觸角為平角或者為零時(shí)，表明完全不潤濕。

很多研究專家做實(shí)驗(yàn)研究接觸角的變化情況，如Chandra通過實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)過漆酶處理的紙漿的接觸角的變化情況，。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過漆酶處理之后的紙漿的接觸角降低，說明漆酶能夠促進(jìn)紙漿的潤濕性。不僅如此，Linda對云杉纖維的接觸角也進(jìn)行了測定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對漿料進(jìn)行洗滌、漂白能夠使接觸角降低，反映出纖維表面的親水性隨之增強(qiáng)。此外，金永燦還測定了不同纖維回用次數(shù)對漿料動態(tài)接觸角的影響，實(shí)驗(yàn)表明，第一次回用對紙漿的接觸角的影響最為顯著，隨著回用次數(shù)的增多，紙漿接觸角逐步趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。

五、紅外反射-吸收光譜分析技術(shù)在制漿造紙業(yè)的應(yīng)用

紅外反射-吸收光譜可以研究物質(zhì)表面的鍵合狀況，適用于單分子層或者極少數(shù)分子層的情況，它可以利用紅外反射，得到吸收光譜，從光譜中實(shí)現(xiàn)對樣品的直接分析，這種方法的靈敏度極高，能夠測試極薄的薄膜，吸收強(qiáng)度高達(dá)透射法的25倍。可以利用這項(xiàng)技術(shù)對KP漿里面的塵埃和樹脂的化學(xué)成分進(jìn)行測定，將所要測定的物質(zhì)做成樣品，從得到的樣品圖譜和標(biāo)準(zhǔn)圖譜中的特征峰強(qiáng)度相比較，來分析樣品中的高嶺土、滑石粉等化學(xué)物質(zhì)的組成。除此之外，還可以利用紅外反射-吸收光譜，實(shí)現(xiàn)對涂布涂層表面含有哪種顏料進(jìn)行測定，也可以對涂布涂層使用何種膠粘劑進(jìn)行測定[3]。

在制漿造紙行業(yè)中，利用紅外反射-吸收光譜分析技術(shù)可以確定紙張的聚合情況，選擇出最優(yōu)質(zhì)最合適的原材料制造紙漿，既能夠節(jié)約成本，又能夠?qū)崿F(xiàn)行業(yè)的最大效益。

結(jié)語：

綜上所述，表面分析技術(shù)是一種綜合多種分析技術(shù)的統(tǒng)稱，近幾年，其發(fā)展速度非常迅速，是現(xiàn)代工業(yè)中常用的技術(shù)之一。在制漿造紙行業(yè)中，傳統(tǒng)的用單一技術(shù)對材料表面進(jìn)行分析的方法已不適合時(shí)代發(fā)展的要求，這是由于每一項(xiàng)單一的技術(shù)都有自己的局限性，而綜合性的多測試表面分析技術(shù)能夠使信息的互補(bǔ)，更適合制漿造紙業(yè)的發(fā)展，在未來也會一直散發(fā)出蓬勃的活力。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐清華，秦夢華，石淑蘭. 表面分析技術(shù)在制漿造紙研究中的應(yīng)用[J]. 中國造紙學(xué)報(bào)，2004，01：215-219.

[2]冀玲芳. 現(xiàn)代分析技術(shù)在制漿造紙研究中的應(yīng)用[J]. 江蘇造紙，2009，04：30-32+48.

[3]彭濤. 表面分析技術(shù)在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 廣西輕工業(yè)，2011，02：14-15.