表面分析技术在制浆造纸研究中的应用

段继生

摘 要：表面分析技术是一种综合利用电子、光子、离子、原子、强电场、热能与固体表面的相互作用，测量从表面散射或发射的电子、光子、离子、原子、分子的能谱、质谱、光谱、衍射图像或者空间分布，得到其表面成分及结构、表面电子态及所发生何种物理化学过程等的技术，目前这种表面分析技术已经广泛应用在了制浆造纸行业。本文对一些主要的表面分析技术在制浆造纸行业中的应用进行阐述。

关键词：表面分析技术；制浆造纸；应用

在实际的制浆造纸过程中，要对纸张的表面信息及性质进行全面描述，就需要对纸张按照从宏观到微观的不同的层次进行研究。表面分析技术是一种综合性技术，不同的技术之间的互补作用，可以实现对纸浆各种成分的测定，可以实现对纸浆表面信息的分析，得到的分析信息可以作为选择和制造纸浆的依据。从长远来看，表面分析技术可以对制浆造纸行业的发展起到强有力的推动作用。

一、电子显微镜分析方法在制浆造纸业的应用

电子显微镜分析方法主要分为两类：扫描和透射，它主要的优点是对所分析的物质无形状要求，放大倍数高达20万倍，可以将表面凹凸不平的物质显示的非常清楚，呈现出很强的立体感。除此之外，这种分析方法的样品制备过程非常简单，易于操作。电子显微镜分析方法的作用原理为：将电子和物质之间作用产生的各种透射电子、能量损失电子、吸收电子等信息作为分析的样品，然后对这些样品的形貌进行观察。

电子显微镜分析方法在制浆造纸业的应用有：扫描电子显微镜可以实现在较低的放大倍数下对纸浆的纤维形态的观察，亦可以实现在较高放大倍数下对单根纤维的取向及表面形貌的观察；透射电子显微镜可以对一些经过树脂包埋和切片的植物纤维的横截面进行观察，通过观察来研究植物纤维中纤维细胞的排列状况，以此选择出最适合制浆造纸的木材。除此之外，透射电子显微镜还可以检验纸张涂布之后的涂层是否均匀，涂层均匀的作为优质纸张，涂层不均匀、符合出厂标准的，可以返回重新加工[1]。

二、原子力电子显微镜分析方法在制浆造纸业的应用

原子力显微镜是一种扫描型探针式显微镜，它可以用来观察非导电样品物质的表面形貌，它的使用范围不受限制，无论是真空还是大气，都可以对物体进行准确的观察。原子力显微镜的工作原理是：以探针的方式在三维空间观察微观世界，获得探针和样品相互作用的到的信息，其在X、Y方向的侧向分辨率可以达到2纳米，垂直方向的分辨率可以达到0.1纳米。原子显微镜能在制浆造纸业得到广泛的应用，离不开其简单的样品制备手续，高分辨率，不受时间与空间的限制的优点。

在制浆造纸行业中，原子力显微镜主要用于研究纸浆表面的纳米结构，对力学曲线进行测定等。从力学曲线中，可以看出纸浆的物理特性，看出纸浆的垂直力大小，这种力的大小可以反映出纸张的强度，纸张强度越高，说明纸质越好。目前，人们已经利用原子力显微镜实现了对STMP以及TMP表面的测定。从测定结果来看，CTMP表面有细小纤维聚集，TMP表面有不定形的分子及粒子，这种对浆表面成分进行测定的技术可以帮助造纸业在制浆过程中更加精确的选择木材，制造出好的纸张。

三、化学分析电子能谱分析技术在制浆造纸业的应用

化学分析电子能谱被称为ESCA，是对物质表面进行化学分析的有效方法，它具有定量分析的优点，能够测定各种以化学物形式存在的元素的价态，能够感受电子移动影响的官能团以及原子团价态的化学位移。电子能谱的作用原理为：先选定好要测定的样品，选用X射线对样品进行照射，使样品里面的原子或者分子受到X射线的照射从而被激发出来，测量出这些电子的能量分布图，从能量分布图谱中获取能量信息，在这个过程中，最大的优点是经过X射线照射后样品的结构不会被破坏[2]。

在制浆造纸业中，化学分析电子能谱可以用于鉴定木材的表面成份，对表面物质的结构进行分析，从不同的特征峰的位置来推测出木材的化学成分组成，能够清晰地了解不同木材之间的差异，从而在制浆造纸过程中选出最适合的木材。

化学分析电子能谱技术还可以分析纸张表面的施胶剂，NESS就利用这项技术对H2O2漂白作用进行了分析，研究出其对TMP浆料施胶性能的影响，从结果中可以看出，H2O2能够降低浆料的自施胶能力。除此之外，这项技术还可以对杨木爆破浆的表面进行研究，从结果显示来看，爆破处理可以提高杨木表面的氧和碳的比例，也可以增强表面的硫化程度，这结果对爆破浆强度高的原因做出了合理的解释。纸张碳含量越高，说明纸张的强度越高，纸张的拉伸性越好，纸质越好，越有利于书写、不划笔。

四、接触角分析技术在制浆造纸业的应用

接触角可以反映出固体表面是否湿润及润湿性的优劣程度，所谓润湿，就是在界面上一种流体取代另一种流体的现象，最常见的是液体经过固体表面变成气体。通常情况下，固体物质表面的能越高，就越容易将液体润湿，液体在固体表面上的接触角越小，说明其润湿性能也就越好。一般的判断依据为：当接触角在0到90°之间，说明液体对固体润湿；当接触角在90°到180°之间，说明液体对固体是不润湿的；当接触角为平角或者为零时，表明完全不润湿。

很多研究专家做实验研究接触角的变化情况，如Chandra通过实验研究经过漆酶处理的纸浆的接触角的变化情况，。实验表明，经过漆酶处理之后的纸浆的接触角降低，说明漆酶能够促进纸浆的润湿性。不仅如此，Linda对云杉纤维的接触角也进行了测定，实验结果表明，对浆料进行洗涤、漂白能够使接触角降低，反映出纤维表面的亲水性随之增强。此外，金永灿还测定了不同纤维回用次数对浆料动态接触角的影响，实验表明，第一次回用对纸浆的接触角的影响最为显著，随着回用次数的增多，纸浆接触角逐步趋向于稳定状态。

五、红外反射-吸收光谱分析技术在制浆造纸业的应用

红外反射-吸收光谱可以研究物质表面的键合状况，适用于单分子层或者极少数分子层的情况，它可以利用红外反射，得到吸收光谱，从光谱中实现对样品的直接分析，这种方法的灵敏度极高，能够测试极薄的薄膜，吸收强度高达透射法的25倍。可以利用这项技术对KP浆里面的尘埃和树脂的化学成分进行测定，将所要测定的物质做成样品，从得到的样品图谱和标准图谱中的特征峰强度相比较，来分析样品中的高岭土、滑石粉等化学物质的组成。除此之外，还可以利用红外反射-吸收光谱，实现对涂布涂层表面含有哪种颜料进行测定，也可以对涂布涂层使用何种胶粘剂进行测定[3]。

在制浆造纸行业中，利用红外反射-吸收光谱分析技术可以确定纸张的聚合情况，选择出最优质最合适的原材料制造纸浆，既能够节约成本，又能够实现行业的最大效益。

结语：

综上所述，表面分析技术是一种综合多种分析技术的统称，近几年，其发展速度非常迅速，是现代工业中常用的技术之一。在制浆造纸行业中，传统的用单一技术对材料表面进行分析的方法已不适合时代发展的要求，这是由于每一项单一的技术都有自己的局限性，而综合性的多测试表面分析技术能够使信息的互补，更适合制浆造纸业的发展，在未来也会一直散发出蓬勃的活力。

参考文献：

[1]徐清华，秦梦华，石淑兰. 表面分析技术在制浆造纸研究中的应用[J]. 中国造纸学报，2004，01：215-219.

[2]冀玲芳. 现代分析技术在制浆造纸研究中的应用[J]. 江苏造纸，2009，04：30-32+48.

[3]彭涛. 表面分析技术在制浆造纸工业中的应用研究进展[J]. 广西轻工业，2011，02：14-15.