表面分析技術在制漿造紙研究中的應用

段繼生

摘 要：表面分析技術是一種綜合利用電子、光子、離子、原子、強電場、熱能與固體表面的相互作用，測量從表面散射或發射的電子、光子、離子、原子、分子的能譜、質譜、光譜、衍射圖像或者空間分布，得到其表面成分及結構、表面電子態及所發生何種物理化學過程等的技術，目前這種表面分析技術已經廣泛應用在了制漿造紙行業。本文對一些主要的表面分析技術在制漿造紙行業中的應用進行闡述。

關鍵詞：表面分析技術；制漿造紙；應用

在實際的制漿造紙過程中，要對紙張的表面信息及性質進行全面描述，就需要對紙張按照從宏觀到微觀的不同的層次進行研究。表面分析技術是一種綜合性技術，不同的技術之間的互補作用，可以實現對紙漿各種成分的測定，可以實現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。從長遠來看，表面分析技術可以對制漿造紙行業的發展起到強有力的推動作用。

一、電子顯微鏡分析方法在制漿造紙業的應用

電子顯微鏡分析方法主要分為兩類：掃描和透射，它主要的優點是對所分析的物質無形狀要求，放大倍數高達20萬倍，可以將表面凹凸不平的物質顯示的非常清楚，呈現出很強的立體感。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：將電子和物質之間作用產生的各種透射電子、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行觀察。

電子顯微鏡分析方法在制漿造紙業的應用有：掃描電子顯微鏡可以實現在較低的放大倍數下對紙漿的纖維形態的觀察，亦可以實現在較高放大倍數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過樹脂包埋和切片的植物纖維的橫截面進行觀察，通過觀察來研究植物纖維中纖維細胞的排列狀況，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紙張涂布之后的涂層是否均勻，涂層均勻的作為優質紙張，涂層不均勻、符合出廠標準的，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的應用

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電樣品物質的表面形貌，它的使用范圍不受限制，無論是真空還是大氣，都可以對物體進行準確的觀察。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方向的側向分辨率可以達到2納米，垂直方向的分辨率可以達到0.1納米。原子顯微鏡能在制漿造紙業得到廣泛的應用，離不開其簡單的樣品制備手續，高分辨率，不受時間與空間的限制的優點。

在制漿造紙行業中，原子力顯微鏡主要用于研究紙漿表面的納米結構，對力學曲線進行測定等。從力學曲線中，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度，紙張強度越高，說明紙質越好。目前，人們已經利用原子力顯微鏡實現了對STMP以及TMP表面的測定。從測定結果來看，CTMP表面有細小纖維聚集，TMP表面有不定形的分子及粒子，這種對漿表面成分進行測定的技術可以幫助造紙業在制漿過程中更加精確的選擇木材，制造出好的紙張。

三、化學分析電子能譜分析技術在制漿造紙業的應用

化學分析電子能譜被稱為ESCA，是對物質表面進行化學分析的有效方法，它具有定量分析的優點，能夠測定各種以化學物形式存在的元素的價態，能夠感受電子移動影響的官能團以及原子團價態的化學位移。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，在這個過程中，最大的優點是經過X射線照射后樣品的結構不會被破壞[2]。

在制漿造紙業中，化學分析電子能譜可以用于鑒定木材的表面成份，對表面物質的結構進行分析，從不同的特征峰的位置來推測出木材的化學成分組成，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。

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

四、接觸角分析技術在制漿造紙業的應用

接觸角可以反映出固體表面是否濕潤及潤濕性的優劣程度，所謂潤濕，就是在界面上一種流體取代另一種流體的現象，最常見的是液體經過固體表面變成氣體。通常情況下，固體物質表面的能越高，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。一般的判斷依據為：當接觸角在0到90°之間，說明液體對固體潤濕；當接觸角在90°到180°之間，說明液體對固體是不潤濕的；當接觸角為平角或者為零時，表明完全不潤濕。

很多研究專家做實驗研究接觸角的變化情況，如Chandra通過實驗研究經過漆酶處理的紙漿的接觸角的變化情況，。實驗表明，經過漆酶處理之后的紙漿的接觸角降低，說明漆酶能夠促進紙漿的潤濕性。不僅如此，Linda對云杉纖維的接觸角也進行了測定，實驗結果表明，對漿料進行洗滌、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。此外，金永燦還測定了不同纖維回用次數對漿料動態接觸角的影響，實驗表明，第一次回用對紙漿的接觸角的影響最為顯著，隨著回用次數的增多，紙漿接觸角逐步趨向于穩定狀態。

五、紅外反射-吸收光譜分析技術在制漿造紙業的應用

紅外反射-吸收光譜可以研究物質表面的鍵合狀況，適用于單分子層或者極少數分子層的情況，它可以利用紅外反射，得到吸收光譜，從光譜中實現對樣品的直接分析，這種方法的靈敏度極高，能夠測試極薄的薄膜，吸收強度高達透射法的25倍?？梢岳眠@項技術對KP漿里面的塵埃和樹脂的化學成分進行測定，將所要測定的物質做成樣品，從得到的樣品圖譜和標準圖譜中的特征峰強度相比較，來分析樣品中的高嶺土、滑石粉等化學物質的組成。除此之外，還可以利用紅外反射-吸收光譜，實現對涂布涂層表面含有哪種顏料進行測定，也可以對涂布涂層使用何種膠粘劑進行測定[3]。

在制漿造紙行業中，利用紅外反射-吸收光譜分析技術可以確定紙張的聚合情況，選擇出最優質最合適的原材料制造紙漿，既能夠節約成本，又能夠實現行業的最大效益。

結語：

綜上所述，表面分析技術是一種綜合多種分析技術的統稱，近幾年，其發展速度非常迅速，是現代工業中常用的技術之一。在制漿造紙行業中，傳統的用單一技術對材料表面進行分析的方法已不適合時代發展的要求，這是由于每一項單一的技術都有自己的局限性，而綜合性的多測試表面分析技術能夠使信息的互補，更適合制漿造紙業的發展，在未來也會一直散發出蓬勃的活力。

參考文獻：

[1]徐清華，秦夢華，石淑蘭. 表面分析技術在制漿造紙研究中的應用[J]. 中國造紙學報，2004，01：215-219.

[2]冀玲芳. 現代分析技術在制漿造紙研究中的應用[J]. 江蘇造紙，2009，04：30-32+48.

[3]彭濤. 表面分析技術在制漿造紙工業中的應用研究進展[J]. 廣西輕工業，2011，02：14-15.