造纸湿部化学体系的测量 5. 纤维zeta电位的测定

造纸用纤维原料在其制浆过程中与化学品发生反应，使纤维表面产生羧酸(-COOH)或磺酸基团(-SO₃H)。这些基团在典型的抄纸pH条件下离子化，使纤维表面呈现负电性(阴离子性)。除纤维之外，纸料中的填料及其他固体物质的表面也可能拥有类似的可离子化的基团，各种半纤维素的分解产物、分散剂、木树脂、胶乳则可能成为溶解与胶体物质，对纸料悬浮物的总体电荷作出贡献。

纸料纤维悬浮液及造纸过程用水/白水的带电情况还受到加入到生产过程的造纸助剂的影响。下列助剂对抄纸过程贡献正电荷：硫酸铝(明矾)，聚合氯化铝(PAC)，阳离子淀粉、湿强剂、助留剂，用于优化与控制系统电荷特性的各种高电荷聚合物(代表性的是各类聚胺)。当然也有很多助剂贡献负电性，如：大多数的填料和一些增强剂，胶体硅(溶胶、凝胶)，膨润土微粒等。造纸工作者常常需要检测和定量表达这些物质的综合使用效果，在此过程中需要检测纤维的zeta电位和纸料体系的电荷需求量。

本文重点介绍纤维zeta电位的测定(注: '电位'和'电势'的叫法可以通用)。

图1. 水性悬浮液中带负电粒子表面的双电层结构

首先需要理解一下zeta电位的定义及相关的电荷现象。如图1所示，最左侧的“surface charges”可看成分散在水中的纤维或填料等固体粒子的表面电荷。悬浮在水中的粒子，其表面的带电基团总是倾向于吸引溶液中带相反电荷的离子(即'反离子')。但所有的离子都具有热能，所以它们会不停地运动。所以离子一方面在静电作用下被吸引到粒子表面，另一方面在热扩散的作用下远离粒子表面，这两种作用的净效果是所有离子在颗粒表面获得某种平衡分布，这种平衡分布也就是形成了'离子云'。值得注意的是，图中有一层反离子被画成与粒子表面直接接触，即它们处于所谓的紧密层(Condensed layer)中，而另外的反离子被画成是扩散的，即处于所谓的扩散层(Diffuse layer)中。紧密层和扩散层相接的地方存在一个滑移层(滑移层处于距离紧密层朝外方向很短的地方)，大致地我们可以这样认为：粒子在水中运动的时候，滑移层左侧的离子都能跟随粒子一起运动，而其右侧的粒子则没有那么'死心塌地'地跟它走，所以两者之间似乎产生滑动。Zeta电位指的就是水相中固体粒子的滑动面相对于远处(即离子平衡处)的电位(Electrical potential)，这个电位通过仪器是可以实际测到的，相对而言，粒子表面真正的电位只能被理论推算而不能被直接测到。

图2. 纤维垫流动电位测试装置工作示意图

用来测定纤维表面zeta电位的仪器，其基本的工作方式如图2所示，而它的测定原理则基于四大动电现象之一的'流动电位(streaming potential)'(另外三种是流动电流、电泳、电渗，有机会再详细讲)。图中该仪器利用真空将纤维悬浮液吸向滤网而在滤网上形成纤维垫，然后测定装置于纤维垫两端的一对电极之间的电位差(筛网本身常常被用作其中一个电极)。 纤维垫两侧施加一定真空压时的电位值与不施加真空压时的参考电位值进行对比，然后将结果代入下列方程，就可以计算出纤维表面的zeta电位了。

该式中，ΔE就是有真空压时的电位与无真空压时电位的差值。其它物理量包括: 水的粘度(η)，电导率(λ)，纤维垫两端的压力差(ΔP)，以及水的介电常数(ε)。图2的测试方法对截留于滤网之间的纤维垫的表面状态极为敏感，也就是说，其测试结果受那些易被纤维表面吸附的物质的影响很大。例如，如果阳离子淀粉被吸附于纤维，那么纤维的zeta电位值就会负得少一些，更多的吸附甚至会导致zeta电位反转，即成为正电性。

好了，下面让我们看一下市场上两款流行的zeta电位测定仪美丽的样子，结束本次愉快的学习。

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