造纸与化学

造纸术的整个流程，从原料处理到z终成纸，本质上是一系列复杂的化学和物理变化过程。现代造纸工业更是深度依赖化学原理和技术。以下是造纸与化学密切相关的几个核心方面：

1. 原料处理与制浆化学

· 分离纤维（制浆）：目标是去除木材、竹子等原料中的木质素（使纤维黏结的褐色物质）和半纤维素，分离出纯净的纤维素纤维。

  · 化学法制浆：利用化学药剂在高温下与木质素发生反应，使其溶解。例如：

    · 硫酸盐法（碱法）：使用 NaOH 和 Na₂S 的混合液，通过亲核取代、断裂醚键等反应，使木质素降解并溶解。这是z主要的方法。

    · 亚硫酸盐法（酸法）：使用亚硫酸盐或亚硫酸，通过磺化反应使木质素变成可溶物。

  · 机械与化学机械法：结合了物理摩擦和温和的化学预处理（如使用亚硫酸钠或碱），化学作用软化木质素，减少纤维损伤。

2. 漂白过程的化学

浆料呈褐色，漂白是为了破坏残留的木质素发色基团，提高白度和稳定性。

· 传统含氯漂白：使用氯气、次氯酸盐等，但会产生有毒的二噁英等有机氯化物，已基本被淘汰。

· 现代无元素氯（ECF）漂白：主要使用二氧化氯（ClO₂），它能选择性氧化木质素结构，减少有害物生成。

· 全无氯（TCF）漂白：使用氧气（O₂）、过氧化氢（H₂O₂）、臭氧（O₃） 等环境友好试剂。这些属于氧化还原反应，通过产生自由基（如·OH）破坏发色团。

3. 造纸湿部化学（关键核心）

这是纸浆悬浮液在成型前的化学调控过程，决定了纸张的z终性能和生产效率。

· 施胶：使纸张具有抗水性。

  · 酸性施胶：使用松香皂和硫酸铝（明矾），Al³⁺水解产生正电荷，与带负电的纤维和松香结合沉淀在纤维上。

  · 中性/碱性施胶：使用烷基烯酮二聚体（AKD） 或烯基琥珀酸酐（ASA），这些分子与纤维素的羟基发生酯化反应，形成疏水层。

· 助留助滤系统：添加化学品以提高细小纤维和填料的留着率，并改善脱水速度。

  · 常用聚丙烯酰胺（PAM）、聚乙烯亚胺（PEI）等高分子聚合物，通过电荷中和和桥联作用使细小颗粒絮凝。

· 湿强剂：如聚酰胺环氧氯丙烷树脂（PAE），其活性基团能与纤维素形成共价交联网络，即使纸张湿润也能保持部分强度。

4. 涂布与加工化学

用于生产高级印刷纸等，在纸张表面涂布一层由颜料和胶黏剂组成的涂料。

· 涂料化学：涉及胶体化学和表面化学，如颜料（高岭土、碳酸钙）的分散稳定性、胶黏剂（淀粉、丁苯胶乳）的成膜性与黏结性。

· 化学添加剂：如润滑剂、抗水剂、荧光增白剂（通过吸收紫外光并发射蓝光，互补黄色提高视觉白度）等。

5. 环保与再生化学

· 废水处理：制浆漂白废水含有大量有机物和色素，需通过混凝、高级氧化（如Fenton反应）、生物降解等化学和生化方法处理。

· 黑液回收：碱法制浆产生的黑液经过浓缩、燃烧，可将有机物转化为热能，并回收 NaOH 和 Na₂S，这是一个复杂的高温化学反应和电解回收过程。

· 废纸脱墨：使用表面活性剂降低油墨与纤维的附着力，通过浮选或洗涤分离，涉及表面化学和胶体界面科学。

6. 纸张的化学老化与保护

· 酸是纸张的“头号杀手”：酸性纸张中的氢离子（H⁺）会催化纤维素水解反应，导致分子链断裂、纸张变脆。现代档案纸要求中性或弱碱性，并添加碳酸钙作为缓冲剂来中和酸性物质。

· 氧化与光降解：空气中的氧气和光线会引起纤维素、木质素的氧化反应，导致纸张变黄、脆化。古籍修复和保护中常涉及化学去酸和抗氧化处理。

总结：化学是造纸工业的基石

从宏观上看，造纸术的发明（中国西汉）本身就是一项伟大的化学-材料工程实践。而现代造纸工业更是演变成一个高度集成的应用化学系统，涵盖了：

· 有机化学（木质素反应、合成施胶剂）

· 高分子化学（助留剂、增强剂）

· 胶体与界面化学（湿部化学、涂布）

· 分析化学（过程监控、质量控制）

· 环境化学（三废治理、绿色漂白）

可以说，没有化学的深入应用，就没有从粗糙的“蔡侯纸”到今天各种高性能、多功能、环境友好的现代纸张的飞跃。造纸术的演进史，也是一部材料化学的应用发展史。