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技术知识

聚丙烯酰胺在各类造纸助留助滤体系中的作用机理及应用

时间:2021-03-17 15:16:43点击:0

摘要:主要介绍了聚丙烯酰胺(PAM)及其接枝共聚物在各类造纸助留体系中的助留助滤机理及应用,探讨其较新的研究进展。可以看出聚丙烯酰胺在造纸助留助滤体系的应用前景十分广阔,今后应发挥其优势,为造纸工业服务。

助留剂通过改变造纸浆料的絮凝状态来提高细小纤维及填料等的留着率,从而达到减少纤维和填料的流失以及降低污染负荷的结果。随着抄纸机的高速化、大型化以及对产品质量更高的要求,需要使用与之相对应的新的高效助留系统和助留技术,以保证造纸工业的迅速发展。作为纸机湿部化学添加剂,不同离子类型的聚丙烯酰胺(PAM)及其接枝共聚产物是具有代表性的造纸助留剂之一。

PAM是水溶性的有机高分子化合物, 主链上有活泼的酰胺基和双键。采用不同的聚合工艺,引入不同的官能团,可得到不同分子量和不同电荷密度的聚丙烯酰胺系列产品,是化学性质非常活泼、应用广泛的多功能高分子化合物。根据分子量的不同,PAM在造纸工业中可用作干强剂、助留剂、助滤剂和絮凝剂等。本文主要介绍其作为造纸助留剂在造纸工业中的应用。

PAM具有分子量大、分子链上具有足够多的反应活性点等特点,可与纤维、填料等结合,形成“硬聚集体”。其结合机理主要有中和相反电荷;部分链段以镶嵌状吸附在粒子表面;交联或者架桥;聚合物链形成缠结网络,将粒子捕获,这些结合的结果是形成各种交联网络。由于有物理交联和化学交联共同存在,所以聚集体抗机械力强,可显著提高助留效果。

PAM能改善网部纸料的滤水性能和细小纤维及填料的留着率。当在纸料中添加PAM后,纸料中很快会呈现出絮聚现象,这时纸料中的细小粒子(包括细小纤维和填料)附着到较长纤维的表面上并形成体积较大的絮凝体,使纸料易于脱水,同时也减少了细小粒子通过网的流失量。PAM分子链上有大量的亲水基团,这些亲水基团可以是阴离子的、阳离子的或非离子的,他们具有双重作用,一方面使该聚合物溶于水,另一方面使聚合物附着在纤维和细小纤维表面,助留效果显著。

1、阳离子聚丙烯酰胺一元助留体系

高分子量低电荷密度的阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)在造纸中是常用的助留剂之一。CPAM因为其所带电荷与纤维所带的电荷相反,可以起到很好的絮凝作用,且不受浆料pH值的限制。利用填料表面的负电性,用阳离子高分子聚电解质对其进行阳离子化,以增加填料颗粒与纸浆纤维和细小纤维的吸附,从而提高填料的单程留着率,并减少白水中的填料含量。减少流失从而降低成本,还可以降低浆料上网的浓度和灰分,延长成形网的寿命,并且纸页的平滑度和不透明度可以得到改善。

但单独使用CPAM作助留剂时,容易产生匀度变差、强度下降的缺点。于是人们考虑用二元助留助滤系统和CPAM微粒系统,在提高助留助滤性能的条件下,改善成形匀度和纸张强度。

华南理工大学王进等自制研究的CPAM能显著提高浆料中填料的留着率并改善浆料的滤水性能。

2、阴离子聚丙烯酰胺与铝盐助留体系

阴离子聚丙烯酰胺对负电荷表面具有微弱的亲和力,需要先在系统中加入阳离子化剂(常用铝盐),将纤维和细小纤维粒子表面上互相起静电作用的几种助留剂结合起来使用,起到协同作用。首先加入铝盐,吸附于纤维和细小纤维的表面,使吸附点具有正电荷,随后加入高分子量的阴离子聚丙烯酰胺,吸附到纤维和细小纤维表面的铝盐结合点上,阴离子聚丙烯酰胺的链圈、链尾从粒子表面伸出,将其它粒子结合,形成架桥作用,起到了助留作用。但该系统的缺点是仅适用于酸性造纸中。

3、两性聚丙烯酰胺助留体系

两性聚丙烯酰胺既有阳离子基团又有阴离子基团,能够在纸浆中产生协同效应。两性助留剂中的阴离子可以除去系统中原来起抑制作用的其他阳离子,从而促进助剂在纤维上的离子缔合和吸附;这些阴离子也可以排斥系统中的其他阴离子,从而可以防止其阳离子基团过早地和系统中其他物料起作用;当系统中存在过多阳离子添加剂使纤维具有某种程度的阳离子特性时,这些阴离子基团能够平衡已经吸附在纤维上的阳离子基团,从而使该分子上的阳离子基团更为密切地与纤维上的阴离子基团接触;由于细小组分的再循环而使系统中的助剂含量上升,而两性助剂建立起来的系统电荷平衡能够使纸机系统维持良好的运转性能。

天津科技大学的徐青林等研究了新型结构两性聚丙烯酰胺的助留助滤作用,结果表明,其对各种废纸浆及非木材纸浆均具有良好的增强、助留助滤效果外,不仅能与硫酸铝复配使用,更适合中性抄纸的要求,还具有很好的辅助施胶效果。

4、阴、阳离子聚丙烯酰胺二元助留体系

在纸机的上浆系统,先加入中等分子量的阳离子聚丙烯酰胺,然后添加高分子量阴离子聚丙烯酰胺,使体系产生“硬性絮团”助留效果。它是利用阳离子聚合物产生阳离子“补丁”,为阴离子聚合物提供连接点。然后,阴离子聚合物分子链某些部位便结合到“补丁”所提供的阳离子连接点上,而分子链的其余部分为正极补丁周围的负极所排斥,使阳离子聚合物伸展到周围的水溶液中,而吸附到另外微粒表面的阳离子补丁上,从而形成了良好的絮凝作用,提高了助留效果。

5、淀粉一聚丙烯酰胺接枝共聚物助留体系

淀粉一聚丙烯酰胺的接枝共聚物能够和纤维、填料产生静电吸附、架桥作用,网络作用,其结果导致纤维和填料的絮凝及比表面的降低,从而使纸张中留下更多的细小纤维和填料,并加速了脱水过程,达到助留助滤的目的。

淀粉接枝聚丙烯酰胺的支链可以通过桥联使填料和微小纤维形成颗粒的集合,然后截留在纸页上提高留着率。淀粉接枝聚丙烯酰胺的效果优于聚丙烯酰胺,这是因为淀粉接枝聚丙烯酰胺的空间结构大,其构型如同带有若干长分支的大树,伸展程度比单一的聚丙烯酰胺好,因而架桥作用好;另一方面,由于淀粉接枝聚丙烯酰胺骨架淀粉的羟基充分暴露,与纸页纤维索的羟基形成氢键,增加了纸页纤维间的数目,所以能提高纸页中纤维间结合力。

邱广明等合成了丙烯酰胺对淀粉的接枝共聚物,将其应用到造纸中发现,共聚物中丙烯酰胺的接枝百分率越高,纸浆的絮凝速度和留着率提高越大。接枝百分率为60.9%的共聚物可使纸浆的网上留着率提高12.3%。

6、壳聚糖接枝聚丙烯酰胺助留体系

近年来,由于壳聚糖的结构与纤维素相似,溶解时采用的酸性介质与纸机抄纸时的酸性介质相近,有人用壳聚糖与聚丙烯酰胺交联物作造纸助留剂,结果表明,它的分子链可以通过桥联使填料和细小纤维形成颗粒的集合体,然后通过机械截留而留在纸页中。壳聚糖分子链中的每个葡萄糖单元中都有一个氨基,在酸性条件下,变成很强的正电荷,与填料粒子以及细小纤维、纤维有较强的静电作用,即有很强的压缩双电层的作用,促使其发生絮凝;另外,由于分子中的壳聚糖的羟基和氨基充分暴露,与纤维间的氢键可形成氢键结合,增加纤维间的氢键结合数目和结合面积,提高纤维间的结合力。从而克服由于填料和细小纤维留着的增加而造成的纸页强度降低,甚至还对其强度有一定的提高作用。

张光华等将壳聚糖与阴离子聚丙烯酰胺交联,制得一种性能优异的壳聚糖阴离子聚丙烯酰胺交联物助留剂,该助留剂经实验室和工厂应用证明具有优良的助留、助滤效果。

7、聚氧乙烯(PEO) 接枝聚丙烯酰胺助留体系

PAM-PEO接枝共聚物具有梳状结构,PAM为骨架,支链上含有PEO结构。研究发现,使用聚丙烯酰胺与聚氧乙烯接枝共聚物作为助留剂,对纸页成形匀度的不良影响很小,低用量即可获得高助留率。含PEO支链阳离子聚丙烯酰胺因其粒子表面带有大量的正电荷,具有足够多的反应点或活性点,可与纤维和填料通过多种形式结合,形成“硬聚集体”。微粒本身含有阳离子基团可以与纸浆纤维产生静电吸附。纸浆抄纸过程中,含PEO支链阳离子聚丙烯酰胺微粒中的PEO-A大单体支链从微粒之间的氢键架桥作用,形成网状结构,提高了细小纤维的留着率。聚丙烯酰胺与聚氧乙烯接枝共聚物作为助留剂,对纸页成形匀度的不良影响很小,低用量即可获得高助留率。

华南理工大学的彭晓宏等人采用反相微乳液聚合法合成了PEO-A、AM、ADAMQUAT与Bis的四元共聚物微粒,研究了该微粒助留剂的结构与性能。实验结果表明,这种微粒和纸纤维能够通过离子键和氢键作用显著地增强助留效果。

8、CPAM/微粒助留助滤系统

这种新型聚合物/微粒助留助滤体系是先向浆内添加高分子阳离子聚合物,其通过桥联与纸浆纤维等形成较大的絮凝体,这些絮凝体经强烈剪切作用后离解成较小的絮凝体。继之添加活性比表面积非常大、带高密度负电荷的特殊无机颜料粒子,这些微粒子物质与絮凝体结合,形成高密度、易失水的微絮凝体,从而具有留着率高、成形和滤水性好的综合效果。该系统能产生非常有利于助留和改善纸页匀度的絮凝作用。

在生产中使用较多的是Hydrocol系统和Compozil系统。Hydrocol系统是利用高分子的CPAM与改性膨润土,形成复式控制系统。Compozil系统主要是利用淀粉与胶体二氧化硅组成复合助留体系。通过阳离子淀粉或PAM与硅溶胶或膨润土等复配应用起到比单独应用更好的效果,其缺点是应用技术与工艺更为复杂。

9、结束语

造纸工业的飞速发展,需要不断地加大研制开发经济而又高效的助留助滤剂的力度,缩短和国外的差距,提高造纸效率和质量,增强国际竞争力,以迎接国外纸业的冲击和挑战。

絮团具有高剪切性、尺寸较小、结构紧密且留着率大,是造纸行业发展的趋势。聚丙烯酰胺作为优质的造纸助留助滤剂已经在全世界得到了广泛的应用,人们正不断地对聚丙烯酰胺进行新的改性研究,以制得更好的聚丙烯酰胺,目前最新的研究是对CPAM/微粒系统进行改进。