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造纸工业中聚丙烯酰胺的应用

时间:2021-05-14 08:43:13点击:0

摘要:丙烯酰胺(AM)类聚合物是指丙烯酰胺的均聚物及丙烯酰胺与其它单体形成的共聚物的统称。聚丙烯酰胺(PAM)及其衍生物是一类新型的精细功能高分子产品,是水溶性聚电解质中较重要的品种之一。目前在化工、造纸、轻纺、水处理等工业部门得到了广泛应用。聚丙烯酰胺及其改性物是目前较常用的造纸助剂,因此其市场供需量及价格直接影响造纸行业的成本核算。为此,本文主要对聚丙烯酰胺的种类及其性质及造纸中的应用进行了分析与探究。

聚丙烯酰胺是造纸工业中应用较早、较广泛的造纸助剂之一,聚丙烯酰胺在造纸工业中的应用,现已被称为标准的造纸助剂。它是水溶性高分子化合物,因其双键及酰胺基的化学性质非常活泼,可进行一系列化学反应,由于制备时的原料及反应条件的不同,可制得不同分子量和不同功能的聚丙烯酰胺系列产品。按聚合度大小分为高分子量PAM、中分子量PAM及低分子量PAM;在用途上可作为助留剂、增强剂、助滤剂和分散剂等。

一、聚丙烯酰胺的种类及其性质

1、非离子型聚丙烯酰胺(NPAM)

非离子型聚丙烯酰胺无色、无腐蚀性、较易溶于水,分子质量高且浓度大时会在水中形成凝胶,稀释可增加其流动性,提高温度可促进溶解,但受热时间长或温度超过60℃易降解,在水溶液中(PH值6.0-7.0)带负电荷。此外,PAM能溶于乙酸、丙酸、乙二醇等有机溶剂。PAM一般以粉末状或水溶液形式供应给造纸生产企业,生产再根据需要溶解或进一步稀释到更低的浓度加到浆料当中。

2、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)

用阳离子单体和丙烯酰胺共聚可以制备阳离子聚丙烯酰胺,因阳离子聚丙烯酰胺所带电荷与纤维所带电荷相反,可起到很好的絮凝作用,阳离子型聚丙烯酰胺的PH值适用范围比较广,因此,对酸性或中碱性抄纸都适用。阳离子型聚丙烯酰胺可单独使用,但为了解决单独使用阳离子聚丙烯酰胺产生的匀度变差,强度变差等问题,采用了二元组合系统。如使用结构二氧化硅与阳离子聚丙烯酰胺组成二元助留助滤系统,利用高分子质量的阳离子聚丙烯酰胺对纤维进行桥联絮聚,形成的絮聚体经由适当剪切力破坏后会使絮聚体表面暴露更多链段,这时加入的高负电荷高比表面积的二氧化硅与这些链段发生作用,将每小段的链段聚集到纤维上,使得絮聚体结构更加致密,从而提高纸浆的留着率。

3、阴离子聚丙烯酰胺(APAM)

阴离子聚丙烯酰胺是通过在聚合物中引入羟基,由丙烯酸单体和丙烯酰胺单体共聚而成。在造纸生产中,由于APAM本身带负电荷,不能与纤维很好地结合,因此,一般加入阳离子化合物作为促进剂,比如加入硫酸铝,阴离子聚丙烯酰胺在Al3+的作用下与纤维上的负离子以配位键形式吸附在纤维上产生增强效果,结果同时带来操作上的麻烦,特别是无法实现中性造纸技术。国外造纸生产中阴离子聚丙烯酰胺的应用比例由20世纪90年代的60%下降到30%,相反,阳离子型聚丙烯酰胺却由同期的20%跃升到50%以上。

4、两性聚丙烯酰胺(AmPAM)

两性聚丙烯酰胺一般采用共聚法制备,即通过把带有阳离子、阴离子等官能团的单体与丙烯酰胺单体在引发剂的作用下于水溶液中进行自由基聚合制得。两性聚丙烯酰胺既含有阴离子基团,也含有阳离子基团,因此其兼有APAM和CPAM的特点,并且其增强作用和助留助滤作用优于APAM和CPAM。在造纸生产中,两性聚丙烯酰胺中的阴离子基团能优先吸附体系中的阳离子垃圾,从而清除体系中干扰物对纤维的吸附。同时,两性聚丙烯酰胺中的阴离子基团会排斥在体系中的阴离子干扰物,使得阳离子基团不过早反应从而更好地吸附纤维。AmPAM还可以弥补CPAM和APAM的不足,既调节系统阴、阳电荷的电子平衡、还可防止抄造系统白水循环利用时可能发生的电荷逆转问题。

二、聚丙烯酰胺在造纸中的应用

1、助留助滤剂

用作造纸助留助滤剂的通常是聚丙烯酰胺的改性产品,包括阴离子聚丙烯酰胺(APAM),阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)和两性聚丙烯酰胺(AmPAM),相对分子质量在200万-400万之间。

APAM一般和其他阳离子化合物构成复合体系而起到较强的助留作用,例如和硫酸铝组合,能使APAM和纤维、细小纤维、填料等紧密结合,从而很大提高了细小纤维和填料的留着率。

CPAM在造纸中是较常用的助留剂之一,一般使用高分子质量、低电荷密度的产品。其所带电荷与纤维所带电荷相反,可单独使用,也可与膨润土、阴离子等组合使用,在纸料中以桥联机理引起纸料絮聚,并可以使纸张的填料保留率提高,促使网下白水浓度降低。CPAM与带负电荷的膨润土组成微粒助留助滤体系使用时,因加入CPAM形成的纸料的絮聚体尺寸较大,再经过冲浆泵等装置后受到高剪切力作用,絮聚体被碎解成小碎块,而这时加入负电荷的膨润土会将小碎块重新桥联起来,并且形成了比CPAM初所形成的絮聚体更小的絮块。从而提高了纸料的留着率,也相对改善了成纸的匀度和滤水性能。

AmPAM作为助留助滤剂使用时,阴离子基团排斥纸浆当中的阴离子垃圾,阳离子基团则与纤维、细小纤维等结合。从而很好地提高了细小纤维的留着率。

2、增强剂

CPAM用作增强剂,通过阳离子与纤维上的阴离子形成离子键,可使其吸附到纸浆纤维上,而酰胺基与纤维上的羟基结合形成氢键,增强了纤维之间的结合力,从何使纸张强度增加。采用APAM加松香加硫酸铝添加顺序,用于纸浆中也可以获得较好的增强效果,但APAM的增强效果会随填料用量的增加而下降。

AmPAM在造纸工业中也常用作纸张干强剂,与阳离子聚丙烯酰胺类增强剂相比,其效果更好,能有效地提高纸张强度。有研究表明,两性聚丙烯酰胺类增干强剂对于废纸浆抄纸有更好的增强效果。

3、分散剂、絮凝剂

造纸工业中聚丙烯酰胺类分散剂主要是相对分子量低的阳离子聚丙烯酰胺,由于其分子链中含有羧基,对带负电的纤维有分散效果,能提高纸浆黏度,有利于纤维悬浮,并能有效改善纸页的均匀性,是一种长纤维的高效分散剂。而用作造纸工业水处理的絮凝剂的则是两性聚丙烯酰胺,其酰胺基可与废水当中的许多物质亲和形成氢键,因而可以将分散在水中的微粒吸附在一起凝聚成团,从而促进微粒的沉降和过滤。两性聚丙烯酰胺与其它的无机絮凝剂相比,具有品种齐全、生产中用量少、沉降速度快、生产泥渣少,后处理简单等优点,可满足不同废水处理的使用要求。

三、结束语

综上所述,聚丙烯酰胺在造纸工业领域也扮演着重要的角色。可用作纸张均度剂、增强剂、分散剂、助滤剂等,它的作用是可以改善纸的均匀度,有效提高纸张质量和强度,还可以提高填料及细小纤维的留着率,减少原材料的流失量,提高过滤回收效率及减少对环境的污染。