CPAM/膨润土双元体系在瓦楞原纸生产中的应用

沙力争 陈志杭 赵会芳

(浙江科技学院,浙江杭州,310023)

CPAM/膨润土双元体系在瓦楞原纸生产中的应用

沙力争 陈志杭 赵会芳

(浙江科技学院,浙江杭州,310023)

利用动态滤水仪模拟瓦楞原纸生产的湿部过程,研究了阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)/膨润土双元体系对浆料留着、滤水及纸张性能的影响。结果表明,当CPAM用量低于0.02%(各化学品用量均对绝干浆量)时,CPAM/膨润土双元体系的助留助滤效果与CPAM单元体系的相当;当CPAM用量0.04%,膨润土用量0.2%时,CPAM/膨润土双元体系的助留助滤效果最好;在CPAM/膨润土双元体系中,CPAM宜在高速剪切前加入,而膨润土应在高速剪切后加入。一定范围内增加CPAM用量,可提高成纸的裂断长,但环压指数有所下降;当CPAM用量超过0.04%后,成纸的环压指数则随CPAM用量的增加而缓慢提高。

CPAM;膨润土;助留助滤体系;瓦楞原纸

改善细小组分的留着可帮助纸机在高速下运行又不影响纸张性能[1],因此,如何保持造纸湿部良好的滤水性能及细小纤维、填料和添加剂的良好留着是目前造纸湿部化学研究的热点之一。

废纸浆的大量使用、造纸白水的再循环及封闭程度的不断提高,造成了造纸湿部系统阴离子杂质的聚集和积累[2],致使纸张的成形条件恶化,也大大削弱了传统助留助滤体系的作用效果。这种影响在以废纸为主要原料的瓦楞原纸和挂面箱纸板等产品的生产中表现得尤为突出。为克服传统助留助滤体系的缺点,由阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)和带负电荷的膨润土所组成的助留助滤体系在我国一些大型纸机上得到了较广泛应用,目前,已向中小型纸机发展。CPAM/膨润土助留助滤体系通过高分子质量、低电荷密度的CPAM以链圈链尾的形式吸附到纸浆纤维上,并以桥联机理首先引起浆料的初始絮聚[3],尺寸较大而疏松的初始絮聚体通过冲浆泵、压力筛等装置后,受到高剪切力作用,絮聚物被碎解成小碎块,从而为带负电荷的膨润土暴露出更多的CPAM链圈和链尾[4-5],膨润土通过静电中和及与CPAM非带电荷段的配合作用,将细小碎块桥联起来,形成尺寸小而致密的微小絮块,从而在提高浆料留着率的同时,也相应地改善了成纸的匀度。本研究通过模拟瓦楞原纸生产的湿部过程,系统研究了CPAM/膨润土双元体系对浆料留着、滤水及纸张性能的影响。

1 实 验

1.1 原料

废纸浆:取自杭州亚伦纸业有限公司;CPAM:法国爱森(SNF)公司产品;改性膨润土:浙江仁恒化工有限公司产品。

1.2 仪器

DFS动态滤水仪,德国AFG公司;1400型标准抄片器,加拿大RA公司;电子分析天平,上海; WZL-300型电脑测控拉力机,杭州;DYSY-1型环压强度测定仪,杭州。

1.3 实验方法

1.3.1 浆料动态留着实验

取1000 mL浆浓0.7%的浆料,加入0.02% CPAM(单元助留实验,用量对绝干浆量,下同),搅拌均匀。设定DFS动态滤水仪以600 r/min转速搅拌10 s,然后以800 r/min转速搅拌30 s。设定网下白水质量200 g,以滤液的固含量来表示浆料的留着率,改变CPAM用量,重复以上步骤。CPAM/膨润土双元助留实验是先加入CPAM在600 r/min转速搅拌10 s后,加入膨润土,然后再以800 r/min转速搅拌30 s,其他条件同CPAM单元助留实验。

1.3.2 浆料动态滤水实验

取1000 mL浆浓0.7%的浆料,加入0.02% CPAM(单元助滤实验),搅拌均匀。设定DFS动态滤水仪以600 r/min转速搅拌10 s,然后以800 r/min转速搅拌30 s,设定过滤时间为60 s,以滤水质量表示浆料的滤水性,改变CPAM用量,重复以上步骤。CPAM/膨润土双元助滤实验是先加入CPAM在600 r/min转速搅拌10 s后,加入膨润土,然后再以800 r/min转速搅拌30 s,其他条件同CPAM单元助滤实验。

1.3.3 纸张性能检测

按国家标准方法测定纸张的各项物理性能。

2 结果与讨论

2.1 CPAM用量对体系助留助滤效果的影响

CPAM用量对CPAM单元及CPAM/膨润土双元体系(固定膨润土用量0.2%)助留助滤效果的影响如图1和图2所示。由图1可知,当CPAM用量低于0.02%时,CPAM单元与CPAM/膨润土双元体系的滤液固含量均有明显下降,但作用效果相当,这是由于CPAM的加入量较少,CPAM可能主要被浆料中的阴离子中和,无法与随后加入的膨润土产生架桥作用,而影响了膨润土的助留效果;当CPAM用量超过0.02%后,CPAM/膨润土双元体系的滤液固含量大幅下降,其助留效果明显优于CPAM单元体系的,这是由于随着CPAM用量的增加,CPAM有效地吸附在浆料及其细小组分上,形成CPAM链圈、链尾,与随后加入的膨润土产生了架桥作用而起到明显的助留效果;当CPAM用量为0.04%时,CPAM/膨润土双元助留助滤体系的滤液固含量为0.621 mg/L,较CPAM单元体系的(滤液固含量0.986 mg/ L)下降了37.0%;当CPAM用量超过0.04%时,CPAM/膨润土双元体系的助留效果变化不明显,这可能是由于大多数膨润土已与CPAM结合完成,故随CPAM用量的进一步增加,其助留效果基本不变。

由图2可知,当CPAM用量低于0.02%时,CPAM单元体系与CPAM/膨润土双元体系的助滤效果相当;当CPAM用量从0.02%增加至0.04%时,CPAM单元体系对浆料滤水性能的改善较CPAM/膨润土体系的少,其滤液质量约增加15.9%,而CPAM/膨润土双元体系的滤液质量约增加26.4%,这是因为膨润土可留在这些吸附于不同浆料粒子上的CPAM的链圈和链尾之间,由于其电负性和较大的比表面积,可将细小碎块重新交联、桥联起来,形成较初始絮聚体尺寸更小、结构更致密的独特凝聚体结构,这种絮聚体比初始絮聚体更有利于浆料的滤水,可大大改善浆料的滤水性能。

2.2 膨润土用量对CPAM/膨润土体系助留助滤效果的影响

固定CPAM用量0.04%,改变膨润土的用量,研究其对CPAM/膨润土双元体系助留助滤效果的影响,结果见图3。

由图3可知,随着膨润土用量的增加,浆料滤液的固含量逐渐减少,而滤液质量逐渐增加;当膨润土用量超过0.2%时,滤液固含量及滤液质量的变化开始趋于平缓,这是因为随着膨润土的加入,其与初始絮聚体的碎片形成了更多小而致密的絮聚体,而提高了浆料的留着,促进了浆料的滤水,而当CPAM用量达0.04%时,可能大多数CPAM已与膨润土结合完成,故随着膨润土用量的进一步增加,其助留助滤效果基本不变。因此,本实验条件下,膨润土的最佳用量约0.2%。

本实验也研究了不同CPAM用量下,改变膨润土用量对浆料滤水性能的影响,结果如图4所示。由图4可知,当CPAM用量由0.02%增加至0.03%时,随着膨润土用量的增加,浆料滤液质量基本没有变化;但当CPAM用量增至0.04%时,随着膨润土用量的增加,浆料滤液质量有很大的提高,这表明只有在相对较大的CPAM用量下,CPAM才能有效地吸附在浆料及其细小组分上,并与膨润土产生架桥作用,形成有利于浆料滤水的絮聚体,产生良好的助滤效果。

2.3 剪切速率对CPAM/膨润土体系助留效果影响

剪切速率对CPAM/膨润土体系助留效果的影响如图5所示,主要有两种情况:一种是在CPAM加入后,膨润土加入前剪切速率的影响,见图5中的曲线a,即加入CPAM后的改变搅拌速率,剪切60 s,然后搅拌速率调至750 r/min,加入膨润土,剪切30 s后测浆料留着效果;另一种是CPAM及膨润土均加入后剪切速率的影响,见图5中的曲线b,即加入CPAM后,以600 r/min的搅拌速率剪切60 s,然后加入膨润土,改变搅拌速率,剪切30 s后测浆料留着效果。

由图5可知,随着剪切速率的增加,曲线a的滤液固含量基本不变,则说明CPAM加入后,膨润土加入前,改变搅拌速率,CPAM/膨润土双元体系的助留效果没有明显变化;曲线b的滤液固含量随着剪切速率的增加迅速上升,表明加入CPAM后再加入膨润土形成的絮聚体随着剪切力的增加会被破坏,导致CPAM/膨润土双元体系的助留效果下降,而使滤液固含量增加。因此,在CPAM/膨润土双元体系中,CPAM宜在高速剪切前加入,而膨润土应在高速剪切后剪切速率相对较低时加入。

2.4 CPAM及膨润土用量对手抄片物理性能的影响

2.4.1 CPAM及膨润土用量对手抄片定量的影响

以相同绝干浆量抄造手抄片。CPAM及膨润土用量对手抄片定量的影响如图6和图7所示。

由图6可知,CPAM/膨润土双元体系的手抄片定量高于CPAM单元体系的,表明CPAM/膨润土双元体系的留着效果比CPAM单元体系的更好;随着CPAM用量的增加,CPAM/膨润土双元体系的手抄片定量总体呈上升趋势。由图7可知,CPAM、膨润土用量多的手抄片定量要高于CPAM、膨润土用量少的手抄片,说明在一定范围内增加CPAM和膨润土的用量,有利于提高浆料的留着率。

2.4.2 CPAM用量对纸张裂断长和环压指数的影响

CPAM用量对手抄片裂断长和环压指数的影响见图8和图9,固定膨润土用量0.2%。

由图8可知,随着CPAM用量的增加,CPAM膨润土双元体系、CPAM单元体系都有助于增加纸张的裂断长。这是由于随着浆料中阳离子CPAM用量的增加,其吸附在带负电的纤维上,增加了纤维间的相互吸引力,同时有助于酰胺基与纤维上的羟基形成氢键。由于影响裂断长的主要因素是纤维的结合力[6],而助留造成的纤维平均长度的下降不足以影响形成氢键后结合力的提高,所以提高了纸张的裂断长;在同样的浆料及同样的抄片条件下,由于CPAM/膨润土双元体系比CPAM单元体系具有更好的助留性能,有更多的细小纤维被留着,降低了纤维之间的结合力,因此,CPAM/膨润土双元体系手抄片的裂断长比CPAM单元体系的低。

从图9可以看出,随着CPAM用量的不断增加,纸张环压指数先是逐渐减小,在CPAM用量0.04%时达到最小值,随后又缓慢增加。这主要是因为随着CPAM用量的增加,细小纤维留着率提高,纤维平均粗度和长度下降,由于纤维的粗度等对纸张环压强度有很大的影响[6],故使得环压指数下降;CPAM用量到达一定程度后,由于CPAM的羟基与纤维形成配位结合,氧原子也和纤维中的羟基形成氢键,可提高纤维结合力,纸张环压指数随着CPAM用量的增加,逐步缓慢上升。CPAM/膨润土双元体系比CPAM单元体系的纸张环压指数略低的原因同裂断长的变化。

3 结 论

3.1 当CPAM用量低于0.02%时,CPAM单元体系的助留助滤效果与CPAM/膨润土双元体系的基本相当,随着CPAM用量的继续增加,CPAM/膨润土双元体系的助留助滤效果明显好于CPAM单元体系;当CPAM用量为0.04%时,膨润土最佳用量约为0.2%。

3.2 在CPAM/膨润土微粒助留助滤体系中,CPAM宜在高速剪切前加入,而膨润土应在剪切速率相对较低时加入。

3.3 在一定范围内增加CPAM用量,可提高纸张的裂断长,但环压指数开始有所下降,当CPAM用量达到0.04%时,纸张环压指数随着CPAM用量的增加而略有提高,其中,CPAM/膨润土双元体系的作用效果比CPAM单元体系的略低。

[1] LeslieWebb.Chemicals provide a neat solution at the wet end[J]. PPI,1998,40(7):48.

[2] 叶小春.造纸系统中阴离子物质的积累与防治[J].造纸化学品, 1999(2):16.

[3] 刘温霞.阳离子聚丙烯酰胺/膨润土助留助滤体系[J].造纸化学品,2000(3):18.

[4] Agne swerin,Sjödin U,Ödberg L.Flocculation of Cellulosic Fibr Suspensions by Model Microparticulate Retention Aid Systems[J]. Nordic Pulp and Paper Research Journal,1993,8(4):383.

[5] FrancoisB,DanielM,Bruno C,et a1.A NewMicroparticulate System to Improve Retention/Drainage in Fine PaperManufacturing[J].Ap pita Journal,2005,58(1):47.

[6] 卢谦和.造纸原理与工程[M].北京:中国轻工业出版社,2004.

Abstract:In this paper,the effectof CPAM/bentonite microparticle retention and drainage system on stock retention and drainage aswell a sheet propertieswas studied by using dynamic filtration analyzer and simulating the wet process of corrugating medium production.Result showed thatwhen the dosage ofCPAM was below 0.02%,the effectofCPAM/bentonitemicroparticle retention and drainage system was sim ilar to CPAM alone;the efficiency of the CPAM/bentonite microparticle retention and drainage system was up to the maximum when the dos age of CPAM was 0.04%and the dosage of bentonite was 0.2%.Shear rate had certain effect on the retention and drainage,the final flo was disintegrated and resulted decrease of the retention and drainage efficiency when the shear force was beyond the limit.The breakin length of the paper sheet could be improved if the dosage ofCPAM in the system increasedwithin certain range however,the ring crush inde of the paper sheet dropped initially and began to increase slowlywhen the dosage of CPAM was over 0.04%.

Keywords:CPAM;bentonite;microparticle retention and drainage aid system;corrugatingmedium

(责任编辑:陈丽卿)

Application of CPAM/Benton iteM icroparticle Retention and Dra inage System in Corrugat ingM edium Production

SHA Li-zheng＊CHEN Zhi-hang ZHAO Hui-fang
(Zhejiang University of Science&Technology,Hangzhou,Zhejiang Province,310023)
(＊E-mail:slz9966@yahoo.com.cn)

TS727+.2

A

1000-6842(2010)02-0059-04

2009-12-14(修改稿)

沙力争,男,1970年生;硕士,副教授;主要研究方向:特种纸和造纸湿部化学。

E-mail:slz9966@yahoo.com.cn