CPAM/膨润土微粒助留体系对苇浆的助留作用

金 辉, 宋 文 静, 鲁 杰

( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

膨润土/阳离子聚合物体系是一种重要的微粒助留体系,由于可同时提高纸料的留着与滤水性能并改善纸张匀度,因此得到广泛关注[1]。CPAM/膨润土微料助留体系是微粒助留体系的一种。国内研究者对CPAM/膨润土微粒助留体系进行了研究[2-3]。研究主要以麦草浆和二次纤维为原料,CPAM/膨润土助留体系表现效果较好。但东北纸厂大多以苇浆为原料,采用的助留体系一般为阳离子淀粉助留体系。CPAM/膨润土助留体系是否适于以苇浆为原料的纸页抄造,与传统助留体系相比效果如何,还未见研究。作者对CPAM/膨润土微粒助留体系对苇浆的助留作用进行了研究,以期为CPAM/膨润土微粒助留体系在以苇浆为原料的纸厂的使用提供参考依据。

1 实 验

1.1 实验原料

木浆板(针叶木浆),打浆后打浆度为24.5°SR；芦苇浆板,打浆后打浆度为34°SR；膨润土,大连化物所提供；阳离子聚丙烯酰胺,大连化物所提供,相对分子质量800；滑石粉,取自大连某纸业公司；阳离子淀粉,白度87.3%,细度99%,水分12.5%,取代度0.03,斑点0.3 个/cm2。

1.2 实验方法

1.2.1 纸料的配制

将木浆(20%)和苇浆(80%)按比例配成浆料为0.4%的纸浆,在疏解机中均匀分散,加入20%滑石粉,倒入动态滤水仪中进行动态留着实验。

1.2.2 动态留着实验方法

取500 mL纸料倒入动态滤水罐,同时以400 r/min 的转速进行搅拌。先加入CPAM,然后加入膨润土,迅速将搅拌速度提高,用此速度来衡量剪切力的大小。同时用秒表开始计时,用此时间衡量助留剂承受的剪切时间的大小。搅拌后,将浆料倒入抄片器中抄片。

1.2.3 填料留着率的计算

式中,A为纸页灰分,%；B为纸料灰分,%；C为纤维灰分,%；D为滑石粉灼烧减量,%。

1.2.4 抄 片

采用德国进口抄片器抄造60 g/m2的手抄片进行纸页物理性能的检测。

1.2.5 裂断长、白度和不透明度的测定

裂断长参照GB/T 453—1989进行测定,白度参照GB/T 7974—1987进行测定,不透明度参照GB/T 1543—1988进行测定。

2 结果与讨论

2.1 CPAM/膨润土微粒助留体系工艺条件的优化

2.1.1 膨润土用量对助留效果的影响

在CPAM/膨润土微粒助留体系中,膨润土用量是影响助留效果的主要因素之一。在CPAM用量0.1%、剪切速度1 400 r/min、剪切时间30 s的条件下,考察膨润土用量对助留效果的影响,结果如图1所示。由图1可见,膨润土用量由0增加到0.1%时,填料留着率提高很快。当继续增加膨润土用量时,填料留着率变化不明显。说明少量的膨润土即对填料起到较好的留着效果。这是由于膨润土粒子分布于已经吸附CPAM的填料之间,依靠静电中和作用以及与CPAM非带电荷段的配合作用,将细小碎块重新桥联起来,形成较CPAM初始絮聚体尺寸更小、结构更致密的微小絮聚块,微小絮聚块联结在一起形成均匀的网络型的絮聚体,从而起到了较好的助留助滤效果[4]。当膨润土用量过大时,由于CPAM所包裹的各组分均已形成架桥,过量的膨润土起不到架桥作用,所以填料留着率提高不明显。

图1 膨润土用量对填料留着率的影响

当浆料中填料留着情况发生变化时,纸页的匀度会受到很大影响。纸页匀度既影响纸页物理强度,又会影响纸页的白度和不透明度。因此除考察填料的留着效果之外,还需对纸页的物理性能指标进行考察。膨润土用量对纸页匀度、裂断长、白度和不透明度的影响如表1所示。由表1可见,加入膨润土后纸页呈现较好的匀度。这是因为CPAM/膨润土微粒助留体系中,膨润土起到架桥作用,使填料分布更均匀,从而提高纸页的匀度。纸页匀度改善的同时,纸页裂断长却略有降低,纸页白度略有提高。这是由于填料留着量的增加引起的。综上所述,当膨润土的用量为0.3%时,填料留着率达到69.3%,纸页裂断长2.20 km,纸页的匀度、白度和不透明度指标均较好。

表1 膨润土用量对纸页匀度、裂断长、不透明度和白度的影响

Tab.1 Effect of the dosage of bentonite on formation,breaking length,opacity and whiteness

w(膨润土)/%匀度裂断长/km不透明度/%白度/%0一般2.2288.065.00.1较好1.8491.065.10.2较好1.9791.365.80.3较好2.2091.265.60.4较好1.9691.465.40.5较好1.9292.265.3

2.1.2 CPAM用量对助留效果的影响

在膨润土微粒助留体系中,必须先加入CPAM,膨润土才能起到助留作用,所以CPAM用量也是一个非常重要的指标。在膨润土用量0.3%、剪切速度1 400 r/min、剪切时间30 s的条件下,CPAM用量对填料留着率影响如图2所示。由图2可见,随着CPAM用量的增加填料留着率呈上升趋势。这是由于CPAM加入后,大部分CPAM都与浆料中阴离子物质进行静电中和反应,沉积到纤维上。随着CPAM用量的增加,CPAM吸附在纤维和填料等细小组分上,形成有效的带正电荷CPAM链圈、链尾与阴离子型膨润土产生静电架桥作用,因此产生了良好的助留效果。

图2 CPAM用量对填料留着率的影响

CPAM用量对匀度、断裂长、白度和不透明度的影响如表2所示。从表2中可以看出,裂断长随CPAM用量的增加而下降。原因是填料和细小纤维的大量留着使得纸页中纤维交织力被削弱。纤维中结合力的降低导致纸页的裂断长降低。从表2中还可以得出,随着CPAM用量的增加,纸页匀度越来越差。改变CPAM用量,白度和不透明度变化不大。因此,CPAM用量为0.1%时,体系呈现较好的助留助滤综合效果。

表2 CPAM用量对匀度、断裂长、白度和透明度的影响

Tab.2 Effect of the dosage of CPAM on formation,breaking length,opacity and whiteness

w(CPAM)/%匀度断裂长/km白度/%不透明度/%0.05好1.8764.791.40.10较好1.7564.491.30.15较差1.5264.492.60.20差1.2064.191.30.25差0.9764.992.4

2.1.3 剪切速度对助留效果的影响

在助留剂加入时,由于添加位置的不同,从加入点到纸页成形之间,助留剂会受到不同程度的剪切力的作用。对于CPAM/膨润土微粒助留体系来说,剪切力的影响主要有两个方面,一方面,在高剪切力下会对细小纤维在纤维上沉积产生一定的负面影响,使细小纤维的留着率下降;另一方面,在高剪切力下,会对高分子助剂产生的絮团有一定的疏解作用,提高纸页的匀度。在膨润土用量为0.3%、CPAM用量0.1%、剪切时间30 s的条件下,考察剪切力对助留效果的影响。剪切力与剪切速度成正比,采用剪切速度来表示剪切力的大小。剪切速度对填料留着率的影响如图3所示。由图3可见,当剪切速度由400 r/min增加到700 r/min时,填料留着率略有升高。当剪切速度增加到900 r/min时,填料留着率下降较多。进一步提高剪切速度,填料留着率变化不明显。这是由于膨润土具有较强的负电性,能与吸附在纤维、细小组分和填料上的CPAM发生重排,链圈、链尾会趋向于平伏构型,膨润土仍能在它们之间产生强的连接键,从而产生良好的助留效果和抗剪切性能。

图3 剪切速度对填料留着率的影响

剪切速度对匀度、裂断长、白度和不透明度的影响如表3所示。由表3可见,随着剪切速度的升高,纸页匀度越来越好。这是因为在低剪切速度时,剪切力并不足以把高度絮凝的絮团打碎疏解。当剪切速度升高后,高剪切力可以使高度絮凝絮团受到一定程度的破碎,形成微絮凝结构。当剪切速度达到1 400 r/min时,进一步形成超絮凝结构,纸页的匀度得到明显提高。因此,随着剪切速度的增加,裂断长也呈上升趋势,增加较明显。由表3还可以看出,当剪切速度提高时,白度和不透明度略有下降,这是由于填料留着率下降造成的。综合以上分析,剪切速度为1 400 r/min时,纸页的匀度较好,裂断长最高达到2.20 km,填料留着率都比较好。所以,膨润土体系可抗高达1 400 r/min 的剪切速度。

表3 剪切速度对匀度、裂断长、白度和不透明度的影响

Tab.3 Effect of shear rate on formation,breaking length,opacity and whiteness

剪切速度/(r·min-1)匀度裂断长/km白度/%不透明度/%400较好0.7266.992.5700好1.0866.692.4900好1.2665.791.71 200好1.7065.491.61 400好2.2065.691.4

2.1.4 剪切时间对助留效果的影响

剪切时间是指助留剂受到剪切力作用的时间。不同助留剂承受剪切力作用的时间不同。剪切时间可以反映助留剂添加位置。在膨润土用量为0.3%、CPAM用量为0.1%和剪切速度为1 400 r/min 的条件下,考察剪切时间对CPAM/膨润土助留体系助留效果的影响,结果如图4所示。由图4可见,剪切时间由15 s延长到30 s 时,填料留着率有所增加。但当剪切时间达到30 s 后有所下降。这可能是因为随着时间的增加,絮团得到很好的疏解。随着剪切时间的延长,絮团过度地被打散,造成留着率迅速的降低。

图4 剪切时间对填料留着率的影响

剪切时间对匀度、裂断长、白度和不透明度的影响如表4所示。由表4可见,剪切时间由15 s延长到30 s时,纸页匀度越来越好。当进一步延长剪切时间时,纸页匀度变得越来越差。当剪切时间30 s时,纸页匀度最好。剪切时间为30 s时,裂断长最高,达到2.2 km。剪切时间对白度和不透明度的影响不大。综合以上分析,在膨润土用量0.3%、剪切速度1 400 r/min、剪切时间30 s的条件下,填料留着率和裂断长都是最高,而且也表现出较好的匀度。

表4 剪切时间对匀度、裂断长、白度和不透明度的影响

Tab.4 Effect of shearing time on formation,breaking length,opacity and whiteness

剪切时间/s匀度裂断长/km白度/%不透明度/%15较好1.7564.491.330好2.2065.691.245较差1.5665.492.960较差1.3764.392.475较差0.7865.494.5

综上所述,CPAM/膨润土微粒助留体系优化条件为:膨润土用量0.3%,CPAM用量0.1%,剪切速度1 400 r/min,剪切时间30 s。

2.2 CPAM/膨润土微粒助留体系与阳离子淀粉助留体系的助留效果比较

比较CPAM/膨润土微粒助留体系与阳离子淀粉体系的助留效果,阳离子淀粉的条件为阳离子淀粉0.1%,剪切速度1 400 r/min,剪切时间30 s。由表5可以看出,膨润土微粒助留体系填料留着率、裂断长、白度和不透明度都高于阳离子淀粉助留体系。两种体系均表现出较好的纸页匀度。

表5 CPAM/膨润土微粒助留体系与阳离子淀粉助留体系的助留效果比较

Tab.5 Comparison of retention effect between CPAM/bentonite microparticle retention system and cationic starch retention system

项目膨润土阳离子淀粉填料留着率/%67.4436.11裂断长/km2.201.77匀度较好较好白度/%64.763.3不透明度/%91.488.6

3 结 论

CPAM/膨润土微粒助留体系对苇浆表现出良好的助留效果,膨润土用量少,CPAM抗剪切能力强。与阳离子淀粉助留体系相比,CPAM/膨润土微粒助留体系可有效提高苇浆抄造时的填料留着率、纸页裂断长、白度和不透明度等指标。CPAM/膨润土微粒助留体系适于以苇浆为原料的纸页抄造。

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[2] 董元锋,刘温霞. CPAM/膨润土体系对麦草浆的微粒助留作用[J]. 造纸化学品, 2007, 19(1):6-10.

[3] 张兰河,于大禹,刘强,等. CPAM/改性膨润土微粒助留助滤体系的应用研究[J]. 中国造纸学报, 2009, 24(2):68-71.

[4] 赵德清,陈克复,平清伟,等. 膨润土在Hydrocol微粒助留体系中的应用[J]. 大连轻工业学院学报, 2007, 26(4):342-345.

(ZHAO De-qing, CHEN Ke-fu, PING Qing-wei, et al. Application of bentonite in Hydrocol microparticulate retention aid system[J]. Journal of Dalian Institute of Light Industry, 2007, 26(4):342-345.)