适用于高电导率浆料系统的浆内干强剂

适用于高电导率浆料系统的浆内干强剂

造纸原料中废纸比例不断增加，使纸浆纤维质量变差；白水闭封程度不断提高，使浆料系统电导率上升。造纸湿部的这些环境因素的变化使各种浆内添加剂均不能发挥应有的效果。该文介绍了新开发的适用于高电导率浆料系统的干强剂——新型两性聚丙烯酰胺（新型两性PAM）。由于新型两性PAM的离子密度增加，在高电导率条件下能形成聚离子复合体，比传统两性PAM具有更高留着率。该文同时介绍了新开发的适用于高电导率浆料系统的喷淋型干强剂，并通过新型两性PAM和新型喷淋型干强剂的联合使用，发挥了比单独使用新型两性PAM更好的纸张增强效果。

1　序言

造纸原料中废纸比例不断增加，使纸浆纤维质量变差；白水闭封程度不断提高，阴离子垃圾增加，使浆料系统电导率上升。造纸湿部的这些环境因素的变化使各种浆内添加剂均不能发挥应有的效果。近年来，浆料系统电导率超过3.0 mS/cm的情况屡见不鲜，有时甚至不得不在5.0 mS/cm以上的条件下进行生产。因此，需要开发出在高电导率条件下也能发挥良好增强效果的化学品。

2　传统的浆内添加PAM

浆内添加干强剂通常使用同时具有阳离子基团和阴离子基团的两性聚丙烯酰胺（两性PAM）。纸浆纤维因其表面带负电，为了使浆内添加干强剂直接被纤维吸附，干强剂中需要有阳离子基团；同时在硫酸铝作为定着剂使用的情况下，浆内添加干强剂的阴离子基团部分通过硫酸铝的阳离子基团被纤维表面吸附。而具有阳离子基团和阴离子基团的两性PAM由于聚合物之间的相互作用，形成聚离子复合体（PIC）。PIC的形成使PAM比较容易在纤维表面留着，也就能够提高纸张强度；并且，随着聚合物相对分子质量的提高，凝聚性也有望增强。PIC的形成取决于两性PAM中存在的阳离子基团和阴离子基团的平衡，而两性PAM在高电导率浆料系统中受阴离子垃圾的电荷遮蔽效应影响，较难形成PIC。因此，纤维的凝聚性差，PAM在纤维上的吸附率低，随之产生纸张强度低的问题；为此，设计、开发了能够适用于高电导率浆料系统的浆内添加化学品——新型两性PAM和新型喷淋型干强剂。

3　适用于高电导率浆料系统的两性PAM

3.1开发理念

高电导率浆料系统的两性PAM的开发理念是：维持高电导率浆料系统内两性PAM间的静电相互作用，形成PIC；PIC与纤维产生强烈相互作用，获得高凝聚性和吸附性。为了实现这一目标，考虑提高聚合物中的阳离子/阴离子电荷密度（相比传统的两性PAM）。因为，使聚合物中的电荷局部存在化（提高电荷密度）比分散的状态能使静电相互作用变得更强。图1为高电导率浆料系统PIC形成的示意图。

图1　高电导率浆料系统PIC形成的示意图

3.2高电导率浆料系统内纤维表面的 Zeta电位测定

为了确认在高电导率浆料系统的纤维表面的电位状态，测定了细小纤维（LUKP）的Zeta电位。图2显示了浆料系统细小纤维Zeta电位与电导率的关系。

图2　细小纤维Zeta电位与浆料系统电导率的关系

由图2可见，当浆料系统的电导率上升时，浆料系统的细小纤维Zeta电位逐渐趋向于零。根据这一结果，在浆料系统高电导率条件下，纤维表面的吸附点（阴离子基团部分）减少，两性PAM在纤维表面上的吸附变得困难；因此可以认为，使两性PAM的阳离子/阴离子基团局部存在化的新型两性PAM增强了静电相互作用，有助于增进高电导率条件下在纤维上的吸附。

3.3高电导率浆料系统内形成PIC的确认

为了确认高电导率浆料系统内PIC的形成的程度，测定了改变pH后的新型两性PAM稀释液的浊度。假定高电导率浆料系统用无机盐调节至水的电导率为4.0 mS/cm，用该水稀释新型两性PAM后测定其浊度与其pH的关系，结果见图3。

图3　新型两性PAM稀释液的浊度与其pH的关系

新型两性PAM随着pH的变化形成PIC，变成颗粒。颗粒越大，浊度越高。阳离子基团/阴离子基团局部存在化的新型两性PAM稀释液的浊度在各种pH条件下都比传统两性PAM高。根据这一结果，揭示了浆料系统在高电导率条件下，新型两性PAM的聚合物间的静电相互作用增强，较易形成PIC；并且，可以通过两性PAM的相对分子质量等控制在高电导率条件下PIC的形成。

3.4抄片评价结果

瓦楞废纸经碎解、打浆后，将电导率调节到4.0 mS/cm，用于抄纸。硫酸铝添加量1.0%，新型两性PAM和传统两性PAM添加量均为0.2%～1.5%，测定其脱水量、两性PAM在纸中的留着率和纸张强度性能（抄纸pH=6.5）。其检测结果分别见图4和图5。

图4　干强剂添加量对脱水量（a）、纸种两性PAM留着率（b）的影响

图5　干强剂添加量对纸张耐破指数（a）、环压指数（b）的影响

由图4和图5可见，新型两性PAM表现出比传统两性PAM更高的脱水性。这是因为新型两性PAM比传统两性PAM在高电导率条件下容易形成PIC。由图4和图5还可见：使用新型两性PAM后的纸张耐破指数和环压指数也比传统两性PAM的高；新型两性PAM的纸中留着率比传统两性PAM留着率高。留着率的增加有助于纸张强度的提高。

4　适用于高电导率浆料系统的新型喷淋干强剂

4.1关于传统喷淋干强剂和适用于高电导率条件下的新型喷淋干强剂

传统喷淋干强剂通过“在聚合物之间形成PIC”及“聚合物中疏水基的疏水性相互作用”等2种作用，使之颗粒化，在湿纸中留着；但是，如果湿纸中的水分电导率较高时，喷淋后，PIC被破坏，干强剂的留着率下降，造成纸张强度下降；因此尝试了通过在聚合物中加入特殊的无机物，成功地控制了颗粒的尺寸，即形成浆料系统在高电导率条件下也不会受到破坏的颗粒，以提高其物理性留着性。

图6显示了传统喷淋干强剂和和适用于高电导率条件下的新型喷淋干强剂的颗粒照片。

图6　传统喷淋干强剂和新型喷淋干强剂的颗粒照片

由图6可见，新型喷淋干强剂形成的颗粒较大。较大颗粒在浆料系统高电导率条件下不容易受到破坏。

4.2评价结果

喷淋干强剂的评价结果如图7所示（评价条件为：浆料系统的电导率分别为 1.4 mS/cm和 4.0 mS/cm，传统喷淋干强剂和新型喷淋干强剂的添加量均为1.5%，抄纸pH=6.5）。

图7　浆料系统的电导率对喷淋干强剂留着率（b）和纸张环压指数（a）的影响

由图7可见，在浆料系统高电导率条件下，传统喷淋干强剂在纸中的留着率较低，纸张增强效果也较差。使用新型喷淋干强剂后，干强剂的留着率下降较少，纸张增强效果变化也较少。这可能是因为新型喷淋干强剂在高电导率条件下颗粒未遭到破坏，维持了新型喷淋干强剂在纸中的留着率。

5　新型两性PAM和新型喷淋干强剂的联合使用

在浆料系统高电导率并高化学品添加量条件下仅添加单一干强剂很难达到强度目标值时，通过联合使用这次开发的新型两性PAM和新型喷淋干强剂可以发挥很好纸张增强效果，其评价结果见图8（评价条件为：浆料系统的电导率4.0 mS/cm）。

6　总结

图8　新型两性PAM和新型喷淋干强剂联合使用的效果

在浆料系统高电导率条件下，添加新型两性PAM后使阳离子/阴离子基团局部存在化，比传统两性PAM较易形成PIC，达到较高的凝聚性和在纤维上的留着率，从而提高了纸张增强效果。新型喷淋干强剂通过加入特殊的无机物能成功控制聚合物的颗粒尺寸。在浆料系统高电导率条件下这种新型喷淋干强剂的纸中留着率比传统喷淋干强剂高；并且，新型两性PAM和新型喷淋干强剂的联合使用能进一步提高纸张的增强效果。

（杜伟民编译）