CPAM用量对填料絮聚体稳定性和成纸性能的影响

李涛 张美云 宋顺喜

摘要：填料经预絮聚后以絮聚体的形式加填纸张中，絮聚体在湿部的尺寸及稳定性对纸张性能有着重要影响。采用不同用量的阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）对沉淀碳酸钙（PCC）进行预絮聚，通过絮聚体粒径的变化，研究了不同剪切条件下PCC絮聚体抗剪切与再絮聚效果，并考查了所得絮聚体对成纸性能的影响。结果表明，随着CPAM用量从1%增加至7%，絮聚体粒径由2337 μm增大至3192 μm。与常规PCC加填方法相比，当CPAM用量为3%～7%且加填量55%时，预絮聚加填纸张留着率均可提高约3个百分点左右。当CPAM用量为3%，填料含量为30%时，预絮聚加填比常规加填纸张抗张指数提升了约16%，而CPAM用量高于3%时所得的大粒径絮聚体对成纸抗张指数反而不利，且纸张白度有所降低。

关键词：絮聚体；CPAM；留着；抗张强度

中图分类号：TS7539文献标识码：ADOI：1011980/jissn0254508X201803004

收稿日期：20171106（修改稿）

基金项目：陕西省教育厅科研计划项目资助（项目编号：17JK0067）；陕西国防工业职业技术学院科研基金资助项目（GFY1719）。Properties of PCC Flocs Preflocculation with CPAM and Its Application as Filler in PapermakingLI Tao 1，3，*ZHANG Meiyun1，2SONG Shunxi1

（1 College of Bioresources Chemical and Materials Engineering， Shaanxi University of Science & Technology， Xian， Shaanxi Province，

710021； 2 National Demonstration Center for Experimental Light Chemisty Engineering Education，Shaanxi University of Science & Technology，

Xian， Shaanxi Province， 710021； 3Chemical Engineering Department， Shaanxi Institute of Technology， Xian， Shaanxi Province，710300）

（*Email： l1tao@163com）

Abstract：PCC filler in the form of flocs by preflocculation applied in papermaking was studied， the size and stability of the floc in wet end had important influence on the properties of paper Precipitated Calcium Carbonate（PCC）was preflocculated with different amounts of cationic polyacrylamide（CPAM）， shearing resistance and preflocculation capacity of PCC flocs under different shearing conditions were investigated， influence of various flocs from different preflocculation conditions on paper properties was also studiedThe results showed that the particle size of flocs was larger and its stability was better when high dosage of CPAM was usedCompared with the conventional filler loading， filler retention rate in high filler content paper increased about 3% when CPAM dosage was 3%～7% and filler content was 55%， tensile index increased about 16% when CPAM dosage was 3% However， under high CPAM dosage， the addition of larger flocs were unfavorable to the tensile index of paper， and whiteness of paper.

Key words：flocs； CPAM； retention； tensile strength

無机矿物填料作为纸张的第二大组成部分，在改善纸张光学性能、表面性能、印刷适性以及赋予纸张功能化方面发挥了重要作用，除此之外，在纸张中添加填料还可改善网部滤水性能从而有利于提高湿纸幅干度[1]、纸机车速和节约蒸汽用量[23]，达到节能降耗、降低生产成本的目的[4]。然而提高填料含量，对纸张强度、施胶度以及留着率均会造成不利影响[5]。填料含量高还会导致纸张内结合强度和表面强度的下降，在使用过程中出现掉毛掉粉现象[67]。填料预絮聚技术是指在抄纸过程中将填料和所用助剂提前混合絮聚，获得絮聚体后加入纸浆中抄纸。因絮聚体粒径显著大于填料本身粒径，大大增加了被纤维网络截留的机率，从而显著提高了填料留着率。填料粒径越小对纸张强度负面影响越大[89]，大粒径的絮聚体减少了填料对纤维间结合的破坏，从而改善了纸张强度性能[1011]。

填料经预絮聚后以絮聚体的形式加入纤维网络，经干燥压光后以聚集体为单元存在于纸张纤维网络结构中，聚集体过大或过小都影响着纸张的每一项力学和光学行为。在湿部成形过程中絮聚体稳定性及尺寸大小最终会以聚集体分布的差异性来影响纸张力学和光学性能。Rasteiro等人[12]研究了不同剪切环境下絮聚体的再絮聚及不同剪切力对填料絮聚体的抗剪切性能。Lee等人[13]对阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）预絮聚和淀粉预絮聚进行了对比，发现获得同样尺寸絮聚体CPAM的用量要显著小于淀粉用量。为了得到适宜粒径及稳定性的填料絮聚体进而改善纸张性能，本实验对不同用量CPAM与沉淀碳酸钙（PCC）进行预絮聚，对所得絮聚体稳定性及成纸性能进行了研究，以期通过填料预絮聚工艺对絮聚体进行调控进而改善纸张性能。

1实验

11原料与设备

111实验原料

漂白阔叶木浆板、沉淀碳酸钙（PCC），由山东某造纸厂提供；阳离子聚丙烯酰胺（CPAM），相对分子质量600万～700万，配制成质量分数为005%水溶液，备用。

112实验设备

BT9300H激光粒度分布仪，丹东百特仪器有限公司。RW20 Digital数显式搅拌器，IKA公司；SE062抗张强度测定仪、ZQS4标准纤维疏解机，L&W公司； PFI磨浆机，日本KRK有限公司；ZQJ1B纸样抄片器，陕西科技大学机械厂；DNB白度仪，杭州高新仪器仪表公司。

12实验方法

121填料预絮聚

取2 g绝干PCC粉末分散于200 g水中，配制质量分数为1%PCC悬浊液，采用Digital数显式搅拌器在600 r/min下搅拌30 min，然后超声处理15 min，超声功率50 kHz，采用激光粒度分布仪测定PCC原始粒径。加入1%、3%、5%、7%（相对于PCC质量分数）的CPAM溶液进行预絮聚，得到填料絮聚体。

122絮聚体粒径分析

预絮聚后絮聚体粒径与粒径分布采用激光粒度分布仪测定，搅拌转速250 r/min，泵循环体积流量4000 mL/min，超声频率25 kHz。每分钟测定1次，总测量时间8 min。

123手抄片制备

填料经预絮聚后在搅拌器300 r/min下剪切2 min，然后与纤维配抄定量为70 g/m2的手抄片，其中填料加填量分别为35%和55%。湿纸幅经04 MPa压榨3 min后，置于105℃的温度下干燥8 min，在23℃、50%相对湿度下平衡24 h，进行纸张性能测定。

124填料留着率测定

将制备的手抄片先经碳化，再送入马弗炉中，在525℃下灼烧4 h，灼烧后称量灰分质量并计算留着率。计算公式见式（1）。

留着率= A-B（1-D）·C×100%（1）

式中，A为手抄片灰分，%；B为空白样灰分，%；C为实际加填量，%；D为碳酸钙灼烧损失，%。灰分按照GB/T463—1989测定。

125抗张强度与白度测定

抗张强度按GB/T 12914—2008测定；白度按GB/T 2804—2006测定。

2结果与讨论

21PCC填料粒径分析

采用激光粒度分布仪对PCC原始粒径及分布进行了测量，结果如图1所示。本实验所用PCC填料中值粒径D50为609 μm，跨度151。

图1PCC原始粒径分布22CPAM用量对PCC絮聚体抗剪切力的影响

图2泵循环模式下时间对絮聚体粒径的影响图3泵循环与搅拌剪切模式下时间对絮聚体粒径的影响采用泵循环与搅拌剪切模拟填料絮聚体在造纸湿部的湍流环境，两种模式下CPAM用量对PCC填料絮聚体抗剪切能力的影响分别如图2和图3所示。由图2可知，当CPAM用量为1%时，絮聚体粒径随着泵循环时间的延长变化较大，粒径不断减小。当CPAM用量大于3%时，随着泵循环时间的推移，絮聚体粒径变化幅度较小，且都維持在22 μm以上。可以看出在泵循环模式下，CPAM用量增加可提高絮聚体的抗剪切能力。絮聚体的强度取决于絮聚体内填料粒子的聚集状态，或者说絮凝剂对填料粒子的黏合力，填料粒子之间包裹的越紧密，絮聚体的抗剪切能力越强。CPAM为大分子链聚合物，其作为絮凝剂可有效促使填料以架桥机理进行絮聚，但当CPAM用量较少时，CPAM大分子不足以在填料粒子之间进行架桥，使得絮聚体强度较差、抗剪切能力弱。当CPAM用量大于3%时，CPAM大分子可以对填料分子进行有效桥连，此时絮聚体絮聚紧密，抗剪切能力较强。

由图3可知，泵循环与搅拌剪切协同作用下，所有CPAM用量下的絮聚体粒径在剪切伊始迅速降低。当CPAM用量为1%时，絮聚体粒径随着剪切时间的延长变化较大，粒径从24 μm下降至15 μm左右，CPAM用量为3%～7%时，絮聚体粒径变化幅度减小，这与单纯泵循环剪切模式下所得结果一致。说明较高CPAM用量下的絮聚体能够较好地抵御湍流剪切环境，维持絮聚状态，稳定性较好。

预絮聚后的絮聚体采用超声波处理1 min，随后仅启用泵循环模式对絮聚体粒径变化进行测定，结果如图4所示。从图4可以看出，对絮聚体再絮聚能力进行测试的前1 min，采用超声波处理迅速使絮聚体粒径从30左右降低至原始粒径，这是因为搅拌剪切仅从絮聚体外部边缘开始对絮聚体进行破坏而使得絮聚体粒径减小，而超声波剪切可以迅速对整个絮聚体从内到外进行破坏，使得絮聚体粒径快速减小至接近填料原始粒径大小，进而使CPAM大分子链发生断裂溶液黏度降低[14]，影响其对填料粒子的架桥作用。超声波关闭后，CPAM大分子链遭受破坏，然而随着时间推移粒子粒径又有所上升，说明絮聚体经超声处理后具有一定的再絮聚能力。超声波关闭后絮聚体再絮聚后的粒径与CPAM用量成正比例关系，CPAM用量高的絮聚体随着再絮聚时间的推移粒径也越来越大，且在再絮聚的前1～3 min内粒径增长幅度较大，这可能是由于PCC粒子表面带负电荷与CPAM以电中和机理使填料粒子表面电位降低，高剂量的CPAM使颗粒间排斥力减小而再次絮聚引起的。

24絮聚体粒径对留着性能的影响

填料的留着是机械截留和胶体吸附综合作用的結果，填料预絮聚可以有效改善填料在纸张中的留着性能[15]。不同CPAM用量及不同剪切时间均对絮聚体粒径有着重要影响，絮聚体粒径越大，对机械截留越有利。图5对比了PCC先经CPAM预絮聚后的絮聚加填和PCC常规加填再添加CPAM两种加填方法对填料留着性能的影响。由图5可以看出，预絮聚加填能够明显改善填料留着性能，在相同CPAM用量下，预絮聚使得填料粒子聚集为大粒径絮聚体后增大了机械截留的机会，进而提升了填料留着率。当CPAM用量在3%～7%且填料加填量为55%时，预絮聚加填比常规加填留着率均可提高约3个百分点，说明在高加填纸张中预絮聚加填对填料留着的改善更为明显。

图5不同加填量下CPAM用量对填料留着率的影响25对成纸性能的影响

当填料加填量一定，经预絮聚后，加入浆料时，游离分散的填料粒子数目变少，粒子大多以絮聚体的形式填充或镶嵌在纤维网络中，这样在同等留着的情况下大粒径填料絮聚体对纤维间氢键形成的破坏就会减小，从而减少对纸张抗张性能的影响[5， 89]。当絮聚体粒径过大时，填料与纤维更多以扩张关系存在纸张中，对纤维结合影响较大，纸张抗张指数下降。预絮聚加填与常规加填对纸张抗张指数的影响如图6所示。由图6可知，当CPAM用量为1%和3%，填料含量为22%时，预絮聚加填经湿部后絮聚体粒径较适宜，对纤维间结合破坏较小，纸张抗张指数分别为39 N·m/g和43 N·m/g，分别比常规加填提升了13%和15%。当CPAM用量为1%和3%，填料含量为30%时，预絮聚加填纸张抗张指数比常规加填提升了11%和16%。两种不同填料含量下，当CPAM用量为5%和7%时，纸张抗张指数较CPAM用量为3%时要低，这是由于絮聚体粒径在CPAM用量5%和7%时较CPAM用量为3%时要大。大粒径的絮聚体通常会以扩张关系存在于纤维网络之中，进而影响纤维间结合，对纸张匀度不利，影响纸张抗张指数。因此除控制CPAM用量影响絮聚体稳定性外，还可在湿部添加搅拌或其他剪切装置对絮聚体大小及分布进行调控。成纸后絮聚体以聚集体形式存在于纸张中，聚集体粒径过大时减少了光散射面积，从而影响了纸张白度（如图7所示）。由图7可知，两种不同填料含量下，经预絮聚后大粒径絮聚体加填纸张较PCC常规加填纸张白度均下降了1个百分点左右。

图6预絮聚加填与常规加填对纸张抗张指数的影响图7预絮聚加填与常规加填对纸张白度的影响3结论

31不同用量阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）对填料沉淀碳酸钙（PCC）絮聚体粒径及稳定性均有影响，当CPAM用量大于3%时，絮聚体稳定性较好且粒径都维持在22 μm以上。经超声波剪切后的絮聚体CPAM的架桥作用被破坏，CPAM用量较大时的再絮聚更多是以电中和机理形成絮聚体。

32采用CPAM对PCC进行预絮聚，当CPAM用量在3%～7%且填料加填量为55%时，预絮聚加填比常规加填的留着率可提高约3个百分点。PCC预絮聚加填可提高纸张抗张指数，当CPAM用量为3%，填料含量为30%时，预絮聚加填纸张抗张指数提升了16%。但填料经絮聚后粒径增大，较传统加填减少了纸张中填料的光散射面积，导致纸张白度下降约1个百分点。

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