应用聚丙烯酰胺类造纸化学品提高纸页的物理性能

2020-11-27曹晓瑶

造纸化学品 2020年5期

曹晓瑶

（广东江门职业技术学院，广东江门 529090）

聚丙烯酰胺（PAM）是一种多功能水溶性高分子聚合物，通常由丙烯酰胺单体均聚或与其他单体共聚制得。丙烯酰胺单体结构单元化学性质非常活泼，其官能团有双键及酰胺基，都可以进行相对应的化学反应，设计不同的聚合工艺可以得到一系列不同相对分子质量、离子类型和取代度的聚丙烯酰胺产品[1-2]，在造纸工业中可作为分散剂、助留剂、助滤剂、湿强剂和干强剂等[3-6]。聚丙烯酰胺类造纸化学品性能优越，应用在造纸过程中特别是包装纸领域能在不降低其强度的情况下，使用较高比例的废纸浆、草浆、阔叶木浆和磨木浆等，能降低成本，提高经济效益。

聚丙烯酰胺类聚合物因其分子侧链上含有活泼的酰胺基团[7]，有可能和纤维的羟基形成氢键结合从而提高纸页强度。本论文研究了聚丙烯酰胺在造纸中的添加应用效果。

1 实验

1.1 仪器和原料

主要仪器：打浆机，型号ZQS2-23，西北轻工业学院机械厂；纸浆打浆度测定仪，型号HK-222；数显电子天平，型号YP4001，上海越平科学仪器有限公司；数显恒温水浴锅，型号HH-1，常州金坛良友仪器有限公司；纸页成型器总成，型号ZCYG-1，长春纸张试验机厂；全自动透气量仪，型号AVM，宁波纺织仪器有限公司；热鼓风干燥箱，型号101A-1B，上海实验仪器厂；可移动台式电子显微镜，型号SECSNE-3000MB；傅里叶变换红外光谱仪，型号IRPredstige-21；旋转黏度计，型号NDJ-5s，上海昌吉地质仪器有限公司。

主要原料：NaOH，分析纯，广州市西陇化工有限公司；Na2SiO3，分析纯，广州市西陇化工有限公司；H2O2，分析纯，广州市西陇化工有限公司；聚丙烯酰胺（PAM），天津阿法埃沙化学有限公司；阳离子聚丙烯酰胺（CPAM），广州市西陇化工有限公司；混合废纸浆，质量分数为80%的废弃A4打印纸+质量分数为20%的废报纸。

1.2 脱墨浆原料的准备流程

1.3 分析测试

黏度按JJG—2005《中华人民共和国国家计量检定规程》测定；其他测试项目按相关国家标准测定。

2 结果与讨论

2.1 混合废纸浆内添加的PAM和CPAM溶液浓度的确定

图1显示了PAM和CPAM溶液的黏度随各自质量浓度的变化曲线。

图1 PAM和CPAM溶液的黏度随质量浓度的变化曲线

从图1可以看出，PAM和 CPAM样品溶液黏度随各自质量浓度的变化趋势有较大的不同，PAM溶液的黏度变化不明显；CPAM的黏度在其溶液质量浓度较低时，随质量浓度的增加其黏度增加比较缓慢，当溶液质量浓度大于 0.6 g/L以后，黏度急剧上升，这是因为当聚合物如CPAM相对分子质量约为106时，高分子线团开始互相渗透，含量稍高时，机械缠结足以影响黏度，含量越大，分子间作用越强烈，而且PAM的相对分子质量愈大，分子间愈易形成链缠结，溶液的黏度更大[8-9]。因此实验选择配制的CPAM和PAM溶液质量浓度分别为0.6 g/L和1.0 g/L并备用。

2.2 PAM或CPAM添加量对成纸强度性能的影响

表1显示了PAM或CPAM的添加量对纸页性能的影响。

由表1可知：混合废纸浆手抄片中未添加助剂的原纸的主要强度指标为：抗张指数16.62 N·m/g，撕裂指数5.31 mN·m2/g；PAM和CPAM在混合废纸脱墨浆中添加后，随PAM和CPAM添加量增加，成纸的抗张指数呈上升趋势：添加量为1.5%时，PAM成纸抗张指数和撕裂指数较原纸分别提高了11.07%和17.55%；而CPAM则分别提高了42.12%和30.70%。相比PAM而言，CPAM的添加对提高纸页强度的影响还是大一些，原因在于阳离子聚丙烯酰胺所带的阳离子呈正电性，更能有效地使浆料体系中带负电的细小纤维留着率提高，通过电荷的作用，CPAM分子自身的酰胺基与纤维素、半纤维素分子间的氢键结合数量增加，从而增加了纤维之间的结合力，也提高了纸页强度。但当PAM或CPAM的添加量超过1.5%时，纸页的抗张指数提高幅度不是很明显，可能在于PAM/CPAM添加量增加时的絮聚作用使纸张匀度变差从而使得抗张指数下降。

表1 PAM或CPAM的添加量对纸页性能的影响

从表1还可以看出，混合废纸脱墨浆中添加PAM或CPAM后，成纸撕裂指数的变化趋势是先增大再减小，原因在于影响纸张撕裂度的因素主要是纤维平均长度，其次才是纤维结合力、纤维本身强度等[10]13。刚开始随着PAM和CPAM添加增加，纸页中细小纤维等组分留着率提高，纤维结合力增加使撕裂指数增加，添加到一定量后，因为PAM和CPAM对细小组分的留着越来越多，细小组分留着太多阻碍了长纤维间的结合，而撕裂指数的主要影响因素是纤维平均长度，所以撕裂指数开始下降。因此，综合考虑2个强度指标的变化趋势，确定CPAM添加量为1.5%。

2.3 CPAM和阳离子淀粉复配对纸页强度性能的影响

多年来，阳离子淀粉（CS）因其低廉的价格、干强性能及其对细小组分的留着能力而成为造纸工业中使用最早也是最常用的干强剂[11]。本实验选用CS与CPAM复配使用，实验结果如表2所示。

表2 CPAM和CS复配使用对纸页性能的影响

由表2实验结果表明，当CPAM添加量为1.5%时，随CS添加量的增加，手抄片各项强度指标均呈先上升后稍有下降的趋势。CS添加量为0.6%（样品3）时，与仅添加CPAM（样品 1）相比，CPAM和CS复配的手抄片的抗张指数和撕裂指数分别提高了18.95%和47.21%。

CPAM和CS复配使用，二者协同作用时，CS首先与CPAM上带负电的基团（如羧基）反应，中和掉部分负电荷，使CPAM显示出更高的正电性，促进了CPAM与纤维的吸附作用，因此随着CS添加量的增加，成纸各项强度性能指标均有不同程度的提高；但到一定程度后，再增加CS添加量，浆料体系出现过阳离子化，不利于纸张纤维分散，纸页抗张指数等强度指标出现下降趋势。

2.4 CPAM对纸张增强机理的探讨

2.4.1 CPAM对混合废纸浆打浆度的影响

聚丙烯酰胺干强剂也是纤维的高效分散剂，能使纸浆中的纤维分布更均匀，可以改善纸页成形，提供更加均匀的纤维间的结合，使纤维间及纤维与高分子之间结合点增加，从而提高纸页的干强度[12]。聚丙烯酰胺型纸用增强剂的增强机理也可以理解为其利用高分子链上的酰胺基（—CONH2）与纤维上的羟基（—OH）形成氢键（这种键能大于分子间的范德华力），而使纤维之间互相交织增强，达到使纸页干强度提高的目的[13]。图2显示了CPAM对混合废纸浆打浆度的影响。

图2 CPAM对混合废纸浆料性能的影响

由图2可见，随着CPAM添加量的增加，纤维分丝帚化程度更高，因此打浆度提高，纸页强度也相应增加。

2.4.2 CPAM对纤维保水值的影响

准确称取一定质量的混合废纸浆置于离心管内，在规定的离心力下离心一定的时间，将离心后的浆料放入恒重过的称量瓶中称量，纸浆质量记为 G1，称量后的浆料随称量瓶一起放入烘箱中（105±1）℃[14]烘干至绝干，再称量试样烘干后的绝干浆的质量，记为 G2，则保水值=（G1-G2）/G2×100%。

水溶性胶状的CPAM对细小纤维的润胀及水化具有一定的抑制作用，保水值就是在规定的条件下，用离心机把纸料中的游离水甩出，使纤维间保持的只有润胀水，然后测定纤维所保留的水量，以对绝干纤维的质量百分数表示[10]12。保水值是衡量纤维润胀和水化作用的一个指标，由图2可以看出，随着水溶性胶状CPAM添加量的增加，纤维的保水值下降，原因在于CPAM溶解在水中是一种透明胶状的物质，其与纤维的优先结合形成一层防水的保护膜妨碍了纤维的吸水润胀。

2.4.3 CPAM对纸页透气度的影响

CPAM本身带有正电荷，容易吸附带有负电荷的细小组分，阳离子功能团的主要作用是能在抄纸时利用其正电荷特性将高分子链吸附到具有负电荷的纤维上并沉积于带负电荷的纤维上，因此，CPAM对细小组分的留着率高于PAM。图3显示了PAM/CPAM对纸页的透气度的影响。

图3 PAM/CPAM对纸页透气度的影响

由图3可以看出，纸页的透气度基本随着 PAM或CPAM的添加量的增加而降低，这主要由于PAM或CPAM的添加能促进纤维间结合，减少纤维-空气界面，导致透气度下降。

2.5 借助现代仪器分析手段探讨CPAM提高纸页强度的机理

2.5.1 采用扫描电子显微镜观察添加CPAM前后的纸页表面状况

图4和图5分别显示了混合废纸浆添加CPAM前后纸页的表面状况。

由图4和图5可以看出：未添加PAM的纸页表面较为光滑，纤维间较少粘连；添加CPAM后的纸页则因为有了黏状CPAM的添加，纤维间胶接粘连比较明显，与参考文献[15]报道的结论一致：“加入CPAM后，浆料黏度增加，部分细小纤维被留着下来，网箱水位增高。补充白水，降低网箱浆料浓度，提高纸机抄速。纸的手感、匀度、强度都有改善”。

2.5.2 红外光谱表征

图6和图7分别为混合废纸浆添加CPAM前后的纸页红外光谱图。

由图6可以看出空白纸页在3 590 cm-1附近有强吸收峰，根据查阅资料，游离的OH伸缩振动在3 584～3 650 cm-1[16]，说明此峰很可能是纤维羟基的官能团表征，又由于其峰形肥宽，推测可能是纸页中的纤维间OH形成氢键，键强减弱造成。

图4 未添加CPAM的纸页表面电子显微镜照片

图5 添加CPAM后的纸页表面电子显微镜照片

由图7可以看出，添加CPAM后的纸页在3 400 cm-1和 1 650 cm-1有吸收峰，3 100～3 700 cm-1为—NH基团的伸缩振动区[16]，1 650 cm-1可能为聚丙烯酰胺官能团中CC或CO的双键伸缩振动，说明添加CPAM后，CPAM的酰胺基可能与纸页纤维的羟基形成氢键结合而固着在纸页上，因此其官能团—NH基团、CC和CO的伸缩振动有所显示。