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      技術知識

      聚丙烯酰胺在各類造紙助留助濾體系中的作用機理及應用

      時間:2021-03-17 15:16:43來源:波濤凈水

      摘要:主要介紹了聚丙烯酰胺(PAM)及其接枝共聚物在各類造紙助留體系中的助留助濾機理及應用,探討其較新的研究進展??梢钥闯鼍郾0吩谠旒堉糁鸀V體系的應用前景十分廣闊,今后應發揮其優勢,為造紙工業服務。

      助留劑通過改變造紙漿料的絮凝狀態來提高細小纖維及填料等的留著率,從而達到減少纖維和填料的流失以及降低污染負荷的結果。隨著抄紙機的高速化、大型化以及對產品質量更高的要求,需要使用與之相對應的新的高效助留系統和助留技術,以保證造紙工業的迅速發展。作為紙機濕部化學添加劑,不同離子類型的聚丙烯酰胺(PAM)及其接枝共聚產物是具有代表性的造紙助留劑之一。

      PAM是水溶性的有機高分子化合物, 主鏈上有活潑的酰胺基和雙鍵。采用不同的聚合工藝,引入不同的官能團,可得到不同分子量和不同電荷密度的聚丙烯酰胺系列產品,是化學性質非?;顫?、應用廣泛的多功能高分子化合物。根據分子量的不同,PAM在造紙工業中可用作干強劑、助留劑、助濾劑和絮凝劑等。本文主要介紹其作為造紙助留劑在造紙工業中的應用。

      PAM具有分子量大、分子鏈上具有足夠多的反應活性點等特點,可與纖維、填料等結合,形成“硬聚集體”。其結合機理主要有中和相反電荷;部分鏈段以鑲嵌狀吸附在粒子表面;交聯或者架橋;聚合物鏈形成纏結網絡,將粒子捕獲,這些結合的結果是形成各種交聯網絡。由于有物理交聯和化學交聯共同存在,所以聚集體抗機械力強,可顯著提高助留效果。

      PAM能改善網部紙料的濾水性能和細小纖維及填料的留著率。當在紙料中添加PAM后,紙料中很快會呈現出絮聚現象,這時紙料中的細小粒子(包括細小纖維和填料)附著到較長纖維的表面上并形成體積較大的絮凝體,使紙料易于脫水,同時也減少了細小粒子通過網的流失量。PAM分子鏈上有大量的親水基團,這些親水基團可以是陰離子的、陽離子的或非離子的,他們具有雙重作用,一方面使該聚合物溶于水,另一方面使聚合物附著在纖維和細小纖維表面,助留效果顯著。

      1、陽離子聚丙烯酰胺一元助留體系

      高分子量低電荷密度的陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)在造紙中是常用的助留劑之一。CPAM因為其所帶電荷與纖維所帶的電荷相反,可以起到很好的絮凝作用,且不受漿料pH值的限制。利用填料表面的負電性,用陽離子高分子聚電解質對其進行陽離子化,以增加填料顆粒與紙漿纖維和細小纖維的吸附,從而提高填料的單程留著率,并減少白水中的填料含量。減少流失從而降低成本,還可以降低漿料上網的濃度和灰分,延長成形網的壽命,并且紙頁的平滑度和不透明度可以得到改善。

      但單獨使用CPAM作助留劑時,容易產生勻度變差、強度下降的缺點。于是人們考慮用二元助留助濾系統和CPAM微粒系統,在提高助留助濾性能的條件下,改善成形勻度和紙張強度。

      華南理工大學王進等自制研究的CPAM能顯著提高漿料中填料的留著率并改善漿料的濾水性能。

      2、陰離子聚丙烯酰胺與鋁鹽助留體系

      陰離子聚丙烯酰胺對負電荷表面具有微弱的親和力,需要先在系統中加入陽離子化劑(常用鋁鹽),將纖維和細小纖維粒子表面上互相起靜電作用的幾種助留劑結合起來使用,起到協同作用。首先加入鋁鹽,吸附于纖維和細小纖維的表面,使吸附點具有正電荷,隨后加入高分子量的陰離子聚丙烯酰胺,吸附到纖維和細小纖維表面的鋁鹽結合點上,陰離子聚丙烯酰胺的鏈圈、鏈尾從粒子表面伸出,將其它粒子結合,形成架橋作用,起到了助留作用。但該系統的缺點是僅適用于酸性造紙中。

      3、兩性聚丙烯酰胺助留體系

      兩性聚丙烯酰胺既有陽離子基團又有陰離子基團,能夠在紙漿中產生協同效應。兩性助留劑中的陰離子可以除去系統中原來起抑制作用的其他陽離子,從而促進助劑在纖維上的離子締合和吸附;這些陰離子也可以排斥系統中的其他陰離子,從而可以防止其陽離子基團過早地和系統中其他物料起作用;當系統中存在過多陽離子添加劑使纖維具有某種程度的陽離子特性時,這些陰離子基團能夠平衡已經吸附在纖維上的陽離子基團,從而使該分子上的陽離子基團更為密切地與纖維上的陰離子基團接觸;由于細小組分的再循環而使系統中的助劑含量上升,而兩性助劑建立起來的系統電荷平衡能夠使紙機系統維持良好的運轉性能。

      天津科技大學的徐青林等研究了新型結構兩性聚丙烯酰胺的助留助濾作用,結果表明,其對各種廢紙漿及非木材紙漿均具有良好的增強、助留助濾效果外,不僅能與硫酸鋁復配使用,更適合中性抄紙的要求,還具有很好的輔助施膠效果。

      4、陰、陽離子聚丙烯酰胺二元助留體系

      在紙機的上漿系統,先加入中等分子量的陽離子聚丙烯酰胺,然后添加高分子量陰離子聚丙烯酰胺,使體系產生“硬性絮團”助留效果。它是利用陽離子聚合物產生陽離子“補丁”,為陰離子聚合物提供連接點。然后,陰離子聚合物分子鏈某些部位便結合到“補丁”所提供的陽離子連接點上,而分子鏈的其余部分為正極補丁周圍的負極所排斥,使陽離子聚合物伸展到周圍的水溶液中,而吸附到另外微粒表面的陽離子補丁上,從而形成了良好的絮凝作用,提高了助留效果。

      5、淀粉一聚丙烯酰胺接枝共聚物助留體系

      淀粉一聚丙烯酰胺的接枝共聚物能夠和纖維、填料產生靜電吸附、架橋作用,網絡作用,其結果導致纖維和填料的絮凝及比表面的降低,從而使紙張中留下更多的細小纖維和填料,并加速了脫水過程,達到助留助濾的目的。

      淀粉接枝聚丙烯酰胺的支鏈可以通過橋聯使填料和微小纖維形成顆粒的集合,然后截留在紙頁上提高留著率。淀粉接枝聚丙烯酰胺的效果優于聚丙烯酰胺,這是因為淀粉接枝聚丙烯酰胺的空間結構大,其構型如同帶有若干長分支的大樹,伸展程度比單一的聚丙烯酰胺好,因而架橋作用好;另一方面,由于淀粉接枝聚丙烯酰胺骨架淀粉的羥基充分暴露,與紙頁纖維索的羥基形成氫鍵,增加了紙頁纖維間的數目,所以能提高紙頁中纖維間結合力。

      邱廣明等合成了丙烯酰胺對淀粉的接枝共聚物,將其應用到造紙中發現,共聚物中丙烯酰胺的接枝百分率越高,紙漿的絮凝速度和留著率提高越大。接枝百分率為60.9%的共聚物可使紙漿的網上留著率提高12.3%。

      6、殼聚糖接枝聚丙烯酰胺助留體系

      近年來,由于殼聚糖的結構與纖維素相似,溶解時采用的酸性介質與紙機抄紙時的酸性介質相近,有人用殼聚糖與聚丙烯酰胺交聯物作造紙助留劑,結果表明,它的分子鏈可以通過橋聯使填料和細小纖維形成顆粒的集合體,然后通過機械截留而留在紙頁中。殼聚糖分子鏈中的每個葡萄糖單元中都有一個氨基,在酸性條件下,變成很強的正電荷,與填料粒子以及細小纖維、纖維有較強的靜電作用,即有很強的壓縮雙電層的作用,促使其發生絮凝;另外,由于分子中的殼聚糖的羥基和氨基充分暴露,與纖維間的氫鍵可形成氫鍵結合,增加纖維間的氫鍵結合數目和結合面積,提高纖維間的結合力。從而克服由于填料和細小纖維留著的增加而造成的紙頁強度降低,甚至還對其強度有一定的提高作用。

      張光華等將殼聚糖與陰離子聚丙烯酰胺交聯,制得一種性能優異的殼聚糖陰離子聚丙烯酰胺交聯物助留劑,該助留劑經實驗室和工廠應用證明具有優良的助留、助濾效果。

      7、聚氧乙烯(PEO) 接枝聚丙烯酰胺助留體系

      PAM-PEO接枝共聚物具有梳狀結構,PAM為骨架,支鏈上含有PEO結構。研究發現,使用聚丙烯酰胺與聚氧乙烯接枝共聚物作為助留劑,對紙頁成形勻度的不良影響很小,低用量即可獲得高助留率。含PEO支鏈陽離子聚丙烯酰胺因其粒子表面帶有大量的正電荷,具有足夠多的反應點或活性點,可與纖維和填料通過多種形式結合,形成“硬聚集體”。微粒本身含有陽離子基團可以與紙漿纖維產生靜電吸附。紙漿抄紙過程中,含PEO支鏈陽離子聚丙烯酰胺微粒中的PEO-A大單體支鏈從微粒之間的氫鍵架橋作用,形成網狀結構,提高了細小纖維的留著率。聚丙烯酰胺與聚氧乙烯接枝共聚物作為助留劑,對紙頁成形勻度的不良影響很小,低用量即可獲得高助留率。

      華南理工大學的彭曉宏等人采用反相微乳液聚合法合成了PEO-A、AM、ADAMQUAT與Bis的四元共聚物微粒,研究了該微粒助留劑的結構與性能。實驗結果表明,這種微粒和紙纖維能夠通過離子鍵和氫鍵作用顯著地增強助留效果。

      8、CPAM/微粒助留助濾系統

      這種新型聚合物/微粒助留助濾體系是先向漿內添加高分子陽離子聚合物,其通過橋聯與紙漿纖維等形成較大的絮凝體,這些絮凝體經強烈剪切作用后離解成較小的絮凝體。繼之添加活性比表面積非常大、帶高密度負電荷的特殊無機顏料粒子,這些微粒子物質與絮凝體結合,形成高密度、易失水的微絮凝體,從而具有留著率高、成形和濾水性好的綜合效果。該系統能產生非常有利于助留和改善紙頁勻度的絮凝作用。

      在生產中使用較多的是Hydrocol系統和Compozil系統。Hydrocol系統是利用高分子的CPAM與改性膨潤土,形成復式控制系統。Compozil系統主要是利用淀粉與膠體二氧化硅組成復合助留體系。通過陽離子淀粉或PAM與硅溶膠或膨潤土等復配應用起到比單獨應用更好的效果,其缺點是應用技術與工藝更為復雜。

      9、結束語

      造紙工業的飛速發展,需要不斷地加大研制開發經濟而又高效的助留助濾劑的力度,縮短和國外的差距,提高造紙效率和質量,增強國際競爭力,以迎接國外紙業的沖擊和挑戰。

      絮團具有高剪切性、尺寸較小、結構緊密且留著率大,是造紙行業發展的趨勢。聚丙烯酰胺作為優質的造紙助留助濾劑已經在全世界得到了廣泛的應用,人們正不斷地對聚丙烯酰胺進行新的改性研究,以制得更好的聚丙烯酰胺,目前最新的研究是對CPAM/微粒系統進行改進。

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