金 輝, 宋 文 靜, 魯 杰

( 大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

膨潤(rùn)土/陽(yáng)離子聚合物體系是一種重要的微粒助留體系,由于可同時(shí)提高紙料的留著與濾水性能并改善紙張勻度,因此得到廣泛關(guān)注[1]。CPAM/膨潤(rùn)土微料助留體系是微粒助留體系的一種。國(guó)內(nèi)研究者對(duì)CPAM/膨潤(rùn)土微粒助留體系進(jìn)行了研究[2-3]。研究主要以麥草漿和二次纖維為原料,CPAM/膨潤(rùn)土助留體系表現(xiàn)效果較好。但東北紙廠大多以葦漿為原料,采用的助留體系一般為陽(yáng)離子淀粉助留體系。CPAM/膨潤(rùn)土助留體系是否適于以葦漿為原料的紙頁(yè)抄造,與傳統(tǒng)助留體系相比效果如何,還未見(jiàn)研究。作者對(duì)CPAM/膨潤(rùn)土微粒助留體系對(duì)葦漿的助留作用進(jìn)行了研究,以期為CPAM/膨潤(rùn)土微粒助留體系在以葦漿為原料的紙廠的使用提供參考依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

木漿板(針葉木漿),打漿后打漿度為24.5°SR；蘆葦漿板,打漿后打漿度為34°SR；膨潤(rùn)土,大連化物所提供；陽(yáng)離子聚丙烯酰胺,大連化物所提供,相對(duì)分子質(zhì)量800；滑石粉,取自大連某紙業(yè)公司；陽(yáng)離子淀粉,白度87.3%,細(xì)度99%,水分12.5%,取代度0.03,斑點(diǎn)0.3 個(gè)/cm2。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 紙料的配制

將木漿(20%)和葦漿(80%)按比例配成漿料為0.4%的紙漿,在疏解機(jī)中均勻分散,加入20%滑石粉,倒入動(dòng)態(tài)濾水儀中進(jìn)行動(dòng)態(tài)留著實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 動(dòng)態(tài)留著實(shí)驗(yàn)方法

取500 mL紙料倒入動(dòng)態(tài)濾水罐,同時(shí)以400 r/min 的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌。先加入CPAM,然后加入膨潤(rùn)土,迅速將攪拌速度提高,用此速度來(lái)衡量剪切力的大小。同時(shí)用秒表開(kāi)始計(jì)時(shí),用此時(shí)間衡量助留劑承受的剪切時(shí)間的大小。攪拌后,將漿料倒入抄片器中抄片。

1.2.3 填料留著率的計(jì)算

式中,A為紙頁(yè)灰分,%；B為紙料灰分,%；C為纖維灰分,%；D為滑石粉灼燒減量,%。

1.2.4 抄 片

采用德國(guó)進(jìn)口抄片器抄造60 g/m2的手抄片進(jìn)行紙頁(yè)物理性能的檢測(cè)。

1.2.5 裂斷長(zhǎng)、白度和不透明度的測(cè)定

裂斷長(zhǎng)參照GB/T 453—1989進(jìn)行測(cè)定,白度參照GB/T 7974—1987進(jìn)行測(cè)定,不透明度參照GB/T 1543—1988進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 CPAM/膨潤(rùn)土微粒助留體系工藝條件的優(yōu)化

2.1.1 膨潤(rùn)土用量對(duì)助留效果的影響

在CPAM/膨潤(rùn)土微粒助留體系中,膨潤(rùn)土用量是影響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、剪切時(shí)間30 s的條件下,考察膨潤(rùn)土用量對(duì)助留效果的影響,結(jié)果如圖1所示。由圖1可見(jiàn),膨潤(rùn)土用量由0增加到0.1%時(shí),填料留著率提高很快。當(dāng)繼續(xù)增加膨潤(rùn)土用量時(shí),填料留著率變化不明顯。說(shuō)明少量的膨潤(rùn)土即對(duì)填料起到較好的留著效果。這是由于膨潤(rùn)土粒子分布于已經(jīng)吸附CPAM的填料之間,依靠靜電中和作用以及與CPAM非帶電荷段的配合作用,將細(xì)小碎塊重新橋聯(lián)起來(lái),形成較CPAM初始絮聚體尺寸更小、結(jié)構(gòu)更致密的微小絮聚塊,微小絮聚塊聯(lián)結(jié)在一起形成均勻的網(wǎng)絡(luò)型的絮聚體,從而起到了較好的助留助濾效果[4]。當(dāng)膨潤(rùn)土用量過(guò)大時(shí),由于CPAM所包裹的各組分均已形成架橋,過(guò)量的膨潤(rùn)土起不到架橋作用,所以填料留著率提高不明顯。

圖1 膨潤(rùn)土用量對(duì)填料留著率的影響

當(dāng)漿料中填料留著情況發(fā)生變化時(shí),紙頁(yè)的勻度會(huì)受到很大影響。紙頁(yè)勻度既影響紙頁(yè)物理強(qiáng)度,又會(huì)影響紙頁(yè)的白度和不透明度。因此除考察填料的留著效果之外,還需對(duì)紙頁(yè)的物理性能指標(biāo)進(jìn)行考察。膨潤(rùn)土用量對(duì)紙頁(yè)勻度、裂斷長(zhǎng)、白度和不透明度的影響如表1所示。由表1可見(jiàn),加入膨潤(rùn)土后紙頁(yè)呈現(xiàn)較好的勻度。這是因?yàn)镃PAM/膨潤(rùn)土微粒助留體系中,膨潤(rùn)土起到架橋作用,使填料分布更均勻,從而提高紙頁(yè)的勻度。紙頁(yè)勻度改善的同時(shí),紙頁(yè)裂斷長(zhǎng)卻略有降低,紙頁(yè)白度略有提高。這是由于填料留著量的增加引起的。綜上所述,當(dāng)膨潤(rùn)土的用量為0.3%時(shí),填料留著率達(dá)到69.3%,紙頁(yè)裂斷長(zhǎng)2.20 km,紙頁(yè)的勻度、白度和不透明度指標(biāo)均較好。

表1 膨潤(rùn)土用量對(duì)紙頁(yè)勻度、裂斷長(zhǎng)、不透明度和白度的影響

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

w(膨潤(rùn)土)/%勻度裂斷長(zhǎng)/km不透明度/%白度/%0一般2.2288.065.00.1較好1.8491.065.10.2較好1.9791.365.80.3較好2.2091.265.60.4較好1.9691.465.40.5較好1.9292.265.3

2.1.2 CPAM用量對(duì)助留效果的影響

在膨潤(rùn)土微粒助留體系中,必須先加入CPAM,膨潤(rùn)土才能起到助留作用,所以CPAM用量也是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。在膨潤(rùn)土用量0.3%、剪切速度1 400 r/min、剪切時(shí)間30 s的條件下,CPAM用量對(duì)填料留著率影響如圖2所示。由圖2可見(jiàn),隨著CPAM用量的增加填料留著率呈上升趨勢(shì)。這是由于CPAM加入后,大部分CPAM都與漿料中陰離子物質(zhì)進(jìn)行靜電中和反應(yīng),沉積到纖維上。隨著CPAM用量的增加,CPAM吸附在纖維和填料等細(xì)小組分上,形成有效的帶正電荷CPAM鏈圈、鏈尾與陰離子型膨潤(rùn)土產(chǎn)生靜電架橋作用,因此產(chǎn)生了良好的助留效果。

圖2 CPAM用量對(duì)填料留著率的影響

CPAM用量對(duì)勻度、斷裂長(zhǎng)、白度和不透明度的影響如表2所示。從表2中可以看出,裂斷長(zhǎng)隨CPAM用量的增加而下降。原因是填料和細(xì)小纖維的大量留著使得紙頁(yè)中纖維交織力被削弱。纖維中結(jié)合力的降低導(dǎo)致紙頁(yè)的裂斷長(zhǎng)降低。從表2中還可以得出,隨著CPAM用量的增加,紙頁(yè)勻度越來(lái)越差。改變CPAM用量,白度和不透明度變化不大。因此,CPAM用量為0.1%時(shí),體系呈現(xiàn)較好的助留助濾綜合效果。

表2 CPAM用量對(duì)勻度、斷裂長(zhǎng)、白度和透明度的影響

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

w(CPAM)/%勻度斷裂長(zhǎng)/km白度/%不透明度/%0.05好1.8764.791.40.10較好1.7564.491.30.15較差1.5264.492.60.20差1.2064.191.30.25差0.9764.992.4

2.1.3 剪切速度對(duì)助留效果的影響

在助留劑加入時(shí),由于添加位置的不同,從加入點(diǎn)到紙頁(yè)成形之間,助留劑會(huì)受到不同程度的剪切力的作用。對(duì)于CPAM/膨潤(rùn)土微粒助留體系來(lái)說(shuō),剪切力的影響主要有兩個(gè)方面,一方面,在高剪切力下會(huì)對(duì)細(xì)小纖維在纖維上沉積產(chǎn)生一定的負(fù)面影響,使細(xì)小纖維的留著率下降;另一方面,在高剪切力下,會(huì)對(duì)高分子助劑產(chǎn)生的絮團(tuán)有一定的疏解作用,提高紙頁(yè)的勻度。在膨潤(rùn)土用量為0.3%、CPAM用量0.1%、剪切時(shí)間30 s的條件下,考察剪切力對(duì)助留效果的影響。剪切力與剪切速度成正比,采用剪切速度來(lái)表示剪切力的大小。剪切速度對(duì)填料留著率的影響如圖3所示。由圖3可見(jiàn),當(dāng)剪切速度由400 r/min增加到700 r/min時(shí),填料留著率略有升高。當(dāng)剪切速度增加到900 r/min時(shí),填料留著率下降較多。進(jìn)一步提高剪切速度,填料留著率變化不明顯。這是由于膨潤(rùn)土具有較強(qiáng)的負(fù)電性,能與吸附在纖維、細(xì)小組分和填料上的CPAM發(fā)生重排,鏈圈、鏈尾會(huì)趨向于平伏構(gòu)型,膨潤(rùn)土仍能在它們之間產(chǎn)生強(qiáng)的連接鍵,從而產(chǎn)生良好的助留效果和抗剪切性能。

圖3 剪切速度對(duì)填料留著率的影響

剪切速度對(duì)勻度、裂斷長(zhǎng)、白度和不透明度的影響如表3所示。由表3可見(jiàn),隨著剪切速度的升高,紙頁(yè)勻度越來(lái)越好。這是因?yàn)樵诘图羟兴俣葧r(shí),剪切力并不足以把高度絮凝的絮團(tuán)打碎疏解。當(dāng)剪切速度升高后,高剪切力可以使高度絮凝絮團(tuán)受到一定程度的破碎,形成微絮凝結(jié)構(gòu)。當(dāng)剪切速度達(dá)到1 400 r/min時(shí),進(jìn)一步形成超絮凝結(jié)構(gòu),紙頁(yè)的勻度得到明顯提高。因此,隨著剪切速度的增加,裂斷長(zhǎng)也呈上升趨勢(shì),增加較明顯。由表3還可以看出,當(dāng)剪切速度提高時(shí),白度和不透明度略有下降,這是由于填料留著率下降造成的。綜合以上分析,剪切速度為1 400 r/min時(shí),紙頁(yè)的勻度較好,裂斷長(zhǎng)最高達(dá)到2.20 km,填料留著率都比較好。所以,膨潤(rùn)土體系可抗高達(dá)1 400 r/min 的剪切速度。

表3 剪切速度對(duì)勻度、裂斷長(zhǎng)、白度和不透明度的影響

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

剪切速度/(r·min-1)勻度裂斷長(zhǎng)/km白度/%不透明度/%400較好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 剪切時(shí)間對(duì)助留效果的影響

剪切時(shí)間是指助留劑受到剪切力作用的時(shí)間。不同助留劑承受剪切力作用的時(shí)間不同。剪切時(shí)間可以反映助留劑添加位置。在膨潤(rùn)土用量為0.3%、CPAM用量為0.1%和剪切速度為1 400 r/min 的條件下,考察剪切時(shí)間對(duì)CPAM/膨潤(rùn)土助留體系助留效果的影響,結(jié)果如圖4所示。由圖4可見(jiàn),剪切時(shí)間由15 s延長(zhǎng)到30 s 時(shí),填料留著率有所增加。但當(dāng)剪切時(shí)間達(dá)到30 s 后有所下降。這可能是因?yàn)殡S著時(shí)間的增加,絮團(tuán)得到很好的疏解。隨著剪切時(shí)間的延長(zhǎng),絮團(tuán)過(guò)度地被打散,造成留著率迅速的降低。

圖4 剪切時(shí)間對(duì)填料留著率的影響

剪切時(shí)間對(duì)勻度、裂斷長(zhǎng)、白度和不透明度的影響如表4所示。由表4可見(jiàn),剪切時(shí)間由15 s延長(zhǎng)到30 s時(shí),紙頁(yè)勻度越來(lái)越好。當(dāng)進(jìn)一步延長(zhǎng)剪切時(shí)間時(shí),紙頁(yè)勻度變得越來(lái)越差。當(dāng)剪切時(shí)間30 s時(shí),紙頁(yè)勻度最好。剪切時(shí)間為30 s時(shí),裂斷長(zhǎng)最高,達(dá)到2.2 km。剪切時(shí)間對(duì)白度和不透明度的影響不大。綜合以上分析,在膨潤(rùn)土用量0.3%、剪切速度1 400 r/min、剪切時(shí)間30 s的條件下,填料留著率和裂斷長(zhǎng)都是最高,而且也表現(xiàn)出較好的勻度。

表4 剪切時(shí)間對(duì)勻度、裂斷長(zhǎng)、白度和不透明度的影響

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

剪切時(shí)間/s勻度裂斷長(zhǎng)/km白度/%不透明度/%15較好1.7564.491.330好2.2065.691.245較差1.5665.492.960較差1.3764.392.475較差0.7865.494.5

綜上所述,CPAM/膨潤(rùn)土微粒助留體系優(yōu)化條件為:膨潤(rùn)土用量0.3%,CPAM用量0.1%,剪切速度1 400 r/min,剪切時(shí)間30 s。

2.2 CPAM/膨潤(rùn)土微粒助留體系與陽(yáng)離子淀粉助留體系的助留效果比較

比較CPAM/膨潤(rùn)土微粒助留體系與陽(yáng)離子淀粉體系的助留效果,陽(yáng)離子淀粉的條件為陽(yáng)離子淀粉0.1%,剪切速度1 400 r/min,剪切時(shí)間30 s。由表5可以看出,膨潤(rùn)土微粒助留體系填料留著率、裂斷長(zhǎng)、白度和不透明度都高于陽(yáng)離子淀粉助留體系。兩種體系均表現(xiàn)出較好的紙頁(yè)勻度。

表5 CPAM/膨潤(rùn)土微粒助留體系與陽(yáng)離子淀粉助留體系的助留效果比較

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

項(xiàng)目膨潤(rùn)土陽(yáng)離子淀粉填料留著率/%67.4436.11裂斷長(zhǎng)/km2.201.77勻度較好較好白度/%64.763.3不透明度/%91.488.6

3 結(jié) 論

CPAM/膨潤(rùn)土微粒助留體系對(duì)葦漿表現(xiàn)出良好的助留效果,膨潤(rùn)土用量少,CPAM抗剪切能力強(qiáng)。與陽(yáng)離子淀粉助留體系相比,CPAM/膨潤(rùn)土微粒助留體系可有效提高葦漿抄造時(shí)的填料留著率、紙頁(yè)裂斷長(zhǎng)、白度和不透明度等指標(biāo)。CPAM/膨潤(rùn)土微粒助留體系適于以葦漿為原料的紙頁(yè)抄造。

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[2] 董元鋒,劉溫霞. CPAM/膨潤(rùn)土體系對(duì)麥草漿的微粒助留作用[J]. 造紙化學(xué)品, 2007, 19(1):6-10.

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