任建曉， 林 濤， 李 斌， 殷學(xué)風(fēng)， 宋建偉， 李 雪

(陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

目前，紙張的發(fā)展趨勢(shì)是低定量，但是低定量的紙張必定影響不透明度，因此，為了克服這一障礙，必須對(duì)填料進(jìn)行改性或探索新的加填工藝，以改善紙張強(qiáng)度性能與光學(xué)性能之間的矛盾.近年來(lái)，CaCO3-細(xì)小纖維復(fù)合填料已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外造紙工作者的研究熱點(diǎn)[1-7].

共絮聚工藝就是把傳統(tǒng)抄造工藝中用于造紙的植物纖維原料先進(jìn)行篩分，從而得到細(xì)小纖維組分和纖維組分兩部分，然后向細(xì)小纖維組分中加入一定量的陽(yáng)離子助劑與帶負(fù)電性的填料共絮集，形成較大的絮聚團(tuán)，并使絮聚團(tuán)呈現(xiàn)一定的正電性，使之在抄紙過(guò)程中易于吸附在纖維上[8].

聚合氯化鋁( Poly Aluminium Chloride),簡(jiǎn)稱PAC,是介于氯化鋁和氫氧化鋁兩種物質(zhì)之間的一種水溶性無(wú)機(jī)高分子聚合物, 通常以通式Aln (OH)mCl3n-m來(lái)表示, 其中n代表聚合程度,m代表某種聚合氯化鋁產(chǎn)品的中性化程度,即氫氧根離子取代氯離子的多少[9-11].聚合氯化鋁所代表的并不是某一種特定的無(wú)機(jī)化合物, 而是一系列復(fù)雜鋁聚合物的總稱[12].長(zhǎng)期以來(lái),聚合氯化鋁作為一種高效的絮凝劑一直廣泛用于水處理過(guò)程中，由于聚合氯化鋁可以很容易地吸附到纖維表面,還可以吸附帶有負(fù)電荷的填料和細(xì)小纖維, 使它們更多地留著在紙頁(yè)內(nèi)部,另外,與其他有機(jī)聚合物的協(xié)同作用可以更有效地提高細(xì)料的留著率, 并改善漿料的濾水性能.因此, 聚合氯化鋁在造紙濕部還能起到良好的助留、助濾作用.

本實(shí)驗(yàn)使用PAC作為絮聚劑對(duì)細(xì)小纖維-碳酸鈣進(jìn)行共絮.在不同添加量、不同作用時(shí)間下，所得到的絮聚團(tuán)在電荷分布、粒徑等特性以及對(duì)漿料的留著、濾水性能的影響是不同的.本章內(nèi)容將考查單組分聚合氯化鋁對(duì)共絮聚工藝的影響，采用聚焦光束反射測(cè)量?jī)x(FBRM)動(dòng)態(tài)測(cè)定了P-RC APMP細(xì)小纖維-碳酸鈣共絮聚過(guò)程中共絮聚團(tuán)的規(guī)模分布，探討了PAC用量對(duì)共絮聚團(tuán)大小的影響，研究了PAC用量對(duì)漿料懸浮液的Zeta電位、白水的陽(yáng)離子需求量、細(xì)小組分的留著率、濾水性能以及共絮聚團(tuán)電荷分布的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

楊木P-RC APMP(18°SR)由河南某造紙企業(yè)提供；進(jìn)口漂白針葉木硫酸鹽漿板(BSKP)；PCC由凱米拉(Kemira)提供；PAC由山東一化工廠提供，其二氧化鋁含量28%；陽(yáng)離子聚合電解質(zhì)滴定標(biāo)準(zhǔn)液；陰離子聚合電解質(zhì)滴定標(biāo)準(zhǔn)液.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

NO.SE003型標(biāo)準(zhǔn)纖維疏解器(瑞典L&W公司)、ZQS12型肖伯爾氏打漿度測(cè)定儀(陜西科技大學(xué)機(jī)械廠)、DHG-9053A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科技有限公司)、DDJ動(dòng)態(tài)濾水儀(Mt2110-086CF)、PCD-03型膠體電荷分析儀(美國(guó)Mütek公司)、SZP-06型Zeta電位測(cè)定儀(美國(guó)Mütek公司)、Lasentec 聚焦光束反射測(cè)量?jī)x(美國(guó)).

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 細(xì)小纖維的分離

取一定質(zhì)量漿料置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，經(jīng)烘干6 h后可以測(cè)得該漿料的含水量.然后取300 g絕干APMP漿料(取足量漿料篩分后續(xù)備用)充分疏解后，將其配成濃度為0.1%的懸浮液，通過(guò)SWECO圓形振動(dòng)篩的200目篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，收集篩后長(zhǎng)纖維組分(R200)以及一次細(xì)小纖維組分(P200).一次細(xì)小纖維組分懸浮液靜置2天后抽取上層清液，濃縮后測(cè)量其漿濃備用.

將一次細(xì)小纖維后的漿料，加入水稀釋漿濃為10%，用PFI進(jìn)行磨漿，磨漿轉(zhuǎn)數(shù)為20 000轉(zhuǎn)，將磨后漿充分疏解后，將其配成濃度為0.1%的懸浮液，用SWECO圓形振動(dòng)篩的200目篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，篩分濃度0.1%，從而得到P400和P200R400.將P400懸浮液靜置2天后抽取上層清液，濃縮后測(cè)量其漿濃備用.

1.3.2 BSKP的制備

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)P-RC APMP配抄BSKP，對(duì)比研究了漿料體系留著與濾水以及成紙物性.取足量漂白針葉木硫酸鹽漿板(BSKP)，用Valley打漿機(jī)將其打漿到30 °SR，打漿度通過(guò)肖伯爾氏打漿度測(cè)定儀測(cè)定.將打好的漿料擠干，平衡水分后測(cè)定其含水量備用.

1.3.3 聚合氯化鋁標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

本實(shí)驗(yàn)選用PAC的添加量相對(duì)于2 g絕干漿分別取0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%(以二氧化鋁含量來(lái)計(jì)算)，從而算得所要取聚合氯化鋁的用量，加入清水溶解后將其置于250 mL容量瓶中.

1.3.4 共絮聚體的制備

先向DDJ中加入篩分后的細(xì)小纖維懸浮液，然后加入20%PCC，攪拌一定時(shí)間后，加入一定量的PAC，繼續(xù)攪拌15 s后就產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需的細(xì)小纖維-碳酸鈣共絮聚團(tuán).

1.3.5 PAC添加量對(duì)細(xì)小纖維與填料共絮聚團(tuán)大小分布測(cè)定

本實(shí)驗(yàn)主要研究PAC添加量對(duì)細(xì)小纖維-碳酸鈣共絮聚團(tuán)大小的影響.首先將FBRM探頭伸入到燒杯中(帶攪拌器)，在750 r·min-1攪拌速度作用下，向燒杯中加入P400二次細(xì)小纖維懸浮液(用量占APMP漿料的15%)，攪拌一段時(shí)間后加入20%PCC，測(cè)定尺寸分布，攪拌均勻后加入不同量的PAC，細(xì)小纖維和碳酸鈣在PAC的作用下進(jìn)行共絮，測(cè)定細(xì)小纖維-碳酸鈣絮聚后的尺寸分布.

1.3.6 漿料Zeta電位的測(cè)定

配制0.4%的待測(cè)漿料溶液500 mL，利用Zeta電位測(cè)定儀測(cè)定漿料的Zeta電位.

1.3.7 白水陽(yáng)離子需求量的測(cè)定

配制0.4%的待測(cè)漿料溶液500 mL，倒入動(dòng)態(tài)濾水儀(DDJ)中，收集前100 mL濾液(白水)，量取10 mL用PCD-03型膠體電荷分析儀測(cè)定白水的陽(yáng)離子需求量.

1.3.8 細(xì)小組分留著率與漿料濾水性能的測(cè)定

按要求配制0.4%的待測(cè)漿料溶液500 mL，倒入動(dòng)態(tài)濾水儀(DDJ)中，在750 r·min-1下混合60 s后進(jìn)行濾水.收集前100 mL的濾液(白水)并用秒表記錄時(shí)間，濾網(wǎng)采用200目的不銹鋼網(wǎng).用已烘干并恒重的定量濾紙抽濾上面濾出的白水，烘干稱重，測(cè)定100 mL濾液中細(xì)小纖維和填料的固含量.從而測(cè)得細(xì)小組分留著率.

2 結(jié)果與討論

2.1 PAC添加量對(duì)細(xì)小纖維-碳酸鈣共絮聚團(tuán)和漿料電性的影響

實(shí)驗(yàn)研究不同PAC添加量對(duì)細(xì)小纖維-碳酸鈣共絮聚團(tuán)和漿料電性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2和圖3所示.

圖1 PAC 添加量對(duì)漿料Zeta電位的影響

圖2 PAC添加量對(duì)共絮聚團(tuán)表面電荷的影響

圖3 PAC添加量對(duì)白水陽(yáng)離子需求量的影響

由圖1可知，隨著PAC添加量的增加，共絮聚團(tuán)的表面負(fù)電荷的絕對(duì)值在不斷減小，這是因?yàn)镻AC可以因其所帶正電性通過(guò)電中和、電荷補(bǔ)丁機(jī)理引起紙料絮聚[12]，因而能夠中和細(xì)小纖維的負(fù)電性.

由圖2可知，隨著PAC添加量的增加，漿料的Zeta負(fù)電位在不斷減小，原因是共絮聚團(tuán)的表面負(fù)電荷在不斷減小，加入到纖維中，其中一部分絮聚團(tuán)中PAC中和了纖維表面電荷，使纖維表面的雙電層厚度降低，導(dǎo)致漿料的Zeta電位降低.當(dāng)Zeta電位降低時(shí)，有助于漿料體系共絮聚團(tuán)的形成，從而提高細(xì)小組分留著率.

白水陽(yáng)離子需求量的大小，表現(xiàn)了白水中陰離子物質(zhì)的多少.因此，加入陽(yáng)離子助劑后，會(huì)對(duì)需求量造成影響.由圖3可以看出，白水陽(yáng)離子需求量隨PAC添加量的增加而降低,表明了白水中陰離子物質(zhì)逐漸變少.

2.2 PAC添加量對(duì)細(xì)小纖維-碳酸鈣共絮聚團(tuán)大小的影響

實(shí)驗(yàn)研究不同PAC添加量對(duì)細(xì)小纖維-碳酸鈣共絮聚團(tuán)大小的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

圖4 PAC添加量對(duì)細(xì)小纖維-碳酸鈣共絮聚團(tuán)大小的影響

圖4顯示了不同PAC添加量下共絮聚團(tuán)平均弦長(zhǎng)隨時(shí)間的演變關(guān)系，在未添加PAC時(shí)(前30 s)，細(xì)小纖維與填料混合物的平均弦長(zhǎng)為8.5μm左右，變化不大.當(dāng)加入PAC后(30～80 s)，絮聚作用發(fā)生的比較快，達(dá)到最大絮聚團(tuán)尺寸的時(shí)間很短，絮聚團(tuán)平均大小為12μm左右.且隨著PAC添加量的不斷增加，共絮聚團(tuán)的平均弦長(zhǎng)在不斷增加.從圖2可知隨著助留劑用量增大，共絮聚團(tuán)的表面負(fù)電荷在不斷減小，從而絮聚體之間靜電斥力也相應(yīng)減小，從而有利于纖維絮聚.從圖中可以看出所形成的絮聚團(tuán)的尺寸較小，說(shuō)明PAC在APMP漿料體系中主要起電中和與電荷補(bǔ)丁效應(yīng)的絮聚作用.

2.3 PAC添加量對(duì)漿料體系留著性能的影響

實(shí)驗(yàn)研究了不同PAC添加量對(duì)漿料留著性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.

圖5 PAC添加量對(duì)細(xì)小組分留著的影響

由圖5可知在一定范圍內(nèi)，隨著PAC用量的增加，漿料細(xì)小組分的留著率不斷上升.當(dāng)PAC用量從0.2%增加到0.8%的過(guò)程中，細(xì)小組分的留著率從41.3%增加到47.2%，而當(dāng)PAC用量從0.8%轉(zhuǎn)變?yōu)?.0%，細(xì)小組分留著率又有所下降.從整體來(lái)看，細(xì)小組分留著率并不高，原因是在添加PAC后，PAC主要通過(guò)電中和機(jī)理使細(xì)小組分絮聚，細(xì)小纖維與填料形成的絮聚團(tuán)太小，因而不易吸附于長(zhǎng)纖維中，造成留著率較低.

2.4 PAC添加量對(duì)共絮聚體系濾水性能的影響

實(shí)驗(yàn)研究了不同PAC添加量對(duì)共絮聚體系濾水性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6 PAC添加量對(duì)共絮聚體濾水性能的影響

從表6可知，當(dāng)未添加PAC時(shí)，DDJ濾水時(shí)間為89 s.加入0.2%化學(xué)藥品后，濾水時(shí)間變?yōu)?9 s，時(shí)間變化較大，濾水性能得到改善.且濾水時(shí)間隨著PAC用量的增加而逐漸減小，說(shuō)明其濾水性能隨著PAC的增加而逐漸變好.因?yàn)镻AC作為電荷中和劑通常被用于助濾體系中，它能使細(xì)小纖維由于電荷中和發(fā)生比表面下降，并且形成絮聚體改善漿料體系微孔結(jié)構(gòu)[24]，從而使得漿料濾水性能隨化學(xué)藥品添加得以改善.

3 結(jié)束語(yǔ)

從實(shí)驗(yàn)可知，隨PAC用量的增加，共絮聚團(tuán)的表面負(fù)電荷在不斷減小、漿料的Zeta負(fù)電位也在不斷減小，說(shuō)明了絮聚體系中PAC主要通過(guò)電中和、電荷補(bǔ)丁機(jī)理引起了纖維的絮聚.紙料中白水陽(yáng)離子需求量隨PAC添加量的增加而降低，表明了白水中陰離子物質(zhì)逐漸變少，細(xì)小纖維與填料逐漸被留著于漿料體系中.

通過(guò)FBRM檢測(cè)可知添加PAC后，細(xì)小纖維與填料得以共絮，但共絮聚團(tuán)尺寸較小，平均大小為12.5μm左右，當(dāng)PAC添加量為0.8%后，細(xì)小組分留著率最高，為47.2%.而濾水性能隨著藥品添加得以改善.但從整體可見(jiàn)，PAC并沒(méi)有有效提高漿料細(xì)小組分的留著率.

[1] 唐 黎,馬邕文,萬(wàn)金泉.OCC廢紙?jiān)旒垙U渣中細(xì)小纖維的特性研究[J].造紙科學(xué)與技術(shù),2011,30(6):7-10.

[2] 馮 春,陳 港,柴欣生,等.CaCO3-細(xì)小纖維復(fù)合填料對(duì)紙張物理性能的影響[J].中國(guó)造紙,2010,29(2):14-17.

[3] 馮 春,陳 港.制備溫度對(duì)碳酸鈣- 細(xì)小纖維復(fù)合填料性能的影響[J].造紙科學(xué)與技術(shù),2010,29(1):33-37.

[4] 姚向榮,周生飛,王錢錢,等.細(xì)小纖維對(duì)三種紙漿紙頁(yè)性能的影響[J].造紙科學(xué)與技術(shù),2010,29(3):27-30.

[5] Ramjee Subramanian,Thad Maloney,Hannu Paulapuro.Calcium carbonate composite fillers[J].Tappi Journal,2005,4(7):23.

[6] Ramjee Subramanian,Henrik Fordsm,Hannu Paulapuro.Precipitated calcium carbonate-cellulose composite fillers:Effect of PCC particle structure on the production and properties of uncoated fine paper[J].Bioresources,2007,2(1):91.

[7] Silenius,Petri Kekki,Risto.Method for manufacturing filler containing chemical pulp[P].US:20040244930,2004-11-09.

[8] 林 濤,宋建偉,殷學(xué)風(fēng),等.P-RC APMP細(xì)小纖維與碳酸鈣共絮聚的應(yīng)用性能[J].紙和造紙，2012,31(11):17-21.

[9] 張文藝,范培成,李秋艷.聚合氯化鋁-殼聚糖復(fù)合絮凝劑的合成及在藍(lán)藻沼液預(yù)處理中的應(yīng)用[J].環(huán)境化學(xué)，2012,31(7)：1 057-1 062.

[10] 王 艷.聚合氯化鋁絮凝劑的制備方法研究進(jìn)展[J]. 應(yīng)用化工，2011,40(2)：343-345.

[11] 任根寬.復(fù)合型絮凝劑聚合氯化鋁鐵的合成[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2011,43(6)：55-58.

[12] 邵素英，陳韋華，胡開堂.不同漿料體系絮聚體的抗剪切效果研究[J].紙和造紙，2003，1(1)：44-46.