張 鑫，龍 柱，王建華

（1.江南大學(xué)紡織服裝學(xué)院造紙研究室，江蘇無錫，214122 2.江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇無錫，214122 3.浙江永正控股有限公司，浙江富陽，311421）

長纖維造紙用分散劑的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

張 鑫，龍 柱1，2，王建華3

（1.江南大學(xué)紡織服裝學(xué)院造紙研究室，江蘇無錫，214122 2.江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇無錫，214122 3.浙江永正控股有限公司，浙江富陽，311421）

綜述了造紙長纖維用分散劑的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢?？偨Y(jié)了造紙長纖維用分散劑的傳統(tǒng)制備方法和一系列新型的合成方法。指出造紙長纖維用分散劑的合成從原料選擇到合成工藝逐步精細化、多功能化以及環(huán)保化的趨勢。

分散劑；長纖維；造紙

1 引言

造紙過程中使用的化學(xué)助劑主要包括助留助濾劑、分散劑、增強劑、施膠劑等。這些助劑在造紙過程中起著至關(guān)重要的作用，其目的是提高填料和細小纖維的留著率、生產(chǎn)效率，降低成本，提高紙頁質(zhì)量等。由于纖維(特別是長纖維)、填料和大多數(shù)助劑等都是水不溶性的, 而且，它們在水溶液中存在自行聚集的趨勢和相互排斥性，所以，抄造的紙張難以均勻而且強度較小。特別是化學(xué)長纖維，由于其密度過高或過低，要么沉降過快而來不及分散，要么大量漂浮于水面形成絮聚而無法均勻，從而，造成分散困難的問題。若纖維能夠以單根形式存在于液體中并保持均勻分散，則能抄造出組織良好的紙張。當然，在抄紙過程中僅靠機械攪拌往往是不能使其很好地分散在水中，而且，分散后的纖維在濾水成形過程中又會很快產(chǎn)生新的絮聚，從而，影響紙頁的均勻度和物理性能。而添加適當?shù)姆稚﹣矸€(wěn)定漿水分散體系就是一種實現(xiàn)纖維均勻分散、提高紙張性能且較為經(jīng)濟的方法。但目前，纖維分散劑的種類繁多，性能各異，且不同種類的纖維需要不同的分散劑進行處理；同時，在實際使用過程中，還需要綜合分散劑的質(zhì)量、用量 、價格以及應(yīng)用紙種的特性等多種因素，才能使得分散劑達到最佳的使用效果。本文就長纖維造紙用分散劑的使用現(xiàn)狀和發(fā)展進行了一系列的描述和總結(jié)。

2 分散劑的作用機理

分散劑（Dispersant）是一種在分子內(nèi)同時具有親油性和親水性兩種相反性質(zhì)的界面活性劑。可均一分散那些難于溶解于液體的無機顏料和有機顏料的固體及液體顆粒，同時也能防止顆粒的沉降和凝聚，形成穩(wěn)定懸浮液所需的兩親性試劑。分散劑可以提升光澤、防止浮色發(fā)花、提高著色力、降低粘度、增加顏料載入量以及減少絮凝。在紙張生產(chǎn)過程中，纖維分散是一個非常重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到濕紙頁成形的勻度和干燥后紙頁的機械強度等一系列指標，所以，合理的選擇分散劑是決定紙頁質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1]。

而造紙用分散劑的作用機理基本上可以分為以下三種：

（1）靜電斥力作用原理：靜電斥力作用原理是一種雙電層穩(wěn)定機制，是指通過加入離子類型的分散劑，纖維表面產(chǎn)生一定量的表面電荷，使纖維間產(chǎn)生較大的排斥力，進而實現(xiàn)纖維的穩(wěn)定分散，在這種分散體系中，離子的強度對分散的效果影響最大；

（2）空間位阻穩(wěn)定作用：聚合物類的分散劑在漿水懸浮液中伸展開并且黏度增加，從而，達到良好的分散效果。這是因為伸展的聚合物分子鏈可以阻止纖維表面相互接觸，使過度絮凝不會發(fā)生；另外，黏度的增加也限制了纖維在懸浮液中的運動，從而，減少纖維間的相互接觸。

（3）靜電空間位阻復(fù)合穩(wěn)定機理：分散劑首先使固體顆粒表面形成雙分子層結(jié)構(gòu)，外層分散劑極性端與水有較強親和力，增加了固體粒子被水潤濕的程度，然后，固體粒子之間因靜電斥力而相互遠離，從而，達到良好的分散效果。

3 造紙用分散劑的種類

由于造紙用分散劑種類繁多，相應(yīng)的分類方法也有不少，如按照用途來分，可分為纖維分散劑、樹脂分散劑和涂布分散劑；按照化學(xué)結(jié)構(gòu)來分，可分為無機分散劑和有機分散劑；按照來源可分為礦物顏料分散劑（如高嶺土、天然CaCO3、TiO2、滑石粉等）、人造顏料［如 Al ( OH)3、Mg ( OH)2、BaSO4、鍛白、沉淀CaCO3等］、合成樹脂顏料（如聚苯乙烯顏料、尿素樹脂顏料等）[2]。而本文是以分散劑的作用機理來進行分類的，大體可分為以下三類。

3.1 表面活性劑類

造紙工業(yè)中常用的分散劑包括表面活性劑，它可以使懸浮液中的固體分散粒子被液相充分潤濕和均勻分散，并使體系的分離、聚集和固體微粒的沉降速度降至最低，以維持懸浮液最大的動力學(xué)穩(wěn)定性，從而，起到均勻分散的效果。表面活性類主要是非離子型分散劑和陰離子型分散劑。非離子型分散劑如脂肪醇聚氧乙烯醚甲基硅烷、油酸聚氧乙烯酯等；陰離子型分散劑如脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、烷基二苯醚磺酸鈉、烷基酚聚氧乙烯醚磷酸酯鹽等。陰離子或非離子表面活性劑的作用機理一般為：

（1）賦予纖維表面電荷，使其相互產(chǎn)生斥力（陰離子表面活性劑）；

（2）覆蓋于纖維表面，起到保護膠體的作用；

（3）在纖維周圍形成黏度狀態(tài)，防止纖維碰撞而絮聚；

（4）表面活性劑具有良好的吸附劑懸浮特性，它們吸附在纖維表面，形成水膜，使纖維相互滑過而不致產(chǎn)生纏結(jié)；

（5）纖維表面潤濕性能的改變也減少了纖維間的摩擦力，減少了纖維間相互黏著的機會；

3.2 水溶性高分子有機物類

纖維分散劑中大部分都是高分子有機物，如樹膠（刺梧桐膠、槐樹豆膠等）、海藻酸鈉、甲基纖維素、羧甲基纖維素、羥乙基纖維素、脫乙酰基的殼聚糖、PEO、聚丙烯酰胺類等，其中以聚氧化乙烯（PEO）為典型代表。水溶性高分子有機物類作為分散劑的作用機理一般為：

（1）它們的加入使得漿料的黏度增高，相當于在纖維表面附著了一層薄薄的潤滑膜， 起到水溶性潤滑劑的作用，使纖維相互滑過而不致纏結(jié)；

（2）漿液黏度的增加大大限制了纖維在水中的運動自由度，使纖維不能相互接觸，減少了纖維間的絮聚，改善了纖維成形交織的能力；

（3）黏性介質(zhì)對纖維的黏滯力使得許多纖維在停止攪拌時，還沒有相互接觸就松弛并變成鈍態(tài)，從而在減少了內(nèi)應(yīng)力的懸浮液中形成纖維網(wǎng)絡(luò)；

（4）懸浮液黏度的增加也增加了纖維在介質(zhì)中的懸浮性，延長了纖維沉降的時間。

3.3 電解質(zhì)無機鹽類

電解質(zhì)無機鹽類的分散劑如焦磷酸鉀、六甲基磷酸鈉。這種分散劑主要是加入的離子類型分散劑，在纖維表面產(chǎn)生一定量的表面電荷，使纖維間產(chǎn)生較大的排斥力，進而實現(xiàn)纖維的穩(wěn)定分散[2]。

4 長纖維造紙用分散劑的應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 植物長纖維分散劑的應(yīng)用現(xiàn)狀

在生產(chǎn)薄型紙時，在纖維配比中加入很多長纖維，由于長纖維是水不溶性的，它們在上網(wǎng)的時候有自行聚集的趨勢，容易造成纖維絮聚，從而給生產(chǎn)帶來不便。在紙漿上網(wǎng)時加入適量的分散劑，能夠很好地解決纖維絮聚這一問題?？墒欠稚┑氖褂们闆r對生產(chǎn)出的薄型紙在指標上如干、濕抗張強度以及勻度等會出現(xiàn)較大的波動幅度，從而，造成一些廢品的產(chǎn)生，同時也不利于節(jié)能減排。所以，在生產(chǎn)薄型紙時，分散劑加入量要適當。同時，也需要通過調(diào)節(jié)上網(wǎng)漿回流閥門開度以調(diào)節(jié)脫水，改變單一調(diào)節(jié)分散劑加入量調(diào)節(jié)纖維絮聚的方法，從而，解決纖維絮聚的產(chǎn)生，調(diào)節(jié)纖維絮聚而造成紙頁的干抗張強度降低的現(xiàn)象[3]。

羅崇禧[4]等人曾使用超支化分散劑對劍麻纖維/長玻纖/聚丙烯復(fù)合材料的性能進行改善和測定，以自制超支化分散劑HBD（HBD的結(jié)構(gòu)如圖1所示）為改性劑，制備劍麻纖維(SF)/ 長玻纖(LGF)/聚丙烯(PP)復(fù)合材料。由于超支化分散劑HBD的結(jié)構(gòu)中存在著大量的NH-CO等基團，能使纖維表面在水介質(zhì)中帶有較多的負電荷，從而，達到均勻分散的效果。經(jīng)HBD改性后，復(fù)合材料的沖擊強度、彎曲強度均強于未經(jīng)分散劑改性的復(fù)合材料。

吳安波[5,6]等在柴油濾紙及其制備方法一文中對柴油濾紙進行了詳細描述。柴油濾紙主要由原紙和浸膠液這兩部分組成，其中所述的原紙包括麻纖維、石膏纖維等長纖維和少部分竹纖維、玻璃纖維等短纖維組成。而其中所用到的分散劑則是由大量的陰離子聚丙烯酰胺（APAM）和少量其他分散劑復(fù)配制成的[7]。實驗結(jié)果表明：使用復(fù)配分散劑的柴油濾紙，其紙頁的機械性能明顯強于只使用單種分散劑抄造出來的柴油濾紙。

4.2 化學(xué)長纖維分散劑的應(yīng)用現(xiàn)狀

曾令可[8]等人在化學(xué)長纖維中加入羥丙基甲基纖維素、聚丙烯酰胺(PAM)等分散劑，研究了不同分散劑的分散效果和機理。加入羥丙基甲基纖維素能大大降低陶瓷纖維的聚集現(xiàn)象；加入PAM的化學(xué)長纖維料漿具有良好的分散性，成球率幾乎為零。

肖仙英等[9]在玻璃纖維水溶液中加入表面活性劑 PEO 來改善纖維在水中的分散狀況。 影響玻璃纖維漿料分散性的因素包括纖維長度、分散劑種類與含量、pH值、Zeta 電位等。由于抗靜電劑 SN是一種表面活性劑，在實驗過程中容易產(chǎn)生泡沫。為保持纖維在水中均勻分散，除了高的稀釋度和對纖維表面的處理外，提高介質(zhì)的黏度，也是進一步提高纖維分散的一種有效途經(jīng)。而PEO的加入對纖維分散起著一定的作用，在紙頁的成形過程中，加入PEO這類增稠劑后，介質(zhì)的黏度增加，相當于在纖維表面附著了一層薄薄的潤滑油膜，因而漿中的纖維與纖維、纖維與水、已成形的濕紙頁與水之間發(fā)生沖刷、摩擦?xí)r，纖維與纖維之間不再是直接接觸，因而，也就不容易發(fā)生纖維之間的絮聚現(xiàn)象，已成形的濕紙頁也不易發(fā)生纖維的位移現(xiàn)象，增稠劑在其中也起到了潤滑劑的作用。但增稠劑的加入量不必過多，一方面考慮到生產(chǎn)成本的問題，另一方面會產(chǎn)生泡沫且紙頁成形濾水性差，一般PEO的濃度控制在不大于0.05%為宜，此實驗取0 .035%[10]。這個實驗說明：纖維分散的效果不僅和其使用的分散劑種類有關(guān)，還和分散劑使用的濃度、質(zhì)量以及粘度等有一定的相關(guān)性，只有控制好每一個因素，才能使得分散劑達到最佳效果。

圖1 超支化分散劑(HBD)的結(jié)構(gòu)Fig1 The Structure of Hyperbranched Dispersant (HBD)

Dodson[11]對纖維漿料中出現(xiàn)的絮聚現(xiàn)象進行了研究。本文針對玻璃纖維芯材的濕法工藝中纖維難分散、易團聚的問題，研究了分散劑對經(jīng)過切棉處理的玻璃纖維漿料分散性的影響以及玻璃纖維漿料分散性的機理。王晶晶等人[12]研究了硅酸鋁纖維的分散性能。實驗表明：在硅酸鋁纖維中加入分散劑（聚氧化乙烯PEO，陰離子聚丙烯酰胺APAM）是提高纖維在水中分散性能的最有效的方法，有利于提高制備材料的勻度、抗張強度和撕裂度，有利于改善基體性能。

王闖等[13]研究了甲基纖維素(MC)、羧甲基纖維素鈉(CMC)、羥乙基纖維素HEC三種常用分散劑的質(zhì)量分數(shù)對碳纖維在其水溶液中分散性的影響，分析了一定溫度下分散劑質(zhì)量分數(shù)和溶液黏度的關(guān)系，以及從纖維素結(jié)構(gòu)出發(fā)，解釋了不同分散劑的分散效果。其實驗表明：用超聲波對碳纖維進行預(yù)分散，然后加入分散劑繼續(xù)超聲分散，均能提高碳纖維的分散性。一定溫度下，分散劑質(zhì)量分數(shù)相同時，分散劑對短碳纖維的分散效果為HEC ＞CMC＞MC,黏度大小順序為HEC＞CMC ＞MC，其水溶液質(zhì)量分數(shù)為1.56%～1.77% 時，短碳纖維在水溶液中呈理想分散狀態(tài)。MC、CMC、HEC這三種分散劑中均含有極性羥基基團，這些基團可與碳纖維表面的極性羥基基團或羰基基團以及水分子之間形成氫鍵，增強了碳纖維表面的親水性和浸潤性，從而，提高了短碳纖維的分散性。分散劑中極性基團越多，與短碳纖維之間形成的氫鍵就越多，分子間作用力就愈強，分散效果就越好[14-16]。

陳清、陳照峰等人研究了切棉方式、玻璃纖維長度、分散劑種類和含量對玻璃纖維漿料分散性的影響。結(jié)果表明∶ 切棉后的漿料分散程度明顯高于未切棉的。玻璃纖維越長則越難分散，適宜的纖維分散長度為 10～12 mm。漿料所含纖維為0.2wt%時，羥乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素、六偏磷酸鈉的最佳加入量分別為 0. 008wt%、0.012wt%和0.04wt%，所對應(yīng)的漿料吸光度分別為 0.344A、0.703A 和 0.663A。沉降實驗顯示：添加六偏磷酸鈉的漿料分散性最好，漿料沉降高度最低、沉降速率最慢[17，18]。

由于不同種類纖維的化學(xué)性質(zhì)相差非常大，所以在纖維分散劑的使用方面也存在較大的差異。如植物纖維由于存在大量的極性基團，容易絮聚成團，所以在使用分散劑的時候，用量一般相對較多；而化學(xué)纖維的密度過高或過低，要么沉降過快而來不及分散，要么大量漂浮于水面形成絮聚，從而難以分散均勻。所以，分散劑的使用在紙頁成形過程中至關(guān)重要，無論是植物纖維用分散劑還是化學(xué)纖維用分散劑，基本上都是通過阻斷纖維間的接觸和絮聚，從而達到均勻分散的效果。隨著造紙助劑使用情況的進一步發(fā)展，除了出現(xiàn)不同種類分散劑復(fù)配的現(xiàn)象，甚至也出現(xiàn)了不同種類助劑復(fù)配的現(xiàn)象，如分散劑和滲透劑[29]、分散劑和增溶劑[20]的組合應(yīng)用。這是由于滲透劑和增溶劑都具有固定的親水親油基團，能夠在溶液的表面定向排列，并能使表面張力顯著降低，這樣就能夠使分散劑更好地附著在纖維表面，從而使其分散作用更好地發(fā)揮出來。

5 長纖維造紙用分散劑的發(fā)展趨勢

隨著造紙技術(shù)的寬幅化和高速化的發(fā)展以及高濃度涂布機的使用，不但對紙機本身提出了要求，也對制漿過程中的助劑相應(yīng)提高了要求，特別是分散劑的種類和用量。在使用植物長纖維抄紙過程中，為了提高車速和節(jié)能，有時需使用高固含量的涂料，所以通常采用高分子有機分散劑[21-24]，如聚丙烯酸鈉及其衍生物，或二異丁烯與馬來酸酐共聚物的二鈉鹽溶液，以及烷基酚聚氧乙烯醚，脂肪醇聚氧乙烯醚等。而在化學(xué)纖維抄紙過程中，有的研究加入發(fā)泡劑，使分散劑物料在反應(yīng)熱的條件下使膠體具有無數(shù)微孔結(jié)構(gòu)，從而使之提高溶解速度以及提高溶解分散性。而分散劑的使用最終會影響到紙張的具體指標上，如撕裂強度、抗張強度、緊度等。同時，近年來分散劑行業(yè)發(fā)展迅速，傳統(tǒng)的一些分散劑并不夠“綠色”。目前整個行業(yè)正朝著生態(tài)安全和多功能性等方向發(fā)展，而且來自植物資源的綠色原料越來越受到重視。盡管國內(nèi)外科研工作者對于環(huán)保型分散劑的研究已經(jīng)有了一定的進展，但是天然分散劑在成本的控制上與傳統(tǒng)的分散劑還有一定的差距。此外，造紙分散劑的性能及功能的多樣化還有待提高。因此，進一步降低產(chǎn)品的成本并開發(fā)更高效、功能更多樣的環(huán)保型造紙分散劑將成為未來的研究方向。隨著其成本的不斷降低和性能的進一步提升，相信這種分散劑在造紙工業(yè)上的應(yīng)用將會更加廣泛。

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Application Status and Development Tendency of Long-fiber Dispersant in Papermaking

Zhang Xin1,2, Long Zhu1,2, Wang Jianhua
(1.Laboratory of Papermaking, School of Textiles & Clothing, Jiangnan University, Wuxi 214122, China 2.MoE key Laboratory of Eco-textiles, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
3.Zhejiang Yongzheng Holdings Ltd, Zhejiang Fuyang 311421, Zhejiang China）

The paper presents long fiber dispersant application status and development trendency in papermaking, summarizes the traditional preparation methods of long fiber dispersant and a series of new synthetic methods of long fiber dispersant in papermaking ,points out the refining, multi-functional and environmentally friendly tendency of synthesizing long fiber dispersant, including raw material selection.

Dispersant; Long fiber; Papermaking

TQ423.92

C

1672-2701（2017）11-56-07