利用高得率漿制漿廢液改善OCC紙漿的物理性能

張繼穎 胡惠仁 吳嚴亮

(天津科技大學材料科學與化學工程學院,天津,300457)

·APMP制漿廢液·

利用高得率漿制漿廢液改善OCC紙漿的物理性能

張繼穎 胡惠仁 吳嚴亮

(天津科技大學材料科學與化學工程學院,天津,300457)

將楊木APMP制漿廢液與陽離子醚化劑進行改性反應(yīng),研究了醚化劑用量不同的改性廢液對OCC紙漿物理性能的影響。同時考察了應(yīng)用助留體系改善未改性廢液中半纖維素在紙料中的留著效果。結(jié)果表明,廢液改性反應(yīng)中陽離子醚化劑用量為80%(對廢液中半纖維素質(zhì)量)時,改性廢液對OCC紙張物理性能的改善效果最為明顯。同時,助留體系對改善廢液中半纖維素在漿料中的留著效果顯著,最佳助留體系為:HCS-CPAM二元助留體系。

APMP;制漿廢液;半纖維素;改性;助留;增強

(＊E-mail:chihiro_zjy@163.com)

Abstract:In this study,the APMP pulpingwaste liquorwasmodified through etherifying reaction to prepare cationic modified waste liquor. The cationic modified waste liquorwas used to improve the OCC pulp strength,the retention of hemicellulose of the waste liquor on the OCC pulp with the retention system was investigated.The results showed that the strength properties of OCC pulp can be improved significantly with adding the cationic modified waste liquorwhen the mass ratio of cationic etherealizer to hemicellulose in the waste liquor is 0.8.It also showed that the HCS-CPAM dual retention system has the best retention efficiency for the hemicellulose in the waste liquor.

Key words:APMP;waste liquor;hemicelluloses;modification;retention;strengthening

化學機械漿技術(shù)近年來發(fā)展迅速[1-2]。目前化學機械漿制漿廢液多采用生物法降解廢液中的有機物,不僅成本較高,且方法復(fù)雜。因此,研究利用制漿廢液中的有機物已經(jīng)成為具有較高經(jīng)濟價值和社會意義的課題[3-7]。

制漿廢液中含有的有機物主要是木素和半纖維素。半纖維素在紙頁成形過程中有利于纖維構(gòu)造和纖維間的結(jié)合力。但是半纖維素自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性又限制了它們在工業(yè)中的應(yīng)用。Antal等[8]用3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨在堿性水溶液中對白楊木粉進行烷基化,得到可用水抽提的富含木聚糖的多糖,可以作為打漿添加劑。Suurnakki等[9]對甘露糖對ECF三段漂的硫酸鹽針葉木漿的物理性能的影響進行了詳細研究。甘露糖能夠提高機械漿強度。Sun等主要對從蔗渣中分離的半纖維素進行改性研究,使半纖維素衍生物成為造紙中的高效助劑[10-11]。現(xiàn)有的研究均是從木質(zhì)原料中直接提取半纖維素,對高得率制漿廢液中溶解的半纖維素卻鮮有研究。本實驗正是基于這一創(chuàng)新思路,利用高得率制漿廢液中的半纖維素改善OCC漿料的物理性能。

1 實 驗

1.1 試劑與原料

陽離子醚化劑(CHPT MAC):純度98%,山東東營國豐精細化工公司;陽離子聚丙烯酰胺(CPAM): Ciba公司提供,相對分子質(zhì)量800萬;陰離子聚丙烯酰胺(APAM):相對分子質(zhì)量1200萬;Ciba公司提供;聚合氯化鋁(PAC):工業(yè)級,唐山大昌化工公司;高取代度陽離子淀粉(HCS):取代度0.4,干度97%,實驗室制備;OCC廢紙漿:打漿度30°SR;AP MP制漿廢液:山東某紙廠螺旋擠壓部廢液(濃縮后)。

1.2 實驗方法

1.2.1 廢液中木素的分離及半纖維素含量的測定

在室溫下用濃H2SO4將廢液的pH值調(diào)至3左右。在55℃恒溫水浴中靜置30 min,使木素沉淀并抽濾。于濾液中加入無水乙醇,使半纖維素沉淀,將木素和半纖維素真空干燥后稱重。

1.2.2 廢液分析

按國家標準測定廢液分離木素前后的性質(zhì)[12]。

1.2.3 廢液的陽離子化改性

在30℃下于廢液中滴加一定量的NaOH溶液,充分攪拌活化20 min;將一定量陽離子醚化劑和剩余的NaOH溶液混合后加入廢液,升溫至65℃攪拌反應(yīng)4 h;降溫,用HCl中和至pH值為7;冷藏備用。

1.2.4 手抄片的制備

將OCC漿疏解后,按照漿濃量取一定體積的漿料懸浮液,加入改性廢液并攪拌1 min,使用德國Estanit Gbmh快速紙頁成形器抄片(定量120 g/m2),經(jīng)壓榨、干燥后用于測定紙漿的物理性能。

1.2.5 紙漿物理性能的測定

按照國家標準測定手抄片的物理強度[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢液分析

廢液中的木素用酸析法[13-14]分離,并將濾液中的半纖維素以3倍體積的無水乙醇沉淀并過濾。將所得木素及醇沉物于55℃真空干燥器內(nèi)烘干至恒重。并采用傅里葉紅外光譜儀對所得醇沉物進行結(jié)構(gòu)表征,結(jié)果如圖1所示。

圖1 濾液醇沉物的紅外光譜圖

從圖1可以看出,在3423、2095、1631、1403、1118和994 cm-1處都是天然半纖維素本身的紅外吸收峰。可見濾液的醇沉物主要物質(zhì)為半纖維素。在994 cm-1處為半纖維素的糖單元之間β-糖苷鍵特征吸收峰[15]。在1118 cm-1處是半纖維素的特征吸收峰,是糖單元醚鍵(C—O—C)的吸收峰。酰基在1631 cm-1處表現(xiàn)出較強的伸縮振動峰。3423 cm-1處具有較強的羥基伸縮吸收峰,表明其羥基的含量較高。1000和1170 cm-1之間的譜帶是木聚糖的典型吸收峰。證明所得醇沉物即為半纖維素。

計算得出廢液中木素含量為81.5 g/L,半纖維素含量為86.1 g/L。按國家標準測定分離木素前后廢液的性質(zhì)見表1。

表1 分離木素前后廢液性質(zhì)分析

2.2 廢液的陽離子改性及應(yīng)用

將廢液進行陽離子化改性,將改性過程中醚化劑用量分別為40%、80%和120%(對廢液中半纖維素絕干質(zhì)量)的改性廢液分別標號為1#、2#和3#廢液。將改性后廢液分別加入到OCC廢紙漿中。廢液的加入量為3%(廢液中半纖維素質(zhì)量對絕干漿質(zhì)量)。

實驗結(jié)果如表2所示。從表2可見,加入2#改性廢液后,OCC漿的抗張強度、環(huán)壓強度、耐折度和挺度分別比空白樣提高了16.6%、26.7%、22.4%和37.4%。

表2 改性廢液對OCC漿物理性能的增強

綜合表2中數(shù)據(jù)得出:將APMP制漿廢液陽離子化改性加入到OCC漿中,能夠顯著改善紙張的物理性能。廢液中的半纖維素陽離子化之后與呈負電性的纖維形成靜電吸附,并與纖維形成氫鍵結(jié)合,增加纖維之間的結(jié)合力,提高OCC廢紙漿的結(jié)合強度。另外,將適量的木素留著在纖維表面,能夠增加纖維的挺硬程度,從而提高OCC紙漿的環(huán)壓指數(shù)及挺度。

2.3 利用助留體系改善廢液中半纖維素在漿料中的留著

根據(jù)濕部化學的原理,通過吸附、凝聚或附聚等作用將半纖維素固著在紙料纖維上。所使用的濕部助劑為APAM和CPAM、HCS和PAC。APAM和CPAM的用量為0.05%(對絕干漿質(zhì)量),HCS和PAC的用量為0.5%。廢液加入量為3%。

圖2 只加助留體系和助留體系與廢液連用對漿料物理強度的影響

研究了CPAM、PAC和HCS 3個一元體系以及HCS-APAM、HCS-CPAM、PAC-APAM和PAC-CPAM 4個雙元體系對廢液的助留效果。并且對比只加助留體系和助留體系與廢液連用體系對OCC紙漿強度的影響,以驗證廢液中半纖維素在紙漿中的留著效果以及半纖維素對漿料強度的改善作用(P表示PAC,H表示HCS,C表示CPAM,A表示APAM)。

實驗結(jié)果如圖2所示,從圖中可知,當助留體系與廢液連用的情況下,紙漿物理強度的增強效果明顯好于只加助留體系。且二元助留體系對漿料性能的增強效果優(yōu)于一元助留體系,HCS-CPAM為最佳組合。

當紙漿中加入助留劑后再加入廢液,助留體系能夠通過吸附、凝聚或附聚等作用將濾液中的半纖維素固著在纖維表面,半纖維素表面的羥基能夠增加纖維之間的氫鍵結(jié)合,并且半纖維素有利于纖維的潤脹,能夠擴大纖維之間的結(jié)合面積,從而明顯增加纖維之間的結(jié)合力以改善紙漿的物理性能。因此驗證了助留體系確實將濾液中的半纖維素留著于漿料中,并且半纖維素能夠明顯增強纖維之間的結(jié)合力,改善紙張物理性能。

3 結(jié) 論

3.1 將APMP制漿廢液進行陽離子改性,將改性后廢液作為OCC紙漿的漿內(nèi)增強劑。醚化劑用量為80%時,加入改性廢液后紙漿的抗張強度、環(huán)壓強度、耐折度和挺度分別比空白樣提高了16.6%、26.7%、22.4%和37.4%。

3.2 采用二元助留體系能夠顯著提高廢液中半纖維素在漿料中的留著率,HCS-CPAM為最佳助留體系。

3.3 采用將廢液改性或利用濕部助留的方法改善廢液中半纖維素在漿料中的留著。兩種方法均能夠達到將半纖維素留著在纖維表面的目的。

[1] 馬美云,王 鍵.高得率漿的研究與產(chǎn)品開發(fā)[J].國際造紙, 2003,22(3):24.

[2] 孫來鴻,侯彥召.AP MP制漿工藝及其在中國制漿工業(yè)中的發(fā)展?jié)摿J].國際造紙,2001,20(1):29.

[3] LI Kaichang,GENG Xinglian.Investigation of for maldehyde-free wood adhesives from kraft lignin and a polyaminoamide-epichlorohydrin resin [J].Journal ofAdhesion Science and Technology,2004,18(4):427.

[4] 陳克利,楊淑蕙,李樹才.麥草氧堿黑液中木素的提取及改性[J].中國造紙學報,2000,15(1):62.

[5] 胡志斌,劉全校,謝來蘇.木素及其衍生物用于助留助濾的研究[J].中國造紙,2001,20(5):9.

[6] 林巧佳,劉景宏,楊桂娣,等.紙漿廢液中有機物資源的利用[J].應(yīng)用生態(tài)學報,2005,16(4):698.

[7] 蔣挺大.殼聚糖[M].北京:化學工業(yè)出版社,2001.

[8] AntalM,EbringrováA,et al.Hemi-cellulosen aus es-penholzmehl and ihr einsatz in der papierherstellung[J].Das Papier,1991,45:232.

[9] SuurnakkiA,Oksanen T,Kettunen H,et al.The effect of mannan on physical properties of bleached softwood kraft fibre handsheets [J].Nordic Pulp&Paper Research Journal,2003,18(4):429.

[10] Sun R C,FangJM,Rowlands P,et al.Physicochemical and ther mal characterization of wheat straw hemicelluloses and celluloses[J]. Journal ofAgricultural and Food Chemistry,1998,(46):2804.

[11] 許 鳳.喬灌木及蔗渣生物結(jié)構(gòu)、制漿性能及細胞壁重要組分的分離與結(jié)構(gòu)鑒定[D].廣州:華南理工大學,2005.

[12] 石淑蘭,何福望.制漿造紙分析與檢測[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,2003.

[13] 萬金泉,陳中豪,陳金中.黑液酸析木素過程中影響因素的研究[J].天津造紙,1996,18(4):17.

[14] 徐常新,陳毅堅.造紙黑液的酸析處理[J].玉溪師范學院學報,2001,17(3):72.

[15] Sun X F,Sun R C,Tomkinson J,et al.Preparation of sugarcane bagasse hemicellulosesic succinates using NBS as a catalyst[J].Carbohydrate Polymers,2003,53(4):483.

(責任編輯:常 青)

I mprovement of the Properties of OCC Pulp by Using HYP PulpingWaste L iquor

ZHANG Ji-ying＊HU Hui-ren WU Yan-liang

(College of M aterial Science and Chem ical Engineering,Tianjin University of Science&Technology,Tianjin,300457)

X793;TS727+.2

A

0254-508X(2010)02-0025-03

張繼穎女士,在讀碩士研究生;研究方向:濕部化學與造紙化學品。

2009-08-10(修改稿)

本課題得到中加科技合作項目(2008DFA91290)資助。