CPAM/膨潤土雙元體系在瓦楞原紙生產中的應用

沙力爭 陳志杭 趙會芳

(浙江科技學院,浙江杭州,310023)

CPAM/膨潤土雙元體系在瓦楞原紙生產中的應用

沙力爭 陳志杭 趙會芳

(浙江科技學院,浙江杭州,310023)

利用動態濾水儀模擬瓦楞原紙生產的濕部過程,研究了陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)/膨潤土雙元體系對漿料留著、濾水及紙張性能的影響。結果表明,當CPAM用量低于0.02%(各化學品用量均對絕干漿量)時,CPAM/膨潤土雙元體系的助留助濾效果與CPAM單元體系的相當;當CPAM用量0.04%,膨潤土用量0.2%時,CPAM/膨潤土雙元體系的助留助濾效果最好;在CPAM/膨潤土雙元體系中,CPAM宜在高速剪切前加入,而膨潤土應在高速剪切后加入。一定范圍內增加CPAM用量,可提高成紙的裂斷長,但環壓指數有所下降;當CPAM用量超過0.04%后,成紙的環壓指數則隨CPAM用量的增加而緩慢提高。

CPAM;膨潤土;助留助濾體系;瓦楞原紙

改善細小組分的留著可幫助紙機在高速下運行又不影響紙張性能[1],因此,如何保持造紙濕部良好的濾水性能及細小纖維、填料和添加劑的良好留著是目前造紙濕部化學研究的熱點之一。

廢紙漿的大量使用、造紙白水的再循環及封閉程度的不斷提高,造成了造紙濕部系統陰離子雜質的聚集和積累[2],致使紙張的成形條件惡化,也大大削弱了傳統助留助濾體系的作用效果。這種影響在以廢紙為主要原料的瓦楞原紙和掛面箱紙板等產品的生產中表現得尤為突出。為克服傳統助留助濾體系的缺點,由陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)和帶負電荷的膨潤土所組成的助留助濾體系在我國一些大型紙機上得到了較廣泛應用,目前,已向中小型紙機發展。CPAM/膨潤土助留助濾體系通過高分子質量、低電荷密度的CPAM以鏈圈鏈尾的形式吸附到紙漿纖維上,并以橋聯機理首先引起漿料的初始絮聚[3],尺寸較大而疏松的初始絮聚體通過沖漿泵、壓力篩等裝置后,受到高剪切力作用,絮聚物被碎解成小碎塊,從而為帶負電荷的膨潤土暴露出更多的CPAM鏈圈和鏈尾[4-5],膨潤土通過靜電中和及與CPAM非帶電荷段的配合作用,將細小碎塊橋聯起來,形成尺寸小而致密的微小絮塊,從而在提高漿料留著率的同時,也相應地改善了成紙的勻度。本研究通過模擬瓦楞原紙生產的濕部過程,系統研究了CPAM/膨潤土雙元體系對漿料留著、濾水及紙張性能的影響。

1 實 驗

1.1 原料

廢紙漿:取自杭州亞倫紙業有限公司;CPAM:法國愛森(SNF)公司產品;改性膨潤土:浙江仁恒化工有限公司產品。

1.2 儀器

DFS動態濾水儀,德國AFG公司;1400型標準抄片器,加拿大RA公司;電子分析天平,上海; WZL-300型電腦測控拉力機,杭州;DYSY-1型環壓強度測定儀,杭州。

1.3 實驗方法

1.3.1 漿料動態留著實驗

取1000 mL漿濃0.7%的漿料,加入0.02% CPAM(單元助留實驗,用量對絕干漿量,下同),攪拌均勻。設定DFS動態濾水儀以600 r/min轉速攪拌10 s,然后以800 r/min轉速攪拌30 s。設定網下白水質量200 g,以濾液的固含量來表示漿料的留著率,改變CPAM用量,重復以上步驟。CPAM/膨潤土雙元助留實驗是先加入CPAM在600 r/min轉速攪拌10 s后,加入膨潤土,然后再以800 r/min轉速攪拌30 s,其他條件同CPAM單元助留實驗。

1.3.2 漿料動態濾水實驗

取1000 mL漿濃0.7%的漿料,加入0.02% CPAM(單元助濾實驗),攪拌均勻。設定DFS動態濾水儀以600 r/min轉速攪拌10 s,然后以800 r/min轉速攪拌30 s,設定過濾時間為60 s,以濾水質量表示漿料的濾水性,改變CPAM用量,重復以上步驟。CPAM/膨潤土雙元助濾實驗是先加入CPAM在600 r/min轉速攪拌10 s后,加入膨潤土,然后再以800 r/min轉速攪拌30 s,其他條件同CPAM單元助濾實驗。

1.3.3 紙張性能檢測

按國家標準方法測定紙張的各項物理性能。

2 結果與討論

2.1 CPAM用量對體系助留助濾效果的影響

CPAM用量對CPAM單元及CPAM/膨潤土雙元體系(固定膨潤土用量0.2%)助留助濾效果的影響如圖1和圖2所示。由圖1可知,當CPAM用量低于0.02%時,CPAM單元與CPAM/膨潤土雙元體系的濾液固含量均有明顯下降,但作用效果相當,這是由于CPAM的加入量較少,CPAM可能主要被漿料中的陰離子中和,無法與隨后加入的膨潤土產生架橋作用,而影響了膨潤土的助留效果;當CPAM用量超過0.02%后,CPAM/膨潤土雙元體系的濾液固含量大幅下降,其助留效果明顯優于CPAM單元體系的,這是由于隨著CPAM用量的增加,CPAM有效地吸附在漿料及其細小組分上,形成CPAM鏈圈、鏈尾,與隨后加入的膨潤土產生了架橋作用而起到明顯的助留效果;當CPAM用量為0.04%時,CPAM/膨潤土雙元助留助濾體系的濾液固含量為0.621 mg/L,較CPAM單元體系的(濾液固含量0.986 mg/ L)下降了37.0%;當CPAM用量超過0.04%時,CPAM/膨潤土雙元體系的助留效果變化不明顯,這可能是由于大多數膨潤土已與CPAM結合完成,故隨CPAM用量的進一步增加,其助留效果基本不變。

由圖2可知,當CPAM用量低于0.02%時,CPAM單元體系與CPAM/膨潤土雙元體系的助濾效果相當;當CPAM用量從0.02%增加至0.04%時,CPAM單元體系對漿料濾水性能的改善較CPAM/膨潤土體系的少,其濾液質量約增加15.9%,而CPAM/膨潤土雙元體系的濾液質量約增加26.4%,這是因為膨潤土可留在這些吸附于不同漿料粒子上的CPAM的鏈圈和鏈尾之間,由于其電負性和較大的比表面積,可將細小碎塊重新交聯、橋聯起來,形成較初始絮聚體尺寸更小、結構更致密的獨特凝聚體結構,這種絮聚體比初始絮聚體更有利于漿料的濾水,可大大改善漿料的濾水性能。

2.2 膨潤土用量對CPAM/膨潤土體系助留助濾效果的影響

固定CPAM用量0.04%,改變膨潤土的用量,研究其對CPAM/膨潤土雙元體系助留助濾效果的影響,結果見圖3。

由圖3可知,隨著膨潤土用量的增加,漿料濾液的固含量逐漸減少,而濾液質量逐漸增加;當膨潤土用量超過0.2%時,濾液固含量及濾液質量的變化開始趨于平緩,這是因為隨著膨潤土的加入,其與初始絮聚體的碎片形成了更多小而致密的絮聚體,而提高了漿料的留著,促進了漿料的濾水,而當CPAM用量達0.04%時,可能大多數CPAM已與膨潤土結合完成,故隨著膨潤土用量的進一步增加,其助留助濾效果基本不變。因此,本實驗條件下,膨潤土的最佳用量約0.2%。

本實驗也研究了不同CPAM用量下,改變膨潤土用量對漿料濾水性能的影響,結果如圖4所示。由圖4可知,當CPAM用量由0.02%增加至0.03%時,隨著膨潤土用量的增加,漿料濾液質量基本沒有變化;但當CPAM用量增至0.04%時,隨著膨潤土用量的增加,漿料濾液質量有很大的提高,這表明只有在相對較大的CPAM用量下,CPAM才能有效地吸附在漿料及其細小組分上,并與膨潤土產生架橋作用,形成有利于漿料濾水的絮聚體,產生良好的助濾效果。

2.3 剪切速率對CPAM/膨潤土體系助留效果影響

剪切速率對CPAM/膨潤土體系助留效果的影響如圖5所示,主要有兩種情況:一種是在CPAM加入后,膨潤土加入前剪切速率的影響,見圖5中的曲線a,即加入CPAM后的改變攪拌速率,剪切60 s,然后攪拌速率調至750 r/min,加入膨潤土,剪切30 s后測漿料留著效果;另一種是CPAM及膨潤土均加入后剪切速率的影響,見圖5中的曲線b,即加入CPAM后,以600 r/min的攪拌速率剪切60 s,然后加入膨潤土,改變攪拌速率,剪切30 s后測漿料留著效果。

由圖5可知,隨著剪切速率的增加,曲線a的濾液固含量基本不變,則說明CPAM加入后,膨潤土加入前,改變攪拌速率,CPAM/膨潤土雙元體系的助留效果沒有明顯變化;曲線b的濾液固含量隨著剪切速率的增加迅速上升,表明加入CPAM后再加入膨潤土形成的絮聚體隨著剪切力的增加會被破壞,導致CPAM/膨潤土雙元體系的助留效果下降,而使濾液固含量增加。因此,在CPAM/膨潤土雙元體系中,CPAM宜在高速剪切前加入,而膨潤土應在高速剪切后剪切速率相對較低時加入。

2.4 CPAM及膨潤土用量對手抄片物理性能的影響

2.4.1 CPAM及膨潤土用量對手抄片定量的影響

以相同絕干漿量抄造手抄片。CPAM及膨潤土用量對手抄片定量的影響如圖6和圖7所示。

由圖6可知,CPAM/膨潤土雙元體系的手抄片定量高于CPAM單元體系的,表明CPAM/膨潤土雙元體系的留著效果比CPAM單元體系的更好;隨著CPAM用量的增加,CPAM/膨潤土雙元體系的手抄片定量總體呈上升趨勢。由圖7可知,CPAM、膨潤土用量多的手抄片定量要高于CPAM、膨潤土用量少的手抄片,說明在一定范圍內增加CPAM和膨潤土的用量,有利于提高漿料的留著率。

2.4.2 CPAM用量對紙張裂斷長和環壓指數的影響

CPAM用量對手抄片裂斷長和環壓指數的影響見圖8和圖9,固定膨潤土用量0.2%。

由圖8可知,隨著CPAM用量的增加,CPAM膨潤土雙元體系、CPAM單元體系都有助于增加紙張的裂斷長。這是由于隨著漿料中陽離子CPAM用量的增加,其吸附在帶負電的纖維上,增加了纖維間的相互吸引力,同時有助于酰胺基與纖維上的羥基形成氫鍵。由于影響裂斷長的主要因素是纖維的結合力[6],而助留造成的纖維平均長度的下降不足以影響形成氫鍵后結合力的提高,所以提高了紙張的裂斷長;在同樣的漿料及同樣的抄片條件下,由于CPAM/膨潤土雙元體系比CPAM單元體系具有更好的助留性能,有更多的細小纖維被留著,降低了纖維之間的結合力,因此,CPAM/膨潤土雙元體系手抄片的裂斷長比CPAM單元體系的低。

從圖9可以看出,隨著CPAM用量的不斷增加,紙張環壓指數先是逐漸減小,在CPAM用量0.04%時達到最小值,隨后又緩慢增加。這主要是因為隨著CPAM用量的增加,細小纖維留著率提高,纖維平均粗度和長度下降,由于纖維的粗度等對紙張環壓強度有很大的影響[6],故使得環壓指數下降;CPAM用量到達一定程度后,由于CPAM的羥基與纖維形成配位結合,氧原子也和纖維中的羥基形成氫鍵,可提高纖維結合力,紙張環壓指數隨著CPAM用量的增加,逐步緩慢上升。CPAM/膨潤土雙元體系比CPAM單元體系的紙張環壓指數略低的原因同裂斷長的變化。

3 結 論

3.1 當CPAM用量低于0.02%時,CPAM單元體系的助留助濾效果與CPAM/膨潤土雙元體系的基本相當,隨著CPAM用量的繼續增加,CPAM/膨潤土雙元體系的助留助濾效果明顯好于CPAM單元體系;當CPAM用量為0.04%時,膨潤土最佳用量約為0.2%。

3.2 在CPAM/膨潤土微粒助留助濾體系中,CPAM宜在高速剪切前加入,而膨潤土應在剪切速率相對較低時加入。

3.3 在一定范圍內增加CPAM用量,可提高紙張的裂斷長,但環壓指數開始有所下降,當CPAM用量達到0.04%時,紙張環壓指數隨著CPAM用量的增加而略有提高,其中,CPAM/膨潤土雙元體系的作用效果比CPAM單元體系的略低。

[1] LeslieWebb.Chemicals provide a neat solution at the wet end[J]. PPI,1998,40(7):48.

[2] 葉小春.造紙系統中陰離子物質的積累與防治[J].造紙化學品, 1999(2):16.

[3] 劉溫霞.陽離子聚丙烯酰胺/膨潤土助留助濾體系[J].造紙化學品,2000(3):18.

[4] Agne swerin,Sj?din U,?dberg L.Flocculation of Cellulosic Fibr Suspensions by Model Microparticulate Retention Aid Systems[J]. Nordic Pulp and Paper Research Journal,1993,8(4):383.

[5] FrancoisB,DanielM,Bruno C,et a1.A NewMicroparticulate System to Improve Retention/Drainage in Fine PaperManufacturing[J].Ap pita Journal,2005,58(1):47.

[6] 盧謙和.造紙原理與工程[M].北京:中國輕工業出版社,2004.

Abstract:In this paper,the effectof CPAM/bentonite microparticle retention and drainage system on stock retention and drainage aswell a sheet propertieswas studied by using dynamic filtration analyzer and simulating the wet process of corrugating medium production.Result showed thatwhen the dosage ofCPAM was below 0.02%,the effectofCPAM/bentonitemicroparticle retention and drainage system was sim ilar to CPAM alone;the efficiency of the CPAM/bentonite microparticle retention and drainage system was up to the maximum when the dos age of CPAM was 0.04%and the dosage of bentonite was 0.2%.Shear rate had certain effect on the retention and drainage,the final flo was disintegrated and resulted decrease of the retention and drainage efficiency when the shear force was beyond the limit.The breakin length of the paper sheet could be improved if the dosage ofCPAM in the system increasedwithin certain range however,the ring crush inde of the paper sheet dropped initially and began to increase slowlywhen the dosage of CPAM was over 0.04%.

Keywords:CPAM;bentonite;microparticle retention and drainage aid system;corrugatingmedium

(責任編輯:陳麗卿)

Application of CPAM/Benton iteM icroparticle Retention and Dra inage System in Corrugat ingM edium Production

SHA Li-zheng＊CHEN Zhi-hang ZHAO Hui-fang
(Zhejiang University of Science&Technology,Hangzhou,Zhejiang Province,310023)
(＊E-mail:slz9966@yahoo.com.cn)

TS727+.2

A

1000-6842(2010)02-0059-04

2009-12-14(修改稿)

沙力爭,男,1970年生;碩士,副教授;主要研究方向:特種紙和造紙濕部化學。

E-mail:slz9966@yahoo.com.cn