兩性聚乙烯胺在非木材纖維造紙中的應用

黎永剛 朱忠祥 余永忠

(1.巴斯夫 (中國)有限公司，廣東廣州，510095;2.巴斯夫 (中國)有限公司，上海，200233)

聚乙烯胺 (Polyvinylamine，簡稱PVAm)是一種氨基直接連接在碳氫骨架上的直鏈陽離子或兩性水溶性高分子聚合物，其分子鏈長度和電荷密度都可以根據實際應用的需要來設計［1］。因含有大量的高活性氨基，所以它在高分子科學領域中有著很重要的研究和應用價值［2］。兩性聚乙烯胺的分子結構見圖1。

圖1 兩性聚乙烯胺的分子結構

德國巴斯夫公司于20世紀90年代初研制出基于乙烯基甲酰胺的聚合物，并于近年來把此類產品廣泛應用在造紙濕部工藝中。PVAm可以根據造紙工藝的要求來設計其聚合鏈長和電荷密度［3］。近年來，國內外很多學者加深了對此物質的研究，研究了PVAm不同用量、胺化度［4］、環境pH值等對保留率、漿料濾水、Zeta電位、紙張增強效果的影響［5］。

近年來，巴斯夫化學品公司的技術人員在實踐中不斷探索PVAm在造紙工業中的應用價值。通過在不同造紙機和不同紙種上的大量應用試驗，發掘PVAm在提高濕紙幅強度 (初始濕強度)、優化纖維配比、改善造紙機的運行性能、增加紙張強度、改善助留助濾等方面的潛力。因而該類產品是近年來造紙工業出現的革命性的產品，賦予紙張增強、改善漿料保留、濾水以及系統沉積物控制于一體的四合一解決方案。

本文著重介紹了巴斯夫公司的新一代兩性聚乙烯胺 (XELOREX F3000)在兩個非木材纖維造紙廠中的應用，它通常用來處理填料或漿料，具有簡化濕部系統、提高成紙強度等特性。同時又由于它是一個完全水溶性的高分子聚合物，因而操作非常簡單、方便。

1 試驗

1.1 案例1(廣西某造紙廠)

1.1.1 試驗原料

漿料:自制漂白蔗渣漿，外購漂白蔗渣漿，外購化機漿 (APMP)，外購針葉木漿 (NBKP，鳳凰牌，藍森林牌)。三元助留助濾劑:陽離子高聚物Percol-182，簡稱P-182(巴斯夫提供);膨潤土 (深圳三力星提供);微粒助留劑 Telioform M300，簡稱微聚物 (巴斯夫提供)。兩性聚乙烯胺 (XELOREX F3000)，簡稱F3000(巴斯夫提供)。填料:漿狀研磨碳酸鈣 (GCC，325目，固含量25%)。AKD和濕部淀粉 (國產)。

1.1.2 試驗造紙機基本情況

ABK帶頂網的長網造紙機，車速650 m/min，幅寬6540 mm，四輥三壓區，膜轉移施膠。紙張定量以68、70 g/m2雙膠紙為主。

1.1.3 實驗前纖維配比

NBKP∶APMP∶外購漂白蔗渣漿 =30% ∶20% ∶50%

1.1.4 試驗目的

減少前段干燥部的掉粉掉毛現象 (主要原因是蔗渣漿中的髓細胞等薄壁細胞引起);在維持成紙強度達標的條件下，用自制蔗渣漿取代50%以上外購商品蔗渣漿 (因自制蔗渣漿質量比外購蔗渣漿更易掉粉掉毛，所以該廠限制了自制蔗渣漿的使用)。

1.2 案例2(河南某造紙廠)

1.2.1 試驗原料

漿料:自制漂白麥草漿，外購化機漿 (APMP)，外購商品針葉木漿 (NBKP)。三元助留助濾劑:陽離子高聚物Percol-3320，簡稱P-182(巴斯夫提供);膨潤土 (國產);微粒助留劑 Teliform M300，簡稱微聚物 (巴斯夫提供)。兩性聚乙烯胺 (XELOREX F3000)，簡稱 F3000(巴斯夫提供)。填料:漿狀混合碳酸鈣(GCC/PCC，固含量30%)。AKD和濕部淀粉 (國產)。

1.2.2 試驗造紙機基本情況

2640的長網造紙機，車速450 m/min，四輥三壓區，膜轉移施膠。紙張定量以70 g/m2雙膠紙為主。

1.2.3 實驗前纖維配比

NBKP∶APMP∶自制漂白麥草漿 =18% ∶26% ∶56%

1.2.4 試驗目的

在維持成紙強度達標的條件下，提高自制麥草漿的使用比例，降低商品針葉木漿比例，降低總的生產成本。商品針葉木漿與自制漂白麥草漿價差采用市場常規價差每噸約為1000元 (不含稅)。

2 結果與討論

2.1 案例1(廣西某造紙廠)

2.1.1 添加F3000對濕部助留系統助劑用量的影響

在造紙機濕部系統添加F3000后，濕部助留系統助劑用量的變化見圖2。

圖2 添加F3000后助留系統助劑用量的變化

從圖2可以看出，隨著F3000用量的逐步提高，三元助留助濾體系的助劑用量發生了一定程度的變化。在首程留著率不變的情況下，微聚物的噸紙用量試驗期間從0.65 kg/t降低到0.25 kg/t，節省了約60%。P-182和膨潤土用量基本保持不變 (P-182 0.3 kg/t，膨潤土2.3 kg/t)。

2.1.2 添加F3000對首程留著率和灰分留著率的影響

圖3為添加F3000后首程留著率和灰分留著率的變化。

從圖3可以看出，首程留著率變化不大 (75%～78%)，灰分從43%提高到60%。整個試驗期間，實測白水濃度穩定維持在12%～15%之間。但系統在車速不變、微粒助留劑用量大幅度降低的同時，灰分留著仍然提高了約17個百分點。

圖3 添加F3000前后首程留著率和灰分的變化

圖4 添加F3000前后伏棍高、低真空度的變化

2.1.3 添加F3000對造紙機伏輥真空度的影響

圖4為添加F3000后造紙機伏棍高、低真空度的變化。

從圖4可以看出，添加F3000后，發現伏輥高真空度有明顯下降，這證明了濕紙幅出網部的干度比以前高了，經過5天的試驗，F3000充分循環后，伏輥高真空從－62 kPa降低到－53 kPa。

2.1.4 添加F3000對纖維配比和紙張強度影響

圖5為添加F3000后，紙張抗張指數的變化。圖6為添加F3000前后原料結構的變化。

圖5 試驗過程中紙張抗張指數的變化

從圖5可以看出，在F3000添加量為2 kg/t紙時，紙張抗張指數有約8%～10%的上升，中間試驗過程中，由于針葉木漿品牌的更換 (鳳凰牌比藍森林牌的品質稍差)，所以紙張抗張強度略有下降。但當F3000用量從2 kg/t紙提高到3.5 kg/t紙、自制漂白蔗渣漿使用比例增加 (從0提高到32%)時，紙張抗張指數又重現上升的趨勢，這再次證明了F3000對紙張強度的提高有一定的幫助。

圖6結果表明，在自制漂白蔗渣漿比例從0提高到32%(占總的纖維比例)時，紙張的抗張指數(縱向)仍然在合格范圍 (達到原有水平)。有理由相信，在以后的長期試驗中，自制漂白蔗渣漿可取代更多的外購漂白蔗渣漿。

圖6 添加F3000前后原料結構的變化

2.1.5 添加F3000對前段干燥部 (第四組，第五組)蒸汽壓力的影響

圖7為添加F3000對前段干燥部 (第四組，第五組)蒸汽壓力的影響。從圖7可以看出，經過5天試驗，發現前段干燥部蒸汽壓力有了很大變化。第四組烘缸蒸汽壓從80 kPa降低到63 kPa，第五組烘缸蒸汽壓從79 kPa降低到65 kPa。這是由于濕紙幅出壓榨部干度提高的原因。有理由相信，通過長期的使用，蒸汽的節省可以更為明顯。

圖7 添加F3000前后前段干燥部蒸汽壓力的變化

2.1.6 添加F3000對掉粉掉毛的改善

圖8為添加F3000前后造紙機前段干部一樓地面的紙毛形態和數量的對比。

圖8 添加F3000前后紙毛形態和數量的對比

從圖8可以看出，添加F3000前，在沒有添加自制漂白蔗渣漿的情況下，紙毛較多較長。在自制漂白蔗渣漿取代外購蔗渣漿64%的情況下 (自制漂白蔗渣漿用量32%)，掉粉減少，紙毛明顯變少和變小。

另據生產部門反映，復卷機的紙毛也變少了，同時由于紙毛導致的斷紙次數也明顯變少。

試驗表明，在案例1中，在成紙強度不變的情況下，自制漂白蔗渣漿的應用比例可以從0提高到32%，微粒助留劑噸紙用量減少60%，前段干燥部的蒸汽壓力明顯降低，紙面掉毛掉粉明顯減少。

2.2 案例2(河南某造紙廠)

2.2.1 添加F3000對纖維配比和成紙強度的影響

圖9為添加F3000前后纖維配比的變化。圖10為添加F3000過程中紙張抗張指數 (縱向)的變化。

圖9 添加F3000前后纖維配比的變化

圖10 添加F3000過程中紙張抗張指數 (縱向)的變化

圖9和圖10的結果表明，在外購針葉木漿降低了約10個百分點，自制漂白麥草漿提高了10個百分點的情況下，成紙縱向抗張強度保持基本不變甚至略有提高。

2.2.2 添加F3000后總生產成本的變化 (不含稅)

由于添加F3000后，使纖維配比優化，纖維成本降低 (針葉木漿用量降低10個百分點)，助留劑成本降低 (噸紙用量降低約0.1 kg)，扣除F3000添加成本后，總的生產成本節約大約16元/t紙。打漿和蒸汽節省的能耗效益需要長期統計，未計入本次計算之內。

試驗表明，在案例2中，自制漂白麥草漿比例提高了10個百分點，蒸汽消耗降低，生產總成本明顯降低。

3 F3000的作用機理

F3000屬于兩性高分子物質，氨基能夠提供陽離子組分，使填料表面陽離子化，加強了填料和纖維間的靜電吸附作用，使灰分留著率得到提高。同時，PVAm存在高活性的伯胺基團，乙烯基甲酰胺中的羧基能夠提供氫鍵結合，增加了纖維間的氫鍵結合，也就增加了紙張強度。紙張的干、濕強度得到大幅度提高后，可以減少造紙機斷頭及針葉木漿的使用比例，從而提高造紙機的運行效率。圖11(a、b)為F3000與填料-纖維的相互作用。

4 結論

圖11 F3000與填料-纖維的相互作用

本文主要介紹了巴斯夫公司的兩性聚乙烯胺 (Xelorex F3000)在兩個非木材纖維造紙廠中的應用情況，試驗表明，F3000無論是對蔗渣漿紙張還是麥草漿紙張均有一定的增強作用，在使用過程中達到了以下目的。

4.1 優化纖維配比，在紙張強度達標的情況下，可使用更多更廉價的原料。

4.2 提高造紙機運行率，減少斷紙。

4.3 節省能耗 (電能，蒸汽)。

4.4 總的生產成本下降。

［1］ CHEN Fu-shan，GUO Zhen，WANG Li-jun，et al．Preparation of Polyvinylamine and Its Application as Strength Aids［J］．China Pulp＆ Paper，2007，26(4):27．陳夫山，郭 振，王立軍，等．聚乙烯胺的制備及其作為造紙增強劑的研究的研究［J］．中國造紙，2007，26(4):27．

［2］ 王煥煤．聚乙烯胺研究進展［J］．蘭州石化職業技術學院學報，2009(3):7．

［3］ Esser A，Blum R，Gray C，et al．Reduce manufacturing costs for graphic paper grades by wet-end application of vinylformamide copolymers［C］//XXII Techicelpa-International Forest，Pulp and Paper conference，Tomar，Portugal，2013．

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［5］ 王 建，周曉偉，連安豐，等．聚乙烯胺替代陽離子淀粉作造紙增強劑的研究［J］．中華紙業，2010，31(16):36． CPP