明礬用量對陽離子分散松香膠留著性能的影響

明礬用量對陽離子分散松香膠留著性能的影響

在明礬（十二水合硫酸鋁鉀）不同用量和分散松香膠條件下，通過測定漿料濾液濁度來研究陽離子分散松香膠的留著性能。采用電荷需求和Zeta電位表征漿料纖維的電荷特性。結果表明：當最佳的明礬用量時，實驗范圍內所采用的松香膠用量下均顯示出了較好的留著性能；當明礬使用過量時，細小組分和膠體顆粒表面電荷會從陰離子性轉變為陽離子性，從而導致陽離子施膠劑留著率下降。紙機試驗進一步驗證了此實驗研究結果。數據表明，在采用陽離子分散松香膠施膠時，有必要對紙漿電荷進行檢測以確保明礬的用量為最佳用量。

1 概述

纖維表面含有大量的羥基和羧基賦予紙張天然的親水性，這種性能對于衛生紙、紙巾紙等紙品非常有利，但是膠版印刷紙或包裝紙等紙種則需要具有一定抗水性能。施膠的目的是使紙張具有抗拒水（或其他液體）擴散和滲透的能力。在施膠過程中，通常會在纖維表面引入憎水性物質。一般來說，施膠方法主要分為漿內施膠和表面施膠。當施膠劑加入紙料中且在造紙機濕部采用適宜的方法將其留著在纖維上，這種方法稱為漿內施膠；紙頁成形后在半干或干燥后的紙張表面均勻涂上膠料則稱為表面施膠。

1807年，德國研究人員發明了明礬（十二水合硫酸鋁鉀）-松香施膠體系。在該體系中，松香（主要為松香酸和它的皂化物）具有疏水性能。明礬作為沉淀劑，有助于將松香膠料粒子與纖維結合。圖1展示了松香酸的化學結構式及其松香在明礬的作用下沉淀在纖維表面的機理。松香可通過馬來酸酐、反丁烯二酸強化，使其增加額外的羧基以更好地附著在纖維表面。這種“強化”的松香質量通常僅占到混合物總質量的10%～25%。

由于優異的施膠性能和較低的成本，明礬-松香施膠體系在造紙工業中得到了廣泛使用。然而，該施膠體系的主要問題是松香皂與鈣離子結合形成的膠粘物會影響紙機的運行性能。工廠在使用高硬度的水或者采用碳酸鈣作為造紙填料或涂布顏料時會使此問題變得更加嚴重。因此，1930年出現了分散松香膠。

圖1 明礬促進松香膠與纖維結合示意圖

皂化松香膠和分散松香膠都需添加在濕部，且需要明礬作為沉淀劑以提高其與纖維的結合。二者的主要區別為施膠劑與明礬發生反應的工藝位置的差異。皂化松香膠在濕部直接與明礬進行反應，進而沉積在纖維表面；分散松香膠中的松香酸由于乳液的保護，因而需在烘缸處紙張獲得足夠的能量才能顯現效果。在加熱過程中，乳液穩定性下降，釋放松香酸，使其與明礬在纖維表面發生反應。所以，對于分散松香膠而言，施膠劑的留著與施膠效果的演變是2個單獨的過程，而皂化松香膠的留著和施膠效果演變過程則在濕部同時進行。分散松香膠未沉積在纖維表面前，與纖維僅通過離子鍵結合，因而在水相體系中結合較弱。當水被大量脫除時，分散松香膠粒子與纖維分離。并且，由于分散松香膠粒子遠小于纖維和纖維之間的空隙，因而無法通過物理截留作用而留著在濕紙頁中。

由于明礬和陽離子分散松香膠都帶有正電荷，因此明礬使用過量很可能會影響陽離子分散松香膠的留著性能。因此，本研究對明礬用量對陽離子分散松香膠留著性能的影響進行了研究。通過改變明礬和陽離子分散松香膠的用量來研究留著性能。采用顆粒電荷需求量（PCD）和系統Zeta電位（SZP）對漿料組分進行分析以便更好地理解分散松香膠的相互作用機理。

2 實驗

2.1 原料

實驗所用闊葉木漿、松木漿、分散松香膠和明礬均取自漂白硫酸鹽漿板廠。漿料含有80%的闊葉木漿和20%的松木漿，漿料采用去離子水稀釋至0.7%質量分數。明礬和分散松香膠濃度采用去離子水調節為1%質量分數。使用明礬時需現用現配，以減少其在稀溶液中的水解。漿料pH為4.4，添加明礬后，漿料pH會進一步降低，實驗研究的漿料pH為4.1～4.4。陽離子分散松香膠為乳液形式，固含量為40%質量分數。光學顯微鏡測試結果表明，陽離子分散松香膠的粒徑約在1.5 μm。

2.2 分散松香膠的留著性能測試

將明礬加入3 L濃度為0.7%質量分數的漿料中，并混合均勻。之后，將分散松香膠逐漸加入漿料中，每次添加后，收集50 mL漿樣并進行過濾。采用濁度測定儀（溫度2 300℃鎢絲燈作為光源，波長0.6～2.3 μm，峰值強度約1.3 μm）測定濾液的濁度。由于分散松香膠的粒徑（1.5 μm）大于峰值強度對應的波長，因此濁度儀對濾液中的分散松香膠顆粒非常敏感，可用于評價膠料粒子的留著性能。采用未添加任何化學品的原始漿料濾液數據作為濁度的基線。漿料最終濁度減去基線濁度來評價分散松香膠對濾液濁度的影響。同時，在不同明礬用量下，測定的濁度平均值用于評價分散松香膠的留著性能。

2.3 電荷測試

將不同用量的明礬加入15 L濃度為0.7%質量分數的漿料中，取400 mL樣品用濾網進行過濾，采用電荷測定儀測定濾液的顆粒電荷需求（PCD）。采用電位測定儀測定漿料的Zeta電位。所有數據測定3次，取其平均值。

2.4 中試試驗

紙機中試試驗時所用漿料為闊葉木漿和松木漿。進行施膠試驗的目標pH為4.5。紙機運行時漿料體系pH為4.1～4.4。由于采用硫酸和氫氧化鈉調節pH，因此明礬用量對系統pH的影響較小。最終紙板的施膠性能采用TAPPI T 530 om-02（赫克力士施膠測試,HST）進行測定。測試在室溫下進行，所用的綠色染料中含10%質量分數的甲酸。

3 結果與討論

通過改變明礬和分散松香膠的用量，測定漿料濾液的濁度來評價分散松香膠的留著性能。將漿料、分散松香膠與明礬混合后通過濾網以模擬紙機成形網濾水過程。測定最終濾液和原始漿料（即未經處理和未添加明礬的漿料）的濁度。濾液中分散松香膠會增加濁度，濁度較高就意味著分散松香膠的留著較低。

明礬、分散松香膠的用量對濁度的影響如表1和圖2所示（編者按：表1小括號中數據是將單位“磅/t”換算為法定計量單位“kg/t”后的數據）。

表1表明，當明礬用量較低[0、10（4.53）、20（9.06）磅/t]時，濁度增加較慢，說明分散松香膠的留著率較高。然而，當進一步提高明礬用量[40（18.12）、80（36.24）磅/t]時，較高的分散松香膠用量造成其留著降低。這意味著過量的明礬用量會影響分散松香膠的留著。當明礬用量在20～40磅/t（9.06～18.12 kg/t）時，隨著其用量的提高，分散松香膠的留著顯著下降。

當明礬用量在一定范圍內時，濁度變化較小，表明明礬對分散松香膠的留著影響不大。施膠效果與施膠劑用量可呈線性相關。此范圍內，由于通過調控施膠劑用量便可獲得相對穩定的施膠效果，因此更有利于紙機更換紙種。圖2表明在添加分散松香膠時，不添加明礬（0磅/t）并不能獲得最低的濾液濁度。當明礬用量為10磅/t（4.53 kg/t）時，濾液濁度與其他用量下的濁度相比最低，表明一定量的明礬有利于提高施膠劑留著，在分散松香膠用量較高時尤為明顯。

表1 明礬與分散松香膠的用量對濾液濁度的影響 NTU

圖2 明礬與分散松香膠用量對濾液濁度的影響

由于實驗中未添加淀粉和助留劑（它們通過架橋作用使施膠劑留著），因此本實驗中靜電作用更有可能是分散松香膠唯一的留著機理。漿料體系的電荷特性對分散松香膠的留著影響很大。本研究對明礬不同用量下，漿料的電荷需求和Zeta電位進行的分析以便更好地理解施膠劑的留著，結果如圖3所示。

圖3 明礬用量對漿料Zeta電位和電荷需求量的影響

PCD數據反映的是細小組分和膠體顆粒物質的電荷需求，而Zeta電位反映的是纖維表面電荷情況。圖3表明：原始漿料所帶電荷為負電荷；當添加明礬后，纖維和細小組分所帶電荷的絕對值在降低。由于漿料pH為4.1～4.4，在此范圍內，大部分的Al以Al3+形式存在，因此添加明礬后會中和纖維和細小組分的負電荷。

電荷絕對值的降低速率在細小組分和纖維方面有所不同。在不同明礬用量下，系統Zeta電位仍為負值。然而，當明礬用量在25～30磅/t（11.33～13.59 kg/t）時，細小組分的電荷特性由負值轉變為正值。這可能是因為細小組分的比表面積比纖維大，因而會吸附更多的明礬，從而更快地轉變為正電荷。另外，相關研究表明，這種差異性也與硫酸鹽漿纖維細胞壁介孔特性有關。由于水會進入纖維細胞壁，因此所測定的Zeta電位還受纖維內部的影響，如纖維表面很小的孔，這部分受濕部添加劑影響很小，因此纖維表面呈現正電荷，但Zeta電位可能還是顯示為負。換句話說，所吸附的鋁粒子可能會擴散進入纖維的介孔中，從而不會影響纖維表面的電荷情況。當細小組分電荷變為正電荷時，它會排斥分散松香膠，進而降低了膠料的留著效率。這與明礬用量較高時，其濾液濁度升高的現象是一致的。圖2中當明礬用量超過20磅/t（9.06 kg/t）時，濾液濁度隨分散松香膠用量的提高而急劇上升，表明施膠劑留著較差。

經過實驗室研究后，通過紙機試驗進一步驗證明礬用量對分散松香膠施膠效率的影響。首先在紙機正常運行過程中收集了數據。通過在混漿池中逐漸添加明礬并檢測電荷特性的變化。添加明礬的用量使得漿料體系電荷需求接近0（明礬臨界用量）。試驗過程中，明礬的臨界用量為18磅/t（8.15 kg/t）。而后，固定紙機其他參數不變，同時改變明礬和分散松香膠用量進行試驗。測試最終紙板的施膠性能（HST）評價施膠效率。圖4列出了試驗所用明礬和分散施膠劑用量及其施膠效果。

由圖4可見，樣品1～7號的明礬用量穩定在臨界用量下，此范圍內HST與分散松香膠用量具有較好的相關性。當明礬用量在臨界用量附近變化，同時改變分散松香膠用量時（樣品8～14號），HST數值仍隨分散松香膠用量而變化。當明礬用量提高至臨界用量以上時（樣品15～19號），雖然分散松香膠用量較高，但HST數值逐漸下降。樣品14號與樣品19號的施膠性能雖然相近，但后者所用的施膠劑用量高出前者50%。因此，紙機數據進一步證明，明礬過量導致的細小組分和顆粒電荷發生逆轉會造成陽離子分散松香膠施膠效率下降。在同樣的干燥條件下（即施膠性能變化相同），施膠劑留著率的下降更有可能導致施膠效率降低。

4 結論

通過測定漿料濾液的濁度研究了不同明礬和分散松香膠用量下施膠劑的留著效果。結果表明：采用陽離子分散松香膠時，過量的明礬用量通過改變漿料電荷特性影響施膠效果；在實驗所使用的分散松香膠用量范圍內，一定量的明礬可使施膠劑維持較高的留著效果；然而，當明礬過量時，細小組分和顆粒電荷發生逆轉會影響施膠效果。

圖4 明礬與分散松香膠用量對施膠效果的影響

紙機試驗進一步驗證了實驗研究效果。明礬臨界用量與漿料配比和種類有關，對于特定紙廠，有必要對漿料電荷特性進行研究，通過優化明礬用量以獲得最好的施膠效果。

（至將躁止 編譯）