新一代聚合物類干強劑在紙張增強中的作用

聚合物技術是造紙技術中不可或缺的一部分。更重要的是，要發現新一代聚合物可能具備的符合不同造紙需求的優勢。該文研究了乙二醛化聚丙烯酰胺（GPAM）和霍夫曼聚乙烯胺（PVAm）2種聚合物類干強劑在紙張中的增強作用。結果表明：GPAM和PVAm能夠提高紙張的壓縮強度和耐破強度；3 kg的PVAm和GPAM噸紙添加量就足以使紙張的強度明顯增加。

聚合物在造紙中至關重要。聚合物技術是阿斯凱莫化學品公司（Axchem）提供的以下所有技術中不可或缺的一部分，分別是：留著和濾水；再生纖維膠粘物控制固定劑；澄清；脫水；干強劑；臨時濕強度；水相和纖維電荷控制；起皺化學品；銅網和毛毯污染控制；COD控制；沉積物控制。

歷史上，淀粉是最有價值的天然聚合物，淀粉能夠提供給紙張更好的干強度、留著以及其他性能優勢。一個多世紀以來，淀粉一直是許多造紙解決方案的“支柱”。此次研究的目的是評估和量化合成聚合物是如何形成與強度相關的各種性質的。更重要的是，要發現這些新一代聚合物可能具備的符合不同造紙需求的優勢。

生產干強劑的聚丙烯酰胺產品通常比用于留著的聚丙烯酰胺產品的相對分子質量要低得多。這些產品不是絮凝劑，但是可以加強纖維與纖維之間的結合，從而增加紙張的干強度。此外，隨著時間的推移，這些聚合物會去除細小纖維，促使更大尺寸的細小纖維留在系統中。

本研究使用的聚合物均以丙烯酰胺為骨架。重要的是，聚合物已經進行了“調整（tuned）”來增強紙張的干強度性能。

專門用于濾水和留著的聚丙烯酰胺產品的相對分子質量往往比上述干增強劑產品要高得多。這些產品可用作自由流動的粉末、乳液、脫水/水包水或無油乳液。

在本研究中測試的聚合物是游離的乙二醛化聚丙烯酰胺（GPAM）；霍夫曼聚乙烯胺（PVAm）則由采用獲得專利的霍夫曼降解反應用淀粉和陰離子聚丙烯酰胺生產。出于測試的目的，所使用的GPAM是及時使用的形式，而無需昂貴的現場化學發生器，由于實驗所需，通常優選現場生成。這種聚合物的優勢是它與纖維素纖維上的羥基基團（—OH）反應較強烈。

已經研究的第2種干強劑是PVAm原位與陰離子計數型陰離子聚丙烯酰胺（APAM）。

1 測量方法

如圖1所示，首先準備5張紙在AxForm動態紙頁成型器中用于測試每種干強度劑的效果。AxForm動態紙頁成型器（DHF）具有完整的機器速度、流出控制和自動化學劑量系統。可以模擬的紙機速度高達1 300 m/min，能夠生產紙幅為200 mm×850 mm的紙張，定量可達40～200 g/m2。在測試前以及測試中紙張的壓榨和干燥需在AxForm烘干機上進行，如圖2所示。

圖1 AxForm動態紙頁成型器

圖2 AxForm壓榨機和烘干機

確定每張紙張的質量以計算確切的定量。使用標準紙樣，拍攝以下樣品：縱向10 cm和橫向10 cm的窄條以及4張10 cm×10 cm的正方形。使用Lorentzen&Wettre實驗室壓縮強度測試儀（CST）（圖3）以及耐破強度測試儀（圖4）測試紙張的壓縮強度和耐破強度。

圖3 L&W壓縮強度測試儀STFI

圖4 L&W耐破強度測試儀

第1次實驗發現，隨著干強劑用量的增加，紙張的定量也隨之增加，如圖5所示。在某種程度上，這說明了紙漿的留著增加。因此，考慮將每個紙樣的質量作為指標，以確保結果的一致性。

圖5 紙張的定量隨著干強劑用量的增加而增加

2 觀察

在此次評估中，使用的控制點是：（1）沒有添加任何化學添加劑的紙張（空白樣）；（2）有標準留著/濾水方案的紙張。然后將這些數據用于與其他添加干強劑紙張的空白樣進行對比。

3 壓縮強度的測試結果

分別添加GPAM和PVAm的紙張與對照紙樣（空白樣和添加助留劑）相比，它們可以產生更高的壓縮強度。噸紙添加30～35 kg的GPAM能夠使縱向紙樣產生最高的壓縮強度，與空白樣相比強度增加19.8%～22.2%，如圖6所示。

圖6 不同干強劑、不同添加量下紙樣的平均壓縮指數的變化

當觀察縱向紙樣時發現，噸紙添加25 kg的PVAm能夠使紙樣達到最高的壓縮強度，強度增加了22.7%，而噸紙添加25 kg的GPAM使紙樣的壓縮強度增加了21.3%。但是在現實生活中，造紙機上的助劑用量會大大降低，如圖7所示。

4 耐破強度的測試結果

圖7 較低的干強劑添加量下紙樣的平均壓縮指數的變化

與空白樣相比，噸紙添加20 kg的PVAm能夠使紙樣的耐破強度增加34.2%，并且與空白樣相比，噸紙添加25 kg的PVAm能夠使紙樣的耐破強度增加30.1%，噸紙添加25 kg的GPAM能夠使紙樣的耐破強度增加25.6%，如圖8所示。

5 結論

圖8 不同干強劑、不同添加量下紙樣的平均耐破指數的變化

聚合物類干強劑能夠提高紙張的壓縮強度和耐破強度。當GPAM的噸紙添加量為35 kg時，紙張的壓縮強度達到最高；當PVAm的噸紙添加量為20 kg/t時，紙張的耐破強度達到最高。然而，在紙機上實現紙張強度的增加并不需要如此高劑量的干強劑。

從圖7可以觀察到，3 kg的PVAm和GPAM噸紙添加量就足以使紙張的強度明顯增加。

6 展望

未來的工作計劃是在強度助劑用量和整體紙張強度之間建立最佳平衡。例如，25 kg的GPAM噸紙添加量能夠使紙樣的縱向壓縮強度達到第2以及紙張的整體強度達到第3，第3高的壓縮強度與第2高的強度增加之間僅有0.11%的差異，這個差異是由噸紙添加量30 kg的GPAM提供的。因此，需要選擇一種折衷方案來確定最佳的綜合強度，在耐破強度和壓縮強度之間尋找最佳平衡，從而通過添加干強劑使紙張整體更加牢固。