造纸湿部化学助剂

造纸湿部化学助剂 —助留剂
Hot Tip
•
湿部化学助剂
• (1）功能性化学品,例如增干强剂、增湿强剂、施胶剂、 填料和色料等; • (2)过程化学品,例如助留剂、助滤剂、消泡剂和防腐 剂等。 • 它们总的目的在于提高纸机的操作性能和产品质量。 具体来说,包括改善纸的结构性质、表观性质、屏蔽和 阻抗性质(施胶度)、耐久性质、留着和滤水性质等。 纸页成形过程是湿部化学最重要的应用领域,而助留剂 又是最重要的过程助剂。
Contents
助留剂的作用 助留剂的作用原理
1 2
3
4
其效能影响因素及改进方法
常用助留剂
助留剂作用
function
4
减少湿部沉积物的形成
1
减少纸页的两面差
2
改善浆料的滤水性
减少施胶剂的分解
1.1 减少纸页的两面差
纸页的两面差主要来自于细小纤维和填料在纸页 Z向分布的不均匀性。当抄造手抄纸页或用低速实验 室纸机抄纸时，在不加助留剂的情况下，纸页网面的 填料含最最高(见图1)。这是因为在这种情况下填料 的留着主要依靠过滤作用，靠近网面纤维层的密度较 高，对细小组分的过滤效果最好。
对于生产用长网纸机抄造的纸页,其填料的Z向分布与手抄纸页 相反,网面的填料含斌最低(见图2)。这土要是因为在高速纸机上,由 于脱水板产生的压力脉冲和真空对靠近网面纤维层造成冲洗作用,使 纸页网面的填料含斌较低。
夹网纸机所生产纸的填料Z向分布为:两个网面填料含量低,中间层填 料含嫩高(见图3)。其作用机理与长网纸机相同,均由“冲洗”作用所致。 当使用合适的助留hlJ时,可明显改善填料在纸页Z向分布的均匀性 (见图4)。这是因为添加助留剂后,使填料颗粒能够吸附在纤维_f:,其作川 机理土要是胶体作川机理,不同于过滤和“冲洗”机理。
•1.2改善浆料的滤水性
在不使用助留剂的情况卜,浆料在网上脱水时细小纤维和填料容易堵塞纤维间的空 隙,降低脱水速度。随着纸的定量增加和细小组分的增多,浆料脱水速度‘卜降幅度增 人。 使用助留剂一方面能减少循环自水中的细小组分含量,另一方面有利T.细小组分吸附在 纤维上,减少对湿纸页空隙的阻塞,从而改善浆料的滤水性。
•1.3减少施胶剂的分解
胶料的吸附斌与纸料中齐组分的比表而积成正比.细小纤维和填料几有较高的比表 面积,
因此比纤维吸附更多的胶料。当细小组分留着不佳时,会有较多的胶料随之进入白 水。当白水温度较高和循环次数增加(即在白水中停留时间较长)时,胶料会发生分解, 从而降低施胶效果(见图5和图6)。使用助留剂可提高细小组分的留着,因而提高胶料的 留着,减少施胶剂的分解,提高施胶效率.
•1.4减少湿部沉积物的形成
一般地说,造纸湿部沉淀物累积的速度随着循环自水中细小组分含最的增加而增快, 因此提高助留效果可以避免沉淀物的快速累积。当然,沉积物的形成还与未留着物质的 化学性质和粘性、细菌和真菌的生长最以及各种离子的浓度等密切相关。
作用原理
架 合 聚 双 元 助 物
桥
电 荷 补 丁
Action principle
流 系统 理 机
微 粒 助
流
助留剂的助留机理土要包括 静电中和、电荷补丁、聚合物架 桥和网络捕集等。 这些作用井不是相互独立 的,例如,高分子量的阳离子聚合 物既能中和.悬浮颗粒的表面电荷 .也能在颗粒间形成桥联,而且聚 合物链形成的网络还能捕集细小 组分。
2.1 聚合物架桥
• 高分子量的阳离子聚合物能与纸料组分带阴电荷的表面相互作 用,其很高的分子址(儿百万至上千万)能使聚合物在相邻颗粒间架桥, 其桥联的距离己越过相邻颗粒的静电作用力范围。而且这种桥联作 用能够经受中度水利剪切作用力(见图14)。利用透射电子显微镜可 以观察到吸附在纤维表面的聚合物的链向外伸展,其长度与助留剂分 子链相一致(见图15)。
2.2 双元助留系统
• 双元助留系统通常是先向纸料中加入高阳电荷密度低分子量的聚 合物(例如CPAM、PAC、硫酸铝等),在纸料组分表面形成阳离子补丁, 然后向纸料中加入高分子星的阴离子聚合物(例如APAM),其吸附于颗 粒表面的阳离子补丁上,它的链与另一颗粒表面的阳离子补丁相连,从 而形成桥联(见图16)。这种桥联是很强的,有时会导致不均匀的纸页成 形,当用硫酸铝形成阳离子补丁时,抄纸系统的PH值应低于6,或者在加 入高分子最阴离子聚合物之前硫酸铝与纸料的接触时间必须很短,仅几 秒钟,这种情况下,抄纸系统的PH值可高于6,甚至在碱性。双元助留系 统阳离子聚合物的加入点通常不十分严格(一般在纸机筛前),但阴离子 聚合物经常在纸机筛之后加入。
2.3 电荷补丁
当中等分子星高电荷密度的阳离子聚合物(例如PEI)被 加入纸料时,它吸附于.带负电荷的纸料组分表面形成阳离 子补丁,这种阳离子补丁又吸附到相邻颗粒上带负电荷的 表面,因而产生絮凝(见图7)。上述作用称为电荷补丁机理。 利用电子力显微镜(AFM）可以观察到吸附在带相反电荷颗 粒表面的阳离子补丁的分子形状(见图18)。
2.4 微粒助留机理
•
微粒助留机理包括聚合物桥联和电荷中和。高分子量 阳离子聚合物(例如CPAM或阳离子淀粉)在纸机压力筛之前 被加入,阴离子微粒(例如膨润土或胶体硅)在压力筛之后 被加入。微粒助留系统比单一阳离子聚合物具有更好的助 留效果【图19】。阳离子聚丙烯酞胺共聚物的电荷密度和 胶体硅微粒的结构对助留效果也有明显影响【图20】CPAM 的阳离子化度为10%~15%和胶体硅的链接程度较高时,可获 得最住助留效果。
高分子量阳离子聚合物(如CPAM或阳离子淀粉)首先在相邻颗粒的 表面形成桥联.当纸料通过压力筛时,在高剪切力的作用下一些桥联断 裂,同时聚合物的许多链也断裂,这些断裂通常是不可逆的,由此引起 的大絮团破碎对获得均匀的纸页成形是非常重要的。当添加微粒后, 由于其具有很强的负电荷和很大的表面积,它们能与聚合物的尾部发 生强烈作用。又由于这些微粒具有较高的长厚或长宽比,使其能与断 裂聚合物分子的其他部位作用。由于以微粒为媒介形成的连接是很弱 和可逆的,因此既可获得较好的助留也可获得较好的纸页匀度。
除此之外，微粒助留系统还能促进纸料脱水。这是 因为微粒能使吸附的链发生收缩。尺寸很小的微粒,特别 是胶体硅,能够渗入阳离子聚合物的分子链圈内,由于阳离 子聚合物的链包裹着带相反电荷〔负电荷)的微粒,因而引 起收缩和排出水。
影响因素
1 阴离子垃圾的影响
2
盐和电导率的影响
3
细小组分表面积的影响
3.1 阴离子垃圾的影响
Contents
溶解的高分子和胶体阴离子物质(DCS),俗称 阴离子垃圾(AT)对阳离子助留剂、阳离子淀粉、 湿强剂和其他各种助剂的效能有干扰作用。这些 干扰物质示于【图24】中,它们均带有负电荷。 【图25】以木材抽出物为例,说明了阴离子垃圾 对阳离子淀粉和胶体硅组成的微粒助留系统的影 响。即使每升纸料中含有32mg的抽出物,也会对 助留效果产生严重影响。
然而当采用高取代度阳离子淀粉时,即使在上述抽出物 含量条件下,也可以明显改善微粒系统的助留效果【图 26】。DCS从两个方面削弱阳离子聚合物的功效,一是中 和它们的电荷;二是使它们不能伸展(分子链收缩)。 虽然通常双元助留系统是添加两种电荷相反的物质,但 在阴离子垃圾含址稍高的情况下,例如LwC纸料,可采用双 阳离子助留剂系统,例如在压力筛前加入高取代度的阳离子 聚合物用来中和过星的阴离子垃圾,这使压力筛后加入的高 分子量阳离子聚合物不至于失活,以便充分发挥它们的架桥 助留作用。
3.2 盐和电导率的影响
Contents
图27 图 27
K+,H+,Ca2+,Mg2+,Fe2+
Fe3+,Cl-,NO3-,HCO3SO42-,HPO4-,ect
盐离子也是一类干扰物质，抄纸系统存在的土要盐离 子如【图27】所示，可用电导率粗略表示盐离子的含量。 【图28】说明盐对湿部助剂功能的影响，阳离子淀粉对负 电性很强的翔P纤维的吸附星,随盐含量的增加人幅度下降, 这是由于盐削弱了它们之间静电作用的强度。克服盐产生 的负面影响的方法之一是采用高电荷密度的湿部助剂【图 29】，然而在盐含最很高的情况下,井非湿部助剂的电荷 密度越高效果越好，这应通过实验来确定。
3.3 细小组分表面积的影响
一般来说,助留剂的需求量与纸料组分的表面积 成正比,纸料土要组分的表面积如【图30】所示。 细小纤维的表面积是相同重星纤维表面积的 2~5倍。细小组分高的比表面积意味着达到相同留着 水平需要更多的助留剂.
提高效能的方法
添加阴离子垃圾捕捉剂 区域阻塞
method of improving
添加微粒
高阳电荷聚合物与阴离子助留剂组成双元助留系统 “清洁”系统中采用低电荷密度的阳离子助留剂
4.1 添加阴离子垃圾捕捉剂
• 当抄纸系统的DCS(阴离子垃圾)含量较高时,可首先添加阴离子垃 圾捕捉剂(ATC)。它们是一类低分子量高阳电荷的无机或高分子物质, 例如矾土、PAC、PEI、PDADMAC和PAE等。这些ATC可以中和抄 纸系统中过量的DCS(阴离子垃圾)，防止后来加入的高分子举阳离子 助留剂被DCS中和或分子链发生收缩。但应注意ATC的添加量,以免 使抄纸系统发生电荷反转。抄纸系统加入的ATC实际并不仅仅中和 DCS,也有一部分能够吸附在纤维和填料表面.但只要加入量合适,ATC 并不影响助留剂的效果【图31】
4.2 区域阻塞(Site一blocking)
•
添加中等分子量高电荷密度的阳离子聚合物可以提高后续加入的 高分子量阳离子助留剂的助留效果,其机理在于发生区域阻塞。【图 32】对区域阻塞机理进行了说明。在没有进行区域阻塞的情况下,高 分子量阳离子聚合物在纤维表面成扁平吸附的构形。而当进行区域阻 塞后,这种聚合物的环和尾从纤维表面伸出,更有利于桥联助留作用。
4.3 在“清洁”系统用低电荷密度的阳离子助留剂
对于不同纸厂、不同纸种和不同纸料来说,很难预测助留剂的电 荷密度多少才能获得最佳助留效果，这需要通过实验来确定。但原则 上讲,较高电荷密度的CPAM或阳离子淀粉更有利于抵抗阴离子垃圾的 影响。但是在阴离子垃圾较少(清洁系统)且盐含量较低的情况下，高 电荷密度的阳离子助留剂助留效果反而较差【图33】对上述机理进行 了解释。 • 当CPAM的电荷密度很低时,它对膨润的土吸附量最大;CPAM不带 电荷时,由于缺乏静电作用，因而吸附量很少:当CPAM电荷密度很高 时,由于发生电荷反转,因而吸附量更低。 • 通过实验还发现,在“清洁”的系统中,高分子量阳离子助留剂的 电荷密度较低时可产生较强的桥联作用,其抗剪切作用也较强。 •
4.4高阳电荷聚合物与阴离子助留剂组成双元助留系统 • 在使用阴离子助留剂的双元助留系统中,不需要区域 阻塞作用,在这里中等分子量高电荷密度的阳离子聚合物 可在带负电荷的纤维和颗粒表面形成阳离子锚接点(也可 看作阳离子补丁，以便后续加入的高分子量阴离子助留剂 发挥桥联作用【图34】。
4.5 添加微粒
•
在加入阳离子助留剂后添加阴离子微粒,即采用微粒 助留系统,可获得许多好处,它可以抗剪切,受剪切力作用 后使细小组分重新吸附于纤维,从而提高助留效果;促进脱 水同时获得均匀的成形。为了达到上述目的,必须注意以 下问题:(l)控制抄纸系统的阴离子垃圾:(2)用高电荷密度 阳离子聚合物进行合适的处理:(3)正确选择添加点,以便 获得留着、滤水和成形的平衡:(4)根据留着和滤水的要求, 正确选择微粒的类型,例如膨润土和凝胶型胶体硅更有利 于助留。
常用助留剂
Contents01 Contents02 Contents03 Contents04 Contents05 Contents06
聚丙烯酞胺 聚胺 聚二烯丙基甲基氯化钱(PDADMAC）
聚乙烯亚胺(PEI)
微粒 用于助留的其他化学品
5.1 聚丙烯酞胺
Polyacrylamide
聚丙烯酸胺(PAM)是最常用的一 类助留剂,其产品有粉状、水溶液和 油乳液,分子量根据用途而异,从几万 到几千万,按其所带电荷的不同可分 为非离子、阴离子、阳离子和两PAM。 作为助留剂的聚丙烯酞胺土要为阳离 子聚丙烯酸胺(CPAM),分子斌从几百 万到上千万。PAM由丙烯酸胺单体 (AM)通过白由基聚成,CPAM通常由 AM单体和阳离子单体共聚见【图7】 和【图8】。【图8】所示的CPAM带 有季钱型阳离子基团,在通常的抄纸 pH范围内带阳电荷。