金 輝, 宋 文 靜, 魯 杰

( 大連工業(yè)大學 輕工與化學工程學院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

膨潤土/陽離子聚合物體系是一種重要的微粒助留體系,由于可同時提高紙料的留著與濾水性能并改善紙張勻度,因此得到廣泛關(guān)注[1]。CPAM/膨潤土微料助留體系是微粒助留體系的一種。國內(nèi)研究者對CPAM/膨潤土微粒助留體系進行了研究[2-3]。研究主要以麥草漿和二次纖維為原料,CPAM/膨潤土助留體系表現(xiàn)效果較好。但東北紙廠大多以葦漿為原料,采用的助留體系一般為陽離子淀粉助留體系。CPAM/膨潤土助留體系是否適于以葦漿為原料的紙頁抄造,與傳統(tǒng)助留體系相比效果如何,還未見研究。作者對CPAM/膨潤土微粒助留體系對葦漿的助留作用進行了研究,以期為CPAM/膨潤土微粒助留體系在以葦漿為原料的紙廠的使用提供參考依據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗原料

木漿板(針葉木漿),打漿后打漿度為24.5°SR；蘆葦漿板,打漿后打漿度為34°SR；膨潤土,大連化物所提供；陽離子聚丙烯酰胺,大連化物所提供,相對分子質(zhì)量800；滑石粉,取自大連某紙業(yè)公司；陽離子淀粉,白度87.3%,細度99%,水分12.5%,取代度0.03,斑點0.3 個/cm2。

1.2 實驗方法

1.2.1 紙料的配制

將木漿(20%)和葦漿(80%)按比例配成漿料為0.4%的紙漿,在疏解機中均勻分散,加入20%滑石粉,倒入動態(tài)濾水儀中進行動態(tài)留著實驗。

1.2.2 動態(tài)留著實驗方法

取500 mL紙料倒入動態(tài)濾水罐,同時以400 r/min 的轉(zhuǎn)速進行攪拌。先加入CPAM,然后加入膨潤土,迅速將攪拌速度提高,用此速度來衡量剪切力的大小。同時用秒表開始計時,用此時間衡量助留劑承受的剪切時間的大小。攪拌后,將漿料倒入抄片器中抄片。

1.2.3 填料留著率的計算

式中,A為紙頁灰分,%；B為紙料灰分,%；C為纖維灰分,%；D為滑石粉灼燒減量,%。

1.2.4 抄 片

采用德國進口抄片器抄造60 g/m2的手抄片進行紙頁物理性能的檢測。

1.2.5 裂斷長、白度和不透明度的測定

裂斷長參照GB/T 453—1989進行測定,白度參照GB/T 7974—1987進行測定,不透明度參照GB/T 1543—1988進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 CPAM/膨潤土微粒助留體系工藝條件的優(yōu)化

2.1.1 膨潤土用量對助留效果的影響

在CPAM/膨潤土微粒助留體系中,膨潤土用量是影響助留效果的主要因素之一。在CPAM用量0.1%、剪切速度1 400 r/min、剪切時間30 s的條件下,考察膨潤土用量對助留效果的影響,結(jié)果如圖1所示。由圖1可見,膨潤土用量由0增加到0.1%時,填料留著率提高很快。當繼續(xù)增加膨潤土用量時,填料留著率變化不明顯。說明少量的膨潤土即對填料起到較好的留著效果。這是由于膨潤土粒子分布于已經(jīng)吸附CPAM的填料之間,依靠靜電中和作用以及與CPAM非帶電荷段的配合作用,將細小碎塊重新橋聯(lián)起來,形成較CPAM初始絮聚體尺寸更小、結(jié)構(gòu)更致密的微小絮聚塊,微小絮聚塊聯(lián)結(jié)在一起形成均勻的網(wǎng)絡(luò)型的絮聚體,從而起到了較好的助留助濾效果[4]。當膨潤土用量過大時,由于CPAM所包裹的各組分均已形成架橋,過量的膨潤土起不到架橋作用,所以填料留著率提高不明顯。

圖1 膨潤土用量對填料留著率的影響

當漿料中填料留著情況發(fā)生變化時,紙頁的勻度會受到很大影響。紙頁勻度既影響紙頁物理強度,又會影響紙頁的白度和不透明度。因此除考察填料的留著效果之外,還需對紙頁的物理性能指標進行考察。膨潤土用量對紙頁勻度、裂斷長、白度和不透明度的影響如表1所示。由表1可見,加入膨潤土后紙頁呈現(xiàn)較好的勻度。這是因為CPAM/膨潤土微粒助留體系中,膨潤土起到架橋作用,使填料分布更均勻,從而提高紙頁的勻度。紙頁勻度改善的同時,紙頁裂斷長卻略有降低,紙頁白度略有提高。這是由于填料留著量的增加引起的。綜上所述,當膨潤土的用量為0.3%時,填料留著率達到69.3%,紙頁裂斷長2.20 km,紙頁的勻度、白度和不透明度指標均較好。

表1 膨潤土用量對紙頁勻度、裂斷長、不透明度和白度的影響

Tab.1 Effect of the dosage of bentonite on formation,breaking length,opacity and whiteness

w(膨潤土)/%勻度裂斷長/km不透明度/%白度/%0一般2.2288.065.00.1較好1.8491.065.10.2較好1.9791.365.80.3較好2.2091.265.60.4較好1.9691.465.40.5較好1.9292.265.3

2.1.2 CPAM用量對助留效果的影響

在膨潤土微粒助留體系中,必須先加入CPAM,膨潤土才能起到助留作用,所以CPAM用量也是一個非常重要的指標。在膨潤土用量0.3%、剪切速度1 400 r/min、剪切時間30 s的條件下,CPAM用量對填料留著率影響如圖2所示。由圖2可見,隨著CPAM用量的增加填料留著率呈上升趨勢。這是由于CPAM加入后,大部分CPAM都與漿料中陰離子物質(zhì)進行靜電中和反應(yīng),沉積到纖維上。隨著CPAM用量的增加,CPAM吸附在纖維和填料等細小組分上,形成有效的帶正電荷CPAM鏈圈、鏈尾與陰離子型膨潤土產(chǎn)生靜電架橋作用,因此產(chǎn)生了良好的助留效果。

圖2 CPAM用量對填料留著率的影響

CPAM用量對勻度、斷裂長、白度和不透明度的影響如表2所示。從表2中可以看出,裂斷長隨CPAM用量的增加而下降。原因是填料和細小纖維的大量留著使得紙頁中纖維交織力被削弱。纖維中結(jié)合力的降低導致紙頁的裂斷長降低。從表2中還可以得出,隨著CPAM用量的增加,紙頁勻度越來越差。改變CPAM用量,白度和不透明度變化不大。因此,CPAM用量為0.1%時,體系呈現(xiàn)較好的助留助濾綜合效果。

表2 CPAM用量對勻度、斷裂長、白度和透明度的影響

Tab.2 Effect of the dosage of CPAM on formation,breaking length,opacity and whiteness

w(CPAM)/%勻度斷裂長/km白度/%不透明度/%0.05好1.8764.791.40.10較好1.7564.491.30.15較差1.5264.492.60.20差1.2064.191.30.25差0.9764.992.4

2.1.3 剪切速度對助留效果的影響

在助留劑加入時,由于添加位置的不同,從加入點到紙頁成形之間,助留劑會受到不同程度的剪切力的作用。對于CPAM/膨潤土微粒助留體系來說,剪切力的影響主要有兩個方面,一方面,在高剪切力下會對細小纖維在纖維上沉積產(chǎn)生一定的負面影響,使細小纖維的留著率下降;另一方面,在高剪切力下,會對高分子助劑產(chǎn)生的絮團有一定的疏解作用,提高紙頁的勻度。在膨潤土用量為0.3%、CPAM用量0.1%、剪切時間30 s的條件下,考察剪切力對助留效果的影響。剪切力與剪切速度成正比,采用剪切速度來表示剪切力的大小。剪切速度對填料留著率的影響如圖3所示。由圖3可見,當剪切速度由400 r/min增加到700 r/min時,填料留著率略有升高。當剪切速度增加到900 r/min時,填料留著率下降較多。進一步提高剪切速度,填料留著率變化不明顯。這是由于膨潤土具有較強的負電性,能與吸附在纖維、細小組分和填料上的CPAM發(fā)生重排,鏈圈、鏈尾會趨向于平伏構(gòu)型,膨潤土仍能在它們之間產(chǎn)生強的連接鍵,從而產(chǎn)生良好的助留效果和抗剪切性能。

圖3 剪切速度對填料留著率的影響

剪切速度對勻度、裂斷長、白度和不透明度的影響如表3所示。由表3可見,隨著剪切速度的升高,紙頁勻度越來越好。這是因為在低剪切速度時,剪切力并不足以把高度絮凝的絮團打碎疏解。當剪切速度升高后,高剪切力可以使高度絮凝絮團受到一定程度的破碎,形成微絮凝結(jié)構(gòu)。當剪切速度達到1 400 r/min時,進一步形成超絮凝結(jié)構(gòu),紙頁的勻度得到明顯提高。因此,隨著剪切速度的增加,裂斷長也呈上升趨勢,增加較明顯。由表3還可以看出,當剪切速度提高時,白度和不透明度略有下降,這是由于填料留著率下降造成的。綜合以上分析,剪切速度為1 400 r/min時,紙頁的勻度較好,裂斷長最高達到2.20 km,填料留著率都比較好。所以,膨潤土體系可抗高達1 400 r/min 的剪切速度。

表3 剪切速度對勻度、裂斷長、白度和不透明度的影響

Tab.3 Effect of shear rate on formation,breaking length,opacity and whiteness

剪切速度/(r·min-1)勻度裂斷長/km白度/%不透明度/%400較好0.7266.992.5700好1.0866.692.4900好1.2665.791.71 200好1.7065.491.61 400好2.2065.691.4

2.1.4 剪切時間對助留效果的影響

剪切時間是指助留劑受到剪切力作用的時間。不同助留劑承受剪切力作用的時間不同。剪切時間可以反映助留劑添加位置。在膨潤土用量為0.3%、CPAM用量為0.1%和剪切速度為1 400 r/min 的條件下,考察剪切時間對CPAM/膨潤土助留體系助留效果的影響,結(jié)果如圖4所示。由圖4可見,剪切時間由15 s延長到30 s 時,填料留著率有所增加。但當剪切時間達到30 s 后有所下降。這可能是因為隨著時間的增加,絮團得到很好的疏解。隨著剪切時間的延長,絮團過度地被打散,造成留著率迅速的降低。

圖4 剪切時間對填料留著率的影響

剪切時間對勻度、裂斷長、白度和不透明度的影響如表4所示。由表4可見,剪切時間由15 s延長到30 s時,紙頁勻度越來越好。當進一步延長剪切時間時,紙頁勻度變得越來越差。當剪切時間30 s時,紙頁勻度最好。剪切時間為30 s時,裂斷長最高,達到2.2 km。剪切時間對白度和不透明度的影響不大。綜合以上分析,在膨潤土用量0.3%、剪切速度1 400 r/min、剪切時間30 s的條件下,填料留著率和裂斷長都是最高,而且也表現(xiàn)出較好的勻度。

表4 剪切時間對勻度、裂斷長、白度和不透明度的影響

Tab.4 Effect of shearing time on formation,breaking length,opacity and whiteness

剪切時間/s勻度裂斷長/km白度/%不透明度/%15較好1.7564.491.330好2.2065.691.245較差1.5665.492.960較差1.3764.392.475較差0.7865.494.5

綜上所述,CPAM/膨潤土微粒助留體系優(yōu)化條件為:膨潤土用量0.3%,CPAM用量0.1%,剪切速度1 400 r/min,剪切時間30 s。

2.2 CPAM/膨潤土微粒助留體系與陽離子淀粉助留體系的助留效果比較

比較CPAM/膨潤土微粒助留體系與陽離子淀粉體系的助留效果,陽離子淀粉的條件為陽離子淀粉0.1%,剪切速度1 400 r/min,剪切時間30 s。由表5可以看出,膨潤土微粒助留體系填料留著率、裂斷長、白度和不透明度都高于陽離子淀粉助留體系。兩種體系均表現(xiàn)出較好的紙頁勻度。

表5 CPAM/膨潤土微粒助留體系與陽離子淀粉助留體系的助留效果比較

Tab.5 Comparison of retention effect between CPAM/bentonite microparticle retention system and cationic starch retention system

項目膨潤土陽離子淀粉填料留著率/%67.4436.11裂斷長/km2.201.77勻度較好較好白度/%64.763.3不透明度/%91.488.6

3 結(jié) 論

CPAM/膨潤土微粒助留體系對葦漿表現(xiàn)出良好的助留效果,膨潤土用量少,CPAM抗剪切能力強。與陽離子淀粉助留體系相比,CPAM/膨潤土微粒助留體系可有效提高葦漿抄造時的填料留著率、紙頁裂斷長、白度和不透明度等指標。CPAM/膨潤土微粒助留體系適于以葦漿為原料的紙頁抄造。

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