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两性瓜尔胶接枝共聚物在蔗渣浆中的应用研究

发布日期:2015-03-28 16:09:35
助留助滤
瓜尔胶及其衍生物作为一种天然高分子材料,在纸 张生产中具有广泛的作用,可用作浆内添加剂、表面施胶 剂和涂布涂料添加剂助留助滤,具有很好的市场开发前景。随着瓜 尔胶在新疆和海南的试种成功,我们应该进一步加大瓜 尔胶及其衍生物的应用研究力度,不断开发其新的应用 领域,以适应绿色环保理念和造纸循环经济的要求u,21。
本文选用高效低廉的KMn04/H2S0^|发体系,以 搂甲基瓜尔胶(CMGG)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化 按(DMC)、丙烯酰胺(AM)为原料,采用水溶液聚合法 合成了一系列两性瓜尔胶接枝共聚物(LGG-g-PAM) [3-^LGG_g_PAM克服了天然瓜尔胶溶液易被微生物 降解而不能长期保存的缺点,它在同一瓜尔胶分子链中 同时接上阴离子、季铵型阳离子取代基和丙烯酖胺助强 基团,使合成聚合物既有多糖化合物的分子间的作用力 与反应性,又有合成髙分子的机械性、与生物作用的稳 定性和线形链展开能力[5,61。实验研究了其在蔗渣漂白硫 酸盐浆中的助留助滤性能。
1原料与分析方法
1.1实验原料 1.1.1助剂
LGG-g-PAM:实验室自制,所用原料羧甲基瓜尔 胶取代度〇.〇8。
1.1.2浆料
蔗渣漂白硫酸盐浆,打浆度40.0° SR,细小纤维含 量20.67%。其中打浆度和细小纤维含量的测定分别依 照T200 om—89和T261 cm-94。
1.2实验方法 1.2.1浆料的豉解
将一定量的湿浆置于标准纤维疏解器中(加填时沉 淀碳酸钙PCC与湿浆一起加入),加自来水稀释到浆浓 1.25%(相对于绝干浆)后疏解30000r。疏解完毕后加自 来水稀释至浆浓0.25%待用。
用lmol/L盐酸和Imol/LNaOH溶液调节浆料pH。 电导率是表征纸机湿部无机盐离子浓度的一个物理量, 本实验通过向浆料中添加NaCl而使系统的电导率增 加。实验均在室温下进行。
1.2.2细小纤维首程留着率的测定[7,81
实验采用Electro-Craft® MotomaticD动态滤水仪 (DDJ)和HACH 2100P浊度仪相结合的方法来测量细小 纤维首程留着率(FPR)。
1.2.3填料首程留着率的測定[9]
填料首程留着率是指留在网上的填料与加入到浆 料中的填料的百分比。取最初的100ml网下滤液,取其中 的5ml用HC1调节pH二2,静置2h后过滤,滤液用100ml 容量瓶定容,然后用原子吸收分光光度计测Ca2+浓度。 计算公式为:FPI^U-C/q) x 100%
其中:滤液中PCC浓度,%
G—浆料总PC C浓度,%
1.2.4滤水性能的测定
浆料的滤水性能通过打浆度来反映,其实验方法参 照GB/T 3332-2004。
1.2.5纸页抄造及强度性能测定
在已疏解好一定浓度的蔗渣漂白硫酸盐浆中加入 一定量的LGG-g - PAM,搅拌一定时间。然后在TAPPI 标准成形器上抄片,其实验方法参照T205om-88。
纸页经恒温恒湿处理后,按国家标准方法检测纸张 物理性能
2结果与讨论
2.1LGG-g - PAM分子量和阳电荷密度对FPR及成纸强 度的影响
LGG-g - P AM的分子量和阳电荷密度是影响其助 留性能的重要因素,实验通过改变AM与DMC的配比合 成了一系列不同分子量和阳电荷密度的产物,研究其对 蔗渣浆的助留及增强性能。
一 pulp'frpaper Industryzo. 1011-151-
分子量是LGG - g-P AM使浆料产生絮凝作用的关 键因素,絮凝作用主要通过桥联絮凝和网络絮凝作用两 种形式来实现lnl。分子量越大,瓜尔胶主链上接枝的聚 丙烯酰胺(P AM)侧链长度增加,在颗粒间架桥并形成 絮凝物的能力越强,因而细小纤维的FPR进一步提髙。 但是当分子量进一步增加,LGG - g-PAM助留性能反
而降低,这可能是因为PAM大分子的水力体积增大,运 动受阻,分子变得比较卷曲,降低了其吸附架桥能力,细 小纤维难以有效地絮凝。
阳电荷密度是反映LGG - g-P AM带电情况的重要 参数,它的大小决定着LGG - g-PAM可提供的与纤维 之间吸引点的多少和吸引力的强弱及在纤维上所采取 的构型,是决定其凝聚能力的重要参数。低阳电荷密度 使聚合物与粒子表面产生弱的吸附和絮凝,中等阳电荷 密度产生好的吸附强的架桥,而高阳电荷密度产生强的 吸附弱的架桥|12i。
从表1看出,上述试样的LGG-g-PAM在用量为0. 08%时对蔗渣浆的助留效果均有不同程度的提高。在助 留方面,低分子量髙阳电荷密度的LGG-g-PAM3和中 等分子量中等阳电荷密度的LGG-g-PAM7助留效果 更优,细小纤维的FPR比空白分别提高了 93.0%和88. 9%。在强度方面,中等分子量的LGG-g-PAM具有一定 的增强效果,其中LGG—g—PAM7和LGG-g—PAM8效 果更为明显,使抗张指数分别增加7.1%和9.0%,撕裂指 数分别增加7.6%和7.8%,耐破指数分别提高15.9%和 17.2%。因此综合考虑助留和增强双重效果,选定LGG- g - PAM7作为实验用助剂。
2,2LGG-g-PAM用量对细小纤维的FPR和滤水性的影响
由图1可见,随LGG-g-PAM用量的增加,浆料细 小纤维的FPR增加。当LGG-g-PAM用量为0.06%时, 其FPR比空白提高了41 . 15个百分点,之后再增加 LGG-g-PAM的用量FPR上升幅度减小。同时随着 LGG-g-PAM用量的增加,紫料的打浆度逐渐减小,表 明浆料的滤水性能逐渐改善。当LGG - g-PAM用量为 0.06°/。和0.08%,浆料的打浆度由空白的40.0。SR分别 降低到32.2 °SR和31.0°SR,分别降低了 19• 5%和22• 5%,之后用量增加,打浆度略有上升。因此对细小纤维 的留着选择0.06%的用量即可满足需要
2.3 LGG-g-PAM 对 PCC 的 FPR 的影响
表1 LGG_g_PAM不同分子置和阳电荷密度对FPR及成纸强度的影响
彳毕队*J008 第101期
助剂特性粘度 mL/g阳电荷密度 mmol/gFPR
%定量
g/m2抗张指数 N-m/g撕裂指数
mN-mVgmm
kPa,m2/’R1
空白——45.8962.1525.798.691.515
5
LGG-g-PAM 186.35i.4577.3363.0025.928.791.55I
LGG-g PAM2119.101.5982*4763.3825.408.901.62i
LGG-g-PAM3122,952.4188.5765.0124.538.631.521
1LGG-g~PAM4250.833.2182.2363.3425.198.931.51i
!■LGG-g-PAM5337.181.6485.0364.0527.019.101.65
LGG-g-PAM6353.150.7578‘3363.0326.919.041,65
rLGG-g-PAM7397,45L8286.6964.2727.639.351.75j
tLGG-g - PAM8457.481.1483.0263.5028,119,371.77i
LGG-g-PAM9619.851.5681.4863.1826.769.001.65寫
'丨
LLGG-g-PAMlO748.751.7084.6463.7223.518.231.42i
iA
从图2知,上述三种LGG-g-PAM对PCC均有不同 程度的助留效果。随着助剂用量的增加,PCC的FPR增 加,到达一定用量后再增加助剂用量,对PCC的FPR提髙 将不再明显。同时PCC的留着还与LGG—PAM的分子 量和阳电荷密度有关。当LGG-g-PAM用量小于0.08% 时,低分子量髙阳电荷密度的LGG-g-PAM3比中等分 子量中等阳电荷密度的LGG - g-PAM7显示出更好的 助留效果,在用量为0.02%时LGG - g_PAM3对PCC的 FPR比LGG-g-PAM7的提髙了 12 • 8个百分点,此时填 料主要是通过电荷中和作用絮凝成大颗粒而被截留在 纸页中。对于髙分子量中等电荷密度的LGG-g- PAM10显示出对PCC更为优越的助留效果^LGG- g—PAM 10用量为0 • 08%时,PC C 的FPR为72.15%,比
空白提髙了 43.72个百分点。1^〇-宮一?入皿10可作为 PCC与纤维之间的媒介,能够有效地促进它们的互相结 合、互相吸附。而且其分子量很大,有足够长度的分子 链,可强化纤维与多个固体细料的架桥结合和镶嵌结合 作用构成吸附力较强的聚合链,从而提高PCC的留着 率。
2.4体系pH值对细小纤维的FPR的影响
助留过程中细小纤维、助留剂等成分的性能(如带 电量)随浆料pH值的变化会有一定的改变,进而影响其 助留效果。与叔铵型助留剂相比季铵型助剂受浆料pH 值的影响较小。图3表明:LGG-g-PAM在中性及碱性 条件下助留性能较好,适宜的抄造pH值为7 ~9。在此 pH范围内随着浆料pH值的升高,该助留系统作用于蔗 渣浆的FPR升高到最髙点后略微下降,但整体来看,细 小纤维的FPR均在85%以上,浆料pH值对其作用效果影 响不大。这主要是因为在使用季铵型造纸助剂时,PH值 在此范围内电荷变化不大。该体系可以用于中碱性抄纸 体系。
2.S浆料电导率对细小纤维的FPR的影响
从图4可以看出,电导率从190 MS/cm上升到 10000 ns/cm的过程中,体系中细小纤维的FPR先略 有降低后当电导率超过6000 ns/cm后细小纤维的 FPR反而有继续增加的趋势。随着电导率增大,金属离 子在负电荷周围形成正电荷屏蔽,而带正电荷的金属 离子和LGG - g-PAM分子中的季铵基团同性相斥,阻 碍了 LGG-g-PAM的接近,电荷中和作用和吸附架桥 的能力降低,从而使体系的助留作用 降低。但其减弱的程度明显减缓,这是 因为LGG-g—PAM分子中既有阳离 子基团又有阴离子基团,能够在纸浆 中产生协同效应。两性助留剂中的阴 离子可以除去系统中原来起抑制作用 的其他阳离子,从而促进助剂在纤维 上的离子缔合和吸附;这些阴离子也 可以排斥系统中其他阴离子,从而可 以防止其阳离子基团过早地和系统中 其他物料起作用;当系统中存在过多 阳离子添加剂使纤维具有某种程度的 阳离子特性时,这些阴离子基团能够 平衡已经吸附在纤维上的阳离子基 团,从而使该分子上的阳离子基团更 为密切地与纤维上的阴离子基团接 触,从而提高了体系抗无机盐污染的 能力。该体系受髙电导率的影响很小。 2.6 DDJ转速对细小纤维的FPR的影 响
由图5可知,随着DDJ转速的不断 提髙,浆料的FPR有不同程度的下降, 当转速超过750r/min时,细小纤维的
图5 DDJ转速对细小纤维的FPR的影响
注:LGG_g—PAM7用量0.06%,浆料pH7.73,电导 率 2〇00 ji s/cm
中竿趴* — 2008 第101期38
FPR迅速下降。在DDJ转速为500r/min和1750r/min 时,细小纤维的FPR分别为89.49%和55 • 69%,两者相比 FPR下降了 33.8个百分点。这是因为留着过程受到凝聚
速度和解聚速 度两方面的影 响。随着DDJ转 速的提髙,解聚 作用加强,且 LGG-g-PAM 通过架桥作用 形成的大絮聚 体被破坏后,不 可能重聚恢复 原有的状态,从 而造成体系留 着率下降。虽然该体系不适合于高速纸机的抄造,但是 在DDJ转速小于1000r/min下助剂仍具有很好的助留 效果,满足抄造要求。
3结论
3.1选定具有助留和增强双重效果的LGG-g-PAM7 (特性粘度为397.45mL/g,阳电荷密度为1.82 mmol/ g)作为实验用助剂。其用量为0.08%时细小纤维的FPR 比空白提高了88.9%,抗张指数提高7.1%,撕裂指数提 高7.6%,耐破指数提髙15.9%。
3.2当LGG-g-PAM 7用量为0.06%时,细小纤维的 FPR比空白提高了 41.15个百分点,打浆度比空白下降 了 19.5%。因此对细小纤维的留着选择0.06%的用量即 可满足需要。
3.3LGG_g—PAM10(特性粘度为748.75mL/g,阳 电荷密度为1.70mmol/g)显示出对PCC更为优越的助 留效果。当LGG-g-PAMlO用量为0.08%时,PCC的 FPR为72 _ 15%,比空白提髙了 43 • 72个百分点。
3.4当LGG-g-PAM7用量是0.06%时,体系适宜pH 范围是7~9,且该体系受高电导率的影响很小,电导率 从190 M s/cm上升到10000 M s/cm的过程中,体系中细 小纤维的FPR先略有降低后当电导率超过6000 M s/cm 后细小纤维的FPR反而有继续增加的趋势。
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