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阳离子瓜尔胶丙烯酰胺接枝共聚物的助留助滤性能

发布日期:2015-04-06 15:09:10
留着率
天然瓜尔胶(GG)具有可生 物降解、无毒以及耐剪切力的优 点[1]。但可生物降解性使其分子 量逐渐减小,从而降低了存放时 间及使用效果。经过化学改性阳离子瓜尔胶(CGG)是非常有效的助留助滤剂,它能增加细小 纤维的留着率与湿纸页的滤水 性,从而提髙纸机车速。虽然达 到期望的纸页强度所用的瓜尔 胶(通常0.2% ~ 0.5%)比淀粉少, 但是高昂的成本限制了它在造 纸工业中的应用p]。
聚丙烯酰胺(PAM)作为最 普通的干强剂,其平均分子量从 几千到几百万不等。通常,髙分 子量(百万范围)的带电荷PAM 在造纸工业中主要作为助留剂, 相对低分子量的PAM则用作 干强剂[3]。研究表明,将PAM接 枝到刚性的聚糖主链能减缓聚 合物的生物降解,适当改善耐剪 切性[2!。因此,拟通过分子设计, 在CGG的刚性甘露糖主链上 接枝适度数目和长度的PAM 侧链,以促进两者综合性能的发 挥,同时降低阳离子瓜尔胶用 量。
Singh等合成并研究了瓜尔 胶、黄原胶、羧甲基纤维素、海藻 酸钠、淀粉与PAM接枝共聚物 及其絮凝效果。由于铈盐引发具 有效率髙、速度快的优点,大量 研究集中在丙'稀酰胺-瓜尔胶、 丙烯酰胺-羟丙基瓜尔胶的室 温水溶液接枝共聚[4],而对阳禽 子瓜尔胶的接枝聚合研究较少。 因此,本文利用低温聚合法合成 的丙烯酰胺-阳离子瓜尔胶接 枝共聚物(CGG-g-PAM),研究 其对桉木硫酸盐浆的助留助滤 以及成纸的增强性能。
1实验
1.1实验原料 1.1.1合成原料
CGG实验室自制,特性黏 度9.32dL.g'丙烯酰胺(AM)和 硫酸铈铵(CAS)均为分析纯。改 变单体浓度和引发剂浓度,得到 不同分子量的产品,聚合参数见
表1〇
1.1.2浆料
漂白桉木硫酸盐浆板用 Valley打浆机使打浆度提高到 46°SR,浆料灰分0.13% ,细小 纤维含量20.6%。其中打浆度 和细小纤维含量的测定分别依 照 T 200 om-89 和 T 261 cm- 94。
1.1.3其他化学品
CPAM,特性黏度7.61 dL • g—1,聚合氯化铝(PAC )。
1.2实验方法 1.2.1浆料的疏解将一定量的湿浆置于标准 纤维疏解器中(加填时PCC与 湿浆一起加入),加自来水以
1.2%(相对于绝干浆)的浓度疏 解,然后稀释到所需浓度。在调 节pH = 7的同时用NaCl控制 体系的电导率为(2 000 ±20) fJLs.cnr1,浆料的温度为(27 土 W。
1.2.2滤水性能和留着率的测 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。实验采用 Electro—Craft® Motomatic II 动 态滤水仪(DDJ)来测量细小纤维 和填料的首程留着率(FPR)f\ 把处理好的浆料倒入DDJ,设定 转速为750r.min-1气滤液的收集 采用 TAPPI 标准 T 261 cm—94。 细小纤维的FPR利用HACH 2100P浊度仪测定100mL滤液 的浊度' 然后建立浊度与FPR 线性回归方程进而计算出不 同浊度滤液中细小纤维的浓度, 根据公式计算FPR。填料的 FPR则根据T 261 cm-94中的 重量法求得。
1.2.3抄片及性能检测
为了研究CGG—g-PAM对 成纸性能的影响,用配好的浆料 分别在TAPPI标准成形器上抄 造加填量为〇和20%纸样,其实 验方法根据T 205 om-88。抄好 的纸样在23尤和50%RH条件 下平衡水分24h,测定抗张和撕 裂强度。
1.2.4流变性能
将样品配制成1%水溶液, 用 Advanced Rheometer (AR. 550〉测试不同剪切速率时的黏度。
由图1可见,对桉木漂白硫 酸盐浆而言,阳离子瓜尔胶起分 散作用,FPR随dGG用量的增 加反而降低,尤其是没有添加 PAC时降低幅度更大,这说明 CGG对试验用浆料中细小纤维 没有留着效果。从图2可以看出 CGG-g-PAM3共聚物要和少 量的阴离子捕集剂PAC配合才 能大幅度提高FPR, PAC是高 阳电荷密度的无机絮凝剂,它能 中和浆料中阴离子组分;之后加 入的接枝共聚物因为含少量的 阳电荷密度,主要通过吸附架桥 作用促进细小纤维成团沉降,从 而实现髙效的留着。当PAC和
CGG-g-PAM3的用量分別为 0.4%和0.08 %时,和空白相比 FPR提髙了 88.2% ,再增加 PAC 和 CGG-g-PAM3 用量, FPR上升幅度较小。
2丄2 不同分子量产品对FPR 和滤水性的影响
研究了 3种分子量的接枝 共聚物对FPR和浆料滤水性的 影响。分子量增加,甘露糖主链 上接枝的聚丙烯酰胺侧链长度 增加,加入到纸浆悬浮液中,以 圈或环的形式自由展开,吸附或 网住表面积很大的细小纤维,使 它们絮聚起来,分子量越大,能 够网住更多的细小组分,留着率 提髙,所以CGG-g-PAM2其效 果优于CGG-g-PAMl,见图3; 但是当分子量进一步增加,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 有效地絮聚,因此较髙分子量的 CGG-g-PAM3助留效果反而 下降。同样从图4可以看出,不同 分子量接枝共聚物对浆料滤水性 的影响具有相同的规律。在PAC 用量为0.4%及中等分子量的 CGG-g-PAM2 用量为 0.04% 时,打浆度下降39.1 %。这主要
图3 CGG-g-PAM的用量对 FPR的影响 
表3不同助剂对手抄片强度的影响
注a.加人20%沉淀碳酸耗(PCX) ;b.PAC用量0.4%。
Paper and Paper Making Vol.26 No.3 May 2007
助剂用量/°/»FPR/%打浆度/°SRFPRa /%ft"*Sa/°SR
空白43.14643.442
0.04%80.52583.427
CGG-g-PAM2b
0.08%84.42385.2
0.1%70.13375.832
CPAM
0.2%80.23283.232
0
50g50s5000sn
3 3 2 2 1 1 s
Tds )/趔驾标
图5黏度与剪切速率的关系曲线 表2 CGG-g-PAM2与CPAM的助留助滤性能的比较
助剂用量
/%定量
/(g.nT2)抗张指数 /(N-m*g-!)裂断长
/km撕裂纖
/(mN*m2*g^)
空白59.143.274.417.04
CPAM,0.259.443.504.448.26
CGGb,0.0858.942.704.359.22
CGG - g~PAMlb,(X0860.047.874.887.68
CGG-g-PAM2h,0.0860.148.364,938.74
CGG-g-PAM3b,0.0861.148.024.907.55
注 a.纸浆条件:浓度 0.3%,pH = 7电导 2 (XX) s.cm-1;b.PAC 用量丨).4%。
〇 0.040.080.120.16
CGG-g-PAM 用ffi /%
图4 CGG-g-PAM的用量 对打浆度的影响
归因于所形成的絮体小且密实, 水合作用变差,改善了浆料的滤 水性能。
2.1.3接枝共聚物和CPAM的 助留助滤性能比较
从表2看出接枝共聚物在 较低用量(0.04% )即具有出色的 助留助滤效果,FPR相对于空白 样提髙86.7%,打浆度下降了 45.8 0/〇,在添加20%沉淀碳酸钙 填料时,其总留着率提高 92.2%,打浆度下降35.7%。而 CPAM用量增加到0.2%时,其 FPR相对于空白提高了 86.1%, 打浆度下降了 30.4%。由于共聚 物分子带有低密度的阳电荷,侧 链又以共价键连结了相当长度 的PAM,发挥了电荷中和和吸 附架桥作用,故阳离子瓜尔胶- 丙烯酰胺接枝共聚物的助留助 滤能力强于CPAM。 2.2共聚物的增强效果
从表3看出,CGG不但没 有助留效果,而且对纸页的抗张 指数贡献很小。而3种分子量的 CGG-g-PAM均能较大幅度提 高纸页的强度,尤其是中等分子 量的CGG-g-PAM2,当用量为 0.08% ,使抗张指数增加11.8% , 裂断长增加11.8% ,撕裂指数增 加24.1 %。而实验所用的CPAM 用量在0.2%时对抗张指数及裂 断长的增加非常有限。
2.3共聚物的流变分析
由图5可见,随着剪切速率 的增加,3种产品的动力黏度不 断降低,但只有CGG-g-PAM2 的变化速率最小,说明CGG-
g-PAM2的耐剪切性能优于
450 
5001 0001 500 2 000
剪切速书/ S-1
CGG 和 CPAM。
3结论|
CGG-g-PAM能显著提髙 桉木漂白硫酸盐浆的FPR及浆 料的滤水性能,尤其是中等分 子量的CGG—g-PAM2,和 0.4%PAC配合使用,能使手抄 纸的抗张指数比空白增加 11.8% ,裂断长增加11.8% ,撕 裂指数增加24.1%。接枝共聚 物的耐剪切能力优于CPAM和 CGG,因而适用于髙速流送的 纸机系统。
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