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不同分子量高阳离子度瓜尔胶控制废纸浆微胶黏物的特性

发布日期:2015-04-13 15:56:32
固着剂
  利用废纸浆进行抄造的过程中微胶黏物的控制 十分重要。所谓微胶黏物,一般是指能通过0 15_ 缝筛的胶黏物部分,主要是系统中以溶解胶体的 状态存在的物质(Dissolved and Colloidal Substances 以下简称DCS)。DCS物质在抄造系统中会因温 度、浓度、剪切、IH或化学环境的突变而失稳,一部 分溶解物质可能会析出成为新的胶体物质,一部分胶体固着剂物质则会聚结变大,沉积在造纸网、毛布、真空 辊、吸水箱、烘缸、纸页等处,造成生产不稳定和纸张 品质下降。
  
  目前在浆内对微胶黏物含量进行控制的有效方 法主要有化学固着剂法和生物酶分解法两大类。化 学固着剂主要有硫酸铝、聚合氯化铝、聚胺、聚二甲 基二烯丙基氯化铵、聚乙烯亚胺、聚乙烯胺、高阳离 子度淀粉等,它们都具有分子量小、正电荷密度高的 特点,因此能将阴离子性较强的DCS成分有效地固 定到纸张纤维上,经抄纸带出抄造系统,使系统得到 净化[1]。生物酶的方法中目前比较成功的是利用 酯酶对脂肪酸甘油酯等胶黏物成份进行分解,在此 作用下胶黏物尺寸变小或者粘性降低,达到有效控 制胶黏物沉积的目的[2]。但是,分解产物中的脂肪 酸物质,虽然其本身不具粘性的,却会使抄造系统的 阳离子需求量増加,同时和系统中的钙、镁、铝等离 子结合仍然会产生粘性较大的物质,造成沉积,因此 可以说化学固着剂对应用于浆内的酶类胶黏物控制 剂的成功使用也起着重要的支撑作用[3]。
  
  但是使用固着剂将DCS成分(尤其是其中的憎 水性成分)固着到纸张上,对纸张的强度性能会产 生不良的影响[4]。另一方面,目前二次纤维回收利 用率在増加的同时,低廉混合废纸的回用程度也増 加,加之工程用水的封闭程度也越来越高,使纸的质 量也有逐渐变差的趋势。因此,有必要寻找新的助 剂或技术,使其既能有效地控制胶黏物又能抑制纸 质的下降。高阳离子度淀粉(HCS)被认为具有此项 功能,原因是它能以氢键作用的方式和纤维素产生 作用,因为它具有多羟基结构和类似纤维素的独特 分子构型,与纸浆纤维有极好的亲和性,对溶解于水 中的低分子碳水化合物也有很好的去除作用[5 6]。 鉴于此,我们认为,与淀粉结构极为相似的瓜尔胶, 因其直链上大部分伯羟基和仲羟基都处于外侧,半 乳糖支链并不遮住醇羟基,比淀粉具有更大的氢键 结合面积,更短的氢键结合距离以及更大的氢键结 合力,因此,如果将瓜尔胶制成高阳离子度产品(高 阳离子度瓜尔胶,h igh y cation ic guar gum,以下简 称HCG),则在水溶液中,HCG分子要比HCS分子 能更多地形成直链结构,其活性基团要比HCS更容 易接近DCS目标物,其微胶黏物控制效果应好于 HCS〇但是,对于此设想的证实,目前基本上没有具升,也就是说分子量越高的HCG更容易被纤维吸 附;反言之,分子量越小的HCG越容易与浆料液相 中的DCS作用。
  
  图3 PA与不同分子量HCG固着剂对废纸浆 滤液阳离子需求量的影响图3表明,随着四种固着剂加入量的增加,浆料 液相的阳离子需求量不断下降。其中聚胺的作用最 显著,这是由于其电荷密度要比阳离子瓜尔胶大得 多的缘故。480m in和120m in降解的HCG次之,未 降解的HCG作用效果最差。这和图2所推导的结 果是一致的。可以概括地说,对阴离子垃圾的中和 作用,分子量越小的HCG效果越明显。这是因为分 子量小的HCG,在相同的重量基使用量条件下含有 的分子个数越多,越容易与DCS成分作用的缘故。
  
  图4 PA与不同分子量HCG固着剂对 废纸浆滤液COD含量的影响由图4可以看出,随着固着剂加入量的增加,浆 料液相的COD有不同程度的下降。文献报导,使用 一般的固着剂只能将滤液COD值下降15% - 20% [7],但是意外的是,使用HCG时,COD的下降 率要比使用聚胺时高得多。这可能是因为HCG能 与废纸浆液相中的某些COD成分(比如果胶类物 质)的结合能力要好于聚胺,这种结合能力很可能与氢键作用有关。
  
  另外阳离子瓜尔胶中,120m in钟降解的HCG 作用效果最好,未降解HCG和480分钟降解的 HCG作用效果次之,说明分子量适中的HCG与 COD成分的结合能力最好,但是其中更深入的原因 有待于进一步探明。从图5可以看出,固着剂的加 入量在绝干浆的0 05%内时,随着固着剂加入量的 增加,浆料液相浊度的下降十分明显,而加入量大于 0 05%后,浊度变化十分缓慢。这说明阳离子电解 质的加入对去除废纸浆浆料液相中的胶体物质组分 相当有效。特别值得注意的是,尽管HCG的电荷密 度远小于聚胺,其去除胶体物质的效果等同于后者, 说明HCG与胶体物质的作用原理除电性中和与凝 结作用外,还有其它作用机理存在,根据HCG的特 殊化学结构,这种特殊的机理很可能就与氢键作用 有关。
  
  图6表明了不同固着剂对浆料滤水性能的影 响。由图可知,未降解的HCG对滤水速率的提高最 大,聚胺对滤水速率有一定程度的提高,但HCG120shingf造纸科学与技术》r 2006年第25卷第5期40 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publi0.000.100.200.30HCG用量/%HCG用量/%600500400300200100¥1窗0.100.200.30HCG用量/%和HCG480对滤水速度的影响较小。理论上,阳禺 子电解质与浆料组分之间可能存在电性中和 (charge neutralization )、补丁( patching)和架桥 (bridg ing)等作用,纯粹的电性中和只能导致阴性和 阳性电解质复合体的生成,补丁机理导致凝结现象 (coagulation),架桥机理则导致絮凝现象(flocoik- tbn)。固着剂的电荷密度、分子量、分子构型等的 不同将导致不同的作用机理。上述结果表明:低分 子量的HCG主要以电性中和的机理作用,例如中和 DCS中的DS(溶解物质),这对滤水性能的影响较 小;聚胺则可能以凝结机理作用,胶体粒子的凝结变 大能促进滤水,而未降解HCG的作用机理则可能包 括凝结、絮凝、氢键等多种作用。
  
  2 2固着剂对纸页物理性能的影响75:70S■♦ HCGO□ HCG 30A HCG 120x HCG 480□ Control图7不同降解程度的HCG对纯漂白针叶木浆 抄造纸张抗张指数、撕裂指数、耐折度的影响。
  
  为更清楚地了解HCG具有的增强作用,研究过 程中首先以纯针叶木为原料,打浆至打浆度48°S民 加入不同降解程度的高取代度阳离子瓜尔胶后制备手抄纸并进行了强度测定,结果见图7。
  
  图7中采用T- TEST统计分析法对强度数据 进行比较,从而确定经固着剂处理的样品与空白样 品间是否存在差异。该方法以p值表示差异的有意 性,p值小于Q 05表示两者间存在明显的差异,p值 大于Q 05表示两者间在统计意义上没有差异[8]。 对于统计意义上与空白处理没有差异的点,在图中 将它们表示在两条虚线之间(图8也作了同样的处 理)。由图7可知:对抗张强度,未降解HCG (HCG0)少量使用时 (绝干量小于Q 07% ),对抗张强度有增强作用,用 量增大时破坏了匀度,导致强度下降;HCG 3(、12(、 480的分子量较低,导致匀度破坏的程度较弱,对抗 张强度没有不良影响;对撕裂强度,整体来看,阳离 子瓜尔胶对撕裂强度有增强作用。其中HCG0对 撕裂强度没有不良影响;HCG 30有明显的增强作 用,当用量达到绝干量的Q 14%时,强度达到最大, 用量继续增大,增强效果有所减弱;HCG 120的用量 在Q 14% (对绝干量)以内时,对撕裂强度有增强作 用;HCG 480的用量小于Q 07% (对绝干量)时,有 增强作用,用量增大,增强作用不明显;对耐折度,当 HCG0的用量大于Q 20%时,耐折度有明显的提 高;HCG 30和HCG 120均有明显的增强作用;HCG 480的用量在Q 14%以内时,对耐折度有提高作用。 因此综合地讲,对于较纯净的浆料系统,HCG的增 强作用还是比较明显的,尤其是对耐折度的提高最为明显。
  
  图8是使用脱墨废纸浆进行抄造时加入HCG 对纸张其强度的影响。由图可知:对抗张强度,在整 个作用量范围内,四种不同降解程度的HCG基本上 没有不良影响;对撕裂强度的影响:当HCG 0的用 量小于Q 14%时,对撕裂强度没用不良影响,用量 大于Q 14%时,反而会引起强度的下降;HCG 30用 量小于Q 07%时,会使强度下降,用量增大时,对撕 裂强度没有不良影响;在整个用量范围内,HCG120 和HCG480对撕裂强度没用不良影响;对耐折度,在 整个用量范围内,HCG 0和HCG 30对耐折度有明 显的提高作用;当HCG 120的用量达到绝干量的 Q 20%时,对纸张的耐折度有所提高;HCG 480分子 量最低,对纤维的絮凝作用小,对耐折度没有增强效 果,但也没有不良影响。综合地讲,与使用纯化学浆 的情况相比,使用脱墨浆时HCG的增强作用减弱, 但是仍然起到了维持强度的效果,并且增加耐折度 的效果仍然是最明显的。
  
  3210987644443333HCG用量/%t 1.90tag 1.855 1.80靶 1.75銥1.700.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25HCG用量/%35 30 ^ 25 | 20 窗15 10 50 0.00 0.05 0.100.150.20 0.25HCG用量/%♦ HCGO□ HCG 30A HCG 120x HCG 480□ Control图8不同降解程度的HCG对废纸浆抄造纸张 抗张指数、撕裂指数、耐折度的影响3结论3 1分子量高的HCG更容易被纤维吸附,分子量 小的HCG更容易和浆料中的DCS物质作用。 3 2尽管不同分子量级别的HCG的电荷密度远小 于常用的聚胺类固着剂,它们去除浆内胶体物质和 COD成分的效果却等同甚至好于后者,说明HCG 的作用机理还包括氢键作用等其它方式。
  
  3 3HCG对纯化学浆有较好的增强作用,其中增加耐折度的效果最为明显。作用于废纸浆时,HCG 将微胶黏物固着至纤维,使其增强作用受到减弱,但 是对耐折度的提高仍然是最明显的,抗张和撕裂度 能得到维持。
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