烯基琥珀酸酐(ASA)的施胶性能及其应用研究

王 进刘成良郭勇为陈金山陈克复

(1.天津科技大学材料科学与化学工程学院,天津,300457;

2.泰格林纸集团技术中心,湖南岳阳,414002;

3.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640)

烯基琥珀酸酐(ASA)的施胶性能及其应用研究

王 进1刘成良2郭勇为2陈金山2陈克复3

(1.天津科技大学材料科学与化学工程学院,天津,300457;

2.泰格林纸集团技术中心,湖南岳阳,414002;

3.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640)

研究了烯基琥珀酸酐(ASA)在胶版印刷纸和书写纸生产的应用技术,对影响ASA施胶的乳化工艺、pH值、填料和浆料配比等进行探讨。结果表明,ASA施胶具有成本优势;浆内淀粉酸化、pH值窄范围控制和填料量稳定是获得良好ASA应用性能所必需的。提高ASA乳液的稳定性和降低对pH值的敏感性是拓展其应用效果的主要研究方向。

烯基琥珀酸酐;乳化;施胶;应用

(＊E-mail:wyh_jay@163.com)

Abstract:The characteristics ofASA and its application technology in offset printing and writing paperswere investigated.The factors influencing ASA sizing,such as emulsification process,system pH,filler and furnish etc.were discussed.Results showed thatASA sizing benefits the surface sizing,and reduces sizing cost.In order to have the good sizing efficiencing it is necessary to use acid treated cationic starch, narrow range of pH value and stable filler dosage. Improving stability ofASA emulsion and reducingASA sensitivity to pH will be the further research direction.

Key words:ASA;emulsification;sizing;application

烯基琥珀酸酐(ASA)是造纸工业常用的反应性中性施胶剂之一,主要用于高档纸的生产[1-2]。ASA施胶的优点是在纸机干燥过程中熟化完成施胶,克服AKD施胶下机后不能完全熟化及即时施胶度低的缺点,但ASA反应活性高,很容易发生水解而失去活性,需现场乳化及机内添加,此外,ASA水解产物容易在脱水元件、成形网、毛布和压榨辊等处形成沉积,影响纸张脱水和成形,严重时会引起纸机湿部断头次数的增加,降低纸机的运行性能、产品质量和产量。由于ASA操作复杂且应用条件控制严格,在某种程度上限制了其推广使用。目前,我国文化纸生产主要以AKD施胶为主,ASA应用不多,主要有苏州金华盛纸业、山东太阳纸业、芬欧汇川纸业(常熟)和岳阳纸业等。本研究主要探讨ASA的施胶性能和应用技术,并与AKD进行对比分析,为ASA施胶技术的理论研究提供参考。

1 实 验

1.1 实验原料和仪器

硫酸盐针叶木浆、硫酸盐芦苇浆和P-RC APMP(化机浆);填料级轻质碳酸钙(PCC),湖北楚矾钙品公司;CPAM,相对分子质量800万左右,汽巴精化产品;改性膨润土,汽巴精化产品;阳离子淀粉,美国国民淀粉公司产品;ASA原液(进口产品);AKD乳液,湖南瑞泰公司产品。

乳化分散装置;Brookfield黏度仪;可勃吸水性测定仪。

1.2 ASA乳化

称取一定质量的阳离子淀粉制备成质量分数4%的冷淀粉溶液,放置恒温水浴锅中,持续搅拌并升温至90℃后,继续糊化20 min,然后取出放置于40℃的水浴锅中备用,并取出一部分用柠檬酸溶液酸化至pH值4～5。

称取一定量质量分数4%阳离子淀粉糊化液和ASA原液,转移至乳化器中乳化,制备成ASA乳液,然后迅速用于抄片。

1.3 手抄片的制备及性能检测

量取固定体积的浓度0.8%的浆料悬浮液,添加阳离子淀粉后,加入一定量的ASA乳液,接着加入硫酸铝溶液,在低速搅拌下加入CPAM水溶液,搅拌30 s,提高转速至较高值,再搅拌30 s,然后将搅拌速度调至低速,加入改性膨润土悬浮液,继续搅拌30 s后迅速抄片,干燥后备用。经过平衡水分的纸张用可勃吸水性测定仪检测吸水性。

2 结果与讨论

2.1 淀粉酸化对ASA乳液施胶效果的影响

pH值对ASA水解物形成速度影响很大,ASA水解速度随pH值的升高而加剧。为减少乳化阶段的水解,制备出性能稳定的乳液,需要优化乳化工艺[3-4]。

表1 贮槽淀粉和实验室糊化淀粉对ASA的乳化性能对比

从表1中可以看出,酸化淀粉形成的ASA乳液的施胶效果比未酸化淀粉要好得多。未酸化淀粉乳化ASA的纸张吸水性为46.7 g/m2,而酸化淀粉乳化ASA的纸张吸水性为24.7 g/m2,纸张吸水性降低了22.0 g/m2,这说明酸化淀粉有助于减缓乳化过程中ASA水解反应,可提高ASA乳液的稳定性,增加ASA乳液中的有效成分,从而使纸张获得更好的施胶效果。

从表1中还可以看出,淀粉的黏度对ASA乳液质量有很大影响,实验室糊化淀粉形成的ASA乳液的施胶效果最好,其次是贮槽淀粉,螺杆泵后的淀粉略差。实验室糊化淀粉和生产线淀粉的制备浓度基本相同,但实验室糊化淀粉的黏度要高得多,这可能主要是由于实验室淀粉在糊化过程中受到的剪切力小的缘故;经螺杆泵后的淀粉黏度比贮槽淀粉的黏度略有降低,从116.2 mPa·s降低为104.8 mPa·s,应该是由于输送过程中泵对淀粉有一定的剪切作用造成的。

2.2 ASA乳液粒径对ASA施胶效果的影响

ASA乳液粒径对ASA施胶效果影响较大,当粒径较小时,ASA能均匀分布于纤维表面,从而获得较好的施胶效果,但颗粒太小时,其水解也会加剧;当粒径较大时,ASA保留率会改善,但不易于实现均匀地分布于整个纤维表面,会引起施胶效果有一定程度的降低,造成ASA用量偏高。

不同原料生产的阳离子淀粉,因分子质量及分子结构不同,ASA乳液粒径也不同;同种原料生产的阳离子淀粉,因取代度和阳电性不同,ASA乳液粒径也不相同。从表2可以看出,当使用玉米淀粉时, ASA乳液粒径<2μm比例偏少,粒径控制起来比较困难,波动比较大,会造成纸张吸水性波动较大。木薯淀粉在乳液粒径分布方面要优于玉米淀粉,施胶效果要比使用玉米淀粉好。

表2 阳离子淀粉类型与ASA乳液性能的关系

乳化时间对ASA乳液粒径的影响较大,随着乳化时间延长,ASA乳液粒径明显下降。乳化时间长,乳化粒径小,反应活性好,但水解速度会增加,若乳化时间太短,乳液粒径大,则施胶效果较差。从表2还可以看出,乳化时间1.5～2.0 min比较合适。实际操作中,可通过控制乳化泵进出口阀门大小、泵转速等方法来调整乳化时间。ASA乳液粒径通常控制在0.8～1.2μm范围,且<2μm的含量大于90%是比较理想的。

2.3 系统pH值对ASA乳液施胶效果的影响

ASA乳液与浆料混合至上网,绝大部分ASA留在纸张中,少量ASA乳液进入白水系统,ASA乳液的稳定性和反应性与系统pH值的控制情况相关。此外,进入白水系统的ASA量及其水解情况与系统pH值有关,也与白水封闭循环程度有关。

图1 系统pH值对纸张吸水性的影响

从图1可以看出,系统pH值对ASA乳液施胶效果影响很大,而对AKD施胶影响小,这也说明ASA乳液施胶的适宜pH值范围比较窄,而AKD则比较宽,因而ASA乳液施胶条件的控制要严格些。对于ASA乳液施胶,pH值为6.0～7.5时,可以获得较好的施胶效果,当pH值为6时,纸张吸水性为19.2 g/m2,ASA乳液获得最佳的施胶效果。当超出适宜pH值范围,无论pH值降低还是升高, ASA乳液施胶效果都会降低,但作用机理是有所不同的。pH值低时,ASA水解反应速度降低,但其施胶速度也降低,使得其施胶性能降低;而pH值高于9.0时,ASA水解速度和施胶速度都逐渐加快,可能由于水解反应逐渐处于优势地位,对施胶的不利影响更为明显些,而使得纸张施胶度降低。

2.4 浆料配比对ASA乳液施胶效果的影响

从图2中可以看出,无论是ASA乳液施胶还是AKD施胶,当苇浆和化机浆配比为1∶1时,纸张吸水性最小,即纸张的施胶度最高;无论苇浆还是化机浆的配比增加,成纸的施胶度都会降低;配比相同时(如1#与5#、2#与4#样品),苇浆对ASA乳液和AKD施胶的不利影响要大于化机浆,这种规律在AKD施胶时更为明显。当苇浆配比为45%时,AKD施胶的纸张吸水性为33.4 g/m2;当化机浆配比为45%时,纸张吸水性为24.1 g/m2,化机浆配比高的纸张施胶度要高一些。从表3中可以看出,苇浆通过100目的组分高于化机浆,这说明苇浆含有更多的细小纤维,从而可以推断苇浆比化机浆难施胶与其细小纤维含量高有关,也可能与苇浆含有大量杂细胞有一定关系。

图2 浆料配比对纸张吸水性的影响

表3 苇浆和化机浆的筛分分析%

2.5 填料用量对ASA乳液施胶效果的影响

图3 填料用量对纸张ASA和AKD施胶效果的影响

从图3可以看出,填料对ASA和AKD施胶影响很大。随着填料用量的增加,纸张吸水性都逐渐增加,这说明ASA和AKD的施胶效果逐渐变差,这是由于与纤维相比,轻质碳酸钙(PCC)的比表面积大[5],可吸附大量的施胶剂,且随着填料用量的增加而造成参与纤维施胶的ASA量减少的缘故。

在文化纸生产中,填料是仅次于纤维的第二大组分,吨纸用量为200～300 kg,成纸灰分一般在25%左右,有的高达30%。纸张在高灰分的情况下,要获得好的施胶效果,需要稳定湿部条件,为良好的网部留着创造条件,并减少填料添加量的波动。

2.6 施胶剂用量对纸张吸水性的影响

从图4中可以看出,随着ASA和AKD用量的增加,纸张吸水值逐渐降低,ASA和AKD的施胶效果都逐渐提高,达到一定用量后趋于稳定;从图4还可以看出,当吸水性为35 g/m2时,ASA用量约为1.8 kg/t纸,AKD用量约为1.5 kg/t纸。在此用量下, ASA施胶成本约为55元/t纸,AKD的施胶成本约为75元/t纸,ASA施胶具有成本低的优势,这也与实际应用经验比较吻合。要达到这一目标的前提是ASA水解产物不会对生产带来不利影响[5-6],此外, 从ASA应用技术角度出发,ASA用量不宜偏高,否则系统中逐渐出现水解产物的沉积,成纸的洞眼也呈逐渐增多的趋势。

图4 ASA和AKD用量对纸张吸水性的影响

3 结 论

3.1 阳离子淀粉的糊化质量和酸化处理是保证ASA乳化质量和施胶效果的重要因素。参与ASA乳化的酸化淀粉pH值控制在4.0～4.5是比较适宜的。适当提高阳离子淀粉的糊化浓度及降低淀粉熬制锅搅拌器的转速,及采取措施减弱螺杆泵的剪切作用,将会有助于提高淀粉的乳化性能,进而改善ASA的应用效果。

3.2 阳离子淀粉类型和品质与ASA乳液质量关系密切,木薯淀粉具有更好的乳化性能,乳化时间为1.5 ～2 min是比较适宜的,能够获得比较合理粒径分布的ASA乳液。

3.3 系统pH值对ASA施胶效果影响非常大,对AKD施胶效果的影响相对较小。严格控制系统pH值在比较窄的范围内,这将有助于减缓ASA水解和保证良好的施胶效果。

3.4 化机浆和苇浆配比为1∶1时,AKD和ASA的施胶效果是最佳的,但苇浆配比增加会带来施胶效率的降低,尤其是对ASA施胶剂而言。

3.5 填料对ASA和AKD施胶影响都很大,填料用量高,施胶剂用量大。成纸灰分稳定是获得良好施胶效率的前提条件,这就要求填料加入量稳定,还需要系统的留着率稳定。

3.6 对于普通文化纸来说,ASA和AKD都是比较合适的施胶剂,ASA施胶具有一定的成本优势,这是ASA具有很好市场前景的主要竞争优势之一。

[1] 曹春昱.造纸中性施胶剂-烯基琥珀酸酐(ASA)[J].中国造纸, 2002,21(3):61.

[2] Gess J,Rende D S.Alkenyl succinic anhydride(ASA)[J].Tappi journal,2005,4(9):25.

[3] 关 颖,李大力,穆 军.阳离子淀粉对ASA乳化的影响[J].中国造纸,2002,21(5):17.

[4] 李小瑞,刘素芳.烯基琥珀酸酐的乳化及应用条件[J].纸和造纸,2002(2):41.

[5] Wasser R B,Brinen J S.Effect of hydrolyzed ASA on sizing in calcium carbonate filled paper[J].Tappi Journal,1998,81(7):139.

[6] Martin A Hubbe.Paper's resistance to wetting─a review of internal sizing chemicals and their effect[J].BioResources,2006,2(1): 106.

(责任编辑:孙秋菊)

Performance of Alkenyl Succin ic Anhydride and Its Application

WANG Jin1,＊L IU Cheng-liang2GUO Yong-wei2CHEN Jin-shan2CHEN Ke-fu3

(1.College ofM aterial Science and Chem ical Engineering,Tianjin University of Science&Technology,Tianjin,300457; 2.Technology Center of Tiger Forest&Paper Group Co.,L td.,Yueyang,Hu'nan Province,414002; 3.State Key Lab of Pulp&Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)

王 进先生,副教授;主要从事湿部化学品的开发、应用技术和抄纸生产工艺的研究。

TS727+.5

A

0254-508X(2010)01-0031-04

2009-06-19(修改稿)