利用高得率浆制浆废液改善OCC纸浆的物理性能

张继颖 胡惠仁 吴严亮

(天津科技大学材料科学与化学工程学院,天津,300457)

·APMP制浆废液·

利用高得率浆制浆废液改善OCC纸浆的物理性能

张继颖 胡惠仁 吴严亮

(天津科技大学材料科学与化学工程学院,天津,300457)

将杨木APMP制浆废液与阳离子醚化剂进行改性反应,研究了醚化剂用量不同的改性废液对OCC纸浆物理性能的影响。同时考察了应用助留体系改善未改性废液中半纤维素在纸料中的留着效果。结果表明,废液改性反应中阳离子醚化剂用量为80%(对废液中半纤维素质量)时,改性废液对OCC纸张物理性能的改善效果最为明显。同时,助留体系对改善废液中半纤维素在浆料中的留着效果显著,最佳助留体系为:HCS-CPAM二元助留体系。

APMP;制浆废液;半纤维素;改性;助留;增强

(＊E-mail:chihiro_zjy@163.com)

Abstract:In this study,the APMP pulpingwaste liquorwasmodified through etherifying reaction to prepare cationic modified waste liquor. The cationic modified waste liquorwas used to improve the OCC pulp strength,the retention of hemicellulose of the waste liquor on the OCC pulp with the retention system was investigated.The results showed that the strength properties of OCC pulp can be improved significantly with adding the cationic modified waste liquorwhen the mass ratio of cationic etherealizer to hemicellulose in the waste liquor is 0.8.It also showed that the HCS-CPAM dual retention system has the best retention efficiency for the hemicellulose in the waste liquor.

Key words:APMP;waste liquor;hemicelluloses;modification;retention;strengthening

化学机械浆技术近年来发展迅速[1-2]。目前化学机械浆制浆废液多采用生物法降解废液中的有机物,不仅成本较高,且方法复杂。因此,研究利用制浆废液中的有机物已经成为具有较高经济价值和社会意义的课题[3-7]。

制浆废液中含有的有机物主要是木素和半纤维素。半纤维素在纸页成形过程中有利于纤维构造和纤维间的结合力。但是半纤维素自身结构的复杂性又限制了它们在工业中的应用。Antal等[8]用3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵在碱性水溶液中对白杨木粉进行烷基化,得到可用水抽提的富含木聚糖的多糖,可以作为打浆添加剂。Suurnakki等[9]对甘露糖对ECF三段漂的硫酸盐针叶木浆的物理性能的影响进行了详细研究。甘露糖能够提高机械浆强度。Sun等主要对从蔗渣中分离的半纤维素进行改性研究,使半纤维素衍生物成为造纸中的高效助剂[10-11]。现有的研究均是从木质原料中直接提取半纤维素,对高得率制浆废液中溶解的半纤维素却鲜有研究。本实验正是基于这一创新思路,利用高得率制浆废液中的半纤维素改善OCC浆料的物理性能。

1 实 验

1.1 试剂与原料

阳离子醚化剂(CHPT MAC):纯度98%,山东东营国丰精细化工公司;阳离子聚丙烯酰胺(CPAM): Ciba公司提供,相对分子质量800万;阴离子聚丙烯酰胺(APAM):相对分子质量1200万;Ciba公司提供;聚合氯化铝(PAC):工业级,唐山大昌化工公司;高取代度阳离子淀粉(HCS):取代度0.4,干度97%,实验室制备;OCC废纸浆:打浆度30°SR;AP MP制浆废液:山东某纸厂螺旋挤压部废液(浓缩后)。

1.2 实验方法

1.2.1 废液中木素的分离及半纤维素含量的测定

在室温下用浓H2SO4将废液的pH值调至3左右。在55℃恒温水浴中静置30 min,使木素沉淀并抽滤。于滤液中加入无水乙醇,使半纤维素沉淀,将木素和半纤维素真空干燥后称重。

1.2.2 废液分析

按国家标准测定废液分离木素前后的性质[12]。

1.2.3 废液的阳离子化改性

在30℃下于废液中滴加一定量的NaOH溶液,充分搅拌活化20 min;将一定量阳离子醚化剂和剩余的NaOH溶液混合后加入废液,升温至65℃搅拌反应4 h;降温,用HCl中和至pH值为7;冷藏备用。

1.2.4 手抄片的制备

将OCC浆疏解后,按照浆浓量取一定体积的浆料悬浮液,加入改性废液并搅拌1 min,使用德国Estanit Gbmh快速纸页成形器抄片(定量120 g/m2),经压榨、干燥后用于测定纸浆的物理性能。

1.2.5 纸浆物理性能的测定

按照国家标准测定手抄片的物理强度[12]。

2 结果与讨论

2.1 废液分析

废液中的木素用酸析法[13-14]分离,并将滤液中的半纤维素以3倍体积的无水乙醇沉淀并过滤。将所得木素及醇沉物于55℃真空干燥器内烘干至恒重。并采用傅里叶红外光谱仪对所得醇沉物进行结构表征,结果如图1所示。

图1 滤液醇沉物的红外光谱图

从图1可以看出,在3423、2095、1631、1403、1118和994 cm-1处都是天然半纤维素本身的红外吸收峰。可见滤液的醇沉物主要物质为半纤维素。在994 cm-1处为半纤维素的糖单元之间β-糖苷键特征吸收峰[15]。在1118 cm-1处是半纤维素的特征吸收峰,是糖单元醚键(C—O—C)的吸收峰。酰基在1631 cm-1处表现出较强的伸缩振动峰。3423 cm-1处具有较强的羟基伸缩吸收峰,表明其羟基的含量较高。1000和1170 cm-1之间的谱带是木聚糖的典型吸收峰。证明所得醇沉物即为半纤维素。

计算得出废液中木素含量为81.5 g/L,半纤维素含量为86.1 g/L。按国家标准测定分离木素前后废液的性质见表1。

表1 分离木素前后废液性质分析

2.2 废液的阳离子改性及应用

将废液进行阳离子化改性,将改性过程中醚化剂用量分别为40%、80%和120%(对废液中半纤维素绝干质量)的改性废液分别标号为1#、2#和3#废液。将改性后废液分别加入到OCC废纸浆中。废液的加入量为3%(废液中半纤维素质量对绝干浆质量)。

实验结果如表2所示。从表2可见,加入2#改性废液后,OCC浆的抗张强度、环压强度、耐折度和挺度分别比空白样提高了16.6%、26.7%、22.4%和37.4%。

表2 改性废液对OCC浆物理性能的增强

综合表2中数据得出:将APMP制浆废液阳离子化改性加入到OCC浆中,能够显著改善纸张的物理性能。废液中的半纤维素阳离子化之后与呈负电性的纤维形成静电吸附,并与纤维形成氢键结合,增加纤维之间的结合力,提高OCC废纸浆的结合强度。另外,将适量的木素留着在纤维表面,能够增加纤维的挺硬程度,从而提高OCC纸浆的环压指数及挺度。

2.3 利用助留体系改善废液中半纤维素在浆料中的留着

根据湿部化学的原理,通过吸附、凝聚或附聚等作用将半纤维素固着在纸料纤维上。所使用的湿部助剂为APAM和CPAM、HCS和PAC。APAM和CPAM的用量为0.05%(对绝干浆质量),HCS和PAC的用量为0.5%。废液加入量为3%。

图2 只加助留体系和助留体系与废液连用对浆料物理强度的影响

研究了CPAM、PAC和HCS 3个一元体系以及HCS-APAM、HCS-CPAM、PAC-APAM和PAC-CPAM 4个双元体系对废液的助留效果。并且对比只加助留体系和助留体系与废液连用体系对OCC纸浆强度的影响,以验证废液中半纤维素在纸浆中的留着效果以及半纤维素对浆料强度的改善作用(P表示PAC,H表示HCS,C表示CPAM,A表示APAM)。

实验结果如图2所示,从图中可知,当助留体系与废液连用的情况下,纸浆物理强度的增强效果明显好于只加助留体系。且二元助留体系对浆料性能的增强效果优于一元助留体系,HCS-CPAM为最佳组合。

当纸浆中加入助留剂后再加入废液,助留体系能够通过吸附、凝聚或附聚等作用将滤液中的半纤维素固着在纤维表面,半纤维素表面的羟基能够增加纤维之间的氢键结合,并且半纤维素有利于纤维的润胀,能够扩大纤维之间的结合面积,从而明显增加纤维之间的结合力以改善纸浆的物理性能。因此验证了助留体系确实将滤液中的半纤维素留着于浆料中,并且半纤维素能够明显增强纤维之间的结合力,改善纸张物理性能。

3 结 论

3.1 将APMP制浆废液进行阳离子改性,将改性后废液作为OCC纸浆的浆内增强剂。醚化剂用量为80%时,加入改性废液后纸浆的抗张强度、环压强度、耐折度和挺度分别比空白样提高了16.6%、26.7%、22.4%和37.4%。

3.2 采用二元助留体系能够显著提高废液中半纤维素在浆料中的留着率,HCS-CPAM为最佳助留体系。

3.3 采用将废液改性或利用湿部助留的方法改善废液中半纤维素在浆料中的留着。两种方法均能够达到将半纤维素留着在纤维表面的目的。

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(责任编辑:常 青)

I mprovement of the Properties of OCC Pulp by Using HYP PulpingWaste L iquor

ZHANG Ji-ying＊HU Hui-ren WU Yan-liang

(College of M aterial Science and Chem ical Engineering,Tianjin University of Science&Technology,Tianjin,300457)

X793;TS727+.2

A

0254-508X(2010)02-0025-03

张继颖女士,在读硕士研究生;研究方向:湿部化学与造纸化学品。

2009-08-10(修改稿)

本课题得到中加科技合作项目(2008DFA91290)资助。