高阳电荷密度聚合物对高得率浆助留助滤性能的影响

陈夫山 姜秀英 王松林 施士焱 田成杰

(1.青岛科技大学化工学院,山东青岛,266042;2.武汉市强龙化工新材料有限责任公司,湖北武汉,430023;3.天津市奥东化工有限公司,天津,300350)

高阳电荷密度聚合物对高得率浆助留助滤性能的影响

陈夫山1姜秀英1王松林1施士焱2田成杰3

(1.青岛科技大学化工学院,山东青岛,266042;2.武汉市强龙化工新材料有限责任公司,湖北武汉,430023;3.天津市奥东化工有限公司,天津,300350)

采用改性聚乙烯亚胺 (PEI)作为高得率浆中的阴离子垃圾捕捉剂,并与聚合氯化铝(PAC)和聚二甲基二烯丙基氯化铵 (PDADMAC)等高阳电荷密度聚合物进行比较,探讨了 PEI对高得率浆 CPAM/膨润土体系助留助滤性能的影响。结果表明,相对分子质量大和阳电荷密度高的改性 PEI作为阴离子垃圾捕捉剂可以显著改善CPAM或CPAM/膨润土体系对高得率浆的助留助滤性能。添加 0.02%的 PEI作为阴离子垃圾捕捉剂,CPAM用量为 0.03%时,高得率浆的滤水速度和总留着率比 CPAM单元体系分别提高了 16.0%和 1.9个百分点;比 CPAM/膨润土微粒体系分别提高 28.6%和 3.0个百分点。

阴离子垃圾捕捉剂;聚乙烯亚胺;助留助滤;高得率浆

近几年来,随着造纸原料短缺和原料结构的变化,废纸浆、高得率浆得到了广泛使用,另外,涂布损纸的回用、纸机白水封闭循环程度的提高以及多种造纸助剂的应用,使得干扰性的阴离子杂质在纸机湿部大量聚集、浓度越来越高,对纸机湿部操作的危害越来越大。尤其是随着抄纸系统向中碱性体系的转化,使阴离子垃圾的问题更加突出[1-2],这些阴离子物质会降低阳离子聚丙烯酰胺 (CPAM)的滤水性能和留着效率[3-5]。

减小或消除溶解胶体物质 (DCS)干扰的常用方法是使用阴离子垃圾捕捉剂将 DCS固着在纸浆纤维上,使纸机湿部保持电荷平衡与稳定[6-7]。改性聚乙烯亚胺 (PEI)具有阳电荷密度高、水溶性好、相对分子质量易于控制等特点,可作为阴离子垃圾捕捉剂对浆料进行预处理,以净化造纸体系中的DCS,还可以与填料和纤维产生较强的静电力结合,从而改善纸料的滤水性能,提高纸料的留着率[8-10]。

本课题结合碱性过氧化氢机械浆 (APMP)在我国造纸业的应用情况[11-12],通过应用改性 PEI作为阴离子垃圾捕捉剂,并与聚合氯化铝 (PAC)和聚二甲基二烯丙基氯化铵 (PDADMAC)进行比较,探讨了 PEI对高得率浆 CPAM(/膨润土)体系助留助滤性能的影响。

1 实 验

1.1 实验材料

本实验所用的高得率浆为杨木APMP浆:打浆度36°SR,取自夏津泉林纸业;改性聚乙烯亚胺 (PEI-1和 PEI-2):武汉强龙化工新材料有限责任公司生产;PAC:寿光蔡伦申兴精细化工有限公司生产;PDADMAC:威海金钰环保科技有限公司生产;甲苯胺蓝(TBO):国药集团试剂公司生产;聚乙烯醇硫酸钾(PVSK):BTG公司生产;CPAM助留助滤剂:固体,相对分子质量 490万,阳离子度 10%,由汽巴精化提供;造纸填料级研磨碳酸钙 (GCC):白度91.2%,寿光蔡伦申兴精细化工有限公司生产;膨润土:M560,由汽巴精化提供。

1.2 实验仪器

精细滴定管;雷磁 PHS-3C pH计;GBJ-A型纤维标准解离器;ZDJ-100打浆度测定仪;ZT6-00纸样抄取器;ZQYCⅡ油压机;ZT7-00纸样干燥器。

1.3 实验方法

1.3.1 PEI、PAC、PDADMAC电荷密度的测定

(1)分别用不同浓度的 NaOH调节溶液的 pH值,调至纸料 pH值 6.9。

(2)电荷密度的测定:取一定体积配制好的样品溶液于锥形瓶中,加入一定体积的蒸馏水,再加入一定体积的甲苯胺蓝 (TBO)溶液,用 PVSK标准液进行滴定,当溶液颜色由浅蓝到浅紫红色 (半小时不返色)时,到达终点。记录所消耗的标准液并进行空白样的滴定。

根据式 (1)进行电荷密度的计算:

式中:CD为电荷密度,mmol/g;C标准物为阴离子标准液 (PVSK)的浓度,mol/L;V标准物为滴定样品溶液所消耗的标准液体积,mL;V空白为滴定空白溶液所消耗的标准液体积,mL;m为滴定溶液中含有的样品的有效质量,g。

1.3.2 纸料的准备

取高得率浆在纤维标准解离器中按 1.5%的浓度疏解 10 min,加入 20%用量的 GCC(用量为相对于绝干纤维,以下同),混合均匀后,稀释至一定的浓度。多次疏解全部的纸料混合在一起。

1.3.3 PEI/CPAM助留实验

(1)PEI体系:取一定纸料于 1000 mL塑料量筒中,在 500 r/min时加入 PEI,混合 90 s后,在纸样抄取器上进行抄片。

(2)单元 CPAM体系:取一定纸料于 1000 mL塑料量筒中,在 500 r/min下先加入 PEI,混合 90 s后,再加入 CPAM,混合 30 s后,在纸样抄取器上进行抄片。

(3)CPAM/膨润土体系:取一定纸料于 1000 mL塑料量筒中,在 500 r/min下先加入 PEI,混合 90 s后,加入 CPAM,混合 30 s后,在 900 r/min下高速搅拌 30 s以构成高剪切作用,然后在 500 r/min下搅拌加入一定量的膨润土,搅拌 60 s,在纸样抄取器上进行抄片。

(4)将抄造的湿纸页在 0.4 MPa压力下,压榨1 min,然后在纸样干燥器中真空干燥 10 min。

(5)将干燥后纸页剪成小片,于已烘干至质量恒定的称量瓶中,置于 (105±2)℃烘箱中烘干至质量恒定,计算总留着率 R:

式中:m1为纸片在烘干后的质量,g;m2为抄片前纸料中绝干纤维质量,g;m3为抄片前纸料中绝干填料质量,g。

1.3.4 PEI/CPAM助滤实验

取一定纸料于 1000 mL塑料量筒中,按照 PEI/CPAM助留实验程序设定剪切速率和加入助剂,然后加水至体积 1000 mL,利用打浆度测定仪测定打浆度。以肖伯尔打浆度表示纸料的滤水性能。

2 结果与讨论

2.1 PEI、PAC、PDADMAC的性质

阴离子垃圾捕捉剂一般为高阳电荷密度的线性、相对分子质量低的聚合物,包括无机阴离子垃圾捕捉剂 (如硫酸铝、PAC等)和有机阴离子垃圾捕捉剂(如聚胺、PEI、PDADMAC等)。本实验采用了具有代表性的两种阴离子垃圾捕捉剂 (ATC),即有机ATC-PDADMAC和 PEI两种改性物及无机 ATC-PAC。具体性质列于表1中。

从表1可以看出,pH值为 6.9时,PEI的电荷密度明显高于 PAC和 PDADMAC;PEI的相对分子质量越大,电荷密度越高。

表1 PEI、PAC、PDADMAC的性质

2.2 阴离子垃圾捕捉剂对高得率浆滤水和留着性能的影响

对于含有大量有机物、木素、树脂和半纤维素等组分的高得率浆造纸体系,阴离子的积累会导致纸料滤水性能下降、留着性能降低以及纸张强度下降等一系列问题。在纸料中首先加入高电荷密度、相对分子质量低的 PEI,对纸料中的阴离子杂质进行捕集,使其分散定着到纤维上,不仅可排除阴离子杂质的干扰,而且可以起到助留剂的作用,降低了白水的浓度,减少造纸过程中助留助滤化学品的消耗,有利于提高造纸系统中白水的封闭循环程度[3,13-15]。

本实验首先考察了阴离子垃圾捕捉剂对高得率浆滤水和留着性能的影响 (见图1和图2)。

在提高纸料滤水速度方面,改性 PEI表面带有大量的正电荷,能够降低纤维的表面电荷,使其极性降低,水分子难以在纤维表面浸湿及定向排列;同时PEI能够促使纤维的凝聚,导致纤维的比表面积降低,形成大的凝聚体,加快了脱水作用,提高了高得率浆的滤水速度。由图1可以看出,随着阴离子垃圾捕捉剂用量的增加,打浆度降低,滤水效果提高,当阴离子垃圾捕捉剂用量超过 0.02%时,打浆度降低趋势减缓。电荷密度和相对分子质量较高的 PEI-1的助滤效果明显优于 PEI-2以及PAC和 PDADMAC。

图2表明,纸料总留着率随着阴离子垃圾捕捉剂用量的增加而提高。电荷密度和相对分子质量较高的 PEI-1在提高纸料留着率方面比 PEI-2以及 PAC和PDADMAC优越。因为相对分子质量较大和电荷密度较高的 PEI能够促使纤维凝聚,电荷中和及吸附架桥能力增强,形成大的凝聚体,提高了细小纤维和填料的留着率。PEI-1用量为 0.02%时,纸料滤水速度和总留着率分别提高了 11.8%和 12.5%。

综合图1和图2可以看出,不同用量的 PEI加入高得率浆时,PEI的相对分子质量和电荷密度对高得率浆滤水和留着性能影响很大。随相对分子质量及电荷密度的增加,电荷中和及吸附架桥能力增强,相对分子质量较高的 PEI对高得率浆有较明显的助留助滤效果。故电荷密度和相对分子质量较高的 PEI在促进纸料 CPAM体系滤水速度和留着率方面性能优越。以下实验选用用量为 0.02%的改性 PEI-1作为阴离子垃圾捕捉剂,探讨 PEI对 CPAM/膨润土体系助留助滤性能的影响。

2.3 PEI作为ATC对高得率浆 CPAM单元体系与微粒体系滤水和留着性能的影响

2.3.1 PEI对高得率浆 CPAM单元体系滤水和留着性能的影响

图3、图4为 PEI对不同用量 CPAM单元体系滤水和留着性能的影响,由图3、图4可以看出,加入PEI时,高得率浆的打浆度比 CPAM单元体系明显降低,留着率比 CPAM单元体系明显提高。CPAM用量为 0.03%时,滤水速度和总留着率比 CPAM单元体系分别提高了 16.0%和 1.9个百分点。这是因为先加入 PEI中和纸料中的阴离子垃圾以减少其对阳离子助留剂 CPAM的影响,因此提高了 CPAM的效率,即同样用量下,会有更多的 CPAM通过静电作用并主要通过桥联作用使纤维及细小组分发生絮凝,这时纸料中的细小组分 (包括细小纤维和填料)附着到较长纤维的表面上并形成体积较大的絮聚体。这样,既增加了细小组分的留着,同时使细小组分间的空隙增大,加快了体系的滤水。

2.3.2 PEI对高得率浆 CPAM/膨润土微粒体系滤水和留着性能的影响

图5、图6是膨润土用量为 0.3%时,PEI对不同用量 CPAM与其组成的微粒体系滤水和留着性能的影响。

从图5、图6可以看出,CPAM用量在 0～0.04%范围内时,PEI/CPAM/膨润土三元体系对高得率浆的助留助滤效果优于 CPAM/膨润土体系。当CPAM用量为 0.03%时,高得率浆的滤水速度和总留着率分别比微粒体系提高了 28.6%和 3.0个百分点。CPAM用量超过 0.03%以后,三元体系留着率反而降低,有使体系絮凝效果下降的趋势。这是因为 PEI是高阳电荷聚合物,它可以减少阴离子垃圾对阳离子助留剂 CPAM的影响,还可以中和纤维和细小纤维表面阴电荷。再加入的 CPAM通过架桥作用产生较大的絮聚物,受到高剪切力作用后,大的絮块被分裂或切断成不可逆的小絮体。后加入的带负荷的膨润土微粒会与这些小絮体相结合,靠静电作用力形成微絮聚物。因此再增加 CPAM的用量可能使系统的电荷趋向平衡,引起体系局部阳电荷过剩,后加入的膨润土会与 CPAM直接反应,降低 CPAM与纤维、细小纤维和填料之间的架桥作用,影响三元体系的絮凝效果。

3 结 论

3.1 电荷密度和相对分子质量较高的改性聚乙烯亚胺 (PEI)作为阴离子垃圾捕捉剂,可以显著改善阳离子聚丙烯酰胺 (CPAM)或CPAM/膨润土体系作为高得率浆助留助滤剂的效果。

3.2 当 CPAM用量为 0.03%,添加 0.02%的 PEI作为阴离子垃圾捕捉剂时,高得率浆的滤水速度和总留着率比 CPAM单元体系分别提高了 16.0%和1.9个百分点;比 CPAM/膨润土微粒体系分别提高 28.6%和3.0个百分点。

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Effect of Highly Cation ic Polymers on the Retention and Dra inage Properties of High Y ield Pulp

CHEN Fu-shan1J IANG Xiu-ying1,＊WANG Song-lin1SH I Shi-yan2T IAN Cheng-jie3
(1.College of Chem ical Engineering,Q ingdao University of Science&Technology,Q ingdao,266042;2.W uhan Q ianglong New Chem icalM aterials Co.,Ltd.,W uhan,Hubei Province,430023;3.Tianjin Aodong Chem ical Co.,Ltd.,Tianjin,300350)

The effects of highly cationic polymers such asmodified polyethyleneimine(PEI),poly-aluminum chloride(PAC)and poly-dially dimethyl-ammonium chloride(PDADMAC)as anionic trash catchers(ATCs)on the drainage and retention properties of high yield pulp(HYP)were compared.At the same time,the effect of PEIon the drainage and retention performance of CPAM/bentonite system was discussed.The results showed that modified PEIwith higher charge density and higher molecular weight was better than the PEIwith lower charge density and lower molecular weight,PAC and PDADMAC.Modified PEI could improve the retention and drainage performance of CPAM/bentonite systems in the HYP.When adding 0.02%dosage of PEI as ATC,the drainage and retention rates were increased by 16.0%and 1.9%respectively as compared to add 0.03%dosage of CPAM;the drainage and retention rateswere increased by 28.6%and 3.0%respectively as compared to add 0.03%dosage of CPAM and 0.3%dosage of bentonite.

anionic trash catcher(ATC);PEI;retention and drainage;HYP

TS727+.1

A

0254-508X(2010)04-0036-04

陈夫山先生,博士,教授;主要研究方向:造纸助剂、造纸湿部化学及功能材料。

(＊E-mail:jiangxiuying-78@163.com)

2009-11-30(修改稿)

本项目得到国家“十一五”科技支撑项目(项目编号:2006BAD32B05)资助。

(责任编辑:赵旸宇)