两性聚乙烯胺在非木材纤维造纸中的应用

黎永刚 朱忠祥 余永忠

(1.巴斯夫 (中国)有限公司，广东广州，510095;2.巴斯夫 (中国)有限公司，上海，200233)

聚乙烯胺 (Polyvinylamine，简称PVAm)是一种氨基直接连接在碳氢骨架上的直链阳离子或两性水溶性高分子聚合物，其分子链长度和电荷密度都可以根据实际应用的需要来设计［1］。因含有大量的高活性氨基，所以它在高分子科学领域中有着很重要的研究和应用价值［2］。两性聚乙烯胺的分子结构见图1。

图1 两性聚乙烯胺的分子结构

德国巴斯夫公司于20世纪90年代初研制出基于乙烯基甲酰胺的聚合物，并于近年来把此类产品广泛应用在造纸湿部工艺中。PVAm可以根据造纸工艺的要求来设计其聚合链长和电荷密度［3］。近年来，国内外很多学者加深了对此物质的研究，研究了PVAm不同用量、胺化度［4］、环境pH值等对保留率、浆料滤水、Zeta电位、纸张增强效果的影响［5］。

近年来，巴斯夫化学品公司的技术人员在实践中不断探索PVAm在造纸工业中的应用价值。通过在不同造纸机和不同纸种上的大量应用试验，发掘PVAm在提高湿纸幅强度 (初始湿强度)、优化纤维配比、改善造纸机的运行性能、增加纸张强度、改善助留助滤等方面的潜力。因而该类产品是近年来造纸工业出现的革命性的产品，赋予纸张增强、改善浆料保留、滤水以及系统沉积物控制于一体的四合一解决方案。

本文着重介绍了巴斯夫公司的新一代两性聚乙烯胺 (XELOREX F3000)在两个非木材纤维造纸厂中的应用，它通常用来处理填料或浆料，具有简化湿部系统、提高成纸强度等特性。同时又由于它是一个完全水溶性的高分子聚合物，因而操作非常简单、方便。

1 试验

1.1 案例1(广西某造纸厂)

1.1.1 试验原料

浆料:自制漂白蔗渣浆，外购漂白蔗渣浆，外购化机浆 (APMP)，外购针叶木浆 (NBKP，凤凰牌，蓝森林牌)。三元助留助滤剂:阳离子高聚物Percol-182，简称P-182(巴斯夫提供);膨润土 (深圳三力星提供);微粒助留剂 Telioform M300，简称微聚物 (巴斯夫提供)。两性聚乙烯胺 (XELOREX F3000)，简称F3000(巴斯夫提供)。填料:浆状研磨碳酸钙 (GCC，325目，固含量25%)。AKD和湿部淀粉 (国产)。

1.1.2 试验造纸机基本情况

ABK带顶网的长网造纸机，车速650 m/min，幅宽6540 mm，四辊三压区，膜转移施胶。纸张定量以68、70 g/m2双胶纸为主。

1.1.3 实验前纤维配比

NBKP∶APMP∶外购漂白蔗渣浆 =30% ∶20% ∶50%

1.1.4 试验目的

减少前段干燥部的掉粉掉毛现象 (主要原因是蔗渣浆中的髓细胞等薄壁细胞引起);在维持成纸强度达标的条件下，用自制蔗渣浆取代50%以上外购商品蔗渣浆 (因自制蔗渣浆质量比外购蔗渣浆更易掉粉掉毛，所以该厂限制了自制蔗渣浆的使用)。

1.2 案例2(河南某造纸厂)

1.2.1 试验原料

浆料:自制漂白麦草浆，外购化机浆 (APMP)，外购商品针叶木浆 (NBKP)。三元助留助滤剂:阳离子高聚物Percol-3320，简称P-182(巴斯夫提供);膨润土 (国产);微粒助留剂 Teliform M300，简称微聚物 (巴斯夫提供)。两性聚乙烯胺 (XELOREX F3000)，简称 F3000(巴斯夫提供)。填料:浆状混合碳酸钙(GCC/PCC，固含量30%)。AKD和湿部淀粉 (国产)。

1.2.2 试验造纸机基本情况

2640的长网造纸机，车速450 m/min，四辊三压区，膜转移施胶。纸张定量以70 g/m2双胶纸为主。

1.2.3 实验前纤维配比

NBKP∶APMP∶自制漂白麦草浆 =18% ∶26% ∶56%

1.2.4 试验目的

在维持成纸强度达标的条件下，提高自制麦草浆的使用比例，降低商品针叶木浆比例，降低总的生产成本。商品针叶木浆与自制漂白麦草浆价差采用市场常规价差每吨约为1000元 (不含税)。

2 结果与讨论

2.1 案例1(广西某造纸厂)

2.1.1 添加F3000对湿部助留系统助剂用量的影响

在造纸机湿部系统添加F3000后，湿部助留系统助剂用量的变化见图2。

图2 添加F3000后助留系统助剂用量的变化

从图2可以看出，随着F3000用量的逐步提高，三元助留助滤体系的助剂用量发生了一定程度的变化。在首程留着率不变的情况下，微聚物的吨纸用量试验期间从0.65 kg/t降低到0.25 kg/t，节省了约60%。P-182和膨润土用量基本保持不变 (P-182 0.3 kg/t，膨润土2.3 kg/t)。

2.1.2 添加F3000对首程留着率和灰分留着率的影响

图3为添加F3000后首程留着率和灰分留着率的变化。

从图3可以看出，首程留着率变化不大 (75%～78%)，灰分从43%提高到60%。整个试验期间，实测白水浓度稳定维持在12%～15%之间。但系统在车速不变、微粒助留剂用量大幅度降低的同时，灰分留着仍然提高了约17个百分点。

图3 添加F3000前后首程留着率和灰分的变化

图4 添加F3000前后伏棍高、低真空度的变化

2.1.3 添加F3000对造纸机伏辊真空度的影响

图4为添加F3000后造纸机伏棍高、低真空度的变化。

从图4可以看出，添加F3000后，发现伏辊高真空度有明显下降，这证明了湿纸幅出网部的干度比以前高了，经过5天的试验，F3000充分循环后，伏辊高真空从－62 kPa降低到－53 kPa。

2.1.4 添加F3000对纤维配比和纸张强度影响

图5为添加F3000后，纸张抗张指数的变化。图6为添加F3000前后原料结构的变化。

图5 试验过程中纸张抗张指数的变化

从图5可以看出，在F3000添加量为2 kg/t纸时，纸张抗张指数有约8%～10%的上升，中间试验过程中，由于针叶木浆品牌的更换 (凤凰牌比蓝森林牌的品质稍差)，所以纸张抗张强度略有下降。但当F3000用量从2 kg/t纸提高到3.5 kg/t纸、自制漂白蔗渣浆使用比例增加 (从0提高到32%)时，纸张抗张指数又重现上升的趋势，这再次证明了F3000对纸张强度的提高有一定的帮助。

图6结果表明，在自制漂白蔗渣浆比例从0提高到32%(占总的纤维比例)时，纸张的抗张指数(纵向)仍然在合格范围 (达到原有水平)。有理由相信，在以后的长期试验中，自制漂白蔗渣浆可取代更多的外购漂白蔗渣浆。

图6 添加F3000前后原料结构的变化

2.1.5 添加F3000对前段干燥部 (第四组，第五组)蒸汽压力的影响

图7为添加F3000对前段干燥部 (第四组，第五组)蒸汽压力的影响。从图7可以看出，经过5天试验，发现前段干燥部蒸汽压力有了很大变化。第四组烘缸蒸汽压从80 kPa降低到63 kPa，第五组烘缸蒸汽压从79 kPa降低到65 kPa。这是由于湿纸幅出压榨部干度提高的原因。有理由相信，通过长期的使用，蒸汽的节省可以更为明显。

图7 添加F3000前后前段干燥部蒸汽压力的变化

2.1.6 添加F3000对掉粉掉毛的改善

图8为添加F3000前后造纸机前段干部一楼地面的纸毛形态和数量的对比。

图8 添加F3000前后纸毛形态和数量的对比

从图8可以看出，添加F3000前，在没有添加自制漂白蔗渣浆的情况下，纸毛较多较长。在自制漂白蔗渣浆取代外购蔗渣浆64%的情况下 (自制漂白蔗渣浆用量32%)，掉粉减少，纸毛明显变少和变小。

另据生产部门反映，复卷机的纸毛也变少了，同时由于纸毛导致的断纸次数也明显变少。

试验表明，在案例1中，在成纸强度不变的情况下，自制漂白蔗渣浆的应用比例可以从0提高到32%，微粒助留剂吨纸用量减少60%，前段干燥部的蒸汽压力明显降低，纸面掉毛掉粉明显减少。

2.2 案例2(河南某造纸厂)

2.2.1 添加F3000对纤维配比和成纸强度的影响

图9为添加F3000前后纤维配比的变化。图10为添加F3000过程中纸张抗张指数 (纵向)的变化。

图9 添加F3000前后纤维配比的变化

图10 添加F3000过程中纸张抗张指数 (纵向)的变化

图9和图10的结果表明，在外购针叶木浆降低了约10个百分点，自制漂白麦草浆提高了10个百分点的情况下，成纸纵向抗张强度保持基本不变甚至略有提高。

2.2.2 添加F3000后总生产成本的变化 (不含税)

由于添加F3000后，使纤维配比优化，纤维成本降低 (针叶木浆用量降低10个百分点)，助留剂成本降低 (吨纸用量降低约0.1 kg)，扣除F3000添加成本后，总的生产成本节约大约16元/t纸。打浆和蒸汽节省的能耗效益需要长期统计，未计入本次计算之内。

试验表明，在案例2中，自制漂白麦草浆比例提高了10个百分点，蒸汽消耗降低，生产总成本明显降低。

3 F3000的作用机理

F3000属于两性高分子物质，氨基能够提供阳离子组分，使填料表面阳离子化，加强了填料和纤维间的静电吸附作用，使灰分留着率得到提高。同时，PVAm存在高活性的伯胺基团，乙烯基甲酰胺中的羧基能够提供氢键结合，增加了纤维间的氢键结合，也就增加了纸张强度。纸张的干、湿强度得到大幅度提高后，可以减少造纸机断头及针叶木浆的使用比例，从而提高造纸机的运行效率。图11(a、b)为F3000与填料-纤维的相互作用。

4 结论

图11 F3000与填料-纤维的相互作用

本文主要介绍了巴斯夫公司的两性聚乙烯胺 (Xelorex F3000)在两个非木材纤维造纸厂中的应用情况，试验表明，F3000无论是对蔗渣浆纸张还是麦草浆纸张均有一定的增强作用，在使用过程中达到了以下目的。

4.1 优化纤维配比，在纸张强度达标的情况下，可使用更多更廉价的原料。

4.2 提高造纸机运行率，减少断纸。

4.3 节省能耗 (电能，蒸汽)。

4.4 总的生产成本下降。

［1］ CHEN Fu-shan，GUO Zhen，WANG Li-jun，et al．Preparation of Polyvinylamine and Its Application as Strength Aids［J］．China Pulp＆ Paper，2007，26(4):27．陈夫山，郭 振，王立军，等．聚乙烯胺的制备及其作为造纸增强剂的研究的研究［J］．中国造纸，2007，26(4):27．

［2］ 王焕煤．聚乙烯胺研究进展［J］．兰州石化职业技术学院学报，2009(3):7．

［3］ Esser A，Blum R，Gray C，et al．Reduce manufacturing costs for graphic paper grades by wet-end application of vinylformamide copolymers［C］//XXII Techicelpa-International Forest，Pulp and Paper conference，Tomar，Portugal，2013．

［4］ Esser A，Bauman P，Meixner H．Tailor made fixing agents base on polyvinylamine［C］//8thAnnual meeting．PAPTAC Montreal．2001．

［5］ 王 建，周晓伟，连安丰，等．聚乙烯胺替代阳离子淀粉作造纸增强剂的研究［J］．中华纸业，2010，31(16):36． CPP