新一代聚合物类干强剂在纸张增强中的作用

聚合物技术是造纸技术中不可或缺的一部分。更重要的是，要发现新一代聚合物可能具备的符合不同造纸需求的优势。该文研究了乙二醛化聚丙烯酰胺（GPAM）和霍夫曼聚乙烯胺（PVAm）2种聚合物类干强剂在纸张中的增强作用。结果表明：GPAM和PVAm能够提高纸张的压缩强度和耐破强度；3 kg的PVAm和GPAM吨纸添加量就足以使纸张的强度明显增加。

聚合物在造纸中至关重要。聚合物技术是阿斯凯莫化学品公司（Axchem）提供的以下所有技术中不可或缺的一部分，分别是：留着和滤水；再生纤维胶粘物控制固定剂；澄清；脱水；干强剂；临时湿强度；水相和纤维电荷控制；起皱化学品；铜网和毛毯污染控制；COD控制；沉积物控制。

历史上，淀粉是最有价值的天然聚合物，淀粉能够提供给纸张更好的干强度、留着以及其他性能优势。一个多世纪以来，淀粉一直是许多造纸解决方案的“支柱”。此次研究的目的是评估和量化合成聚合物是如何形成与强度相关的各种性质的。更重要的是，要发现这些新一代聚合物可能具备的符合不同造纸需求的优势。

生产干强剂的聚丙烯酰胺产品通常比用于留着的聚丙烯酰胺产品的相对分子质量要低得多。这些产品不是絮凝剂，但是可以加强纤维与纤维之间的结合，从而增加纸张的干强度。此外，随着时间的推移，这些聚合物会去除细小纤维，促使更大尺寸的细小纤维留在系统中。

本研究使用的聚合物均以丙烯酰胺为骨架。重要的是，聚合物已经进行了“调整（tuned）”来增强纸张的干强度性能。

专门用于滤水和留着的聚丙烯酰胺产品的相对分子质量往往比上述干增强剂产品要高得多。这些产品可用作自由流动的粉末、乳液、脱水/水包水或无油乳液。

在本研究中测试的聚合物是游离的乙二醛化聚丙烯酰胺（GPAM）；霍夫曼聚乙烯胺（PVAm）则由采用获得专利的霍夫曼降解反应用淀粉和阴离子聚丙烯酰胺生产。出于测试的目的，所使用的GPAM是及时使用的形式，而无需昂贵的现场化学发生器，由于实验所需，通常优选现场生成。这种聚合物的优势是它与纤维素纤维上的羟基基团（—OH）反应较强烈。

已经研究的第2种干强剂是PVAm原位与阴离子计数型阴离子聚丙烯酰胺（APAM）。

1 测量方法

如图1所示，首先准备5张纸在AxForm动态纸页成型器中用于测试每种干强度剂的效果。AxForm动态纸页成型器（DHF）具有完整的机器速度、流出控制和自动化学剂量系统。可以模拟的纸机速度高达1 300 m/min，能够生产纸幅为200 mm×850 mm的纸张，定量可达40～200 g/m2。在测试前以及测试中纸张的压榨和干燥需在AxForm烘干机上进行，如图2所示。

图1 AxForm动态纸页成型器

图2 AxForm压榨机和烘干机

确定每张纸张的质量以计算确切的定量。使用标准纸样，拍摄以下样品：纵向10 cm和横向10 cm的窄条以及4张10 cm×10 cm的正方形。使用Lorentzen&Wettre实验室压缩强度测试仪（CST）（图3）以及耐破强度测试仪（图4）测试纸张的压缩强度和耐破强度。

图3 L&W压缩强度测试仪STFI

图4 L&W耐破强度测试仪

第1次实验发现，随着干强剂用量的增加，纸张的定量也随之增加，如图5所示。在某种程度上，这说明了纸浆的留着增加。因此，考虑将每个纸样的质量作为指标，以确保结果的一致性。

图5 纸张的定量随着干强剂用量的增加而增加

2 观察

在此次评估中，使用的控制点是：（1）没有添加任何化学添加剂的纸张（空白样）；（2）有标准留着/滤水方案的纸张。然后将这些数据用于与其他添加干强剂纸张的空白样进行对比。

3 压缩强度的测试结果

分别添加GPAM和PVAm的纸张与对照纸样（空白样和添加助留剂）相比，它们可以产生更高的压缩强度。吨纸添加30～35 kg的GPAM能够使纵向纸样产生最高的压缩强度，与空白样相比强度增加19.8%～22.2%，如图6所示。

图6 不同干强剂、不同添加量下纸样的平均压缩指数的变化

当观察纵向纸样时发现，吨纸添加25 kg的PVAm能够使纸样达到最高的压缩强度，强度增加了22.7%，而吨纸添加25 kg的GPAM使纸样的压缩强度增加了21.3%。但是在现实生活中，造纸机上的助剂用量会大大降低，如图7所示。

4 耐破强度的测试结果

图7 较低的干强剂添加量下纸样的平均压缩指数的变化

与空白样相比，吨纸添加20 kg的PVAm能够使纸样的耐破强度增加34.2%，并且与空白样相比，吨纸添加25 kg的PVAm能够使纸样的耐破强度增加30.1%，吨纸添加25 kg的GPAM能够使纸样的耐破强度增加25.6%，如图8所示。

5 结论

图8 不同干强剂、不同添加量下纸样的平均耐破指数的变化

聚合物类干强剂能够提高纸张的压缩强度和耐破强度。当GPAM的吨纸添加量为35 kg时，纸张的压缩强度达到最高；当PVAm的吨纸添加量为20 kg/t时，纸张的耐破强度达到最高。然而，在纸机上实现纸张强度的增加并不需要如此高剂量的干强剂。

从图7可以观察到，3 kg的PVAm和GPAM吨纸添加量就足以使纸张的强度明显增加。

6 展望

未来的工作计划是在强度助剂用量和整体纸张强度之间建立最佳平衡。例如，25 kg的GPAM吨纸添加量能够使纸样的纵向压缩强度达到第2以及纸张的整体强度达到第3，第3高的压缩强度与第2高的强度增加之间仅有0.11%的差异，这个差异是由吨纸添加量30 kg的GPAM提供的。因此，需要选择一种折衷方案来确定最佳的综合强度，在耐破强度和压缩强度之间寻找最佳平衡，从而通过添加干强剂使纸张整体更加牢固。