不同特征黏度PDADMAC控制DCS的研究

毕可臻，唐栩靓，娄昀璟，刘萃莹，姚献平，赵文彦

（浙江杭化新材料科技有限公司国家造纸化学品工程技术研究中心杭州市化工研究院，浙江 杭州 311305）

溶解与胶体物质（dissolved and colloidal substances，DCS）在纸机系统中的富集与沉积是长期以来困扰造纸工作者的难题之一。DCS的存在会严重影响纸机的运行性、化学品的使用效率及纸张的物理性能[1-3]。

采用阴离子垃圾捕捉剂（anionic trash catcher，ATC）可以使阴离子性较强的DCS成分有效地固定到纤维上，抄入纸页而带出抄造系统，使得系统得到净化。常用的阴离子垃圾捕捉剂有无机类的硫酸铝[Al2（SO4）3]、聚合氯化铝（PAC），有机合成类的聚胺（polyamine，PA）、聚二甲基二烯丙基氯化铵[poly（diallyldimethylammonium chloride)，PDADMAC]、聚乙烯亚胺（polyethyleneimine，PEI）等，以及天然高分子类的高阳离子度淀粉（highly cationic starch，HCS）等[4-5]。相比于其他阴离子垃圾捕捉剂，PDADMAC具有能同时达到较高正电荷密度和较高相对分子质量（10万～100万）的特点，同时其相对分子质量易于控制，是高性价比阴离子垃圾捕捉剂的代表之一，对其综合应用性能值得详细研究。

对于分子结构一定的ATC，相对分子质量是影响其使用性能的重要因素。本文作者制备了特征黏度系列化的PDADMAC样品，对其作为阴离子垃圾捕捉剂的应用效果进行了研究。

1 实验

1.1 实验原料

瓦楞纸浆:自制，打浆度为38°SR；质量分数为0.67%的浆料水相阳离子需求量为135 μmol/L（用瑞典BTG公司的PCD-04颗粒电荷测定仪测得）。

PDADMAC，实验室自制。其他化学品，均为分析纯。

1.2 实验仪器

4-0.57乌氏黏度计，上海良晶玻璃仪器厂；PL4-00型23L瓦力打浆机，咸阳泰思特试验设备有限公司；YT-DJ-100打浆度测定仪，杭州研特科技有限公司；GBJ-A纤维标准解离器，长春市月明小型试验机有限责任公司；PCD-04型颗粒电荷测定仪，瑞典BTG公司；SZP-10型Zeta电位测定仪，瑞典BTG公司；DFR-05型动态滤水仪，瑞典BTG公司；TDT-2浊度仪，武汉恒岭科技有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 PDADMAC基本性能的测定

PDADMAC产品最重要的基本理化性质指标是特征黏度和电荷密度。其中特征黏度的测定参照国家标准GB/T 33085—2016《水处理剂 聚二甲基二烯丙基氯化铵》，使用乌氏黏度计进行测量。电荷密度根据胶体滴定原理[6]，使用PCD-04型颗粒电荷测定仪进行测量。

1.3.2 阴离子垃圾捕捉剂应用效果分析

取一定量的瓦楞纸浆，加清水配制成质量分数为3%的浆料，置于疏解机中，20 000 r下对其进行疏解，然后稀释成质量分数为0.67%的浆料。加入不同种类（分别标记为 A、B、C、D、E 和 F，下同）和不同用量（分别占绝干浆的质量分数，下同）的PDADMAC，使用SZP-10型Zeta电位测定仪测量其Zeta电位。使用325目网过滤浆液，使用PCD-04型颗粒电荷测定仪测量滤液阳离子需求量。

将疏解后的瓦楞纸浆稀释成质量分数为0.3%的浆料，加入不同种类和不同用量的PDADMAC，使用DFR-05型动态滤水仪测量其滤水性能。同时使用TDT-2浊度仪测量滤液的浊度。

将动态滤水仪得到的滤液，使用1 μm玻璃纤维膜过滤。将膜及其上的滤质于温度105℃烘干，可计算得到原滤液中细小组分含量。将膜过滤后的滤液烘干，可计算得到原滤液中DCS含量。

2 结果与讨论

2.1 不同特征黏度PDADMAC在浆料中的吸附行为分析

使用阴离子垃圾捕捉剂最希望达到的理想效果是将水相中的阴离子垃圾全部中和，而纤维的负电荷得到保留，以确保其他造纸助剂能被负电性的纤维吸附。实验所用的瓦楞纸浆水相阳离子需求量为135 μmol/L，假定水相中阴离子垃圾全部被中和，根据等电荷作用原理，可以计算得到所需要的阴离子垃圾捕捉剂的理论用量，如表1所示。

表1 PDADMAC理化性质及其中和浆料水相阴离子垃圾所需理论用量

从表1可见:特征黏度＜2 dL/g的4种PDADMAC，其电荷密度差别不大，因此这4种PDADMAC中和浆料水相阴离子垃圾所需的理论用量基本相同；当PDADMAC的特征黏度＞2 dL/g时，电荷密度值明显增加，中和浆料水相阴离子垃圾所需的理论用量减少。

事实上，ATC不可能百分之百地作用于阴离子垃圾，部分ATC将被纤维吸附。ATC作用于阴离子垃圾，将导致水相阳离子需求量下降。PDADMAC降低水相阳离子需求量的实验结果如图1所示。

从图1可见，随着PDADMAC用量的增加，水相阳离子需求量逐渐降低。在相同用量时，PDADMAC的特征黏度越大，阳离子需求量下降得越快。当PDADMAC用量为0.200%时，6个样品分别可以使阳离子需求量降低 45.38%、50.79%、55.81%、59.69%、61.79%和66.67%。

图1 PDADMAC用量对水相阳离子需求量的影响

从阳离子需求量的下降程度可以计算出有多少ATC消耗于阴离子垃圾，同时可以计算有多少ATC被纤维吸附。PDADMAC作用于阴离子垃圾的量如图2所示。

图2 PDADMAC消耗于阴离子垃圾的百分比与PDADMAC用量的关系

从图2可见，随着PDADMAC用量增加，消耗于阴离子垃圾的百分比均逐渐降低，即中和阴离子垃圾的效率下降。说明ATC用量越大，有更大比例的PDADMAC吸附到纤维上。此外，6个样品中，中间特征黏度值的样品C和D消耗于阴离子垃圾的百分比较高，说明PDADMAC的相对分子质量对于ATC的作用效果影响较大。针对不同的阴离子垃圾，需要合适特征黏度的PDADMAC才能起到较佳的作用效果。

结合图1和图2可以得知，在同样PDADMAC用量条件下，PDADMAC的特征黏度越大，浆料水相阳离子需求量下降越快，但PDADMAC消耗于阴离子垃圾的百分比先增加后降低，说明一部分特征黏度较高的PDADMAC，既未与阴离子垃圾作用，也未与纤维作用，而是残留在浆料水相中。

2.2 不同特征黏度PDADMAC对浆料滤水速度和白水浊度的影响研究

ATC作用于细小纤维导致其凝聚一般会改善浆料的滤水性能[7]。PDADMAC对于浆料滤水速度的影响结果如图3所示。

图3 PDADMAC用量对浆料滤水速度的影响

由图3可见，随着PDADMAC用量增加，浆料滤水速度均加快。加入ATC后一般会改善纸浆的滤水性能，这主要是由于ATC导致部分胶体物质和纤维发生凝聚的原因。在同样用量下，随着PDADMAC特征黏度增加，滤水速度均加快，可能是因为相对分子质量越大，胶体物质和纤维与PDADMAC的桥联作用更强，使得胶体物质和纤维间更容易产生絮凝，滤水速度也随之变大。

同时可见，样品A和B对滤水速度影响较小。另4个样品，随着用量增加，滤水速度明显加快。说明针对某浆料，ATC的相对分子质量要增加到一定水平，才能起到明显的提高滤水性能的作用。

ATC作用于阴离子垃圾将导致部分胶体物质的凝聚以及部分溶解物质的析出，前者导致纸机白水浊度的下降，后者导致白水浊度的上升。另外，ATC吸附于纤维表面导致纤维特别是细小纤维的凝聚，也会明显导致白水浊度的下降[8]。PDADMAC对于浆料白水浊度的影响结果如图4所示。

由图4可见，随着PDADMAC用量增加，白水浊度迅速下降。这主要是由于PDADMAC会导致部分胶体物质凝聚的原因。

在同样用量下，随着PDADMAC特征黏度增加，白水浊度下降。当PDADMAC用量为0.200%时，6个样品分别可以使白水浊度降低36.75%、54.28%、69.85%、80.50%、81.32%和84.26%。说明相对分子质量越大的PDADMAC越容易将细小纤维和胶体物质絮凝，从而使白水的浊度得到降低。同时，从浊度的变化情况也可以推论，溶解和胶体物质与PDADMAC复合体的形成并使白水浊度上升的作用不明显。

图4 PDADMAC用量对白水浊度的影响

2.3 不同特征黏度PDADMAC对白水中细小组分和DCS含量的影响研究

本研究将白水中的固体物质分成2部分，其中1～75 μm的颗粒被称为细小组分，1 μm以下的粒子被称为DCS。PDADMAC对于白水中细小组分含量的影响结果如图5所示。

图5 PDADMAC用量对白水中细小组分含量的影响

由图5可见，随着PDADMAC用量增加，白水中细小组分含量迅速下降。这是因为部分细小组分已在PDADMAC的作用下被固着到纤维上的缘故。该结果与白水浊度的下降规律一致，说明细小组分对浊度有一定的贡献。

在同样用量下，随着PDADMAC特征黏度增加，白水中细小组分含量均下降。说明相对分子质量越高，PDADMAC越易与细小组分物质反应并被固着到纤维上，从而导致细小组分含量降低。

PDADMAC对于白水中DCS含量的影响结果如图6所示。

图6 PDADMAC用量对白水中DCS含量的影响

由图6可见，对相对分子质量最低的样品A，随着PDADMAC用量增加，DCS含量先下降后略增加，但均低于初始值。对相对分子质量最高样品E和F，随着PDADMAC用量增加，DCS含量逐渐增加。对相对分子质量中间的3个样品，随着PDADMAC用量增加，DCS含量先增加后下降，但均高于初始值。

随着PDADMAC用量增加，白水浊度下降，细小组分含量下降，但DCS含量出现增加现象，分析原因是部分中和的溶解物质析出导致水中的总溶解和胶体物质含量增大。

3 结论

（1）电荷密度相近的情况下，对某一特征黏度的PDADMAC而言，在研究的范围内用量越多，越容易与浆料中的DCS作用，降低阳离子需求量；越有利于提高滤水速度和降低白水浊度；越有利于降低细小纤维含量。

（2）相同用量下，PDADMAC的特征黏度越高，越容易与浆料中的DCS作用，降低阳离子需求量；越有利于提高滤水速度和降低白水浊度；越有利于降低细小纤维含量。

（3）对于实验浆料，特征黏度分别为1.31 dL/g和1.74 dL/g的PDADMAC，相比其他的PDADMAC有更大比例消耗于阴离子垃圾上；同时，有更高的DCS含量。