高陽電荷密度聚合物對高得率漿助留助濾性能的影響

陳夫山 姜秀英 王松林 施士焱 田成杰

(1.青島科技大學(xué)化工學(xué)院,山東青島,266042;2.武漢市強龍化工新材料有限責任公司,湖北武漢,430023;3.天津市奧東化工有限公司,天津,300350)

高陽電荷密度聚合物對高得率漿助留助濾性能的影響

陳夫山1姜秀英1王松林1施士焱2田成杰3

(1.青島科技大學(xué)化工學(xué)院,山東青島,266042;2.武漢市強龍化工新材料有限責任公司,湖北武漢,430023;3.天津市奧東化工有限公司,天津,300350)

采用改性聚乙烯亞胺 (PEI)作為高得率漿中的陰離子垃圾捕捉劑,并與聚合氯化鋁(PAC)和聚二甲基二烯丙基氯化銨 (PDADMAC)等高陽電荷密度聚合物進行比較,探討了 PEI對高得率漿 CPAM/膨潤土體系助留助濾性能的影響。結(jié)果表明,相對分子質(zhì)量大和陽電荷密度高的改性 PEI作為陰離子垃圾捕捉劑可以顯著改善CPAM或CPAM/膨潤土體系對高得率漿的助留助濾性能。添加 0.02%的 PEI作為陰離子垃圾捕捉劑,CPAM用量為 0.03%時,高得率漿的濾水速度和總留著率比 CPAM單元體系分別提高了 16.0%和 1.9個百分點;比 CPAM/膨潤土微粒體系分別提高 28.6%和 3.0個百分點。

陰離子垃圾捕捉劑;聚乙烯亞胺;助留助濾;高得率漿

近幾年來,隨著造紙原料短缺和原料結(jié)構(gòu)的變化,廢紙漿、高得率漿得到了廣泛使用,另外,涂布損紙的回用、紙機白水封閉循環(huán)程度的提高以及多種造紙助劑的應(yīng)用,使得干擾性的陰離子雜質(zhì)在紙機濕部大量聚集、濃度越來越高,對紙機濕部操作的危害越來越大。尤其是隨著抄紙系統(tǒng)向中堿性體系的轉(zhuǎn)化,使陰離子垃圾的問題更加突出[1-2],這些陰離子物質(zhì)會降低陽離子聚丙烯酰胺 (CPAM)的濾水性能和留著效率[3-5]。

減小或消除溶解膠體物質(zhì) (DCS)干擾的常用方法是使用陰離子垃圾捕捉劑將 DCS固著在紙漿纖維上,使紙機濕部保持電荷平衡與穩(wěn)定[6-7]。改性聚乙烯亞胺 (PEI)具有陽電荷密度高、水溶性好、相對分子質(zhì)量易于控制等特點,可作為陰離子垃圾捕捉劑對漿料進行預(yù)處理,以凈化造紙體系中的DCS,還可以與填料和纖維產(chǎn)生較強的靜電力結(jié)合,從而改善紙料的濾水性能,提高紙料的留著率[8-10]。

本課題結(jié)合堿性過氧化氫機械漿 (APMP)在我國造紙業(yè)的應(yīng)用情況[11-12],通過應(yīng)用改性 PEI作為陰離子垃圾捕捉劑,并與聚合氯化鋁 (PAC)和聚二甲基二烯丙基氯化銨 (PDADMAC)進行比較,探討了 PEI對高得率漿 CPAM(/膨潤土)體系助留助濾性能的影響。

1 實 驗

1.1 實驗材料

本實驗所用的高得率漿為楊木APMP漿:打漿度36°SR,取自夏津泉林紙業(yè);改性聚乙烯亞胺 (PEI-1和 PEI-2):武漢強龍化工新材料有限責任公司生產(chǎn);PAC:壽光蔡倫申興精細化工有限公司生產(chǎn);PDADMAC:威海金鈺環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn);甲苯胺藍(TBO):國藥集團試劑公司生產(chǎn);聚乙烯醇硫酸鉀(PVSK):BTG公司生產(chǎn);CPAM助留助濾劑:固體,相對分子質(zhì)量 490萬,陽離子度 10%,由汽巴精化提供;造紙?zhí)盍霞壯心ヌ妓徕} (GCC):白度91.2%,壽光蔡倫申興精細化工有限公司生產(chǎn);膨潤土:M560,由汽巴精化提供。

1.2 實驗儀器

精細滴定管;雷磁 PHS-3C pH計;GBJ-A型纖維標準解離器;ZDJ-100打漿度測定儀;ZT6-00紙樣抄取器;ZQYCⅡ油壓機;ZT7-00紙樣干燥器。

1.3 實驗方法

1.3.1 PEI、PAC、PDADMAC電荷密度的測定

(1)分別用不同濃度的 NaOH調(diào)節(jié)溶液的 pH值,調(diào)至紙料 pH值 6.9。

(2)電荷密度的測定:取一定體積配制好的樣品溶液于錐形瓶中,加入一定體積的蒸餾水,再加入一定體積的甲苯胺藍 (TBO)溶液,用 PVSK標準液進行滴定,當溶液顏色由淺藍到淺紫紅色 (半小時不返色)時,到達終點。記錄所消耗的標準液并進行空白樣的滴定。

根據(jù)式 (1)進行電荷密度的計算:

式中:CD為電荷密度,mmol/g;C標準物為陰離子標準液 (PVSK)的濃度,mol/L;V標準物為滴定樣品溶液所消耗的標準液體積,mL;V空白為滴定空白溶液所消耗的標準液體積,mL;m為滴定溶液中含有的樣品的有效質(zhì)量,g。

1.3.2 紙料的準備

取高得率漿在纖維標準解離器中按 1.5%的濃度疏解 10 min,加入 20%用量的 GCC(用量為相對于絕干纖維,以下同),混合均勻后,稀釋至一定的濃度。多次疏解全部的紙料混合在一起。

1.3.3 PEI/CPAM助留實驗

(1)PEI體系:取一定紙料于 1000 mL塑料量筒中,在 500 r/min時加入 PEI,混合 90 s后,在紙樣抄取器上進行抄片。

(2)單元 CPAM體系:取一定紙料于 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,在紙樣抄取器上進行抄片。

(3)CPAM/膨潤土體系:取一定紙料于 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下高速攪拌 30 s以構(gòu)成高剪切作用,然后在 500 r/min下攪拌加入一定量的膨潤土,攪拌 60 s,在紙樣抄取器上進行抄片。

(4)將抄造的濕紙頁在 0.4 MPa壓力下,壓榨1 min,然后在紙樣干燥器中真空干燥 10 min。

(5)將干燥后紙頁剪成小片,于已烘干至質(zhì)量恒定的稱量瓶中,置于 (105±2)℃烘箱中烘干至質(zhì)量恒定,計算總留著率 R:

式中:m1為紙片在烘干后的質(zhì)量,g;m2為抄片前紙料中絕干纖維質(zhì)量,g;m3為抄片前紙料中絕干填料質(zhì)量,g。

1.3.4 PEI/CPAM助濾實驗

取一定紙料于 1000 mL塑料量筒中,按照 PEI/CPAM助留實驗程序設(shè)定剪切速率和加入助劑,然后加水至體積 1000 mL,利用打漿度測定儀測定打漿度。以肖伯爾打漿度表示紙料的濾水性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 PEI、PAC、PDADMAC的性質(zhì)

陰離子垃圾捕捉劑一般為高陽電荷密度的線性、相對分子質(zhì)量低的聚合物,包括無機陰離子垃圾捕捉劑 (如硫酸鋁、PAC等)和有機陰離子垃圾捕捉劑(如聚胺、PEI、PDADMAC等)。本實驗采用了具有代表性的兩種陰離子垃圾捕捉劑 (ATC),即有機ATC-PDADMAC和 PEI兩種改性物及無機 ATC-PAC。具體性質(zhì)列于表1中。

從表1可以看出,pH值為 6.9時,PEI的電荷密度明顯高于 PAC和 PDADMAC;PEI的相對分子質(zhì)量越大,電荷密度越高。

表1 PEI、PAC、PDADMAC的性質(zhì)

2.2 陰離子垃圾捕捉劑對高得率漿濾水和留著性能的影響

對于含有大量有機物、木素、樹脂和半纖維素等組分的高得率漿造紙體系,陰離子的積累會導(dǎo)致紙料濾水性能下降、留著性能降低以及紙張強度下降等一系列問題。在紙料中首先加入高電荷密度、相對分子質(zhì)量低的 PEI,對紙料中的陰離子雜質(zhì)進行捕集,使其分散定著到纖維上,不僅可排除陰離子雜質(zhì)的干擾,而且可以起到助留劑的作用,降低了白水的濃度,減少造紙過程中助留助濾化學(xué)品的消耗,有利于提高造紙系統(tǒng)中白水的封閉循環(huán)程度[3,13-15]。

本實驗首先考察了陰離子垃圾捕捉劑對高得率漿濾水和留著性能的影響 (見圖1和圖2)。

在提高紙料濾水速度方面,改性 PEI表面帶有大量的正電荷,能夠降低纖維的表面電荷,使其極性降低,水分子難以在纖維表面浸濕及定向排列;同時PEI能夠促使纖維的凝聚,導(dǎo)致纖維的比表面積降低,形成大的凝聚體,加快了脫水作用,提高了高得率漿的濾水速度。由圖1可以看出,隨著陰離子垃圾捕捉劑用量的增加,打漿度降低,濾水效果提高,當陰離子垃圾捕捉劑用量超過 0.02%時,打漿度降低趨勢減緩。電荷密度和相對分子質(zhì)量較高的 PEI-1的助濾效果明顯優(yōu)于 PEI-2以及PAC和 PDADMAC。

圖2表明,紙料總留著率隨著陰離子垃圾捕捉劑用量的增加而提高。電荷密度和相對分子質(zhì)量較高的 PEI-1在提高紙料留著率方面比 PEI-2以及 PAC和PDADMAC優(yōu)越。因為相對分子質(zhì)量較大和電荷密度較高的 PEI能夠促使纖維凝聚,電荷中和及吸附架橋能力增強,形成大的凝聚體,提高了細小纖維和填料的留著率。PEI-1用量為 0.02%時,紙料濾水速度和總留著率分別提高了 11.8%和 12.5%。

綜合圖1和圖2可以看出,不同用量的 PEI加入高得率漿時,PEI的相對分子質(zhì)量和電荷密度對高得率漿濾水和留著性能影響很大。隨相對分子質(zhì)量及電荷密度的增加,電荷中和及吸附架橋能力增強,相對分子質(zhì)量較高的 PEI對高得率漿有較明顯的助留助濾效果。故電荷密度和相對分子質(zhì)量較高的 PEI在促進紙料 CPAM體系濾水速度和留著率方面性能優(yōu)越。以下實驗選用用量為 0.02%的改性 PEI-1作為陰離子垃圾捕捉劑,探討 PEI對 CPAM/膨潤土體系助留助濾性能的影響。

2.3 PEI作為ATC對高得率漿 CPAM單元體系與微粒體系濾水和留著性能的影響

2.3.1 PEI對高得率漿 CPAM單元體系濾水和留著性能的影響

圖3、圖4為 PEI對不同用量 CPAM單元體系濾水和留著性能的影響,由圖3、圖4可以看出,加入PEI時,高得率漿的打漿度比 CPAM單元體系明顯降低,留著率比 CPAM單元體系明顯提高。CPAM用量為 0.03%時,濾水速度和總留著率比 CPAM單元體系分別提高了 16.0%和 1.9個百分點。這是因為先加入 PEI中和紙料中的陰離子垃圾以減少其對陽離子助留劑 CPAM的影響,因此提高了 CPAM的效率,即同樣用量下,會有更多的 CPAM通過靜電作用并主要通過橋聯(lián)作用使纖維及細小組分發(fā)生絮凝,這時紙料中的細小組分 (包括細小纖維和填料)附著到較長纖維的表面上并形成體積較大的絮聚體。這樣,既增加了細小組分的留著,同時使細小組分間的空隙增大,加快了體系的濾水。

2.3.2 PEI對高得率漿 CPAM/膨潤土微粒體系濾水和留著性能的影響

圖5、圖6是膨潤土用量為 0.3%時,PEI對不同用量 CPAM與其組成的微粒體系濾水和留著性能的影響。

從圖5、圖6可以看出,CPAM用量在 0～0.04%范圍內(nèi)時,PEI/CPAM/膨潤土三元體系對高得率漿的助留助濾效果優(yōu)于 CPAM/膨潤土體系。當CPAM用量為 0.03%時,高得率漿的濾水速度和總留著率分別比微粒體系提高了 28.6%和 3.0個百分點。CPAM用量超過 0.03%以后,三元體系留著率反而降低,有使體系絮凝效果下降的趨勢。這是因為 PEI是高陽電荷聚合物,它可以減少陰離子垃圾對陽離子助留劑 CPAM的影響,還可以中和纖維和細小纖維表面陰電荷。再加入的 CPAM通過架橋作用產(chǎn)生較大的絮聚物,受到高剪切力作用后,大的絮塊被分裂或切斷成不可逆的小絮體。后加入的帶負荷的膨潤土微粒會與這些小絮體相結(jié)合,靠靜電作用力形成微絮聚物。因此再增加 CPAM的用量可能使系統(tǒng)的電荷趨向平衡,引起體系局部陽電荷過剩,后加入的膨潤土?xí)c CPAM直接反應(yīng),降低 CPAM與纖維、細小纖維和填料之間的架橋作用,影響三元體系的絮凝效果。

3 結(jié) 論

3.1 電荷密度和相對分子質(zhì)量較高的改性聚乙烯亞胺 (PEI)作為陰離子垃圾捕捉劑,可以顯著改善陽離子聚丙烯酰胺 (CPAM)或CPAM/膨潤土體系作為高得率漿助留助濾劑的效果。

3.2 當 CPAM用量為 0.03%,添加 0.02%的 PEI作為陰離子垃圾捕捉劑時,高得率漿的濾水速度和總留著率比 CPAM單元體系分別提高了 16.0%和1.9個百分點;比 CPAM/膨潤土微粒體系分別提高 28.6%和3.0個百分點。

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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

陳夫山先生,博士,教授;主要研究方向:造紙助劑、造紙濕部化學(xué)及功能材料。

(＊E-mail:jiangxiuying-78@163.com)

2009-11-30(修改稿)

本項目得到國家“十一五”科技支撐項目(項目編號:2006BAD32B05)資助。

(責任編輯:趙旸宇)