AKD碱性造纸施胶剂

AKD碱性造纸施胶剂2007-12-1812:37AKD中性/碱性造纸施胶剂进行浆内施胶，其施胶效果除与AKD乳液本身的质量性能有关外，还与应用工艺条件及造纸原料种类有关［1～4］。也就是说如果使用时不根据实际生产情况，有针对性的采取相应的措施，制订合理的施胶工艺和操作使用规程，那么施胶效果可能很差，甚至丧失。AKD胶因阳离子化而使胶料表面带有正电荷，造纸纤维本身呈负电性，通过静电吸附使AKD胶粒定着到纤维上，经脱水干燥后，AKD分子的反应基团和纤维上的羟基反应生成牢固的共价键，AKD分子的疏水端定向朝外，形成单分子膜，使纸页表现出较好的疏水功能[5～9]。由于AKD胶的施胶量为0.15%～0.30%，用量很少，加上供浆系统如泵、压力筛等高剪力设备的作用，吸附到纤维上的AKD胶粒部分会从纤维上脱落下来[2～9]。因此为保证有限的AKD胶粒尽可能留着在纤维上，发挥应有的施胶效能，对AKD的应用工艺条件进行系统的探讨分析来指导生产，具有十分重要的意义。AKD-LT中性施胶剂的应用研究，采用阳离子淀粉—阴离子聚丙烯酰胺双组分助留系统。研究探讨和分析了阳离子淀粉、阴离子聚丙烯酰胺，CaCO3填料，pH值和干燥温度等对AKD施胶的影响，并且也对麦草浆配比改变后的施胶效果进行了评价。1实验材料及方法1.1化学药品中等电荷密度阳离子淀粉，A-PAM(相对分子质量300～500万)，填料为沉淀CaCO3，AKD-LT中性施胶剂(AR10)。1.2纤维原料进口商品漂白针叶木浆，打浆度30°SR；漂白阔叶木浆，打浆度30°SR。国产漂白麦草浆，打浆度28°SR(除特别说明外，所有纸样纤维材料配比：针∶阔∶草35∶35∶30，CaCO3用量20%)。1.3抄片西北轻工业学院ZQJ1200mm抄片器，纸张定量80g/m2。1.4纸的熟化方法纸片经干燥后，放入105℃烘箱，熟化15min，取出冷却至室温后进行施胶度测定。1.5施胶度测定方法采用硫氰酸铵溶液和三氯化铁试剂的滴定渗透法测定。1.6纸张灰分测定方法［10］填料为CaCO3的纸样，灼烧温度为(575±25)℃；滑石粉填料纸样，灼烧温度为(925±25)℃。2结果与讨论2.1阳离子淀粉用量与纸页施胶度在AKD施胶助留系统中，加入阳离子淀粉能吸附纸浆中的细小纤维和填料，提高细料的首程留着率和灰分，同时促进AKD胶粒的稳定性和提高AKD在长纤维上的留着率，提高纸页的强度和挺度。为保证AKD胶最大的留着率和较好的抗水性能，在AKD和A-PAM用量不变的情况下，对阳离子淀粉的用量进行研究，试验结果如图1所示。图1阳离子淀粉用量与纸页施胶度关系曲线注：AKD用量0.2%，CaCO3用量20%，A-PAM用量150×10-6由图1看出，在开始阶段适度添加阳离子淀粉有助于AKD的留着，对提高纸页的抗水性能有促进作用，然而当阳离子淀粉用量达到0.5%以上时，施胶性能几乎变化不大，即使进一步提高其用量，施胶度也没明显的提高。2.2A-PAM的用量与纸页施胶度阳离子淀粉和AKD胶都带正电荷，利用静电吸附作用力，吸附到带负电的造纸纤维上。然而，吸附在细料上的AKD胶粒，部分会随白水一起流走。而阴离子聚丙烯酰胺是一种高分子聚合物，同样利用静电吸附原理，将细料与细料、细料与长纤维、纤维与AKD胶粒桥联在一起，形成大的颗粒或较小的纤维絮聚，浆料上网后留着在网上，从而提高AKD的留着率和成纸灰分的含量。从图2中看出，在双组分助留系统中，阳离子淀粉、AKD用量一定的情况下，纸张施胶度随阴离子聚丙烯酰胺用量的增加而提高，说明A-PAM对AKD的留着具有相当重要的作用。如果不加A-PAM,纸张的施胶度只有要求的20%～30%,但是当A-PAM用量超过250×10-6时,纸页的匀度变坏。因此,根据造纸纤维原料性能差异((Zeta电位),其用量会有所不同，一般控制在(150～200)×10-6范围内，既能达到助留的目的，同时又不影响纸页的匀度。图2A-PAM用量与纸页施胶度关系曲线注：AKD用量0.2%，CaCO3用量20%，CS用量0.7%2.3AKD用量与纸页施胶度图3是对两种不同阳离子试剂AKD乳液用量进行对比实验的。图3AKD用量与纸页施胶度关系注：CS用量0.7%，CaCO3用量20%，A-PAM用量150×10-6施胶曲线表明，在同样AKD胶用量下，树脂型AKD胶具有比淀粉型AKD胶较高的抗水性能，并且树脂型AKD在用量0.2%时，就能满足纸张抗水要求，而淀粉型AKD只有当用量达到0.25%以上时才具有同样的施胶效果，且无论何种类型AKD，当其用量小于0.1%时，纸张几乎没有施胶度，而当AKD用量超过0.4%时，施胶度几乎不上升，说明AKD只要在一定的使用范围内就能收到满意的施胶效果，用量过大不能进一步提高成纸的抗水性能，反而会降低纸的物理强度，给纸机抄造带来麻烦。2.4pH值与纸页施胶度(见表1)AKD施胶也与施胶系统的pH值有关。只有在中性或碱性条件下，AKD的内酯环打开与纤维上的羟基进行酯化反应，生成牢固的共价键而产生抗水功能。AKD施胶最佳的pH值范围是7.5～8.5。表1不同pH值下AKD施胶与纸页抗水性关系pH值6.57.07.58.09.010施胶度/s505160656863实验结果表明，随着pH值提高，纸页的施胶度逐渐上升，尤其在pH值6.5升到7.5范围内，施胶度上升最快。当pH值大于8.0时，纸张的施胶度上升速度减缓。考虑到采用CaCO3填料，AKD施胶刚开始时要用碱来调节pH值，到白水实现封闭回用后，CaCO3本身是一种pH缓冲剂，使系统的pH值处在7.5左右，所以就不必再加碱。因此，在抄片时施胶系统pH值控制在7.5。2.5干燥温度和熟化时间与纸页施胶度AKD中性/碱性抄纸，因AKD相对不活泼，在湿部AKD胶粒只是留在湿纸幅中，并没有进行反应，只有在一定温度下干燥后，才进行酯化反应，产生永久定着。因此温度是纸张抗水性能好坏的关键因素之一［11］。图4为不同干燥温度下纸张的抗水性能曲线。图4清晰表明，干燥温度和熟化时间对成纸施胶度有很大的影响，干燥温度越高，纸的施胶度越高，且施胶发展熟化时间越短。当干燥温度低于90℃，AKD用量为0.2%时，不管自然熟化时间多长，其施胶度也难以达到应有的水平。因此，在保证不影响成纸质量的前提下，尽可能提高干燥温度，就可以达到较高的施胶效果和缩短施胶熟化时间。图4不同干燥温度下熟化时间与纸页施胶度的关系2.6填料与纸页施胶度酸性造纸一般采用滑石粉、高岭土为造纸填料，也有一些需要高白度的纸种使用钛白粉作为造纸填料。对于碱性造纸，滑石粉、高岭土作为填料会降低AKD的施胶效能，而钛白粉作为填料价格太昂贵。碳酸钙填料白度相对较高，价格又相对便宜，本身可作为系统pH值缓冲剂，适用于作AKD碱性造纸填料，对AKD施胶效能影响相对较小。实验结果表明在pH值7.5时，CaCO3用量在20%～25%，AKD用量0.2%，仍有相当的施胶度，基本上能满足成纸的质量要求。从图5可看出，在AKD用量一定的条件下，纸的施胶度随CaCO3用量的增加而不断下降，说明CaCO3是导致AKD施胶效果下降的主要原因之一。图5CaCO3填料用量与纸页施胶度关系注：AKD用量0.2%，CS0.7%，A-PAM150×10-62.7麦草浆配比量对AKD施胶效能的影响我国长纤维资源缺乏，进口商品浆价格高，国内纸厂总希望少配入一些商品针叶木浆，多用一些非木材纤维，以降低生产成本。然而随着麦草浆用量的增加，纸的抗水性能下降。当用麦草浆配抄纸时，为保证同样的施胶度，AKD用量必须加大。到目前为止尚不清楚为什么草浆施胶比木浆施浆困难，有人解释为草类浆阴离子类成分多，且组分复杂；也有人解释氯离子含量高等影响到AKD的用量和施胶效能的发挥。表2为不同比例漂白针叶木浆对漂白草浆用量与施胶度关系。表2不同草木浆比例在相同施胶条件下的施胶结果针叶木浆/麦草浆CS/%AKD/%A-PAM/10-6施胶度/s100/00.70.220011680/200.70.22008660/400.70.22007850/500.70.22007240/600.70.22006670/800.70.2200530/1000.70.22008通过漂白针叶木浆和漂白麦草浆配比的改变，在各种助剂等工艺条件完全相同的条件下，可以看出随着浆料中麦草浆使用比例的增大，其成纸施胶度明显下降，到麦草浆配比超出80%以上时，成纸的抗水性要求就不能满足产品的规定指标。全木浆施胶，其施胶度非常高，而全麦草浆施胶施胶度几乎没有。因此，根据生产纸种的档次不同，可以对AKD胶的用量和木浆的使用比例进行相应的调整，以取得最好的经济效益。2.8不同的施胶程序对成纸施胶质量的影响由前面所述，树脂型AKD胶乳具有较高的正电性，对纤维的吸附能力很强。特别是纸料中的细料，其比表面积大，相对负电荷密度大，AKD胶加进纸料中后，优先吸附到细料上，使得长纤维上吸附的AKD胶量减少。草类原料具有较多的细小纤维和较复杂的阴离子组分，而木浆纤维相对只有部分因打浆或磨浆产生的少量细小纤维，相对草浆来说其量要少得多，通过改变双组分助留系统中阳离子淀粉的添加位置，了解添加顺序对施胶效果的影响，表3为实验结果。试样1～8号浆料配比为针叶浆30%和阔叶木浆70%，纸样9～12号浆料配比为35%针叶木浆、35%阔叶木浆和30%麦草浆；碳酸钙用量都是20%；其中1～4和9～10号纸样，施胶顺序为AKD→CS→APM。5～8和11～12号纸样施胶程序为CS→AKD→A-PAM。表3施胶程序对纸页施胶度的影响抄片号CS/%AKD/%A-PAM/×10-6施胶度/s10.50.181206420.50.1820014931.00.1812013341.00.1820011150.50.181205760.50.182006271.00.181204481.00.182005791.00.212055101.00.220060111.00.212061121.00.220063从表中可知，不同的施胶顺序，不同的浆料配比，对成纸的施胶结果有影响。全木浆抄纸，AKD用量少，施胶度高，AKD加在阳离子淀粉前其施胶度高出1倍左右。这进一步说明一方面木浆纤维易施胶，另一方面木浆纤维中细小纤维的量少。对于麦草浆配抄纸，阳离子淀粉加入位置的改变对纸页施胶度影响不大，相对来说还是先加阳离子淀粉施胶效果要好一些。2.9不同种类施胶剂施胶性能对比表4为不同施胶剂的施胶结果比较。表4松香胶、分散松香胶、AKD-LT的施胶工艺条件pH松香胶分散松香胶AKD-LT原料配比(针/草)20/8020/8020/80pH4.56.07.5施胶剂用量/%1.31.00.2硫酸铝用量/%6.02.8—CS用量/%—0.70.7PAM/×10-6—200200填料用量/%滑石粉20CaCO320CaCO320裂断长/m385043804490耐破度/kg.cm-21.642.452.60施胶度/s466159灰分/%11.2813.74(折合CaCO3)17.71(折合CaCO3)填料留着率/%56.468.785.8表4结果表明，AKD-LT中性施胶纸具有较高的物理强度和较高的填料留着率，裂断长比松香胶施胶纸高16.7%，比分散松香胶施胶纸高2.5%；填料留着率比松香胶施胶纸高29.4%，比分散松香胶施胶纸高17.1%。实验证明经AKD中性施胶后的纸张，在施胶度相当的条件下，填料留着率较大，而强度比酸性施胶纸高得多。采用AKD中性抄纸后，虽然施胶成本有所增加，但高的填料用量及填料留着率，可以减少纤维的用量，或增加草浆的配比。从这个角度看，可以降低原材料的消耗，使生产成本下降。普通松香胶施胶成本(包括填料成本)一般在120～160元/t纸，AKD中性施胶成本在240～260元/t纸范围,比酸性施胶成本高出近一倍。然而实验和工厂实践报道［6,12,13］,中性造纸细料的首程留着率和成纸灰分含量高于酸性造纸。由表4数据可知中性纸灰分含量比酸性