在纖維原料惡化條件下能正常發揮作用的干強劑

在纖維原料惡化條件下能正常發揮作用的干強劑

造紙行業回收纖維的大量使用使濕部的運行環境變得非常復雜。在這種嚴峻條件下，造紙化學品如施膠劑、增強劑能正常發揮作用是至關重要的。該文介紹的日本新近開發的聚丙烯酰胺（PAM）類分散型聚合物助劑“POLYTENTION”在纖維原料惡化條件下表現出高凝聚性的同時還較好地提高了紙張強度；并且，該助劑還具有易溶于水、易于操作的優點。

目前，回收纖維的大量使用使造紙系統更加復雜化。回收纖維為主的抄造系統中，導電度上升，陰離子垃圾增加，各種造紙化學品難以發揮效果。如果為了維持紙張品質而增加化學品用量，不但導致成本上升，而且還會污染紙機，對操作帶來負面影響。在這種情況下，日本某公司開發了一種具有高凝聚性并能提高紙張強度的分散型PAM類干強劑。

1 分散型PAM類干強劑的開發

日本該公司對該系列分散型PAM類干強劑進行了如表1所示的改良研究。

表1 造紙環境變化對增強劑性能的影響和應對措施

該公司嘗試了通過2液并用，使開發的分散型PAM類干強劑達到了在控制凝聚性的同時提高增強效果的設計目的，并在用戶的實際應用中再現了良好效果。但是，干強劑在大幅改善網上的紙料脫水和纖維/化學品留著率方面有一定限度；另一方面，具有提高留著率（OPR）作用的是在抄造系統中添加的、增強其凝聚性的留著劑；問題是，如果過量添加留著劑的話，難免會給紙張品質帶來負面影響。留著劑自身的高凝聚性會破壞勻度，降低紙張強度，過量使用還有可能污染設備，還會帶來需要復雜的稀釋添加設備等問題。

為了解決上述這些問題，該公司在開發的干強劑新產品——POLYTENTION時考慮了如圖1所示的關鍵問題。

關于PAM類化學品，該公司特別關注的是如圖2所示的紙張增強效果和凝聚性的關系。

從圖2可以看出,市售的PAM類化學品的增強效果和凝聚性這2個指標幾乎是相互矛盾的。干強劑的主要目的是提高紙張強度,因此設計時使凝聚性受到一定程度的控制。故脫水性和OPR未必最適合某些抄紙系統。

圖1 開發POLYTENTION需要考慮的關鍵問題

另一方面，由于超高相對分子質量PAM類聚合物助留劑考慮到勻度和操作性的平衡，必須設定最佳添加量，在達不到脫水量和OPR目標的情況下，單純提高添加量不是理想的對策。

圖2 PAM類藥品的紙張增強效果與凝聚性的關系

該公司開發POLYTENION的目的是使它成為同時具有紙張增強效果和凝聚性的抄紙過程化學品，并要求其達到以下3項要求：（1）高相對分子質量的聚丙烯酰胺，使用時的低黏度；（2）具有高脫水性和高留著性；（3）像干強劑一樣，能夠成正比地提高紙張強度。

2 POLYTENION的典型性狀

表2中列出了該公司開發的“POLYTENION 1000”典型性狀。

表2 POLYTENTION和干強劑的典型性狀

由表2可見，POLYTENION 1000外觀為白色的分散液體；黏度與干強劑相近；離子組成與干強劑一樣，為兩性。在POLYTENION 1000的設計中稍微提高了其陽離子相對密度，獲得了不受填料和垃圾陰離子等影響的紙張增強性能和高留著性。同時，POLYTENION 1000還能幫助共用的其他化學品定著。因此，POLYTENION 1000發揮了降低總成本和優化抄紙條件的效果，能夠靈活應對各種情況。

3 POLYTENION的性能

POLYTENION具有在不降低紙張增強效果的同時能提高凝聚性的特點。

3.1 紙板抄紙實驗

以下通過紙板抄紙實驗來探討POLYTENION的性能。

3.1.1 紙板抄紙條件

紙板抄造條件如下。

（1）原料纖維：流送段紙板用瓦楞廢紙漿。

（2）化學品及其用量：硫酸鋁為1.5%，施膠劑為0.2%，POLYTENION 1000分別為0.05%和0.1%，留著劑分別為0.025%和0.05%，干強劑（該公司產品，固含量為15%，脫水型）分別為0.1%和0.2%。

（3）抄造pH=7.0，平均定量為150 g/m2。

（4）留著性：Britt-type Dynamic Jar Tester（攪拌轉數為2 000 r/min）。

（5）留著劑A和留著劑B，均為市售產品，有效成分均為15%。

3.1.2 結果和分析

抄紙實驗的結果和分析如下。

POLYTENION用量對成紙強度和脫水性的影響分別見圖3和圖4。

圖3 化學品用量對成紙耐破指數的影響

圖4 化學品用量對脫水性的影響

由圖3和圖4可見，紙張強度隨著干強劑用量的增加而提高，POLYTENION 1000也具有同樣的趨勢；二者的脫水量（凝聚性用脫水性評價）也是分別隨其用量的增加而增加。

圖5顯示了脫水量與耐破指數的關系。

圖5 脫水性和成紙的耐破指數的關系

由圖5可見，即使干強劑用量增加，脫水量變化也不大，而紙張強度提高。

圖6顯示了脫水性和勻度的相關性。

圖6 脫水性和勻度的相關性

如圖6所示，干強劑用量增加，勻度變動系數基本不變。與此形成對照，留著劑的用量增加，脫水性發生了很大的變化。但是，在獲得高脫水性的情況下，勻度受到顯著破壞，存在著紙張強度大幅下降的危險性。

在使用POLYTENION的情況下，在其用量比干強劑少的情況下就獲得了較高的脫水量。在此脫水量水平時，勻度不容易破壞，因而能提高紙張強度。

此外，圖7顯示了使用POLYTENION 1000情況下的纖維留著率。

圖7 使用POLYTENTION時的OPR

圖8顯示了同時使用POLYTENION 1000時的施膠效果。

圖8 使用POLYTENTION時的施膠效果

僅看留著性能，可以得出以下結論，POLYTENION 1000具有與助留劑大體相同的性能，并且施膠效果良好。這是因為POLYTENION設計所致——與助留劑不同的離子性的平衡產生了影響，使得施膠劑更好地定著，因而有可能發揮更好的效果。

3.2 中、高檔紙抄紙實驗

接著，在中、高檔紙的抄紙系統中，使用POLYTENION 1000，并且進行同樣的研究。

3.2.1 中、高檔紙抄紙條件

中、高檔紙抄造條件如下。

（1）原料纖維：LBKP紙碎解打漿后使用。

（2）化學品及其用量：硫酸鋁為1.5%，施膠劑為0.2%，輕質碳酸鈣為20%，POLYTENION 1000分別為0.05%和0.1%，留著劑分別為0.025%和0.05%，干強劑（該公司產品，固含量為15%，脫水型）分別為0.1%和0.2%。

（3）抄造pH=7.2，平均定量為60 g/m2，紙的平均灰分為8.2%。

（4）留著性：Britt-type Dynamic Jar Tester（攪拌轉數為2 000 r/min）。

（5）留著劑A和留著劑B，均為市售產品，有效成分均為15%。

3.2.2 結果和分析

中、高檔紙抄造實驗的結果和分析如下。

圖9和圖10與前面的圖3和圖4相對應，顯示了POLYTENION 1000用量對紙張強度和脫水性的影響。

圖9 化學品用量對成紙內部強度的影響

圖10 化學品用量對脫水性的影響

由圖9可見，隨著助留劑用量的增加，紙張內部強度下降的趨勢相當顯著。

脫水量和內部強度及勻度的關系分別見圖11和圖12。

因文化用紙的定量較低，勻度的變化對內部強度的影響很大。但是，在該文報告的用量水平，即使勻度變動系數在較高水平，POLYTENION 1000也能維持較高的紙張強度。

圖11 脫水性與內部強度的相關性

圖12 脫水性與勻度的關系

4 POL YTENION的添加方法

一般來說，為提高助留劑的凝聚力，需要提高助留劑相對分子質量。但是，其結果造成黏度升高，稀釋困難，因此必須配置專用稀釋加藥設備。而POLYTENION 1000具有粒子形狀，在進一步與稀釋水混合時，容易潤脹而成粒子狀，提高了其溶解性。

圖13顯示了POLYTENION 1000粒子在水里潤脹和溶解的狀態。

圖13 粒子的顯微鏡照片

粒子由于稀釋水的存在而潤脹，最終成為可溶解物質，可溶解速度取決于粒子直徑。因而，控制易溶解分子的組成和粒子直徑相當重要。

POLYTENION 1000的添加設備可利用原添加干強劑時使用的添加設備進行稀釋和添加（見圖14），不需要增加新的設備，這樣還能節省約1 m2的場地。

圖14 連續添加設備

5 結束語

PMA類微粒子聚合物“POLYTENION”可以兼顧紙張強度和改善操作性，是一種在纖維原料惡化條件下仍能正常發揮作用的干強劑。

（杜偉民）

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