不同特征黏度PDADMAC控制DCS的研究

畢可臻，唐栩靚，婁昀璟，劉萃瑩，姚獻平，趙文彥

（浙江杭化新材料科技有限公司國家造紙化學品工程技術研究中心杭州市化工研究院，浙江 杭州 311305）

溶解與膠體物質（dissolved and colloidal substances，DCS）在紙機系統中的富集與沉積是長期以來困擾造紙工作者的難題之一。DCS的存在會嚴重影響紙機的運行性、化學品的使用效率及紙張的物理性能[1-3]。

采用陰離子垃圾捕捉劑（anionic trash catcher，ATC）可以使陰離子性較強的DCS成分有效地固定到纖維上，抄入紙頁而帶出抄造系統，使得系統得到凈化。常用的陰離子垃圾捕捉劑有無機類的硫酸鋁[Al2（SO4）3]、聚合氯化鋁（PAC），有機合成類的聚胺（polyamine，PA）、聚二甲基二烯丙基氯化銨[poly（diallyldimethylammonium chloride)，PDADMAC]、聚乙烯亞胺（polyethyleneimine，PEI）等，以及天然高分子類的高陽離子度淀粉（highly cationic starch，HCS）等[4-5]。相比于其他陰離子垃圾捕捉劑，PDADMAC具有能同時達到較高正電荷密度和較高相對分子質量（10萬～100萬）的特點，同時其相對分子質量易于控制，是高性價比陰離子垃圾捕捉劑的代表之一，對其綜合應用性能值得詳細研究。

對于分子結構一定的ATC，相對分子質量是影響其使用性能的重要因素。本文作者制備了特征黏度系列化的PDADMAC樣品，對其作為陰離子垃圾捕捉劑的應用效果進行了研究。

1 實驗

1.1 實驗原料

瓦楞紙漿:自制，打漿度為38°SR；質量分數為0.67%的漿料水相陽離子需求量為135 μmol/L（用瑞典BTG公司的PCD-04顆粒電荷測定儀測得）。

PDADMAC，實驗室自制。其他化學品，均為分析純。

1.2 實驗儀器

4-0.57烏氏黏度計，上海良晶玻璃儀器廠；PL4-00型23L瓦力打漿機，咸陽泰思特試驗設備有限公司；YT-DJ-100打漿度測定儀，杭州研特科技有限公司；GBJ-A纖維標準解離器，長春市月明小型試驗機有限責任公司；PCD-04型顆粒電荷測定儀，瑞典BTG公司；SZP-10型Zeta電位測定儀，瑞典BTG公司；DFR-05型動態濾水儀，瑞典BTG公司；TDT-2濁度儀，武漢恒嶺科技有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 PDADMAC基本性能的測定

PDADMAC產品最重要的基本理化性質指標是特征黏度和電荷密度。其中特征黏度的測定參照國家標準GB/T 33085—2016《水處理劑 聚二甲基二烯丙基氯化銨》，使用烏氏黏度計進行測量。電荷密度根據膠體滴定原理[6]，使用PCD-04型顆粒電荷測定儀進行測量。

1.3.2 陰離子垃圾捕捉劑應用效果分析

取一定量的瓦楞紙漿，加清水配制成質量分數為3%的漿料，置于疏解機中，20 000 r下對其進行疏解，然后稀釋成質量分數為0.67%的漿料。加入不同種類（分別標記為 A、B、C、D、E 和 F，下同）和不同用量（分別占絕干漿的質量分數，下同）的PDADMAC，使用SZP-10型Zeta電位測定儀測量其Zeta電位。使用325目網過濾漿液，使用PCD-04型顆粒電荷測定儀測量濾液陽離子需求量。

將疏解后的瓦楞紙漿稀釋成質量分數為0.3%的漿料，加入不同種類和不同用量的PDADMAC，使用DFR-05型動態濾水儀測量其濾水性能。同時使用TDT-2濁度儀測量濾液的濁度。

將動態濾水儀得到的濾液，使用1 μm玻璃纖維膜過濾。將膜及其上的濾質于溫度105℃烘干，可計算得到原濾液中細小組分含量。將膜過濾后的濾液烘干，可計算得到原濾液中DCS含量。

2 結果與討論

2.1 不同特征黏度PDADMAC在漿料中的吸附行為分析

使用陰離子垃圾捕捉劑最希望達到的理想效果是將水相中的陰離子垃圾全部中和，而纖維的負電荷得到保留，以確保其他造紙助劑能被負電性的纖維吸附。實驗所用的瓦楞紙漿水相陽離子需求量為135 μmol/L，假定水相中陰離子垃圾全部被中和，根據等電荷作用原理，可以計算得到所需要的陰離子垃圾捕捉劑的理論用量，如表1所示。

表1 PDADMAC理化性質及其中和漿料水相陰離子垃圾所需理論用量

從表1可見:特征黏度＜2 dL/g的4種PDADMAC，其電荷密度差別不大，因此這4種PDADMAC中和漿料水相陰離子垃圾所需的理論用量基本相同；當PDADMAC的特征黏度＞2 dL/g時，電荷密度值明顯增加，中和漿料水相陰離子垃圾所需的理論用量減少。

事實上，ATC不可能百分之百地作用于陰離子垃圾，部分ATC將被纖維吸附。ATC作用于陰離子垃圾，將導致水相陽離子需求量下降。PDADMAC降低水相陽離子需求量的實驗結果如圖1所示。

從圖1可見，隨著PDADMAC用量的增加，水相陽離子需求量逐漸降低。在相同用量時，PDADMAC的特征黏度越大，陽離子需求量下降得越快。當PDADMAC用量為0.200%時，6個樣品分別可以使陽離子需求量降低 45.38%、50.79%、55.81%、59.69%、61.79%和66.67%。

圖1 PDADMAC用量對水相陽離子需求量的影響

從陽離子需求量的下降程度可以計算出有多少ATC消耗于陰離子垃圾，同時可以計算有多少ATC被纖維吸附。PDADMAC作用于陰離子垃圾的量如圖2所示。

圖2 PDADMAC消耗于陰離子垃圾的百分比與PDADMAC用量的關系

從圖2可見，隨著PDADMAC用量增加，消耗于陰離子垃圾的百分比均逐漸降低，即中和陰離子垃圾的效率下降。說明ATC用量越大，有更大比例的PDADMAC吸附到纖維上。此外，6個樣品中，中間特征黏度值的樣品C和D消耗于陰離子垃圾的百分比較高，說明PDADMAC的相對分子質量對于ATC的作用效果影響較大。針對不同的陰離子垃圾，需要合適特征黏度的PDADMAC才能起到較佳的作用效果。

結合圖1和圖2可以得知，在同樣PDADMAC用量條件下，PDADMAC的特征黏度越大，漿料水相陽離子需求量下降越快，但PDADMAC消耗于陰離子垃圾的百分比先增加后降低，說明一部分特征黏度較高的PDADMAC，既未與陰離子垃圾作用，也未與纖維作用，而是殘留在漿料水相中。

2.2 不同特征黏度PDADMAC對漿料濾水速度和白水濁度的影響研究

ATC作用于細小纖維導致其凝聚一般會改善漿料的濾水性能[7]。PDADMAC對于漿料濾水速度的影響結果如圖3所示。

圖3 PDADMAC用量對漿料濾水速度的影響

由圖3可見，隨著PDADMAC用量增加，漿料濾水速度均加快。加入ATC后一般會改善紙漿的濾水性能，這主要是由于ATC導致部分膠體物質和纖維發生凝聚的原因。在同樣用量下，隨著PDADMAC特征黏度增加，濾水速度均加快，可能是因為相對分子質量越大，膠體物質和纖維與PDADMAC的橋聯作用更強，使得膠體物質和纖維間更容易產生絮凝，濾水速度也隨之變大。

同時可見，樣品A和B對濾水速度影響較小。另4個樣品，隨著用量增加，濾水速度明顯加快。說明針對某漿料，ATC的相對分子質量要增加到一定水平，才能起到明顯的提高濾水性能的作用。

ATC作用于陰離子垃圾將導致部分膠體物質的凝聚以及部分溶解物質的析出，前者導致紙機白水濁度的下降，后者導致白水濁度的上升。另外，ATC吸附于纖維表面導致纖維特別是細小纖維的凝聚，也會明顯導致白水濁度的下降[8]。PDADMAC對于漿料白水濁度的影響結果如圖4所示。

由圖4可見，隨著PDADMAC用量增加，白水濁度迅速下降。這主要是由于PDADMAC會導致部分膠體物質凝聚的原因。

在同樣用量下，隨著PDADMAC特征黏度增加，白水濁度下降。當PDADMAC用量為0.200%時，6個樣品分別可以使白水濁度降低36.75%、54.28%、69.85%、80.50%、81.32%和84.26%。說明相對分子質量越大的PDADMAC越容易將細小纖維和膠體物質絮凝，從而使白水的濁度得到降低。同時，從濁度的變化情況也可以推論，溶解和膠體物質與PDADMAC復合體的形成并使白水濁度上升的作用不明顯。

圖4 PDADMAC用量對白水濁度的影響

2.3 不同特征黏度PDADMAC對白水中細小組分和DCS含量的影響研究

本研究將白水中的固體物質分成2部分，其中1～75 μm的顆粒被稱為細小組分，1 μm以下的粒子被稱為DCS。PDADMAC對于白水中細小組分含量的影響結果如圖5所示。

圖5 PDADMAC用量對白水中細小組分含量的影響

由圖5可見，隨著PDADMAC用量增加，白水中細小組分含量迅速下降。這是因為部分細小組分已在PDADMAC的作用下被固著到纖維上的緣故。該結果與白水濁度的下降規律一致，說明細小組分對濁度有一定的貢獻。

在同樣用量下，隨著PDADMAC特征黏度增加，白水中細小組分含量均下降。說明相對分子質量越高，PDADMAC越易與細小組分物質反應并被固著到纖維上，從而導致細小組分含量降低。

PDADMAC對于白水中DCS含量的影響結果如圖6所示。

圖6 PDADMAC用量對白水中DCS含量的影響

由圖6可見，對相對分子質量最低的樣品A，隨著PDADMAC用量增加，DCS含量先下降后略增加，但均低于初始值。對相對分子質量最高樣品E和F，隨著PDADMAC用量增加，DCS含量逐漸增加。對相對分子質量中間的3個樣品，隨著PDADMAC用量增加，DCS含量先增加后下降，但均高于初始值。

隨著PDADMAC用量增加，白水濁度下降，細小組分含量下降，但DCS含量出現增加現象，分析原因是部分中和的溶解物質析出導致水中的總溶解和膠體物質含量增大。

3 結論

（1）電荷密度相近的情況下，對某一特征黏度的PDADMAC而言，在研究的范圍內用量越多，越容易與漿料中的DCS作用，降低陽離子需求量；越有利于提高濾水速度和降低白水濁度；越有利于降低細小纖維含量。

（2）相同用量下，PDADMAC的特征黏度越高，越容易與漿料中的DCS作用，降低陽離子需求量；越有利于提高濾水速度和降低白水濁度；越有利于降低細小纖維含量。

（3）對于實驗漿料，特征黏度分別為1.31 dL/g和1.74 dL/g的PDADMAC，相比其他的PDADMAC有更大比例消耗于陰離子垃圾上；同時，有更高的DCS含量。