應用聚丙烯酰胺類造紙化學品提高紙頁的物理性能

曹曉瑤

（廣東江門職業技術學院，廣東 江門 529090）

聚丙烯酰胺（PAM）是一種多功能水溶性高分子 聚合物，通常由丙烯酰胺單體均聚或與其他單體共聚制得。丙烯酰胺單體結構單元化學性質非常活潑，其官能團有雙鍵及酰胺基，都可以進行相對應的化學反應，設計不同的聚合工藝可以得到一系列不同相對分子質量、離子類型和取代度的聚丙烯酰胺產品[1-2]，在造紙工業中可作為分散劑、助留劑、助濾劑、濕強劑和干強劑等[3-6]。聚丙烯酰胺類造紙化學品性能優越，應用在造紙過程中特別是包裝紙領域能在不降低其強度的情況下，使用較高比例的廢紙漿、草漿、闊葉木漿和磨木漿等，能降低成本，提高經濟效益。

聚丙烯酰胺類聚合物因其分子側鏈上含有活潑的酰胺基團[7]，有可能和纖維的羥基形成氫鍵結合從而提高紙頁強度。本論文研究了聚丙烯酰胺在造紙中的添加應用效果。

1 實驗

1.1 儀器和原料

主要儀器：打漿機，型號ZQS2-23，西北輕工業學院機械廠；紙漿打漿度測定儀，型號HK-222；數顯電子天平，型號YP4001，上海越平科學儀器有限公司；數顯恒溫水浴鍋，型號HH-1，常州金壇良友儀器有限公司；紙頁成型器總成，型號ZCYG-1，長春紙張試驗機廠；全自動透氣量儀，型號AVM，寧波紡織儀器有限公司；熱鼓風干燥箱，型號101A-1B，上海實驗儀器廠；可移動臺式電子顯微鏡，型號SECSNE-3000MB；傅里葉變換紅外光譜儀，型號IRPredstige-21；旋轉黏度計，型號NDJ-5s，上海昌吉地質儀器有限公司。

主要原料：NaOH，分析純，廣州市西隴化工有限公司；Na2SiO3，分析純，廣州市西隴化工有限公司；H2O2，分析純，廣州市西隴化工有限公司；聚丙烯酰胺（PAM），天津阿法埃沙化學有限公司；陽離子聚丙烯酰胺（CPAM），廣州市西隴化工有限公司；混合廢紙漿，質量分數為80%的廢棄A4打印紙+質量分數為20%的廢報紙。

1.2 脫墨漿原料的準備流程

1.3 分析測試

黏度按JJG—2005《中華人民共和國國家計量檢定規程》測定；其他測試項目按相關國家標準測定。

2 結果與討論

2.1 混合廢紙漿內添加的PAM和CPAM溶液濃度的確定

圖1顯示了PAM和CPAM溶液的黏度隨各自質量濃度的變化曲線。

圖1 PAM和CPAM溶液的黏度隨質量濃度的變化曲線

從圖1可以看出，PAM和 CPAM樣品溶液黏度隨各自質量濃度的變化趨勢有較大的不同，PAM溶液的黏度變化不明顯；CPAM的黏度在其溶液質量濃度較低時，隨質量濃度的增加其黏度增加比較緩慢，當溶液質量濃度大于 0.6 g/L以后，黏度急劇上升，這是因為當聚合物如CPAM相對分子質量約為106時，高分子線團開始互相滲透，含量稍高時，機械纏結足以影響黏度，含量越大，分子間作用越強烈，而且PAM的相對分子質量愈大，分子間愈易形成鏈纏結，溶液的黏度更大[8-9]。因此實驗選擇配制的CPAM和PAM溶液質量濃度分別為0.6 g/L和1.0 g/L并備用。

2.2 PAM或CPAM添加量對成紙強度性能的影響

表1顯示了PAM或CPAM的添加量對紙頁性能的影響。

由表1可知：混合廢紙漿手抄片中未添加助劑的原紙的主要強度指標為：抗張指數16.62 N·m/g，撕裂指數5.31 mN·m2/g；PAM和CPAM在混合廢紙脫墨漿中添加后，隨PAM和CPAM添加量增加，成紙的抗張指數呈上升趨勢：添加量為1.5%時，PAM成紙抗張指數和撕裂指數較原紙分別提高了11.07%和17.55%；而CPAM則分別提高了42.12%和30.70%。相比PAM而言，CPAM的添加對提高紙頁強度的影響還是大一些，原因在于陽離子聚丙烯酰胺所帶的陽離子呈正電性，更能有效地使漿料體系中帶負電的細小纖維留著率提高，通過電荷的作用，CPAM分子自身的酰胺基與纖維素、半纖維素分子間的氫鍵結合數量增加，從而增加了纖維之間的結合力，也提高了紙頁強度。但當PAM或CPAM的添加量超過1.5%時，紙頁的抗張指數提高幅度不是很明顯，可能在于PAM/CPAM添加量增加時的絮聚作用使紙張勻度變差從而使得抗張指數下降。

表1 PAM或CPAM的添加量對紙頁性能的影響

從表1還可以看出，混合廢紙脫墨漿中添加PAM或CPAM后，成紙撕裂指數的變化趨勢是先增大再減小，原因在于影響紙張撕裂度的因素主要是纖維平均長度，其次才是纖維結合力、纖維本身強度等[10]13。剛開始隨著PAM和CPAM添加增加，紙頁中細小纖維等組分留著率提高，纖維結合力增加使撕裂指數增加，添加到一定量后，因為PAM和CPAM對細小組分的留著越來越多，細小組分留著太多阻礙了長纖維間的結合，而撕裂指數的主要影響因素是纖維平均長度，所以撕裂指數開始下降。因此，綜合考慮2個強度指標的變化趨勢，確定CPAM添加量為1.5%。

2.3 CPAM和陽離子淀粉復配對紙頁強度性能的影響

多年來，陽離子淀粉（CS）因其低廉的價格、干強性能及其對細小組分的留著能力而成為造紙工業中使用最早也是最常用的干強劑[11]。本實驗選用CS與CPAM復配使用，實驗結果如表2所示。

表2 CPAM和CS復配使用對紙頁性能的影響

由表2實驗結果表明，當CPAM添加量為1.5%時，隨CS添加量的增加，手抄片各項強度指標均呈先上升后稍有下降的趨勢。CS添加量為0.6%（樣品3）時，與僅添加CPAM（樣品 1）相比，CPAM和CS復配的手抄片的抗張指數和撕裂指數分別提高了18.95%和47.21%。

CPAM和CS復配使用，二者協同作用時，CS首先與CPAM上帶負電的基團（如羧基）反應，中和掉部分負電荷，使CPAM顯示出更高的正電性，促進了CPAM與纖維的吸附作用，因此隨著CS添加量的增加，成紙各項強度性能指標均有不同程度的提高；但到一定程度后，再增加CS添加量，漿料體系出現過陽離子化，不利于紙張纖維分散，紙頁抗張指數等強度指標出現下降趨勢。

2.4 CPAM對紙張增強機理的探討

2.4.1 CPAM對混合廢紙漿打漿度的影響

聚丙烯酰胺干強劑也是纖維的高效分散劑，能使紙漿中的纖維分布更均勻，可以改善紙頁成形，提供更加均勻的纖維間的結合，使纖維間及纖維與高分子之間結合點增加，從而提高紙頁的干強度[12]。聚丙烯酰胺型紙用增強劑的增強機理也可以理解為其利用高分子鏈上的酰胺基（—CONH2）與纖維上的羥基（—OH）形成氫鍵（這種鍵能大于分子間的范德華力），而使纖維之間互相交織增強，達到使紙頁干強度提高的目的[13]。圖2顯示了CPAM對混合廢紙漿打漿度的影響。

圖2 CPAM對混合廢紙漿料性能的影響

由圖2可見，隨著CPAM添加量的增加，纖維分絲帚化程度更高，因此打漿度提高，紙頁強度也相應增加。

2.4.2 CPAM對纖維保水值的影響

準確稱取一定質量的混合廢紙漿置于離心管內，在規定的離心力下離心一定的時間，將離心后的漿料放入恒重過的稱量瓶中稱量，紙漿質量記為 G1，稱量后的漿料隨稱量瓶一起放入烘箱中（105±1）℃[14]烘干至絕干，再稱量試樣烘干后的絕干漿的質量，記為 G2，則保水值=（G1-G2）/G2×100%。

水溶性膠狀的CPAM對細小纖維的潤脹及水化具有一定的抑制作用，保水值就是在規定的條件下，用離心機把紙料中的游離水甩出，使纖維間保持的只有潤脹水，然后測定纖維所保留的水量，以對絕干纖維的質量百分數表示[10]12。保水值是衡量纖維潤脹和水化作用的一個指標，由圖2可以看出，隨著水溶性膠狀CPAM添加量的增加，纖維的保水值下降，原因在于CPAM溶解在水中是一種透明膠狀的物質，其與纖維的優先結合形成一層防水的保護膜妨礙了纖維的吸水潤脹。

2.4.3 CPAM對紙頁透氣度的影響

CPAM本身帶有正電荷，容易吸附帶有負電荷的細小組分，陽離子功能團的主要作用是能在抄紙時利用其正電荷特性將高分子鏈吸附到具有負電荷的纖維上并沉積于帶負電荷的纖維上，因此，CPAM對細小組分的留著率高于PAM。圖3顯示了PAM/CPAM對紙頁的透氣度的影響。

圖3 PAM/CPAM對紙頁透氣度的影響

由圖3可以看出，紙頁的透氣度基本隨著 PAM或CPAM的添加量的增加而降低，這主要由于PAM或CPAM的添加能促進纖維間結合，減少纖維-空氣界面，導致透氣度下降。

2.5 借助現代儀器分析手段探討CPAM提高紙頁強度的機理

2.5.1 采用掃描電子顯微鏡觀察添加CPAM前后的紙頁表面狀況

圖4和圖5分別顯示了混合廢紙漿添加CPAM前后紙頁的表面狀況。

由圖4和圖5可以看出：未添加PAM的紙頁表面較為光滑，纖維間較少粘連；添加CPAM后的紙頁則因為有了黏狀CPAM的添加，纖維間膠接粘連比較明顯，與參考文獻[15]報道的結論一致：“加入CPAM后，漿料黏度增加，部分細小纖維被留著下來，網箱水位增高。補充白水，降低網箱漿料濃度，提高紙機抄速。紙的手感、勻度、強度都有改善”。

2.5.2 紅外光譜表征

圖6和圖7分別為混合廢紙漿添加CPAM前后的紙頁紅外光譜圖。

由圖6可以看出空白紙頁在3 590 cm-1附近有強吸收峰，根據查閱資料，游離的OH伸縮振動在3 584～3 650 cm-1[16]，說明此峰很可能是纖維羥基的官能團表征，又由于其峰形肥寬，推測可能是紙頁中的纖維間OH形成氫鍵，鍵強減弱造成。

圖4 未添加CPAM的紙頁表面電子顯微鏡照片

圖5 添加CPAM后的紙頁表面電子顯微鏡照片

由圖7可以看出，添加CPAM后的紙頁在3 400 cm-1和 1 650 cm-1有吸收峰，3 100～3 700 cm-1為—NH基團的伸縮振動區[16]，1 650 cm-1可能為聚丙烯酰胺官能團中CC或CO的雙鍵伸縮振動，說明添加CPAM后，CPAM的酰胺基可能與紙頁纖維的羥基形成氫鍵結合而固著在紙頁上，因此其官能團—NH基團、CC和CO的伸縮振動有所顯示。

3 結論

（1）CPAM溶液質量濃度較低時，其黏度隨質量濃度的增加而緩慢增加，當CPAM溶液質量濃度大于 0.6 g/L以后，其黏度隨質量濃度的增加急劇上升。

（2）混合廢紙漿未添加造紙助劑的原紙的主要強度指標為：抗張指數16.62 N·m/g，撕裂指數5.31 mN·m2/g。PAM添加量為1.5%時，成紙抗張指數和撕裂指數較原紙分別提高了11.07%和17.55%；而CPAM則分別提高了42.12%和30.70%。

（3）當CPAM添加為1.5%、CS添加量為0.6%時，二者協同作用，與僅加入CPAM所抄制的紙頁相比，CPAM和CS復配的手抄片的抗張指數和撕裂指數分別提高了18.95%和47.21%。

圖6 空白紙頁的紅外光譜圖

圖7 添加CPAM后的紙頁紅外光譜圖

（4）水溶性膠狀的CPAM對細小纖維的潤脹及水化具有一定的抑制作用，隨著水溶性膠狀CPAM添加量的增加，纖維的保水值下降；紙頁透氣度隨著PAM或CPAM的添加量的增加而降低。

（5）掃描電鏡顯示未添加CPAM的紙頁中纖維表面較為光滑，纖維間較少粘連，添加CPAM后的紙頁纖維間膠接粘連比較明顯，故而紙頁強度能得到提高。紅外光譜圖表明添加CPAM后的紙頁CPAM的官能團—NH基團、CC和CO的伸縮振動有所顯示。