乙二醛聚丙烯酰胺在含竹漿生活用紙中的應用研究

摘 要： 本研究通過實驗室測試和生產實踐2部分系統評估了乙二醛聚丙烯酰胺 （GPAM） 與淀粉基生物聚合物在含竹漿生活用紙中的協同效應。實驗室測試結果表明，在竹漿與闊葉木漿質量比為4∶6和 9∶11時，添加 GPAM 均可顯著改善紙漿濾水性能，對應的紙漿 10 s濾水量分別提升 75和 62 mL，最佳 GPAM 添加量分別為 0. 045% 和 0. 075%。生產實踐結果表明，在定量 14. 0 g/m2軟抽紙中添加1. 5 kg/t，干 抗 張 指 數、濕 抗 張 強 度 分 別 提 升 1. 5% 和 4. 2%，真 空 度 降 低 1. 81 kPa，車 速 增 加50 m/min，竹 漿 占 比 從 40% 降 至 37%，噸 紙 成 本 降 低 約 40 元；在 定 量 32. 0 g/m2擦 手 紙 中 添 加2. 5 kg/t GPAM，干抗張指數、濕抗張強度分別提升 2. 3% 和 0. 8%，竹漿占比降低 8個百分點，真空度降低2. 33 kPa，車速提升10 m/min，噸紙成本降低約60元。

關鍵詞：GPAM；竹漿；生活用紙；抗張強度；濾水性能

中圖分類號：TS761. 6 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 06. 018

在“十四五”期間 （截至2023年末），各級政府通過科研項目、產業基金等方式，為竹漿紙一體化關鍵技術的研發提供了大力支持，科技部組織立項實施了 7 個相關項目，國撥總經費達 1.5 億元[1]。“擴大再生纖維原料使用，鼓勵非木纖維原料應用”這一指導方針為造紙行業指明了新的發展方向，使用國內儲量豐富的竹材資源制造漿料并替代進口針葉木漿，可以更高效地利用我國現有資源，并有效應對木漿原料價格上漲的挑戰。

竹材是一種非木材纖維原料，竹纖維與木漿纖維具有顯著差異，其纖維形態短而粗、細胞壁較厚、細小纖維含量較高，這些特點導致竹漿在抄紙過程中存在脫水性能差、紙張強度較低的問題，影響了使用體驗。基于竹材的結構及性能，開展高效率、低消耗、少污染的制漿造紙裝備技術研發，是一項十分必要的活動[2]。

紙張強度主要取決于纖維本身的強度和纖維間的結合強度，因此，為提升紙張強度，可以采取優化打漿工藝和添加干強劑的方法。在造紙過程中，提高打漿度有助于增強紙張強度，這是因為打漿過程能夠產生更多的細小纖維，細小纖維增多有助于增加纖維間的結合點數量，提升纖維間的結合強度，進而提高紙張的整體強度。然而，打漿過程是對纖維進行切斷和分絲帚化的機械過程，提高打漿度不僅增加了能源消耗量，而且生成的細小纖維組分會降低竹漿紙的脫水效率，從而影響紙機的生產效率[3]。

干強劑對紙張強度的增強作用具有 3 種機理：①參與纖維素分子間的氫鍵結合，有效增加纖維結合區域的氫鍵數量，從而強化纖維間的連接；②改善紙張的成形過程，使纖維在紙張中的分布更加均勻，增強紙張結構的穩定性；③有助于提高細小纖維的留著率，同時優化漿料的濾水速率，二者協同作用，進一步提高紙張的干抗張強度[4]。

乙二醛聚丙烯酰胺 （GPAM） 作為酰胺類增強劑，在造紙領域得到廣泛應用，其在提升紙張干抗張強度、助留助濾方面的應用成果顯著。張宏偉等[5]研究指出，添加聚丙烯酰胺能夠有效提升紙張的干抗張強度，增幅超過 20%。徐青林[6]對改性聚丙烯酰胺的增強和助留助濾效果進行了研究，結果表明，添加改性聚丙烯酰胺不影響紙張勻度，且其對紙張強度和留著率具有顯著的提升作用。鞠彥彬等[7]研究結果表明，GPAM可以有效提升紙張干、濕抗張強度以及濾水性能，也能夠降低其他品類干強劑的添加量。

陽離子聚丙烯酰胺的分子鏈上帶有季胺基團，對水和漿料中帶有負電荷的微粒起到“電荷中和”及“吸附架橋”作用[8]。GPAM是一種通過引入乙二醛基團對聚丙烯酰胺進行化學改性的高分子聚合物，這種改性不僅賦予了GPAM獨特的化學性質，還增強了其與纖維素基材料的結合能力。GPAM分子中含有未反應的醛基，這些醛基可與纖維素的羥基發生半縮醛反應[9]， 產 生 共 價 鍵 作 用 力 （圖 1）， 其 鍵 能 約 60～80 kcal/mol，遠超過氫鍵 （約 4～6 kcal/mol） 和離子鍵（約10～30 kcal/mol）的鍵能，從而賦予了纖維間結合的超強穩定性，提高了抗斷裂能力。同時，GPAM分子中的極化酰胺基團與纖維素及半纖維素上的羥基形成了眾多強效氫鍵，這些氫鍵的強度超過了纖維之間的常規氫鍵，顯著增強了紙張的整體結構強度[10]。綜上所述，添加GPAM后，紙張的機械性能得到了顯著增強。

然而，GPAM復合淀粉基生物聚合物在生活用紙中的作用效果尚不明確，本研究在實驗室測試和生產實踐中，針對GPAM復合淀粉基生物聚合物用于生活用紙的制備工藝進行探索與研究，分別考慮了GPAM添加量對漿料濾水性能以及纖維留著率、紙機運行、紙張物理性能的影響。

1 實 驗

1. 1 實驗原料、試劑及儀器

1. 1. 1 實驗原料

竹漿和闊葉木漿，山東太陽紙業股份有限公司，其中竹漿取自長纖 2 號磨漿機出口，打漿度 35 °SR；闊葉木漿取自短纖磨漿機出口，打漿度27 °SR。

1. 1. 2 實驗試劑

增強劑 115：淀粉基生物聚合物溶液 （濟寧德堡經貿有限公司），強陽離子型，原液有效成分15%（質量分數）；GPAM溶液：由乙二醛聚丙烯酰胺（索理思（上海） 化工有限公司） 在線配制，質量分數 2.0%，弱陽離子型，GPAM分子質量18萬；PAE濕強劑：聚酰胺環氧氯丙烷樹脂（江門市南化實業有限公司），強陽離子型，原液有效成分12.5%（質量分數）。

1. 1. 3 實驗儀器

PFI磨漿機 （B86-1177A），瑞士ABB公司；TAPPI抄片器 （300-0）、平板干燥器36寸 （SD36E），加拿大Labtech Group公司；打漿度測定儀 （S955870002）、壓榨器 （S401400001），德國 Frank公司；循環水式多用真空泵（SHZ-DIII），北京市永光明醫療儀器有限公司；動態濾水分析儀 （DFR-05）、電荷滴定儀 （PCD-05），德國BTG公司；全自動抗張試驗機 （ZB-WLQ30），杭州 紙 邦 自 動 化 技 術 有 限 公 司；手持式電動攪拌機（D618），荷蘭飛利浦公司；離心機（WG-2A），杭州輕通博科自動化技術有限公司；電導率儀 （DDS-307），上海儀電科學儀器股份有限公司；電動厚度測定儀（J-DHYO4）、柔軟度儀 （DCP-RRY1000），四川長江造紙儀器有限責任公司。

1. 2 實驗方法

1. 2. 1 漿料配比

本研究中的軟抽紙由38%～42%竹漿和58%～62%闊葉木漿混合抄造而成；擦手紙由 40%～45% 竹漿和55%～60%闊葉木漿抄造而成。

1. 2. 2 GPAM添加量

在實驗室測試中，以抄前池漿料為樣本，軟抽紙和擦手紙的漿料配比分別為竹漿∶闊葉木漿質量比=4∶6和竹漿∶闊葉木漿質量比=9∶11。將不同添加量（0、0.030%、0.045%、0.060%、0.075% 和 0.090%，均以相對于絕干漿質量計算） 的GPAM溶液加入混合漿料中，隨后使用動態濾水分析儀對其進行濾水性能檢測，并通過TAPPI抄片器進行抄片，測定紙張抗張指數。

1. 2. 3 紙機參數

軟軸紙：定量 14.0 g/m2，初始車速 1 550 m/min，起皺率 21%～22%，上網漿濃 0.20%～0.30%，水分含量5%～7%，更換75°新復合陶瓷刀。

擦 手 紙：定 量 32.0 g/m2，初 始 車 速 750 m/min，起皺率 14%～15%，上網漿濃 0.20%～0.30%，水分含量5%～7%，更換85°新復合陶瓷刀。

1. 3 分析與檢測

紙 漿 及 其 所 制 紙 張 相 關 性 能 的 分 析 檢 測 方 法見表1。

2 結果與討論

2. 1 實驗室測試

2. 1. 1 GPAM添加量對紙漿濾水性能的影響

依據 1.2.2 所測紙漿的濾水性能如圖 2 所示。由圖2可知，當竹漿與闊葉木漿的質量比為4∶6時，隨著 GPAM 添加量的增加，紙漿 10 s 濾水量逐漸增加，GPAM添加量從0增至0.090%時，紙漿的10 s濾水量增加 75 mL，增加 26%。當竹漿與闊葉木漿的質量比為 9∶11時，GPAM 添加量從 0增至 0.090% 時，紙漿的 10 s濾水量增加 62 mL，增加 24%。綜上所述，添加GPAM能有效提升漿料的濾水性能。

2. 1. 2 GPAM添加量對紙張抗張指數的影響

按 照 1.2.2 方 法 抄 造 紙 張 ， 紙 張 抗 張 指 數 隨GPAM添加量的變化如圖3所示。

由圖3可知，當竹漿與闊葉木漿質量比為4∶6時（模擬軟抽紙工藝配比），隨著 GPAM 添加量的增加，紙張抗張指數逐漸增大，GPAM最佳添加量為0.045%，進一步增加GPAM添加量，紙張抗張指數的增加效果不明顯。當竹漿與闊葉木漿質量比為9∶11時 （模擬擦手紙工藝配比），GPAM最佳質量分數為0.075%，過量添加GPAM對紙張抗張指數的提升效果有限。因此，綜合成本與紙張抗張指數提升效果，生產軟抽紙時，在原工藝基礎上添加 0～0.045% GPAM；生產擦手紙時，在原工藝基礎上添加0～0.075% GPAM。

2. 2 生產實踐

取添加量為 0～0.045% 和 0～0.075% 的 GPAM，在線配制成質量分數2%溶液，添加于混合漿料中，紙機生產應用時，將GPAM添加量換算成噸紙用量，分別為0～1.5 kg/t、0～2.5 kg/t。

2. 2. 1 GPAM添加量對纖維留著率的影響

在保持漿料種類、配比一致以及白水溫度、pH值、打漿度等工藝條件不變的前提下，生產軟抽紙時，添 加 2.0 kg/t 淀 粉 類 干 強 劑，同 時 添 加 0 和 1.5 kg/t GPAM；生產擦手紙時，添加 5.0 kg/t 淀粉類干強劑，同時添加 0、1.5、2.5 kg/t GPAM，GPAM 添加量對纖維留著率的影響如表2所示。

由表2可知，在軟抽紙的生產過程中，當在原有的 2.0 kg/t 淀粉類干強劑基礎上再添加 1.5 kg/t GPAM時，纖維留著率可提高 5～10 個百分點。在擦手紙的生產過程中，若在 5.0 kg/t 淀粉類干強劑的基礎上增加1.5 kg/t GPAM，纖維留著率可提升4～10個百分點；若添加2.5 kg/t GPAM，則纖維留著率可提高3～9個百分點，但無需使用助留劑。

2. 2. 2 GPAM添加量對紙機運行的影響

在保持漿料種類、配比一致以及白水溫度、pH值、打漿度、淀粉類干強劑添加量等工藝條件不變的前提下，GPAM添加量對紙機車速和真空度的影響如表 3所示。由表 3可知，在軟抽紙生產過程中，添加1.5 kg/t GPAM 后，對比未添加時，紙機真空度降低約 1.81 kPa，同時車速增加 50 m/min；在擦手紙生產過程中，相比于未添加 GPAM，添加 1.5 kg/t GPAM，真空度降低2.65 kPa，但車速未提升，而添加2.5 kg/t GPAM，真空度降低2.33 kPa，但車速提升10 m/min。

2. 2. 3 GPAM添加量對紙張物理性能的影響

在保證漿料種類及白水溫度、pH 值、打漿度、車速等關鍵工藝參數不變的情況下，GPAM添加量對紙張物理性能的影響如表4所示。由表4可知，在軟抽紙的生產過程中，添加1.5 kg/t GPAM后，紙張的物理性能合格，相比于未添加GPAM時，竹漿使用量減少了3個百分點，柔軟度下降了3 mN，厚度增加了0.01 mm，同時淀粉類干強劑用量降低2.0 kg/t，濕強劑用量節約4.0 kg/t，紙張干抗張指數、濕抗張強度分別提升1.5%和4.2%，噸紙綜合成本節約40元。而在擦手紙的生產過程中，添加1.5 kg/t GPAM后，紙張的物理性能合格，相比于未添加GPAM時，竹漿使用量減少4個百分點，淀粉類干強劑用量減少1.0 kg/t，濕強劑節約2.0 kg/t；若添加2.5 kg/t GPAM，則相比于未添加GPAM時竹漿配比降低8個百分點，淀粉類干強劑減少3.0 kg/t，濕強劑用量節約 5 kg/t，紙張干抗張指數、濕抗強度分別提升2.3%和0.8%，噸紙綜合成本節約60元。

3 結 論

本研究通過實驗室優化與生產實踐驗證相結合的研究思路，系統評估了乙二醛聚丙烯酰胺（GPAM）與淀粉基生物聚合物在竹漿生活用紙生產中的協同效應。

3. 1 GPAM 的添加量具有配比依賴性。在竹漿與闊葉木漿質量比為 4∶6 的軟抽紙生產中，1.5 kg/t 的GPAM添加量便可顯著提升抗張強度；而在竹漿與闊葉木漿質量比為 9∶11 的擦手紙生產中，2.5 kg/t 的GPAM添加量具有更優的紙張強度提升效果。

3. 2 添 加 GPAM 可 顯 著 改 善 生 產 性 能 。 當 增 大GPAM 添加量后，紙漿的 10 s 濾水量分別最大提升26%和24%，纖維留著率提高3～10個百分點，紙機系統真空度降低1.81～2.33 kPa，車速提升10～50 m/min。

3. 3 GPAM 優化產品性能并降低成本。在 14.0 g/m2軟抽紙中添加 1.5 kg/t GPAM，紙張干抗張指數與濕抗張強度分別達 7.43 N·m/g和 25.0 N/m，竹漿占比降低3個百分點，噸紙綜合成本節約40元；在32.0 g/m2擦手紙中添加 2.5 kg/t GPAM，紙張干抗張指數與濕抗張強度分別達 22.0 N·m/g 和 125 N/m，竹漿占比降低8個百分點，噸紙成本節約60元。

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（責任編輯：魏琳珊）