EPI-DMA與PAC在AKD施膠中的增效作用研究

劉 華 王 凇[凱米拉（上海）管理有限公司, 上海 201112]

EPI-DMA與PAC在AKD施膠中的增效作用研究

劉 華 王 凇
[凱米拉（上海）管理有限公司, 上海 201112]

采用AKD施膠時(shí)，存在施膠熟化速度較慢的問題，采用增效劑后可適當(dāng)改善?，F(xiàn)就EPIDMA與PAC對(duì)AKD乳液施膠過程的增效作用進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明，EPI-DMA對(duì)AKD乳液有輕微絮聚作用，而PAC加入AKD乳液中，有細(xì)化乳液液滴的效果；當(dāng)兩種施膠-增效體系用量相同且充分熟化后，兩者對(duì)AKD施膠度的促進(jìn)效果相同；熟化溫度較低時(shí)，EPI-DMA對(duì)AKD的熟化速度明顯優(yōu)于PAC，熟化溫度較高時(shí)，二種施膠-增效體系的熟化速度較接近。

烷基烯酮二聚體（AKD） 環(huán)氧氯丙烷-二甲胺聚合物 聚合氯化鋁 增效

0 前 言

施膠可以增強(qiáng)紙張對(duì)水的抗?jié)B透性能，從而改善其書寫或印刷質(zhì)量，并提高對(duì)潮濕環(huán)境的適應(yīng)能力。常用施膠劑種類有皂化松香、分散松香膠、烯基琥珀酸酐（ASA）、烷基烯酮二聚體（AKD）及其它類合成施膠劑，其中尤以AKD適用于中、堿性抄造環(huán)境，且使用現(xiàn)場(chǎng)操作簡單、用量少，對(duì)環(huán)境影響小等特點(diǎn)占據(jù)了造紙施膠劑的大部分市場(chǎng)[1-3]。不過，AKD施膠存在熟化速度較慢的問題，對(duì)于要求下機(jī)施膠效率較高的產(chǎn)品，需要輔以施膠增效劑提高其熟化速度[4]。

施膠增效劑是用來提高施膠效果的助劑，表現(xiàn)為提高成紙施膠度和提高施膠熟化速度。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)前用作AKD施膠增效劑的主要有聚酰胺聚胺環(huán)氧氯丙烷（PAE）、聚乙烯醇（PVA）、瓜兒膠及聚二甲基二烯丙基氯化銨（PDMDAAC）等，其中以聚胺類物質(zhì)研究居多[5-7]。該類施膠-增效體系在高檔紙的生產(chǎn)中多有使用。另外，由于聚合氯化鋁（PAC）在較寬pH值范圍內(nèi)溶液中均有高價(jià)正電聚鋁核子存在，也成為AKD施膠增效劑的重要選擇之一[8]。本文就環(huán)氧氯丙烷-二甲胺聚合物（EPI-DMA）與PAC對(duì)AKD施膠增效的效果進(jìn)行了對(duì)比研究，重點(diǎn)考察了熟化溫度對(duì)兩種增效劑效果的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

廢紙漿（舊箱板紙為原料，打漿度55SR），由某造紙廠提供；AKD乳液（固含量18%，乳化劑為陽離子淀粉）、EPI-DMA（固含量50.8%）、PAC（以Al2O3記，固含量14%）均取自凱米拉（兗州）管理有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

抄片器，8414型，L&W公司；電荷密度測(cè)定儀， Mütek PCD 03型，BTG公司；pH 計(jì)，SG2型，Mettler Toledo公司；黏度計(jì)，LVDV-1型，Brookfield公司；激光衍射粒度測(cè)定儀，Malvern 3 000，馬爾文儀器公司。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）乳液制備及粒徑檢測(cè)。取適量AKD乳液注入燒杯中，在攪拌條件下，緩慢加入適量的去離子水和PAC或EPI-DMA，繼續(xù)攪拌30min后，用HCl(0.05mol/L)或NaOH (0.05mol/L)的溶液調(diào)節(jié)pH值至規(guī)定值，取適量樣品用激光衍射粒度測(cè)定儀進(jìn)行粒度分布和粒徑檢測(cè)。

（2）抄片。稱取適量漿料（紙張定量100g/ m2），加入纖維疏解機(jī)中進(jìn)行疏解分散后，依次加入適量AKD與PAC / EPI-DMA復(fù)配乳液、CPAM溶液，助劑添加間隔15s，加料完畢后繼續(xù)攪拌15 s，注入抄紙器中抄片，濕紙頁經(jīng)壓榨后，在自動(dòng)干燥裝置中93 ℃干燥6 min即得干燥的手抄片。

（3）紙張吸收水檢測(cè)。將待測(cè)手抄片放入標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕（23 ℃，50%）環(huán)境中30 min，按GB/T 1540—2002 紙和紙板吸水性的測(cè)定法進(jìn)行吸水性檢測(cè)，采取2 min的Cobb吸水值法。

2 結(jié)果與討論

2.1 AKD與增效劑復(fù)合乳液的制備與表征

通常AKD陽離子淀粉乳液在pH 3～4時(shí)最為穩(wěn)定。本研究pH值3.5的條件下，分別加入等正電核量的PAC或EPI-DMA對(duì)AKD乳液進(jìn)行復(fù)配，檢測(cè)所得乳液的正電核密度及平均粒徑如表1所示，粒徑分布如圖1所示。對(duì)pH值為3.5的AKD復(fù)配乳液用去離子水稀釋，并用堿液調(diào)整其pH值為中性，檢測(cè)其正電荷密度如表1所示。

圖1 AKD原液及其與不同增效劑復(fù)配乳液的粒徑分布

表1 AKD復(fù)配乳液電荷密度與平均粒徑

由表1可知，在pH值為3.5時(shí)，向等量的AKD乳液中加入等電荷量的PAC或EPI-DMA后，兩種乳液均表現(xiàn)出較高的正電核量，而且包含PAC的乳液還略高于EPI-DMA對(duì)應(yīng)的乳液；當(dāng)經(jīng)過去離子水稀釋并用堿液調(diào)節(jié)使其pH值達(dá)到中性，兩者的正電荷含量差別較大，其中含PAC的下降為原來的1/7左右，而含EPI-DMA的電荷量僅下降1/7左右，后者明顯高于前者。分析其原因，主要是AKD與EPI-DMA的復(fù)配體系中胺基離解態(tài)受pH影響較小，而PAC溶液體系正電基團(tuán)受pH值影響顯著，其中高價(jià)正電聚鋁核子的數(shù)量隨著pH值提高是逐漸下降，導(dǎo)致體系正電荷量快速下降造成的。在pH值為3.5的條件下，對(duì)AKD乳液、PAC與AKD復(fù)配乳液以及EPI-DMA與AKD的復(fù)配乳液進(jìn)行粒徑分布檢測(cè)，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，EPI-DMA加入AKD乳液后，粒徑較大的部分所占體積比例增加，即乳液的分散均勻性有些許下降，可能是因?yàn)檩^長的EPIDMA分子鏈同時(shí)吸附多個(gè)AKD顆粒所致。PAC加入后，AKD的乳液粒徑分布更窄，顯示PAC對(duì)AKD乳液的穩(wěn)定有促進(jìn)作用。

2.2 復(fù)配AKD施膠劑的施膠效果

在pH值3.5的情況下，將PAC及EPI-DMA分別與AKD乳液復(fù)配制得的穩(wěn)定乳液，在pH值為7.0的情況下進(jìn)行抄紙檢測(cè)其施膠效果。為模擬紙機(jī)抄造環(huán)境，抄紙過程中加入適量陽離子聚丙烯酰胺（CPAM），將抄制的干燥紙頁放入烘箱中，105℃情況下再干燥15 min，得到施膠效果完全熟化的樣品，用Cobb法檢測(cè)其吸水性。復(fù)配施膠劑用量對(duì)施膠效果的影響如圖2所示，其中施膠劑用量以復(fù)配乳液的總固含量計(jì)算。

圖2 施膠劑用量對(duì)施膠效果的影響

由圖2可知，在該抄造條件下，兩種復(fù)配施膠劑均隨用量增大而Cobb值減小，當(dāng)用量達(dá)到8 kg/t（絕干漿）后，進(jìn)一步增大施膠劑用量施膠效果提高不明顯。從圖2還可以發(fā)現(xiàn)，在兩種施膠-增效劑體系用量相同時(shí)，其完全熟化后的施膠效果一致。這說明在中性條件下，盡管AKD與PAC的復(fù)配乳液的正電荷密度較EPI-DMA與AKD的低許多，但在施膠增效效果方面卻基本一致。施膠增效劑的作用原理通常有：通過電荷吸附、絮聚等方式，提高施膠劑在紙頁中的留著，進(jìn)而提高施膠效果[9]；增效劑在紙張表面有較好自成膜能力，利用自身的成膜效果提高整體的施膠效果。由于EPI-DMA與AKD復(fù)配乳液在中性條件下仍保持較高的正電荷密度，且用量極少也不具成膜性，因此其施膠增效作用主要是提高AKD留著作用實(shí)現(xiàn)的。PAC的增效原理中提高AKD留著應(yīng)該也起著重要做用，但是兩種施膠-增效體系在中性條件下的正電荷密度卻有相當(dāng)大的區(qū)別，可以推測(cè)PAC對(duì)施膠體系中AKD留著效果應(yīng)該低于EPIDMA的。兩種體系最終熟化后施膠效果相同，結(jié)合圖1可知PAC將AKD乳液的粒度更加細(xì)化，粒度分布也更窄，推測(cè)PAC對(duì)AKD乳液的液滴的細(xì)化處理間接提高了PAC和CPAM對(duì)AKD的留著效果，從而實(shí)現(xiàn)了在中性條件下較好的施膠增效作用。

2.3 熟化溫度對(duì)施膠效果的影響

提高干燥溫度可以加快AKD施膠的熟化速度，縮短熟化時(shí)間，提高紙張下機(jī)的施膠效果；然而紙機(jī)干燥部烘缸溫度過高不僅影響成紙質(zhì)量，也不利于生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能降耗。本研究在中性抄造條件下，采用8 kg / t（絕干紙）的施膠劑用量抄制了系列紙張，并對(duì)抄造的紙張進(jìn)行不同溫度的熟化，熟化時(shí)間均為5 min，進(jìn)而檢測(cè)熟化后紙張的吸水性，探索熟化溫度對(duì)兩種施膠體系熟化速度的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 干燥溫度對(duì)AKD施膠熟化的影響

由圖3可知，對(duì)于兩種施膠-增效體系，熟化溫度越高，最終施膠效果越好，即溫度高越高熟化速度越快；在較低熟化溫度條件下，含EPIDMA體系的熟化速度明顯快于含PAC體系的，因此可以推測(cè)當(dāng)采用較低干燥溫度時(shí)，前者的紙張下機(jī)施膠效果要優(yōu)于后者；當(dāng)熟化溫度提高后，兩種體系的熟化效果越發(fā)接近，不過EPI-DMA體系的仍然優(yōu)于含PAC的。施膠增效劑的增效表現(xiàn)形式之一即為提高熟化速度。EPI-DMA提高施膠熟化速度的作用原理為，紙頁在加熱干燥時(shí)，EPIDMA分子中胺基受其他基團(tuán)的影響呈現(xiàn)較強(qiáng)的親核性，去進(jìn)攻AKD的內(nèi)酯環(huán)，促使其打開并固著分子鏈上，形成較快的施膠作用，從而提高施膠的熟化速度[10-11]。PAC的復(fù)雜聚鋁基團(tuán)在熟化過程中可能僅表現(xiàn)出微弱的親核攻擊性，或根本不發(fā)生類似作用，因此熟化速度較EPI-DMA體系相對(duì)較慢。

3 結(jié)束語

（1）EPI-DMA會(huì)輕微地增大AKD乳液體系的粒徑，PAC則對(duì)AKD乳液有促進(jìn)穩(wěn)定的作用。

（2）EPI-DMA與PAC對(duì)AKD的施膠效果均有促進(jìn)，在添加CPAM的體系中，兩者對(duì)AKD施膠劑的留著效果相同。

（3）當(dāng)熟化溫度較低時(shí)，AKD / EPI-DMA體系的熟化速度明顯快于AKD / PAC體系，提高熟化溫度，兩者的熟化速度的差距逐漸縮小，但是前者的熟化速度始終快于后者。

[1] 李健婷,付庚昌． AKD的中性施膠[J]．造紙化學(xué)品,2007, 19 (1) :29-37．

[2] HUBBE M A．Paper's resistance to wetting-a review of internal sizing chemicals and their effects[J]．BioResources,2007, 2 (1):106-145．

[3] LINDSTROM T, LARSSON P T．Alkyl ketene dimer (AKD) sizing-a review, Nordic Pulp and Paper Research Journal[J]．2008, 23 (2):202．

[4] 劉溫霞．烷基烯酮二聚體的施膠理論[J]． 造紙化學(xué)品,1994 (1):8-11．

[5] 肖建芳． AKD施膠增效作用及機(jī)理研究[J]．江南大學(xué),無錫, 2010．

[6] 劉凱, 胡惠仁． PAE對(duì)草漿AKD施膠的增效作用[J]．紙和造紙,2008, 27 (3): 62-64．

[7] 許昊翔, 戴紅旗, 袁廣翔, 等． 聚二甲基二烯丙基氯化銨用于控制紙漿中的膠體和溶解性物質(zhì)[J]．紙和造紙,2007, 26 (4): 57-60．

[8] 徐苗, 唐中友, 管秀瓊, 等． 鋁鹽對(duì)AKD中性施膠的影響[J]．紙和造紙,2011, 30 (5): 40-42．

[9] ZULE J．DOLENC J．Determination of AKD sizing agents in papermaking systems by gas chromatography[J]．Acta Chimica Slovenica,2003, 50 (1): 115-122．

[10] 劉溫霞, 邱化玉． 造紙濕部化學(xué)[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2006．

[11] 周景輝, 馬興東． AKD施膠增效劑[J]．中華紙業(yè),2005, 26 (8): 58-60．

劉華 女 1980年生 研發(fā)工程師 主要從事造紙化學(xué)品開發(fā)與應(yīng)用服務(wù)。

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上海市閔行區(qū)聯(lián)航路1188號(hào)，浦江智谷10#樓4樓G單元，郵編：201112

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英國瓦楞紙包裝靠創(chuàng)新打天下

英國紙業(yè)聯(lián)合會(huì)日前發(fā)表聲明說，創(chuàng)新正在改變瓦楞紙包裝的形象，并為很多食品和飲料行業(yè)的知名品牌提供了十分搶眼的包裝解決方案。

英國的瓦楞紙包裝以可持續(xù)、質(zhì)量輕和可再生等特點(diǎn)聞名世界，而創(chuàng)新技術(shù)又為廣大用戶帶來了更多新型、高效的瓦楞紙包裝解決方案。英國第一食品公司就是這些新型包裝的最大受益者之—。自從為其食品選擇了新型瓦楞紙包裝后，該公司不但節(jié)約了大量的二次包裝成本，而且還顯著提高了生產(chǎn)效率和包裝能力。

創(chuàng)新技術(shù)在飲料行業(yè)的應(yīng)用也非常成功。美樂酷爾斯啤酒公司推出了—種用瓦楞紙板做成且裝有防水內(nèi)襯的創(chuàng)新包裝，它能使看似普通的瓦楞紙包裝在加入冰塊或水后成為一個(gè)冷藏箱。

英國瓦楞紙包裝公司在包裝箱的設(shè)計(jì)上投入了大量的人力、物力和財(cái)力，旨在節(jié)約產(chǎn)品的儲(chǔ)存空間和在整個(gè)供應(yīng)鏈中的成本。輕質(zhì)紙張的使用能夠?qū)a(chǎn)品包裝的重量減輕7%，而強(qiáng)度卻絲毫不會(huì)受到影響。此外，英國的瓦楞紙包裝行業(yè)也正在努力減少自己的碳足跡，并在2005年到2011年期間成功地將整個(gè)行業(yè)的碳足跡減少了16%。

展望零售包裝的未來，瓦楞紙平滑、可印刷的表面可以用來開發(fā)智能手機(jī)APP和QR碼等數(shù)字平臺(tái)，以滿足消費(fèi)者想快速獲取產(chǎn)品和飲食信息的需求。

正是由于有了大規(guī)模的行業(yè)投資和創(chuàng)新思維，瓦楞紙包裝才能從—個(gè)簡單的棕色包裝箱轉(zhuǎn)變成為一種印有漂亮圖案的、便于存放和展示的環(huán)保包裝。盡管未來的路還很長，面臨的挑戰(zhàn)也很多，但英國的瓦楞紙包裝業(yè)已經(jīng)憑借著技術(shù)創(chuàng)新走出了—條屬于自己的康莊大道。(譯自《紙張時(shí)代》)

Synergism Effect Study of EPI-DMA and PAC on AKD Size

LIU Hua，WANG Song
Kemira (Asia) Co., Ltd，Shanghai, China

There is curing speed issue available when AKD size is used. But, the performance will be improved after promoter addition. The synergism of EPI-DMA and PAC on AKD size was investigated in this paper. The result showed that there was weak flocculation available in EPI-DMA based AKD emulsion, however, PAC refined particle size distribution. They showed the almost same promoted effect, when the same dosage of both size system was added and well cured. At low curing temperature, EPI-DMA was better than PAC on curing speed. And the similar curing speed was shown at high curing temperature.

alkyl ketene dimmer（AKD）; epichlorohydrin- dim ethylamine(EPI-DMA); poly aluminum chloride（PAC）; promote