兩性聚乙烯胺在非木材纖維造紙中的應(yīng)用

黎永剛 朱忠祥 余永忠

(1.巴斯夫 (中國(guó))有限公司，廣東廣州，510095;2.巴斯夫 (中國(guó))有限公司，上海，200233)

聚乙烯胺 (Polyvinylamine，簡(jiǎn)稱(chēng)PVAm)是一種氨基直接連接在碳?xì)涔羌苌系闹辨滉?yáng)離子或兩性水溶性高分子聚合物，其分子鏈長(zhǎng)度和電荷密度都可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要來(lái)設(shè)計(jì)［1］。因含有大量的高活性氨基，所以它在高分子科學(xué)領(lǐng)域中有著很重要的研究和應(yīng)用價(jià)值［2］。兩性聚乙烯胺的分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 兩性聚乙烯胺的分子結(jié)構(gòu)

德國(guó)巴斯夫公司于20世紀(jì)90年代初研制出基于乙烯基甲酰胺的聚合物，并于近年來(lái)把此類(lèi)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在造紙濕部工藝中。PVAm可以根據(jù)造紙工藝的要求來(lái)設(shè)計(jì)其聚合鏈長(zhǎng)和電荷密度［3］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者加深了對(duì)此物質(zhì)的研究，研究了PVAm不同用量、胺化度［4］、環(huán)境pH值等對(duì)保留率、漿料濾水、Zeta電位、紙張?jiān)鰪?qiáng)效果的影響［5］。

近年來(lái)，巴斯夫化學(xué)品公司的技術(shù)人員在實(shí)踐中不斷探索PVAm在造紙工業(yè)中的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)在不同造紙機(jī)和不同紙種上的大量應(yīng)用試驗(yàn)，發(fā)掘PVAm在提高濕紙幅強(qiáng)度 (初始濕強(qiáng)度)、優(yōu)化纖維配比、改善造紙機(jī)的運(yùn)行性能、增加紙張強(qiáng)度、改善助留助濾等方面的潛力。因而該類(lèi)產(chǎn)品是近年來(lái)造紙工業(yè)出現(xiàn)的革命性的產(chǎn)品，賦予紙張?jiān)鰪?qiáng)、改善漿料保留、濾水以及系統(tǒng)沉積物控制于一體的四合一解決方案。

本文著重介紹了巴斯夫公司的新一代兩性聚乙烯胺 (XELOREX F3000)在兩個(gè)非木材纖維造紙廠中的應(yīng)用，它通常用來(lái)處理填料或漿料，具有簡(jiǎn)化濕部系統(tǒng)、提高成紙強(qiáng)度等特性。同時(shí)又由于它是一個(gè)完全水溶性的高分子聚合物，因而操作非常簡(jiǎn)單、方便。

1 試驗(yàn)

1.1 案例1(廣西某造紙廠)

1.1.1 試驗(yàn)原料

漿料:自制漂白蔗渣漿，外購(gòu)漂白蔗渣漿，外購(gòu)化機(jī)漿 (APMP)，外購(gòu)針葉木漿 (NBKP，鳳凰牌，藍(lán)森林牌)。三元助留助濾劑:陽(yáng)離子高聚物Percol-182，簡(jiǎn)稱(chēng)P-182(巴斯夫提供);膨潤(rùn)土 (深圳三力星提供);微粒助留劑 Telioform M300，簡(jiǎn)稱(chēng)微聚物 (巴斯夫提供)。兩性聚乙烯胺 (XELOREX F3000)，簡(jiǎn)稱(chēng)F3000(巴斯夫提供)。填料:漿狀研磨碳酸鈣 (GCC，325目，固含量25%)。AKD和濕部淀粉 (國(guó)產(chǎn))。

1.1.2 試驗(yàn)造紙機(jī)基本情況

ABK帶頂網(wǎng)的長(zhǎng)網(wǎng)造紙機(jī)，車(chē)速650 m/min，幅寬6540 mm，四輥三壓區(qū)，膜轉(zhuǎn)移施膠。紙張定量以68、70 g/m2雙膠紙為主。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)前纖維配比

NBKP∶APMP∶外購(gòu)漂白蔗渣漿 =30% ∶20% ∶50%

1.1.4 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

減少前段干燥部的掉粉掉毛現(xiàn)象 (主要原因是蔗渣漿中的髓細(xì)胞等薄壁細(xì)胞引起);在維持成紙強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的條件下，用自制蔗渣漿取代50%以上外購(gòu)商品蔗渣漿 (因自制蔗渣漿質(zhì)量比外購(gòu)蔗渣漿更易掉粉掉毛，所以該廠限制了自制蔗渣漿的使用)。

1.2 案例2(河南某造紙廠)

1.2.1 試驗(yàn)原料

漿料:自制漂白麥草漿，外購(gòu)化機(jī)漿 (APMP)，外購(gòu)商品針葉木漿 (NBKP)。三元助留助濾劑:陽(yáng)離子高聚物Percol-3320，簡(jiǎn)稱(chēng)P-182(巴斯夫提供);膨潤(rùn)土 (國(guó)產(chǎn));微粒助留劑 Teliform M300，簡(jiǎn)稱(chēng)微聚物 (巴斯夫提供)。兩性聚乙烯胺 (XELOREX F3000)，簡(jiǎn)稱(chēng) F3000(巴斯夫提供)。填料:漿狀混合碳酸鈣(GCC/PCC，固含量30%)。AKD和濕部淀粉 (國(guó)產(chǎn))。

1.2.2 試驗(yàn)造紙機(jī)基本情況

2640的長(zhǎng)網(wǎng)造紙機(jī)，車(chē)速450 m/min，四輥三壓區(qū)，膜轉(zhuǎn)移施膠。紙張定量以70 g/m2雙膠紙為主。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)前纖維配比

NBKP∶APMP∶自制漂白麥草漿 =18% ∶26% ∶56%

1.2.4 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

在維持成紙強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的條件下，提高自制麥草漿的使用比例，降低商品針葉木漿比例，降低總的生產(chǎn)成本。商品針葉木漿與自制漂白麥草漿價(jià)差采用市場(chǎng)常規(guī)價(jià)差每噸約為1000元 (不含稅)。

2 結(jié)果與討論

2.1 案例1(廣西某造紙廠)

2.1.1 添加F3000對(duì)濕部助留系統(tǒng)助劑用量的影響

在造紙機(jī)濕部系統(tǒng)添加F3000后，濕部助留系統(tǒng)助劑用量的變化見(jiàn)圖2。

圖2 添加F3000后助留系統(tǒng)助劑用量的變化

從圖2可以看出，隨著F3000用量的逐步提高，三元助留助濾體系的助劑用量發(fā)生了一定程度的變化。在首程留著率不變的情況下，微聚物的噸紙用量試驗(yàn)期間從0.65 kg/t降低到0.25 kg/t，節(jié)省了約60%。P-182和膨潤(rùn)土用量基本保持不變 (P-182 0.3 kg/t，膨潤(rùn)土2.3 kg/t)。

2.1.2 添加F3000對(duì)首程留著率和灰分留著率的影響

圖3為添加F3000后首程留著率和灰分留著率的變化。

從圖3可以看出，首程留著率變化不大 (75%～78%)，灰分從43%提高到60%。整個(gè)試驗(yàn)期間，實(shí)測(cè)白水濃度穩(wěn)定維持在12%～15%之間。但系統(tǒng)在車(chē)速不變、微粒助留劑用量大幅度降低的同時(shí)，灰分留著仍然提高了約17個(gè)百分點(diǎn)。

圖3 添加F3000前后首程留著率和灰分的變化

圖4 添加F3000前后伏棍高、低真空度的變化

2.1.3 添加F3000對(duì)造紙機(jī)伏輥真空度的影響

圖4為添加F3000后造紙機(jī)伏棍高、低真空度的變化。

從圖4可以看出，添加F3000后，發(fā)現(xiàn)伏輥高真空度有明顯下降，這證明了濕紙幅出網(wǎng)部的干度比以前高了，經(jīng)過(guò)5天的試驗(yàn)，F(xiàn)3000充分循環(huán)后，伏輥高真空從－62 kPa降低到－53 kPa。

2.1.4 添加F3000對(duì)纖維配比和紙張強(qiáng)度影響

圖5為添加F3000后，紙張抗張指數(shù)的變化。圖6為添加F3000前后原料結(jié)構(gòu)的變化。

圖5 試驗(yàn)過(guò)程中紙張抗張指數(shù)的變化

從圖5可以看出，在F3000添加量為2 kg/t紙時(shí)，紙張抗張指數(shù)有約8%～10%的上升，中間試驗(yàn)過(guò)程中，由于針葉木漿品牌的更換 (鳳凰牌比藍(lán)森林牌的品質(zhì)稍差)，所以紙張抗張強(qiáng)度略有下降。但當(dāng)F3000用量從2 kg/t紙?zhí)岣叩?.5 kg/t紙、自制漂白蔗渣漿使用比例增加 (從0提高到32%)時(shí)，紙張抗張指數(shù)又重現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這再次證明了F3000對(duì)紙張強(qiáng)度的提高有一定的幫助。

圖6結(jié)果表明，在自制漂白蔗渣漿比例從0提高到32%(占總的纖維比例)時(shí)，紙張的抗張指數(shù)(縱向)仍然在合格范圍 (達(dá)到原有水平)。有理由相信，在以后的長(zhǎng)期試驗(yàn)中，自制漂白蔗渣漿可取代更多的外購(gòu)漂白蔗渣漿。

圖6 添加F3000前后原料結(jié)構(gòu)的變化

2.1.5 添加F3000對(duì)前段干燥部 (第四組，第五組)蒸汽壓力的影響

圖7為添加F3000對(duì)前段干燥部 (第四組，第五組)蒸汽壓力的影響。從圖7可以看出，經(jīng)過(guò)5天試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)前段干燥部蒸汽壓力有了很大變化。第四組烘缸蒸汽壓從80 kPa降低到63 kPa，第五組烘缸蒸汽壓從79 kPa降低到65 kPa。這是由于濕紙幅出壓榨部干度提高的原因。有理由相信，通過(guò)長(zhǎng)期的使用，蒸汽的節(jié)省可以更為明顯。

圖7 添加F3000前后前段干燥部蒸汽壓力的變化

2.1.6 添加F3000對(duì)掉粉掉毛的改善

圖8為添加F3000前后造紙機(jī)前段干部一樓地面的紙毛形態(tài)和數(shù)量的對(duì)比。

圖8 添加F3000前后紙毛形態(tài)和數(shù)量的對(duì)比

從圖8可以看出，添加F3000前，在沒(méi)有添加自制漂白蔗渣漿的情況下，紙毛較多較長(zhǎng)。在自制漂白蔗渣漿取代外購(gòu)蔗渣漿64%的情況下 (自制漂白蔗渣漿用量32%)，掉粉減少，紙毛明顯變少和變小。

另?yè)?jù)生產(chǎn)部門(mén)反映，復(fù)卷機(jī)的紙毛也變少了，同時(shí)由于紙毛導(dǎo)致的斷紙次數(shù)也明顯變少。

試驗(yàn)表明，在案例1中，在成紙強(qiáng)度不變的情況下，自制漂白蔗渣漿的應(yīng)用比例可以從0提高到32%，微粒助留劑噸紙用量減少60%，前段干燥部的蒸汽壓力明顯降低，紙面掉毛掉粉明顯減少。

2.2 案例2(河南某造紙廠)

2.2.1 添加F3000對(duì)纖維配比和成紙強(qiáng)度的影響

圖9為添加F3000前后纖維配比的變化。圖10為添加F3000過(guò)程中紙張抗張指數(shù) (縱向)的變化。

圖9 添加F3000前后纖維配比的變化

圖10 添加F3000過(guò)程中紙張抗張指數(shù) (縱向)的變化

圖9和圖10的結(jié)果表明，在外購(gòu)針葉木漿降低了約10個(gè)百分點(diǎn)，自制漂白麥草漿提高了10個(gè)百分點(diǎn)的情況下，成紙縱向抗張強(qiáng)度保持基本不變甚至略有提高。

2.2.2 添加F3000后總生產(chǎn)成本的變化 (不含稅)

由于添加F3000后，使纖維配比優(yōu)化，纖維成本降低 (針葉木漿用量降低10個(gè)百分點(diǎn))，助留劑成本降低 (噸紙用量降低約0.1 kg)，扣除F3000添加成本后，總的生產(chǎn)成本節(jié)約大約16元/t紙。打漿和蒸汽節(jié)省的能耗效益需要長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)，未計(jì)入本次計(jì)算之內(nèi)。

試驗(yàn)表明，在案例2中，自制漂白麥草漿比例提高了10個(gè)百分點(diǎn)，蒸汽消耗降低，生產(chǎn)總成本明顯降低。

3 F3000的作用機(jī)理

F3000屬于兩性高分子物質(zhì)，氨基能夠提供陽(yáng)離子組分，使填料表面陽(yáng)離子化，加強(qiáng)了填料和纖維間的靜電吸附作用，使灰分留著率得到提高。同時(shí)，PVAm存在高活性的伯胺基團(tuán)，乙烯基甲酰胺中的羧基能夠提供氫鍵結(jié)合，增加了纖維間的氫鍵結(jié)合，也就增加了紙張強(qiáng)度。紙張的干、濕強(qiáng)度得到大幅度提高后，可以減少造紙機(jī)斷頭及針葉木漿的使用比例，從而提高造紙機(jī)的運(yùn)行效率。圖11(a、b)為F3000與填料-纖維的相互作用。

4 結(jié)論

圖11 F3000與填料-纖維的相互作用

本文主要介紹了巴斯夫公司的兩性聚乙烯胺 (Xelorex F3000)在兩個(gè)非木材纖維造紙廠中的應(yīng)用情況，試驗(yàn)表明，F(xiàn)3000無(wú)論是對(duì)蔗渣漿紙張還是麥草漿紙張均有一定的增強(qiáng)作用，在使用過(guò)程中達(dá)到了以下目的。

4.1 優(yōu)化纖維配比，在紙張強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的情況下，可使用更多更廉價(jià)的原料。

4.2 提高造紙機(jī)運(yùn)行率，減少斷紙。

4.3 節(jié)省能耗 (電能，蒸汽)。

4.4 總的生產(chǎn)成本下降。

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