新一代聚合物類干強(qiáng)劑在紙張?jiān)鰪?qiáng)中的作用

聚合物技術(shù)是造紙技術(shù)中不可或缺的一部分。更重要的是，要發(fā)現(xiàn)新一代聚合物可能具備的符合不同造紙需求的優(yōu)勢。該文研究了乙二醛化聚丙烯酰胺（GPAM）和霍夫曼聚乙烯胺（PVAm）2種聚合物類干強(qiáng)劑在紙張中的增強(qiáng)作用。結(jié)果表明：GPAM和PVAm能夠提高紙張的壓縮強(qiáng)度和耐破強(qiáng)度；3 kg的PVAm和GPAM噸紙?zhí)砑恿烤妥阋允辜垙埖膹?qiáng)度明顯增加。

聚合物在造紙中至關(guān)重要。聚合物技術(shù)是阿斯凱莫化學(xué)品公司（Axchem）提供的以下所有技術(shù)中不可或缺的一部分，分別是：留著和濾水；再生纖維膠粘物控制固定劑；澄清；脫水；干強(qiáng)劑；臨時(shí)濕強(qiáng)度；水相和纖維電荷控制；起皺化學(xué)品；銅網(wǎng)和毛毯污染控制；COD控制；沉積物控制。

歷史上，淀粉是最有價(jià)值的天然聚合物，淀粉能夠提供給紙張更好的干強(qiáng)度、留著以及其他性能優(yōu)勢。一個(gè)多世紀(jì)以來，淀粉一直是許多造紙解決方案的“支柱”。此次研究的目的是評估和量化合成聚合物是如何形成與強(qiáng)度相關(guān)的各種性質(zhì)的。更重要的是，要發(fā)現(xiàn)這些新一代聚合物可能具備的符合不同造紙需求的優(yōu)勢。

生產(chǎn)干強(qiáng)劑的聚丙烯酰胺產(chǎn)品通常比用于留著的聚丙烯酰胺產(chǎn)品的相對分子質(zhì)量要低得多。這些產(chǎn)品不是絮凝劑，但是可以加強(qiáng)纖維與纖維之間的結(jié)合，從而增加紙張的干強(qiáng)度。此外，隨著時(shí)間的推移，這些聚合物會(huì)去除細(xì)小纖維，促使更大尺寸的細(xì)小纖維留在系統(tǒng)中。

本研究使用的聚合物均以丙烯酰胺為骨架。重要的是，聚合物已經(jīng)進(jìn)行了“調(diào)整（tuned）”來增強(qiáng)紙張的干強(qiáng)度性能。

專門用于濾水和留著的聚丙烯酰胺產(chǎn)品的相對分子質(zhì)量往往比上述干增強(qiáng)劑產(chǎn)品要高得多。這些產(chǎn)品可用作自由流動(dòng)的粉末、乳液、脫水/水包水或無油乳液。

在本研究中測試的聚合物是游離的乙二醛化聚丙烯酰胺（GPAM）；霍夫曼聚乙烯胺（PVAm）則由采用獲得專利的霍夫曼降解反應(yīng)用淀粉和陰離子聚丙烯酰胺生產(chǎn)。出于測試的目的，所使用的GPAM是及時(shí)使用的形式，而無需昂貴的現(xiàn)場化學(xué)發(fā)生器，由于實(shí)驗(yàn)所需，通常優(yōu)選現(xiàn)場生成。這種聚合物的優(yōu)勢是它與纖維素纖維上的羥基基團(tuán)（—OH）反應(yīng)較強(qiáng)烈。

已經(jīng)研究的第2種干強(qiáng)劑是PVAm原位與陰離子計(jì)數(shù)型陰離子聚丙烯酰胺（APAM）。

1 測量方法

如圖1所示，首先準(zhǔn)備5張紙?jiān)贏xForm動(dòng)態(tài)紙頁成型器中用于測試每種干強(qiáng)度劑的效果。AxForm動(dòng)態(tài)紙頁成型器（DHF）具有完整的機(jī)器速度、流出控制和自動(dòng)化學(xué)劑量系統(tǒng)?？梢阅M的紙機(jī)速度高達(dá)1 300 m/min，能夠生產(chǎn)紙幅為200 mm×850 mm的紙張，定量可達(dá)40～200 g/m2。在測試前以及測試中紙張的壓榨和干燥需在AxForm烘干機(jī)上進(jìn)行，如圖2所示。

圖1 AxForm動(dòng)態(tài)紙頁成型器

圖2 AxForm壓榨機(jī)和烘干機(jī)

確定每張紙張的質(zhì)量以計(jì)算確切的定量。使用標(biāo)準(zhǔn)紙樣，拍攝以下樣品：縱向10 cm和橫向10 cm的窄條以及4張10 cm×10 cm的正方形。使用Lorentzen&Wettre實(shí)驗(yàn)室壓縮強(qiáng)度測試儀（CST）（圖3）以及耐破強(qiáng)度測試儀（圖4）測試紙張的壓縮強(qiáng)度和耐破強(qiáng)度。

圖3 L&W壓縮強(qiáng)度測試儀STFI

圖4 L&W耐破強(qiáng)度測試儀

第1次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著干強(qiáng)劑用量的增加，紙張的定量也隨之增加，如圖5所示。在某種程度上，這說明了紙漿的留著增加。因此，考慮將每個(gè)紙樣的質(zhì)量作為指標(biāo)，以確保結(jié)果的一致性。

圖5 紙張的定量隨著干強(qiáng)劑用量的增加而增加

2 觀察

在此次評估中，使用的控制點(diǎn)是：（1）沒有添加任何化學(xué)添加劑的紙張（空白樣）；（2）有標(biāo)準(zhǔn)留著/濾水方案的紙張。然后將這些數(shù)據(jù)用于與其他添加干強(qiáng)劑紙張的空白樣進(jìn)行對比。

3 壓縮強(qiáng)度的測試結(jié)果

分別添加GPAM和PVAm的紙張與對照紙樣（空白樣和添加助留劑）相比，它們可以產(chǎn)生更高的壓縮強(qiáng)度。噸紙?zhí)砑?0～35 kg的GPAM能夠使縱向紙樣產(chǎn)生最高的壓縮強(qiáng)度，與空白樣相比強(qiáng)度增加19.8%～22.2%，如圖6所示。

圖6 不同干強(qiáng)劑、不同添加量下紙樣的平均壓縮指數(shù)的變化

當(dāng)觀察縱向紙樣時(shí)發(fā)現(xiàn)，噸紙?zhí)砑?5 kg的PVAm能夠使紙樣達(dá)到最高的壓縮強(qiáng)度，強(qiáng)度增加了22.7%，而噸紙?zhí)砑?5 kg的GPAM使紙樣的壓縮強(qiáng)度增加了21.3%。但是在現(xiàn)實(shí)生活中，造紙機(jī)上的助劑用量會(huì)大大降低，如圖7所示。

4 耐破強(qiáng)度的測試結(jié)果

圖7 較低的干強(qiáng)劑添加量下紙樣的平均壓縮指數(shù)的變化

與空白樣相比，噸紙?zhí)砑?0 kg的PVAm能夠使紙樣的耐破強(qiáng)度增加34.2%，并且與空白樣相比，噸紙?zhí)砑?5 kg的PVAm能夠使紙樣的耐破強(qiáng)度增加30.1%，噸紙?zhí)砑?5 kg的GPAM能夠使紙樣的耐破強(qiáng)度增加25.6%，如圖8所示。

5 結(jié)論

圖8 不同干強(qiáng)劑、不同添加量下紙樣的平均耐破指數(shù)的變化

聚合物類干強(qiáng)劑能夠提高紙張的壓縮強(qiáng)度和耐破強(qiáng)度。當(dāng)GPAM的噸紙?zhí)砑恿繛?5 kg時(shí)，紙張的壓縮強(qiáng)度達(dá)到最高；當(dāng)PVAm的噸紙?zhí)砑恿繛?0 kg/t時(shí)，紙張的耐破強(qiáng)度達(dá)到最高。然而，在紙機(jī)上實(shí)現(xiàn)紙張強(qiáng)度的增加并不需要如此高劑量的干強(qiáng)劑。

從圖7可以觀察到，3 kg的PVAm和GPAM噸紙?zhí)砑恿烤妥阋允辜垙埖膹?qiáng)度明顯增加。

6 展望

未來的工作計(jì)劃是在強(qiáng)度助劑用量和整體紙張強(qiáng)度之間建立最佳平衡。例如，25 kg的GPAM噸紙?zhí)砑恿磕軌蚴辜垬拥目v向壓縮強(qiáng)度達(dá)到第2以及紙張的整體強(qiáng)度達(dá)到第3，第3高的壓縮強(qiáng)度與第2高的強(qiáng)度增加之間僅有0.11%的差異，這個(gè)差異是由噸紙?zhí)砑恿?0 kg的GPAM提供的。因此，需要選擇一種折衷方案來確定最佳的綜合強(qiáng)度，在耐破強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度之間尋找最佳平衡，從而通過添加干強(qiáng)劑使紙張整體更加牢固。