應(yīng)用聚丙烯酰胺類造紙化學(xué)品提高紙頁的物理性能

曹曉瑤

（廣東江門職業(yè)技術(shù)學(xué)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(jié)構(gòu)單元化學(xué)性質(zhì)非常活潑，其官能團(tuán)有雙鍵及酰胺基，都可以進(jìn)行相對應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，設(shè)計(jì)不同的聚合工藝可以得到一系列不同相對分子質(zhì)量、離子類型和取代度的聚丙烯酰胺產(chǎn)品[1-2]，在造紙工業(yè)中可作為分散劑、助留劑、助濾劑、濕強(qiáng)劑和干強(qiáng)劑等[3-6]。聚丙烯酰胺類造紙化學(xué)品性能優(yōu)越，應(yīng)用在造紙過程中特別是包裝紙領(lǐng)域能在不降低其強(qiáng)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(jīng)濟(jì)效益。

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

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器和原料

主要儀器：打漿機(jī)，型號(hào)ZQS2-23，西北輕工業(yè)學(xué)院機(jī)械廠；紙漿打漿度測定儀，型號(hào)HK-222；數(shù)顯電子天平，型號(hào)YP4001，上海越平科學(xué)儀器有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋，型號(hào)HH-1，常州金壇良友儀器有限公司；紙頁成型器總成，型號(hào)ZCYG-1，長春紙張?jiān)囼?yàn)機(jī)廠；全自動(dòng)透氣量儀，型號(hào)AVM，寧波紡織儀器有限公司；熱鼓風(fēng)干燥箱，型號(hào)101A-1B，上海實(shí)驗(yàn)儀器廠；可移動(dòng)臺(tái)式電子顯微鏡，型號(hào)SECSNE-3000MB；傅里葉變換紅外光譜儀，型號(hào)IRPredstige-21；旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，型號(hào)NDJ-5s，上海昌吉地質(zhì)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(xué)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的廢棄A4打印紙+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的廢報(bào)紙。

1.2 脫墨漿原料的準(zhǔn)備流程

1.3 分析測試

黏度按JJG—2005《中華人民共和國國家計(jì)量檢定規(guī)程》測定；其他測試項(xiàng)目按相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 混合廢紙漿內(nèi)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(zhì)量濃度的變化曲線。

圖1 PAM和CPAM溶液的黏度隨質(zhì)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(zhì)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(zhì)量濃度較低時(shí)，隨質(zhì)量濃度的增加其黏度增加比較緩慢，當(dāng)溶液質(zhì)量濃度大于 0.6 g/L以后，黏度急劇上升，這是因?yàn)楫?dāng)聚合物如CPAM相對分子質(zhì)量約為106時(shí)，高分子線團(tuán)開始互相滲透，含量稍高時(shí)，機(jī)械纏結(jié)足以影響?zhàn)ざ?，含量越大，分子間作用越強(qiáng)烈，而且PAM的相對分子質(zhì)量愈大，分子間愈易形成鏈纏結(jié)，溶液的黏度更大[8-9]。因此實(shí)驗(yàn)選擇配制的CPAM和PAM溶液質(zhì)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(qiáng)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(qiáng)度指標(biāo)為：抗張指數(shù)16.62 N·m/g，撕裂指數(shù)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(shù)呈上升趨勢：添加量為1.5%時(shí)，PAM成紙抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)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(qiáng)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?jié){料體系中帶負(fù)電的細(xì)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(jié)合數(shù)量增加，從而增加了纖維之間的結(jié)合力，也提高了紙頁強(qiáng)度。但當(dāng)PAM或CPAM的添加量超過1.5%時(shí)，紙頁的抗張指數(shù)提高幅度不是很明顯，可能在于PAM/CPAM添加量增加時(shí)的絮聚作用使紙張勻度變差從而使得抗張指數(shù)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(shù)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(jié)合力、纖維本身強(qiáng)度等[10]13。剛開始隨著PAM和CPAM添加增加，紙頁中細(xì)小纖維等組分留著率提高，纖維結(jié)合力增加使撕裂指數(shù)增加，添加到一定量后，因?yàn)镻AM和CPAM對細(xì)小組分的留著越來越多，細(xì)小組分留著太多阻礙了長纖維間的結(jié)合，而撕裂指數(shù)的主要影響因素是纖維平均長度，所以撕裂指數(shù)開始下降。因此，綜合考慮2個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)的變化趨勢，確定CPAM添加量為1.5%。

2.3 CPAM和陽離子淀粉復(fù)配對紙頁強(qiáng)度性能的影響

多年來，陽離子淀粉（CS）因其低廉的價(jià)格、干強(qiáng)性能及其對細(xì)小組分的留著能力而成為造紙工業(yè)中使用最早也是最常用的干強(qiáng)劑[11]。本實(shí)驗(yàn)選用CS與CPAM復(fù)配使用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 CPAM和CS復(fù)配使用對紙頁性能的影響

由表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)CPAM添加量為1.5%時(shí)，隨CS添加量的增加，手抄片各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均呈先上升后稍有下降的趨勢。CS添加量為0.6%（樣品3）時(shí)，與僅添加CPAM（樣品 1）相比，CPAM和CS復(fù)配的手抄片的抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)分別提高了18.95%和47.21%。

CPAM和CS復(fù)配使用，二者協(xié)同作用時(shí)，CS首先與CPAM上帶負(fù)電的基團(tuán)（如羧基）反應(yīng)，中和掉部分負(fù)電荷，使CPAM顯示出更高的正電性，促進(jìn)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(xiàng)強(qiáng)度性能指標(biāo)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(xiàn)過陽離子化，不利于紙張纖維分散，紙頁抗張指數(shù)等強(qiáng)度指標(biāo)出現(xiàn)下降趨勢。

2.4 CPAM對紙張?jiān)鰪?qiáng)機(jī)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(qiáng)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(jié)合，使纖維間及纖維與高分子之間結(jié)合點(diǎn)增加，從而提高紙頁的干強(qiáng)度[12]。聚丙烯酰胺型紙用增強(qiáng)劑的增強(qiáng)機(jī)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(qiáng)，達(dá)到使紙頁干強(qiáng)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(qiáng)度也相應(yīng)增加。

2.4.2 CPAM對纖維保水值的影響

準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的混合廢紙漿置于離心管內(nèi)，在規(guī)定的離心力下離心一定的時(shí)間，將離心后的漿料放入恒重過的稱量瓶中稱量，紙漿質(zhì)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(zhì)量，記為 G2，則保水值=（G1-G2）/G2×100%。

水溶性膠狀的CPAM對細(xì)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(guī)定的條件下，用離心機(jī)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示[10]12。保水值是衡量纖維潤脹和水化作用的一個(gè)指標(biāo)，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(zhì)，其與纖維的優(yōu)先結(jié)合形成一層防水的保護(hù)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(fù)電荷的細(xì)小組分，陽離子功能團(tuán)的主要作用是能在抄紙時(shí)利用其正電荷特性將高分子鏈吸附到具有負(fù)電荷的纖維上并沉積于帶負(fù)電荷的纖維上，因此，CPAM對細(xì)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(jìn)纖維間結(jié)合，減少纖維-空氣界面，導(dǎo)致透氣度下降。

2.5 借助現(xiàn)代儀器分析手段探討CPAM提高紙頁強(qiáng)度的機(jī)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?yàn)橛辛损頒PAM的添加，纖維間膠接粘連比較明顯，與參考文獻(xiàn)[15]報(bào)道的結(jié)論一致：“加入CPAM后，漿料黏度增加，部分細(xì)小纖維被留著下來，網(wǎng)箱水位增高。補(bǔ)充白水，降低網(wǎng)箱漿料濃度，提高紙機(jī)抄速。紙的手感、勻度、強(qiáng)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(qiáng)吸收峰，根據(jù)查閱資料，游離的OH伸縮振動(dòng)在3 584～3 650 cm-1[16]，說明此峰很可能是纖維羥基的官能團(tuán)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(qiáng)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(tuán)的伸縮振動(dòng)區(qū)[16]，1 650 cm-1可能為聚丙烯酰胺官能團(tuán)中CC或CO的雙鍵伸縮振動(dòng)，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(jié)合而固著在紙頁上，因此其官能團(tuán)—NH基團(tuán)、CC和CO的伸縮振動(dòng)有所顯示。

3 結(jié)論

（1）CPAM溶液質(zhì)量濃度較低時(shí)，其黏度隨質(zhì)量濃度的增加而緩慢增加，當(dāng)CPAM溶液質(zhì)量濃度大于 0.6 g/L以后，其黏度隨質(zhì)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(qiáng)度指標(biāo)為：抗張指數(shù)16.62 N·m/g，撕裂指數(shù)5.31 mN·m2/g。PAM添加量為1.5%時(shí)，成紙抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)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(dāng)CPAM添加為1.5%、CS添加量為0.6%時(shí)，二者協(xié)同作用，與僅加入CPAM所抄制的紙頁相比，CPAM和CS復(fù)配的手抄片的抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)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(xì)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(qiáng)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(tuán)—NH基團(tuán)、CC和CO的伸縮振動(dòng)有所顯示。