裴繼誠 張冬旭 張方東 申正會
(天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室,天津,300457)
?
·膠黏物測定·
模擬膠片剝離法測定廢紙漿中膠黏物表面黏性的研究
裴繼誠張冬旭張方東申正會
(天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室,天津,300457)
膠黏物在造紙過程中易黏附到烘缸和毛毯等部位,影響成紙質(zhì)量。傳統(tǒng)的膠黏物檢測方法是通過測定膠黏物沉積面積和沉積數(shù)量評估膠黏物對造紙過程的影響,不能表征膠黏物表面黏性大小,因而不能客觀表征膠黏物含量是否會對造紙過程產(chǎn)生危害。本實驗提出一種新的通過模擬膠片拉開法測定剝離強度表征膠黏物表面黏性大小的檢測方法。通過測定不同膠黏物模型物的表面黏性,分析了環(huán)境變化對膠黏物表面黏性的影響,以及膠黏物表面黏性對其沉積性能、漿料濾水性能的影響。實驗結(jié)果表明,漿料在55℃下處理1 h,添加有聚丙烯酸酯的紙漿產(chǎn)生的膠黏物表面黏性最大,體系內(nèi)無機鹽的加入及溫度的升高都會使膠黏物表面黏性增大,膠黏物的沉積性能增強;當聚丙烯酸酯產(chǎn)生的剝離強度由0.1607 N/mm上升到0.7676 N/mm時,膠黏物沉積面積最大由3997.3 mm2/m2上升到24226 mm2/m2,膠黏物數(shù)量最大由8760.4個/m2上升到96750個/m2,漿料的紙漿濾水性能變差,單位時間最大濾水量降低14 g。
膠黏物;表面黏性;剝離強度;沉積面積;濾水性能
膠黏物是一種來源廣泛、組成復雜且表面均具有黏性的物質(zhì);主要來源于人工合成聚合物和木材抽出物,其組分均具有很低的表面張力,導致膠黏物表面具有較高的黏性[1];在造紙過程中易黏附到烘缸和毛毯等部位,影響成紙質(zhì)量;膠黏物表面黏性越大,其產(chǎn)生凝聚和黏附的能力越強,對造紙過程的影響就越大[1-2]。
目前,膠黏物的檢測方法主要對膠黏物的沉積面積和數(shù)量進行測定,最典型的檢測方法是TAPPI—T277法[3]及INGEDE法[4]。TAPPI—T277法利用纖維篩分儀對漿料中粒徑大于100~150 μm的膠黏物進行篩選,漿料中粒徑大于100~150 μm的非膠黏物及膠黏物自身黏附的其他物質(zhì)都會影響測定結(jié)果的準確性;INGEDE法對篩渣進行染色后進行定量分析。膠黏物的沉積面積和數(shù)量只能評斷紙漿中膠黏物的量,廢紙漿中膠黏物含量多,但其黏附到設(shè)備上的能力未必強;而膠黏物表面黏性可以直接表征其在造紙過程中黏附與沉積的能力,評判膠黏物對造紙過程的影響。
本研究提出一種模擬膠片拉開法檢測膠黏物表面黏性的方法,即通過模擬膠片拉開法測試剝離強度表征膠黏物表面黏性大小。廢紙漿中的膠黏物組成復雜,其組分主要包括壓敏膠黏劑、油墨膠黏劑、涂布黏合劑及木材抽出物等,給分析過程帶來困難。實驗選取膠黏物模型物模擬廢紙漿中膠黏物的形成過程[5- 6],將篩分后的膠黏物顆粒均勻分布在膠片上,利用微機控制電子萬能試驗機對膠黏物黏合后的膠片進行剝離,用剝離產(chǎn)生的應(yīng)力與膠片寬度的比值(剝離強度)來表示膠黏物表面黏性大小。由于膠黏物的表面黏性隨著其組成及所處環(huán)境而有所差異。實驗選取不同種類的膠黏物模型物(聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇、甘油三酸酯、丁苯膠乳、聚丙烯酸酯)加入到紙漿中,測定不同環(huán)境下其表面黏性的變化及膠黏物表面黏性對紙漿其他性能的影響。
1.1實驗原料和試劑
漂白硫酸鹽針葉木漿:智利銀星牌商品漿;聚醋酸乙烯酯(PVAc):天津市光復精細化工研究所;聚乙烯醇(PVA):購自阿拉丁試劑有限公司;甘油三酸酯(TG):天津大茂化學試劑廠;丁苯膠乳(SBR):上海巴斯夫公司提供;聚丙烯酸酯(PA):購于廣州某公司。
1.2主要實驗儀器
微機控制電子萬能試驗機(型號:CMT4503,深圳新三思試驗機有限公司);Pulmac篩分儀(型號:MS-B3-230,加拿大PULMAC公司制造);膠黏物掃描分析儀(型號:PERFECTION V500,光學分辨率6400×9600 dpi,日本EPSON公司制造);Spec&Scan圖像分析軟件(美國Apogee Systems公司研制);Vally打漿機(型號:No.2505,日本KRK公司制造);過濾留著測試儀(型號:DFR- 04,德國BTG公司)。
1.3實驗方法
1.3.1膠黏物制備及表面黏性的測定
實驗?zāi)M膠片拉開法測定膠黏物表面黏性,用測定的剝離強度來表征膠黏物的表面黏性。將不同種類的膠黏物模型物(PVAc、PVA、TG、SBR、PA)單獨添加到濃度為3%的紙漿中,改變漿料體系的環(huán)境,利用Pulmac篩分儀對漿料中的膠黏物進行篩分;取Pulmac篩分儀篩分后的膠黏物顆粒,均勻涂布在長度10 cm、寬度3 cm(涂布面積為3 cm×3 cm)的膠片上,將兩張相同的膠片黏合到一起,于90℃、80 kPa條件下干燥7 min;將熟化后的膠片兩端固定在萬能試驗機的夾具上,測定將膠片分開所需的剝離應(yīng)力,即剝離強度;夾具移動速度為10 mm/min,膠片寬度為30 mm,F1=F2,如圖1所示。
圖1 剝離強度檢測示意圖
1.3.2大膠黏物的測定
取用作空白對照的紙漿及添加模型物的紙漿,根據(jù)TAPPI—T277標準檢測漿中大膠黏物的含量,并與本檢測方法中膠黏物表面黏性結(jié)合分析。步驟如下:取30 g絕干漿料,用標準疏解機疏解10000轉(zhuǎn);然后用Pulmac篩分儀篩分,篩分出來的膠黏物顆粒收集到專用的黑色濾紙上;然后在正面覆蓋一張?zhí)胤N涂布紙,于90℃、80 kPa條件下干燥7 min;除去涂布紙后在100 kPa水壓下沖淋25 s,再覆蓋涂布紙按上述條件熱壓干燥。取出后用黑色水筆將表面沒有沖洗掉的非膠黏物雜質(zhì)小心地涂染成黑色即可通過Spec& Scan軟件掃描分析大膠黏物信息。
1.3.3紙漿濾水性能的測定
取添加膠黏物模型物的紙漿,使用過濾留著測試儀(DFR),在紙漿濃度為0.3%的條件下檢測單位時間(60 s)內(nèi)濾水的質(zhì)量,以表征紙漿的濾水性能。
2.1膠黏物表面黏性的測定
在廢紙回用過程中,膠黏物因具有黏性而容易發(fā)生沉積,對造紙過程產(chǎn)生不利影響,膠黏物表面黏性高低能直接表征其對造紙過程的影響。實驗選取5種代表性的膠黏物模型物,將模型物加入到紙漿中(模型物添加量分別為1、2、3 g/30 g絕干漿),在55℃下處理1 h,利用Pulmac篩對漿料中的膠黏物進行篩分;采用模擬膠片拉開法測定膠黏物表面黏性,結(jié)果如圖2所示。
圖2 不同種類膠黏物表面黏性測定結(jié)果
由圖2可知,單獨添加一種模型物時,同一添加量下剝離強度最大的為PA;添加量為2 g時,剝離強度最大的是PA,為0.1607 N/mm,最小的是PVA,為0.1206 N/mm;當體系內(nèi)的膠黏物含量增加時,每種模型物產(chǎn)生的剝離強度都有一定增長,每種膠黏物表面黏性一定時,由于單位質(zhì)量內(nèi)膠黏物含量的增加,導致單位質(zhì)量的漿料中篩分出的膠黏物顆粒量增多,膠片之間的黏結(jié)面積增大,進而影響了剝離強度。
模擬膠片拉開法,通過測定剝離強度來表征膠黏物表面黏性,可直觀地表征出膠黏物表面黏性的大小,有助于判斷膠黏物對造紙過程的直接影響。
2.2金屬離子和溫度變化對膠黏物表面黏性的影響
漿料體系內(nèi)環(huán)境的變化會導致膠黏物失穩(wěn),表面張力改變,進而影響膠黏物表面黏性;研究中通過改變漿料體系內(nèi)的無機鹽含量和體系溫度,測定不同環(huán)境對膠黏物表面黏性的影響,不同環(huán)境下膠黏物表面黏性大小測定結(jié)果見圖3和圖4。
圖3 不同環(huán)境對膠黏物表面黏性的影響
圖4 不同溫度對膠黏物表面黏性的影響
由圖3可知,向漿料體系中加入單種金屬離子后,每種模型物產(chǎn)生的剝離強度都顯著增加,說明體系中無機鹽的存在會使膠黏物顆粒的表面黏性增大,相互間黏結(jié)力增強;PVAc和PA產(chǎn)生的剝離強度變化相對較大,以圖3(a)為例,分別由0.1443 N/mm和0.1607 N/mm增大到0.7676 N/mm和0.7344 N/mm。由圖4可知,當溫度為35℃時,膠黏物表面黏性較小,產(chǎn)生的剝離強度為0.1136 N/mm,隨著溫度的升高,剝離強度呈上升的趨勢,當漿料體系環(huán)境達到65℃時,產(chǎn)生的剝離強度為0.1812 N/mm;說明在一定溫度范圍之內(nèi),膠黏物表面黏性會隨溫度的升高而增強[7]。
由圖3可知,在漿料體系環(huán)境改變前后,PA和PVAc顆粒的表面黏性都相對較大,說明漿料體系環(huán)境的變化會導致膠黏物表面黏性發(fā)生改變,用作助留(濾)劑、增強劑、膠黏劑的PA具有較強的黏性[8-9];PA也常用作油墨連結(jié)料,具有一定的黏性和附著性是油墨連結(jié)料的基本要求[10]。研究表明,PA和PVAc是抄紙過程中產(chǎn)生的膠黏物的主要組成,在干燥部PA更容易沉積[11-12];說明膠黏物表面黏性越大,其在造紙過程中沉積性能越強。
圖5 不同環(huán)境下膠黏物的沉積性能
2.3膠黏物表面黏性大小對沉積性能的影響
大膠黏物是截留在100~150 μm縫篩上的黏性物質(zhì)[13-14]。傳統(tǒng)TAPPI法以單位面積上膠黏物顆粒面積(mm2/m2)和單位面積上膠黏物顆粒數(shù)量(個/m2)表示大膠黏物的含量。實驗中利用傳統(tǒng)TAPPI法測定單位面積上膠黏物顆粒的面積和數(shù)量,分析膠黏物表面黏性與其沉積趨勢之間的關(guān)系,膠黏物的沉積性能檢測結(jié)果如圖5和圖6所示。
由圖5(a)可以看出,膠黏物的表面黏性未改變之前,單種模型物所能產(chǎn)生膠黏物的沉積面積最大為2497.3 mm2/m2,沉積數(shù)量最大為18116個/m2;由圖3可知,漿料體系內(nèi)隨著金屬離子的加入,膠黏物表面黏性不斷增大,結(jié)合圖5(b)可知,當膠黏物的表面黏性由低變高,膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量都呈增加趨勢;當膠黏物表面黏性達到最大時,聚丙烯酸酯所能產(chǎn)生膠黏物的沉積面積和數(shù)量最大,分別為:24226 mm2/m2,96750個/m2;由圖4和圖6可知,溫度升高,膠黏物表面黏性增大,溫度為65℃時,膠黏物表面黏性最大,產(chǎn)生的剝離強度為0.1816 N/mm,此時,膠黏物的沉積面積和數(shù)量最大分別為:6047.7 mm2/m2、38158個/m2。
圖6 不同溫度下膠黏物的沉積性能
膠黏物顆粒實際上是一種水包油型乳液,粒子表面顯負電性,帶正電荷的離子在膠黏物粒子周圍聚集排列形成雙電層,使各膠黏物粒子間產(chǎn)生靜電斥力[15];膠黏物粒子會因與其他離子之間的親和而產(chǎn)生的相互間排斥力,是阻礙膠黏物聚集的主要原因;膠黏物粒子間的范德華力是粒子間引起聚集和存在聚集趨勢的主要原因,當膠黏物粒子間的相互吸引力與相互排斥力平衡時,粒子則以穩(wěn)定的膠體狀態(tài)存在于水中,這種穩(wěn)定狀態(tài)被視為是一種靜電穩(wěn)定。膠黏物以靜電穩(wěn)定狀態(tài)分散在水中,但是在存在二價或多價鹽離子時會發(fā)生絮聚[14],所以當體系內(nèi)混入無機鹽后,漿料體系內(nèi)的膠黏物顆粒失穩(wěn),導致膠黏物的沉積;由于溫度升高增大了膠黏物模型的黏性,并且使其容易變形,導致分子間絮聚沉積的幾率增大;漿料體系內(nèi)的膠黏物含量增加,被篩分出的膠黏物顆粒數(shù)增大,導致沉積面積及數(shù)量的增加。
結(jié)合圖3和圖5可知,當漿料體系的環(huán)境發(fā)生改變時,膠黏物顆粒的表面黏性會發(fā)生變化,當膠黏物表面黏性增大時,其沉積面積和沉積數(shù)量都顯著上升,說明當漿料體系內(nèi)的膠黏物含量一定時,其表面黏性越大,沉積趨勢越強;但體系內(nèi)的膠黏物含量越大,利用TAPPI法篩分后所得的膠黏物面積和數(shù)量就越大;如果體系內(nèi)膠黏物表面黏性極小且數(shù)量相對較多時,膠黏物可能不會黏附到烘缸及成紙表面,就不會對造紙過程產(chǎn)生影響,然而利用TAPPI法可能會篩分出較多的膠黏物,會對整個造紙過程產(chǎn)生一定影響;在實際生產(chǎn)中,如果可以直接測得膠黏物表面黏性,可對膠黏物的控制起到一定作用,利用更準確的方法降低膠黏物表面黏性,降低其沉積趨勢。綜上,傳統(tǒng)檢測膠黏物沉積趨勢的方法是建立在膠黏物尺寸大小的基礎(chǔ)上,不能直觀表征膠黏物在實際造紙過程中的沉積趨勢;膠黏物表面黏性大小即膠黏物能黏附到其他物質(zhì)上的能力,可直觀表征膠黏物的沉積趨勢。
2.4表面黏性對紙漿濾水性能的影響
圖7 不同膠黏物表面黏性下紙漿濾水性能
濾水性能是紙漿抄造成紙性能的一個重要指標,紙漿的黏度會影響紙漿的濾水性能[16]。膠黏物具有黏性,且相對分子質(zhì)量較大,會黏附細小纖維組分,使紙漿黏附性增大,導致紙漿濾水性能降低。影響紙漿濾水性能的因素有很多,如廢紙回用的漿料中含有大量陰離子垃圾,隨著白水循環(huán)程度的增加,這些物質(zhì)的濃度增大,會導致漿料濾水時間延長[17];實驗中研究膠黏物表面黏性對紙漿濾水性能的影響,用過濾留著測試儀(DFR)對單位時間內(nèi)紙漿的濾水量進行測定,結(jié)果如圖7所示。
由圖3和圖4結(jié)果可知,當紙漿中的環(huán)境改變后(包括無機鹽的加入、溫度的升高),膠黏物顆粒的表面黏性呈增加的趨勢;在一定的范圍內(nèi),膠黏物表面黏性隨無機鹽含量的增加以及溫度的升高而增大;由圖7(a)可知,隨著漿料體內(nèi)無機鹽含量的增加,漿料單位時間內(nèi)濾水減少量不斷升高,當膠黏物表面黏性最大時,濾水減少量最大為14 g;由圖7(b)可知,當溫度為35℃時,濾水量減少3 g,當溫度為65℃時,濾水量減少12 g,溫度升高導致膠黏物表面黏性增大,導致紙漿濾水量降低;由圖7(c)可知,當紙漿中膠黏物的含量1 g增加到3 g時,紙漿濾水性能最差。
紙漿中膠黏物因表面具有黏性,能黏附紙漿中的纖維及細小纖維,導致纖維間的孔隙減小,紙漿濾水量變少;當紙漿中的膠黏物含量一定時,膠黏物表面黏性增大,會導致其與纖維及細小纖維間的結(jié)合面積進一步增大,紙漿的濾水性能越差;當膠黏物表面黏性一定時,增多紙漿中膠黏物的含量會使其與紙漿中纖維之間的結(jié)合程度更高,紙漿的黏性變大,導致濾水性能變差。
3.1剝離強度大小能表征膠黏物表面黏性的高低,剝離強度越大,膠黏物表面黏性越強;由剝離強度的測定結(jié)果得出,聚丙烯酸酯和聚醋酸乙烯酯對膠黏物表面黏性影響較大。
3.2漿料體系內(nèi)無機鹽的存在以及溫度的改變都會影響膠黏物表面的黏性,一定范圍內(nèi),體系內(nèi)無機鹽含量增加及溫度的升高,都會導致膠黏物表面黏性增大。
3.3利用模型物模擬膠黏物研究中,膠黏物表面黏性的改變會影響其沉積趨勢及紙漿的濾水性能,膠黏物表面黏性越強,其沉積趨勢越大,紙漿濾水性能越差。
[1]YU Qi-chuan. Control of Stickies in the Pulping Process With Enzymatic[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2011.
愈霽川. 廢紙制漿過程中膠黏物的生物酶法控制[D]. 廣州: 華南理工大學, 2011.
[2]LIU Chao, QIN Meng-hua, LI Zong-quan. Stickies stability influence factors in the pulp and paper[J]. Tianjin Pulp & Paper, 2008(4): 13.
劉超, 秦夢華, 李宗全. 制漿造紙中膠黏物穩(wěn)定性影響因素[J]. 天津造紙, 2008(4): 13.
[3]Delagoutte T, Laurent A. Modified Method for the Quantification of Primary Stickies in Recycled Pulps[A]. Proc 10th PTS-CTP Deinking Symposium[C]. Munich, 2001.
[4]Lee H L, Kim J M. Quantification of macro and micro stickies and their control by flotation in OCC recycling process[J]. Appita Journal, 2006, 59(1): 31.
[5]YU Hai-long, GAO Yang, LI Zong-quan, et al. Studies on Depositional Behavior of Model Sticky Substances[J]. China Pulp & Paper, 2012, 31(8): 1.
于海龍, 高揚, 李宗全, 等. 膠黏物模擬物的穩(wěn)定性與沉積行為[J]. 中國造紙, 2012, 31(8): 1.
[6]LI Zhong-quan, ZHAN Huai-yu, KONG Fan-gong, et al. Effect of Cationic Polymers on the Stability and the Depositing Characteristics of Secondary Stickies[J]. China Pulp & Paper, 2005, 24(8): 13.
李宗全, 詹懷宇, 孔凡功, 等. 陽離子聚合物對二次膠黏物穩(wěn)定性及沉積性能的影響[J]. 中國造紙, 2005, 24(8): 13.
[7]PEI Ji-cheng, DUN Qiu-xia, ZHANG Fang-dong. Study on Deposition Properties of the Components of Stickies in Pulp[J]. China Pulp & Paper, 2014, 33(4): 1.
裴繼誠, 頓秋霞, 張方東. 膠黏物不同組分在紙漿中沉積性能的研究[J]. 中國造紙, 2014, 33(4): 1.
[8]JIANG G. Characteristics of Stickies in the Process of Pulping and Papermaking with Recycled Fiber[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2011.
蔣國斌. 廢紙制漿造紙過程中膠黏物的形狀研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2011.
[9]LAI S, YUAN D, HAN W. Application of Polyacrylate in Papermaking Industry[J]. Hubei Pulp and Paper, 2010(4): 31.
來水利, 袁丹, 韓武軍. 聚丙烯酸酯在造紙工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 湖北造紙, 2010(4): 31.
[10]LI X, WANG Z, ZHOU S. Research Progress on Binders for Water-borne Printing Ink[J]. Fine and Specialty Chemicals, 2007, 15(16): 14.
李小平, 王智英, 周舒. 水性油墨連結(jié)料的研究進展[J]. 精細與專用化學品, 2007, 15(16): 14.
[11]Hsu NN-C, Schroeck J J, Errigo L. Identification of the Origins of Stickies in Deinked Pulp[J]. TAPPI J., 1997, 80(4): 63.
[12]Miranda R, Balea A, Blanca E S, et al. Identification of Recalcitrant Stickies and Their Sources in Newsprint Production[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2008, 47(16): 62.
[13]SHI Zhi-chao, XU Li-xin. The Ways of Evaluation and Improvement of Drainage Time of Pulp[J]. Shanghai Paper Making, 2005, 36(4): 22.
施志超, 徐立新. 評價和改善紙漿濾水性能的幾種方法[J]. 上海造紙, 2005, 36(4): 22.
[14]Linhart F, Authorn W J, Degen H G, et al. “Anionic Trash”: Controlling Detrimental Substances[J]. TAPPI J., 1987, 70(10): 79.
[15]Doshi M R, Blanco A, Negro C, et al. Comparison of Microstickies Measurement Methods[J]. Prog Pap Recycling, 2003, 12(4): 35.
[16]Carré B, Brun J, Galland G. The Incidence of the Destabilization of the Pulp Suspension on the Deposition of Secondary Stickies[J]. Pulp Paper Can., 1998, 99(7): 75.
[17]ZHANG G, LAO J. Papermaking wet end chemistry and its application[M]. Beijing: China Light Industry Press, 1999.
(責任編輯:常青)
植樹造林愛護環(huán)境
Measurement of the Surface Viscosity of Stickies in Waste Paper Pulp Based on the Simulation of Peeling Sticky Films
PEI Ji-cheng*ZHANG Dong-xuZHANG Fang-dongSHEN Zheng-Hui
(TianjinKeyLabofPulp&Paper,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300457)
Stickies are easy to adhere onto dryers, belts and other parts in papermaking process, thus affecting paper product quality. Traditionally the effect of stickies on papermaking process is evaluated by testing its deposition area and amount. Those methods cannot characterize the surface viscosity of the stickies and its harm to papermaking process. A new method based on testing the peeling strength of two films coated with stickies was proposed in the study. The effect of system change on surface viscosity and the effect of surface viscosity on the deposition property and drainage property were analyzed by testing the surface viscosity of different stickies model substances. Results showed that the surface viscosity of the stickies in the pulp adding PA was the highest, the addition of inorganic salt and the temperature increase could increase the surface viscosity; the increase of the surface viscosity led to the increase of deposition. When the peeling strength of PA increased from 0.1607 N/mm to 0.7676 N/mm , the deposition area of stickies increased from 3997.3 mm2/m2to 24226 mm2/m2, the number of stickies increased from 8760.4 per square meter to 96750 per square meter, the drainage property of pulp became worse and the maximum drainage weight decreased by 14 g in unit time.
stickies; surface viscosity; peeling strength; deposition area; water drainage property
裴繼誠先生,教授;主要研究方向:清潔制漿技術(shù)及木素生物改性。
2015-12-14(修改稿)
TS749+.7
A
10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.05.006
(*E-mail: jcpei@tust.edu.cn)