明礬用量對(duì)陽(yáng)離子分散松香膠留著性能的影響

在明礬（十二水合硫酸鋁鉀）不同用量和分散松香膠條件下，通過測(cè)定漿料濾液濁度來研究陽(yáng)離子分散松香膠的留著性能。采用電荷需求和Zeta電位表征漿料纖維的電荷特性。結(jié)果表明：當(dāng)最佳的明礬用量時(shí)，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)所采用的松香膠用量下均顯示出了較好的留著性能；當(dāng)明礬使用過量時(shí)，細(xì)小組分和膠體顆粒表面電荷會(huì)從陰離子性轉(zhuǎn)變?yōu)殛?yáng)離子性，從而導(dǎo)致陽(yáng)離子施膠劑留著率下降。紙機(jī)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了此實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。數(shù)據(jù)表明，在采用陽(yáng)離子分散松香膠施膠時(shí)，有必要對(duì)紙漿電荷進(jìn)行檢測(cè)以確保明礬的用量為最佳用量。

1 概述

纖維表面含有大量的羥基和羧基賦予紙張?zhí)烊坏挠H水性，這種性能對(duì)于衛(wèi)生紙、紙巾紙等紙品非常有利，但是膠版印刷紙或包裝紙等紙種則需要具有一定抗水性能。施膠的目的是使紙張具有抗拒水（或其他液體）擴(kuò)散和滲透的能力。在施膠過程中，通常會(huì)在纖維表面引入憎水性物質(zhì)。一般來說，施膠方法主要分為漿內(nèi)施膠和表面施膠。當(dāng)施膠劑加入紙料中且在造紙機(jī)濕部采用適宜的方法將其留著在纖維上，這種方法稱為漿內(nèi)施膠；紙頁(yè)成形后在半干或干燥后的紙張表面均勻涂上膠料則稱為表面施膠。

1807年，德國(guó)研究人員發(fā)明了明礬（十二水合硫酸鋁鉀）-松香施膠體系。在該體系中，松香（主要為松香酸和它的皂化物）具有疏水性能。明礬作為沉淀劑，有助于將松香膠料粒子與纖維結(jié)合。圖1展示了松香酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)式及其松香在明礬的作用下沉淀在纖維表面的機(jī)理。松香可通過馬來酸酐、反丁烯二酸強(qiáng)化，使其增加額外的羧基以更好地附著在纖維表面。這種“強(qiáng)化”的松香質(zhì)量通常僅占到混合物總質(zhì)量的10%～25%。

由于優(yōu)異的施膠性能和較低的成本，明礬-松香施膠體系在造紙工業(yè)中得到了廣泛使用。然而，該施膠體系的主要問題是松香皂與鈣離子結(jié)合形成的膠粘物會(huì)影響紙機(jī)的運(yùn)行性能。工廠在使用高硬度的水或者采用碳酸鈣作為造紙?zhí)盍匣蛲坎碱伭蠒r(shí)會(huì)使此問題變得更加嚴(yán)重。因此，1930年出現(xiàn)了分散松香膠。

圖1 明礬促進(jìn)松香膠與纖維結(jié)合示意圖

皂化松香膠和分散松香膠都需添加在濕部，且需要明礬作為沉淀劑以提高其與纖維的結(jié)合。二者的主要區(qū)別為施膠劑與明礬發(fā)生反應(yīng)的工藝位置的差異。皂化松香膠在濕部直接與明礬進(jìn)行反應(yīng)，進(jìn)而沉積在纖維表面；分散松香膠中的松香酸由于乳液的保護(hù)，因而需在烘缸處紙張獲得足夠的能量才能顯現(xiàn)效果。在加熱過程中，乳液穩(wěn)定性下降，釋放松香酸，使其與明礬在纖維表面發(fā)生反應(yīng)。所以，對(duì)于分散松香膠而言，施膠劑的留著與施膠效果的演變是2個(gè)單獨(dú)的過程，而皂化松香膠的留著和施膠效果演變過程則在濕部同時(shí)進(jìn)行。分散松香膠未沉積在纖維表面前，與纖維僅通過離子鍵結(jié)合，因而在水相體系中結(jié)合較弱。當(dāng)水被大量脫除時(shí)，分散松香膠粒子與纖維分離。并且，由于分散松香膠粒子遠(yuǎn)小于纖維和纖維之間的空隙，因而無(wú)法通過物理截留作用而留著在濕紙頁(yè)中。

由于明礬和陽(yáng)離子分散松香膠都帶有正電荷，因此明礬使用過量很可能會(huì)影響陽(yáng)離子分散松香膠的留著性能。因此，本研究對(duì)明礬用量對(duì)陽(yáng)離子分散松香膠留著性能的影響進(jìn)行了研究。通過改變明礬和陽(yáng)離子分散松香膠的用量來研究留著性能。采用顆粒電荷需求量（PCD）和系統(tǒng)Zeta電位（SZP）對(duì)漿料組分進(jìn)行分析以便更好地理解分散松香膠的相互作用機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 原料

實(shí)驗(yàn)所用闊葉木漿、松木漿、分散松香膠和明礬均取自漂白硫酸鹽漿板廠。漿料含有80%的闊葉木漿和20%的松木漿，漿料采用去離子水稀釋至0.7%質(zhì)量分?jǐn)?shù)。明礬和分散松香膠濃度采用去離子水調(diào)節(jié)為1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)。使用明礬時(shí)需現(xiàn)用現(xiàn)配，以減少其在稀溶液中的水解。漿料pH為4.4，添加明礬后，漿料pH會(huì)進(jìn)一步降低，實(shí)驗(yàn)研究的漿料pH為4.1～4.4。陽(yáng)離子分散松香膠為乳液形式，固含量為40%質(zhì)量分?jǐn)?shù)。光學(xué)顯微鏡測(cè)試結(jié)果表明，陽(yáng)離子分散松香膠的粒徑約在1.5 μm。

2.2 分散松香膠的留著性能測(cè)試

將明礬加入3 L濃度為0.7%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的漿料中，并混合均勻。之后，將分散松香膠逐漸加入漿料中，每次添加后，收集50 mL漿樣并進(jìn)行過濾。采用濁度測(cè)定儀（溫度2 300℃鎢絲燈作為光源，波長(zhǎng)0.6～2.3 μm，峰值強(qiáng)度約1.3 μm）測(cè)定濾液的濁度。由于分散松香膠的粒徑（1.5 μm）大于峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，因此濁度儀對(duì)濾液中的分散松香膠顆粒非常敏感，可用于評(píng)價(jià)膠料粒子的留著性能。采用未添加任何化學(xué)品的原始漿料濾液數(shù)據(jù)作為濁度的基線。漿料最終濁度減去基線濁度來評(píng)價(jià)分散松香膠對(duì)濾液濁度的影響。同時(shí)，在不同明礬用量下，測(cè)定的濁度平均值用于評(píng)價(jià)分散松香膠的留著性能。

2.3 電荷測(cè)試

將不同用量的明礬加入15 L濃度為0.7%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的漿料中，取400 mL樣品用濾網(wǎng)進(jìn)行過濾，采用電荷測(cè)定儀測(cè)定濾液的顆粒電荷需求（PCD）。采用電位測(cè)定儀測(cè)定漿料的Zeta電位。所有數(shù)據(jù)測(cè)定3次，取其平均值。

2.4 中試試驗(yàn)

紙機(jī)中試試驗(yàn)時(shí)所用漿料為闊葉木漿和松木漿。進(jìn)行施膠試驗(yàn)的目標(biāo)pH為4.5。紙機(jī)運(yùn)行時(shí)漿料體系pH為4.1～4.4。由于采用硫酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH，因此明礬用量對(duì)系統(tǒng)pH的影響較小。最終紙板的施膠性能采用TAPPI T 530 om-02（赫克力士施膠測(cè)試,HST）進(jìn)行測(cè)定。測(cè)試在室溫下進(jìn)行，所用的綠色染料中含10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的甲酸。

3 結(jié)果與討論

通過改變明礬和分散松香膠的用量，測(cè)定漿料濾液的濁度來評(píng)價(jià)分散松香膠的留著性能。將漿料、分散松香膠與明礬混合后通過濾網(wǎng)以模擬紙機(jī)成形網(wǎng)濾水過程。測(cè)定最終濾液和原始漿料（即未經(jīng)處理和未添加明礬的漿料）的濁度。濾液中分散松香膠會(huì)增加濁度，濁度較高就意味著分散松香膠的留著較低。

明礬、分散松香膠的用量對(duì)濁度的影響如表1和圖2所示（編者按：表1小括號(hào)中數(shù)據(jù)是將單位“磅/t”換算為法定計(jì)量單位“kg/t”后的數(shù)據(jù)）。

表1表明，當(dāng)明礬用量較低[0、10（4.53）、20（9.06）磅/t]時(shí)，濁度增加較慢，說明分散松香膠的留著率較高。然而，當(dāng)進(jìn)一步提高明礬用量[40（18.12）、80（36.24）磅/t]時(shí)，較高的分散松香膠用量造成其留著降低。這意味著過量的明礬用量會(huì)影響分散松香膠的留著。當(dāng)明礬用量在20～40磅/t（9.06～18.12 kg/t）時(shí)，隨著其用量的提高，分散松香膠的留著顯著下降。

當(dāng)明礬用量在一定范圍內(nèi)時(shí)，濁度變化較小，表明明礬對(duì)分散松香膠的留著影響不大。施膠效果與施膠劑用量可呈線性相關(guān)。此范圍內(nèi)，由于通過調(diào)控施膠劑用量便可獲得相對(duì)穩(wěn)定的施膠效果，因此更有利于紙機(jī)更換紙種。圖2表明在添加分散松香膠時(shí)，不添加明礬（0磅/t）并不能獲得最低的濾液濁度。當(dāng)明礬用量為10磅/t（4.53 kg/t）時(shí)，濾液濁度與其他用量下的濁度相比最低，表明一定量的明礬有利于提高施膠劑留著，在分散松香膠用量較高時(shí)尤為明顯。

表1 明礬與分散松香膠的用量對(duì)濾液濁度的影響 NTU

圖2 明礬與分散松香膠用量對(duì)濾液濁度的影響

由于實(shí)驗(yàn)中未添加淀粉和助留劑（它們通過架橋作用使施膠劑留著），因此本實(shí)驗(yàn)中靜電作用更有可能是分散松香膠唯一的留著機(jī)理。漿料體系的電荷特性對(duì)分散松香膠的留著影響很大。本研究對(duì)明礬不同用量下，漿料的電荷需求和Zeta電位進(jìn)行的分析以便更好地理解施膠劑的留著，結(jié)果如圖3所示。

圖3 明礬用量對(duì)漿料Zeta電位和電荷需求量的影響

PCD數(shù)據(jù)反映的是細(xì)小組分和膠體顆粒物質(zhì)的電荷需求，而Zeta電位反映的是纖維表面電荷情況。圖3表明：原始漿料所帶電荷為負(fù)電荷；當(dāng)添加明礬后，纖維和細(xì)小組分所帶電荷的絕對(duì)值在降低。由于漿料pH為4.1～4.4，在此范圍內(nèi)，大部分的Al以Al3+形式存在，因此添加明礬后會(huì)中和纖維和細(xì)小組分的負(fù)電荷。

電荷絕對(duì)值的降低速率在細(xì)小組分和纖維方面有所不同。在不同明礬用量下，系統(tǒng)Zeta電位仍為負(fù)值。然而，當(dāng)明礬用量在25～30磅/t（11.33～13.59 kg/t）時(shí)，細(xì)小組分的電荷特性由負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?。這可能是因?yàn)榧?xì)小組分的比表面積比纖維大，因而會(huì)吸附更多的明礬，從而更快地轉(zhuǎn)變?yōu)檎姾伞Ａ硗?，相關(guān)研究表明，這種差異性也與硫酸鹽漿纖維細(xì)胞壁介孔特性有關(guān)。由于水會(huì)進(jìn)入纖維細(xì)胞壁，因此所測(cè)定的Zeta電位還受纖維內(nèi)部的影響，如纖維表面很小的孔，這部分受濕部添加劑影響很小，因此纖維表面呈現(xiàn)正電荷，但Zeta電位可能還是顯示為負(fù)。換句話說，所吸附的鋁粒子可能會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入纖維的介孔中，從而不會(huì)影響纖維表面的電荷情況。當(dāng)細(xì)小組分電荷變?yōu)檎姾蓵r(shí)，它會(huì)排斥分散松香膠，進(jìn)而降低了膠料的留著效率。這與明礬用量較高時(shí)，其濾液濁度升高的現(xiàn)象是一致的。圖2中當(dāng)明礬用量超過20磅/t（9.06 kg/t）時(shí)，濾液濁度隨分散松香膠用量的提高而急劇上升，表明施膠劑留著較差。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室研究后，通過紙機(jī)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證明礬用量對(duì)分散松香膠施膠效率的影響。首先在紙機(jī)正常運(yùn)行過程中收集了數(shù)據(jù)。通過在混漿池中逐漸添加明礬并檢測(cè)電荷特性的變化。添加明礬的用量使得漿料體系電荷需求接近0（明礬臨界用量）。試驗(yàn)過程中，明礬的臨界用量為18磅/t（8.15 kg/t）。而后，固定紙機(jī)其他參數(shù)不變，同時(shí)改變明礬和分散松香膠用量進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試最終紙板的施膠性能（HST）評(píng)價(jià)施膠效率。圖4列出了試驗(yàn)所用明礬和分散施膠劑用量及其施膠效果。

由圖4可見，樣品1～7號(hào)的明礬用量穩(wěn)定在臨界用量下，此范圍內(nèi)HST與分散松香膠用量具有較好的相關(guān)性。當(dāng)明礬用量在臨界用量附近變化，同時(shí)改變分散松香膠用量時(shí)（樣品8～14號(hào)），HST數(shù)值仍隨分散松香膠用量而變化。當(dāng)明礬用量提高至臨界用量以上時(shí)（樣品15～19號(hào)），雖然分散松香膠用量較高，但HST數(shù)值逐漸下降。樣品14號(hào)與樣品19號(hào)的施膠性能雖然相近，但后者所用的施膠劑用量高出前者50%。因此，紙機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明，明礬過量導(dǎo)致的細(xì)小組分和顆粒電荷發(fā)生逆轉(zhuǎn)會(huì)造成陽(yáng)離子分散松香膠施膠效率下降。在同樣的干燥條件下（即施膠性能變化相同），施膠劑留著率的下降更有可能導(dǎo)致施膠效率降低。

4 結(jié)論

通過測(cè)定漿料濾液的濁度研究了不同明礬和分散松香膠用量下施膠劑的留著效果。結(jié)果表明：采用陽(yáng)離子分散松香膠時(shí)，過量的明礬用量通過改變漿料電荷特性影響施膠效果；在實(shí)驗(yàn)所使用的分散松香膠用量范圍內(nèi)，一定量的明礬可使施膠劑維持較高的留著效果；然而，當(dāng)明礬過量時(shí)，細(xì)小組分和顆粒電荷發(fā)生逆轉(zhuǎn)會(huì)影響施膠效果。

圖4 明礬與分散松香膠用量對(duì)施膠效果的影響

紙機(jī)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)研究效果。明礬臨界用量與漿料配比和種類有關(guān)，對(duì)于特定紙廠，有必要對(duì)漿料電荷特性進(jìn)行研究，通過優(yōu)化明礬用量以獲得最好的施膠效果。

（至將躁止 編譯）