AKD碱性造纸施胶剂

AKD碱性造纸施胶剂

2007-12-18 12:37

AKD中性/碱性造纸施胶剂进行浆内施胶，其施胶效果除与AKD乳液本身的质量性能有关外，还与应用工艺条件及造纸原料种类有关［1～4］。也就是说如果使用时不根据实际生产情况，有针对性的采取相应的措施，制订合理的施胶工艺和操作使用规程，那么施胶效果可能很差，甚至丧失。AKD胶因阳离子化而使胶料表面带有正电荷，造纸纤维本身呈负电性，通过静电吸附使AKD胶粒定着到纤维上，经脱水干燥后，AKD分子的反应基团和纤维上的羟基反应生成牢固的共价键，AKD 分子的疏水端定向朝外，形成单分子膜，使纸页表现出较好的疏水功能[5～9]。由于AKD胶的施胶量为0.15%～0.30%，用量很少，加上供浆系统如泵、压力筛等高剪力设备的作用，吸附到纤维上的AKD胶粒部分会从纤维上脱落下来[2～9]。因此为保证有限的AKD胶粒尽可能留着在纤维

上，发挥应有的施胶效能，对AKD的应用工艺条件进行系统的探讨分析来指导生产，具有十分重要的意义。

AKD-LT中性施胶剂的应用研究，采用阳离子淀粉—阴离子聚丙烯酰胺双组分助留系统。研究探讨和分析了阳离子淀粉、阴离子聚丙烯酰胺，CaCO3填料，pH值和干燥温度等对AKD施胶的影

响，并且也对麦草浆配比改变后的施胶效果进行了评价。

1 实验材料及方法

1.1 化学药品

中等电荷密度阳离子淀粉，A-PAM(相对分子质量300～500万)，填料为沉淀CaCO3，AKD-LT中性施胶剂(AR10)。

1.2 纤维原料

进口商品漂白针叶木浆，打浆度30°SR；漂白阔叶木浆，打浆度30°SR。国产漂白麦草浆，打浆度28°SR(除特别说明外，所有纸样纤维材料配比：针∶阔∶草35∶35∶30，CaCO3用量20%)。

1.3 抄片

西北轻工业学院ZQJ1200mm抄片器，纸张定量80g/m2。

1.4 纸的熟化方法

纸片经干燥后，放入105℃烘箱，熟化15min，取出冷却至室温后进行施胶度测定。

1.5 施胶度测定方法

采用硫氰酸铵溶液和三氯化铁试剂的滴定渗透法测定。

1.6 纸张灰分测定方法［10］

填料为CaCO3的纸样，灼烧温度为(575±25)℃；滑石粉填料纸样，灼烧温度为(925±25)℃。

2 结果与讨论

2.1 阳离子淀粉用量与纸页施胶度

在AKD施胶助留系统中，加入阳离子淀粉能吸附纸浆中的细小纤维和填料，提高细料的首程留着率和灰分，同时促进AKD胶粒的稳定性和提高AKD在长纤维

上的留着率，提高纸页的强度和挺度。为保证AKD胶最大的留着率和较好的抗水性能，在AKD和A-PAM用量不变的情况下，对阳离子淀粉的用量进行研究，试验结果如图1所示。

图1 阳离子淀粉用量与纸页施胶度关系曲线

注：AKD用量0.2%，CaCO3用量20%，

A-PAM用量150×10-6

由图1看出，在开始阶段适度添加阳离子淀粉有助于AKD的留着，对提高纸页的抗水性能有促进作用，然而当阳离子淀粉用量达到0.5%以上时，施胶性能几乎变化不大，即使进一步提高其用量，施胶度也没明显的提高。

2.2 A-PAM的用量与纸页施胶度

阳离子淀粉和AKD胶都带正电荷，利用静电吸附作用力，吸附到带负电的造纸纤维上。然而，吸附在细料上的AKD胶粒，部分会随白水一起流走。而阴离子聚丙烯酰胺是一种高分子聚合物，同样利用静电吸附原理，将细料与细料、细料与长纤维、纤维与AKD胶粒桥联在一起，形成大的颗粒或较小的纤维絮聚，浆料上网后留着在网上，从而提高AKD的留着率和成纸灰分的含量。

从图2中看出，在双组分助留系统中，阳离子淀粉、AKD用量一定的情况下，纸张施胶度随阴离子聚丙烯酰胺用量的增加而提高，说明A-PAM对AKD的留着具有相当重要的作用。如果不加A-PAM,纸张的施胶度只有要求的20%～30%,但是当A-PAM用量超过250×10-6时,纸页的匀度变坏。因此,根据造纸纤维原料性能差异((Zeta电位),其用量会有所不同，一般控制在(150～200)×10-6范围内，既能达到助留的目的，同时又不影响纸页的匀度。

图2 A-PAM用量与纸页施胶度关系曲线

注：AKD用量0.2%，CaCO3用量20%，CS用量0.7%

2.3 AKD用量与纸页施胶度

图3是对两种不同阳离子试剂AKD乳液用量进行对比实验的。

图3 AKD用量与纸页施胶度关系

注：CS用量0.7%，CaCO3用量20%，A-PAM用量150×10-6

施胶曲线表明，在同样AKD胶用量下，树脂型AKD胶具有比淀粉型AKD胶较高的抗水性能，并且树脂型AKD在用量0.2%时，就能满足纸张抗水要求，而淀粉型AKD只有当用量达到0.25%以上时才具有同样的施胶效果，且无论何种类型AKD，当其用量小于0.1%时，纸张几乎没有施胶度，而当AKD用量超过0.4%时，施胶度几乎不上升，说明AKD只要在一定的使用范围内就能收到满意的施胶效果，用量过大不能进一步提高成纸的抗水性能，反而会降低纸的物理强度，给纸机抄造带来麻烦。

2.4 pH值与纸页施胶度(见表1)

AKD施胶也与施胶系统的pH值有关。只有在中性或碱性条件下，AKD的内酯环打开与纤维上的羟基进行酯化反应，生成牢固的共价键而产生抗水功能。AKD 施胶最佳的pH值范围是7.5～8.5。

表1 不同pH值下AKD施胶与纸页抗水性关系

实验结果表明，随着pH值提高，纸页的施胶度逐渐上升，尤其在

pH值6.5升到7.5范围内，施胶度上升最快。当pH值大于8.0时，纸

张的施胶度上升速度减缓。考虑到采用CaCO3填料，AKD施胶刚开始时要

用碱来调节pH值，到白水实现封闭回用后，CaCO3本身是一种pH缓冲剂，

使系统的pH值处在7.5左右，所以就不必再加碱。因此，在抄片时施胶

系统pH值控制在7.5。

2.5 干燥温度和熟化时间与纸页施胶度

AKD中性/碱性抄纸，因AKD相对不活泼，在湿部AKD胶粒只是留在湿纸幅中，并没有进行反应，只有在一定温度下干燥后，才进行酯化反应，产生永久定着。因此温度是纸张抗水性能好坏的关键因素之一［11］。图4为不同干燥温度下纸张的抗水性能曲线。

图4清晰表明，干燥温度和熟化时间对成纸施胶度有很大的影响，干燥温度越高，纸的施胶度越高，且施胶发展熟化时间越短。当干燥温度低于90℃，AKD用量为0.2%时，不管自然熟化时间多长，其施胶度也难以达到应有的水平。因此，在保证不影响成纸质量的前提下，尽可能提高干燥温度，就可以达到较高的施胶效果和缩短施胶熟化时间。

图4 不同干燥温度下熟化时间与纸页施胶度的关系

2.6 填料与纸页施胶度

酸性造纸一般采用滑石粉、高岭土为造纸填料，也有一些需要高白度的纸种使用钛白粉作为造纸填料。对于碱性造纸，滑石粉、高岭土作为填料会降低AKD的施胶效能，而钛白粉作为填料价格太昂贵。碳酸钙填料白度相对较高，价格又相对便宜，本身可作为系统pH值缓冲剂，适用于作AKD碱性造纸填料，对AKD施胶效能影响相对较小。

实验结果表明在pH值7.5时，CaCO3用量在20%～25%，AKD用量0.2%，仍有相当的施胶度，基本上能满足成纸的质量要求。从图5可看出，在AKD用量一定的条件下，纸的施胶度随CaCO3用量的增加而不断下降，说明CaCO3是导致AKD施胶效果下降的主要原因之一。

图5 CaCO3填料用量与纸页施胶度关系

注：AKD用量0.2%，CS 0.7%，A-PAM 150×10-6

2.7 麦草浆配比量对AKD施胶效能的影响

我国长纤维资源缺乏，进口商品浆价格高，国内纸厂总希望少配入一些商品针叶木浆，多用一些非木材纤维，以降低生产成本。然而随着麦草浆用量的增加，纸的抗水性能下降。当用麦草浆配抄纸时，为保证同样的施胶度，AKD用量必须加大。到目前为止尚不清楚为什么草浆施胶比木浆施浆困难，有人解释为草类浆阴离子类成分多，且组分复杂；也有人解释氯离子含量高等影响到AKD的用量和施胶效能的发挥。表2为不同比例漂白针叶木浆对漂白草浆用量与施胶度关系。

通过漂白针叶木浆和漂白麦草浆配比的改变，在各种助剂等工艺条件完全相同的条件下，可以看出随着浆料中麦草浆使用比例的增大，其成纸施胶度明显下降，到麦草浆配比超出80%以上时，成纸的抗水性要求就不能满足产品的规定指标。全木浆施胶，其施胶度非常高，而全麦草浆施胶施胶度几乎没有。因此，根据生产纸种的档次不同，可以对AKD 胶的用量和木浆的使用比例进行相应的调整，以取得最好的经济效益。

2.8 不同的施胶程序对成纸施胶质量的影响

由前面所述，树脂型AKD胶乳具有较高的正电性，对纤维的吸附能力很强。特别是纸料中的细料，其比表面积大，相对负电荷密度大，AKD

胶加进纸料中后，优先吸附到细料上，使得长纤维上吸附的AKD胶量减少。草类原料具有较多的细小纤维和较复杂的阴离子组分，而木浆纤维相对只有部分因打浆或磨浆产生的少量细小纤维，相对草浆来说其量要少得多，通过改变双组分助留系统中阳离子淀粉的添加位置，了解添加顺序对施胶效果的影响，表3为实验结果。试样1～8号浆料配比为针叶浆30%和阔叶木浆70%，纸样9～12号浆料配比为35%针叶木浆、35%阔叶木浆和30%麦草浆；碳酸钙用量都是20%；其中1～4和9～10号纸样，施胶顺序为AKD→CS→APM。5～8和11～12号纸样施胶程序为

CS→AKD→A-PAM。

表3 施胶程序对纸页施胶度的影响

从表中可知，不同的施胶顺序，不同的浆料配比，对成纸的施胶结果有影响。全木浆抄纸，AKD用量少，施胶度高，AKD加在阳离子淀粉前其施胶度高出1倍左右。这进一步说明一方面木浆纤维易施胶，另一方面木浆纤维中细小纤维的量少。对于麦草浆配抄纸，阳离子淀粉加入位置的改变对纸页施胶度影响不大，相对来说还是先加阳离子淀粉施胶效果要好一些。

2.9 不同种类施胶剂施胶性能对比

表4为不同施胶剂的施胶结果比较。

表4结果表明，AKD-LT中性施胶纸具有较高的物理强度和较高的填料留着率，裂断长比松香胶施胶纸高16.7%，比分散松香胶施胶纸高2.5%；填料留着率比松香胶施胶纸高29.4%，比分散松香胶施胶纸高17.1%。实验证明经AKD中性施胶后的纸张，在施胶度相当的条件下，填料留着率较大，而强度比酸性施胶纸高得多。采用AKD中性抄纸后，虽然施胶成本有所增加，但高的填料用量及填料留着率，可以减少纤维的用量，或增加草浆的配比。从这个角度看，可以降低原材料的消耗，使生产成本下降。普通松香胶施胶成本(包括填料成本)一般在120～160元/t纸，AKD中性施胶成本在240～260元/t纸范围,比酸性施胶成本高出近一倍。然而实验和工厂实践报道［6,12,13］,中性造纸细料的首程留着率和成纸灰分含量高于酸性造纸。由表4数据可知中性纸灰分含量比酸性纸高出5.89%，这表明中性纸中纤维原料的使用量减少了5.89%，如果纤维原料的综合平均价以4725元/t浆计，则吨纸生产成本可降低约219.8元，相当于中性纸的施胶成本。也就是说酸性纸的施胶成本即是中性纸的施胶效益。因此，利用AKD中性抄纸后生产成本非但不会增加，相反还能降低生产成本，吨纸增加经济效益100元以上。

3 结论

3.1研究发现，阳离子淀粉加入量超过0.5%以后，对纸页施胶度提高不大；阴离子聚丙烯酰胺在保证纸页匀度的前提下，其用量增大有助于施胶度的提高；随着CaCO3填料用量的增加，纸页施胶度下降；纸页干燥温度对施胶度有较大的影响，初始干燥温度越高，抗水性能越好，熟化时间越短；施胶过程中最佳的施胶pH值在8.0左右。

3.2对用35%漂白针叶木浆、35%漂白阔叶木浆和30%麦草浆抄造铜版原纸,CaCO3填料的用量在20%的条件下,最佳的施胶工艺条件:pH 7.5～8.5,CS用量0.7%～1.0%,助留剂用量(150～200)×10-

6，AKD用量0.20%。

3.3全木浆抄纸，施胶剂用量低，AKD先于CS加入还可进一步降低施胶剂用量。草浆施胶较困难，与木浆配抄，最大的草浆用量在AKD用量0.2%时不超过80%，AKD加在CS之后更为有效。

3.4采用AKD-LT施胶剂施胶，具有更高的首程留着率和成纸灰分，纸的物理强度也有明显的提高