PAC助留体系下细小纤维-碳酸钙共絮聚的研究

任建晓， 林 涛， 李 斌， 殷学风， 宋建伟， 李 雪

(陕西科技大学 轻工与能源学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

目前，纸张的发展趋势是低定量，但是低定量的纸张必定影响不透明度，因此，为了克服这一障碍，必须对填料进行改性或探索新的加填工艺，以改善纸张强度性能与光学性能之间的矛盾.近年来，CaCO3-细小纤维复合填料已经成为国内外造纸工作者的研究热点[1-7].

共絮聚工艺就是把传统抄造工艺中用于造纸的植物纤维原料先进行筛分，从而得到细小纤维组分和纤维组分两部分，然后向细小纤维组分中加入一定量的阳离子助剂与带负电性的填料共絮集，形成较大的絮聚团，并使絮聚团呈现一定的正电性，使之在抄纸过程中易于吸附在纤维上[8].

聚合氯化铝( Poly Aluminium Chloride),简称PAC,是介于氯化铝和氢氧化铝两种物质之间的一种水溶性无机高分子聚合物, 通常以通式Aln (OH)mCl3n-m来表示, 其中n代表聚合程度,m代表某种聚合氯化铝产品的中性化程度,即氢氧根离子取代氯离子的多少[9-11].聚合氯化铝所代表的并不是某一种特定的无机化合物, 而是一系列复杂铝聚合物的总称[12].长期以来,聚合氯化铝作为一种高效的絮凝剂一直广泛用于水处理过程中，由于聚合氯化铝可以很容易地吸附到纤维表面,还可以吸附带有负电荷的填料和细小纤维, 使它们更多地留着在纸页内部,另外,与其他有机聚合物的协同作用可以更有效地提高细料的留着率, 并改善浆料的滤水性能.因此, 聚合氯化铝在造纸湿部还能起到良好的助留、助滤作用.

本实验使用PAC作为絮聚剂对细小纤维-碳酸钙进行共絮.在不同添加量、不同作用时间下，所得到的絮聚团在电荷分布、粒径等特性以及对浆料的留着、滤水性能的影响是不同的.本章内容将考查单组分聚合氯化铝对共絮聚工艺的影响，采用聚焦光束反射测量仪(FBRM)动态测定了P-RC APMP细小纤维-碳酸钙共絮聚过程中共絮聚团的规模分布，探讨了PAC用量对共絮聚团大小的影响，研究了PAC用量对浆料悬浮液的Zeta电位、白水的阳离子需求量、细小组分的留着率、滤水性能以及共絮聚团电荷分布的影响.

1 实验部分

1.1 实验原料

杨木P-RC APMP(18°SR)由河南某造纸企业提供；进口漂白针叶木硫酸盐浆板(BSKP)；PCC由凯米拉(Kemira)提供；PAC由山东一化工厂提供，其二氧化铝含量28%；阳离子聚合电解质滴定标准液；阴离子聚合电解质滴定标准液.

1.2 实验设备

NO.SE003型标准纤维疏解器(瑞典L&W公司)、ZQS12型肖伯尔氏打浆度测定仪(陕西科技大学机械厂)、DHG-9053A电热恒温鼓风干燥箱(上海一恒科技有限公司)、DDJ动态滤水仪(Mt2110-086CF)、PCD-03型胶体电荷分析仪(美国Mütek公司)、SZP-06型Zeta电位测定仪(美国Mütek公司)、Lasentec 聚焦光束反射测量仪(美国).

1.3 实验内容

1.3.1 细小纤维的分离

取一定质量浆料置于电热恒温鼓风干燥箱，经烘干6 h后可以测得该浆料的含水量.然后取300 g绝干APMP浆料(取足量浆料筛分后续备用)充分疏解后，将其配成浓度为0.1%的悬浮液，通过SWECO圆形振动筛的200目筛网进行筛分，收集筛后长纤维组分(R200)以及一次细小纤维组分(P200).一次细小纤维组分悬浮液静置2天后抽取上层清液，浓缩后测量其浆浓备用.

将一次细小纤维后的浆料，加入水稀释浆浓为10%，用PFI进行磨浆，磨浆转数为20 000转，将磨后浆充分疏解后，将其配成浓度为0.1%的悬浮液，用SWECO圆形振动筛的200目筛网进行筛分，筛分浓度0.1%，从而得到P400和P200R400.将P400悬浮液静置2天后抽取上层清液，浓缩后测量其浆浓备用.

1.3.2 BSKP的制备

本实验通过P-RC APMP配抄BSKP，对比研究了浆料体系留着与滤水以及成纸物性.取足量漂白针叶木硫酸盐浆板(BSKP)，用Valley打浆机将其打浆到30 °SR，打浆度通过肖伯尔氏打浆度测定仪测定.将打好的浆料挤干，平衡水分后测定其含水量备用.

1.3.3 聚合氯化铝标准溶液的配制

本实验选用PAC的添加量相对于2 g绝干浆分别取0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%(以二氧化铝含量来计算)，从而算得所要取聚合氯化铝的用量，加入清水溶解后将其置于250 mL容量瓶中.

1.3.4 共絮聚体的制备

先向DDJ中加入筛分后的细小纤维悬浮液，然后加入20%PCC，搅拌一定时间后，加入一定量的PAC，继续搅拌15 s后就产生实验所需的细小纤维-碳酸钙共絮聚团.

1.3.5 PAC添加量对细小纤维与填料共絮聚团大小分布测定

本实验主要研究PAC添加量对细小纤维-碳酸钙共絮聚团大小的影响.首先将FBRM探头伸入到烧杯中(带搅拌器)，在750 r·min-1搅拌速度作用下，向烧杯中加入P400二次细小纤维悬浮液(用量占APMP浆料的15%)，搅拌一段时间后加入20%PCC，测定尺寸分布，搅拌均匀后加入不同量的PAC，细小纤维和碳酸钙在PAC的作用下进行共絮，测定细小纤维-碳酸钙絮聚后的尺寸分布.

1.3.6 浆料Zeta电位的测定

配制0.4%的待测浆料溶液500 mL，利用Zeta电位测定仪测定浆料的Zeta电位.

1.3.7 白水阳离子需求量的测定

配制0.4%的待测浆料溶液500 mL，倒入动态滤水仪(DDJ)中，收集前100 mL滤液(白水)，量取10 mL用PCD-03型胶体电荷分析仪测定白水的阳离子需求量.

1.3.8 细小组分留着率与浆料滤水性能的测定

按要求配制0.4%的待测浆料溶液500 mL，倒入动态滤水仪(DDJ)中，在750 r·min-1下混合60 s后进行滤水.收集前100 mL的滤液(白水)并用秒表记录时间，滤网采用200目的不锈钢网.用已烘干并恒重的定量滤纸抽滤上面滤出的白水，烘干称重，测定100 mL滤液中细小纤维和填料的固含量.从而测得细小组分留着率.

2 结果与讨论

2.1 PAC添加量对细小纤维-碳酸钙共絮聚团和浆料电性的影响

实验研究不同PAC添加量对细小纤维-碳酸钙共絮聚团和浆料电性的影响，实验结果如图1、图2和图3所示.

图1 PAC 添加量对浆料Zeta电位的影响

图2 PAC添加量对共絮聚团表面电荷的影响

图3 PAC添加量对白水阳离子需求量的影响

由图1可知，随着PAC添加量的增加，共絮聚团的表面负电荷的绝对值在不断减小，这是因为PAC可以因其所带正电性通过电中和、电荷补丁机理引起纸料絮聚[12]，因而能够中和细小纤维的负电性.

由图2可知，随着PAC添加量的增加，浆料的Zeta负电位在不断减小，原因是共絮聚团的表面负电荷在不断减小，加入到纤维中，其中一部分絮聚团中PAC中和了纤维表面电荷，使纤维表面的双电层厚度降低，导致浆料的Zeta电位降低.当Zeta电位降低时，有助于浆料体系共絮聚团的形成，从而提高细小组分留着率.

白水阳离子需求量的大小，表现了白水中阴离子物质的多少.因此，加入阳离子助剂后，会对需求量造成影响.由图3可以看出，白水阳离子需求量随PAC添加量的增加而降低,表明了白水中阴离子物质逐渐变少.

2.2 PAC添加量对细小纤维-碳酸钙共絮聚团大小的影响

实验研究不同PAC添加量对细小纤维-碳酸钙共絮聚团大小的影响，实验结果如图4所示.

图4 PAC添加量对细小纤维-碳酸钙共絮聚团大小的影响

图4显示了不同PAC添加量下共絮聚团平均弦长随时间的演变关系，在未添加PAC时(前30 s)，细小纤维与填料混合物的平均弦长为8.5μm左右，变化不大.当加入PAC后(30～80 s)，絮聚作用发生的比较快，达到最大絮聚团尺寸的时间很短，絮聚团平均大小为12μm左右.且随着PAC添加量的不断增加，共絮聚团的平均弦长在不断增加.从图2可知随着助留剂用量增大，共絮聚团的表面负电荷在不断减小，从而絮聚体之间静电斥力也相应减小，从而有利于纤维絮聚.从图中可以看出所形成的絮聚团的尺寸较小，说明PAC在APMP浆料体系中主要起电中和与电荷补丁效应的絮聚作用.

2.3 PAC添加量对浆料体系留着性能的影响

实验研究了不同PAC添加量对浆料留着性能的影响，实验结果如图5所示.

图5 PAC添加量对细小组分留着的影响

由图5可知在一定范围内，随着PAC用量的增加，浆料细小组分的留着率不断上升.当PAC用量从0.2%增加到0.8%的过程中，细小组分的留着率从41.3%增加到47.2%，而当PAC用量从0.8%转变为1.0%，细小组分留着率又有所下降.从整体来看，细小组分留着率并不高，原因是在添加PAC后，PAC主要通过电中和机理使细小组分絮聚，细小纤维与填料形成的絮聚团太小，因而不易吸附于长纤维中，造成留着率较低.

2.4 PAC添加量对共絮聚体系滤水性能的影响

实验研究了不同PAC添加量对共絮聚体系滤水性能的影响，实验结果如图6所示.

图6 PAC添加量对共絮聚体滤水性能的影响

从表6可知，当未添加PAC时，DDJ滤水时间为89 s.加入0.2%化学药品后，滤水时间变为79 s，时间变化较大，滤水性能得到改善.且滤水时间随着PAC用量的增加而逐渐减小，说明其滤水性能随着PAC的增加而逐渐变好.因为PAC作为电荷中和剂通常被用于助滤体系中，它能使细小纤维由于电荷中和发生比表面下降，并且形成絮聚体改善浆料体系微孔结构[24]，从而使得浆料滤水性能随化学药品添加得以改善.

3 结束语

从实验可知，随PAC用量的增加，共絮聚团的表面负电荷在不断减小、浆料的Zeta负电位也在不断减小，说明了絮聚体系中PAC主要通过电中和、电荷补丁机理引起了纤维的絮聚.纸料中白水阳离子需求量随PAC添加量的增加而降低，表明了白水中阴离子物质逐渐变少，细小纤维与填料逐渐被留着于浆料体系中.

通过FBRM检测可知添加PAC后，细小纤维与填料得以共絮，但共絮聚团尺寸较小，平均大小为12.5μm左右，当PAC添加量为0.8%后，细小组分留着率最高，为47.2%.而滤水性能随着药品添加得以改善.但从整体可见，PAC并没有有效提高浆料细小组分的留着率.

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