制浆造纸原理与工程
第三章 非纤维添加
物质的应用(四)
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造纸化学助剂
一、化学助剂在现代造纸工业中的作用
上个世纪末世界纸与纸板的产量已达 30101
万吨, 纸浆产量达 17553万吨 。
我国造纸产量到上个世纪末已达到 3000万吨。
居世界第三位。但是,我国的纸和纸板的人均消
费量仅为 29公斤,与世界平均消费水平( 52公斤)
相比还有较大的差距,与发达国家(美国人均消
费量为 335公斤)的差距则更大。
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在 21世纪,资源、能源和环境仍然是
世界造纸工业面临的三个主要问题,因而
要使造纸工业得以持续发展,就必须解决
好这些问题。从目前世界造纸工业的实际
情况看,采用造纸化学助剂无疑是比较快
捷和行之有效的途径之一。虽然制浆造纸
化学助剂的用量只占纸张总量的 1%~ 2%,
但对造纸的质量和成本起着非常重要的作
用。在现代造纸工业中,化学助剂的作用
几乎可以说是无处不在。
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二、造纸化学助剂的分类
造纸化学助剂
过程助剂--用于优化造纸过程操作
的化学助剂。
功能助剂--赋予纸页特殊功能和提
高纸页性能的化学助剂。
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过程助剂
助留剂
助滤剂
成形助剂
消泡剂
树脂障碍控制剂
功能助剂
施胶剂
增强剂
纸用染料、增白剂
特殊功能助剂
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使用助剂的目的和作用
1、提高生产效率
如适应纸机车速的提高--快速脱水,
使用助滤剂等。
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2、改进质量,赋予纸页特殊性能
如水泥袋纸等,加干强剂。
餐巾纸等,加柔软剂。
照相纸、广告纸等,加湿强剂。
3、减少流失、节约原材料
如在纸页中加入助留剂、絮凝剂等可
以提高填料和细小纤维的留着。并可以
减少白水的污染负荷。
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4、消除生产障碍
如用树脂控制剂,可消除亚硫酸盐木
浆和机械木浆生产中的树脂障碍。
采用防腐剂,可消除夏季在浆、白水
流线上出现的腐浆现象。
5、改进生产操作
如使用毛毯清洁剂,保持毛毯的透气
性和滤水性。
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三,干强剂
(一)干强剂的作用
提高纸页的强度性能。如可以用草浆、
阔叶木浆、废纸浆等,代替针叶木浆生产
高级纸种等。
这对我们这个非木材造纸原料较为丰
富的国家来说,具有重要的经济价值和现
实意义。
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(二)常用的干强剂种类
三大类:
1、天然动植物胶
(明胶、桃胶、原淀粉和改性淀粉)
2、合成树脂
(聚丙烯酰胺、丙稀酰胺与丙烯酸共聚
物、聚乙烯醇、脲醛树脂、酚醛树脂等)
3、水溶性纤维素衍生物类
(甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙
基纤维素等)
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淀粉
直链淀粉(上图) 支链淀粉(下图)
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聚丙烯酰胺
造纸过程用得最多的一种多功能添加剂。
作为干强剂用的聚丙烯酰胺,其分子
量乙接近纤维素的分子量( 10- 100万)为
宜。电荷特性也以接近纤维的表面电荷为
好。
作干强剂时的常用量为 0.1%- 0.5%,
最高量为 1%。
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(三)干强剂的增强机理
影响纸页强度的四个主要因素,
单根纤维的强度;
纤维间的结合强度;
纤维间的结合面积;
纤维的分布状况,即纸页成形匀度。
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干强剂的增强机理
干强剂能有效地增加纤维之间的结
合强度。
如淀粉的自由葡萄糖羟基参与了纤
维表面纤维素分子的氢键的形成,因此
淀粉的加入增加了纤维间结合面上的氢
键数量,从而增加了纤维间的内部结合
强度。
一般认为,增加的纤维结合力一般
不会影响单根纤维的强度。
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四、湿强剂
(一)纸的湿强度
一般的纸在完全被水浸透后,几乎完
全失去了强度。其中未经施胶的纸只能保
留原有干纸强度的 2%- 7%,经高度施胶
的纸也只能保留 10%- 12%。
纸的湿强度是指其被水完全浸湿或饱
和后,仍能保持的强度。
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(二)湿强剂及其作用
湿强剂是使纸页在被水浸泡饱和后,
纸页仍能保持一定强度的化学助剂。
在一般情况下,加入湿强剂的纸页
的湿强度可以保留干纸强度的 20%- 50
%。
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(三)常用湿强剂种类
1、酸熟化热固性湿强树脂
(脲醛树脂 UF,三聚氰胺甲醛
树脂 MF、聚乙烯亚胺 PEI等)
2、碱熟化热固性湿强树脂
(聚酰环氧树脂 PAE)
3、其他湿增强剂
(聚胺树脂 PA、合成胶乳 PEL等 )
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(四)纸页强度的丧失
湿纸幅经脱水干燥后,产生了大量的
内部纤维键合。由于氢键在内部纤维键合
中起着重要的作用,纸幅也因此获得最大
的强度。
当纸页与水接触以及纤维-纤维间结
合被水-纤维间键合取代后,纸页将失去
其结合强度。
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(五)湿强剂的增强机理
1、保护原有的纤维间的结合。该机理认为,湿强
剂在纤维周围形成一个交错的链状网络结构,阻
止纤维的吸水润涨以保持原有的纤维间的氢键结
合。
2、产生新的抗水纤维结合键。该机理认为,湿
强剂与纸浆纤维交联形成了新的共价键、氢键等
抗水结合键,从而增加了纤维结合强度。
在实际应用中,湿强剂的增强是通过上述两
种机理的综合作用来体现的。
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五、助留助滤剂
(一)助留和助滤作用
助留是提高填料和细小纤维的留着,助滤
是改善滤水性能,提高脱水速率。多数情况下
助留和助滤是同时进行的。
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助留和助滤的目的
1、提高填料和细小纤维的留着率,减少
流失,改善白水循环,减少污染。
2、改善纸页的两面性,提高纸页的印刷
性能。
3、提高网部脱水能力,从而适应纸机车
速的提高。
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(二)助留、助滤剂的应用
常用助留、助滤剂的种类
1,无机盐类
主要有硫酸铝, 聚合氯化铝和氯化
钙, 其中硫酸铝是用量最大 。 在造纸逐
步转向中性抄造的现阶段, 硫酸铝的消
费量虽然正在逐年减少, 但仍不失为一
种主要的助留剂 。
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常用助留、助滤剂的种类
2,天然有机聚合物类
主要有阳离子淀粉、阳离子瓜豆胶
和壳聚糖等,其中阳离子淀粉是用量较
大的一种,它对促进全程留着率和细小
组分留着率均有重要的作用。
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常用助留、助滤剂的种类
3,高分子聚合物类
可分为非离子型、阳离子型、阴离子
型和两性型等四类。其代表是聚丙烯酰胺类
聚合物。由于聚丙烯( PAM)酰胺价格低
廉及其改性产品的研制,使其成为有机高分
子电解质的主要品种。
此外,还有聚胺 (PA)、聚乙烯亚胺
(PEI)、聚酰胺 (PPE)和聚环氧乙烷 (PEO)等。
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(三)助留机理
1、电荷中和
纸浆和大多数填料具有负电荷表面,
加入阳离子助留剂后,减少了纤维与填
料之间的排斥力,从而得到了较好的吸
附和留着。
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助留机理
2、镶嵌机理(补丁机理 Patching)
阳离子型聚合物的强阳电荷抢先吸附
部分细小组分,形成局部区域阳电荷性,
这些区域再吸附带阴电荷的细小组分,
从而产生镶嵌留着。
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助留机理
3、桥联机理( Bridging Flocculation)
具有足够链长的高分子聚合物,可
再纤维、填料粒子等空隙间架桥,并形
成凝聚。
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(四)助 滤 机 理
1、电荷中和
阳离子型助留助滤剂能降低纤维、
填料等的表面电荷,致使纤维和填料中
充满水的结构受到破坏,使其表面定向
排列的水分子被扰乱而容易释放出来。
2、凝结与絮聚
阳离子型助留助滤剂能促进纤维和填
料凝聚,使纤维和填料的比表面积降低
而加速了脱水作用。
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(五)常用主流助滤体系
双组分体
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微粒子体系
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(六)助留助滤的测试
动态滤水分析仪
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动态滤水仪( DDJ)
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运动带式滤水分析仪
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纸机的助留助滤剂添加系统
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六、消泡剂
(一)泡沫的产生
当使用洗涤不良的纸浆或不合理的施
胶、再酸性系统中使用碱性填料等,均会
造成纸料中产生泡沫,对生产操作和纸页
质量造成不良影响。
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(二)纸浆中气泡的危害
-- 降低滤水速度、造成纸页针眼
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(三)消泡剂种类
1、溶剂型消泡剂
由单一的溶剂组成。如煤油、柴油、汽油及
烃类油等石油产品。
这类消泡剂比水轻,非表面活性,不溶于水,
只能存在于液面上并扩展成新的表面,使泡沫破
裂而消失。但是对纸料里面或纤维表面的气泡无
效。
并容易再纸面上形成污点。
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消泡剂种类
2、油型消泡剂和乳液型消泡剂
这两种类型的消泡剂既能消除纸料表
面的泡沫,又能除去纸料里面的泡沫。在
组成上要复杂一些。
是由止泡剂、载体、乳化扩散剂、联
结稳定剂等组成。用油类作载体的称为油
型消泡剂;用水作载体的称为乳液型消泡
剂。
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消泡剂的消泡机理
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七、防腐剂
(一)腐浆的形成
由于浆料中含有丰富的碳水化合物和
蛋白质等养料物质,尤其在炎热的季节和
温暖潮湿的条件下,细菌繁殖更为迅速。
在纸料和白水流经的各种设备和管线中,
如不经常清洗,极易产生腐浆。
腐浆落入浆料中会引起纸页的断头或
产生纸病等。
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纸浆中的细菌
--尖孢真菌的丝状结构
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纸浆中的细菌
--酵母菌的球状结构
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(二)防腐剂的作用
防腐剂抑制细菌生长的机理主要是:
1、使养料物质的蛋白质变质
2、干扰细菌的细胞膜
3、干扰细菌的遗传机制
4、干扰细菌细胞内部酶的活力
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(三)防腐剂的类型
1、有机金属化合物
2、氯酚衍生物类
3、氧化剂和还原剂
4、有机溴化物和含有硫化物、氢硫基以
及苯并咪唑、苯并噻唑等基团的有机
化合物。
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(四)防腐剂的选用
对防腐剂的要求
1、高效,有较高的杀菌能力和较低的抑菌
浓度,一般抑菌浓度为 15- 30ppm,杀菌
浓度为 50- 100ppm。
2、低毒,易分解,排放后经一段时间或在
某一特定的 pH值范围内会自行分解。
3、有一定的水溶性,最好使液体,能直接
稀释使用。
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防腐剂的选用
1、对食品用纸,应考虑其毒性和允许用量。
2、注意 pH值对杀菌的影响。一般细菌嗜
碱( pH6.5- 7.5),要选用酸性防腐剂;
真菌嗜酸( pH5.5- 6.5),要选用碱性防
腐 剂。
3、如长期使用,应更换防腐剂品种,避免
微生物产生耐药性。
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造纸湿部化学--
21世纪的绿色化学
在已经来临的
21世纪,造纸湿部
化学将面临着很大
的机遇和挑战。把
造纸湿部化学品做
成绿色化学品,将
是新世纪赋予造纸
工作者的责任。