摘要在制浆造纸过程中,需要使用许多造纸化学助剂,用以来解决分散、助留、助滤等诸多问题,而分散剂的加入就可以解决造纸过程中分散的问题,减少纤维絮聚缠结,从而生产出匀度稳定,纸张性能良好的纸张。本文就分散剂的种类、作用机理及其应用进行了综述。
关键词:分散剂造纸
造纸过程中所使用的化学助剂主要包括助留助滤剂、分散剂、增强剂、消泡剂、防腐剂、施胶剂、表面施胶剂、树脂障碍剂控制剂和生物酶制剂等。这些助剂在造纸过程中有的是单独起作用,有的是几种助剂共同起作用,目的是提高纸页的质量、填料和细小纤维的留着率,提高生产效率,降低成本。常用的造纸化学助剂分为过程助剂和功能助剂两大类,过程助剂包括助留剂、助滤剂、消泡剂、防腐剂、成形助剂、树脂控制剂、网毯清洗剂等;
功能助剂包括干强剂、湿强剂、施胶剂、增白剂、填料、染料、柔软剂等[1]。对于造纸过程来说,纤维特别是长纤维、填料和一些助剂等都是水不溶性的,它们有在水溶液中自行聚集的趋势,而且不同物料之间往往因不相容性而尽量远离,这样就难以得到性能均匀、强度理想的纸张。为了解决长纤维在抄造过程中的这一问题,下面浅述一下分散剂[2]。
1分散剂的作用原理
分散是将固体微小颗粒尽可能均匀分布在另一种不相容的物料中,也就是指内相为不溶性微粒分布在外相为液体或半固体中组成的粗分散体系,这样的体系也称作乳液。悬浮液至少由三种基本成分组成:分散相、连续相和分散剂,常用的分散剂是表面活性剂,分散剂可以使悬浮液中的固体分散粒子被液相充分润湿和均匀分散,并使体系的分离、聚集和固体微粒的沉降速度降至最低,以维持悬浮液最大的动力学稳定性。
对于造纸过程来说,纤维、填料和一些助剂等都是水不溶性的,它们有在水溶液中自行聚集的趋势,而且不同物料之间往往因不相容性而尽量远离,这样就难以得到性能均匀、强度理想的纸张。加入分散剂则可以使固体粒子表面形成双分子层结构,外层分散剂极性端与水有较强亲合力,增加了固体粒子被水润湿的程度。固体颗粒之间因静电斥力而远离,达到良好分散效果。良好的纤维分散剂要求有一定的热解性,即随着温度的升高而逐渐分解,黏度也相应降低,这样就不会留在已干燥的纸页上,不会因使用纤维分散剂而影响纤维的原有性能[3]。
分散剂作用的可能机理是浆料中阴离子或非离子表面活性剂的加入降低了浆料悬浮液的表面张力,提高了纤维表面的润湿性能,减少了纤维因疏水性而引起的絮凝,其作用是:①赋予纤维表面电荷,使其几乎产生斥力(阴离子表面活性剂);②覆盖于纤维表面,起到保护胶体的作用;③在纤维周围形成黏度状态,防止纤维碰撞聚集;④表面活性剂具有良好的吸附剂悬浮特性,吸附在纤维表面,形成水膜,使纤维相互滑过而不致产生缠结;⑤纤维表面润湿性能的改变也减少了纤维间的摩擦力,减少了纤维间相互黏着的机会;当往悬浮液中添加多聚磷酸盐,如六偏磷酸钠、焦磷酸钾等多价电解质时,其可能导致纤维分散的机理是:此类电解质的加入改变了纤维上的动电电荷,使纤维上的负电荷增加,纤维相互之间的斥力增大,从而构成了稳定的带阴性电荷的悬浮液。
水溶性高分子作为分散剂的作用机理是:①它们的加入使得浆水的黏度增高,相当于在纤维表面附着了一层薄薄的润滑膜,起到水溶性润滑剂的作用,使纤维相互滑过而不致缠结;②浆液黏度的增加大大限制了纤维在水中的运动自由度,使纤维不相互接触,减少了纤维间的絮聚,改善了纤维成形交织的能力;③黏性介质对纤维的黏滞液力使得许多纤维在停止搅拌时,还没有相互接触就松弛并变成钝态,从而在减少了内应力的悬浮液中形成纤维网络;④悬浮液黏度的增加也增加了纤维在介质中的悬浮性,延长了纤维沉降的时间[4]。
2分散剂的分类
在造纸工业中使用的分散剂品种很多,按照用途来分,可分为纤维分散剂、树脂分散剂和涂布分散剂。
2.1纤维分散剂
用作纤维分散剂的造纸化学品一般都具有一定的水溶性和亲水性,以及适宜的流变学特性。根据其作用机理一般分为三大类。
第一类为表面活性剂,有以下两种:
a非离子型分散剂,如脂肪醇聚氧乙烯醚甲基硅烷(分散剂PA-402),油酸聚氧乙烯脂(乳化剂A105 1:1)。
b阴离子型分散剂,如脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(乳化剂AES),土耳其红油,纤维素硫酸钠,烷基二苯醚磺酸钠,烷基酚聚氧乙烯醚磷酸脂盐。
第二类为一些电解质类无机盐,包括焦磷酸钾,六甲基磷酸钠等。
第三类为水溶性高分子,又称水溶性树脂或水溶性聚合物,是一种亲水性的高分子材料,在水中能溶解或溶胀而形成溶液或分散液。它是目前在浆料分散方面用得较多的一类。其典型代表为聚氧化乙烯和聚丙烯酰胺。其中在应用合成类高分子作为分散剂时,分子量的选择是关键、如对聚丙烯酰胺来讲,在低分子量时是分散材料的有效增稠剂,而高分子量时则是重要的絮凝剂。因此,选择合适的分子量对浆料分散状态的好坏起决定性的影响[4]。
2.1.1聚丙烯酰胺(PAM)
聚丙烯酰胺为白色粉末,不溶于水,不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂。水溶液pH值在1～10时,黏度变化很小,pH值在10以上时,黏度显著增加。作为分散剂使用的一般是它的钠盐。由于分子链中含有羧基,对带负电的纤维素纤维有分散效果,并且在相对分子量为300万左右时,能提高浆液黏度,有利于纤维悬浮,故是一种长纤维的高效分散剂。它的分子结构如下:
PAM的分散作用机理由于PAM分子链中含有羧基,具有降低表面张力的作用,有助于水对固体的湿润,这对于纤维、填料等在水中的分散特别有利,当PAM加入浆料时,可以使纤维、填料表面形成双分子结构,外层分散剂极端与水有较强亲和力,增加了纤维、填料等固体粒子被水润湿的程度。纤维、填料等固体颗粒之间因静电斥力而远离,达到良好的分散效果[2]。聚丙烯酰胺作为助留助滤剂,合理使用可以获得以下效果:①提高细小纤维和填料留着率,表现在成纸灰分含量提高,定量增加;②降低网下白水浓度,加速白水中细小纤维的沉降速度;③改善纸料的滤水性能;④减少成型网的磨损,保持毛毯的清洁。但成纸匀度不理想,这是使用PAM的一个负面效果[1]。
2.1.2聚氧化乙烯(PEO)
聚氧化乙烯(Polyethylene oxide)又称聚环氧乙烷,是环氧乙烷多相催化开环聚合而成的高分子聚合物,由环氧乙烷聚合而成不同聚合度的高分子量物质,具有明显的晶型结构,其聚合物的性能主要取决于平均分子量的大小,当相对分子量为200～600时成稠状液体,相对分子量在1000以上呈蜡状固体,100万以上时呈硫质或者硬质固体,色泽随分子量、催化剂、溶剂不同而变化[5]。聚氧化乙烯PEO就是一种抄纸用的纸浆分散剂。它具有黏度高、水溶性好、絮凝性好和润滑性好的特点。加入少量能显示良好的分散效果,且不影响其它助剂的功能。聚氧化乙烯还可以缩短打浆时间,可以使用叩解度较低的纸浆,抄造出匀度良好的纸张,同时纸页柔软性和强度都较好。
PEO作用机理是:以其稀溶液在抄纸机网前箱加入,可吸附在浆料纤维表面形成一层滑而不黏的水合膜,使浆料纤维具有良好的悬浮性而不致过快沉降,从而使纤维分散和减少絮聚,改善网外观组织匀度。①聚氧化乙烯的水溶液是一种胶体,添加后纤维沉降速度减慢,对提高纸页匀度起到一定作用。②聚氧化乙烯加入后,浆料的打浆度急剧下降,而随着加入量的加大又有回升的趋势。这是因为少量加入时降低了水的阻力,滤水加快,增加用量,由于其自身黏度很大,其加快滤水的程度超过了降低水阻力的作用,因此又表现为回升。③加入聚氧化乙烯后打浆度降低,纤维长度有所提高,成纸柔软度提高,吸水增加,纸张起皱均匀。④打浆时间降低一半,节约了电能。⑤上网浓度提高,白水浓度降低,流失减少,并节约了清水。⑥由于供浆充足,纤维组织均匀、孔眼少,纸机车速提高,生产能力提高[6]。
2.1.3树胶
很多树胶对纤维素纤维有极佳的分散效果。这些树胶是纤维的保护胶体,其负电荷在纤维上均匀分布,能阻止纤维的结合。当然,它们能提高悬浮介质的黏度,使纤维的凝聚作用减少。
2.1.4海藻酸钠
海藻酸钠是水溶性高分子,对纤维有显著分散能力,且黏度稳定,分子链在高剪切力下不易发生降解。海藻酸钠分散纤维的能力特别高,但是价格较昂贵,所以应用较少。
2.1.5其它纤维分散剂
甲基纤维素,羧甲基纤维素,羟乙基纤维素等,都是典型的高分子表面活性剂,可作为纤维分散剂。
2.2树脂分散剂[3]
2.2.1无机分散剂
各种无机极性分散剂可吸附在树脂表面,形成具有保护层的细小树脂颗粒,使之悬浮在水中。这些颗粒表面有相同的电位。相互之间尽量远离而不致发生絮凝和沉聚。主要无机极性分散剂有滑石粉,高岭土,硅藻土等。滑石粉具有弱憎水性,所以可以将憎水性的树脂粒子吸附在表面上,减低树脂的黏度和黏着性,从而防止相互凝聚。高岭土具有正的电位,而硅藻土的比表面积大,并且经特殊处理可改变表面电荷,它们都有一定的效果。
2.2.2表面活性剂
用作树脂分散剂的主要是阴离子和非离子的表面活性剂,如加入阴离子表面活性剂,可提高树脂粒子的负电荷密度,增加其稳定性,同时由于分散剂的定向吸附,形成水化膜,使树脂由憎水性变为亲水性状态;加入非离子表面活性剂可有效地分散树脂,减少相互凝聚或沉淀的趋势。
这一类效果最好的树脂分散剂有:脂肪醇聚氧乙烯醚,烷基酚聚氧乙烯醚,丁基萘磺酸钠及甲醛与萘磺酸的缩合物。使用条件是:漂白浆浓度为6%～7%,PH值8.5,操作温度35℃～40℃,其用量为纸浆量的0.5%左右。
漂白浆在酸处理前或酸处理过程中,添加阴离子型或非离子型分散剂如脂肪醇聚氧乙烯醚,可以解决酸处理过程中漂白浆残留树脂凝聚的现象。但在洗涤过程中加入分散剂更为合理,效果最好的分散剂有:脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯木糖醇单硬脂肪脂、十八烷基三甲基氯化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵、油酸钠等。
2.2.3高分子分散剂
用得最多的是聚氧化乙烯,其他的如甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、聚丙烯酸钠等都可以作为树脂分散剂。
2.3涂布分散剂[3]
涂料中颜料以固体粒子形态与树脂、水或溶剂等其他组分混合存在。根据热力学的观点,这是一个不稳定的体系,为了获得稳定而均匀分布的涂料,需要使用分散剂。
分散剂是纸张涂料中最重要的助剂,其中大多是表面活性剂,其作用为:①赋予各个颜料粒子电荷,使其相互产生斥力;②覆盖各个颜料粒子表面,起到保护性胶体的作用;③在粒子周围形成高黏度状态,防止各个粒子凝集。
涂布时涂料配方中一般要加入颜料分散剂,否则涂布层过厚且不均匀。分散剂总的作用是保证涂料中颜料不发生絮凝和沉降现象,并使涂料的黏度尽可能低,具有良好的流动性和涂布适应性,提高胶黏剂与颜料的混合性,以达到提高涂布纸表面强度和印刷适应性的效果。使用时,先将分散剂溶在水中,然后再加入颜料。
最早使用的分散剂为磷酸盐、聚硅酸盐,磷酸氢二氨、萘磺酸与甲醛的缩合物(分散剂PA-403)、干酪素、阿拉伯树胶等。六偏磷酸钠、焦磷酸钠、四聚磷酸钠等是低固含量涂料中经常使用的分散剂,他们在白土表面以离子电荷结合,使粒子周围形成阳电荷,相互排斥,起到分散的作用。这类分散剂通常单独使用,但浆料在放置一段时间以后往往会增稠而影响使用,如果聚磷酸盐与氢氧化钠复配使用,将浆料调至碱性,其流动性和稳定性都能得到改进。
该类分散剂用量为白土绝干量的0.1%～3.0%,以0.25%～1.2%为最佳,过多或过少均会增黏。
随着高浓度涂布机的使用和铜版纸的发展,对分散剂的要求越来越高。为了提高车速和节能,需使用高含量的涂料,通常采用高分子有机分散剂,如聚丙烯酸钠及其衍生物,或二异丁烯与马来酸酐共聚物的二钠盐溶液,以及烷基酚聚氧乙烯醚,脂肪醇聚氧乙烯醚等,聚丙烯酸钠作为涂布用的分散剂,与大多数颜料可得到低黏度和高固含量的涂料,能提高颜料的细度,分散体系稳定,提高纸张的柔软性、强度、白度、保水性等,且具有可溶于水,不易水解,不易燃,无毒,无腐蚀等特点。一般宜选用较高HLB值(10～20)的表面活性剂,他们的用量通常在0.1%～3.0%。
涂布所用的颜料分散剂和涂料应具有良好的稳定性和较低的黏度,对高浓度纸张涂料的制备尤为重要。由颜料、淀粉、聚苯乙烯、丁基乙烯乳液组成的纸张涂料,添加聚氧乙烯醚型非离子表面活性剂2%～5%(按涂料固含量计),能起到稳定作用,并可显著降低涂料的黏度。在制备高浓度的纸张涂料时,添加非离子表面活性剂如分散剂PA-401,匀染剂O或OP,也能明显降低涂料的黏度和提高涂料的稳定性。
参考文献
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