第五章 助留劑和助濾.ppt

1、第五章 助留劑和助濾劑,5.1 概述 5.2 助留劑 5.3 助濾劑,5.1 概述,5.1.1 紙料的留著方式 5.1.2 基本聚集機(jī)理 5.1.3 復(fù)合聚集機(jī)理,5.1.1 紙料的留著方式,機(jī)械截留作用: (1) 抄紙網(wǎng)對纖維的截留作用 (2) 纖維交織層對細(xì)小組分的截留作用,膠體的聚集作用,主要由紙料組分間的膠體作用力引起， 常常包含電解質(zhì)、聚合物的作用。 (1)細(xì)小組分間的聚集 (2)細(xì)小組分與纖維間的聚集 (3)纖維間的聚集,紙料留著率,紙料總留著率：進(jìn)入卷紙機(jī)處的紙頁所含物料量與送到紙機(jī)濕部的物料量的比率，簡稱總留著率。 紙料單程留著率：離開伏輥的濕紙頁中所含物料量與離開流漿箱的物料

2、量的比率，也稱首程留著率。,紙料留著率的計算,單程留著率的近似計算公式：,Ch和Cw分別是流漿箱和白水盤中白水的濃度,5.1.2 基本聚集機(jī)理,電中和機(jī)理 補(bǔ)丁機(jī)理 橋聯(lián)機(jī)理,電中和機(jī)理,粒子表面雙電層被壓縮，至粒子表面的Zeta電位為零時，則粒子間的靜電斥力消失，粒子間靠分子引力，從而引起紙料的絮聚。 一些低分子量、高陽電荷密度的聚合物如硫酸鋁、聚鋁和聚乙烯亞胺、聚二烯丙基二甲基氯化銨,電中和聚合物加入量與紙料聚集程度和表面電性,電中和機(jī)理的特點,用量范圍很窄，不易操作 聚集體致密、不抗剪切，其聚集體稱為“軟絮聚體”，屬凝聚（coagulation) 聚集具有可逆性 加入地點不重要,補(bǔ)丁機(jī)理

3、,10-100萬的中高電荷密度的陽離子聚合物引起的聚集,補(bǔ)丁聚合物加入量與紙料聚集程度和表面電性,補(bǔ)丁機(jī)理特點,可操作范圍較電中和機(jī)理高，并于聚合物在紙料顆粒表面覆蓋率達(dá)50時獲得最好助留效果 以電荷的靜電中和為主要聚集作用力 形成的致密的“軟絮聚體”，屬凝聚 不抗剪切，但具有可逆性 加入地點不重要,橋聯(lián)機(jī)理,大于100萬的高分子量、中低電荷密度的陽離子聚合物引起的聚集,鏈圈,鏈尾,鏈軌,橋聯(lián)機(jī)理,橋聯(lián)聚合物加入量與紙料聚集程度和表面電性,橋聯(lián)機(jī)理,分子量越高，橋聯(lián)作用越強(qiáng) 在加入量很低時開始引發(fā)紙料間的聚集，至覆蓋率達(dá)50時達(dá)到最大絮聚，可操作范圍很寬 聚集體結(jié)構(gòu)松散，抗剪切，稱 為“硬絮聚

4、體” 不可逆，稱為“絮聚（flocculation) 主要造紙助留劑的作用機(jī)理 加入地點非常重要：靠近流漿箱,5.1.3 復(fù)合聚集機(jī)理,補(bǔ)丁橋聯(lián)機(jī)理 陰離子微粒絮聚機(jī)理 陽離子微粒絮聚機(jī)理,對于復(fù)合絮聚機(jī)理來講，紙料的最后絮聚特性常常與最后加入助劑組分的絮聚特點關(guān)系更為密切。,（1）補(bǔ)丁橋聯(lián)機(jī)理,由低至中分子量、高電荷密度的陽離子聚合物和高分子量、低電荷密度的陰離子聚合物引起的絮聚,補(bǔ)丁橋聯(lián)機(jī)理特點,形成大而松散的絮聚體，抗剪切，絮聚作用非常強(qiáng) 引起細(xì)小纖維間和纖維間的絮聚，細(xì)小纖維的留著主要靠纖維交織層對細(xì)小纖維絮聚體的截留作用 常引起紙張勻度的惡化 陽離子聚合物加在壓力篩前，陰離子聚合物盡

5、量靠近流漿箱,（2）陰離子微粒絮聚機(jī)理,由高分子、低電荷密度的陽離子聚合物和陰離子的微粒引起的聚集 陽離子聚合物加入后引起橋聯(lián)絮聚，經(jīng)歷高剪切作用，纖維間的絮聚破壞，加入陰離子微粒組分：三維納米粒子產(chǎn)生微粒電中和作用；長徑或長厚比很大的微粒產(chǎn)生微粒橋聯(lián)作用。,電中和引起紙料絮聚體壓縮失水,微粒橋聯(lián)作用,（3）陽離子微粒絮聚機(jī)理,陽離子有機(jī)微粒/陰離子聚合物,微?！把a(bǔ)丁”橋聯(lián)機(jī)理,微?！把a(bǔ)丁”的厚度大于聚合物“補(bǔ)丁”（聚合物“補(bǔ)丁”常以平伏的構(gòu)型吸附在紙料表面） 微粒與紙料組分的電中和作用僅發(fā)生在與紙料組分接觸的微粒部分，微粒的其余部分仍帶有很高的正電荷，而聚合物吸附在紙料組分上之后，由于帶有正

6、電荷的大部分分子鏈直接與紙料組分接觸，大部分正電荷都被紙料組分中和掉 聚合物“補(bǔ)丁”隨時間的延長會向紙料孔隙內(nèi)擴(kuò)散而降低其效用，微?！把a(bǔ)丁”則不會,陽離子有機(jī)微粒/陽離子聚合物,陽離子微粒起位阻劑（blocking agent)的作用,5.2 助留劑,5.2.1 單元助留體系 5.2.2 雙聚合物助留體系 5.2.3 陰離子微粒助留體系 5.2.4 陽離子微粒助留體系 5.2.5 PEO/酚醛樹脂助留體系,5.2.1 單元助留體系,助留：提高細(xì)小纖維在紙料中的留著率 提高紙料間的膠體聚集作用： 電中和作用、補(bǔ)丁機(jī)理、橋聯(lián)機(jī)理 引起橋聯(lián)聚集的聚合物： 高分子量、低電荷密度的陽離子聚合物： 陽離子

7、或兩性聚丙烯酰胺：0.010.1%，一般0.010.02 適于低速紙機(jī)。,5.2.2 雙聚合物助留體系,（1）硫酸鋁/陰離子聚合物體系 先加入的硫酸鋁以多核聚鋁的形式吸附在紙料表面形成正電荷吸附點，后加入的陰離子聚合物（陰離子聚丙烯酰胺，高分子量、低電荷密度）則在不同的紙料顆粒的正電荷點之間橋聯(lián)，引起紙料的絮聚。 屬于補(bǔ)丁橋聯(lián)機(jī)理。,（2）陽離子聚合物/陰離子聚合物助留體系,先加到紙料中的低至中分子量、高電荷密度的陽離子聚合物首先吸附在紙料組分表面，中和其表面局部電荷，形成陽電荷補(bǔ)丁，隨后加入的高分子量的陰離子聚合物在不同顆粒的陽電荷補(bǔ)丁之間橋聯(lián)，引起紙料組分的絮聚。,補(bǔ)丁橋聯(lián)機(jī)理,特點：,絮

8、聚體大而松散，一定的抗剪切能力，細(xì)小纖維間和纖維間的絮聚，細(xì)小纖維的留著主要靠纖維交織層對細(xì)小纖維絮聚體的截留作用 ，易引起紙張勻度的惡化。,常用聚合物,陽離子聚合物：聚乙烯亞胺（PEI)、聚胺、陽離子淀粉 陰離子聚合物：高分子量低電荷密度的陰離子聚丙烯酰胺,（3）陰陽離子復(fù)合物助留體系,陰陽離子聚合物發(fā)生離子配對中和反應(yīng)，形成復(fù)合物?？稍诟鼘挼募尤肓糠秶鷥?nèi)引起紙料組分的絮聚，且復(fù)合物的電荷比例越接近其等電點比例，引起有效絮聚的加入量范圍越寬，頗似絮聚隨聚合物分子量提高時的情況。,預(yù)先將特定的陰離子聚合物和陽離子聚合物混和，形成龐大的陰陽離子復(fù)合物，再加到紙料中，陰陽離子復(fù)合物在紙料顆粒間產(chǎn)生

9、強(qiáng)烈的架橋作用，引起紙料的絮聚而提高紙料留著率。,強(qiáng)烈架橋作用，易引起細(xì)小組分和纖維產(chǎn)生強(qiáng)烈的絮凝而破壞紙頁勻度，應(yīng)在沖漿泵和壓力篩的入口處加入。 與硫酸鋁一起使用，pH5-5.5。 兩性PAM增強(qiáng)劑和分支型PAM共聚物增強(qiáng)劑形成的陰陽離子復(fù)合物具有分支結(jié)構(gòu)，小而堅固，并能在寬的pH值范圍內(nèi)保持陽離子性，可在較高pH值下使用。,5.2.3 陰離子微粒助留體系, 由高分子量、低電荷密度的陽離子聚合物和陰離子微粒組成 經(jīng)典的微粒助留體系： 陽離子淀粉/膠體二氧化硅 CPAM/膨潤土 陽離子淀粉/現(xiàn)場合成氫氧化鋁 陰離子有機(jī)微聚物助留體系,(1)膠體二氧化硅類微粒助留體系, Compozil Com

10、pozil Plu Compozil Select,Compozil,陽離子馬鈴薯淀粉 80支鏈淀粉20直鏈淀粉 5nm的離散型膠體二氧化硅,Compozil,Compozil 助留特點,Compozil助留體系的特點,采用含有較多支鏈組分的淀粉，加在壓力篩前 陰離子膠體二氧化硅加在流漿箱前 細(xì)小纖維組分在紙幅中分布均勻 將紙料中未吸附的淀粉固著到紙料組分上 提高紙料濾水性能和成紙強(qiáng)度，相對改善勻度,Compozil Plu,線性的高分子量、低電荷密度的陽離子聚丙烯酰胺 結(jié)構(gòu)二氧化硅,Compozil Plu,Compozil Plu助留特點,CPAM 加在壓力篩前，經(jīng)歷高剪切作用 結(jié)構(gòu)二氧化

11、硅加在流漿箱前，引起紙料微粒橋聯(lián)和電中和重聚 助留作用更顯著,山東輕工業(yè)學(xué)院,Compozil Select,合成陽離子固著劑 專用陽離子絮凝劑 高度聚集支化的結(jié)構(gòu)二氧化硅,Compozil Select 加入地點,Compozil Select 助留體系的特點,ATC先加入紙漿中，清除體系的陰離子干擾物 濃漿中加入特制的陽離子淀粉，提高紙張強(qiáng)度 其特制的陽離子聚合物組分對高電導(dǎo)率、高COD和Ca2+體系的適應(yīng)性更強(qiáng)，經(jīng)歷高剪切作用后與微粒組分之間的作用更強(qiáng)。 高分支結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)二氧化硅的重聚效率更好 體系助留效果更顯著，對含有LWC、SC和瓦楞紙板廢紙或損紙的適應(yīng)性提高。,（2） 蒙脫石類

12、微粒助留體系,鈉基蒙脫石類微粒助留體系 鋰基蒙脫石類微粒助留體系 經(jīng)處理的改性蒙脫石微粒助留體系,普通蒙脫石的電荷分布情況,因硅氧四面體中的Si(IV)被Al(III)同象置換，鋁氧（羥基）八面體中的Al(III)被鈣、鎂、鐵等二價離子置換而帶有永久性層面負(fù)電荷。,CPAM/蒙脫石（Hydrocol),高分子量低電荷密度的陽離子聚丙烯酰胺 鈉基蒙脫石,CPAM/蒙脫石(Hydrocol)助留機(jī)理,(a)未加助劑,(b) 加入CPAM,(c) 加入CPAM后經(jīng)歷 剪切作用,(d) 最后加入蒙脫石,CPAM/膨潤土助留體系特點,CPAM先加在壓力篩前且加入量較高 膨潤土盡量靠近流漿箱加入，且需要良

13、好的分散 膨潤土一般為鈉基膨潤土，鋰基膨潤土的效果會更好，但成本高 提高紙料的留著率和濾水性能，勻度不惡化,山東輕工業(yè)學(xué)院,蒙脫石/(A)PAM (Organopol),鈉基蒙脫石 非離子或陰離子聚丙烯酰胺,鋰基蒙脫石類微粒助留體系,陽離子組分 鋰基蒙脫石:鋰蒙脫石的八面體層中的二價鎂離子被一價的鋰離子同相置換，形成永久性的層面負(fù)電荷,鋰基蒙脫石類微粒助留特點,三維均具有納米尺度，既可與CPAM組成微粒助留體系也可與陽離子淀粉組成微粒助留體系 所產(chǎn)生的微絮聚體比一般微粒助留體系更致密，含更少的間隙水，尺寸更小、更均一 在較低的微粒組分加入量下獲得更高的紙料留著率 合成鋰蒙脫石由于顏色較淺，不含

14、鐵，不影響紙張的白度，可用于各種紙張的抄造中,改性蒙脫石微粒助留體系,低到中等電荷密度的改性陽離子聚丙烯酰胺乳液 “化學(xué)控制的絮聚” ：利用改性陽離子聚丙烯酰胺乳液控制紙料的絮聚，使紙料直接形成均一致密的紙料絮聚體，而不需要再經(jīng)過機(jī)械剪切作用將先形成的大絮聚體破碎成小絮聚體 經(jīng)工藝處理的改性蒙脫石微粒 ，可不經(jīng)高剪切作用而較為容易地分散成具有較好助留作用的懸浮液,（3）氫氧化鋁類微粒助留體系,陽離子淀粉/現(xiàn)場合成氫氧化鋁（Hydrosil) 陽離子淀粉/聚鋁 聚鋁：聚合氯化鋁、聚合硫酸鋁、聚合硅酸硫酸鋁(FIRST-PASS ),(4) 陰離子有機(jī)微聚物助留體系, CPAM +硫酸鋁 Poly

15、flex (有機(jī)微聚物，micropolymer),有機(jī)微聚物結(jié)構(gòu)示意圖,硫酸鋁/CPAM/陰離子有機(jī)微聚物,助留機(jī)理與一般的無機(jī)微粒助留體系相似，但可在較低的加入量下獲得最大助留作用。 加入少量的硫酸鋁（0.05-0.25）或聚合氯化鋁對提高其助留助濾性能起著重要作用。 有機(jī)微聚物助留體系更適于高加填的紙張。 更有利于提高紙張勻度。,5.2.4 陽離子微粒助留體系,微粒組分：纖維狀合成勃姆石 -AlO(OH) 聚合物組分：CPAM,勃姆石的形態(tài)特征,一種棒狀的晶體，晶體本身較脆，分散于水中時不會像蒙脫石那樣發(fā)生潤脹。造紙所用微粒勃姆石實際上是其表面含有相當(dāng)量乙酸鹽的乙酸勃姆石膠體，酸性條件下

16、帶有正電荷。,勃姆石微粒/CPAM助留特點,助留組分的加入順序并不重要 微粒組分先加時，可大幅度降低聚合物的使用量。 主要用于含有大量陰離子干擾物的抄紙體系 。,5.2.5 PEO/酚醛樹脂助留體系,聚合物組分：聚氧化乙烯 輔助劑（cofactor)：酚醛樹脂 含有足夠帶電荷基團(tuán)（一般為磺酸基團(tuán)）和酚型基團(tuán)的縮合聚合物，改性酚醛樹脂。,PEO/輔助劑助留機(jī)理,復(fù)合物橋聯(lián)助留機(jī)理 締合引發(fā)的聚合物橋聯(lián)助留機(jī)理,復(fù)合物橋聯(lián)助留機(jī)理,PEO與一個或多個輔助劑分子首先形成溶解性的初始聚合物復(fù)合體 初始復(fù)合體發(fā)生聚集，形成一種膠體尺寸的膠狀復(fù)合體，并逐漸長大 膠狀復(fù)合體吸附在體系中的膠乳顆粒上 粒子間通

17、過膠狀復(fù)合體的架橋作用而結(jié)合在一起，或與膠狀復(fù)合體繼續(xù)發(fā)生雜凝聚而沉積在纖維上,締合引發(fā)的聚合物橋聯(lián)助留機(jī)理,（a）柔軟的PEO分子不能發(fā)生吸附（b）PEO分子與CF締合而提高挺度后，可在纖維或填料間吸附與橋聯(lián)；（c）當(dāng)CF可將PEO分子聯(lián)結(jié)到填料或纖維表面時，也可產(chǎn)生橋聯(lián)作用。,PEO/輔助劑助留特點,輔助劑先加，PEO后加，PEO加入點盡量靠近流漿箱 作為助留劑使用的聚氧化乙烯分子量一般要在200萬以上，最好達(dá)到700萬或更高 未溶解成單分子的PEO纏結(jié)物的助留效果更好,5.3 助濾劑,紙料的脫水阻力來自水流過纖維層時水與固形物表面的摩擦作用 與固形物的表面積、體積分?jǐn)?shù)和流體的粘度有關(guān) 凝聚 5.3.1 單組分助濾劑 5.3.2 微粒助濾體系,5.3.1 單組分助濾劑,將細(xì)纖維平伏在纖維表面，降低了水流過纖維表面時的阻力。 發(fā)生凝聚，將細(xì)小纖維固著在纖維表面，減少了細(xì)小纖維對纖維間過濾孔隙的阻塞。 凝聚體，降低了固形物的總持水量，也使固形物組分的體積分?jǐn)?shù)降低，從而降低了濾水阻力，增加了自由濾水的面積