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1、第五章 助留剂和助滤剂,5.1 概述5.2 助留剂5.3 助滤剂,5.1 概述,5.1.1 纸料的留着方式5.1.2 基本聚集机理5.1.3 复合聚集机理,5.1.1 纸料的留着方式,机械截留作用:(1)抄纸网对纤维的截留作用(2)纤维交织层对细小组分的截留作用,胶体的聚集作用,主要由纸料组分间的胶体作用力引起，常常包含电解质、聚合物的作用。(1)细小组分间的聚集(2)细小组分与纤维间的聚集(3)纤维间的聚集,纸料留着率,纸料总留着率：进入卷纸机处的纸页所含物料量与送到纸机湿部的物料量的比率，简称总留着率。纸料单程留着率：离开伏辊的湿纸页中所含物料量与离开流浆箱的物料量的比率，也称首程留着率。
2、,纸料留着率的计算,单程留着率的近似计算公式：,Ch和Cw分别是流浆箱和白水盘中白水的浓度,5.1.2 基本聚集机理,电中和机理补丁机理桥联机理,电中和机理,粒子表面双电层被压缩，至粒子表面的Zeta电位为零时，则粒子间的静电斥力消失，粒子间靠分子引力，从而引起纸料的絮聚。一些低分子量、高阳电荷密度的聚合物如硫酸铝、聚铝和聚乙烯亚胺、聚二烯丙基二甲基氯化铵,电中和聚合物加入量与纸料聚集程度和表面电性,电中和机理的特点,用量范围很窄，不易操作聚集体致密、不抗剪切，其聚集体称为“软絮聚体”，属凝聚（coagulation)聚集具有可逆性加入地点不重要,补丁机理,10-100万的中高电荷密度的阳离子
3、聚合物引起的聚集,补丁聚合物加入量与纸料聚集程度和表面电性,补丁机理特点,可操作范围较电中和机理高，并于聚合物在纸料颗粒表面覆盖率达50时获得最好助留效果以电荷的静电中和为主要聚集作用力 形成的致密的“软絮聚体”，属凝聚不抗剪切，但具有可逆性加入地点不重要,桥联机理,大于100万的高分子量、中低电荷密度的阳离子聚合物引起的聚集,链圈,链尾,链轨,桥联机理,桥联聚合物加入量与纸料聚集程度和表面电性,桥联机理,分子量越高，桥联作用越强在加入量很低时开始引发纸料间的聚集，至覆盖率达50时达到最大絮聚，可操作范围很宽 聚集体结构松散，抗剪切，称 为“硬絮聚体”不可逆，称为“絮聚（flocculatio
4、n)主要造纸助留剂的作用机理 加入地点非常重要：靠近流浆箱,5.1.3 复合聚集机理,补丁桥联机理阴离子微粒絮聚机理阳离子微粒絮聚机理,对于复合絮聚机理来讲，纸料的最后絮聚特性常常与最后加入助剂组分的絮聚特点关系更为密切。,（1）补丁桥联机理,由低至中分子量、高电荷密度的阳离子聚合物和高分子量、低电荷密度的阴离子聚合物引起的絮聚,补丁桥联机理特点,形成大而松散的絮聚体，抗剪切，絮聚作用非常强引起细小纤维间和纤维间的絮聚，细小纤维的留着主要靠纤维交织层对细小纤维絮聚体的截留作用常引起纸张匀度的恶化 阳离子聚合物加在压力筛前，阴离子聚合物尽量靠近流浆箱,（2）阴离子微粒絮聚机理,由高分子、低电荷密
5、度的阳离子聚合物和阴离子的微粒引起的聚集阳离子聚合物加入后引起桥联絮聚，经历高剪切作用，纤维间的絮聚破坏，加入阴离子微粒组分：三维纳米粒子产生微粒电中和作用；长径或长厚比很大的微粒产生微粒桥联作用。,电中和引起纸料絮聚体压缩失水,微粒桥联作用,（3）阳离子微粒絮聚机理,阳离子有机微粒/阴离子聚合物,微粒“补丁”桥联机理,微粒“补丁”的厚度大于聚合物“补丁”（聚合物“补丁”常以平伏的构型吸附在纸料表面）微粒与纸料组分的电中和作用仅发生在与纸料组分接触的微粒部分，微粒的其余部分仍带有很高的正电荷，而聚合物吸附在纸料组分上之后，由于带有正电荷的大部分分子链直接与纸料组分接触，大部分正电荷都被纸料组分
6、中和掉 聚合物“补丁”随时间的延长会向纸料孔隙内扩散而降低其效用，微粒“补丁”则不会,阳离子有机微粒/阳离子聚合物,阳离子微粒起位阻剂（blocking agent)的作用,5.2 助留剂,5.2.1 单元助留体系5.2.2 双聚合物助留体系5.2.3 阴离子微粒助留体系5.2.4 阳离子微粒助留体系5.2.5 PEO/酚醛树脂助留体系,5.2.1 单元助留体系,助留：提高细小纤维在纸料中的留着率 提高纸料间的胶体聚集作用：电中和作用、补丁机理、桥联机理 引起桥联聚集的聚合物：高分子量、低电荷密度的阳离子聚合物：阳离子或两性聚丙烯酰胺：0.010.1%，一般0.010.02适于低速纸机。,5.
7、2.2 双聚合物助留体系,（1）硫酸铝/阴离子聚合物体系 先加入的硫酸铝以多核聚铝的形式吸附在纸料表面形成正电荷吸附点，后加入的阴离子聚合物（阴离子聚丙烯酰胺，高分子量、低电荷密度）则在不同的纸料颗粒的正电荷点之间桥联，引起纸料的絮聚。属于补丁桥联机理。,（2）阳离子聚合物/阴离子聚合物助留体系,先加到纸料中的低至中分子量、高电荷密度的阳离子聚合物首先吸附在纸料组分表面，中和其表面局部电荷，形成阳电荷补丁，随后加入的高分子量的阴离子聚合物在不同颗粒的阳电荷补丁之间桥联，引起纸料组分的絮聚。,补丁桥联机理,特点：,絮聚体大而松散，一定的抗剪切能力，细小纤维间和纤维间的絮聚，细小纤维的留着主要靠纤
8、维交织层对细小纤维絮聚体的截留作用，易引起纸张匀度的恶化。,常用聚合物,阳离子聚合物：聚乙烯亚胺（PEI)、聚胺、阳离子淀粉阴离子聚合物：高分子量低电荷密度的阴离子聚丙烯酰胺,（3）阴阳离子复合物助留体系,阴阳离子聚合物发生离子配对中和反应，形成复合物。可在更宽的加入量范围内引起纸料组分的絮聚，且复合物的电荷比例越接近其等电点比例，引起有效絮聚的加入量范围越宽，颇似絮聚随聚合物分子量提高时的情况。,预先将特定的阴离子聚合物和阳离子聚合物混和，形成庞大的阴阳离子复合物，再加到纸料中，阴阳离子复合物在纸料颗粒间产生强烈的架桥作用，引起纸料的絮聚而提高纸料留着率。,强烈架桥作用，易引起细小组分和纤维
9、产生强烈的絮凝而破坏纸页匀度，应在冲浆泵和压力筛的入口处加入。与硫酸铝一起使用，pH5-5.5。两性PAM增强剂和分支型PAM共聚物增强剂形成的阴阳离子复合物具有分支结构，小而坚固，并能在宽的pH值范围内保持阳离子性，可在较高pH值下使用。,5.2.3 阴离子微粒助留体系,由高分子量、低电荷密度的阳离子聚合物和阴离子微粒组成 经典的微粒助留体系：阳离子淀粉/胶体二氧化硅 CPAM/膨润土 阳离子淀粉/现场合成氢氧化铝 阴离子有机微聚物助留体系,(1)胶体二氧化硅类微粒助留体系,Compozil Compozil Plu Compozil Select,Compozil,阳离子马铃薯淀粉 80支
10、链淀粉20直链淀粉5nm的离散型胶体二氧化硅,Compozil,Compozil 助留特点,Compozil助留体系的特点,采用含有较多支链组分的淀粉，加在压力筛前阴离子胶体二氧化硅加在流浆箱前细小纤维组分在纸幅中分布均匀将纸料中未吸附的淀粉固着到纸料组分上提高纸料滤水性能和成纸强度，相对改善匀度,Compozil Plu,线性的高分子量、低电荷密度的阳离子聚丙烯酰胺 结构二氧化硅,Compozil Plu,Compozil Plu助留特点,CPAM 加在压力筛前，经历高剪切作用结构二氧化硅加在流浆箱前，引起纸料微粒桥联和电中和重聚助留作用更显著,山东轻工业学院,Compozil Select
11、,合成阳离子固着剂 专用阳离子絮凝剂 高度聚集支化的结构二氧化硅,Compozil Select 加入地点,Compozil Select 助留体系的特点,ATC先加入纸浆中，清除体系的阴离子干扰物浓浆中加入特制的阳离子淀粉，提高纸张强度其特制的阳离子聚合物组分对高电导率、高COD和Ca2+体系的适应性更强，经历高剪切作用后与微粒组分之间的作用更强。高分支结构的纳米结构二氧化硅的重聚效率更好体系助留效果更显著，对含有LWC、SC和瓦楞纸板废纸或损纸的适应性提高。,（2）蒙脱石类微粒助留体系,钠基蒙脱石类微粒助留体系锂基蒙脱石类微粒助留体系经处理的改性蒙脱石微粒助留体系,普通蒙脱石的电荷分布情况
12、,因硅氧四面体中的Si(IV)被Al(III)同象置换，铝氧（羟基）八面体中的Al(III)被钙、镁、铁等二价离子置换而带有永久性层面负电荷。,CPAM/蒙脱石（Hydrocol),高分子量低电荷密度的阳离子聚丙烯酰胺钠基蒙脱石,CPAM/蒙脱石(Hydrocol)助留机理,(a)未加助剂,(b)加入CPAM,(c)加入CPAM后经历 剪切作用,(d)最后加入蒙脱石,CPAM/膨润土助留体系特点,CPAM先加在压力筛前且加入量较高膨润土尽量靠近流浆箱加入，且需要良好的分散膨润土一般为钠基膨润土，锂基膨润土的效果会更好，但成本高提高纸料的留着率和滤水性能，匀度不恶化,山东轻工业学院,蒙脱石/(A
13、)PAM(Organopol),钠基蒙脱石非离子或阴离子聚丙烯酰胺,锂基蒙脱石类微粒助留体系,阳离子组分锂基蒙脱石:锂蒙脱石的八面体层中的二价镁离子被一价的锂离子同相置换，形成永久性的层面负电荷,锂基蒙脱石类微粒助留特点,三维均具有纳米尺度，既可与CPAM组成微粒助留体系也可与阳离子淀粉组成微粒助留体系所产生的微絮聚体比一般微粒助留体系更致密，含更少的间隙水，尺寸更小、更均一 在较低的微粒组分加入量下获得更高的纸料留着率合成锂蒙脱石由于颜色较浅，不含铁，不影响纸张的白度，可用于各种纸张的抄造中,改性蒙脱石微粒助留体系,低到中等电荷密度的改性阳离子聚丙烯酰胺乳液“化学控制的絮聚”：利用改性阳离子
14、聚丙烯酰胺乳液控制纸料的絮聚，使纸料直接形成均一致密的纸料絮聚体，而不需要再经过机械剪切作用将先形成的大絮聚体破碎成小絮聚体 经工艺处理的改性蒙脱石微粒，可不经高剪切作用而较为容易地分散成具有较好助留作用的悬浮液,（3）氢氧化铝类微粒助留体系,阳离子淀粉/现场合成氢氧化铝（Hydrosil)阳离子淀粉/聚铝 聚铝：聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合硅酸硫酸铝(FIRST-PASS),(4)阴离子有机微聚物助留体系,CPAM+硫酸铝 Polyflex(有机微聚物，micropolymer),有机微聚物结构示意图,硫酸铝/CPAM/阴离子有机微聚物,助留机理与一般的无机微粒助留体系相似，但可在较低的加入
15、量下获得最大助留作用。加入少量的硫酸铝（）或聚合氯化铝对提高其助留助滤性能起着重要作用。有机微聚物助留体系更适于高加填的纸张。更有利于提高纸张匀度。,5.2.4 阳离子微粒助留体系,微粒组分：纤维状合成勃姆石-AlO(OH)聚合物组分：CPAM,勃姆石的形态特征,一种棒状的晶体，晶体本身较脆，分散于水中时不会像蒙脱石那样发生润胀。造纸所用微粒勃姆石实际上是其表面含有相当量乙酸盐的乙酸勃姆石胶体，酸性条件下带有正电荷。,勃姆石微粒/CPAM助留特点,助留组分的加入顺序并不重要 微粒组分先加时，可大幅度降低聚合物的使用量。主要用于含有大量阴离子干扰物的抄纸体系。,5.2.5 PEO/酚醛树脂助留体
16、系,聚合物组分：聚氧化乙烯辅助剂（cofactor)：酚醛树脂 含有足够带电荷基团（一般为磺酸基团）和酚型基团的缩合聚合物，改性酚醛树脂。,PEO/辅助剂助留机理,复合物桥联助留机理 缔合引发的聚合物桥联助留机理,复合物桥联助留机理,PEO与一个或多个辅助剂分子首先形成溶解性的初始聚合物复合体 初始复合体发生聚集，形成一种胶体尺寸的胶状复合体，并逐渐长大胶状复合体吸附在体系中的胶乳颗粒上粒子间通过胶状复合体的架桥作用而结合在一起，或与胶状复合体继续发生杂凝聚而沉积在纤维上,缔合引发的聚合物桥联助留机理,（a）柔软的PEO分子不能发生吸附（b）PEO分子与CF缔合而提高挺度后，可在纤维或填料间吸
17、附与桥联；（c）当CF可将PEO分子联结到填料或纤维表面时，也可产生桥联作用。,PEO/辅助剂助留特点,辅助剂先加，PEO后加，PEO加入点尽量靠近流浆箱作为助留剂使用的聚氧化乙烯分子量一般要在200万以上，最好达到700万或更高 未溶解成单分子的PEO缠结物的助留效果更好,5.3 助滤剂,纸料的脱水阻力来自水流过纤维层时水与固形物表面的摩擦作用 与固形物的表面积、体积分数和流体的粘度有关 凝聚 5.3.1 单组分助滤剂 5.3.2 微粒助滤体系,5.3.1 单组分助滤剂,将细纤维平伏在纤维表面，降低了水流过纤维表面时的阻力。发生凝聚，将细小纤维固着在纤维表面，减少了细小纤维对纤维间过滤孔隙的
18、阻塞。凝聚体，降低了固形物的总持水量，也使固形物组分的体积分数降低，从而降低了滤水阻力，增加了自由滤水的面积，提高了纸料的滤水性能。,PEI的助滤作用示意图,单组分助滤剂助滤特点,铝盐和各种高电荷密度、中低分子量的阳离子聚合物，如硫酸铝、聚合氯化铝、聚乙烯亚胺、聚胺等。纸料的滤水性能在纸料表面zeta电位接近于零时得到最大改善。,5.3.2 微粒助滤体系,桥联絮聚 高剪切作用 小絮聚体微粒 微粒桥联、电中和压缩 细小纤维絮聚体减少对纤维孔隙的堵塞；细小组分与纤维间的结合更加紧密；降低了絮聚体内聚合物链段的持水量。,胶体SO2微粒体系的助滤机理示意图,本章重点,纸料的基本聚集机理、特点，复合聚集机理、特点常见助留体系的特点助滤原理和常用助滤体系,
