聚丙烯酰胺在造紙干強劑助留劑中的應用

聚丙烯酰胺在造紙干強劑中的應用

干強劑是造紙工業中增加紙張強度的一種重要化學品。真正意義上，干強劑的使用和開發始于20世紀50年代初，以聚丙烯酰胺的成功工業化為標志。聚丙烯酰胺是一種性能優良、環保的聚合物聚合物，被稱為“標準造紙添加劑”，在各國造紙工業中的比例越來越高。

聚丙烯酰胺是由其單體聚合物獲得的水溶性聚合物，可合成數千萬至數千萬的分子聚合物。分子量低的部分進入纖維孔，無紙張增強劑效果；分子量過大，凝結效果大，導致紙張組織不均勻，紙張增強效果差。紙張干強劑的適當分子量為20萬-50萬。陰離子聚丙烯酰胺可根據離子基團的不同分為陰離子聚丙烯酰胺（APAM）、陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）兩性聚丙烯酰胺（AmPAM）。

1.紙張干強劑的作用機制

有許多種類的干強劑，對其增強機制有不同的看法，目前主要集中在以下幾個方面：

(1)纖維間氫鍵結合和靜電吸附時干強度的主要原因，特別是氫鍵集合點多，結合力強(鍵能82kj/mol），加入干強劑后，可以加強氫鍵的組合。有些分子含有各種活性基，可以與纖維上的羥基產生強分子和氫鍵的相互作用。

（2）干強劑也是纖維的有效分散劑，可以使紙漿中的纖維分布更加均勻，改善頁面形成，提供更均勻的纖維組合，增加纖維與聚合物之間的組合點，從而提高干強度。

(3)干強劑能改善細纖維和紙頁濾水，從而改善濕紙頁的固結。

聚丙烯酰胺基1:氫容易與纖維中的羥基結合，增強了氧鍵的結合，增加了紙張的強度。

2.陰離子聚丙烯酰胺

陰離子聚丙烯酰胺在各種聚丙烯酰胺中發展歷史最長，技術最成熟，具有成本低、表面活性好、應用廣泛的優點。其方法是通過丙烯酰胺與丙烯酸共聚，在聚合物鏈上引入離子羧基，并在堿性條件下水解聚丙烯酰胺的部分酸胺基。

通過新的觸發系統，控制陰離子聚丙烯酰胺的分子量，發現當分子量較低時，有利于增加抗張強度；當分子量較高時，有利于增加抗破裂性和抗折疊性。研究陰離子聚丙烯酰胺的合成，改變反應條件，獲得不同分子量的聚內烯酰胺。結果表明，合成分子量為25.5萬的陰離子聚丙烯酰胺使紙張的斷裂長度增加27%，抗破指數增加69.4%。陰離子聚丙烯酰胺分子量16萬，對撕裂度和抗折度影響較大，分別增加92%和13.8%。

3.陽離子聚丙烯酰胺

陽離子聚丙烯酰胺早在20世紀60年代就有合成報道，其研究和應用非常普遍。最初的陽離子聚內烯酰胺是由自由基聚合制備的非離子聚丙烯酰胺，然后通過Marmich與甲醛和二甲胺反應得到胺甲基聚丙烯酰胺，其中含有陽離子側基。聚丙烯酰胺的胺甲基化反應為1:1.2(物質量)的比例使甲醛與二甲胺混合產生二甲胺基甲醇，然后與PAM反應產生陽離子聚丙烯酰胺，游離甲醛少(0.5%)，產品穩定性長。在Marmich改性聚丙烯酰胺的過程中，通過單因素優化法確定了一步法進料等最佳反應條件，發現一步法的反應效果比兩步法具有更大的優勢。

甲基丙烯酰氧乙基三甲氯化銨目前使用(DMC)、丙烯酰氧乙基三甲氯化銨(DAC)、甲基丙烯酸-2-{N，N-二甲氨基)乙酯(DM)、丙烯酸-2-(N，N-二甲氨基)乙酯(DA)、二甲基二烯丙基氯化銨(DMDAAC)聚合物，如廉價的陽離子單體和丙烯酰胺共聚物，可以獲得良好的增強效果。與陽離子改性法制備的聚丙烯酰胺相比，這類產品穩定性好，價格低廉，是未來值得大力發展的產品。美國專利將二甲基二烯丙基氯化銨(DADMAC)甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化(DMC)由陽離子單體與丙烯酰胺反應制成的陽離子聚丙烯酰胺能顯著提高紙張的干強度。采用乳液聚合法合成了一系列陽離子PAM乳液干強劑，適用于酸、中、堿抄襲系統。因此，當添加量為1.0%(對干漿)時，成紙抗張指數、撕裂指數和抗破指數分別比空白樣增加28.4%、41.5%和24.2%。四元陽離子干強劑由苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺和陽離子單體在引發劑過硫酸銨的引起下共聚制備而成。用11.0%(絕干漿)時，紙張環壓指數可提高10%以上，挺度可提高8%以上，溶解性好。以丙烯酰胺、醋酸乙烯酯和丙烯酸丁酯為原料，在過硫酸鉀的引起下，通過乳液共聚反應制成紙張干燥劑，對紙張有顯著的增強作用。

甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)和丙烯酰胺(AM)對于單體，低分子量陽離子聚丙烯酰胺水溶液共聚合成，討論了引發劑、聚合單休息濃度、陽離子單體含量等影響聚合的因素，并結合其對瓦楞原紙環壓強度的增強效果進行了優化，結果發現，當陽離子聚丙烯酰胺的分子量約為40萬時，最適合制作瓦愣原紙的環壓強度增強劑；當低分子量陽離子聚丙烯酰胺被用作環壓強度增強劑時，適當的劑量為0.4%-0.6%。

四、兩性聚丙烯酰胺

與只含一種電荷的陽離子或陰離子聚丙烯酰胺相比，兩性聚丙烯酰胺具有更明顯的“反聚電介質效應”和廣泛的PH實用范圍，在造紙行業已成為國內外研究的熱點。研究了核殼乳液聚合法合成聚丙烯酰胺乳液造紙增強劑，研究了反應單體配體、引發劑用量、反應時間和反應溫度對AMPAM乳液性能和成紙增強效果的影響。發現合成AMPAM乳液增強效果好。當添加量為0.3%時，成紙環壓指數、裂紋長度和抗破性指數分別增加20.3%、24.6%和30.3%。同時，AMPAM乳液增強劑固含量高，降低了包裝和運輸成本。在DMC/AM在/AA的基礎上添加丙烯腈（AN）。考慮到抗張指數和環壓指數，干強劑分子中AN含量越多，聚合物極性越大，分子剛度越大，與紙纖維形成強分子間力，增強效果明顯；但當用量過大時，干強劑分子中陽離子基團和陰離子基團的含量相對降低，會降低與纖維的結合程度。從而導致抗張指數和環壓指數下降。考慮到抗折度，干強劑分子上的極性基團越多，分剛度越大，抗折度越小。兩性聚丙烯酰胺紙用干強劑由丙烯酰胺、丙烯腈、丙烯酸和促進劑MPA合成，具有優異的增強效果。成紙挺度可提高18%-20%，斷鏈長度可提高20%-25%，抗折性可提高60%-90%，成紙指標高于其他廠家。

以丙烯酰胺(AM)甲基丙烯酰氧基乙基三甲基氯化(DMC)以過硫酸鉀一亞硫酸氫鈉為引發劑，采用水溶液聚合法合成穩定的添加劑陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)，以闊葉木漿為漿料，添加劑用量為0.2%-0.4%，漿料pH值為7，灌漿度為35SR，復制定量為60g/m2的紙張，可使紙張抗張指數增加30%以上，抗破指數增加20%以上，抗折度增加70%以上，撕裂指數增加不大。

5.新型交聯或接枝型聚丙烯酰胺

陽離子聚丙烯酰胺隨著原料和抄紙環境的顯著變化也得到了改善。國內外開發的新型支化或交聯聚丙烯酰胺使用效果優于傳統的合成聚合物干強劑。例如，丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺可以通過引發劑聚合獲得交聯共聚物，然后通過Manich反應獲得陽離子聚合物作為紙張干燥劑。香蕉芋淀粉磷酸酷是以香蕉芋淀粉為原料合成的，然后將淀粉磷酸酷與丙烯酰胺接枝共聚，將合成產品陽離子化后作為干強劑，取得理想效果。淀粉接枝聚丙烯酰胺以玉米淀粉和丙烯酰胺為原料合成(St-PAM),結果表明，淀粉接枝聚丙烯酰胺在定量、抗拉強度和裂紋長度方面優于聚丙烯酰胺，但在撕裂和抗折性方面優于淀粉接枝聚丙烯酰胺。通過聚丙烯酰胺的優化，窄分子量陰離子聚丙烯酰胺的相對分子質量控制在30000-500000之間，然后與陽離子淀粉連接。由于窄分子量聚丙烯酰胺的相對分子質量分布范圍較窄，接枝后添加劑的相對分子質量分布均勻，增強效果應優于陽離子淀粉和窄分子量聚丙烯酰胺，接枝后獲得的添加劑可直接使用，無需添加硫酸鋁，降低了生產程序和生產成本。淀粉溶解后，加入丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化銨進行接枝共聚，即可獲得乳液型改性淀粉增干強劑，用0.6%-1.0%(絕干漿)時，紙張的干燥強度可增加20%以上，因為接枝分子鏈主要是柔性鏈，使耐撕裂性提高3%以上。

6.結束語

聚丙烯酰胺是一種非常有效的造紙干強劑，具有用量低、操作方便、效果明顯等優點。它不僅可以提高紙張的強度，還具有良好的助留助濾效果，可以降低T紙漿的消耗和成本。由于我國造紙原料中草藥所占比例較大，迫切需要開發性能較好的漿內干強劑。因此，有必要充分利用各種干強劑的優點，開發適合我國造紙生產的高效、廉價、性能穩定的干強劑，特別是草廢紙原料。對聚丙烯酰胺等增強劑的共同研究是近年來國內外發展的重要趨勢，這方面仍需進一步研究。