长纤维造纸用分散剂的应用现状和发展趋势

张 鑫，龙 柱，王建华

（1.江南大学纺织服装学院造纸研究室，江苏无锡，214122 2.江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏无锡，214122 3.浙江永正控股有限公司，浙江富阳，311421）

长纤维造纸用分散剂的应用现状和发展趋势

张 鑫，龙 柱1，2，王建华3

（1.江南大学纺织服装学院造纸研究室，江苏无锡，214122 2.江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏无锡，214122 3.浙江永正控股有限公司，浙江富阳，311421）

综述了造纸长纤维用分散剂的应用现状和发展趋势。总结了造纸长纤维用分散剂的传统制备方法和一系列新型的合成方法。指出造纸长纤维用分散剂的合成从原料选择到合成工艺逐步精细化、多功能化以及环保化的趋势。

分散剂；长纤维；造纸

1 引言

造纸过程中使用的化学助剂主要包括助留助滤剂、分散剂、增强剂、施胶剂等。这些助剂在造纸过程中起着至关重要的作用，其目的是提高填料和细小纤维的留着率、生产效率，降低成本，提高纸页质量等。由于纤维(特别是长纤维)、填料和大多数助剂等都是水不溶性的, 而且，它们在水溶液中存在自行聚集的趋势和相互排斥性，所以，抄造的纸张难以均匀而且强度较小。特别是化学长纤维，由于其密度过高或过低，要么沉降过快而来不及分散，要么大量漂浮于水面形成絮聚而无法均匀，从而，造成分散困难的问题。若纤维能够以单根形式存在于液体中并保持均匀分散，则能抄造出组织良好的纸张。当然，在抄纸过程中仅靠机械搅拌往往是不能使其很好地分散在水中，而且，分散后的纤维在滤水成形过程中又会很快产生新的絮聚，从而，影响纸页的均匀度和物理性能。而添加适当的分散剂来稳定浆水分散体系就是一种实现纤维均匀分散、提高纸张性能且较为经济的方法。但目前，纤维分散剂的种类繁多，性能各异，且不同种类的纤维需要不同的分散剂进行处理；同时，在实际使用过程中，还需要综合分散剂的质量、用量 、价格以及应用纸种的特性等多种因素，才能使得分散剂达到最佳的使用效果。本文就长纤维造纸用分散剂的使用现状和发展进行了一系列的描述和总结。

2 分散剂的作用机理

分散剂（Dispersant）是一种在分子内同时具有亲油性和亲水性两种相反性质的界面活性剂。可均一分散那些难于溶解于液体的无机颜料和有机颜料的固体及液体颗粒，同时也能防止颗粒的沉降和凝聚，形成稳定悬浮液所需的两亲性试剂。分散剂可以提升光泽、防止浮色发花、提高着色力、降低粘度、增加颜料载入量以及减少絮凝。在纸张生产过程中，纤维分散是一个非常重要的生产环节，它直接关系到湿纸页成形的匀度和干燥后纸页的机械强度等一系列指标，所以，合理的选择分散剂是决定纸页质量的关键因素[1]。

而造纸用分散剂的作用机理基本上可以分为以下三种：

（1）静电斥力作用原理：静电斥力作用原理是一种双电层稳定机制，是指通过加入离子类型的分散剂，纤维表面产生一定量的表面电荷，使纤维间产生较大的排斥力，进而实现纤维的稳定分散，在这种分散体系中，离子的强度对分散的效果影响最大；

（2）空间位阻稳定作用：聚合物类的分散剂在浆水悬浮液中伸展开并且黏度增加，从而，达到良好的分散效果。这是因为伸展的聚合物分子链可以阻止纤维表面相互接触，使过度絮凝不会发生；另外，黏度的增加也限制了纤维在悬浮液中的运动，从而，减少纤维间的相互接触。

（3）静电空间位阻复合稳定机理：分散剂首先使固体颗粒表面形成双分子层结构，外层分散剂极性端与水有较强亲和力，增加了固体粒子被水润湿的程度，然后，固体粒子之间因静电斥力而相互远离，从而，达到良好的分散效果。

3 造纸用分散剂的种类

由于造纸用分散剂种类繁多，相应的分类方法也有不少，如按照用途来分，可分为纤维分散剂、树脂分散剂和涂布分散剂；按照化学结构来分，可分为无机分散剂和有机分散剂；按照来源可分为矿物颜料分散剂（如高岭土、天然CaCO3、TiO2、滑石粉等）、人造颜料［如 Al ( OH)3、Mg ( OH)2、BaSO4、锻白、沉淀CaCO3等］、合成树脂颜料（如聚苯乙烯颜料、尿素树脂颜料等）[2]。而本文是以分散剂的作用机理来进行分类的，大体可分为以下三类。

3.1 表面活性剂类

造纸工业中常用的分散剂包括表面活性剂，它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，从而，起到均匀分散的效果。表面活性类主要是非离子型分散剂和阴离子型分散剂。非离子型分散剂如脂肪醇聚氧乙烯醚甲基硅烷、油酸聚氧乙烯酯等；阴离子型分散剂如脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、烷基二苯醚磺酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚磷酸酯盐等。阴离子或非离子表面活性剂的作用机理一般为：

（1）赋予纤维表面电荷，使其相互产生斥力（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，防止纤维碰撞而絮聚；

（4）表面活性剂具有良好的吸附剂悬浮特性，它们吸附在纤维表面，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；

3.2 水溶性高分子有机物类

纤维分散剂中大部分都是高分子有机物，如树胶（刺梧桐胶、槐树豆胶等）、海藻酸钠、甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、脱乙酰基的壳聚糖、PEO、聚丙烯酰胺类等，其中以聚氧化乙烯（PEO）为典型代表。水溶性高分子有机物类作为分散剂的作用机理一般为：

（1）它们的加入使得浆料的黏度增高，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，使纤维不能相互接触，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。

3.3 电解质无机盐类

电解质无机盐类的分散剂如焦磷酸钾、六甲基磷酸钠。这种分散剂主要是加入的离子类型分散剂，在纤维表面产生一定量的表面电荷，使纤维间产生较大的排斥力，进而实现纤维的稳定分散[2]。

4 长纤维造纸用分散剂的应用现状

4.1 植物长纤维分散剂的应用现状

在生产薄型纸时，在纤维配比中加入很多长纤维，由于长纤维是水不溶性的，它们在上网的时候有自行聚集的趋势，容易造成纤维絮聚，从而给生产带来不便。在纸浆上网时加入适量的分散剂，能够很好地解决纤维絮聚这一问题。可是分散剂的使用情况对生产出的薄型纸在指标上如干、湿抗张强度以及匀度等会出现较大的波动幅度，从而，造成一些废品的产生，同时也不利于节能减排。所以，在生产薄型纸时，分散剂加入量要适当。同时，也需要通过调节上网浆回流阀门开度以调节脱水，改变单一调节分散剂加入量调节纤维絮聚的方法，从而，解决纤维絮聚的产生，调节纤维絮聚而造成纸页的干抗张强度降低的现象[3]。

罗崇禧[4]等人曾使用超支化分散剂对剑麻纤维/长玻纤/聚丙烯复合材料的性能进行改善和测定，以自制超支化分散剂HBD（HBD的结构如图1所示）为改性剂，制备剑麻纤维(SF)/ 长玻纤(LGF)/聚丙烯(PP)复合材料。由于超支化分散剂HBD的结构中存在着大量的NH-CO等基团，能使纤维表面在水介质中带有较多的负电荷，从而，达到均匀分散的效果。经HBD改性后，复合材料的冲击强度、弯曲强度均强于未经分散剂改性的复合材料。

吴安波[5,6]等在柴油滤纸及其制备方法一文中对柴油滤纸进行了详细描述。柴油滤纸主要由原纸和浸胶液这两部分组成，其中所述的原纸包括麻纤维、石膏纤维等长纤维和少部分竹纤维、玻璃纤维等短纤维组成。而其中所用到的分散剂则是由大量的阴离子聚丙烯酰胺（APAM）和少量其他分散剂复配制成的[7]。实验结果表明：使用复配分散剂的柴油滤纸，其纸页的机械性能明显强于只使用单种分散剂抄造出来的柴油滤纸。

4.2 化学长纤维分散剂的应用现状

曾令可[8]等人在化学长纤维中加入羟丙基甲基纤维素、聚丙烯酰胺(PAM)等分散剂，研究了不同分散剂的分散效果和机理。加入羟丙基甲基纤维素能大大降低陶瓷纤维的聚集现象；加入PAM的化学长纤维料浆具有良好的分散性，成球率几乎为零。

肖仙英等[9]在玻璃纤维水溶液中加入表面活性剂 PEO 来改善纤维在水中的分散状况。 影响玻璃纤维浆料分散性的因素包括纤维长度、分散剂种类与含量、pH值、Zeta 电位等。由于抗静电剂 SN是一种表面活性剂，在实验过程中容易产生泡沫。为保持纤维在水中均匀分散，除了高的稀释度和对纤维表面的处理外，提高介质的黏度，也是进一步提高纤维分散的一种有效途经。而PEO的加入对纤维分散起着一定的作用，在纸页的成形过程中，加入PEO这类增稠剂后，介质的黏度增加，相当于在纤维表面附着了一层薄薄的润滑油膜，因而浆中的纤维与纤维、纤维与水、已成形的湿纸页与水之间发生冲刷、摩擦时，纤维与纤维之间不再是直接接触，因而，也就不容易发生纤维之间的絮聚现象，已成形的湿纸页也不易发生纤维的位移现象，增稠剂在其中也起到了润滑剂的作用。但增稠剂的加入量不必过多，一方面考虑到生产成本的问题，另一方面会产生泡沫且纸页成形滤水性差，一般PEO的浓度控制在不大于0.05%为宜，此实验取0 .035%[10]。这个实验说明：纤维分散的效果不仅和其使用的分散剂种类有关，还和分散剂使用的浓度、质量以及粘度等有一定的相关性，只有控制好每一个因素，才能使得分散剂达到最佳效果。

图1 超支化分散剂(HBD)的结构Fig1 The Structure of Hyperbranched Dispersant (HBD)

Dodson[11]对纤维浆料中出现的絮聚现象进行了研究。本文针对玻璃纤维芯材的湿法工艺中纤维难分散、易团聚的问题，研究了分散剂对经过切棉处理的玻璃纤维浆料分散性的影响以及玻璃纤维浆料分散性的机理。王晶晶等人[12]研究了硅酸铝纤维的分散性能。实验表明：在硅酸铝纤维中加入分散剂（聚氧化乙烯PEO，阴离子聚丙烯酰胺APAM）是提高纤维在水中分散性能的最有效的方法，有利于提高制备材料的匀度、抗张强度和撕裂度，有利于改善基体性能。

王闯等[13]研究了甲基纤维素(MC)、羧甲基纤维素钠(CMC)、羟乙基纤维素HEC三种常用分散剂的质量分数对碳纤维在其水溶液中分散性的影响，分析了一定温度下分散剂质量分数和溶液黏度的关系，以及从纤维素结构出发，解释了不同分散剂的分散效果。其实验表明：用超声波对碳纤维进行预分散，然后加入分散剂继续超声分散，均能提高碳纤维的分散性。一定温度下，分散剂质量分数相同时，分散剂对短碳纤维的分散效果为HEC ＞CMC＞MC,黏度大小顺序为HEC＞CMC ＞MC，其水溶液质量分数为1.56%～1.77% 时，短碳纤维在水溶液中呈理想分散状态。MC、CMC、HEC这三种分散剂中均含有极性羟基基团，这些基团可与碳纤维表面的极性羟基基团或羰基基团以及水分子之间形成氢键，增强了碳纤维表面的亲水性和浸润性，从而，提高了短碳纤维的分散性。分散剂中极性基团越多，与短碳纤维之间形成的氢键就越多，分子间作用力就愈强，分散效果就越好[14-16]。

陈清、陈照峰等人研究了切棉方式、玻璃纤维长度、分散剂种类和含量对玻璃纤维浆料分散性的影响。结果表明∶ 切棉后的浆料分散程度明显高于未切棉的。玻璃纤维越长则越难分散，适宜的纤维分散长度为 10～12 mm。浆料所含纤维为0.2wt%时，羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、六偏磷酸钠的最佳加入量分别为 0. 008wt%、0.012wt%和0.04wt%，所对应的浆料吸光度分别为 0.344A、0.703A 和 0.663A。沉降实验显示：添加六偏磷酸钠的浆料分散性最好，浆料沉降高度最低、沉降速率最慢[17，18]。

由于不同种类纤维的化学性质相差非常大，所以在纤维分散剂的使用方面也存在较大的差异。如植物纤维由于存在大量的极性基团，容易絮聚成团，所以在使用分散剂的时候，用量一般相对较多；而化学纤维的密度过高或过低，要么沉降过快而来不及分散，要么大量漂浮于水面形成絮聚，从而难以分散均匀。所以，分散剂的使用在纸页成形过程中至关重要，无论是植物纤维用分散剂还是化学纤维用分散剂，基本上都是通过阻断纤维间的接触和絮聚，从而达到均匀分散的效果。随着造纸助剂使用情况的进一步发展，除了出现不同种类分散剂复配的现象，甚至也出现了不同种类助剂复配的现象，如分散剂和渗透剂[29]、分散剂和增溶剂[20]的组合应用。这是由于渗透剂和增溶剂都具有固定的亲水亲油基团，能够在溶液的表面定向排列，并能使表面张力显著降低，这样就能够使分散剂更好地附着在纤维表面，从而使其分散作用更好地发挥出来。

5 长纤维造纸用分散剂的发展趋势

随着造纸技术的宽幅化和高速化的发展以及高浓度涂布机的使用，不但对纸机本身提出了要求，也对制浆过程中的助剂相应提高了要求，特别是分散剂的种类和用量。在使用植物长纤维抄纸过程中，为了提高车速和节能，有时需使用高固含量的涂料，所以通常采用高分子有机分散剂[21-24]，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。而在化学纤维抄纸过程中，有的研究加入发泡剂，使分散剂物料在反应热的条件下使胶体具有无数微孔结构，从而使之提高溶解速度以及提高溶解分散性。而分散剂的使用最终会影响到纸张的具体指标上，如撕裂强度、抗张强度、紧度等。同时，近年来分散剂行业发展迅速，传统的一些分散剂并不够“绿色”。目前整个行业正朝着生态安全和多功能性等方向发展，而且来自植物资源的绿色原料越来越受到重视。尽管国内外科研工作者对于环保型分散剂的研究已经有了一定的进展，但是天然分散剂在成本的控制上与传统的分散剂还有一定的差距。此外，造纸分散剂的性能及功能的多样化还有待提高。因此，进一步降低产品的成本并开发更高效、功能更多样的环保型造纸分散剂将成为未来的研究方向。随着其成本的不断降低和性能的进一步提升，相信这种分散剂在造纸工业上的应用将会更加广泛。

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Application Status and Development Tendency of Long-fiber Dispersant in Papermaking

Zhang Xin1,2, Long Zhu1,2, Wang Jianhua
(1.Laboratory of Papermaking, School of Textiles & Clothing, Jiangnan University, Wuxi 214122, China 2.MoE key Laboratory of Eco-textiles, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
3.Zhejiang Yongzheng Holdings Ltd, Zhejiang Fuyang 311421, Zhejiang China）

The paper presents long fiber dispersant application status and development trendency in papermaking, summarizes the traditional preparation methods of long fiber dispersant and a series of new synthetic methods of long fiber dispersant in papermaking ,points out the refining, multi-functional and environmentally friendly tendency of synthesizing long fiber dispersant, including raw material selection.

Dispersant; Long fiber; Papermaking

TQ423.92

C

1672-2701（2017）11-56-07