明矾用量对阳离子分散松香胶留着性能的影响

明矾用量对阳离子分散松香胶留着性能的影响

在明矾（十二水合硫酸铝钾）不同用量和分散松香胶条件下，通过测定浆料滤液浊度来研究阳离子分散松香胶的留着性能。采用电荷需求和Zeta电位表征浆料纤维的电荷特性。结果表明：当最佳的明矾用量时，实验范围内所采用的松香胶用量下均显示出了较好的留着性能；当明矾使用过量时，细小组分和胶体颗粒表面电荷会从阴离子性转变为阳离子性，从而导致阳离子施胶剂留着率下降。纸机试验进一步验证了此实验研究结果。数据表明，在采用阳离子分散松香胶施胶时，有必要对纸浆电荷进行检测以确保明矾的用量为最佳用量。

1 概述

纤维表面含有大量的羟基和羧基赋予纸张天然的亲水性，这种性能对于卫生纸、纸巾纸等纸品非常有利，但是胶版印刷纸或包装纸等纸种则需要具有一定抗水性能。施胶的目的是使纸张具有抗拒水（或其他液体）扩散和渗透的能力。在施胶过程中，通常会在纤维表面引入憎水性物质。一般来说，施胶方法主要分为浆内施胶和表面施胶。当施胶剂加入纸料中且在造纸机湿部采用适宜的方法将其留着在纤维上，这种方法称为浆内施胶；纸页成形后在半干或干燥后的纸张表面均匀涂上胶料则称为表面施胶。

1807年，德国研究人员发明了明矾（十二水合硫酸铝钾）-松香施胶体系。在该体系中，松香（主要为松香酸和它的皂化物）具有疏水性能。明矾作为沉淀剂，有助于将松香胶料粒子与纤维结合。图1展示了松香酸的化学结构式及其松香在明矾的作用下沉淀在纤维表面的机理。松香可通过马来酸酐、反丁烯二酸强化，使其增加额外的羧基以更好地附着在纤维表面。这种“强化”的松香质量通常仅占到混合物总质量的10%～25%。

由于优异的施胶性能和较低的成本，明矾-松香施胶体系在造纸工业中得到了广泛使用。然而，该施胶体系的主要问题是松香皂与钙离子结合形成的胶粘物会影响纸机的运行性能。工厂在使用高硬度的水或者采用碳酸钙作为造纸填料或涂布颜料时会使此问题变得更加严重。因此，1930年出现了分散松香胶。

图1 明矾促进松香胶与纤维结合示意图

皂化松香胶和分散松香胶都需添加在湿部，且需要明矾作为沉淀剂以提高其与纤维的结合。二者的主要区别为施胶剂与明矾发生反应的工艺位置的差异。皂化松香胶在湿部直接与明矾进行反应，进而沉积在纤维表面；分散松香胶中的松香酸由于乳液的保护，因而需在烘缸处纸张获得足够的能量才能显现效果。在加热过程中，乳液稳定性下降，释放松香酸，使其与明矾在纤维表面发生反应。所以，对于分散松香胶而言，施胶剂的留着与施胶效果的演变是2个单独的过程，而皂化松香胶的留着和施胶效果演变过程则在湿部同时进行。分散松香胶未沉积在纤维表面前，与纤维仅通过离子键结合，因而在水相体系中结合较弱。当水被大量脱除时，分散松香胶粒子与纤维分离。并且，由于分散松香胶粒子远小于纤维和纤维之间的空隙，因而无法通过物理截留作用而留着在湿纸页中。

由于明矾和阳离子分散松香胶都带有正电荷，因此明矾使用过量很可能会影响阳离子分散松香胶的留着性能。因此，本研究对明矾用量对阳离子分散松香胶留着性能的影响进行了研究。通过改变明矾和阳离子分散松香胶的用量来研究留着性能。采用颗粒电荷需求量（PCD）和系统Zeta电位（SZP）对浆料组分进行分析以便更好地理解分散松香胶的相互作用机理。

2 实验

2.1 原料

实验所用阔叶木浆、松木浆、分散松香胶和明矾均取自漂白硫酸盐浆板厂。浆料含有80%的阔叶木浆和20%的松木浆，浆料采用去离子水稀释至0.7%质量分数。明矾和分散松香胶浓度采用去离子水调节为1%质量分数。使用明矾时需现用现配，以减少其在稀溶液中的水解。浆料pH为4.4，添加明矾后，浆料pH会进一步降低，实验研究的浆料pH为4.1～4.4。阳离子分散松香胶为乳液形式，固含量为40%质量分数。光学显微镜测试结果表明，阳离子分散松香胶的粒径约在1.5 μm。

2.2 分散松香胶的留着性能测试

将明矾加入3 L浓度为0.7%质量分数的浆料中，并混合均匀。之后，将分散松香胶逐渐加入浆料中，每次添加后，收集50 mL浆样并进行过滤。采用浊度测定仪（温度2 300℃钨丝灯作为光源，波长0.6～2.3 μm，峰值强度约1.3 μm）测定滤液的浊度。由于分散松香胶的粒径（1.5 μm）大于峰值强度对应的波长，因此浊度仪对滤液中的分散松香胶颗粒非常敏感，可用于评价胶料粒子的留着性能。采用未添加任何化学品的原始浆料滤液数据作为浊度的基线。浆料最终浊度减去基线浊度来评价分散松香胶对滤液浊度的影响。同时，在不同明矾用量下，测定的浊度平均值用于评价分散松香胶的留着性能。

2.3 电荷测试

将不同用量的明矾加入15 L浓度为0.7%质量分数的浆料中，取400 mL样品用滤网进行过滤，采用电荷测定仪测定滤液的颗粒电荷需求（PCD）。采用电位测定仪测定浆料的Zeta电位。所有数据测定3次，取其平均值。

2.4 中试试验

纸机中试试验时所用浆料为阔叶木浆和松木浆。进行施胶试验的目标pH为4.5。纸机运行时浆料体系pH为4.1～4.4。由于采用硫酸和氢氧化钠调节pH，因此明矾用量对系统pH的影响较小。最终纸板的施胶性能采用TAPPI T 530 om-02（赫克力士施胶测试,HST）进行测定。测试在室温下进行，所用的绿色染料中含10%质量分数的甲酸。

3 结果与讨论

通过改变明矾和分散松香胶的用量，测定浆料滤液的浊度来评价分散松香胶的留着性能。将浆料、分散松香胶与明矾混合后通过滤网以模拟纸机成形网滤水过程。测定最终滤液和原始浆料（即未经处理和未添加明矾的浆料）的浊度。滤液中分散松香胶会增加浊度，浊度较高就意味着分散松香胶的留着较低。

明矾、分散松香胶的用量对浊度的影响如表1和图2所示（编者按：表1小括号中数据是将单位“磅/t”换算为法定计量单位“kg/t”后的数据）。

表1表明，当明矾用量较低[0、10（4.53）、20（9.06）磅/t]时，浊度增加较慢，说明分散松香胶的留着率较高。然而，当进一步提高明矾用量[40（18.12）、80（36.24）磅/t]时，较高的分散松香胶用量造成其留着降低。这意味着过量的明矾用量会影响分散松香胶的留着。当明矾用量在20～40磅/t（9.06～18.12 kg/t）时，随着其用量的提高，分散松香胶的留着显著下降。

当明矾用量在一定范围内时，浊度变化较小，表明明矾对分散松香胶的留着影响不大。施胶效果与施胶剂用量可呈线性相关。此范围内，由于通过调控施胶剂用量便可获得相对稳定的施胶效果，因此更有利于纸机更换纸种。图2表明在添加分散松香胶时，不添加明矾（0磅/t）并不能获得最低的滤液浊度。当明矾用量为10磅/t（4.53 kg/t）时，滤液浊度与其他用量下的浊度相比最低，表明一定量的明矾有利于提高施胶剂留着，在分散松香胶用量较高时尤为明显。

表1 明矾与分散松香胶的用量对滤液浊度的影响 NTU

图2 明矾与分散松香胶用量对滤液浊度的影响

由于实验中未添加淀粉和助留剂（它们通过架桥作用使施胶剂留着），因此本实验中静电作用更有可能是分散松香胶唯一的留着机理。浆料体系的电荷特性对分散松香胶的留着影响很大。本研究对明矾不同用量下，浆料的电荷需求和Zeta电位进行的分析以便更好地理解施胶剂的留着，结果如图3所示。

图3 明矾用量对浆料Zeta电位和电荷需求量的影响

PCD数据反映的是细小组分和胶体颗粒物质的电荷需求，而Zeta电位反映的是纤维表面电荷情况。图3表明：原始浆料所带电荷为负电荷；当添加明矾后，纤维和细小组分所带电荷的绝对值在降低。由于浆料pH为4.1～4.4，在此范围内，大部分的Al以Al3+形式存在，因此添加明矾后会中和纤维和细小组分的负电荷。

电荷绝对值的降低速率在细小组分和纤维方面有所不同。在不同明矾用量下，系统Zeta电位仍为负值。然而，当明矾用量在25～30磅/t（11.33～13.59 kg/t）时，细小组分的电荷特性由负值转变为正值。这可能是因为细小组分的比表面积比纤维大，因而会吸附更多的明矾，从而更快地转变为正电荷。另外，相关研究表明，这种差异性也与硫酸盐浆纤维细胞壁介孔特性有关。由于水会进入纤维细胞壁，因此所测定的Zeta电位还受纤维内部的影响，如纤维表面很小的孔，这部分受湿部添加剂影响很小，因此纤维表面呈现正电荷，但Zeta电位可能还是显示为负。换句话说，所吸附的铝粒子可能会扩散进入纤维的介孔中，从而不会影响纤维表面的电荷情况。当细小组分电荷变为正电荷时，它会排斥分散松香胶，进而降低了胶料的留着效率。这与明矾用量较高时，其滤液浊度升高的现象是一致的。图2中当明矾用量超过20磅/t（9.06 kg/t）时，滤液浊度随分散松香胶用量的提高而急剧上升，表明施胶剂留着较差。

经过实验室研究后，通过纸机试验进一步验证明矾用量对分散松香胶施胶效率的影响。首先在纸机正常运行过程中收集了数据。通过在混浆池中逐渐添加明矾并检测电荷特性的变化。添加明矾的用量使得浆料体系电荷需求接近0（明矾临界用量）。试验过程中，明矾的临界用量为18磅/t（8.15 kg/t）。而后，固定纸机其他参数不变，同时改变明矾和分散松香胶用量进行试验。测试最终纸板的施胶性能（HST）评价施胶效率。图4列出了试验所用明矾和分散施胶剂用量及其施胶效果。

由图4可见，样品1～7号的明矾用量稳定在临界用量下，此范围内HST与分散松香胶用量具有较好的相关性。当明矾用量在临界用量附近变化，同时改变分散松香胶用量时（样品8～14号），HST数值仍随分散松香胶用量而变化。当明矾用量提高至临界用量以上时（样品15～19号），虽然分散松香胶用量较高，但HST数值逐渐下降。样品14号与样品19号的施胶性能虽然相近，但后者所用的施胶剂用量高出前者50%。因此，纸机数据进一步证明，明矾过量导致的细小组分和颗粒电荷发生逆转会造成阳离子分散松香胶施胶效率下降。在同样的干燥条件下（即施胶性能变化相同），施胶剂留着率的下降更有可能导致施胶效率降低。

4 结论

通过测定浆料滤液的浊度研究了不同明矾和分散松香胶用量下施胶剂的留着效果。结果表明：采用阳离子分散松香胶时，过量的明矾用量通过改变浆料电荷特性影响施胶效果；在实验所使用的分散松香胶用量范围内，一定量的明矾可使施胶剂维持较高的留着效果；然而，当明矾过量时，细小组分和颗粒电荷发生逆转会影响施胶效果。

图4 明矾与分散松香胶用量对施胶效果的影响

纸机试验进一步验证了实验研究效果。明矾临界用量与浆料配比和种类有关，对于特定纸厂，有必要对浆料电荷特性进行研究，通过优化明矾用量以获得最好的施胶效果。

（至将躁止 编译）