皓泉詳細講解聚丙烯酰胺在造紙中的作用效果

      聚丙烯酰胺（PAM）是水溶性高分子化合物，主鏈上有活潑的酰胺基和雙鍵，釆用不同的聚合工藝，引入不同的官能團，可取得不同相對分子質量和不同電荷密度的PAM系列產品，是化學性質非�；顫�、應用較廣泛的多功能高分子化合物。早在20世紀50年代，PAM就已經作為紙張干增強劑應用于造紙工業，目前已大量用作干強劑、助留劑、助濾劑、廢水處理劑和纖維分散劑等，是應用較廣泛的造紙化學品之一。

    PAM是丙烯酰胺（AM）均聚或與其他單體共聚而制得。根據不同的電性，PAM產品可相應地劃分為非離子型（NPAM）、陰離子型（APAM）、陽離子型（CPAM）和兩性型（AmPAM）等。

    圖1為PAM系列產品的分子結構。

    圖1為PAM系列產品的分子結構

    非離子型聚丙烯酰胺（NPAM）

    NPAM易溶于水，相對分子質量對水溶性影響不太明顯，但相對分子質量高的PAM質量分數超過10%時，在水中形成透明凝膠而失去流動性。在堿性介質中PAM易水解，產生部分羧基。

    陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）

    一般在PAM分子結構中導入羧基，獲得APAM。由于紙漿纖維呈負電性，因此，在使用APAM時要加入硫酸鋁等陽離子促進劑。APAM在Al3+的作用下與纖維上的負離子以配位鍵形式吸附在纖維上產生增強、助留等效果。

    陽離子型聚丙烯酰胺（CPAM）

    CPAM的陽離子可與纖維上的陰離子形成離子鍵，酰胺基與纖維上的羥基形成氫鍵，獲得增強、助留和助濾等效果。它比APAM有更加寬廣的pH適用范圍。

    兩性聚丙烯酰胺（AmPAM）

    AmPAM比CPAM更能有效地提高紙頁的強度、填料留著率和紙機的濾水，從而提高紙機車速，大大減輕白水處理負荷。當今造紙工業正從酸性抄紙向中性、堿性抄紙的轉變，AmPAM將成為今后開發的一大熱點。

    圖2為AmPAM的結構和與纖維的結合方式。

    圖2為AmPAM的結構和與纖維的結合方式

    PAM與淀粉、殼聚糖等天然高分子接枝共聚物也是近幾年開發研究的熱點，應用效果突出，專用性很強。

    PAM在造紙中的主要應用

    1、干增強劑

    PAM是優良的紙張增強劑。在日本，廢紙造紙比例相當高，PAM在再生紙中取得了廣泛應用。近年來，日本播磨化成、荒川和星光PMC等公司紛紛在我國建廠，推廣PAM在再生紙中的應用。尤其是我院的科技成果產業化基地——杭州杭化播磨造紙化學品有限公司通過引進日本播磨化成的技術，并消化、吸收、創新開發出PAM干強劑，其產品已在玖龍紙業、理文紙業和景興紙業等大中型紙廠取得應用，并取得了良好的效果。PAM還能提高紙張的濕紙頁強度和濕強度，通常的濕強劑有脲醛樹脂、三聚氰胺樹脂和PAE等。

    作為增強劑的PAM，相對分子質量通常為10萬-100萬。

    圖1介紹的各種PAM都可以用于紙和紙板的增強，其中：

    ①APAM

    APAM由于含有陰離子基團，可以通過Al3+等陽離子化學品與纖維形成配位鍵結合，達到增強效果。用量一般為1-4.5kg/t（紙漿）。APAM還可以與陽離子淀粉、聚酰胺多胺環氧氯丙烷（PAE）樹脂等配合應用，可以明顯降低添加成本，提高增強效果。

    ②CPAM

    CPAM由于本身帶有陽離子基團，可以直接與纖維形成配位鍵，一般不需要依賴于Al3+等陽離子化學品。用量一般為1-5kg/t（紙漿）。

    ③AmPAM

    AmPAM分子中既含有陽離子基團，又含有陰離子基團，能彌補APAM和CPAM的不足，調節體系中的電荷平衡，防止抄造系統的過電荷現象，其增強效果優于APAM和CPAM。

    ④淀粉接枝PAM

    改性淀粉是天然高分子，PAM是合成高分子。改性淀粉由于價廉物美而廣為造紙企業所使用，但其增強效果略遜于PAM。通過淀粉接枝PAM，不僅能降低添加成本，還能提高應用效果，近年來發展較快。PAM接枝陽離子淀粉或與乙二醛交聯后也可以作為濕強劑。

    2、助留、助濾劑

    PAM具有相對分子質量大、分子鏈上反應活性點多等特點，能與纖維、填料等快速結合，顯著提高助留、助濾等效果，改善網部紙漿的濾水性能和細小纖維及填料的留著率。當在紙漿中添加后，紙漿中的纖維及填料會很快產生絮聚現象，紙漿中的細小纖維和填料附著到較長纖維的表面上并形成體積較大的絮凝體，從而使紙漿易于脫水，同時提高細小纖維及填料的留著率。助留、助濾往往是同時產生的應用效果。

    ①CPAM一元助留體系

    高相對分子質量、低電荷密度的CPAM是造紙中常用的助留劑之一，由于其所帶電荷與纖維電荷相反，可以起到很好的絮凝作用�？梢岳�用CPAM對帶負電性的填料表面進行陽離子化，增加填料顆粒與紙漿纖維和細小纖維的吸附，從而提高填料的單程留著率，加快濾水，節約能耗，減少白水中的填料含量，提高紙頁的平滑度和不透明度。但單獨使用作助留劑時，容易產生勻度變差、強度下降等缺點。

    ②二元助留、助濾體系

    該體系能在提高助留、助濾性能的條件下，改善紙張勻度和強度。APAM需要先在造紙濕部體系中加入鋁鹽等陽離子助劑才能起到助留助濾作用。但該體系的缺點是僅適用于酸性造紙。APAM與陽離子淀粉的配套應用可以在中堿性條件下應用，并取得比二者分別單獨應用時更好的效果。

    ③AmPAM

    該產品同一分子中既含有陽離子基團又含有陰離子基團。陰、陽離子基團能在紙漿中產生協同效應，使系統電荷平衡，不僅能維持紙機系統良好的運轉性能，而且具有較好的助留、助濾效果。缺點是價格較貴，并要根據紙漿的實際情況調整陰、陽離子比例，開發專用性強的產品。

    ④其他助留助濾系列產品

    有資料表明：聚糖分子鏈中的每個葡萄糖單元中都有1個氨基，在酸性條件下都有很強的正電荷，與APAM的交聯物也具有兩性性能，具有優良的助留、助濾效果；聚氧乙烯接枝PAM助留體系、淀粉-聚丙烯酰胺接枝共聚物助留體系的效果都優于普通PAM，PAM與聚氧乙烯接枝共聚物作為助留劑，對紙頁成形勻度的影響小，低用量即可獲得高助留率。通過陽離子淀粉、硅溶膠或膨潤土等復配應用能起到比單獨應用更好的效果，其缺點是應用技術與工藝較為復雜。

    3、中性施膠配套助劑

    中性抄紙由于具有改善紙張性能、減少污水排放、減少能耗、減少增白劑用量、降低造紙成本和提高紙機運行性能等優點，深受造紙行業的重視和歡迎，被譽為“新型造紙技術”。我國自20世紀80年代中期以來中性抄紙已先后在銅版原紙、照相原紙、水松原紙乃至普通文化用紙等紙種上廣泛應用。我國造紙已由酸性邁向中性抄造時代。

    所謂中性抄紙技術，就是在中性或堿性條件下的造紙技術。

    所用的主要造紙濕部化學品有：

    ①中性施膠劑

    中性施膠劑包括AKD、ASA以及一些定著型（又稱陽離子型）施膠劑。中性施膠劑能完全取代傳統的松香-明礬酸性施膠體系，有效地提高紙張的抗水性。

    ②助留劑

    助留劑主要為PAM和特殊規格的陽離子淀粉組成的雙元助留系統。該系統能有效地將不太容易留著在纖維上的中性施膠劑留著到纖維上，并使其充分發揮施膠作用。

    ③增效劑

    增效劑如PPE樹脂等。

    ④碳酸鈣

    主要用重質碳酸鈣，不僅可以降低成本，還可以提高白度、平滑度等物理性能。

    ⑤增白劑

    國內大多釆用的增白劑為熒光增白劑。

    ⑥其他化學助劑

    其他化學助劑，如防腐劑、消泡劑等。

    常見的添加工藝如圖3所示。

    圖3常見的添加工藝

    增白劑為強陰離子型，需要靠近打漿機添加，添加量約為質量分數0.08%；填料一般采用重質碳酸鈣，添加量一般為質量分數20%；中性施膠專用變性淀粉HR系列（我院成果產業化基地——杭州紙友科技的產品）添加量一般為質量分數1.5%-2.5%；AKD用量一般為質量分數0.2%-0.3%（絕干）；PAM為陰離子型，相對分子質量約為500萬，添加量為HR用量的2%。對于不同的紙機條件、施膠要求和草漿含量較高的紙種，上述工藝還需進行適當的調整。

    4、纖維分散劑

    PAM可作為纖維分散劑，減少纖維絮凝，改進紙料成形，提高紙頁的均勻性和柔軟性。作為分散劑的PAM，其相對分子質量不低于700萬，水解度為20%-30%，其水溶液穩定性好，一般不受加熱和高剪切力的影響。白水可以循環使用。APAM相對于聚氧化乙烯（PEO）分散劑，加入量略多但價格便宜，特別適用于抄造生活用紙。相對分子質量為1800萬的APAM，適用于長纖維紙，用量為質量分數0.5%-0.2%（絕干漿），纖維分散效果明顯。

    5、廢水處理劑

    我國造紙工業廢水污染嚴重，排放的COD總量約占全國工業廢水COD排放總量的1/3，為了減輕造紙工業廢水污染，我國政府已下令關停了大批污染嚴重的中小型紙廠，尤其是小型的草漿廠大多已關停。另一方面廢紙造紙的比例逐年上升，目前己占紙漿比例的60%以上。

    由于PAM具有明顯的絮凝作用，在造紙廢水治理中取得了越來越廣泛的應用�；瘜W處理廢水的污泥脫水通常采用APAM和NPAM作為助濾劑；生化處理廢水的活性污泥采用CPAM和NPAM；AmPAM的適用范圍更廣。APAM一般以水解度20%為宜，PAM絮凝劑具有加入量少，沉淀速率快，絮凝效果好等優點。

    PAM在廢水處理中通常和無機絮凝劑混合使用，常用的陽離子高分子無機絮凝劑有：聚合氯化鋁、聚合硫酸鋁、聚合磷酸鐵、聚合硫酸鐵和聚合氯化鐵等；陰離子型有活化硅酸、聚合硅酸等；無機復合型的有聚合氯化鋁鐵、聚硅酸硫酸鐵、聚合硅酸氯化鐵、聚合硅酸鋁鐵和聚合磷酸鋁鐵等。PAM與無機絮凝劑復配應用，不僅能降低水處理成本，還提高了處理效果。如：CPAM和AmPAM與無機絮凝劑復配處理廢紙脫墨廢水，CPAM電荷密度（30%-35%）相對分子質量不是很高，AmPAM相對分子質量約為1000萬，當有機絮凝劑的用量為0.75mg/，無機絮凝劑的用量為100mg/L時，具有較好的應用效果。當超相對分子質量叔胺型CPAM和APAM與無機絮凝劑聚合氯化鋁復配處理箱板紙生產的廢水時，具有較理想的處理效果，APAM絮凝劑和聚合氯化鋁的用量不變時，CODcr去除率和濁度去除率隨著CPAM相對分子質量的增加而增加。相對分子質量2900萬的CPAM在用量為0.5mg/L和聚合氯化鋁用量為100mg/L時處理效果較理想。CPAM和PAE復合可取得高效復合凈水劑。

    6、表面施膠劑

    APAM也可用作表面施膠，主要用來取代部分淀粉以減少淀粉產生的生化耗氧量。APAM作為表面施膠時，用量不高于1%質量分數，紙頁中要求含有硫酸鋁，也可以在膠液中加入一些硫酸鋁。APAM具有良好的成膜性能，能提高紙張的表面強度，從而賦予紙頁對印刷油墨的持著能力。

    造紙工業的飛速發展，需要我們不斷地加快造紙用PAM系列產品的開發，不斷提高產品的質量，加強應用技術及機理的研究，努力增強國際競爭力，縮短與發達國家的差距，以適應我國造紙行業的發展需要。