纸张强与增强剂PPT课件

1、 纸页的强度指纸页承受各种机械力时的抵抗力，一般包括抗张强度、撕裂强度、耐折强度、抗弯强度、耐破强度、表面强度、内部结合强度和压缩强度等。 强度是纸张的一种结构性质，主要取决于纸页中纤维的结合情况和纤维本身的性质，生产中除通过调整纤维配比、利用打浆使纤维细纤维化和通过表面施胶剂的成膜性改善纸张强度性质之外，还可通过向纸料中添加增强剂来改善纸张的强度性质。 纸张增强剂分为干增强剂和湿增强剂。第1页/共40页第一节 干增强剂 一、干增强剂的分类及主要品种 1、分类 天然聚合物：淀粉及其改性物、壳聚糖及其改性物、植物胶等； 合成聚合物：聚丙烯酰胺、乙二醛聚丙烯酰胺等 2、主要品种 淀粉衍生物（约占9

2、5）；植物胶（聚甘露糖半乳糖，约占2）；合成干强剂（约占2）；其他增干强剂。第2页/共40页 二、干增强剂的作用机理 一种机理认为纤维间的结合力是影响纸页强度的最重要因素，纤维间的结合力很多，但主要是氢键结合力。 第二种机理认为干增强剂也是纤维的高效分散剂，能使纸浆中的纤维分布更均匀，可以改善纸页成形，提供更加均匀的纤维之间的结合，使纤维间及纤维与高分子之间结合点增加，从而提高干强度。 第三种机理一般认为不十分重要，主要是干增强剂能够提高细小纤维留着和纸页滤水，从而改善湿纸页的固结。 上述几种机理相互关联，其中第一种机理尤其是氢键结合力的增加，是干增强剂使纸张强度增加的主要原因。第3页/共40

3、页 三、淀粉类干增强剂 阳离子淀粉 阴离子淀粉 两性淀粉 多元变性淀粉 接枝共聚淀粉第4页/共40页 1、阳离子淀粉 淀粉与胺等化合物反应生成含有胺基和铵基的醚衍生物，该生成物带正电荷，称为阳离子淀粉。 优点：对带负电性的纤维、填料等吸附作用很强且不可逆，能明显提高抄纸时细小纤维和填料留着率，增加纸页的干、湿强度；阳离子淀粉的糊液在冷水中具有润胀能力，具备进一步加工生成新的变性淀粉的条件；阳离子淀粉的糊化温度随取代度升高而降低，不易出现分层现象。第5页/共40页 衡量阳离子淀粉变性程度的主要指标为取代度（DS），造纸工业中所用的阳离子淀粉的取代度一般为0.010.07，即每100个脱水葡萄糖单

4、元含有17个阳离子基。实际使用时，如以提高强度为主要目的，可选择取代度较低的产品；如果是以助留助滤为主要目的，应选择取代度较高的阳离子淀粉；如果要兼顾增强和助留助滤作用，应选择取代度中等的阳离子淀粉。对于填料用量少或不加填的纸张，一般使用较高取代度的阳离子淀粉，并且用量较少。 在选择阳离子淀粉品种时，除考虑取代度外，必须考虑使用工艺，调整加入量和加入地点，且要和其他化学品有良好的相溶性，否则会影响其使用效果，甚至产生副作用。第6页/共40页 阳离子淀粉应用注意事项： 浓度 为了保证淀粉能与纤维充分均匀的作用，均匀混合是前提，阳离子淀粉糊的浓度应低一点，以防止因不均匀的局部吸附而产生局部过度絮凝

5、作用，影响纸张的匀度和强度。实际使用时，阳离子淀粉糊的浓度一般不高于1，对高取代度阳离子淀粉，因其电荷密度较大，吸附作用较强，最好稀释到0.5%左右。 用量 阳离子淀粉的用量一般为0.2%2.5%，主要取决于浆料品种、应用条件、使用目的等。以助留助滤为主要目的时，添加量可适当少些，而作为增强剂时用量可适当大些。高取代度产品用量少些，低取代度产品用量大些，草浆用量比木浆用量高。第7页/共40页 加入地点和顺序 阳离子淀粉的加入位置与使用目的和使用效果有着密切的关系。当用量一定时，增加淀粉和纸浆的接触时间，提高搅拌速度有利于提高纸张的干强度；反之，减少接触时间，降低搅拌速度则有利于助留。因此，要获

6、得较好的增强效果，阳离子淀粉糊可在成浆池或调浆箱处加入。而要取得较好的助留助滤效果，则添加位置应尽可能接近网前箱。如果需要同时得到比较好的增强和助留效果，可选择在不同部位同时加入。总之，为了取得满意的使用效果，在实际应用时可根据纸厂的设备条件和湿部条件而定。 硫酸铝的影响 在酸性造纸条件下，要加硫酸铝调节浆料pH值，硫酸铝的加入量和加入顺序对阳离子淀粉的使用效果影响很大。由于铝离子带有强正电荷，若先于淀粉加入，它可能先被纤维和填料吸附，就会妨碍阳离子淀粉对其吸附作用，导致淀粉留着率下降，增强效果降低。因此，硫酸铝应在阳离子淀粉加入后再添加。第8页/共40页 糊化 将阳离子淀粉配成1左右的水溶液

7、，加热到糊化温度使分子链与水发生溶剂化作用，形成均一水合的胶质溶液，与浆料搅拌均匀后，加入其他助剂再进行抄片。 与阴离子助剂的配伍 阳离子淀粉对应阴离子助剂具有良好的留着效果，但避免其与强阴离子性的助剂直接接触。一般情况下，阳离子淀粉和阴离子助剂应拉开添加的距离和时间。第9页/共40页 2、阴离子淀粉 阴离子淀粉是淀粉分子上的活性羟基被磷酸及其盐类等酯化或被氧化呈羧基，使淀粉衍生物在水中离解带负电荷。阴离子淀粉包括磷酸酯淀粉、带羧基及磺酸基的淀粉、黄原酸酯淀粉及既带羧基又带羰基的氧化淀粉等。 在正确的使用条件下，阴离子淀粉能被纸料完全的留着，因而提高细小纤维、填料和胶料的留着率，改善滤水性，提

8、高纤维结合强度。但是由于抄纸系统正在由酸性转变为中性和碱性，因而阴离子淀粉在湿部的应用减少。第10页/共40页 磷酸酯淀粉 作为造纸湿部添加剂，它可以改善浆料的助留助滤效果，提高纸张的耐折度、拉毛强度、裂断长、挺度和平滑度等。在不加填的纸张中，加入磷酸酯淀粉是为了提高细小纤维的留着率及纸张物理强度，加入顺序为 胶 , 磷酸酯淀粉糊 , 硫酸铝。 在加填的纸张中，加入磷酸酯淀粉是为了提高填料留着率及纸张物理强度，加入顺序为胶 , 硫酸铝, 磷酸酯淀粉糊与填料的混合浆。两种情况下加入地点是一样的，间歇添加时的加入点为配料池，而连续添加的加入点为打浆池或网前箱。第11页/共40页 磷酸酯淀粉的作用原

9、理： 磷酸酯淀粉带阴离子电荷，而纸浆中的纤维和填料也带负电荷，但由于酸性造纸体系中有硫酸铝存在，硫酸铝的铝离子带正电荷，能起到架桥作用，湿纤维、填料与磷酸酯淀粉依靠静电引力相互吸引，起到增强和助留助滤作用。因此，磷酸酯淀粉在无铝离子或其他强正电荷物质存在的造纸体系中不能用作湿部添加剂。一般情况下，纸浆中必须至少有1的硫酸铝存在。第12页/共40页 3. 造纸湿部影响淀粉使用效率的因素 作为增强剂使用的湿部淀粉其目的在与增加纸张的干强度，因此成纸强度的测定结果，是表示淀粉的使用效果最重要的参数之一。 淀粉可明显提高纸页的Z向强度；增加纸板和瓦楞纸的耐破度和环压强度；增加纤维和细小纤维的结合强度，

10、改善纸张印刷时的易掉毛掉粉现象，提高印刷适性。 可以通过测定结合到纸张中淀粉的量表征淀粉的使用效率，分光光度计测定；也可通过测定淀粉的留着率衡量其使用效率。第13页/共40页 3.1 淀粉本身的影响 为更好的发挥淀粉与纤维的结合作用，在加入纸料之前必须使淀粉转变为在冷水中可溶或可分散的状态，必须现对淀粉进行糊化。 变性淀粉的电荷密度直接影响其使用效率，阳离子淀粉取代度通常在0.020.05，具体可根据湿部条件来选择。受添加量、纸料组成、阴离子干扰物等影响。 选择合适的淀粉及加入量，应首先在实验室进行实验，测定它的留着率、离子性和Zeta的影响，纸料的离子电荷和Zeta电位应该接近零并偏向负的一

11、侧。第14页/共40页 3.2 纸料与填料的影响 使用淀粉，必须考虑体系的离子性。纤维表面带负电荷，因此大多数加入湿部的化学品都是阳离子或两性的。只要纸料保持阴离子性，化学品就能保持良好的留着。若阳离子助剂用量过高，会造成阳离子化，导致化学品的消耗会增加且易出现操作和纸机的运行障碍。 通过调整助剂加入量，控制体系Zeta电位接近零或偏向负一侧。实验证明， Zeta电位一旦变为正值，淀粉留着率立即开始下降， 填料是阴离子性的，可以吸附阳离子淀粉，提高填料的留着率，但也有一部分淀粉会随填料流入白水中。 体系pH值影响淀粉的使用效果。pH值升高，纤维负电荷增加（羧基电离增加），阳离子淀粉易结合到纤维

12、上。因此中性或碱性抄纸，有助于提高阳淀粉的留着。第15页/共40页四、合成类干增强剂 1、聚丙烯酰胺类增强剂 一般来说，高分子量的PAM（几百万至上千万）用作助留助滤剂或废水处理的絮凝剂；低分子量的PAM（10万100万）用作增干强剂，最佳范围为2050万。分子量太小，极易进入纤维细孔，达不到纸张增强剂的效果；而分子量太大则絮聚作用大，导致纸的组织不匀，纸的增强效果也不好。 根据电性的不同，PAM可分为非离子型、阴离子型（APAM）、阳离子型(CPAM)和两性型。第16页/共40页 1.1非离子聚丙烯酰胺 非离子聚丙烯酰胺易溶于水，相对分子质量对水溶性影响不太明显，但相对分子质量高的聚丙烯酰胺

13、浓度超过10时，在水中形成透明凝胶而失去流动性，只有稀释才能重新流动。提高温度可促使PAM的溶解，但温度高于60时易发生降解。为了获得良好的水分散性，可先在聚丙烯酰胺粉末中加入一些乙醇，然后再加水溶解。在碱性介质中，聚丙烯酰胺易水解，产生部分羧基。 第17页/共40页 1.2 阴离子型聚丙烯酰胺（APAM） 阴离子聚丙烯酰胺是向聚丙烯酰胺分子结构中导入羧基。由于纸浆纤维呈负电性，因此须在使用APAM时加入阳离子促进剂，代表性的物质是硫酸铝。APAM在铝离子的作用下与纤维上的负离子以配位键形式吸附在纤维上产生增强效果。结果同时带来操作上的麻烦，特别是无法实现中性造纸技术。国外造纸生产中，APAM

14、的应用比例由20世纪90年代的60下降到30，相反，阳离子型聚丙烯酰胺却由同期的20跃升到50以上。第18页/共40页 1.3 阳离子聚丙烯酰胺（CPAM） CAPM与APAM不同，它在整个pH值范围内是完全电离的，可直接吸附在纸浆纤维上，通过阳离子与纤维上的阳离子形成离子键，酰胺基与纤维上的羟基形成氢键，获得增强效果。它比APAM有更加宽广的pH值使用范围。第19页/共40页 阳离子PAM使用中的不足： 在盐含量高的系统中，阳离子助剂的使用效果受到很大影响，有时甚至不起作用； 由于纸机白水封闭循环，盐含量积累很快，阳离子助剂的效果受到很大影响。为了提高纸页强度过度增加阳离子助剂的用量，会造成

15、过阳离子体系，导致纸机操作困难，留着率下降，效果反而降低； 酸性抄纸中，由于硫酸铝用量较高也影响其使用效果； 纸浆本身尤其是脱墨浆带有的以及在配料中带入的某些阴离子杂质，也会不同程度的影响阳离子助剂的应用。第20页/共40页 1.4 两性聚丙烯酰胺 两性助剂的阴离子基团有助于清除体系中干扰助剂对纤维吸附的阳离子。 两性助剂的阴离子基团能对阳离子基团起保护作用，电性排斥在体系中存在的高活性干扰物阴离子，从而使助剂中的阳离子基团不会过早的发生反应或被中和。 纤维通常带负电荷，因而易于吸附阳离子助剂，但也易于吸附其他带正电的物质，这样就削弱了对阳离子助剂的吸附，而两性助剂中的阴离子基团能优先吸附体系

16、中的阳离子。 两性助剂电荷基本平衡，而未被留着的助剂随白水排出再循环使用时，不会失去电荷平衡，两性助剂可使体系得到控制。 在中性或碱性抄纸中，体系易出现过阳离子化，造成湿部失控，两性助剂可使体系得到控制。第21页/共40页 从两性助剂独特的作用机理可以看出两性助剂比阳离子助剂更能有效的提高纸页的强度、填料留着率和纸机的滤水，从而提高纸机车速，大大减轻白水处理负荷。当今从酸性抄纸向中性、碱性抄纸的转变，使开发性能良好的两性助剂将成为今后助剂开发的一大热点。 两性聚丙烯酰胺的分子结构中，既有阳离子基团，又有阴离子基团，其增强作用和助留助滤作用优于单独使用阳离子型高分子助剂，更优于阴离子型的高分子助

17、剂。第22页/共40页 1.5 阴阳离子复合体增强剂 阴阳离子复合体增强剂配方是阴离子型纸张增强剂和阳离子型纸张增强剂稀释混合，形成高分子量的离子复合体，再添加到纸浆中的配方。 抄纸用水的封闭、废纸利用率的增大、硫酸根离子等无机离子及有机阴离子干扰物的增加等使纸张增强剂的留着受到阻碍。通过混合配方使纸张增强剂超高分子化，留着性提高。使用混合配方较之两种纸张增强剂先后添加，不仅可得到更好的增强效果，而且纸料滤水性、留着性等都得到显著改善。尤其是在添加纸张增强剂之前加入硫酸铝能同时提高纸料滤水性能、留着性能和成纸层间强度。第23页/共40页 2、壳聚糖类干增强剂 壳聚糖是甲壳素脱去乙酰基形成的衍生

18、物，是一种生物大分子，化学结构与纤维素非常相似。壳聚糖具有优良的成膜性且分子链上存在着丰富的氨基和羟基，可与纸浆纤维分子上存在的羟基、羧基等结合成为氢键和离子键，增强纸张的强度，同时它还具有无毒、不产生二次污染、生物降解性好等特点，因此在造纸行业中的应用有着广泛的前景。但是，壳聚糖存在分子量小，架桥能力差，特别是成本高的缺点，对其进行改性以获得更好的增强效果是十分必要的。第24页/共40页 3、水溶性植物胶类干增强剂 水溶性植物胶如槐豆胶、瓜儿（guar）胶等开始是作为干强剂用于造纸工业。瓜儿胶是最常用的植物胶。它们的化学结构类似于纤维素，能够与纤维产生更多的氢键结合，但其本身是非离子性的，难

19、以被纤维留着，因此用作增强剂的产品多为主链上带阳离子基团的改性物，这使得它们与纤维间引力增强，最终提高了聚合物的留着率。一般加入0.10.35%的这一类胶，可得到高的助留和增干的双重效果。 虽然用于改善纸的干强度所需的瓜儿胶或槐豆胶的量比淀粉的用量低，但较高的成本和有限的供应限制了它们在造纸工业中的应用。同时植物胶改性比淀粉难，因此植物胶在改善纸的干强度方面的应用近年来不断下降。第25页/共40页 五、造纸增强剂使用效果的评价方法 造纸增强剂的使用效果主要通过测定使用增强剂的纸样强度及其他一些性能来评价。 纸样强度指标主要包括抗张强度或裂断长、撕裂度或撕裂指数、耐破度或耐破指数以及Z向强度、环

20、压强度、拉毛强度等。国外也有研究通过测定纤维断裂韧度的变化、相对结合面积的增减、杨氏模量和反射量等来表征增强剂对纸张强度的作用效果。 表面涂饰增强剂主要通过测定表面涂饰前后纸张的表面强度如拉毛强度、IGT强度等来表征。第26页/共40页第二节 湿增强剂 1、湿强度和湿强纸 湿强度 成品纸被水浸透饱和后，一般会丧失绝大部分强度，余下的强度称为湿强度。通常把纸的湿强度表示为湿干强度比，用百分比表示，这里的强度通常指抗张强度。一般非湿强纸被水饱和后，只能保持其干强度的210左右，加入湿增强剂后，纸张的湿强度可达到原纸干强度的2040，甚至超过50。 湿强纸 一般把能使纸张用水充分润湿后仍能保持原纸干

21、强度15以上的增强剂称为湿增强剂，简称湿强剂，如果纸张的湿强度在其干强度的15以上就称该纸为湿强纸。 湿强纸通常以湿强持续的时间来区分，非湿强纸被水饱和后几秒钟内将失去其强度。有些湿强纸仅仅是增加了强度丧失的时间，该种纸一般被称作暂时湿强纸，而有些湿强剂则能产生持久湿强度。第27页/共40页 2、湿强产生的机理 湿强剂增进纸页湿强的机理主要有两种： 保护机理 该机理认为湿强剂本身的基团相互反应，由此产生的化学交联会在纤维周围产生一个交错的链状网络结构，这种化学交联键难以被水解，从而阻止了纸张中半纤维素的吸水膨胀，减少了纸张在润湿条件下的强度下降。化学交联在纤维周围筑起了保护网，阻止了纤维的润胀

22、和吸水，以保持现有的纤维间的氢键结合，保持纸张的湿强度。这种机理被认为是自交联或均交联机理。 增强机理 该机理认为加入的湿强剂与纤维素间形成了化学键（共价键或离子键），同时使其内部存在的氢键增强。湿强剂分子中的高活性反应基团与纤维素羟基之间形成的共价键，不会由于纸张的浸湿而发生断裂。而具有阳离子电荷的聚合物湿强剂，可与纤维素表面的阴离子形成离子键，这些键在数量和强度方面都足以阻止纤维与水的作用，从而产生了湿强度。这种机理也被称为加固、新键或共交联机理。第28页/共40页 许多湿强剂往往是两种或几种机理同时作用。 在纸的抄造过程中加入湿强剂后，湿强剂吸附在纤维上，既有吸附了湿强剂的纤维间的物理缠

23、结，又有湿强剂分子经干燥后发生互相反应而形成的自身分子间或与纤维间的化学键合。当纸页再度润湿时，由于物理的交织作用和湿强剂干燥后的难溶性、不润胀的硬化作用，使湿强剂定着在纤维之间，阻止水分子渗入纤维孔隙中，避免纤维因吸水润胀而破坏纤维结合，从而产生了湿强度。第29页/共40页 3、常用的湿增强剂 湿强剂所具备的四个特征： 必须是高聚物，并有一定的力学强度来保护纤维间结合不受润胀和损坏； 必须是阳离子型的，可吸附在带负电荷的纤维上，并达到快速完全的留着； 必须是水溶性的或水分散型的，以保证在浆料中分布均匀； 必须能形成化学网络结构，反应为热固型，使纸张对水的润胀有一定的抵抗力。第30页/共40页

24、 3.1 脲醛树脂（UF） 改性的脲醛树脂，即在普通脲醛树脂的分子链间引入能够电离的化学基团使其改性为阳离子型或阴离子型。 UF应用注意事项： 加入前要过滤和稀释成大约1的溶液；网前箱的pH值一定要在4.04.5之间，同时抄纸的pH值也应在此范围； 其加入量为0.53%（对绝干浆料）；一般加在冲浆泵位置； 当用松香施胶剂时，一定要是硫酸铝、松香先完成反应，以避免阳离子脲醛树脂与松香反应产生泡沫状的复杂沉淀物； 脲醛树脂湿强纸在纸机上一般不能达到完全固化，所以必须有一个经过加快固化（515min，140）的过程。第31页/共40页 3.2 三聚氰胺甲醛树脂（MF） 三聚氰胺甲醛树脂是在脲醛树脂的

25、基础上发展起来的，它可直接加入浆内，经加热干燥后这种便可获得良好的湿强度。后来又推出了阳离子改性的MF树脂。采用MF树脂作为湿强剂以后，不但处理过程简单化，而且获得的湿强度可高达50。在提高湿强度的同时，还能使纸张的裂断长、耐破度和耐折度等干强度指标和施胶度得到相应的提高。 MF树脂通常以干粉或制备好直接可用的酸性溶液形式应用。干粉使用前必须在稀酸中溶解并在特殊条件下熟化。酸性条件下MF树脂带有强阳电荷。MF树脂一般在pH值为4.5以上时使用，加入量为15（绝干浆量）。当用量为2时，相对湿强度能达到20。MF树脂应尽可能靠近网前箱加入，既保证有足够的时间使其均匀分布和吸附，又要避免经受磨浆等高

26、剪切处理过程。与UF类似，使用时应避免受施胶剂的影响。第32页/共40页 3.3 聚酰胺多胺环氧氯丙烷树脂（PAE） UF树脂与MF树脂是适用于酸性造纸的湿强剂，而PAE树脂就是适用于中性造纸和碱性造纸的湿强剂。由于PAE树脂与强阴离子聚合物不能相容，因此其在纸机上的加入点要远离阴离子聚合物的添加点。PAE树脂在纸机上不能完全固化，为达到较高的湿强度，通常对纸样进行固化处理（80，30min）。第33页/共40页 影响PAE树脂效率的因素如下： 浆种 PAE树脂对木浆的增湿强效果好于草浆和棉浆。 打浆度 随着打浆度的提高，纤维比表面积增加，纤维对PAE树脂的吸附能力增大使其在浆料中的留着率得以提高，因此在一定打浆度范围内（2060SR），干、湿强度均随打浆度升高而升高。 pH值 pH值对纤维的功能基团（如羧基）的电离状态及加入的PAE树脂的正电荷密度影响较大。pH值在68时，PAE效果最佳，适合中性、微碱性抄纸。pH值在48内，随pH值的升高，PAE湿强效果提高。第34页/共40页 加入量 在0.251%范围内，随着加入量的增加，湿强度提高，超过了这个范围湿强增加量大大减小，这与Zeta电位有关。理论上PAE树脂的加入量使浆料系统的Zeta电位为零时的值为最佳加入量。 细小纤维留着率 细小纤维的一次留着率是影响PAE树脂效果的关键因素，这