高效聚合氯化铝及其在造纸中的应用

所属栏目:聚合氯化铝行业知识   发布时间:2021-05-04   浏览次数:  次   文章来源:https://www.pac315.com

  介绍了高效聚合氯化铝的一般性能及其在消除造纸机湿部阴离子杂质、中性松香施胶和树脂控制中的应用。
 
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  硫酸铝在酸性造纸中作为一种重要的廉价阳离子给体已被使用多年,因为它能在酸性水溶液中水解形成聚阳离子铝化合物。但随着造纸向碱性体系的转化,中性或碱性条件下造纸水解加剧,正电荷性质逐渐丧失,因此硫酸铝逐渐被其他阳离子聚合物取代。其中,预水解阳离子无机聚合物聚合氯化铝由于在中性至碱性PH范围内仍保持较高的正电性,成功实现了取代硫酸铝的中性松香施胶,越来越受到造纸行业的重视。在碱性造纸系统甚至酸性造纸系统的很多场合都可以用来代替硫酸铝,效果更为显著。介绍了聚合氯化铝的特性及其在造纸中的应用。
 
  一、聚合氯化铝的性能
 
  聚合氯化铝(PAC)是一种阳离子无机聚合物,在水溶液中形成亚稳态聚合物。这种聚合物可视为预水解物质,因此在水溶液中比普通单体水解更慢。分子式可以表示为:Aln(OH)mCl3n-m。m是聚合物中被OH-取代的Cl-的数量,其大小取决于被OH-取代的Cl-的中和度。n是这种无机聚合物的聚合度,受多种因素影响,尤其是OH-。因此,PAC经常用碱度来表示其特性:
 
  碱度(%)=[OH-]/3[Al3+]×100=m/3n×100%
 
  这种多种物质的电荷可通过以下公式计算:
 
  Aln(OH)m3n-m
 
  显然,PAC不是简单的结构性物质,而是一种物质。其性能取决于制备方法和碱度,即聚合物的最终聚集形态,因此不同的PAC产品性能差异很大。由于分析的局限性,对这类聚合铝材料的骨料形式没有统一的认识。但是随着Al27核磁共振波谱的应用,已经很清楚了。有相当多的直接和间接的分析和测试结果证明了二聚体和A13成核物质的存在,但现有的铝物质还不能全部检测出来。
 
  二聚体是聚合铝的简单形式,两个铝离子通过两个配位八面体的共享羟基连接在一起。两个共有的羟基取代了4个水分子,即二聚体的表达为:Al2(OH)2(H2O)84+。
 
  A13成核材料由Johansson提出,12个八面体配位铝离子形成笼状结构,共享羟基形成共同边缘。笼状结构的中心是一个四面体配位的铝离子,其表达式为:AlO4Al12(OH)24(H2O)127+。
 
  从这些结构式可以看出,高效聚合氯化铝是以莱文电荷的形式存在的,这种莱文电荷的铝聚合物加入水中,即使是二聚体,也可以形成。其电荷指数为4,比Al3单体高10倍。此外,聚合物水解缓慢,并在宽的酸碱度范围内保持高电负性。但在水溶液中加入硫酸铝时,只形成少量这种成核铝物质,其电负性随PH值升高至中性范围而急剧下降,在中性至碱性PH范围内达到等电点。
 
  二、聚合氯化铝在造纸过程中的应用
 
  聚合氯化铝(PAC)因其莱文电性和在较宽PH范围内的莱文电性,已日益取代硫酸铝,进入制浆造纸过程的各个环节。
 
  比如在纸浆漂白中用硫酸铝代替硫酸铝对纸浆进行预处理,可以提高漂白度,PAC可以使连二亚硫酸钠在较好的pH下漂白,用PAC作为阴离子垃圾捕捉剂(ATC)对纸浆进行预处理,可以大大提高纸张的留着率。甚至PAC本身也可以作为低分子量阳离子聚合物,给贴片细纤维充电。在碱性造纸体系中也能与阳离子淀粉形成“水溶胶”效应。中性松香施胶可以用聚合氯化铝作沉淀剂来实现。用PAC代替硫酸铝控制造纸机网部树脂,树脂控制效果更好。PAC还可以在湿强度纸生产中有效地混合湿强度树脂。如环氧氯丙烷树脂和三聚氰胺甲醛树脂,有效地保留在纤维上,从而增加纸张的湿强度。目前,聚合氯化铝作为阴离子杂质清除剂(ATC)、中性松香施胶沉淀剂和树脂屏障抑制剂在造纸中得到广泛应用。
 
  1.聚合氯化铝用作阴离子杂质捕集剂
 
  在酸性造纸体系中,由于使用了大量的硫酸铝,很少出现阴离子杂质的问题,因为硫酸铝本身就是酸性体系中很好的ATC。然而,随着向碱性造纸系统的转化,高得率浆和涂布碎纸的应用,以及白水封闭度的提高,阴离子杂质问题变得突出。它会消耗大量阳离子聚合物,甚至使阳离子助剂完全失效,并可能引起一系列造纸机操作问题和纸张质量问题。为了防止这些问题,在造纸机湿部制浆的前期,往往会加入阴离子杂质捕集剂,提前中和阴离子杂质。适量的ATC可与阴离子杂质形成1: 1结构致密、体积小的“辛普利”。这种配对可以沉积在纤维上,可以削弱纤维上的剪切力,使阴离子杂质保留在纤维中,从体系中去除。这些ATC一般都是低分子量、低莱文电荷密度的阳离子聚电解质,其中比较有效的ATC就是聚合氯化铝。实验结果表明,使用聚合氯化铝作为助留剂后,纸张中细纤维的留着率远高于仅使用助留剂时,中和后的阴离子杂质负电荷在细纤维负电荷之前被中和,表明聚合氯化铝对阴离子中和具有很强的选择性。这样可以中和阴离子杂质,为细纤维留下适量的负电荷,吸附阳离子聚合物。
 
  当PAC用作ATC时,其加入量可由阳离子杂质的阳离子电荷要求决定。更直接的方法是在加入点过滤浆液,取一定量的滤液直接在颗粒电荷分析仪上用PAC进行电位滴定,得到所需的PAC量。中和80%阴离子杂质所需的高效聚合氯化铝的量在生产中是合适的。
 
  2.聚合氯化铝用作中性松香施胶沉淀剂
 
  松香是一种两性分子物质。松香需要在纸张中适当定向,以在施胶中发挥作用。在酸性施胶中,即当pH为PH5.0-5.5时,硫酸铝在水溶液中水解形成成核铝材料。这些带莱文电荷的多核铝材料容易吸附在纤维素纤维上,并有助于将松香定向为更疏水的状态。因此,硫酸铝是酸性造纸体系中松香施胶的理想沉淀剂。但当PH值增大时,如在中性PH值范围内,成核铝物质逐渐消失,代之以低正电荷的Al(OH)3形成。硫酸铝的辅助施胶效果迅速下降。此时,硫酸铝不再适合作为松香施胶的沉淀剂。
 
  如前所述,聚合氯化铝可以视为预水解产物,通过生产过程可以控制施胶用的主要多核铝物质。比如需要使PAC产品的碱度达到30%-50%,而PAC直到中性或碱性PH范围内仍具有较高的正电荷,因此PAC是一种非常适合中性松香施胶的铝源。
 
  目前,高效聚合氯化铝中性松香施胶技术在欧洲已经使用了十多年。它使松香施胶(分散松香胶要改性,尽可能防止中性PH值电离)在PH值高达7.5时进行,但施胶的PH值通常控制在7.0左右,国内也有研究。因此,在使用聚合氯化铝中性松香施胶工艺方面积累了许多经验:
 
  (1)混合箱中应同时加入PAC和分散松香胶,浓浆中应依次同时加入PAC和施胶剂,在有纤维存在的情况下,能立即形成细小的分散铝/松香颗粒,从而大大降低了浆料中其他阴离子或阳离子物质的干扰。如果使用阴离子杂质含量高的纸浆,可以在制浆前期加入少量的PAC对纸浆进行预处理。
 
  (2)混合箱后的管道中加入阳离子淀粉。虽然加入阳离子淀粉的主要目的是增加纤维间的结合力,但也会增加浆料的留着率(PAC对阳离子聚合物的依赖程度大于硫酸铝,减少阳离子聚合物的用量会造成浆料的明显损耗)。淀粉的保护胶体性质也有利于胶体颗粒随着浆料的前进而缓慢生长,有助于提高上浆效率。因此,有必要选择添加淀粉的地方,使其与胶料有足够的接触时间,而不干扰胶体颗粒的形成。
 
  (3)碳酸钙填料在施胶泵处添加,以便更大程度地减少钙离子或碱度对施胶的任何不利影响。由于碳酸钙的碱性和PH值的缓冲作用,建议在白水锅中加入硫酸,将PH值控制在7.0-7.5。
 
  (4)有必要监测系统中的阴离子杂质。因为PAC是一种强阴离子中和物质,它能优先与体系中的阴离子杂质反应,干扰施胶。
 
  聚合氯化铝用于中性松香施胶,高效聚合氯化铝与松香的配比可以借鉴明矾的经验。例如,磨木浆的施胶实验表明,1.8%聚合氯化铝在添加1%松香时达到了较高的施胶度。由于其较高的施胶效率,可以减少施胶材料的用量。
 
  3.聚合氯化铝用作湿部树脂阻隔抑制剂
 
  使用涂布碎纸、磨木浆和亚硫酸盐浆作为配料的造纸机,如果系统维护不好,很容易在造纸机表面和压辊上产生树脂沉积,堵塞压榨毛毯,使纸张粘起来或起毛,影响纸张的平滑度,甚至被迫停机。因此,有必要采取措施控制树脂屏障的发生。
 
  控制树脂屏障的方法有很多,但随着造纸机白水系统密封程度的提高,首选的方法是用阳离子物质中和树脂,使树脂沉积在纤维上,随纤维留在纸内。传统上使用硫酸铝作为电荷中和剂,但硫酸铝的正电性相对较差,水解产物较少。体系中过量的铝离子会引起过量的铝离子,不能强烈改变体系的电荷性质。因此,高效聚合氯化铝或其他低分子量莱文电荷有机聚合物通常用于控制树脂屏障。
 
  电荷中和控制树脂屏障的原理与ATC消除阴离子杂质的原理相同。与其他有机阳离子聚合物相比,聚合氯化铝对有机阴离子可溶性物质或胶体物质的选择性更强,因此也是一种优秀的树脂屏障抑制剂。现在越来越多的纸厂用PAC代替硫酸铝来控制树脂阻隔,发现PAC比硫酸铝:(1)更能有效地将树脂固定在纤维上;(2)在较好的添加量下,可以将较大量的树脂固定在纤维上;(3)固定树脂的可用酸碱度范围比硫酸铝宽。因此,聚合氯化铝可以在酸性到碱性的造纸条件下使用,并且可以用较低的添加量很好地控制树脂屏障的产生。
 
  三.结论
 
  聚合氯化铝是一种复杂的无机聚合物,具有相同的碱度。由于生产方式的不同,其性能也有很大差异,因此有必要测量聚合氯化铝产品的聚合度。但是目前还没有一种简单易行的测定方法,这在很大程度上阻碍了对PAC性能的正确认识和对PAC产品的合理选择。国外正在研究的特定氟离子电极技术有望成为评价不同高效聚合氯化铝产品聚合度的简便快捷的技术。相信随着SFIE技术的成功发展,对造纸工人来说,合理选择不同的PAC产品将会更加有利。
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