该文研究了阳离子聚丙烯酰胺的分子特征对助留过程的影响.研究了3种助留过程:直接,间接和无剪切助留.研究发现:阳离子聚丙烯酰胺的助留和扩散特性取决于聚丙烯酰胺的相对分子质量和电荷密度,当聚丙烯酰胺的用量足以扭转纤维的表面电荷,其助留性能会由于纤维的电荷稳定性而出现一定的下降,聚合物的助留效果随时间的变化趋势由聚合物的分子特征而定,对于有类似相对分子质量,而电荷密度不同的聚合物,随着时间的延长,高电荷密度对聚合物的助留效果影响更大,相对而言,对于有类似电荷密度,不同相对分子质量的聚合物,相对分子质量比作用时间对助留效果的影响更大. 本文通过研究纸机湿部的3种留着过程(直接,间接和无剪切助留),验证了阳离子聚丙烯酰胺的分子特征在不同用量和不同作用时间下对留着过程的影响. 1·实验 1.1原料 1.1.1浆料 热磨机械浆,由一家制浆造纸厂提供.在漂白前的第2个精磨阶段进行取样.游离度测试仪测得纸浆的游离度约为320 CSF.在使用前,疏解机在50ºC下疏解5 min,然后用去离子水调浆浓到1%. 1.1.2助留剂 本研究使用的聚合高分子助留剂是具有不同相对分子质量和电荷密度的线型阳离子聚丙烯酰胺.表1列出了这些阳离子聚丙烯酰胺的分子特征,质量浓度为1 mg/mL(现用现配,不调节pH). 1.2实验方法 1.2.1助留测量 助留助滤的级别采用根据TAPPI标准T 261-94标准法测定.这一步用来评估细小纤维和填料的絮凝倾向或在水溶液过滤阶段流失情况.在浆料悬浮液的过滤过程中用不断搅拌来模拟纸机的剪切条件.最后根据细小纤维和填料的留着量来确定浆和滤液的固含量.利用光扩散峰值法计算留着量. 1.2.2直接助留 向浆料悬浮液中直接注入聚合物来研究纸浆纤维的助留过程.该聚合物吸附到具有与其相反电荷的纤维表面,诱导纤维之间发生架桥絮聚.聚合物悬浮液中直接助留过程的停留时间分别是:聚合物用量对助留的影响,停留时间为15 s,助留的停留时间为15-180 s. 1.2.3间接助留 根据直接助留过程可知,未处理的纤维与吸附聚合物的纤维混合在一起.实验中,首先确定了加入聚合物之后的作用时间,然后在具体的作用时间后得到预处理的纤维.预处理的纤维与未经处理的纤维1∶1(质量)混合,搅拌15 s后测定间接助留等级.测得的聚合物间接助留时间与直接助留时间相对应.在直接和间接助留测量中,搅拌纸浆悬浮液的转速设定为500 r/min,相当于水平剪切力约2 000 s-1. 1.2.4无剪切助留 实验中,聚合物直接加入到纤维悬浮液中并以很低的转速(12 r/min)进行搅拌(图1). 2·结果 2.1聚合物用量对助留的影响 在第1部分,根据CPAM的不同用量研究了聚合物的助留效果.通过向纸浆悬浮液中加入不同剂量的聚合物进行实验.通过Mutek SZP-06系统对纤维表面电荷的变化进行了测定.图2为聚合物CPAM 1和CPAM 2的用量对助留效果的影响. 由图2可以看出,高相对分子质量的聚合物比低相对分子质量的聚合物更能促进助留. 图3为CPAM 1,CPAM 3和CPAM 4的用量对助留效果的影响. 图3表明,对于具有不同电荷密度的聚合物(CPAM 1和CPAM 4),高电荷密度(HCD)的聚合物助留效果较好.最好的助留效果是用高相对分子质量聚合物与低相对分子质量聚合物协同作用.这些结果表明,聚合物的分子特征是影响聚合物助留效果的最重要因素. 所有助留过程的曲线形状是相似的.测试表明,当浓度增加时聚合物具有类似的变化.第1部分曲线,助留效果增加,电势下降,但仍然是负数,表明吸附位是可供电聚合物.一般来说,助留率最大,并且达到最佳值是在聚合物剂量能覆盖整个表面时,即电势接近于0.进一步说,聚合物用量的增加引发了纤维表面电荷的逆转和助留效果的下降. 在第2部分,主要研究了聚合物(CPAM)的分子特征对助留过程的影响.通过建立聚合物加入后的时间与助留效果的相对变化程度的关系,对直接,间接和无剪切助留过程进行了测试. 2.2相对分子质量的影响 聚合物的相对分子质量在助留过程中对助留时间的影响,可以通过比较2种具有类似电荷密度和不同相对分子质量的聚合物的助留效果而获得.同时,对下述2组聚合物对进行了研究:高电荷密度(HCD)(CPAM 1和CPAM 2)和低电荷密度(LCD)(CPAM 3和CPAM 4).实验中聚合物的3个用量分别为:1,3和5 mg/g(相对于绝干浆). 图4(a)显示了CPAM的相对助留效果与添加聚合物CPAM 1和CPAM 2后与作用时间的关系. 图4(b)显示了低电荷密度(LCD)的CPAM的相对助留效果的曲线.这些结果,是由用量5 mg/g的聚合物在直接助留过程中得到的.R(t)表示聚合物加入t时间后的助留效果,R(0)是加入聚合物15 s时的助留效果. 由图4可以看出,聚合物的助留效果随着聚合物加入后的作用时间延长而呈现均匀下降的趋势.并且聚合物的助留效果随时间变化的趋势跟其相对分子质量有很大的关系.对于具有不同相对分子质量的高分子聚合物,低相对分子质量聚合物的(CPAM 2)随时间的变化较快.对于另外2个聚合物用量的研究也得到了相同的变化趋势. 由图4(b)可以看出,LCD与HCD的曲线具有相同的趋势,即助留效果随作用时间的延长下降的很快.显而易见,对于这2种聚合物,如果不考虑电荷密度差异,低相对分子质量聚合物的助留效果随作用时间的延长跌幅最大. 图5给出了间接助留过程中,助留效果与时间的关系. 对于具有类似的电荷密度的聚合物,低相对分子质量聚合物表现出较低的助留效果.剪切力存在的情况下,聚合物的作用时间增加几秒后助留效果就会出现下降,并对无剪切助留过程进行了研究,建立剪切力的作用与聚合物扩散度之间的关系曲线.图6表示的是,在无剪切力作用的情况下,聚合物CPAM 1和CPAM 2加入时间与助留效果的关系. 由图6可以看出,低相对分子质量聚合物(CPAM 2)具有较低的助留效果.这与在直接以及间接助留过程中得到的结论相似.然而,在无剪切力作用情况下,加入聚合物几分钟后助留效果就会降低.最后,3个助留进程结果表明,具有类似电荷密度的聚合物其相对助留效果与其相对分子质量成正比. 2.3电荷密度的影响 在最后部分,确定了电荷密度与助留过程中聚合物作用时间的关系.对下面2组聚合物进行了研究:低相对分子质量的CPAM 2和CPAM 3,高相对分子质量的CPAM 1和CPAM 4.图7表示了该2组聚合物在直接助留过程中的相对助留水平. 从图7可以看出,电荷密度对助留过程的影响很大.通过对该2组聚合物的研究可以得出,在聚合物的相对分子质量相同的情况下,LCD聚合物的助留效果随时间的延长下降的最大. 图8显示了间接助留过程所取得的结果.从图8可以看出,随着作用时间的延长,HCD聚合物具有较高的助留效果. 图9显示了无剪切助留效果随聚合物加入时间的变化关系. 由图9可以看到,在无剪切作用情况下,无剪切助留效果与直接和间接助留过程具有类似的变化趋势.显然,相对分子质量相同的聚合物,其助留效果与其电荷密度成正比. 3·讨论 当带电的聚合物,如CPAM类助留剂,加入到纤维悬浮液中后,会经历一个电荷平衡的过程,如果加入量过大将会改变纤维表面的电荷,由此会降低助留效果,并且,由于电荷平衡产生的空间位组电压,将会如同增加聚合物的用量一样,降低浆料的留着效果.众所周知,在胶体体系中,加入高剂量的聚合物可以促进其稳定性.对于这个阳离子聚丙烯酰胺-纤维浆料的系统,加入过量的聚合物添加剂,会导致更多的纤维分散而不是絮聚.这种现象可以通过纤维对聚合物吸附后的电荷稳定性解释. 目前为止,对所有聚合物的研究结果表明,聚合物的直接助留效果随时间的延长而降低.理论上,当带电荷的聚合物吸附到一个带相反电荷的物质表面时会形成一种不饱和电层,只要吸附的分子与相邻分子之间的相互作用不是很强烈时,聚合物就会分散.最初,在时间t=t1时,聚合会以链圈和链尾的伸展状构象,如图10(a)吸附在纤维表面.每一种构象.....
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