SA-PAE二元体系增强木质短纤维结合强度机理研究

Extensive use of short lignocellulose in papermaking indusrey is the main cause of decrease in paper strength.PAE has been used as one of the most popular strengthening additives in papermaking industry for its effectiveness and applicability.However,it has been found that organochlorine was in PAE which is needed to be substituted,resulting in exploring new anionic strengthening agent to add into paper pulp to decrease the using dosage of PAE in papermaking process. Our study found that a sodium alginate（SA）-PAE binary system can dramatically enhance the strength of paper, comparing to the use of PAE alone as paper strengthening agent,the dry strength of paper increased more than 30% while the wet strength increased by 250%. However the mechanism of this binary system needs more exploration. It is necessary to carry out more studies concerning the mechanism of SA-PAE binary system. This research intends to use SA and PAE as the main study object, through studying the property of SA, adding condition, distribution of SA in enhancing paper strength to verify the optimum viscosity of SA, exploring the charge density in pulp to confirm the proportion of SA and PAE, the amount of PAE adsorbed on the surface of paper and observing the bonding condition and distribution of the SA-PAE binary system in fiber to reveal the mechanism of this binary system.This study is aiming to provide novel ideas and theoretical support for developing high-efficient strengthening additives and developing the application of short fiber.

造纸工业因大量使用木质短纤维原料造成成纸强度下降。聚酰胺多胺表氯醇（PAE）由于增湿强效率高、适用性好而得到广泛使用。由于PAE含有机氯，对环境造成污染，因此研发其他助剂减少PAE用量、降低污染的二元体系成为研究热点。海藻酸钠（SA）无毒，成膜性好，价格低廉的优点使其成为能部分替代PAE的理想助剂。申请人研究发现SA-PAE体系可使纸张的干、湿强度比单独加入PAE分别增加了30%和250%，但SA-PAE体系作用机理尚不明确。为了高效利用PAE，必须解决SA-PAE体系作用机理的难题。本课题拟以SA-PAE二元体系为研究对象，通过研究SA的特性、使用条件、分布状况对成纸增强效果的影响；研究纸料体系的电位以确定二者的配比；研究PAE在成纸表面的吸附量、SA-PAE体系与成纸中纤维的结合方式及分布状况，揭示SA-PAE体系的增湿强机理，为高效利用环保型湿强剂及木质短纤维原料提供新思路。

造纸工业因大量使用木质短纤维原料和废纸原料造成成纸强度下降。由于PAE含有机氯，对环境造成污染，而海藻酸钠（SA）无毒，价格低廉使其成为能部分替代PAE的理想助剂。为了高效利用PAE，必须解决PAE-SA体系作用机理的难题。本课题以PAE-SA二元体系为研究对象，通过完成SA的提取分离过程，运用傅里叶红外、热重分析、液相色谱等技术完成所提取海藻酸钠（SA）的结构表征工作，研究不同分子量和不同粘度的SA与PAE的二元增强体系，与PAE协同作用的SA的最佳粘度在350mPa·S附近，SA的重均分子量（Mw）和数均分子量（Mn）分别为1.09×106g/mol和5.89×105g/mol最佳配比为PAE:SA=3:2，最佳用量（均相对绝干浆）为PAE用量0.90%，SA用量0.60%，再生纸手抄片的干湿抗张强度分别达到了104.1N·m/g和45.6N·m/g。同时成功对SA进行荧光化，通过荧光显微镜清晰地观测到它们在纸张中的分布情况，证明SA和PAE二元体系在纸料中形成了致密的网络结构，和纤维之间形成了静电吸附，是纸张干湿强度提高的主要原因。采用丙烯酸改性PAE与SA组合，使纸张的干湿强度增加明显，在丙烯酸改性PAE与SA二元体系中，当SA加入量为0.6%时，复配效果达到最佳。原生纤维手抄片干抗张强度指数达到78 N•m/g，湿抗张强度指数达到19 N•m/g。通过PAE、SA、PAE-SA膜红外光谱图分析，纤维表面电镜及AFM观察分析，纸张纤维的C、N元素分析，以及细小纤维和填料留着率和滤水性、保水值的测定，证明PAE和SA形成了致密的网络结构，防止了水的渗透，从而增加了纸张的湿强度。通过混合废纸纤维的C、N元素分析，验证了PAE-SA二元体系对混合废纸强度性能的增强是由于PAE、SA两者之间的静电吸附作用以及膜包覆结构，当PAE与SA协同作用时，负胶体SA会增加浆料体系中纤维对PAE的吸附。SEM和AFM的微观结构表明，PAE-SA二元体系的加入使纤维连接更加紧密，在纤维表面形成了结构更紧密的膜包覆，并且增加了细小纤维和填料的留着率，这一点对我国造纸工业目前广泛使用的短纤维原料和废纸纤维原料有着重要的意义，对纸机的高速化更为有利。