造 纸 化 学 品 与 应 用 2012年 第 3期
AKD施肢综述
张菊先 岳阳林纸股份有限公司 湖南 岳阳 (414002)
AKD(Alky Ketene Dimer)是一种阳离子型中/碱
性施胶剂。在中/碱性抄纸_丁艺中得到了广泛的应
用。与传统的酸性施胶相比,中/碱性施胶具有如下
优点:可以在保证纸页强度的前提下大幅度提高纸张
灰分,降低生产成本;中/碱性施胶系统中的pH值稳
定 ,可以有效减缓纸张返黄,改善纸张品质;可以保持
纸机系统清洁,减少对机械设备的腐蚀;中 /碱性施
胶使纸机自水封闭循环成为可能等等。因而中/碱性
施胶已成为施胶技术的发展趋势,逐渐得到推广和应
用。
1 AKD的基本化学特征
AKD(烷基烯酮二聚体)是一种蜡质物质,不溶于
水,熔点为 5 0 ,能溶于乙醇,苯及i氯甲烷等有机
溶剂。商业用 AKD是由脂肪酸和硬脂酸生成酸性氯
化物 ,然后聚合成烷基烯酮二聚体而制成。AKD在
65.5℃以上极容易水解生成酮。烷基烯酮二聚体的结
构式如下:
H
l
- C=C-O
萋( 6— o
l
鞋
图 1烷基烯酮二聚体的结构
结构式中,R和 R’为烷基,变更不同烷基可以得
到一系列的烷基烯酮二聚体,但适于作造纸中性施胶
剂的是 14烷基和 16烷基烯酮二聚体。
它是一种不溶于水的疏水性固体物质 ,制胶时需
加入分散剂和乳化剂,进行乳化后才能用于造纸施
胶,而且其乳液必须有尽可能好的分散性 ,微粒大小
需尽可能均一,这对施胶的均匀性影响较大,是充分
发挥其施胶效果的关健。常用的乳化剂为阳离子淀
粉,加入量均为 AKD的 10%~20%,乳化后的浓度 10
%~20%,AKD在水中不稳定 ,容易生成酮而丧失施
胶效果。因此,AKD乳液应在较低的温度下保存,且
仔期越短越好。
2 AKD施胶机理
AKD属反应型施胶剂。在碱性条件下,AKD反应
性官能团能够和纤维素上的羟基发生反应,形成共价
键结合而固着在纤维上,在纤维
表
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面形成一层稳定的
薄膜,使纤维由亲水性变为疏水性 ,从而使纸页获得
抗水性。其作用过程是连续的,第一阶段是在纤维和
填料表面上的AKD乳液的留着;第二阶段是在纸机
烘干部加热期间的铺展和迁移;第三阶段是 AKD分
子与纤维素发生化学反应。
3影响AKD施胶的因素【1]
影响 AKD施胶的因素很多,包括浆料参数、pH
值和碱度、填料类型和用量 、细小纤维量、纤维种类 、
干扰物(阴离子“垃圾”)和干燥温度等。
3.1 pH值和碱度的影响
采用 AKD施胶时,施胶性能与 pH的关系很大,
一 般认为只有在中/碱性条件下,AKD的内酯环才能
打开,并与纤维素的羟基反应。有人研究证明,当pH
值 <6时,AKD几乎不产生施胶作用 ,随着 pH的增
加,AKD的施胶效率逐渐提高,尤其是 pH在 6.5~7.5
之间时,纸页的施胶度上升最快;当 pH>8.0时,纸页
的施胶度 I二升开始减慢。因此,实际生产中pH应控制
在 7.5~8.5(总碱度在 150—250rag/1),此时 AKD施胶
性能最好。必要时,可向纸料中加人适量的 NaHCO
或 Na2CO3。
3.2细小纤维和填料的影响
细小纤维和填料主要是影响 AKD的留着效果 ,
进而影响到施胶性能。目前生产中使用的AKD大多
带有阳电荷,这样它zHq匕~14R1::l好地吸附在高比表而积、阴
电荷的物质上。
-~m/D纤维多,比表面积高,会消耗较多 AKD,在
AKD相同的情况下,细小纤维含量愈高,施胶效果愈
差。公司 1~3}}机配料中含有较多的苇浆或 APMP,
细小纤维含量是较多的。
填料,如 PCC,通常对施胶性能有负而影响。这有
两个原因。一是填料的比表而积比纤维的大,填料上
作者简介:张菊先女士,硕士研究生,高级工程师,主要从事制浆造纸技术开发工作。
国同固鳐 造纸化学品与应用 21
停留施胶剂分子比纤维上的多 ,吸附到填料上的
AKD施胶剂不会大大改善施胶 【 】。二是在造纸过程
中,由于只有部分填料被留着下来 ,AKD施胶剂会随
同填料一起流失。但另一方面,填料颗粒分布在纤维
的周围或纤维之间的空隙内,它妨碍了纤维间的结
合,使纸页疏松多孔,提高纸的松厚度,从而纸的吸湿
变形小,形稳性得到改善。当强调纸的形稳性时,应适
当多加填料。
事实上,通常加入系统中的 AKD有 80%以上会
留着在填料和细小纤维上。要达到理想的施胶效果,
要求系统必须有良好的留着率。留着率差还会造成系
统中AKD的水解量,带来一些问题。
因此,在节约化学品用量的时候 ,留着剂是不能
减少的,相反 ,当浆料中阴离子垃圾较多(PCD值较
高)时,车间应适当增加助留剂用量,以提高系统留着
率。
影响留着率(助留剂效果)的因素很多,由于篇幅
的关系,这里不展开讨论。
3.3浆料种类对AKD施胶的影响
不同种类的纸浆 ,由于纤维的化学组成、各成分
比例、比表面积 、Zeta电位不同,对 AKD施胶的影响
也不同,一般来说,木浆好于草浆;阔叶木浆好于针叶
木浆;化学浆好于机械浆(磨木浆)。阔叶木之所以易
于施胶,可能是由于其湿润比表面积较小,只需要较
少的AKD即可使纸页的表面覆盖率达到较高的施胶
度。由于细小纤维具有较大的表面积,所以,对 AKD
施胶有很大的影响。磨木浆含有较多的细小纤维,而
且胶体物质和溶解的阴离子垃圾较多,不宜于施胶;
废纸浆料中因含有较多的阴离子垃圾,也难于施胶;
从理论上来说 ,草浆纤维结构及化学组成与阔叶木相
似,应较容易施胶,但是由于草浆含细小纤维和杂细
胞较多,并且灰分含量较高,对化学助剂的干扰较大,
最终引起草浆施胶困难。
在此,需要特别强调的是,据资料介绍,高档文化
纸浆料配比中,用少量的杨木高得率浆取代硬木化学
浆 ,只要取代度不超过 15%,可改善 AKD施胶效果
这是因为高得率浆中含有更多的阴离子基团(羧基和
磺酸基),这有助于 AKD留着。另外,高得率浆含有大
量的木素和细小纤维,这对施胶有积极的作用。
3.4 添加剂对 AKD施胶的影响
造纸中使用的其它添加剂对 AKD将产生正 、反
两方面的的影响。有些有利于施胶,有些不利于施胶。
阴离子添加剂以各种不同的机理对胶料的留着和固
定产生不利影响。如:消泡剂、油、乳化油和润滑剂、树
脂分散剂、湿润剂、柔软剂、毛毯清洗剂 、氧化剂、阴离
子染料和其它阴离子物质(阴离子垃圾)等,对施胶是
不利的。这里,再次说明除去浆料中阴离子垃圾的重
要性,也说明优化涂料工艺是非常重要的。生产中过
多使用消泡剂也是很不利的。
阳离子添加剂主要是通过改变胶料 、细小纤维和
填料的留着而起作用 ,对施胶有利。如:湿强树脂 、助
留剂、助滤剂、干强树脂 、阳离子淀粉。
矾土不能直接增强 AKD施胶效果,而且大量地
加入是有害无益的。矾土用于碱性造纸的目的是为了
中和干扰物而改善 AKD施胶条件 ,所以矾土和 AKD
的添加点最好能分开,并避免过多加入,这点很重要。
3.5 干燥温度对 AKD施胶效果影响
图 3 AKD施胶理想干燥 曲线
为改善 AKD施胶效果,干燥时需要快速升温使
AKD高于其熔点温度(50—60~C)而快速熔融扩散到
纤维上,从而加速 AKD与纤维的反应。理想干燥曲线
见图 3。从图 3得知,其最高温度达到 130 对 AKD
施胶来说,实际温度偏低。容易出现假施胶现象。但温
度的提高受到纸页横向收缩和强度的限制,为改善
AKD施胶效果,可在表面施胶剂中加一定的 AKD。
实践证明,要获得比较好的施胶度 ,当纸页进入
烘干部以后 ,就需要采用快速升温的干燥曲线,并且
需要提供足够的干燥热量,以尽快降低纸页水分,破
坏 AKD的静电吸附作用,促使施胶剂分子重排 ,加快
施胶剂与纤维素羟基之问的化学反应。在生产中还发
现纸页的下机温度不同,AKD的熟化程度也不相同,
生产实践表明纸幅的下机温度越高,施胶剂的熟化程
度越好。
另外,如果在表面施胶前纸页的施胶状况良好,
而经过表面施胶以后,在复卷机处却失去 了'施胶度,
这种情况一般是烘缸干燥曲线不当、干燥热量不足、
纸页水分过高等原因导致了正常施胶反应被表而施
胶淀粉所干扰,发生了再定向。对此可以通过降低纸
页出压榨部水分、改善干燥曲线 ,提高干燥能力或者
增加用量来调节。
4 AKD假施胶原因分析及预防措施
AKD是反应性施胶剂,纸(或纸板 )下机后,要经
过一段时间使 AKD与纤维素发生结合反应,才能达
造 纸 化 学 品 与 应 用 2012.g-第 3期
到施胶效果。造成假施胶的根源是 AKD没有发生有
效的反应或没有反应 ,特别是在熟化过程中如果
AKD发生水解反应,就不能与纤维素反应达到施胶
效果。经研究发现 AKD水解反应与纸页的 pH、填料
中的游离碱、下机水分和干燥温度等因素有关。在生
产上,AKD施胶中产生假施胶的原因主要有:系统 pH
值超出范围、干燥温度太低 、下机纸页水分太高、填料
中游离碱的存在等。
系统 pH值和干燥温度的影响,前面已进行了详
细讨论,这里不再赘述。主要谈下机纸页水分和填料
中游离碱的影响。
4.1 下机纸页水分太高
纸页的水分含量对施胶效果的影响、纸页在烘干
过程中的水分和下机纸页水分都会影响施胶效果。在
烘干部,AKD的静电吸附不断被破坏,其反应性官能
团与纤维素羟基形成共价键而起到施胶作用。在烘干
过程中,如果纸页水分过高,会影响 AKD与纤维之间
的反应 ;反之,纸页水分越低,参加反应的 AKD就越
多。操作中适当降低纸页出压榨部和干燥部的水分,
有助于施胶反应的完成,加快 AKD熟化。纸页下机
时,纸张中的大部分 AKD与纤维素之间仍旧以静电
吸附形式存在,还需要再放置一段时间,或者通过复
卷加热进一步促进其共价键的形成,以达到最佳施胶
度。如果纸页下机水分含量比较低,AKD的静电吸附
将会继续被破坏 ,随后与纤维素发生反应而得到熟
化;对于水分较高的纸,因为纸页下机时其中的AKD
大部分仍以静电吸附和游离状态存在,通过放置或加
热仅有一部分 AKD与纤维素发生反应,另外一部分
会缓慢水解;如果纸页水分过高,特别是多层纸板,则
继续参加反应的AKD更少,大部分 AKD将会逐渐水
解而失去施胶作用,纸页的吸水性随着放置时间的延
长而逐渐升高
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·信息·
4.2 填料中游离碱的存在
如前所述,填料对 AKD施胶有不利的影响。一般
认为有两种原因,一是由于填料的比表面积比纤维
高,胶料倾向于吸附填料表面,吸附在填料上的 AKD
不会对施胶有积极作用。添加胶的量必须增加到能弥
补这种损失程度。二是填料影响施胶效率是通过影响
胶料的留着率,一些原来被填料吸附的胶料能重新分
布在纤维表面,如果填料未留着,则这些吸附的胶料
也随之流失,因此,填料的留着对有效施胶也很重要。
另外,如果纸页水分过高、贮存温度过高,填料悬浮液
中的游离石灰含量过高也很容易造成施胶剂水解速
度加快,严重时放置一段时间后纸页施胶度完全失
去,造成假施胶。悬浮液中的石灰含量除与其制备过
程有关外,通常,悬浮液放置时间越长,其中含有的游
离氢氧化钙就会越多,因此悬浮液长久放置对施胶有
不良影响
5 结语
采用 AKD施胶施胶剂,抄造出来的纸或纸板下
机后经一段时间的熟化才能达到最好的施胶效果,但
是如果熟化的条件发生变化,造成熟化期内AKD大
量水解或与 AKD反应速度极其缓慢,就会出现假施
胶,生产上出现假施胶的主要原因与系统 pH值、填料
游离碱、干燥温度、下机水分和温度等因素有关,在生
产上出现假施胶以后,应及时查找原因,以便采取措
施进行处理。
参考文献
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(3):47—50
[2]张菊先 ,吕建明.用杨木高得率浆取代高档纸中硬木硫酸盐
浆及其对AKD施胶的影响[J].湖南造纸,2007(2):25—29
收稿 日期 2012—8—9
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