分分合合、好生熱鬧的複合絮聚機理. I. 雙元聚合物 體系

2021-01-17 造紙助劑與紙機溼部化學


經過前面兩期(1. 來點意外;2. 機理對比)的鋪墊,今天起開始推寫複合絮聚機理。它包括雙元聚合物絮聚、納米粒與微粒絮聚、局部阻斷、網絡絮聚等不同方式。題目加了點煽情的形容,「分分合合,好生熱鬧」,可能有點牽強,但要表達的意思有:「分」,有「分開加」的意思,還有「必要時需用剪切力強行分開」的意思;「合」,有「需要兩種甚至三種助劑(包括順帶的不同機理)組合使用」的意思,另外絮聚本身就是一種合的行為;「好生熱鬧」,不光體現在各種不同組合顯得紛繁複雜,也體現為這一領域十分活躍,一直以來創新不斷...

由於篇幅的關係,也由於快要開學了準備時間不再那麼多的關係,擬對各種複合絮聚方式分開講解,今天先講雙元聚合物。建議大家在跟隨整個系列的講解過程中,多多體會我說的「分分合合,好生熱鬧」是不是還算恰當。

    

   什麼是雙元聚合物絮聚呢?還是看圖識意最方便,一起來看圖1 吧。

圖1. 雙元聚合物絮聚機理示意圖(M. Hubbe教授提供)

圖中英文按從上到下從左到右的次序翻譯如下:Negative Surfaces:陰離子性的表面;Cationic Patches:陽離子補丁;Bridging:架橋;Add highly cationic polymer:加入高陽電性聚合物;Add very high mass anionic polymer: 加入分子量很高的陰離子聚合物。

大家可以看到,圖中的英文我沒有去改動,而是採用了圖下翻譯標註的方法。上次有個讀者留言有點抱怨都是英文,抱歉這個我不會輕易調整,原因有很多,選其中最主要的一個說,我們寫這些推文一大部分是帶領大家利用業餘時間一起學,這包括專業英語的學習。

還有一些讀者可能會問,「王教授你寫的東西是不是很多直接翻譯了Hubbe教授的課件」,答覆是「否」,我只是適當取材。那為什麼來自Hubbe教授教案中的圖使用次數那麼多呢?因為喜歡他細膩的風格。我來告訴你細膩在哪裡(僅為一例),請看圖1,帶陰離子電荷的東西都是用粉紅色表示的,而陽電荷的物質是用藍色表示的,你去看我前面引用過的圖,也都是這樣。那為什麼是採用這兩種顏色而不是其他的呢?我先不公布答案,知道的讀者可以留言,我明天再公布。


    下面我們正式開始解讀這個機理,方便起見(方便手機閱讀),把圖1再貼過來。

    請大家注意幾個幾點:

    1. 加入的第一個助劑(後面以助劑A表示)是高陽電荷密度的聚合物(表示在第一個箭頭上),說全了其實應該是高陽離子電荷密度、低分子質量的聚合物,也就是之間提到的聚胺、聚二甲基二烯丙基氯化銨、聚醯胺多胺環氧氯丙烷、聚乙烯亞胺等物質,它們以陽離子補丁(Cationic Patches)的方式作用到陰離子物質表面(Negative Surfaces);

    2. 加入的第二個助劑(後面以助劑B表示)是分子量很高的陰離子聚合物(表示在第二個箭頭上),說全了應該是分子量很高(一般指500萬到2000萬吧)、電荷密度較低的聚合物,典型的就是陰離子聚丙烯醯胺,它們以架橋(Bridging)的方式作用到前面經過補丁預處理的粒子表面;

    3. 助劑A加入後並不特意讓紙料系統經歷高剪切作用,這和下一期要講到的微粒體系有明顯區別;

    4. 雙元聚合物絮聚機理,本質上就是補丁機理和架橋機理的疊加;

    5. 紙料經歷補丁-架橋兩個階段的處理,最終以架橋收尾,所以其特徵符合一般架橋機理產生的特徵,即形成的絮體為宏絮聚體(野絮聚體),優點是留著率高,缺陷是絮體持水性大(自由濾水區濾水速度加快,但是在真空脫水區和壓榨脫水區反而難脫水),而且有可能破壞紙張勻度;

    6. 上述缺陷可由下期要講的微粒助留體系改進,這也是微粒體系出現的主要原因。

    7. 一般的架橋機理多地以分子量高、陽電荷密度低的陽離子聚丙烯醯胺(CPAM)為例,雙元聚合物體系則可以使用價格低廉的陰離子聚丙烯醯胺(APAM),當然使用前面的助劑A有新的成本投入,選用哪個合適,最終要看綜合效益,包括助劑A可以使體系更清潔的效益也應該考慮,因為助劑A能起到很好的控制陰離子垃圾的效果。


    分享Hubbe教授教案中的另一張圖,見圖2.

圖2. 雙元聚合物絮聚機理的拓展(M. Hubbe教授提供) 

Review of Mechanism: 機理再視;Patch-type adsorbed high-charge polymer: 以補丁形態被吸附的高電荷聚合物;Anchoring groups:被錨定的團塊;Alum floc:鋁基絮體

    大家可以看到,與圖1右側不一樣的是,圖2出現了以天藍色表示的鋁基絮體。什麼是鋁基絮體呢?可以看成是硫酸鋁加入體系後產生的東西(根據體系pH值的不同,硫酸鋁加入後產生的物質會很不一樣,即使是偏鹼性的條件下,只要接觸時間足夠短,例如小於十幾秒,硫酸鋁加入後形成的物質仍能保持一定的正電性),也可以看成是基於聚合氯化鋁的東西。

    給大家展示圖2的目的,是想提醒一下,雖然這裡看上去是三元助劑體系,但本質上還是補丁機理和架橋機理疊加的二元助劑體系。當然,你也可以將圖2中高陽電荷補丁物質和鋁基絮體物質看成是一種混合物(混合產品),被當作助劑A加入的。

    根據體系的不同,有的二元聚合物助留體系可以是助劑A和助劑B都是陽離子的聚合物,比如就是聚胺(PA)和CPAM的組合,這個暫時不再多講。

    聲明:對圖2的解讀也都是我自己的「看圖識意」。


造紙助劑與紙機溼部化學公眾號,希望推薦給你更多的同事知道...

王立軍,教授、博導;本科在大連理工主修高分子,1992年畢業,研究生在韓國江原大學主修造紙,1998、2001年分獲碩、博士學位;曾任天津科技大學材化學院、浙江科技學院生化輕工學院副院長;也曾工作於上海化工院、上海和泰、韓國孖鏡、韓國成昌、浙江杭化等企事業單位,具有豐富的教學、科研、國際交流、團隊管理經驗;本年度8月全職回歸浙江科技學院環境與資源學院從事教學科研工作。微信聯繫:kingtreeking

陳南男,碩士學歷(浙江科技學院化學工程與工業專業,師從王立軍教授),輕化工程專業學士;造紙化學知識和技能較為紮實,先後為多家企業提供系統的溼部化學助劑應用優化方案;在Nordic Pulp & Paper Research Journal、中國造紙、中華紙業等國內外學術期刊上發表學術論文多篇,申請填料包覆預絮聚改性技術等發明專利3項並獲得授權。微信聯繫: cnn256626


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