造纸分散剂的种类及其作用

造 纸 过 程 中所使用的化学助剂主要包括助留

助 滤 剂 、分 散 剂 、增 强 剂 、 消 泡 剂 、 防 腐 剂 、 施 胶 剂 、 表 面 施 胶 剂 、树 脂 障 碍 控制剂和生物酶制剂等 。 这 些助剂在造纸过程中有 的是单独起作用 ，有 的 是 几 种助剂共同起作用 ， 目的是提高纸页的质量 、 填 料 和细小纤维的留着率 ，提 高 生 产 效 率 ，降 低 成 本 。 常 用的造纸化学助剂分为过程助 剂和功能助剂两大 类 ，过程助剂包括助留剂 、助 滤 剂 、消 泡 剂 、防 腐 剂 、 成 形 助 剂 、树 脂 控 制 剂 、网 毯 清 洗 剂 等 ；功 能 助 剂 包 括 干 强 剂 、湿 强 剂 、 施 胶 剂 、 增 白 剂 、 填 料 、 染 料 、 柔 软 剂 等

对于造纸过程来说,纤维特别是长 纤 维 、填 料 和 一些助剂等都是水不溶性的, 它 们 有 在 水 溶 液 中 自 行 聚 集 的 趋 势, 而且不同物料之间往 往 因 不 相 容 性 而 尽 量 远 离,这样就难以得到性能均匀 、强 度 理 想 的 纸张。 为了解决长纤维在抄造过程中的这一问题,下 面就造纸过程中使用的分散剂论述如下。

1 分散剂的作用原理

分散是将固体微小颗粒尽可能均匀分布在另一 种不相容的物料中 ，也 就是指内相为不溶性微粒分 布在外相为液体或半固 体中组成的粗分散体系 ，这 样的体系也称作乳液 。 悬浮液至少由三种基本成分 组 成:分 散 相 、连 续 相 和 分 散 剂 ，常用的分散剂是表 面 活 性 剂. 分散剂可以使悬浮液中的 固 体 分 散 粒 子 被液相充分润湿和均匀分散 ，并使体系的分离 、聚集 和固体微粒的沉降速度 降 至 最 低 ，以维持悬浮液最 大的动力学稳定性 。

对于造纸过程来说 ，纤维、填料和一些助剂等都 是水不溶性的 ，它们有在水溶液中自行聚集的趋势 ， 而且不同物料之间往往 因不相容性而尽量远离 ，这 样就难以得到性能均匀 ，强度理想的纸张 。 加 入 分 散剂则可以使固体粒子 表面形成双分子层结构 ，外 层分散剂极性端与水有 较 强 亲 合 力 ，增 加 了 固 体 粒 子被水润湿的程度 。 固体颗粒之间因静电斥力而远 离 ，达到良好分散效果 。 因使用纤维分散剂而影响纤维的原有性能[3]。
分散剂作用的机理可能是浆料中阴离子或非离 子表面活性剂的加入降低了 浆料悬浮液的表面张 力，提高了纤维表面的润湿性能 ，减少了纤维因疏水 性而引起的絮凝 ，其作用机理可能是 ：①赋予纤维表 面电荷 ，使其几乎产生斥力 （阴离子表面活性剂 ）；② 覆盖于纤维表面 ，起到保护胶体的作用 ；③在纤维周 围形成黏度状态 ，防止纤维碰撞聚集 ；④表面活性剂 具有良好的吸附剂悬浮特性 ，吸附在纤维表面 ，形成 水膜，使纤维相互滑过而不致产生缠结 ；⑤纤维表面 润湿性能的改变也减少了纤维间的摩擦力 ， 减少了 纤维间相互黏着的机会 ； 当往悬浮液中添加多聚磷 酸 盐 ，如 六 偏 磷 酸 钠 ，焦 磷 酸钾等多价电解质时 ，其 可能导致纤维分散的机理是 ： 此类电解质的加入改 变了纤维上的动电电荷 ，使纤维上的负电荷增加 ，纤 维相互之间的斥力增大 ， 从而构成了稳定的带阴性 电荷的悬浮液 。
水溶性高分子作为分散剂的作用机理是 ： ①它 们的加入使得浆液的黏度增高 ， 相当于在纤维表面 附着了一层薄薄的润滑膜 ， 起到水溶性润滑剂的作 用，使纤维相互滑过而不致缠结 ；②浆液黏度的增加 大大限制了纤维在水中的运动自由度 ， 使纤维不相 互接触 ，减少了纤维间的絮聚 ，改善了纤维成形交织 的能力 ； ③黏性介质对纤维的黏滞力使得许多纤维 在停止搅拌时 ，还没有相互接触就松弛并变成钝态 ， 从而在减少了内应力 的悬浮液中形成纤维网络 ；④ 悬浮液黏度的增加也增加了 纤维在介质中的悬浮 性，延长了纤维沉降的时间。
2 分散剂的分类
在造纸工业中使用的分散剂品种很多 ， 按照用 途来分 ，可分为纤维分散剂 、树脂分散剂和涂布分散 剂。
2.1 纤维分散剂
的水溶性和亲水性 ， 以及适宜的流变学特性 。

其作用机理一般分为三大类 ：
第一类为表面活性剂 ，有以下两种 ：
a 非离子型分散剂 ， 如脂肪醇聚氧 乙 烯 醚 甲 基 硅 烷 （ 分 散 剂 PA －402）， 油酸聚氧乙烯脂 （ 乳 化 剂 A105 1：1）。
b 阴离子型分散剂 ， 如脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸 钠 （乳 化 剂 AES），土 耳 其 红 油 ，纤 维 素 硫 酸 钠 ，烷 基 二苯醚磺酸钠 ，烷基酚聚氧乙烯醚磷酸脂盐 。
第二类为一些电解质类无机盐 ，包括焦磷酸钾 ，
六偏磷酸钠等 。
第三类为水溶性高分子 ， 又称水溶性树脂或水 溶性聚合物 ，是一种亲水性的高分子材料 ，在水中能 溶解或溶胀而形成溶液或分散液 。 它是目前在浆料 分散方面用得较多的一类 。 其典型代表为聚氧化乙 烯和聚丙烯酰胺 。 其中在应用合成类高分子作为分 散剂时 ， 分子量的选择是关键 、 如对聚丙烯酰胺来 讲，在低分子量时是分散材料的有效增稠剂 ，而高分 子量时则是重要的絮凝剂 。 因此， 选择合适的分子 量对浆料分散状态的好坏起决定性的影响[4]。

2.1.1 聚丙烯酰胺 （PAM）
PAM 的化学名称为聚丙烯酰胺,为 白 色 粉 末,溶

于水,不溶于乙醇 、丙酮等有机溶剂 。水溶液 pH 值在
1～10 时,黏度变化很小,pH 值在 10 以上时,黏度显著 增加。 作为分散剂使用的一般是它的钠盐 。 由于分 子链中含有羧基, 对带负电的纤维 素纤维有分散效 果,并且在相对分子 量 为 300 万 左 右 时,能 提 高 浆 液 黏 度,有利于纤维悬浮,故 是一种长纤维的高效分散 剂。 它的分子结构如下:
～～CH2CH—CH2 CH～～

| | CONH2 COOH
PAM 的 分 散 作 用 机 理 由 于 PAM 分 子 链 中 含 有
羧 基,具有降低表面张力的 作 用 ,有助于水对固体的 湿润,这对于纤维 、填料等在水中的分散特别有利,当 PAM 加入浆料时,可以使纤维 、填料表面形成双分子 结 构,外层分散剂极端与水 有 较 强 亲 和 力 ,增 加 了 纤 维、填料等固体粒子被水润湿的程度 。 纤维、填料等 固体颗粒之间因静电斥力而远离, 达到良好的分散 效果[2]。 聚丙烯酰胺作为助留助滤剂 ，合理使用可以 获得以下效果 ：①提高细小纤维和填料留着率 ，表现 在成纸灰分含量提高 ，定量增加 ；②降低网下白水浓 度，加速白水中细小纤维的沉降速度 ；③改善纸料的 滤 水 性 能 ；④减少成型网的 磨 损 ，保持毛毯的清洁 ；
⑤破坏了成纸的匀度 ，这是使用 PAM 的一个负面效 果[1]。
2.1.2 聚氧化乙烯 （PEO）
聚 氧 化 乙 烯 （Polythylene oxide） 又 称 聚 环 氧 乙 烷， 是环氧乙烷多相催化开环聚合而成的高分子聚 合 物, 由环氧乙烷聚合而成不同聚 合度的高分子量 物质，具有明显的晶型结构 ，其聚合物的性能主要取 决于平均分子量的大小 ， 当 相 对 分 子 量 为 200～600 时 成 稠 状 液 体 ， 相 对 分 子 量 在 1000 以 上 呈 蜡 状 固 体 ；100 万以上时呈硫质或者硬质 固 体 ，色 泽 随 分 子 量、催化剂 、溶剂不同而变化[5]。
聚 氧 化 乙 烯 PEO 就是一种抄纸用的纸浆 分 散

剂。 它具有黏度高 、水溶性好 、絮凝性好和润滑性好
的特点 。 加入少量能显示良好的分散效果 ， 且不影 响其它助剂的功能 。 聚氧化乙烯还可以缩短打浆时 间，可以使用叩解度较低的纸浆 ，抄造出匀度良好的 纸张，同时纸页柔软性和强度都较好 。
PEO 作 用 机 理 是 ：以 其 稀 溶液在抄纸机网前箱 加入， 可吸附在浆料纤维表面形成一层滑而不黏的 水合膜 ， 使浆料纤维具有良好的悬浮性而不致过快 沉降，从而使纤维分散和减少絮聚 ，改善网外观组织 匀度。 ①聚氧化乙烯的水溶液是一种胶体 ， 添加后 纤维沉降速度减慢 ，对提高纸页匀度起到一定作用 。
②聚氧化乙烯加入后 ，浆料的打浆度急剧下降 ，而随 加入量的加大又有回升的趋势 。 这是因为少量加入 时降低了水的阻力 ，滤 水 加 快 ，增 加 用 量 ，由 于 其 自 身黏度很大 ， 其加快滤水的程度超过了降低水阻力 的作用 ， 因此又表现为回升 。 ③加入聚氧化乙烯后 打 浆 度 降 低 ，纤维长度有所 提 高 ，成纸柔软度提高 ， 吸水增加 ，纸张起皱均匀 。 ④打浆时间降低一半 ，节 约了电能 。 ⑤上网浓度提高 ，白水浓度降低 ，流失减 少，并节约了清水 。⑥由于供浆充足 ，纤维组织均匀 、 孔眼少 ，纸机车速提高 ，生产能力提高[6]。
2.1.3 树胶
很多树胶对纤维素纤维有极佳的分散效果 。 这 些树胶是纤维的保护胶体 ， 其负电荷在纤维上均匀 地分布 ，能阻止纤维的结合 。 当然，它们亦可能提高 悬浮介质的黏度 ，使纤维的凝聚作用减少 。
2.1.4 海藻酸钠
海藻酸钠是水溶性高分子 ， 对纤维有显著分散 能力，且黏度稳定 ，分子链在高剪切力下不易发生降 解。 海藻酸钠分散纤维的能力特别高 ， 但是价格较 昂贵，所以应用较少 。
2.1.5 其它纤维分散剂
甲 基 纤 维 素 ，羧 甲 基 纤 维 素 ，羟乙基纤维素等 ,
都是典型的高分子表面活性剂 ，可作为纤维分散剂 。

2.2.1 无机分散剂
各种无机极性分散剂可吸附在树脂表面 ， 形成 具有保护层的细小树脂颗粒 ， 使之悬浮在水中 。 这 些颗粒表面有相同的电位 。 相互之间尽量远离而不 致发生絮凝和沉聚 。主要无机极性分散剂有滑石粉 ， 高岭土 ，硅藻土等 。 滑石粉具有弱憎水性 ，所以可以 将憎水性的树脂粒子吸附在表面上 ， 减低树脂的黏 度和黏着性 ， 从而防止相互凝聚 。 石棉具有正的电 位，而硅藻土的比表面积大 ，并且经特殊处理可改变 表面电荷 ，它们都有一定的效果 。
2.2.2 表面活性剂
用作树脂分散剂的主要是阴离子和非离子的表 面活性剂 ，如加入阴离子表面活性剂 ，可提高树脂粒 子的负电荷密度 ，增加其稳定性 ，同时由于分散剂的 定向吸附 ，形成水化膜 ，使树脂由增水性变为亲水性 状态，加入非离子表面活性剂可有效地分散树脂 ，减 少相互凝聚或沉淀地趋势 。
这一类效果最好的树脂分散剂有 ： 脂肪醇聚氧 乙烯醚 ，烷基酚聚氧乙烯醚 ，丁基萘磺酸钠剂甲醛与 萘 磺 酸 的 缩 合 物 。 使 用 条 件 是 ：漂 白 浆 浓 度 为 6％～
7％，pH 值 8.5，操 作 温 度 35～40℃，其用量为纸浆量 的 0.5％左右。
漂白浆在酸处理前或酸处理过程中 ， 添加阴离 子型或非离子型分散剂如脂肪醇聚氧乙烯醚 ， 可以 解决酸处理过程中漂白浆残留树脂凝聚的现象 。 但 在洗涤过程中加入分散剂更为合理 ， 效果最好的分 散剂有 ：脂肪醇聚氧乙烯醚 ，聚氧乙烯木糖醇单硬脂 肪脂，十八烷基三甲基氯化铵 ，十八烷基二甲基苄基 氯化铵 ，油酸钠等 。
2.2.3 高分子分散剂
用得最多的是聚氧化乙烯, 其他的如甲基纤维 素 ，羧 甲 基 纤 维 素 ，羟 乙 基 纤 维 素 ,聚丙烯酸钠等都 可以作为树脂分散剂 。

涂料中颜料以固体粒子形态与树脂 、 水或溶剂
等其他组成混合存在 。 根据热力学的观点 ， 这是一 个不稳定的体系 ，为了获得稳定而均匀分布的涂料 ， 需要使用分散剂 。
分散剂是纸张涂料中最重要的助剂 ， 其中大多 是表面活性剂 ， 其作用为 ： ①赋予各个颜料粒子电 荷 ，使其相互产生斥力 ；②覆盖各个颜料粒子表面 ， 起到保护性胶体的作用 ； ③在粒子周围形成高黏度 状态，防止各个粒子凝集 。
涂 布 时 涂 料 配方中一般要加入颜料分散剂 ，否 则涂布层过厚且不均匀 。 分散剂总的作用是保证涂 料中颜料不发生絮凝和沉降现象 ， 并使涂料的黏度 尽可能低 ，具有良好的流动性和涂布适应性 ，提高胶 黏剂与颜料的混合性 ， 以达到提高涂布纸表面强度 和印刷适应性的效果 。 使用时 ， 先将分散剂溶在水 中，然后再加入颜料 。
最早使用的分散剂为磷酸盐 ，聚硅酸盐 ，磷酸氢 二 氨 ，萘 磺酸与甲醛的缩合物 （分 散 剂 PA-403），干 酪 素 ，阿 拉 伯 树 胶 等 。 六 偏 磷 酸 钠 ，焦 磷 酸 钠 ，四 聚 磷酸钠等是低含固量 涂料中经常使用的分散剂 ，他 们在颜料表面以离子电荷结合 ， 使粒子周围形成阳 电荷，相互排斥 ，起到分散的作用 。 这类分散剂通常 单独使用 ， 但浆料在放置一段时间以后往往会增稠 而影响使用 ，如果聚磷酸盐与氢氧化钠复配使用 ，将 浆料调至碱性 ， 其流动性和稳定性得到改进 。 该类 分散剂用量为颜 料 绝 干 量 的 0.1%～3.0%，以0.25%～1.2%为最佳 ，过多或过少均会增黏 。
随 着 高 浓 度 涂布机的使用和铜版纸的发展 ，对 分散剂的要求越来越高 。 为了提高车速和节能 ，需 使用高固含量的涂料 ，通常采用高分子有机分散剂 ， 如聚丙烯酸钠及其衍生物 ， 或二异丁烯与马来酸酐 共聚物的二钠盐溶液 ，以及烷基酚聚氧乙烯醚 ，脂肪 醇聚氧乙烯醚等 ，聚丙烯酸钠作为 涂布用的分散剂 ， 与大多数颜料可得到低 黏 度 和 高 固含量的涂料 ， 能提高颜料的细度 ， 分散 体 系 的 稳 定 ，提高纸张的柔软性 ，强 度 ，白 度 ，保 水 性 等 ，且 具 有 可 溶 于 水 ，不 易 水 解 ，不 易 燃 ，无 毒 ，无 腐 蚀 等 特 点。 一般宜选用较高 HLB 值（10～20）的表面活性剂 ， 他们的用量通常在 0.1%～3.0%。
涂布所用的颜料分散剂和涂料应具有 良 好 的 稳 定性和较低的黏度 ， 对高浓度纸张涂料的 制 备 尤 为 重要。由颜料 ，淀粉，聚苯乙烯 ，丁基乙烯乳液组成的 纸 张 涂 料 ， 添 加 聚 氧乙烯醚型非离子表面活性剂 2%～5%（按 涂 料 固 形 物 量 计 ）， 能起到稳定作用 ，并 可显著降低涂料的黏度 。 在制备高浓度的 纸 张 涂 料 时 ，添加非离子表面活性剂如分散剂 PA-401，匀 染 剂 O 或 OP， 也能明显降低涂料的 黏度和提高涂料 的稳定性 。