前言

向與應用前景。 

隨著時代的進步和發展,人類對紙張質量的要 求也進_步提高，不同類別聚丙烯酰胺的作用原理及其助留助濾性能，對造紙過程有重要作用的助留助 濾劑也提出了更高的要求。近年來，造紙研究人員 致力於研發新型的、高效的助留助濾劑。聚丙烯酰 胺作為_種新型高效的助留助濾劑被越來越多的研 發人員所關注。

聚丙烯酰胺是一種易溶於水、幾乎不溶於有機 溶劑的有機高分子化合物。其主鏈上有活潑的酰胺 基和雙鍵，通過采用不同的合成方法引入不同的官 能團，可以得到不同分子量和不同電荷密度的聚丙 烯酰胺產品^。這些合成產品都具有良好和穩定 的絮凝性、粘合性、降阻性、增稠性等,且被廣泛應用 於石油開采、水處理、紡織、造紙、選礦、醫藥、農業等 行業中。

不同類別聚丙烯酰胺的作用原理及其助留助濾性能，筆者對現有的聚丙烯酰胺的使用情況進行了簡 單總結和歸納，並對888电子游戏官网、陰離子聚丙 烯酰胺、兩性聚丙烯酰胺、非離子聚丙烯酰胺這四大 種類的聚丙烯酰胺的特征、與纖維素表麵及懸浮物 之間相互作用機理及受外界條件影響分別進行了簡 要綜述,展望了聚丙烯酰胺類助留助濾劑的發展方

2888电子游戏官网（CPAM)

CPAM是_類應用廣泛、性能較好的幹強劑、助 留劑、助濾劑和絮凝劑，其結構如圖1所示，主鏈上 有活潑的酰胺基和雙鍵,通過電性中和、吸附架橋和 包絡作用來使固體顆粒脫穩、絮凝。作為造紙過程 中的助留助濾劑使用，可以減少纖維的流失量和對 環境的汙染，同時也有利於提高過濾和沉澱等過程 的效率。

起到很好的絮凝作用0 ,且不受漿料pH值的限製。 利用填料表麵的負電性，用CPAM對其進行陽離子 化，以增加填料顆粒與紙漿纖維和細小纖維的吸附， 從而提高填料的單程留著率，並減少白水中的填料 含量，減少流失從而降低成本H ,還可以降低漿料 上網的濃度和灰分，延長成形網的壽命，不同類別聚丙烯酰胺的作用原理及其助留助濾性能，並且可以改 善紙頁的平滑度和不透明度0

2.1CPAM與紙漿作用機理簡述

 

圖2電荷補丁、電荷中和及架橋機理模擬圖

2.1.1電荷補丁機理

由於纖維素本身帶有負電荷，與陽離子型的丙 烯酰胺聚合物將會發生較強的相互吸引力，這不僅 僅是相反電荷吸引的作用，同時也有著分子間相互 吸引力的貢獻，其中，微粒在液相中的具有的速度引 起碰撞也使電性吸附成為可能，其模擬機理圖H如 圖2A部分所示。

2.1.2電荷中和機製

高分子聚電解質之所以用於造紙濕部化學中， 是因為它們能夠通過上述氫鍵、範德華力、離子鍵作 用力等吸附於纖維之上。對於高電荷密度的陽離子 聚電解質而言，正負電荷間的靜電引力是其與纖維 間的主要作用形式，聚電解質吸附到纖維上後，會中 和纖維上的負電荷，引起紙漿表麵電荷的變化。而 這一變化與聚電解質在纖維表麵吸附分子構型的變

化密切相關，也影響到紙料表麵的電荷狀況和紙料 的絮集情形0。其模擬機理圖如圖2B部分所示。 2.1.3架橋機理

聚丙烯酰胺添加在纖維素懸浮液中，部分纖維 素會吸附在聚合物表麵。在水流作用下，細小纖維 並非平貼在聚合物表麵上，而是處於伸展狀態，模擬 機理圖如圖2C部分所示。在此基礎上，纖維素可 以繼續纏繞在聚合物上，在長度達到一定的情況下, 便可以使兩分子的聚合物相互聯結，達到纖維素絮 凝的效果。但是，同時受到水的剪切力的影響，架起 的橋鏈可能會斷開，這一影響對絮凝作用是極為不 利的。

根據以上簡要分析，容易猜想聚合物用量以及 聚合物電荷密度對整體絮凝作用會產生極大影響。 Blanco6等人研究了聚丙烯酰胺的用量以及電荷密 度對絮凝作用的影響，其研究充分體現了微粒作用 機理的合理性。另外M〇SSe&]和Kim8等人則詳細 研究了聚合物陽離子單體量、表麵粗糙度、溫度、 pH、攪拌時間與矽溶膠的添加等因素對絮凝效果的 影響，研究表明這些因素都影響了微觀下聚合物分 子與纖維素分子的相互作用。

2.2影響CPAM絮凝效率的因素

影響陽離子助留劑的絮凝效率的重要因素包括 物料添加量、電荷密度以及分子質量。分子的結構 細部對絮凝作用也產生_定程度影響。

2. 2. 1 電荷密度

許多研究已經證明了電荷密度是影響陽離子助 留劑行為的重要因素。在陰離子溶解物或膠狀物存 在的情況下，絮凝效率隨著陽離子聚合物電荷密度 增大而增大。另外研究顯示熱磨機械漿液中得到的 陰離子溶解物或膠狀物，對有大範圍密度變化的陽 離子聚合物的功能幹擾較小。

2. 2. 2 分子質量

許多研究已經表明陽離子助留劑的絮凝效率隨 分子質量增加而增加。高分子質量預計可以引起更 高效的架橋能力。據推測，這種效應是由於更為延 伸的聚合物鏈和環產生以及較大聚合物在纖維素表 麵和纖維埋藏點遷移率的降低所引起的。並有研究 發現在陰離子溶解物或膠狀物存在的情況下大分子 質量的陽離子助留劑絮凝作用並不明顯。

2.2.3CPAM添加點

原理上，當助留劑添加到紙機的時間和工業生 產相一致時，可以達到最大的助留效率。懸浮液中

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Paper Science & Technology 2012 Vol. 31 No.4 

的聚合物助留劑和固體填料表麵最佳作用時間僅僅 隻有數秒，特別是在現代新型造紙機的強大的水剪 切力的作用下，分子質量將會不斷減少，大分子將會 重新分配成_個較為平坦的構象。對於不同級別的 紙張，保障添加劑的初始效率以及成紙的均_性是 相當重要的。對於一個選定的保留效果，盡量減少 助留劑的使用量也是尤為重要的，因此，用篩網添加 助留劑也是很有意義的。

2.2.4添加順序

一些研究人員嚐試了以相反順序添加助留劑。 相關研究發現，相反次序添加可以提高乳膠顆粒的 保留效果,也有助於填料的保留。當助留劑的添加 時間與填料的添加時間間隔最短的時候，保留效果 將達到最大。即使許多文獻已經保證了相反次序的 添加方法，但是應用於造紙時,這樣的利益還不足以 克服實際情況下的問題。因為隨著在攪拌著的懸浮 液中與纖維的作用時間的推移，助留劑將會削弱它 的有效性能。每一次助留劑都提前於其它添加劑的 加入，那麽便會增加其在溶液中受到水力剪切的時 間。主要添加劑如果較晚加入到造紙係統中，會使 成紙在寬度方向上分布不均勻。有關研究也得出結 論，傳統的助留劑添加方法相對優勢大。

2.3CPAM用量影響

—般來說CPAM的用量在0.01% ~1.00%之 間，用量過多，細小纖維填料在紙中增加會導致紙張 強度下降。但單獨使用CPAM作助留劑時,容易產 生勻度變差、強度下降的缺點。於是人們考慮用二 元助留助濾係統63和CPAM微粒係統&0以增強效 果。陰陽離子PAM二兀助留體係由低分子量、高電 荷密度的CPAM和高分子量、低電荷密度的陰離子 聚合物配合使用&1。此係統作用機理為運用聚合 物使細小組分相互纏繞而產生大纖維絮凝團M，增 大紙頁孔隙度，使水和空氣能更自由地通過紙幅，促 使水從絮凝體之間脫去。但是體係存在不足，絮凝 體內部水無法脫去。

CPAM的性能檢測和指標有特性粘數、陽離子 度、紅外光譜分析和產品的絮凝，這又與產物相對分 子質量、引發劑用量和單體濃度有關&3。研究發現 陽離子澱粉與CPAM質量比達到1 : 1時，對紙環壓 強度影響最大，相對空白原紙環壓指數提高了 29.5%。

3陰離子聚丙烯酰胺（APAM)

陰離子型聚丙烯酰胺（APAM)是由丙烯酰胺單 體與丙烯酸的共聚物，或由非離子型聚丙烯酰胺水 解改性而得，其結構圖如圖3所示，結構中含有- COOH、-SO3H、- OSO3等基團。目前APAM已廣 泛用於采油、造紙、選礦、洗煤、冶金、建材、食品加 工、土壤改良等領域，尤其在工業水處理方麵得到了 極大應用。

—H,C—CH—H,C—CH—H/：—CH—HjC—CH—

/、/、/、

0 NH, 0 NH2 0 O' 0 NHj

圖3陰離子聚丙烯酰胺的結構

不同類別聚丙烯酰胺的作用原理及其助留助濾性能，當考慮到陰離子聚丙烯酰胺的電性與紙漿中纖 維素電性相同時，很難想象其能達到優越的助流性 能。當然，在考慮到碳酸鈣這類廣泛應用的填料添 加時，陰離子聚合物便顯現出其巨大的潛能。

人們已經解決了將聚合物吸附到纖維素表麵上 這一難題。鋁凝劑法是其中一種，這種方法采用明 礬作為其中的一種組分，在新配置好的鬆香、動物凝 膠、甲醛和硫酸鋁混合溶液添加後加入陰離子助留 劑，可以達到很好的絮凝效果。另外一種是使用陽 離子聚合物進行預處理，給陰離子聚合物在纖維素 表麵上提供一個附著點，增強陰離子聚助留劑的吸 附和絮凝效果。但APAM係統的缺點就在於其隻 適用於酸性造紙中。

3.1分子質量對APAM性能的影響

APAM是一種常用的造紙助劑，分子質量不同 的APAM用途不同，分子質量較大的用作分散劑， 分子質量較小的用作絮凝劑，分子質量介於絮凝劑 和分散劑之間的常與CPAM混合使用，應用於紙張 增強M。陰離子聚丙烯酰胺被用作分散劑是基於 它的髙羧基含量，髙羧基含量可以增加APAM的親 水性,而給纖維帶來更多的陰電荷，從而防止纖維絮 凝。實驗也表明，作為分散劑使用的APAM分子量 不應小於700萬，且因為其不受加熱和高剪切力的 影響，可以多次被回收利用。而APAM作為助留劑 主要是吸附作用，即高聚物分子鏈吸附劑與不同對 象（如填料、細小纖維等）間發生橋聯,隻要高聚 物分子鏈足夠長，跨距大於離子間有效排斥距離，在 較低的濃度下，可有效地促進絮聚凝作用M。 

《造紙科學與技術》2012年第31卷第4期 

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3.2APAM留著率的影響

留著率是指紙中所含的填料量占加入漿中的填 料量的百分數，而對APAM留著率主要影響因素 有:聚合物的分子量M、聚合物的鏈結構、聚合物的 水解度（羧基含量）、硫酸鋁存在與否及其用量。

硫酸鋁的存在與否對體係助留影響十分明顯。 APAM本身帶負電荷，一般和一些陽離子化合物構 成複合體係，起到較強的助留作用。在沒有硫酸鋁 存在時,APAM僅能通過絮凝作用使纖維絮凝。但 由於APAM與纖維具有共同的負電荷，不能直接結 合，所以細小纖維與填料的留著率較差;加入硫酸鋁 後，重新形成“APAM—陰離子硫酸鋁一陰離子纖維 素”鍵，使APAM和纖維等緊密結合，大大提高了 APAM的留著率&8。

3.3介質影響

陰離子聚丙烯酰胺在中性和堿性介質中呈高聚 物電解質的特征，對鹽類電解質較為敏感M。與高 價金屬離子能聯成不溶性凝膠體，以無粉塵和自由 流動的微顆粒狀態或膠狀供應，完全溶於水中，不同 類型的聚丙烯酰胺具有不同的活性基團，能使不同 的懸浮粒子絮凝，便於過濾及分離M。

4兩性聚丙烯酰胺（AmPAM)

兩性聚丙烯酰胺一般是指在大分子鏈節上同時 含有正、負兩種電荷基團的水溶性高分子，其結構圖 如圖4所示。其具有良好的水溶性，同時陰離子基 團對陽離子基團起著保護作用，能夠排斥在紙漿體 係中存在的“雜質陰離子” M。

CH2—<|：HCH：—(|；HCIU—Cl

CONH2 CONH2 CONH2 CONH2

圖4兩性聚丙烯酰胺的結構

4.1AmPAM的優勢

兩性聚丙烯酰胺能使陽離子基團不會過早地發 生反應或者被中和，同時其與僅含有一種電荷的水 溶性陽離子或陰離子聚丙烯酰胺相比，不僅兼具兩 者綜合性能，更具有明顯的“反聚電解質效應” M和 pH值適用範圍廣等特點。分子中含有的陰離子和 陽離子在分子鏈中的分布與含量對分子鏈的卷曲形 態有很大的影響16 ,從而影響其絮凝助濾效果。

4.2AmPAM的分子量選擇

兩性聚合物絮凝劑中的陽離子可以捕捉帶負電 荷的有機懸浮物，適量的陰離子單元和中性單元可 以促進無機懸浮物的沉降，發揮絮凝助劑的作用。 兩性聚丙烯酰胺彌補了陰陽離子的電荷平衡，適用 於寬pH值範圍和高封閉循環的抄紙係統。同時, 用途可以通過調節分子量的範圍和改變合成工藝來 實現不同的用途123。就分子量而言，小於10萬的 作為分散劑使用,25萬到50萬之間用作增強劑，用 於助留助濾的需大於100萬，而用於絮凝的分子量 需大於700萬。

4.3影響AmPAM助留助濾性能的因素

影響兩性聚丙烯酰胺助留助濾性能的因素有硫 酸鋁用量、增強劑用量、EDTA加入量、分子量、攪拌 速度、乳化劑用量、反應時間、引發劑用量、單體濃 度、溫度、pH值等M。

研究表明，反應溫度對兩性聚丙烯酰胺的助留 助濾性能影響較大M,主要是因為反應溫度對兩性 聚丙烯酰胺的分子量和留著率影響較大。隨著反應 溫度的增大，紙料留著率逐漸減小，打漿度逐漸變 大，說明隨著反應溫度的提高，兩性聚丙烯酰胺對二 次纖維的助留助濾性能變差。不同類別聚丙烯酰胺的作用原理及其助留助濾性能，主要原因可能是因為 隨著反應溫度的提高，兩性聚丙烯酰胺的分子量和 乳液的穩定性都下降,而分子量的降低影響著兩性 聚丙烯酰胺的助留助濾性能。但不能選擇很低的聚 合溫度，溫度過低,不易引發聚合，轉化率十分低;溫 度又不能過高，溫度過高會導致兩性聚丙烯酰胺的 助留助濾性能下降。

5非離子型聚丙烯酰胺（NPAM)

NPAM是一種分子量在200 -1200萬具有水溶 性的高分子聚電解質，其結構圖如圖5所示。由於 其分子鏈中含有一定數量的極性基團，它能通過吸 附水中懸浮的固體粒子，使粒子間架橋或通過電荷 中和使粒子凝聚形成大的絮凝物。所以，它可加速 懸浮液中粒子的沉降，加快溶液澄清。

—H,C—CH—H/：—CH—H,C—CH—HjC—CH—

/、/N 0 NH, 0 NH, 0 NH, 0 NH,

圖5非離子型聚丙烯酰胺的結構

NPAM在造紙中可以提高填料、顏料等存留率, 以降低原材料的流失和對環境的汙染；還能提高紙 張的強度（包括幹強度和濕強度）。另外，使用PAM 還可以提高紙抗撕性和多孔性。

NPAM較少的用於助留助濾中，在討論非離子 型聚丙烯酰胺的作用時，並不能應用目前已經討論 

Paper Science & Technology 2012 Vol. 31 No.4 

過的許多機理，電荷補丁、電荷停留、電荷複合等。 研究表明，高分子質量是NPAM作為助留劑的關 鍵。結果還是與眾多因素相關的，例如溫度、混合狀 態、混合時間以及各種細節。係統在機械漿中作用 效果優良，但是在無木質素的條件下卻不相適應。 特別是，由於NPAM係統不依賴於電荷作用，因而 它們可以在極高導電性體係或極高陰離子物質體係 中實現高效的助留效果。一些研究表明了 NPAM 與高電荷陽離子添加劑複合後使用效果較好&6，比 如在不同漿液中（包括熱機械漿）添加高電荷陽離 子澱粉混凝劑有助於增強NPAM助留體係的性能。

6前景與展望

聚丙烯酰胺類助留助濾劑在造紙領域中一直深 受關注。雖然國內外已經有了一定層次上的研究成 果，不同類別聚丙烯酰胺的作用原理及其助留助濾性能，但其優越性能還等待著進一步的發掘。作為一 個經久不衰的研究課題，聚丙烯酰胺類物質從單一 作用逐步發展為多元作用，不僅大大提高了助留助 濾性能,還節約了成本，減少汙染的排放。即使國內 外都已經開始向有機/無機複合助留助濾劑方向開 拓領域,聚丙烯酰胺類助留助濾劑的研究與應用仍 然受到眾多造紙研究家的青睞。