干强剂的种类及使用技巧

纸页强度指纸页承受各种机械力时的抵抗力，通常包括抗张强度、撕裂强度、耐折强度、抗弯强度、耐破强度、表面强度、内部结合强度和压缩强度等。在各强度指标中，有些是相互矛盾相互制约的，例如，提高纸浆打浆度虽能提高抗张强度，但会降低撕裂强度、透气度、不透明度和形稳性。为了达到既能提高干纸抗张强度，而又不影响纸张其他性能，就需要借助于化学助剂。这种用添加剂来增加干纸页强度的方法称之为增干强作用，所使用的化学添加剂称为增干强剂或干强剂。增加纸页干强度的目的主要是降低纸张生产的成本并提高纸页质量：在保持原有纸张质量的前提下，可以配用二次纤维或其他短纤原料，添加填料，降低纸页定量等方式来降低原料成本；可缩短打浆程度和打浆时间，节约电耗；可使用较低打浆度的纸浆抄纸，其滤水性能好，可提高车速从而提高产量并在一定程度上节约干燥用汽；纸页强度，不透明度，印刷性能，或卫生纸的柔软度会增强。

很多水溶性，能与纤维形成氢键结合的聚合物都可用作干强剂。植物纤维本身就含有天然的增干强剂：半纤维素，众所周知，从植物纤维中脱除半纤维素将使提高纤维间的结合强度变得困难。造纸工业中常用的干强剂可分成两类：天然聚合物和合成聚合物，前者如淀粉及其改性物、壳聚糖及其改性物、植物胶等；后者如聚丙烯酰胺、聚N-乙烯基甲酰/聚乙烯胺等。目前最常用的商品型干强剂仍为淀粉衍生物，约占市场总份额的95%左右。

1. 淀粉

淀粉及其洐生物（约占95%）是用量最大的干强剂，不仅能显著提高纸页的抗张强度、耐破度和耐折度性能，还能改善纸张的平滑度、光泽度、层间结合强度和油墨吸收性等。作为浆内增强的淀粉主要有3大类型，即原淀粉、变性淀粉和淀粉洐生物。

（1）原淀粉

用于造纸工业的淀粉主要有玉米淀粉、马铃薯淀粉和木薯淀粉，其性状各不相同。淀粉同植物纤维素均由葡萄糖分子基本单元构成，构型却不同。天然淀粉通常呈不规则的块状颗粒，吸水膨胀后的淀粉分子链与纤维素有很好的亲和性。

原淀粉做干强剂使用时，先用水将其制成浓度 3%～5%的悬浊液，再用蒸汽加热（87～95℃），制成凝胶状的糊状物冷却后使用。该过程即淀粉糊化过程，期间淀粉颗粒吸水膨胀，直至高度膨胀的颗粒相互接触，在整个介质中形成连续体（半透明的黏糊状），此时淀粉乳的黏度急剧增大。使用时，可将淀粉糊加入浆池中，也可用清水稀释后加入稳浆箱或流浆箱，还可以在网部直接喷淋。鉴于淀粉与纤维的良好亲和性，淀粉只要保留在纸页结构内就能起到相应的增强作用，但是进入流送系统的原淀粉在成形部留着率（约50%）较低，加上原淀粉糊化液黏度高，流动性差，稀释后可能产生结晶沉淀和分层现象，使用起来有诸多不便，因此改性淀粉和淀粉洐生物得到了快速发展。

（2）阳离子淀粉

阳离子淀粉是淀粉与胺等化合物反应生成含有胺基或铵基的醚衍生物，其呈阳电性，能与带阴电荷的纤维、细小纤维及填料等紧密结合，起到增强或助留助滤作用。评价阳离子淀粉改性程度的主要指标是取代度，其理论上最大值为3，造纸工业使用的阳离子淀粉取代度通常在0.01～0.07。生产使用时，依用途选择合适的取代度：提高强度为主要目的时，选择取代度较低的淀粉；提高助留助滤为主要考量时，选用取代度较高的淀粉；增强与助留助滤兼顾时，使用取代度适中的阳离子淀粉。

当前，商品级阳离子淀粉主要有叔胺烷基醚和季铵烷基醚两类，前者只有在酸性条件下才呈阳电性，因此仅适用于酸性抄造体系，后者在较大的pH范围内都呈正电性，因此对造纸的抄造环境由酸性向中碱性转变起到很大助推作用。当前，阳离子淀粉的生产主要是利用含有季铵基的环氧试剂在较高的pH和温度下与淀粉进行醚化反应制成淀粉醚。尽管阳离子淀粉对负电纤维、填料的吸附不可逆，但是长期并大量使用阳离子淀粉会导致抄造系统的过阳离子化。此外，为更有效地使用阳离子淀粉，还应注意其使用浓度、添加位置、添加顺序、糊化处理及其他助剂的影响。

（3）阴离子淀粉

阴离子淀粉分子上的活性羟基被磷酸及其盐类等酯化或被氧化成羧基，在水中离解呈负电。造纸工业常用的阴离子淀粉有磷酸酯淀粉、氧化淀粉和羧甲基淀粉等。(www.xing528.com)

2. 聚丙烯酰胺

在合成类的增干强剂中，聚丙烯酰胺是应用最广的。聚丙烯酰胺系列聚合物具有很强的絮聚作用，可使大分子链之间架桥，根据其离子性，具有不同的结合机理。对于阴离子聚丙烯酰胺，由于其带有负电荷，与纸浆纤维相同，因此在使用时必须加入阳离子促进剂，其中最具代表的物质为硫酸铝。为了减少使用阳离子促进剂，也可通过聚合反应在阴离子聚丙烯酰胺的结构上引入阳离子官能团。

阳离子聚丙烯酰胺的制备方法主要分为两类：聚丙烯酰胺阳离子改性法、丙烯酰胺单体与阳离子单体共聚。前者可通过Mannich反应（如图3-29）实现，即在一定条件下聚丙烯酰胺中的部分酰胺键与甲醛、二甲醛在一定条件下发生胺甲基化反应。

图3-29 Mannich反应

生成的叔胺阳离子聚丙烯酰胺可进一步反应生成季胺型阳离子聚丙烯酰胺，其优点在于自身带有阳电荷，使用范围广，使用时不需要加入硫酸铝类沉淀剂，另外还有助留助滤作用，因而得到了广泛使用。

尽管阳离子聚丙烯酰胺易于强烈吸附纸浆中许多带负电荷的物质，拉小纤维间距，使其容易形成氢键，从而提高纸张强度，但使用阳离子助剂也易产生过大的絮团，影响纸张匀度，因此减弱了增强效果，但这促进了两性聚丙烯酰胺的研发。两性聚丙烯酰胺的作用机理是使既有阳离子基团又有阴离子基团的助剂在纸浆中产生协同效应，其中阴离子基为羧基，阳离子基可为季氨基、叔氨基或伯氨基，通常阳离子基的含量高于阴离子基，因此其净电荷呈阳荷。两性聚丙烯酰胺利用高分子链上的酰氨基与纤维上的羟基形成氢键，使纤维之间相互交织增强，同时通过高分子链上的阳离子功能团可以直接和纤维负电荷形成离子键，而阴离子功能团则可以通过复合与体系中的铝离子结合，与纤维形成配位键。通过两性聚丙烯酰胺的作用，促使纤维之间形成交联网络，达到很好的增强效果。

3. 聚N-乙烯基甲酰/聚乙烯胺

近年来新研发的聚N-乙烯基甲酰和聚乙烯胺类干强剂正逐渐投入使用。这类水溶性的聚合物含有伯氨基，从而可以与纤维素形成氢键，增强了纤维间的结合力。将其应用于纸张时，在提高干强度的同时，不会影响纸张的松厚度及外观性质。

聚N-乙烯基甲酰和聚乙烯胺类干强剂是由甲酰胺进行聚合然后水解得到的，其分子质量和电荷密度可在很大范围内发生变化，从而适应不同的性能需求。中等分子质量、中低电荷密度的聚乙烯胺的增干强效果就非常好。为了进一步降低生产成本，可将其与其他产品联合使用，例如低/中阳离子电荷密度的聚乙烯胺同低分子质量、中/高阴离子电荷密度的聚丙烯酰胺，或者阳离子聚乙烯胺联合阴离子型聚N-乙烯基甲酰等。

这类产品在合成过程中不会有剩余的单体，并且不会含有甲醛或有机结合氯，因此在使用过程中也不会向废水中排放氯化合物，是一种环境友好型的助剂。目前德国和美国的相关组织已经允许在食品包装用纸中含有聚N-乙烯基甲酰和聚乙烯胺类化合物，允许的最大含有量为1.5%（相对于成纸）。目前市面上提供的聚N-乙烯基甲酰和聚乙烯胺化合物多是水溶液或乳剂（浓度为10%～40%）或可水溶性的粉末的形式，在使用前需要进行溶解即可，无需多余的步骤。利用此类助剂的最大优势就是在对高浓纸料悬浮液进行稀释时可实时测量其含量。一般而言，0.1%～0.5%的添加量即可满足大部分需求，过量使用时会导致纸料悬浮液含有过多正电荷，从而会减弱增强剂和其他助剂的效用。

一般认为决定纸浆干强度的主要因素有：纤维本身的强度、纤维之间的结合强度、纤维间结合的表面积和结合键的分布均匀程度。增干强剂能提高纸页的干强度主要是由于干强剂能有效地增加纤维之间的结合强度，而且经过干强剂处理的纤维能够经受住沿着结合键周边发生的应力集中情况，因而增干强剂也称为浆内胶黏剂。