增強劑工藝提高獲利能力

Vladimir Grigoriev, Mikko M?kinen, Roberto Zulian 凱米拉公司

增強劑工藝提高獲利能力

Strength Technologies Improve Proftability

Vladimir Grigoriev, Mikko M?kinen, Roberto Zulian 凱米拉公司

本文回顧了紙頁增強劑的新發(fā)展，并通過行業(yè)案例分析論述了凱米拉（Kemira）公司增強劑帶來的經濟效益。

生活用紙市場是造紙行業(yè)發(fā)展最快的領域之一，從全球來看，2000—2007年，生活用紙的年均增長率為3.6%，而印刷和書寫紙只有1.8%。國內生產總值（GDP）的增長和人民生活水平的提高推動了生活用紙產量的增長。近來的經濟蕭條使生活用紙的增長速度有所減緩，但是，由于新興市場持續(xù)增長，生活用紙行業(yè)的前景仍是光明的。不過在目前環(huán)境下，因為纖維和能源成本持續(xù)增加，環(huán)保條例日益完善以及消費者對產品的性價比要求越來越高，所以生活用紙行業(yè)必須找到保持盈利的辦法。

能區(qū)分生活用紙產品的一個性能指標是紙頁的強度，為了獲得紙頁強度，通常要付出很高的代價。干、濕強度之間盡量平衡是獲得目標干、濕抗張強度，又對紙頁柔軟度和吸收能力不產生負面影響的關鍵。

為了獲得紙頁強度，造紙企業(yè)使用了眾多方法，其中選擇纖維種類以及對它們進行機械處理（如精漿）是最常見的。原生漿，尤其是針葉木硫酸鹽漿生產的紙頁最強韌，但是這種漿較貴。由于原生漿價格高以及環(huán)境壓力，生活用紙行業(yè)已轉向大量使用較便宜的廢紙漿，而用廢紙漿生產的紙頁強度不高。另外，在最近十多年里，廢紙漿的質量下降和可用量急劇減少，這對生活用紙行業(yè)來說又是一個巨大的挑戰(zhàn)。

流漿箱里漿料濃度或濕壓榨等生產要素都能對提高紙頁強度產生有利的影響，但又會妨礙達到其他指標，例如生產效率或紙頁松厚度等。如果原料或生產條件受到限制，使用化學品來控制強度通常是一種靈活和有經濟成效的手段。市場上有多種增強劑，本文簡要介紹了這些增強劑的化學特性，特別關注的是丙烯酰胺基聚合物。紙廠試用結果充分表明了它們給生活用紙生產帶來的經濟效益。

增強劑

多種天然聚合物以及合成樹脂都可用于調整生活用紙的紙頁強度。具體選用哪種增強劑就得視情況而定，需要考慮很多因素，如增強效果、增強劑的成本、對紙機運行性能和產量的影響、使用的方便性、產品的可用性和儲存期限等。最常用的增強劑及其特性見表1。

表1 常用的生活用紙增強劑

丙烯酰胺基聚合物用途特別廣泛，而且在過去幾年中，市場份額不斷增加。丙烯酰胺基增強劑主要包括兩個類別：液態(tài)聚丙烯酰胺（SPAM）和乙醛酸聚丙烯酰胺（GPAM）。下面將分別介紹它們各自的性能和用途。

SPAM：用途廣泛，使用方便

聚丙烯酰胺是用于紙機濕部的常見化學品，已知丙烯酰胺基聚合物可用于水處理和作為助留劑及干、濕強劑使用。提高干強度主要是由于酰胺基團能和纖維形成氫鍵，從而增強了纖維之間的結合力，如圖1所示。丙烯酰胺基聚合物用途非常廣泛，并可生產出各種分子量和電荷范圍的聚合物。

要達到干強劑目的，分子量必須足夠大才能確保有效地吸收和氫鍵鍵合，但分子量也不能太大，這樣聚合物才不會造成纖維過度絮凝和紙頁勻度差，否則會降低紙頁強度。這些聚合物通常以水溶液的形態(tài)出售，所以稱之為液態(tài)聚丙烯酰胺（SPAM）。

陽離子型和兩性SPAM都能夠自動吸附在纖維素纖維上，但是它們對有害膠體和溶解性物質（陰離子垃圾）極為敏感。而大量帶正電荷的離子（＞10%mol）可以解決此問題，但由于陽離子單體較貴，所以使用帶正電荷離子量大的聚丙烯酰胺（PAM）的成本也就高。食品及藥品管理機構（FDA、BfR）制訂的食品接觸材料法規(guī)對紙巾紙和餐巾紙的生產極為重要，這些法規(guī)也嚴格限制了SPAM的陽離子單體含量。

陰離子型SPAM需有陽離子對應物才能留著在纖維上。通常情況下，陰離子型SPAM和陽離子型濕強樹脂一起使用，這樣可同時起到提高紙頁干、濕抗張強度的作用。帶正電荷離子量大的聚合固定劑（如聚胺等）也可以作為陰離子型PAM的助留劑。凱米拉公司的FennoBond 85E就是一種陰離子型SPAM的助留劑，它是丙烯酰胺和丙烯酸共聚物。FennoBond 85E與PAE濕強樹脂一起使用特別有效。

圖1 聚丙烯酰胺分子與纖維素纖維之間的氫鍵鍵合

圖2表明，加較大量的濕強樹脂F(xiàn)ennoStrength PA 21可導致纖維過度陽離子化，并且還會限制樹脂進一步的吸收，當加入量為5kg/t漿時，已經對紙頁濕抗張強度產生不良影

響。PAE樹脂的留著較差，這會造成樹脂沉積、毛毯堵塞并產生大量泡沫。加入陰離子型SPAM（FennoBond 85E）可把纖維電荷轉變成負電荷，從而增加了陽離子PAE的留著率，其結果是濕抗張強度增加了40%。

圖2 FennoStrength PA 21 (PAE) 和FennoBond 85E (A-SPAM) 對Z-電位和濕抗張強度的影響

GPAM：提高生活用紙的干、濕強度

陽離子型乙醛酸聚丙烯酰胺（GPAM）是眾所周知的增強劑，通常被認為是產生干強度的基準物。如圖3所示，GPAM是一種反應性聚合物，通過脫水可與纖維素共價結合，結果是使紙頁同時產生干、濕強度。

GPAM與纖維素纖維在水中的反應是可逆的，其濕強效果是暫時性的，所以對損紙回抄沒有影響?？梢酝ㄟ^改變GPAM的分子結構來控制生活用紙產品的性能和衰變。對于紙巾紙這一類產品來講，通常需要較慢的衰變，而衛(wèi)生紙則需要較快的衰變，因為在室溫下，它必須容易在水中分散。

紙機案例分析

案例1：生產紙巾紙時使用陰離子型SPAM既節(jié)約了化學品，又提高了生產效率

一家大型生活用紙生產企業(yè)使用100%廢紙漿生產未漂折疊紙巾紙，這類產品的干、濕抗張強度都是重要的指標。生產過程中PAE濕強樹脂（WSR）的加入量為14～16kg/t（絕干漿），用于調控紙頁濕抗張強度，當時未使用干強劑。在如此大的WSR用量下，一些濕強樹脂沒有留著在纖維上，反而產生了大量的泡沫，并堵塞毛毯，還造成了其它一些紙機運行性能問題。最重要的是，大量的泡沫使得紙機沒法全速運行，導致減產。

圖3 GPAM與纖維素纖維之間的可逆反應

表2 試用FennoBond 85E生產紙巾紙的效果

凱米拉公司提供的陰離子型FennoBond 85E有助于提高WSR的留著率。試用結果見表2，紙漿中一加入FennoBond 85E，提高的干、濕抗張強度就能超過既定目標。這使WSR的使用量比以往平均減少30%，同時，WSR的更高效使用還減少了泡沫，從而消泡劑的用量減少了40%，并使紙機車速提高了14%，如圖4所示。另外，由于紙頁起皺率減少了3%，因此生產率提高了17%?？偟膩碚f，使用FennoBond 85E可節(jié)省約26歐元/t紙。

圖4 FennoBond 85E可減少消泡劑用量和提高紙機車速

案例2：使用GPAM增強劑，既節(jié)約化學品，又節(jié)約纖維

一家使用100%白色廢紙漿生產未漂白色紙巾紙的生活用紙廠在達到干抗張強度指標上遇到了困難。由于紙頁干抗張強度低，加工時頻繁斷紙，極大地降低了效率。而使用羧甲基纖維素（CMC）來提高干強度的效果也不理想。而且，這家生活用紙廠還接到客戶的抱怨，說產品有異味，這可能與使用CMC有關。

表3 試用FennoBond 3000生產以白色廢紙漿為原料的紙巾紙的效果

凱米拉公司提供的FennoBond 3000（GPAM樹脂）與FennoStrength（PAE樹脂）結合使用便可解決以上問題。表3為客戶態(tài)度和試用效果，以前CMC的用量為1.5kg/t漿，而現(xiàn)在FennoBond 3000的用量為1.4kg/t漿，結果是干、濕抗張強度分別提高了22%和45%。較高的紙頁干、濕強度可使定量降低15%，濕強樹脂的消耗量減少了14%。設備總效率從21%提高到60%，可節(jié)省約19歐元/t紙。另外，自從用FennoBond 3000代替CMC之后，再沒有聽到客戶抱怨產品有異味。

案例3：使用GPAM增強劑控制粉塵和節(jié)約能源

一家生活用紙廠用100%漂白原生漿生產廚房紙巾，該廠要求原紙的粉塵含量必須很低，否則會對加工效率產生不良影響。紙廠還利用精漿手段和酶來調控干抗張強度， PAE濕強樹脂與陰離子型SPAM結合使用來確保濕抗張強度。

凱米拉公司提供用于粉塵控制的FennoBond 3000（GPAM樹脂），試用結果見表4。為了確保所有化學品留著率高，濕部助劑的加入點和用量必須恰到好處，這樣，紙頁質量才能達到甚至超過指標。干抗張強度提高尤為明顯，而且精漿能耗減少了37%，這足以抵消FennoBond 3000的成本。紙頁干強度提高和減少精漿可降低生產過程的粉塵量，后來對加工過程產生的粉塵進行測量，證明粉塵量確實很少。

表4 FennoBond 3000可減少粉塵和節(jié)約能源

結論

對于生活用紙生產來說，增強劑是不可或缺的，它們不僅能讓生活用紙產品擁有所需的強度，而且還能提高加工效率和紙機生產能力，結果是利潤顯著增加。市場銷售的增強用化學品各種各樣，包括天然聚合物（如淀粉、CMC）和合成樹脂（如SPAM、GPAM、PAE）。由于丙烯酰胺基樹脂的獨特優(yōu)勢、易于使用和用途廣泛，它已占據增強劑市場的半壁江山。使用這類增強劑可以帶來諸多好處，其中包括較高的紙頁性能（強度、松厚度）、較低的定量、可用更多質量稍差的紙漿、降低能耗、較高的紙機車速、較高生產效率和其他化學品（如濕強劑、消泡劑）耗量較少等。

（曾曉桂編譯自Tissue World/2013年9—10月，陳海昌審校）