草漿白泥碳酸鈣加填時AKD施膠問題的研究現(xiàn)狀

張亞增 劉金剛，3，* 蘇艷群，3

(1.中國制漿造紙研究院，北京，100102；2.制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102；3.造紙工業(yè)生產(chǎn)力促進中心，北京，100102)

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·草漿白泥·

草漿白泥碳酸鈣加填時AKD施膠問題的研究現(xiàn)狀

張亞增1，2劉金剛1，2，3，*蘇艷群1，2，3

(1.中國制漿造紙研究院，北京，100102；2.制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102；3.造紙工業(yè)生產(chǎn)力促進中心，北京，100102)

綜述了目前國內(nèi)草漿白泥資源化利用的現(xiàn)狀，以及草漿白泥碳酸鈣加填時AKD施膠問題機理的研究進展，并對國內(nèi)改善草漿白泥碳酸鈣加填時AKD施膠問題的方法進行了總結歸納。

草漿白泥；加填；AKD施膠

造紙白泥是堿法制漿堿回收工段的一種副產(chǎn)物，是紙廠在堿回收過程中燃燒黑液回收無機堿的同時產(chǎn)生的泥漿狀物質。對于木漿白泥已有相對成熟的回收利用方式，多采用高溫煅燒制成石灰循環(huán)使用。而草漿白泥由于其含有較多的硅物質，難以通過煅燒的方式回收利用[1]，往往作為一種固體廢棄物堆存或掩埋，這樣一方面帶來了嚴重的環(huán)境問題，另一方面也是對資源的極大浪費。為此，行業(yè)內(nèi)專家學者一直在積極探索草漿白泥的資源化利用。目前，白泥精制碳酸鈣加填已成為草漿白泥資源化利用最有效的方式。然而，實際應用中卻存在諸多問題，比如AKD用量升高、成紙白度差、膠黏物沉積等，其中尤以AKD用量增加問題最為嚴重[2]。因此，解決草漿白泥碳酸鈣加填中的AKD施膠問題成為草漿白泥資源化利用進程中最重要的環(huán)節(jié)。

1 AKD施膠

1.1 AKD施膠機理

AKD是一種淺黃色蠟狀物質，不溶于水，能溶于乙醇、二硫化碳等有機溶劑，在造紙中用作施膠劑時需先將其乳化。目前關于AKD施膠機理普遍認同的是留著、鋪展和反應三步法[3]，即AKD被加入到紙漿中后，在紙機濕部留著于纖維和填料表面；在隨后的干燥升溫過程中，AKD熔化，鋪展在纖維和其他吸附粒子表面，同時結構中的內(nèi)酯環(huán)打開，游離出活性基團；最后，隨著時間的推移，AKD上的活性基團和纖維上游離的羥基發(fā)生反應，形成β-酮酯鍵連接[4]，使得AKD的烷基疏水端朝外，從而使紙張獲得了抗拒液體的能力。

1.2 草漿白泥碳酸鈣加填時的AKD施膠問題

鑒于草漿白泥的主要成分為碳酸鈣，因此在資源化利用過程中業(yè)內(nèi)人士考慮到了將其作為紙張?zhí)盍系目赡苄浴５珜嶋H應用發(fā)現(xiàn)，使用草漿白泥碳酸鈣加填時，相同施膠劑用量下成紙的施膠度要遠遠低于商品碳酸鈣(PCC和GCC)加填紙的施膠度。雖然目前國內(nèi)已有多家造紙企業(yè)建成了草漿白泥碳酸鈣生產(chǎn)線，且運行較為良好，但生產(chǎn)出的草漿白泥碳酸鈣并非可以完全替代商品碳酸鈣加填，而是以較小比例與商品碳酸鈣混合加填。例如，在國內(nèi)某造紙企業(yè)實地考察了解到，該企業(yè)目前生產(chǎn)出的草漿白泥碳酸鈣加填量占填料總用量的40%左右，如繼續(xù)增加草漿白泥碳酸鈣用量，要達到預期的施膠效果噸紙AKD用量急劇上升。而AKD的價格要遠高于商品碳酸鈣，所以從經(jīng)濟角度出發(fā)，100%草漿白泥碳酸鈣加填在目前來說還很不現(xiàn)實。此外，大幅增加AKD用量又會造成白水中AKD富集，這些流失于白水中的AKD水解后帶來黏輥、糊網(wǎng)等問題。所以，AKD施膠障礙成為草漿白泥碳酸鈣加填應用中亟待解決的問題。

2 草漿白泥碳酸鈣加填時AKD施膠問題的機理研究

對于草漿白泥碳酸鈣加填時AKD施膠問題產(chǎn)生的機理，近年來學者們做了大量的研究，如：胡劍榕等人[5]從草漿白泥碳酸鈣與商品碳酸鈣的品質差異入手進行了研究；楊揚[6]分析了不同產(chǎn)地草漿白泥碳酸鈣的理化特性對AKD施膠的影響；高先強[7]探索了草漿白泥碳酸鈣中硅類物質的存在對AKD施膠的影響等。但總體來說還未達成廣泛一致的認識，諸如AKD施膠劑在草漿白泥碳酸鈣顆粒中的遷移滲透、水化硅酸鈣(C—S—H)的存在對施膠效率的影響等問題還有待后期進一步的研究、證實。

草漿白泥碳酸鈣代替商品碳酸鈣加填后，之所以出現(xiàn)較嚴重的施膠障礙，主要與草漿白泥獨特的理化特性有關。胡劍榕[8]通過對比分析草漿白泥碳酸鈣與商品碳酸鈣的特性差異，發(fā)現(xiàn)相比于商品碳酸鈣，草漿白泥碳酸鈣晶型散亂，顆粒呈無定形狀，有著較大的比表面積，因此認為在紙機濕部運行中草漿白泥碳酸鈣顆?？赡芪搅溯^多的AKD施膠劑，導致這些施膠劑未能與纖維發(fā)生反應，從而降低了AKD的施膠效率。Wang等人[9]分析了不同晶型的碳酸鈣填料對AKD的吸附差異，發(fā)現(xiàn)草漿白泥碳酸鈣因無定形的顆粒形態(tài)，較大的比表面積，確實會吸附更多的施膠劑粒子，同時證實了填料對施膠劑粒子的吸附量越大，成紙的施膠效果越差。這些研究均表明草漿白泥碳酸鈣散亂的晶型結構導致其具有較大的比表面積，可能在紙機濕部吸附較多的施膠劑而引起施膠效率降低。

劉念等人[10]在此基礎上進一步實驗發(fā)現(xiàn)，對草漿白泥碳酸鈣加填紙進行鹽酸浸泡處理后，紙張的施膠度提高明顯，認為可能是AKD在濕部被草漿白泥碳酸鈣吸附后，在紙幅的干燥過程中受高溫熔化，遷移滲透至白泥碳酸鈣顆粒的孔隙之中，而通過鹽酸預處理后，碳酸鈣發(fā)生反應而滲透在其中的AKD被重新釋放出來，使紙張的施膠度提高。

引起草漿白泥碳酸鈣加填AKD施膠障礙的深層原因可能還是草漿白泥碳酸鈣獨特的化學成分。眾所周知，草類原料含有大量的硅成分，硅類物質在蒸煮后隨黑液進入了堿回收工段，自此貫穿整個堿回收過程。所以在最終的草漿白泥碳酸鈣成品中，仍然含有大量的硅物質。蘇艷群等人[11]研究了白泥碳酸鈣中酸不溶物(主要是硅類物質)對AKD施膠效率的影響，結果表明，白泥碳酸鈣中酸不溶物含量越高，其施膠性能越差。孟遠行[12]探究了綠液中硅物質的存在對白泥苛化過程的影響，發(fā)現(xiàn)硅含量越高，白泥的粒徑分布越窄，所形成的白泥粒子比表面積也越大。夏新興等人[13]在實驗中證實了綠液中硅物質的存在對白泥結構的影響，并發(fā)現(xiàn)硅含量越高越有利于白泥顆粒形成較小尺寸的孔隙。目前大部分學者認為由于硅類物質的存在，影響了苛化過程中白泥碳酸鈣晶型的形成，致使生成的白泥碳酸鈣顆粒晶型散亂，粒子疏松多孔，而這種多孔性的結構又帶來比表面積較大、易于吸附施膠劑的問題，最終使AKD施膠效率降低。

此外，還有部分學者認為，可能是苛化過程中生成的硅酸鈣影響了白泥的品質和施膠效率，并提出這種硅酸鈣并不是常規(guī)意義上的硅酸鈣，而是凝膠狀的C—S—H，一種類似于絮狀的沉淀[11]。工業(yè)生產(chǎn)實踐表明[2]，白泥在苛化后精制碳酸鈣的過程中，存在濾水困難等問題，這些現(xiàn)象可能與C—S—H的存在有關。此外，蘇艷群等人[8]也在研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過碳化處理后的草漿白泥碳酸鈣，加填時成紙的施膠度下降明顯，根據(jù)文獻[15]推測可能是碳化過程中C—S—H反應生成了硅酸，使得AKD的施膠效率降低。

3 改善草漿白泥碳酸鈣加填時AKD施膠問題的方法

雖然對于草漿白泥碳酸鈣加填時AKD施膠效率低下的機理尚不夠明確，但對改善方案的探索卻從未停止過。大部分方案在實驗室都取得了成功，但受制于工藝操作的復雜性及應用成本過高，在實際生產(chǎn)中的推廣還十分稀少?？v觀國內(nèi)的研究現(xiàn)狀，主要改善方法包括如下幾種。

3.1 除硅法

硅是造成草漿白泥難以資源化利用的“罪魁禍首”，因此專家學者們首先想到了除硅以解決這些問題的可能性。目前來看，從除硅角度出發(fā)研究的主要有以下幾種。

3.1.1 黑液除硅

如果能在堿回收的初始階段除硅，那么就可以避免其對后續(xù)工藝的影響，如對蒸發(fā)效率、燃燒、苛化產(chǎn)物等的影響。目前對于黑液除硅研究較多的是二氧化碳法和生石灰法，但二氧化碳法存在硅酸粒子難以沉淀，黑液熱值降低等問題；而生石灰法的不足之處在于藥品耗量大，產(chǎn)生的硅渣多，增加了固體廢渣處理的難度與費用，另外石灰的純度也會影響黑液除硅的效果，過量石灰不利于黑液蒸發(fā)[16]?？傊?，目前還沒有成熟的黑液除硅技術能夠應用于實際生產(chǎn)。

3.1.2 綠液除硅

綠液除硅較黑液除硅研究得更多一些，主要原因是黑液除硅面臨的困難較大，綠液除硅的操作相對容易。目前已有學者探究了綠液除硅對苛化后白泥碳酸鈣加填施膠效率的影響。劉羚等人[17]通過自然澄清、過濾、提純3種不同方式對工廠綠液進行處理，處理后的綠液具有不同含量的不溶物，然后苛化加填抄紙，發(fā)現(xiàn)不溶物含量對白泥碳酸鈣加填后的施膠效率影響顯著，不溶物含量越低，成紙的施膠效率越高。王幸[18]采用碳化法對綠液進行除硅處理，發(fā)現(xiàn)綠液經(jīng)除硅后，苛化形成的白泥碳酸鈣晶型趨于規(guī)整，粒子比表面積下降明顯，經(jīng)檢測其對AKD的吸附量也呈下降趨勢，紙張AKD施膠的施膠度提高明顯，證實了通過除硅改善成紙施膠效果的可能性。

3.2 留硅法

以上對除硅法的研究較多，但實際生產(chǎn)中真正應用的除硅技術卻很少。目前工業(yè)生產(chǎn)中普遍的做法是保留黑液中的硅物質，對苛化白泥做進一步精制處理。所以，與實際生產(chǎn)貼合度較高的改善方案應當還是在現(xiàn)有的生產(chǎn)基礎上加以改進，以便更為企業(yè)所接受。綜合來看，在保留硅的基礎上改善施膠問題的方式主要有以下幾種。

3.2.1 預絮聚處理

填料的預絮聚是指在填料加填之前，在其懸浮液中加入一種或幾種絮凝劑，使填料粒子先發(fā)生絮聚，然后將所得絮聚體用于加填的處理方式。國外已有研究證明填料經(jīng)預絮聚處理后對施膠效果有一定的促進作用。Chauhan等人[19]研究發(fā)現(xiàn)，采用用量為0.8%(相對填料絕干質量)的陽離子淀粉(CS)或者兩性淀粉對滑石粉進行預絮聚處理后加填，紙張的Cobb60值從32.4 g/m2分別降低至26.84 g/m2和25.24 g/m2，還提出導致AKD施膠效率提高的原因可能是滑石粉經(jīng)淀粉預絮聚后，粒徑增大，且表面上與AKD可結合的位點因吸附了淀粉而增多。Laleg等人[20]的研究也發(fā)現(xiàn)，采用丙烯酸丁酯-苯乙烯共聚物對PCC進行預絮聚后，可顯著提高AKD的施膠效率，且丙烯酸丁酯-苯乙烯共聚物的用量越多，AKD施膠效率提升越明顯。

Peng等人[21]采用了陽離子淀粉和陽離子淀粉/聚丙烯酰胺對白泥碳酸鈣進行了預絮聚處理發(fā)現(xiàn)，兩種方式處理后的白泥碳酸鈣粒徑都有所增大，粒子的Zeta電位提高，比表面積減小，加填后成紙的施膠效率顯著提高，其中陽離子淀粉/聚丙烯酰胺處理后的效果更為明顯。分析認為施膠效率提高的原因主要是Zeta電位升高和比表面積下降所導致的白泥碳酸鈣粒子對AKD施膠劑的吸附減少，從而使施膠效率提高。

3.2.2 表面改性

表面改性可以說是目前改善AKD施膠問題應用最普遍，也最有效的方法。表面改性的靈感大致來源于對商品碳酸鈣改性的成功應用。對填料改性的試劑很多，考慮到成本等因素的限制，采用淀粉改性的方式最為普遍。有研究者采用淀粉對PCC進行改性，發(fā)現(xiàn)改性后PCC加填時紙張的強度性能明顯提高，但對紙張的施膠效果無明顯影響[22]。胡劍榕等人[23]采用淀粉-硬質酸鈉復合物對白泥碳酸鈣進行改性，發(fā)現(xiàn)改性后的白泥碳酸鈣比表面積降低明顯，并使表面具有疏水性，加填時施膠性能得到了明顯的改善。他對比了與未改性白泥碳酸鈣、商品碳酸鈣的效果差異發(fā)現(xiàn)，在加填量為42%時，改性白泥碳酸鈣加填紙施膠效率較未改性白泥碳酸鈣加填紙?zhí)岣吡?19%，幾乎接近于商品碳酸鈣加填的水平。

何柳[24]采用陽離子苯乙烯-丙烯酸酯對白泥碳酸鈣進行改性，與未改性白泥碳酸鈣相比，改性白泥碳酸鈣的疏水性能有效提高，且比表面積和Zeta電位分別下降了31.09%和38.55%。眾所周知，填料粒子的比表面積和Zeta電位會直接影響填料對濕部助劑的吸附，進而影響最終AKD的施膠效率。因此，改性后白泥碳酸鈣對施膠劑的吸附量明顯降低，成紙施膠度提高。另外，這種改性白泥碳酸鈣還能有效地減緩紙張的施膠逆轉進程。

3.2.3 濕部助劑添加工藝的優(yōu)化

在實際生產(chǎn)中，AKD往往是在填料之后加入，這主要是考慮到填料的留著和白水處理難度。王桂林[2]認為助劑及填料的加入順序對AKD的施膠效果影響很大，尤其在草漿配比高和白泥碳酸鈣加填的施膠體系中。他提出在加入AKD施膠劑之前，應先加入一定量的陽離子絮凝劑，以排除體系中陰離子的干擾。白泥碳酸鈣應在陽離子絮凝劑和AKD之后添加，并且白泥碳酸鈣的加入點最好能遠離AKD，以減少白泥碳酸鈣與AKD的接觸時間，降低白泥碳酸鈣對AKD的吸附。何柳[24]在實驗中證實了白泥碳酸鈣在加入AKD之后加入比在加入AKD之前加入更有利于提高AKD的施膠效率。

3.2.4 吸附抑制

基于草漿白泥碳酸鈣加填影響施膠效率的原因可能是草漿白泥碳酸鈣對AKD施膠粒子的大量吸附，導致了有效施膠粒子的減少，所以有學者研究了通過抑制白泥碳酸鈣對施膠劑的吸附來改善成紙的施膠度。劉羚[25]研究了添加濕部助劑聚酰胺環(huán)氧氯丙烷(PAE)和Al2(SO4)3對施膠的影響，結果發(fā)現(xiàn)PAE 用量從0增加到0.2%，紙張施膠度幾乎呈線性增加，Cobb60值從原來的94.3 g/m2降至19.7 g/m2，施膠度提高了近79.1%。而采用Al2(SO4)3后，紙張的施膠度隨著其用量的增加卻明顯降低，認為造成這種現(xiàn)象的原因可能是Al2(SO4)3的加入使得AKD的水解加速，從而降低了成紙施膠度。關于這方面研究還較少，未來學者可進一步深究并驗證，以取得突破性的進展。

4 結 語

4.1 對草漿白泥碳酸鈣加填時影響AKD施膠性能機理的認識總體而言還不夠全面和深入，有待進一步研究完善。例如，草漿白泥碳酸鈣中硅酸鈣物質影響施膠效果的具體機理；草漿白泥精制碳酸鈣過程中進行碳化處理,加填后施膠效率下降的原因等，都可作為今后研究的課題。

4.2 查閱現(xiàn)有的研究成果，發(fā)現(xiàn)關于草漿白泥碳酸鈣粒徑分布影響AKD施膠效果的研究較少。相對于商品碳酸鈣，草漿白泥碳酸鈣的粒徑變化無常，而草漿白泥碳酸鈣寬泛的粒徑分布是否是影響施膠效率的因素，還需進一步研究論證。因此今后可在這一方面做相關深入的研究，以完善草漿白泥碳酸鈣加填影響AKD施膠的理論體系。

4.3 雖然草漿白泥碳酸鈣表面改性等方法對提高AKD施膠效率有一定的效果，但受制于工藝操作復雜、生產(chǎn)成本較高等原因，很難真正應用到生產(chǎn)實際中。所以未來應著手于開發(fā)更簡單、更實用的改善方法，以切實改善生產(chǎn)中的AKD施膠問題。

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(責任編輯：郭彩云)

The Current Research Status of AKD Sizing Problem in Loading with Straw Lime Mud

ZHANG Ya-zeng1,2LIU Jin-gang1,2,3,*SU Yan-qun1,2,3

(1. China National Pulp and Paper Research Institute, Beijing, 100102; 2. National Engineering Lab for Pulp and Paper, Beijing, 100102; 3. Productivity Promotion Center of Paper Industry, Beijing, 100102)(*E-mail: liujgang@126.com)

The current domestic research status of straw lime mud utilization was introduced in this paper. The mechanism of AKD sizing problem when lime mud was used as a filler was elaborated, and the solutions to improving AKD sizing problem were primarily summarized.

straw lime mud; filling; AKD sizing

張亞增先生，在讀碩士研究生；主要研究方向：造紙固體廢棄物的資源化利用。

2017- 04- 05(修改稿)

TS727

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.07.014

*通信作者：劉金剛，教授級高級工程師；主要研究方向：涂布技術與工藝。