應(yīng)用于造紙濕部沉積物控制的新型助劑

多年來，人們研究了許多有關(guān)樹脂和黏性沉積物的控制方案，但實(shí)際上，到目前為止，還沒有哪一種理論或技術(shù)能滿足成本效益分析，并獲得市場認(rèn)可的。該文介紹了昂高公司（Archroma）開發(fā)出的一種新型的沉積物控制產(chǎn)品Cartaspers?SCS。文章介紹了Cartaspers?SCS控制沉積物的機(jī)理，Cartaspers?SCS使用效果評估的測試方法和Cartaspers?SCS在紙機(jī)濕部的應(yīng)用及其案例分析。Cartaspers?SCS的應(yīng)用結(jié)果表明:Cartaspers?SCS可有效代替礦物吸附劑和陽離子聚合物混凝劑，并可有效解決與紙張中樹脂和黏性污染物相關(guān)的一系列問題。Cartaspers?SCS產(chǎn)品現(xiàn)已被許多造紙商接受并使用，他們發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)帶來的效益遠(yuǎn)大于處理成本。

1 前言

在漿料制備過程中，廢紙會釋放出樹脂和黏性顆粒。其中，較大的碎片可以通過機(jī)械篩選和清潔處理去除，但大部分顆粒仍會通過150 μm的狹縫進(jìn)入到造紙機(jī)濕部。雖然對這些污染物的最有效處理方式似乎還沒有達(dá)成共識，但大多數(shù)人都認(rèn)為處理較小的單個顆粒不是很棘手的問題。二次膠粘物，也就是因膠粘物絮聚形成的大尺寸的膠粘物才是紙張質(zhì)量惡化的主要原因。

在圖片印刷領(lǐng)域中，較大體積黏性斑點(diǎn)的表面能比纖維素纖維還要低，會導(dǎo)致油墨吸附不均勻，造成印刷過程中圖像質(zhì)量的下降。

薄頁紙部門的印染工作者經(jīng)常抱怨“黏性下降”的問題。體積較大的膠粘物會夾在質(zhì)量等級較輕的紙層之間，并以類似于壓敏黏合劑的方式發(fā)揮作用。當(dāng)這些層間接觸點(diǎn)的數(shù)量達(dá)到臨界水平時，紙層在復(fù)卷過程中會粘在一起。如果黏合點(diǎn)處的黏著力大于紙張強(qiáng)度，則會造成卷紙斷裂，從而進(jìn)一步導(dǎo)致停機(jī)和生產(chǎn)損失。

為了解決成紙中因較大體積膠粘物顆粒引起的相關(guān)問題，多年來造紙相關(guān)人員已經(jīng)引入了幾種不同的濕部處理方案。其中最受歡迎的方案之一是陽離子聚合物凝結(jié)劑的使用，其原理是將微黏性顆?！肮潭ā痹诩垵{纖維上，從而使它們保留在紙張中，同時還能使其仍保持很小的尺寸（圖1）。理論上，這種方法比較適合在紙漿濃度較高[w（漿料）＞3%]的情況下使用。因?yàn)榇罅康睦w維素材料可以保留系統(tǒng)內(nèi)含量相對較少的黏性顆粒。

圖1 在高濃漿料中，陽離子聚胺對膠粘物的固著作用

然而，這種固著方法不適合用于低濃漿料中。在低濃漿料中，膠粘物的數(shù)量可以超過單個纖維的數(shù)量（圖2）。加入陽離子聚合物后，循環(huán)稀釋水中的陰離子電荷降低，同時還會受到膠粘物顆粒的嚴(yán)重污染。在稀釋后的漿料中，殘余的陽離子聚合物會凝結(jié)因纖維含量較少而不能保留在纖維上的膠粘物。此外，膠粘物顆粒之間也會發(fā)生團(tuán)聚，從而生成粒徑更大的二次膠粘物。請注意，這種處理方式得不償失，因?yàn)闀l(fā)出更多的問題。

一些造紙工作人員偏向于在紙機(jī)濕部添加無機(jī)吸附劑吸附樹脂和膠粘物顆粒，如滑石粉、膨潤土、硅藻土等。這些無機(jī)吸附劑最終會保留在紙張中，其目的是減少低濃漿料中疏水性污染物的堆積?；凼侵茲{工業(yè)中一種主要的原材料，主要用于控制成品漿中的樹脂含量，也可將其應(yīng)用于因膠粘物造成沉積物和紙張質(zhì)量問題的以回收纖維為原料的造紙廠中。

圖2 陽離子聚胺在低濃漿料中對膠粘物的固著作用

片狀滑石粉本質(zhì)上是相對親有機(jī)物質(zhì)的，因此傾向于吸附膠粘物等疏水性污染物。與小粒徑的黏性顆粒相比，滑石粉的主要缺點(diǎn)是其片狀的尺寸?；鄣钠骄酱蠹s為2 μm，而大多數(shù)膠體膠粘物粒徑小于1 μm。圖3描述了膠粘物吸附在片狀滑石粉表面的過程。需要注意的一個關(guān)鍵點(diǎn)是該“復(fù)合物”的外表面富含黏性顆粒，當(dāng)保留在紙張中時仍然保持有一定的黏性。

圖3 黏性顆粒在滑石粉上的吸附機(jī)理

在實(shí)驗(yàn)室中若缺乏完美的測試方法對沉積物控制添加劑的性能進(jìn)行評估，那是存在一定問題的。昂高公司開發(fā)出了一系列的實(shí)驗(yàn)室程序，致力于評估新的和現(xiàn)有的沉積物控制技術(shù)。其內(nèi)部人員稱這種評估方法為“薄膜測試”。該方法是基于小粒徑的膠粘物顆粒（即黏性）會黏附到疏水表面上的原理。在紙廠中，這種疏水性表面可以是機(jī)器織物或橡膠覆蓋的導(dǎo)輥，但在實(shí)驗(yàn)室測試中，用聚酯薄膜條作為替代物。該方法包括漂白闊葉木漿的制備，一個小的不干膠標(biāo)簽和最低溫度為50℃的水，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%的氯化鈣后，將混合物置于高速折彎機(jī)中并充分?jǐn)嚢? min。高速剪切混合使標(biāo)簽背面的壓敏黏合層分解，形成了大量體積變小的膠粘物顆粒。然后將漿料轉(zhuǎn)入到一個玻璃量杯中，加熱水調(diào)節(jié)其最終體積。

將聚酯薄膜條小心地放置在5個玻璃破碎機(jī)內(nèi)，使重疊部分沿著葉輪旋轉(zhuǎn)的方向。攪拌器組可同時做5組試驗(yàn)。通常情況下，第1個破碎機(jī)用于空白樣測試，即樣品中沒有添加劑。其他4組試驗(yàn)，可以對2種不同的添加劑分別在2個不同的用量下進(jìn)行比較。每個測試組都使用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室攪拌器攪拌200 mL紙漿樣品。除空白樣外，在每組樣品中加入一定量稀釋或分散至1%濃度的添加劑，并繼續(xù)攪拌30 s。然后將漿料轉(zhuǎn)移至5個破碎機(jī)中的某一個。用攪拌器繼續(xù)攪拌15 min。

在攪拌的最后1 min，向每個破碎機(jī)中加入少量的油溶性藍(lán)色染料。沾染上藍(lán)色染料后，原本呈白色的膠粘物顆粒會變的更為顯眼。攪拌15 min后，清空破碎機(jī)。將薄膜條從破碎機(jī)中轉(zhuǎn)移出來，并用冷水輕輕洗滌，以去除殘余的纖維，然后在溫度為105℃烘箱中加熱10 min，以蒸發(fā)掉多余的水分。吸附在薄膜條上的膠粘物數(shù)量，可以借助圖像分析軟件進(jìn)行計(jì)數(shù)。

例如，圖4顯示了某一級別的滑石粉，其作為一種沉積物控制添加劑的應(yīng)用性能（圖中“kg/t”指噸絕干漿添加量，下同）。

由圖4可見，隨著滑石粉用量的增加，吸附在薄膜條上的膠粘物顆粒數(shù)量明顯下降。然而，要想達(dá)到50%的膠粘物改善效果，則需要添加大量的滑石粉（8 kg/t）。此外，在一些紙廠中，滑石粉產(chǎn)生的額外灰分并不受歡迎。

圖4 滑石粉添加劑在不同添加量下對膠體沉積物控制的影響

由于現(xiàn)有沉積物控制技術(shù)的不足，昂高公司發(fā)起了一項(xiàng)研發(fā)項(xiàng)目，以開發(fā)出一種新的沉積物控制方法。在短時間內(nèi)，昂高公司即以Cartaspers?SCS Liquid的商業(yè)名義引入了一種新的濕部處理概念。

Cartaspers?SCS Liquid是一種水基聚合物乳液，具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。它對親水性材料如纖維素纖維沒有親和力，但容易與疏水性污染物，如樹脂、再生膠和乳膠顆粒相結(jié)合。

Cartaspers?SCS Liquid作為濕部膠粘物控制劑的新定義表述如下:

（1）白色，低黏度，納米顆粒乳液聚合物；

（2）乳液顆?？杀挥米鳌盎厶娲贰保?/p>

（3）與滑石粉相比，粒徑更?。?0～100 nm）；

（4）每克絕干 Cartaspers?SCS中，其顆粒數(shù)量＞20萬億個；

（5）聚合物乳液不能成膜……干燥后無黏性；

（6）乳液對硬水較為敏感，在紙機(jī)濕部稀釋時會發(fā)生“破損”；

（7）稍微高些的溫度有助于提高其性能（如分散劑添加）；

（8）聚合物與其他疏水性顆粒相“連接”；

（9）減少膠乳粒子的黏性；

（10）提高黏結(jié)點(diǎn)柔軟性；

（11）減少再生膠粘物的形成，預(yù)防絮聚及在機(jī)械裝置和機(jī)器織物上的沉積；

（12）污染物保留在紙張中，或者從DAF裝置中與污泥一起被移除。

用于制備Cartaspers?SCS Liquid產(chǎn)品的單體也已被批準(zhǔn)可應(yīng)用于食品可接觸塑料制品中，因此，該產(chǎn)品符合BfR建議XIV和XXXVI的規(guī)定。

Cartaspers?SCS Liquid產(chǎn)品呈輕微的陰離子性質(zhì)，從而可確保乳液顆粒在造紙?jiān)现械目焖俜稚ⅰ＿@種稀釋效應(yīng)引發(fā)了一種不穩(wěn)定的過程。產(chǎn)品中的乳化劑，起到保護(hù)和穩(wěn)定微小乳液顆粒的作用，但當(dāng)在硬水中被嚴(yán)重稀釋時則變得不溶。這種轉(zhuǎn)變產(chǎn)生了一種不穩(wěn)定的聚合物球體，這種球體還會“搜尋”其他的疏水性顆粒，形成一種具有高Tg的低黏性團(tuán)聚物（圖5）。

膠粘物的鈍化（passivation）原理與滑石粉使用后的原理相似。但是，這2種產(chǎn)品的粒徑存在顯著差異，Cartaspers?SCS Liquid產(chǎn)品的粒徑為100 nm，而滑石粉通常為2 μm，這使得體積更小的Cartaspers? SCS合成顆粒能夠包裹住黏性物質(zhì)并形成一個堅(jiān)硬的“外殼”。用這種方式對膠粘物進(jìn)行表面改性，可以減少膠粘物的絮聚。這種鈍化技術(shù)（圖6）有助于防止再生膠粘物的形成。鈍化后的微膠體和膠體顆粒，其粒徑或多或少會發(fā)生改變。之后，這些微膠體和膠體顆?？梢酝ㄟ^額外的回水通道流出系統(tǒng)，也可以以良性形式保留在紙張中。

膠粘絮聚物經(jīng)Cartaspers?SCS顆粒處理后，黏性會變小，在較高溫度下也會變得柔軟。因而，在與紙機(jī)干燥部等熱表面接觸的紙上的膠粘物，會大都保留在紙上，而不會從紙張上掉落下來。Cartaspers?SCS產(chǎn)品獨(dú)特的物理性能，以及極小的粒徑（每千克絕干質(zhì)量包含超過200萬億個的聚合物球體），使其具備一種良好覆蓋能力的高表面積特性。該產(chǎn)品不能形成薄膜，只能干燥成灰塵。當(dāng)黏性物質(zhì)被高Tg聚合物覆蓋時，表面黏度會顯著降低，即使在高溫下也是如此。

圖5 Cartaspers?SCS對膠粘物顆粒的吸附機(jī)理

圖6 Cartaspers?SCS Liquid在濕部使用時對膠粘物的鈍化

2 Cartaspers?SCS Liquid在造紙濕部的應(yīng)用

首先要確定黏性污染物的主要來源。通過溶劑萃取法，分析來自紙機(jī)濕部系統(tǒng)內(nèi)各個點(diǎn)的紙漿樣品。在使用不同紙漿混合物的情況下，僅需要處理受污染的那組紙漿即可。加入到高濃漿料中的Cartaspers?SCS通常需要連續(xù)計(jì)量，且無需近一步稀釋。高濃漿泵的入口側(cè)是一個比較理想的添加點(diǎn)。產(chǎn)品劑量根據(jù)污染程度而有所不同，但通常情況下每噸紙用量在1～2 kg范圍內(nèi)（按提供的樣品來計(jì)）。對于該低黏度產(chǎn)品，只需要1臺計(jì)量泵就可以達(dá)到連續(xù)添加的目的。

Cartaspers?SCS的設(shè)計(jì)目的是作為一種單一的添加劑，可以在硬水環(huán)境中有效地工作。許多造紙廠的工藝用水已具有足夠的硬度，而那些將廢水用作纖維來源的造紙廠廢水硬度通常會超過質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.025%（以CaCO3計(jì)），這足以引發(fā)Cartaspers?SCS乳液粒子的失穩(wěn)性。

對昂高公司的薄膜試驗(yàn)簡易修改后，即可用來測試來自造紙廠的黏性沉積物。根據(jù)TAPPI測試方法T 204cm-07，可以在Sohxlet裝置中使用二氯甲烷（DCM）對DAF污泥樣品進(jìn)行溶劑萃取，從而以提取物的形式溶解和分離出膠粘物。在提取物溶劑蒸發(fā)后，與一張吸墨紙接觸，會形成一張黏性紙。使用黏性紙樣品代替黏性標(biāo)簽，可以獲得更為真實(shí)的結(jié)果。圖7為不同水硬度條件下，Cartaspers?SCS應(yīng)用性能的薄膜測試結(jié)果示例。

測試結(jié)果與造紙廠的反饋一致，在Cartaspers?SCS用量為2 kg/t（相對絕干漿）時，可減少80%的黏性污染物。在水硬度較低的條件下，要大幅度提高Cartaspers?SCS的添加量才能達(dá)到相同的效果，但大多數(shù)使用回收纖維為造紙?jiān)系募垙S都能滿足該產(chǎn)品所需的水硬度值。

圖7 水的硬度對Cartaspers?SCS性能的影響

與滑石粉相比，Cartaspers?SCS產(chǎn)品的平均效率要高出10倍以上。在紙機(jī)試驗(yàn)中，可用1 kg/t的Cartaspers?SCS產(chǎn)品代替10 kg/t的滑石粉。除了易于處理和零灰分等額外的好處，滑石粉的替換也是一種極具成本效益的方法。

3 Cartaspers?SCS應(yīng)用于某薄頁紙紙廠的案例分析

3.1 紙機(jī)說明

紙機(jī)年產(chǎn)量為60 000 t。紙張等級:衛(wèi)生紙、擦手紙和擦拭紙，定量為15～24 g/m2。紙機(jī)類型:雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，揚(yáng)基烘缸。定邊裝置:5.6 m。紙機(jī)運(yùn)行速度:1 500～1 800 m/min。原料:100%回收漿（脫墨漿）。

3.2 試驗(yàn)前狀況

（1）由于機(jī)器織物被黏性物污染，所使用的清洗溶劑用量高于可接受范圍。

（2）陽離子聚合物應(yīng)用于濕部（高濃漿料），以“固定”紙張中的黏性顆粒。

（3）來自印染人員的大量投訴，主要與黏性下降相關(guān)（紙張中較大的未鈍化膠粘物）。

（4）在紙機(jī)關(guān)閉之后，特別是在啟動時，斷紙次數(shù)多。

從濕部各點(diǎn)提取的紙漿和污泥樣品，首先用DCM進(jìn)行提取，然后根據(jù)收集到的膠粘物污染程度數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析。來自脫墨廠的紙漿進(jìn)料相對來說比較干凈，但在纖維回收和低濃漿料循環(huán)過程中的污染水平會急劇上升。

3.3 試驗(yàn)條件

（1）在添加陽離子聚合物之前，將Cartaspers?SCS以噸紙1.7 kg的用量添加至混合漿池中。

（2）陽離子聚合物用量最初保持不變，但在幾周時間內(nèi)會逐漸減少其用量，直至不再使用。

（3）采用Mütek PCD-03測試系統(tǒng)電荷。

（4）在整個試驗(yàn)過程中，每隔一段時間持續(xù)進(jìn)行DCM提取評估，包括成品紙。

（5）在試驗(yàn)期間，還監(jiān)測了昂高“壓力測試”，該測試用于測量成品紙張中的黏結(jié)點(diǎn)數(shù)量。

壓力測試旨在量化低定量紙張等級中的污染水平，并提供表征印染效率的一個指標(biāo)。該程序主要針對紙巾部門，計(jì)算成品紙張中“活性”膠粘物的數(shù)量。將“活性”膠粘物歸為那些尺寸較大且具有足夠黏性可形成黏性點(diǎn)，并能夠在黏性區(qū)域?qū)?層紙連接在一起的黏性物質(zhì)。

在更換了一個大型卷軸之后，對紙廠中的紙張進(jìn)行取樣。將幾卷卷紙（通常為6～10卷）切割成25 cm×25 cm的工作尺寸，然后放入壓干機(jī)中，在溫度105℃下干燥4 min。加熱過程旨在軟化紙層間存在的黏性顆粒，并模擬大型卷筒中殘余熱量對其產(chǎn)生的影響。之后將紙層小心地分開，要仔細(xì)注意任意一個黏結(jié)點(diǎn)（紙層粘在一起）。每發(fā)現(xiàn)一個黏性顆粒，就用彩色筆在紙張中相應(yīng)的部位進(jìn)行標(biāo)記。重復(fù)分層步驟，直到完成在5卷紙上的標(biāo)記。統(tǒng)計(jì)在每張紙上標(biāo)記的點(diǎn)數(shù)量，并計(jì)算5張紙上的總標(biāo)記點(diǎn)?？倲?shù)乘以16/5所得到的結(jié)果就是每平方米紙張上黏結(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

根據(jù)紙張質(zhì)量的不同，所得到的結(jié)果也會有所不同，但也可作為表征印染效率的一個手段。在印染過程中經(jīng)常會遇到一些問題，而在紙機(jī)上卻沒有報(bào)告任何問題。當(dāng)用廢紙作為原材料時，在印染過程中，每平方米黏結(jié)點(diǎn)數(shù)量小于40的紙巾通常情況下是沒有問題的。黏結(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，如每平方米超過100，也會用這種測試方法進(jìn)行記錄。這種程度的污染水平經(jīng)常會導(dǎo)致紙張破損，在印染過程中造成生產(chǎn)損失。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

（1）清潔溶劑用量減少95%。

（2）機(jī)器的破損程度下降了90%。

（3）機(jī)械關(guān)閉后可以無故障啟動。

（4）紙機(jī)DAF單元污泥中DCM含量顯著增加（圖 8）。

（5）在試驗(yàn)期間，成品紙中的DCM提取物略微增加。

（6）在試驗(yàn)期間，壓力測試中的黏結(jié)點(diǎn)數(shù)量大幅度下降。

（7）與黏性下降相關(guān)的印染人員投訴數(shù)量幾乎降為0。

3.5 試驗(yàn)結(jié)論

圖8 DAF裝置污泥的DCM提取數(shù)據(jù)

（1）測試結(jié)果表明，盡管成品紙中膠粘物含量稍微有所增加，但這些膠粘物均已充分鈍化，以預(yù)防黏結(jié)點(diǎn)的形成（圖9）。

（2）通過DAF單元污泥，增加了較小體積膠粘物的去除數(shù)量，有助于機(jī)器清潔。

（3）基于減少的溶劑使用量和停機(jī)時間，實(shí)現(xiàn)了顯著的成本節(jié)約。

（4）Cartaspers?SCS現(xiàn)已完全替代了陽離子聚合物。

圖9 成紙中膠粘物含量和黏結(jié)點(diǎn)數(shù)量的關(guān)系

由于新聞紙生產(chǎn)部門依靠原料使用廢紙來實(shí)現(xiàn)成本效益生產(chǎn)，因此也面臨著與黏性有關(guān)的問題。紙張中較大體積的黏性顆粒影響了打印質(zhì)量，并且在干燥部發(fā)生沉積物堆積時，會導(dǎo)致紙張斷裂和機(jī)器停機(jī)，對紙機(jī)的運(yùn)行性能也會產(chǎn)生不利的影響。在產(chǎn)量為30 t/h的一臺新聞紙機(jī)上，以100%脫墨漿（DIP）為原料，對Cartaspers?SCS的應(yīng)用性能進(jìn)行了探究。圖10為試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

在紙機(jī)干燥部，膠粘物顆粒從紙張中去除，并轉(zhuǎn)移到烘缸上。雖然刮刀一直在運(yùn)行，但是過量的污染物會堆積甚至溢出，掉落在移動的網(wǎng)上。紙張形成的每次破損都會造成機(jī)器停運(yùn)15 min。在試驗(yàn)前，干燥部每天平均發(fā)生5次斷紙（或停機(jī)75 min，相當(dāng)于損失了5%的生產(chǎn)量）。

在試驗(yàn)階段，在成漿池頂部添加1 kg/t劑量的Cartaspers?SCS。除消泡劑和助留劑體系外，不再添加其他的濕部化學(xué)品。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，干燥部斷紙的次數(shù)迅速下降（每天斷紙次數(shù)由平均5次下降至平均2次），也就是說提高了3%的生產(chǎn)量。

圖10 Cartaspers?SCS對新聞紙機(jī)干燥部紙張每日平均破損次數(shù)的影響

4 結(jié)論

作為一種濕部添加劑，相關(guān)工作者已證實(shí)Cartaspers?SCS可有效代替礦物吸附劑和陽離子聚合物混凝劑，并可有效解決與紙張中樹脂和黏性污染物相關(guān)的一系列問題。采用合成的聚合物納米顆粒對疏水性污染物進(jìn)行鈍化，對紙廠中的許多部門來說都是一個理想的方法。

在過去的20年里，無論是在造紙工業(yè)的供應(yīng)部門還是生產(chǎn)部門，研發(fā)投資的缺乏都減緩了新技術(shù)的發(fā)展步伐，因此，濕部添加劑幾乎沒有任何改變，也沒有替代品的產(chǎn)生。

昂高已經(jīng)證明，對研發(fā)資源的適度投資可以產(chǎn)生效益，Cartaspers?SCS產(chǎn)品現(xiàn)已被許多造紙商接受并使用，他們發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)帶來的效益遠(yuǎn)大于處理成本。