化学助剂在新闻纸生产应用中的机理与实践
王雄波
(广州造纸股份有限公司,广东广州510281)
摘 要:本文论述造纸化学助剂在新闻纸生产中的应用,主要是介绍固着剂、增强剂与助留剂、助滤剂等湿部化学品的应用机理与实践。
关键词:化学助剂;新闻纸;机理;实践
中图分类号:TS761. 1;TS727+. 2 文献标识码:B 文章编号: 1671-4571(2010)06-0093-04
建厂历史悠久、以专业生产新闻纸著称的广州造纸股份有限公司(原广州造纸厂),曾经拥有多台长网多缸式造纸机,采用中国南方马尾松木材为造纸原料,全木浆生产新闻纸。它除了在酸法造纸工艺中需要添加硫酸铝,加填需用滑石粉、染色用染色剂(品红、碱性紫)、以及杀菌剂、消泡剂等化学品之外,一般很少用或者不用其他类型造纸化学助剂。这是因为:广纸在1993年前,新闻纸生产用的浆料是磨石磨木浆,它含有大量木素与细小纤维,这不仅使新闻纸的纸张强度低,而且严重地干扰了助剂的作用。还有,新闻纸是属于较低级的印刷纸类,生产者获利甚微。工厂的经营管理,只能采用薄利多销、以积“小赚”为“大赚”的营销策略。化学助剂价格偏高,还是尽量少用或不用为佳。可以这样说,化学助剂在中国新闻纸行业中应用的数量,相对于其他纸种(如:卫生纸、瓦楞纸、涂布加工纸类……)来说是较少的。可是,时过境迁,现代化新闻纸的生产,是采用大型、宽幅、高速的夹网造纸机来抄造,并掺有部分废纸回用,甚至是以全废纸(旧报纸+旧杂志纸)作为原料,以便更好地利用废纸资源和保护地球环境,这就给新闻纸生产工艺提出了新课题。在纸张抄造过程中,突出暴露出在浆料强度、纸页匀度和细小纤维留着、网部滤水速率等技术问题,需要认真考虑助剂的参与和应用。于是,人们便对纸机的湿部化学进行了探索与研究,设想选择一些少而精、效果好、既经济可行、又方便实用的化学助剂;优选其合适的添加地点和方法;并探索微量助剂与大量浆料悬浮液的均匀混合工艺;然后,在生产实践过程中,不断调整、改进与完善。使用全废纸脱墨浆在现代高速(车速1800 m/min)夹网造纸机上,能生产出定量为45~48g/m2的合格新闻纸,而且能与用全木浆生产的纸张质量相媲美。
1 湿部化学助剂的选择
可供新闻纸生产选用的造纸化学助剂,世界各化学品制造公司经过竞争性开发,已经有许多品种上市。主要包括有:固着剂、增强剂、染色(调色)剂、助留剂、助留/助滤剂、助滤剂、杀菌剂、消泡剂等化学品。但是,鉴于新闻纸是属较低品位的印刷纸,生产厂家对产品成本极为敏感,因此,对添加化学品后的实际效果与所增加的费用,需认真进行经济核算。
1. 1 固着剂
若干年之前,广纸用酸性造纸工艺生产新闻纸时,主要添加的化学品就是硫酸铝。带阳电荷的铝离子,能把浆料中带阴离子物质吸附并固着在纤维上。硫酸铝本身就是一种很好的无机类造纸固着剂,而且,它还有降低浆料颗粒表面的Zeta电位、使细料发生聚集的功能。
当新闻纸生产工艺改为中性造纸后,则要求少用或不用硫酸铝,需要选用其他的阳离子聚合物、高电荷密度的固着剂,如:聚合氯化铝、聚合氧化铝络合物等化学品来替代,其作用机理还是逮住和中和浆料中的阴离子垃圾,并把细料在纤维上固着,以减少阴离子垃圾对添加化学助剂的干扰,但也需考虑到对纸张匀度的负面影响。1. 2 增强剂采用全废纸脱墨浆生产新闻纸,除了可添加化学木浆、用长纤维补充纸张强度之外,还可以考虑应用化学助剂的辅助。现在,人们把用来增进纤维间的氢键结合力,以提高纸张物理强度的化学助剂,称之为增强剂。它又可细分为湿强度助剂和干强度助剂两大类。新闻纸生产常用的是干强度助剂,一般多是以变性淀粉、阳离子聚丙烯酰胺为主。选用时,下列各相关因素可供参考:
1. 2. 1 为直链或线性聚合物
因为纸浆纤维素是由氧桥键合的直链葡萄糖基组成。直链或线性聚合物对纸浆纤维素有更好的亲和力,可增加桥联机会。如果是支链聚合物,则可能使纤维素产生“过密絮凝”现象。
1. 2. 2 合适的聚合分子量
适用于新闻纸浆料的干强度剂,其分子量应该选择在接近纤维素的分子量即105~106为宜。过高分子量的聚合物,粘度高,絮凝作用力极强,容易造成纸浆的局部絮聚,破坏纤维均匀交织,恶化纸页匀度,对提高纸张强度不利。
1. 2. 3 低阳离子电荷密度
纸浆的纤维素带阴离子电荷,带阳离子电荷的干强度助剂可与纤维素形成离子键,以增加结合强度。如果是采用带阴离子型的干强度助剂,则需要在硫酸铝、或其他有机阳离子固着剂存在的条件下,才能与纤维素起复合结合作用。纤维素的电荷密度较低,阳离子干强度助剂的电荷密度也需相应匹配,不需要太高,一般是采用低电荷密度(10%以下)的助剂。
1. 2. 4 有薄膜覆盖性
如果聚合物能在纤维的表面形成一层薄膜,就可提高纤维表面的结合强度。因此,选用淀粉(阳离子淀粉、两性淀粉)糊化,乃是作为造纸助剂的关键要素。阴离子淀粉适用于酸性造纸,中性造纸不适用。不管是采用什么种类的淀粉,其最高糊化温度,一定要与所选用的该淀粉产品性能相适应,操作时要密切注意调节、控制好温度;无论是采用何种(间歇或连续)糊化方式,都要防止局部过热,以免造成淀粉降解。
1. 3 染色(调色)剂
历来,广纸是以南方马尾松为原料制造磨石磨木浆并作为主要配料生产新闻纸的。曾使用过群青颜料,品红、盐基兰、碱性紫染料作为浆料调色剂。1997年以后,曾在车速为1000m/min以下的纸机浆料中,添加过荧光增白剂,设想是利用该增白剂能反射可见光,并吸收紫外光而具有转化成为可见光(兰色或红色)的荧光特性,以掩饰马尾松磨木浆固有的黄色,起补色作用,从而提高新闻纸的白度。但是,这里必须明确:荧光增白剂不是漂白剂,它不能起任何漂白作用。应用于广纸原新闻纸生产工艺(上网浆中的磨石磨木浆含量50%以上、白度仅44% ISO),增白效果不佳。
当前,广纸的造纸原料已绝大部分使用进口的废纸,并正在逐步提高国内废纸用量的份额,脱墨流程已采用两段筛选、两段洗涤、两段漂白的工艺,废纸脱墨后浆料的白度高达59% ISO,已不需调色剂的辅助。事实上,新闻纸白度的国家标准为50%ISO,没有高白度要求。
1. 4 助留剂,助留/助滤剂,助滤剂
广纸通常是把能通过Bauer—McNett筛分仪200目筛网的那部分浆料,称为细小纤维,即是指那些能通过直径为75μm网目的浆料。一般用来提高填料以及细小纤维等一类细料在纸张上留着率的化学品,就统称之为助留剂。如果该种助留剂兼有改善浆料在湿部的滤水性能,并且均一纸页定量的分布,则可称之为助留/助滤剂。如果是以有助于提高纸机湿部滤水为主,则可称为助滤剂。
1. 4. 1 助留剂
过去,生产新闻纸常用的硫酸铝、阳离子淀粉等助剂都兼有助留效果。但近年选用的助留剂,则多为阳离子高分子聚合物。如:聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚氨基酰胺(PAE)、聚氧化乙烯(PEO)等。它们的长分子链可在纤维、填料和细小物料等空隙之间架桥,并将纤维表面的阴电荷逐步中和形成絮凝;从而提高留着率、并兼有加速浆料滤水功能。有一种非离子型的高分子聚合物———聚氧化乙烯(PEO),它除了有桥联和键合的作用之外,还能与浆料中某些悬浮固形物形成独特的网络而有助留效果。广纸在#7纸机(抄速为600m/min)的新闻纸上网浆料(含有TMP浆)中试用,显示出有助留效果。
1. 4. 2 助留/助滤剂
任何湿部化学助剂在新闻纸机上的添加,必须要遵循造纸学的基础理论,这就是:延缓网部前部脱水速率,有利于细料的留着和纸页的成型,从而适当提高浆料的首程留着率和纸页的匀度;而在网部的后部,又能为纸页加速滤水创造条件,尽量提高低效率真空吸水箱的脱水速率。换言之,所添加的化学助剂一定要有利于细料留着、纸页成型和加快滤水速率的综合效果。广纸认为:在高速夹网造纸机(车速1400~1800m/min)抄造新闻纸、添加化学助剂时,更是需要考虑实用的综合效果。
一般用于新闻纸生产的助留剂,都兼具有一定的助滤作用。这是因为:助留剂是一种聚合电解质,对浆料能起到絮凝和凝聚作用,把浆料中的细料集结在纤维的表面或束缚在纤维的周围,形成了絮凝团,在脱水过程中,这些絮凝团与纤维一起沉积构成浆层,不让细料去堵塞网眼与阻隔脱水通道,从而具有一定的助滤作用。此外,助留剂的长分子链还具有架桥作用,形成一定数量的絮凝块,增加多孔性滤水通道,起到助滤的效果。
1. 4. 3 助滤剂
为了加速纸机湿部纸页的脱水,化学品制造厂家研发有各种牌号、各种专利配方的助滤剂,供用户选择。事实上,一般用作助留剂和电荷中和剂的所有助剂都可作为助滤剂,如:阳离子淀粉,就有增强、助留、助滤作用。又如:聚乙烯亚胺(PEI),单独使用有提高滤水作用,但二元系统效果最好,如在新闻纸生产上应用的话,用0. 1 % PEI和0. 025 %APAM(阴离子聚丙烯酰胺),其滤水效果很好[5]。实际上,APAM是不能单独作助滤剂的。但国内外化学品生产厂家通过配方改变,研制出一些有效的新产品来。
2 化学助剂在新闻纸中的应用
2. 1 固着剂
新闻纸生产采用中性造纸工艺后,硫酸铝作为无机固着剂,在广纸已基本停用,只有个别纸机有时有少量应用,目前各台纸机应用的是有机类固着剂。
2. 2 增强剂
用以提高新闻纸的表面强度,广纸是使用阳离子淀粉。从天然植物而来的原淀粉,有些性质已不适合造纸工业的要求,不宜直接投入应用,需要进行化学变性处理,即通过化工厂再加工,以保证获得好的应用效果。目前市场上的阳离子淀粉,就是由原淀粉与胺类化合物反应生成含有氨基和铵基的醚衍生物,氮原子上带有正电荷,故得名,它从属变性淀粉的一种。
早在1991年,四川省宜宾造纸厂在生产新闻纸(原料用过熟冷杉)的纸机上添加阳离子淀粉,以提高纸张强度的尝试。他们认为:阳离子淀粉有一定量的键链,存在着键合能量,能改善纸的表面强度和结合强度。对阳离子淀粉的选择,取代度是很重要的指标。适合新闻纸应用的淀粉,以0. 02~0. 03的低取代度为佳。该厂试验还表明:取代度低,助留效果差;取代度高,强度反而下降。得出的结论是:在淀粉添加量为0. 5% (对绝干浆料计)的条件下,淀粉对新闻纸的增强效果极其有限,往往需要增加其添加量方能奏效。
2009年,广纸曾在高速(车速1800m/min)的夹网造纸机的浆料中,用淀粉作过“提高新闻纸强度”的试验,采用取代度较高、添加量为0. 8%的阳离子淀粉,使用双元助留、助滤系统,新闻纸有增强效果。
阳离子淀粉除了对新闻纸纸张有增强作用外,对细小物料也有助留效果。广纸在新闻纸加填后,纸张有掉毛、掉粉纸病时,纸机浆料中添加的阳离子淀粉也有一定的消除作用。
2. 3 助留剂、助滤剂
在高速夹网造纸机上生产新闻纸,助留剂、助滤剂在浆料的添加,已成为必需的化学品。特别是目前国内生产新闻纸的原料,大部分已从全木浆转向掺用部分废纸或全废纸,促进化学助剂应用的增长。于是,化学品市场有各种牌号的造纸用助留剂、助滤剂销售。化学品制造商、经销商云集纸厂,提供助剂样品供作试验。工厂可根据生产实际需要择优应用。
此外,还有新型微粒子助留体系,助剂价格较高,导至新闻纸成本升高,值得探索和研究,广纸没有使用。
3 结束语
(1)新闻纸属较低级印刷纸,利润甚微。而助剂价格相对较高,生产如有需要,可考虑选择助剂的辅助,但还是尽量少用为佳。淀粉虽然价格较为便宜,但添加用量大;高分子聚合物添加量少,但价格高昂。
(2)助剂多数都是带离子的化学物,助剂体系宁简勿繁,能用单元助剂就不用多元助剂系统。几种不同性质的助剂先后或同时加到浆料中来,助剂与助剂之间的功能,或互相促进,或互相抵消,或各不相关,其结果是增加浆料中的离子垃圾,给白水回用和废水处理带来困难。
(3)任何化学助剂的采用,需在工厂经实地试验、择优应用。
参考文献
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文章来源：中国化学试剂网
