国造纸化学品的应用现状与发展建议

论文·报告·综ArticlesandReview述我国造纸化学品的应用现状与发展建议10西南造纸2005年34卷第6期我国造纸化学品的应用现状与发展建议王建,王志杰(陕西科技大学造纸工程学院,陕西咸阳712081)摘要:通过对我国造纸行业的现状进行分析,探讨造纸行业发展对造纸用精细化学品所提出的新要求。结合国外研究动向,重点针对造纸增干强剂、中碱性施胶剂、助留剂的现状以及发展趋势进行论述,提出其在满足我国原料特性下的发展研究动向。关键词:助留剂;施胶剂;增干强剂;阴离子垃圾;发展中图分类号:TS727文献标识码:C1前言纸张的质量与制浆过程有着一定的联系,但是纸张的质量更多的是取决于抄纸过程。造纸工艺的进步主要体现在造纸的湿部化学上,而湿部化学与造纸化学品是紧密联系在一起的。本文就抄纸中的几种主要化学品目前的现状及发展趋势进行简要阐述。2增干强剂打浆是造纸中用于增加纸张强度最常用的方法,但是除了较高的能耗之外,打浆还会影响纸的某些性质,例如增加纸的紧度、降低纸的多孔性、挺度、抗撕裂强度和不透明度。为了避免这些负面影响,使用干强剂是一种理想的方法。很多水溶性的能形成氢键的聚合物可用作增干强剂。在我国目前的应用状况来看,干强剂市场中主要以淀粉类物质以及PAM为主,其中淀粉类的增强剂由于作用效果好、使用成本低以及可操作性等特点,几乎占据绝大部分的市场份额,其它的干强剂主要用于特殊增强或是特种纸的增强中。淀粉类用于浆内添加的增强剂主要以阳离子淀粉为主,其主要原因是由于阳离子淀粉适用的pH值较为广泛,增强效果较好。但是阳离子淀粉在纸张当中的添加,在赋予纸张更高强度的同时,也增加了纸张的紧度,降低不透明度等,当需要纸张具有较高松厚度时,阳离子淀粉的使用就受到一定的限制。由于PAM在纸张中作为干强剂时,能够在赋予纸张更高强度的同时,保证纸张的厚度,因此,PAM增强剂主要用于要求较高松厚度纸张的增强。几乎所有的纸张都需要有一定的强度要求,且大部分纸张对强度的要求均是越高越好,因此,对于造纸厂追求高强度或是低成本的要求就不难理解。对于干强剂,如何提高增强效果或是如何降低生产成本就成为了干强剂生产厂家的目标。从提高增强效果来说,如何赋予干强剂在纸张中产生更多氢键结合或是能够使纤维变得更加柔软也许值得注意,从降低生产成本来讲,从某跨国公司反馈信息显示,他们在降低增强成本上正在研制如何利用原淀粉来进行纸张的浆内增强。如同前面提到的废纸利用率的增大,将会导致湿部系统中“阴离子垃圾”的增加,同样会对纸张增强剂的使用效果产生严重的干扰,阴离子垃圾导致系统阳离子需求的增加,将会使吸附于纤维之上、对增加纸张强度最为有利的增强剂数量明显减少,从而使纸张强度的增加幅度下降,影响增强剂增强效果,为了达到要求强度,势必会增加干强剂的用量,例如浙江富阳某厂在纸板的生产中,阳离子淀粉的使用量达到2%,从而使纸张成本明显增加。采用原淀粉进行纸内增强时,其留着率较低,增加白水的生物好氧量,同时容易产生细菌,从而增加抄纸系统的操作难度。该跨国公司的做法是将淀粉吸附于某种物质之上,通过该种物质的留着从而留着淀粉。这种方式的操作,实现原淀粉较高的留着率是可能的。据公司有关人士透露,在国外某些工厂的应用结果显示,该种添加方式后,对白水进行检测,白水中基本无淀粉。该种技术目前在欧洲也有部分工厂进行试用,但是试用该技术工厂中,一些使用后增强效果明显,而一些工厂使用后增强效果不明显。目前该技术在国内尚未见报道。在该技术的开发上难度较大,首先对于原淀粉的载体选择具有较高难度,能否选择其适合的载体,是其能否成功应用的关键。其次,由于淀粉的增强作用需要淀粉糊化,这种未糊化淀粉在纸张中留着后,其糊化发生在纸张的干燥阶段,因此,纸张的干燥曲线必须进行调整,以满足原淀粉在干燥阶段能够达到糊化状态。3施胶剂松香系的施胶剂在酸性条件下的良好施胶性能以及施胶的简易操作性能等,使得它在造纸行业中作为纸张施胶剂已有100多年的历我国造纸化学品的应用现状与发展建议论文·报告·综述ArticlsandReview史。但是由于中性施胶在纸张强度、生产成本以及损纸的后处理(尤其是涂布损纸)等方面的优势,使得中性施胶得以大规模发展,从而逐渐降低松香系施胶剂在造纸行业的使用。国外现阶段采用的中性施胶剂主要是AKD以及ASA,前者在北美大量使用,而后者主要在欧洲国家大量使用,我国中性施胶剂主要为AKD.从目前我国造纸行业的施胶剂市场中分析,松香施胶剂还占据较大市场。其主要应用在技术水平较低的中小企业以及大企业的纸板及卡纸的生产中,该类纸张的生产由于需要大量采用二次纤维或是高得率浆等特点,还在大量采用松香系的施胶剂。但是松香系的施胶剂从目前的技术水平来看,还不能够实现严格意义上的中性施胶。我国目前原料短缺,大量从国外进口废纸,由于国外普遍采用中性施胶技术,大量采用CaCO3加填,因此这种纸张在我国的二次利用时,应当同样采用中性抄纸技术,否则非常容易导致在抄纸系统产生大量泡沫。泡沫的来源主要是酸性下CaCO3分解所产生的CO2所至,由于CO2在纤维上的吸附将导致纤维极性发生逆转,严重干扰生产的正常进行;CO2能够部分溶于水,导致无良好的泡沫消除方法。某企业曾经就出现过类似问题,结果技术人员认为是淀粉等物质所致,加入大量消泡剂也不能解决问题。同时由于废纸在回用的过程中会为系统中引入更多阴离子的“垃圾”,由于AKD在纸张的留着主要通过AKD乳液中的阳离子淀粉所提供的阳电性与纤维发生结合,当系统中“阴离子垃圾”增多,将会导致AKD施胶性能的下降,为达到所需施胶度,势必会增加AKD的用量,从而导致施胶成本增加以及湿部的可操作性下降。这就是为什么在目前我国对于未漂浆纸板的生产中多采用阳离子分散松香胶来进行近中性施胶的原因所在。当然,由于采用松香进行施胶,均需要采用矾土来进行留着以及干燥时对松香进行定向,而矾土的使用将会使施胶的pH值降低。在一些技术力量薄弱的纸板厂,为了实现近中性施胶,采用了添加较多松香胶的做法,施胶成本上升明显,从而产品成本增加。因此,如何改进AKD、ASA的性能或开发出新型的中性施胶剂,提高其抗“阴离子垃圾”干扰,实现在纸板中严格意义上的中性施胶将具有重要意义。中性施胶剂由于是通过与纤维间产生共价结合来留着,可以设想AKD的加入在纤维之间产生共价键,因此对提高纸张强度有利。更为具有优势的是在纤维与细小纤维之间所产生的共价结合,该种结合大大提高了纤维与细小纤维之间的结合,其作用结果便是降低了纸张的掉毛现象,从深入工厂的实际调查可以看出,使用AKD施胶后对于减轻掉毛现象更为有利,所以中性施胶完全适合我国的国情,值得大规模推广。但是由于中性施胶的技术难度较大,对于技术水平较低的中小企业来说,抄纸的操作以及施胶质量等均难以保障,好多企业在从酸性施胶向中性施胶的转变中遇到例如产生腐浆、施胶度难以达到要求等技术问题。因此,中性施胶的全面推广有待于实现。从中性施胶剂生产厂家来说,在进一步加强售后技术服务的同时,应当侧重如何提高中性施胶剂的可操作性,从而降低施胶剂使用的技术难度。但是从国际现在发展状况来看,由于石油价格上涨,使得石油类的产品价格同样一路上升,从而使得AKD、ASA等合成类中性施胶剂价格逐渐提高。因此,开发松香类的中性施胶剂应当具有其独特的优势,然而松香类中性施胶剂在技术上还没有较大的突破,现在的水平只能用于近中性施胶,也许从松香系施胶剂的留着以及定向剂或是对松香进行改性将是造纸化学品研究工作者未来探讨的重点之一。松香的留着以及定向剂也有研究者进行PAC的研究,但是研究结果还仅仅停留于实验室阶段。松香的改性研究较多,从研究结果来看,对松香进行季铵盐改性,使其具有自乳化性能,这种改性的产品——自乳化松香胶能够实现中碱性施胶的需要,但是在达到相同施胶性能下,松香的用量是常规松香胶的几倍,从而限制了其进一步的应用,如何提高其施胶性能应当是下一步工作的重点。4助留剂对于目前造纸业的发展而言,几乎所有的助剂都随着造纸工业的发展而发展,但是助留剂的发展应该说是所有助剂中速度最快的。助留剂主要是用来提高细小组分(造纸定义为过200筛的组分,包括填料与细小纤维)的留着率,从而提高纸张的灰分含量,同时降低白水的浓度。细小组分的留着方式主要有两种,一种是机械截留,一种为胶体吸附。由于目前造纸机大型化、高速化,使流浆箱的高湍流化以及双面脱水,从而使机械截留作用逐渐减弱,胶体吸附作用不断增强,为了保证纸张的顺利抄造,助留剂也从最初的采用无机物如矾土,逐渐发展为采用淀粉、PAM,以及到目前最新的微粒助留体系。微粒助留系统主要是指利用一种阳离子的助留剂与带负电的微粒形成立体网络结构从而在纸机的湿部捕捉细小组分,目前使用的主要产品为膨润土与SouthWestPulpAndPaper2005.Vol.34,No.611论文·报告·综ArticlesandReview述我国造纸化学品的应用现状与发展建议12西南造纸2005年34卷第6期CPAM、胶体二氧化硅与阳离子淀粉。微粒助留的使用与常规助留剂的使用方式不同,常规助留剂为了防止纤维的絮聚一般都会要求在尽量靠近流浆箱的地方加入,而微粒助留则要求在留送系统中剪切力较大的地方(如冲浆泵处)加入0.01%～0.05%(质量百分比,相对于绝干浆,下同)带正电的助留剂,通过系统产生的剪切力将助留产生的大的絮聚体均匀分散为小絮聚体,所形成的带正电的小絮聚体与随后加入0.1%～0.4%具有较大比表面积带负电的微粒形成小而密集的网络结构,从而来捕捉细小组分。微粒助留系统在造纸湿部的使用可以提高网部的滤水性,并大幅度改善真空部分的脱水性能,使提高车速或是节约干燥成本成为可能;同时该系统可以通过调整阳离子助留剂以及带负电微粒的用量,调整细小组分的留着率。其研究显示:在忽略纸张匀度的情况下,通过适当增加膨润土与CPAM的用量,可以实现几乎100%的一次留着率;该系统在较大的pH值范围内使用,均可得到很好的使用效果,而且能较好地提高淀粉的留着性,从而在提高纸张强度的同时也可减少排放水的生物好氧量。但是由于该系统的使用要求添加带有正电的助留剂,因此限制了其在杂阴离子含量较高的湿部环境中的使用,例如加有大量磨木浆的新闻纸的生产、配比中含有较多的废纸浆的系统等等。在这些系统中普遍采用PEO与酚醛树脂所组成的双元系统,该系统中所使用的物质均为非离子物质,从而离子性对其影响较小。由于微粒助留系统具有良好的使用效果,同时所形成的絮聚体能够抵抗一定的剪切力,所以能够适合中高等车速的纸机,因此在我国造纸行业中的应用范围逐渐增大。但是因为纸张的匀度与助留效果是一对矛盾体,提高留着率纸张匀度下降,提高匀度留着率又会降低。有一些研究认为:微粒助留系统很好地解决了这个矛盾,从工厂使用的实际情况来看,微粒助留系统的使用,相对于高分子助留剂而言,其对纸张匀度的降低相对较小。但同样存在使纸张匀度降低的现象,尤其是在用量较大的情况下,纸张的匀度降低变得非常明显。因此,对于从事造纸精细化学品研究的工作人员来说,必须综合考虑纸张匀度以及留着率的关系,尽量做到在提高留着率的情况下,不降低或少降低纸张的匀度。国外目前有人正在研究利用微粒与无机阳离子物质,例如:矾土、PAC等作为新型的微粒助留体系,以期来达到留着率与纸张匀度的统一。当然,使用助留剂所实现的细小组分的留着,细小组分与纤维之间是一种疏松的结合,能否开发出新型的助留剂,在将细小组分留着的同时能够使细小组分与纤维产生某种形式的结合,将会大幅度改善纸张掉毛掉粉性能,提高其印刷性能。5结束语我国造纸工业近年来大量引进国外的先进设备,使得我国造纸企业在造纸设备上与国外发达国家不相上下,但是我国的造纸技术还存在一个较长的消化与吸收过程。由于湿部化学的复杂性,因此,如何提高湿部化学品各组分的协同效应,是我国造纸工作者应当长期探索的工作重点,这一点对于高质量或是低成本纸张的生产具有非常重要的意义。