陽離子淀粉與碳酸鈣預絮聚加填技術研究及生產應用

朱宏偉　劉春景　銀　輝　羅云鷹

(1.岳陽林紙股份有限公司,湖南岳陽，414002；

2.國家生活用紙產品質量監督檢驗中心,湖南常德,415000)

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陽離子淀粉與碳酸鈣預絮聚加填技術研究及生產應用

朱宏偉1劉春景1銀輝1羅云鷹2

(1.岳陽林紙股份有限公司,湖南岳陽，414002；

2.國家生活用紙產品質量監督檢驗中心,湖南常德,415000)

摘要：采用一定取代度的陽離子淀粉與碳酸鈣進行預絮聚,通過控制預絮聚體的粒徑,可獲得具有良好穩定性的預絮聚體。將該預絮聚體用于文化用紙的加填,由于淀粉覆蓋在碳酸鈣表面,增加了其結合性能,紙張的表面強度及填料留著率均得到一定程度改善。填料留著率平均提高了24.2 個百分點。

關鍵詞：陽離子淀粉； 碳酸鈣； 填料； 預絮聚

提高紙張填料含量已成為造紙技術的重要發展趨勢之一。造紙過程中增加填料用量,可節省原料、降低紙幅干燥過程中蒸汽的消耗、提高紙張光學特性及獲得優良的印刷質量。然而提高填料用量,紙張強度和施膠度降低,同時首程留著率下降,化學品用量增加、成形網磨損加大[1]。填料預絮聚技術是指采用特定的化學助劑與填料混合,使填料發生預絮聚,將所得預絮聚體用于加填時,紙張強度性能及留著率可得到有效改善。在既有的填料預絮聚技術中,采用的是聚丙烯酸樹脂等合成高分子化合物,但其價格昂貴,應用受到極大限制[2-3]。本實驗介紹了一種采用陽離子淀粉與碳酸鈣進行預絮聚,再將所得預絮聚體用于文化用紙加填的新技術。

1實驗

基于陽離子淀粉與碳酸鈣預絮聚技術在國內應用極少,為確保中試生產成功,技術人員先在實驗室就此項技術進行實驗研究,從粒徑控制、濾水留著及紙張強度方面進行研究。

1.1實驗原料

漿料配比：堿性過氧化氫機械漿(APMP)∶漂白硫酸鹽闊葉木漿(NBKP)=95%∶5%；碳酸鈣比例：輕質碳酸鈣(PCC)∶重質碳酸鈣(GCC)=50∶50；采用季銨型陽離子淀粉(以下簡稱淀粉)：取代度0.028～0.035，聚丙烯酰胺(PAM)。

表1　不同淀粉用量下預絮聚體的過篩情況

注碳酸鈣中位粒徑為2.4 μm。

圖1　碳酸鈣和預絮聚體的形態圖

1.2預絮聚體制備

淀粉糊化,糊化濃度5%,糊化好后的淀粉稀釋至濃度1%(質量分數),然后升溫至95℃,再保溫20 min完成糊化。

將糊化好的淀粉與碳酸鈣混合,攪拌速度300 r/min,淀粉按表1所示的比例均勻加入一定濃度的碳酸鈣中,混合攪拌時間1 min，得到預絮聚體。將混合好后的預絮聚體取樣檢測中位粒徑,并進行過篩、動態濾水及抄片實驗。

1.3實驗結果及分析

1.3.1預絮聚體過篩情況

表1為不同淀粉用量下,預絮聚體的過篩情況。由表1可知,淀粉用量在2.8 kg/t碳酸鈣(絕干)以內,且預絮聚體中位粒徑控制在5.5 μm以內時,預絮聚體能順利過篩。

1.3.2預絮聚體形態

圖1為碳酸鈣和淀粉用量2.1 kg/t碳酸鈣(絕干)時預絮聚體的顯微鏡形態圖。由圖1可知,陽離子淀粉與碳酸鈣混合預絮聚后,形成了明顯的預絮聚體。

1.3.3動態濾水實驗

采用動態濾水儀,模擬進行助留實驗,主要實驗條件為：漿料配比：APMP∶NBKP=95%∶5%；碳酸鈣用量20%(相對于絕干漿)；漿濃0.875%；PAM用量0.2 kg/t漿(絕干)；淀粉部分用于與碳酸鈣進行預絮聚,總用量為8 kg/t漿(絕干)。

動態濾水模擬實際生產情況,分4個階段：第一階段模擬漿料在紙機篩前受到的剪切情況,此階段添加一部分淀粉；第二階段模擬漿料在紙機篩中受到的剪切情況；第三階段模擬漿料在紙機篩后受到的剪切情況,此階段添加預絮聚體以及助留劑PAM；第四階段為濾水階段,模擬紙機網部濾水。

第一階段：將1000 mL漿料加入動態濾水儀,此時,動態濾水儀轉子攪拌速度為800 r/min,此速度下攪拌10 s,其中,在第5 s時加入一部分淀粉。

第二階段：動態濾水儀攪拌速度提高至1000 r/min,加大對漿料組分的剪切強度,此速度下攪拌10 s。

第三階段：動態濾水儀攪拌速度降至800 r/min,此速度下攪拌15 s,其中,在第5 s時加入預絮聚體,在第10 s時加入PAM。

第四階段：動態濾水儀攪拌速度降至400 r/min,同時漿料開始濾水。

預絮聚體加填的助留情況見表2。

表2　預絮聚體加填助留實驗結果

注漿濃0.875%,漿料灰分20%。

由表2可知,預絮聚體的留著率明顯提高,當淀粉用量為2.1 kg/t碳酸鈣(絕干)時,首程留著率可提高2.86個百分點,填料留著率提高6.86個百分點。

1.3.4紙張光學性能及勻度

表3　預絮聚體加填對紙張光學性能及勻度的影響

注抄片定量為60 g/m2,碳酸鈣加填量為17%(相對于漿料)。

表4　預絮聚體加填對紙張強度性能的影響

表3所示為預絮聚體加填對紙張光學性能及勻度的影響。由表3可知,陽離子淀粉與碳酸鈣預絮聚后,隨著淀粉用量的上升,灰分明顯上升；當淀粉用量在4.3 kg/t碳酸鈣(絕干)以內時,紙張不透明度上升,當淀粉用量過大時,不透明度有所降低,這與預絮聚體過大,碳酸鈣分布不均有關。當淀粉用量在4.3 kg/t碳酸鈣(絕干)以內時, 預絮聚體對紙張勻度影響不大,當淀粉用量達到8.6 kg/t碳酸鈣(絕干)時,紙張勻度明顯變差。

1.3.5紙張強度

表4所示為預絮聚體加填對紙張強度性能的影響。由表4可知,當淀粉用量在4.3 kg/t碳酸鈣(絕干)以內時,紙張裂斷長隨其用量的增加而明顯上升,但隨著淀粉用量的進一步增加。當其用量達到8.6 kg/t碳酸鈣(絕干)時,紙張強度反而有所下降,這是由于當淀粉與碳酸鈣比例合適時,淀粉覆蓋在碳酸鈣表面,增加其結合性能,有利于紙張強度。當淀粉與碳酸鈣比例過大時,淀粉用量增加后,紙張灰分較大,紙張強度有所降低,同時,也不能排除因形成大絮聚體,對紙張強度性能的不利影響。

2淀粉與碳酸鈣預絮聚技術在生產中的應用

在實驗室研究結果基礎上,筆者對1760 mm紙機現有填料加入系統進行了改進,并于2012年4月進行中試。

2.1生產方案及主要生產工藝

2.1.1工藝流程

陽離子淀粉與碳酸鈣預絮聚工藝流程見圖2。

圖2　陽離子淀粉和碳酸鈣預絮聚的工藝流程

按圖2所示的工藝流程,陽離子淀粉和碳酸鈣預絮聚按照20∶1、15∶1、10∶1三種流量比例(現場在線檢測流量單位m3/h)進行調整,按淀粉對碳酸鈣的用量分別為1.9、2.6、3.8 kg/t碳酸鈣(絕干)通過篩板后再一同加入流漿箱內。

2.1.2漿料情況

漿料配比：NBKP ∶APMP ∶CTMP=4%∶86%∶10%；NBKP打漿濃度(3.0±0.5)%,打漿度(45±2)°SR；化機漿打漿濃度2.5%～4.0%,打漿度≥42°SR。

2.1.3化學品用量

PAM用量： 0.45～0.55 kg/t紙,陽離子淀粉總用量： 10.0 kg/t紙(包括用于漿內及用于預絮聚兩部分),AKD用量： 8.5～12.0 kg/t紙。

2.2網部留著對比

在中試生產中,每隔2 h檢測一次網部留著情況,圖3為中試生產中預絮聚體對網部助留的影響。由圖3可知,添加預絮聚體后,當淀粉與碳酸鈣流量比例控制在10∶1和15∶1時,首程留著率平均提高16.2個百分點,填料留著率平均提高24.2個百分點。這是由于添加預絮聚體后,形成了比碳酸鈣粒徑大得多的絮聚物,大大提高了填料留著。

圖3　預絮聚體對網部助留的影響

填料定量/g·m-2表面強度/m·s-1正面反面灰分/%填料流量/m3·h-1碳酸鈣650.870.4816.301.25750.760.4715.901.40預絮聚體650.910.4815.681.1750.860.5016.101.2

2.3紙張性能分析

表5所示為中試生產中紙張性能。由表5可知,采用預絮聚體加填后,當紙張定量為65 g/m2時,紙張反面強度保持不變,正面強度略有提高；當紙張定量為75 g/m2時,紙張表面強度由0.62 m/s提高至0.68 m/s。

2.4生產中關鍵工藝的控制

淀粉和碳酸鈣預絮聚加填的關鍵工藝及使用條件,包括淀粉及碳酸鈣的選擇、高效混合器的使用、粒徑控制及加入點等。

2.4.1陽離子淀粉是在淀粉大分子中引入叔氨基或季銨基,賦予淀粉陽離子特性。陽離子淀粉的正電荷使它與帶負電荷的碳酸鈣結合，將帶負電荷的碳酸鈣吸附并保持在基質上。陽離子淀粉先經過糊化(溫度不超過95°),并稀釋至1%的濃度,用活塞泵輸送至高效混合器。濃度為26%的碳酸鈣離心泵輸送至高效混合器。

2.4.2淀粉取代度嚴格控制在0.028～0.035之間,濃度為1%的陽離子淀粉流動電位為200～250 mV,電荷密度為0.20～0.25 mmol/g(膠體滴定法)；季銨型陽離子淀粉(質量濃度1%)與碳酸鈣(質量濃度26%)絕干質量比例按1∶(1000～4000)時,Zeta電位在20.5～24.5 mV之間。

2.4.3季銨型陽離子淀粉與PCC質量比例根據兩者電荷分布情況進行控制,淀粉對碳酸鈣比例不超過1∶100。如全使用GCC,由于GCC含有少量分散劑,淀粉與碳酸鈣比例不超過5∶100。

2.4.4碳酸鈣在混合器中需經過多層過濾,篩目80～100目。混合器包括以下單元：至少兩層篩選單元；淀粉碳酸鈣比例控制單元；混合螺旋反沖單元；整體混合單元；預絮聚體過篩單元。通過以上工藝,獲得顆粒適中的預絮聚體。至于未過篩的預絮聚體,將回收至漿料打漿前(未叩漿池),作進一步處理。

2.4.5因采用碳酸鈣加填,適用于中性施膠體系,上網漿料pH值為7.5～9.0。

3結論

采用一定取代度的陽離子淀粉與碳酸鈣進行預絮聚,并通過有效控制預絮聚體的中位粒徑使其在5.5 μm以內,獲得具有良好穩定性的預絮聚體,將所得預絮聚體用于文化用紙的加填,由于淀粉覆蓋在碳酸鈣表面,通過其包裹碳酸鈣,增加結合性能,從而提高填料留著，紙張強度性能特別是表面強度及網部填料留著率均可得到有效改善。

參考文獻

[1]SHEN Jing, SONG Zhan-qian, QIAN Xue-ren. Research Progress in Strength Improvement of the Paper Containing Calcium Carbonate Filler[J]. China Pulp & Paper, 2007, 26(5): 47.

沈靜, 宋湛謙, 錢學仁. 改善碳酸鈣加填紙強度性能的研究進展[J]. 中國造紙, 2007, 26(5)： 47.

[2]ZHANG Hong-jie, HU Hui-ren, HE Zhi-bin, et al. Study on the DCS Flocculation Behavior in HYP-containing Furnish[J]. China Pulp & Paper, 2009, 28(12): 31.

張紅杰, 胡惠仁, 何志斌, 等. 含高得率漿紙料中DCS的絮聚行為研究[J]. 中國造紙, 2009, 28(12)： 31.

[3]PAN Cheng, FU Jian-sheng, YUAN Shi-ju, et al. Influence of Pre-flocculation of Filler and Wet End Additives on Filler Retention and Paper Strength[J]. China Pulp & Paper, 2012, 31(11): 33.

(責任編輯：董鳳霞)·選擇性氧化·

Research and Application of Cationic Starch and Calcium Carbonate Pre-flocculation Filling Technology

ZHU Hong-wei1,*LIU Chun-jing1YIN Hui1LUO Yun-ying2

(1.YueyangForest&PaperCo.,Ltd.,Yueyang,Hu′nanProvince, 414002;

2.NationalQualitySupervisionandInspectionCenterofHouseholdPaper,Changde,Hu′nanProvince, 415000)

(*E-mail: ZHW96@163.com)

Abstract：The Cationic starch and calcium carbonate flocculate with good stability and uniform particle size by pre-flocculating cationic starch of certain cationic degree and charge density and calcium carbonate in a specific mixing equipment. When the flocculate was used for paper filling the bonding ability of the filler was enhanced, due to the starch covered on the filler surface, paper strength especially surface strength and wet end retention were improved significantly. The technology was applied to printing and writing paper production on PM2 of Yueyang Forest & Paper Corporation,it improved good retention effect, and filler retention rate was increased by 24.2%.

Key words：cationic starch; calcium carbonate; filler; pre-flocculation

收稿日期：2014- 12- 25(修改稿)

中圖分類號：TS727+.2

文獻標識碼：A

文章編號：0254- 508X(2015)04- 0012- 04

作者簡介：朱宏偉先生,碩士,總工程師；主要負責技術與生產管理工作。