硅溶膠化學品在未漂箱板紙中的應用

硅溶膠化學品在未漂箱板紙中的應用

長久以來，紙機濕部陰離子垃圾和干擾物質含量較高，而陰離子型納米粒子在解決這方面問題的作用日益突顯。過去的5年中，二氧化硅納米粒子在未漂包裝紙領域中的使用量顯著增加。新一代二氧化硅溶膠與近期添加技術的進步相結合，能夠高效分散這些高度陰離子化的二氧化硅納米粒子，從而更好地應對牛卡紙生產線及中型紙廠濕部遇到的問題。該文旨在解釋陰離子型納米粒子如何并且為什么有助于解決長久以來紙機濕部陰離子垃圾和干擾物質含量較高的難題。文章最后提出了幾個問題，供紙廠濕部工段管理者判斷此高度發達的納米粒子化學是否適用于本廠紙機。

為充分認識眾多復雜且影響未漂紙板紙機濕部助留助濾化學的相互作用，本文先對每種化合物作基本描述。這些化合物通常包括淀粉，聚合物，濕、干強劑，明礬［十二水合硫酸鋁鉀（KAl（SO4）2·12H2O）］，聚合氯化鋁（PAC）和納米粒子。助留劑有助于截留各種類型的施膠劑，因此本文不討論施膠產品。

1　助留和助濾

1.1淀粉

淀粉是一種天然聚合物，可用于增加紙板中化學鍵的結合數量，因此可增強紙張性能。高品質的淀粉，不僅有好的系統適用性，還有助于濕部的助留助濾。淀粉來源廣泛，最常見的來源是土豆、玉米和木薯根。淀粉來源及處理方法決定其相對分子質量。淀粉的氮含量決定其陽離子化水平。常常被忽略的是淀粉的兩性性質，而這在某些濕部場合是很重要的。天然淀粉的磷酸鹽水平或磷酸鹽的添加量決定淀粉的兩性性質。

1.2聚合物

在造紙廠中，合成的聚合物通常稱為絮凝劑或直接稱為“助留劑”。合成聚合物種類繁多，包裝紙工廠中最常見的有2種，即陽離子型聚丙烯酰胺（CPAM）和陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）。合成聚合物（與淀粉等天然聚合物相對）基本上是由個體單體單元通過官能團聯接起來組成的直鏈或支鏈的鏈狀物，官能團沿著鏈呈定向排列。官能團的電荷可以是陰離子、陽離子或非離子的。聚合物的相對分子質量由連接在一起的單體數量決定。使用聚合物的目的在于連接纖維和細小纖維，從而改善留著，有時也可促進漿料脫水。

1.3濕強劑和干強劑

濕強樹脂是低相對分子質量的合成聚合物。大部分濕強樹脂是聚酰胺環氧氯丙烷（PAAE）及其衍生物，通常顯高正電荷性。顧名思義，它們的用途在于增強濕紙強度。

干強樹脂較濕強樹脂種類更多。用于未漂包裝紙的合成干強劑主要包括：乙醛酸PAM（GPAM）、聚乙烯胺（PVAM）和聚丙烯酰胺（PAM）。GPAM始終呈陽離子性，PVAM通常也是如此。大部分聚丙烯酰胺的衍生物也是陽離子型的，但也有陰離子型的。新型的纖維素基干強劑也可使用，但由于它們對助留助濾的影響不明顯，在此不作討論。

1.4明礬

明礬化學很復雜，而且只適用于松香施膠包裝紙紙機。明礬用于制備施膠中使用的松香/明礬復合物。值得注意的是，明礬既呈陽離子性，也呈酸性，能夠降低濕部的pH。

1.5PAC

PAC是聚合氯化物，也呈陽離子性，但對pH的影響比明礬小。PAC常用于電荷中和或增強ASA性能。

1.6納米粒子

納米粒子中最常見的2種無機助濾劑是膨潤土和二氧化硅。膨潤土是一種結晶的細顆粒的天然黏土，由層狀結構組成。膨潤土顆粒與水化合后呈兩性。由于膨潤土顆粒尺寸已達1 μm，因此常被稱作微米顆粒而不是納米顆粒。硅溶膠被定義為膠體二氧化硅（SiO2）分散系，其中顆粒并未沉淀。膠體二氧化硅是一種無定形的工程產品，呈強陰離子性，其顆粒尺寸不足5 nm，因此被稱作納米粒子（注：1 nm=1×10-9m或0.000 000 001 m）。圖1為高聚集態的新一代NP硅溶膠產品。

圖2為基于助留系統的二氧化硅納米粒子的典型反應機理。

如圖2所示，高相對分子質量陽離子淀粉和聚合物鏈在帶負電的纖維和細小纖維之間架橋。靜電電荷之間的吸引力導致纖維和細小纖維形成大的含水絮聚物。此后該絮聚物暴露于呈強負電性的二氧化硅顆粒。非常微小的二氧化硅粒子最終進入松散的絮聚物內部，其對陽離子淀粉和聚合物鏈的靜電吸引力導致絮聚物崩潰。正是這種大而松散的絮聚物的崩潰，釋放出水分，并產生較小的更密集的絮聚物。這些“新”的絮聚物保水性更好，但特別是濾水性比原先大的含水絮聚物更好。

圖2　基于助留系統的二氧化硅納米粒子的典型反應機理

早期的硅溶膠用于與陽離子淀粉反應。更多新型的硅溶膠，例如NP 2180，被設計用于含有或只含有聚合物的助留系統。

2　納米粒子系統

世界一流的納米粒子系統要求重視設計環節。聚合物、淀粉（如果使用的話）需要進行正確組合，并且納米顆粒必須進行實驗室規模的助留助濾研究。為方便開展實驗室工作，需使用電荷和電導率儀，縮窄聚合物、淀粉和二氧化硅的選擇范圍。除化學品的正確組合外，工藝進料點也有顯著影響，因此需要建立合適的工藝進料點。正確的進料點取決于漿料流送系統的機械設計及紙機負載的陰離子垃圾和干擾物質。

理解陰離子垃圾和干擾物質的水平是很重要的，因為選擇適當的聚合物和淀粉陽離子水平取決于此。當在一臺新紙機中使用特定的聚合物時，首要步驟之一是進行充分的電荷和電導率測量。測量項目包括膠體電荷（陽離子需求）、纖維表面電荷（Zeta電勢）以及從混漿箱到流漿箱之間的電導率。

通過測量電荷情況，還可以量化當前添加的化學品的影響。圖3是一種典型的電荷情況。

圖3　掛面箱板紙機的實際膠體電荷和電勢情況

在高電導率水平的紙機（如復合牛皮紙廠）以及封閉性高的紙廠，建議進行白水成分分析，以確定高電導率的實際原因。表1為一個白水成分分析實例。

表1　某工廠白水成分分析實例

出于成本效益的原因，造紙行業濕部化學品添加點的發展趨勢是越來越靠近流漿箱。這點對淀粉來說是相當正確的。現在發現將淀粉從濃漿轉移到稀漿中并不影響紙張強度。數年以來，化學品供應商和紙機運營商都認為將淀粉添加到濃漿中可以獲得最好的紙張強度。先前提到好的淀粉有助于濕部的助留助濾，若將淀粉添加到稀漿中效果會更好；因此通過將淀粉添加到稀漿中，紙廠可在不降低紙張強度的前提下減少助留助濾化學品的消耗。這對紙廠來說是個容易獲得的利潤。

然而，一些紙機必須警惕較低的淀粉留著率（這取決于原料、施膠劑和電荷平衡狀況），以及由此導致的將淀粉添加點靠近流漿箱時的發泡現象。添加陰離子型硅溶膠可以解決這個問題。二氧化硅和淀粉之間存在靜電吸引力，因此可以增加淀粉在紙張的留著，同時減輕甚至消除發泡。

經濟型后添加技術的進步改變了化學品在工藝流程中的添加方式。長久以來，納米粒子被添加在工藝流程的后期。現今為了提高經濟效益，淀粉和聚合物也被延遲添加。當延遲添加化學品，尤其是在流漿箱之后，快速充分的添加物混合對化學品的化學效率以及紙機的陽離子需求至關重要，從而影響紙機的運行效率。喂料系統，如依卡動力及阿克蘇諾貝爾，被設計用于實現化學品的超速混合，同時清水用量很少甚至不使用清水。

3　納米粒子系統的作用

大部分造紙濕部添加劑是陽離子型的，包括助留劑、淀粉、濕強劑、干強劑、施膠劑、聚合氯化鋁以及明礬。

二氧化硅納米粒子是陰離子型的，因而這些添加劑相互吸附在一起，有助于提高它們在紙頁中的留著，反過來也使得這些添加劑在白水系統中循環，從而可能導致發泡和/或沉淀。

由于陽離子添加劑的使用，包裝紙紙機系統中的電荷失衡是很常見的，這在100%循環紙機系統中是尤為常見的。因為其中的陰離子垃圾含量低（相對于硫酸鹽漿），陽離子需求量不高。添加高陰離子型的納米粒子有助于恢復電荷平衡。將電荷維持在某一范圍并保持穩定，對于保證紙機的運行效率是很重要的。

一直以來，很多大量使用陽離子添加劑的掛面紙機通常使用APAM幫助提高留著；然而，APAM及其衍生物相對分子質量很高，其濾水性通常不如陰離子納米粒子好。現今仍在使用APAM的紙廠改用更加有效的現代化二氧化硅添加方案是不二之選。比如在過去的2～3年內，北美幾家紙廠的酸性和中性掛面紙機系統都已轉為使用NP 2180添加劑。圖4和圖5分別為Netic WW噴嘴和NP二氧化硅納米粒子示意圖。

圖4　Netic WW噴嘴

圖5　NP二氧化硅納米粒子

4　使用納米粒子系統的益處

使用二氧化硅納米粒子助留助濾系統的典型益處在于：提高膠體留著，增強脫水性能，促進紙頁成形，改善電荷平衡。

（1）提高膠體留著的益處主要在于二氧化硅納米粒子可提高濕強劑、施膠劑及淀粉的留著率，從而導致顯著減少泡沫，降低消泡劑用量，提高濕部清潔度。淀粉留著率的提高有助于淀粉的延遲添加（稀漿中），進而在相同紙張強度水平下降低留著費用。通過在工藝流程中剪切點（如主壓力篩 ）之后的部位延遲添加長鏈狀物、絮狀淀粉及聚合物，可以節省更多的化學品用量。紙廠通過增加投入來制備纖維絮聚物，以此實現助留助濾。將絮聚物暴露在剪切力之下并將其打散是沒有道理的，除非紙機像早期的文化用紙和固體漂白紙板紙機的紙頁成形性好。

（2）增強脫水性能是指紙機成形部濾水更好，壓榨部脫水的機械作用更簡單，進而提高紙機的車速、產能及運行效率，或者可用于節省烘缸的蒸氣消耗。紙板機對壓榨部的出紙干度要求不高，可以利用成形部增加的濾水性能來降低流漿箱中的漿濃，從而改善成形，增加強度。改善紙頁成形提高了包裝強度，也增加了纖維與纖維之間的結合。

（3）促進紙頁成形可以通過添加低相對分子質量的助留助濾劑（如二氧化硅）來實現。高相對分子質量的聚合物對紙頁成形有不利影響。

（4）平衡濕部膠體電荷是很重要的。關鍵在于保持流漿箱的陽離子需求穩定，并且不跨越等電點。電荷失衡會導致發泡，降低紙機運行性能。陽離子添加劑可以創造接近等電點的電荷水平。

5　結論

以下問題將有助于紙廠濕部管理者決定本廠是否需要采用現代化的基于二氧化硅的助留助濾方案。

（1）成形部濾水性更好對工廠有什么益處？紙機車速的提高、蒸氣成本的降低能給工廠帶來什么？

（2）使用淀粉的成本是否很高？現狀依舊如此？紙機系統存在發泡現象嗎？本廠的濕部是否越來越臟（流漿箱或導輥沉淀）？

（3）本廠仍然在濃漿中添加淀粉嗎？

（4）假如不添加淀粉，只添加聚合物，該聚合物能提供濾水作用嗎？還是只有助留作用？

（5）打開唇板降低流漿箱中的漿濃，有利于紙頁成形嗎？這對增強紙張強度有幫助嗎？

（6）本廠大量使用陽離子添加劑嗎？

（7）使用陽離子添加劑后陽離子需求有變化嗎？

（申正會編譯）