提高白色廢紙漿抄造的紙張留著率和強度

白賬簿紙通常是由白色廢紙漿抄造而成的，通常用以代替雙層紙板頂層的漂白硫酸鹽漿（BKP）。然而，由白色廢紙漿抄造成的紙張比原始紙漿抄造成的紙張強度差。因此當雙層紙板的頂層中白賬簿紙的占比增加時，紙漿單程留著率和紙張強度的改善是非常重要的。因此，有必要選擇合適的添加劑來克服白賬簿紙的缺點。該項研究分析了生產雙面板的工廠中使用的白賬簿紙的物理性質，同時測量具有不同電荷密度和相對分子質量的陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）對紙漿單程留著率和紙張強度的影響。研究發現：作為助留劑的CPAM的電荷密度在改善白賬簿紙漿的單程留著率和紙張強度方面比其相對分子質量更為重要；CPAM的電荷密度必須足夠高，以能夠捕獲陰離子微細顆粒。

1 前言

廢紙漿是紙制品中重要的原材料，近年來全球使用廢紙漿的情況已有所增加。舊報紙（ONP），舊瓦楞紙箱（OCC），舊雜志紙（OMG），白賬簿紙（W/L）和混合辦公廢紙（MOW）等廢紙漿廣泛用于紙板的抄造。

雙層紙板或白漿襯里的粗紙板用于包裝食品、藥品、洗滌劑，紡織品和服裝等。木粉和其他有機填料已被添加到雙層紙板的中間層，以降低雙層紙板的生產成本。

雙層紙板由許多層制成，頂層通常由漂白硫酸鹽紙漿（BKP）、白賬簿紙漿和舊報紙漿組成。其他層由質量較差的再生紙漿制成。盡管BKP的比例低于雙層紙板頂層中其他再生紙漿的比例，但BKP必須替換為白色廢紙漿以降低生產成本。白賬簿紙包括普通辦公用紙，無光澤，可以印刷或不印刷；辦公用紙可能包括打字紙、復印紙或白色筆記本紙。隨著印刷技術的發展，白賬簿紙的生產穩步增長。與其他廢紙漿相比，白賬簿紙的白度和強度性能較好，而且白賬簿紙含有較高比例的化學漿和較少的回收材料。然而，由于造紙商為了降低生產成本在普通辦公用紙中添加了高得率漿和無機填料，因此白賬簿紙的質量已經有所下降。其他廢紙漿的高灰分含量降低了原料產量和紙張強度。因此，有必要提高由白賬簿紙制成的、并且灰分含量較高的雙層紙的單程留著率和紙張強度。

本研究探索了用陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）改善白賬簿紙漿的留著和強度的理想條件。分析了在工廠生產的雙面板上使用白賬簿紙的效果，并與來自同一工廠的再生紙漿進行了比較；接著通過分別添加具有不同電荷密度和相對分子質量的6種CPAM來測量白賬簿紙漿的單程留著率；在確定單程留著率后，抄造手抄片后測量紙張的強度。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

6層雙面板紙漿來自韓國某紙廠。紙漿分為廢紙漿和原始紙漿，二者均用于制造雙面板。廢紙漿包括白賬簿紙漿、ONP漿和OCC漿。原始紙漿由混合BKP組成，其將針葉木BKP和闊葉木BKP以5∶5的質量比混合，漂白化學機械磨木漿（BCTMP）也包括在內。

CPAM在韓國某紙廠中用作脫水劑，CPAM則是白賬簿紙漿生產線中的助留劑。然而，傳統的CPAM不能很好地與頂層生產線中的白賬簿紙反應。因此從韓國某公司獲得6種類型的CPAM（A、B、C、D、E和F），它們的電荷密度和相對分子質量如圖1所示。

圖1 CPAM的相對分子質量與電荷密度的關系

2.2 實驗方法

2.2.1 廢紙漿以及原始紙漿的性能分析

紙漿是從漿料制備線的機箱中獲得的。測量紙漿的初始濃度并用自來水稀釋至質量分數1.0%。然后測量紙漿性質，包括游離度（按TAPPI T 227 om-092009測試，以下各測試項目的測試方法均在各測試項目后的小括號中表示）、灰分含量（TAPPI T 244 cm-99 1999）和細小纖維含量（TAPPI T 261 cm-10 2010）。使用纖維分析儀測量纖維平均長度。

用廢紙漿和原始紙漿抄造定量為（100±4）g/m2的手抄片，然后使用實驗室壓榨機在壓力為3.5 kgf/cm2（約34.3 Pa）的條件下濕壓榨5 min，并使用圓筒式干燥機在溫度120°C下進行干燥。將干燥后的手抄片在溫度23°C和50%相對濕度（RH）的條件下進行處理以控制手抄片的含水量為8%。測定手抄片的物理性能，包括松厚度（TAPPI T 411 om-10 2010）、斷裂長（TAPPI T 494 om-06 2006）、耐破指數（TAPPI T 403 om-10 2010）和壓縮強度（TAPPI T 818 cm-07 2007）。

2.2.2 測量白賬簿紙漿的單程留著率

單程留著率按照TAPPI T 261 cm-10（2010）進行測量。首先使用自來水將白賬簿紙漿稀釋至漿濃為質量分數0.5%，然后用蒸餾水將CPAM稀釋至質量分數為0.1%。將500 mL稀釋后的白賬簿紙漿加入到動態濾水儀中，并以600 r/min的速度攪拌30 s，然后在相同的混合速度下加入CPAM，90 s后收集濾液，稱重濾液并對其進行過濾，然后在溫度105°C下干燥以達到穩定的質量。公式1用于計算單程留著率：

式中：A是原始樣品的質量；W是濾液中固體（細小纖維）的質量；U是濾液的質量，T是樣本中細小纖維的總質量。

2.2.3 用白賬簿紙漿抄造手抄片并測試其物理性能

使用自來水稀釋白賬簿紙漿至漿濃為質量分數0.5%以抄造手抄片。根據TAPPI T 205 sp-06（2006），將CPAM添加到紙漿中并以600 r/min的攪拌速度混合 30 s后，抄造定量為（100±4）g/m2的手抄片。CPAM的添加量分別為絕干漿的0.03%、0.05%和0.07%。將手抄片用實驗室壓榨機在壓力為3.5 kgf/cm2（約34.3 Pa）的條件下濕壓榨5 min，并使用圓筒式干燥機在溫度120°C下進行干燥，干燥后的手抄片在溫度23°C和 50%相對濕度（RH）的條件下進行處理以控制手抄片的含水量為質量分數8%。測定手抄片的物理性能，包括松厚度（TAPPI T 411 om-10 2010）、斷裂長（TAPPI T 494 om-06 2006）、耐破指數（TAPPI T 403 om-10 2010）、壓縮強度（TAPPI T 818 cm-07 2007）以及灰分含量（TAPPI T 244 cm-99 1999）。

本實驗的流程見圖2。

圖2 實驗流程圖

3 結果與討論

3.1 廢紙漿以及原始紙漿漿料性能

廢紙漿和原始紙漿的紙漿性能分別如圖3和圖4所示。

圖3 廢紙漿和原始紙漿的游離度（a）與平均纖維長度（b）

圖4 廢紙漿和原始紙漿的灰分含量（a）和細小纖維含量（b）

由圖3和圖4可見，白賬簿紙漿的加拿大標準游離度低于OCC和原始紙漿，高于ONP。白賬簿紙漿的細小纖維含量高于原始紙漿，但低于ONP和OCC。白賬簿紙漿的平均纖維長度是6種紙漿中最短的，其中灰分含量在5種紙漿中排在第2位。與BKP相比，白賬簿紙漿含有更多的微細顆粒（如細小纖維和細小填料）。這表明，當雙面板頂層的白賬簿紙漿占比增加時，造紙商應著重關注細小纖維和細小填料的留著。

圖5和圖6表明了手抄片的物理性能，手抄片由廢紙漿和原始紙漿抄造而成。

圖5 廢紙漿與原生漿抄造的手抄片的松厚度（a）和裂斷長（b）

圖6 廢紙漿與原生漿抄造的手抄片的耐破強度（a）和壓縮強度（b）

大部分的白賬簿紙漿手抄片的松厚度與OCC紙漿和ONP紙漿手抄片相似，并且低于BCTMP和BKP手抄片。白賬簿紙漿手抄片的強度大于ONP紙漿和OCC紙漿。然而，白賬簿紙漿手抄片的強度低于BCTMP和BKP手抄片。與用原生紙漿抄造的手抄片相比，白賬簿紙漿手抄片的強度較低與其平均纖維長度較短以及較高的灰分有關。另外，纖維性能的變化降低了回收過程中的紙張強度。

與BKP手抄片相比，白賬簿紙漿抄造的手抄片的強度較低，因為漿料中含有填料、顏料以及短纖維。因此，有必要提高白賬簿紙漿的單程留著率和紙張強度。但是，單程留著率的改善往往會導致白賬簿紙中的灰分含量增加。因此，選擇合適的助留劑來提高單程留著率以及紙張強度非常重要。

3.2 單程留著率的評價以及白賬簿紙漿手抄片的物理性能

圖7顯示了添加不同類型以及不同用量的CPAM的白賬簿紙漿的單程留著率。

圖7 添加不同類型以及不同用量的CPAM對白賬簿紙漿單程留著率的影響

不同的CPAM具有不同的相對分子質量和電荷密度，因此，使用不同的相對分子質量和電荷密度的CPAM，其改善單程留著率的程度是不一樣的。大多數CPAM會導致白賬簿紙漿的單程留著率增加。CPAM C的單程留著率最高，而B和F的單程留著率值則處于第2。與其他CPAM相比，A和D的單程留著率值并沒有較為明顯的增加。CPAM C和F的相對分子質量與CPAM A的相對分子質量相似，但它們的電荷密度高于CPAM A。而且，CPAM B在所有CPAM中具有最高的電荷密度。由于白賬簿紙漿中包含許多填料和顏料，CPAM必須具有高電荷密度才能收集陰離子填料和顏料。電荷密度是CPAM改善白賬簿紙漿單程留著率的重要性質。

如前所述，助留劑能夠提高紙張的強度。在目前的研究發現白賬簿紙的強度低于BKP。在這項研究中，選擇了具有最高單程留著率的3種CPAM（B、C和F）用于進一步研究。將添加CPAM B、C和F后的白賬簿紙漿抄造的手抄片進行檢測以評價這些CPAM改善紙張強度的能力。灰分含量會影響紙張的強度。因此，分析了添加CPAM后灰分含量與紙張強度的關系。圖8～10顯示了添加CPAM后手抄片的斷裂長、耐破強度和壓縮強度與灰分含量的關系。

圖8 添加CPAM后手抄片的斷裂長與灰分含量的關系

圖9 添加CPAM后手抄片的耐破強度與灰分含量的關系

圖10 添加CPAM后手抄片的壓縮強度與灰分含量的關系

B和F的強度相似，因為它們的灰分含量相似。C具有最低的紙張強度，盡管其灰分含量與B和F的灰分含量相似，但與CPAM B和F相比，CPAM C含有較低的電荷密度，這表明電荷密度是影響單程留著率和紙張強度的重要因素。另外CPAM的相對分子質量也很重要。CPAM B的相對分子質量低于CPAM F，在6種CPAM中，CPAM B的相對分子質量為中值。結果表明，具有最高電荷密度的CPAM也應當具有高于平均值的相對分子質量，以提高單程留著率和紙張強度。

作為助留劑的CPAM的電荷密度在改善白賬簿紙漿的單程留著率和紙張強度方面比其相對分子質量更為重要；CPAM的電荷密度必須足夠高，以能夠捕獲陰離子微細顆粒。

4 結論

（1）白賬簿紙中含有細小纖維以及細小填料，與用BKP制成的紙張相比，其成紙強度較差；因此，在雙面板的頂層中增加白賬簿紙漿的占比時，單程留著率是非常重要的，必須增強紙張強度，因為單程留著率的增加直接與灰分含量的增加有關；另外，必須選擇適當的添加劑。

（2）作為助留劑的CPAM的電荷密度在改善白賬簿紙漿的單程留著率和紙張強度方面比其相對分子質量更為重要；CPAM的電荷密度必須足夠高，以能夠捕獲陰離子微細顆粒。