抄紙用分散劑聚氧化乙烯在新月型紙機上的應用

西能直輝 住友精化株式會社

編者按：2019年4月15—16日，CIDPEX2019生活用紙和衛生用品國際論壇在武漢召開，本文根據住友精化株式會社西能直輝在論壇中的演講稿及錄音整理。

1 前言

聚氧化乙烯多年以來作為抄紙用分散劑在中國各地被用戶所使用。住友公司作為聚氧化乙烯（產品名稱：PEO?）的生產廠商，介紹了抄紙分散劑的種類和特征，以及近年不斷引進的具有高剪切流漿箱的新月型紙機上聚氧化乙烯的添加效果及添加方法的具體試驗案例。

2 抄紙用分散劑的種類和特征

2.1 抄紙用分散劑的添加效果

通常在抄紙過程中，如果不使用抄紙用分散劑，纖維會相互纏繞不能均勻地進行分散。以此狀態濾水后就會形成像圖1左圖中一樣纖維濃淡不一及具有痕跡的濕紙。抄紙用分散劑可以解決這個問題，如圖1右圖一樣可以形成質地均勻的濕紙。因此，為了提高紙的品質，抄紙用分散劑是不可缺少的。

圖1 抄紙用分散劑的效果

2.2 抄紙用分散劑的特征

現在主流的抄紙分散劑有聚氧化乙烯和聚丙烯酰胺兩種。這兩種抄紙用分散劑的特征和區別如表1所示。聚氧化乙烯是熱可塑性樹脂，它本身不帶有粘性，所以便于起皺控制從而較易獲得柔軟的紙。聚丙烯酰胺是熱硬化性樹脂，與聚氧化乙烯相比除了成紙較硬以外，還會出現粘網的現象，使起皺控制復雜化，有紙屑粉塵量增加的傾向。

而且，聚氧化乙烯是非離子性的產品，具備與陽離子性增強劑及施膠劑的良好并用性。陰離子的聚丙烯酰胺卻不能與這些助劑并用。但是，聚氧化乙烯具有與木質素等苯酚成分絮凝的性質，在使用未漂白漿時需要注意。

另外，聚丙烯酰胺在制備時會出現不溶解性顆粒，怎樣攪拌也不會溶解。為了去除不溶物就必須進行過濾處理，過濾不充分的情況下，就會進入抄紙環節，污染網籠、毛毯，可能會發生針眼及斷紙問題。聚氧化乙烯不含有不溶物質，適當地攪拌數小時后就會完全溶解。但是由于分子結構的原因，對剪切力的抵御較弱，溶解時高速攪拌帶來的剪切力，稀釋溶液通過泵及閥門時壓力差產生的剪切力會對其產生影響，出現分子量下降，降低添加效果的可能性，這點需要注意。

聚丙烯酰胺的不溶物容易弄臟刮刀及毛毯，聚氧化乙烯就沒有此類問題，刮刀及毛毯的使用壽命增長，可以預期運行成本的縮減。

聚氧化乙烯的紙漿分散效果好，一般聚丙烯酰胺60%的添加量就可生產出同等質地的紙。

關于水質的影響，鐵離子和游離氯達到一定程度會使分散劑的粘度下降，對于這個方面，聚氧化乙烯具有良好的穩定性。聚丙烯酰胺除了遇到鐵離子、游離氯會造成粘度大幅度下降以外，水的硬度也會使其粘度降低。

聚氧化乙烯雖然價格比聚丙烯酰胺高，但如果用戶理解了這些抄紙用分散劑的特征，就會從品質、環境、制造設備、成本等各方面綜合判斷，選擇適合的抄紙用分散劑。

表1 聚氧化乙烯和聚丙烯酰胺的特征

表2表示的是各紙機上抄紙分散劑使用傾向。聚丙烯酰胺的使用以低速圓網紙機為主。聚氧化乙烯用于圓網紙機、真空圓網紙機及一部分新月型紙機。

表2 各紙機的抄紙分散劑使用傾向

2.3 聚氧化乙烯的分散原理

聚氧化乙烯自身的醚氧基和纖維表面的氫氧基在水中形成弱氫結合，纖維的表面附著了聚氧化乙烯分子，聚氧化乙烯所具有的降低摩擦效果，使纖維在水中不會纏繞，順滑地自由移動。以這種狀態濾水后可以形成纖維均勻分散的濕紙，形成良好質地并消除成紙孔洞，提高紙頁強度達到高品質的同時斷紙次數的減少，達到了生產的穩定化。

圖2 聚氧化乙烯的分散原理

3 聚氧化乙烯在新月型紙機上的應用

3.1 背景

新月型紙機的流漿箱內有一個被稱作多岐配管的蜂房式結構。多岐配管內部有一處管線直徑變窄的部分，在這個部分流動速度會急劇上升。急劇的流速變化使纖維分散。

根據上述流漿箱的分散結構一般認為新月型紙機可以不使用分散劑。并且，也存在著聚氧化乙烯受到高剪切力后，添加效果減弱的技術難題。

但是在和很多紙廠的交流中，了解到客戶有希望改善新月型紙機的成紙品質，甚至有想要提高車速的需求。住友精化根據探討的技術結果，開發出了高剪切力的流漿箱也可以使用聚氧化乙烯的方法（專利2007-542353，CN101297080）。

據此聚氧化乙烯也可以適用于具有高剪切力流漿箱的新月型紙機，并通過在用戶中進行的試驗，確認該方法可以改善產品的品質。

3.2 聚氧化乙烯的高濃度添加

以往的一般認知里聚氧化乙烯需要盡可能稀釋至稀薄溶液，盡可能在不被剪切的情況下向流漿箱內等紙機下流側位置進行添加。通常的圓網紙機和真空圓網紙機等的使用條件為100ppm左右。圖3是100ppm的聚氧化乙烯水溶液在攪拌機的剪切力下的粘度保持率。如圖3所示加大剪切力會使粘度大幅度下降。因此，如果用以往的相同濃度在高剪切力流漿箱的新月型紙機上添加，粘度會大幅度下降，無法發揮聚氧化乙烯的添加效果。

圖3 聚氧化乙烯溶液針對剪切力的粘度保持率

住友精化研究了聚氧化乙烯在高剪切力流漿箱上的使用方法。結果如圖4所示，溶解濃度越高越不會受到剪切力的影響，同樣的攪拌機帶來的剪切力下，粘度保持率越高。即濃度越高，粘度越難以下降，越難以受到剪切力的影響。這使在以高剪切力流漿箱為主要部件的新月型紙機上使用聚氧化乙烯變為可能。添加濃度會根據紙機的具體情況以及想要獲得怎樣的成紙品質而有所變化，重點在于最佳的添加濃度需要根據每一臺紙機來進行設定。

圖4 PEO?溶液濃度和剪切力的關系

3.3 添加方法

聚氧化乙烯的添加方法，不是像真空圓網紙機那樣直接添加到流漿箱中，而是添加在壓力篩出口側與流漿箱之間的位置。

添加溶液的方法為，溶解原液直接注入或者將溶解后的高濃度溶液稀釋調整到任意濃度再注入均可。可以先利用壓力篩后的排廢閥等進行添加試驗，確認聚氧化乙烯的添加效果及掌握適當的添加條件。

圖5 聚氧化乙烯的添加位置

3.4 新月型紙機上的聚氧化乙烯添加試驗案例

● 案例1

抄紙條件：

紙機：新月型（試驗機）

車速：800m/min

定量：13g/m2

PEO?：PEO-PFZ blue（住友精化產，高分子量品級）

PEO?水溶液添加濃度：400ppm

圖6是新月型紙機的成紙在電子顯微鏡下的照片。左圖是沒有添加聚氧化乙烯的紙，可見纖維束在一起，而且有很多孔洞。將調整到400ppm濃度的聚氧化乙烯以500ppm的量添加到漿料中，纖維束及孔洞現象消失，抄出質地良好的紙。而且，添加量增加至1,000ppm，質地可以進一步得到改善。

圖6 新月型紙機上聚氧化乙烯的添加效果

● 案例2

這家用戶使用廢紙進行生產，由于廢紙的質量低下等各種各樣的原因造成斷紙現象頻發，操作穩定化成為當務之急。

抄紙條件：

紙機：新月型 （歐洲產）

車速：1,400 m/min

PEO?：PEO-PFZ blue（住友精化產，高分子量品級）

PEO?水溶液添加濃度：1,000ppm

考慮到添加聚氧化乙烯可以提高纖維分散性，減少紙頁孔洞，紙的均勻性增加會使紙頁強度提高，所以進行了添加聚氧化乙烯的試驗。通過試驗結果可以確認，縱向·橫向的紙的抗張強度及斷裂伸長率同時提高了10%～20%左右，也減少了斷紙次數。（未添加PEO?時斷紙次數：每隔45分鐘1次，添加PEO?時斷紙次數：90分鐘未發生斷紙現象）。而且紙頁強度的提高，今后可以生產更薄的紙以及可以提高抄紙速度。

● 案例3

這家用戶使用的是國產新月型紙機，抄紙速度大致為1,000m/min。如圖7所示，隨著聚氧化乙烯添加量的增加，縱向·橫向的抗張強度大幅度提高。我公司認為在1,000m/min左右抄紙速度的紙機上可以獲得高水平的添加效果。

抄紙條件：

紙機：新月型（中國制造）

車速：960m/min

定量：14～16g/m2

PEO?：PEO-PFZ blue（住友精化產，高分子量品級）

PEO?水溶液添加濃度：400ppm

4 聚氧化乙烯（PEO?）的安全性以及使用注意事項

4.1 PEO?的安全性

住友精化對PEO?進行了各種刺激性及雜質成分的分析，而且在中國還進行了口服毒性試驗，確認其安全性很高。

表3 PEO?雜質成分的分析結果（住友精化）

4.2 PEO?的使用注意事項

在實際生產中，PEO?的使用需注意以下方面：

（1）避免與鐵離子的接觸

需注意工廠的水質（鐵離子含量），注意不要混入鐵銹。

（2）避免與殘留氯的接觸

不要過量添加殺菌劑，注意控制氯濃度。

（3）溶解時防止不溶顆粒的產生

投料時使PEO降落在水膜上，需要使用適當的投料機（圖8）。

圖8 送料裝置示意圖

5 總結

綜上所述，不僅普通圓網紙機和真空圓網紙機可以使用分散劑，新月型紙機上添加聚氧化乙烯也可以發揮效果。今后對于新月型紙機，改善成紙品質、生產穩定性、降低生產成本，聚氧化乙烯可以貢獻出自己的力量。