濕部?jī)?yōu)化：提高濕強(qiáng)度性能效率（WSPE）

芬蘭凱米拉（KEMIRA）化學(xué)品公司

濕部?jī)?yōu)化：提高濕強(qiáng)度性能效率（WSPE）

芬蘭凱米拉（KEMIRA）化學(xué)品公司

介紹了利用陰離子功能促進(jìn)劑和陽離子乙二醛聚丙烯酰胺干強(qiáng)劑，提高紙張濕強(qiáng)效率的應(yīng)用案例。說明選擇正確工藝化學(xué)品可為提高紙品質(zhì)量和整體運(yùn)行效率帶來顯著益處。

在制造具一定濕強(qiáng)度的紙巾紙（本文指餐巾紙、擦手紙、廚房紙巾等）和面巾紙產(chǎn)品時(shí)，通常在紙漿懸浮液中加入濕強(qiáng)劑，以提高紙張的濕強(qiáng)度[1]?！皾駨?qiáng)度”指成品紙或紙板用水重新潤(rùn)濕后的強(qiáng)度。聚丙烯酰胺-表氯醇樹脂（PAE樹脂）是造紙工藝中最常見的濕強(qiáng)劑之一。該樹脂含有陽離子氮雜環(huán)丁二烯官能團(tuán)。在造紙工藝中，氮雜環(huán)丁二烯基團(tuán)可以與纖維（主要是羧基）上的陰離子位點(diǎn)發(fā)生反應(yīng)。此外，聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇還可通過自交聯(lián)提高紙張的濕強(qiáng)度。

1 濕強(qiáng)度效率

濕強(qiáng)度性能效率（WSPE），簡(jiǎn)稱濕強(qiáng)效率，其定義為濕抗張指數(shù)對(duì)濕強(qiáng)劑添加量的比例。例如，如果10kg/t的聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇需達(dá)到10N.m/g的濕抗張指數(shù)，則其濕強(qiáng)度性能效率為1.0（kN.m/g）。因此造紙工藝的關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)最高的濕強(qiáng)效率，使制造商可以減少化學(xué)品使用量或提高干/濕抗張強(qiáng)度比。濕強(qiáng)效率在很大程度上取決于紙漿原料的類型。

1.1 漂白原生漿的濕強(qiáng)效率

大部分漂白原生漿具有低導(dǎo)電性和低陽離子需求量。但商用聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂具有較高陽離子電荷密度，通常在2meq/ g與3meq/g之間。高劑量的聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇將漿料轉(zhuǎn)化為陽離子系統(tǒng)，導(dǎo)致更多的聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂無法留著，從而造成濕強(qiáng)效率過低。

1.2 再生漿的濕強(qiáng)效率

再生紙漿，特別是利用混合辦公廢紙生產(chǎn)的再生紙漿，含有相對(duì)較高比例的細(xì)小纖維、填料和其他陰離子材料。得益于其較大表面積，此類細(xì)小纖維和填料可吸附絕大部分的濕強(qiáng)劑。未留著的細(xì)小纖維和填料會(huì)大幅降低濕強(qiáng)效率[2]。相反，提升填料和細(xì)小纖維留著率可提高濕強(qiáng)劑在紙張上的留著率，從而增加濕強(qiáng)效率。如圖1所示，相比利用舊瓦楞紙板（OCC）生產(chǎn)的棕色紙巾紙，利用混合辦公廢紙（MOW）再生纖維生產(chǎn)的白色紙巾紙濕強(qiáng)效率更低。各種漂白工藝會(huì)降低纖維表面電荷密度[3]，進(jìn)而減少濕強(qiáng)樹脂在纖維上的吸附，從而導(dǎo)致濕強(qiáng)度降低。不僅如此，相比舊瓦楞紙板，混合辦公廢紙通常灰分含量較高，未留著的灰分消耗了部分聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂，引起濕強(qiáng)效率降低。

圖1 棕色紙巾紙與白色紙巾紙濕強(qiáng)效率對(duì)比

濕強(qiáng)度性能效率低將導(dǎo)致以下問題：

● 紙機(jī)運(yùn)行性能問題

● 濾水性差

● 成形網(wǎng)和毛毯阻塞

● 紙張斷紙或破洞

● 消泡劑用量加大

● 沉積在揚(yáng)克缸表面導(dǎo)致涂層硬化，從而導(dǎo)致起皺性能欠佳

● 濕部化學(xué)品成本較高

2 使用功能助劑提高濕強(qiáng)效率

本文著重討論通過低成本高效率地利用新型陰離子功能促進(jìn)劑和陽離子乙二醛聚丙烯酰胺干強(qiáng)劑，提高濕強(qiáng)效率。本文的案例研究將說明選擇正確的工藝化學(xué)品能夠?yàn)樘岣呒埰焚|(zhì)量和整體運(yùn)行效率帶來顯著益處。

2.1 羧甲基纖維素

羧甲基纖維素（CMC）通常與聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇共用，以增加濕抗張強(qiáng)度和干抗張強(qiáng)度。然而，由于羧甲基纖維素通常以干粉狀態(tài)存在，因此在應(yīng)用前需使用價(jià)格高昂的開解設(shè)備將其溶解在水中。傳統(tǒng)的助留劑/助濾劑可使細(xì)小纖維、填料和聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂充分留著在紙張上。然而，這些產(chǎn)品通常都是高分子量的線性高分子絮凝劑，可能會(huì)導(dǎo)致紙張成形效果不佳，抗張強(qiáng)度下降、紙張白度降低。此外，為達(dá)到最佳留著性能，可能還需使用價(jià)格高昂的乳化設(shè)備和儲(chǔ)存罐。

2.2 陰離子型聚丙烯酰胺

合成陰離子型聚丙烯酰胺溶液是羧甲基纖維素和助留劑/助濾劑的高效替代品。凱米拉的陰離子功能助劑系列提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的“隨取隨用型”應(yīng)用解決方案。這些陰離子功能助劑以液態(tài)形式運(yùn)輸，可使用管式靜態(tài)混合器輕松地與稀釋水混合。

圖2 陰離子型聚丙烯酰胺的作用機(jī)理

如圖2所示，在造紙過程中，陰離子功能助劑可與陽離子聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇發(fā)生交聯(lián)，提升填料、細(xì)小纖維和聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇在紙張上的留著率，從而提高濕強(qiáng)效率。采用凱米拉陰離子功能助劑，紙巾紙/面巾紙制造商能夠在提高紙張上聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇固定率的同時(shí)，維持良好的紙張成形效果。

2.3 陽離子乙二醛聚丙烯酰胺

乙二醛聚丙烯酰胺（GPAM）已被廣泛應(yīng)用于各類紙制品的生產(chǎn)過程，用以增加紙張的干強(qiáng)度[4]。乙二醛聚丙烯酰胺通常在紙張成形之前加入紙漿懸浮液中。在對(duì)處理過的紙張進(jìn)行干燥時(shí)，乙二醛聚丙烯酰胺可與纖維素形成共價(jià)鍵，從而能夠增加紙張的干強(qiáng)度。此外，由于乙二醛聚丙烯酰胺與纖維之間的共價(jià)鍵在水中具有可逆特性，因此，乙二醛聚丙烯酰胺還可增加紙制品的暫時(shí)性濕強(qiáng)度。

相比傳統(tǒng)乙二醛聚丙烯酰胺產(chǎn)品，凱米拉最新推出的新一代乙二醛聚丙烯酰胺產(chǎn)品能夠提供卓越的強(qiáng)度性能。本報(bào)告表明，在生產(chǎn)具有濕強(qiáng)度性能紙張的過程中，結(jié)合使用獨(dú)特的干強(qiáng)度技術(shù)與聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂，有助于發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)。聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂常用于同時(shí)增加紙張的濕強(qiáng)度和干強(qiáng)度。然而，對(duì)于僅通過使用聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂即希望實(shí)現(xiàn)足夠干強(qiáng)度的要求而言，許多再生紙漿原料具有一定挑戰(zhàn)性。通常情況下，在使用高劑量聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂時(shí)，濕抗張測(cè)試結(jié)果能夠較好符合產(chǎn)品性能指標(biāo)，但干抗張?jiān)囼?yàn)結(jié)果卻仍低于目標(biāo)值。進(jìn)一步增加聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇用量會(huì)導(dǎo)致機(jī)器的運(yùn)行性能出現(xiàn)問題。在這種情況下，該技術(shù)可與聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇共用以增強(qiáng)紙制品的干強(qiáng)度。該技術(shù)還提高紙制品的脫水效率和濕抗張強(qiáng)度，并以此減少聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇的用量。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 案例1：使用陰離子功能助劑增加濕強(qiáng)效率、提高設(shè)備運(yùn)行性能

歐洲某造紙廠生產(chǎn)100%再生紙，紙張等級(jí)距家用紙巾紙等級(jí)相差較遠(yuǎn)。該工廠濕強(qiáng)度樹脂用量居高不下（14～16kg/t，絕干添加量）。該廠的一項(xiàng)電荷滴定研究顯示，其流漿箱與白水呈陽性。該結(jié)果表明，濕強(qiáng)度樹脂在紙張上的留著率低，且濕強(qiáng)效率相對(duì)較低。此外，這也可能是首程留著率低、濾水緩慢、消泡劑用量高和起皺性能欠佳的潛在原因。

針對(duì)這一現(xiàn)象，該廠在濕強(qiáng)度樹脂添加點(diǎn)之后的扇泵入口處使用陰離子功能助劑。

使用陰離子功能助劑后，該廠有效提高濕強(qiáng)效率（WSPE）66%，提升總產(chǎn)量17%，并降低消泡劑整體用量40%。

圖3 功能助劑技術(shù)提高設(shè)備運(yùn)行能力和生產(chǎn)能力

表1 案例1 中工廠的實(shí)際生產(chǎn)情況

3.2 案例2：使用陽離子干強(qiáng)劑取代羧甲基纖維素

某北美造紙廠生產(chǎn)居家外用（AFH）型100%再生纖維制濕起皺紙巾紙。該廠希望能夠在降低該產(chǎn)品定量12%～14%的同時(shí)，維持與原產(chǎn)品相同的濕抗張強(qiáng)度和干抗張強(qiáng)度目標(biāo)。

起初，該廠嘗試通過使用聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇濕強(qiáng)度樹脂和羧甲基纖維素干強(qiáng)度產(chǎn)品，提供預(yù)期的抗張強(qiáng)度。然而，結(jié)合使用干/濕強(qiáng)度產(chǎn)品后，紙制品的干抗張強(qiáng)度始終低于目標(biāo)值，且聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇用量居高不下。進(jìn)一步增加羧甲基纖維素用量并未實(shí)現(xiàn)提高干抗張強(qiáng)度的目標(biāo)。為解決這一問題，凱米拉建議該廠使用陽離子乙二醛聚丙烯酰胺完全取代羧甲基纖維素，并同時(shí)減少19%～33%的聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂用量。在造紙過程中，陽離子乙二醛聚丙烯酰胺與聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂混合后從紙機(jī)漿池加入。該項(xiàng)全新應(yīng)用使得該工廠能夠在有效減少14%定量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的抗張強(qiáng)度目標(biāo)。連續(xù)生產(chǎn)具有目標(biāo)干抗張強(qiáng)度的紙巾紙顯著提升了轉(zhuǎn)換效率和設(shè)備綜合效率（OEE）。使用聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇/乙二醛聚丙烯酰胺帶來其他好處，如最大限度地提高紙機(jī)速度、減少毛毯的污染、提高了損紙的碎解效率。此外，由于無需使用價(jià)格高昂的羧甲基纖維素開解設(shè)備亦帶來額外的降低成本效果。

4 結(jié)論

在制造紙巾紙和面巾紙產(chǎn)品時(shí)使用聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇濕強(qiáng)度樹脂有助于紙張獲得濕抗張強(qiáng)度性能。紙漿原料通常含有高含量的陰離子垃圾（細(xì)小纖維、填料、漂白劑等），從而導(dǎo)致聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇濕強(qiáng)效率（WSPE）大幅降低。凱米拉開發(fā)的全新方法可通過使用獨(dú)特的陰離子功能助劑和高效的陽離子乙二醛聚丙烯酰胺干強(qiáng)劑，有效提高濕強(qiáng)效率。凱米拉陰離子功能促進(jìn)劑將能夠通過提高紙張上聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇留著率和維持良好的紙張成形效果，提高紙張的濕強(qiáng)度。當(dāng)紙張的干強(qiáng)度性能低于目標(biāo)值時(shí)，可使用乙二醛聚丙烯酰胺。乙二醛聚丙烯酰胺在提升干強(qiáng)度的同時(shí)還可提升紙張的濕抗張強(qiáng)度性能，降低聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇用量，從而提高廢紙的碎解效率。

[1] Gerald I. Keim，美國專利2926116.

[2] Herbert H. Espy，濕強(qiáng)度樹脂中的堿性固化聚胺表氯醇樹脂機(jī)器應(yīng)用，1994.

[3] Mike T. Goulet，Robert A. Stratton，制漿、漂白和磨漿作業(yè)效果對(duì)木質(zhì)細(xì)小纖維電動(dòng)性能的影響，北歐紙漿和造紙研究雜志，1990，5:118-125.

[4] Anthony T. Coscia，Laurence L. Williams，美國專利3556932.

Wet Optimization: WSPE Enhancement

Clayton J. Campbell，Vladimir Grigoriev，Lucyna Pawlowska