陽(yáng)離子淀粉與碳酸鈣預(yù)絮聚加填技術(shù)研究及生產(chǎn)應(yīng)用

朱宏偉　劉春景　銀　輝　羅云鷹

(1.岳陽(yáng)林紙股份有限公司,湖南岳陽(yáng)，414002；

2.國(guó)家生活用紙產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,湖南常德,415000)

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陽(yáng)離子淀粉與碳酸鈣預(yù)絮聚加填技術(shù)研究及生產(chǎn)應(yīng)用

朱宏偉1劉春景1銀輝1羅云鷹2

(1.岳陽(yáng)林紙股份有限公司,湖南岳陽(yáng)，414002；

2.國(guó)家生活用紙產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,湖南常德,415000)

摘要：采用一定取代度的陽(yáng)離子淀粉與碳酸鈣進(jìn)行預(yù)絮聚,通過控制預(yù)絮聚體的粒徑,可獲得具有良好穩(wěn)定性的預(yù)絮聚體。將該預(yù)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(jié)合性能,紙張的表面強(qiáng)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(gè)百分點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：陽(yáng)離子淀粉； 碳酸鈣； 填料； 預(yù)絮聚

提高紙張?zhí)盍虾恳殉蔀樵旒埣夹g(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。造紙過程中增加填料用量,可節(jié)省原料、降低紙幅干燥過程中蒸汽的消耗、提高紙張光學(xué)特性及獲得優(yōu)良的印刷質(zhì)量。然而提高填料用量,紙張強(qiáng)度和施膠度降低,同時(shí)首程留著率下降,化學(xué)品用量增加、成形網(wǎng)磨損加大[1]。填料預(yù)絮聚技術(shù)是指采用特定的化學(xué)助劑與填料混合,使填料發(fā)生預(yù)絮聚,將所得預(yù)絮聚體用于加填時(shí),紙張強(qiáng)度性能及留著率可得到有效改善。在既有的填料預(yù)絮聚技術(shù)中,采用的是聚丙烯酸樹脂等合成高分子化合物,但其價(jià)格昂貴,應(yīng)用受到極大限制[2-3]。本實(shí)驗(yàn)介紹了一種采用陽(yáng)離子淀粉與碳酸鈣進(jìn)行預(yù)絮聚,再將所得預(yù)絮聚體用于文化用紙加填的新技術(shù)。

1實(shí)驗(yàn)

基于陽(yáng)離子淀粉與碳酸鈣預(yù)絮聚技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用極少,為確保中試生產(chǎn)成功,技術(shù)人員先在實(shí)驗(yàn)室就此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,從粒徑控制、濾水留著及紙張強(qiáng)度方面進(jìn)行研究。

1.1實(shí)驗(yàn)原料

漿料配比：堿性過氧化氫機(jī)械漿(APMP)∶漂白硫酸鹽闊葉木漿(NBKP)=95%∶5%；碳酸鈣比例：輕質(zhì)碳酸鈣(PCC)∶重質(zhì)碳酸鈣(GCC)=50∶50；采用季銨型陽(yáng)離子淀粉(以下簡(jiǎn)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(yù)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(yù)絮聚體的形態(tài)圖

1.2預(yù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)),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(shí)間1 min，得到預(yù)絮聚體。將混合好后的預(yù)絮聚體取樣檢測(cè)中位粒徑,并進(jìn)行過篩、動(dòng)態(tài)濾水及抄片實(shí)驗(yàn)。

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1.3.1預(yù)絮聚體過篩情況

表1為不同淀粉用量下,預(yù)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(nèi),且預(yù)絮聚體中位粒徑控制在5.5 μm以內(nèi)時(shí),預(yù)絮聚體能順利過篩。

1.3.2預(yù)絮聚體形態(tài)

圖1為碳酸鈣和淀粉用量2.1 kg/t碳酸鈣(絕干)時(shí)預(yù)絮聚體的顯微鏡形態(tài)圖。由圖1可知,陽(yáng)離子淀粉與碳酸鈣混合預(yù)絮聚后,形成了明顯的預(yù)絮聚體。

1.3.3動(dòng)態(tài)濾水實(shí)驗(yàn)

采用動(dòng)態(tài)濾水儀,模擬進(jìn)行助留實(shí)驗(yàn),主要實(shí)驗(yàn)條件為：漿料配比：APMP∶NBKP=95%∶5%；碳酸鈣用量20%(相對(duì)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(jìn)行預(yù)絮聚,總用量為8 kg/t漿(絕干)。

動(dòng)態(tài)濾水模擬實(shí)際生產(chǎn)情況,分4個(gè)階段：第一階段模擬漿料在紙機(jī)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(jī)篩中受到的剪切情況；第三階段模擬漿料在紙機(jī)篩后受到的剪切情況,此階段添加預(yù)絮聚體以及助留劑PAM；第四階段為濾水階段,模擬紙機(jī)網(wǎng)部濾水。

第一階段：將1000 mL漿料加入動(dòng)態(tài)濾水儀,此時(shí),動(dòng)態(tài)濾水儀轉(zhuǎn)子攪拌速度為800 r/min,此速度下攪拌10 s,其中,在第5 s時(shí)加入一部分淀粉。

第二階段：動(dòng)態(tài)濾水儀攪拌速度提高至1000 r/min,加大對(duì)漿料組分的剪切強(qiáng)度,此速度下攪拌10 s。

第三階段：動(dòng)態(tài)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(shí)加入預(yù)絮聚體,在第10 s時(shí)加入PAM。

第四階段：動(dòng)態(tài)濾水儀攪拌速度降至400 r/min,同時(shí)漿料開始濾水。

預(yù)絮聚體加填的助留情況見表2。

表2　預(yù)絮聚體加填助留實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注漿濃0.875%,漿料灰分20%。

由表2可知,預(yù)絮聚體的留著率明顯提高,當(dāng)?shù)矸塾昧繛?.1 kg/t碳酸鈣(絕干)時(shí),首程留著率可提高2.86個(gè)百分點(diǎn),填料留著率提高6.86個(gè)百分點(diǎn)。

1.3.4紙張光學(xué)性能及勻度

表3　預(yù)絮聚體加填對(duì)紙張光學(xué)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(duì)于漿料)。

表4　預(yù)絮聚體加填對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響

表3所示為預(yù)絮聚體加填對(duì)紙張光學(xué)性能及勻度的影響。由表3可知,陽(yáng)離子淀粉與碳酸鈣預(yù)絮聚后,隨著淀粉用量的上升,灰分明顯上升；當(dāng)?shù)矸塾昧吭?.3 kg/t碳酸鈣(絕干)以內(nèi)時(shí),紙張不透明度上升,當(dāng)?shù)矸塾昧窟^大時(shí),不透明度有所降低,這與預(yù)絮聚體過大,碳酸鈣分布不均有關(guān)。當(dāng)?shù)矸塾昧吭?.3 kg/t碳酸鈣(絕干)以內(nèi)時(shí), 預(yù)絮聚體對(duì)紙張勻度影響不大,當(dāng)?shù)矸塾昧窟_(dá)到8.6 kg/t碳酸鈣(絕干)時(shí),紙張勻度明顯變差。

1.3.5紙張強(qiáng)度

表4所示為預(yù)絮聚體加填對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響。由表4可知,當(dāng)?shù)矸塾昧吭?.3 kg/t碳酸鈣(絕干)以內(nèi)時(shí),紙張裂斷長(zhǎng)隨其用量的增加而明顯上升,但隨著淀粉用量的進(jìn)一步增加。當(dāng)其用量達(dá)到8.6 kg/t碳酸鈣(絕干)時(shí),紙張強(qiáng)度反而有所下降,這是由于當(dāng)?shù)矸叟c碳酸鈣比例合適時(shí),淀粉覆蓋在碳酸鈣表面,增加其結(jié)合性能,有利于紙張強(qiáng)度。當(dāng)?shù)矸叟c碳酸鈣比例過大時(shí),淀粉用量增加后,紙張灰分較大,紙張強(qiáng)度有所降低,同時(shí),也不能排除因形成大絮聚體,對(duì)紙張強(qiáng)度性能的不利影響。

2淀粉與碳酸鈣預(yù)絮聚技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用

在實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果基礎(chǔ)上,筆者對(duì)1760 mm紙機(jī)現(xiàn)有填料加入系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),并于2012年4月進(jìn)行中試。

2.1生產(chǎn)方案及主要生產(chǎn)工藝

2.1.1工藝流程

陽(yáng)離子淀粉與碳酸鈣預(yù)絮聚工藝流程見圖2。

圖2　陽(yáng)離子淀粉和碳酸鈣預(yù)絮聚的工藝流程

按圖2所示的工藝流程,陽(yáng)離子淀粉和碳酸鈣預(yù)絮聚按照20∶1、15∶1、10∶1三種流量比例(現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)流量單位m3/h)進(jìn)行調(diào)整,按淀粉對(duì)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(nèi)。

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(jī)漿打漿濃度2.5%～4.0%,打漿度≥42°SR。

2.1.3化學(xué)品用量

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

2.2網(wǎng)部留著對(duì)比

在中試生產(chǎn)中,每隔2 h檢測(cè)一次網(wǎng)部留著情況,圖3為中試生產(chǎn)中預(yù)絮聚體對(duì)網(wǎng)部助留的影響。由圖3可知,添加預(yù)絮聚體后,當(dāng)?shù)矸叟c碳酸鈣流量比例控制在10∶1和15∶1時(shí),首程留著率平均提高16.2個(gè)百分點(diǎn),填料留著率平均提高24.2個(gè)百分點(diǎn)。這是由于添加預(yù)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(yù)絮聚體對(duì)網(wǎng)部助留的影響

填料定量/g·m-2表面強(qiáng)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(yù)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(chǎn)中紙張性能。由表5可知,采用預(yù)絮聚體加填后,當(dāng)紙張定量為65 g/m2時(shí),紙張反面強(qiáng)度保持不變,正面強(qiáng)度略有提高；當(dāng)紙張定量為75 g/m2時(shí),紙張表面強(qiáng)度由0.62 m/s提高至0.68 m/s。

2.4生產(chǎn)中關(guān)鍵工藝的控制

淀粉和碳酸鈣預(yù)絮聚加填的關(guān)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(diǎn)等。

2.4.1陽(yáng)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(yáng)離子特性。陽(yáng)離子淀粉的正電荷使它與帶負(fù)電荷的碳酸鈣結(jié)合，將帶負(fù)電荷的碳酸鈣吸附并保持在基質(zhì)上。陽(yáng)離子淀粉先經(jīng)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(yán)格控制在0.028～0.035之間,濃度為1%的陽(yáng)離子淀粉流動(dòng)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(yáng)離子淀粉(質(zhì)量濃度1%)與碳酸鈣(質(zhì)量濃度26%)絕干質(zhì)量比例按1∶(1000～4000)時(shí),Zeta電位在20.5～24.5 mV之間。

2.4.3季銨型陽(yáng)離子淀粉與PCC質(zhì)量比例根據(jù)兩者電荷分布情況進(jìn)行控制,淀粉對(duì)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(jīng)過多層過濾,篩目80～100目?；旌掀靼ㄒ韵聠卧褐辽賰蓪雍Y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(yù)絮聚體過篩單元。通過以上工藝,獲得顆粒適中的預(yù)絮聚體。至于未過篩的預(yù)絮聚體,將回收至漿料打漿前(未叩漿池),作進(jìn)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(wǎng)漿料pH值為7.5～9.0。

3結(jié)論

采用一定取代度的陽(yáng)離子淀粉與碳酸鈣進(jìn)行預(yù)絮聚,并通過有效控制預(yù)絮聚體的中位粒徑使其在5.5 μm以內(nèi),獲得具有良好穩(wěn)定性的預(yù)絮聚體,將所得預(yù)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(jié)合性能,從而提高填料留著，紙張強(qiáng)度性能特別是表面強(qiáng)度及網(wǎng)部填料留著率均可得到有效改善。

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(責(zé)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(hào)：TS727+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0254- 508X(2015)04- 0012- 04

作者簡(jiǎn)介：朱宏偉先生,碩士,總工程師；主要負(fù)責(zé)技術(shù)與生產(chǎn)管理工作。