膠黏物表面黏性與其沉積趨勢間的關(guān)系

申正會 裴繼誠 張方東 卜鑫 周志敏

天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457

膠黏物表面黏性與其沉積趨勢間的關(guān)系

申正會 裴繼誠 張方東 卜鑫 周志敏

天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457

采用模擬膠片剝離法檢測膠黏物表面黏性，以剝離強(qiáng)度大小表征膠黏物的黏性強(qiáng)弱。實驗改變無機(jī)鹽含量、溫度、pH等紙漿體系條件，檢測不同條件下膠黏物的表面黏性和沉積性能，然后分析膠黏物表面黏性及其沉積趨勢之間的關(guān)系。當(dāng)改變廢紙漿體系中無機(jī)鹽含量后，剝離強(qiáng)度由0.1607N/mm增至0.7676N/mm，膠黏物的沉積面積由2851mm2/m2增加至4936mm2/m2，沉積數(shù)量由40808/m2增加至61237/m2。改變廢紙漿體積的溫度和pH條件，也得到了類似趨勢。利用脂肪酶處理廢紙漿中的膠黏物，剝離強(qiáng)度由0.1607N/mm降至0.1078N/mm，膠黏物的沉積面積由2851mm2/m2降至1967mm2/m2，膠黏物的沉積數(shù)量由40808/m2降至34011/m2。結(jié)果表明，當(dāng)廢紙漿體系中膠黏物的含量一定時，膠黏物的表面黏性越強(qiáng)，其沉積趨勢越大，膠黏物的表面黏性越弱，其沉積趨勢越弱，二者呈正相關(guān)性。

膠黏物；廢紙漿；表面黏性；沉積；酶處理

1 前言

膠黏物是一類存在于廢紙再生利用過程中的黏性雜質(zhì)，其對紙機(jī)的正常操作、運行有不良影響，并且會降低紙張產(chǎn)品質(zhì)量[1]。廢紙回用過程中由于膠黏物具有黏性，很容易黏附在漿料輸送管道、網(wǎng)部、輥子、流漿箱內(nèi)壁及其他紙機(jī)部位，進(jìn)而影響紙機(jī)的正常運行[2]。例如，當(dāng)膠黏物黏附和沉積在成型網(wǎng)上時，網(wǎng)部的脫水能力會受到限制，同時網(wǎng)的使用壽命會縮短。黏附有膠黏物的纖維如果進(jìn)入紙張，會導(dǎo)致紙張斑點甚至是孔洞的產(chǎn)生，最終影響產(chǎn)品質(zhì)量[3]。因此，如何有效控制廢紙回用過程中的膠黏物一直是研究人員關(guān)心的問題。有研究表明，膠黏物的表面黏性與其在造紙過程中的沉積存在較大聯(lián)系[4]。因而，探究膠黏物黏性與其沉積趨勢之間的關(guān)系由一定必要性。

膠黏物的沉積趨勢可由膠體和表面化學(xué)原理來解釋，其沉積主要是由于膠體失穩(wěn)和潤濕之間的相互作用導(dǎo)致的[5]。膠黏物的失穩(wěn)可由多種因素導(dǎo)致，包括靜電失穩(wěn)、蒸發(fā)失穩(wěn)、剪切壓力、氣泡的混入及紙漿體系環(huán)境的改變。有研究表明，溫度、pH以及帶入造紙體系的無機(jī)鹽是影響膠黏物沉積的主要因素[6]。實驗中先改變廢紙漿體系的溫度、pH以及無機(jī)鹽含量來引發(fā)膠黏物的沉積，檢測這些條件改變前后膠黏物的表面黏性、沉積面積和沉積數(shù)量。然后利用生物酶處理廢紙漿中的膠黏物，檢測酶處理前后膠黏物的表面黏性、沉積面積和沉積數(shù)量。最后，根據(jù)檢測結(jié)果分析膠黏物的表面黏性與其沉積趨勢之間的關(guān)系。

2 實驗

2.1 實驗原料及試劑

舊瓦楞箱板紙漿（OCC）：玖龍紙業(yè)（天津）有限公司提供；氯化鈣（CaCl2）、醋酸（CH3COOH）、醋酸鈉（CH3COONa）：均為化學(xué)純，購自國藥集團(tuán)試劑有限公司。脂肪酶：酶活750U/mL，江蘇泰興一鳴生物制品有限公司提供。

2.2 主要實驗儀器與設(shè)備

Pulmac篩分儀 （型號 MS-B3-230，加拿大PULMAC公司）；電熱恒溫水浴鍋（型號HH SY21-Ni北京市長風(fēng)儀器儀表公司）；搖床（型號HYN-100B，天津市歐諾儀器儀表有限公司）；膠黏物掃描分析儀（型號PERFECTION V500，日本 EPSON公司，光學(xué)分辨率6400*9600dpi）；微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)（型號：CMT4503，深圳新三思試驗機(jī)有限公司）。

2.3 實驗方法

2.3.1 漿料體系環(huán)境的改變

通常造紙過程中需要添加滑石粉、碳酸鈣、二氧化鈦等造紙化學(xué)品用以獲得良好的紙張性能，有研究表明鈣離子是影響膠黏物沉積的重要因素之一[7]，本實驗通過向漿料中添加不同量的氯化鈣來改變漿料體系的中的鈣離子含量。CaCl2的添加量分別設(shè)置為1g，1.5g，2g和3g。漿料體系的溫度通過改變水浴鍋的溫度來改變，水浴鍋的溫度分別設(shè)置為45℃，50℃，55℃和60℃。漿料體系的pH通過向漿料中添加適量的CH3COOH或CH3COONa來調(diào)節(jié)，最終調(diào)節(jié)不同漿料試樣的pH分別為 6，6.5，7 和 7.5。

2.3.2 膠黏物的酶處理

實驗采用脂肪酶對OCC廢紙漿中的膠黏物進(jìn)行控制。脂肪酶的最佳處理條件參考課題組前期的研究成果[8]。酶處理的條件為：溫度55℃，pH6.5，反應(yīng)時間1h。酶處理過程是在搖床中進(jìn)行，設(shè)置搖床振動速度為150rpm。酶處理過程中做了對照實驗，對照樣除未采用生物酶處理外其他條件均與同組實驗樣相同，以排除升溫、pH變化、洗滌、攪拌等操作處理對實驗結(jié)果的影響。生物酶處理完畢后，檢測ONP廢紙漿中膠黏物表面黏性、沉積面積和沉積數(shù)量，每組實驗均設(shè)置平行實驗。

2.3.3 膠黏物表面黏性檢測

采用模擬膠片剝離法[9]檢測膠黏物的表面黏性，用剝離強(qiáng)度來間接表征膠黏物表面黏性。檢測的具體方法為：采用0.1mm的縫篩篩分廢紙漿料，將篩分得到的膠黏物均勻涂布在長10cm、寬3cm的膠片上，膠黏物涂布面積為3cm×3cm。將兩張相同的膠片黏合到一起，在90℃、80 kPa條件下干燥7min。采用微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)檢測膠片的剝離強(qiáng)度，設(shè)置夾具的移動速度為10mm/min。膠黏物表面黏性的測試原理如圖1所示。

圖1 膠黏物表面黏性測試原理圖

2.3.4 膠黏物沉積面積和沉積數(shù)量的檢測

按照以下方法檢測膠黏物沉積面積和沉積數(shù)量[10]。利用篩縫寬度為0.1mm的Pulmac篩分儀對膠黏物進(jìn)行篩分，將篩分出來的膠黏物顆粒收集到專用黑色濾紙上。在黑色濾紙表面蓋上一層防粘紙，在90℃、80kPa條件下干燥。移去防粘紙在100kPa水壓下沖淋25s，然后在相同條件下熱壓干燥。干燥結(jié)束后，移除防粘紙，用黑色水筆將沒有沖刷掉的非膠黏物雜質(zhì)染成黑色。然后用Spec&Scan軟件掃描分析大膠黏物信息。圖像分析的相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：灰度值56，分辨率600dpi，最小檢測面積為0.03mm2，最大檢測面積為5mm2。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同無機(jī)鹽含量下膠黏物的表面黏性和沉積性能

將不同量氯化鈣添加到漿料試樣中以改變漿料體系的無機(jī)鹽含量，然后檢測不同無機(jī)鹽含量下的膠黏物的剝離強(qiáng)度（圖2），同時檢測膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量（圖3）。

圖3 不同無機(jī)鹽含量下膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量

從圖2可以看出，添加氯化鈣之后，剝離強(qiáng)度增大，這表明添加氯化鈣會導(dǎo)致膠黏物表面黏性的增加。而且，漿料體系中氯化鈣的添加量越大，膠黏物的表面黏性會越強(qiáng)。這可能是由于金屬離子改變了膠黏物的某些表面性質(zhì)，最終使其黏性增強(qiáng)。圖3是添加無機(jī)鹽氯化鈣前后漿料中膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量?？梢园l(fā)現(xiàn)，向漿料中添加氯化鈣后，膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量空白樣相比均有上升，這表明廢紙漿某些無機(jī)鹽的混入會導(dǎo)致沉積趨勢的增強(qiáng)?？梢酝茢喑觯瑹o機(jī)鹽（氯化鈣）能夠增強(qiáng)膠黏物的表面黏性，而膠黏物表面黏性的增強(qiáng)又會導(dǎo)致膠黏物沉積趨勢的增加，最終導(dǎo)致膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量較空白樣大大增加。根據(jù)以上分析，在生產(chǎn)實際中選擇加填量較低的廢紙原料，使用硬度較低的水質(zhì)，對于減小膠黏物對生產(chǎn)過程的危害是有一定作用的。

3.2 不同溫度下膠黏物的表面黏性和沉積性能

實驗通過改變恒溫水浴鍋的溫度來調(diào)節(jié)漿料體系的溫度，然后檢測不同溫度下膠黏物的剝離強(qiáng)度（圖 4）、沉積面積和沉積數(shù)量（圖 5）。

圖4 不同溫度下膠黏物的剝離強(qiáng)度

由圖4看出，與空白樣相比，隨著溫度的升高剝離強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，即膠黏物的表面黏性逐漸增強(qiáng)。在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，剝離強(qiáng)度隨著溫度的升高一直增強(qiáng)，在60℃時達(dá)到最大。顯然溫度的升高有助于膠黏物表面黏性的增強(qiáng)。圖5則表明，膠黏物的沉積性能隨著漿料體系溫度的升高變得更強(qiáng)，膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量呈不斷上升趨勢。一方面，溫度的升高導(dǎo)致膠黏物表面黏性的增強(qiáng)，這使得膠黏物粒子變得更易黏附和沉積；另一方面，加之溫度的升高加劇了膠黏物粒子的勻度速度和強(qiáng)度，這也促進(jìn)了膠黏物的黏附和沉積，最終對造紙過程和紙張質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。根據(jù)上述分析，可以考慮在生產(chǎn)實際允許的范圍內(nèi)，降低漿料體系的溫度，一方面可以降低減小膠黏物沉積的可能性，同時也能節(jié)約能源。

圖5 不同溫度下膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量

3.3 不同pH條件下膠黏物的表面黏性和沉積性能

實驗通過向漿料體系中添加醋酸或者醋酸鈉來調(diào)節(jié)漿料體系的pH，然后檢測不同pH下膠黏物的剝離強(qiáng)度（圖6）、沉積面積和沉積數(shù)量（圖7）。

圖6 不同pH條件下膠黏物的剝離強(qiáng)度

圖7 不同pH下膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量

由圖6可知，漿料體系pH的變化也可影響膠黏物的表面黏性。具體來說，在設(shè)定的pH范圍內(nèi)，剝離強(qiáng)度隨著pH的升高而增強(qiáng)，這表明膠黏物的表面黏性會由于pH的升高的增強(qiáng)。圖7是不同pH條件下膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量，圖中兩條曲線的變化趨勢表明，膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量均隨著pH的升高而增加，這說明pH的改變加劇了膠黏物的沉積趨勢。這是因為pH的改變先導(dǎo)致膠黏物的表面黏性增強(qiáng)，而后膠黏物的表面黏性增強(qiáng)促進(jìn)了膠黏物的沉積趨勢，導(dǎo)致膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量與空白樣相比有所上升。因此建議在廢紙紙漿過程中避免堿性物質(zhì)的混入，以避免膠黏物問題因料體系pH的變化而加重。

3.3 酶處理前后膠黏物的表面黏性和沉積性能

脂肪酶是膠黏物控制領(lǐng)域常用的生物酶之一，本實驗采用磷脂酶處理廢紙漿中的膠黏物，檢測酶處理前后膠黏物的剝離強(qiáng)度、沉積面積和沉積數(shù)量，結(jié)果分別見圖8和圖9。

圖8 酶處理前后膠黏物的剝離強(qiáng)度

圖9 酶處理前后膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量

從圖8看出，剝離強(qiáng)度隨著磷脂酶對膠黏物的處理而減小，而且在一定范圍內(nèi)，脂肪酶用量越大剝離強(qiáng)度越小。這表明，脂肪酶處理能夠降低膠黏物的表面黏性，這是因為脂肪酶能夠?qū)⒛z黏物分子中酯鍵斷裂，減低膠黏物的黏性。但是當(dāng)脂肪酶的用量從300 mg/kg增加至500 mg/kg時，剝離強(qiáng)度基本不變，脂肪酶對膠黏物的降黏作用不明顯。這可能是因為，當(dāng)漿料體系中的膠黏物含量一定時，300 mg/kg用量的脂肪酶基本能將膠黏物分子中的酯鍵斷裂完全，更高的脂肪酶用量對膠黏物的作用效果也不再明顯。

隨著酶處理后膠黏物表面黏性的降低，膠黏物的沉積趨勢減弱，這就部分解釋了圖9中膠黏物面積和沉積數(shù)量隨著脂肪酶用量的增加的變化趨勢。同時，由于脂肪酶本身具有將膠黏物分解成分子質(zhì)量更小的、可溶性的脂肪酸和醇類物質(zhì)，這也能導(dǎo)致廢紙漿體系中膠黏物沉積面積和沉積數(shù)量的減小。

4 結(jié)論

無機(jī)鹽含量、溫度和pH等廢紙漿體系環(huán)境的改變以及酶處理均會影響膠黏物的表面黏性和沉積趨勢。具體來說，廢紙漿體系中無機(jī)鹽的混入、溫度以及pH的升高會導(dǎo)致膠黏物表面黏性增加，而膠黏物表面黏性的增加會增強(qiáng)膠黏物的沉積趨勢，使得膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量增加。建議在廢紙紙漿生產(chǎn)實際中選擇加填量較低的廢紙原料，使用硬度較低的水質(zhì)，同時避免堿性物質(zhì)的混入，盡可能降低漿料體系的溫度，以減小膠黏物的沉積趨勢，降低其對生產(chǎn)過程及紙張質(zhì)量的危害。

酶處理能夠降低膠黏物表面黏性，膠黏物表面黏性降低后其沉積趨勢會變?nèi)?，膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量會減少。但是當(dāng)紙漿體系中膠黏物含量一定時，生物酶對膠黏物的作用不會隨著酶用量的加大而無限增強(qiáng)，即生物酶處理膠黏物存在最適用量。

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