紙廠樹脂障礙控制的新技術(shù)

近年來造紙業(yè)由于廢紙利用率的提高，紙張生產(chǎn)過程中的樹脂障礙問題呈增加趨勢。日本業(yè)界提出必需尋求并采用新的對策技術(shù)，以期改善日本廢紙利用率近幾年處于停滯不前的狀況。他們提出的解決方案是：（1）將樹脂成分從系統(tǒng)中除去；（2）防止樹脂變粗；（3）讓樹脂變得不具有黏性；（4）減少紙粉的產(chǎn)生。該文介紹了體現(xiàn)上述解決方案的新型樹脂控制劑的關(guān)鍵產(chǎn)品，如“Spanplus?FT-180”和“Spanplus?500”系列及干強劑“Fixage?PD-760”系列。

1 序言

2014年的日本廢紙回收率為80.8%，廢紙利用率為63.9%，是世界最高水平。日本制紙連合會提出了在2015年之前將廢紙利用率從2011年的63%提高到64%的努力目標(biāo)，與2013年相比，廢紙利用率處于停滯不前的狀態(tài)。為此。日本業(yè)界提出了提高廢紙利用率的要求，同時，提出必須提高對導(dǎo)致障礙問題的樹脂（膠粘物）的黏性處理技術(shù)，并認(rèn)為這是提高廢紙利用率的必要條件。

引起抄造系統(tǒng)障礙的樹脂的主要成分是黏結(jié)劑，來自熱熔膠的聚丙烯酸脂、乙烯基醋酸乙脂等。用于紙張的黏結(jié)劑，熱熔膠的軟化點在溫度75～110℃，在軟化點以上的溫度條件下，黏結(jié)性增加，因此，在高溫工序中，較易產(chǎn)生樹脂障礙。日本業(yè)界用13年時間對抄造工序和樹脂障礙的關(guān)系進(jìn)行的調(diào)查結(jié)果也顯示，操作過程中最容易產(chǎn)生樹脂障礙的工序是烘干工序，如何減少高溫時的樹脂障礙是樹脂控制劑所面臨的難題。圖1示意了抄紙過程樹脂障礙產(chǎn)生的位置及其所占比例。

圖1 抄紙過程樹脂障礙發(fā)生的位置及其所占比例

2 樹脂障礙產(chǎn)生的機理

以前人們認(rèn)為，在廢紙制漿過程中未徹底處理干凈而帶進(jìn)抄紙過程的大型樹脂是產(chǎn)生樹脂障礙的主要原因。但是，現(xiàn)在由于通過較高的機械去除樹脂技術(shù),大型樹脂的流入量并不多。存在于抄造系統(tǒng)中的樹脂大多為微型樹脂，這些樹脂與水一起透過成形網(wǎng)的網(wǎng)目，在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，濃縮。濃縮后的微型樹脂穿過成形網(wǎng)的網(wǎng)目進(jìn)入白水槽時，受到?jīng)_擊，與系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的樹脂及陰離子垃圾產(chǎn)生碰撞，逐漸變成粗大的樹脂。變大后的樹脂無法通過成形網(wǎng)的網(wǎng)目，與纖維一起抄入紙張中，形成紙病。圖2為抄造過程樹脂粗大化過程的示意圖。

另外，存在于水中的部分微型樹脂與水一起被帶入壓榨部、烘干部。在烘干部，溫度高達(dá)100℃以上，水分蒸發(fā)，殘留在紙面上的微型樹脂的黏性增加。這些黏性增加的微型樹脂在與造紙器材接觸時，就會轉(zhuǎn)移到造紙器材上。這些轉(zhuǎn)移到造紙器材上的樹脂因其黏性進(jìn)一步“抓取”樹脂和紙粉使其變得更大更粗。造紙器材上粗大化后的樹脂因樹脂本身具有的黏性和機器的振動等原因向紙張表面轉(zhuǎn)移，形成紙病。

3 樹脂控制劑

說到樹脂控制劑，有很多種類，涉及原料及作用機理等各方面。典型的樹脂控制劑能使樹脂分解/分散，或在水中失去黏性，或定著于纖維上等。

但是，如上所述,當(dāng)考慮樹脂障礙的發(fā)生位置及機理時，我們認(rèn)為，需要考慮的樹脂控制劑應(yīng)具有以下4點功能：（1）防止樹脂流入抄造系統(tǒng)；（2）防止流入抄造系統(tǒng)的樹脂變粗變大；（3）在因高溫而增加樹脂黏性的烘干工序的樹脂去粘化；（4）減少樹脂異物中所含的紙粉。

圖2 抄紙過程樹脂粗大化過程的示意圖

下面就樹脂控制劑應(yīng)具有這些功能分別介紹相應(yīng)開發(fā)的最新技術(shù)。

4 防止樹脂流入抄造系統(tǒng)的“Spanplus?FT-180”系列

在新聞紙、白板紙等印刷用紙中常出現(xiàn)尺寸1～2 mm以下的微細(xì)樹脂紙病，對這些樹脂的去除具有較高的需求。如果紙面出現(xiàn)樹脂，印刷時就會產(chǎn)生文字缺損、穿孔，因此，用定著劑等化學(xué)品使樹脂與紙一起排出系統(tǒng)的方法有時會比較難以解決。另一方面，不僅是新聞紙，雜志紙和混合廢紙等樹脂含量較高的廢紙原料也已被用作原料，樹脂處理的難度一年大過一年。

在脫墨工序的浮選器中考慮了隨油墨一起除去樹脂的各種方法，但是，很難做到既不影響原料質(zhì)量，又能有選擇性地提高樹脂去除率。

例如，陽離子聚合物存在著不僅凝聚樹脂和油墨，也使其中部分定著在了纖維上，對白度產(chǎn)生不利影響，而脂肪酸存在著產(chǎn)生大的凝聚物并形成油墨點等問題。

2014年開發(fā)的Spanplus?FT-180是一種只有選擇性地凝聚樹脂的非離子性聚合物。在浮選器中能夠除去的通常是尺寸為4 μm至數(shù)百微米的異物。當(dāng)這些異物尺寸小于4 μm的情況下，用泡沫捕集變得很困難，大于數(shù)百微米的異物也無法用泡沫除去。對紙廠新聞紙廢紙脫墨漿工序的懸浮器原水中的樹脂進(jìn)行染色觀察，發(fā)現(xiàn)了很多尺寸4 μm以下的樹脂，見圖3（圖中白色部分即為樹脂）。同時，對圖3浮選前（a）和浮選后（b）進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)大部分的樹脂仍在浮選器中沒有被除去。

圖3 進(jìn)入浮選器前后的樹脂狀況比較圖

Spanplus?FT-180通過對4 μm以下的微小樹脂進(jìn)行有選擇地凝聚，促進(jìn)了浮選器中產(chǎn)生的泡沫對樹脂的去除。

Spanplus?FT-180的應(yīng)用結(jié)果如圖4所示[Spanplus?FT-180的添加點在浮選器進(jìn)水中，添加量為20 mg/L（對紙漿質(zhì)量）]。

由圖4可見，添加Spanplus?FT-180后，觀察到浮選器進(jìn)水中的樹脂凝聚形成尺寸為數(shù)十微米大小的樹脂，處理后出水中樹脂減少。并且同時還觀察到，浮渣中凝聚的樹脂增加。使用Spanplus?FT-180后，對觀察到的樹脂進(jìn)行圖像解析，換算成面積，浮選器處理水中的樹脂面積下降到了50%以下。

另外，還比較了浮選器前后的纖維保留率：未處理時，只有90%左右，添加Spanplus?FT-180后提高到了91%～93%。這是因為泡沫捕集到的樹脂數(shù)量的增加使得之前在泡沫上吸附的纖維量減少，也就是說，對降低脫墨工序中的原料流失也有幫助。

圖4 應(yīng)用Spanplus?FT-180時浮選器處理前后水中樹脂的狀況

由此可知，Spanplus?FT-180能夠有選擇性地凝聚樹脂，提高泡沫對樹脂的捕集性，能夠發(fā)揮提高樹脂去除率及降低原料流失2種作用。

5 防止流入抄造系統(tǒng)的樹脂變粗變大，并能

去除因高溫而使樹脂黏性增大的烘干工序中的樹脂黏性的“Spanplus?500”系列

Spanplus?500系列與傳統(tǒng)除黏劑的最大不同點在于，在烘干過程中也能夠發(fā)揮除黏效果。同樣是除黏，水中的除黏和烘干過程中的除黏差異很大。水中樹脂的除黏，比較有效的是具有防止樹脂變粗變大，即樹脂的分解和分散，或者在保持微細(xì)狀態(tài)下定著在纖維上的作用機理的化學(xué)品。

而能夠?qū)娓蛇^程中的樹脂除黏的化學(xué)品不多。滑石粉等無機礦物質(zhì)是代表性材料，但是對紙張的添加量需要達(dá)到0.1%以上，有時候需要達(dá)到0.5%以上，因此會對產(chǎn)品的性能產(chǎn)生較大的影響。而且無機礦物質(zhì)存在磨耗造紙器材的缺點，因此，需要一種添加量少、除黏效果好的化學(xué)品。Spanplus?500系列顯示，對水中除黏，即防止樹脂變粗變大，并對烘干工序中的樹脂除黏二者都有效果，是一種新的樹脂控制劑。

Spanplus?500系列是一種環(huán)狀高分子化合物，化合物以溶解狀態(tài)存在于產(chǎn)品中。當(dāng)添加的系統(tǒng)中存在樹脂時，Spanplus?500系列就會析出，與樹脂反應(yīng)，形成混合物，同時定著在纖維上。通過這一作用機理，Spanplus?500系列能夠防止水中的樹脂變粗變大。

而且，析出的Spanplus?500系列受熱會變硬（熱硬化作用）。由于這一作用，與樹脂反應(yīng)后的Spanplus?500系列在干燥過程中，形成黏性較低的硬粒，顯示出樹脂的除黏效果，見圖5。

圖5 Spanplus?500系列產(chǎn)品的作用機理

這種Spanplus?500系列已在生產(chǎn)紙板的紙機上應(yīng)用，添加點為回用的污泥中，添加量為每噸絕干質(zhì)量污泥500 g。應(yīng)用Spanplus?500系列后，從烘缸刮刀上的附著物外觀推測為樹脂的黑色異物減少，因樹脂減少，附著物的手感變得較軟較脆；并且，附著物質(zhì)量減了70%，因樹脂造成的斷紙次數(shù)減少了50%。

由上述結(jié)果可知，Spanplus?500系列對過去比較難處理的高溫烘干過程中的樹脂顯示了優(yōu)良的除黏效果，能夠防止樹脂障礙，見圖6和圖7。

6 減少樹脂異物中所含紙粉的“Fixage?PD- 760”系列

圖6 烘干刮刀上的附著物照片

圖7 應(yīng)用Spanplus?500系列產(chǎn)品前后烘缸刮刀附著物質(zhì)量及斷紙次數(shù)的變化

在分析烘干過程中附著在器具上的異物時，不僅檢測到了樹脂，還檢測到了纖維和灰分，其比例因原料和紙機不同而不同，但多數(shù)樹脂附著物中的纖維和灰分比例高達(dá)80%以上。這是樹脂卷入了細(xì)小纖維和灰分，也就是紙粉是造成樹脂在系統(tǒng)或器材表面上變粗變大的原因之一。就是說，為了防止樹脂障礙，紙粉的處理也是必不可少的。

處理紙粉的代表性產(chǎn)品通過陽離子性凝聚劑定著于長纖維上，所用凝聚劑的離子性、相對分子質(zhì)量分布很廣，而一般來說，由于強陽離子性凝聚劑與陰離子基強烈反應(yīng)，電荷調(diào)整效果較好。但是，有時因其過高的反應(yīng)性產(chǎn)生凝聚物，陽離子性凝聚劑牢固地定著在長纖維上，而無法使紙粉定著在纖維上。據(jù)說陽離子性稍低一點的中等強度陽離子性凝聚劑對紙粉在纖維上的定著效果較好，弱陽離子性凝聚劑對促進(jìn)纖維間氫鍵結(jié)合的效果較好，但是，要兼顧紙粉定著和纖維間結(jié)合光靠改變陽離子度來控制是很困難的（圖8）。特別是，紙粉定著率的增加意味著紙張中紙粉比例的增加，會造成紙張強度下降的問題。

為此，在2014年開發(fā)了新的、具有陽離子基和陰離子基的兩性聚合物“Fixage?PD-760”產(chǎn)品系列。

圖8 不同陽離子度凝聚劑的作用

通常兩性聚合物在抄造系統(tǒng)中作為干強劑使用，但是干強劑的特別作用是加強纖維間的結(jié)合， 對紙粉的凝聚作用不如凝聚劑大。

兩性干強劑和Fixage?PD-760s對各指標(biāo)的影響，如圖9所示。

圖9 兩性干強劑與Fixage?PD-760對各指標(biāo)的影響

紙粉的定著效果以灰分保留率表示。與兩性干強劑相比，F(xiàn)ixage?PD-760大大提高了灰分保留率。通常紙粉定著的增加會降低紙張強度，但是，耐破強度指數(shù)及環(huán)壓強度指數(shù)比較的結(jié)果是，F(xiàn)ixage?PD-760顯示了與兩性干強劑同等的結(jié)果，同時也未看到對紙張強度不利的影響。由此可以確認(rèn)Fixage?PD-760對紙粉定著和纖維間結(jié)合二者都有效果。

根據(jù)這2種效果，依據(jù)TAPPI-T7進(jìn)行了紙粉量測定。結(jié)果顯示，F(xiàn)ixage?PD-760添加量僅用兩性干強劑的一半就取得了較好的減少紙粉效果。

將兼?zhèn)浼埛鄱ㄖ屠w維間結(jié)合2種效果的Fixage?PD-760應(yīng)用于生產(chǎn)涂布紙的紙機上，添加點為涂布損紙中，添加量為每噸絕干質(zhì)量損紙500 g。添加Fixage?PD-760后，紙面產(chǎn)生的粉量減少了30%以上，同時紙張強度和勻度未下降；而且灰分保留率平均提高了1%～5%，因紙粉造成的樹脂紙病減少了20%～50%。

根據(jù)以上結(jié)果可以得出結(jié)論：Fixage?PD-760在不降低紙張強度的情況下，有助于減少紙粉，防止產(chǎn)生樹脂障礙。

表1為 Fixage?PD-760系列上機應(yīng)用結(jié)果。

7 總結(jié)

表1 Fixage?PD-760系列上機應(yīng)用結(jié)果

本文介紹的脫墨工序的樹脂控制（除去）劑Spanplus?FT-180系列、防止樹脂變粗變大/高溫時的除黏劑Spanplus?500系列和降低紙粉的助劑Fixage?PD-760系列是著眼于廢紙?zhí)幚碇叙ば援愇?，體現(xiàn)了日本業(yè)界提出的紙廠樹脂障礙的控制方案：（1）防止樹脂流入抄造系統(tǒng)；（2）防止流入抄造系統(tǒng)中的樹脂變粗變大；（3）對烘干工序中因高溫而黏度增加的樹脂進(jìn)行除黏；（4）減少樹脂異物中所含的紙粉。