液體AKD在紙板生產(chǎn)中的應(yīng)用

目前，造紙業(yè)已普遍采用漿內(nèi)中性施膠劑，其主要原因是傳統(tǒng)的松香施膠劑的施膠過程只能在酸性條件下完成，而在酸性條件下不僅幾乎不可能進(jìn)行碳酸鈣的加填，而且設(shè)備腐蝕快，生產(chǎn)出來的紙張耐久性差。為了取得良好的紙機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率和紙張質(zhì)量，該文討論了以下幾個(gè)問題：（1）以廢紙為原料的紙板生產(chǎn)所使用的中性施膠劑的市場(chǎng)趨勢(shì)；（2）紙板的抄造系統(tǒng)由酸性轉(zhuǎn)為中性的原因；（3）對(duì)紙板中性抄造系統(tǒng)可實(shí)施的施膠方案；（4）為維持紙機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率，需要考慮助留和助濾的平衡以減少因勻度變化對(duì)紙張強(qiáng)度的影響。

1 前言

包裝紙板，特別是掛面紙板和瓦楞芯紙?jiān)趥鹘y(tǒng)的酸性抄造系統(tǒng)中是用硫酸鋁作為紙漿的助留劑。而現(xiàn)在，掛面紙板和瓦楞芯紙的漿內(nèi)施膠的施膠劑已從松香施膠劑轉(zhuǎn)變?yōu)锳KD或ASA。這意味著，造紙的抄造濕部系統(tǒng)必須從酸性轉(zhuǎn)變?yōu)橹行?。為了解決這一課題，面臨著許多問題，需要研究其解決方法。在將抄造系統(tǒng)從酸性轉(zhuǎn)為中性之前，需要先確認(rèn)以下幾點(diǎn)：

為什么全世界都將以廢紙為原料的紙板生產(chǎn)系統(tǒng)從酸性抄造轉(zhuǎn)變?yōu)橹行猿欤?/p>

由酸性抄造向中性抄造轉(zhuǎn)換時(shí)，必須改變的是什么？

如何實(shí)現(xiàn)以廢紙?jiān)系募埌迳a(chǎn)中，助留、中性施膠劑的控制？

2 紙板生產(chǎn)市場(chǎng)趨勢(shì)

過去10年中，作為以廢紙為原料的紙板生產(chǎn)的抄造系統(tǒng)正從酸性施膠轉(zhuǎn)向中性施膠，并呈世界性的趨勢(shì)。已知以廢紙為原料生產(chǎn)的瓦楞紙板大約80%是在中性施膠條件下生產(chǎn)的，見圖1。

就是說，紙張抄造系統(tǒng)由酸性轉(zhuǎn)為中性或堿性，施膠劑已由松香施膠劑改成ASA、AKD或者液體AKD。系統(tǒng)的pH從5～6.5變成6.5～7.5，其主要原因是廢紙漿料中的碳酸鈣含量不斷升高。碳酸鈣含量不斷變高的部分原因是由于為節(jié)約成本，在高級(jí)文化用紙或涂布紙板生產(chǎn)的原料中添加了很多廢紙漿料。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，碳酸鈣含量，特別是歐洲以及中國的廢舊箱板紙（OCC）中大幅增加并繼續(xù)在增加，見圖2。

圖1 全球采用廢紙為原料生產(chǎn)瓦楞紙板的酸性施膠系統(tǒng)占比

圖2 全球OCC中的碳酸鈣含量

3 影響中性抄造系統(tǒng)的重要因素

如果回用廢紙中的碳酸鈣含量持續(xù)增加，以廢紙為原料的紙板生產(chǎn)系統(tǒng)只能由酸性改為中性，沒有選擇余地。紙的抄造系統(tǒng)由酸性轉(zhuǎn)為中性將有很多有利條件，還有可能降低生產(chǎn)成本，見表1。

由表1可見，紙的中性抄造系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）紙中碳酸鈣含量增加，灰分增加有利于降低生產(chǎn)成本；（2）通過使用助留劑，化學(xué)品效果改善，有利于紙機(jī)安全運(yùn)行；（3）系統(tǒng)泡沫減少，有利于改善紙張性能；（4）系統(tǒng)鈣離子減少，有利于提高封閉循環(huán)程度，充分利用白水。

表1 廢紙漿料生產(chǎn)紙板的酸性抄造系統(tǒng)和中性抄造系統(tǒng)比較

表2顯示了以廢紙為原料生產(chǎn)紙板的抄造系統(tǒng)由酸性轉(zhuǎn)為中性需要考慮的應(yīng)對(duì)措施。

4 酸性抄造系統(tǒng)面臨的課題

表2 抄造系統(tǒng)由酸性轉(zhuǎn)為中性需要考慮的應(yīng)對(duì)措施

酸性抄造系統(tǒng)最初的課題是很難降低造紙機(jī)濕部的pH，原因是碳酸鈣被用作緩沖劑維持pH在中性范圍內(nèi)。由于調(diào)節(jié)pH，添加酸和硫酸鋁，碳酸鈣在低pH下分解產(chǎn)生成二氧化碳，引發(fā)泡沫問題，同時(shí)碳酸鈣的分解使得紙的成紙率下降，而且，由于硫酸鋁的添加引發(fā)了結(jié)垢問題，見圖3。

在酸性抄造系統(tǒng)中，所有的化學(xué)品在纖維上的留著都變得較困難。廢紙纖維中含有較多的微細(xì)纖維，陰離子性很強(qiáng)，干強(qiáng)劑、施膠劑和助留劑等所有陽離子性化學(xué)品與微細(xì)纖維反應(yīng)，很快消失在白水中。不僅陽離子性化學(xué)品，連硫酸鋁也失去了效果，硫酸鋁只有在pH為4.5～5.5才能發(fā)揮效果，而系統(tǒng)內(nèi)的pH高于這一值。要維持硫酸鋁的效果，或者是提高其添加量，或者是用硫酸降低pH，但是這二者都存在非常高的潛在風(fēng)險(xiǎn)。硫酸鋁的高添加量會(huì)因沉積導(dǎo)致管道堵塞，硫酸會(huì)引起潛在的紙機(jī)腐蝕問題，見圖4。

圖3 碳酸鈣在低pH下引發(fā)泡沫問題

如果增加硫酸鋁添加量，將導(dǎo)致濕部的電導(dǎo)率上升，陽離子性化學(xué)品的效果將會(huì)進(jìn)一步降低。通過紙張抄造系統(tǒng)由酸性轉(zhuǎn)變?yōu)橹行裕L(fēng)險(xiǎn)將降低，幾乎能解決所有問題。由于這么多的理由，以廢紙為原料的紙板生產(chǎn)的抄造系統(tǒng)由酸性向中性轉(zhuǎn)變成為了一種趨勢(shì)。印刷用紙也有必要考慮中性抄紙。

圖4 硫酸鋁對(duì)抄造系統(tǒng)pH的影響

酸性系統(tǒng)中的單程留著率，因只采用硫酸鋁或者聚合氯化鋁（PAC）作為助留劑，單程留著率通常為65%，松香施膠必須使用硫酸鋁，也會(huì)帶來成本增加的問題。單程留著率在高定量的情況下，能夠高達(dá)80%～85%，但是在用廢紙為原料的紙板生產(chǎn)中高定量會(huì)使脫水性成為問題；又由于使用了不同的助留劑系統(tǒng)，中性抄造系統(tǒng)的單程留著，普通定量的紙種為75%～85%，高定量紙種可以達(dá)到90%。硫酸鋁起著松香施膠的助留作用，因此pH必須在4.5～5.5，而以廢紙為原料生產(chǎn)的紙板系統(tǒng)pH幾乎都在6.5附近，硫酸鋁的作用幾乎很小。這就是為什么現(xiàn)在以廢紙為原料生產(chǎn)紙板的紙廠紛紛轉(zhuǎn)向中性施膠的原因。

在助留劑的這種變化過程中，用硫酸鋁作為中性或堿性施膠系統(tǒng)的助留劑不是一個(gè)好的選擇。PAC雖然在松香施膠中起著重要作用，但因環(huán)保問題，其應(yīng)用很有限。

5 影響中性抄造的重要因素

5.1 雙元助留系統(tǒng)（Hercobond?Combo）

關(guān)于以廢紙為原料生產(chǎn)紙板的中性系統(tǒng)，需要討論的問題很多，而首要的是助留系統(tǒng)。但是，以廢紙為原料生產(chǎn)紙板和生產(chǎn)高級(jí)文化用紙的必要條件有所不同。在以廢紙為原料生產(chǎn)高定量紙板時(shí)，為了維持紙張強(qiáng)度，保持理想的脫水性，必須要調(diào)整好勻度，這與生產(chǎn)高級(jí)文化用紙時(shí)的情況大不相同。眾所周知，高級(jí)文化用紙中常常使用高相對(duì)分子質(zhì)量、高電荷的粉末陽離子聚丙烯酰胺（CPAM），但在含細(xì)小纖維較多的系統(tǒng)中，在高添加量的情況下，將使紙頁勻度受到破壞。就是說，采用CPAM很難取得助留、助濾和成形勻度的平衡，保證紙張質(zhì)量，特別是破裂強(qiáng)度指標(biāo)很難維持。

在通常的抄紙過程中，往往只能顧及助留、助濾和勻度中的2項(xiàng)，而索理思提供的新型助留方案將焦點(diǎn)聚集在了三者的平衡上。新方案的概念是使用具有非常高的陽離子性、中等相對(duì)分子質(zhì)量液體聚合物和具有高相對(duì)分子質(zhì)量、在水中為中等電荷的乳液型聚合物組成雙元助留系統(tǒng)。

雙元助留系統(tǒng)中2種化學(xué)品并用，在不破壞勻度的同時(shí)提高了留著和脫水性能，還能提高紙張的耐破、環(huán)壓性能，特別是耐折強(qiáng)度。這一方案的主要功能是不僅通過除去微細(xì)纖維，改善留著和脫水，而且聚合物本身具有提高紙張強(qiáng)度的性能。

Hercobond和perfomer方案能提高助留和脫水，降低烘缸蒸氣成本，提高紙機(jī)速度。因在濕部除去了微細(xì)纖維，取得了良好的成形和紙張強(qiáng)度，化學(xué)品的效果獲得了改善。因此，整體化學(xué)品用量降低，留著改善，使得白水系統(tǒng)變得較干凈。因系統(tǒng)整體變干凈，循環(huán)水的再利用率提高了，可減少工業(yè)用水的用量。紙張強(qiáng)度的提高使得（1）在相同強(qiáng)度下可以降低定量，（2）使用價(jià)格較低的纖維，（3）減少磨漿，（4）降低干強(qiáng)劑用量。

以歐州某紙板廠為例，該廠以廢紙為原料，并將制漿造紙污泥作為添加物用于紙板生產(chǎn)，其挑戰(zhàn)課題是提高紙張強(qiáng)度，通過Hercobond和Performer液體助留劑的并用，紙廠實(shí)現(xiàn)了減少20%干強(qiáng)劑用量、提高紙機(jī)速度、增加污泥用量的目標(biāo)。紙廠在增加污泥用量的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了濕部系統(tǒng)的低濁度和低電導(dǎo)率的清潔生產(chǎn)，見圖5。

5.2 液體AKD

第2個(gè)課題是由酸性抄造向中性抄造轉(zhuǎn)換時(shí)，必須改變的是什么？

圖5 Performer液體助留劑對(duì)紙機(jī)速度和紙張強(qiáng)度的影響

在幾乎所有的中性施膠系統(tǒng)中，或用AKD，或用ASA。使用AKD會(huì)產(chǎn)生滑紙的問題，并因AKD的水解在壓榨輥和中心輥上出現(xiàn)沉積物的問題。ASA的滑紙問題雖較少，但存在因水解產(chǎn)生黏性沉積物的問題。因此，解決這一問題必須又要再用硫酸鋁，完全排除硫酸鋁的風(fēng)險(xiǎn)變得不可能。作為改善沉積物和滑紙的新技術(shù)，現(xiàn)在紙廠現(xiàn)場(chǎng)使用乳化的液體狀A(yù)KD，減少了滑紙問題和黏性沉積物。沉積物減少的原因是，水解時(shí)AKD仍然是液狀。

眾所周知，松香施膠劑不適合中性抄造系統(tǒng)，AKD存在著在紙張剪切和貯存過程中打滑的問題，而ASA的水解物在濕部系統(tǒng)溫度較高、陰離子電荷微細(xì)纖維增多時(shí)產(chǎn)生沉積物，造成斷紙。推薦液體AKD用于以廢紙為原料生產(chǎn)紙板的中性抄造系統(tǒng)，其原因是：（1）節(jié)省運(yùn)費(fèi)；（2）打滑降到最小程度；（3）降低濕部沉積物和壓榨輥沉積物，液體AKD即使水解也是液體狀。

增加液體AKD用量可以控制施膠反應(yīng)，而且在現(xiàn)場(chǎng)乳化的液體AKD可以利用紙廠使用的淀粉或液體淀粉，在不受溫度影響和無穩(wěn)定性問題的情況下，能生產(chǎn)出非常新鮮的AKD乳液?，F(xiàn)場(chǎng)制備的乳化AKD熟成速度快，可實(shí)現(xiàn)極好的施膠，系統(tǒng)不需要使用硫酸鋁，在復(fù)卷后，通常能達(dá)到90%的熟成度。

圖6比較了不同施膠系統(tǒng)的施膠效果[圖6中施膠度采用膠料滲透試驗(yàn)儀（HST）測(cè)定]。

比較松香施膠劑、固體AKD、液體AKD及ASA的施膠效果曲線可知，松香施膠劑的施膠相對(duì)較弱，固體AKD和ASA具有較強(qiáng)的施膠效果曲線。液體AKD的反應(yīng)曲線處于松香施膠劑和固體AKD或ASA之間。

圖6 不同施膠系統(tǒng)的施膠效果

雖然液體AKD的施膠反應(yīng)曲線看上去似乎比ASA和固體AKD低，但液體AKD產(chǎn)生的施膠效果曲線較平滑，不用擔(dān)心操作性和紙張的質(zhì)量問題，可以通過增加液體AKD添加量控制施膠效果。

液體AKD和ASA之間最大的不同之處在于液體AKD是索理思公司獨(dú)有的產(chǎn)品，而ASA有很多供應(yīng)商生產(chǎn)。液體AKD的優(yōu)點(diǎn)是在濕部系統(tǒng)中完全不產(chǎn)生沉積物，即使產(chǎn)生，也僅僅是干凈的施膠劑，同時(shí)成紙很少產(chǎn)生或幾乎不產(chǎn)生打滑問題。ASA的長(zhǎng)處是低成本，在紙機(jī)上幾乎百分之百熟成，ASA在脫水條件和烘缸溫度不能完全控制時(shí)，在生產(chǎn)高定量品種的情況下會(huì)產(chǎn)生熟成問題。AKD的缺點(diǎn)是在卷紙缸上的熟成只有80%～90%，但通過脫水系統(tǒng)和烘干溫度的改進(jìn)可以得到改善。ASA的缺點(diǎn)在于其高反應(yīng)基的水解造成濕部系統(tǒng)內(nèi)沉積物的風(fēng)險(xiǎn)。因ASA和AKD都是在現(xiàn)場(chǎng)制備，所以可以使用堿性施膠劑乳化裝置，見圖7。

5.2.1 美國應(yīng)用液體AKD降低成本的案例

美國某印刷用紙客戶希望減少斷紙和紙張打滑現(xiàn)象，降低生產(chǎn)成本。在液體AKD與紙廠自制的淀粉一起加入高位箱時(shí)，能夠逐步取消表面施膠劑，置換漿內(nèi)添加的ASA，能在不產(chǎn)生打滑問題的同時(shí)，消除沉積物問題，不僅改善了紙機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率，實(shí)現(xiàn)了最高的生產(chǎn)記錄，而且噸紙成本下降了1.15美元。

圖7 堿性施膠劑乳化裝置

5.5.2 包裝紙應(yīng)用液體AKD降低成本的案例

韓國某包裝紙客戶在濕部系統(tǒng)使用了AKD，在紙箱制造過程中出現(xiàn)打滑問題?？蛻暨M(jìn)行了ASA與液體AKD 2種施膠劑成本的比較試驗(yàn)。最終結(jié)果是：解決了紙箱加工過程的打滑問題；雖然液體AKD比固體AKD增加使用成本為噸紙0.58美元，但與ASA施膠相比成本還是比較低的，見表3。

6 總結(jié)

紙板生產(chǎn)采用中性抄造系統(tǒng)的關(guān)鍵有下述5點(diǎn)：

（1）為了利用廢紙中的高填料，紙板生產(chǎn)的抄造系統(tǒng)需要從酸性向中性轉(zhuǎn)變；

表3 不同施膠劑的成本比較

（2）因松香的原料高成本和供應(yīng)無法保證問題，紙板生產(chǎn)的抄造系統(tǒng)也需要由酸性向中性造紙轉(zhuǎn)變；

（3）雙元助留系統(tǒng)能平衡助留、脫水和紙張強(qiáng)度等3方面的問題，以降低成本，提高生產(chǎn)率；

（4）由于液體AKD可以在現(xiàn)場(chǎng)配制，可以降低運(yùn)輸成本，減輕乳化穩(wěn)定性問題。

（5）液體AKD減少了紙張打滑和沉積物問題，使系統(tǒng)變得干凈。