降低生活用紙能耗和紙塵的涂層解決方案

王 波 廖 暢 楊致富 趙志松 李陶偉黃 軍 馬 樸 馬玉芹 張偉平

（1.維達(dá)紙業(yè)國際控股有限公司，廣東江門，529100；2.維達(dá)紙業(yè)（中國）有限公司，廣東江門，529100；3.維達(dá)紙業(yè)（浙江）有限公司，浙江衢州，324400；4.濟(jì)寧南天農(nóng)科化工有限公司，山東濟(jì)寧，372200）

生活用紙?jiān)谏a(chǎn)過程中，為保證吸水性、松厚度、手感等功能性需求和使用體驗(yàn)，需進(jìn)行起皺[1-5]。起皺過程是通過起皺刮刀在一定速差下（起皺率）將紙幅從揚(yáng)克烘缸表面剝離完成，為減少起皺刮刀長期與揚(yáng)克烘缸接觸摩擦帶來的磨損，延長刮刀的使用壽命和保證起皺的均勻性和穩(wěn)定性，需要在揚(yáng)克烘缸噴淋涂層化學(xué)品，以便在烘缸表面形成一層具有適當(dāng)硬度、厚度和黏性的涂層[6-10]。

在起皺過程中，紙張與起皺刮刀高速撞擊，在形成皺紋的同時(shí)，對纖維的結(jié)構(gòu)不可避免的產(chǎn)生了一定程度的破壞，從而造成大量細(xì)小纖維與紙張分離，最終形成紙塵[11]。軟抽等對手感、柔軟性及松厚度要求比衛(wèi)卷更高，為達(dá)到這一目標(biāo)，需要進(jìn)一步提高起皺溫度、降低起皺水分，加強(qiáng)起皺效果，此時(shí)紙張受到的沖擊加大，勢必加劇紙塵的產(chǎn)生，同時(shí)蒸汽耗用也同步走高。正常情況下，當(dāng)起皺溫度提高后，一方面，揚(yáng)克缸表面涂層硬度增加，黏結(jié)力也會增加，在起皺過程中，會有更好的起皺效果，從而獲取更高的松厚度。另一方面，在高的起皺溫度下，原紙?jiān)谄鸢檿r(shí)處于過干狀態(tài)，能取得更好的“爆炸”效果，從而提高原紙松厚度[12]。當(dāng)然，這種操作方式不可避免地帶來2個(gè)負(fù)面的反應(yīng)：①因紙張過干狀態(tài)下纖維分離，加劇紙塵問題。②當(dāng)起皺溫度過高時(shí)，涂層硬度持續(xù)增加，造成涂層厚度增加，從而降低傳熱效率。在生活用紙工廠，紙機(jī)24 h連續(xù)運(yùn)行，雖然現(xiàn)場會配備一定數(shù)量的除塵裝置，但無法完全徹底的及時(shí)清除紙塵。紙塵的積累，對現(xiàn)場環(huán)境管理、火災(zāi)隱患管理及質(zhì)量控制均帶來重大的挑戰(zhàn)。

若在起皺過程中減少紙塵的產(chǎn)生，首先需要考慮降低起皺過程中紙張的起皺干度，因?yàn)榧垙埜啥仍礁?，紙張?jiān)谄鸢欉^程中受到的破壞越大。而降低起皺干度，前提需要降低起皺溫度即在相同條件下，降低揚(yáng)克烘缸蒸汽壓力，而降低起皺溫度勢必影響揚(yáng)克烘缸表面的涂層建立[5-6]。

涂層化學(xué)品主要包含粘缸劑、剝離劑和改良劑。涂層的建立對藥品本身的性質(zhì)尤其是粘缸劑的化學(xué)性質(zhì)、烘缸表面溫度和藥品停留時(shí)間具有相對嚴(yán)格的要求。如果不對涂層化學(xué)品成分和性質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，強(qiáng)制降低起皺溫度，則涂層的均勻性、黏結(jié)力、硬度及穩(wěn)定性等得不到保證，不僅會增加烘缸表面損傷的風(fēng)險(xiǎn)，還會因起皺效果下降帶來紙張品質(zhì)問題。

鑒于上述考慮，維達(dá)紙業(yè)國際控股有限公司聯(lián)合濟(jì)寧南天農(nóng)科化工有限公司成立專門的攻關(guān)小組，開發(fā)和應(yīng)用具備更低應(yīng)用溫度的低溫涂層（紙機(jī)上主要體現(xiàn)在更低的蒸汽壓力和/或更低的蒸汽單耗）產(chǎn)品，旨在測試和驗(yàn)證在更低起皺溫度下，尋找和探索涂層硬度、原紙松厚度、手感及紙塵產(chǎn)生等要素之間更好的平衡點(diǎn)。

1 低溫涂層開發(fā)及應(yīng)用的要點(diǎn)

1.1 粘缸劑和剝離劑

粘缸劑必須能夠在更低溫度下，提供更好的黏結(jié)力和硬度，以及合適的水不溶率，以確保在應(yīng)用過程中穩(wěn)定和提升起皺效率，降低對高溫的依賴。

粘缸劑在更低溫度下具備更好的黏結(jié)力，對剝離劑的剝離效果提出更高要求；同時(shí)，還需要剝離劑在混合的涂層中分布更加均勻，以保證紙張?jiān)谄鸢欉^程中受力均勻。

1.2 應(yīng)用要點(diǎn)

對生活用紙而言，基于起皺的主要指標(biāo)（如吸水性、松厚度、強(qiáng)度、手感（柔軟度）和伸長率等）隨涂層的變化而變化，當(dāng)起皺溫度下降后，首先帶來的表現(xiàn)可能是松厚度下降，影響使用體驗(yàn)及造成紙機(jī)效率下降。低溫涂層在應(yīng)用過程中首先需要解決，即使起皺溫度下降，其涂層黏結(jié)力要保持穩(wěn)定，不會引起松厚度的明顯降低。小幅度的松厚度下降可以通過降低針葉木漿比例來彌補(bǔ)，因?yàn)槠鸢檹?qiáng)度下降會減少因起皺帶來的紙張強(qiáng)度損失。在實(shí)際應(yīng)用過程中，還需要監(jiān)控新型低溫涂層在長時(shí)間維度的表現(xiàn)以及對起皺刮刀磨損和揚(yáng)克烘缸面保護(hù)的效果。

2 低溫涂層產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室評價(jià)

2.1 低溫粘缸劑實(shí)驗(yàn)室性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

黏結(jié)力是涂層將紙幅黏貼到烘缸上的能力，涂層黏結(jié)力不夠時(shí)，起皺效果下降，紙張的皺紋深度不夠，松厚度變差，手感和使用體驗(yàn)隨之下降。當(dāng)黏結(jié)力低至一定程度時(shí)，紙幅將無法順利黏貼到烘缸上或者局部無法貼缸，出現(xiàn)空鼓，此時(shí)，起皺刮刀對紙幅的作用力較小造成起皺效果下降或者無法起皺。

涂層在揚(yáng)克烘缸上建立后，還需要具備合適的硬度。涂層過硬會導(dǎo)致起皺刮刀“跳刀”，造成整體和局部間歇性無起皺，或斷紙，設(shè)備效率和產(chǎn)品品質(zhì)無法保證，嚴(yán)重時(shí)還會沖擊到揚(yáng)克烘缸表面，造成缸面損傷。當(dāng)涂層過軟時(shí)，涂層無法建立，導(dǎo)致紙張和烘缸表面黏結(jié)力不受控而無法穩(wěn)定起皺，嚴(yán)重時(shí)，因刮刀和揚(yáng)克烘缸沒有涂層的保護(hù)，導(dǎo)致紙機(jī)摩擦，從而造成刮刀磨損及烘缸表面損傷。

耐水性（水不溶性）是涂層黏結(jié)力和硬度的基礎(chǔ)，因?yàn)樵谕繉有纬蛇^程中，需要有一個(gè)回濕的過程，耐水性太低，則涂層無法完成玻璃化轉(zhuǎn)變，涂層無法建立。太高則涂層無法回濕，在紙幅上缸時(shí)，無法將濕紙幅和揚(yáng)克烘缸通過交聯(lián)反應(yīng)黏結(jié)在一起，失去黏結(jié)力的基礎(chǔ)。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，實(shí)驗(yàn)室從3個(gè)維度（見圖1）評價(jià)粘缸劑性能，分別為涂層的黏結(jié)力、涂層軟硬以及涂層的耐水性。

圖1 粘缸劑性能的3個(gè)維度Fig.1 Three dimensions of the performance of adhesive

2.1.1 粘缸劑黏結(jié)力的測試

粘缸劑的黏結(jié)力測試采用90°剝離力儀進(jìn)行。分別在75、85、105℃下測試不同粘缸劑的黏結(jié)力情況。其中，干黏結(jié)力主要體現(xiàn)粘缸劑黏結(jié)力的整體水平；測試方法是將沾有待測粘缸劑的測試棉條貼到測試鋼板上，在特定的溫度下交聯(lián)10 min，再將其90°剝離，記錄所需力，每個(gè)待測樣測3次取平均值；濕黏結(jié)力間接體現(xiàn)在高水分含量下，涂層建立情況以及黏結(jié)力水平；測試方法是用取樣涂布器將待測粘缸劑涂布到待測鋼板上，在設(shè)置溫度下保溫10 min，將濕棉條貼到涂層上，然后再將其90°剝離，記錄所需力，測3次取平均值。不同粘缸劑的測試結(jié)果見圖2。

由圖2可知，PAE類粘缸劑在75、85℃下濕黏結(jié)力和干黏結(jié)力均很低，105℃時(shí)干黏結(jié)力大幅提升，表明PAE類粘缸劑需要更高的溫度交聯(lián)。PEI的濕黏結(jié)力與干黏結(jié)力在不同溫度下變化不大，且黏結(jié)力水平較低。低溫粘缸劑CA在75℃下濕黏結(jié)力與干黏結(jié)力水平比在此條件下的PAE、PEI類粘缸劑的黏結(jié)力水平高，隨著溫度升高低溫粘缸劑CA的黏結(jié)力水平大幅升高，表明低溫粘缸劑在低溫下有良好的黏結(jié)力水平，這為實(shí)現(xiàn)低溫涂層創(chuàng)造了先決條件。

圖2 低溫粘缸劑CA、PAE、PEI在不同溫度下干、濕黏結(jié)力對比Fig.2 Comparison of dry and wet adhesion of low temperature adhesive CA,PAE,and PEI type adhesive at different temperatures

2.1.2 耐水性測試

實(shí)驗(yàn)室通過測試涂層的水不溶率間接體現(xiàn)其耐水性。測試顯示，低溫粘缸劑CA的水不溶率為46%，介于市售的PAE類、PEI類粘缸劑之間（見表1）。

2.1.3 粘缸劑涂膜的鉛筆硬度測試

粘缸劑涂膜硬度評估采用鉛筆硬度法，其測試裝置、測試方法以及樣品制備分別參照GB/T 6739—96《涂膜硬度鉛筆測定法》、ASTM D3363—00《鉛筆試驗(yàn)法測定涂膜硬度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、GB/T 1727—92《漆膜一般制備方法》。測得的硬度劃分等級為13個(gè)等級，從硬到軟依次為6H-5H-4H-3H-2H-H-HB-B-2B-3B-4B-5B-6B。測試結(jié)果顯示，低溫粘缸劑CA硬度為B，硬度適中（見表1）。

2.1.4 粘缸劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

實(shí)驗(yàn)室利用DSC分析儀分別測試不同粘缸劑的玻璃化轉(zhuǎn)化溫度(Tg)。測試前將聚合物流延成薄膜后在110℃交聯(lián)固化，然后取其涂層測試Tg。溫度程序設(shè)置為：升溫階段0～120℃，升溫速率10℃/min；恒溫階段120～120℃，保溫20 min；降溫階段從120℃～0，降溫速率-10℃/min；此為一次掃描，一次掃描結(jié)束后等待25 min使樣品充分冷卻，然后設(shè)置升溫程序0～120℃，升溫速率10℃/min，此為二次掃描。以第2次掃描結(jié)果為準(zhǔn)，采用半高法得到Tg值。玻璃化轉(zhuǎn)化溫度越低，間接體現(xiàn)涂層越軟。測試結(jié)果顯示，低溫粘缸劑CA玻璃化轉(zhuǎn)變溫度處于適中范圍（見表1）。

表1 粘缸劑性能測試Table 1 Performance test data of adhesive

2.2 低溫剝離劑實(shí)驗(yàn)室性能

粘缸劑的單一作用下只能將紙幅黏貼到烘缸上，在起皺過程中紙幅不能很好地脫離并產(chǎn)生均勻的皺紋，因此需要搭配剝離劑一起使用。

不同的剝離劑與粘缸劑搭配使用的效果有很大差異性[8-10]。低溫剝離劑是納米級水基型剝離劑，其與低溫粘缸劑搭配后形成的涂層非常均一。而常規(guī)的油基型剝離劑和粘缸劑搭配后，受限于油基型剝離劑自乳化后形成的顆粒較大無法和納米級剝離劑相比擬，因此所形成的涂層均一性會差很多。圖3為粘缸劑搭配不同的剝離劑形成涂層均一性的示意圖。

圖3 粘缸劑搭配不同的剝離劑形成涂層均一性示意圖Fig.3 A schematic diagram of coating uniformity formed by adhesive and different release agents

2.2.1 剝離劑的表面張力

利用表面張力儀對不同種類的剝離劑進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖4所示，油性剝離劑的表面張力最高，其次是低溫剝離劑，而有機(jī)硅水性剝離劑表面張力最低。表面張力越低，表明剝離劑的剝離能力越強(qiáng)，有機(jī)硅剝離劑作為衛(wèi)生紙剝離劑使用，其剝離能力太強(qiáng)，容易將揚(yáng)克烘缸表面的涂層去除。因此維達(dá)紙業(yè)國際控股有限公司和濟(jì)寧南天農(nóng)科化工有限公司合作開發(fā)了新型的納米級水基型剝離劑產(chǎn)品，即低溫剝離劑與低溫粘缸劑搭配使用應(yīng)用于低溫涂層。

圖4 不同剝離劑的表面張力對比Fig.4 Comparison of surface tension of different release agents

2.2.2 剝離劑的粒徑

用動態(tài)光散射（DLS）粒徑分析儀測定低溫剝離劑的粒徑分布情況，所用儀器為馬爾文儀器有限公司Zetasizer Nano系列的ZEN3590型粒度分析儀，激發(fā)光源采用綠標(biāo)532 nm的“綠色激光器”，檢測散射角為90°。設(shè)置儀器掃描次數(shù)為10 s/次，掃描次數(shù)為30次。使用的樣品池為1.0 cm×1.0 cm四面透光的方蓋石英比色皿。經(jīng)測試該剝離劑的平均粒徑為50 nm左右，表明低溫剝離劑為納米級剝離劑；多分散指數(shù)（PDI）在0.4以下表明體系穩(wěn)定，該低溫剝離劑的PDI為0.2，說明體系穩(wěn)定。

2.2.3 剝離劑與粘缸劑混合液的穩(wěn)定性

剝離劑與粘缸劑混合液穩(wěn)定性對實(shí)際應(yīng)用影響很大，如果粘缸劑與剝離劑不兼容，則會出現(xiàn)分層、絮凝等情況，輕則影響使用效果，重則會堵塞管道、噴淋設(shè)施或者濾網(wǎng)，因此粘缸劑與剝離劑混合液穩(wěn)定性是實(shí)際應(yīng)用過程中一個(gè)重要的評價(jià)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)室通過使用Turbiscan穩(wěn)定儀測試粘缸劑與剝離劑混合液穩(wěn)定性，Turbiscan穩(wěn)定儀利用靜態(tài)多重光散射原理實(shí)時(shí)監(jiān)測樣品，從微觀角度分析樣品的穩(wěn)定性，儀器經(jīng)過分析給出穩(wěn)定性系數(shù)TSI，TSI值越小表明體系越穩(wěn)定。將低溫粘缸劑CA分別與不同種類的剝離劑混合后進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表2所示，從表2可以看出，低溫粘缸劑CA與低溫剝離劑混合，其TSI系數(shù)只有0.98，表明混合液非常穩(wěn)定。

表2 不同剝離劑與低溫粘缸劑CA混合液穩(wěn)定性Table 2 Stability test of different release and low temperature adhesive CA mixed liquor

2.2.4 剝離劑的剝離能力測試

剝離劑剝離能力的測試使用的儀器與黏結(jié)力的測試相同。剝離能力的測試是將粘缸劑與剝離劑按一定比例混合后測試其干黏結(jié)力的方式，相同條件下剝離劑使粘缸劑的黏結(jié)力下降的幅度越大表明剝離劑的剝離能力越強(qiáng)。不同類型剝離劑與低溫粘缸劑混合后粘結(jié)力測試結(jié)果如圖5所示。有機(jī)硅水性剝離劑和低溫剝離劑均可使低溫粘缸劑的干黏結(jié)力大幅減小。綜合來看，油性剝離劑是介于有機(jī)硅水性剝離劑和低溫剝離劑之間的一款性能優(yōu)異的剝離劑產(chǎn)品。有機(jī)硅水性剝離劑剝離能力太強(qiáng)，與粘缸劑搭配起皺效果不佳。

圖5 不同類型剝離劑與低溫粘缸劑混合后黏結(jié)力下降情況Fig.5 Decrease of adhesion after different types of release using with low temperature adhesive

3 低溫涂層產(chǎn)品的工業(yè)應(yīng)用

鑒于產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室的良好表現(xiàn)，被評估具備上機(jī)測試的條件，自2020年10月開始，該類產(chǎn)品逐步在維達(dá)集團(tuán)不同區(qū)域的3個(gè)下屬工廠的高速衛(wèi)生紙機(jī)進(jìn)行上機(jī)測試（以下簡稱A廠、B廠、C廠），以驗(yàn)證其在較低起皺溫度下，對紙塵和能耗的控制效果及生產(chǎn)適應(yīng)性。

3.1 低溫涂層在蒸汽方面的表現(xiàn)

3.1.1 維達(dá)集團(tuán)A廠使用情況

2020年10—12月，低溫涂層在維達(dá)集團(tuán)A廠紙機(jī)上機(jī)使用（車速1700 m/min）。表3列出了在低溫涂層上機(jī)之前使用常規(guī)涂層時(shí)2組紙機(jī)數(shù)據(jù)，以及切換成低溫涂層上機(jī)后4組紙機(jī)數(shù)據(jù)，通過表3可知，在相同條件下，蒸汽壓力從常規(guī)涂層時(shí)的0.9 MPa下降到低溫涂層的0.82 MPa，降低0.08 MPa，紙機(jī)運(yùn)行和紙張品質(zhì)穩(wěn)定。

表3 維達(dá)集團(tuán)A廠低溫涂層與常溫涂層測試性能情況Table 3 Test performance of low temperature coating and normal temperature coating in plant A of Vinda group

表4為維達(dá)集團(tuán)A廠低溫涂層與常溫涂層測試期間汽耗情況。從表4可以看出，低溫涂層測試期間，烘缸蒸汽耗用標(biāo)準(zhǔn)差明顯降低，說明穩(wěn)定性提高。同時(shí)，蒸汽耗用有小幅度的下降。測試期間，降低揚(yáng)克烘缸蒸汽壓力后，原紙橫幅溫度穩(wěn)定，波動范圍略有縮窄。

表4 維達(dá)集團(tuán)A廠低溫涂層與常溫涂層測試期間汽耗情況對比Table 4 Comparison of steam consumption between low temperature coating and normal temperature coating in plant A of Vinda Group

3.1.2 維達(dá)集團(tuán)B廠使用情況

2020年12月，低溫涂層在維達(dá)集團(tuán)B廠上機(jī)使用（車速1600 m/min）。表5為低溫涂層與常溫涂層在B廠不同紙種測試數(shù)據(jù)指標(biāo)對比。表5數(shù)據(jù)顯示，紙種A和B在相同條件下，使用低溫涂層可以在蒸汽壓力降低0.22 MPa左右時(shí)使用正常，同時(shí)蒸汽單耗降低約10%。

表5 低溫涂層與常溫涂層在B廠不同紙種測試數(shù)據(jù)指標(biāo)對比Table 5 Comparison of test data between low temperature coating and normal temperature coating in different paper grades in plant B

MES（生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)）調(diào)用的數(shù)據(jù)顯示（見圖6，在生產(chǎn)B紙種（15.3 g/m2）時(shí)，蒸汽壓力降低219 kPa時(shí)，車速提高100 m/min。

圖6 紙機(jī)參數(shù)及蒸汽壓力情況Fig.6 Paper machine parameters and steam pressure

3.1.3 維達(dá)集團(tuán)C廠使用情況

2020年11月，低溫涂層在維達(dá)集團(tuán)C廠上機(jī)使用（車速1300 m/min），蒸汽耗用情況見表6。測試結(jié)果顯示，較常規(guī)涂層而言，低溫涂層的均勻性更好，且蒸汽耗用也有不同程度的下降。

表6 低溫涂層與常溫涂層在C廠不同紙種測試時(shí)蒸汽耗用情況Table 6 Comparison of steam consumption of low temperature coating and normal temperature coating in different paper grades in plant C

3.2 低溫涂層在紙塵控制方面的表現(xiàn)

低溫涂層開發(fā)的主要目的是從源頭即起皺階段降低纖維結(jié)構(gòu)破壞程度，減少細(xì)小纖維剝離產(chǎn)生的紙塵。2020年在B廠高速紙機(jī)上機(jī)測試數(shù)據(jù)顯示（見圖7），原紙掉粉率從使用常規(guī)涂層時(shí)的0.099%降低到了0.066%，降低幅度達(dá)到33.5%（掉粉率測試采用VIH/4-ZZ/09-19-B0進(jìn)行，使用掉粉率表示）。

圖7 B廠低溫涂層和常規(guī)涂層原紙掉粉率對比Fig.7 Comparison of paper dust drop rate between low temperature coating and conventional coating in plant B

A廠上機(jī)測試顯示，使用低溫涂層時(shí)，原紙紙塵量從50 ppm降低到24.6 ppm，降低幅度高達(dá)50.9%。

對比常規(guī)涂層，在使用低溫涂層后，3個(gè)工廠測試原紙掉粉率，均出現(xiàn)了不同程度的下降，下降程度如圖8所示。

圖8 維達(dá)集團(tuán)3個(gè)工廠使用低溫涂層后原紙紙塵降低幅度Fig.8 Dust reduction of base paper/finished paper after low temperature coating in three subordinate plants of Vinda group

4 結(jié) 論

低溫涂層產(chǎn)品在維達(dá)集團(tuán)3個(gè)工廠不同紙機(jī)上機(jī)測試，測試數(shù)據(jù)產(chǎn)品達(dá)到預(yù)期效果。

4.1 低溫粘缸劑在較低溫度下具有較高的黏結(jié)力、合適的耐水性和合適的成膜軟硬。

4.2 納米級的低溫剝離劑具有較低的表面張力和適宜的剝離力，可以在涂層中分布得更加均一。

4.3 低溫粘缸劑與低溫剝離劑的混合液非常穩(wěn)定。

4.4 低溫涂層在相同條件下，可以降低80～230 kPa揚(yáng)克烘缸蒸汽壓力，且能在一定幅度降低蒸汽耗用成本。

4.5 較常規(guī)涂層而言，低溫涂層的應(yīng)用可以減少10%～50%的原紙/成品的掉粉率。