提高紙板填料用量的新技術(shù)

周期性的經(jīng)濟(jì)低迷和電子媒體的大量使用，致使書寫打印紙的產(chǎn)銷量逐步降低，而紙板的需求卻在不斷增加。為了順應(yīng)這一趨勢(shì)，造紙商將書寫打印紙生產(chǎn)線技改為紙板生產(chǎn)線，同時(shí)安裝了相應(yīng)的新設(shè)施。與書寫打印紙生產(chǎn)相同的是，造紙商希望在紙板生產(chǎn)中提高填料的含量以改善印刷效果并降低成本。該文介紹了在使用填料前對(duì)其進(jìn)行化學(xué)改性的、如今應(yīng)用已延伸到紙板生產(chǎn)中的一項(xiàng)名為TEKTM填料技術(shù)及其在紙板中的應(yīng)用實(shí)例。應(yīng)用結(jié)果表明，該填料技術(shù)不僅可以大幅降低生產(chǎn)成本，而且能提高紙機(jī)的運(yùn)行性能。

過去30年里涌現(xiàn)了大量有關(guān)紙和紙板中填料用量的研究，主要目的是希望使用填料降低生產(chǎn)成本并提高紙張質(zhì)量。由于填料的價(jià)格低于原生纖維，因此用填料取代部分纖維可以直接有效地降低原料成本，同時(shí)提高紙張的不透明度和印刷性能。周期性的經(jīng)濟(jì)低迷和電子媒體的大量使用，致使歐洲和北美書寫打印紙的產(chǎn)銷量正在逐步降低；而拉丁美洲和亞太地區(qū)書寫打印紙的增長(zhǎng)和需求也正在逐步緩慢，雖然書寫打印紙需求不斷降低，紙板的需求卻在不斷增加。

為了順應(yīng)這一趨勢(shì)，造紙商將書寫打印紙的生產(chǎn)線轉(zhuǎn)變?yōu)榧埌迳a(chǎn)線，同時(shí)安裝了新的設(shè)施。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也促使造紙商將生產(chǎn)成本降到最低并將利潤(rùn)最大化。和書寫打印紙相同的是，在紙板中提高填料用量也可以改善印刷效果并降低成本。

原材料、水和能源約占總生產(chǎn)成本的70%，用礦物填料取代部分纖維可直接降低生產(chǎn)成本。此外，使用填料可以降低紙張干燥能耗，不僅降低生產(chǎn)成本，也更加環(huán)保，減少了碳足跡。

紙張中填料主要有3個(gè)來源，即直接添加、來自損紙漿或來自回收纖維。填料用量影響成紙質(zhì)量和紙機(jī)運(yùn)行性能。如果原料中的填料量或填料回用量可以達(dá)到最大化，那么成本效率就可以達(dá)到最優(yōu)；然而，紙張中填料用量有最大用量和程序的限制。填料會(huì)逐步削弱紙張強(qiáng)度，增加紙張的緊度，提高紙張?jiān)诩垯C(jī)上和加工過程中的掉粉可能性。如果填料的使用量超過限制值，紙機(jī)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量就有可能降低；因此造紙商希望找到一種超越填料歷史極限值的替代方法來提高紙張的灰分含量。本文介紹了采用一項(xiàng)名為TEKTM填料技術(shù)，即在添加填料前對(duì)其作出化學(xué)改性的方法來增加漿料中填料用量。

1　TEK填料技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

TEK填料技術(shù)可以為造紙商做到增加碳酸鈣類填料用量的同時(shí)減少成本較高的纖維使用量。這項(xiàng)取得專利的技術(shù)使用化學(xué)方法對(duì)填料作出現(xiàn)場(chǎng)改性，改性設(shè)備和應(yīng)用技術(shù)都十分簡(jiǎn)單。改性填料的目標(biāo)是將填料處理成剪切穩(wěn)定、一定大小和分布的聚集體。改性時(shí)要用到1～2種高分子化合物，在可控制的機(jī)械作用下將填料絮聚成絮凝體。絮聚后的填料尺寸較大，可以將對(duì)纖維連接的破壞作用降到最低，因此可以在不影響紙張強(qiáng)度的前提下增加填料的用量。TEK填料技術(shù)可應(yīng)用于希望用填料取代纖維或降低昂貴原材料使用量來優(yōu)化成本效率的紙張生產(chǎn)應(yīng)用中，如書寫打印紙和紙板。

一般而言，對(duì)于中度施膠、使用化學(xué)纖維且灰分為20%的書寫打印紙生產(chǎn)線，灰分每增加1百分點(diǎn)，每噸漿因此減少的纖維和能源就可以節(jié)省3～5美元。根據(jù)項(xiàng)目投資成本，灰分增加1百分點(diǎn)就可以帶來投資回報(bào)，繼續(xù)增加填料用量就可以明顯降低總運(yùn)行成本。TEK填料技術(shù)近期在商業(yè)應(yīng)用上的實(shí)例證明，它在未涂和涂布紙、低定量涂布書寫紙市場(chǎng)都具備應(yīng)用價(jià)值。

2　TEK填料技術(shù)應(yīng)用于提高紙板填料用量的實(shí)例

如今TEK填料技術(shù)已延伸到用填料取代纖維從而降低成本的紙板中。采用這種技術(shù)的紙板一般都是涂布和未涂布紙板、白卡紙，甚至漂白紙板。本應(yīng)用案例的客戶是一家優(yōu)質(zhì)包裝紙板生產(chǎn)企業(yè)，定位于生產(chǎn)高質(zhì)量、對(duì)消費(fèi)者和環(huán)境都安全可靠的產(chǎn)品。該公司遵循可持續(xù)發(fā)展的原則，認(rèn)真對(duì)待產(chǎn)品的每一個(gè)生產(chǎn)過程對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的影響。

該公司有1臺(tái)紙機(jī)，生產(chǎn)3層涂布紙板，第1層和第3層由100%硫酸鹽闊葉木原生漿和一定量的沉淀碳酸鈣（PCC）組成，而決定紙板定量和緊度的中間層主要由含有PCC的回收機(jī)械漿組成。硫酸鹽漿料是生產(chǎn)成本中成本較高的一個(gè)組分。客戶希望在增加紙板中填料用量的同時(shí)，不影響紙機(jī)的運(yùn)行性能和紙板質(zhì)量。TEK填料技術(shù)可以用PCC取代部分硫酸鹽漿，提高紙板上下層的灰分含量。為了證明TEK填料技術(shù)的可行性，通過紙機(jī)的運(yùn)行情況和實(shí)驗(yàn)室篩選獲得最佳的TEK填料技術(shù)的方案，同時(shí)檢查這項(xiàng)技術(shù)連續(xù)安全運(yùn)行時(shí)所需要的設(shè)備，確?？蛻粼谕顿Y這項(xiàng)技術(shù)后可以迅速得到回報(bào)。

根據(jù)預(yù)測(cè)，灰分含量在現(xiàn)有的水平上提高3百分點(diǎn)就可以達(dá)到客戶預(yù)想的目標(biāo)，如繼續(xù)提高灰分含量可以進(jìn)一步為客戶節(jié)省成本。關(guān)鍵性能指標(biāo)是紙板的挺度、強(qiáng)度、印刷質(zhì)量和填料留著率。選擇實(shí)施方案的主要參數(shù)有所用填料的質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)可行性以及食品用紙板包裝物需要滿足的食品安全類法規(guī)要求?；诖?，提出使用TEK填料技術(shù)中的DEV 205EU項(xiàng)目，即使用合適的設(shè)備在線處理研磨碳酸鈣（GCC）填料。

通過周全的計(jì)劃和實(shí)施步驟，成功在紙板的上下層連續(xù)使用TEK填料技術(shù)。上下層填料用量起初分別在12%～15%和6%。TEK填料技術(shù)開始運(yùn)行后隨機(jī)達(dá)到項(xiàng)目的目標(biāo)，上下層的GCC分別提高了5～7百分點(diǎn)和5百分點(diǎn)。為了保持紙板的定量，適當(dāng)降低上下層硫酸鹽漿的比例。紙板外層灰分的增加改變了紙板的松厚度，從而提高了挺度，見圖1。

圖1　使用TEK填料技術(shù)2個(gè)月后，灰分增加，挺度保持不變

另外一個(gè)有趣的結(jié)果是SCOTT結(jié)合強(qiáng)度表明使用TEK填料技術(shù)2個(gè)月后，紙板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度保持不變，見圖2。

圖2　紙板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度表面紙板強(qiáng)度和表面強(qiáng)度都保持不變

這項(xiàng)測(cè)量與表面強(qiáng)度類似，即使填料用量增加，紙板的掉毛掉粉現(xiàn)象也不會(huì)加強(qiáng)。對(duì)具有代表性的未涂紙板樣品使用TAPPI T-476耐磨試驗(yàn)研究紙板的表面強(qiáng)度，結(jié)果表明TEK填料技術(shù)處理后的紙板磨損損耗要低于未經(jīng)處理的紙板，見圖3（參照樣是未經(jīng)TEK涂布技術(shù)處理的未涂樣品）。

圖3　TEK填料技術(shù)處理后的紙板磨損損耗要低于未經(jīng)處理的紙板

使用STFI光學(xué)儀器測(cè)量紙板的表面形貌，觀察TEK填料技術(shù)對(duì)紙板印刷質(zhì)量的影響。紙板表面形態(tài)的變異系數(shù)（COV）由一個(gè)卷軸體現(xiàn)，見圖4。

圖4　使用TEK填料技術(shù)后COV質(zhì)量不變

較低的COV表示紙板表面結(jié)構(gòu)更加均勻。由此可以推斷，紙板經(jīng)過TEK填料技術(shù)處理后，紙板表面形態(tài)保持不變，因此在進(jìn)紙式印刷過程中不會(huì)影響印刷質(zhì)量。

在試驗(yàn)過程中，紙機(jī)的運(yùn)行性能保持良好。通過調(diào)整留著劑體系，系統(tǒng)的留著率也保持不變，見圖5（圖中為每隔10 min檢測(cè)1次的數(shù)據(jù)）。

圖5　2個(gè)月試驗(yàn)后紙板頂層的在線首程留著率保持不變

由于使用部分填料取代纖維，減少了干燥部的能源消耗，也就降低了蒸氣消耗量，減少了碳足跡。蒸氣用量降低，采用TEK填料技術(shù)時(shí)就可以提高紙機(jī)運(yùn)行速度，使產(chǎn)量提高2%～3%，見圖6。

圖6　使用TEK填料技術(shù)2個(gè)月后紙板的產(chǎn)量提高2%～3%

3　結(jié)論

在紙板生產(chǎn)線上采用TEK填料技術(shù)取得了成功。表1顯示了采用TEK填料技術(shù)6個(gè)月左右時(shí)間后紙板性能和過程參數(shù)發(fā)生的變化。

由表1可見，采用TEK填料技術(shù)不僅可以大幅降低成本，也能提高運(yùn)行性能。對(duì)客戶而言，TEK填料技術(shù)不僅優(yōu)化了原材料和能源消耗、降低碳排放量，而且顯著降低了總運(yùn)行成本。

表1　紙板性能和過程參數(shù)發(fā)生的變化

（胡偉婷編譯）