可替代中性松香施膠劑的新型施膠劑

廢紙是生產(chǎn)紙板的主要原料。廢紙含有降解纖維和大量填料，如碳酸鈣。以廢紙為原料的紙漿中高碳酸鈣含量提高了其pH，中和了酸性添加劑并降低了其功能，如硫酸鋁。更糟的是，紙廠開始傾向于避免添加酸性物質。紙漿的高pH和低硫酸鋁用量導致了成紙的低施膠度，尤其是在使用松香施膠劑施膠的情況下。在中-堿性造紙條件下，AKD或ASA常被用來代替松香-硫酸鋁施膠系統(tǒng)。然而，對紙板而言，AKD存在施膠滯后性和紙板打滑等問題，而ASA存在易水解并生成沉淀等問題。該文介紹了一種新型紙板漿內(nèi)施膠劑，它能適應pH范圍較廣的濕部條件，并能代替松香-硫酸鋁施膠系統(tǒng)。

1　序言

由于造紙系統(tǒng)條件的改變，導致各種漿內(nèi)添加的化學品效果很難發(fā)揮，例如，用作造紙的含碳酸鈣的廢紙紙漿比例的增加帶來漿料質量下降，造紙白水封閉循環(huán)程度的提高造成的細小纖維和陰離子夾雜物增加，為保護環(huán)境及改善操作而減少硫酸鋁用量等。可以預計，今后以廢紙作造紙原料的比例增加帶來的碳酸鈣用量增加和硫酸鋁用量的減少將導致抄紙pH上升。

施膠劑是用來控制紙及紙板的液體滲透性和防止洇墨的造紙化學品?，F(xiàn)在，用作紙板漿內(nèi)施膠劑的主要是中性松香施膠劑，并必須同時使用硫酸鋁。預計在今后抄紙pH上升的趨勢下，硫酸鋁的活性將越發(fā)降低，中性松香施膠劑的效果將不斷變差；并且，松香價格劇烈波動，也對化學品生產(chǎn)商甚至是造紙行業(yè)造成了負面影響。由于松香市場環(huán)境的嚴峻，并且其用量占日本漿內(nèi)施膠劑市場的一半以上等因素，為了把握未來，應對使用環(huán)境和市場的變化，研發(fā)了一種可替代中性松香施膠劑的新型施膠劑。

2　紙板漿內(nèi)施膠劑的特征及新型紙板漿內(nèi)施膠劑的設計目標

作為用于中性造紙的施膠劑，除了松香外，烷基烯酮二聚物（AKD）和烯基琥珀酸酐（ASA）廣為人們熟知。這些施膠劑具有施膠性能優(yōu)越的一面，也有各自的缺點。AKD有時會出現(xiàn)在剛烘干后不久，施膠效果隨時間和熱量發(fā)生顯著變化的熟化現(xiàn)象，和成紙打滑或滲出（吹粉）現(xiàn)象。ASA存在著因容易水解，必需使用時乳化，現(xiàn)場需配置大型輔助設備；在抄造系統(tǒng)中停留時間較長時施膠性能顯著下降等缺點。并且，二者在大用量時，都有污染紙機系統(tǒng)的問題，操作性遠比中性松香施膠劑差。因此，生產(chǎn)紙板時很少使用AKD、ASA施膠劑。當前使用的施膠劑特征歸納在表1中。

表1　常用的紙板漿內(nèi)施膠劑的特征

為了適用于pH范圍較廣的濕部條件，克服當前使用的中性造紙施膠劑存在的缺點，研發(fā)了繼松香、AKD和ASA之后的第4種施膠劑。這種施膠劑必須繼承中性松香施膠劑所具有的通用性強等優(yōu)點的同時，可在中性及更高pH范圍內(nèi)也能發(fā)揮優(yōu)越的施膠性能。下面是新型紙板漿內(nèi)施膠劑的設計目標：（1）具有高施膠性能；（2）具有穩(wěn)定的化學結構，使用方便；（3）當抄造系統(tǒng)pH變化時能穩(wěn)定發(fā)揮施膠效果；（4）著眼于將來抄紙pH的提高，在高pH條件下具有良好的施膠性能；（5）烘干后無需擔憂施膠劑的熟化和滲出（克服AKD的缺點）；（6）在抄造系統(tǒng)內(nèi)隨停留時間的推移，性能下降較少（克服ASA的缺點）；（7）取材于非石油類物質。

3　新型紙板漿內(nèi)施膠劑的定位及產(chǎn)品性狀

圖1顯示了新型紙板漿內(nèi)施膠劑與現(xiàn)有施膠劑不同的結構、性能和操作性的定位。

圖1　新型紙板漿內(nèi)施膠劑的定位

由圖1可見，AKD和ASA的施膠性能處于高水準，而操作時的污染及適用pH范圍狹窄等，使其通用性變差；與AKD和ASA相比，中性松香施膠劑的通用性較好，而施膠性能處于較低水平，新型紙板漿內(nèi)施膠劑則定位于現(xiàn)用施膠劑之間。

新型紙板漿內(nèi)施膠劑與AKD同樣含有疏水基長鏈烷基，同時含有與現(xiàn)有施膠劑不同的特殊的極性基。新型紙板漿內(nèi)施膠劑本身的效果也已被確認，它能有效地捕捉多價金屬離子，固著在纖維親水部位，發(fā)揮良好的施膠性能。新研發(fā)的紙板漿內(nèi)施膠劑的性狀如表2所示。

表2　新研發(fā)的紙板漿內(nèi)施膠劑的性狀

4　新型紙板漿內(nèi)施膠劑與中性松香施膠劑的性能比較

4.1抄紙pH與各種施膠劑的施膠性能之間的關系

圖2所示為抄紙pH與各種施膠劑的施膠性能之間的關系［試驗條件：原料為某紙板廠的面層紙漿，在添加干強劑（兩性PAM）后，以一定的用量（0.15%）添加各種施膠劑，不添加硫酸鋁；用自來水作為紙漿的稀釋水，在化學品添加前的紙漿中加氫氧化鈉水溶液調(diào)節(jié)抄紙pH，pH=6.0～8.5；在弱酸性到中性/堿性范圍內(nèi)抄成手抄紙（平均定量80 g/m2），紙中硫酸鋁為3%～4%，紙中灰分9.9%，加拿大游離度344 mL；手抄紙在調(diào)濕房（23℃，濕度50%）調(diào)濕 24 h后，用Cobb60吸水值比較、評估其施膠性能］。

圖2　抄紙pH與各種施膠劑的施膠性能的關系

由圖2可見，中性松香施膠劑的施膠性能隨抄紙pH的提高而逐漸下降，而新型紙板漿內(nèi)施膠劑與中性松香施膠劑相比，下降幅度較小，在較廣pH范圍內(nèi)都具有優(yōu)勢；但在高pH條件下，新型紙板施膠劑的施膠性能比AKD略差。

4.2在不同用量時與中性松香施膠劑的性能比較

預計將來來自廢紙原料的碳酸鈣的增加和硫酸鋁用量的減少造成的抄紙pH上升將成為趨勢。為著眼于將來的中性化，比較、評估了在抄紙pH為7.0～7.5條件下新型紙板漿內(nèi)施膠劑和中性松香施膠劑在不同用量時的施膠性能，其結果見圖3［試驗條件：原料為某紙板廠的面層紙漿，施膠劑用量為0%～0.3%，干強劑（兩性PAM））用量為0.09%，不添加硫酸鋁，紙中硫酸鋁用量為3%～4%，紙中灰分為9.9%，加拿大游離度為344 mL］。

由圖3可見，在pH=7.0～7.5條件下，新型紙板漿內(nèi)施膠劑與中性松香施膠劑比較，用1/2以下的用量就能獲得同等的施膠效果。

4.3添加硫酸鋁的優(yōu)勢

在抄紙pH為7.0～7.5條件下添加硫酸鋁對新型紙板漿內(nèi)施膠劑和中性松香施膠劑施膠性能的影響如圖4所示［試驗條件：原料為某紙板廠的面層紙漿，施膠劑用量為0%～0.15%，干強劑（兩性PAM）用量為0.09%，硫酸鋁用量為0%～0.2%，紙中硫酸鋁為3%～4%，紙中灰分為9.9%，加拿大游離度為344 mL］。

圖3　新型紙板漿內(nèi)施膠劑和中性松香施膠劑在不同用量時的施膠性能

圖4　添加硫酸鋁對施膠劑施膠性能的影響

有觀點認為，為環(huán)保和改善操作而減少硫酸鋁用量已減少得差不多了；但是，現(xiàn)在還需要進一步減少硫酸鋁用量。這是因為新型紙板漿內(nèi)施膠劑與中性松香施膠劑同樣是陰離子型乳化劑，需要通過硫酸鋁等陽離子物質使其定著。新型紙板漿內(nèi)施膠劑所需的硫酸鋁用量與中性松香施膠劑所需的硫酸鋁用量不同，只需來自廢紙原料中的硫酸鋁含量就已足夠，這顯示了其優(yōu)勢。由圖4可見，新型紙板漿內(nèi)施膠劑所需硫酸鋁用量為1%時，施膠度就已達到了最低點，這說明了新型紙板漿內(nèi)施膠劑比中性松香施膠劑用更少的硫酸鋁就能充分發(fā)揮其施膠性能。

5　新型紙板漿內(nèi)施膠劑的操作性

5.1施膠熟化性能的確認

不同施膠劑施膠熟化性能的比較、評價結果如圖5所示［試驗條件：原料為某紙板廠的面層紙漿，干強劑（兩性PAM）用量為0.09%，新型紙板漿內(nèi)施膠劑用量為0.15%，中性松香施膠劑用量為0.40%，AKD用量為0.15%，不添加硫酸鋁，紙中硫酸鋁為3%～4%，紙中灰分為9.9%，加拿大游離度為344 mL］。

圖5　施膠劑的熟化性能比較

由圖5可見，新型紙板漿內(nèi)施膠劑與中性松香施膠劑一樣，在剛烘干后和調(diào)濕后的施膠度大致相同，未產(chǎn)生熟化現(xiàn)象；而AKD施膠劑在剛烘干后幾乎未發(fā)揮施膠作用，產(chǎn)生熟化現(xiàn)象。這一結果說明，新型紙板漿內(nèi)施膠劑與AKD施膠劑一樣，可以在帶表面施膠機的紙板機上用來控制吸水性。

5.2成紙打滑性的確認

施膠劑不同用量時成紙打滑性能的比較、評價結果如圖6所示［試驗條件：原料為某紙板廠的面層紙漿，施膠劑用量為0%～0.15%，干強劑（兩性PAM）用量為0.09%，不添加硫酸鋁，紙中硫酸鋁為3%～4%，紙中灰分為9.9%，加拿大游離度為344 mL；同時考慮到中性松香施膠劑的施膠性能，手抄紙的抄造pH調(diào)節(jié)到6.5～7.0，調(diào)濕后測試所有紙樣的打滑性能］。

圖6　施膠劑不同用量時的打滑性能比較

添加了分子結構中含有長鏈烷基的AKD施膠劑和新型紙板漿內(nèi)施膠劑所抄造的成紙，比添加中性松香施膠劑所抄造的成紙容易打滑。由圖6可見，施膠劑用量大于0.3%時，打滑性能出現(xiàn)明顯差異，可以推測新型紙板漿內(nèi)施膠劑和AKD的施膠性能達到了頂點；同時可以確認，新型紙板漿內(nèi)施膠劑如過量添加，所抄造的成紙將呈現(xiàn)比添加中性松香施膠劑所抄造的成紙容易打滑的趨勢，其具體情況需要考慮紙機的實際生產(chǎn)和施膠性能進一步確認。

5.3成紙“吹粉現(xiàn)象”的觀察

AKD施膠劑在大用量的情況下，在成紙貯存期間纖維表面會結晶，這是“吹粉現(xiàn)象”產(chǎn)生的原因，“吹粉現(xiàn)象”在成紙加工中常被當作紙病。本文對添加新型紙板漿內(nèi)施膠劑后的成紙吹粉現(xiàn)象進行了觀察，其結果如圖7所示［試驗條件：原料為硫酸鹽漂白闊葉木漿，硫酸鋁用量為1%，干強劑（兩性PAM）用量為0.25%，濕強劑用量為0.33%，加拿大游離度為350 mL，新型紙板漿內(nèi)施膠劑及AKD施膠劑在0.6%的大用量條件下抄紙，然后，用溫度為80℃壓光機處理，在溫度40℃下貯存4天后，用電子顯微鏡觀察3種成紙表面］。

圖7　吹粉現(xiàn)象觀察

由圖7可見，添加AKD施膠劑的紙其纖維表面有魚鱗狀析出物，而添加新型紙板漿內(nèi)施膠劑的紙與不添加施膠劑的紙比較，纖維表面看不到變化。由此可知，在使用新型紙板漿內(nèi)施膠劑施膠時不需要擔心成紙會產(chǎn)生吹粉現(xiàn)象。

5.4施膠劑性能在抄造系統(tǒng)中隨著時間推移而下降

眾所周知，隨著造紙白水封閉循環(huán)程度的提高，由此造成的施膠劑的滯留影響了施膠劑性能。本文比較、評價了AKD、ASA以及中性松香施膠劑的缺點，即在高pH條件下滯留時隨著時間的推移而施膠劑本身分解和溶解造成的施膠性能下降的程度，其結果如圖8所示［試驗條件：原料為某紙板廠的面層紙漿，干強劑（兩性PAM）用量為0.09%，不添加硫酸鋁，pH=6.5～7.0，紙中硫酸鋁為3%～4%，紙中灰分為9.9%，加拿大游離度為344 mL，施膠劑在pH為7.0～7.5的漿料入口處添加，在經(jīng)過規(guī)定的時間后，抄成手抄紙，在調(diào)濕后評價其施膠性能］。

圖8　施膠劑施膠性能隨時間下降強度的比較

由圖8可見，ASA的施膠性能隨著時間的推移下降程度最大，滯留1 h后，施膠性能下降高達50%，2 h后，施膠性幾乎完全消失；其他施膠劑的施膠性能也有同樣的趨勢，但不至于達到完全消失的程度。新型紙板漿內(nèi)施膠劑的施膠性能下降程度比AKD施膠劑小，與中性松香施膠劑相當。如果白水封閉循環(huán)程度的提高造成的施膠性能下降是由于施膠劑本身的分解和溶解引起的話，不僅影響成紙的施膠性能，而且乳液的崩潰還會造成污染等操作方面的影響。新型紙板漿內(nèi)施膠劑對操作方面的影響程度與中性松香施膠劑基本相同。

6　結束語

本文介紹了能適用于pH范圍較廣的濕部條件的新型紙板漿內(nèi)施膠劑。該紙板漿內(nèi)施膠劑不存在AKD和ASA等傳統(tǒng)施膠劑的缺點，為了發(fā)揮其施膠性能，同樣需要在施膠系統(tǒng)內(nèi)添加硫酸鋁，但其配位體系與中性松香施膠劑不同；并且，僅靠廢紙原料中所含的硫酸鋁就已能夠充分發(fā)揮其施膠性能，是一種值得期待的并能廣泛適應造紙條件變化的紙板漿內(nèi)施膠劑。

（杜偉民編譯）