淺談羧甲基纖維素鈉在紙機濕部的應(yīng)用

前些年我曾在刊物上分別介紹過有關(guān)羧甲基纖維素鈉(CMC)在紙張顏料涂布和紙張機內(nèi)表面施膠方面的知識。幾年下來接觸過各種各樣的用戶,特別是有些用戶想通過在紙機濕部添加CMC來提高紙和紙板的質(zhì)量。但他們當中有的由于找不到有關(guān)這方面的資料,往往在具體應(yīng)用上遇到一些困難,有的即使用了也未能達到預(yù)期的效果,因而對在紙機濕部添加CMC的作用產(chǎn)生了疑惑。這次我想理論結(jié)合實踐從實用的角度來談?wù)勔韵聨讉€問題,供相關(guān)人士參考。

　　1　濕部添加CMC對紙機運行和紙張質(zhì)量有那些好處

　　(1)CMC是一種良好的分散劑。經(jīng)溶解成膠體溶液的CMC加入到紙漿懸浮液中之后非常容易與紙漿纖維和填料粒子親和,而使本已具有負電荷的紙漿纖維和填料粒子的負電性增加了,根據(jù)帶有同種電荷粒子相互排斥的原理,紙漿懸浮液中的纖維和填料便可獲得更均勻的分散。反映到紙頁成形上,便是改善了紙頁的勻度。同時改善勻度也是提高紙張物理強度的途徑之一。

　　(2)CMC進入濕部紙料中后,通過其羧甲基與纖維上的羥基發(fā)生化學水合作用,增強了纖維間的鍵合力,再經(jīng)過紙機后續(xù)各道抄造工序的物理加工,纖維間的結(jié)合力便會獲得大幅度提高。其效果將直接反映到紙頁的幾乎所有物理強度指標的提高上。

　　(3)CMC具有漿內(nèi)施膠功能。它不僅自身能給紙頁帶來一定的施膠度,而且它是松香膠和AKD等施膠劑的保護膠體,可以促進它們分散成極小的粒子均勻地分布到纖維上,延緩AKD的水解速度,降低其水解垃圾污染系統(tǒng)的可能性。

　　(4)由于CMC極易與細小纖維及填料粒子親和,如果能選擇適當?shù)年栯x子助劑與之配伍使用將能獲得顯著的功效協(xié)同效應(yīng),不僅能提高紙機的單程留著率,而且會相互促進提高助劑自身的留著率,使助劑功效更加顯著。

　　2　哪些紙種適宜在濕部添加CMC

　　從理論上講,所有存在勻度缺陷,物理強度(如表面強度、裂斷長、撕裂度、耐折度、耐破度等)缺陷的紙都可以通過在紙機濕部添加CMC加以改善,紙機單程留著率低下或欲提高在用的某些昂貴的陽離子助劑(如陽離子型濕強樹脂)的留著率時,均可使用CMC。但從我熟悉的用戶群所涉及的產(chǎn)品來講,主要還是一些特種紙和紙板。

　　如裝飾紙、地圖紙、證券紙、水松紙、卷煙紙、衛(wèi)生紙、餐巾紙、制鞋用紙板、過濾紙板和餐飲具的模壓成型等,也有在新聞紙和膠板紙中用得相當成功的例子。CMC的價格在造紙化學品中相對較高,而特種紙和紙板的附加值高,使用少量的CMC來提升其品質(zhì)是十分值得的。而對于那些大路貨產(chǎn)品是否值得采用,那就需要先權(quán)衡利弊再行決定。

　　3　如何選擇適合你使用的CMC規(guī)格型號為了獲得良好的應(yīng)用效果,濕部添加用的CMC應(yīng)予選擇的第一指標當然是取代度。一般造紙用CMC的取代度控制在0.40～0.90之間。取代度越高,其取代均勻性相對會好些,溶解性也會好些,但其負電荷攜帶得更多。高取代度的產(chǎn)品多用作分散劑,懸浮劑;用到紙張涂布上作涂料保水劑的CMC其取代度為0.70～0.80就足夠了;用作表面施膠劑的CMC,其取代度控制0.60～0.75就可以滿足需要。但對于濕部添加用的CMC來說,則應(yīng)使用低取代度產(chǎn)品。

　　因為纖維和填料粒子通常都攜帶有一定量的負電荷,再由CMC帶入大量的負電荷對紙機穩(wěn)定運行不利。即使采用其他陽離子型助劑與之配伍使用,但由于這些陽離子型助劑通常所攜帶的陽電荷較弱,所以不宜使用高或較高取代度的CMC作為濕部添加劑。

　　其次要考慮的因素是CMC的粘度(本文所涉及的CMC粘度均為ｗ=2%CMC溶液,在25±0.5℃時,用同濟大學產(chǎn)ＮＤＪ-79型粘度計測定的)。CMC的粘度是隨其分子聚合度的增加而提高。聚合度與其粘接強度、成膜性、橋聯(lián)作用等特性之間存在著一定的正關(guān)聯(lián)。在大量的紙料懸浮液中加入極少量的CMC,很自然選擇粘度高些的產(chǎn)品。究竟選擇何種粘度為宜,則與你的用法、用量、所產(chǎn)紙種有一定關(guān)系。

　　用于濕部添加的CMC通常在400～800ｍPa·s粘度范圍內(nèi)選擇。在此粘度范圍的CMC幾乎適用于所有的紙種,但在一些要求高強度的特種紙板和模制餐飲具的生產(chǎn)中采用粘度800～1000ｍPa·s的CMC效果會更好些,這一點已得到上海、杭州、沈陽等地幾個廠家的實例印證。當然也不是越高越好,粘度太高就不易操作。

　　4　怎樣選擇配伍助劑

　　CMC是一種帶有相當強負電性的造紙化學品,可以利用其這一特性來分散纖維和填料以改善紙張勻度并提高漿內(nèi)施膠效果。但事物總是有它的兩面性。如果在選擇其它配伍助劑時處理不當,就會帶來一些不想出現(xiàn)的負面作用,如紙機單程留著率會有所降低或出現(xiàn)某些紙病。為了讓CMC作為濕部添加劑的各項優(yōu)越性能充分發(fā)揮出來,根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗可以確認,在大多數(shù)情況下CMC與取代度在0.033以上的中、高取代度(用于造紙業(yè)的陽離子淀粉的取代度通常在0.01～0.07范圍內(nèi))陽離子淀粉配伍使用能獲得很好的協(xié)同效應(yīng)。較高取代度的陽離子淀粉帶有較豐富的陽電荷,有利于此時濕部的化學電位平衡,首先使CMC和陽離子淀粉自身獲得了理想的網(wǎng)上留存從而也促進了它們各自親和的纖維和填料粒子的留存。這里選用的陽離子淀粉是助留型的,而增強的責任則主要是由CMC來承擔。

　　這時陽離子淀粉的添加量應(yīng)比CMC多些,但一般不超過絕干漿的1%(質(zhì)量分數(shù))。對于那些要求有高濕強的紙種,通常需要在濕部添加陽離子濕強樹脂,此時若能適量加入一些CMC,則陽離子濕強劑的留著率將比單用時提高40%以上,強強聯(lián)合的結(jié)果,可使其各自的優(yōu)勢都得到較好的發(fā)揮。CMC能與陽離子濕強樹脂產(chǎn)生交聯(lián),讓它們配伍使用好處很多,特別適用的紙種前面已列舉過。同一臺紙機的濕部,除了特殊需要,一般使用的助劑不必過于復(fù)雜,否則會引出一些麻煩。

　　如某用戶在使用陽離子濕強劑、CMC的同時還使用著陰離子聚丙烯酰胺(ＡＰＡＭ)和陽離子聚丙烯酰胺(CPAM),結(jié)果紙頁上出現(xiàn)斑點并有糊網(wǎng)現(xiàn)象,經(jīng)查才知道是未溶解好的ＡＰＡＭ闖的禍。助劑種類用得過多,除了會因精力上照顧不周引起麻煩外,還易造成添加點的錯位,影響使用效果,也不經(jīng)濟。

　　5　CMC的用量和添加位置濕部添加CMC的量取決于你對產(chǎn)品的某些弱勢指標改善的期望值。通常用量范圍是每噸絕干漿4～8Kg,用量最低的是卷煙紙,為每噸絕干漿2Kg,用量最高的是裝飾紙和過濾紙板、鞋用紙板,每噸絕干漿8Kg,而且各家也不近相同。一般可從每噸絕干漿5Kg左右試起,篩選出最適合自己的用量。

　　CMC的添加位置基本都是加在成漿池或未叩漿池中。CMC還是一種優(yōu)良的打漿劑。你可以選用粘度適中(400～600ｍPa·s,比較易溶解)的CMC按預(yù)定添加量直接以粉末或顆粒狀態(tài)分散撒入未叩漿池中,借螺旋推進器的攪拌動力促進溶解,也可以將已預(yù)溶好的CMC膠液(質(zhì)量分數(shù)為1%左右)淋加入未叩漿池,經(jīng)20～30ｍｉｎ后即可進行打漿。

　　加在成漿池時,通常是在配漿時與松香膠、增白劑、染色劑等一些陰離子助劑分別計量,但可同槽加入。對于酸性造紙工藝來說,為了不致于過早蒂形成酸性環(huán)境,礬土應(yīng)放到?jīng)_漿泵入口處或更后一點的位置加入。而且陽離子淀粉或陽離子濕強劑應(yīng)先于礬土加入,一般選擇在高位箱。如果還有用CPAM的則CPAM最適合的加入位置應(yīng)該在旋翼篩出口后面離脈沖衰減器5ｍ左右的地方,或小紙機的穩(wěn)位箱。酸性造紙的ｐＨ值不宜控制過低,ｐＨ<4.8時對CMC使用有不利影響。

　　6　CMC的溶解操作

　　CMC在添加時有直接加入原粉或顆粒的,但無論作何種用途,大都是將CMC預(yù)溶成一定濃度的膠體溶液備用(惟特高固含涂布直接用固體而不預(yù)溶)。用作濕部添加時,一是由于其粘度相當高,溶解相對難些,濃度高時時間也長;二是低濃度的CMC膠液易與紙漿懸浮液均勻混合,所以在備有大溶解槽時,可直接溶解成ｗ=1%以下的溶液放到貯槽備用。如果溶解槽較小,則溶解的膠液濃度相對可以高些,比如ｗ=2%～2.5%然后再稀釋到ｗ=0.5%～1.0%備用。稀釋時需要攪拌,稀釋加料完后再攪拌十幾分鐘就可以靜置備用了。CMC的機械穩(wěn)定性好,所以溶解時歡迎較高的攪拌速度以利更好地分散溶解。一般轉(zhuǎn)速可控制在360～720ｒ/ｍｉｎ,溶解完后可停止攪拌。

　　過去國內(nèi)只能生產(chǎn)粉末狀CMC,較難溶解,現(xiàn)在為了在質(zhì)量上與國際名牌接軌,國內(nèi)已有安徽國昌物資再生利用有限公司,江陰恒達化工有限公司等多個CMC生產(chǎn)廠家正在積極與國內(nèi)造粒裝備公司合作攻關(guān),他們都力圖能在較短的時間內(nèi)生產(chǎn)出與國際名牌外形和內(nèi)在品質(zhì)基本相同的速溶顆粒狀CMC。關(guān)于溶解設(shè)備的“大”與“小”是應(yīng)與造紙機規(guī)模相比較而言的。CMC既能溶于熱水,也能溶于冷水,以50～70℃熱水溶解最為合適。加料時應(yīng)注意分散緩慢地加入,不宜傾倒加料,以免結(jié)團成塊,延緩溶解速度。條件差的小廠甚至可以用非金屬容器浸泡數(shù)小時至十幾小時,偶爾人力攪拌幾下,就可溶成膠液,然后在使用前用水在攪拌下調(diào)節(jié)至所需濃度即可。

　　7　一個值得探討的有趣話題

　　能生產(chǎn)出取代度D·S>1.5的CMC不足為奇,但要生產(chǎn)出D·S<0.5而其溶液中不含游離纖維的CMC可不那么容易。如果設(shè)備條件較差,工藝條件控制稍不到位,即使生產(chǎn)出來的CMCD·S超過了0.6,其溶液中細小游離纖維仍然會存在,而且能明顯影響到溶液的折光率和透明度。用作紙機濕部添加劑的CMC應(yīng)較少地給系統(tǒng)帶入負電荷,也就是說它應(yīng)是較低取代度的產(chǎn)品。

　　通常認為一個高品質(zhì)的產(chǎn)品,其溶液外觀應(yīng)該是高透明度和極少甚至人眼觀察不到的水不溶物。但這是低取代度產(chǎn)品所難以達到的。這里就產(chǎn)生了一個產(chǎn)品技術(shù)指標上的矛盾。由資料悟到,其實保留在溶液中的少量的游離纖維都是些經(jīng)羧甲基化改性了的低取代度(D·S<0.2)棉纖維。

　　這種改性了的棉纖維具有比經(jīng)堿處理過的棉纖維更好的拉伸強度、耐熱性、防皺性、染色性。羧甲基基團進一步反應(yīng)還可以得到阻燃性和防菌性。由于經(jīng)羧甲基改性的棉纖維有許多優(yōu)越性,誘使人類不斷地在探索將其引入紡織工業(yè)中以省略脫漿和絲光工藝以便獲得一種比較完美的布料。這也說明CMC中存在的極少量的游離纖維是一種性能優(yōu)良的纖維,帶入紙料中有利無弊。

　　況且,與可溶性CMC的量比起來,其所占比例微乎其微。因此,在權(quán)衡CMC的質(zhì)量指標時,就可以重點突出,對于濕部用CMC而言,較低取代度是支持應(yīng)用成功的一個重要因素。低取代度的CMC生產(chǎn)成本較低,產(chǎn)品的價格也相應(yīng)低些,這可以降低助劑使用成本。所以,我主張不妨換一種思維方式來看待濕部用CMC溶液中存在的少量游離細小纖與其質(zhì)量的關(guān)系。