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造纸车间阴离子杂质来源、危害及解决对策

发布日期:2019-04-01

随着涂布损纸、脱墨废纸、高得率浆的使用及纸机白水循环封闭程度的提高,纸机湿部干扰性阴离子杂质浓度越来越高,对纸机湿部操作的危害越来越大,并使一些阳离子助剂效果变差。

尤其是随着抄纸向碱性体系的转化,硫酸铝不再作为施胶固着剂加入到浆料中时,阴离子杂质问题变得更加突出。

了解有关阴离子杂质的来源、危害及解决对策是非常必要的。

阴离子杂质的来源

阴离子杂质是指纸机湿部存在的所有溶解阴离子低聚物或多聚物及非离子型水解胶体物质的总称。

这些阴离子杂质有不同的性能和来源:

(1)来自纸浆,如木素衍生物、半纤维素、脂肪酸等。

(2)来自阴离子助剂,如淀粉、CMC、有机酸、染料、杀菌剂等。

(3)来自填料分散剂,如聚磷酸盐、聚丙烯酸酯等。

(4)来自造纸用水,如腐殖酸、杀菌剂等。

其中大部分有害阴离子杂质来自纸浆,因此这里只先容来自纸浆的阴离子杂质的积累。从备料到抄纸的每一个环节都涉及到阴离子杂质的积累。

在备料中,经验表明:木材的长期贮存对纤维强度和漂白过程有不良影响,但因此缩短贮存时间却使萜烯类化合物等可挥发物质没有分离出来;使粘性物质,如酯化了的脂肪酸不能氧化和饱合,结果缩短贮存时间增加了纸浆中阴离子杂质含量。

草类制浆中如果由于原料紧缺,使用新草制浆,也会由于草料中的果胶、淀粉等未经自然发酵除掉而增加草浆中的阴离子杂质含量。

在制浆过程中,木材和草类原料的成浆很大程度上取决于原料中木素、半纤维素、抽出物等的溶出,这些溶出物质即构成了抄纸体系中最主要的有机阴离子杂质。

这些有机阴离子杂质的量与制浆和漂白工艺条件、过程控制、漂白纸浆的洗净程度等有着密切的关系。

一般说来使用高得率浆和废纸浆的纸厂含有最大量的阴离子杂质,来自各种机械浆和半化学浆的阴离子杂质主要是以木素磺酸盐、腐殖酸和阴离子胶料形式存在的可溶物质。

来自废纸浆的阴离子杂质主要是大量的木素衍生物和与废纸纸种有关的其它阴离子杂质。

使用涂布损纸或废纸的纸厂又具有最高量和最复杂的阴离子杂质。涂布损纸或废纸,尤其是使用碳酸钙和二氧化钛的涂布损纸或废纸,涂层中含有大量的阴离子分散剂,使用淀粉作粘合剂时比使用蛋白质作粘合剂时需更多的分散剂,使阴离子杂质浓度迅速增加。

就普通化学漂白浆而言,草浆比木浆含有更多的阴离子杂质。而不论何种纸浆,纸浆的洗净度低是引起浆中阴离子杂质浓集的最直接原因。

在纸页的抄造中,使用碳酸钙作填料和涂布颜料时,即在中性或碱性条件下抄纸时,由于不能使用硫酸铝作固着剂,使阴离子杂质得不到中和;

此外在碱性pH下阴离子杂质会电离出更多的阴离子基团;

而碱性条件下低分子量的半纤维素也可能从纤维细胞壁中溶解出来(这类物质包括木糖和阿拉伯糖基的聚糖);

酸性条件下封闭在纤维细胞内的一些胶体物质在碱性条件下由于细胞壁的润胀,也可能被释放出来。

碱性条件下抄纸会使可溶性阴离子杂质浓度更高。

近年来,由于纸机白水体系封闭程度越来越高,而阴离子杂质并不吸附在纸浆上,因此这些阴离子杂质随着白水的循环越积越多,封闭循环白水所造成的阴离子杂质问题远比纸浆本身严重。

阴离子杂质对抄纸的影响

阴离子杂质可以多种方式影响纸页的抄造,如:

(1)影响纸机运转:形成的附聚物(树脂、白树脂、粘附物)降低纸机运转性能,增加断头次数。

(2)影响助剂效能:对施胶剂、干强剂、湿强剂、助留助滤剂、染料等的作用效果均有不利影响。

(3)影响纸页质量:降低纸页匀度,降低纸页不透明度和亮度,引起小孔和暗点,降低纸页强度。

总之,阴离子杂质是以两种机理影响抄纸的,一是其高阴电性使纸浆的阳电荷需要量非常高,加入阳离子助剂,如助留助滤剂、增强剂等,阴离子杂质首先与这些聚合物发生中和反应,消耗大量阳离子助剂(一般阳离子助剂并非有效的电荷中和剂),有可能使阳离子应用技术生产工艺助剂完全失效,其高阴电性也影响纸浆中细小纤维的絮聚,从而影响到纸浆的留着和滤水。

因此阴离子杂质含量常用浆料滤出液的阳电荷需要量表示。再就是阴离子杂质随着不断积累,与其它物质或自身结合形成附聚物或配合物而从水溶液中沉积出来,如果沉积在填料、细小纤维和纤维上,会减少纤维间的氢键结合,因而降低了纤维间的结合强度和纸页亮度,如果在纸页抄制中留在网部、管道及毛毯中,则会堵塞抄纸网、毛毯,在压榨部引起粘辊,增加纸页断头次数,并在纸页上出现暗点,同时也会干扰纸页的施胶、染色等。

纸机湿部的阴离子杂质的解决办法

解决阴离子杂质问题的最好方法是减少或避免阴离子杂质的出现,如:

(1)优化制浆工艺,尤其是控制漂白终点pH值和漂损。

(2)强化纸浆的洗涤。

(3)缩短纸浆在碱性条件下和高温阶段的贮存时间。

(4)提高纸料中各组分的留着率。

(5)对白水进行处理。

但如果阴离子杂质的出现不可避免,那么目前最可行的办法就是:在纸浆中加入其它阳离子助剂之前先加入阴离子杂质捕捉剂(简称ATC)进行电荷中和,将之絮聚之后固着在纤维和填料的表面上(仅仅絮聚但没有固着机理的阳离子物质是不能将阴离子杂质从循环体系中除掉的)。

一般阳离子聚合物都可与可溶性阴离子杂质形成配对物而进行电荷中和,但只有高阳电荷密度的线性聚合物与可溶性阴离子杂质形成的体积很小的配对物才能沉积到纤维和填料上,分支的或低阳电荷密度的阳离子聚合物与亲水的阴离子杂质形成的体积宠大的配对物有很强的贮水能力,不能沉积到纤维和填料上。

因此ATC应为高阳电荷密度的线性低分子量聚合物(选择低分子量聚合物是因其高迁移率)。如果纸机在酸性条件下运行,较好的阴离子捕捉剂是硫酸铝。

在中性或碱性抄纸体系中由于硫酸铝将逐渐失去其正电荷,不适于作ATC。但发现聚合氯化铝(PAC)很有效,对PAC进行的实验表明:用PAC作TAC时阴离子杂质在细小纤维之前被中和,浆料留着率比只加助留剂时大大提高。说明PAC是一种优良的TAC。

PAC的缺点是降低体系pH值,然而体系pH值不变时(通过加入氢氧化钠控制)进行的实验表明,结果不变或更好。而且也有酸性不大的PAC,对pH值影响很小并且非常有效。

除PAC外,还有有机阴离子杂质捕捉剂,如聚二烯丙基二甲基氯化铵、阳离子双氰胺,有时聚乙烯亚胺也用作阴离子捕捉剂。

这些有机阴离子杂质捕捉剂的最大优点是不受pH影响,对体系pH也无影响,酸、碱体系都可应用,而且用量少,效果也不错。但其对阴离子杂质反应的选择性可能不如聚合氯化铝,且有机阴离子杂质捕捉剂分子量越高,阳电荷密度越低,其效果越差,选择性也越低。

除采用阴离子杂质捕捉剂外,还可以通过选用合适的助留剂来排除阴离子杂质的干扰,如在含有大量阴离子杂质的高得率纸浆体系中可采用聚氧化乙烯作助留剂。

聚氧化乙烯是一种很独特的助剂,是非离子型的,它引起絮聚不是依赖于电荷的中和,而是在纤维和细小纤维之间进行吸附桥联。而聚氧化乙烯在纤维和细小纤维上的主要吸附位置很可能是酚羟基,因此浆料中大量阴离子杂质的存在,通常不会对聚氧化乙烯的效能构成影响。

相反,一些可溶性阴离子杂质的存在,如白水体系中积累的木素衍生物,反而会提高聚氧化乙烯的效能。因此,酚醛树脂和黑液常用作聚氧化乙烯的增效剂。

但应注意的是聚氧化乙烯仅仅吸附在未被其它聚合物或其它物质如明矾覆盖的纤维和细小纤维表面上,因此聚氧化乙烯单独使用时,体系中若存在其它阳离子聚合物或明矾,效果反而不好。

无机吸附剂膨润土也可用于清除体系中的阴离子杂质。如在膨润土和阴离子聚丙烯酰胺结合使用的助留体系,其中改性的膨润土就是一种吸附剂,它吸附白水体系中大量的有机和无机物质,并为阴离子聚丙烯酰胺提供活化点,使之通过某种形式的氢键结合完全地吸附在膨润土表面,从而产生助留效能。因此膨润土和阴离子聚丙烯酰胺也常用于提高高得率纸浆的留着和滤水。

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