高档卷烟纸专用 PCC生产过程质量控制技术

邓新云,颜 鑫

(湖南化工职业技术学院化工系,湖南株洲 412004)

工业技术

高档卷烟纸专用 PCC生产过程质量控制技术

邓新云,颜 鑫

(湖南化工职业技术学院化工系,湖南株洲 412004)

高档卷烟纸专用沉淀碳酸钙(PCC)的质量要求包括平均粒径与粒径分布、晶形、游离碱、沉降体积、白度等 5个主要指标。分别从浆液浓度与相对密度的关系、碳化反应温度控制、窑气浓度与流量选择、沉降体积控制、生浆和熟浆陈化、过度碳化和磷酸中和处理包裹返碱现象、加强生产过程质量管理环节等方面探讨了高档卷烟纸专用 PCC的生产过程中的质量控制技术。

高档卷烟纸专用 PCC;游离碱;包裹返碱;沉降体积

高档卷烟纸既要满足高透气度以降低焦油含量并减少对人体有害的物质,又要满足高速卷烟机对纸张高强度的要求。此外,还要求能提高卷烟纸的不透明度、白度,改进手感和柔软性,在纸纤维网格中有较高的留着率。笔者分别从平均粒径及粒度分布、晶形、游离碱含量、沉降体积、白度等 5个方面探讨了高档卷烟纸专用沉淀碳酸钙(PCC)的质量控制技术。

1 高档卷烟纸专用 PCC质量控制技术

生产实践表明:高档卷烟纸填料专用 PCC平均粒径最好为 3.0～4.0μm,比表面积为 2～3 m2/g。如果粒径小于 1μm,填充过程中小粒径 PCC粒子将导致纸张纤维中的留着率下降,减小了纸张的总空隙率,影响纸张脱水速率、成品的透气度和变异系数;反之,如果平均粒径大于 5μm,则大部分 PCC粒子难以进入纸张纤维网格之中,仅仅覆盖在纸张表面,使 PCC的有效填充量明显减少,并影响到纸张的燃烧速度。PCC在纸张纤维中留着率一般仅为加入量的 50%左右 (质量分数),流失的 PCC将随着造纸废水排放,给环境保护和废水处理带来负面影响[1]。因此,粒度分布窄是高档卷烟纸填料专用

PCC一个重要特征。

1.1 恒都公司产品改造前后粒度大小与分布情况

采用 Mastersizer 2000型激光粒度分析仪对牡丹江恒都钙品有限公司 (简称恒都公司)改造前后的 PCC产品粒度大小与分布情况进行了分析,结果如图1所示。

图1 改造前后 PCC产品粒度分布图

由图1a可知,改造前 PCC产品在0.2～1.0μm时有一个明显的小峰,说明该区域有部分微细 PCC存在,并导致主峰右移、粒径分布宽度增大、产品整体平均粒径增大。由图 1b可知,改造后 PCC产品只有一个主峰,且峰高增大、峰宽减小、峰形对称美观。通过分析对比可知,改造前后 PCC产品的平均粒径分别为 4.330μm和 3.447μm,前者粒径在2.0～5.0μm的粒子不到 60%,后者则超过 70%,且小于1.0μm和大于 10.0μm的粒子几乎不存在,完全可以满足高档卷烟纸填料专用 PCC的要求。

1.2 浆液浓度大小选择

在普通 PCC生产过程中几乎不控制生浆浓度(主含量质量分数,下同),生浆浓度往往在 15%～20%,而纳米 PCC控制粒径的措施之一就是控制其生浆浓度在8%～12%[2]。高档卷烟纸专用 PCC的粒径介于普通 PCC和纳米 PCC之间,因此,必须适当地控制其浆浓度在 12%～16%。

1.3 生浆的起始反应温度、碳化过程温度控制

生浆的起始反应温度、碳化过程温度及碳化终点最高温度的控制,也是影响 PCC平均粒径的重要因素。普通沉淀碳酸钙和纳米碳酸钙的生产过程对上述温度条件的控制要求各不相同[2],高档卷烟纸专用 PCC的粒径介于二者之间,其浆液的起始反应温度一般控制在25～30℃,碳化过程最高温度可控制在45～50℃。因此,碳化温度最好能实现可控。

1.4 窑气的浓度和流量选择

窑气浓度和流量也是影响 PCC粒径的重要因素之一,实际生产中要求窑气的浓度越高越好。窑气浓度净化后理论上可达 40%(体积分数,下同),实际操作中通常为 25%～35%,这往往是由于鼓风量与加煤量不相匹配造成了过量鼓风,或窑气输送管道密封不佳而造成了空气漏入等引起的。且势必导致碳化反应速度较慢,有时碳化时间长达 90～120 min,不利于碳化初期大量晶核的形成和平均粒径的控制。当鼓风量与加煤量相匹配时,此时窑气浓度最高,且吨石灰煤耗最少,石灰质量也最好。通过提高窑气流量的方法,即将 2座石灰窑气同时鼓入一个碳化塔中进行碳化反应,可达到反应速度加倍、碳化时间减半、控制碳酸钙平均粒径的目的。

1.5 生浆的陈化处理

在生产实践中发现,石灰乳在存放过程中会出现先变黏稠、相对密度增大,后出现黏度变小、相对密度也减小的现象。这是由于一些尚未完全消化的生石灰在存放过程中逐渐消化、分散成颗粒细小的Ca(OH)2晶体,体系中细小颗粒增加,使颗粒间相互作用力增加,从而出现黏度增大的现象;生浆经过约48 h陈化后,生石灰已经消化完毕,Ca(OH)2微晶之间相互结合成为较大的微晶,从而出现黏度变小、相对密度也减小的现象。

精浆陈化在一定程度上可避免产品出现包裹返碱现象;大型陈化池可使一定时间内的浆液浓度、温度、活性等物化性质完全相同,从而使产品质量在一定范围内保持相对的稳定性;陈化过程还是一个缓慢的放热反应过程,静置陈化往往需要 2～3 d。

2 沉降体积大小的控制

图 2为 3种 PCC产品的沉降体积与沉降时间的关系。从图 2可知:1)根据沉降体积的大小可初步判断出 PCC产品的粒径大小;2)根据沉降体积与沉降时间的关系是否呈现一条直线来判断粒度分布是否狭窄,如果沉降曲线呈现一条直线 (如曲线 B所示),表明 PCC沉降均匀,粒度分布狭窄;相反,沉降曲线的弯曲程度较大,则表明相应的 PCC粒度分布较宽(如曲线A、C所示)。曲线A表明该样品中粒径较大的粒子较多,开始阶段沉降较快,末尾阶段沉降较慢,其沉降体积较小;曲线 C所示则相反。3)3种产品 3 h的沉降体积差不多,但它们粒径分布却相差甚远。因此,实际生产中还需要测定产品1 h的沉降体积。

图2 3种PCC沉降曲线对比

在平均粒径和粒度分布一定的情况下 (3～4μm),高档卷烟中专用 PCC对沉降体积的要求在3.0～4.0 mL/g即可,并保持相对稳定。通过调节石灰煅烧、消化、碳化过程各工艺条件可实现沉降体积的可控[3]。

3 游离碱控制技术

游离碱含量一般应小于 0.05%(质量分数)。当产品游离碱含量超标,在平均粒径一定的情况下,表现为其沉降体积也会随之增大,填充过程与纸张纤维相容性变差。某种程度上,游离碱含量超标比平均粒径偏大或偏小的危害更大,因此对游离碱含量必须严格加以控制。

碳化反应终点必须使碳化熟浆的 pH接近 7,通常还需要继续通入 2～4 min的窑气过度碳化,以确保游离碱含量达标[2]。但即便如此,熟浆仍然可能出现返碱现象,不能完全确保产品游离碱含量能够达标。究其原因,包裹返碱现象中这种“包裹”在常温下很难打开,其根源在于生石灰活性较差、生浆浓度和黏度过大、陈化时间不够、粒子太粗等因素。加入少量磷酸补救,能够确保游离碱含量达标。

4 白度控制技术

高档卷烟纸专用 PCC对白度也有较高的要求,一般要求大于 90%、且保持稳定。在石灰石质量合格时,沉淀碳酸钙白度主要取决于窑气净化、生石灰与煤灰的筛分、生浆的精制过滤、各种浆液槽和成品槽、消化机和碳化塔密封操作等环节。一般情况下,只要对上述环节进行严格管理即可使产品白度达标。只有当石灰石质量不合格 (如石灰石中铁、锰含量超标)时,才需采用增白技术对白度进行改进。

5 结语

1)高档卷烟纸专用 PCC要求平均粒径稳定控制在 3.0～4.0μm、且粒度分布良好,晶形为小纺锤形,碳化时生浆质量分数为 12%～16%,碳化起始温度为 25～30℃,碳化过程体系最高温度可相应地控制在 45～50℃,窑气浓度要求在 35%(体积分数)以上,且窑气流量充足。

2)PCC生产企业在组织生产时,必须重新测定相对密度与浆液浓度关系换算表或工作曲线,才可能正确地指导生产实践。通过测定熟浆的相对密度可以来比较准确地推算出熟浆的主含量质量分数,并进而倒推出碳化前生浆的质量分数。

3)控制高档卷烟纸专用 PCC中游离碱含量的方法为:将生浆和熟浆充分过滤精制和陈化;碳化熟浆达到中性时,需继续进行适度的过度碳化;加入少量磷酸,对游离碱含量的控制进行补充。

4)根据沉降体积的大小可初步判断出 PCC的粒径大小;根据沉降体积大小与沉降时间的关系图判断粒度分布是否狭窄;实际生产中还需要测定产品的 1 h沉降体积,才能确定产品的粒度分布是否合格。

5)在石灰石质量合格的前提下,只需对生产环节进行严格管理即可使 PCC产品白度达标。

[1] 沈兴楠.浅谈卷烟纸用碳酸钙及其沉降体积与粒度[J].造纸化学品 2001,13(2):21-27.

[2] 颜鑫,王佩良,舒均杰编.纳米碳酸钙关键技术[M].1版.北京:化学工业出版社,2007.

[3] 王良金.沉淀碳酸钙碳化工艺参数与成品沉降体积值[J].无机盐工业,1998,30(1):35-36.

Quality control technology i n production process of speci al PCC for high-grade cigarette paper

Deng Xinyun,Yan Xin

(Departm ent of Chem ical Engineering,Hu′nan Chem ical Engineering Technology College,Zhuzhou412004,China)

There are fivemain indexes,including average particle size and size distribution,morphology,free-alkali content,subsidence volume,and degree ofwhiteness,for the quality of special precipitated calcium carbonate(PCC)used for high-grade cigarette paper.The quality control technology in production process of special PCC for high-grade cigarette paper from the links of relationship bet ween slurry concentration and relative density,carbonization reaction temperature control, kiln gas concentration and flow control,subsidence volume control,raw and cooked slurry aging,excessive carbonization and phosphoric acid neutralization pack-return alkaline phenomenon,and strengthen production process qualitymanagement etc. was discussed respectively.

special PCC for high-grade cigarette paper;free-alkali;pack-return alkaline phenomenon;subsidence volume

TQ132.32

A

1006-4990(2011)05-0046-03

2010-12-26

邓新云 (1970— ),女,讲师,主要从事化学化工教学与无机化工研究工作。

联 系 人:颜鑫

联系方式:hnhgyanxin@126.com