热磨机械浆特种纸厂中树脂类沉积物的控制

2012-01-08李德品

造纸化学品 2012年2期

热磨机械浆特种纸厂中树脂类沉积物的控制

加拿大某造纸厂为调查并减轻超级压光辊组中一个导辊上胶粘物的沉积，从超级压光辊组上采集了一些沉积物样品并进行了化学组成分析、热力学性能测试及热重分析。化学分析结果表明，沉积物样品的主要成分是能溶于丙酮的被定义为树脂或木材抽出物的物质；热重分析结果显示，在沉积物样品中，50～200℃范围内的质量损失少于5%，在热重分析前、后分别进行的气相色谱分析也得到了相似的样品化学成分。该研究还用降黏和固着等2种控制途径减少超级压光辊组上树脂类沉积物的生成，并比较了它们性能的优劣。

位于加拿大某热磨机械浆（TMP）特种纸厂安装了世界上最先进的机内压光机，从而由生产新闻纸转产附加值更高的超级压光（SC）纸。与机外压光相比，机内压光技术能在保证纸张质量的同时，降低生产成本，增加产量。该厂在过氧化氢漂白过程中采取了一系列措施，尤其是还原剂辅助螯合过程、Qy过程、PM过程和影响整体金属离子浓度的氢氧化镁过氧化物漂白技术。

该厂的超级压光纸生产线正面临着超级压光辊组的一个导辊上树脂胶粘物沉积的问题，如图1所示。

图1 超级压光导辊上生成的树脂类沉积物

胶粘物在辊面的沉积不仅会增加清理压辊的停机时间，而且还会导致辊面失去作用。该厂先前对从导辊上刮下来的沉积物分析显示，沉积物由树脂、填料和浆料纤维组成，其中树脂是主要成分。这些沉积物具有黏性，能从纸张表面粘下填料和纤维。

本文研究的目的是：（1）更好地理解树脂类沉积物的生成机理；（2）比较2种不同的减少树脂类沉积物在超级压光辊组上生成的方法。

1 实验部分

表1给出了几种控制树脂生成的化学方法。

表1 控制树脂障碍的化学法

工厂实验设计了2个方案进行，分别使用2家知名的化学品供应商提供的化学品。

一种方案是双组分系统，由分散剂和降黏剂组成。降黏剂是一种改性的疏水纤维素，它能覆盖在树脂表面，然后通过氢键连接到浆料纤维上。所有输送到纸机的浆料，包括漂白TMP、未漂白TMP以及浆渣都加以处理。阴离子分散剂与非离子表面活性剂混合，加到TMP磨浆中将树脂乳化成溶液状，便于在后续浓缩过程大量除去。

另一种方案是用聚合氯化铝（PAC）处理漂白TMP浆料的单组分体系。它能使树脂颗粒固着在浆料纤维上，通过将树脂固定在纸张结构内部，减少其转移到设备表面的可能性。这种机理只适用于酸性树脂。酸性树脂是从压光辊上取下的沉积物的主要成分。

每次停机检修时，都从导辊上刮下一定量的沉积物样品。所有的样品都先用丙酮在室温下萃取，然后在3 000 r/min下离心30 min，以使浆料中纤维、填料和助剂等不溶物分离出来。样品还按TAPPI T 266 om-02标准进行金属离子含量分析——采用原子吸收光谱法测定浆料和纸页中钠、钙、铜、铁和锰等离子的含量。

仅当温度高于树脂玻璃转化温度时，树脂才表现出黏度。一些树脂的主要成分属挥发性物质，如萜烯类物质。为了明确这些萜烯类物质对沉积物生成的影响，用热重分析仪（TGA）在以下条件下进行热质量损失分析：先在50℃下加热2 min，然后再以5℃/min的速度升温至200℃，再在200℃下保持2 min。TGA分析前后，分别用气相色谱分析仪（GC）测定沉积物样品中萜烯类物质的组成，并加以比较。样品用20 mL的丙酮萃取，并通过离心将不溶物质分离除去；取5 mL上层清液用100 μL二（三甲基硅基）三氟乙酰胺（BSTFA）在70℃下甲烷硅基化1 h。气相色谱分析操作条件如下：软光子电离（SPI）喷射器，340 ℃；火焰离子化检测器（FID），370℃；气柱温度以5℃/min速度从100℃升至220℃，再以15℃/min的速度从220℃升至350℃，最后在350℃下保温10 min。

2 结果和讨论

2.1 沉积物的生成

每个沉积物样品都沿着周长在导辊相同的位置上刮下并称重。图2为设备同一位置上每天生成的沉积物的平均量。

图2 设备表面同一位置上每天沉积物生成的量

当使用降黏剂时，沉积物的生成从2月份没有采用任何化学处理时的44 mg/d减少当年3月份的20 mg/d。接着，从没有采用任何化学处理到使用降黏剂处理的当年6月，发现沉积物又增加到32 mg/d。引起生成沉积物的量增大的原因是由于使用了含有较多树皮的木片（云杉树皮中的抽出物比树干的2倍还多）。当年10月到12月在工厂进行的PAC工艺试验，其使用效果比使用降黏剂的差。其原因是，降黏剂能阻碍树脂粒子的絮聚，并使它们表面覆盖一层纤维素保护层以减少它们的黏度，而PAC没有这种作用。需要说明的是，PAC工艺是在树脂生成高峰期采用的，而降黏剂是在树脂生成低谷期采用的。因此，图2中2种工艺使用效果差别的部分原因可能是由于季节影响造成的。

图3为沉积物样品的组分及其含量。

图3 沉积物的组成

从图3可以明显看出，能溶于丙酮的物质是沉积物的主要成分，约占总质量的70%～80%，而纤维和填料很少。降黏剂和PAC处理工艺不会改变已生成沉积物的组分；但另一方面，经它们处理的沉积物样品的外观却存在差别：经降黏剂处理的沉积物样品比不处理和经PAC处理的颜色浅，黏度也小，如图4所示。

图4 样品的外观

对沉积物样品的金属离子分析结果显示，样品中总存在一些金属离子，其中，Ca2+、Mg2+和Fe3+含量最大，如图5。

沉积物样品中金属离子来自原料、水和设备，镁离子可能来自过氧化物漂白中的Mg（OH）2。使用了树脂控制剂的沉积物样品中，金属含量低很多。特别要指出的是，铁离子的存在使沉积物颜色变深。

纸机生产不同等级的用于凹版印刷和平版印刷的超级压光纸（从低光泽度到高光泽度和有其他特殊表面需求的纸张，如SCB等级纸，再到超高光泽度和有其他特殊表面需求的纸张，如“SCA＋等级纸”）。在生产不同等级的纸时，超级压光组辊在不同的温度和负荷下工作，生产“SCA＋等级纸”所需温度最高，负荷也最大，以得到所要求的表面光泽度；生产SCB等级纸只需要中等温度和负荷。表2列出了纸张等级、超级压光条件和新鲜水的用量对生成沉积物量的影响。

图5 沉积物样品中金属离子的含量

表2 纸张等级、超级压光条件和新鲜水的使用对沉积物生成的影响

如表2所示，沉积物生成的速度可以分为2个阶段：（1）2月到7月使用普通的木片阶段；（2）8月到12月使用树皮含量高的木片阶段。表2显示的结果证实了，在不使用树脂控制剂时，长时间生产SCA和“SCA+等级纸”将会导致更多沉积物的生成，说明高温和高负荷增加了沉积物生成量。在相似的生产SCA和“SCA+等级纸”运行条件下，树脂控制剂能减少沉积物的生成量。

新鲜水的使用也可能会影响沉积物的生成，因为新鲜水比过程用水的水温低很多，这将会导致温度的骤降，从而在设备上生成更多的沉积物，如叶片、真空箱、压榨毛毯和压榨辊等设备。由表2还可看出，8月到12月使用的木片树皮含量较高，抽出物较多，但下半年新鲜水的使用量比上半年大，这与下半年生成的沉积物较多结果一致。

2.2 热重损失分析

为了弄清挥发性物质，如残余萜烯类物质，是否会导致沉积物的生成，实验用TGA分析仪对一些样品进行了热重损失分析。如图6所示。

图6 样品热重损失

由图6可见，所有样品在温度50～200℃时，热重损失都小于5%。因此，可以得出以下结论：沉积物的生成主要是由纸张中溶解的抽出物转移到辊子表面而非挥发并冷凝的抽出物造成的。从图6还可以看出TGA分析过程中样品有细微的差别，最黏并且颜色最深的2月份刮下的样品，热重损失最大。另外，使用降黏剂工艺后，热重损失会减少。

2.3 气相色谱分析结果

采用气相色谱分析仪分析沉积样品中抽出物的组成。对于云杉TMP浆中的抽出物，其脂肪酸的特征色谱是在120～150℃下得到的，而树脂的特征色谱需在约200℃下得到。表3列出的是GC分析前后沉积物的组成。

表3 GC分析前、后沉积物样品中抽出物的组分 mg/mg

从表3可以看出，所有样品中均有树脂的存在，而脂肪酸只在2个样品里面含有。与图2所示的相比，表2中抽出物含量较高的导致生成的沉积物也较多，如2月份的样品。值得注意的是，在不使用降黏剂工艺的3个样品中，有2个样品含有微量的脂肪酸，这些结果可能意味着脂肪酸的存在对于控制树脂类沉积物非常重要。

2.4 抽出物的Z向分布

工厂中，树脂沉积在与纸张直接接触的辊上，然后到达超级压光组辊。一种假设认为，纸张顶面（与辊直接接触的一面）比底面含有更多的树脂，用Beloit纸张分层仪将SCA＋等级纸样沿Z向分成6层，检测每层纸样抽出物的含量并列于表4中。

表4 SCA+等级纸样中抽出物的含量Z向分布w/%

由表4可见，不同层所含的抽出物的量为0.40%～0.51%，而且没有数据表明顶层抽出物的含量比底层的多，相比较而言，沿Z向，顶层细小纤维略高于底层。

2.5 不同浆样和水样中抽出物含量的测定

实验还测定了不同浆料和水样中抽出物的含量，见表5。

表5 不同浆样和水样中抽出物的含量

从表5中可以看出，在喂料处、漂前和漂后都除去10%～20%的抽出物。在碱性过氧化氢漂白过程中，通过皂化和后续酸性物质的去除，如脂肪酸和树脂，可除去约35%的抽出物。

工厂设有纤维回收系统，根据空气浮选机理回收流失的纤维。虽然已知回收的细小纤维能提高纸页的结合强度、干强和表面平滑度，但从表5可以看出，浮选回收的纤维中比生产线上的纤维原料中含有更高（3～4倍）的抽出物。早期的研究发现，从空气浮选系统回收的纤维抽出物的含量是漂白TMP的2倍。将降黏剂处理和PAC处理相比，使用降黏剂处理的浆料和水样中含有较少的抽出物，然而值得注意的是，PAC处理是在下半年试验的，而下半年使用的木片树皮含量较高。

从表5还可以看出，纸厂的白水中所含抽出物的量比TMP浆厂抽出物少，这也许是因为在湿部应用了凝结剂和絮凝剂。因此，用纸厂的白水稀释TMP浆厂的浆料可能会比输送到纸厂的浆料中抽出物的含量减少。