阳离子淀粉与碳酸钙预絮聚加填技术研究及生产应用

朱宏伟　刘春景　银　辉　罗云鹰

(1.岳阳林纸股份有限公司,湖南岳阳，414002；

2.国家生活用纸产品质量监督检验中心,湖南常德,415000)



阳离子淀粉与碳酸钙预絮聚加填技术研究及生产应用

朱宏伟1刘春景1银辉1罗云鹰2

(1.岳阳林纸股份有限公司,湖南岳阳，414002；

2.国家生活用纸产品质量监督检验中心,湖南常德,415000)

摘要：采用一定取代度的阳离子淀粉与碳酸钙进行预絮聚,通过控制预絮聚体的粒径,可获得具有良好稳定性的预絮聚体。将该预絮聚体用于文化用纸的加填,由于淀粉覆盖在碳酸钙表面,增加了其结合性能,纸张的表面强度及填料留着率均得到一定程度改善。填料留着率平均提高了24.2 个百分点。

关键词：阳离子淀粉； 碳酸钙； 填料； 预絮聚

提高纸张填料含量已成为造纸技术的重要发展趋势之一。造纸过程中增加填料用量,可节省原料、降低纸幅干燥过程中蒸汽的消耗、提高纸张光学特性及获得优良的印刷质量。然而提高填料用量,纸张强度和施胶度降低,同时首程留着率下降,化学品用量增加、成形网磨损加大[1]。填料预絮聚技术是指采用特定的化学助剂与填料混合,使填料发生预絮聚,将所得预絮聚体用于加填时,纸张强度性能及留着率可得到有效改善。在既有的填料预絮聚技术中,采用的是聚丙烯酸树脂等合成高分子化合物,但其价格昂贵,应用受到极大限制[2-3]。本实验介绍了一种采用阳离子淀粉与碳酸钙进行预絮聚,再将所得预絮聚体用于文化用纸加填的新技术。

1实验

基于阳离子淀粉与碳酸钙预絮聚技术在国内应用极少,为确保中试生产成功,技术人员先在实验室就此项技术进行实验研究,从粒径控制、滤水留着及纸张强度方面进行研究。

1.1实验原料

浆料配比：碱性过氧化氢机械浆(APMP)∶漂白硫酸盐阔叶木浆(NBKP)=95%∶5%；碳酸钙比例：轻质碳酸钙(PCC)∶重质碳酸钙(GCC)=50∶50；采用季铵型阳离子淀粉(以下简称淀粉)：取代度0.028～0.035，聚丙烯酰胺(PAM)。

表1　不同淀粉用量下预絮聚体的过筛情况

注碳酸钙中位粒径为2.4 μm。

图1　碳酸钙和预絮聚体的形态图

1.2预絮聚体制备

淀粉糊化,糊化浓度5%,糊化好后的淀粉稀释至浓度1%(质量分数),然后升温至95℃,再保温20 min完成糊化。

将糊化好的淀粉与碳酸钙混合,搅拌速度300 r/min,淀粉按表1所示的比例均匀加入一定浓度的碳酸钙中,混合搅拌时间1 min，得到预絮聚体。将混合好后的预絮聚体取样检测中位粒径,并进行过筛、动态滤水及抄片实验。

1.3实验结果及分析

1.3.1预絮聚体过筛情况

表1为不同淀粉用量下,预絮聚体的过筛情况。由表1可知,淀粉用量在2.8 kg/t碳酸钙(绝干)以内,且预絮聚体中位粒径控制在5.5 μm以内时,预絮聚体能顺利过筛。

1.3.2预絮聚体形态

图1为碳酸钙和淀粉用量2.1 kg/t碳酸钙(绝干)时预絮聚体的显微镜形态图。由图1可知,阳离子淀粉与碳酸钙混合预絮聚后,形成了明显的预絮聚体。

1.3.3动态滤水实验

采用动态滤水仪,模拟进行助留实验,主要实验条件为：浆料配比：APMP∶NBKP=95%∶5%；碳酸钙用量20%(相对于绝干浆)；浆浓0.875%；PAM用量0.2 kg/t浆(绝干)；淀粉部分用于与碳酸钙进行预絮聚,总用量为8 kg/t浆(绝干)。

动态滤水模拟实际生产情况,分4个阶段：第一阶段模拟浆料在纸机筛前受到的剪切情况,此阶段添加一部分淀粉；第二阶段模拟浆料在纸机筛中受到的剪切情况；第三阶段模拟浆料在纸机筛后受到的剪切情况,此阶段添加预絮聚体以及助留剂PAM；第四阶段为滤水阶段,模拟纸机网部滤水。

第一阶段：将1000 mL浆料加入动态滤水仪,此时,动态滤水仪转子搅拌速度为800 r/min,此速度下搅拌10 s,其中,在第5 s时加入一部分淀粉。

第二阶段：动态滤水仪搅拌速度提高至1000 r/min,加大对浆料组分的剪切强度,此速度下搅拌10 s。

第三阶段：动态滤水仪搅拌速度降至800 r/min,此速度下搅拌15 s,其中,在第5 s时加入预絮聚体,在第10 s时加入PAM。

第四阶段：动态滤水仪搅拌速度降至400 r/min,同时浆料开始滤水。

预絮聚体加填的助留情况见表2。

表2　预絮聚体加填助留实验结果

注浆浓0.875%,浆料灰分20%。

由表2可知,预絮聚体的留着率明显提高,当淀粉用量为2.1 kg/t碳酸钙(绝干)时,首程留着率可提高2.86个百分点,填料留着率提高6.86个百分点。

1.3.4纸张光学性能及匀度

表3　预絮聚体加填对纸张光学性能及匀度的影响

注抄片定量为60 g/m2,碳酸钙加填量为17%(相对于浆料)。

表4　预絮聚体加填对纸张强度性能的影响

表3所示为预絮聚体加填对纸张光学性能及匀度的影响。由表3可知,阳离子淀粉与碳酸钙预絮聚后,随着淀粉用量的上升,灰分明显上升；当淀粉用量在4.3 kg/t碳酸钙(绝干)以内时,纸张不透明度上升,当淀粉用量过大时,不透明度有所降低,这与预絮聚体过大,碳酸钙分布不均有关。当淀粉用量在4.3 kg/t碳酸钙(绝干)以内时, 预絮聚体对纸张匀度影响不大,当淀粉用量达到8.6 kg/t碳酸钙(绝干)时,纸张匀度明显变差。

1.3.5纸张强度

表4所示为预絮聚体加填对纸张强度性能的影响。由表4可知,当淀粉用量在4.3 kg/t碳酸钙(绝干)以内时,纸张裂断长随其用量的增加而明显上升,但随着淀粉用量的进一步增加。当其用量达到8.6 kg/t碳酸钙(绝干)时,纸张强度反而有所下降,这是由于当淀粉与碳酸钙比例合适时,淀粉覆盖在碳酸钙表面,增加其结合性能,有利于纸张强度。当淀粉与碳酸钙比例过大时,淀粉用量增加后,纸张灰分较大,纸张强度有所降低,同时,也不能排除因形成大絮聚体,对纸张强度性能的不利影响。

2淀粉与碳酸钙预絮聚技术在生产中的应用

在实验室研究结果基础上,笔者对1760 mm纸机现有填料加入系统进行了改进,并于2012年4月进行中试。

2.1生产方案及主要生产工艺

2.1.1工艺流程

阳离子淀粉与碳酸钙预絮聚工艺流程见图2。

图2　阳离子淀粉和碳酸钙预絮聚的工艺流程

按图2所示的工艺流程,阳离子淀粉和碳酸钙预絮聚按照20∶1、15∶1、10∶1三种流量比例(现场在线检测流量单位m3/h)进行调整,按淀粉对碳酸钙的用量分别为1.9、2.6、3.8 kg/t碳酸钙(绝干)通过筛板后再一同加入流浆箱内。

2.1.2浆料情况

浆料配比：NBKP ∶APMP ∶CTMP=4%∶86%∶10%；NBKP打浆浓度(3.0±0.5)%,打浆度(45±2)°SR；化机浆打浆浓度2.5%～4.0%,打浆度≥42°SR。

2.1.3化学品用量

PAM用量： 0.45～0.55 kg/t纸,阳离子淀粉总用量： 10.0 kg/t纸(包括用于浆内及用于预絮聚两部分),AKD用量： 8.5～12.0 kg/t纸。

2.2网部留着对比

在中试生产中,每隔2 h检测一次网部留着情况,图3为中试生产中预絮聚体对网部助留的影响。由图3可知,添加预絮聚体后,当淀粉与碳酸钙流量比例控制在10∶1和15∶1时,首程留着率平均提高16.2个百分点,填料留着率平均提高24.2个百分点。这是由于添加预絮聚体后,形成了比碳酸钙粒径大得多的絮聚物,大大提高了填料留着。

图3　预絮聚体对网部助留的影响

填料定量/g·m-2表面强度/m·s-1正面反面灰分/%填料流量/m3·h-1碳酸钙650.870.4816.301.25750.760.4715.901.40预絮聚体650.910.4815.681.1750.860.5016.101.2

2.3纸张性能分析

表5所示为中试生产中纸张性能。由表5可知,采用预絮聚体加填后,当纸张定量为65 g/m2时,纸张反面强度保持不变,正面强度略有提高；当纸张定量为75 g/m2时,纸张表面强度由0.62 m/s提高至0.68 m/s。

2.4生产中关键工艺的控制

淀粉和碳酸钙预絮聚加填的关键工艺及使用条件,包括淀粉及碳酸钙的选择、高效混合器的使用、粒径控制及加入点等。

2.4.1阳离子淀粉是在淀粉大分子中引入叔氨基或季铵基,赋予淀粉阳离子特性。阳离子淀粉的正电荷使它与带负电荷的碳酸钙结合，将带负电荷的碳酸钙吸附并保持在基质上。阳离子淀粉先经过糊化(温度不超过95°),并稀释至1%的浓度,用活塞泵输送至高效混合器。浓度为26%的碳酸钙离心泵输送至高效混合器。

2.4.2淀粉取代度严格控制在0.028～0.035之间,浓度为1%的阳离子淀粉流动电位为200～250 mV,电荷密度为0.20～0.25 mmol/g(胶体滴定法)；季铵型阳离子淀粉(质量浓度1%)与碳酸钙(质量浓度26%)绝干质量比例按1∶(1000～4000)时,Zeta电位在20.5～24.5 mV之间。

2.4.3季铵型阳离子淀粉与PCC质量比例根据两者电荷分布情况进行控制,淀粉对碳酸钙比例不超过1∶100。如全使用GCC,由于GCC含有少量分散剂,淀粉与碳酸钙比例不超过5∶100。

2.4.4碳酸钙在混合器中需经过多层过滤,筛目80～100目。混合器包括以下单元：至少两层筛选单元；淀粉碳酸钙比例控制单元；混合螺旋反冲单元；整体混合单元；预絮聚体过筛单元。通过以上工艺,获得颗粒适中的预絮聚体。至于未过筛的预絮聚体,将回收至浆料打浆前(未叩浆池),作进一步处理。

2.4.5因采用碳酸钙加填,适用于中性施胶体系,上网浆料pH值为7.5～9.0。

3结论

采用一定取代度的阳离子淀粉与碳酸钙进行预絮聚,并通过有效控制预絮聚体的中位粒径使其在5.5 μm以内,获得具有良好稳定性的预絮聚体,将所得预絮聚体用于文化用纸的加填,由于淀粉覆盖在碳酸钙表面,通过其包裹碳酸钙,增加结合性能,从而提高填料留着，纸张强度性能特别是表面强度及网部填料留着率均可得到有效改善。

参考文献

[1]SHEN Jing, SONG Zhan-qian, QIAN Xue-ren. Research Progress in Strength Improvement of the Paper Containing Calcium Carbonate Filler[J]. China Pulp & Paper, 2007, 26(5): 47.

沈静, 宋湛谦, 钱学仁. 改善碳酸钙加填纸强度性能的研究进展[J]. 中国造纸, 2007, 26(5)： 47.

[2]ZHANG Hong-jie, HU Hui-ren, HE Zhi-bin, et al. Study on the DCS Flocculation Behavior in HYP-containing Furnish[J]. China Pulp & Paper, 2009, 28(12): 31.

张红杰, 胡惠仁, 何志斌, 等. 含高得率浆纸料中DCS的絮聚行为研究[J]. 中国造纸, 2009, 28(12)： 31.

[3]PAN Cheng, FU Jian-sheng, YUAN Shi-ju, et al. Influence of Pre-flocculation of Filler and Wet End Additives on Filler Retention and Paper Strength[J]. China Pulp & Paper, 2012, 31(11): 33.

(责任编辑：董凤霞)·选择性氧化·

Research and Application of Cationic Starch and Calcium Carbonate Pre-flocculation Filling Technology

ZHU Hong-wei1,*LIU Chun-jing1YIN Hui1LUO Yun-ying2

(1.YueyangForest&PaperCo.,Ltd.,Yueyang,Hu′nanProvince, 414002;

2.NationalQualitySupervisionandInspectionCenterofHouseholdPaper,Changde,Hu′nanProvince, 415000)

(*E-mail: ZHW96@163.com)

Abstract：The Cationic starch and calcium carbonate flocculate with good stability and uniform particle size by pre-flocculating cationic starch of certain cationic degree and charge density and calcium carbonate in a specific mixing equipment. When the flocculate was used for paper filling the bonding ability of the filler was enhanced, due to the starch covered on the filler surface, paper strength especially surface strength and wet end retention were improved significantly. The technology was applied to printing and writing paper production on PM2 of Yueyang Forest & Paper Corporation,it improved good retention effect, and filler retention rate was increased by 24.2%.

Key words：cationic starch; calcium carbonate; filler; pre-flocculation

收稿日期：2014- 12- 25(修改稿)

中图分类号：TS727+.2

文献标识码：A

文章编号：0254- 508X(2015)04- 0012- 04

作者简介：朱宏伟先生,硕士,总工程师；主要负责技术与生产管理工作。