提高纸板填料用量的新技术

提高纸板填料用量的新技术

周期性的经济低迷和电子媒体的大量使用，致使书写打印纸的产销量逐步降低，而纸板的需求却在不断增加。为了顺应这一趋势，造纸商将书写打印纸生产线技改为纸板生产线，同时安装了相应的新设施。与书写打印纸生产相同的是，造纸商希望在纸板生产中提高填料的含量以改善印刷效果并降低成本。该文介绍了在使用填料前对其进行化学改性的、如今应用已延伸到纸板生产中的一项名为TEKTM填料技术及其在纸板中的应用实例。应用结果表明，该填料技术不仅可以大幅降低生产成本，而且能提高纸机的运行性能。

过去30年里涌现了大量有关纸和纸板中填料用量的研究，主要目的是希望使用填料降低生产成本并提高纸张质量。由于填料的价格低于原生纤维，因此用填料取代部分纤维可以直接有效地降低原料成本，同时提高纸张的不透明度和印刷性能。周期性的经济低迷和电子媒体的大量使用，致使欧洲和北美书写打印纸的产销量正在逐步降低；而拉丁美洲和亚太地区书写打印纸的增长和需求也正在逐步缓慢，虽然书写打印纸需求不断降低，纸板的需求却在不断增加。

为了顺应这一趋势，造纸商将书写打印纸的生产线转变为纸板生产线，同时安装了新的设施。市场竞争也促使造纸商将生产成本降到最低并将利润最大化。和书写打印纸相同的是，在纸板中提高填料用量也可以改善印刷效果并降低成本。

原材料、水和能源约占总生产成本的70%，用矿物填料取代部分纤维可直接降低生产成本。此外，使用填料可以降低纸张干燥能耗，不仅降低生产成本，也更加环保，减少了碳足迹。

纸张中填料主要有3个来源，即直接添加、来自损纸浆或来自回收纤维。填料用量影响成纸质量和纸机运行性能。如果原料中的填料量或填料回用量可以达到最大化，那么成本效率就可以达到最优；然而，纸张中填料用量有最大用量和程序的限制。填料会逐步削弱纸张强度，增加纸张的紧度，提高纸张在纸机上和加工过程中的掉粉可能性。如果填料的使用量超过限制值，纸机的生产效率和产品质量就有可能降低；因此造纸商希望找到一种超越填料历史极限值的替代方法来提高纸张的灰分含量。本文介绍了采用一项名为TEKTM填料技术，即在添加填料前对其作出化学改性的方法来增加浆料中填料用量。

1　TEK填料技术的优势

TEK填料技术可以为造纸商做到增加碳酸钙类填料用量的同时减少成本较高的纤维使用量。这项取得专利的技术使用化学方法对填料作出现场改性，改性设备和应用技术都十分简单。改性填料的目标是将填料处理成剪切稳定、一定大小和分布的聚集体。改性时要用到1～2种高分子化合物，在可控制的机械作用下将填料絮聚成絮凝体。絮聚后的填料尺寸较大，可以将对纤维连接的破坏作用降到最低，因此可以在不影响纸张强度的前提下增加填料的用量。TEK填料技术可应用于希望用填料取代纤维或降低昂贵原材料使用量来优化成本效率的纸张生产应用中，如书写打印纸和纸板。

一般而言，对于中度施胶、使用化学纤维且灰分为20%的书写打印纸生产线，灰分每增加1百分点，每吨浆因此减少的纤维和能源就可以节省3～5美元。根据项目投资成本，灰分增加1百分点就可以带来投资回报，继续增加填料用量就可以明显降低总运行成本。TEK填料技术近期在商业应用上的实例证明，它在未涂和涂布纸、低定量涂布书写纸市场都具备应用价值。

2　TEK填料技术应用于提高纸板填料用量的实例

如今TEK填料技术已延伸到用填料取代纤维从而降低成本的纸板中。采用这种技术的纸板一般都是涂布和未涂布纸板、白卡纸，甚至漂白纸板。本应用案例的客户是一家优质包装纸板生产企业，定位于生产高质量、对消费者和环境都安全可靠的产品。该公司遵循可持续发展的原则，认真对待产品的每一个生产过程对经济、社会和环境的影响。

该公司有1台纸机，生产3层涂布纸板，第1层和第3层由100%硫酸盐阔叶木原生浆和一定量的沉淀碳酸钙（PCC）组成，而决定纸板定量和紧度的中间层主要由含有PCC的回收机械浆组成。硫酸盐浆料是生产成本中成本较高的一个组分。客户希望在增加纸板中填料用量的同时，不影响纸机的运行性能和纸板质量。TEK填料技术可以用PCC取代部分硫酸盐浆，提高纸板上下层的灰分含量。为了证明TEK填料技术的可行性，通过纸机的运行情况和实验室筛选获得最佳的TEK填料技术的方案，同时检查这项技术连续安全运行时所需要的设备，确保客户在投资这项技术后可以迅速得到回报。

根据预测，灰分含量在现有的水平上提高3百分点就可以达到客户预想的目标，如继续提高灰分含量可以进一步为客户节省成本。关键性能指标是纸板的挺度、强度、印刷质量和填料留着率。选择实施方案的主要参数有所用填料的质量、经济可行性以及食品用纸板包装物需要满足的食品安全类法规要求。基于此，提出使用TEK填料技术中的DEV 205EU项目，即使用合适的设备在线处理研磨碳酸钙（GCC）填料。

通过周全的计划和实施步骤，成功在纸板的上下层连续使用TEK填料技术。上下层填料用量起初分别在12%～15%和6%。TEK填料技术开始运行后随机达到项目的目标，上下层的GCC分别提高了5～7百分点和5百分点。为了保持纸板的定量，适当降低上下层硫酸盐浆的比例。纸板外层灰分的增加改变了纸板的松厚度，从而提高了挺度，见图1。

图1　使用TEK填料技术2个月后，灰分增加，挺度保持不变

另外一个有趣的结果是SCOTT结合强度表明使用TEK填料技术2个月后，纸板的内结合强度保持不变，见图2。

图2　纸板的内结合强度表面纸板强度和表面强度都保持不变

这项测量与表面强度类似，即使填料用量增加，纸板的掉毛掉粉现象也不会加强。对具有代表性的未涂纸板样品使用TAPPI T-476耐磨试验研究纸板的表面强度，结果表明TEK填料技术处理后的纸板磨损损耗要低于未经处理的纸板，见图3（参照样是未经TEK涂布技术处理的未涂样品）。

图3　TEK填料技术处理后的纸板磨损损耗要低于未经处理的纸板

使用STFI光学仪器测量纸板的表面形貌，观察TEK填料技术对纸板印刷质量的影响。纸板表面形态的变异系数（COV）由一个卷轴体现，见图4。

图4　使用TEK填料技术后COV质量不变

较低的COV表示纸板表面结构更加均匀。由此可以推断，纸板经过TEK填料技术处理后，纸板表面形态保持不变，因此在进纸式印刷过程中不会影响印刷质量。

在试验过程中，纸机的运行性能保持良好。通过调整留着剂体系，系统的留着率也保持不变，见图5（图中为每隔10 min检测1次的数据）。

图5　2个月试验后纸板顶层的在线首程留着率保持不变

由于使用部分填料取代纤维，减少了干燥部的能源消耗，也就降低了蒸气消耗量，减少了碳足迹。蒸气用量降低，采用TEK填料技术时就可以提高纸机运行速度，使产量提高2%～3%，见图6。

图6　使用TEK填料技术2个月后纸板的产量提高2%～3%

3　结论

在纸板生产线上采用TEK填料技术取得了成功。表1显示了采用TEK填料技术6个月左右时间后纸板性能和过程参数发生的变化。

由表1可见，采用TEK填料技术不仅可以大幅降低成本，也能提高运行性能。对客户而言，TEK填料技术不仅优化了原材料和能源消耗、降低碳排放量，而且显著降低了总运行成本。

表1　纸板性能和过程参数发生的变化

（胡伟婷编译）