纸厂树脂障碍控制的新技术

近年来造纸业由于废纸利用率的提高，纸张生产过程中的树脂障碍问题呈增加趋势。日本业界提出必需寻求并采用新的对策技术，以期改善日本废纸利用率近几年处于停滞不前的状况。他们提出的解决方案是：（1）将树脂成分从系统中除去；（2）防止树脂变粗；（3）让树脂变得不具有黏性；（4）减少纸粉的产生。该文介绍了体现上述解决方案的新型树脂控制剂的关键产品，如“Spanplus®FT-180”和“Spanplus®500”系列及干强剂“Fixage®PD-760”系列。

1 序言

2014年的日本废纸回收率为80.8%，废纸利用率为63.9%，是世界最高水平。日本制纸连合会提出了在2015年之前将废纸利用率从2011年的63%提高到64%的努力目标，与2013年相比，废纸利用率处于停滞不前的状态。为此。日本业界提出了提高废纸利用率的要求，同时，提出必须提高对导致障碍问题的树脂（胶粘物）的黏性处理技术，并认为这是提高废纸利用率的必要条件。

引起抄造系统障碍的树脂的主要成分是黏结剂，来自热熔胶的聚丙烯酸脂、乙烯基醋酸乙脂等。用于纸张的黏结剂，热熔胶的软化点在温度75～110℃，在软化点以上的温度条件下，黏结性增加，因此，在高温工序中，较易产生树脂障碍。日本业界用13年时间对抄造工序和树脂障碍的关系进行的调查结果也显示，操作过程中最容易产生树脂障碍的工序是烘干工序，如何减少高温时的树脂障碍是树脂控制剂所面临的难题。图1示意了抄纸过程树脂障碍产生的位置及其所占比例。

图1 抄纸过程树脂障碍发生的位置及其所占比例

2 树脂障碍产生的机理

以前人们认为，在废纸制浆过程中未彻底处理干净而带进抄纸过程的大型树脂是产生树脂障碍的主要原因。但是，现在由于通过较高的机械去除树脂技术,大型树脂的流入量并不多。存在于抄造系统中的树脂大多为微型树脂，这些树脂与水一起透过成形网的网目，在系统内循环，浓缩。浓缩后的微型树脂穿过成形网的网目进入白水槽时，受到冲击，与系统内循环的树脂及阴离子垃圾产生碰撞，逐渐变成粗大的树脂。变大后的树脂无法通过成形网的网目，与纤维一起抄入纸张中，形成纸病。图2为抄造过程树脂粗大化过程的示意图。

另外，存在于水中的部分微型树脂与水一起被带入压榨部、烘干部。在烘干部，温度高达100℃以上，水分蒸发，残留在纸面上的微型树脂的黏性增加。这些黏性增加的微型树脂在与造纸器材接触时，就会转移到造纸器材上。这些转移到造纸器材上的树脂因其黏性进一步“抓取”树脂和纸粉使其变得更大更粗。造纸器材上粗大化后的树脂因树脂本身具有的黏性和机器的振动等原因向纸张表面转移，形成纸病。

3 树脂控制剂

说到树脂控制剂，有很多种类，涉及原料及作用机理等各方面。典型的树脂控制剂能使树脂分解/分散，或在水中失去黏性，或定着于纤维上等。

但是，如上所述,当考虑树脂障碍的发生位置及机理时，我们认为，需要考虑的树脂控制剂应具有以下4点功能：（1）防止树脂流入抄造系统；（2）防止流入抄造系统的树脂变粗变大；（3）在因高温而增加树脂黏性的烘干工序的树脂去粘化；（4）减少树脂异物中所含的纸粉。

图2 抄纸过程树脂粗大化过程的示意图

下面就树脂控制剂应具有这些功能分别介绍相应开发的最新技术。

4 防止树脂流入抄造系统的“Spanplus®FT-180”系列

在新闻纸、白板纸等印刷用纸中常出现尺寸1～2 mm以下的微细树脂纸病，对这些树脂的去除具有较高的需求。如果纸面出现树脂，印刷时就会产生文字缺损、穿孔，因此，用定着剂等化学品使树脂与纸一起排出系统的方法有时会比较难以解决。另一方面，不仅是新闻纸，杂志纸和混合废纸等树脂含量较高的废纸原料也已被用作原料，树脂处理的难度一年大过一年。

在脱墨工序的浮选器中考虑了随油墨一起除去树脂的各种方法，但是，很难做到既不影响原料质量，又能有选择性地提高树脂去除率。

例如，阳离子聚合物存在着不仅凝聚树脂和油墨，也使其中部分定着在了纤维上，对白度产生不利影响，而脂肪酸存在着产生大的凝聚物并形成油墨点等问题。

2014年开发的Spanplus®FT-180是一种只有选择性地凝聚树脂的非离子性聚合物。在浮选器中能够除去的通常是尺寸为4 μm至数百微米的异物。当这些异物尺寸小于4 μm的情况下，用泡沫捕集变得很困难，大于数百微米的异物也无法用泡沫除去。对纸厂新闻纸废纸脱墨浆工序的悬浮器原水中的树脂进行染色观察，发现了很多尺寸4 μm以下的树脂，见图3（图中白色部分即为树脂）。同时，对图3浮选前（a）和浮选后（b）进行比较，发现大部分的树脂仍在浮选器中没有被除去。

图3 进入浮选器前后的树脂状况比较图

Spanplus®FT-180通过对4 μm以下的微小树脂进行有选择地凝聚，促进了浮选器中产生的泡沫对树脂的去除。

Spanplus®FT-180的应用结果如图4所示[Spanplus®FT-180的添加点在浮选器进水中，添加量为20 mg/L（对纸浆质量）]。

由图4可见，添加Spanplus®FT-180后，观察到浮选器进水中的树脂凝聚形成尺寸为数十微米大小的树脂，处理后出水中树脂减少。并且同时还观察到，浮渣中凝聚的树脂增加。使用Spanplus®FT-180后，对观察到的树脂进行图像解析，换算成面积，浮选器处理水中的树脂面积下降到了50%以下。

另外，还比较了浮选器前后的纤维保留率：未处理时，只有90%左右，添加Spanplus®FT-180后提高到了91%～93%。这是因为泡沫捕集到的树脂数量的增加使得之前在泡沫上吸附的纤维量减少，也就是说，对降低脱墨工序中的原料流失也有帮助。

图4 应用Spanplus®FT-180时浮选器处理前后水中树脂的状况

由此可知，Spanplus®FT-180能够有选择性地凝聚树脂，提高泡沫对树脂的捕集性，能够发挥提高树脂去除率及降低原料流失2种作用。

5 防止流入抄造系统的树脂变粗变大，并能

去除因高温而使树脂黏性增大的烘干工序中的树脂黏性的“Spanplus®500”系列

Spanplus®500系列与传统除黏剂的最大不同点在于，在烘干过程中也能够发挥除黏效果。同样是除黏，水中的除黏和烘干过程中的除黏差异很大。水中树脂的除黏，比较有效的是具有防止树脂变粗变大，即树脂的分解和分散，或者在保持微细状态下定着在纤维上的作用机理的化学品。

而能够对烘干过程中的树脂除黏的化学品不多。滑石粉等无机矿物质是代表性材料，但是对纸张的添加量需要达到0.1%以上，有时候需要达到0.5%以上，因此会对产品的性能产生较大的影响。而且无机矿物质存在磨耗造纸器材的缺点，因此，需要一种添加量少、除黏效果好的化学品。Spanplus®500系列显示，对水中除黏，即防止树脂变粗变大，并对烘干工序中的树脂除黏二者都有效果，是一种新的树脂控制剂。

Spanplus®500系列是一种环状高分子化合物，化合物以溶解状态存在于产品中。当添加的系统中存在树脂时，Spanplus®500系列就会析出，与树脂反应，形成混合物，同时定着在纤维上。通过这一作用机理，Spanplus®500系列能够防止水中的树脂变粗变大。

而且，析出的Spanplus®500系列受热会变硬（热硬化作用）。由于这一作用，与树脂反应后的Spanplus®500系列在干燥过程中，形成黏性较低的硬粒，显示出树脂的除黏效果，见图5。

图5 Spanplus®500系列产品的作用机理

这种Spanplus®500系列已在生产纸板的纸机上应用，添加点为回用的污泥中，添加量为每吨绝干质量污泥500 g。应用Spanplus®500系列后，从烘缸刮刀上的附着物外观推测为树脂的黑色异物减少，因树脂减少，附着物的手感变得较软较脆；并且，附着物质量减了70%，因树脂造成的断纸次数减少了50%。

由上述结果可知，Spanplus®500系列对过去比较难处理的高温烘干过程中的树脂显示了优良的除黏效果，能够防止树脂障碍，见图6和图7。

6 减少树脂异物中所含纸粉的“Fixage®PD- 760”系列

图6 烘干刮刀上的附着物照片

图7 应用Spanplus®500系列产品前后烘缸刮刀附着物质量及断纸次数的变化

在分析烘干过程中附着在器具上的异物时，不仅检测到了树脂，还检测到了纤维和灰分，其比例因原料和纸机不同而不同，但多数树脂附着物中的纤维和灰分比例高达80%以上。这是树脂卷入了细小纤维和灰分，也就是纸粉是造成树脂在系统或器材表面上变粗变大的原因之一。就是说，为了防止树脂障碍，纸粉的处理也是必不可少的。

处理纸粉的代表性产品通过阳离子性凝聚剂定着于长纤维上，所用凝聚剂的离子性、相对分子质量分布很广，而一般来说，由于强阳离子性凝聚剂与阴离子基强烈反应，电荷调整效果较好。但是，有时因其过高的反应性产生凝聚物，阳离子性凝聚剂牢固地定着在长纤维上，而无法使纸粉定着在纤维上。据说阳离子性稍低一点的中等强度阳离子性凝聚剂对纸粉在纤维上的定着效果较好，弱阳离子性凝聚剂对促进纤维间氢键结合的效果较好，但是，要兼顾纸粉定着和纤维间结合光靠改变阳离子度来控制是很困难的（图8）。特别是，纸粉定着率的增加意味着纸张中纸粉比例的增加，会造成纸张强度下降的问题。

为此，在2014年开发了新的、具有阳离子基和阴离子基的两性聚合物“Fixage®PD-760”产品系列。

图8 不同阳离子度凝聚剂的作用

通常两性聚合物在抄造系统中作为干强剂使用，但是干强剂的特别作用是加强纤维间的结合， 对纸粉的凝聚作用不如凝聚剂大。

两性干强剂和Fixage®PD-760s对各指标的影响，如图9所示。

图9 两性干强剂与Fixage®PD-760对各指标的影响

纸粉的定着效果以灰分保留率表示。与两性干强剂相比，Fixage®PD-760大大提高了灰分保留率。通常纸粉定着的增加会降低纸张强度，但是，耐破强度指数及环压强度指数比较的结果是，Fixage®PD-760显示了与两性干强剂同等的结果，同时也未看到对纸张强度不利的影响。由此可以确认Fixage®PD-760对纸粉定着和纤维间结合二者都有效果。

根据这2种效果，依据TAPPI-T7进行了纸粉量测定。结果显示，Fixage®PD-760添加量仅用两性干强剂的一半就取得了较好的减少纸粉效果。

将兼备纸粉定着和纤维间结合2种效果的Fixage®PD-760应用于生产涂布纸的纸机上，添加点为涂布损纸中，添加量为每吨绝干质量损纸500 g。添加Fixage®PD-760后，纸面产生的粉量减少了30%以上，同时纸张强度和匀度未下降；而且灰分保留率平均提高了1%～5%，因纸粉造成的树脂纸病减少了20%～50%。

根据以上结果可以得出结论：Fixage®PD-760在不降低纸张强度的情况下，有助于减少纸粉，防止产生树脂障碍。

表1为 Fixage®PD-760系列上机应用结果。

7 总结

表1 Fixage®PD-760系列上机应用结果

本文介绍的脱墨工序的树脂控制（除去）剂Spanplus®FT-180系列、防止树脂变粗变大/高温时的除黏剂Spanplus®500系列和降低纸粉的助剂Fixage®PD-760系列是着眼于废纸处理中黏性异物，体现了日本业界提出的纸厂树脂障碍的控制方案：（1）防止树脂流入抄造系统；（2）防止流入抄造系统中的树脂变粗变大；（3）对烘干工序中因高温而黏度增加的树脂进行除黏；（4）减少树脂异物中所含的纸粉。