AKD施胶逆转问题及解决措施

2012-01-27刘永顺顾秀梅庄耀礼田世友

造纸化学品 2012年4期

关键词：施胶纸页碱度

刘永顺，顾秀梅，庄耀礼，田世友

（山东华泰集团有限公司，山东广饶 257335）

AKD施胶逆转问题及解决措施

刘永顺，顾秀梅，庄耀礼，田世友

（山东华泰集团有限公司，山东广饶 257335）

施胶是造纸过程的一个重要工序。通过施胶可赋予纸和纸板一定的抗液性能，防止或延缓某些液体对纸页纤维的渗透和扩散，从而满足人们对纸的加工和使用要求[1]。

华泰纸业从1999年起开始研究烷基烯酮二聚体（AKD）中性施胶技术的应用，2000年成功地在胶版纸生产车间推广中性施胶，稳定了产品质量，提高了生产效率，彻底告别了酸性施胶工艺。AKD中性施胶的成功应用，在很大程度上满足了某些特种纸和高档纸的要求[2]。它具有增加纸张的不透明度和柔韧性、提高纸张的施胶效果、提高纸的表面平滑度、降低施胶障碍、减少环境污染、节约水和能源、可用价格低廉的CaCO3作填料等优点[3-4]，因而得到了迅速发展。

目前，AKD中性施胶作为一项成熟的工艺技术广泛应用在各种纸张施胶生产中，但AKD在使用过程中时不时会出现施胶逆转问题。施胶逆转也称做假施胶，即纸张在一定时间后失去抗水性，尽管在生产的一定时期内有足够的施胶度，但在二三周或数月后会失去抗水性，且往往发生在以后的印刷和涂布过程中[5]，由此造成的损失不可估量。为此，我们对AKD施胶逆转问题进行了研究总结并提出了解决措施。

1 AKD施胶机理

AKD是一种反应型施胶剂，与其他施胶剂一样有疏水和亲水2种基团，在施胶过程中都有留着、均匀分布、转向定位与纤维素成键结合的过程。不同的是，加到纸料中的AKD乳液粒子由于自身带正电荷，并借助阳离子淀粉（CS）和聚丙烯酰胺（PAM）等助留剂的作用留着在带负电荷的湿纸页纤维之间；在纸机的压榨和干燥过程中，AKD粒子由于熔点低，易在纤维表面扩展分布，形成均匀的覆盖膜；在随后的纸页干燥和下机贮存过程中，AKD分子上的活性基（内酯环）在适宜的条件下和纤维素上的羟基发生酯化反应，以牢固的共价键形式结合在纤维素大分子上，疏水的长链烷基转向纸面，从而使纸页获得一定的抗液体渗透和扩散的性能。

2 影响AKD施胶效果的因素

2.1 浆料的种类

以胶版纸为例，其生产原料为漂白针叶木浆、阔叶木浆、苇浆、草浆及碱性过氧化氢机械浆（APMP）等，我们对这几种浆料做了简单的AKD施胶对比小试，发现使用全化学木浆抄造的纸施胶效果最好，掺用芦苇抄造的纸次之，再次是掺用麦草浆抄造的纸，施胶效果最差的是掺用APMP的浆料。从抄纸生产过程中阳电荷需求量也可看出，APMP对阳电荷的需求量最大，化学木浆最小。对于掺用部分草浆或APMP的纸张施胶，因浆中含有较多的阴离子垃圾，AKD自身所带正电性相对较弱，在施胶的同时，需要加入阳离子淀粉和阳离子聚丙烯酰胺（CPAM），以增强其阳电性来加强其在纤维上的吸附性。抄造过程中如果不预先进行系统电荷平衡，势必要加大AKD及CS、CPAM 的用量，因此应适当加入价格相对便宜的聚合氯化铝（PAC）作阴离子捕捉剂，以平衡浆料中的阴离子垃圾。

2.2 浆料温度

试验研究表明，用AKD对23℃以下的浆料进行施胶，从开始取样到4 h后取样的测定结果显示，浆料施胶度无任何施胶损失；而对于50℃以上的浆料，施胶度损失在2 h后便开始。这是由于AKD发生水解后产生的酮对浆料没有施胶作用。AKD施胶剂是一种低熔点（接近46℃）的蜡，实际生产中由于纸机水系统的封闭循环而引起的纸机系统温度一般在37～47℃，此温度为大多数AKD的熔点范围,极易引起AKD的沉积现象，造成系统障碍，因此应尽量补充清水加以调节，保持系统温度以不超过40℃为宜。

2.3 浆料pH和总碱度

抄纸机网前箱浆料的pH和总碱度对AKD施胶效果的影响是相互联系的。当浆料pH≤6时，会使AKD完全丧失施胶效果。总碱度是AKD与纤维素之间发生有效反应的主要影响因素，提高总碱度可提高下机和自然老化后纸页的施胶度，因此适当提高浆料pH,提高系统总碱度有利于提高AKD的施胶效率。实践证明，最适宜的纸机网前箱浆料的pH为7.5～8.5，总碱度为150～250 mg/kg。在此范围内，AKD单程留着率高，施胶效果也好；超过这个范围，AKD水解速度会加快，施胶效果下降。过高的 pH（pH＞9）和过高的碱度（碱度＞400 mg/kg），容易使产品中未反应的AKD进一步水解，生成烯酮，或引起化学酯键缓慢断裂，降低施胶效果，产生施胶逆转。

2.4 湿部浆料Zeta电位

用Zeta电位仪测得的浆料Zeta电位值表示浆料纤维和填料等的表面电荷和电荷密度。纸浆和填料等带负电荷，加入的阳离子AKD胶乳在纸浆中的留着先随着Zeta电位的提高而增加，达到最大值后又随Zeta电位的继续提高而下降，而成纸的施胶度基本上与浆料中AKD的留着率是同步升降的。浆料Zeta电位一般控制在-3～+5 mV，在此范围内，有利于浆料各组分的吸附和絮聚，有利于改善浆料的滤水留着性能，使AKD留着达到较高水平。

2.5 填料加填

在AKD施胶中，所用填料可选用轻质碳酸钙或重质碳酸钙，也可使用或配用滑石粉。滑石粉比碳酸钙便宜，可降低填料费用。但作为内添加填料，选用重质碳酸钙更为合适些。这是因为轻质碳酸钙对纸页物理强度有较大的影响，而重质碳酸钙影响较小些。加填轻质碳酸钙的纸施胶逆转现象要比加填重质碳酸钙的纸严重得多。其原因是轻质碳酸钙比表面积比重质碳酸钙比表面积大得多，其孔隙率也较大，在AKD施胶干燥过程中AKD大部分向轻质碳酸钙内部迁移渗透，而与纤维反应的AKD非常少。对于内填加的重质碳酸钙，其粒度等指标要严格控制，一般认为平均粒径在2～3 μm较合适，最大粒径要≤15 μm；如果粒径大于18 μm，对纸机网上的磨损将急剧增加；如果粒径小于0.5 μm，小粒子应少于15%，小粒子过多，将降低留着率，使流失增加，进而会增加填料的用量和纸页的两面差，同时加大AKD的流失，造成施胶效果下降。造纸加填选用碳酸钙主要指标为：碳酸钙含量＞96%；白度＞90%；平均粒径≤4.5 μm；水分≤0.5%，细度≥90%（通过500目筛）。

2.6 助留体系应用

因为细小纤维和填料有较大的比表面积、较强的负电荷密度，对AKD有很高的吸收性。保留越多的细小纤维和填料，就意味着AKD的保留效果越好。根据浆料性质的不同，合理使用助剂是提高AKD施胶效率的有效途径。抄纸系统中真正留着在长纤维上的AKD仅占有10%左右，其余90%的AKD附着在细小纤维、填料和流失在白水中。因此，提高细小纤维和填料的留着率显得格外重要。系统中细小纤维和填料每提高1%，AKD留着率便提高1%，当系统留着率达到80%时，AKD留着率便达到80%。当前，中低速纸机提高AKD留着率的主要保留助剂仍为阳离子淀粉和CPAM双元助留体系；近年来发展的三元助留或微粒助留系统更有利于提高留着率和提高施胶效果。

2.7 AKD的性质、用量、贮存及应用

常用的 AKD固含量为 12.5%～15%，pH为3～4，胶液自身稳定性差，很容易水解生成蜡状物，当温度在0～25℃时，保存期最高不能超过3个月。实践表明，贮存温度超过30℃或低于0℃时，AKD的用量是正常用量的2倍以上；若加水稀释，必须在48 h内用完，否则AKD会水解，失去施胶作用。用AKD施胶，最大的问题是施胶和水解作用同步进行，并处于“竞争”状态。凡是有利于施胶效果的添加剂，都同时会加速AKD的水解。AKD对每一种浆的浆内施胶来说，都有一个临界最小用量（大多数为浆料质量分数的0.1%），低于此量，不能获得好的施胶度或施胶不稳定；超过该量，施胶度急剧上升，直达到最大值后，施胶度不再增加，或增加极微。过多的用量，施胶剂会随白水流失，并在其中很快水解，其中间产物β酮酸会与白水中的钙、镁离子反应，生成黏稠状的沉淀物，极易堵塞网孔，脏污毛布，其水解产物烷基β酮会进一步降低乳液的稳定性和有效性，在反复回用白水时，又会加速浆液中施胶剂的水解，如此造成恶性循环，不但会降低施胶效果，还会引起生产障碍，因此严格控制施胶剂的用量是很重要的。AKD用量一般控制在浆料绝干质量的0.12%～0.25%比较合适。再者，AKD施胶效果的好坏，其胶料在浆内的留着率是个重要因素，AKD加入时间只要能充分与浆料混合均匀，接触时间越短越好；加入地点越靠近网前箱越好，并且AKD加入前尽量少稀释、不搅拌为佳，最好是用计量泵打原液加入。

2.8 表面施胶

大量实践证明，在表面胶中添加AKD施胶剂是一项非常有效的施胶方法。在成纸施胶效果相同的情况下，表面施胶成本仅为浆内施胶成本的1/2不到。从成本的角度讲，无疑表面施胶是最好的选择。而且，采用表面施胶可以减少系统中水解酮的积累，提高系统的清洁度。实践同时证明，利用AKD表面施胶完全代替浆内施胶不利于烘缸干燥效率，会造成汽耗大幅度上升，因此AKD表面施胶只能作为辅助形式加以应用，或夏季温度太高，水解严重，消耗太大时应用。

2.9 干燥温度

在AKD施胶的pH和碱度条件下，AKD内酯环与纤维素羟基的酯化反应是随温度的升高而加速的，在较高的温度下干燥纸页，将获得较高的施胶效率和最高的施胶度，所以用AKD施胶要尽快提高干燥温度，最高温度在120～130℃。如表面施胶机前纸页温度不低于95℃ ，纸页干度在95%以上，均可获得最佳的施胶效果。

2.10 下机处理

AKD与纤维素的反应速度很慢，在纸机干燥的温度下，仅有4%～15%的纤维表面上的羟基与AKD起作用，剩下未起作用的AKD，在干燥完后，仍会继续与纤维素反应，即所谓的熟化。一般下机后，尚需要数日到半个月的时间，才能熟化完全。在此期间如果产品的水分过高、或贮存温度过高、或碳酸钙中含有游离 Ca（OH）2，残余的 AKD会产生水解作用，造成施胶逆转。

3 施胶逆转问题的主要成因及解决措施

3.1 浆料成分

浆料的脏、乱、杂已成为生产普通胶版纸时的普遍现象。为降低生产成本，大量的草类纤维、化机浆和废纸浆被应用，浆料中含有大量的阴离子杂质干扰物，严重影响抄纸系统的稳定性和清洁度。对中性施胶来讲，其阴离子干扰物将消耗过多的AKD和其他阳离子性助剂，造成施胶成本大幅度上涨，系统留着失衡。对于草类浆和化机浆，其浆内酸碱盐类物质较多，应加强对浆料的洗涤；对于废纸浆，其胶粘物含量及阴离子垃圾较多，应适当加入阴离子垃圾捕捉剂，以消除对抄纸系统留着及施胶的不利影响。

3.2 高加填技术的应用

加填是提高生产利润的最有效措施。适当地加填有利于产品质量的提高，成纸白度、平滑度、不透明度、油墨吸收性和印刷适性等都得到明显的提高；但当加填量达到30%～40%或甚至更高时，各种不利影响就会逐一表现出来：强度降低，掉毛掉粉，施胶效果下降等，此时将产生施胶逆转现象。原因是CaCO3用量增多，AKD在纤维上的有效吸附量大大降低，AKD有效成分的不足，无法满足AKD施胶滞后反应的需要，过高的CaCO3含量受水分、空气影响，游离出 Ca（OH）2，残余 AKD发生水解作用而失去施胶效果。因此，合理控制纸料中加填量，使其不超过30%为宜。

3.3 烘缸干燥及下机水分

AKD施胶要求烘干温度急速上升，快速降低纸页表面水分，加速AKD与纤维素羟基之间的键合作用；温度过低，会增加静电吸附和游离态AKD的存在，而这些游离态的AKD在贮存过程中一部分会与纤维素羟基发生反应，另一部分会缓慢发生水解；成纸水分越高，水解过程越快，最终会导致施胶逆转现象的产生。制定合理的烘干温度曲线是解决施胶逆转有效措施，必须保证附着在纸料上的AKD快速有效地反应完全，同时利用好纸机最后的冷缸，避免下机成品纸因贮存温度过高、水分大，发生水解现象。成纸水分以控制在4.5%～5.5%为好。

3.4 AKD施胶自身性质的两面性

AKD施胶剂是易水解产物，其施胶过程和水解过程是同时进行的，所有有利于施胶的添加剂同时也会加速AKD的水解，因此只有当纸页中含有足够的施胶成分与纤维素羟基发生共价键合后才不会发生施胶逆转现象，或逆转现象不明显。

目前，AKD施胶技术已经很成熟，快速熟化型AKD乳液的应用使下机熟化率从一般AKD的41%提高到83%，比一般AKD乳液的熟化率提高了1倍，大大缩短了熟化时间。针对废纸浆脏、乱、差，草浆含量高及旧瓦楞纸箱（OCC）、废报纸（ONP）等废纸浆系统，箱纸板、瓦楞原纸等，开发的抗干扰型（高保留型）AKD乳液比普通型的AKD乳液用量可降低30%，熟化时间可缩短40%；表面施胶型AKD乳液下机熟化快、稳定性好、施胶效率高，可解决重施胶不足问题，而且使用简单、方便，仅需约3 h的熟化时间。造纸企业可以根据自身的生产情况选择合适的施胶剂来达到施胶目的并解决施胶逆转问题。