淺談羧甲基纖維素鈉在紙機(jī)濕部的應(yīng)用

前些年我曾在刊物上分別介紹過(guò)有關(guān)羧甲基纖維素鈉(CMC)在紙張顏料涂布和紙張機(jī)內(nèi)表面施膠方面的知識(shí)。幾年下來(lái)接觸過(guò)各種各樣的用戶,特別是有些用戶想通過(guò)在紙機(jī)濕部添加CMC來(lái)提高紙和紙板的質(zhì)量。但他們當(dāng)中有的由于找不到有關(guān)這方面的資料,往往在具體應(yīng)用上遇到一些困難,有的即使用了也未能達(dá)到預(yù)期的效果,因而對(duì)在紙機(jī)濕部添加CMC的作用產(chǎn)生了疑惑。這次我想理論結(jié)合實(shí)踐從實(shí)用的角度來(lái)談?wù)勔韵聨讉€(gè)問(wèn)題,供相關(guān)人士參考。

　　1　濕部添加CMC對(duì)紙機(jī)運(yùn)行和紙張質(zhì)量有那些好處

　　(1)CMC是一種良好的分散劑。經(jīng)溶解成膠體溶液的CMC加入到紙漿懸浮液中之后非常容易與紙漿纖維和填料粒子親和,而使本已具有負(fù)電荷的紙漿纖維和填料粒子的負(fù)電性增加了,根據(jù)帶有同種電荷粒子相互排斥的原理,紙漿懸浮液中的纖維和填料便可獲得更均勻的分散。反映到紙頁(yè)成形上,便是改善了紙頁(yè)的勻度。同時(shí)改善勻度也是提高紙張物理強(qiáng)度的途徑之一。

　　(2)CMC進(jìn)入濕部紙料中后,通過(guò)其羧甲基與纖維上的羥基發(fā)生化學(xué)水合作用,增強(qiáng)了纖維間的鍵合力,再經(jīng)過(guò)紙機(jī)后續(xù)各道抄造工序的物理加工,纖維間的結(jié)合力便會(huì)獲得大幅度提高。其效果將直接反映到紙頁(yè)的幾乎所有物理強(qiáng)度指標(biāo)的提高上。

　　(3)CMC具有漿內(nèi)施膠功能。它不僅自身能給紙頁(yè)帶來(lái)一定的施膠度,而且它是松香膠和AKD等施膠劑的保護(hù)膠體,可以促進(jìn)它們分散成極小的粒子均勻地分布到纖維上,延緩AKD的水解速度,降低其水解垃圾污染系統(tǒng)的可能性。

　　(4)由于CMC極易與細(xì)小纖維及填料粒子親和,如果能選擇適當(dāng)?shù)年?yáng)離子助劑與之配伍使用將能獲得顯著的功效協(xié)同效應(yīng),不僅能提高紙機(jī)的單程留著率,而且會(huì)相互促進(jìn)提高助劑自身的留著率,使助劑功效更加顯著。

　　2　哪些紙種適宜在濕部添加CMC

　　從理論上講,所有存在勻度缺陷,物理強(qiáng)度(如表面強(qiáng)度、裂斷長(zhǎng)、撕裂度、耐折度、耐破度等)缺陷的紙都可以通過(guò)在紙機(jī)濕部添加CMC加以改善,紙機(jī)單程留著率低下或欲提高在用的某些昂貴的陽(yáng)離子助劑(如陽(yáng)離子型濕強(qiáng)樹(shù)脂)的留著率時(shí),均可使用CMC。但從我熟悉的用戶群所涉及的產(chǎn)品來(lái)講,主要還是一些特種紙和紙板。

　　如裝飾紙、地圖紙、證券紙、水松紙、卷煙紙、衛(wèi)生紙、餐巾紙、制鞋用紙板、過(guò)濾紙板和餐飲具的模壓成型等,也有在新聞紙和膠板紙中用得相當(dāng)成功的例子。CMC的價(jià)格在造紙化學(xué)品中相對(duì)較高,而特種紙和紙板的附加值高,使用少量的CMC來(lái)提升其品質(zhì)是十分值得的。而對(duì)于那些大路貨產(chǎn)品是否值得采用,那就需要先權(quán)衡利弊再行決定。

　　3　如何選擇適合你使用的CMC規(guī)格型號(hào)為了獲得良好的應(yīng)用效果,濕部添加用的CMC應(yīng)予選擇的第一指標(biāo)當(dāng)然是取代度。一般造紙用CMC的取代度控制在0.40～0.90之間。取代度越高,其取代均勻性相對(duì)會(huì)好些,溶解性也會(huì)好些,但其負(fù)電荷攜帶得更多。高取代度的產(chǎn)品多用作分散劑,懸浮劑;用到紙張涂布上作涂料保水劑的CMC其取代度為0.70～0.80就足夠了;用作表面施膠劑的CMC,其取代度控制0.60～0.75就可以滿足需要。但對(duì)于濕部添加用的CMC來(lái)說(shuō),則應(yīng)使用低取代度產(chǎn)品。

　　因?yàn)槔w維和填料粒子通常都攜帶有一定量的負(fù)電荷,再由CMC帶入大量的負(fù)電荷對(duì)紙機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行不利。即使采用其他陽(yáng)離子型助劑與之配伍使用,但由于這些陽(yáng)離子型助劑通常所攜帶的陽(yáng)電荷較弱,所以不宜使用高或較高取代度的CMC作為濕部添加劑。

　　其次要考慮的因素是CMC的粘度(本文所涉及的CMC粘度均為ｗ=2%CMC溶液,在25±0.5℃時(shí),用同濟(jì)大學(xué)產(chǎn)ＮＤＪ-79型粘度計(jì)測(cè)定的)。CMC的粘度是隨其分子聚合度的增加而提高。聚合度與其粘接強(qiáng)度、成膜性、橋聯(lián)作用等特性之間存在著一定的正關(guān)聯(lián)。在大量的紙料懸浮液中加入極少量的CMC,很自然選擇粘度高些的產(chǎn)品。究竟選擇何種粘度為宜,則與你的用法、用量、所產(chǎn)紙種有一定關(guān)系。

　　用于濕部添加的CMC通常在400～800ｍPa·s粘度范圍內(nèi)選擇。在此粘度范圍的CMC幾乎適用于所有的紙種,但在一些要求高強(qiáng)度的特種紙板和模制餐飲具的生產(chǎn)中采用粘度800～1000ｍPa·s的CMC效果會(huì)更好些,這一點(diǎn)已得到上海、杭州、沈陽(yáng)等地幾個(gè)廠家的實(shí)例印證。當(dāng)然也不是越高越好,粘度太高就不易操作。

　　4　怎樣選擇配伍助劑

　　CMC是一種帶有相當(dāng)強(qiáng)負(fù)電性的造紙化學(xué)品,可以利用其這一特性來(lái)分散纖維和填料以改善紙張勻度并提高漿內(nèi)施膠效果。但事物總是有它的兩面性。如果在選擇其它配伍助劑時(shí)處理不當(dāng),就會(huì)帶來(lái)一些不想出現(xiàn)的負(fù)面作用,如紙機(jī)單程留著率會(huì)有所降低或出現(xiàn)某些紙病。為了讓CMC作為濕部添加劑的各項(xiàng)優(yōu)越性能充分發(fā)揮出來(lái),根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可以確認(rèn),在大多數(shù)情況下CMC與取代度在0.033以上的中、高取代度(用于造紙業(yè)的陽(yáng)離子淀粉的取代度通常在0.01～0.07范圍內(nèi))陽(yáng)離子淀粉配伍使用能獲得很好的協(xié)同效應(yīng)。較高取代度的陽(yáng)離子淀粉帶有較豐富的陽(yáng)電荷,有利于此時(shí)濕部的化學(xué)電位平衡,首先使CMC和陽(yáng)離子淀粉自身獲得了理想的網(wǎng)上留存從而也促進(jìn)了它們各自親和的纖維和填料粒子的留存。這里選用的陽(yáng)離子淀粉是助留型的,而增強(qiáng)的責(zé)任則主要是由CMC來(lái)承擔(dān)。

　　這時(shí)陽(yáng)離子淀粉的添加量應(yīng)比CMC多些,但一般不超過(guò)絕干漿的1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。對(duì)于那些要求有高濕強(qiáng)的紙種,通常需要在濕部添加陽(yáng)離子濕強(qiáng)樹(shù)脂,此時(shí)若能適量加入一些CMC,則陽(yáng)離子濕強(qiáng)劑的留著率將比單用時(shí)提高40%以上,強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的結(jié)果,可使其各自的優(yōu)勢(shì)都得到較好的發(fā)揮。CMC能與陽(yáng)離子濕強(qiáng)樹(shù)脂產(chǎn)生交聯(lián),讓它們配伍使用好處很多,特別適用的紙種前面已列舉過(guò)。同一臺(tái)紙機(jī)的濕部,除了特殊需要,一般使用的助劑不必過(guò)于復(fù)雜,否則會(huì)引出一些麻煩。

　　如某用戶在使用陽(yáng)離子濕強(qiáng)劑、CMC的同時(shí)還使用著陰離子聚丙烯酰胺(ＡＰＡＭ)和陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM),結(jié)果紙頁(yè)上出現(xiàn)斑點(diǎn)并有糊網(wǎng)現(xiàn)象,經(jīng)查才知道是未溶解好的ＡＰＡＭ闖的禍。助劑種類用得過(guò)多,除了會(huì)因精力上照顧不周引起麻煩外,還易造成添加點(diǎn)的錯(cuò)位,影響使用效果,也不經(jīng)濟(jì)。

　　5　CMC的用量和添加位置濕部添加CMC的量取決于你對(duì)產(chǎn)品的某些弱勢(shì)指標(biāo)改善的期望值。通常用量范圍是每噸絕干漿4～8Kg,用量最低的是卷煙紙,為每噸絕干漿2Kg,用量最高的是裝飾紙和過(guò)濾紙板、鞋用紙板,每噸絕干漿8Kg,而且各家也不近相同。一般可從每噸絕干漿5Kg左右試起,篩選出最適合自己的用量。

　　CMC的添加位置基本都是加在成漿池或未叩漿池中。CMC還是一種優(yōu)良的打漿劑。你可以選用粘度適中(400～600ｍPa·s,比較易溶解)的CMC按預(yù)定添加量直接以粉末或顆粒狀態(tài)分散撒入未叩漿池中,借螺旋推進(jìn)器的攪拌動(dòng)力促進(jìn)溶解,也可以將已預(yù)溶好的CMC膠液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%左右)淋加入未叩漿池,經(jīng)20～30ｍｉｎ后即可進(jìn)行打漿。

　　加在成漿池時(shí),通常是在配漿時(shí)與松香膠、增白劑、染色劑等一些陰離子助劑分別計(jì)量,但可同槽加入。對(duì)于酸性造紙工藝來(lái)說(shuō),為了不致于過(guò)早蒂形成酸性環(huán)境,礬土應(yīng)放到?jīng)_漿泵入口處或更后一點(diǎn)的位置加入。而且陽(yáng)離子淀粉或陽(yáng)離子濕強(qiáng)劑應(yīng)先于礬土加入,一般選擇在高位箱。如果還有用CPAM的則CPAM最適合的加入位置應(yīng)該在旋翼篩出口后面離脈沖衰減器5ｍ左右的地方,或小紙機(jī)的穩(wěn)位箱。酸性造紙的ｐＨ值不宜控制過(guò)低,ｐＨ<4.8時(shí)對(duì)CMC使用有不利影響。

　　6　CMC的溶解操作

　　CMC在添加時(shí)有直接加入原粉或顆粒的,但無(wú)論作何種用途,大都是將CMC預(yù)溶成一定濃度的膠體溶液備用(惟特高固含涂布直接用固體而不預(yù)溶)。用作濕部添加時(shí),一是由于其粘度相當(dāng)高,溶解相對(duì)難些,濃度高時(shí)時(shí)間也長(zhǎng);二是低濃度的CMC膠液易與紙漿懸浮液均勻混合,所以在備有大溶解槽時(shí),可直接溶解成ｗ=1%以下的溶液放到貯槽備用。如果溶解槽較小,則溶解的膠液濃度相對(duì)可以高些,比如ｗ=2%～2.5%然后再稀釋到ｗ=0.5%～1.0%備用。稀釋時(shí)需要攪拌,稀釋加料完后再攪拌十幾分鐘就可以靜置備用了。CMC的機(jī)械穩(wěn)定性好,所以溶解時(shí)歡迎較高的攪拌速度以利更好地分散溶解。一般轉(zhuǎn)速可控制在360～720ｒ/ｍｉｎ,溶解完后可停止攪拌。

　　過(guò)去國(guó)內(nèi)只能生產(chǎn)粉末狀CMC,較難溶解,現(xiàn)在為了在質(zhì)量上與國(guó)際名牌接軌,國(guó)內(nèi)已有安徽國(guó)昌物資再生利用有限公司,江陰恒達(dá)化工有限公司等多個(gè)CMC生產(chǎn)廠家正在積極與國(guó)內(nèi)造粒裝備公司合作攻關(guān),他們都力圖能在較短的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出與國(guó)際名牌外形和內(nèi)在品質(zhì)基本相同的速溶顆粒狀CMC。關(guān)于溶解設(shè)備的“大”與“小”是應(yīng)與造紙機(jī)規(guī)模相比較而言的。CMC既能溶于熱水,也能溶于冷水,以50～70℃熱水溶解最為合適。加料時(shí)應(yīng)注意分散緩慢地加入,不宜傾倒加料,以免結(jié)團(tuán)成塊,延緩溶解速度。條件差的小廠甚至可以用非金屬容器浸泡數(shù)小時(shí)至十幾小時(shí),偶爾人力攪拌幾下,就可溶成膠液,然后在使用前用水在攪拌下調(diào)節(jié)至所需濃度即可。

　　7　一個(gè)值得探討的有趣話題

　　能生產(chǎn)出取代度D·S>1.5的CMC不足為奇,但要生產(chǎn)出D·S<0.5而其溶液中不含游離纖維的CMC可不那么容易。如果設(shè)備條件較差,工藝條件控制稍不到位,即使生產(chǎn)出來(lái)的CMCD·S超過(guò)了0.6,其溶液中細(xì)小游離纖維仍然會(huì)存在,而且能明顯影響到溶液的折光率和透明度。用作紙機(jī)濕部添加劑的CMC應(yīng)較少地給系統(tǒng)帶入負(fù)電荷,也就是說(shuō)它應(yīng)是較低取代度的產(chǎn)品。

　　通常認(rèn)為一個(gè)高品質(zhì)的產(chǎn)品,其溶液外觀應(yīng)該是高透明度和極少甚至人眼觀察不到的水不溶物。但這是低取代度產(chǎn)品所難以達(dá)到的。這里就產(chǎn)生了一個(gè)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)上的矛盾。由資料悟到,其實(shí)保留在溶液中的少量的游離纖維都是些經(jīng)羧甲基化改性了的低取代度(D·S<0.2)棉纖維。

　　這種改性了的棉纖維具有比經(jīng)堿處理過(guò)的棉纖維更好的拉伸強(qiáng)度、耐熱性、防皺性、染色性。羧甲基基團(tuán)進(jìn)一步反應(yīng)還可以得到阻燃性和防菌性。由于經(jīng)羧甲基改性的棉纖維有許多優(yōu)越性,誘使人類不斷地在探索將其引入紡織工業(yè)中以省略脫漿和絲光工藝以便獲得一種比較完美的布料。這也說(shuō)明CMC中存在的極少量的游離纖維是一種性能優(yōu)良的纖維,帶入紙料中有利無(wú)弊。

　　況且,與可溶性CMC的量比起來(lái),其所占比例微乎其微。因此,在權(quán)衡CMC的質(zhì)量指標(biāo)時(shí),就可以重點(diǎn)突出,對(duì)于濕部用CMC而言,較低取代度是支持應(yīng)用成功的一個(gè)重要因素。低取代度的CMC生產(chǎn)成本較低,產(chǎn)品的價(jià)格也相應(yīng)低些,這可以降低助劑使用成本。所以,我主張不妨換一種思維方式來(lái)看待濕部用CMC溶液中存在的少量游離細(xì)小纖與其質(zhì)量的關(guān)系。