湿部优化：提高湿强度性能效率（WSPE）

芬兰凯米拉（KEMIRA）化学品公司

湿部优化：提高湿强度性能效率（WSPE）

芬兰凯米拉（KEMIRA）化学品公司

介绍了利用阴离子功能促进剂和阳离子乙二醛聚丙烯酰胺干强剂，提高纸张湿强效率的应用案例。说明选择正确工艺化学品可为提高纸品质量和整体运行效率带来显著益处。

在制造具一定湿强度的纸巾纸（本文指餐巾纸、擦手纸、厨房纸巾等）和面巾纸产品时，通常在纸浆悬浮液中加入湿强剂，以提高纸张的湿强度[1]。“湿强度”指成品纸或纸板用水重新润湿后的强度。聚丙烯酰胺-表氯醇树脂（PAE树脂）是造纸工艺中最常见的湿强剂之一。该树脂含有阳离子氮杂环丁二烯官能团。在造纸工艺中，氮杂环丁二烯基团可以与纤维（主要是羧基）上的阴离子位点发生反应。此外，聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇还可通过自交联提高纸张的湿强度。

1 湿强度效率

湿强度性能效率（WSPE），简称湿强效率，其定义为湿抗张指数对湿强剂添加量的比例。例如，如果10kg/t的聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇需达到10N.m/g的湿抗张指数，则其湿强度性能效率为1.0（kN.m/g）。因此造纸工艺的关键是要实现最高的湿强效率，使制造商可以减少化学品使用量或提高干/湿抗张强度比。湿强效率在很大程度上取决于纸浆原料的类型。

1.1 漂白原生浆的湿强效率

大部分漂白原生浆具有低导电性和低阳离子需求量。但商用聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇树脂具有较高阳离子电荷密度，通常在2meq/ g与3meq/g之间。高剂量的聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇将浆料转化为阳离子系统，导致更多的聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇树脂无法留着，从而造成湿强效率过低。

1.2 再生浆的湿强效率

再生纸浆，特别是利用混合办公废纸生产的再生纸浆，含有相对较高比例的细小纤维、填料和其他阴离子材料。得益于其较大表面积，此类细小纤维和填料可吸附绝大部分的湿强剂。未留着的细小纤维和填料会大幅降低湿强效率[2]。相反，提升填料和细小纤维留着率可提高湿强剂在纸张上的留着率，从而增加湿强效率。如图1所示，相比利用旧瓦楞纸板（OCC）生产的棕色纸巾纸，利用混合办公废纸（MOW）再生纤维生产的白色纸巾纸湿强效率更低。各种漂白工艺会降低纤维表面电荷密度[3]，进而减少湿强树脂在纤维上的吸附，从而导致湿强度降低。不仅如此，相比旧瓦楞纸板，混合办公废纸通常灰分含量较高，未留着的灰分消耗了部分聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇树脂，引起湿强效率降低。

图1 棕色纸巾纸与白色纸巾纸湿强效率对比

湿强度性能效率低将导致以下问题：

● 纸机运行性能问题

● 滤水性差

● 成形网和毛毯阻塞

● 纸张断纸或破洞

● 消泡剂用量加大

● 沉积在扬克缸表面导致涂层硬化，从而导致起皱性能欠佳

● 湿部化学品成本较高

2 使用功能助剂提高湿强效率

本文着重讨论通过低成本高效率地利用新型阴离子功能促进剂和阳离子乙二醛聚丙烯酰胺干强剂，提高湿强效率。本文的案例研究将说明选择正确的工艺化学品能够为提高纸品质量和整体运行效率带来显著益处。

2.1 羧甲基纤维素

羧甲基纤维素（CMC）通常与聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇共用，以增加湿抗张强度和干抗张强度。然而，由于羧甲基纤维素通常以干粉状态存在，因此在应用前需使用价格高昂的开解设备将其溶解在水中。传统的助留剂/助滤剂可使细小纤维、填料和聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇树脂充分留着在纸张上。然而，这些产品通常都是高分子量的线性高分子絮凝剂，可能会导致纸张成形效果不佳，抗张强度下降、纸张白度降低。此外，为达到最佳留着性能，可能还需使用价格高昂的乳化设备和储存罐。

2.2 阴离子型聚丙烯酰胺

合成阴离子型聚丙烯酰胺溶液是羧甲基纤维素和助留剂/助滤剂的高效替代品。凯米拉的阴离子功能助剂系列提供了一个简单的“随取随用型”应用解决方案。这些阴离子功能助剂以液态形式运输，可使用管式静态混合器轻松地与稀释水混合。

图2 阴离子型聚丙烯酰胺的作用机理

如图2所示，在造纸过程中，阴离子功能助剂可与阳离子聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇发生交联，提升填料、细小纤维和聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇在纸张上的留着率，从而提高湿强效率。采用凯米拉阴离子功能助剂，纸巾纸/面巾纸制造商能够在提高纸张上聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇固定率的同时，维持良好的纸张成形效果。

2.3 阳离子乙二醛聚丙烯酰胺

乙二醛聚丙烯酰胺（GPAM）已被广泛应用于各类纸制品的生产过程，用以增加纸张的干强度[4]。乙二醛聚丙烯酰胺通常在纸张成形之前加入纸浆悬浮液中。在对处理过的纸张进行干燥时，乙二醛聚丙烯酰胺可与纤维素形成共价键，从而能够增加纸张的干强度。此外，由于乙二醛聚丙烯酰胺与纤维之间的共价键在水中具有可逆特性，因此，乙二醛聚丙烯酰胺还可增加纸制品的暂时性湿强度。

相比传统乙二醛聚丙烯酰胺产品，凯米拉最新推出的新一代乙二醛聚丙烯酰胺产品能够提供卓越的强度性能。本报告表明，在生产具有湿强度性能纸张的过程中，结合使用独特的干强度技术与聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇树脂，有助于发挥协同效应。聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇树脂常用于同时增加纸张的湿强度和干强度。然而，对于仅通过使用聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇树脂即希望实现足够干强度的要求而言，许多再生纸浆原料具有一定挑战性。通常情况下，在使用高剂量聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇树脂时，湿抗张测试结果能够较好符合产品性能指标，但干抗张试验结果却仍低于目标值。进一步增加聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇用量会导致机器的运行性能出现问题。在这种情况下，该技术可与聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇共用以增强纸制品的干强度。该技术还提高纸制品的脱水效率和湿抗张强度，并以此减少聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇的用量。

3 应用实例

3.1 案例1：使用阴离子功能助剂增加湿强效率、提高设备运行性能

欧洲某造纸厂生产100%再生纸，纸张等级距家用纸巾纸等级相差较远。该工厂湿强度树脂用量居高不下（14～16kg/t，绝干添加量）。该厂的一项电荷滴定研究显示，其流浆箱与白水呈阳性。该结果表明，湿强度树脂在纸张上的留着率低，且湿强效率相对较低。此外，这也可能是首程留着率低、滤水缓慢、消泡剂用量高和起皱性能欠佳的潜在原因。

针对这一现象，该厂在湿强度树脂添加点之后的扇泵入口处使用阴离子功能助剂。

使用阴离子功能助剂后，该厂有效提高湿强效率（WSPE）66%，提升总产量17%，并降低消泡剂整体用量40%。

图3 功能助剂技术提高设备运行能力和生产能力

表1 案例1 中工厂的实际生产情况

3.2 案例2：使用阳离子干强剂取代羧甲基纤维素

某北美造纸厂生产居家外用（AFH）型100%再生纤维制湿起皱纸巾纸。该厂希望能够在降低该产品定量12%～14%的同时，维持与原产品相同的湿抗张强度和干抗张强度目标。

起初，该厂尝试通过使用聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇湿强度树脂和羧甲基纤维素干强度产品，提供预期的抗张强度。然而，结合使用干/湿强度产品后，纸制品的干抗张强度始终低于目标值，且聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇用量居高不下。进一步增加羧甲基纤维素用量并未实现提高干抗张强度的目标。为解决这一问题，凯米拉建议该厂使用阳离子乙二醛聚丙烯酰胺完全取代羧甲基纤维素，并同时减少19%～33%的聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇树脂用量。在造纸过程中，阳离子乙二醛聚丙烯酰胺与聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇树脂混合后从纸机浆池加入。该项全新应用使得该工厂能够在有效减少14%定量的同时，实现预期的抗张强度目标。连续生产具有目标干抗张强度的纸巾纸显著提升了转换效率和设备综合效率（OEE）。使用聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇/乙二醛聚丙烯酰胺带来其他好处，如最大限度地提高纸机速度、减少毛毯的污染、提高了损纸的碎解效率。此外，由于无需使用价格高昂的羧甲基纤维素开解设备亦带来额外的降低成本效果。

4 结论

在制造纸巾纸和面巾纸产品时使用聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇湿强度树脂有助于纸张获得湿抗张强度性能。纸浆原料通常含有高含量的阴离子垃圾（细小纤维、填料、漂白剂等），从而导致聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇湿强效率（WSPE）大幅降低。凯米拉开发的全新方法可通过使用独特的阴离子功能助剂和高效的阳离子乙二醛聚丙烯酰胺干强剂，有效提高湿强效率。凯米拉阴离子功能促进剂将能够通过提高纸张上聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇留着率和维持良好的纸张成形效果，提高纸张的湿强度。当纸张的干强度性能低于目标值时，可使用乙二醛聚丙烯酰胺。乙二醛聚丙烯酰胺在提升干强度的同时还可提升纸张的湿抗张强度性能，降低聚丙烯酰胺-表氯（卤）醇用量，从而提高废纸的碎解效率。

[1] Gerald I. Keim，美国专利2926116.

[2] Herbert H. Espy，湿强度树脂中的碱性固化聚胺表氯醇树脂机器应用，1994.

[3] Mike T. Goulet，Robert A. Stratton，制浆、漂白和磨浆作业效果对木质细小纤维电动性能的影响，北欧纸浆和造纸研究杂志，1990，5:118-125.

[4] Anthony T. Coscia，Laurence L. Williams，美国专利3556932.

Wet Optimization: WSPE Enhancement

Clayton J. Campbell，Vladimir Grigoriev，Lucyna Pawlowska