增强剂工艺提高获利能力

Vladimir Grigoriev, Mikko Mäkinen, Roberto Zulian 凯米拉公司

增强剂工艺提高获利能力

Strength Technologies Improve Proftability

Vladimir Grigoriev, Mikko Mäkinen, Roberto Zulian 凯米拉公司

本文回顾了纸页增强剂的新发展，并通过行业案例分析论述了凯米拉（Kemira）公司增强剂带来的经济效益。

生活用纸市场是造纸行业发展最快的领域之一，从全球来看，2000—2007年，生活用纸的年均增长率为3.6%，而印刷和书写纸只有1.8%。国内生产总值（GDP）的增长和人民生活水平的提高推动了生活用纸产量的增长。近来的经济萧条使生活用纸的增长速度有所减缓，但是，由于新兴市场持续增长，生活用纸行业的前景仍是光明的。不过在目前环境下，因为纤维和能源成本持续增加，环保条例日益完善以及消费者对产品的性价比要求越来越高，所以生活用纸行业必须找到保持盈利的办法。

能区分生活用纸产品的一个性能指标是纸页的强度，为了获得纸页强度，通常要付出很高的代价。干、湿强度之间尽量平衡是获得目标干、湿抗张强度，又对纸页柔软度和吸收能力不产生负面影响的关键。

为了获得纸页强度，造纸企业使用了众多方法，其中选择纤维种类以及对它们进行机械处理（如精浆）是最常见的。原生浆，尤其是针叶木硫酸盐浆生产的纸页最强韧，但是这种浆较贵。由于原生浆价格高以及环境压力，生活用纸行业已转向大量使用较便宜的废纸浆，而用废纸浆生产的纸页强度不高。另外，在最近十多年里，废纸浆的质量下降和可用量急剧减少，这对生活用纸行业来说又是一个巨大的挑战。

流浆箱里浆料浓度或湿压榨等生产要素都能对提高纸页强度产生有利的影响，但又会妨碍达到其他指标，例如生产效率或纸页松厚度等。如果原料或生产条件受到限制，使用化学品来控制强度通常是一种灵活和有经济成效的手段。市场上有多种增强剂，本文简要介绍了这些增强剂的化学特性，特别关注的是丙烯酰胺基聚合物。纸厂试用结果充分表明了它们给生活用纸生产带来的经济效益。

增强剂

多种天然聚合物以及合成树脂都可用于调整生活用纸的纸页强度。具体选用哪种增强剂就得视情况而定，需要考虑很多因素，如增强效果、增强剂的成本、对纸机运行性能和产量的影响、使用的方便性、产品的可用性和储存期限等。最常用的增强剂及其特性见表1。

表1 常用的生活用纸增强剂

丙烯酰胺基聚合物用途特别广泛，而且在过去几年中，市场份额不断增加。丙烯酰胺基增强剂主要包括两个类别：液态聚丙烯酰胺（SPAM）和乙醛酸聚丙烯酰胺（GPAM）。下面将分别介绍它们各自的性能和用途。

SPAM：用途广泛，使用方便

聚丙烯酰胺是用于纸机湿部的常见化学品，已知丙烯酰胺基聚合物可用于水处理和作为助留剂及干、湿强剂使用。提高干强度主要是由于酰胺基团能和纤维形成氢键，从而增强了纤维之间的结合力，如图1所示。丙烯酰胺基聚合物用途非常广泛，并可生产出各种分子量和电荷范围的聚合物。

要达到干强剂目的，分子量必须足够大才能确保有效地吸收和氢键键合，但分子量也不能太大，这样聚合物才不会造成纤维过度絮凝和纸页匀度差，否则会降低纸页强度。这些聚合物通常以水溶液的形态出售，所以称之为液态聚丙烯酰胺（SPAM）。

阳离子型和两性SPAM都能够自动吸附在纤维素纤维上，但是它们对有害胶体和溶解性物质（阴离子垃圾）极为敏感。而大量带正电荷的离子（＞10%mol）可以解决此问题，但由于阳离子单体较贵，所以使用带正电荷离子量大的聚丙烯酰胺（PAM）的成本也就高。食品及药品管理机构（FDA、BfR）制订的食品接触材料法规对纸巾纸和餐巾纸的生产极为重要，这些法规也严格限制了SPAM的阳离子单体含量。

阴离子型SPAM需有阳离子对应物才能留着在纤维上。通常情况下，阴离子型SPAM和阳离子型湿强树脂一起使用，这样可同时起到提高纸页干、湿抗张强度的作用。带正电荷离子量大的聚合固定剂（如聚胺等）也可以作为阴离子型PAM的助留剂。凯米拉公司的FennoBond 85E就是一种阴离子型SPAM的助留剂，它是丙烯酰胺和丙烯酸共聚物。FennoBond 85E与PAE湿强树脂一起使用特别有效。

图1 聚丙烯酰胺分子与纤维素纤维之间的氢键键合

图2表明，加较大量的湿强树脂FennoStrength PA 21可导致纤维过度阳离子化，并且还会限制树脂进一步的吸收，当加入量为5kg/t浆时，已经对纸页湿抗张强度产生不良影

响。PAE树脂的留着较差，这会造成树脂沉积、毛毯堵塞并产生大量泡沫。加入阴离子型SPAM（FennoBond 85E）可把纤维电荷转变成负电荷，从而增加了阳离子PAE的留着率，其结果是湿抗张强度增加了40%。

图2 FennoStrength PA 21 (PAE) 和FennoBond 85E (A-SPAM) 对Z-电位和湿抗张强度的影响

GPAM：提高生活用纸的干、湿强度

阳离子型乙醛酸聚丙烯酰胺（GPAM）是众所周知的增强剂，通常被认为是产生干强度的基准物。如图3所示，GPAM是一种反应性聚合物，通过脱水可与纤维素共价结合，结果是使纸页同时产生干、湿强度。

GPAM与纤维素纤维在水中的反应是可逆的，其湿强效果是暂时性的，所以对损纸回抄没有影响。可以通过改变GPAM的分子结构来控制生活用纸产品的性能和衰变。对于纸巾纸这一类产品来讲，通常需要较慢的衰变，而卫生纸则需要较快的衰变，因为在室温下，它必须容易在水中分散。

纸机案例分析

案例1：生产纸巾纸时使用阴离子型SPAM既节约了化学品，又提高了生产效率

一家大型生活用纸生产企业使用100%废纸浆生产未漂折叠纸巾纸，这类产品的干、湿抗张强度都是重要的指标。生产过程中PAE湿强树脂（WSR）的加入量为14～16kg/t（绝干浆），用于调控纸页湿抗张强度，当时未使用干强剂。在如此大的WSR用量下，一些湿强树脂没有留着在纤维上，反而产生了大量的泡沫，并堵塞毛毯，还造成了其它一些纸机运行性能问题。最重要的是，大量的泡沫使得纸机没法全速运行，导致减产。

图3 GPAM与纤维素纤维之间的可逆反应

表2 试用FennoBond 85E生产纸巾纸的效果

凯米拉公司提供的阴离子型FennoBond 85E有助于提高WSR的留着率。试用结果见表2，纸浆中一加入FennoBond 85E，提高的干、湿抗张强度就能超过既定目标。这使WSR的使用量比以往平均减少30%，同时，WSR的更高效使用还减少了泡沫，从而消泡剂的用量减少了40%，并使纸机车速提高了14%，如图4所示。另外，由于纸页起皱率减少了3%，因此生产率提高了17%。总的来说，使用FennoBond 85E可节省约26欧元/t纸。

图4 FennoBond 85E可减少消泡剂用量和提高纸机车速

案例2：使用GPAM增强剂，既节约化学品，又节约纤维

一家使用100%白色废纸浆生产未漂白色纸巾纸的生活用纸厂在达到干抗张强度指标上遇到了困难。由于纸页干抗张强度低，加工时频繁断纸，极大地降低了效率。而使用羧甲基纤维素（CMC）来提高干强度的效果也不理想。而且，这家生活用纸厂还接到客户的抱怨，说产品有异味，这可能与使用CMC有关。

表3 试用FennoBond 3000生产以白色废纸浆为原料的纸巾纸的效果

凯米拉公司提供的FennoBond 3000（GPAM树脂）与FennoStrength（PAE树脂）结合使用便可解决以上问题。表3为客户态度和试用效果，以前CMC的用量为1.5kg/t浆，而现在FennoBond 3000的用量为1.4kg/t浆，结果是干、湿抗张强度分别提高了22%和45%。较高的纸页干、湿强度可使定量降低15%，湿强树脂的消耗量减少了14%。设备总效率从21%提高到60%，可节省约19欧元/t纸。另外，自从用FennoBond 3000代替CMC之后，再没有听到客户抱怨产品有异味。

案例3：使用GPAM增强剂控制粉尘和节约能源

一家生活用纸厂用100%漂白原生浆生产厨房纸巾，该厂要求原纸的粉尘含量必须很低，否则会对加工效率产生不良影响。纸厂还利用精浆手段和酶来调控干抗张强度， PAE湿强树脂与阴离子型SPAM结合使用来确保湿抗张强度。

凯米拉公司提供用于粉尘控制的FennoBond 3000（GPAM树脂），试用结果见表4。为了确保所有化学品留着率高，湿部助剂的加入点和用量必须恰到好处，这样，纸页质量才能达到甚至超过指标。干抗张强度提高尤为明显，而且精浆能耗减少了37%，这足以抵消FennoBond 3000的成本。纸页干强度提高和减少精浆可降低生产过程的粉尘量，后来对加工过程产生的粉尘进行测量，证明粉尘量确实很少。

表4 FennoBond 3000可减少粉尘和节约能源

结论

对于生活用纸生产来说，增强剂是不可或缺的，它们不仅能让生活用纸产品拥有所需的强度，而且还能提高加工效率和纸机生产能力，结果是利润显著增加。市场销售的增强用化学品各种各样，包括天然聚合物（如淀粉、CMC）和合成树脂（如SPAM、GPAM、PAE）。由于丙烯酰胺基树脂的独特优势、易于使用和用途广泛，它已占据增强剂市场的半壁江山。使用这类增强剂可以带来诸多好处，其中包括较高的纸页性能（强度、松厚度）、较低的定量、可用更多质量稍差的纸浆、降低能耗、较高的纸机车速、较高生产效率和其他化学品（如湿强剂、消泡剂）耗量较少等。

（曾晓桂编译自Tissue World/2013年9—10月，陈海昌审校）