加强造纸化学品重点课题与应用技术的研究开发

姚献平 郑丽萍

（中国造纸化学品工业协会 国家造纸化学品工程技术研究中心杭州市化工研究院, 浙江 杭州 310014）

加强造纸化学品重点课题与应用技术的研究开发

姚献平 郑丽萍

（中国造纸化学品工业协会 国家造纸化学品工程技术研究中心杭州市化工研究院, 浙江 杭州 310014）

根据我国造纸工业的发展现状与特点，建议造纸化学品行业要加强再生纸专用化学品、废水综合治理专用化学品、高档纸和特种纸专用化学品、以及造纸化学品清洁生产工艺和应用技术装备的研究与开发。

造纸专用化学品 清洁生产工艺 应用技术与装备

0 前 言

当前，我国造纸工业发展迅速，产量已居全球首位。纸机大型化、高速化发展趋势明显。但是，也面临着资源、能源、环境、结构调整技术提升等共性技术瓶颈制约。造纸化学品行业是为造纸工业服务的行业，也是造纸工业不可缺少的关键技术行业。国家当前优先发展的高技术产业化领域指南，将造纸化学品列入新材料领域[1]，给予高度重视。造纸化学品行业能够为造纸工业提高纸张质量，节约纤维等原料，节能降耗，降低生产成本，节约水资源消耗，减轻环境污染，促进结构调整等方面发挥重要和关键的作用。针对当前我国造纸工业的现状和国情，建议造纸化学品行业特别要加强下述重点课题和应用技术与装备的研究与开发。

1 当前急需加强开发的一些重点课题

1.1 再生纸专用化学品的研究与开发

我国森林资源只有世界平均水平的四分之一不到，作为造纸主要原料的木材资源紧缺。因此，我国再生纸增长快速，但再生纸专用化学品严重缺乏，急需加强研发。我国造纸以非木材纤维和废纸纤维为主，木材纤维仅占22%，且绝大部分依赖进口。其中，再生纤维已占63%的大比重。由于废纸纤维受印刷、使用、光照、霉变等因素的影响，存在纤维强度低、细小纤维多、杂化学物含量高等特点，严重影响再生纸张的抄造与产品质量和档次。而且,我国的废纸来源复杂,有美废、欧废、日废和国废，不同的废纸原料质量差距很大，有的纤维已经过多次的重复回用，加上不同的纸种、不同的纸机、不同的原料配比，迫切需要开发适用于不同纸种、纸机的再生纸专用化学品。再生纸的开发意义重大，据报道，每利用1吨废纸浆可以节约4～5 m3木材，1.0～1.5 t煤，约100 m3水，300～800 kg化工原料，减少空气污染75%，水污染35%。也正因为废纸利用的意义如此重大，发达国家对废纸的回用已开始立法，我国人大常委会已率先在办公用纸中采用再生纸。近年来，我国废纸利用率大大提高，但废纸再生专用化学品严重滞后，再生纸质量差、能耗高、废水排放量大等问题没有根本解决，急需加强新型高效脱墨、增强、助留、助滤剂、表面施胶和涂布等专用化学品的研究与开发，尽快使我国的废纸再生技术达到国际先进水平。

1.2 废水综合治理专用化学品的研究与开发

针对我国造纸工业废水污染严重，迫切需要开发废水综合治理专用关键化学品和应用技术。造纸工业既是用水大户又是水污染大户。目前，1座年产10万t的造纸厂，每日耗水量15 000～30 000 m3。我国造纸污水治理技术相对落后，吨纸耗水量高达50～100 m3，而发达国家造纸的吨纸耗水量只有10～20 m3，差距十分明显。我国造纸工业污水排放量约占全国污水排放量的三分之一，环保压力巨大。

造纸废水综合治理专用关键化学品，需要化学与生物、有机与无机、合成与复配等技术的集成创新，需要源头治理与末端治理相结合。在源头治理方面要重点开发新型高效助留助滤剂及应用技术，尽可能将细小纤维和填料等造纸原材料保留在纸上，同时提高纸张的质量；在末端治理方面，要开发高效废水处理化学品及其应用技术和装备。从而努力使造纸工业吨纸的用水量、排水量降到国际先进水平。

1.3 高档纸和特种纸专用造纸化学品的研究与开发

针对我国造纸工业产品结构不合理，高档纸少，特种纸开发技术落后，迫切需要加强高档纸和特种纸专用造纸化学品的研究开发。高档纸、特种纸是紧俏产品，也是造纸工业的高利润区。我国高档纸和特种纸品种少，国外的品种有1 000多种，而国内只有600余种，尤其需要加快转型升级。高档纸和特种纸主要依赖于造纸化学品，特别是提高纸张表面强度、印刷适性的表面关键化学品，以天然可再生资源为原料的环保型涂布化学品，以及高档生活用纸、技术和文化用纸、工业用纸等特种纸专用化学品的研究与开发。

1.4 造纸化学品清洁生产工艺的研究开发和推广

造纸化学品品种门类多，我国起步晚，发展快，但对造纸化学品的环保问题还没有引起足够的重视，有不少企业存在环保问题。根据当前行业存在的环保问题，要加强开展造纸化学品清洁生产工艺的研究开发和推广，重点开展变性淀粉、聚丙烯酰胺、施胶剂等几个大类化学品的环保技术及清洁生产工艺的研究开发和成果推广。

2 要加强造纸化学品应用技术及专用设备的研究与开发

从某种意义上说，造纸化学品的应用技术比合成技术更加重要。不同的纸机，不同的纸种，不同的纤维配比，不同的化学配伍，甚至不同的水质其应用效果与效益大为不同，涉及多门类、多学科的知识，且有极强的科学性和实用性，真正掌握起来难度较大。应用技术是一种以低的成本换取高效益的技术，发达国家的造纸化学品制造厂非常重视应用研究，一般均有自己的产品应用专家和实验室，一些大型骨干企业还有小型造纸机，涂布机等专用试验设备。中国的造纸原料、纸机工艺与发达国家有着很大的差别。例如我国大量采用的草浆和废纸浆中的杂化学物质会严重地干扰化学品的正常应用，需要专用的化学品和相应的应用技术，否则难以达到理想的效果。我们不仅要对纸浆的电位、化学组份及化学品的配伍等进行深入的研究，还要选择一些典型的纸机、纸种和企业进行推广，同时还要加强技术咨询和服务工作，使造纸企业真正取得效益。另一方面我们还要加强符合国情的造纸化学品专用设备的研究。我国目前造纸化学品的添加工艺设备也十分落后，以间歇式和人工操作为主，无法满足当前对纸张质量的要求。因此，对造纸化学品应用工艺设备的研究应该是今后的重要课题。

2.1 湿部综合应用技术

造纸化学品的湿部综合应用技术是指：在使用湿部造纸化学品时，与造纸化学品应用技术密切相关的添加方法；各种造纸化学品（如变性淀粉、松香、明矾、PAM、AKD、增白剂、染色剂、消泡剂等）的相互协调；纸机操作条件与工艺的相应变化等较为复杂的相关应用技术。纸厂只有正确掌握了造纸化学品的湿部综合应用技术，才能取得最佳的湿部使用效果。湿部综合应用技术主要包括：

（1）正确选用好湿部造纸化学品。造纸化学品品种牌号很多，性能特征差异很大，即使是同一类产品也有不同的指标和不同的应用范围，造纸企业必须向造纸化学品企业详细了解，甚至需要造纸化学品企业提供必要的技术服务支持。如了解产品的功能特性、指标；了解在同类纸中的应用情况；了解生产厂的技术管理水平和产品质量稳定情况；双方技术人员交流研讨、共同议定应用方案等。

（2）采取最佳的添加方法。一个好的产品还要有正确的应用方法加以保证。若使用不当，不仅难以取得好的应用效果，反而会影响纸的抄造。如：造纸化学品溶解不完全，会影响应用效果，甚至产生粘缸、粘网的现象；添加浓度过浓，会使纸浆与纤维结合不均匀，造成局部严重絮凝，纸页不匀，强度下降。此外，添加量、添加地点、添加顺序等都会影响应用效果。所以找到最佳添加方法很重要。

（3）注意与其他化学品的相互协调作用。造纸化学品品种很多，在造纸复杂的湿部体系中各种造纸化学品都能产生相互协调作用。如阴离子松香胶依赖于明矾的阳离子特性定着在纤维上而起施胶作用；填料靠助留剂来提高留着率以及阴阳化学品相互协调等。

（4）重视造纸化学品应用与造纸工艺参数协调技术。无论生产何种纸，纸厂都有自己相应的制造工艺。如浆料的配比、打浆度、施胶剂的用量及纸机车速、蒸汽压力、定量、水分等，工艺参数都应控制在一定范围内。然而湿部造纸化学品的应用将会对上述工艺参数产生了相应的改变。因此，要达到最佳的应用效果，还必须对造纸工艺参数进行相应的调整。

（5）综合经济技术评价。造纸化学品的应用过程还要进行认真的技术经济分析，如留着率分析、质量效益分析、节能降耗分析、环保影响分析及成本分析等，力求取得最佳的应用效果与效益，并通过分析进一步改进和完善添加工艺。造纸化学品湿部综合应用技术是一种以低的成本换取高效益的技术，值得我们去不断探索和发现。

2.2 层间增强技术

层间增强化学品主要为层间喷雾淀粉，是20世纪70年代初才发展起来的，但增长速度很快，约为造纸淀粉总用量的5%。

喷雾淀粉最初是为提高板纸的层间结合力而开发的。近年来发展特别迅速，在应用纸种上已不再局限于板纸，开始扩大到厚纸中；在应用目的上已不再局限于提高层间结合力，还广泛用来提高挺度、环压强度及表面强度。应用结果证明，纸张强度的提高幅度明显地取决于添加淀粉的方法，采用喷雾淀粉及其应用技术，是提高板纸、厚纸的挺度、环压强度和层间结合强度的最有效方法。

与湿部添加技术对比，淀粉喷雾虽不具备对细小纤维与填料的助留、助滤作用，但其增强效果绝不亚于浆内添加，尤其对于杂离子含量较高的纸浆（如磨木浆、废纸浆、草浆等），其增强效果明显优于湿部添加，且喷雾淀粉比浆内添加淀粉有更高的留着率；与表面施胶比较，虽在改善纸和纸板表面性能等方面不及表面施胶，但在提高纸张内结合力方面，却优于表面施胶，而且不需要施胶压榨后的干燥工段，对于没有施胶压榨的纸机尤其适用。在提高纸板和厚纸挺度、环压强度、层间结合强度方面，淀粉喷雾技术，更是一种行之有效的方法，是湿部添加与表面施胶所无法达到的。当然，如果将湿部添加、淀粉喷雾以及表面施胶等结合起来，互相取长补短，就能取得更理想的效果，也是目前造纸发达国家常用的技术。层间增强技术主要包括喷雾工艺、喷雾方法、喷雾地点、喷雾量等。

2.3 表面施胶技术

表面施胶主要是为了增加纸页的表面强度，并获得良好的印刷适性，此外还能提高耐破度、耐折度、抗张力、环压强度等纸张物理强度指标，有些表面施胶剂还能赋予纸张抗碱抗酸等特性。主要有：

（1）表面施胶剂的选用。适用于表面施胶的淀粉主要有：热或热化学转化淀粉、酸改性淀粉、氧化淀粉、酶转化淀粉、乙酰化淀粉、羟烷基（丙基或乙基）淀粉、阴离子型双变性淀粉、阳离子淀粉、辛烯基丁二酸酯淀粉等[2]。由于表面施胶淀粉用量大，我国多数造纸企业采用价格便宜的变性淀粉，如氧化淀粉等。近年来，随着环保的需要及数码用纸的发展等，高留着绿色表面施胶淀粉，正迅速得到推广。

高留着型表面施胶淀粉与普通表面施胶淀粉对比有着明显的技术优势，主要有：

①可减少至少15%的施胶淀粉浓度，进而可以减少纸机蒸汽使用量。

②可明显增加表面强度，若在保持原有强度的基础上，则可增加填料比例2%～4%，进而降低造纸成本。

③能明显改善纸机运行性能，减少纸机断头。

④能明显改善留着。高留着表面施胶淀粉在再制浆时90%以上保留在纤维上，并起到助留作用，可减少助留剂用量20%～30%，减少施胶剂用量10%。

⑤能明显改善白水循环系统，减少抄纸用水量。

⑥可明显降低造纸白水污染负荷（BOD减少50%以上）。

⑦改善印刷适性，使色彩更鲜艳，使色彩密度更高，还可以减少糊版现象。

⑧综合经济成本低，在高档文化用纸中尤为适用。

（2）表面施胶装置的选用。表面施胶装置主要有施胶压榨、门辊施胶和薄膜施胶三种。门辊施胶和薄膜施胶是近年来新发展起来的。针对不同的施胶装置，应用技术与工艺也有所不同。

（3）表面施胶中化学品的共用技术。通常的表面施胶，一般只用变性淀粉。为了适应不同纸张性能的需要，现在表面施胶中已越来越多地采用共用技术，例如：

①欲提高纸张的抗水性，可以将淀粉与脲醛树脂UF，中性施胶剂AKD、ASA，分散松香胶等提高抗水性的化学品共用施胶，效果相当明显。这种方法往往用于高抗水性纸张中。

②欲提高纸张的抗油性，可以将淀粉与含氟抗油树脂、PVA等共用，提高抗油性，抗油纸更多的被使用到食品包装用纸中。

③欲提高耐热性能，可以将淀粉与苯乙烯-马来酸酐共聚物等一些耐热化学品共用。

④欲提高表面强度，可以将淀粉与丙烯酸-马来酸酐共聚物等一些高分子聚合物共用，这在文化用纸中相当普遍。

⑤其他如提高白度、不透明度、平滑度等，可以在淀粉胶中加入增白剂、填料等原料。

共用表面施胶技术发展很快，彩色喷墨化学品就是一个多种化学品共用的组合配方，通过薄膜施胶，就可实现彩色喷墨打印纸制造的目标。

表面施胶是一套复杂的造纸技术，内容极其丰富，这里只能择主要而介绍。

2.4 涂布技术

由于涂布纸的需要及生产涂布纸机的多样性，涂布是造纸工业的一项重要技术，不仅是因为涂布化学品品种多，配方复杂，还因为涂布工艺技术要求高。

涂布化学品主要有颜料、胶黏剂和其他化学品三大类。

（1）颜料：主要有高岭土、瓷土、缎白、碳酸钙、二氧化钛等，其中，高岭土和瓷土是最常用的颜料，颜料的物化指标如颗粒直径、白度、晶体形状等对涂布配方有较大的影响.

（2）黏合剂：主要有合成胶乳（SB、SA、PVA等）、变性淀粉、干酪素、豆蛋白等。一般用于表面施胶的淀粉通常也可以用于涂布，但黏度要求更低，稳定性要求更好。由于合成胶乳价高且存在气味重、难以生物降解等环保问题，近年来可完全生物降解且性能优异的生物胶乳已开发成功，能替代2～3份合成胶乳，可较大幅度地降低成本和环境污染。

（3）功能性添加剂：主要有涂布分散剂、抗水剂、润滑剂、防腐剂、消泡剂等，限于篇幅不再一一介绍。

2.5 淀粉连续蒸煮器

淀粉连续式蒸煮器是变性淀粉的重大应用装备。由于变性淀粉应用时必须经过加热糊化、稀释、计量、添加等工艺。目前我国大多数造纸企业仍然采用传统的间歇式蒸煮器为主。间歇式淀粉蒸煮存在能力小、耗能高、劳动强度大、蒸煮条件不易控制、淀粉容易团聚、黏度容易产生波动、淀粉糊化效率低、糊液分散性能和应用性能易受影响等缺点。尤为突出的是，传统的间歇式蒸煮系统蒸煮时间长（一般每蒸煮一锅淀粉糊液需要1 ～ 2 h），日处理能力低（1 ～ 10 t），已经不能够适应大型纸机连续化、大剂量的使用需求（目前国内引进的高速纸机车速已经达到1 500 ～ 2 000 m/min，日用淀粉蒸煮需求量在40 ～ 60 t）。随着纸厂技术装备水平的快速提升，纸厂单机产量和运行效率大幅提高，而以前国内没有生产变性淀粉连续式蒸煮设备的专业厂家，造纸企业不得不花费上百万元的资金用来进口淀粉连蒸设备。近年来，杭州纸友科技已成功开发该设备，累计已提供数十家纸厂应用日蒸煮淀粉能力为5～60 t的各种型号淀粉连续蒸煮设备，见图1。

图1 杭州纸友科技公司开发的不同类型淀粉连续蒸煮器

造纸用淀粉连续蒸煮技术是一门应用性很强的科学技术，一方面它将为变性淀粉企业提供更好的发展条件，更重要的是，它将显著提升造纸企业化学品应用装备的现代化水平，提高湿部、表面、涂布淀粉的应用效果，降低综合运行成本，改善纸机运行效率等。由于淀粉连蒸器的发明和推广普及，现代化的大中型纸厂纷纷将淀粉的糊化和添加工艺及设备与纸机的设计同时考虑，使淀粉的应用变得更为简单实用，且可自动控制。这是一项值得大力发展和推广的新技术。

2.6 造纸化学品喷射混合装置

湿部造纸化学品喷射混合技术最早在芬兰等发达国家得到应用。近年来，国内少数大型纸机也引进了该技术。这些纸机在使用了这套技术以后，纸机湿部的关键的工艺指标，如首程留着率、成纸灰分含量、白水封闭循环水平、化学品平均耗用量等都明显好于未采用该技术的企业。但是由于该进口设备售价高、技术保密等原因，国内还很少有造纸企业能够应用这项技术。

传统的化学品添加方式是将化学品添加在造纸流程的混合池、成浆池（流浆箱前10 ～ 30 min）等不同部位，绝大多数的造纸化学品如淀粉、填料、中性施胶剂ASA（或AKD）、干、湿增强剂，固着剂、松香、染料，烧碱等都在这些位置加入。少数的造纸化学品在冲浆泵进口或出口（流浆箱唇板前15～30 s）位置加入，如染料、消泡剂、填料、膨润土、助留剂聚合物、施胶剂等。这些添加方式都选择在压力筛之前加入，其目的是希望利用压力筛的强制混合作用提高化学品的混合效率。这种混合方式通常需要30 s～30 min的时间，并普遍存在混合不均匀、用量大等问题。

同时，如果造纸化学品加入点离流浆箱太远，浆料中的干扰胶体物质对造纸化学品的破坏作用就越大。例如新鲜的高白填料会“变脏”，纸张的白度就会下降；造纸化学品到达干纸页的单程留着率会低于50%，另外50%则重新进入循环回路。造纸化学品再循环次数增加，将使网部白水系统复杂化，化学反应和湿部表面化学反应的不确定性增加。当这种情况达到或超过系统的不平衡点时，系统的洁净度将明显降低，沉积物将迅速积聚，导致断纸，糊网等抄造障碍。这种情况下，整个白水循环系统将不得不排入污水治理系统，重新使用新鲜的清水。

造纸化学品喷射混合技术能够实现这一目的。它的基本原理是从浆料主管路中抽出一部分浆料，通过增压泵加压后，重新以射流状态回到浆料主管路中，在射流形成后的短暂瞬间，造纸化学品与该股流体完成混合稀释并形成新的涡流流体。

这种技术目前已经在国际上大型现代化纸机上得到了应用，并体现了明显的技术优越性。

喷射混合装置的主要技术指标：

（1）喷射流与化学品流接触时间：0.1～ 0.5 s。

（2）化学品形成均匀分散面所需时间：2～5s。

（3）管路横截面平均混合偏差值：小于15%。

（4）化学品添加的量程范围：0.5～3 L/s。

与传统混合装置应运效果比较，见图2。

图2 喷射混合器与传统混合装置的应用效果比较

3 结束语

近年来，造纸化学品已在我国造纸工业中逐步推广开来，并取得了许多成功的经验，但我国造纸化学品的开发与应用研究总体水平还较低，尤其是造纸化学品专用产品与应用技术和装备的研发与发达国家比较差距还比较明显，迫切需要大力加强[3]。目前，相信我国多数造纸企业已经成功应用造纸化学品，但并不一定已找到最佳的工艺参数与方法，还有待进一步探索和提高。造纸化学品的开发和应用都是无止境的，我们一定要加强与我国造纸的国情紧密结合；加强产品开发与应用紧密地结合，加强产学研用的紧密结合，共同突破我国造纸工业面临的诸多瓶颈制约。只有这样，才会给造纸和造纸化学品行业带来经济和社会效益，也才会真正提升我国造纸和造纸化学品行业的开发与应用的水平。

[1] 国家发改委、科技部、工信部、商务部、知识产权局2011年第10号公告《当前国家优先发展的高技术产业化重点领域指南》

[2] 姚献平,郑丽萍．淀粉衍生物及其在造纸中的应用技术[M]．北京：中国轻工出版社, 1999．

[3] 姚献平．对我国造纸化学品“十二五”发展的思考和建议[J]．造纸化学品,2011，23（3）1-4．

Strengthen Research and Development of Key Topics and Application Technology of Papermaking Chemicals

YAO Xianping，ZHENG Liping

（National Eng.& Tech. Research Center For Paper Chemicals，Hangzhou Research Institute of Chemical Technology，Hangzhou Papermate Science & Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310014， China）

According to the development status and characteristics of China's paper industry, this paper proposes to strengthen the research and development of specialty chemicals on recycled paper, wastewater comprehensive management, high-grade paper, special paper, and clean production technology of papermaking chemicals and application technology and equipment.

paper specialty chemicals; clean production technology; application technology and equipment

姚献平 男 教授级高工 国务院特殊津贴获得者，中国造纸化学品工业协会理事长，国家造纸化学品工程技术研究中心主任，中国石油和化学工业联合会理事，浙江省特级专家，杭州市化工研究院院长，长期从事造纸化学品和淀粉衍生物的研究开发工作，为十一届全国人大代表。E-mail:hhsszb@mail．hz．zj．cn。

郑丽萍 女 教授级高工 国务院特殊津贴获得者，全国“三八”红旗手，国家造纸化学品工程技术研究中心副主任，中国造纸化学品工业协会常务理事，中国造纸学会首届优秀青年科技工作者，杭州市杰出人才，杭州纸友科技公司总经理，长期从事造纸化学品和变性淀粉的研究开发工作，为杭州市女企业家协会副会长，杭州市八、九、十届政协委员。E-mail:zlp@hzzykj．cn。