激光打印纸的中性脱墨技术研究

激光打印纸的中性脱墨技术研究

对自制中性脱墨剂在激光打印纸中的脱墨效果进行了研究。在最优条件下，采用自制中性脱墨剂GWT的脱墨效率可达93%。该脱墨剂主要成分为阴离子型和非离子型表面活性剂以及无机盐。脱墨最佳条件为：GWT用量为2%（对绝干纸），碎浆浓度为10%～20%，碎浆温度为60℃，碎浆时间为25 min，熟化时间为20 min，浮选浓度和时间分别为0.8%和10 min。与传统碱法脱墨相比，中性脱墨由于废水CODCr和化学品用量较低，因此有利于降低生产成本和减轻环境污染。

1 概述

二次纤维原料的来源不同，其性能也有所差异。因此，很多针对不同纸种的环境友好的脱墨技术应运而生。近期，中性脱墨技术得到了广泛的研究。中性脱墨技术中无需添加碱性化学品，如NaOH和Na2SiO3。这样一方面可以降低脱墨成本，改善脱墨效率，简化脱墨流程；另一方面还可降低废水中CODCr，利于环境保护。

由于油墨特性的显著差异，用于激光打印纸的脱墨剂与传统脱墨剂也有所不同。用于激光打印油墨中的胶粘剂采用了苯乙烯-丙烯酸和聚酯树脂，油墨粒子在高温下与纸张表面纤维结合，因此在碱性条件下很难使油墨与纤维分离。激光打印纸的脱墨机理是：采用中性脱墨剂时，在温度和浆浓较高时，油墨粒子碎解成小颗粒，进而在后续的浮选段去除。

本研究采用实验室自制的中性脱墨剂GWT在中性条件下对激光打印纸的脱墨效果进行了探索。

2 实验

2.1 原料

废旧未涂布激光打印纸，定量70 g/m2。未脱墨浆白度为77.8%。自制中性脱墨剂GWT，主要成分为阴离子型和非离子型表面活性剂，无机盐等，有效成分含量为20%。

2.2 方法

脱墨剂首先溶解在温度为60℃的热水中形成均一乳液，然后添加至中浓碎浆机。将激光打印纸剪成15 mm×15mm的碎片后添加到碎浆机中，浓度为10%～12%，碎浆时间为20～30min。在碎浆机进行的中性脱墨实验不添加碱性化学品，如NaOH和Na2SiO3。然后，浆料经过熟化处理后，进入浮选槽。浮选浓度固定为0.8%，改变处理时间考察其对浆料的影响。测定浮选溢流废水的CODCr，且采用快速纸页成形器抄造手抄片。对手抄片进行恒温恒湿处理［温度（23±1）℃，相对湿度（50%±2%）］后，测定手抄片的光学和强度性能。

2.3 脱墨效率

脱墨效率是评价脱墨流程和脱墨剂效果的重要参数。脱墨浆中油墨量的相关参数涉及到总油墨浓度、游离油墨浓度以及残余油墨浓度，三者的关系为：

式中：Ct为总油墨的浓度，mg/kg；Cf为游离油墨浓度，mg/kg；Cr为残余油墨浓度，mg/kg。

游离油墨粒子主要分布在纤维表面，这部分油墨通过多段脱墨较易去除。然而，残余油墨粒子，如微米级或纳米级的油墨粒子，其尺寸小于1μm，分布于纤维细胞腔中或缠在纤维表面，这部分油墨粒子很难去除。通过测定每段流程的总油墨粒子浓度和残余油墨粒子浓度以评价脱墨效率。

经过碎解之后的浆料为样品A，经过浮选后的浆料为样品B。在样品A中添加硫酸铝使油墨沉积在纤维表面，采用LCA残余油墨扫描仪测定样品A的油墨覆盖率（FA）。采用同样的方法测定样品B的油墨覆盖率（FB）。根据以下公式，评价自制脱墨剂的脱墨效率：

脱墨效率（油墨去除率）=（FA-FB）/FA×100

3 分析与讨论

3.1 脱墨剂用量的影响

3.1.1 脱墨剂用量对手抄片白度和脱墨效率的影响通过添加不同用量的GWT评价其对手抄片白度和脱墨效率的影响。图1和图2分别为GWT用量（相对于绝干废纸质量，下同）对手抄片白度和脱墨效率的影响。实验条件为：激光打印纸质量为50 g，未处理浆料的白度为77.8%，碎浆时间30 min，熟化时间20min，浮选时间10min，浮选温度50℃。

图1 GWT用量对手抄片白度的影响

图2 GWT用量对脱墨效率的影响

如图1和图2所示，当GWT用量低于2.0%时，随着用量的提高，手抄片白度和脱墨效率都有显著提高。当用量高于2.0%时，手抄片白度和脱墨效率有轻微下降。当用量为2.0%时，GWT对油墨颗粒分散作用最佳，使得游离油墨去除率达到最高。

3.1.2 脱墨剂用量对手抄片强度性能的影响

图3和图4分别为GWT用量对手抄片抗张指数和撕裂指数的影响。

图3和图4表明，GWT用量对手抄片抗张指数和撕裂指数影响不大。这是因为自制脱墨剂GWT的主要作用是将纤维表面油墨去除，并通过与油墨胶粘剂反应，使其不再沉积在纤维上，因此对纤维强度和纤维结合强度可能没有影响。

3.2 碎浆时间的影响

3.2.1 碎浆时间对手抄片白度和脱墨效率的影响

碎浆时间对手抄片白度和脱墨效率的影响分别如图5和图6所示。此实验GWT用量采用2.0%，其他实验条件与3.1.1相同。

图3 GWT用量对手抄片抗张指数的影响

图4 GWT用量对手抄片撕裂指数的影响

由图5和图6可见，手抄片白度和脱墨效率均随着碎浆时间的延长而提高，当碎浆时间在25 min以后，白度和脱墨效率趋于平缓。这是因为碎浆过程中在所产生的机械作用和GWT与油墨粒子的化学作用下，油墨粒子发生破碎并分散于纸浆悬浮液中，浮选过程可去除这些游离的油墨粒子，进而提高了手抄片白度和脱墨效率。在较高的GWT浓度下，延长碎浆时间有利于油墨的分散和后续的浮选脱墨；然而，过长的碎浆时间可能会导致油墨粒子重新吸附在纤维表面，从而会降低手抄片白度和脱墨效率。

3.2.2 碎浆时间对手抄片强度性能的影响

延长碎浆时间可获得良好的浆料分散效果和油墨去除率，但却会降低手抄片的强度性能。这主要是因为碎浆过程会使纤维发生破坏变形，这在本实验所用的高浓（10%）碎浆条件下尤为明显。因此，合理的碎浆时间对于提高脱墨效率、保留成纸强度尤为重要。图7和图8显示了碎浆时间对手抄片强度性能的影响。

图5 碎浆时间对手抄片白度的影响

图6 碎浆时间对脱墨效率的影响

图7 碎浆时间对手抄片抗张指数的影响

图8 碎浆时间对手抄片撕裂指数的影响

图9 碎浆浓度对手抄片白度的影响

图10 碎浆浓度对手抄片脱墨效率的影响

由图7和图8可见，当碎浆时间在30 min以前，随着碎浆时间的增加，手抄片的物理强度有所下降，碎浆30min后强度性能趋于稳定。综合考虑手抄片白度、强度性能以及脱墨效率，碎浆时间在25min比较合适。

3.3 碎浆浓度的影响

3.3.1 碎浆浓度对手抄片白度和脱墨效率的影响

碎浆浓度对手抄片白度和脱墨效率的影响分别见图9和图10。实验条件为：GWT用量2%，碎浆时间25 min，熟化时间20 min，浮选时间10 min，浮选温度为50℃。

由图9和图10可见，当碎浆浓度为12%时，手抄片白度和脱墨效率可达最佳。适当提高碎浆浓度可改善脱墨剂和油墨粒子的有效接触，从而提高了反应速率；然而，碎浆浓度过高将对GWT和油墨粒子产生不利影响，导致纸张白度和脱墨效率降低。

3.3.2 碎浆浓度对手抄片强度性能的影响

碎浆浓度对手抄片强度性能的影响结果如图11和图12所示。

由图11和图12可见，当碎浆浓度达到12%时，手抄片物理强度性能达到最佳，碎浆浓度超过12%后，手抄片强度性能稍有下降。综合考虑，碎浆浓度在10%～12%时较为合适。

图11 碎浆浓度对手抄片抗张指数的影响

图12 碎浆浓度对手抄片撕裂指数的影响

图13 碎浆温度对手抄片白度的影响

图14 碎浆温度对脱墨效率的影响

图15 碎浆温度对手抄片抗张指数的影响

图16 碎浆温度对手抄片撕裂指数的影响

3.4 碎浆温度的影响

图13～16分别显示了碎浆温度对手抄片白度、脱墨效率和强度性能的影响。实验条件如下：GWT用量为2%，碎浆时间25 min，碎浆浓度10%，熟化时间20 min，浮选时间10min和浮选温度50℃。

由图13～16可见，当碎浆温度从20℃升高至60℃时，手抄片白度和脱墨效率分别提高5.53和24.48百分点，同时成纸强度性能也有所改善。由于脱墨剂GWT中的化学成分对温度较为敏感，因此在实际应用中，较高的碎浆温度有利于获得更佳的脱墨效果。但是，考虑到设备的适应性，碎浆温度应控制在60℃之内。

3.5 熟化时间的影响

经过脱墨处理后，研究熟化时间对手抄片白度和脱墨效率的影响。图17和图18分别显示了熟化时间对手抄片白度和脱墨效率的影响。实验条件如下：GWT用量2%，碎浆时间25 min，碎浆浓度10%，碎浆温度60℃，浮选时间10 min，浮选温度50℃。

图17 熟化时间对手抄片白度的影响

图18 熟化时间对脱墨效率的影响

由图17和图18可见，在熟化时间20min之前，手抄片白度和脱墨效率随熟化时间的延长而增加，20 min后，均有所下降。因此，熟化时间确定为20min。

3.6 浮选时间的影响

图19和图20分别显示了浮选时间对手抄片白度和脱墨效率的影响。实验条件如下：GWT用量为2%，碎浆时间25 min，碎浆浓度10%，碎浆温度60℃，熟化时间20min，浮选温度50℃。

图19 浮选时间对手抄片白度的影响

图20 浮选时间对脱墨效率的影响

由图19和图20可见，手抄片白度和脱墨效率随浮选时间的延长而提高，在浮选最初10min内，手抄片白度和脱墨效率迅速提高，而后增速减慢，因此浮选最佳时间确定为10min。

3.7 中性脱墨与碱性脱墨效果对比

采用传统碱性脱墨方法与自制GWT脱墨剂的中性脱墨方法的化学品用量和实验参数的比较分别见表1和表2。

表1 中性脱墨与碱性脱墨所用化学品用量比较%

表2 中性脱墨与碱性脱墨实验参数比较

中性脱墨与碱性脱墨对手抄片白度和脱墨效率的影响见图21。

由图21可见，采用中性脱墨得到的手抄片白度和脱墨效率优于传统碱性脱墨方法所得手抄片。

成纸强度性能方面，采用中性脱墨的手抄片的撕裂指数低于碱性脱墨，但抗张指数优于碱性脱墨，如图22和图23所示。

图21 中性脱墨与碱性脱墨对手抄片白度和脱墨效率的影响

图22 中性脱墨与碱性脱墨对成纸撕裂指数的影响

图23 中性脱墨与碱性脱墨对成纸抗张指数的影响

重要的是，采用中性脱墨后溢流出废水的CODCr约为传统碱性脱墨的一半，如图24所示。

图24 中性脱墨与碱性脱墨对废水CODCr的影响

采用中性脱墨时，废水中CODCr的降低有利于减轻环境污染；同时，由于不采用碱性脱墨所用的化学品，如NaOH和Na2SiO3，使得操作工艺得到简化。因此，中性脱墨不仅可减少化学品用量，同时还有利于减轻传统碱性脱墨后浆料颜色变深的现象。

4 结论

采用实验室自制GWT中性脱墨剂用于激光打印纸脱墨，并评价了使用效果。结果表明，当GWT用量为2%，碎浆浓度为10%～20%，碎浆温度为60℃，碎浆时间为25 min，熟化时间为20 min，浮选浓度为0.8%，浮选时间为10 min时，脱墨效率可达93%。

采用中性脱墨方法制备的手抄片的白度、脱墨效率和抗张指数均优于传统碱性脱墨方法。但是，撕裂指数却低于传统碱性脱墨得到的手抄片。

中性脱墨方法有利于降低生产成本和废水CODCr。这主要是因为中性脱墨方法减少了化学品用量，尤其是碱性化学品的用量，从而可减轻环境污染。

（至将躁止编译）