一种添加腈纶纤维以控制OCC浆料中压敏胶粘物的方法

废旧瓦楞纸箱（OCC）浆料中的胶粘物主要来源于OCC中的压敏胶、热熔物等多种有机物。OCC浆料中胶粘物的存在严重影响造纸的正常生产：在纸机表面、网部、毛毡、纤维织物和卷筒上的沉积造成了一系列的问题，如湿部断头，压榨部和干燥部断头，孔洞，纸张缺陷、污垢数量多和纸张转换困难等。这些沉积物及其引发的一系列问题将造成长时间的停机和大量的材料浪费。由此将造成停机损失、化学试剂的成本、产品损失率、废弃物、不合格产品以及客户投诉等一系列问题，控制和去除纸浆中胶粘物的重要性不言而喻。

对胶粘物的控制有过许多研究。然而，目前仍没有单一的解决方案。有几篇已发表的文章综述了有关胶粘物的控制技术。

采用物理化学方法，对胶粘物表面性质进行改性，可以去除或控制胶粘物。改性的方法包括吸附矿物颗粒、使用一些化学试剂或者将2种方法结合起来。这些物理化学法包括：浮选法，洗涤法，添加固体材料，采用表面活性剂和聚合物处理等。采用分散剂、表面活性剂和溶剂可以减少回收二次纤维过程中不同处理阶段的胶粘物。其他方法，如采用一些化学品使胶粘物絮聚，以提高其在筛选阶段的去除率。其他的化学处理旨在使胶粘物变得更具亲水性，以减少其在洗涤阶段的去除率。在胶粘物固着处理中，使用一种能改变其表面电荷的水溶性聚合物，使胶粘物吸附在纸张中。在分散和固着处理中，先加入分散剂以减小胶粘物的粒径，然后再采用一种阳离子聚合物使胶粘物黏附于纸张上。在控制胶粘物的处理中，采用滑石粉、分散剂、溶剂和低相对分子质量的阳离子聚合物可减小胶粘物对纸机的影响。近几十年来，各种人造纤维的开发和应用已经在纺织工业中掀起了一场革命。合成纤维的一些类似应用可能最终也会在造纸工业中推广。许多特种纸产品就是由合成纤维制成的。其他研究显示，在蔗渣和麦草浆中添加4%～10%的短切涤纶短纤维，可以极大地提高所制备纸张的机械性能。在一些应用中，合成聚丙烯纤维已被用于清除二次纤维原料中的油墨和黏性颗粒。例如，美国的Scav EX 235就属于这类产品并已取得了一定的研究成果。

腈纶纤维已广泛使用了很多年，目前全球产能大约为60亿英镑（约272万t）。腈纶纤维是一种合成纤维，其聚合链主要是由丙烯腈组成的一系列单体单元组合而成。美国联邦贸易委员会将丙烯腈质量分数超过85%的纤维定义为腈纶纤维。这些纤维对水、化学试剂、热和紫外光均有很强的阻隔性能，并可以在较短或微纤化状态下使用。腈纶纤维已被应用于一些非织造产品，并产生了一些独特的性能。

很早之前的一个研究显示，合成纤维在造纸体系中可以当作胶粘物的一种有效吸附剂。报道称，添加少量的具有高比表面积的合成纤维，就可以包覆胶粘物颗粒，防止胶粘物的絮聚，从而减少纸机系统中的沉积物。虽然这种方法已被证实有效，但还没有关于其应用的文献报道。阻碍合成纤维在传统造纸中应用的主要因素有2个：一是成本，二是大多数合成纤维不能与天然纤维素纤维相结合。

本文的主要目的是探究腈纶纤维对造纸过程中胶粘物的控制效果，并利用该方法来提高产品纸张的性能。不同于以前的大多数研究，在这项工作中，腈纶纤维被直接添加到OCC纤维悬浮液中，使腈纶纤维表面和悬浮物质在混合溶液中相互作用，这些纤维有一部分会在后续的纸浆筛选中去除掉。这项技术将来实施时，在回收纤维浆料的处理过程中，一些腈纶纤维可能在筛选处理中被去除，这也为从造纸系统中去除胶粘物和其他亲油性物质提供了一个机会，剩下的腈纶纤维会随着造纸工艺流程进入到下一步，最终可能会影响纸张的性能，如表观密度，抗张强度和抗爆裂应力。

1 材料和方法

1.1 原料

OCC，从使用后的废品中随机收集；水基腈纶PAS，来自伊朗某公司，产品规格见表1。

表1 水基腈纶PAS原料的规格

使用拉杆涂布机，在一张砂纸上以70 mm/s的涂布速度涂1层PSA，涂布量为27 g/m2。然后放入温度为50℃的烘箱中干燥1 h。将干燥后的PSA树脂薄膜以10%的质量比按压到OCC纸样中。

清除剂材料，主要用来从悬浮液中收集和控制亲油性物质，包括工业纺织腈纶纤维，并用剪刀将原纤维剪成大约2 mm的长度。

1.2 碎浆

将准备好的OCC材料在水中预浸渍2 h后碎浆，浆浓为质量分数5%，然后在温度为50℃和搅拌速度为10 000 r/min的条件下对浆料进行疏解。将制备好的悬浮液收集待用。

1.3 微胶粘物

采用微胶粘物沉积物测试仪，按Doshi方法检测微胶粘物。该设备中2个平行的不锈钢板持有2个尺寸为12.7 cm×2.54 cm的高密度聚乙烯薄膜（HDPE），在含有微胶粘物的体积为12 L废水中以温度为65℃、搅拌速度为100 r/min的条件旋转搅拌30 min。结束后，将HDPE从不锈钢板上取下来，用温度为20℃的去离子水冲洗，然后在温度为105℃下干燥至恒重，最后称重。

1.4 浊度测试

将OCC缝筛后收集的滤液静置24 h，采用浊度仪测试其浊度。

1.5 大胶粘物

采用TAPPI标准测试方法T 277pm-99《浆料中大胶粘物含量：提取法》测试大胶粘物。称量其绝干质量，然后计算出大胶粘物的百分占比。

1.6 大胶粘物影像分析

采用扫描仪在最高分辨率（600 dpi）的条件下拍摄不同处理阶段的大胶粘物滤片的扫描图像，如图 1所示[图中：（a）为原始滤片扫描，（b）为染色片，（c）为二值图像，（d）为阈值图像，（e）为反转图像，（f）为去除外框后图像，（g）为封闭粒子环境，（h）为填充孔（最终分析图像）]。

图1 不同处理阶段的大胶粘物滤片的Image J扫描图像

采用Image J软件进行图像分析，操作流程如图2所示。

图2 Image J软件图像分析操作流程

1.7 手抄纸性能测试

根据TAPPI标准测试法T 205 sp-02《成形纸张物理测试》制备手抄片，定量为（130±5）g/m2。按下述TAPPI标准测试方法测试手抄片的物理性能、光学性能和机械性能：测试条件（T 402 sp-03《纸、纸板、纤维手抄片和相关产品标准条件和测试环境》），白度（T 452 om-02《浆料、纸和纸板白度测试定向反射比为457 Nm》），纸张卡尺厚度（T 411 om-05《纸、纸板和复合板厚度[游标卡尺]》），抗张强度（T 494 om-01《纸和纸板抗张性能[采用恒速伸长率测试仪]》），耐破度（T 403 om-02《纸张耐破度测试》），撕裂强度（T 414 om-04《纸张内撕裂阻力[Elmendorf法]》）和气阻性（T 460 om-02《纸张气阻性[葛尔莱法]》）。

1.8 SEM图像

采用装备有EDS传感器模型7353的LEO 1450 VP显微镜进行扫描拍照，分辨率为2.5 nm。拍照前对样品表面进行喷金和涂钯处理。

1.9 数据分析

采用标准配对t检验分析实验结果，为简化方法的比较，在所有数据中，均采用95%置信区间的误差条。下列为用于计算的公式和相应的t因子：

式中：SE为标准误差；M为平均值；n为样本量。

2 结果与讨论

2.1 大胶粘物

图3为腈纶纤维对大胶粘物相对质量的影响结果。

由图3可见，当腈纶纤维添加量增加至质量分数1.5%（以绝干浆质量计，下同）时，大胶粘物质量随之增加。然而，继续增加腈纶纤维添加量时，对大胶粘物相对质量的影响，与1.5%添加量时相比，并没有明显差异（置信区间为95%）。胶粘物附着于腈纶纤维上后，被拉长的腈纶纤维会造成大颗粒胶粘物的形成和胶粘物的絮聚。天然纤维和合成纤维不能通过萨默维尔缝筛，这使得收集到的大胶粘物质量增加。

图3 腈纶纤维不同添加量对筛选出的大胶粘物质量影响

2.2 大胶粘物形态分析

表2总结了不同添加量腈纶纤维和后续筛选处理对大胶粘物影响的分析结果（表中：“C”为测得的胶粘物数量；“A”为胶粘物的测量面积，mm2；“D”为对数面积密度，mm2）。

表2 采用Image J软件全面分析大胶粘物的结果

结果显示，腈纶纤维的添加对胶粘物的数量、面积和对数面积密度有直接的影响。腈纶纤维添加量的增加使大胶粘物的总数量和面积有小幅度的增加。与空白样相比，不同级别胶粘物的数量和面积有着显著的变化。在腈纶纤维处理过的样品中，尽管大胶粘物数量明显减少，但纤维含量仍有所增加。与空白样相比，胶粘物的表面积和计算出的对数面积密度增加。

在原料中添加腈纶纤维后，前2个级别的大胶粘物数量和面积都显著减少，然而在最后4个级别中，大胶粘物的数量和面积都普遍增多。实际上，变化趋势与胶粘物的级别密切相关，如：在浆料中增加腈纶纤维添加量时，粒径100～200 μm和200～300 μm级别的胶粘物数量减少，而其他级别的结果则恰恰相反。这可能是因为腈纶纤维吸附于PSAs上，阻止了胶粘物的进一步分散，从而减少了悬浮液中胶粘物小颗粒的产生。

2.3 微胶粘物

根据实验室安排，微胶粘物的测试旨在模拟发生于纸机湿部和干部中的真实沉积环境。图4显示了腈纶纤维不同添加量对滤液中的微细胶粘物含量和浊度的影响。

图4 腈纶纤维不同添加量对滤液中的微细胶粘物含量和浊度的影响

图4显示，合成纤维的添加是微细胶粘物沉积量减少的主要原因，因为胶粘物可以吸附于合成纤维的表面。有研究表明，腈纶纤维可以吸附或包覆黏性物质，降低它们的黏着性，使其更容易保留在纸幅中。因此，游离的黏性颗粒数量（如沉积试验机桨叶上附着的颗粒）减少。

图4同时显示了通过缝筛后的滤液浊度的分析结果。结果表明，腈纶纤维添加量增加至1%时，浊度大幅度降低。当腈纶纤维添加量达到1.5%时，微细胶粘物的收集量达到最大，因此滤液中分散颗粒数量减少。腈纶纤维添加量超过2%时，对浊度影响不大，也就是说腈纶纤维添加量过高时，对进一步降低微细胶粘物作用不大。

图5显示了腈纶纤维不同添加量对缝筛后良浆得率的影响。

从图5可知，腈纶纤维添加量增加，会造成所得良浆得率降低。实际上，胶粘颗粒吸附到腈纶纤维上后，会得到一种更大的物体（类似于大胶粘物），使其不能通过筛缝，最终会造成筛渣或大胶粘物数量的增加，这也是最后缝筛后良浆得率减少的原因。

图5 腈纶纤维不同添加量对缝筛后良浆得率的影响

图6显示了腈纶纤维不同添加量对回收浆料游离度的影响。

图6 腈纶纤维不同添加量对回收浆料游离度的影响

从图6可知，腈纶纤维的添加提高了所得原料的游离度。产生这种结果的一个原因是腈纶纤维对水吸附没有自然亲合力；此外，微细胶粘物的絮聚，也极大地提高了浆料的游离度。若微细胶粘物没有发生絮聚，纸张在湿部脱水过程中很可能会造成网孔的堵塞；在纸页成形过程中，腈纶纤维能形成一个更大、更多孔隙的纤维湿垫。这3个因素可以促进水迅速地从湿部中释放出来。

图7显示了腈纶纤维不同添加量对手抄片松厚度的影响。

由图7可见，腈纶纤维的添加会造成纸张松厚度（表观密度倒数）的改变，当腈纶纤维添加量为2%时，手抄片的松厚度从空白样的1.79 cm3/g提高至1.98 cm3/g，增加了10.61%。产生该结果的一个重要原因是腈纶纤维和天然纤维之间的结合力与2种天然回收纤维之间的结合力相比来说较弱。另一个原因是合成纤维的不可收缩性，使手抄片厚度更大。从图中可知，腈纶纤维添加量超过0.5%时，会极大地提高手抄片的松厚度。

图7 腈纶纤维不同添加量对手抄片松厚度的影响

图8显示了浆料悬浮液中腈纶纤维不同添加量对手抄片空气阻力的影响。

图8 浆料悬浮液中腈纶纤维不同添加量对手抄片空气阻力的影响

从图8可知，腈纶纤维对手抄片空气阻力性能作用不是很明显，如100 mL的空气通过手抄片大约需3 s。处理后的手抄片与空白样相比，并没有明显的改变。

图9为腈纶纤维处理后的PSA表面显微图像（图中箭头所指为腈纶纤维部分覆盖住一大片的PSA）。

由图9可明显看到在搅拌之后胶粘颗粒吸附在腈纶纤维的表面。

图10为腈纶纤维处理后的压敏胶EDS图。

图10显示，碳酸钙和金涂层是制备SEM样品中较为普遍的材料。

实验也探究了在回收浆中添加腈纶纤维对纸张机械性能、物理性能的影响。图11为浆料悬浮液中添加腈纶纤维对手抄片耐破指数的影响。

图9 腈纶纤维处理后的PSA表面显微照片

图10 腈纶纤维处理PSA颗粒元素分析

图11 浆料悬浮液中添加腈纶纤维对手抄片耐破指数的影响

从图11可知，腈纶纤维添加量增加至1.5%时，手抄片耐破强度增加。与2种天然纤维之间的结合力相比，腈纶纤维和天然纤维的结合力较弱。然而，因腈纶纤维对微胶粘物的絮凝作用，可以清理天然纤维表面，从而提高了天然纤维之间的氢键结合力。此外，相对较长的合成纤维也可能会进一步提高纸页强度。结果显示，与空白样相比，腈纶纤维添加量较大时，可以提高手抄片的机械性能，如耐破指数；同时也能提高耐破能量吸收，如图12所示。

图12 浆料悬浮液中添加腈纶纤维对手抄片耐破能量吸收的影响

通常情况下，腈纶纤维添加到低质量的OCC回收浆中，会提高纸张的撕裂强度。腈纶纤维的一些基本性质，如较大的长度、强度和挺度，是提高纸张撕裂强度的最主要原因，如图13所示。合成纤维（如腈纶纤维）在天然纤维中扮演加强杆的角色，可提高所得纸张的强度性能。

图13 浆料悬浮液中添加腈纶纤维对手抄片撕裂指数的影响

裂断长是纸张最重要的性能之一，原则上由纤维表面上的羟基有效结合点数量和单根纤维的强度决定。因此，通过提高腈纶纤维的添加量，纸张的抵抗力增加。图14表明，在OCC浆料中添加腈纶纤维，可以极大地提高了手抄片的裂断长。

2.4 研究意义

这项研究虽然给与了我们很大的希望，但仍需进一步地实验和工厂试验工作来确定最佳的实施方案。这其中，关键的一个问题在于将大量的塑料纤维添加到选定的纸产品中是否有利。尽管目前的研究显示，合成纤维对强度性能有一定程度的提高，在造纸过程中也会提高纸张松厚度，并且在定量一定时厚度提高，但探究合成纤维对不同用途纸产品性能的详细影响仍十分重要。有一种假设是吸附在纸张中合成纤维表面上的黏性颗粒非常小，并且会完美地嵌入在纸张中，在纸产品的转化和应用过程中不会造成任何问题，这个假设虽然是合理的，但也需要在各种情况下加以检验。

在目前的工作中，进一步实施该研究技术的方法是优化体系，使所有的合成纤维基本上都能从体系中筛选去除。目前的研究显示，在浆料中添加腈纶纤维会从悬浮液中有效地收集胶粘物，整体上来说，这是一个很有前途的方法。通过慎重地选择这种纤维的长度和其他性能，可以优化反应体系，最终可以从系统中去除掉一半数量的合成纤维以及它们吸附的黏性物质。依据回收纤维处理操作的设置方式，将合成纤维与无纤维工艺水混合起来，再进行筛选，可以净化纸回收厂的工艺用水，这也可以作为一种从系统中去除胶粘物的方法。这种操作方式的相对价值需要根据材料的成本来衡量，同时也要注意，该方法不能从纸制品中的合成纤维包含物中获取任何可能的益处。

图14 浆料悬浮液中添加腈纶纤维对手抄片裂断长的影响

3 结论

本论文使用市售的PSA模型胶粘物悬浮液，在实验室体系下，探究了胶粘物颗粒在腈纶纤维上的被吸附、被包覆和作用被减弱。结果显示，腈纶纤维可以有效降低回收浆中大胶粘物和微细胶粘物比例，提高被处理浆料的游离度。结果还证实，使用腈纶纤维控制胶粘物，可以提高手抄片的机械强度性能。因此，可对合成纤维引入到回收纤维加工中的实验作进一步的探究，以达到一个更好的组合效果，从而提高对胶粘物的控制效果，提高产品得率，提高纸张关键性能。