浅谈羧甲基纤维素钠在纸机湿部的应用

前些年我曾在刊物上分别介绍过有关羧甲基纤维素钠(CMC)在纸张颜料涂布和纸张机内表面施胶方面的知识。几年下来接触过各种各样的用户,特别是有些用户想通过在纸机湿部添加CMC来提高纸和纸板的质量。但他们当中有的由于找不到有关这方面的资料,往往在具体应用上遇到一些困难,有的即使用了也未能达到预期的效果,因而对在纸机湿部添加CMC的作用产生了疑惑。这次我想理论结合实践从实用的角度来谈谈以下几个问题,供相关人士参考。

　　1　湿部添加CMC对纸机运行和纸张质量有那些好处

　　(1)CMC是一种良好的分散剂。经溶解成胶体溶液的CMC加入到纸浆悬浮液中之后非常容易与纸浆纤维和填料粒子亲和,而使本已具有负电荷的纸浆纤维和填料粒子的负电性增加了,根据带有同种电荷粒子相互排斥的原理,纸浆悬浮液中的纤维和填料便可获得更均匀的分散。反映到纸页成形上,便是改善了纸页的匀度。同时改善匀度也是提高纸张物理强度的途径之一。

　　(2)CMC进入湿部纸料中后,通过其羧甲基与纤维上的羟基发生化学水合作用,增强了纤维间的键合力,再经过纸机后续各道抄造工序的物理加工,纤维间的结合力便会获得大幅度提高。其效果将直接反映到纸页的几乎所有物理强度指标的提高上。

　　(3)CMC具有浆内施胶功能。它不仅自身能给纸页带来一定的施胶度,而且它是松香胶和AKD等施胶剂的保护胶体,可以促进它们分散成极小的粒子均匀地分布到纤维上,延缓AKD的水解速度,降低其水解垃圾污染系统的可能性。

　　(4)由于CMC极易与细小纤维及填料粒子亲和,如果能选择适当的阳离子助剂与之配伍使用将能获得显著的功效协同效应,不仅能提高纸机的单程留着率,而且会相互促进提高助剂自身的留着率,使助剂功效更加显著。

　　2　哪些纸种适宜在湿部添加CMC

　　从理论上讲,所有存在匀度缺陷,物理强度(如表面强度、裂断长、撕裂度、耐折度、耐破度等)缺陷的纸都可以通过在纸机湿部添加CMC加以改善,纸机单程留着率低下或欲提高在用的某些昂贵的阳离子助剂(如阳离子型湿强树脂)的留着率时,均可使用CMC。但从我熟悉的用户群所涉及的产品来讲,主要还是一些特种纸和纸板。

　　如装饰纸、地图纸、证券纸、水松纸、卷烟纸、卫生纸、餐巾纸、制鞋用纸板、过滤纸板和餐饮具的模压成型等,也有在新闻纸和胶板纸中用得相当成功的例子。CMC的价格在造纸化学品中相对较高,而特种纸和纸板的附加值高,使用少量的CMC来提升其品质是十分值得的。而对于那些大路货产品是否值得采用,那就需要先权衡利弊再行决定。

　　3　如何选择适合你使用的CMC规格型号为了获得良好的应用效果,湿部添加用的CMC应予选择的第一指标当然是取代度。一般造纸用CMC的取代度控制在0.40～0.90之间。取代度越高,其取代均匀性相对会好些,溶解性也会好些,但其负电荷携带得更多。高取代度的产品多用作分散剂,悬浮剂;用到纸张涂布上作涂料保水剂的CMC其取代度为0.70～0.80就足够了;用作表面施胶剂的CMC,其取代度控制0.60～0.75就可以满足需要。但对于湿部添加用的CMC来说,则应使用低取代度产品。

　　因为纤维和填料粒子通常都携带有一定量的负电荷,再由CMC带入大量的负电荷对纸机稳定运行不利。即使采用其他阳离子型助剂与之配伍使用,但由于这些阳离子型助剂通常所携带的阳电荷较弱,所以不宜使用高或较高取代度的CMC作为湿部添加剂。

　　其次要考虑的因素是CMC的粘度(本文所涉及的CMC粘度均为ｗ=2%CMC溶液,在25±0.5℃时,用同济大学产ＮＤＪ-79型粘度计测定的)。CMC的粘度是随其分子聚合度的增加而提高。聚合度与其粘接强度、成膜性、桥联作用等特性之间存在着一定的正关联。在大量的纸料悬浮液中加入极少量的CMC,很自然选择粘度高些的产品。究竟选择何种粘度为宜,则与你的用法、用量、所产纸种有一定关系。

　　用于湿部添加的CMC通常在400～800ｍPa·s粘度范围内选择。在此粘度范围的CMC几乎适用于所有的纸种,但在一些要求高强度的特种纸板和模制餐饮具的生产中采用粘度800～1000ｍPa·s的CMC效果会更好些,这一点已得到上海、杭州、沈阳等地几个厂家的实例印证。当然也不是越高越好,粘度太高就不易操作。

　　4　怎样选择配伍助剂

　　CMC是一种带有相当强负电性的造纸化学品,可以利用其这一特性来分散纤维和填料以改善纸张匀度并提高浆内施胶效果。但事物总是有它的两面性。如果在选择其它配伍助剂时处理不当,就会带来一些不想出现的负面作用,如纸机单程留着率会有所降低或出现某些纸病。为了让CMC作为湿部添加剂的各项优越性能充分发挥出来,根据应用经验可以确认,在大多数情况下CMC与取代度在0.033以上的中、高取代度(用于造纸业的阳离子淀粉的取代度通常在0.01～0.07范围内)阳离子淀粉配伍使用能获得很好的协同效应。较高取代度的阳离子淀粉带有较丰富的阳电荷,有利于此时湿部的化学电位平衡,首先使CMC和阳离子淀粉自身获得了理想的网上留存从而也促进了它们各自亲和的纤维和填料粒子的留存。这里选用的阳离子淀粉是助留型的,而增强的责任则主要是由CMC来承担。

　　这时阳离子淀粉的添加量应比CMC多些,但一般不超过绝干浆的1%(质量分数)。对于那些要求有高湿强的纸种,通常需要在湿部添加阳离子湿强树脂,此时若能适量加入一些CMC,则阳离子湿强剂的留着率将比单用时提高40%以上,强强联合的结果,可使其各自的优势都得到较好的发挥。CMC能与阳离子湿强树脂产生交联,让它们配伍使用好处很多,特别适用的纸种前面已列举过。同一台纸机的湿部,除了特殊需要,一般使用的助剂不必过于复杂,否则会引出一些麻烦。

　　如某用户在使用阳离子湿强剂、CMC的同时还使用着阴离子聚丙烯酰胺(ＡＰＡＭ)和阳离子聚丙烯酰胺(CPAM),结果纸页上出现斑点并有糊网现象,经查才知道是未溶解好的ＡＰＡＭ闯的祸。助剂种类用得过多,除了会因精力上照顾不周引起麻烦外,还易造成添加点的错位,影响使用效果,也不经济。

　　5　CMC的用量和添加位置湿部添加CMC的量取决于你对产品的某些弱势指标改善的期望值。通常用量范围是每吨绝干浆4～8Kg,用量最低的是卷烟纸,为每吨绝干浆2Kg,用量最高的是装饰纸和过滤纸板、鞋用纸板,每吨绝干浆8Kg,而且各家也不近相同。一般可从每吨绝干浆5Kg左右试起,筛选出最适合自己的用量。

　　CMC的添加位置基本都是加在成浆池或未叩浆池中。CMC还是一种优良的打浆剂。你可以选用粘度适中(400～600ｍPa·s,比较易溶解)的CMC按预定添加量直接以粉末或颗粒状态分散撒入未叩浆池中,借螺旋推进器的搅拌动力促进溶解,也可以将已预溶好的CMC胶液(质量分数为1%左右)淋加入未叩浆池,经20～30ｍｉｎ后即可进行打浆。

　　加在成浆池时,通常是在配浆时与松香胶、增白剂、染色剂等一些阴离子助剂分别计量,但可同槽加入。对于酸性造纸工艺来说,为了不致于过早蒂形成酸性环境,矾土应放到冲浆泵入口处或更后一点的位置加入。而且阳离子淀粉或阳离子湿强剂应先于矾土加入,一般选择在高位箱。如果还有用CPAM的则CPAM最适合的加入位置应该在旋翼筛出口后面离脉冲衰减器5ｍ左右的地方,或小纸机的稳位箱。酸性造纸的ｐＨ值不宜控制过低,ｐＨ<4.8时对CMC使用有不利影响。

　　6　CMC的溶解操作

　　CMC在添加时有直接加入原粉或颗粒的,但无论作何种用途,大都是将CMC预溶成一定浓度的胶体溶液备用(惟特高固含涂布直接用固体而不预溶)。用作湿部添加时,一是由于其粘度相当高,溶解相对难些,浓度高时时间也长;二是低浓度的CMC胶液易与纸浆悬浮液均匀混合,所以在备有大溶解槽时,可直接溶解成ｗ=1%以下的溶液放到贮槽备用。如果溶解槽较小,则溶解的胶液浓度相对可以高些,比如ｗ=2%～2.5%然后再稀释到ｗ=0.5%～1.0%备用。稀释时需要搅拌,稀释加料完后再搅拌十几分钟就可以静置备用了。CMC的机械稳定性好,所以溶解时欢迎较高的搅拌速度以利更好地分散溶解。一般转速可控制在360～720ｒ/ｍｉｎ,溶解完后可停止搅拌。

　　过去国内只能生产粉末状CMC,较难溶解,现在为了在质量上与国际名牌接轨,国内已有安徽国昌物资再生利用有限公司,江阴恒达化工有限公司等多个CMC生产厂家正在积极与国内造粒装备公司合作攻关,他们都力图能在较短的时间内生产出与国际名牌外形和内在品质基本相同的速溶颗粒状CMC。关于溶解设备的“大”与“小”是应与造纸机规模相比较而言的。CMC既能溶于热水,也能溶于冷水,以50～70℃热水溶解最为合适。加料时应注意分散缓慢地加入,不宜倾倒加料,以免结团成块,延缓溶解速度。条件差的小厂甚至可以用非金属容器浸泡数小时至十几小时,偶尔人力搅拌几下,就可溶成胶液,然后在使用前用水在搅拌下调节至所需浓度即可。

　　7　一个值得探讨的有趣话题

　　能生产出取代度D·S>1.5的CMC不足为奇,但要生产出D·S<0.5而其溶液中不含游离纤维的CMC可不那么容易。如果设备条件较差,工艺条件控制稍不到位,即使生产出来的CMCD·S超过了0.6,其溶液中细小游离纤维仍然会存在,而且能明显影响到溶液的折光率和透明度。用作纸机湿部添加剂的CMC应较少地给系统带入负电荷,也就是说它应是较低取代度的产品。

　　通常认为一个高品质的产品,其溶液外观应该是高透明度和极少甚至人眼观察不到的水不溶物。但这是低取代度产品所难以达到的。这里就产生了一个产品技术指标上的矛盾。由资料悟到,其实保留在溶液中的少量的游离纤维都是些经羧甲基化改性了的低取代度(D·S<0.2)棉纤维。

　　这种改性了的棉纤维具有比经碱处理过的棉纤维更好的拉伸强度、耐热性、防皱性、染色性。羧甲基基团进一步反应还可以得到阻燃性和防菌性。由于经羧甲基改性的棉纤维有许多优越性,诱使人类不断地在探索将其引入纺织工业中以省略脱浆和丝光工艺以便获得一种比较完美的布料。这也说明CMC中存在的极少量的游离纤维是一种性能优良的纤维,带入纸料中有利无弊。

　　况且,与可溶性CMC的量比起来,其所占比例微乎其微。因此,在权衡CMC的质量指标时,就可以重点突出,对于湿部用CMC而言,较低取代度是支持应用成功的一个重要因素。低取代度的CMC生产成本较低,产品的价格也相应低些,这可以降低助剂使用成本。所以,我主张不妨换一种思维方式来看待湿部用CMC溶液中存在的少量游离细小纤与其质量的关系。