大型文化紙機采用AKD施膠并將施膠由漿內改至表面的重要性

危志斌，張瑞杰

（山東太陽紙業股份有限公司 天章分公司，山東 兗州 272100）

大型文化紙機采用AKD施膠并將施膠由漿內改至表面的重要性

危志斌，張瑞杰

（山東太陽紙業股份有限公司 天章分公司，山東 兗州 272100）

大型文化紙機目前主要采用中堿性施膠，施膠劑主要采用烷基烯酮二聚體（AKD）和烯基琥珀酸酐（ASA）。但因ASA成本和乳化設備投資大，其施膠成本居高不下；而AKD因國產化的普及和新制作技術的開發，其施膠成本有較大的降低。同時，因AKD增效劑的開發和應用，AKD施膠可以由漿內改至表面。這將減少AKD漿內施膠產生的水解產物對紙機濕部系統的污染，同時改善紙張品質，提高紙機效率。由此可見，采用AKD表面施膠效益相當可觀，值得推廣。

文化紙；施膠劑；烷基烯酮二聚體；烯基琥珀酸酐

隨著石油價格的上漲，由石油衍生的各種產品價格隨之升高，造紙企業使用的施膠劑ASA也將隨之漲價。

紙張施膠采用的施膠劑雖然多樣化，但從施膠效果和成本方面考慮，大型文化紙機目前普遍采用中堿性施膠，施膠劑主要采用AKD和ASA。ASA價格的升高和乳化設備的投資大，導致ASA施膠成本居高不下。而AKD制備技術的成熟且AKD的國產化使AKD施膠成本不但沒有升高反而呈下降趨勢，故采用AKD施膠是生產進步的必然。

AKD施膠隨著AKD增效劑的開發和投入應用，使AKD由漿內施膠改至表面施膠成為可能。這不但減少了AKD漿內施膠產生的水解產物對紙機濕部系統的污染，而且提高了下卷紙頁AKD的熟化度和大幅度地降低了生產成本。文化紙主要要求表面吸水，大型文化紙機采用AKD表面施膠更有利于紙張品質的改善和生產效率的提高。

1 大型文化紙機施膠劑的主要種類及其作用原理

1.1 施膠劑的主要種類

紙頁的施膠分為紙內施膠（在紙漿中加入膠料，生產中一般稱之為漿內施膠），紙面施膠（在紙的表面施膠，生產中一般稱之為表面施膠）和雙重施膠（紙漿中和紙面上均進行施膠）[1]67。其中，紙內施膠又分為酸性施膠和中堿性施膠。酸性施膠使用的施膠劑主要是松香膠；中堿性施膠使用的施膠劑主要是AKD和ASA。目前大型文化紙機主要采用中堿性施膠。

1.2 施膠劑的作用原理

施膠劑不同，膠料與纖維等的作用原理也不同。

1.2.1 松香膠的作用原理

松香膠施膠是膠料沉淀物吸附留存在纖維上。松香膠施膠過程中需要使用 Al2（SO4）3，一是調整上網漿料的pH，二是作為松香膠膠料吸附到纖維上的載體。松香膠的吸附是由于松香的羧基和沉淀物鋁離子的離子鍵作用生成絡合物[1]85。

1.2.2 AKD的作用原理

AKD與纖維素進行共價鍵結合而固著在纖維上。AKD有一反應基團，能直接和纖維素的羥基反應形成共價鍵結合，在纖維表面形成一層穩定的薄膜，使纖維由親水性變為疏水性[1]85。AKD施膠過程中不一定需要使用 Al2（SO4）3，也可以在稍寬范圍的 pH（6～9，最佳為8～9）條件下使用。但AKD與纖維作用緩慢，需要一定的固化時間。AKD與纖維的作用是使纖維素表面的—OH酯化，其反應式如下[1]85[2-3]：

1.2.3 ASA的作用原理

ASA與纖維素和半纖維素的羥基反應形成酯鍵，使分子定向排列，疏水的碳氫鏈端伸向紙頁外面而賦予紙頁疏水性能。ASA施膠可以在較寬范圍的pH（5～10）條件下使用。ASA施膠施膠過程中可以使用少量Al2（SO4）3，利用鋁離子與ASA水解的二元酸形成鋁鹽，減少水解產物形成的黏狀沉淀。ASA施膠反應速度比AKD快得多，甚至在干燥的空氣中就發生施膠反應，且對紙頁的干燥溫度不作要求。其反應式如下[4]：

2 大型文化紙機采用AKD施膠的應用現狀與前景

目前大型文化紙機主要采用中堿性施膠，上網漿料的pH一般在7.0～8.0之間。采用的施膠劑主要是AKD和ASA。但隨著2008年世界性經濟危機的爆發，石油價格居高不下，導致ASA的制備成本大幅升高，同時ASA乳化設備價格昂貴。在造紙企業不愿意采購高價格ASA的前提下，ASA供應商獲取利潤的空間將越來越小，故最終提高ASA產品價格是一種必然趨勢。而AKD卻與ASA不同，雖然制備AKD的蠟粉價格有所攀升，但由于AKD制備技術已經成熟，國內制備AKD的廠家已經越來越多；并且，新的AKD制備方法正在研發和推廣，更有利于AKD制備成本的進一步降低。比如“一步法”制備AKD中性施膠乳液的方法[5]，簡化了傳統AKD中性施膠乳液的制備工藝流程，不僅適用于大型造紙企業，而且由于設備投入費用低、制備方法簡單，也方便在中小型造紙企業的應用和普及。

傳統AKD制備過程中的乳化基本流程是：

“一步法”制備AKD乳液乳化的基本流程是：

綜合因素導致AKD的制備成本越來越低。目前國產AKD的到廠價格比進口AKD的價格低將近2 000元/t，即低將近36%。AKD的國產化最終使AKD施膠不僅成本低，而且進貨周期短，有利于造紙企業的使用和保證質量（防止水解）。采用國產AKD施膠，噸紙施膠成本較ASA降低6.0元以上。同時，如果AKD施膠由漿內改至表面，施膠成本降低幅度將更大，噸紙施膠成本較ASA降低10.0元以上。所以，大型文化紙機采用AKD施膠是大勢所趨。

3 大型文化紙機AKD施膠由漿內改至表面的重要性

3.1 AKD漿內施膠的負面影響

AKD漿內施膠的水解產物之一為固體物質，它們雖然可以隨漿料留在紙頁中，但不起施膠作用。水解產物β-酮酸是不穩定的中間體，與鈣離子作用形成穩定的黏狀物或沉淀；AKD水解速度會隨溫度升高而明顯加快；隨著時間的積累，紙機系統的泡沫可能會大幅增加，嚴重時會使紙頁產生孔洞等紙病。另外，AKD漿內施膠用量大，加之AKD是一種蠟狀物質，過多地使用AKD乳液，可能會使紙張產生打滑現象，此種狀況在靜電復印紙生產中一定要注意[6]73。

目前，商品漿的價格進一步攀升，漿料自產化和國產化的趨勢更加明顯。但國產的漿料，尤其是化機漿，大部分洗滌不干凈，尤其是使用濕漿時大量的陰離子垃圾隨漿料帶入紙機濕部系統；施膠過程中，施膠劑的用量增加50%以上、AKD的用量在15 kg每噸紙左右才能滿足文化紙的吸水要求。大量的AKD殘留在白水系統中，水解產物將對濕部系統帶來負面影響。

3.2 AKD施膠由漿內改至表面的重要性

AKD施膠由漿內改至表面，不僅AKD熟化度提高，而且消除了AKD水解產物對濕部系統的污染；同時對生產機外涂布的涂布原紙很有利，因為涂布機在涂布過程中如果AKD沒有熟化的話，吸水值高，原紙在涂布過程中造成涂料中的膠粘劑遷移過多，不但影響涂層強度而且可能使原紙涂布過程中產生折子和竄紙，影響涂布紙的質量和降低涂布機的效率。

3.2.1 AKD施膠由漿內改至表面使熟化度大幅提高

AKD熟化對溫度的要求比較高，必須使紙張長時間處于溫度93℃以上或溫度105℃下保持5 min，即可體現AKD的施膠效能[6]73；若在恒溫恒濕[（23±1）℃、（50±2）%RH]的條件下，涂布原紙需要10 d才能自然熟化[7]52。并且AKD的施膠作用，在干燥以后還不能完成，卷取24 h才完成80%[1]85。但實際生產中采用AKD漿內施膠的大型文化紙機的車速一般在1 000 m/min以上，AKD從開始接觸漿料到紙機下卷的時間不到2 min，并且運行中多數情況下溫度達不到93℃，使實際生產中下卷的紙頁中AKD的熟化度很低。表1是太陽紙業4 950 mm文化紙機生產定量為108 g/m2的涂布原紙車速為1 150 m/min時原紙的吸水情況（烘箱溫度為105℃。吸水值按國家標準檢測）。

表1 涂布原紙AKD漿內施膠吸水情況

從表1可知，108 g/m2涂布原紙在105℃的烘箱中烘5 min后吸水值降低了33.3%左右，這間接說明AKD下機時熟化度很低。

但AKD施膠由漿內改至表面，在AKD增效劑的協同下隨同表面施膠淀粉一起施膠，將大幅度提高AKD的熟化度，具體情況見表2（烘箱溫度為105℃。吸水值按國家標準檢測）。

表2 涂布原紙AKD表面施膠吸水情況

從表2可知，108 g/m2涂布原紙在105℃的烘箱中烘5 min后吸水值雖也降低16.7%左右，但烘前與烘后的差值明顯減小。這間接說明AKD下機時熟化度已大幅升高，對下機后的涂布原紙立即進行涂布有利，因為AKD沒有熟化的已占較小比例，無論紙卷放置時間長短對吸水值影響不會太大。

3.2.2 AKD施膠由漿內改至表面有利于雙膠紙的施膠

對雙膠紙的吸水值要求比涂布原紙嚴格，吸水值一般每面控制在20～30 g/m2。

但雙膠紙采用AKD施膠對吸水值的最終影響卻與涂布原紙不同，因為雙膠紙并不是下機后立即印刷，而從造紙企業到印刷廠有一定的時間延緩，這有助于AKD的自然熟化。所以無論是雙膠紙還是涂布原紙，雖然檢測吸水值的方法是一樣的（在105℃溫度的烘箱中烘5 min，然后按國家標準檢測），但吸水值對紙張的影響結果卻不一樣。

從上面的情況來看，雙膠紙采用AKD施膠無論是漿內還是表面，對施膠結果是否不會造成影響呢？其實不然，問題就出在AKD的熟化度上。太陽紙業2003年冬天給東北一家印刷廠生產一批雙膠紙時就出現假施膠的情況。當時氣溫很低，好長一段時間都在-10～0℃，東北那邊氣溫更低。當時生產也是采用AKD漿內施膠，下機紙張也是取樣放在 105℃溫度的烘箱中烘5 min，然后按國家標準檢測，烘后吸水值按廠家要求每面控制在20～30 g/m2。但10 d后，東北那家印刷廠印刷時，生產難以正常進行，經查找原因，發現原紙每面的吸水值普遍高于40 g/m2，一般在60～80 g/m2。發現問題后，太陽紙業分析原因，最終確定問題出在氣溫上面，天氣太冷減緩或停滯了AKD的熟化，使得AKD沒有按以往的預期作用熟化，導致吸水值偏高。

事實說明，雙膠紙采用AKD施膠時，采用AKD表面施膠的效果比采用AKD漿內施膠的效果更有保證。

3.2.3 AKD施膠由漿內改至表面提高了機外涂布機的涂布效果和效率

對于采用紙機生產原紙進行機外涂布生產涂布紙的生產企業來說，如果采用AKD施膠，最好是采用AKD表面施膠。因為如果按常規方法檢測涂布原紙的吸水值，涂布機在涂布過程中可能出現問題。因為AKD沒有熟化，涂布原紙立即進行涂布，涂布過程中原紙實際吸水值較檢測值高很多，原紙在涂布過程中可能會造成膠粘劑遷移過多過快，使得膠粘劑作用降低或者用量偏大，降低涂層強度；同時，因原紙吸水值大，涂布過程中原紙可能會產生折子和竄紙，影響涂布機的正常運行。這些情況已在太陽紙業的大型機外涂布機得到驗證。

太陽紙業4 950 mm大型文化紙機采用AKD漿內施膠生產涂布原紙給4 870 mm機外涂布機涂布，當時生產的原紙按標準檢測方法將吸水值控制在30～40 g/m2，但涂布難以正常進行，不是原紙在涂布過程中產生折子就是原紙在涂布過程中竄紙，只能通過加大AKD用量、降低吸水值或保持吸水值不變而采用ASA施膠才能解決問題。為了降低生產成本，改用AKD表面施膠，改用后問題得以解決，不但降低了生產成本，而且保證了涂布的正常。

4 大型文化紙機AKD施膠由漿內改至表面有利于降低施膠成本

涂布原紙二氯甲烷抽提物紫外光譜測定紙頁中的未反應的AKD的量為其添加量的50.7%[7]53。這說明AKD漿內施膠保留在紙業中的AKD也幾乎一半未起到施膠作用，所以采用AKD施膠，大量被浪費。故AKD施膠從理論上證明，如果采取表面添加，能節約大量成本并可行，因為文化紙的抗水性主要要求在表面而不是整個紙張。

實踐也證明，AKD施膠由漿內改至表面確實能大幅降低施膠成本。表3是太陽紙業4 950 mm大型文化紙機采用AKD漿內施膠和表面施膠生產定量為70 g/m2雙膠紙時的施膠成本比較（烘箱溫度105℃。吸水值按國家標準檢測）。

表3 雙膠紙AKD施膠成本比較

由表3可知，AKD施膠由漿內改至表面，在生產定量為70 g/m2雙膠紙時可以降低施膠成本9.2元/t（紙），降低幅度達到27.0%。效益相當可觀。

不過，采用AKD表面施膠對施膠的均勻性和成膜性要求較高，否則施膠不勻可能產生灰白色的道子和印刷過程中出現上墨不良的現象。

5 結論

大型文化紙機采用AKD施膠是一種必然趨勢，采用AKD表面施膠更有利于紙張品質的提高和紙機或涂布機生產效率的提高。

（1）大型文化紙機采用國產AKD代替ASA施膠噸紙成本能降低6.0元以上。

（2）大型文化紙機AKD施膠由漿內改至表面，在AKD增效劑的協同下隨同表面膠一起施膠，紙機的濕部系統將更加清潔，同時AKD的熟化度提高16.6%左右。

（3）大型文化紙機AKD施膠由漿內改至表面，不但有利于防止雙膠紙的假施膠，而且還有利于防止涂布原紙涂布過程中產生折子和竄紙。

（4）大型文化紙機AKD施膠由漿內改至表面，能大幅度地降低施膠成本。生產定量為70 g/m2雙膠紙時可以降低施膠成本9.2元/t（紙）左右，降低幅度達到27.0%。

［1］ 隆言泉.造紙原理與工程［M］.北京：中國輕工業出版社，1997.

［2］ 丁明曌，劉溫霞.AKD施膠的反應機理［J］.造紙化學品，2011，23（3）：15-18.

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［7］ 劉冉，韓卿.涂布原紙中未反應AKD的光譜分析測定［J］.紙和造紙，2010，29（8）.

The Necessity for Using AKD and Changing Its Application from Internal Sizing to Surface Sizing on Large Paper Machines Producing Printing and Writing Papers

WEI Zhi-bin，ZHANG Rui-jie
（Shandong Sun Paper Industry Joint Stock Co.，Ltd.， Tianzhang Filiale，Yanzhou 272100，China）

Large paper machines producing printing and writing papers mainly use AKD or ASA as neutral sizing agent at present.But the sizing cost for ASA has been remaining high due to the high cost of ASA itself and the need of high investment on its emulsifying equipment.By contrast，the sizing cost of AKD has been reduced greatly due to the facts that its old preparation technologies have already been localized and new techniques are kept on being developed and applied.Meanwhile，the application of AKD sizing can be changed from internal to surface thanks to the development and application of new promoting agents for sizing.The change will reduce the contamination of the sizing hydrolysates to the paper machine wet end,and improve the quality of paper and efficiency of paper machines.Therefore，it will of great benefit to use AKD widely for making printing and writing papers.

printing and writing paper； sizing agent； AKD； ASA

TS727+.5

A

1007-2225（2011）06-0026-05

2011-08-12

危志斌先生（1976-），工程師，工藝科長；主要負責4950紙機和4870涂布機工藝、技術、化驗、造紙化學品、紙機易耗器材的管理工作；E-mail：bzwty1976@163.com。

本文文獻格式：危志斌，張瑞杰.大型文化紙機采用AKD施膠并將施膠由漿內改至表面的重要性[J].造紙化學品，2011，23（6）∶26-30.