濕部優化：提高濕強度性能效率（WSPE）

芬蘭凱米拉（KEMIRA）化學品公司

濕部優化：提高濕強度性能效率（WSPE）

芬蘭凱米拉（KEMIRA）化學品公司

介紹了利用陰離子功能促進劑和陽離子乙二醛聚丙烯酰胺干強劑，提高紙張濕強效率的應用案例。說明選擇正確工藝化學品可為提高紙品質量和整體運行效率帶來顯著益處。

在制造具一定濕強度的紙巾紙（本文指餐巾紙、擦手紙、廚房紙巾等）和面巾紙產品時，通常在紙漿懸浮液中加入濕強劑，以提高紙張的濕強度[1]。“濕強度”指成品紙或紙板用水重新潤濕后的強度。聚丙烯酰胺-表氯醇樹脂（PAE樹脂）是造紙工藝中最常見的濕強劑之一。該樹脂含有陽離子氮雜環丁二烯官能團。在造紙工藝中，氮雜環丁二烯基團可以與纖維（主要是羧基）上的陰離子位點發生反應。此外，聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇還可通過自交聯提高紙張的濕強度。

1 濕強度效率

濕強度性能效率（WSPE），簡稱濕強效率，其定義為濕抗張指數對濕強劑添加量的比例。例如，如果10kg/t的聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇需達到10N.m/g的濕抗張指數，則其濕強度性能效率為1.0（kN.m/g）。因此造紙工藝的關鍵是要實現最高的濕強效率，使制造商可以減少化學品使用量或提高干/濕抗張強度比。濕強效率在很大程度上取決于紙漿原料的類型。

1.1 漂白原生漿的濕強效率

大部分漂白原生漿具有低導電性和低陽離子需求量。但商用聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂具有較高陽離子電荷密度，通常在2meq/ g與3meq/g之間。高劑量的聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇將漿料轉化為陽離子系統，導致更多的聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂無法留著，從而造成濕強效率過低。

1.2 再生漿的濕強效率

再生紙漿，特別是利用混合辦公廢紙生產的再生紙漿，含有相對較高比例的細小纖維、填料和其他陰離子材料。得益于其較大表面積，此類細小纖維和填料可吸附絕大部分的濕強劑。未留著的細小纖維和填料會大幅降低濕強效率[2]。相反，提升填料和細小纖維留著率可提高濕強劑在紙張上的留著率，從而增加濕強效率。如圖1所示，相比利用舊瓦楞紙板（OCC）生產的棕色紙巾紙，利用混合辦公廢紙（MOW）再生纖維生產的白色紙巾紙濕強效率更低。各種漂白工藝會降低纖維表面電荷密度[3]，進而減少濕強樹脂在纖維上的吸附，從而導致濕強度降低。不僅如此，相比舊瓦楞紙板，混合辦公廢紙通常灰分含量較高，未留著的灰分消耗了部分聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂，引起濕強效率降低。

圖1 棕色紙巾紙與白色紙巾紙濕強效率對比

濕強度性能效率低將導致以下問題：

● 紙機運行性能問題

● 濾水性差

● 成形網和毛毯阻塞

● 紙張斷紙或破洞

● 消泡劑用量加大

● 沉積在揚克缸表面導致涂層硬化，從而導致起皺性能欠佳

● 濕部化學品成本較高

2 使用功能助劑提高濕強效率

本文著重討論通過低成本高效率地利用新型陰離子功能促進劑和陽離子乙二醛聚丙烯酰胺干強劑，提高濕強效率。本文的案例研究將說明選擇正確的工藝化學品能夠為提高紙品質量和整體運行效率帶來顯著益處。

2.1 羧甲基纖維素

羧甲基纖維素（CMC）通常與聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇共用，以增加濕抗張強度和干抗張強度。然而，由于羧甲基纖維素通常以干粉狀態存在，因此在應用前需使用價格高昂的開解設備將其溶解在水中。傳統的助留劑/助濾劑可使細小纖維、填料和聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂充分留著在紙張上。然而，這些產品通常都是高分子量的線性高分子絮凝劑，可能會導致紙張成形效果不佳，抗張強度下降、紙張白度降低。此外，為達到最佳留著性能，可能還需使用價格高昂的乳化設備和儲存罐。

2.2 陰離子型聚丙烯酰胺

合成陰離子型聚丙烯酰胺溶液是羧甲基纖維素和助留劑/助濾劑的高效替代品。凱米拉的陰離子功能助劑系列提供了一個簡單的“隨取隨用型”應用解決方案。這些陰離子功能助劑以液態形式運輸，可使用管式靜態混合器輕松地與稀釋水混合。

圖2 陰離子型聚丙烯酰胺的作用機理

如圖2所示，在造紙過程中，陰離子功能助劑可與陽離子聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇發生交聯，提升填料、細小纖維和聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇在紙張上的留著率，從而提高濕強效率。采用凱米拉陰離子功能助劑，紙巾紙/面巾紙制造商能夠在提高紙張上聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇固定率的同時，維持良好的紙張成形效果。

2.3 陽離子乙二醛聚丙烯酰胺

乙二醛聚丙烯酰胺（GPAM）已被廣泛應用于各類紙制品的生產過程，用以增加紙張的干強度[4]。乙二醛聚丙烯酰胺通常在紙張成形之前加入紙漿懸浮液中。在對處理過的紙張進行干燥時，乙二醛聚丙烯酰胺可與纖維素形成共價鍵，從而能夠增加紙張的干強度。此外，由于乙二醛聚丙烯酰胺與纖維之間的共價鍵在水中具有可逆特性，因此，乙二醛聚丙烯酰胺還可增加紙制品的暫時性濕強度。

相比傳統乙二醛聚丙烯酰胺產品，凱米拉最新推出的新一代乙二醛聚丙烯酰胺產品能夠提供卓越的強度性能。本報告表明，在生產具有濕強度性能紙張的過程中，結合使用獨特的干強度技術與聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂，有助于發揮協同效應。聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂常用于同時增加紙張的濕強度和干強度。然而，對于僅通過使用聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂即希望實現足夠干強度的要求而言，許多再生紙漿原料具有一定挑戰性。通常情況下，在使用高劑量聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂時，濕抗張測試結果能夠較好符合產品性能指標，但干抗張試驗結果卻仍低于目標值。進一步增加聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇用量會導致機器的運行性能出現問題。在這種情況下，該技術可與聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇共用以增強紙制品的干強度。該技術還提高紙制品的脫水效率和濕抗張強度，并以此減少聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇的用量。

3 應用實例

3.1 案例1：使用陰離子功能助劑增加濕強效率、提高設備運行性能

歐洲某造紙廠生產100%再生紙，紙張等級距家用紙巾紙等級相差較遠。該工廠濕強度樹脂用量居高不下（14～16kg/t，絕干添加量）。該廠的一項電荷滴定研究顯示，其流漿箱與白水呈陽性。該結果表明，濕強度樹脂在紙張上的留著率低，且濕強效率相對較低。此外，這也可能是首程留著率低、濾水緩慢、消泡劑用量高和起皺性能欠佳的潛在原因。

針對這一現象，該廠在濕強度樹脂添加點之后的扇泵入口處使用陰離子功能助劑。

使用陰離子功能助劑后，該廠有效提高濕強效率（WSPE）66%，提升總產量17%，并降低消泡劑整體用量40%。

圖3 功能助劑技術提高設備運行能力和生產能力

表1 案例1 中工廠的實際生產情況

3.2 案例2：使用陽離子干強劑取代羧甲基纖維素

某北美造紙廠生產居家外用（AFH）型100%再生纖維制濕起皺紙巾紙。該廠希望能夠在降低該產品定量12%～14%的同時，維持與原產品相同的濕抗張強度和干抗張強度目標。

起初，該廠嘗試通過使用聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇濕強度樹脂和羧甲基纖維素干強度產品，提供預期的抗張強度。然而，結合使用干/濕強度產品后，紙制品的干抗張強度始終低于目標值，且聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇用量居高不下。進一步增加羧甲基纖維素用量并未實現提高干抗張強度的目標。為解決這一問題，凱米拉建議該廠使用陽離子乙二醛聚丙烯酰胺完全取代羧甲基纖維素，并同時減少19%～33%的聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂用量。在造紙過程中，陽離子乙二醛聚丙烯酰胺與聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇樹脂混合后從紙機漿池加入。該項全新應用使得該工廠能夠在有效減少14%定量的同時，實現預期的抗張強度目標。連續生產具有目標干抗張強度的紙巾紙顯著提升了轉換效率和設備綜合效率（OEE）。使用聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇/乙二醛聚丙烯酰胺帶來其他好處，如最大限度地提高紙機速度、減少毛毯的污染、提高了損紙的碎解效率。此外，由于無需使用價格高昂的羧甲基纖維素開解設備亦帶來額外的降低成本效果。

4 結論

在制造紙巾紙和面巾紙產品時使用聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇濕強度樹脂有助于紙張獲得濕抗張強度性能。紙漿原料通常含有高含量的陰離子垃圾（細小纖維、填料、漂白劑等），從而導致聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇濕強效率（WSPE）大幅降低。凱米拉開發的全新方法可通過使用獨特的陰離子功能助劑和高效的陽離子乙二醛聚丙烯酰胺干強劑，有效提高濕強效率。凱米拉陰離子功能促進劑將能夠通過提高紙張上聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇留著率和維持良好的紙張成形效果，提高紙張的濕強度。當紙張的干強度性能低于目標值時，可使用乙二醛聚丙烯酰胺。乙二醛聚丙烯酰胺在提升干強度的同時還可提升紙張的濕抗張強度性能，降低聚丙烯酰胺-表氯（鹵）醇用量，從而提高廢紙的碎解效率。

[1] Gerald I. Keim，美國專利2926116.

[2] Herbert H. Espy，濕強度樹脂中的堿性固化聚胺表氯醇樹脂機器應用，1994.

[3] Mike T. Goulet，Robert A. Stratton，制漿、漂白和磨漿作業效果對木質細小纖維電動性能的影響，北歐紙漿和造紙研究雜志，1990，5:118-125.

[4] Anthony T. Coscia，Laurence L. Williams，美國專利3556932.

Wet Optimization: WSPE Enhancement

Clayton J. Campbell，Vladimir Grigoriev，Lucyna Pawlowska