激光打印紙的中性脫墨技術研究

激光打印紙的中性脫墨技術研究

對自制中性脫墨劑在激光打印紙中的脫墨效果進行了研究。在最優(yōu)條件下，采用自制中性脫墨劑GWT的脫墨效率可達93%。該脫墨劑主要成分為陰離子型和非離子型表面活性劑以及無機鹽。脫墨最佳條件為：GWT用量為2%（對絕干紙），碎漿濃度為10%～20%，碎漿溫度為60℃，碎漿時間為25 min，熟化時間為20 min，浮選濃度和時間分別為0.8%和10 min。與傳統(tǒng)堿法脫墨相比，中性脫墨由于廢水CODCr和化學品用量較低，因此有利于降低生產(chǎn)成本和減輕環(huán)境污染。

1 概述

二次纖維原料的來源不同，其性能也有所差異。因此，很多針對不同紙種的環(huán)境友好的脫墨技術應運而生。近期，中性脫墨技術得到了廣泛的研究。中性脫墨技術中無需添加堿性化學品，如NaOH和Na2SiO3。這樣一方面可以降低脫墨成本，改善脫墨效率，簡化脫墨流程；另一方面還可降低廢水中CODCr，利于環(huán)境保護。

由于油墨特性的顯著差異，用于激光打印紙的脫墨劑與傳統(tǒng)脫墨劑也有所不同。用于激光打印油墨中的膠粘劑采用了苯乙烯-丙烯酸和聚酯樹脂，油墨粒子在高溫下與紙張表面纖維結合，因此在堿性條件下很難使油墨與纖維分離。激光打印紙的脫墨機理是：采用中性脫墨劑時，在溫度和漿濃較高時，油墨粒子碎解成小顆粒，進而在后續(xù)的浮選段去除。

本研究采用實驗室自制的中性脫墨劑GWT在中性條件下對激光打印紙的脫墨效果進行了探索。

2 實驗

2.1 原料

廢舊未涂布激光打印紙，定量70 g/m2。未脫墨漿白度為77.8%。自制中性脫墨劑GWT，主要成分為陰離子型和非離子型表面活性劑，無機鹽等，有效成分含量為20%。

2.2 方法

脫墨劑首先溶解在溫度為60℃的熱水中形成均一乳液，然后添加至中濃碎漿機。將激光打印紙剪成15 mm×15mm的碎片后添加到碎漿機中，濃度為10%～12%，碎漿時間為20～30min。在碎漿機進行的中性脫墨實驗不添加堿性化學品，如NaOH和Na2SiO3。然后，漿料經(jīng)過熟化處理后，進入浮選槽。浮選濃度固定為0.8%，改變處理時間考察其對漿料的影響。測定浮選溢流廢水的CODCr，且采用快速紙頁成形器抄造手抄片。對手抄片進行恒溫恒濕處理［溫度（23±1）℃，相對濕度（50%±2%）］后，測定手抄片的光學和強度性能。

2.3 脫墨效率

脫墨效率是評價脫墨流程和脫墨劑效果的重要參數(shù)。脫墨漿中油墨量的相關參數(shù)涉及到總油墨濃度、游離油墨濃度以及殘余油墨濃度，三者的關系為：

式中：Ct為總油墨的濃度，mg/kg；Cf為游離油墨濃度，mg/kg；Cr為殘余油墨濃度，mg/kg。

游離油墨粒子主要分布在纖維表面，這部分油墨通過多段脫墨較易去除。然而，殘余油墨粒子，如微米級或納米級的油墨粒子，其尺寸小于1μm，分布于纖維細胞腔中或纏在纖維表面，這部分油墨粒子很難去除。通過測定每段流程的總油墨粒子濃度和殘余油墨粒子濃度以評價脫墨效率。

經(jīng)過碎解之后的漿料為樣品A，經(jīng)過浮選后的漿料為樣品B。在樣品A中添加硫酸鋁使油墨沉積在纖維表面，采用LCA殘余油墨掃描儀測定樣品A的油墨覆蓋率（FA）。采用同樣的方法測定樣品B的油墨覆蓋率（FB）。根據(jù)以下公式，評價自制脫墨劑的脫墨效率：

脫墨效率（油墨去除率）=（FA-FB）/FA×100

3 分析與討論

3.1 脫墨劑用量的影響

3.1.1 脫墨劑用量對手抄片白度和脫墨效率的影響通過添加不同用量的GWT評價其對手抄片白度和脫墨效率的影響。圖1和圖2分別為GWT用量（相對于絕干廢紙質(zhì)量，下同）對手抄片白度和脫墨效率的影響。實驗條件為：激光打印紙質(zhì)量為50 g，未處理漿料的白度為77.8%，碎漿時間30 min，熟化時間20min，浮選時間10min，浮選溫度50℃。

圖1 GWT用量對手抄片白度的影響

圖2 GWT用量對脫墨效率的影響

如圖1和圖2所示，當GWT用量低于2.0%時，隨著用量的提高，手抄片白度和脫墨效率都有顯著提高。當用量高于2.0%時，手抄片白度和脫墨效率有輕微下降。當用量為2.0%時，GWT對油墨顆粒分散作用最佳，使得游離油墨去除率達到最高。

3.1.2 脫墨劑用量對手抄片強度性能的影響

圖3和圖4分別為GWT用量對手抄片抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)的影響。

圖3和圖4表明，GWT用量對手抄片抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)影響不大。這是因為自制脫墨劑GWT的主要作用是將纖維表面油墨去除，并通過與油墨膠粘劑反應，使其不再沉積在纖維上，因此對纖維強度和纖維結合強度可能沒有影響。

3.2 碎漿時間的影響

3.2.1 碎漿時間對手抄片白度和脫墨效率的影響

碎漿時間對手抄片白度和脫墨效率的影響分別如圖5和圖6所示。此實驗GWT用量采用2.0%，其他實驗條件與3.1.1相同。

圖3 GWT用量對手抄片抗張指數(shù)的影響

圖4 GWT用量對手抄片撕裂指數(shù)的影響

由圖5和圖6可見，手抄片白度和脫墨效率均隨著碎漿時間的延長而提高，當碎漿時間在25 min以后，白度和脫墨效率趨于平緩。這是因為碎漿過程中在所產(chǎn)生的機械作用和GWT與油墨粒子的化學作用下，油墨粒子發(fā)生破碎并分散于紙漿懸浮液中，浮選過程可去除這些游離的油墨粒子，進而提高了手抄片白度和脫墨效率。在較高的GWT濃度下，延長碎漿時間有利于油墨的分散和后續(xù)的浮選脫墨；然而，過長的碎漿時間可能會導致油墨粒子重新吸附在纖維表面，從而會降低手抄片白度和脫墨效率。

3.2.2 碎漿時間對手抄片強度性能的影響

延長碎漿時間可獲得良好的漿料分散效果和油墨去除率，但卻會降低手抄片的強度性能。這主要是因為碎漿過程會使纖維發(fā)生破壞變形，這在本實驗所用的高濃（10%）碎漿條件下尤為明顯。因此，合理的碎漿時間對于提高脫墨效率、保留成紙強度尤為重要。圖7和圖8顯示了碎漿時間對手抄片強度性能的影響。

圖5 碎漿時間對手抄片白度的影響

圖6 碎漿時間對脫墨效率的影響

圖7 碎漿時間對手抄片抗張指數(shù)的影響

圖8 碎漿時間對手抄片撕裂指數(shù)的影響

圖9 碎漿濃度對手抄片白度的影響

圖10 碎漿濃度對手抄片脫墨效率的影響

由圖7和圖8可見，當碎漿時間在30 min以前，隨著碎漿時間的增加，手抄片的物理強度有所下降，碎漿30min后強度性能趨于穩(wěn)定。綜合考慮手抄片白度、強度性能以及脫墨效率，碎漿時間在25min比較合適。

3.3 碎漿濃度的影響

3.3.1 碎漿濃度對手抄片白度和脫墨效率的影響

碎漿濃度對手抄片白度和脫墨效率的影響分別見圖9和圖10。實驗條件為：GWT用量2%，碎漿時間25 min，熟化時間20 min，浮選時間10 min，浮選溫度為50℃。

由圖9和圖10可見，當碎漿濃度為12%時，手抄片白度和脫墨效率可達最佳。適當提高碎漿濃度可改善脫墨劑和油墨粒子的有效接觸，從而提高了反應速率；然而，碎漿濃度過高將對GWT和油墨粒子產(chǎn)生不利影響，導致紙張白度和脫墨效率降低。

3.3.2 碎漿濃度對手抄片強度性能的影響

碎漿濃度對手抄片強度性能的影響結果如圖11和圖12所示。

由圖11和圖12可見，當碎漿濃度達到12%時，手抄片物理強度性能達到最佳，碎漿濃度超過12%后，手抄片強度性能稍有下降。綜合考慮，碎漿濃度在10%～12%時較為合適。

圖11 碎漿濃度對手抄片抗張指數(shù)的影響

圖12 碎漿濃度對手抄片撕裂指數(shù)的影響

圖13 碎漿溫度對手抄片白度的影響

圖14 碎漿溫度對脫墨效率的影響

圖15 碎漿溫度對手抄片抗張指數(shù)的影響

圖16 碎漿溫度對手抄片撕裂指數(shù)的影響

3.4 碎漿溫度的影響

圖13～16分別顯示了碎漿溫度對手抄片白度、脫墨效率和強度性能的影響。實驗條件如下：GWT用量為2%，碎漿時間25 min，碎漿濃度10%，熟化時間20 min，浮選時間10min和浮選溫度50℃。

由圖13～16可見，當碎漿溫度從20℃升高至60℃時，手抄片白度和脫墨效率分別提高5.53和24.48百分點，同時成紙強度性能也有所改善。由于脫墨劑GWT中的化學成分對溫度較為敏感，因此在實際應用中，較高的碎漿溫度有利于獲得更佳的脫墨效果。但是，考慮到設備的適應性，碎漿溫度應控制在60℃之內(nèi)。

3.5 熟化時間的影響

經(jīng)過脫墨處理后，研究熟化時間對手抄片白度和脫墨效率的影響。圖17和圖18分別顯示了熟化時間對手抄片白度和脫墨效率的影響。實驗條件如下：GWT用量2%，碎漿時間25 min，碎漿濃度10%，碎漿溫度60℃，浮選時間10 min，浮選溫度50℃。

圖17 熟化時間對手抄片白度的影響

圖18 熟化時間對脫墨效率的影響

由圖17和圖18可見，在熟化時間20min之前，手抄片白度和脫墨效率隨熟化時間的延長而增加，20 min后，均有所下降。因此，熟化時間確定為20min。

3.6 浮選時間的影響

圖19和圖20分別顯示了浮選時間對手抄片白度和脫墨效率的影響。實驗條件如下：GWT用量為2%，碎漿時間25 min，碎漿濃度10%，碎漿溫度60℃，熟化時間20min，浮選溫度50℃。

圖19 浮選時間對手抄片白度的影響

圖20 浮選時間對脫墨效率的影響

由圖19和圖20可見，手抄片白度和脫墨效率隨浮選時間的延長而提高，在浮選最初10min內(nèi)，手抄片白度和脫墨效率迅速提高，而后增速減慢，因此浮選最佳時間確定為10min。

3.7 中性脫墨與堿性脫墨效果對比

采用傳統(tǒng)堿性脫墨方法與自制GWT脫墨劑的中性脫墨方法的化學品用量和實驗參數(shù)的比較分別見表1和表2。

表1 中性脫墨與堿性脫墨所用化學品用量比較%

表2 中性脫墨與堿性脫墨實驗參數(shù)比較

中性脫墨與堿性脫墨對手抄片白度和脫墨效率的影響見圖21。

由圖21可見，采用中性脫墨得到的手抄片白度和脫墨效率優(yōu)于傳統(tǒng)堿性脫墨方法所得手抄片。

成紙強度性能方面，采用中性脫墨的手抄片的撕裂指數(shù)低于堿性脫墨，但抗張指數(shù)優(yōu)于堿性脫墨，如圖22和圖23所示。

圖21 中性脫墨與堿性脫墨對手抄片白度和脫墨效率的影響

圖22 中性脫墨與堿性脫墨對成紙撕裂指數(shù)的影響

圖23 中性脫墨與堿性脫墨對成紙抗張指數(shù)的影響

重要的是，采用中性脫墨后溢流出廢水的CODCr約為傳統(tǒng)堿性脫墨的一半，如圖24所示。

圖24 中性脫墨與堿性脫墨對廢水CODCr的影響

采用中性脫墨時，廢水中CODCr的降低有利于減輕環(huán)境污染；同時，由于不采用堿性脫墨所用的化學品，如NaOH和Na2SiO3，使得操作工藝得到簡化。因此，中性脫墨不僅可減少化學品用量，同時還有利于減輕傳統(tǒng)堿性脫墨后漿料顏色變深的現(xiàn)象。

4 結論

采用實驗室自制GWT中性脫墨劑用于激光打印紙脫墨，并評價了使用效果。結果表明，當GWT用量為2%，碎漿濃度為10%～20%，碎漿溫度為60℃，碎漿時間為25 min，熟化時間為20 min，浮選濃度為0.8%，浮選時間為10 min時，脫墨效率可達93%。

采用中性脫墨方法制備的手抄片的白度、脫墨效率和抗張指數(shù)均優(yōu)于傳統(tǒng)堿性脫墨方法。但是，撕裂指數(shù)卻低于傳統(tǒng)堿性脫墨得到的手抄片。

中性脫墨方法有利于降低生產(chǎn)成本和廢水CODCr。這主要是因為中性脫墨方法減少了化學品用量，尤其是堿性化學品的用量，從而可減輕環(huán)境污染。

（至將躁止編譯）