一種添加腈綸纖維以控制OCC漿料中壓敏膠粘物的方法

廢舊瓦楞紙箱（OCC）漿料中的膠粘物主要來源于OCC中的壓敏膠、熱熔物等多種有機物。OCC漿料中膠粘物的存在嚴重影響造紙的正常生產(chǎn)：在紙機表面、網(wǎng)部、毛氈、纖維織物和卷筒上的沉積造成了一系列的問題，如濕部斷頭，壓榨部和干燥部斷頭，孔洞，紙張缺陷、污垢數(shù)量多和紙張轉換困難等。這些沉積物及其引發(fā)的一系列問題將造成長時間的停機和大量的材料浪費。由此將造成停機損失、化學試劑的成本、產(chǎn)品損失率、廢棄物、不合格產(chǎn)品以及客戶投訴等一系列問題，控制和去除紙漿中膠粘物的重要性不言而喻。

對膠粘物的控制有過許多研究。然而，目前仍沒有單一的解決方案。有幾篇已發(fā)表的文章綜述了有關膠粘物的控制技術。

采用物理化學方法，對膠粘物表面性質(zhì)進行改性，可以去除或控制膠粘物。改性的方法包括吸附礦物顆粒、使用一些化學試劑或者將2種方法結合起來。這些物理化學法包括：浮選法，洗滌法，添加固體材料，采用表面活性劑和聚合物處理等。采用分散劑、表面活性劑和溶劑可以減少回收二次纖維過程中不同處理階段的膠粘物。其他方法，如采用一些化學品使膠粘物絮聚，以提高其在篩選階段的去除率。其他的化學處理旨在使膠粘物變得更具親水性，以減少其在洗滌階段的去除率。在膠粘物固著處理中，使用一種能改變其表面電荷的水溶性聚合物，使膠粘物吸附在紙張中。在分散和固著處理中，先加入分散劑以減小膠粘物的粒徑，然后再采用一種陽離子聚合物使膠粘物黏附于紙張上。在控制膠粘物的處理中，采用滑石粉、分散劑、溶劑和低相對分子質(zhì)量的陽離子聚合物可減小膠粘物對紙機的影響。近幾十年來，各種人造纖維的開發(fā)和應用已經(jīng)在紡織工業(yè)中掀起了一場革命。合成纖維的一些類似應用可能最終也會在造紙工業(yè)中推廣。許多特種紙產(chǎn)品就是由合成纖維制成的。其他研究顯示，在蔗渣和麥草漿中添加4%～10%的短切滌綸短纖維，可以極大地提高所制備紙張的機械性能。在一些應用中，合成聚丙烯纖維已被用于清除二次纖維原料中的油墨和黏性顆粒。例如，美國的Scav EX 235就屬于這類產(chǎn)品并已取得了一定的研究成果。

腈綸纖維已廣泛使用了很多年，目前全球產(chǎn)能大約為60億英鎊（約272萬t）。腈綸纖維是一種合成纖維，其聚合鏈主要是由丙烯腈組成的一系列單體單元組合而成。美國聯(lián)邦貿(mào)易委員會將丙烯腈質(zhì)量分數(shù)超過85%的纖維定義為腈綸纖維。這些纖維對水、化學試劑、熱和紫外光均有很強的阻隔性能，并可以在較短或微纖化狀態(tài)下使用。腈綸纖維已被應用于一些非織造產(chǎn)品，并產(chǎn)生了一些獨特的性能。

很早之前的一個研究顯示，合成纖維在造紙體系中可以當作膠粘物的一種有效吸附劑。報道稱，添加少量的具有高比表面積的合成纖維，就可以包覆膠粘物顆粒，防止膠粘物的絮聚，從而減少紙機系統(tǒng)中的沉積物。雖然這種方法已被證實有效，但還沒有關于其應用的文獻報道。阻礙合成纖維在傳統(tǒng)造紙中應用的主要因素有2個：一是成本，二是大多數(shù)合成纖維不能與天然纖維素纖維相結合。

本文的主要目的是探究腈綸纖維對造紙過程中膠粘物的控制效果，并利用該方法來提高產(chǎn)品紙張的性能。不同于以前的大多數(shù)研究，在這項工作中，腈綸纖維被直接添加到OCC纖維懸浮液中，使腈綸纖維表面和懸浮物質(zhì)在混合溶液中相互作用，這些纖維有一部分會在后續(xù)的紙漿篩選中去除掉。這項技術將來實施時，在回收纖維漿料的處理過程中，一些腈綸纖維可能在篩選處理中被去除，這也為從造紙系統(tǒng)中去除膠粘物和其他親油性物質(zhì)提供了一個機會，剩下的腈綸纖維會隨著造紙工藝流程進入到下一步，最終可能會影響紙張的性能，如表觀密度，抗張強度和抗爆裂應力。

1 材料和方法

1.1 原料

OCC，從使用后的廢品中隨機收集；水基腈綸PAS，來自伊朗某公司，產(chǎn)品規(guī)格見表1。

表1 水基腈綸PAS原料的規(guī)格

使用拉桿涂布機，在一張砂紙上以70 mm/s的涂布速度涂1層PSA，涂布量為27 g/m2。然后放入溫度為50℃的烘箱中干燥1 h。將干燥后的PSA樹脂薄膜以10%的質(zhì)量比按壓到OCC紙樣中。

清除劑材料，主要用來從懸浮液中收集和控制親油性物質(zhì)，包括工業(yè)紡織腈綸纖維，并用剪刀將原纖維剪成大約2 mm的長度。

1.2 碎漿

將準備好的OCC材料在水中預浸漬2 h后碎漿，漿濃為質(zhì)量分數(shù)5%，然后在溫度為50℃和攪拌速度為10 000 r/min的條件下對漿料進行疏解。將制備好的懸浮液收集待用。

1.3 微膠粘物

采用微膠粘物沉積物測試儀，按Doshi方法檢測微膠粘物。該設備中2個平行的不銹鋼板持有2個尺寸為12.7 cm×2.54 cm的高密度聚乙烯薄膜（HDPE），在含有微膠粘物的體積為12 L廢水中以溫度為65℃、攪拌速度為100 r/min的條件旋轉攪拌30 min。結束后，將HDPE從不銹鋼板上取下來，用溫度為20℃的去離子水沖洗，然后在溫度為105℃下干燥至恒重，最后稱重。

1.4 濁度測試

將OCC縫篩后收集的濾液靜置24 h，采用濁度儀測試其濁度。

1.5 大膠粘物

采用TAPPI標準測試方法T 277pm-99《漿料中大膠粘物含量：提取法》測試大膠粘物。稱量其絕干質(zhì)量，然后計算出大膠粘物的百分占比。

1.6 大膠粘物影像分析

采用掃描儀在最高分辨率（600 dpi）的條件下拍攝不同處理階段的大膠粘物濾片的掃描圖像，如圖 1所示[圖中：（a）為原始濾片掃描，（b）為染色片，（c）為二值圖像，（d）為閾值圖像，（e）為反轉圖像，（f）為去除外框后圖像，（g）為封閉粒子環(huán)境，（h）為填充孔（最終分析圖像）]。

圖1 不同處理階段的大膠粘物濾片的Image J掃描圖像

采用Image J軟件進行圖像分析，操作流程如圖2所示。

圖2 Image J軟件圖像分析操作流程

1.7 手抄紙性能測試

根據(jù)TAPPI標準測試法T 205 sp-02《成形紙張物理測試》制備手抄片，定量為（130±5）g/m2。按下述TAPPI標準測試方法測試手抄片的物理性能、光學性能和機械性能：測試條件（T 402 sp-03《紙、紙板、纖維手抄片和相關產(chǎn)品標準條件和測試環(huán)境》），白度（T 452 om-02《漿料、紙和紙板白度測試定向反射比為457 Nm》），紙張卡尺厚度（T 411 om-05《紙、紙板和復合板厚度[游標卡尺]》），抗張強度（T 494 om-01《紙和紙板抗張性能[采用恒速伸長率測試儀]》），耐破度（T 403 om-02《紙張耐破度測試》），撕裂強度（T 414 om-04《紙張內(nèi)撕裂阻力[Elmendorf法]》）和氣阻性（T 460 om-02《紙張氣阻性[葛爾萊法]》）。

1.8 SEM圖像

采用裝備有EDS傳感器模型7353的LEO 1450 VP顯微鏡進行掃描拍照，分辨率為2.5 nm。拍照前對樣品表面進行噴金和涂鈀處理。

1.9 數(shù)據(jù)分析

采用標準配對t檢驗分析實驗結果，為簡化方法的比較，在所有數(shù)據(jù)中，均采用95%置信區(qū)間的誤差條。下列為用于計算的公式和相應的t因子：

式中：SE為標準誤差；M為平均值；n為樣本量。

2 結果與討論

2.1 大膠粘物

圖3為腈綸纖維對大膠粘物相對質(zhì)量的影響結果。

由圖3可見，當腈綸纖維添加量增加至質(zhì)量分數(shù)1.5%（以絕干漿質(zhì)量計，下同）時，大膠粘物質(zhì)量隨之增加。然而，繼續(xù)增加腈綸纖維添加量時，對大膠粘物相對質(zhì)量的影響，與1.5%添加量時相比，并沒有明顯差異（置信區(qū)間為95%）。膠粘物附著于腈綸纖維上后，被拉長的腈綸纖維會造成大顆粒膠粘物的形成和膠粘物的絮聚。天然纖維和合成纖維不能通過薩默維爾縫篩，這使得收集到的大膠粘物質(zhì)量增加。

圖3 腈綸纖維不同添加量對篩選出的大膠粘物質(zhì)量影響

2.2 大膠粘物形態(tài)分析

表2總結了不同添加量腈綸纖維和后續(xù)篩選處理對大膠粘物影響的分析結果（表中：“C”為測得的膠粘物數(shù)量；“A”為膠粘物的測量面積，mm2；“D”為對數(shù)面積密度，mm2）。

表2 采用Image J軟件全面分析大膠粘物的結果

結果顯示，腈綸纖維的添加對膠粘物的數(shù)量、面積和對數(shù)面積密度有直接的影響。腈綸纖維添加量的增加使大膠粘物的總數(shù)量和面積有小幅度的增加。與空白樣相比，不同級別膠粘物的數(shù)量和面積有著顯著的變化。在腈綸纖維處理過的樣品中，盡管大膠粘物數(shù)量明顯減少，但纖維含量仍有所增加。與空白樣相比，膠粘物的表面積和計算出的對數(shù)面積密度增加。

在原料中添加腈綸纖維后，前2個級別的大膠粘物數(shù)量和面積都顯著減少，然而在最后4個級別中，大膠粘物的數(shù)量和面積都普遍增多。實際上，變化趨勢與膠粘物的級別密切相關，如：在漿料中增加腈綸纖維添加量時，粒徑100～200 μm和200～300 μm級別的膠粘物數(shù)量減少，而其他級別的結果則恰恰相反。這可能是因為腈綸纖維吸附于PSAs上，阻止了膠粘物的進一步分散，從而減少了懸浮液中膠粘物小顆粒的產(chǎn)生。

2.3 微膠粘物

根據(jù)實驗室安排，微膠粘物的測試旨在模擬發(fā)生于紙機濕部和干部中的真實沉積環(huán)境。圖4顯示了腈綸纖維不同添加量對濾液中的微細膠粘物含量和濁度的影響。

圖4 腈綸纖維不同添加量對濾液中的微細膠粘物含量和濁度的影響

圖4顯示，合成纖維的添加是微細膠粘物沉積量減少的主要原因，因為膠粘物可以吸附于合成纖維的表面。有研究表明，腈綸纖維可以吸附或包覆黏性物質(zhì)，降低它們的黏著性，使其更容易保留在紙幅中。因此，游離的黏性顆粒數(shù)量（如沉積試驗機槳葉上附著的顆粒）減少。

圖4同時顯示了通過縫篩后的濾液濁度的分析結果。結果表明，腈綸纖維添加量增加至1%時，濁度大幅度降低。當腈綸纖維添加量達到1.5%時，微細膠粘物的收集量達到最大，因此濾液中分散顆粒數(shù)量減少。腈綸纖維添加量超過2%時，對濁度影響不大，也就是說腈綸纖維添加量過高時，對進一步降低微細膠粘物作用不大。

圖5顯示了腈綸纖維不同添加量對縫篩后良漿得率的影響。

從圖5可知，腈綸纖維添加量增加，會造成所得良漿得率降低。實際上，膠粘顆粒吸附到腈綸纖維上后，會得到一種更大的物體（類似于大膠粘物），使其不能通過篩縫，最終會造成篩渣或大膠粘物數(shù)量的增加，這也是最后縫篩后良漿得率減少的原因。

圖5 腈綸纖維不同添加量對縫篩后良漿得率的影響

圖6顯示了腈綸纖維不同添加量對回收漿料游離度的影響。

圖6 腈綸纖維不同添加量對回收漿料游離度的影響

從圖6可知，腈綸纖維的添加提高了所得原料的游離度。產(chǎn)生這種結果的一個原因是腈綸纖維對水吸附?jīng)]有自然親合力；此外，微細膠粘物的絮聚，也極大地提高了漿料的游離度。若微細膠粘物沒有發(fā)生絮聚，紙張在濕部脫水過程中很可能會造成網(wǎng)孔的堵塞；在紙頁成形過程中，腈綸纖維能形成一個更大、更多孔隙的纖維濕墊。這3個因素可以促進水迅速地從濕部中釋放出來。

圖7顯示了腈綸纖維不同添加量對手抄片松厚度的影響。

由圖7可見，腈綸纖維的添加會造成紙張松厚度（表觀密度倒數(shù)）的改變，當腈綸纖維添加量為2%時，手抄片的松厚度從空白樣的1.79 cm3/g提高至1.98 cm3/g，增加了10.61%。產(chǎn)生該結果的一個重要原因是腈綸纖維和天然纖維之間的結合力與2種天然回收纖維之間的結合力相比來說較弱。另一個原因是合成纖維的不可收縮性，使手抄片厚度更大。從圖中可知，腈綸纖維添加量超過0.5%時，會極大地提高手抄片的松厚度。

圖7 腈綸纖維不同添加量對手抄片松厚度的影響

圖8顯示了漿料懸浮液中腈綸纖維不同添加量對手抄片空氣阻力的影響。

圖8 漿料懸浮液中腈綸纖維不同添加量對手抄片空氣阻力的影響

從圖8可知，腈綸纖維對手抄片空氣阻力性能作用不是很明顯，如100 mL的空氣通過手抄片大約需3 s。處理后的手抄片與空白樣相比，并沒有明顯的改變。

圖9為腈綸纖維處理后的PSA表面顯微圖像（圖中箭頭所指為腈綸纖維部分覆蓋住一大片的PSA）。

由圖9可明顯看到在攪拌之后膠粘顆粒吸附在腈綸纖維的表面。

圖10為腈綸纖維處理后的壓敏膠EDS圖。

圖10顯示，碳酸鈣和金涂層是制備SEM樣品中較為普遍的材料。

實驗也探究了在回收漿中添加腈綸纖維對紙張機械性能、物理性能的影響。圖11為漿料懸浮液中添加腈綸纖維對手抄片耐破指數(shù)的影響。

圖9 腈綸纖維處理后的PSA表面顯微照片

圖10 腈綸纖維處理PSA顆粒元素分析

圖11 漿料懸浮液中添加腈綸纖維對手抄片耐破指數(shù)的影響

從圖11可知，腈綸纖維添加量增加至1.5%時，手抄片耐破強度增加。與2種天然纖維之間的結合力相比，腈綸纖維和天然纖維的結合力較弱。然而，因腈綸纖維對微膠粘物的絮凝作用，可以清理天然纖維表面，從而提高了天然纖維之間的氫鍵結合力。此外，相對較長的合成纖維也可能會進一步提高紙頁強度。結果顯示，與空白樣相比，腈綸纖維添加量較大時，可以提高手抄片的機械性能，如耐破指數(shù)；同時也能提高耐破能量吸收，如圖12所示。

圖12 漿料懸浮液中添加腈綸纖維對手抄片耐破能量吸收的影響

通常情況下，腈綸纖維添加到低質(zhì)量的OCC回收漿中，會提高紙張的撕裂強度。腈綸纖維的一些基本性質(zhì)，如較大的長度、強度和挺度，是提高紙張撕裂強度的最主要原因，如圖13所示。合成纖維（如腈綸纖維）在天然纖維中扮演加強桿的角色，可提高所得紙張的強度性能。

圖13 漿料懸浮液中添加腈綸纖維對手抄片撕裂指數(shù)的影響

裂斷長是紙張最重要的性能之一，原則上由纖維表面上的羥基有效結合點數(shù)量和單根纖維的強度決定。因此，通過提高腈綸纖維的添加量，紙張的抵抗力增加。圖14表明，在OCC漿料中添加腈綸纖維，可以極大地提高了手抄片的裂斷長。

2.4 研究意義

這項研究雖然給與了我們很大的希望，但仍需進一步地實驗和工廠試驗工作來確定最佳的實施方案。這其中，關鍵的一個問題在于將大量的塑料纖維添加到選定的紙產(chǎn)品中是否有利。盡管目前的研究顯示，合成纖維對強度性能有一定程度的提高，在造紙過程中也會提高紙張松厚度，并且在定量一定時厚度提高，但探究合成纖維對不同用途紙產(chǎn)品性能的詳細影響仍十分重要。有一種假設是吸附在紙張中合成纖維表面上的黏性顆粒非常小，并且會完美地嵌入在紙張中，在紙產(chǎn)品的轉化和應用過程中不會造成任何問題，這個假設雖然是合理的，但也需要在各種情況下加以檢驗。

在目前的工作中，進一步實施該研究技術的方法是優(yōu)化體系，使所有的合成纖維基本上都能從體系中篩選去除。目前的研究顯示，在漿料中添加腈綸纖維會從懸浮液中有效地收集膠粘物，整體上來說，這是一個很有前途的方法。通過慎重地選擇這種纖維的長度和其他性能，可以優(yōu)化反應體系，最終可以從系統(tǒng)中去除掉一半數(shù)量的合成纖維以及它們吸附的黏性物質(zhì)。依據(jù)回收纖維處理操作的設置方式，將合成纖維與無纖維工藝水混合起來，再進行篩選，可以凈化紙回收廠的工藝用水，這也可以作為一種從系統(tǒng)中去除膠粘物的方法。這種操作方式的相對價值需要根據(jù)材料的成本來衡量，同時也要注意，該方法不能從紙制品中的合成纖維包含物中獲取任何可能的益處。

圖14 漿料懸浮液中添加腈綸纖維對手抄片裂斷長的影響

3 結論

本論文使用市售的PSA模型膠粘物懸浮液，在實驗室體系下，探究了膠粘物顆粒在腈綸纖維上的被吸附、被包覆和作用被減弱。結果顯示，腈綸纖維可以有效降低回收漿中大膠粘物和微細膠粘物比例，提高被處理漿料的游離度。結果還證實，使用腈綸纖維控制膠粘物，可以提高手抄片的機械強度性能。因此，可對合成纖維引入到回收纖維加工中的實驗作進一步的探究，以達到一個更好的組合效果，從而提高對膠粘物的控制效果，提高產(chǎn)品得率，提高紙張關鍵性能。