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高速纸机用保留助剂
吴文栈(译)
一、摘要：
在保留系统中使用微粒子(microparticles)是一种已得到广泛验证的作法，利用膨润土(bentonite)和硅胶(colloidal silica)作为絮凝剂。然而不断提高的纸机车速会造成更大的剪力，该剪力会破坏絮状物而降低保留率，因此化学供货商一直在寻求提高絮状物强度的方法。
一种第五代硅胶粒子保留助剂系统，目前被用于高速狭缝成形器(gap former)的高剪力强度条件下，这些微粒子与阳性淀粉或阳离子聚合物并用时，有助于形成较小、较紧密、强度更大的絮状物。
过去五年在微粒子技术上的发展，扩大了其潜在应用的范围，因而可用于难度更大的造纸系统，如轻磅涂布纸、超压光纸、再生芯纸、再生瓦楞纸板等。本文介绍的五个案例研究，均显示出造纸厂商改变使用最新的硅胶微粒子，在生产效率、产品质量、成本效率等方面的改善。

二、微粒子系统发展：
纸业用硅胶微粒子于1980年代早期开始引进使用，第一代微粒子系统以阴离子硅胶与阳性淀粉配合使用，此系统主要用于文化用纸及纸板纸部份，因其含有较多填料及处女浆且要求强度。工厂不是使用此类微粒子系统就是较后发展的膨润土与聚丙烯酰胺(PAM)微粒子系统。这些系统提高了保留(尤其是填料)、改善滤水、提高强度。因滤水改善而得到较好交织、较高剪力抗力及较均匀纸张(减少两面性)，比单系统及其它双聚合物系统提供较干净系统。

目前约有25个国家300部纸机使用硅胶微粒子系统，大部份为文化用纸、处女浆板及袋用纸，然而近3~5年有更多不同纸机由此技术优点获益，由于厂商致力于此系统研究发展，及对湿端化学与微粒子保留脱水系统反应机理更进一步的了解，开发了许多潜在使用者。
随着技术进步，第二、三、四及第五代阴离子硅胶相继出现，及选择性的阳离子成份如花豆胶(guar gum)、PAM、高阳电荷淀粉等的发展。这些进步，为更多不同造纸系统如轻磅涂布纸(LWC)、超压光纸(SC)、裱面纸板、芯纸等开启另一扇门。

三、微粒子机理：
于硅胶微粒子系统中，阳离子成份(淀粉、花豆胶、PAM)提供柔韧性及纤维键结能力，在阴离子微粒子加入之前，正确调整系统的电荷性是很重要的。阴离子过量的系统影响键结问题；阳离子过量会使阳离子吸附微粒子却未有效定着将系统弄脏，甚至引起沉积物。
为发挥微粒子最佳效果，在每一系统中寻找电荷平衡是很重要的。在大多数的例子中，这是很容易完成，但完整的湿端调查对于最大效果的应用可获得较佳的认知。
淀粉、高分子、阴离子捕捉剂(anionic trash catcher，ATC)一般加于硅胶微粒子之前，然而，添加点及添加种类经常比添加量重要，大部份只要添加足够淀粉达到需求纸力就可获得良好的微粒子效果。若纸张强度并非重点，或纸厂不是选择使用淀粉，那阳离子提供者就是阳离子性的PAM(C-PAM)。确保最适的化学品添加点及添加顺序将可在纤维及填料获得合适的吸附及良好的微粒子效果。有时需在前端加入ATC控制阳性需求，而ATC的选择根据实验室筛选结果，一般为有机聚胺(polyamine)或无机PAC (polyaluminum hydroxy chloride)。

阳性淀粉或PAM在ATC之后加入，经常加于扇泵或压力筛之前，形成纤维、纤细物及填料初步的絮凝，这些絮状物当遭受泵或压力筛剪力破坏(主要是淀粉/聚合物键的破坏)，分散的絮状物接着与阴离子硅胶粒子反应，形成较小但密实且强度较大的絮凝，如图1所示。

图1：加入阳离子聚合物及硅胶微粒子后絮凝结构变化

微粒子系统有能力在网上及白水中产生再絮凝，在高紊流下产生高剪力抗力，此为微粒子系统主要强度之一。此系统再絮凝的能力将改善纸机过滤系统的效率，再絮凝也使湿纸匹有较高的微孔隙，使其较易脱水及干燥。由于网部较快的滤水，造纸者可以增加精炼程度或降低头箱浓度，以机械方式分别改善强度或交织。

此微粒子保留系统的脱水能力，可以提高压水部效率，藉由较低的伏辘水份及压水部较高的水份去除，这些特性经常可以改善压水部运转性。

使用微粒子系统，在保留、脱水及强度方面有正面影响，具有生产力、成本效益及质量方面的优点。如图2在高剪力下使用硅胶微粒子系统的利益。
图2：使用硅胶微粒子系统的优点

四、新的硅胶粒子系统：
在早期的微粒子系统中，以阴离子硅胶与阳性淀粉合并使用，于1992年，发展以特殊设计的结构性硅胶(高聚集度)与阳性聚丙烯酰胺(C-PAM)合并使用。图3为早期的低聚集度硅胶及新发展的高聚集度硅胶分子。高聚集度的硅胶分子在微粒子系统中与C-PAM的反应明显较其它聚集度分子为佳，图4为低、中、高聚集度硅胶与C-PAM的反应性比较。高聚集度硅胶主要的粒径大小约为2-3nm，表面积约900m2/g。在硅胶球体中主要为共价硅氧烷(siloxane)键结，此键结强度足以抵抗造纸机械中的剪力破坏。

合成的C-PAM其分子量约4百万至1千5百万，电荷密度2〜30莫耳%，此二项参数是选择合适聚合物的重要参考，依系统的导电度、阴离子干扰物质、添加点等选择合适电荷密度及分子量的C-PAM以提供活性的表面配置。系统的车速及剪力越高，需较高分子量聚合物来增加对聚合物链的抗力，以减少良好初始絮凝破坏的可能性。
图3：低与高聚集度硅胶 图4：硅胶微粒子的聚集度对C-PAM
反应性的影响

五、聚合物的表面配置：
为达成有效的微粒子絮凝，使C-PAM具有活性的表面配置是很重要的，较合适的状况为有许多尾巴及环状扩张在纤维表面上，见图5。

图5：活性表面配置的C-PAM

吸附在纤维及填料的时间在1秒内，紧接着是重新配置，可能需要几秒钟，最后C-PAM成为扁平状吸附，见图6，此扁平吸附的C-PAM对架桥及柔韧性是无效率的。在几分钟内，聚合物将经由渗透进入纤维孔隙消失。运用下列三种因子可达到先前提出的良好配置：
1.C-PAM的电荷密度。
2.湿端导电度。
3.纤维表面电荷。

图6：C-PAM表面配置电荷历时变化

在高导电度下，C-PAM将有较缠绕的结构，较扁平的吸附，见图7。此可使用较高电荷的C-PAM增加分子间内部排斥力来弥补。
图7：C-PAM在低导电度与高导电度的形态

若纤维电荷过高，需要隔离聚合物来降低纤维和C-PAM的静电吸引力。隔离剂(blocking agent)一般为高电荷、低分子量的阳离子聚合物，使用隔离剂可以改善C-PAM结构，见图8，当C-PAM处于活性配置，絮状物较具效果，见图9。
图8：C-PAM有无隔离剂的表面配置 图9：硅胶微粒子絮凝

六、剪力抵抗性质：
剪力越高，在gap former 的喷浆闸部分产生跳动，在实验室中模拟探讨新硅胶微粒子系统的行为，絮凝强度以动态滤水器(Britt dynamic drainage jar，DDJ)，两种转速模拟中及高剪力对含30%碳酸钙的浆料测试，其结果以纤细物保留表示。图10为C-PAM与硅胶微粒子系统结果，图11为C-PAM与A-PAM双系统结果。硅胶微粒子系统显示在高剪力下有较强的絮凝强度。

图10：C-PAM与硅胶的纤细物保留(絮凝强度)
图11：C-PAM与A-PAM的纤细物保留(絮凝强度)

七、案例说明：
底下5件案皆为gap former ，车速皆在915m/min以上，3部生产文化用纸，1部生产裱面纸板，另1部则生产轻磅涂布纸。个案1~4使用新的聚合物型的硅胶微粒子系统，而第5个案为淀粉型的CSM系统。

1.案例一：使用市售浆的文化用纸
案1说明了使用硅胶微粒子系统比膨润土型的微粒子系统上某些优点，此机台以桉树及松树生产各类的碳酸钙填料纸，车速约975~1190m/min，纸别包括印刷、复印及基纸，基重为45〜120g/m2。湿端情形为pH7.3，电导度900μs/cm，Ca2+浓度40ppm。
旧系统为C-PAM与膨润土的微粒子系统，添加阳性淀粉及AKD上胶剂，旧系统导致不稳定的填料保留及不良的运转性，系统唯一改变是以硅胶取代膨润土，如此取代有下列利益：
(1)光学增白剂(optical brighteninh agents，OBA)用量减少。
(2)良好的运转性及稳定性。
(3)C-PAM用量减少。
(4)交织及保留维持或改善，基重40〜50g/m2，一次保留(FPR)约75%，填料一次保留(FFPR)约35~40%；而基重80〜90g/m2一次保留约90%，填料保留约60~70%。
(5)减少白水中淀粉量。
在旧系统中白度90%ISO其OBA用量为1.0kg/ton，白度94%ISO其OBA用量为2.5kg/ton，系统改变后，OBA用量分别降至0.4kg/ton及1.2kg/ton。

2.案例二：使用市售浆的文化用纸
此机台以桉树及松树使用碳酸钙及白土填料生产多功能纸，车速975~1100m/min，基重60~90 g/m2，湿端情形pH7.5，电导度800μs/cm，Ca2+浓度70ppm。旧系统以C-PAM与膨润土的微粒子系统，添加阳性淀粉及AKD上胶剂。

纸机一次保留及填料一次保留低且不稳定一直是个问题，因运转性问题而减少磨浆程度，导致交织不良。系统唯一改变是以硅胶取代膨润土，如此取代有下列利益：
(1)可全力磨浆以获得良好交织而不会有运转性问题。
(2)稳定的FPR及FFPR。
(3)成纸含有较高填料。
(4)蒸气节省20~25%。
(5)灰份由16%提高至20%(基重75g/m2)，交织由70%提高至86%(Kajaani)。

3.案例三：使用混合废纸及OCC(old corrugated container)裱面纸板
此机台使用混合废纸及OCC生产裱面纸板，此案例为较特殊个案，因其湿端完全密闭。每吨纸约需补充375〜500kg清水，此导致COD及导电度非常高，这对保留及滤水系统是极具挑战的环境。
以新的硅胶保留系统搭配C-PAM及聚胺，如此组合在实验室评估中表现非常优异，直接引进纸机提供技术及经济的解决。此经改良的的保留系统获得下列利益：
(1)提高一次保留(由40%至70%)。
(2)因头箱浓度降低，获得较好交织。
(3)改善上胶。
(4)提高产量(运转性及滤水良好)。
此例中，原来头箱浓度为1.8%，一次保留40%，改用CSM系统后，头箱浓度降为1.5%，一次保留提高为70%。

4.案例四：使用磨木浆(SGW)的轻磅涂布纸
双网长网以SGW及白土生产轻磅涂布纸，车速1140m/min，原先为使用阳性淀粉、硫酸铝、C-PAM及膨润土的酸性系统，改为硅胶微粒子系统并选用合适分子量及电荷密度的C-PAM，获得以下的利益：
(1)减少湿端断纸25%。
(2)提高一次保留(FPR)及填料一次保留(FFPR)。
(3)提高层间强度，减少20%淀粉使用量。
(4)降低头箱灰份60%。
(5)改善过滤回收设备，固形份减少45%。

5.案例五：未涂布文化用纸
此个案目前使用淀粉及传统硅胶微粒子系统，为gap former，车速1080m/min，虽然在高剪力下，阳性淀粉使用良好。
此纸机系统为中性pH，原先使用阳性淀粉及A-PAM，然而并未发挥gap former功能，因此以低密度的硅胶取代A-PAM，并使用PAC以增进胶体保留及稳定系统电荷，获得下列利益：
(1)提高车速。
(2)提高稳定性及运转性
(3)提高填料含量(由9%至15%，基重52g/m2)。
(4)降低上胶剂ASA及阳性淀粉用量。
(5)改善交织。
(6)突破产量。
(7)提高FPR及FFPR。
车速由原先1015〜1030m/min，使用硅胶微粒子系统后，车速提高约30〜50m/min。

八、结论：
由实例结果中，使用C-PAM及新型阴离子结构性硅胶的保留系统在今日现代化gap former的高剪力下效果佳，在胶体技术进一步发展下，使用淀粉-硅胶系统在高速gap former下是可行的。然而，在使用C-PAM之前，必须先评估ATC及隔离剂的使用，在硅胶添加之前有正确的电荷状态才能获得最佳效果。