申正會(huì) 裴繼誠(chéng) 張方東 卜鑫 周志敏

天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457

膠黏物表面黏性與其沉積趨勢(shì)間的關(guān)系

申正會(huì) 裴繼誠(chéng) 張方東 卜鑫 周志敏

天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457

采用模擬膠片剝離法檢測(cè)膠黏物表面黏性，以剝離強(qiáng)度大小表征膠黏物的黏性強(qiáng)弱。實(shí)驗(yàn)改變無(wú)機(jī)鹽含量、溫度、pH等紙漿體系條件，檢測(cè)不同條件下膠黏物的表面黏性和沉積性能，然后分析膠黏物表面黏性及其沉積趨勢(shì)之間的關(guān)系。當(dāng)改變廢紙漿體系中無(wú)機(jī)鹽含量后，剝離強(qiáng)度由0.1607N/mm增至0.7676N/mm，膠黏物的沉積面積由2851mm2/m2增加至4936mm2/m2，沉積數(shù)量由40808/m2增加至61237/m2。改變廢紙漿體積的溫度和pH條件，也得到了類似趨勢(shì)。利用脂肪酶處理廢紙漿中的膠黏物，剝離強(qiáng)度由0.1607N/mm降至0.1078N/mm，膠黏物的沉積面積由2851mm2/m2降至1967mm2/m2，膠黏物的沉積數(shù)量由40808/m2降至34011/m2。結(jié)果表明，當(dāng)廢紙漿體系中膠黏物的含量一定時(shí)，膠黏物的表面黏性越強(qiáng)，其沉積趨勢(shì)越大，膠黏物的表面黏性越弱，其沉積趨勢(shì)越弱，二者呈正相關(guān)性。

膠黏物；廢紙漿；表面黏性；沉積；酶處理

1 前言

膠黏物是一類存在于廢紙?jiān)偕眠^(guò)程中的黏性雜質(zhì)，其對(duì)紙機(jī)的正常操作、運(yùn)行有不良影響，并且會(huì)降低紙張產(chǎn)品質(zhì)量[1]。廢紙回用過(guò)程中由于膠黏物具有黏性，很容易黏附在漿料輸送管道、網(wǎng)部、輥?zhàn)?、流漿箱內(nèi)壁及其他紙機(jī)部位，進(jìn)而影響紙機(jī)的正常運(yùn)行[2]。例如，當(dāng)膠黏物黏附和沉積在成型網(wǎng)上時(shí)，網(wǎng)部的脫水能力會(huì)受到限制，同時(shí)網(wǎng)的使用壽命會(huì)縮短。黏附有膠黏物的纖維如果進(jìn)入紙張，會(huì)導(dǎo)致紙張斑點(diǎn)甚至是孔洞的產(chǎn)生，最終影響產(chǎn)品質(zhì)量[3]。因此，如何有效控制廢紙回用過(guò)程中的膠黏物一直是研究人員關(guān)心的問(wèn)題。有研究表明，膠黏物的表面黏性與其在造紙過(guò)程中的沉積存在較大聯(lián)系[4]。因而，探究膠黏物黏性與其沉積趨勢(shì)之間的關(guān)系由一定必要性。

膠黏物的沉積趨勢(shì)可由膠體和表面化學(xué)原理來(lái)解釋，其沉積主要是由于膠體失穩(wěn)和潤(rùn)濕之間的相互作用導(dǎo)致的[5]。膠黏物的失穩(wěn)可由多種因素導(dǎo)致，包括靜電失穩(wěn)、蒸發(fā)失穩(wěn)、剪切壓力、氣泡的混入及紙漿體系環(huán)境的改變。有研究表明，溫度、pH以及帶入造紙?bào)w系的無(wú)機(jī)鹽是影響膠黏物沉積的主要因素[6]。實(shí)驗(yàn)中先改變廢紙漿體系的溫度、pH以及無(wú)機(jī)鹽含量來(lái)引發(fā)膠黏物的沉積，檢測(cè)這些條件改變前后膠黏物的表面黏性、沉積面積和沉積數(shù)量。然后利用生物酶處理廢紙漿中的膠黏物，檢測(cè)酶處理前后膠黏物的表面黏性、沉積面積和沉積數(shù)量。最后，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析膠黏物的表面黏性與其沉積趨勢(shì)之間的關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料及試劑

舊瓦楞箱板紙漿（OCC）：玖龍紙業(yè)（天津）有限公司提供；氯化鈣（CaCl2）、醋酸（CH3COOH）、醋酸鈉（CH3COONa）：均為化學(xué)純，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)試劑有限公司。脂肪酶：酶活750U/mL，江蘇泰興一鳴生物制品有限公司提供。

2.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

Pulmac篩分儀 （型號(hào) MS-B3-230，加拿大PULMAC公司）；電熱恒溫水浴鍋（型號(hào)HH SY21-Ni北京市長(zhǎng)風(fēng)儀器儀表公司）；搖床（型號(hào)HYN-100B，天津市歐諾儀器儀表有限公司）；膠黏物掃描分析儀（型號(hào)PERFECTION V500，日本 EPSON公司，光學(xué)分辨率6400*9600dpi）；微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)：CMT4503，深圳新三思試驗(yàn)機(jī)有限公司）。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 漿料體系環(huán)境的改變

通常造紙過(guò)程中需要添加滑石粉、碳酸鈣、二氧化鈦等造紙化學(xué)品用以獲得良好的紙張性能，有研究表明鈣離子是影響膠黏物沉積的重要因素之一[7]，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)向漿料中添加不同量的氯化鈣來(lái)改變漿料體系的中的鈣離子含量。CaCl2的添加量分別設(shè)置為1g，1.5g，2g和3g。漿料體系的溫度通過(guò)改變水浴鍋的溫度來(lái)改變，水浴鍋的溫度分別設(shè)置為45℃，50℃，55℃和60℃。漿料體系的pH通過(guò)向漿料中添加適量的CH3COOH或CH3COONa來(lái)調(diào)節(jié)，最終調(diào)節(jié)不同漿料試樣的pH分別為 6，6.5，7 和 7.5。

2.3.2 膠黏物的酶處理

實(shí)驗(yàn)采用脂肪酶對(duì)OCC廢紙漿中的膠黏物進(jìn)行控制。脂肪酶的最佳處理?xiàng)l件參考課題組前期的研究成果[8]。酶處理的條件為：溫度55℃，pH6.5，反應(yīng)時(shí)間1h。酶處理過(guò)程是在搖床中進(jìn)行，設(shè)置搖床振動(dòng)速度為150rpm。酶處理過(guò)程中做了對(duì)照實(shí)驗(yàn)，對(duì)照樣除未采用生物酶處理外其他條件均與同組實(shí)驗(yàn)樣相同，以排除升溫、pH變化、洗滌、攪拌等操作處理對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。生物酶處理完畢后，檢測(cè)ONP廢紙漿中膠黏物表面黏性、沉積面積和沉積數(shù)量，每組實(shí)驗(yàn)均設(shè)置平行實(shí)驗(yàn)。

2.3.3 膠黏物表面黏性檢測(cè)

采用模擬膠片剝離法[9]檢測(cè)膠黏物的表面黏性，用剝離強(qiáng)度來(lái)間接表征膠黏物表面黏性。檢測(cè)的具體方法為：采用0.1mm的縫篩篩分廢紙漿料，將篩分得到的膠黏物均勻涂布在長(zhǎng)10cm、寬3cm的膠片上，膠黏物涂布面積為3cm×3cm。將兩張相同的膠片黏合到一起，在90℃、80 kPa條件下干燥7min。采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)膠片的剝離強(qiáng)度，設(shè)置夾具的移動(dòng)速度為10mm/min。膠黏物表面黏性的測(cè)試原理如圖1所示。

圖1 膠黏物表面黏性測(cè)試原理圖

2.3.4 膠黏物沉積面積和沉積數(shù)量的檢測(cè)

按照以下方法檢測(cè)膠黏物沉積面積和沉積數(shù)量[10]。利用篩縫寬度為0.1mm的Pulmac篩分儀對(duì)膠黏物進(jìn)行篩分，將篩分出來(lái)的膠黏物顆粒收集到專用黑色濾紙上。在黑色濾紙表面蓋上一層防粘紙，在90℃、80kPa條件下干燥。移去防粘紙?jiān)?00kPa水壓下沖淋25s，然后在相同條件下熱壓干燥。干燥結(jié)束后，移除防粘紙，用黑色水筆將沒(méi)有沖刷掉的非膠黏物雜質(zhì)染成黑色。然后用Spec&Scan軟件掃描分析大膠黏物信息。圖像分析的相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：灰度值56，分辨率600dpi，最小檢測(cè)面積為0.03mm2，最大檢測(cè)面積為5mm2。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同無(wú)機(jī)鹽含量下膠黏物的表面黏性和沉積性能

將不同量氯化鈣添加到漿料試樣中以改變漿料體系的無(wú)機(jī)鹽含量，然后檢測(cè)不同無(wú)機(jī)鹽含量下的膠黏物的剝離強(qiáng)度（圖2），同時(shí)檢測(cè)膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量（圖3）。

圖3 不同無(wú)機(jī)鹽含量下膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量

從圖2可以看出，添加氯化鈣之后，剝離強(qiáng)度增大，這表明添加氯化鈣會(huì)導(dǎo)致膠黏物表面黏性的增加。而且，漿料體系中氯化鈣的添加量越大，膠黏物的表面黏性會(huì)越強(qiáng)。這可能是由于金屬離子改變了膠黏物的某些表面性質(zhì)，最終使其黏性增強(qiáng)。圖3是添加無(wú)機(jī)鹽氯化鈣前后漿料中膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量。可以發(fā)現(xiàn)，向漿料中添加氯化鈣后，膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量空白樣相比均有上升，這表明廢紙漿某些無(wú)機(jī)鹽的混入會(huì)導(dǎo)致沉積趨勢(shì)的增強(qiáng)。可以推斷出，無(wú)機(jī)鹽（氯化鈣）能夠增強(qiáng)膠黏物的表面黏性，而膠黏物表面黏性的增強(qiáng)又會(huì)導(dǎo)致膠黏物沉積趨勢(shì)的增加，最終導(dǎo)致膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量較空白樣大大增加。根據(jù)以上分析，在生產(chǎn)實(shí)際中選擇加填量較低的廢紙?jiān)?，使用硬度較低的水質(zhì)，對(duì)于減小膠黏物對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的危害是有一定作用的。

3.2 不同溫度下膠黏物的表面黏性和沉積性能

實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變恒溫水浴鍋的溫度來(lái)調(diào)節(jié)漿料體系的溫度，然后檢測(cè)不同溫度下膠黏物的剝離強(qiáng)度（圖 4）、沉積面積和沉積數(shù)量（圖 5）。

圖4 不同溫度下膠黏物的剝離強(qiáng)度

由圖4看出，與空白樣相比，隨著溫度的升高剝離強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，即膠黏物的表面黏性逐漸增強(qiáng)。在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，剝離強(qiáng)度隨著溫度的升高一直增強(qiáng)，在60℃時(shí)達(dá)到最大。顯然溫度的升高有助于膠黏物表面黏性的增強(qiáng)。圖5則表明，膠黏物的沉積性能隨著漿料體系溫度的升高變得更強(qiáng)，膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量呈不斷上升趨勢(shì)。一方面，溫度的升高導(dǎo)致膠黏物表面黏性的增強(qiáng)，這使得膠黏物粒子變得更易黏附和沉積；另一方面，加之溫度的升高加劇了膠黏物粒子的勻度速度和強(qiáng)度，這也促進(jìn)了膠黏物的黏附和沉積，最終對(duì)造紙過(guò)程和紙張質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。根據(jù)上述分析，可以考慮在生產(chǎn)實(shí)際允許的范圍內(nèi)，降低漿料體系的溫度，一方面可以降低減小膠黏物沉積的可能性，同時(shí)也能節(jié)約能源。

圖5 不同溫度下膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量

3.3 不同pH條件下膠黏物的表面黏性和沉積性能

實(shí)驗(yàn)通過(guò)向漿料體系中添加醋酸或者醋酸鈉來(lái)調(diào)節(jié)漿料體系的pH，然后檢測(cè)不同pH下膠黏物的剝離強(qiáng)度（圖6）、沉積面積和沉積數(shù)量（圖7）。

圖6 不同pH條件下膠黏物的剝離強(qiáng)度

圖7 不同pH下膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量

由圖6可知，漿料體系pH的變化也可影響膠黏物的表面黏性。具體來(lái)說(shuō)，在設(shè)定的pH范圍內(nèi)，剝離強(qiáng)度隨著pH的升高而增強(qiáng)，這表明膠黏物的表面黏性會(huì)由于pH的升高的增強(qiáng)。圖7是不同pH條件下膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量，圖中兩條曲線的變化趨勢(shì)表明，膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量均隨著pH的升高而增加，這說(shuō)明pH的改變加劇了膠黏物的沉積趨勢(shì)。這是因?yàn)閜H的改變先導(dǎo)致膠黏物的表面黏性增強(qiáng)，而后膠黏物的表面黏性增強(qiáng)促進(jìn)了膠黏物的沉積趨勢(shì)，導(dǎo)致膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量與空白樣相比有所上升。因此建議在廢紙紙漿過(guò)程中避免堿性物質(zhì)的混入，以避免膠黏物問(wèn)題因料體系pH的變化而加重。

3.3 酶處理前后膠黏物的表面黏性和沉積性能

脂肪酶是膠黏物控制領(lǐng)域常用的生物酶之一，本實(shí)驗(yàn)采用磷脂酶處理廢紙漿中的膠黏物，檢測(cè)酶處理前后膠黏物的剝離強(qiáng)度、沉積面積和沉積數(shù)量，結(jié)果分別見(jiàn)圖8和圖9。

圖8 酶處理前后膠黏物的剝離強(qiáng)度

圖9 酶處理前后膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量

從圖8看出，剝離強(qiáng)度隨著磷脂酶對(duì)膠黏物的處理而減小，而且在一定范圍內(nèi)，脂肪酶用量越大剝離強(qiáng)度越小。這表明，脂肪酶處理能夠降低膠黏物的表面黏性，這是因?yàn)橹久改軌驅(qū)⒛z黏物分子中酯鍵斷裂，減低膠黏物的黏性。但是當(dāng)脂肪酶的用量從300 mg/kg增加至500 mg/kg時(shí)，剝離強(qiáng)度基本不變，脂肪酶對(duì)膠黏物的降黏作用不明顯。這可能是因?yàn)?，?dāng)漿料體系中的膠黏物含量一定時(shí)，300 mg/kg用量的脂肪酶基本能將膠黏物分子中的酯鍵斷裂完全，更高的脂肪酶用量對(duì)膠黏物的作用效果也不再明顯。

隨著酶處理后膠黏物表面黏性的降低，膠黏物的沉積趨勢(shì)減弱，這就部分解釋了圖9中膠黏物面積和沉積數(shù)量隨著脂肪酶用量的增加的變化趨勢(shì)。同時(shí)，由于脂肪酶本身具有將膠黏物分解成分子質(zhì)量更小的、可溶性的脂肪酸和醇類物質(zhì)，這也能導(dǎo)致廢紙漿體系中膠黏物沉積面積和沉積數(shù)量的減小。

4 結(jié)論

無(wú)機(jī)鹽含量、溫度和pH等廢紙漿體系環(huán)境的改變以及酶處理均會(huì)影響膠黏物的表面黏性和沉積趨勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，廢紙漿體系中無(wú)機(jī)鹽的混入、溫度以及pH的升高會(huì)導(dǎo)致膠黏物表面黏性增加，而膠黏物表面黏性的增加會(huì)增強(qiáng)膠黏物的沉積趨勢(shì)，使得膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量增加。建議在廢紙紙漿生產(chǎn)實(shí)際中選擇加填量較低的廢紙?jiān)希褂糜捕容^低的水質(zhì)，同時(shí)避免堿性物質(zhì)的混入，盡可能降低漿料體系的溫度，以減小膠黏物的沉積趨勢(shì)，降低其對(duì)生產(chǎn)過(guò)程及紙張質(zhì)量的危害。

酶處理能夠降低膠黏物表面黏性，膠黏物表面黏性降低后其沉積趨勢(shì)會(huì)變?nèi)?，膠黏物的沉積面積和沉積數(shù)量會(huì)減少。但是當(dāng)紙漿體系中膠黏物含量一定時(shí)，生物酶對(duì)膠黏物的作用不會(huì)隨著酶用量的加大而無(wú)限增強(qiáng)，即生物酶處理膠黏物存在最適用量。

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