提高细小纤维利用率的方法

　　

　　细小纤维的特点有：尺寸小，比表面积大，结构形态、化学性质不一，对于各种助剂吸附能力远大于纤维组分，在纸机上留着率低等。细小纤维根据来源不同可以分为三种：原生细小纤维，二次纤维，三次纤维。

　　

　　一、细小纤维留着机理

　　

　　细小纤维的留着通过两种机理来实现，即机械截留和胶体吸附。在一定条件下，两种机理的相对作用取决于多种因素，其中机械截留不是留着的关键机理，因为细小纤维组分尺寸比起纤维来说小的多，胶体吸附才是细小组分留着的主要机理。胶体吸附包括形成只含细小纤维组分的团聚和含纤维和细小纤维组分的絮团。造纸应促进细小纤维和纤维间的絮凝，阻止细小纤维组分间的絮凝和纤维间的絮凝。

　　

　　

　　细小纤维组分的留着率是一个相当复杂的变量，它受生产过程条件（打浆度、滤水速度、浆-网速比和纸机车速）、纤维尺寸分布、离子间相互作用力、pH值、纸料中的电荷量和絮凝剂的加入状况等因素的影响。在纤维留着剪切力对细小率的影响方面，有研究指出作用在纤维壁上的剪切应力与留着率有密切关系，比较了不同的剪切应力下细小纤维留着的能力，得出在固定剪切率的条件下，加入助留剂可显著提高细小纤维的留着率。在造纸过程中，浆料流速太高时，网上流动不均匀，细小组分的留着会降低；纸机脱水元件的脉动滤水也会影响细小组分的留着率，其它条件不变的情况下，脉动越大，细小组分留着越低。总的来说，细小组分的留着率是流体动力和非流体动力相互作用的结果。

　　

　　1.剪切速率对于细小纤维留着的影响

　　

　　在实际应用中，一般都是通过改变搅拌时间和搅拌速度来描述剪切速率的大小，通过改变搅拌器的转数来获得不同的剪切速率。研究发现，随着转速的增加留着率通常会下降。

　　

　　以下是搅拌速率（剪切速率）对于细小纤维流转的影响：

　　

　　从上图可以看出：随着剪切速率的增加，细小纤维的留着会出现大幅的下降，因此在实际使用中控制好搅拌器的转数可以改善细小纤维留着。

　　

　　2.助留剂对于细小纤维留着的影响

　　

　　在造纸过程中，尽管通过调节pH值、控制打浆度、滤水速度可以对细小纤维的留着有提高，但是现代高速纸机在抄纸过程中产生的剪切力造成的细小纤维流失足以抵消。所以，助留剂的应用仍然是降低细小纤维流失最有效的措施。

　　

　　下图是助留剂对于细小纤维留着率的影响：

　　

　　从上图中可以看出：随着助留剂使用量的增加，细小纤维的留着率有极大的提高，特别是在使用量100ppm-150ppm这段区间中细小纤维留着率明显提升。

　　

　　下图是剪切速率对不同助留剂助留效率的影响：

　　

　　从以上图可以看出：随着剪切速率的增加，留着率会有较大幅度的下降。

　　

　　

　　1.常见的高分子助留剂

　　

　　目前市场常见的高分子助留剂主要有：阳离子型（如阳离子聚丙烯酰胺）、阴离子型（阴离子聚丙烯酰胺）、非离子型（聚氧化乙烯）等。

　　

　　离子型的助留剂的作用方式主要是通过其带有的阴、阳离子产生作用的。细小纤维在纸浆悬浮液中显负电性，当加入阳离子型助留剂时，助留剂分子会被吸附在细小纤维表面，使得细小纤维表面局部带有正电荷，其余部分则仍为负电荷；助留剂分子被吸附后，与另一个细小纤维表面的负电荷相互碰撞，从而产生絮聚现象，从而达到留着的目的。在选择则阳离子聚合物时，必须注意聚合物的电荷密度和分子量，应该是高电荷密度（＞4毫克当量电荷/克）、低分子量（＜100000）的阳离子聚合物。阴离子型助留剂则是通过聚合物部分吸附在细小纤维表面，而其他部分则形成一系列的链圈和尾链，并延伸到周围与另外的细小纤维相互碰撞吸附，在两个细小纤维之间架桥，形成絮凝。而非离子型助留剂主要是通过网络絮凝来实现细小纤维的留着的。

　　

　　2.新型多元助留体系

　　

　　（1）微粒助留系统

　　

　　该体系的典型代表Hydrocol系统，是通过微粒絮凝作用达到理想的助留效果。在使用中先加入高分子阳离子聚合物通过架桥作用使细小组分形成大的絮团，再通过高剪切力破坏这些絮团，然后添加具有较高比表面积的带负电性的无机颜料，使分散的小絮团重新凝聚成网状结构。此系统聚合物多为阳离子型聚合物，如CPAM等。颜料为具有细小粒径和高溶胀力的改性膨润土。

　　

　　该系统优势在于能在广泛的pH范围内获得良好的助留效果，而且综合考虑该系统也非常经济。该系统不但能大幅改善细小纤维的留着性，而且允许使用价格低廉质量较差的阳离子淀粉。

　　

　　（2）阳离子(或两性)加阴离子聚合物助留系统 该系统的形成过程是：先加入高电荷密度，低中分子量的阳离子(或两性)聚合物，通过电荷絮聚形成阳离子补丁；再加入一定量的阴离子聚合物，使其与阳离子补丁上的部分电荷连接点发生吸附，而阴离子聚合物剩余的分子链受阳离子补丁周围的负电荷排斥伸展到周围的水中，吸附其他阳离子补丁，从而形成良好的絮聚，提高助留效率；同时由于细小组分絮聚成较大的纤维絮聚团，增大了纸页孔隙率，有利于水和空气的自由通过。但值得注意的是在加入阴离子聚合物时浆料中的游离阳离子聚合物应较少，否则阴阳离子聚电解质将首先发生反应。此类系统比较典型的是聚丙烯酰胺二元助留体系。

　　

　　（3）Integra 系统为多元助留体系。单独或组合使用了凝结剂，凝聚剂及微絮聚物三类化学品。使用时首先加入的凝结剂为聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDADMAC)，其作用是作为阴离子垃圾捕集剂，可以根据不同浆料的特点，选择不同分子量，不同电荷密度的 PDADMAC；随后加入的凝聚剂为引入了阴离子性的丙烯酸或阳离子性的胺基聚合物的聚丙烯酰胺，该产品为 W/O 乳液，分子量为 1500-2000万；在浆料形成大的絮聚团后经高剪切力打散再加入微絮聚物木素磺酸钠，其出色的分散效果可将打散的纤维絮团分散为稳定、柔性、均一的细小絮团，而木素结构中的疏水基团则更利于滤水，在取得良好的助留效果的同时提高了匀度。

　　

　　

　　为了减少污水处理的环保压力，目前有些纸厂将造纸污泥回用，从而进一步的回用了抄纸过程流失的细小纤维以及流失的淀粉、矿物颜料等。污泥回用工艺是将造纸污水配制成浓度约为2%左右的均匀回用水，在该污水回用过程中，加入特殊的化学助剂使回用水中的污泥（细小纤维、淀粉、无机或有机颜料等）产生分子链，让它有较强的亲和力，产生新的反应，和浆内纤维有机的结合在一起形成桥链作用，增强了污泥和浆料的混合搭配，使污泥均匀地填充到浆料中，最大程度的回用了造纸污水中的有机物，节省造纸成本的同时，也降低了污水处理过程中污泥的产生，大幅减轻污水处理的负荷。

　　

　　

　　细小纤维想要达到良好的利用，首先在抄纸过程中控制好打浆度、滤水速度、浆-网速比和纸机车速、剪切速率；其次是要借助于助留剂的帮助。这其中助留剂是必不可少的。目前已经有多种助留系统，如单组份助留、双组份助留、微粒助留等，但是助留剂的类型不同，对于浆料留着率的影响也不相同。因此想要提高细小纤维的利用，需要注意：

　　

　　（1）助留剂的加入点、加入顺序与加入量，加入点不同，对于留着率会有较大影响，因为助留剂的助留效果会随着浆料搅拌时间的延长而降低，纸机较强的剪切条件和添加的各种其他化学品也有会对助留剂的效果有影响。

　　

　　（2）要注意水的硬度、浆料的温度等对于细小纤维留着的影响，在抄纸过程中，水的硬度对于助留剂的助留作用会有负面的影响，当水的硬度过高时，会造成助留剂分子链伸展较少。

　　

　　（3）选择合适的助留体系，每种助留体系都有相应的优缺点，因此要根据情况选择最合适的产品。

　　

　　（4）对造纸污泥的回用可弥补抄纸过程细小纤维的流失，将细小纤维最大的利用起来，同时降低污水处理的环保压力。