造纸化学品是造纸过程中所使用的各种化学药剂以及助剂等的总称,包括制浆化学品、抄纸化学品、纸加工化学品和治污化学品4大类。造纸化学品在整个制浆造纸的工艺生产中具有非常广泛的应用。造纸化学品是解决我国造纸工业产品质量档次低、森林资源严重不足、环境污染严重等问题的关键产品,被列入《国家当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》。目前,造纸化学品大多已经有几十年的应用历史,本文针对目前应用较为广泛的造纸化学品,介绍其发展态势和未来前景。
几种造纸化学品发展现状
制浆脱墨化学品
制浆脱墨化学品主要指废纸脱墨剂,早期所使用的废纸脱墨剂主要是以石油化工路线合成的非离子型、阴离子型表面活性剂及其复配产品为主。随着生物科技的不断发展,生物酶复合制剂由于具有良好的使用性能,成本也较低,在当前的造纸行业得到了快速的发展。但是生物酶脱墨剂的稳定性和环境适应性较差,在环境相对复杂的废纸脱墨体系中酶的活性不容易控制,从而限制了酶法脱墨技术的大规模推广。因此,业内应开发适用范围广、活性高、工艺简单的生物酶脱墨剂,并研制与酶具有良好协同效应的表面活性剂及其复配物,以提高生物酶脱墨效率,使生物酶脱墨技术逐渐代替传统的化学品脱墨技术。
增干强剂
增干强剂的应用主要是为了提高纸张的强度。能形成氢键的水溶性聚合物可以用作增干强剂。目前,我国在造纸行业应用较多的增干强剂主要是淀粉类物质以及聚丙烯酰胺(PAM)等。其中淀粉类物质由于具有较好的作用效果,使用成本较低,操作简便,在目前的增干强剂中最受欢迎。同时,改性壳聚糖、改性瓜尔胶、改性羧甲基纤维素作增干强剂也有大量的应用研究。近年来,国内外对增干强剂的研究主要集中在新工艺、新产品的应用开发上。新工艺主要是将增干强剂由传统的浆内添加改为纸页外部添加,即浸渍法。新型增干强剂主要有聚乙烯胺类、阳离子改性聚乙烯醇类以及超支化聚合物等。
我国目前对纸张增干强剂已进行了相当深入的研究,且成功开发了不少品种,研究和生产水平均有了很大进步,但与国外相比还有一定差距,新产品推广普及还有待进一步提高。今后,应针对我国的造纸纤维原料以草浆和回收纸浆为主的特点,自主研发新技术并合理引进或利用国外的先进技术,生产开发出适应我国国情的高性能、低成本的造纸增干强剂。
施胶剂
施胶剂在造纸工业生产主要是用来提高纸以及纸板的抗水性。目前,应用较为广泛的施胶剂主要有两类,即天然类和合成类。天然类主要有松香胶和淀粉。合成类目前应用最多的主要是烷基烯酮二聚体(AKD)和链烯基琥珀酸酐(ASA)两种。AKD具有施胶滞后和易水解的缺点,因而其快速熟化技术得到了长足的发展。AKD的快速熟化主要从两方面着手:一是在AKD乳化的过程中加入能够促进AKD开环的碱性物质,加速AKD与纤维的反应;二是对AKD分子本身进行改性,加快其熟化速度。ASA是一种中碱性造纸施胶剂,最显著的特征在于其高反应性,施胶熟化快,无施胶滞后现象,但其在水中的稳定性较AKD更差,因此如何提高ASA乳液的稳定性成为研究热点。
助留助滤剂
造纸行业中助留剂的作用主要是为了提高填料和细小组分的留着率,大大提高纸张的灰分含量,进而降低白水的浓度;助滤剂能改善滤水性能,提高脱水速率。随着造纸工业的发展,造纸湿部的助留助滤技术经历了单元助留助滤体系、双元助留助滤体系、微粒助留助滤体系及网络助留助滤体系的发展过程。目前应用最为广泛的助留助滤剂主要是淀粉、PAM以及微粒助留体系等。其中研究较多的微粒助留体系包括阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)/改性膨润土体系和阳离子淀粉/胶体二氧化硅体系。当前微粒助留助滤体系的应用成本仍高于单元、双元助留助滤体系,也是造纸企业在选择最佳助留助滤技术时需要兼顾的因素。
伴随着湿部助留助滤体系的发展,研究人员对各种体系的絮聚机理进行了深入的研究。这些研究不但为实际应用提供了指导,更促进了新体系的发展。未来的助留助滤技术不得不面临着诸如车速提高、抄宽增加、夹网成形、稀释水的流浆箱、封闭循环、高灰分、新型填料、低成本及提高纸机效率等方方面面的压力。依托于高分子科学的迅猛发展,合成新型、多功能的高度支化聚合物,开发其在造纸工业中的应用将成为研究的热点。
造纸化学品发展前景及建议
造纸化学品具有广阔的发展空间和光明的前景。今后,造纸化学品行业需要进一步加强技术创新能力建设,发展具有自主知识产权的新产品、新工艺、新技术,促进产品升级换代,向规模化、绿色化、专用化、系列化方向发展。
一是废纸再生纤维专用化学品。废纸造纸可以节约大量的木材资源、能源,还有利于保护生态环境。2017年全国废纸浆消耗量达6302万吨,占纸浆消耗总量的63%。废纸浆的大量使用对废纸再生纤维专用化学品的需求更为迫切,需要专用的脱墨化学品、增强剂、助留助滤剂和树脂障碍控制剂等。我国此方面的研发产品和技术与美、欧、日等国尚有较大的差距,有待重视和加强。
二是填料类专用化学品的开发与应用。除纤维原料外,无机填料的使用量居造纸原料的第二位。无机填料不仅可以提高纸张不透明度和平滑度等质量指标,而且可以大量节约纤维原料。然而,无机填料与纤维缺乏亲合性,一方面填料不容易在纸上留着;另一方面随着填料应用比例的提高,纤维间的结合力随之下降,影响纸张的内结合强度和表面强度。发达国家文化用纸中,灰分比例已达30%,而我国同类纸的灰分含量仍很低,急需加大开发力度。
三是节能减排专用化学品的开发与应用。根据国家统计局数据,2014年我国造纸及纸制品业废水排放量为27.6亿吨,占全国工业废水总排放量的14.7%;排放废水中化学需氧量(COD)为47.8万吨,占全国工业COD总排放量的17.4%;氨氮排放量为1.6万吨,占全国工业氨氮总排放量的7.8%。经过造纸工业艰苦的努力,虽然目前环境保护工作已取得突出的进步,但压力依然十分巨大,因此应加快节能减排专用化学品的开发与应用。
四是加快高档纸功能性化学品和特种纸专用化学品的开发与应用。随着造纸新产品、新工艺的发展需要,高档纸和特种纸专用化学品不断涌现。对化学品依赖度大的高档纸和特种纸,在国内是紧销产品,也是造纸行业的高利润区。目前我国还不能完全满足造纸工业的发展需要,市场缺口需要进口产品满足。
以高档文化用纸中涂布印刷纸为例,2017年我国该种纸产量为765万吨,占纸和纸板总量的6.87%。高档文化用纸除增强、助留、助滤等湿部化学品外,对功能性表面化学品尤为需要。发达国家功能性表面化学品的用量远远超过湿部化学品,新的品种系列也在不断涌现;而我国功能性表面专用化学品研发还相对比较落后,这主要归因于我国纸和纸板纤维原料差,表面强度、整饰性、印刷适性等指标普遍达不到要求,因此加强功能性表面化学品的开发更加重要。
2017年我国特种纸和纸板产量为305万吨,占纸和纸板总量的2.74%,远低于发达国家水平,今后发展潜力巨大。特种纸和纸板化学品更是我国的紧缺产品,如水果包装纸、除甲醛纸、热敏纸、抗静电纸、导电纸、防伪纸等所需要的专用化学品亟待开发。
