卷煙紙PCC 除了要滿足高透氣度、度的基本要求之外,還要求能提高卷煙紙的不透明度、白度,改進(jìn)手感和柔軟性,有較高的留著率以及能調(diào)節(jié)卷煙紙燃燒速度等功能。卷煙紙對(duì)PCC 的晶形、平均粒徑大小與粒度分布、游離堿含量、白度等有嚴(yán)格要求,對(duì)沉降體積要求并不明確。按照通常的觀點(diǎn),PCC 粒度越小,其沉降體積越大,反之亦然。但事實(shí)上,PCC平均粒度與沉降體積并不是一種一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,因?yàn)槌两刁w積除了與結(jié)晶粒子大小有關(guān)之外,還與粒度分布和結(jié)晶形態(tài)等因素密切相關(guān)。因此,生產(chǎn)過程中往往存在平均粒徑大小與沉降體積大小之間的矛盾,當(dāng)平均粒徑合格時(shí)沉降體積卻偏大;反之,當(dāng)沉降體積合格時(shí),平均粒徑又偏大。
牡丹江恒豐紙業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐表明:卷煙紙PCC 平均粒徑處于3.2~3.8 μm 之間,d503.5 μm,比表面積2~3 m2·g-1,沉降體積3.5 mL·g-1,如果沉降體積偏大將影響紙張的透氣性能。
本文從調(diào)節(jié)平均粒徑大小與粒度分布、石灰活性、石灰消化水溫度、碳化溫度,穩(wěn)定進(jìn)行窯氣凈化和熟漿陳化等工藝條件探討實(shí)現(xiàn)沉降體積的可控性。
1 不同粒徑與粒度PCC的性質(zhì)
我們用Mastersizer2000 激光粒度分析儀對(duì)不同試樣的粒度大小、粒度分布情況與沉降體積進(jìn)行了對(duì)比分析,分別如圖1(a)、圖1(b) 和圖1(c) 所示。
由圖1(a)可知,試樣1 在0.2~1.2μm 之間有一個(gè)明顯的小峰,主峰已經(jīng)明顯深入10~15
μm 之間,說明該試樣中既明顯存在部分微細(xì)PCC,同時(shí)又存在大于10μm 的普通PCC,總體的平均粒徑較大,比表面積較小,粒徑分布較寬,且峰高較矮,雖然其沉降體積適中,但不符合產(chǎn)品的粒度分布要求,應(yīng)用效果不佳。
由圖1(b) 看出,其峰形與圖1(a) 相似,不同的是試樣2 的平均粒徑看起來非常符合要求,但粒度分布更寬,微細(xì)PCC 含量更多,比表面積較大、沉降體積明顯偏大,應(yīng)用效果仍不理想。圖1(c) 只有一個(gè)主峰,且粒度分布較窄,峰高較大,峰寬較小,比表面積適中,峰形對(duì)稱美觀,其平均粒徑和沉降體積都符合產(chǎn)品要求,應(yīng)用效果很好。
可見,PCC 的平均粒徑和粒度分布是兩個(gè)影響沉降體積的重要因素,在平均粒徑相差無幾的情況下,粒度分布是一個(gè)更重要的影響因素,只有當(dāng)產(chǎn)品的平均粒徑、粒度分布和沉降體積同時(shí)符合要求時(shí)才能算是合格的產(chǎn)品。根據(jù)斯托克斯定律,由于微細(xì)PCC 懸浮粒子產(chǎn)生的輕度布朗運(yùn)動(dòng),對(duì)粒子的下沉產(chǎn)生阻滯作用,這是平均粒徑較小、粒度分布較寬、沉降體積卻更大的原因。因此,在卷煙紙?zhí)盍螾CC 生產(chǎn)過程中要著力避免粒徑小于1 μm 的微細(xì)PCC 的出現(xiàn),同時(shí)也要避免粒徑大于10 μm 的普通PCC 的出現(xiàn),這是控制產(chǎn)品沉降體積的重要措施。
2 PCC 的性質(zhì)控制
2.1 調(diào)節(jié)石灰活性
生石灰的生產(chǎn)是PCC 的,只有先生產(chǎn)出了的生石灰,才可能終生產(chǎn)出合格的PCC產(chǎn)品?;钚允沂且环N輕燒石灰,它具有晶粒細(xì)小(0.1~3 μm)、氣孔率高(50%)、體積密度小(1.5~1.7 g·cm-3)、比表面積大(1.5~2.0 m2·g-1)、活性度高( ≥ 300 mL)、殘余CO2 含量少( ≤ 2 %)等優(yōu)點(diǎn)。石灰活性越好,越容易消化,消化后的氫氧化鈣粒子越小,生產(chǎn)出來的PCC 平均粒徑就越小,其沉降體積值就越大[6]。但粒徑大小與沉降體積大小并不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,在其他工藝參數(shù)允許的條件下,在產(chǎn)品平均粒徑合格的前提下,提高石灰活性可加大產(chǎn)品的沉降體積;反之,降低石灰活性可減小產(chǎn)品的沉降體積,石灰活性對(duì)輕鈣沉降體積的影響如表2。實(shí)踐表明,卷煙紙?zhí)盍螾CC 要求中等活性的石灰,石灰活性度大于300 mL 或小于200 mL 都不適合。而石灰活性大小的控制可通過控制燃煤添加比例來控制煅燒溫度,通過控制煅燒時(shí)間來控制石灰石的分解程度來實(shí)現(xiàn)。
2.2 窯氣凈化與熟漿陳化
目前行業(yè)內(nèi)采用的窯氣凈化系統(tǒng)是由旋風(fēng)分離器、噴淋除塵器或泡沫洗滌塔、吸附過濾塔等設(shè)備組成。其中旋風(fēng)分離器、噴淋除塵器或泡沫洗滌塔可以很好地起到脫除窯塵、降溫、脫硫等作用,能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行;其中吸附過濾塔為關(guān)鍵設(shè)備,吸附過濾塔一般都內(nèi)裝焦炭或分子篩,主要起到吸附脫除窯氣中煤焦油等有機(jī)成分的作用,而吸附過濾塔能否有效運(yùn)行正是窯氣凈化對(duì)PCC 沉降體積產(chǎn)生影響的關(guān)鍵所在。
因?yàn)榻固炕蚍肿雍Y都存在一個(gè)有效容量,一旦超過吸附介質(zhì)的有效容量,吸附塔將完全不能起到脫除煤焦油等有機(jī)成分的作用,而這些進(jìn)入碳化階段的有機(jī)成分容易吸附在產(chǎn)品表面,相當(dāng)于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了局部的表面改性作用,從而使產(chǎn)品沉降體積產(chǎn)生“ 虛高”現(xiàn)象,即導(dǎo)致產(chǎn)品沉降體積偏大。因此,每班都要測(cè)定凈化窯氣中煤焦油的含量,定期更換吸附介質(zhì),確保吸附過濾塔的有效運(yùn)行是保證產(chǎn)品沉降體積穩(wěn)定的基礎(chǔ)。
沉降體積與熟漿的陳化時(shí)間成反比,即陳化時(shí)間越長(zhǎng),沉降體積越小。但隨著陳化時(shí)間的延長(zhǎng),陳化對(duì)沉降體積的影響越小,當(dāng)陳化時(shí)間超過24 h 之后,沉降體積趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)椴唤?jīng)陳化處理的PCC 結(jié)晶是不完整的、亞穩(wěn)態(tài)的微細(xì)結(jié)晶,其粒度分布較寬,沉降體積較大;反之,經(jīng)過陳化處理的PCC 結(jié)晶完整、形態(tài)穩(wěn)定、粒度分布較窄、沉降體積較小。碳化熟漿經(jīng)24 h 的陳化處理是穩(wěn)定產(chǎn)品沉降體積的重要措施。
2.3 消化溫度和漿液濃度
石灰乳活性與消化過程中的攪拌強(qiáng)度、石灰粒徑、消化水溫度、m(H2O)/m(CaO) 等操作條件有關(guān)。在消化設(shè)備、石灰質(zhì)量、灰水比一定的條件下,消化水溫度是決定消化質(zhì)量的關(guān)鍵。消化反應(yīng)是放熱反應(yīng),反應(yīng)體系的溫度取決于生石灰的溫度和消化用水的溫度及數(shù)量。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),一般消化溫度比消化用水溫度高20~40℃,當(dāng)用熱水(50~80℃ ) 進(jìn)行消化反應(yīng)時(shí),反應(yīng)尤其劇烈,可使反應(yīng)溫度達(dá)到100℃以上,從而使溶液沸騰,同時(shí)產(chǎn)生大量蒸汽,使消化反應(yīng)速度更快,反應(yīng)也更為徹底,Ca(OH)2顆粒也更為細(xì)膩,終所產(chǎn)PCC 的沉降體積也更大。
可見,如果產(chǎn)品的沉降體積偏大,則可以適當(dāng)調(diào)低消化水溫度,反之亦然。當(dāng)所選石灰質(zhì)量、數(shù)量和消化水量都相同,消化水溫分別為30℃、50℃、70℃時(shí),分別測(cè)定3 個(gè)試樣的石灰乳沉降體積和相應(yīng)的PCC 沉降體積,其結(jié)果如表3。
漿液濃度是影響輕鈣平均粒徑和沉降體積的主要因素之一。提高漿液濃度可增大產(chǎn)品的平均粒徑和降低沉降體積;反之,降低漿液濃度可減小產(chǎn)品的平均粒徑和增大產(chǎn)品的沉降體積。納米PCC的生漿濃度一般控制在8%~12%,普通PCC 一般控制在16%~18%,卷煙紙PCC 的平均粒徑介于普通PCC 和納米PCC 之間,其生漿濃度應(yīng)控制在12%~16%。
2.4 碳化起始溫度和過程高溫度
生漿的起始反應(yīng)溫度、碳化過程高溫度的控制,也是影響PCC 平均粒徑的重要因素之一。眾所周知,普通PCC 生產(chǎn)過程是幾乎不控制生漿的起始反應(yīng)溫度和碳化過程溫度,這是因?yàn)槠胀≒CC 也幾乎不控制產(chǎn)品的粒徑;而納米PCC 生產(chǎn)過程則需要通過制冷來嚴(yán)格控制生漿的起始反應(yīng)溫度和碳化過程溫度,這源于氫氧化鈣粒子在水中的溶解度與溫度成反比,即溫度越低,其溶解度越大,反應(yīng)的推動(dòng)力越大,越有利于碳化反應(yīng)初期形成大量晶核,有利于粒子超細(xì)化。
而卷煙紙PCC 的粒徑介于普通PCC 和納米PCC 之間,一般來說,漿液的起始反應(yīng)溫度可控制在20~30℃,碳化過程高溫度可相應(yīng)地控制在45~55℃之間]。因此,碳化溫度能實(shí)現(xiàn)可控。如果產(chǎn)品的沉降體積偏大,可適當(dāng)調(diào)高碳化起始溫度或碳化過程溫度;反之亦然,但這可能帶來產(chǎn)品平均粒徑的改變。
3 結(jié)語
⑴ 在平均粒徑相差無幾的情況下,粒度分布是一個(gè)影響產(chǎn)品沉降體積更重要的因素,在卷煙紙?zhí)盍螾CC 生產(chǎn)過程中要著力避免粒徑小于1 μm 的微細(xì)PCC 和大于10 μm 的普通PCC。
⑵ 提高石灰活性可加大產(chǎn)品的沉降體積,反之,降低石灰活性可減小產(chǎn)品的沉降體積。卷煙紙?zhí)盍螾CC 要求中等活性的石灰,石灰活性度大于300 mL 或小于200 mL 都不適合。
⑶ 吸附過濾塔是窯氣凈化的關(guān)鍵設(shè)備,一旦超過其吸附介質(zhì)的有效容量,將不能起到脫除煤焦油等有機(jī)成分的作用,將使產(chǎn)品沉降體積產(chǎn)生“虛高”,導(dǎo)致產(chǎn)品沉降體積偏大。因此,確保吸附過濾塔的有效運(yùn)行是保證產(chǎn)品沉降體積穩(wěn)定的基礎(chǔ)。
⑷ 消化水溫度是決定消化質(zhì)量的關(guān)鍵,消化水溫一般控制在50~80℃。消化水溫越高,消化反應(yīng)速度越快,反應(yīng)也越徹底,Ca(OH)2 顆粒也更為細(xì)膩,終所產(chǎn)PCC 的沉降體積也更大。因此,如果產(chǎn)品的沉降體積偏大,則可以適當(dāng)調(diào)低消化水溫度,反之亦然。
⑸ 碳化溫度能實(shí)現(xiàn)可控,起始反應(yīng)溫度可控制在20~30℃,高溫度控制在45~55℃之間。如果產(chǎn)品的沉降體積偏大,可適當(dāng)調(diào)高碳化起始溫度或碳化過程溫度,反之亦然。
⑹ 經(jīng)陳化處理的PCC 結(jié)晶完整、形態(tài)穩(wěn)定,應(yīng)避免出現(xiàn)微細(xì)PCC、粒度分布較窄、沉降體積較小的現(xiàn)象產(chǎn)生。碳化熟漿經(jīng)24 h 的陳化處理是穩(wěn)定產(chǎn)品沉降體積的重要措施。