高檔卷煙紙專用輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)過程質(zhì)量控制技術(shù)

1、高檔卷煙紙專用PCC生產(chǎn)過程質(zhì)量控制技術(shù)鄧新云 顏鑫(湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412004 )摘 要：高檔卷煙紙專用PCC的質(zhì)量要求包括平均粒徑與粒徑分布、晶形、游離堿、沉降體積、白度等五個主要指標(biāo)。本文分別從漿液濃度與波美度的關(guān)系、碳化反應(yīng)溫度控制、窯氣濃度與流量選擇、沉降體積控制、生漿和熟漿陳化、過度碳化和磷酸中和處理包裹返堿現(xiàn)象、加強(qiáng)生產(chǎn)過程質(zhì)量管理環(huán)節(jié)等方面探討了高檔卷煙紙專用PCC的生產(chǎn)過程質(zhì)量控制技術(shù)。關(guān)鍵詞：高檔卷煙紙專用PCC；平均粒徑；粒度分布；游離堿；陳化；包裹返堿；沉降體積；白度Production Process Quality Control Technolo

2、gy on High-Grade Cigarette Paper Special PCC Abstract: There are five main quality indexes for special PCC of high-grade cigarette paper including PCC average particle size and size distribution, morphology, free-alkali content, subsidence volume, degree of whiteness. This paper discussed quality co

3、ntrol technologies in the production process of special PCC of high-grade cigarette paper, which deal with the slurry concentration and the corresponding relations, the carbonization reaction temperature control, kiln gas concentration and the flow volume control, settlement, and ripe plasma maturin

4、g, excessive carbonization and phosphoric acid neutralization pack-return alkaline phenomenon and strengthening quality control in manufacturing process.Keywords: high-grade cigarette paper special PCC；average size；size distribution；maturing；pack-return alkaline phenomenon；subsidence volume；degree o

5、f whiteness所謂高檔卷煙紙就是既要滿足高透氣度以降低焦油含量，減少對人體有害物質(zhì)，又要滿足高速卷煙機(jī)對紙張高強(qiáng)度的要求，即所謂“雙高”卷煙紙。高檔卷煙紙專用PCC除了滿足“雙高”性能之外，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，在紙纖維網(wǎng)格中有較高的留著率，能調(diào)節(jié)卷煙紙燃燒速度等，其具體質(zhì)量要求包括平均粒徑及粒度分布、晶形、游離堿含量、沉降體積、白度等五個主要指標(biāo)。下面分別從這五個方面來探討高檔卷煙紙專用PCC的質(zhì)量控制技術(shù)。1. 晶形的多樣性與選擇造紙?zhí)盍蠈Ｓ肞CC的晶形雖然有玫瑰花形、片狀和紡錘體等多種晶形，但高檔卷煙紙專用PCC的晶形一般為小紡錘體，不僅因?yàn)槊倒寤?/p>

6、形、片狀PCC都必須添加必要的晶形導(dǎo)向劑，工藝控制也較為復(fù)雜，成本較高，且影響紙纖維間的結(jié)合，使紙張強(qiáng)度降低。而紡錘體是一種自發(fā)生成的晶體類型，無需要添加任何晶形導(dǎo)向劑，紡錘體決定了粒子的堆積、交叉在一起，會產(chǎn)生搭橋作用，較疏松，對成紙的透氣度、不透明度、白度均較有利；同時，紡錘狀PCC本身流線型結(jié)構(gòu)在紙張抄造過程中對紙機(jī)的造紙銅網(wǎng)、聚酯成型網(wǎng)的摩擦損耗程度較小，在紙張完成、后續(xù)加工及印刷過程中有重要意義1。2. 高檔卷煙紙專用PCC平均粒徑與粒度分布生產(chǎn)技術(shù)恒豐紙業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐表明：高檔卷煙紙?zhí)盍蠈Ｓ肞CC平均粒徑最好是處于3m之間，比表面積為23m2/g。如果粒徑小于1m，填充過程中小粒徑P

7、CC粒子將容易穿透紙張纖維，則其紙張纖維中的保留率將下降，同時，小顆粒PCC填充在紙張纖維中將堵塞纖維的細(xì)小空穴，減小了紙張的總空隙率，影響紙張脫水速率、成品的透氣度和變異系數(shù)；反之，如果平均粒徑大于5m，則大部分PCC粒子難以進(jìn)入紙張纖維網(wǎng)格之中，僅僅覆蓋在紙張表面，其成品紙張表面將出現(xiàn)一層“白粉”，在印刷過程中易發(fā)生“掉粉掉毛”現(xiàn)象1，使PCC的有效填充量明顯減少，并影響到紙張的燃燒速度。PCC在紙張纖維中留著率一般僅為加入量的50%左右，流失的PCC將隨著造紙廢水排放，給環(huán)境保護(hù)和廢水處理帶來負(fù)面影響2，因此，粒度分布窄是高檔卷煙紙?zhí)盍蠈Ｓ肞CC又一的重要特征。2.1 恒都公司產(chǎn)品在改造

8、前后的粒度大小與分布情況比較采用Malvern Instruments Ltd 制造的Mastersizer 2000激光粒度分析儀對牡丹江恒都鈣品 （簡稱恒都公司）在改造前后的產(chǎn)品粒度大小與分布情況進(jìn)行了分析，分別如圖1(a)、圖1(b)所示。 圖1（a）改造前粒度分布圖 圖1（b）改造后粒度分布圖m之間有一個明顯的小峰，說明在該區(qū)域有部分微細(xì)PCC存在，并導(dǎo)致主峰右移、粒徑分布寬度增大、產(chǎn)品整體平均粒徑增大。由圖1（b）可知，改造后產(chǎn)品只有一個主峰，且峰高增大、峰寬減小、峰形對稱美觀，完全可以滿足高檔卷煙紙?zhí)盍蠈Ｓ肞CC的要求。改造前后產(chǎn)品粒度分析報告對比如下表：表1：改造前后產(chǎn)品粒度分析

9、對比峰高/%峰高位置/m平均粒徑/mm/粒子%m粒子/%m 粒子/%峰形應(yīng)用性能改造前4.0104.3302.51.5%60%不對稱不佳改造后14.43.1983.447幾乎為0幾乎為070%對稱美觀很好2.2漿液濃度與波美度的關(guān)系濃度大小選擇2.2.1生漿濃度與波美度的關(guān)系圖2 標(biāo)準(zhǔn)曲線與裕豐鈣業(yè)工作曲線對照圖漿液濃度是影響輕鈣平均粒徑的主要因素之一，實(shí)際生產(chǎn)中通常是通過測定漿液的波美度來間接判斷漿液濃度大小。連州裕豐鈣業(yè)科技 將該公司工作曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對照，如圖2所示：從標(biāo)準(zhǔn)曲線可以看出，其質(zhì)量百分濃度與波美度幾乎成正比例線性關(guān)系，其波美度×質(zhì)量百分濃度；該工作曲線是一根曲度

10、明顯的曲線，而且波美度越大，其質(zhì)量百分濃度與標(biāo)準(zhǔn)曲線相差越遠(yuǎn)3?？梢姡ㄟ^用波美度來表征生漿的濃度大小，可以說已經(jīng)沒有實(shí)際意義，因?yàn)樯鷿{的波美度與質(zhì)量濃度的關(guān)系是相當(dāng)復(fù)雜的，主要取決于石灰石質(zhì)量、生漿是否進(jìn)行陳化處理及陳化時間的長短等因素。各PCC生產(chǎn)企業(yè)必須根據(jù)各地區(qū)各企業(yè)所使用石灰石測定波美度與質(zhì)量濃度關(guān)系換算表或工作曲線，才可能正確地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。2.2.2熟漿濃度與波美度的關(guān)系用波美度來表征碳化熟漿的濃度是完全可行的。其原因是熟漿的質(zhì)量百分濃度雖然比相應(yīng)的生漿大約1.26倍左右（見表2），但熟漿的粘度明顯少于生漿，熟漿的波美度與其質(zhì)量百分濃度的關(guān)系比較符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)曲線。生漿質(zhì)量百分

11、濃度、熟漿的波美度和質(zhì)量百分濃度具有表2所示的關(guān)系：表2 生漿質(zhì)量百分濃度、熟漿的波美度和質(zhì)量百分濃度關(guān)系 生漿質(zhì)量百分濃度/%8.010121518熟漿質(zhì)量百分濃度/%12.715.118.61.291.271.261.241.23熟漿波美度/°Bé12.014.417.120.824.8實(shí)際生產(chǎn)中可通過測定熟漿的波美度來比較準(zhǔn)確推算出熟漿的質(zhì)量百分濃度，并進(jìn)而倒推出碳化前生漿的質(zhì)量百分濃度。例如，當(dāng)熟漿的波美度20°Bé時，熟漿的質(zhì)量百分濃度約為：20÷17.7%，碳化前生漿的質(zhì)量百分濃度為：17.7%÷14.05%。2.2.3生

12、漿濃度的選擇在普通PCC生產(chǎn)過程中幾乎不控制生漿濃度，往往生漿濃度在1520%之間，而納米PCC控制粒徑的措施之一就是控制其生漿濃度在812%4。高檔卷煙紙專用PCC的粒徑介于普通輕鈣和納米輕鈣之間，因此，必須適當(dāng)?shù)乜刂破渖鷿{濃度在1216%之間。2.3生漿的起始反應(yīng)溫度、碳化過程溫度控制生漿的起始反應(yīng)溫度、碳化過程溫度及碳化終點(diǎn)最高溫度的控制，也是影響PCC平均粒徑的重要因素之一。眾所周知，普通輕鈣生產(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ㄝp鈣也幾乎不控制產(chǎn)品的粒徑；而納米碳酸鈣生產(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

13、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4。而高檔卷煙紙專用PCC的粒徑介于普通輕鈣和納米輕鈣之間，其漿液的起始反應(yīng)溫度和碳化過程溫度需要控制在一定的范圍內(nèi)。一般來說，漿液的起始反應(yīng)溫度可控制在2530，碳化過程最高溫度可相應(yīng)地控制在4550之間。因此，碳化溫度最好能實(shí)現(xiàn)可控。2.4窯氣的濃度和流量選擇窯氣濃度和流量也是影響輕鈣粒徑的重要因素之一，實(shí)際生產(chǎn)中窯氣濃度要求越高越好。理論上窯氣濃度凈化后理論上可達(dá)40%（體積百分濃度），但實(shí)際上，窯氣濃度往往僅為2535%，將導(dǎo)致碳化反應(yīng)速度較慢，有時碳化時間長達(dá)90120

14、min，這不利于碳化初期大量晶核的形成和平均粒徑的控制。這往往是由于鼓風(fēng)量與加煤量和煅燒速率不相匹配而造成過量鼓風(fēng)、窯氣輸送管道密封不佳而造成空氣漏入等因素。當(dāng)鼓風(fēng)量與加煤量相互匹配時，窯氣濃度是最高的，且噸石灰煤耗也是最少的、石灰質(zhì)量也是最好的，因此，加強(qiáng)石灰窯的運(yùn)行管理是提高窯氣濃度的關(guān)鍵。圖3 生漿波美度隨時間變化曲線通過提高窯氣流量的方法，即可將兩座石灰窯氣同時鼓入一個碳化塔中進(jìn)行碳化反應(yīng)，可達(dá)到反應(yīng)速度加倍，控制碳化時間在4060min內(nèi)，同時有利于控制碳酸鈣平均粒徑的目的。2.5 生漿的陳化處理在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，剛消化后的生漿的波美度較小，以恒都公司為例，其新鮮生漿波美度僅為303

15、5°Bé，但生漿經(jīng)過24h陳化處理后，隨著漿液粘度的增大，其波美度可增大到5055°Bé。石灰乳在存放過程中會出現(xiàn)先變黏稠、波美度增大，后出現(xiàn)粘度變小、波美度也減小的現(xiàn)象，如圖3所示。這是由于一些尚未完全消化的生石灰在存放過程中逐漸消化、分散成細(xì)小顆粒Ca(OH)2晶體，體系中細(xì)小顆粒增加，使顆粒間相互作用力增加，從而出現(xiàn)黏度增大的現(xiàn)象；生漿經(jīng)過約48h陳化后，生石灰已經(jīng)消化完畢，Ca(OH)2微晶之間相互結(jié)合成為了較大的微晶，從而出現(xiàn)粘度變小、波美度也減小的現(xiàn)象。圖4 三種PCC沉降曲線對比精漿陳化一定程度上可避免產(chǎn)品出現(xiàn)包裹返堿現(xiàn)象；大型陳化池可使一

16、定時間內(nèi)的漿液濃度、溫度、活性等物化性質(zhì)完全相同，從而使產(chǎn)品質(zhì)量在一定范圍內(nèi)保持相對的穩(wěn)定性；陳化過程還是一個緩慢的放熱反應(yīng)過程，大型陳化池具有自然散熱不快的缺陷，靜置陳化往往需要23天時間。3 沉降體積大小的控制PCC平均粒徑大小及其粒徑分布情況，雖然可以通過粒度分布儀進(jìn)行測定，但最簡單有效的辦法是進(jìn)行常規(guī)的沉降性測試。從測定PCC的沉降體積（工業(yè)上簡稱沉體，也稱視比容）大小與沉降時間的關(guān)系，如圖4所示。從圖4可讀出三層含義，一是根據(jù)沉降體積的大小可初步判斷出PCC產(chǎn)品的粒徑大??；二是根據(jù)沉降體積與沉降時間的關(guān)系圖是否呈現(xiàn)一條直線來判斷粒度分布是否狹窄，如果沉降曲線呈現(xiàn)一條直線，如圖4中曲線

17、B表明PCC沉降均勻，粒度分布狹窄；相反，沉降曲線的彎曲程度較大，則表明相應(yīng)的PCC粒度分布較寬，如曲線A、C所示。曲線A表明該樣品中粒徑較大的粒子較多，開始階段沉降較快，末尾階段沉降較慢，其沉降體積較小；曲線C所示則相反。三是三種產(chǎn)品的沉降體積（三小時）差不多，但三者粒徑分布卻相差甚遠(yuǎn)，因此，實(shí)際生產(chǎn)中還需要測定產(chǎn)品的一小時沉降體積（也稱沉降格），圖4所示中三者的沉降格就相差甚遠(yuǎn)。在平均粒徑和粒度分布一定的情況下（34m），高檔卷煙中專用PCC對沉降體積并不是要求越大越好，而是要求，并保持相對穩(wěn)定。這可以通過調(diào)節(jié)石灰煅燒、消化、碳化過程各工藝條件來實(shí)現(xiàn)沉降體積的可控5。4. 游離堿控制技術(shù)游

18、離堿含量一般應(yīng)小于5%。當(dāng)產(chǎn)品游離堿含量超標(biāo)，在平均粒徑一定的情況下，表現(xiàn)為其沉體也會隨之增大，填充過程與紙張纖維相容性變差，某種程度上，游離堿含量超標(biāo)比平均粒徑偏大或偏小的危害來得更大，因此，游離堿含量必須嚴(yán)格加以控制的指標(biāo)。 碳化反應(yīng)終點(diǎn)的判斷通常采用電導(dǎo)儀、酸度計、酚酞指示劑等其中一種方法，或者其中兩種方法的結(jié)合使用，不管采用什么方法都必須使熟漿的pH值接近7。通常還需要繼續(xù)通入24min的窯氣進(jìn)行過度碳化，以確保游離堿含量達(dá)標(biāo)4。但即便如此，熟漿仍然可能出現(xiàn)返堿現(xiàn)象，仍不能完全確保產(chǎn)品游離堿含量能夠達(dá)標(biāo)。究其原因，包裹返堿現(xiàn)象中這種“包裹”在常溫下很難打開，但在加熱煮沸時很容易打開。其

19、根源在于生石灰活性較差、生漿濃度和粘度過大、陳化時間不夠、粒子太粗等因素?？刹捎眉尤肷倭苛姿徇M(jìn)行補(bǔ)救方能確保游離堿含量達(dá)標(biāo)。5. 白度控制技術(shù)高檔卷煙紙專用PCC對白度也有較高的要求，一般要求大于90、且保持穩(wěn)定即為合格。卷煙紙都是白色的，如果不同批次的PCC產(chǎn)品白度差別較大，則將給成品紙產(chǎn)生明顯的色差。在石灰石質(zhì)量合格的前提下，輕鈣白度主要取決于窯氣凈化、生石灰與煤灰的篩分、生漿的精制過濾、各種漿液槽和成品槽、消化機(jī)和碳化塔密封操作等生產(chǎn)過程質(zhì)量管理環(huán)節(jié)。一般情況下，只要搞好上述生產(chǎn)過程質(zhì)量管理環(huán)節(jié)即可使產(chǎn)品白度達(dá)標(biāo)。只有當(dāng)石灰石質(zhì)量不合格的情況下，如石灰石中鐵、錳含量超標(biāo)時，才有必要采用所謂增白技術(shù)。結(jié)語高檔卷煙紙專用PCC要求平均粒徑穩(wěn)定控制在3.04.0m之間、且粒度分布良好，要求晶形為小紡錘形，碳化時生漿濃度為1216%，碳化起始溫度為2530，碳化過程體系最高溫度可相應(yīng)地控