高級卷煙紙輕質(zhì)碳酸鈣（PCC）沉降體積控制技術(shù)

發(fā)布時間：2021-01-01

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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、白度等有嚴格要求，對沉降體積要求并不明確。按照通常的觀點，PCC 粒度越小，其沉降體積越大，反之亦然。但事實上，PCC平均粒度與沉降體積并不是一種一一對應關(guān)系，因為沉降體積除了與結(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，當平均粒徑合格時沉降體積卻偏大；反之，當沉降體積合格時，平均粒徑又偏大。
牡丹江恒豐紙業(yè)的生產(chǎn)實踐表明：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)定進行窯氣凈化和熟漿陳化等工藝條件探討實現(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 激光粒度分析儀對不同試樣的粒度大小、粒度分布情況與沉降體積進行了對比分析，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PCC，同時又存在大于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PCC 含量更多，比表面積較大、沉降體積明顯偏大，應用效果仍不理想。圖1(c) 只有一個主峰，且粒度分布較窄，峰高較大，峰寬較小，比表面積適中，峰形對稱美觀，其平均粒徑和沉降體積都符合產(chǎn)品要求，應用效果很好。
可見，PCC 的平均粒徑和粒度分布是兩個影響沉降體積的重要因素，在平均粒徑相差無幾的情況下，粒度分布是一個更重要的影響因素，只有當產(chǎn)品的平均粒徑、粒度分布和沉降體積同時符合要求時才能算是合格的產(chǎn)品。根據(jù)斯托克斯定律，由于微細PCC 懸浮粒子產(chǎn)生的輕度布朗運動，對粒子的下沉產(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PCC 的出現(xiàn)，同時也要避免粒徑大于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?。?.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。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應關(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，石灰活性對輕鈣沉降體積的影響如表2。實踐表明，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，通過控制煅燒時間來控制石灰石的分解程度來實現(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，能夠長期穩(wěn)定運行；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成分的作用，而吸附過濾塔能否有效運行正是窯氣凈化對PCC 沉降體積產(chǎn)生影響的關(guān)鍵所在。
因為焦炭或分子篩都存在一個有效容量，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成分的作用，而這些進入碳化階段的有機成分容易吸附在產(chǎn)品表面，相當于對產(chǎn)品進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，即導致產(chǎn)品沉降體積偏大。因此，每班都要測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間成反比，即陳化時間越長，沉降體積越小。但隨著陳化時間的延長，陳化對沉降體積的影響越小，當陳化時間超過24 h 之后，沉降體積趨于穩(wěn)定。這是因為不經(jīng)陳化處理的PCC 結(jié)晶是不完整的、亞穩(wěn)態(tài)的微細結(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。消化反應是放熱反應，反應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，一般消化溫度比消化用水溫度高20~40℃，當用熱水(50~80℃ ) 進行消化反應時，反應尤其劇烈，可使反應溫度達到100℃以上，從而使溶液沸騰，同時產(chǎn)生大量蒸汽，使消化反應速度更快，反應也更為徹底，Ca(OH)2顆粒也更為細膩，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，則可以適當調(diào)低消化水溫度，反之亦然。當所選石灰質(zhì)量、數(shù)量和消化水量都相同，消化水溫分別為30℃、50℃、70℃時，分別測定3 個試樣的石灰乳沉降體積和相應的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溫度和碳化過程溫度，這是因為普通PCC 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格控制生漿的起始反應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，反應的推動力越大，越有利于碳化反應初期形成大量晶核，有利于粒子超細化。
而卷煙紙PCC 的粒徑介于普通PCC 和納米PCC 之間，一般來說，漿液的起始反應溫度可控制在20~30℃，碳化過程高溫度可相應地控制在45~55℃之間]。因此，碳化溫度能實現(xiàn)可控。如果產(chǎn)品的沉降體積偏大，可適當調(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成分的作用，將使產(chǎn)品沉降體積產(chǎn)生“虛高”，導致產(chǎn)品沉降體積偏大。因此，確保吸附過濾塔的有效運行是保證產(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，消化反應速度越快，反應也越徹底，Ca(OH)2 顆粒也更為細膩，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，則可以適當調(diào)低消化水溫度，反之亦然。
⑸ 碳化溫度能實現(xiàn)可控，起始反應溫度可控制在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，應避免出現(xiàn)微細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。