消泡剂在造纸工业中的应用和发展趋势

自进入80年代以来,世界经济飞速发展,人民生活水平不断提高,对各种产品的质量要求越来越高,纸张也不例外。但是许多因素还在制约着纸张质量的提高,其中造纸工业中遇到的泡沫问题就是其中一个重要因素。
        消泡剂在造纸工业中的用量不大,但其作用却不容忽视。在整个制浆造纸工业过程中,从蒸煮放料后的一系列操作,如洗涤、筛选、漂白、浓缩、供浆系统、表面施胶、涂布、黑液回收等,均不同程度地受到泡沫的影响,干扰正常生产,使纸张质量下降,严重时将使生产无法进行下去。泡沫的消除方法主要有化学法、物理法和机械法。化学消泡法就是在生产过程中加入化学物质(消泡剂)消除泡沫;物理消泡法利用静置、加温或减压来消除泡沫;机械消泡法就是采用机械力使泡沫破裂。物理法和机械法操作简单,但被动,只治标而不治本,且效果不理想。目前使用最广泛使用的是化学消泡法,即使用消泡剂控制造纸过程中泡沫的形成和破除已形成的泡沫。
         在造纸工业中,如果对泡沫的形成机理和消泡剂的组成等方面的知识认识不够,就会造成消泡剂的使用不当的现象,结果使生产不正常和造成浪费。另外,消泡剂能取得直接经济效益,文献报道国外某大纸厂在使用消泡剂前,生产1吨纸需消耗25ｋｇ芒硝,而使用消泡剂后降至19ｋｇ芒硝。所以,对泡沫形成原理、消泡剂的作用原理和常用消泡剂在各造纸工序中的应用等有关知识进行总结和介绍具有一定意义的。
        造纸过程中消泡剂消泡的原理和消泡剂的组成
        2.1　泡沫的形成和稳定
        纯液体不会起泡,二元以上混合物才具有起泡能力。在含有表面活性剂的水中搅拌时,空气进入溶液,水中的空气被周围的液体包围而形成水中气泡,此时表面活性剂在气泡周围排列,疏水基伸向气泡内部,亲水基向着液相,而形成一层膜。气泡上升至液体表面,形成双分子膜逸出液面,双分子膜对气泡具有保护作用而使泡沫稳定。
        泡沫的稳定性与温度有关,温度升高,泡沫稳定性降低,所以可用升温的方法来去除泡沫。水溶性的聚合物(如碳水化合物和木素的溶出物、造纸过程中的添加剂等)在水中形成胶体,增加粘度,对泡沫具有稳定作用。
        制浆造纸自始至终都是混合物体系,其中含有许多易起泡的物质,在生产过程中需加入许多种易起泡的表面活性剂,而且在混合体系中物质之间的反应也有表面活性剂生成。如碱法制浆中就有许多皂化物的生成,所以在制浆造纸生产过程中会产生大量稳定的泡沫。
        2.2　消泡剂消泡原理
        消泡剂有破泡剂和抑泡剂两种。破泡剂的使用是使已产生的泡沫破裂,是暂时性的效果,当破泡剂溶于液体后即失去作用。抑泡剂主要是抑制泡沫的生成,即使溶于液体仍能发挥作用。一种好的消泡剂应同时具有破泡和抑泡两种功能。
        消泡剂首先渗入到泡沫之间的液膜上,在液膜上散布开来,然后置换起泡剂进入液膜并向四周延伸,液膜不断变薄,最后破裂。所以优良的消泡剂应具有以下性能:①具有一定的亲水性,但一般不能溶于水;②具有较强的扩散性能。
        2.3　消泡剂的组成、性能和用途
        消泡剂成品中一般含有三种物质:活性成分、分散剂和载体
        活性成分就是具有消泡作用的物质。
        消泡剂一般是油性物质,亲水性不好,较难渗入泡沫之间和在泡沫表面膜层扩散开来,所以在有些消泡剂成品中需加入扩散剂以提高消泡剂的渗入和扩散能力。常用的扩散剂主要有:脂肪酸、脂肪醇、磺化脂肪酸、脂肪酸硫代琥珀酸酯、脂肪酸皂、辛基或壬基酚聚乙二醇醚等,这些物质本身就具有消泡作用。当然并不是所有消泡剂中都需要加入扩散剂,如低级醇作消泡剂时就不必使用扩散剂。
         载体的作用就是将消泡剂和扩散剂进行稀释和分散。常用水和有机溶剂作载体,用水作载体就可将成品制成水基乳剂型,用有机溶剂则可制成油基溶液型。
        3　造纸工业用消泡剂
        3.1　制浆和抄纸用消泡剂
        在制浆工序中,由于制浆原料中含有脂肪酸、树脂酸等天然物质,与加入的烧碱、硫化碱等化学药品发生反应生成脂肪酸皂、树脂酸皂等起泡物质,再加上纤维素等高分子物质的稳泡作用,在浆料的流送和混合时将大量空气带入浆料体系就形成了大量稳定的泡沫,给后续工序如洗涤、输送、漂白等带来很大的困难,造成浮浆和使纸浆质量降低。有的工厂采用“清水压泡”,这种方法对去除泡沫有一定的效果,但除泡效果并不理想。制浆工序洗涤下来的黑液也含有高浓度的脂肪酸皂、树脂酸皂等起泡和稳泡物质,为方便操作和提高纸浆碱回收率,也必须对黑液进行消泡处理。
        在抄纸工序的料浆中也含有与制浆工序料浆中相似的起泡和稳泡物质,在操作中也会混入空气而产生泡沫,泡沫的存在对纸张有很大影响,使施胶度差、横幅定量均一性差、纸面出现斑点、透光点和小孔洞等,甚至引起断纸。另外,抄纸白水中如果产生大量泡沫,也应加消泡剂排除,以提高纸浆的回收率。
        目前,在制浆工序和抄纸工序用的消泡剂的活性成分主要是脂肪酸及其衍生物、聚醚、有机硅等。消泡剂一般不是单一的活性成分,而是多种活性成分的复配,以取长补短,得到好的功效。
        3.2　涂布纸用消泡剂
涂布纸用消泡剂是指在涂布纸用涂料的配制过程中加入的消泡剂。由于涂料中含有碱、颜料等起泡物质的存在,配制涂料需要机械搅拌和研磨等过程,这些过程都会将空气引入涂料中而产生泡沫,涂料的粘度大,泡沫很稳定,产生后很难排除,涂布到纸张后在纸张上就在纸张上产生白点,使纸张质量下降,所以在涂布纸用涂料的配制过程中必须加入适量的消泡剂。
         另一方面,涂布纸用消泡剂与制浆用消泡剂不同。制浆用消泡剂在洗涤工段时将被冲洗掉,一般很少留在成品纸中;而涂布纸用消泡剂将随着涂料涂到纸张上,留在纸张中,对纸张的质量影响很大。所以对涂布纸用消泡剂的要求除了具有消泡抑泡功能外,还必须具备下列要求:对涂料的粘结性、分散性和印刷适应性无任何副作用,如果能提高纸张的光泽度、拉毛速度和润滑性能那就更好。
        目前,涂布纸用消泡剂的活性成分大多采用聚醚,因为聚醚不仅具有很强的消泡抑泡功能,同时具有上光、润滑多种功能,而且乳化、分散、渗透性、热稳定性、化学稳定性都很好,无毒,价格便宜,非常适合作为涂料用消泡剂使用。在实际涂布纸消泡剂中,聚醚一般与其他消泡剂如脂肪酸衍生物、有机硅等复配成功能更强大的复合消泡剂使用。
        3.3　其他工序用消泡剂
        纸张表面施胶的过程中也会产生泡沫,影响纸张质量,一般也需在胶中加入消泡剂,常用聚醚、酯类、有机硅等作活性成分的消泡剂。
        造纸工业排出的污水含有大量的泡沫时,也需进行消泡处理,否则泡沫阻止氧气进入污水中,使生物处理废水工艺无法实施。
        4　造纸用消泡剂的展望
        消泡剂在造纸工业中的用量虽然不大,但是消泡剂对造纸工业的贡献也是有目共睹的。随着对纸张质量要求的不断提高,对消泡剂的要求也不断提高,消泡剂将朝着哪个方向发展,作者认为以下几个方面值得引起消泡剂制作者和造纸工业者的关注。
        4.1　有机硅消泡剂具有广阔的前景
        近十几年来,有关有机硅的研究非常活跃,关于这方面的文献很多,产品种类很多。有机硅的用途很广泛,用作消泡剂仅是其中应用之一,而用在造纸工业作消泡剂则是近几年的事情。有机硅具有许多优良的性能:①化学惰性,不会同其它起泡物质发生反应;②生理惰性、无毒、无污染,对环境无害;③具有优秀的消泡性能,用量少;④适用温度范围广,耐热、耐寒、耐候和耐老化性能突出;⑤具有优良的柔软性和润滑性能,有利于改善涂布纸的质量等。然而有机硅产品价格比较高,使有些厂家无法接受,导致目前有机硅消泡剂未被广泛应用。其实,从用量方面来看,由于有机硅用量少,通常只需加入体系的质量分数1～75×10

<SUP>-6</SUP>就可取得良好的消泡效果,如果与其他消泡剂复配使用可进一步降低成本。综合考虑,使用有机硅作消泡剂与使用其它消泡剂相比,成本不会增加。随着有机硅合成技术的不断提高和原料的不断降低,有机硅价格高的问题肯定可以解决,所以含有有机硅的消泡剂将是造纸用消泡剂市场的热点。
        4.2　消泡剂将朝着高效、持久、性能复合化的方向发展
        可作为消泡剂使用的物质很多,仅有机硅消泡剂就有几十种,聚醚随着聚合度的不同性能也各异。任何消泡剂都不可能是完美无缺的,总是存在这方面或那方面的不足。就拿有机硅消泡剂来说,虽然有机硅具有许多优良的性能,但价格高,实际应用中发现有时抑泡效果并不理想。再如磷酸三丁酯的消泡力很强,但抑泡效果不太好。矿物油类消泡剂消泡效果虽然一般,但价格便宜。总的来说,各种消泡剂都有各自的优缺点。为了能扬长避短,充分发挥各种消泡剂的优势,必须采用复配技术。目前对消泡剂的复配技术进行过一些研究,取得了一些进展。将来应当在消泡剂复配性能研究加大投入,高效、持久的复配型消泡剂肯定是将来消泡剂的主题。
        4.3　环保型的消泡剂也是将来的热点
        目前国外对于造纸用的消泡剂的环保问题进行过一些研究和规定,如加拿大对于油基型的消泡剂要求检测二苯-对-二氧(杂)芑和二苯呋喃,因为这两种物质在用氯漂白的阶段会变成有害的氯代二氧(杂)芑和氯代二苯呋喃随废水排出,污染环境。而水基型的产品一般无需检测。另外油基型的消泡剂浪费溶剂,成本比水基型的高,且溶剂本身就对环境有影响,水基型消泡剂相对就环保得多,所以水基型的消泡剂也是消泡剂的发展方向之一。但是,目前水基型的消泡剂的使用效果往往不如油基型消泡剂,这方面有待于进一步提高。
         4.4　加强企业管理,控制消泡剂的用量
        “管理出效益”,一个企业的效益与管理水平是分不开的。如在洗浆中,由于随木材种类、物料速率的变化,浆料的起泡程度也不断变化,操作者往往将消泡剂用量维持在高水平,造成很大浪费,应加强管理。文献报道,国外一大纸厂根据洗浆起泡严重时,吸滤效果差、排液慢、浆液槽水平面高,而反之水平面低的情况,用计算机控制消泡剂的加入量,随着只注入最低必需量的消泡剂,平均可降低消泡剂用量35%,每年节支14万美元。