一个造纸专家十几年使用造纸助留剂的现场笔记

在造纸过程中，含有纤维和其他组分的浆料连续经过塑料织网脱水后形成纸页，织网的孔必须足够小以满足纸页成形过程中纤维能够100%的助留。但是，浆料系统中往往存在小粒径的胶体颗粒，如薄壁细胞以及打浆过程中从纤维表面脱落的纤维素碎片；此外，还包括为获得优良的纸页性能和降低生产成本所添加的填料。助留剂的主要作用是提高细小组分的留着率，以保证其在纸页成形过程中有效地保留在纸页中。

尽管通过调节pH、加入硫酸铝等可以实现悬浮液的絮聚，但是现代高速纸机在抄纸过程中产生的水力剪切力足以抵消这种絮聚。尽管大多数的现代纸机系统中装有旋转筛以降低细小组分的流失，但是助留剂的应用仍然是降低细小组分流失最有效的措施。

在造纸过程中应用助留剂需要着重考虑以下几个问题

纸机运行性

应用助留剂的最终目的是提高抄纸过程中的生产效率，造纸工作者通常以“纸机运行性”描述纸机在额定工作速率下不间断的、长时间工作的能力。助留剂对纸机运行性的有效作用是能够降低湿部设备表面沉积物的积累速率。因为一旦这些沉积物积累到一定量便会脱落，最终导致纸页产生孔洞、污点等纸病。

另一方面，助留剂可以通过增加湿纸页的脱水速率而提高纸机的生产效率，最近有研究探讨了助留剂这一效应的作用机理，例如，助留剂可以防止湿纸页中脱水通道的堵塞，同时在纸页成形时有助于形成多孔结构。在某些情况下，脱水速率是影响生产效率以及纸页干燥过程中能量消耗的重要因素。

助剂的有效性

助留剂在与其他的化学助剂如施胶剂和湿强剂一同使用时起着至关重要的作用。在纸页成形过程中，通过将更多的细小组分留着于纤维上，可以使这些化学助剂在添加后的数秒内渗透至纤维内部，以便在纸页干燥过程中能够发挥最大的化学活性。尽管这些助剂对纤维有强烈的黏附力，但是大部分助剂更易于吸附于浆料系统中的细小组分上，因此助剂的留着率远低于100%。

纸页的两面性

由于抄纸过程中设备的设计和安装以及其他因素的影响，纸页会产生两面差。尤其是使用长网纸机时，由于主要发生单方向脱水，纸页两面差显得尤为突出。两面差问题对于外观要求严格的纸页至关重要，非均匀的结构如两面差严重的纸页在使用过程中随着水分含量和温度的变化容易产生卷曲问题。适量助留剂的加入有助于形成均匀一致的纸页，降低两面差。

环保目标

助留剂有助于实现保护环境的目标。有研究指出，该保护环境的目标是：纸厂废水中不含有残留助留剂，抄纸过程中所用的大部分助剂最终成为纸产品的一部分，在废水处理过程中各种助留剂均已变成污造泥。此外，助留剂可以通过提高脱水效率而节约能源，而且助留剂本身属于无毒化学品，然而最主要的是助留剂能够降低废水处理厂的固形物负荷，如果在生产中使用有效的助留体系，可以大大降低废水处理过程中通过过滤器的固形物量。

值得注意的是，应用助留剂也面临着一系列挑战

成本、高剪切、高加填和低定量

考虑助留体系的成本，首先便是助留剂聚合物的成本，所用助留剂的助留作用产生的经济效益需大于其本身的成本、运输费、贮备费和水电费等之和。

近年来纸产品的发展趋势使得助留剂的应用更具有挑战性，例如成纸定量的降低、纸页加填量的增加；另一方面，由于白水封闭循环系统的引入，生产中清水的使用量降低，纸机的车速也在逐渐增加，随着纸机生产效率和纸机设计的演变，抄纸过程中的水力剪切作用呈现增加的趋势。与传统的单向成形脱水技术相比，双网成形技术的助留作用较差，这些发展趋势均对助留体系提出较高的要求。

细小纤维和填料的留着

浆料中填料的加入会增加助留剂的用量，一方面是因为填料的粒径较小，在纸页成形过程中不能直接留着于纤维上，另一方面由于填料具有较高的比表面积（5~15 m2/g），助留剂的用量会随着浆料悬浮液中固形物比表面积的增加而增加。根据纸产品的种类和定量，纸页加填量会有所不同，通常未涂布印刷纸的加填量为10%～30%。此外，若助留剂使用不当会导致纸页中的填料产生自絮聚而降低光散射系数。

溶解胶体物质

抄纸系统的过程水中存在某些干扰物质会影响助留体系的助留效率，尤其是带负电的溶解聚合物和胶体物质（DCS）会中和阳离子聚合物的电荷，形成复合物而使得这些絮凝剂失效。浆料系统中DCS和电解质盐的浓度会随着白水回用次数的增加而急剧增加。

纸页脱水和成形的均一性

助留剂的应用会对成纸的质量产生一定的负面影响，较高的助留剂用量会影响纸页在2~10 mm 长度范围内的“成形均一性”。纸页中纤维的絮聚会造成成纸的不均匀性，而且在真空条件下絮聚纸页的脱水均一性也较差。空气会通过纤维絮聚体之间的薄弱部分，并非均匀地压缩纸页脱水。这需要在生产中增加真空泵的数量以维持一定的真空度。有研究探讨了浆料系统中留着、脱水、絮聚和纸页强度之间的密切关系。

混合

有研究指出助留剂与纤维的充分混合有利于实现助留剂的有效作用，但是助留剂与浆料的混合会受到各种因素的影响，包括助留剂产品的黏度、浆料中纤维对湍流的抑制、纤维素纤维形成聚体的趋向性，以及纸页成形设备的抑制作用等。根据流体动力学原理，利用有效的混合装置或者将助留剂进行稀释均有助于实现助留剂与纤维的良好混合。

图像观察

在研究助留剂的作用时遇到的另一问题是有效的助留作用仅在很小范围内发生，传统的显微镜不能观测出助留剂分子和纤维素表面之间的相互作用情况。然而，近年来纳米技术的发展为进一步研究助留剂体系的作用机理提供了有效的方法。例如，近年来首次应用透射电子显微镜发现了助留剂与纤维素微细纤维之间的相互作用。