摘要 本文扼要介绍了纳米技术和造纸湿部化学的概念，以及在纸机湿部应用阴离子胶态氧化硅（ACS）生成纳米氧化硅粒子的性态及其在高速纸机生产中取得的实际效果。

　　关键词 纳米技术 造纸湿部化学 阴离子胶态氧化硅（ACS）氧化硅纳米粒子 阳离子聚合物

　　纳米技术

　　纳米(nanometer,代号nm)是一个很小的长度单位，等于10亿分之一米，千分之一微米(μm)，一根头发丝的直径就约为10000nm。科学研究发现，当物质结构单元小到0.1-100nm时，许多物质材料的性质就发生了往往令人惊奇的变化，这样微小结构的制品具有特殊的应用前景。这使现代科技出现了一个新的领域，即以研究100nm以下微形结构物质特性和应用的技术－纳米技术。有人认为纳米技术大有发展前途，将是21世纪科技发展的重点之一，并有可能带来一次技术革命与产业革命，这值得所有产业重视。

　　造纸湿部化学

　　进入造纸机的浆料，除纸浆纤维外，还经常包含多种填料（如白土、滑石粉、碳酸钙、二氧化钛等），多种功能助剂（如施胶剂、助留助滤剂、干湿增强剂）和化学过程助剂，这些组分均按一定纤维原料及所需生产的纸种所需的比例配入，混合成配料并都悬浮在生产用水中，水可以说是配料中的另一个重要组分，而且也是所有造纸配料间化学作用中的媒介。此外，由生产用水带入的水中杂质及纤维原料生产过程的一些并非配料希望带入的杂质也会进入配料。这些不同组分之间，由于其分子组成、形态结构、电荷性质与大小、亲水与疏水等性等各方面的差异，能相互产生絮聚、凝聚、吸附、中和及生成胶态离子(micella)等多种复杂作用，而这些作用又都有造纸生产过程效率、纸的质量和生产成本等产生重要影响，从而引起造纸工作者的重视与深入研究，这就是“造纸湿部化学”的研究领域。

　　从造纸配料（除水外）各组分的一般最小规格来看，除纤维宽度在10-20μm较大之外，填料微粒一般在0.1-10μm，其余微纤、非纤维性细小物质、可溶性聚合物等的粒径均小于1-2μm，其比表面积约在0.6-600m²/g之间，因而整体上呈胶体状态，相互间的表面作用与胶体作用于居于重要地位，因而造纸湿部化学实质上也是一种表面与胶体化学。

　　由于造纸湿部配料中许多组分的结构均非常小，进一步引入有特殊作用的纳米级组分，以发挥纳米技术的作用，进一步提高造纸效果，应属造纸湿部化学发展的必然趋势。

　　纸机湿部配料中纳米级氧化硅(silica)粒子的生成、性态与作用

　　根据国外最新资料报道：在现代高速纸机湿部配料中，引用新一代阴离子胶态SiO₂(Anionic Colloidal Silica，以下简称ACS)与阳离子聚合物，如阳离子改性淀粉(C-starch)、阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）共用时，可在湿部配料系统中，产生粒径为3-5nm、比表面积达500-1000m²/g的氧化硅纳米粒子，这种微粒能在纤维周围絮聚配料中的细小组分，从而改善浆料组织结构和降低细小组分的流失，对改善纸机的运行和纸张匀度，降低浆内添加物的用量，均可产生相当显著的效果（见题图）。以下3例是高速纸机应用和不应用ACS助剂（即有无纳米级SiO₂粒子）产生情况的一些比较。

　　例1 纸机上网成形成器：刮板式夹网

　　运行车速：1000m/min

　　生产品种：100-250g/m²瓦楞芯纸。

　　浆料：50％混合废纸＋50％OCC。

　　湿部状况：全封闭，pH6-7，COD25000ms/cm。导电度11000ms/cm，Ca²⁺5000mg/L。

　　运行效果比较见表1。

　　

表1



对比项目0.1%CPAM+
0.1%PEI（无ACS
的对照系统）
0.06%PAMT+
0.05%ACS
（有纳米级SiO₂差别（％）
白水中固形物（g/L）
填料留着率（％）
运行稳定性
纸张匀度
强度11.5
40


9.5
70


-17
+75
重大改善
匀度改善
纸强度提高

　　此例用全废纸为原料，湿部完全封闭循环，白水COD高达25000mg/L，Ca²⁺含量也高达5000mg/L，但是使用ACS后，由于纸张匀度与洁净度均良好，仍能在1000m/min高车速下良好运行。对利用废纸原料，并封闭湿部用水循环的企业具有重要参考价值。

　　例2 纸机上网成形器：辊子及刮板式夹网。

　　运行车速：1460-1530m/min。

　　生产品种：40-48g/m²新闻纸。

　　浆料：100％脱墨旧新闻纸及印刷纸。

　　湿部状态：pH7.2，Ca²⁺50mg/L，导电度1500ms/cm。运行效果比较见表2。

　　表2



对比项目0.04%CPAM+
0.1%PEI（无ACS
的对照系统）0.02%PAMT+
0.25%ACS
（含纳米级SiO₂）差别（％）
车速（m/min）
纸页灰分（％）
填料留差率（％）
纸页不透明度（％）
纸页白度％，ISO）
湿纸页断纸次数（次／d）1460
4-4.5
20
90
57
4-81530
6.5-8
30-35
95
60
0-1+4.8
+45-100
+50-75
+16
+5.3
-75-100

　　例3 纸机上网成形器：辊子与刮板式夹网。

　　运行车速：1250m/min。

　　生产品种：未涂布60-120g/m²高档印刷纸。

　　浆料：100％热带混合阔叶木漂白化学浆，加20％GCC（重质碳酸钙）。

　　湿部状态：pH7.5，Ca²⁺30mg/L，导电度800ms/cm。

　　运行效果比较见表3。

　　表3



比较项目0.05%CPAM+
1%C-starch+
0.15%-0.2%
montnotilsniter
（无ACS的对照系统）0.03%CPAM
+1%starch+
0.35%ACS
（有纳米SiO₂系统）差别（％）
纸页匀度（kajjan）
填料留着率(％)
水中淀粉含量(mg/L)
CPAM用量（％）
改变品种及损纸

量时的白度控制70
40
80
0.05

89
55
30
0.03

+27
+38
-62
-40

较易


　　展望

　　从以上3例中均可看出当纸机湿部配料中应用ACS产生纳米级SiO₂粒子时，对高速纸机使用不同配料，生产同品种时，在运行稳定性、纸张质量、降低消耗等各方面的明显效益。

　　但应注意到的是：各种添加剂本身质量、加入量、加入先后顺序与地点都必须根据纸机湿部化学的基本理论原则慎重研究并进行必要试验才能取得较理想效果。

　　我国近年从国外引进的几台高速纸机，目前运行情况都相当良好，这除了纸机性能优良、运行及管理人员经过较好培训素质较外，一般均采用了纸机供货商推荐的重要湿部添加剂。高效的ACS很值得有关企业及科研部分加以分析研究并自动研制，以扩大其在造纸湿部化学领域的应用。

参考文献

　　1 Simonson P.,S.Main.Tappi Journal,1999,82(4):78

　　2 Dave Lovell,Patrik Simonsson.Pimas Asia Pacific Paper Maker,2001,11(3):17-21

　　3 曹邦威译．最新纸机抄造工艺（第7章）．轻工业出版社，1999