高档卷烟纸专用轻质碳酸钙生产过程质量控制技术

1、高档卷烟纸专用PCC生产过程质量控制技术邓新云 颜鑫(湖南化工职业技术学院，湖南株洲 412004 )摘 要：高档卷烟纸专用PCC的质量要求包括平均粒径与粒径分布、晶形、游离碱、沉降体积、白度等五个主要指标。本文分别从浆液浓度与波美度的关系、碳化反应温度控制、窑气浓度与流量选择、沉降体积控制、生浆和熟浆陈化、过度碳化和磷酸中和处理包裹返碱现象、加强生产过程质量管理环节等方面探讨了高档卷烟纸专用PCC的生产过程质量控制技术。关键词：高档卷烟纸专用PCC；平均粒径；粒度分布；游离碱；陈化；包裹返碱；沉降体积；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所谓高档卷烟纸就是既要满足高透气度以降低焦油含量，减少对人体有害物质，又要满足高速卷烟机对纸张高强度的要求，即所谓“双高”卷烟纸。高档卷烟纸专用PCC除了满足“双高”性能之外，还要求能提高卷烟纸的不透明度、白度，改进手感和柔软性，在纸纤维网格中有较高的留着率，能调节卷烟纸燃烧速度等，其具体质量要求包括平均粒径及粒度分布、晶形、游离碱含量、沉降体积、白度等五个主要指标。下面分别从这五个方面来探讨高档卷烟纸专用PCC的质量控制技术。1. 晶形的多样性与选择造纸填料专用PCC的晶形虽然有玫瑰花形、片状和纺锤体等多种晶形，但高档卷烟纸专用PCC的晶形一般为小纺锤体，不仅因为玫瑰花

6、形、片状PCC都必须添加必要的晶形导向剂，工艺控制也较为复杂，成本较高，且影响纸纤维间的结合，使纸张强度降低。而纺锤体是一种自发生成的晶体类型，无需要添加任何晶形导向剂，纺锤体决定了粒子的堆积、交叉在一起，会产生搭桥作用，较疏松，对成纸的透气度、不透明度、白度均较有利；同时，纺锤状PCC本身流线型结构在纸张抄造过程中对纸机的造纸铜网、聚酯成型网的摩擦损耗程度较小，在纸张完成、后续加工及印刷过程中有重要意义1。2. 高档卷烟纸专用PCC平均粒径与粒度分布生产技术恒丰纸业的生产实践表明：高档卷烟纸填料专用PCC平均粒径最好是处于3m之间，比表面积为23m2/g。如果粒径小于1m，填充过程中小粒径P

7、CC粒子将容易穿透纸张纤维，则其纸张纤维中的保留率将下降，同时，小颗粒PCC填充在纸张纤维中将堵塞纤维的细小空穴，减小了纸张的总空隙率，影响纸张脱水速率、成品的透气度和变异系数；反之，如果平均粒径大于5m，则大部分PCC粒子难以进入纸张纤维网格之中，仅仅覆盖在纸张表面，其成品纸张表面将出现一层“白粉”，在印刷过程中易发生“掉粉掉毛”现象1，使PCC的有效填充量明显减少，并影响到纸张的燃烧速度。PCC在纸张纤维中留着率一般仅为加入量的50%左右，流失的PCC将随着造纸废水排放，给环境保护和废水处理带来负面影响2，因此，粒度分布窄是高档卷烟纸填料专用PCC又一的重要特征。2.1 恒都公司产品在改造

8、前后的粒度大小与分布情况比较采用Malvern Instruments Ltd 制造的Mastersizer 2000激光粒度分析仪对牡丹江恒都钙品 （简称恒都公司）在改造前后的产品粒度大小与分布情况进行了分析，分别如图1(a)、图1(b)所示。 图1（a）改造前粒度分布图 图1（b）改造后粒度分布图m之间有一个明显的小峰，说明在该区域有部分微细PCC存在，并导致主峰右移、粒径分布宽度增大、产品整体平均粒径增大。由图1（b）可知，改造后产品只有一个主峰，且峰高增大、峰宽减小、峰形对称美观，完全可以满足高档卷烟纸填料专用PCC的要求。改造前后产品粒度分析报告对比如下表：表1：改造前后产品粒度分析

9、对比峰高/%峰高位置/m平均粒径/mm/粒子%m粒子/%m 粒子/%峰形应用性能改造前4.0104.3302.51.5%60%不对称不佳改造后14.43.1983.447几乎为0几乎为070%对称美观很好2.2浆液浓度与波美度的关系浓度大小选择2.2.1生浆浓度与波美度的关系图2 标准曲线与裕丰钙业工作曲线对照图浆液浓度是影响轻钙平均粒径的主要因素之一，实际生产中通常是通过测定浆液的波美度来间接判断浆液浓度大小。连州裕丰钙业科技 将该公司工作曲线与标准曲线进行对照，如图2所示：从标准曲线可以看出，其质量百分浓度与波美度几乎成正比例线性关系，其波美度×质量百分浓度；该工作曲线是一根曲度

10、明显的曲线，而且波美度越大，其质量百分浓度与标准曲线相差越远3。可见，通过用波美度来表征生浆的浓度大小，可以说已经没有实际意义，因为生浆的波美度与质量浓度的关系是相当复杂的，主要取决于石灰石质量、生浆是否进行陈化处理及陈化时间的长短等因素。各PCC生产企业必须根据各地区各企业所使用石灰石测定波美度与质量浓度关系换算表或工作曲线，才可能正确地指导生产实践。2.2.2熟浆浓度与波美度的关系用波美度来表征碳化熟浆的浓度是完全可行的。其原因是熟浆的质量百分浓度虽然比相应的生浆大约1.26倍左右（见表2），但熟浆的粘度明显少于生浆，熟浆的波美度与其质量百分浓度的关系比较符合行业标准标准曲线。生浆质量百分

11、浓度、熟浆的波美度和质量百分浓度具有表2所示的关系：表2 生浆质量百分浓度、熟浆的波美度和质量百分浓度关系 生浆质量百分浓度/%8.010121518熟浆质量百分浓度/%12.715.118.61.291.271.261.241.23熟浆波美度/°Bé12.014.417.120.824.8实际生产中可通过测定熟浆的波美度来比较准确推算出熟浆的质量百分浓度，并进而倒推出碳化前生浆的质量百分浓度。例如，当熟浆的波美度20°Bé时，熟浆的质量百分浓度约为：20÷17.7%，碳化前生浆的质量百分浓度为：17.7%÷14.05%。2.2.3生

12、浆浓度的选择在普通PCC生产过程中几乎不控制生浆浓度，往往生浆浓度在1520%之间，而纳米PCC控制粒径的措施之一就是控制其生浆浓度在812%4。高档卷烟纸专用PCC的粒径介于普通轻钙和纳米轻钙之间，因此，必须适当地控制其生浆浓度在1216%之间。2.3生浆的起始反应温度、碳化过程温度控制生浆的起始反应温度、碳化过程温度及碳化终点最高温度的控制，也是影响PCC平均粒径的重要因素之一。众所周知，普通轻钙生产过程是几乎不控制生浆的起始反应温度和碳化过程温度，这是因为普通轻钙也几乎不控制产品的粒径；而纳米碳酸钙生产过程则需要通过制冷来严格控制生浆的起始反应温度和碳化过程温度，这源于氢氧化钙粒子在水中

13、的溶解度与温度成反比，即温度越低，其溶解度越大，反应的推动力越大，越有利于碳化反应初期形成大量晶核，有利于粒子超细化4。而高档卷烟纸专用PCC的粒径介于普通轻钙和纳米轻钙之间，其浆液的起始反应温度和碳化过程温度需要控制在一定的范围内。一般来说，浆液的起始反应温度可控制在2530，碳化过程最高温度可相应地控制在4550之间。因此，碳化温度最好能实现可控。2.4窑气的浓度和流量选择窑气浓度和流量也是影响轻钙粒径的重要因素之一，实际生产中窑气浓度要求越高越好。理论上窑气浓度净化后理论上可达40%（体积百分浓度），但实际上，窑气浓度往往仅为2535%，将导致碳化反应速度较慢，有时碳化时间长达90120

14、min，这不利于碳化初期大量晶核的形成和平均粒径的控制。这往往是由于鼓风量与加煤量和煅烧速率不相匹配而造成过量鼓风、窑气输送管道密封不佳而造成空气漏入等因素。当鼓风量与加煤量相互匹配时，窑气浓度是最高的，且吨石灰煤耗也是最少的、石灰质量也是最好的，因此，加强石灰窑的运行管理是提高窑气浓度的关键。图3 生浆波美度随时间变化曲线通过提高窑气流量的方法，即可将两座石灰窑气同时鼓入一个碳化塔中进行碳化反应，可达到反应速度加倍，控制碳化时间在4060min内，同时有利于控制碳酸钙平均粒径的目的。2.5 生浆的陈化处理在生产实践中发现，刚消化后的生浆的波美度较小，以恒都公司为例，其新鲜生浆波美度仅为303

15、5°Bé，但生浆经过24h陈化处理后，随着浆液粘度的增大，其波美度可增大到5055°Bé。石灰乳在存放过程中会出现先变黏稠、波美度增大，后出现粘度变小、波美度也减小的现象，如图3所示。这是由于一些尚未完全消化的生石灰在存放过程中逐渐消化、分散成细小颗粒Ca(OH)2晶体，体系中细小颗粒增加，使颗粒间相互作用力增加，从而出现黏度增大的现象；生浆经过约48h陈化后，生石灰已经消化完毕，Ca(OH)2微晶之间相互结合成为了较大的微晶，从而出现粘度变小、波美度也减小的现象。图4 三种PCC沉降曲线对比精浆陈化一定程度上可避免产品出现包裹返碱现象；大型陈化池可使一

16、定时间内的浆液浓度、温度、活性等物化性质完全相同，从而使产品质量在一定范围内保持相对的稳定性；陈化过程还是一个缓慢的放热反应过程，大型陈化池具有自然散热不快的缺陷，静置陈化往往需要23天时间。3 沉降体积大小的控制PCC平均粒径大小及其粒径分布情况，虽然可以通过粒度分布仪进行测定，但最简单有效的办法是进行常规的沉降性测试。从测定PCC的沉降体积（工业上简称沉体，也称视比容）大小与沉降时间的关系，如图4所示。从图4可读出三层含义，一是根据沉降体积的大小可初步判断出PCC产品的粒径大小；二是根据沉降体积与沉降时间的关系图是否呈现一条直线来判断粒度分布是否狭窄，如果沉降曲线呈现一条直线，如图4中曲线

17、B表明PCC沉降均匀，粒度分布狭窄；相反，沉降曲线的弯曲程度较大，则表明相应的PCC粒度分布较宽，如曲线A、C所示。曲线A表明该样品中粒径较大的粒子较多，开始阶段沉降较快，末尾阶段沉降较慢，其沉降体积较小；曲线C所示则相反。三是三种产品的沉降体积（三小时）差不多，但三者粒径分布却相差甚远，因此，实际生产中还需要测定产品的一小时沉降体积（也称沉降格），图4所示中三者的沉降格就相差甚远。在平均粒径和粒度分布一定的情况下（34m），高档卷烟中专用PCC对沉降体积并不是要求越大越好，而是要求，并保持相对稳定。这可以通过调节石灰煅烧、消化、碳化过程各工艺条件来实现沉降体积的可控5。4. 游离碱控制技术游

18、离碱含量一般应小于5%。当产品游离碱含量超标，在平均粒径一定的情况下，表现为其沉体也会随之增大，填充过程与纸张纤维相容性变差，某种程度上，游离碱含量超标比平均粒径偏大或偏小的危害来得更大，因此，游离碱含量必须严格加以控制的指标。 碳化反应终点的判断通常采用电导仪、酸度计、酚酞指示剂等其中一种方法，或者其中两种方法的结合使用，不管采用什么方法都必须使熟浆的pH值接近7。通常还需要继续通入24min的窑气进行过度碳化，以确保游离碱含量达标4。但即便如此，熟浆仍然可能出现返碱现象，仍不能完全确保产品游离碱含量能够达标。究其原因，包裹返碱现象中这种“包裹”在常温下很难打开，但在加热煮沸时很容易打开。其

19、根源在于生石灰活性较差、生浆浓度和粘度过大、陈化时间不够、粒子太粗等因素。可采用加入少量磷酸进行补救方能确保游离碱含量达标。5. 白度控制技术高档卷烟纸专用PCC对白度也有较高的要求，一般要求大于90、且保持稳定即为合格。卷烟纸都是白色的，如果不同批次的PCC产品白度差别较大，则将给成品纸产生明显的色差。在石灰石质量合格的前提下，轻钙白度主要取决于窑气净化、生石灰与煤灰的筛分、生浆的精制过滤、各种浆液槽和成品槽、消化机和碳化塔密封操作等生产过程质量管理环节。一般情况下，只要搞好上述生产过程质量管理环节即可使产品白度达标。只有当石灰石质量不合格的情况下，如石灰石中铁、锰含量超标时，才有必要采用所谓增白技术。结语高档卷烟纸专用PCC要求平均粒径稳定控制在3.04.0m之间、且粒度分布良好，要求晶形为小纺锤形，碳化时生浆浓度为1216%，碳化起始温度为2530，碳化过程体系最高温度可相应地控