熒光增白劑對紙張增白效果的影響因素分析及應用

賈文玲，于娟娟，張勇峰，杜繼敬，許慧敏

（山東世紀陽光紙業集團有限公司 技術中心，山東 濰坊 262400）

熒光增白劑目前已被廣泛應用，雖然褒貶不一，但在工業、生活領域都不可少。在造紙行業中，紙漿加入增白劑，可以抵消紙漿纖維的微黃色，明顯改善已用化學品漂白的紙漿纖維白度，還可以消除膠料、填料助劑的黃色，改善白色顔料的白度，不僅成為紙漿繼化學漂白之后提高白度的重要手段，而且被廣泛應用于高白紙張的增白處理。

通過在日常的檢測、試驗過程中發現：實驗室抄片機使用2種水源，一種為公司處理后純凈水，一種是實驗室自來水，在使用相同漿料、相同增白劑用量抄片時自來水抄片白度會更高一些；車間不同位置的原漿使用熒光增白劑后的增白效果差距較大，且助留劑、干強劑、碳酸鈣等添加都不同程度地影響了增白效果的發揮。文章結合熒光增白劑在實際應用中發現的問題，探討了熒光增白劑對紙張增白效果的主要影響因素，以及熒光增白劑（以下簡稱“增白劑”）對濕部系統的影響。

1 實驗室小試評估增白劑增白效果影響因素

1.1 主要原料

二磺酸增白劑，四磺酸增白劑；漂白硫酸鹽針葉漿（NBKP）盤磨磨后漿料（100%海豚針葉木漿，打漿度37°SR），書本紙脫墨漿（原漿白度74%），辦公廢紙漿（原漿白度90%，顯微鏡觀察約含有30%化機漿）；60級碳酸鈣（工廠自產），固體助留劑（國內某企業生產），氯化鈣（分析純），干強劑（國內某企業生產）。

1.2 實驗儀器

BB-2凱塞法紙頁成型器（德國ERNST HAAGE），DFR-05動態濾水儀（德國BTG公司），202-1電熱恒溫干燥箱（上海錦屏儀器儀表有限公司），ELREPHO白度儀（瑞典 Lorentzen&Wettre），PCD-04顆粒電荷測定儀（德國BTG公司），SZP-06系統Zeta電位測定儀（德國BTG公司），SDJ-100紙漿打漿度測定儀（杭州輕通博科自動化技術有限公司）。

1.3 實驗方案

1.3.1 原料質量對增白效果的影響

準備NBKP盤磨磨后漿料（以下簡稱“NBKP漿料”），在濃漿中分別加入不同用量的增白劑，稱取質量相當于抄造定量為100 g/m2紙頁的漿料，并將漿料稀釋至質量分數為0.5%，加入質量分數為15%碳酸鈣，攪拌均勻后加入相對于絕干漿料0.2%用量的固體助留劑，攪拌30 s后抄片檢測白度指標。按照上述相同的步驟實驗增白劑在書本紙脫墨漿（以下簡稱 “脫墨漿料”）、50%辦公廢紙漿+50%NBKP漿的混合漿料（以下簡稱“混合漿料”）中的作用趨勢。

1.3.2 水質硬度對增白效果的影響

準備NBKP漿料、不同鈣離子濃度的溶液，按照每噸濃漿10 kg用量加入增白劑（二磺酸、四磺酸），稱取質量相當于抄造定量為100 g/m2紙頁的漿料，并用配制好的氯化鈣溶液將漿料稀釋至質量分數為0.5%，攪拌30 s，抄片檢測白度指標，抄片過程中采取手動補水（配制好的氯化鈣溶液）。

1.3.3 反應時間對增白效果的影響

準備NBKP漿料，按照噸漿10 kg用量在濃漿中加入增白劑，在時間分別為 1、3、5、10、20 和 30 min時取樣（提前30 s取樣操作）抄片定量為100 g/m2，檢測白度變化。

1.3.4 高陽電荷密度輔料對增白效果的影響

（1）NBKP漿料，噸濃漿中加入增白劑10 kg，攪拌10 s后，按照相對于絕干漿料的1.0%、1.5%和2.0%用量加入干強劑，稱取質量相當于抄造定量為100 g/m2紙頁的漿料，并將漿料稀釋至質量分數為0.5%，按照絕干漿料的15%用量加入碳酸鈣，攪拌均勻后抄片檢測白度變化。

（2）NBKP漿料，噸濃漿中加入增白劑10 kg，稱取質量相當于抄造定量為100 g/m2紙頁的漿料，并將漿料稀釋至質量分數為0.5%，按照絕干漿料的15%用量加入碳酸鈣，攪拌均勻后分別按照絕干漿料的0.1%、0.2%和0.3%用量加入固體助留劑，抄片檢測白度變化。

1.3.5 分析測試方法

（1）實驗過程中濕部參數的測定按照 GB／T 24994—2010《造紙濕部溶解電荷量的測定》、GB／T 24993—2010《造紙濕部Zeta電位的測定》，紙頁的抄造成型按照ISO 5269-2—2004《紙漿 物理試驗用實驗室紙頁的制備 第2部分：快速凱塞法》進行，打漿度的測定按照GB／T 3332—2004《紙漿 打漿度的測定（肖伯爾-瑞格勒法）》進行，在測定打漿度的同時記錄不同時間的濾液體積。

（2）實驗過程中成紙白度的測定按照GB/T 7974—2013《紙、紙板和紙漿亮度（白度）的測定 漫射/垂直法》進行。

1.4 結果與討論

1.4.1 原料質量對增白效果的影響

圖1～3顯示了增白劑在不同漿料中的作用趨勢（其中使用D65光源時457 nm下的藍光的反射因數，采用D65亮度來表示白度）。

由圖1～3可看出：100%NBKP漿料（原漿白度89.8%）增白劑用量達到15 kg后，繼續提高增白劑用量，白度雖然有上升趨勢但提高幅度降低；混合漿料（原漿白度90.0%）增白劑用量達到9 kg后，白度開始上升緩慢，相同增白劑用量，白度上升幅度明顯小于100%NBKP漿料，主要因混合漿料中含有15%比例的化機漿，相對木素含量明顯高于100%NBKP漿料；脫墨漿料（原漿白度74.2%）白度隨著增白劑用量的增加一直呈均勻上升趨勢，但總體白度提高幅度較小，增白劑用量達到15 kg時，白度僅僅提高2.5百分點，可見增白劑在脫墨漿料中發揮作用很小。

由此可見，原漿白度對增白劑的增白效果有很大影響。原漿白度越高，增白劑所產生的白度增幅越大，而相同的原漿白度，漿料中的化機漿含量越多白度增幅越小，這主要是由于當原漿白度高時，漿料中木素等的含量很少，與增白劑競爭吸收紫外光的因素就會大大減少，這樣用于激發增白劑的紫外光增多，因而轉變發藍色熒光的量也就相應增多。為了取得良好的增白效果，使用增白劑前紙漿須進行凈化和漂白處理，高潔凈度和高白度紙漿能獲得最大的增白效果。而白度在70%以下的紙漿如含木素量較多的機械木漿和未漂漿則不宜采用增白劑。實際生產過程中脫墨漿料停用增白劑，增白劑用量折半加入到NBKP漿料中，成紙白度未受影響。

1.4.2 抄造水質硬度對增白效果的影響

圖4表示不同抄造水質硬度對增白劑增白效果的影響。

由圖4可見：鈣離子質量濃度小于400 mg/L時增白劑對白度增加為正面影響，而當鈣離子質量濃度大于500 mg/L時呈現負面影響，成紙白度開始呈降低趨勢；水的硬度對二磺酸、四磺酸2類增白劑的單程留著都有影響，不過對四磺酸增白劑留著的影響較大一些，當鈣離子質量濃度大于150 mg/L時，四磺酸增白劑對紙漿纖維的單程增白能力與二磺酸增白劑已基本趨于一致。

圖1 增白劑在NBKP漿料中的作用趨勢

圖2 增白劑在混合漿料中的作用趨勢

圖4 抄造水質硬度對增白效果的影響

1.4.3 反應時間對增白效果的影響

表1顯示了增白劑與漿料反應時間對增白效果的影響。

表1 反應時間對增白效果的影響

由表1可見，增白劑與漿料纖維可迅速結合，1 min基本可發揮80%以上增白效率，3 min之內增幅仍較明顯，5 min之后白度基本穩定，因此實際生產中，增白劑應盡可能地提前與漿料混合，延長增白劑與纖維的反應時間。

1.4.4 高陽電荷密度輔料對增白效果的影響

表2顯示了助留劑、干強劑不同用量對增白效果的影響。

表2 助留劑、干強劑對增白效果的影響

由表2可見，隨著固體助留劑、干強劑用量的增加，白度均有一定程度的降低。實際生產中不同生產廠家的干強劑對增白效果的影響也會不同，因此系統中添加物質的pH、陽離子物質含量的多少都會影響增白劑的增白效果。

2 增白劑對濕部系統的影響

2.1 增白劑對濕部參數的影響

表3顯示了增白劑對濕部參數的影響。

表3 增白劑對濕部參數的影響

由表3可以看出，開始加入低用量增白劑后，纖維表面Zeta電位變化趨勢明顯高于溶液中PCD的增加，而隨著增白劑用量的繼續增加，溶液中的負電荷量明顯上升，纖維表面Zeta電位開始降低緩慢。這是因為噸漿增白劑用量在10 kg以下時，增白劑與纖維有較強的結合力，最先吸附到纖維表面，而當噸漿增白劑用量在10 kg以上時，纖維表面增白劑分子逐漸呈現飽和狀態，增白劑殘留進入溶液中，造成系統陰離子垃圾上升明顯。

2.2 增白劑對助留助濾性能的影響

2.2.1 打漿度以及不同時間段的濾液體積的測試

車間磨后漿料（100%NBKP），實驗室條件下噸漿分別加入增白劑0、10和30 kg，攪拌均勻后檢測打漿度以及不同時間段的濾液體積。圖5顯示了采用打漿度測定儀測試增白劑對漿料濾水性能的影響（圖中：“10 kg增白劑”和“30 kg增白劑”分別表示噸漿中加入增白劑10和加入增白劑30 kg）。

圖5 增白劑對漿料濾水性能的影響

由圖5可見：加入增白劑后漿料濾水性能變差，且隨著增白劑用量的增加而持續降低；加入增白劑后漿料打漿度明顯增加。

2.2.2 增白劑對漿料濾水值、留著率的影響

取車間磨后漿料（100%NBKP），用動態濾水儀（DFR-05）試驗增白劑對漿料濾水值、留著率的影響。

（1）濾水值的測量是通過將一定濃度的漿料加入到動態濾水儀攪拌室內，模擬實際生產中加入化學品（加入點、加入量、加入時間及順序）、壓力篩剪切等過程，使漿料在受到剪切力的處理后通過篩網過濾，得到濾液質量和濾水時間的圖形，通過濾水的動態圖形，進一步分析生產條件對濾水的影響。

（2）留著率的測量是通過儀器測定留著率所需特定的模塊組合，模擬紙機的實際生產情況，通過傳感器測量漿料的濃度和濾液的濃度，進而計算出總留著率和細小纖維/填料的留著率，評價細小纖維和填料與纖維絮凝的趨勢。

（3）實驗具體操作過程：實驗室條件下在噸濃漿中分別加入增白劑0、10和30 kg，攪拌均勻，稀釋至漿料上網質量分數0.8%后，加入到動態濾水儀攪拌室內以轉速700 r/min進行攪拌，攪拌5 s后加入相對于絕干漿料15%用量的碳酸鈣，繼續攪拌5 s后加入相對于絕干漿料0.3%的固體助留劑，提高攪拌轉速至1 000 r/min進行高速剪切后，測量10 s內濾水質量；更換儀器測量模塊，按照測量濾水值的實驗條件繼續進行留著率的測定。

圖6顯示了采用DFR-05動態濾水儀測試增白劑對濾水影響的結果（圖中“增白劑0 kg”、“增白劑10 kg”和“增白劑30 kg”分別表示噸濃漿中加入增白劑 0、10 和 30 kg）。

由圖6可以看出，噸漿加入增白劑30 kg時與打漿度儀檢測濾水方法趨勢一致，濾水性能明顯差于未加增白劑的漿料，而噸漿加入增白劑用量10 kg時好于未加入增白劑時的濾水性能。

圖6 增白劑對濾水的影響

圖7顯示了采用DFR-05動態濾水儀測試增白劑對留著率影響的結果。

圖7 增白劑對留著率的影響

由圖7可以看出，加入增白劑后總留著率以及細小纖維/組分留著率均變差，且細小組分留著率降低幅度明顯大于總留著率，增白劑對留著率起到了負面作用。

2.3 生產過程中的工藝調整

實際生產過程中，原白系列（漿料未加增白劑）改產增白系列（漿料加入增白劑）產品時水線延長，車間操作通過提前減小流漿箱唇板開度來縮短水線，加入增白劑5～6 min后水線恢復至正常位置，繼續循環約30 min，水線繼續縮短，需提高唇板開度來恢復水線正常位置，實際最終調整完成后增白系列唇板開度要大于原白系列，即一定量增白劑的添加時漿料濾水性能有提高的趨勢。

通過長期跟蹤檢測生產過程中增白、原白系列產品的留著率變化，發現增白系列首程留著率較原白系列高10～15百分點，與實驗室試驗趨勢相反，其原因可能是因為實際生產過程中增白系列改產原白系列期間水線變短導致的留著率降低，因留著率降低造成了細小填料等在系統中惡性循環，白水濃度、灰分明顯升高，而原白系列改產增白系列后水線延長，通過進一步循環多余細小組分被成紙帶走，起到了凈化系統的作用，最終增白劑對留著率的負面作用未真實體現。

針對生產中出現的問題分析存在一定的片面性，也可能有其他的影響因素。

3 結論

（1）原漿白度越高，增白劑所產生的白度增幅越大；而白度相同的原漿，則原漿中的化機漿含量越低增白劑增幅越大。

（2）抄造水質硬度影響增白劑的增白效果，鈣離子質量濃度小于400 mg/L時對白度增加呈正面影響，當鈣離子質量濃度大于500 mg/L時對白度增加呈負面影響，成紙白度開始呈降低趨勢；且硬度對四磺酸增白劑留著率的影響較大，當鈣離子質量濃度大于150 mg/L時，四磺酸增白劑對紙漿纖維的單程增白能力與二磺酸增白劑已基本趨于一致。

（3）增白劑與漿料纖維可迅速結合，1 min基本可發揮80%以上增白效率，3 min之內增幅仍較明顯，5 min之后白度基本穩定，因此實際生產中，增白劑應盡可能地提前與漿料混合，延長增白劑與纖維的反應時間。

（4）濕部固體助留劑、干強劑等高陽電荷密度輔料的添加，紙頁白度均會有一定程度的降低。

（5）漿料加入增白劑后，初始纖維表面的Zeta電位變化趨勢明顯高于溶液中PCD的增加，隨著增白劑用量的繼續增加，溶液中的負電荷明顯上升。這是因為噸漿增白劑用量在10 kg以下時，增白劑與纖維有較強的結合力，最先吸附到纖維表面，而當噸漿增白劑用量10 kg以上時，纖維表面增白劑分子逐漸呈現飽和狀態，增白劑殘留進入溶液中，造成系統陰離子垃圾上升明顯。

（6）通過實驗室動態模擬紙機濾水情況以及生產過程中的調整方向來看，一定范圍內增白劑用量的添加對濾水性能有提高的趨勢；而留著率方面，實驗室試驗加入增白劑后漿料總留著率以及細小組分留著率均變差，增白劑對留著率起到了負面作用，而實際生產中增白系列產品添加增白劑后留著率提高明顯，趨勢與實驗室不能完全一致，也是后續需要繼續探討的課題。