高档卷烟纸专用PCC 生产过程质量控制技术.doc

1、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

2、Technology 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 qu

3、ality control 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

4、 maturing, 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；

5、degree of 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

6、一般为小纺锤体，不仅因为玫瑰花形、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2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3.04.0m 之间

7、，比表面积为 23m2/g。如果粒径小于 1m，填充过程中小粒径 PCC 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

8、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有限公司（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）改造后粒度分布图由图 1（a）可知，改造前产品在 0.21.0m 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。3由图 1

9、（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对比峰高/%峰高位置/m平均粒径/m1.0 m/粒子%10.0m粒子/%2.05.0m 粒子/% 峰形应用性能改造前 12.7 4.010 4.330 2.5 1.5% 60%不对称 不佳改造后 14.4 3.198 3.447 几乎为 0 几乎为 0 70%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

10、浆液的波美度来间接判断浆液浓度大小。连州裕丰钙业科技有限公司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1.1115质量百分浓度；该工作曲线是一根曲度明显的曲线，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

11、 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。生浆质量百分浓度、熟浆的波美度和质量百分浓度具有表 2 所示的关系：图 2 标准曲线与裕丰钙业工作曲线对照图4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/% 8.0 10 12 15 18熟浆质量百分浓度/% 10.3 12.7 15.1 18.6 22.1生 浆 质 量 百 分 浓 度熟 浆 质 量 百 分 浓 度1.29 1.27

12、 1.26 1.24 1.23熟浆波美度/B 12.0 14.4 17.1 20.8 24.8熟 浆 质 量 百 分 浓 度熟 浆 波 美 度1.17 1.13 1.13 1.12 1.12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 20B 时，熟浆的质量百分浓度约为：201.1317.7%，碳化前生浆的质量百分浓度为：17.7%1.2614.05%。2.2.3 生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 8

13、12%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

14、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 90120min，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5相匹配而

15、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。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 3035B，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 5055B。石 灰 乳 在 存 放 过 程 中 会

16、 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，C a(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 。精 浆 陈 化 一

17、 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 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

18、 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

19、 降 曲 线 呈 现 一 条 直 线 ， 如 图 4 中 曲 线 B 表图 4 三种 PCC 沉降曲线对比图 3 生浆波美度随时间变化曲线6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

20、 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 为 3.04.0mL/g，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

21、离碱控制技术游离碱含量一般应小于 0.05%。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

22、打开，但在加热煮沸时很容易打开。其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

23、，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7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制在 4550之间，窑气浓度要求 35%以上且窑气流量要求充足。PCC 生产企业在组织生产时，必须重新进行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。可以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。控制高档卷烟纸专用 PCC 中游离碱含量的方法有三，一是将生浆和熟浆都需要

24、进行充分的过滤精制和陈化处理；二是碳化熟浆达到中性时，需要继续进行适度的过度碳化；三是加入少量磷酸的方法进行最后的补救。P CC 的 沉 降 体 积 大 小 与 沉 降 时 间 的 关 系 有 三 层 含 义 ， 一 是 根 据 沉 降 体 积 的 大 小 可 初步 判 断 出 PCC 的 粒 径 大 小 ； 二 是 根 据 沉 降 体 积 大 小 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 ； 三 是 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 ）， 才 能 确 定

25、产 品 的 粒 度 分 布 是 否 合 格 。高档卷烟纸专用 PCC 的白度必须要大于 90。在石灰石质量合格的前提下，轻钙产品的白度只需要搞好生产过程质量管理环节即可使产品白度达标。主要参考资料1 李 洪 艳 ， 碳 酸 钙 在 卷 烟 纸 生 产 中 的 应 用 J .造 纸 化 学 品 ， 2008（ 4）2 沈 兴 楠 ， 浅 谈 卷 烟 纸 用 碳 酸 钙 及 其 沉 降 体 积 与 粒 度 J.造纸化学品 2001（2）3 卢云峰，甘华峰，颜鑫. 石 灰 乳 波 美 度 与 质 量 浓 度 的 关 系 研 究 J .2010 年 全 国 碳 酸 钙 行 业 年 会论 文 集 。4 颜 鑫 ， 王 佩 良 ， 舒 均 杰 编 著 .纳 米 碳 酸 钙 关 键 技 术 M.化 学 工 业 出 版 社 ， 2007 年 8 月 第 1 版5 王 良 金 .沉 淀 碳 酸 钙 碳 化 工 艺 参 数 与 成 品 沉 降 体 积 值 J .无 机 盐 工 业 ， 1998（ 1）作者简介：邓新云（1970） ，女，汉族，湖南醴陵人，湖南化工职业技术学院讲师，主要从事化学化工教学与无机化工研究工作。