Nghiên cứu sử dụng kết hợp tinh bột cation và polyacrylamit cation để nâng cao chất lượng giấy in

2 MỤC LỤC 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng tinh bột 2.3.2 Ảnh hưởng của mật độ điện tích charge density của tinh bột cation 16 2.3.6 Ảnh hưởng của thời điểm gia tinh bột ca

1

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY GIẤY VIỆT NAM CÔNG TY TNHH - VIỆN CÔNG NGHIỆP GIẤY VÀ XENLUYLÔ

Cơ quan chủ quản: BỘ CÔNG THƯƠNG

Cơ quan chủ trì: VIỆN CÔNG NGHIỆP GIẤY VÀ XENLUYLÔ

Chủ nhiệm đề tài: Hoàng Mạnh Vinh

Kỹ sư công nghệ giấy

9026

HÀ NỘI 11/2011

2

MỤC LỤC

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng tinh bột

2.3.2 Ảnh hưởng của mật độ điện tích (charge density) của tinh

bột cation

16

2.3.6 Ảnh hưởng của thời điểm gia tinh bột cation vào hỗn hợp

2.2 Phương pháp nghiên cứu 19

PHẦN III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 22 3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của tinh bột cation đến độ bảo

lưu và các tính chất cơ lý của giấy 22

3

3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng kết hợp tinh

bột cation và polyacrylamit cation đến độ bảo lưu và tính chất cơ lý của giấy

23

3.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của polyacrylamit cation đến độ

bảo lưu và tính chất cơ lý của giấy

23

3.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng kết hợp tinh bột

cation và polyacrylamit cation đến độ bảo lưu và tính chất cơ lý của giấy

25

3.2.3 Nghiên cứu lựa chọn mức dùng tinh bột cation và

polyacrylamit cation thích hợp trong sản xuất giấy in 29

3.3 Sản xuất thực nghiệm 33

3.3.1.1 Nghiền bột 34

3.4.1 Kết luận 373.4.2 Kiến nghị 39

Tài liệu tham khảo 40

3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

CPAM : Polyacrylamit cation

CS : Tinh bột cation

GCC : Chất độn CaCO3 nghiền

DS : Độ thế (tinh bột cation)

PDADMAC : Polydiallyl-dimetyl-amoni clorit

4

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Một số tính chất vật lý của polyacrylamit

Bảng 1.2 Mật độ điện tích của một số chất trợ bảo lưu thông dụng

Bảng 3.1 Ảnh hưởng của tinh bột cation đến độ bảo lưu và tính chất cơ lý của

giấy in Bảng 3.2 Ảnh hưởng của polyacrylamit cation đến độ bảo lưu và tính chất cơ lý

của giấy Bảng 3.3 Ảnh hưởng của việc sử dụng kết hợp tinh bột cation và polyacrylamit

cation đến độ bảo lưu và tính chất cơ lý của giấy Bảng 3.4 Nghiên cứu lựa chọn mức dùng tinh bột cation và polyacrylamit

cation thích hợp trong sản xuất giấy in Bảng 3.5 Ảnh hưởng của chủng loại polyacrylamit cation

Bảng 3.6 Một số chỉ tiêu chất lượng của giấy in sản xuất thử nghiệm

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Kết bông bắc cầu với polyacrylamit cation

Hình 1.2 Điểm bổ xung polyacrylamit cation trong quá trình sản xuất giấy

Hình 1.3 Phản ứng điều chế tinh bột cation

Hình 3.1 Độ tro của các mẫu giấy không bổ xung, có bổ xung cả hai hoặc bổ

xung một trong hai phụ gia CS và CPAM Hình 3.2 Chiều dài đứt của các mẫu giấy không bổ xung, có bổ xung cả hai

hoặc bổ xung một trong hai phụ gia CS và CPAM Hình 3.3 Chỉ số xé của các mẫu giấy không bổ xung, có bổ xung cả hai hoặc

bổ xung một trong hai phụ gia CS và CPAM Hình 3.4 Tính chất quang học của các mẫu giấy không bổ xung, có bổ xung cả

hai hoặc bổ xung một trong hai phụ gia CS và CPAM Hình 3.5 Sơ đồ khối dây chuyền công nghệ sản xuất

6

MỞ ĐẦU

Ngày nay, các nhà sản xuất giấy thường có xu hướng là đưa hàm lượng chất độn cao nhất có thể vào giấy, để tận dụng các nguồn chất độn giá rẻ có sẵn trong tự nhiên như CaCO3 và cao lanh Việc tăng hàm lượng chất độn trong giấy cũng đồng nghĩa với việc giảm hàm lượng xơ sợi bột giấy, qua đó giảm được chi phí sản xuất và lượng chất thải ra môi trường Đối với giấy in, giấy viết, tăng hàm lượng chất độn còn có thể cải thiện được một số tính chất như tăng độ đục, độ trắng, độ nhẵn cũng như tính đồng đều của tờ giấy Tuy nhiên, khi tăng hàm hàm lượng chất độn, độ bền của giấy sẽ giảm đi

Vì vậy, để không làm ảnh hưởng tới chất lượng giấy đồng thời giữ lại lượng chất độn nhiều nhất có thể ở trong giấy bắt buộc phải sử dụng các chất phụ gia Hiện nay, các nhà máy sản xuất giấy in, giấy viết trên thế giới thường sử dụng chất phụ gia là tinh bột cation và chất trợ bảo lưu

Ở Việt Nam, các nhà máy sản xuất giấy in, giấy viết lớn như Tổng công ty Giấy Việt Nam (Công ty giấy Bãi Bằng trước đây), Công ty cổ phần Tập đoàn Tân Mai, trong sản xuất giấy in, viết chất phụ gia được sử dụng là tinh bột cation và hệ trợ bảo lưu hai thành phần Do đó, sản phẩm của hai đơn vị này có tính cạnh tranh và chất lượng hơn hẳn các đơn vị khác

Các đơn vị sản xuất giấy in, giấy viết vừa và nhỏ ở nước ta trong sản xuất thường chỉ sử dụng tinh bột cation và rất ít đơn vị sử dụng kết hợp cả hai thành phần này là tinh bột cation và chất trợ bảo lưu

Hiện tại, ngành giấy cũng chưa có một nghiên cứu cụ thể nào về việc sử dụng kết hợp giữa tinh bột cation và chất trợ bảo lưu trong sản xuất giấy in , giấy viết Chính vì

lý do đó mà việc sử dụng hai chất này vẫn chưa được phổ biến rộng rãi tới các doanh nghiệp trong nước

Vì vậy, năm 2011, Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô đã được Bộ Công Thương

đặt hàng đề tài: “Nghiên cứu sử dụng kết hợp tinh bột cation và polyacrylamit cation

để nâng cao chất lượng giấy in” Với nghiên cứu này sẽ giúp cho các doanh nghiệp

thấy rõ tính hơn hẳn của chất lượng giấy khi có sử dụng kết hợp giữa tinh bột cation và chất trợ bảo lưu mà ở đây là sử dụng polyacrylamit cation, so với giấy chỉ sử dụng tinh bột cation hoặc không sử dụng cả hai Hơn nữa, nghiên cứu này cũng giúp cho các

7

doanh nghiệp trong việc sử dụng kết hợp giữa tinh bột cation và polyacrylamit một cách có hiệu quả và khoa học

Mục tiêu của đề tài:

Xây dựng được quy trình công nghệ thích hợp sử dụng kết hợp tinh bột cation

và polyacrylamit cation nhằm nâng cao chất lượng giấy in và giảm chi phí sản xuất

Nội dung nghiên cứu :

- Nghiên cứu ảnh hưởng của tinh bột cation đến độ bảo lưu và tính chất cơ lý của giấy

- Nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng kết hợp giữa tinh bột cation và

polyacrylamit cation tới độ bảo lưu và tính chất cơ lý của giấy

- Xác định quy trình công nghệ sử dụng kết hợp giữa tinh bột cation và

polyacrylamit cation trong sản xuất giấy in

- Sản xuất thử nghiệm 500 kg giấy in theo quy trình đã chọn

8

PHẦN I TỔNG QUAN

I POLYACRYLAMIT CATION SỬ DỤNG LÀM CHẤT TRỢ BẢO LƯU TRONG SẢN XUẤT GIẤY

Sản xuất giấy trên máy xeo thực chất là một quá trình lọc Trên lưới xeo, quá trình hình thành và quá trình thoát nước diễn ra liên tục và giữ lại phần lớn các chất rắn bao gồm các xơ sợi, các hạt chất độn và các phụ gia Phần được giữ lại trên lưới tiếp đó được dẫn qua các công đoạn hút chân không, ép, sấy, ép quang trở thành tờ giấy Phần huyền phù rắn cùng với một phần lớn nước thoát ra từ huyền phù bột qua lưới được gọi là nước trắng

Quá trình thoát nước trên lưới là quá trình tạo hình tờ giấy từ huyền phù bột Quá trình thoát nước phải đủ lớn để đảm bảo cho tờ giấy ướt sau khi qua bộ phận lưới không bị tan rã, do đó độ dài của lưới xeo phải đủ để giấy đạt độ bền nhất định Tốc độ thoát nước của huyền phù bột trên lưới là yếu tố cơ bản để xác định tốc độ chạy máy

Có thể tăng tốc độ thoát nước bằng việc sử dụng lưới xeo có mắt lưới rộng cho phép nước trắng thoát ra nhanh hơn

Tuy nhiên, trong huyền phù bột các xơ sợi, chất độn, và các chất bổ xung vào để cải thiện các tính chất của giấy sẽ được giữ lại kém hiệu quả nếu lưới có kích thước mắt lưới lớn Nồng độ nước trắng có thể tăng đáng kể và gây ra các vấn đề khác nhau trong vòng tuần hoàn nước trắng, chẳng hạn như vấn đề bám dính Ngoài ra, chất lượng và số lượng của sản phẩm giấy cũng sẽ giảm đi Mặt khác, nếu sử dụng lưới xeo mắt lưới nhỏ hơn, quá trình bảo lưu xơ sợi sẽ tăng đáng kể nhưng khả năng thoát nước sẽ bị giảm xuống

Tăng khả năng bảo lưu xơ sợi mịn và chất độn tại phần ướt máy xeo giấy là một mục tiêu công nghệ quan trọng đã và đang được nghiên cứu, giải quyết và hoàn thiện Nhìn chung, để nâng cao độ bảo lưu chất độn một số giải pháp công nghệ theo các lý thuyết sau thường được lựa chọn:

- Giảm lượng nước pha loãng

- Sử dụng các chất kết bông nhằm liên kết các hạt chất độn có kích thước nhỏ tạo thành các khối có kích thước lớn hơn có thể kết tụ hiệu quả lên bề mặt xơ sợi hoặc tạo ra các điều kiện hóa lý để các hạt mịn có thể bám vào xơ sợi (kết bông vi mô)

Với giải pháp thứ nhất, khi giảm lượng nước pha loãng bột lên lưới thì độ bảo lưu chất độn và xơ sợi vụn sẽ tăng, tuy nhiên đi cùng với nó là chất lượng giấy thu nhận được không cao (giấy nhiều vân mây, không đồng nhất) do đó trong thực tế thường sử dụng giải pháp thư hai

9

Trong nhiều năm, các nhà sản xuất giấy đã nhận ra tầm quan trọng của một số hóa chất có khả năng làm tăng độ bảo lưu của các thành phần trong giấy Đầu tiên, một sản phẩm đơn giản, chẳng hạn như phèn nhôm được sử dụng để tăng độ bảo lưu các hạt mịn trong giấy in và giấy có gia chất độn Ngày nay, các chất trợ bảo lưu hiện đại như các polyme tổng hợp, đặc biệt là polyacrylamit đã được ứng dụng để cải thiện độ bảo lưu và khả năng thoát nước tại phần ướt máy xeo [8]

1.1 Tổng quan về polyacrylamit

Polyacrylamit là một polyme được sử dụng rộng rãi làm chất trợ bảo lưu trên thế giới, chúng được sử dụng trong tất cả các loại giấy khi cần tăng độ bảo lưu của chất độn và xơ sợi mịn Các sản phẩm này được sản xuất dưới dạng chất rắn, phân tán (trong dầu), và dạng nhũ tương nghịch (dầu trong nước) theo thứ tự giảm dần phạm

vi hoạt động của sản phẩm [6]

Các polyme này có cấu trúc cơ bản như sau:

-[-CH2-CH(CONH2)-CH2-CH(CONH2)-CH2-]n-

n = 3.000 đến 36.000

Từ năm 1995, monome acrylamit đã được thương mại hóa Hợp chất này từ lâu

đã được biết đến trong việc sản xuất ra các polyme tan trong nước, nhờ quá trình đồng trùng hợp với các monome khác hoặc tự trùng hợp Sự sẵn có của acrylamit đã đem lại cho nghành công nghiệp một phương tiện hiệu quả để sản xuất các polyme hoạt động – anion, cation, hoặc không thuộc ion – nhằm đáp ứng các yêu cầu của công nghệ hiện đại

Các polyme này đã đáp ứng đầy đủ các nhu cầu quan trọng của các nghành chế xuất qua khả năng phản ứng hóa học của các polyme hoặc qua các polyme với thành phần, khối lượng phân tử hoặc mức độ tạo màng cần thiết trong các ứng dụng đặc biệt

Acrylamit được tổng hợp nhờ thủy phân axit acrylonitrin qua acrylamit sun phát

Cả polyacrylamit và polymetylolacrylamit đều là các polyme tan trong nước cạnh tranh với các vật liệu như cacboxy metyl xenluloza (CMC) hay polyvinyl ancol (PVA)

Copolyme của acrylamit và dimetylaminopropyl acrylamit đã được tổng hợp để

sử dụng làm chất đông tụ và làm đặc Nó hoạt động như một tác nhân keo tụ khoáng sét và tuyển quặng, có khả năng ứng dụng trong sử lý nước thải Đó là các vật liệu cation, khác với các loại polyacrylat anion và polyetylen oxit không ion

10

Các polyme và copolyme này hiện đang được sản xuất với số lượng lớn và có

tính chất đồng đều cao hơn nhiều so với các loại gôm tự nhiên tan trong nước khác

Polyacrylamit hoàn toàn khô là một chất rắn trắng giòn Bột polyacrylamit

thường chứa 5 đến 15% nước Bột này hút ẩm và nhìn chung độ hút ẩm tăng khi

tính chất ion của polyme tăng Các polyme cation là loại hút ẩm mạnh

Một số tính chất vật lý của polyacrylamit được liệt kê trong bảng 1 Tính lập thể

và tuyến tính của polyme được cho là phụ thuộc vào nhiệt độ trùng hợp Polyme

mạch thẳng thu được ở dưới 50 oC nhưng sự phân nhánh bắt đầu xuất hiện ở cùng

nhiệt độ và tăng trên mức độ này

Bảng 1.1 Một số tính chất vật lý của polyacrylamit [1]

Tỷ trọng, g/cm3 1,302

Nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh, oC 188

Sức căng bề mặt tới hạn, mN (dyn/cm) 35 – 40

Tan trong các dung môi Nước, etylen glycol, formamit

Phi dung môi Xeton, hydrocacbon, ete, ancol

Cất phân đoạn dung môi Nước – metanol

Các khí kết hợp trong không khí H2, CO, CO2, NH3, NO, NO2

Polyacrylamit khô thương mại là bột không bụi và các hạt có dạng hình cầu Các

sản phẩm có thể chứa một lượng nhỏ chất thêm vào để tăng độ bền và khả năng hòa

tan của polyme trong nước Hầu hết các bột polyacrylamit sẽ phát triển độ nhớt đầy

đủ trong nước với sự khuấy trộn nhẹ Thời gian hòa tan là phụ thuộc vào trọng

lượng phân tử và độ cứng của nước Polyacrylamit tan được trong nước ở tất cả các

nồng độ, nhiệt độ và giá trị pH Nhằm đảm bảo cho sự phân tán tốt thì tốc độ thêm

polyme phải giảm khi độ nhớt của dung dịch tăng lên Trong nước, polyacrylamit

trọng lượng phân tử cao tạo thành dung dịch đơn độ nhớt cao

Dung dịch polyacrylamit có khả năng hòa tan tốt đối với các chất điện ly như:

amoni clorua, canxi sunphat, đồng sunphat, kali hydroxit Các tác nhân hoạt động

bề mặt cũng tương hợp với dung dịch polyacrylamit

11

Dung dịch polyacrylamit thường không bị các vi sinh vật tấn công nhưng nó lại

là nhân tố góp phần vào sự phát triển của các loại nấm mốc Vì vậy khi bảo quản dung dịch polyacrylamit cần phải bổ xung thêm một loại thuốc diệt nấm mốc thích hợp như muối kiềm, diclophen, natri pentaclorophenat

Polyacrylamit không ion tinh khiết có phân tử khối từ 500.000 đến 7.000.000 đvC Nó là mạch thẳng cho phép tạo ra các cầu nối với các hạt

Bằng việc bổ xung thêm một monome, chẳng hạn như trimetyl-aminoetyl

metacrylat theo một tỷ lệ nhất định trước khi tiến hành giai đoạn trùng hợp,

polyacrylamit cation với bất cứ mật độ điện tích nào cũng được sản xuất Cũng như vậy, một monome anion, chẳng hạn axit acrylic có thể bổ xung vào trước giai đoạn trùng hợp để tạo ra một polyacrylamit anion có điện tích mong muốn

Về mặt lý thuyết, có thể sản xuất được polyacrylamit có mật độ điện tích hoặc khối lượng phân tử mong muốn Thực tế, chỉ có khoảng 40 đến 50 polyacrylamit khác nhau được ứng dụng trong công nghệ sản xuất giấy

1.2 Polyacrylamit cation làm trợ bảo lưu trong sản xuất giấy

Hiện nay, trên thị trường, polyacrylamit cation sử dụng trong công nghiệp giấy được cung cấp với nhiều chủng loại dưới các tên thương mại khác nhau Chẳng hạn, hãng EKA Chemicals đưa ra thị trường sản phẩm EKA PL 1510, hãng Ciba

Specialty Chemicals cung cấp ra thị trường một số polyacrylamit cation như Percol – 182, Percol – 47 Các polyme này được phân biệt nhau bởi khối lượng phân tử và mật độ điện tích Trong từng nhà máy cụ thể, các nhà sản xuất sẽ lựa chọn chủng loại polyacrylamit cation phù hợp với ứng dụng của đơn vị mình

Polyacrylamit cation có thể được sử dụng một mình trong hệ bảo lưu một thành phần hoặc có thể dùng kết hợp với các chất trợ bảo lưu khác trong các hệ bảo lưu hai thành phần, hệ bảo lưu vi hạt Khi được sử dụng trong hệ bảo lưu một thành phần, polyacrylamit cation thường có khối lượng phân tử lớn và mật độ điện tích trung bình Đối với các hệ bảo lưu hai thành phần, hệ bảo lưu vi hạt polyacrylamit cation thường có khối lượng phân tử thấp hoặc trung bình và có mật độ điện tích cao Để thuận tiện cho quá trình nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng kết hợp tinh bột cation và polyacrylamit cation lên độ bảo lưu và tính chất của giấy in, polyacrylamit cation với hệ bảo lưu một thành phần được lựa chọn Cơ chế hoạt động của hệ bảo lưu này là nhờ lực hút tĩnh điện mà các hạt chất độn tích điện âm bám lên các phân tử polyacrylamit cation Phân tử polyme này đủ dài để tạo thành cầu nối giữa hai hay nhiều xơ sợi lại với nhau, kết quả là tạo thành bông liên kết giữa các hạt chất độn, các xơ sợi với nhau (hình 1) Polyme phục vụ cho mục đích này thường là một polyacrylamit cation có khối lượng phân tử lớn từ 1000 x 104

đến 1600 x 104 đ.v.C Tỷ lệ sử dụng chất bảo lưu từ 0,1 đến 1,0 kg/tấn giấy

12

Hình 1.1 Kết bông bắc cầu với polyacrylamit cation

Trong thực tế, polyacrylamit cation cũng giống như tất cả các hóa chất keo tụ khác đều bị hạn chế bởi lực cơ học và hóa học tại phần ướt máy xeo [6]:

- Sự khuấy trộn mạnh: Các bông kết tụ này có thể bị phá vỡ khi gặp sự khuấy trộn mạnh và sau đó không có khả năng phục hồi lại Nói cách khác, sự khuấy trộn mạnh làm giảm hiệu quả sử dụng của hệ bảo lưu kiểu bắc cầu Để hạn chế hậu quả của sự khuấy trộn thì người ta thường sử dụng polyacrylamit cation có khối lượng phân tử lớn và bổ xung polyacrylamit cation tại vị trí trước khi vào thùng đầu

Hình 1.2 Điểm bổ xung polyacrylamit cation trong quá trình sản xuất giấy

- Nhiệt độ của huyền phù bột: Một số polyacrylamit cation nhạy cảm với nhiệt

độ (trên 650C) và có thể mất hiệu quả

- pH của huyền phù bột: Các polyacrylamit cation tương thích với quá trình sản xuất giấy thông thường ở pH = 4,4 đến 9,5

- Độ dẫn của huyền phù bột và chất rắn hòa tan trong nước trắng có xu hướng tác động vào phản ứng tĩnh điện giữa polyacrylamit cation và các hạt mang điện tích âm của huyền phù bột Tại độ dẫn điện cao, trên 5.000µS/cm một vài phản ứng trở nên khó khăn hơn, đòi hỏi mức dùng polyacrylamit cation cao hơn Để khắc

Công nghiệp giấy là một trong những ngành sản xuất sử dụng nhiều tinh bột Theo số liệu thống kê, hiện nay, ngành công nghiệp giấy thế giới sử dụng hàng năm khoảng 5 triệu tấn tinh bột (tương đương với khoảng 1,5% khối lượng so với tất cả các loại giấy và các tông) với tỷ lệ xuất xứ cụ thể như sau [2]:

và giấy viết có thể sử dụng tới 7% [2] tinh bột so với trọng lượng của giấy Thông

800 đến 3000 và của amilopectin có thể đạt tới 2x106 Do dung dịch có độ nhớt cao, không ổn định và dễ bị đông kết, nhất là khi sử dụng ở nồng độ chất khô lớn hơn 5% nên tinh bột tự nhiên ngày càng ít được sử dụng trong công nghiệp giấy Dung dịch tinh bột biến tính thường có độ nhớt thấp do đã được cắt mạch từ trước, ngoài

ra việc tạo ra các nhóm chức năng như các nhóm có tính anion, cation, nhóm bô-xyl qua một số quá trình xử lý khác nhau cũng có tác dụng làm cho dung dịch tinh bột có độ nhớt ổn định và khả năng liên kết tốt với các hợp chất tạo giấy khác Các ưu điểm chủ yếu của tinh bột biến tính so với tinh bột tự nhiên là sự đa dạng, khả năng cải thiện hiệu quả sản xuất và nâng cao chất lượng giấy Ngày nay,

các-do máy xeo giấy càng ngày càng vận hành với vận tốc nhanh hơn và có kết cấu với khổ rộng hơn nên việc sử dụng tinh bột biến tính nhằm hạn chế thời gian dừng máy

và giảm lượng giấy không đạt chất lượng càng trở nên cần thiết hơn

Hiện nay trong công nghiệp có rất nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng

để biến tính tinh bột Tuy nhiên về bản chất có thể phân loại các phương pháp này thành hai nhóm chủ yếu đó là biến tính hoá học (ete hoá, este hoá, tạo mạch ngang)

và cắt mạch (chuyển đổi bằng enzym, cơ nhiệt và cơ hoá, oxy hoá bằng hypoclorít hoặc bằng peroxít và thuỷ phân bằng axít)

Nhìn chung, tinh bột cắt mạch (chủ yếu là tinh bột oxy hoá hoặc chuyển hoá bằng enzym) được dùng cho gia keo bề mặt, trong khi tinh bột biến tính hoá học (tinh bột cation, tinh bột anion hoặc tinh bột lưỡng tính) thường được sử dụng trong quá trình gia keo nội bộ

2.2 Tinh bột cation

Trong các chất tăng bền khô trên thì tinh bột cation là chất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế do hiệu quả tăng độ bền khô và khả năng cạnh tranh về giá so với các chất tăng bền khô khác Tỷ lệ sử dụng tinh bột cation so với bột giấy khô tuyệt đối dao động trong khoảng từ 0,2 – 2,5% so với bột giấy khô tuyệt đối tùy theo mức độ yêu cầu tăng độ bền khô của giấy Khi trong thành phần bột giấy có

Phản ứng điều chế tinh bột cation từ tinh bột tự nhiên được thể hiện trong hình 1.3:

Hình 1.3 Phản ứng điều chế tinh bột cation

Trong phản ứng này, người ta dùng một amin bậc 4 tác dụng với tinh bột trong môi trường kiềm để đưa vào phân tử tinh bột một nhóm amin, nhóm này có đặc điểm là tích điện dương, và vì thế làm cho hạt tinh bột tích điện dương

Hiệu quả làm tăng độ bền khô khi sử dụng tinh bột cation phụ thuộc vào mật độ điện dương trong các phân tử tinh bột cation và thứ bậc amin dùng trong phản ứng điều chế tinh bột cation

Mật độ điện tích dương trong các phân tử tinh bột cation được biểu diễn bằng mức độ thế, nghĩa là tỷ lệ các phân tử tinh bột được thế nhóm amin vào phân tử khi tham gia phản ứng điều chế tinh bột cation Mức độ thế của tinh bột cation thường

là DS = 0,02 – 0,05

Người ta thường sử dụng amin bậc 3 hoặc bậc 4 để điều chế tinh bột cation Tinh bột cation chứa nhóm amin bậc 4 sẽ hoạt động hiệu quả trong các môi trường xeo có pH từ 4 đến 9, vì bản thân nó luôn tích điện dương Tinh bột cation có chứa nhóm amin bậc 3 thì chỉ hoạt động tốt trong môi trường axit vì nó cần phải sử dụng

sự có mặt của các ion H+ để trở thành cation

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng tinh bột cation

2.3.1 Ảnh hưởng của quá trình hồ hóa tinh bột

Tinh bột tự nhiên hoặc tinh bột cation đều cần phải hồ hóa thì mới có hiệu quả làm tăng độ bền khô cho giấy, vì chỉ sau khi được hồ hóa ở nhiệt độ cao trong nước

16

thì tinh bột mới tan và phân tán đều trong huyền phù bột giấy Có hai phương pháp

hồ hóa tinh bột:

* Phương pháp gián đoạn: Cho tinh bột vào nồi nấu gián đoạn, bổ xung nước,

khuấy trộn và gia nhiệt trực tiếp bằng hơi nóng lên đến nhiệt độ 95 oC và giữ ở nhiệt

độ này trong khoảng 20 đến 30 phút để hoàn thiện quá trình hồ hóa tinh bột

* Phương pháp liên tục (sử dụng thiết bị nấu Jet cooker): Hòa tinh bột vào nước

lạnh cho đều Sau đó, tinh bột được bơm liên tục qua thiết bị hồ hóa liên tục Trong thiết bị này, dòng tinh bột được gia nhiệt trực tiếp bằng hơi nước áp lực cao và nhiệt

độ thiết bị luôn được giữ ở 120 đến 135 oC Thời gian lưu của dòng tinh bột trong thiết bị hồ hóa được điều chỉnh sao cho tinh bột được hồ hóa hoàn toàn Nếu nhiệt

độ trong thiết bị cao quá hoặc thời gian lưu lâu quá thì tinh bột sẽ bị thủy phân, đứt mạch, độ nhớt của hồ tinh bột giảm và kết quả là hiệu quả sử dụng tinh bột sẽ giảm Thường thì độ nhớt của hồ tinh bột hồ hóa bằng phương pháp liên tục bao giờ cũng thấp hơn so với nấu gián đoạn

Sau khi kết thúc giai đoạn hồ hóa, để bảo quản hồ tinh bột trong một thời gian người ta bơm hồ tinh bột sang thùng chứa bảo quản tinh bột Trong quá trình bảo quản, giữ tinh bột ở trạng thái tĩnh hoặc ở chế độ khuấy trộn ôn hòa nhất để tránh hiện tượng vữa của hồ tinh bột Nhiệt độ trong thùng chứa này duy trì ở 600C đến

80oC cho đến khi hồ tinh bột được sử dụng

Trước khi sử dụng hồ tinh bột để bổ xung vào hỗn hợp bột giấy phải hòa loãng

hồ tinh bột tới nồng độ dưới 1 %, như vậy tinh bột sẽ dễ phân tán đều trong huyền phù bột giấy

2.3.2 Ảnh hưởng của mật độ điện tích (charge density) của tinh bột cation

Mật độ điện tích của tinh bột cation được biểu thị bằng đơn vị là meqiv/g Các chất điện tích khác nhau thì có mật độ điện tích khác nhau

Bảng 1.2 Mật độ điện tích của một số chất trợ bảo lưu thông dụng [8]

Polyme Mật độ điện tích (mequiv/g)

Tinh bột cation (DS = 0,035) 0,2

Tinh bột cation (DS = 0,050) 0,3

Polyaluminum clorit (PAC) 3,3

Polyetylen imin (PEI) 5,1

17

Polydiallyl-dimetyl-amoni clorit

(PDADMAC)

6,6

Polyacrylamit 60% cation (CPAM) 8,5

Theo bảng trên thì mật độ tích điện của các chất tích điện dương như sau: PAM

> PEI > PAC > Tinh bột cation (có độ thế DS = 0,05) > Tinh bột cation (có độ thế

DS = 0,03) Mật độ điện tích dương càng cao thì khả năng trung hòa với điện tích

âm của xơ sợi và các hạt mịn khác trong huyền phù bột càng cao, nghĩa là càng tốn

ít lượng chất polyme cation cần bổ sung vào huyền phù bột Ví dụ, nếu sử dụng polyme cation thì dùng CPAM sẽ cần bổ sung một lượng ít hơn so với dùng tinh bột cation

2.3.3 Ảnh hưởng của độ dẫn điện của nước trắng

Độ dẫn điện của nước trắng tăng khi hàm lượng ion Ca2+ và hàm lượng các muối khác trong dòng bột tăng Sự có mặt của các chất điện ly làm các phân tử tinh bột co lại Vì vậy, độ dẫn điện của nước trắng càng cao càng làm giảm độ bảo lưu của tinh bột cation trên giấy

2.3.4 Ảnh hưởng của pH môi trường xeo

Khi pH tăng thì sự tích điện âm của các xơ sợi tăng, nhờ vậy sự liên kết giữa các hạt tinh bột tích điện dương với xơ sợi càng dễ dàng hơn, kết quả là độ bảo lưu của tinh bột tăng

2.3.5 Ảnh hưởng của nồng độ các anion tạp chất

Anion tạp chất chủ yếu xuất phát từ các tạp chất mịn có trong huyền phù bột Các tạp chất này dễ dàng tác dụng với tinh bột cation và các polyme cation dùng làm chất trợ bảo lưu trong dòng bột để tạo thành những chất có tính dính, vừa làm tiêu hao tinh bột cation và các chất trợ bảo lưu cation, vừa làm bẩn chăn lưới Người

ta có thể giảm tác dụng xấu này của chúng bằng cách sử dụng polyaluminum clorit (PAC) để bổ sung vào huyền phù bột trước khi bổ xung tinh bột cation vào hỗn hợp bột giấy nếu muốn tăng hiệu quả sử dụng tinh bột cation làm chất tăng độ bền khô

2.3.6 Ảnh hưởng của thời điểm gia tinh bột cation vào dòng bột [8]

Bản thân tinh bột cation là một chất bảo lưu tốt vì nó có kích thước lớn và tích điện dương Nó có thể sử dụng hoặc là với vai trò làm chất trợ bảo lưu hoặc với vai trò làm chất tăng bền khô

Nếu với vai trò làm chất trợ bảo lưu, tinh bột hay được dùng kèm với

polyacrylamit anion (APAM) hoặc keo vi hạt silica (tích điện âm) Hệ bảo lưu này

18

cho hiệu quả bảo lưu cao khi sản xuất các loại giấy trắng cao cấp (giấy viết, giấy photocopy, giấy in) Trong trường hợp này, tinh bột cation được bổ sung vào bột giấy tại bơm quạt hay trước khi qua sàng tinh Sau đó, polyacrylamit anion hoặc keo silica được bổ sung vào dòng bột ngay tại điểm trước khi vào thùng đầu

Nếu hệ bảo lưu là polyacrylamit cation dùng một mình hoặc dùng kèm với polyacrylamit anion, còn tinh bột cation được sử dụng với vai trò làm chất keo bền khô thì tinh bột cation phải được phối trộn trước vào huyền phù bột tại bể phối trộn sao cho tinh bột cation được bám đều lên xơ sợi rồi sau đó mới bổ sung

polyacrylamit cation (lượng polyacrylamit cation cần dùng cũng giảm), nếu không polyacrylamit cation sẽ chiếm hết các vị trí tích điện âm trên xơ sợi, làm giảm hiệu quả sử dụng của tinh bột cation

III SỬ DỤNG KẾT HỢP TINH BỘT CATION VÀ POLYACRYLAMIT CATION TRONG SẢN XUẤT GIẤY IN

Tinh bột cation được sử dụng trong công nghiệp sản xuất giấy với vai trò làm chất tăng bền khô hoặc làm chất trợ bảo lưu trong các hệ bảo lưu hai thành phần đã rất thông dụng từ các thập kỷ trước và ngày nay nó vẫn là phụ gia được sử dụng phổ biến Polyacrylamit cation cũng là một chất trợ bảo lưu, trợ thoát nước được sử dụng rộng rãi trong sản xuất giấy và ngày càng chiếm một tỷ trọng lớn trong nghành này

Trên thế giới đã có những nghiên cứu về sử dụng kết hợp giữa hai phụ gia này Gaiolas, Costa và các cộng sự khoa Khoa học và công nghệ giấy thuộc trường đại học Beira Interior, Bồ Đào Nha [3] đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng kết hợp tinh bột cation và polyacrylamit cation lên chất lượng của giấy được làm từ hỗn hợp bột kraft tẩy trắng từ Eucalyptus globulus (độ nghiền 30 oSR) và Pitus

Sylvestris (độ nghiền 23 oSR) Các thông số hình thành bao gồm entropi, độ tương phản, độ đồng nhất được xác định bằng một phương pháp được phát triển bởi Costa, dựa trên một kỹ thuật phân tích hình ảnh Theo đó, các hình ảnh của mẫu giấy thu được bằng cách truyền dẫn ánh sáng bình thường qua mẫu giấy và sau đó được phân tích Các thông số thu được từ phân tích hình ảnh được so sánh tương quan với các giá trị thu được của chỉ số kéo, chỉ số bục, chỉ số xé và độ bền liên kết nội bộ của mẫu giấy đó Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng sự tăng của độ tương phản và giảm của độ đồng nhất chỉ ra sự suy giảm của chất lượng hình thành giấy bao gồm

cả sự giảm của độ bền cơ lý Các so sánh ban đầu này được xem xét như một giải pháp để tìm ra mối liên hệ giữa chất lượng hình thành của giấy và các tính chất cơ

lý của nó

Trong phạm vi của đề tài, nhóm đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của việc kết hợp sử dụng tinh bột cation và polyacrylamit cation lên độ bảo lưu

19

và các tính chất cơ lý của giấy làm từ bột giấy sunphat tẩy trắng gỗ cứng để từ đó tìm ra tỷ lệ sử dụng hợp lý giữa hai phụ gia này nhằm nâng cao chất lượng giấy in