NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT ĐỘN VÀ AKD ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG HỌC VÀ KHẢ NĂNG CHỐNG THẤM CỦA GIẤY

Xác định đúng khả năng hút nước của giấy đồng nghĩa với việc tạo nên một bản in chất lượng tốt Để đáp ứng được các yêu cầu về độ trắng và độ đục của giấy in, trong quá trình sản xuất ngư

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH



ĐOÀN THỊ KIM HIỀN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT ĐỘN VÀ AKD ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG HỌC VÀ KHẢ NĂNG CHỐNG

THẤM CỦA GIẤY

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GIẤY VÀ BỘT GIẤY

Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 6/20012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH



ĐOÀN THỊ KIM HIỀN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT ĐỘN VÀ AKD ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG HỌC VÀ KHẢ NĂNG CHỐNG

THẤM CỦA GIẤY

Ngành: Công nghệ sản xuất giấy và bột giấy

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Giáo viên hướng dẫn: ThS LÊ TIỂU ANH THƯ

Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 6/20012

CẢM TẠ

Sau một thời gian nghiên cứu tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp với nội dung: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của chất độn và AKD đến tính chất quang học

và khả năng chống thấm của giấy

Điều đầu tiên con xin chân thành cảm ơn đấng sinh thành đã nuôi dưỡng

và dạy dỗ con để con có được ngày hôm nay

Để có thể hoàn thành tốt luận văn, ngoài sự cố gắng của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của nhiều cơ quan, tổ chức, các nhà máy giấy và thầy cô giáo,…

Nhân đây tôi xin chân thành cảm ơn:

- Th.s Lê Tiểu Anh Thư, giáo viên trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài

- Các thầy cô giáo trong khoa lâm nghiệp và bộ môn công nghệ giấy và bột giấy trường đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh đã truyền đạt cho tôi kiến thức quí báu trong suốt khóa học

- Ks Trần Thị Kim Chi người quản lý phòng thí nghiệm bộ môn công nghệ sản xuất giấy và bột giấy trường đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện thí nghiệm

- Tất cả các thành viên lớp DH08GB đã góp ý chân thành, giúp tôi khắc phục một số nhược điểm của luận văn

- Ban chủ nhiệm khoa Lâm Nghiệp và ban giám hiệu trường đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh đã cho phép tôi sử dụng phòng thí nghiệm bộ môn công nghệ giấy và bột giấy trong thời gian thực hiện đề tài

- Công ty giấy Tân Mai đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực tập

TPHCM, tháng 06/2012 Sinh viên thực hiện Đoàn Thị Kim Hiền

TÓM TẮT

Đề tài “Nghiên cứu sự ảnh hưởng chất độn và AKD đến tính chất quang học

và khả năng chống thấm của giấy” đã được thực hiện tại phòng thí nghiệm công nghệ giấy và bột giấy trường ĐH Nông Lâm TP Hồ Chí Minh từ ngày 08/03 đến ngày 13/06/2012 với sự hướng dẫn của Ths Lê Tiểu Anh Thư

Nội dung nghiên cứu là khảo sát sự ảnh hưởng của chất độn CaCO3, AKD đến

độ trắng, độ đục và độ thấm hút nước của giấy Nguồn nguyên liệu là bột CTMP, bột hóa xớ ngắn, chất độn CaCO3 và keo AKD được lấy từ công ty cổ phần giấy Tân Mai

Kết quả đạt được của đề tài là:

- Khi tăng lượng chất độn CaCO3 từ 0% đến 20% và giữ nguyên lượng dùng keo AKD ở mức 1,6% thì độ trắng của giấy tăng từ 84,15%ISO đến 88,13%ISO, độ đục của giấy cũng tăng từ 89,76%ISO lên 92,99%ISO và khả năng chống thấm của giấy của giấy thay đổi không đáng kể

- Khi thay đổi lượng dùng keo AKD từ 0,4% đến 2% giữ nguyên lượng dùng chất độn ở mức 20% thì khả năng chống thấm của giấy lại tăng từ 78,7 g/m2 đến 20,2 g/m2 và độ trắng, độ đục của giấy cũng thay đổi không đáng kể

SUMMARY

Project "Study of the effects of fillers and AKD to the optical properties and resistance to penetration of the paper" was made in the laboratory pulp and paper technology Nong Lam University Ho Chi Minh City from 08/03 to date 13/06/2012 with the direction of MA Le Tieu Anh Thu

Contents of survey research is the influence of CaCO3 fillers, AKD to whiteness, opacity and water absorbency of the paper Material resources are CTMP pulp, chemical pulp short drop, CaCO3 fillers and glue AKD is taken from Tan Mai Paper Joint Stock Company

Achievements of the project are:

- When CaCO3 fillers increased from 0% to 20% and retain the amount of glue used at 1.6% AKD the whiteness of the paper increased from 84.15% ISO to 88.13% ISO, the opacity of the paper also increased from 89.76% ISO to 92.99% ISO and capabilities of the sheet of waterproof paper does not change significantly

- Varying the amount of glue used AKD from 0.4% to 2% of users remain at 20% filler, the permeability of the sheet resistance increased from 78.7 g/m2 to 20.2 g/m2 and whiteness, opacity of the paper is also not significantly changed

MỤC LỤC

TRANG

CẢM TẠ ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC v

DANH SÁCH CÁC HÌNH ix

DANH SÁCH CÁC BẢNG xi

1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 2

1.3 Giới hạn đề tài 2

2 TỔNG QUAN 3

2.1 Tổng quan về chất độn 3

2.1.1 Khái niệm về chất độn 3

2.1.2 Một số loại chất độn thường dùng trong ngành giấy 3

2.1.3 Yêu cầu và tính chất của chất độn 5

2.1.4 Vai trò của chất độn trong sản xuất giấy 7

2.1.5 Tổng quan về chất độn CaCO3 9

2.2 Khái niệm về các tính chất quang học 11

2.2.1 Các khái niệm 11

2.2.2 Ảnh hưởng của chất độn đến các tính chất quang học của giấy 12

2.3 Tổng quan về gia keo nội bộ 14

2.3.1 Mục đích 14

2.3.2 Sự thấm ướt 14

2.3.3 Sự gia keo 15

2.3.4 Hiệu quả gia keo chống thấm phụ thuộc vào một số yếu tố 16

2.3.5 Các yếu tố làm giảm hiệu quả chống thấm cho giấy 16

2.4 Keo AKD (Alkyl Keten Dimer) 17

2.4.1 Những tính chất đặc trưng cho loại keo AKD 17

2.4.2 Tổng hợp và nhũ hóa keo AKD 18

2.4.3 Hoạt tính của keo AKD 20

2.4.4 Cơ chế phản ứng của keo AKD và xơ sợi 21

2.4.5 Lượng dùng 22

2.4.6 Ảnh hưởng của chất độn đến hiệu quả chống thấm của keo AKD 22

3 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 23

3.2 Nguyên liệu và thiết bị 23

3.2.2 Thiết bị 24

3.3 Nội dung nghiên cứu 29

3.3.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm chung 29

3.3.2 Mô tả trình tự các bước tiến hành thí nghiệm 30

3.4 Các phương pháp tiến hành thí nghiệm 31

4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

4.1 Ảnh hưởng của chất độn CaCO3 đến tính chất quang học và độ chống thấm của giấy 34

4.1.1 Ảnh hưởng của chất độn CaCO3 đến độ trắng của giấy 34

4.1.2 Ảnh hưởng của chất độn đến độ đục của giấy 35

4.1.3 Ảnh hưởng của chất độn CaCO3 đến khả năng chống thấm của giấy 36

4.1.4 Ảnh hưởng của chất độn CaCO3 đến độ trắng, độ đục và khả năng chống thấm của giấy 37

4.2 Ảnh hưởng của AKD đến độ đục, độ trắng và khả năng chống thấm của giấy 38

4.2.1 Ảnh hưởng của AKD đến khả năng chống thấm của giấy 38

4.2.2 Ảnh hưởng của AKD đến độ trắng, độ đục và khả năng chống thấm của giấy 39

5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40

5.1 Kết luận 40

5.2 Kiến nghị 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

PHỤ LỤC 43

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ISO International standards Organization

SCAN Scandinavian pulp, paper and board

PCC Precipitated Calcium Carbonate

Handsheet Tờ giấy xeo tay

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG:

Hình 2.1: Sơ đồ khối quá trình sản xuất chất độn GCC 10 

Hình 2.2: Sơ đồ khối quá trình sản xuất chất độn PCC 10 

Hình 2.3: Quá trình phát triển tác dụng gia keo ADK 18 

Hình 2.4: Phản ứng tổng hợp AKD (R = C14H29 → C20H29) 19 

Hình 2.5: Phản ứng giữa AKD và nhóm OH của xenlulo 20 

Hình 2.6: Phản ứng thủy phân AKD 20 

Hình 2.7: Sơ đồ minh họa cơ chế gia keo 21 

Hình 3.1: Cân kĩ thuật 24 

Hình 3.2: Cân định lượng giấy 25 

Hình 3.3: Máy đánh tơi 25 

Hình 3.4: Máy nghiền PFI 25 

Hình 3.5: Máy đo độ nghiền 26 

Hình 3.6: Máy xeo giấy 26 

Hình 3.7: Tủ sấy 27 

Hình 3.8: Bình hút ẩm 27 

Hình 3.9: Thiết bị đo độ Cobb 28 

Hình 3.10: Sơ đồ mô tả thí nghiệm 29 

Hình 4.1: Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của chất độn đến độ trắng của giấy 34 

Hình 4.2: Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của chất độn đến độ đục của giấy 35 

Hình 4.3: Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của chất độn đến khả năng chống thấm của giấy 36 

Hình 4.4: Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của chất độn đến độ trắng, độ đục và khả năng chống thấm của giấy 37 

Hình 4.5: Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của tỉ lệ dùng AKD đến hiệu quả chống thấm của giấy 38 

Hình 4.6: Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của keo AKD đến độ trắng, độ đục và khả

năng chống thấm của giấy 39 

DANH SÁCH CÁC BẢNG

BẢNG TRANG:

Bảng 2.1 Phân loại một số chất độn thông dụng và các chỉ tiêu kỹ thuật 5

Bảng 3.1 Đặc điểm kỹ thuật bột CTMP 23

Bảng 3.2 Đặc điểm kỹ thuật bột hóa xớ ngắn 23

Bảng 3.3 Đặc điểm kỹ thuật chất độn GCC 23

Bảng 3.4 Bảng thay đổi mức dùng CaCO3 30

Bảng 3.5 bảng thay đổi mức dùng AKD 31

Chương 1

MỞ ĐẦU

Giấy là một sản phẩm được dùng rộng rãi trong cuộc sống của con người Phần lớn giấy sản xuất được dùng trong lĩnh vực thông tin văn hóa như in sách, báo, giấy viết, tạp chí…dùng cho lĩnh vực bao gói và cung cấp cho các ngành công nghiệp khác như: Thực phẩm, xây dựng, điện, điện tử, hóa chất và nhiều ứng dụng khác Ngoài ra, ngành công nghiệp sản xuất giấy cũng tạo ra công ăn việc làm cho nhiều người từ khâu trồng nguyên liệu, khâu sản xuất đến khâu phân phối sản phẩm

Mỗi loại giấy đều có những yêu cầu riêng, phù hợp với mục đích sử dụng Chẳng hạn như giấy in, giấy in cần có được độ trắng cần thiết để khi in bản in có được độ chính xác về màu sắc của hình ảnh và sự trùng khớp với bản gốc khi in nhiều màu, độ đục cần cao để đảm bảo khi in hai mặt hình ảnh, chữ viết ở mặt này không bị nhìn thấu qua mặt sau, ngoài ra một trong những tính chất quan trọng khác của giấy in nữa là khả năng hút nước Xác định đúng khả năng hút nước của giấy đồng nghĩa với việc tạo nên một bản in chất lượng tốt

Để đáp ứng được các yêu cầu về độ trắng và độ đục của giấy in, trong quá trình sản xuất người ta thường gia chất độn vào để tăng được độ trắng và độ đục của giấy cũng như hạ được giá thành của sản phẩm Ngoài ra, chất độn cũng ảnh hưởng lớn đến khả năng chống thấm của giấy in vì vậy lượng chất độn cho vào trong quá trình sản xuất cần phải đủ để đạt được những yêu cầu của giấy in, tránh gây lãng phí

và tiêu hao nhiều lượng hóa chất

1.2 Mục đích nghiên cứu

Thông qua việc tiến hành đo độ trắng, độ đục và độ COBB của những mẫu giấy được xeo từ sự thay đổi mức dùng chất độn CaCO3 và lượng dùng keo AKD khác nhau để rút ra ảnh hưởng của chất độn CaCO3 và keo AKD đến độ trắng, độ đục và khả năng chống thấm của mẫu giấy in định lượng 80 g/m2

Do sự hạn chế về thời gian cũng như những điều kiện tiến hành thí nghiệm nên đề tài chỉ giới hạn ở việc thay đổi mức dùng CaCO3 và AKD để làm rõ mục đích nghiên cứu của đề tài

Điều kiện làm giấy trong phòng thí nghiệm không mô phỏng hết được các điều kiện thực tế trong nhà máy như: quá trình xeo giấy bằng thiết bị xeo handsheet không mô phỏng được quá trình xeo giấy trên lưới xeo, thiết bị sấy giấy nhanh trong phòng thí nghiệm không mô phỏng được quá trình sấy bằng các lô sấy trong nhà máy…Vì vậy đề tài chỉ đưa ra những kết quả đã được thực hiện theo điều kiện

và thiết bị phòng thí nghiệm, các điều kiện không tuân theo tiêu chuẩn chung đều được mô tả cụ thể trong đề tài, các điều kiện tuân theo tiêu chuẩn được trình bày trong phần phụ lục

Có hai khái niệm liên quan đến chất độn là “chất độn” và “pigment” Tuy nhiên sự phân biệt này không rõ ràng “Chất độn” liên quan đến việc lấp đầy các khoảng trống trong cấu trúc bên trong của tờ giấy, liên quan đến việc giảm giá thành sản phẩm vì giá chất độn thấp hơn nhiều so với giá bột giấy “Pigment” liên quan đến tính chất phụ gia, thường dùng tráng phủ để cải thiện một số tính chất bề mặt của giấy.Chất độn và pigment được sử dụng trong giấy hầu hết có độ trắng 100% Một số pigment có màu có thể được sử dụng trong giấy in và giấy viết

2.1.2 Một số loại chất độn thường dùng trong ngành giấy

- Cao lanh (Al2O3.SiO2)

Cao lanh là sản phẩm phân hủy của alumina silicat kiềm, thành phần hóa học chủ yếu của cao lanh là SiO2 (45 - 47%), Al2O3 (35 - 38%), Fe2O3, K2O, TiO2, chất cháy được (12 - 13%) Thành phần của những chất này phụ thuộc vào nơi khai thác cao lanh Cao lanh có cấu trúc hai lớp, một lớp tứ diện silicat, một lớp bát diện alumina

Ngoài cao lanh còn có loại đất sét đặc biệt gọi là bentonite hay đất sét nung khô, gồm hai loại là bentonite natri và bentonite canxi, trong đó bentonite natri trương nở tốt hơn

- Bột đá vôi (CaCO3)

Bột đá vôi có hai loại chủ yếu, đó là sản phẩm thiên nhiên bằng cách nghiền

đá vôi thiên nhiên gọi là GCC hay bột đá nặng, loại sản phẩm kết tủa được tổng hợp

là PCC gọi là bột kết tủa hay bột đá nhẹ

Canxicacbonat xuất hiện trong nhiều khoáng thiên nhiên khác nhau, các khoáng quan trọng nhất là calcite, aragonite và vaterite, trong đó thông dụng nhất là calcite được tìm thấy nhiều trong đá vôi

- Bột talc

Thành phần hóa học chủ yếu của bột talc là silicat magie ngậm nước (MgO.SiO.3nH2O) Bột talc được sản xuất bằng cách nghiền quặng talc, sau đó tuyển nổi và phân loại theo kích thước hạt

Bột talc có đặc điểm nổi bật là rất mềm, kỵ nước nhất trong số các loại chất độn sử dụng trong ngành giấy, do vậy nó thường được sử dụng làm chất hấp phụ các tạp chất kỵ nước, hạt nhựa cây mịn lẫn trong dòng bột của cả hai quá trình sản xuất bột và sản xuất giấy Khi sử dụng bột talc làm chất độn dễ gặp hiện tượng tạo bọt trong dòng bột do tính kỵ nước của nó gây ra

Bột talc có độ trắng cao nên thường được sử dụng trong các loại giấy cần độ trắng như giấy in, giấy viết

- Bột dioxit titan (TiO2)

Dioxit titan thường là sản phẩm nhân tạo, chỉ một lượng nhỏ là sản phẩm từ khoáng tự nhiên Có hai dạng được sử dụng trong ngành giấy là anatase và rutile, trong đó rutile thì bền và chặt hơn Bột talc có độ trắng, độ phản xạ và độ tán xạ ánh sáng cao, hạt nhỏ, mịn nên chúng là loại chất độn có chất lượng cao Nhược điểm của bột talc là giá đắt và độ bảo lưu thấp nên ít được sử dụng trong ngành giấy

- Bột hydroxit nhôm (Al(OH)3)

Bột hydroxit nhôm là sản phẩm nhân tạo khi chế biến quặng boxit ở điều kiện nhiệt độ 2000C và áp suất 20 at

Bột hydroxit nhôm có độ trắng cao, kích thước hạt nhỏ, hình dạng dẹt, vừa được sử dụng làm chất độn vừa là chất tráng phủ bề mặt để tăng độ trắng, độ bóng cho giấy

Bảng 2.1: Phân loại một số chất độn thông dụng và các chỉ tiêu kỹ thuật

Tên chất độn Thành phần hoá

học

Hệ số phản

xạ

Kích thước hạt (μm)

Độ trắng (độ ISO)

Bề mặt riêng (m2/g)

Cao lanh Al2O3.2SiO2.H2O 1,56 0,5 - 1 70 – 90 7,5

Bột Talc 3MgO.4SiO2.H2O 1,57 1 - 10 70 – 90

Canxi sunfat CaSO4.2H2O 1,52 1 - 5 70 – 80

Dioxit Titan TiO2 2,55 0,2 - 0,5 98 – 99 9

2.1.3 Yêu cầu và tính chất của chất độn

2.1.3.1 Yêu cầu của chất độn

Chất độn được coi là lý tưởng khi nó mang những tính chất sau:

- Phản xạ lại 100% ánh sáng ở tất cả các bước sóng nhìn thấy (nghĩa là độ

trắng đạt 100%)

- Hệ số khúc xạ ánh sáng phải cao để nó đảm bảo tăng được tối đa độ đục

cho giấy, nhất là khi sử dụng nó trong giấy mỏng

- Không lẫn tạp chất, kích thước hạt nhỏ khoảng bằng một nửa chiều dài của

bước sóng ánh sáng nhìn thấy

- Hạt chất độn cần có độ cứng không cao để giảm thiểu sự mài mòn lưới,

chăn và các thiết bị khác trên máy xeo

- Chất độn cần phải trơ trong môi trường sử dụng nó, vì nếu không trơ nó sẽ

bị hòa tan trong môi trường đó, không còn là chất độn nữa

- Tỉ trọng của chất độn cần không cao lắm để hạn chế sự khác nhau ở hai bề

mặt giấy

- Chất độn cần có khả năng bảo lưu tốt trong cấu trúc giấy

Trong thực tế không có loại chất độn nào thỏa mãn tất cả các yêu cầu của chất độn lý tưởng trên Vì vậy ta phải lựa chọn loại chất độn cho thích hợp với yêu cầu của từng loại giấy và môi trường sử dụng nó khi xeo giấy

Kích thước hạt chất độn càng nhỏ thì khả năng tán xạ ánh sáng càng lớn, nghĩa

là chất độn đó cho giấy có độ đục càng cao Chất độn có thể chia làm hai loại chính như sau: dạng hạt dày (như CaCO3 hình khối, PCC hình kim…) và dạng dẹt (như bột cao lanh và bột talc…) Dạng hạt dày tán xạ ánh sáng tốt hơn hạt dẹt

Kích thước hạt khoảng 0,2 - 0,3 µm (nửa bước sóng ánh sáng nhìn thấy) sẽ cho sự tán xạ ánh sáng cực đại Các hạt có dạng hình cầu cho hệ số khúc xạ cao hơn Trong thực tế chất độn hiếm khi có dạng hình cầu, sự phân bố kích thước và hình dạng hạt của chất độn cũng rất khác nhau Kích thước và hình dạng của hạt chất độn liên quan đáng kể đến độ bóng của giấy Hạt mịn có dạng hình que, hình đĩa sẽ cải thiện đáng kể độ bóng của giấy Kích thước hạt cũng ảnh hưởng đến độ bền và tính chất in của giấy

- Tính mài mòn

Tính mài mòn là tính chất quan trọng của chất độn Độ cứng, hình dạng và kích thước hạt ảnh hưởng lớn đến tính mài mòn của chất độn Cùng một loại chất độn nhưng có thể gây sự mài mòn khác nhau trên các bề mặt khác nhau Ví dụ đá phấn gây mài mòn trên lưới plastic hơn lưới kim loại, bột cao lanh thì ngược lại

- Tính tan

Tính tan cũng là một tính chất rất quan trọng của chất độn Chất độn cần có độ hòa tan thấp trong môi trường mà nó được sử dụng để đảm bảo hiệu quả sử dụng và hạn chế sự thất thoát của chất độn theo nước trắng ở bộ phận xeo Ví dụ bột cao lanh tương đối trơ trong cả môi trường kiềm và môi trường axit, còn bột đá vôi do

dễ bị hòa tan trong môi trường axit (1500 gam/lít) nên chỉ được sử dụng trong môi trường kiềm hoặc trung tính

Tính tan của chất độn phụ thuộc nhiều vào môi trường sử dụng nó, đặc biệt là

pH và nhiệt độ

2.1.4 Vai trò của chất độn trong sản xuất giấy

Lấp đầy khoảng trống giữa các xơ sợi trong cấu trúc tờ giấy, giảm sự biến dạng của tờ giấy khi gặp ẩm do tỷ lệ sử dụng chất độn cao thì giấy sẽ có độ ổn định kích thước tốt vì nó làm giảm số lượng liên kết giữa các xơ sợi Những tính chất này rất quan trọng đối với các loại giấy viết, giấy in offset

Một số loại chất độn có độ trắng cao như PCC, bột talc còn dùng để cải thiện

2.2.5 Ảnh hưởng của chất độn đến cấu trúc và tính chất của giấy

 Ảnh hưởng của chất độn đến tính chất cơ lý của giấy

Độ bền của tờ giấy phụ thuộc vào liên kết giữ các xơ sợi Vì các chất độn không có khả năng hình thành liên kết, hạn chế sự liên kết của xơ sợi làm số lượng liên kết trên một đơn vị diện tích tờ giấy giảm nên khi tăng tỉ lệ sử dụng chất độn sẽ

làm giảm độ bền cơ lý của giấy, nhất là độ chịu kéo

Độ chịu lực của giấy giảm do các ứng suất hình thành trong cấu trúc tờ giấy như ở các lổ, các chổ rạn Khi xơ sợi được thay bằng chất độn thì có nghĩa là số lượng xơ sợi trên một đơn vị thể tích sẽ giảm vì thế khả năng chiu lực của giấy cũng giảm

Khi tỉ lệ sử dụng chất độn thấp trong khoảng 2 - 3 % thì độ bền cơ lý của giấy hầu như không thay đổi so với giấy không sử dụng chất độn Chỉ khi tỉ lệ chất độn cao hơn các giá trị này thì tỉ lệ chất độn càng tăng, độ bền cơ lý càng giảm

 Ảnh hưởng của chất độn đến tính chất quang học của giấy

Các loại chất độn thường có độ trắng cao hơn xơ sợi nên chất độn cũng được

sử dụng để tăng độ trắng cho giấy

Khi sử dụng chất độn, số lượng các lổ trống trong tờ giấy tăng lên làm tăng mức độ khúc xạ của ánh sáng vì thế độ đục của giấy cũng được cải thiện đáng kể

Tỉ lệ sử dụng chất độn càng cao thì độ thấu sáng của giấy càng đều vì khi đó kích thước của các lỗ trống trong kết cấu của tờ giấy trở nên đồng đều hơn so với kích thước của các lỗ trống trong tờ giấy không sử dụng chất độn

Ngoài ra chất độn còn có khả năng làm giảm độ hồi màu của giấy, đặc biệt là giấy làm từ bột cơ

 Ảnh hưởng của chất độn đến cấu trúc của tờ giấy

Cấu trúc của tờ giấy như độ xốp, độ hỏng…phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng

và kích thước của hạt chất độn Một số nhà nghiên cứu cho rằng khi sử dụng chất độn, chúng sẽ lắp đầy vào các lổ trống trong cấu trúc của tờ giấy làm tờ giấy chặt hơn, nhưng thực tế thì ngược lại Điều này được giải thích là vì các hạt chất độn làm cản trở sự tiến lại gần nhau của các xơ sợi nên kết quả là độ xốp và độ thấu khí của giấy sẽ tăng lên Nhưng khi giấy có sử dụng chất độn và qua cán láng thì độ chặt của tờ giấy sẽ tăng lên

Độ xốp của tờ giấy càng tăng khi kích thước của hạt chất độn càng lớn Giấy

sử dụng chất độn hình dạng thô sẽ có độ xốp cao hơn giấy sử dụng chất độn mịn và dẹt Độ xốp của tờ giấy càng tăng khi kích thước của hạt chất độn càng lớn Chỉ trong trường hợp khi bột giấy có kích thước, hình dạng thô (như bột gỗ mài dạng

thô) dùng để sản xuất các loại giấy carton, sản phẩm giấy thu được sẽ có độ xốp cao, khi đó việc sử dụng các loại chất độn có kích thước hạt nhỏ hơn so với kích thước lỗ hổng giữa các xơ sợi sẽ làm tăng độ chặt của giấy

Khi sử dụng chất độn thì tính chất hai mặt của tờ giấy cũng tăng lên Điều này được giải thích là khi tờ giấy được hình thành trên bộ phận lưới, quá trình thoát nước và lực hút chân không làm cho các thành phần mịn và các hạt chất độn bị hút

về phía bề mặt tiếp xúc với lưới (mặt lưới) của tờ giấy, điều này làm cho tờ giấy có

sự khác biệt nhau ở hai mặt gọi là tính hai mặt của tờ giấy Tính hai mặt của tờ giấy được khắc phục bằng cách xeo giấy bằng máy xeo lưới đôi, khi đó quá trình thoát nước diễn ra ở cả hai mặt, làm giảm sự khác biệt ở hai mặt của tờ giấy

CaCO3 là loại chất độn được sử dụng rất phổ biến trong ngành giấy Chất độn CaCO3 có hai loại chủ yếu là GCC, bột CaCO3 nghiền, hay bột đá nặng và PCC, bột CaCO3 kết tủa, hay bột đá nhẹ

 Đá hoa thường có nhiều tạp chất, đặc biệt là oxyt sắt, vì vậy đá hoa thường

có màu hơi vàng hoặc đỏ

Khí khói lò Nước Vôi

Hình 2.1: Sơ đồ khối quá trình sản xuất chất độn GCC

GCC được sản xuất bằng cách nghiền quặng tự nhiên vì vậy có độ tinh khiết

và độ mịn kém nhưng có ưu điểm là giá rẻ và phổ biến

- Bột canxicacbonat kết tủa (PCC)

Hình 2.2: Sơ đồ khối quá trình sản xuất chất độn PCC

Đóng gói

Nghiền mịn Phân loại

PCC hoàn toàn là sản phẩm tổng hợp PCC được sản xuất công nghiệp bằng cách nghiền, phân hủy CaCO3 tự nhiên tạo ra CaO, sau đó xút hóa CaO tạo Ca(OH)2 sau đó cho kết tủa tạo CaCO3 tinh khiết bằng khí CO2

PCC có độ mịn, độ trắng và độ tinh khiết cao hơn hẳn GCC, nhưng giá thành cao nên chỉ được dùng khi sản xuất các loại giấy có độ trắng cao

 Ưu nhược điểm của PCC và GCC:

 So sánh PCC và GCC:

PCC so với GCC nhiều ưu điểm hơn: Độ đục, độ trắng, bảo lưu cao hơn nhưng khả năng thoát nước thấp hơn và giá thành cao hơn

 Mục đích sử dụng:

Chất độn CaCO3 được dùng với mục đích là tạo ra lợi ích kinh tế lớn, tăng độ

đục và độ trắng cho giấy, giảm độ biến dạng ẩm của giấy

Tuy nhiên, vì các hạt chất độn không có khả năng liên kết với xơ sợi nên làm giảm độ bền cơ lý của giấy, ngoài ra hàm lượng chất độn cao sẽ làm tăng độ nhám

bề mặt của giấy, vì vậy mức dùng tối đa tại nhà máy là :25%

2.2.1 Các khái niệm

Được biểu thị bằng tỉ số giữa cường độ tia phản xạ so với tia tới, cường độ tia phản xạ càng cao thì độ trắng của giấy càng cao Độ trắng là tính chất quan trọng của giấy in, giấy viết, giấy văn phòng

Là khả năng cho ánh sáng đi qua Được xác định bằng cường độ của tia khúc

xạ khi ánh sáng đi qua tấm giấy Tia khúc xạ càng lớn thì độ thấu sáng của giấy càng lớn

Là khả năng nhìn thấy được hình ảnh đặt ở bên mặt kia của tấm giấy, và được xác định bằng sự đồng nhất về hướng của tia khúc xạ

Là khả năng từ phía bên này của tấm giấy không nhìn thấy được hình ảnh đặt

ở bên kia của tấm giấy Độ đục là tính chất rất quan trọng của các loại giấy in, giấy viết, giấy photocopy…

Độ đục của giấy phụ thuộc vào loại bột dùng để sản xuất giấy, độ nghiền, sự

có mặt của các chất màu, chất độn và đặc điểm bề mặt giấy

Những loại bột giấy có độ đục cao nhất là bột cơ, bột hóa từ gỗ lá rộng, bột từ rơm rạ Nguyên nhân là trong các loại bột này, thành phần các chất không phải là xenlulo cao, xơ sợi ngắn, do vậy làm tăng sự không đồng nhất về hướng của tia khúc xạ và tăng độ đục của giấy

2.2.2 Ảnh hưởng của chất độn đến các tính chất quang học của giấy

Chất độn là những chất bột trắng vô cơ như cao lanh, bột đá vôi, bột thạch cao, bột talc…có tác dụng làm tăng cho giấy độ đục, độ trắng, lấp đầy những khoảng hở giữa các xơ sợi bột giấy và làm giảm giá thành sản phẩm giấy

Tính chất quang học (độ trắng, màu, độ tán xạ ánh sáng, độ bóng) liên quan rất nhiều đến thành phần hóa học, chỉ số khúc xạ, sự phân bố kích thước và hình dạng của hạt độn Hiệu quả tạo độ đục phụ thuộc khả năng tán xạ ánh sáng của chất độn Chỉ số khúc xạ là một tính chất cơ bản của chất độn Chỉ số khúc xạ của chất độn càng lớn, lượng ánh sáng khúc xạ làm tăng độ đục của giấy có chất độn càng lớn

Chất độn ở tỷ lệ lý tưởng nó sẽ mang lại những tính chất như: phản xạ lại 100% ánh sáng ở tất cả các bước sóng nhìn thấy, nghĩa là độ trắng đạt 100% Hệ số khúc xạ của giấy phải cao để nó đảm bảo tăng được tối đa độ đục cho giấy, nhất là khi sử dụng nó trong giấy mỏng Trong thực tế không có loại chất độn nào thỏa mãn được các yêu cầu về chất độn lý tưởng trên Cho nên khi sản xuất ta phải chọn lựa loại chất độn cho thích hợp sao cho đảm bảo yêu cầu về độ trắng, độ đục của từng loại giấy, tùy theo thị trường và tùy theo môi trường của dòng bột khi xeo

Các hóa chất thường sử dụng làm chất độn trong ngành giấy là:

- Cao lanh (đất sét): thành phần hóa học gồm Al2O3.SiO2 ngậm nước; giá thành thấp, dễ kiếm, độ trơ cao Đây là loại chất độn đa trị cho nhiều loại giấy Cỡ hạt và độ trắng cũng thay đổi ở nhiều mức khác nhau Nhược điểm duy nhất của cao lanh là độ trắng không cao (chỉ khoảng 80 – 90o ISO)

- Canxi carbonate CaCO3 (bột đá vôi): giá thành thấp dễ kiếm, độ trắng cao (khoảng trên 93o ISO) Đây là ưu điểm nổi bật so với cao lanh

- Dioxit Titan (TiO2): là chất độn có độ trắng cao nhất (khoảng 93o ISO), cho giấy có độ đục cao nhất, kích thước hạt mịn nên độ bảo lưu cao nhất Tuy nhiên giá rất đắt nên hạn chế sử dụng

Ngoài ra, trong ngành công nghiệp giấy của Phần Lan, người ta sử dụng thành công một loại chất độn tổng hợp với những mã số khác nhau có tên gọi là Seolecx Loại chất độn này có thể sử dụng độc lập hoặc sử dụng kèm với các loại chất độn khác hoặc để tráng phủ bề mặt giấy Seolecx mang những đặc điểm khác biệt là: độ trắng cao (97 – 99%), diện tích riêng bề mặt lớn (40m2/g), kích thước hạt rất nhỏ, tác dụng làm tăng độ đục của giấy nằm ở khoảng giữa TiO2 và cao lanh

Chất độn được sử dụng để nâng cao độ trắng của giấy vì hệ số tán xạ ánh sáng của chất độn cao hơn so với sợi Tuy nhiên, ngày nay một vài loại bột hóa có thể được sản xuất có độ trắng cao ngang với chất độn và một vài loại bột cơ có cùng ảnh hưởng tán xạ ánh sáng như chất độn truyền thống

Bột hóa đã tẩy trắng được sử dụng trong sản xuất giấy cao cấp ngày nay có độ trắng ISO khoảng 86% Nhiều hơn nữa các loại giấy cao cấp bây giờ được làm ở pH

trung hòa và được độn với caxi cacbonate tự nhiên hoặc PPC Bột độn đá phấn có cùng mức độ trắng như bột đã tẩy, nhưng loại GCC và PPC trắng hơn, nó cải thiện

độ trắng của giấy cao cấp Các pigment đặc biệt khác như (silicat…) cũng được sử dụng Ở Bắc Mỹ, titanium được sử dụng phổ biến để cải thiện tính chất quang học, đặc biệt độ đục của giấy mỏng làm từ bột hóa có thể được cải thiện khi sử dụng bột màu điển hình

Loại chất độn đóng vai trò quan trọng trong các loại giấy ép quang cao cấp có chứa bột cơ Ngày nay vẫn còn nhiều loại giấy được độn bằng đất sét và làm ở pH acid, hoặc đôi khi (ví dụ như trong loại giấy in theo phương pháp in chìm) chất độn

là một loại hỗn hợp đất sét-bột talc Một trong những tiêu chuẩn giấy quan trọng nhất là độ bóng và có thể đạt được kết quả tốt nhất với bột độn dạng phẳng Kích thước hạt nhỏ cũng cải thiện độ bóng Tính chất quang học quan trọng khác đối với giấy ép quang cao cấp là độ trắng Chất độn có khả năng làm giảm độ hồi màu của các loại giấy làm từ bột cơ (dưới tác dụng của ánh sáng và nhiệt độ) Về mặt này cacxi cacsbonate có ưu điểm hơn đất sét và bột talc Tuy nhiên đất sét luôn được chọn làm pigment cho lớp phấn tráng vi mô có khả năng bảo vệ giấy nền tốt hơn dưới tác kích của ánh sáng

2.3.1 Mục đích

Mục đích của quá trình gia keo là chống lại sự thẩm thấu hay phân bố của chất

lỏng trong cấu trúc giấy

Điều này phụ thuộc vào công nghệ gia keo (gia keo nội hay ngoại, tác nhân gia keo và tính chất của chất lỏng)

Một số tác nhân gia keo nội: AKD, ASA và nhựa thông

2.3.2 Sự thấm ướt

Sự thấm ướt hay sự hấp phụ nước vào cấu trúc giấy có thể diễn ra theo nhiều cách khác nhau như:

- Bằng sự lấp đầy các lỗ xốp và chỗ trũng trên mặt giấy

- Bằng sự thấm ướt của chất lỏng qua những ống mau dẫn, lỗ xốp

- Bằng sự di chuyển theo bề mặt sợi (qua sự tiếp xúc với sợi)

- Bằng sự hấp phụ khuyếch tán bên trong sợi

- Bằng sự di chuyển của chất khí

- Bằng quá trình hấp phụ và giải hấp

Dựa vào những tính chất động học thì không thể tách rời từng cơ chế một (mặc dù luôn có một cơ chế giữ vai trò quyết định) Điều này phụ thuộc tính chất của pha lỏng (nước), cấu trúc giấy, điều kiện nhiệt độ, ánh sáng, thời gian thẩm thấu

và tính kỵ nước của các thành phần trong giấy Ngoài ra, cũng cần xem xét sự thay đổi cấu trúc tờ giấy trong quá trình thẩm thấu, Nước đã làm bẻ gãy liên kết hydro giữa các sợi, buông lỏng sợi, làm trương mạng và làm thay đổi kích thước của lỗ xốp và ống mau dẫn Xử lý một cách định lượng các hiện tượng thấm ướt do đó là một vấn đề khó khăn, các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến sự thấm ướt là:

- Độ gia keo (hay độ kỵ nước) của sợi

- Cấu trúc trơ của tờ giấy – xét về các lỗ xốp và chỗ lõm trên mặt giấy

- Cấu trúc của bề mặt tờ giấy

2.3.3 Sự gia keo

Phần lớn các loại giấy và bìa carton, ngoại trừ những loại giấy lụa như giấy vệ sinh, điều cần có khả năng chống thấm chất lỏng Gia keo được định nghĩa là quá trình sử dụng các hóa chất để cung cấp cho giấy tính năng chống thấm này Khi các hóa chất được đưa vào huyền phù bột và được giữ lại trên bề mặt sợi trong phần ướt máy xeo thì quá trình được gọi là gia keo nội bộ Còn khi keo được đưa vào bề mặt băng giấy đã được sấy tương đối khô thì quá trình này là gia công bề mặt Cho đến nay, gia keo nội bộ vẫn luôn là cách gia keo phổ biến nhất Nó đã được bắt đầu gần hai thế kỷ nay (áp dụng đầu tiên là vào năm 1807) và cho đến trước năm 1980 gia keo nội bộ được thực hiện chủ yếu nhờ nhựa thông và phèn nhôm (công nghệ axit) Ngày nay gia keo bằng các dẫn xuất có khả năng phản ứng với xenlulo như loại alkyl keten dimer (AKD) hay các dẫn xuất alkenyl succinic axit (ASA) đang rất được quan tâm vì cho phép sử dụng loại chất độn CaCO3 với rất nhiều lợi điểm (công nghệ kiềm tính)

Gia keo nội bộ là một phần quan trọng trong vận hành phần ướt trên các máy xeo giấy hay bìa carton Mục đích, như vừa nêu trên, là biến tính bề mặt sợi để có thể kiểm soát được quá trình thấm ướt của các chất lỏng vào bề mặt giấy Sự thấm ướt này là quá trình có liên quan đến khả năng hấp phụ, độ kỵ nước và khả năng phân bố (khả năng chảy dàn) của chất lỏng trên bề mặt sợi Việc kiểm tra những tính chất quan trọng này nhằm ba mục đích sau:

- Kiểm tra tốc độ thấm ướt của pha lỏng trong quá trình gia công vật phẩm như gia keo bề mặt hay tráng phấn

- Kiểm tra sự hấp phụ hay sự thấm ướt chất lỏng trong quá trình in

- Kiểm tra khả năng sử dụng của nhiều loại giấy và bìa carton (như carton làm bao bì đựng sữa hay nước trái cây, giấy dán tường, giấy bao gói…)

2.3.4 Hiệu quả gia keo chống thấm phụ thuộc vào một số yếu tố

Cần phân tán tác nhân gia keo trước khi được bổ sung vào dòng bột

Bổ sung vào vị trí mà sự phối trộn là tốt nhất, sao cho tác nhân gia keo có thể phân bố đồng đều trên bề mặt xơ sợi

Các tác nhân gia keo, cùng với các thành phần mịn cần được bảo lưu trên giấy trong quá trình hình thành Hiệu quả bảo lưu là rất quan trọng, đặc biệt trong các trường hợp mà tác nhân gia keo bị biến đổi trở nên thụ động hóa hay có hoạt tính kém hơn Điều này đặc biệt trong trường hợp keo ASA, nhưng cũng trở nên rất quan trọng với gia keo AKD hay trong trường hợp gia keo nhựa thông acid khi pH

> 6

Đối với hầu hết quá trình gia keo hiệu quả, các tác nhân gia keo cần phải dàn trải trên bên mặt của các thành phần rắn trong giấy Mặc dù điều này có thể bị hạn chế do sự phân bố của tác nhân gia keo ở dạng lỏng trên những bề mặt mà chúng kết hợp Bằng chứng đưa ra, đó là sự dịch chuyển của pha hơi trong suốt quá trình sấy trong trường hợp gia keo AKD, ASA và nhựa thông nhũ hóa

Các phân tử của các tác nhân gia keo cần phải được giữ chặt và định hướng trên bề mặt xơ sợi

2.3.5 Các yếu tố làm giảm hiệu quả chống thấm cho giấy

Sự xuất hiện các lỗ xốp lớn trong cấu trúc giấy, với giấy có tỷ trọng thấp hay

do bột nghiền thô

Sự xuất hiện lỗ châm kim trong cấu trúc giấy, có thể do sự thấu khí

Lưu lượng không phù hợp của các tác nhân gia keo

Sự phân hủy của các tác nhân gia keo, đặc biệt nếu giấy được lưu kho hay giữ nhiệt quá lâu

Sự có mặt của các tác nhân hoạt tính bề mặt, thường có trong các dây chuyền bột DIP

Khúc tuyến sấy chưa hợp lý, keo chưa lưu hóa hoàn toàn Đặc biệt trong quá trình gia keo AKD

Sự có mặt của các hợp chất vô cơ, đặc biệt là chất độn PCC

Trong trường hợp gia keo nhựa thông: tỷ lệ không thích hợp của phèn và nhựa thông Tỷ lệ thích hợp Phèn/nhựa thông = 1.5/1, vì phèn còn có tác dụng trung hòa điện tích dòng bột

Lưu lượng tinh bột cationic không thích hợp trong quá trình nhũ hóa keo ASA

Tỷ lệ thích hợp: tinh bột Cationic/keo ASA = 3/1

Keo AKD được dùng là chất chống thấm trong môi trường xeo trung tính hay kiềm nhẹ

Keo AKD làm cho giấy có tính chống thấm tốt hơn, tạo cho bề mặt xơ sợi một lớp ngăn cản sự phân tán dung dịch nước, mặt khác nó có tác dụng tăng độ bền, tăng liên kết giữa các xơ sợi ướt và tạo độ bóng cho bề mặt tờ giấy

2.4.1 Những tính chất đặc trưng cho loại keo AKD

2.4.1.1 Công thức cấu tạo

Keo AKD (Alkyl ketene dimer) có công thức cấu tạo như sau:

2.4.1.2 Tính chất vật lý

- Ngoại quan: dung dịch nhũ tương màu trắng

Quá trình phát triển tác dụng gia keo ADK gồm 3 bước liên tiếp :

Hình 2.3: Quá trình phát triển tác dụng gia keo ADK

- Dính bám: Tiếp xúc ban đầu của keo với xơ sợi nhờ sự đông tụ của các hạt keo tích điện dương lên bề mặt xơ sợi tích điện âm

- Dàn mỏng: Quá trình này được xảy ra khi nước được bốc hơi do sấy đến mức tạo ra một lớp mỏng, bề dày cỡ 1 phân tử

- Phản ứng: Xảy ra khi lớp đơn phân tử được hình thành tạo ra liên kết hoá học đồng hoá trị giữa keo và xenlulo

2.4.2 Tổng hợp và nhũ hóa keo AKD

Xét về cấu trúc, AKD là một keton không no Quá trình tổng hợp có liên quan

sự chuẩn bị axitclorua carboxylic, kế là phản ứng ngưng tụ vòng lacton thông qua

sự tạo một axit trung gian bằng phản ứng tách hydrohalogenua trong dung môi hữu

cơ

Trong phản ứng điều chế trên, axit béo bão hòa thường dùng ở dạng sáp, là hỗn hợp của ít nhất 5 axít béo khác nhau trở lên (chứa 14 – 22 nguyên tử cacbon) Các loại phổ biến là axit palmitic, axit lauri, axit stearic, axit myristic…, trong đó

ưu tiên nhất là axit stearic Sáp stearic là chất rắn không tan trong nước và nóng chảy ở nhiệt độ 51-52ºC