ỨNG DỤNG CHẤT HOẠT ĐỘNG bề mặt TRONG sản XUẤT GIẤY

ỨNG DỤNG CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT TRONG SẢN
XUẤT GIẤY


I. Giới thiệu chung về giấy và quy trình sản xuất giấy:
Giấy là sản phẩm không thể thiếu trong hoạt động xã hội của bất kỳ
đất nước nào. Mặc dù các phương tiện tin học trong thông tin và lưu
trữ phát triển mạnh, nhưng giấy vẫn luôn là một sản phẩm không thể
thay thế được trong hoạt động giáo dục, in ấn, báo chí, văn học, hội
họa…
Giấy là sản phẩm của xơ sợi xenlulô có dạng tấm, trong đó sợi và
các phần sợi được liên kết với nhau tạo mành không gian ba chiều.
Thành phần chính của giấy là xenlulô, một loại polyme mạch thẳng và
dài có trong gỗ, bông và các loại cây khác. Trong gỗ, xenlulo bị bao
quanh bởi một mạng lignin cũng là polyme. Để tách xenluloza ra khỏi
mạng polyme đó người ta phải sử dụng phương pháp nghiền cơ học
hoặc xử lý hóa học.
Mô tả quy trình sản xuất :
Nguyên liệu thô được dùng trong sản xuất giấy và bột giấy ở Việt
Nam gồm hai nguồn căn bản là từ rừng (tre và gỗ mềm) và giấy tái
chế. Bột giấy được dùng để sản xuất những loại sản phẩm khác nhau
như giấy viết, giấy bao bì, bìa cáctông, v.v... là khác nhau.


Nguyên liệu:
tre, cỏ, bã
mía, gỗ mềm

Phương pháp kiềm,
Xử lý hóa trung tính, xxit
Bột

(bột soda, sulfat,sulfite)
giấy
thô

Phương pháp mài nghiền
Xử lý cơ Phương pháp nhiệt cơ
Phương pháp hóa
nhiệt

Dịch đen
(thu hồi hóa chất)
Phối
Phân
trộn
Cl2, ClO2, NaOCltán và
phụ
O3, O2, Hnghiền
2O2
gia
bột
Xeo
giấy
Ép, sấy
Nước
trắng

Bột
tẩy
trắng
Nước thải

xử lý

Gia keo bề
mặt, cán láng
(ép quang)
Cuộn cắt

Giấy thành
phẩm

Chất hoạt động bề mặt được sử dụng chủ yếu trong quá trình gia
keo bề mặt, là quá trình chuẩn bị để đưa vào máy xeo giấy.
Gia keo bề mặt:


Gia keo được sử dụng nhằm mục đích tăng khả năng chống thấm
cho giấy đối với một số loại chất lỏng như nước, sữa, dầu mỡ…Phổ
biến nhất là đối với loại giấy viết và in, hạn chế quá trình thấm nước
sẽ hạn chế được sự lem của mực trên giấy. Có nhiều phương pháp gia
keo:
Gia keo bằng nhựa thông- phèn nhôm.
Gia keo với Alkenyl Succinic Anhydric (SAS).
Gia keo với Alkyl Kenten Dimer (AKD).
Trong bài báo cáo này, sẽ trình bày về keo AKD được dùng là chất
chống thấm trong môi trường xeo trung tính hay kiềm nhẹ.
1. Sự hình thành AKD và sự nhũ hóa AKD:
Về cấu trúc, AKD là một keton không no (ester dạng vòng).
AKD được tổng hợp qua các giai đoạn: điều chế acid béo ( từ mỡ
cá basa), tiếp theo cho acid thu được tác dụng với PCl 3 tạo thành acid
clorua, sau đó tiếp tục khử HCl, dimmer đóng vòng của 2 phân tử

clorua acid với sự có mặt của trietylamin (TEA).


Cơ Chế hình thành AKD
Thường do chất béo có chứa từ 5 đến 10 loại acid khác nhau, phổ
biến là palmitic, lauric, myristic, steraric. Nguyên liệu dể tổng hợp sáp
AKD sử dụng trong công nghiệp giấy là hỗn hợp của các acid đồng
đẳng từ C14 – C22 (mạch phân tử chứa từ 14 đến 28 nguyên tử cacbon)
trong đó ưu tiên nhất là acid stearic. Sáp stearic là chất rắn không tan
trong nước và nóng chảy khoảng 51-520C, loại kỹ thuật luôn có chứa
ít acid oleic, myristic, palmitic. Những loại này sẽ làm giảm nhiệt độ
nóng chảy của AKD còn 44-480C.
Muốn sử dụng keo AKD làm keo chống thấm cho giấy thì AKD
cần chuyển sang dạng nhũ tương trong nước, phân tán chúng vào
trong nước thành các hạt keo có kích thước thật nhỏ ( khoảng 0,5 – 2
µm) và phải tích điện cho các hạt này bằng cách dùng các hạt polyme
cation bám lên các hạt keo để chúng tích điện dương thì chúng mới có
khả năng bảo lưu được trên xơ sợi trong quá trình xeo.
Nhũ hóa keo như sau:
Phân tán sáp AKD dạng vảy nến trong dung dịch nước đun nóng
tới nhiệt độ khoảng 75-900C đã có chứa các chất phụ trợ khác (gồm
chất ổn định nhũ tương: tinh bột cation; chất hoạt động bề mặt: lignin
suphonat natri).
Sau khi sáp AKD tan hết thì nén ép dung dịch này chảy qua màng
có lỗ thật mịn (khoảng 2 µm) rồi làm nguội để thu được nhũ tương
AKD.


Một lượng nhỏ chất phân tán là tinh bột cation dạng mạch ngắn
có độ tích điện cao cùng với một lượng nhỏ chất diệt khuẩn cần cho

thêm vào nhũ tương để làm tăng thời gian bảo quản nhũ tương AKD.
Để hạn chế thời gian thủy phân của phân tử AKD trong quá trình
bảo quản người ta phải hạ pH của nhũ tương xuống trong khoảng 2,5
– 3,5 bằng axit H2SO4 hoặc axit HCl. Nếu pH >6 thì phân tử AKD dễ
tham gia phản ứng mở vòng lactone làm giảm hiệu quả gia keo AKD
trên xơ sợi. Vì pH của nhũ tương là môi trường axit nên thiết bị chứa
hay xử lý AKD trước khi gia vào bột giấy phải làm bằng vật liệu
chống ăn mòn.
2. Hoạt tính của keo AKD:
AKD có khả năng tham gia hai loại phản ứng:
AKD phản ứng với nhóm OH của xenlulo tạo thành cấu trúc ester
β keton.

Các AKD cũng phản ứng với nước để tạo thành axit β keton
không bền và nó sẽ decarboxyl để tạo ra các keton tương ứng.


3.Cơ chế phản ứng của keo AKD và xơ sợi:
Tương tác giữa keo AKD và cenlulose gồm 4 giai đọan:
 Những hạt keo phân tán được ổn định bằng điện tích dương
trước hết sẽ được hấp thụ trên xơ sợi bằng lực hút tĩnh điện.Việc thêm
tinh bột cation chính là để hỗ trợ cho sự bảo lưu AKD.
 Khi băng giấy được sấy khô, sáp AKD được hấp thu sẽ nóng
chảy nhờ nhiệt độ ở bộ phận sấy và sau đó dàn đều che phủ mặt giấy
tốt hơn.
 Phản ứng hóa học giữa AKD với nhóm OH của xenlulo. Phản
ứng này chỉ diễn ra ở tốc độ cao khi phần lớn nước trong tấm giấy đã
được bay hơi nghĩa là ở cuối giai đọan sấy.
 Diễn ra quá trình định hướng của các phân tử AKD sao cho phần
hydrocacbon là phần kỵ nước thì hướng ra ngoài bề mặt tờ giấy, phần

nhóm chức tạo thành liên kết với xơ sợi làm cho các phân tử AKD
dính chặt lên bề mặt xơ sợi. nhờ định hướng này mà độ chống thấm


tăng lên. Sự định hướng này không chỉ xảy ra trong quá trình sấy mà
còn tiếp tục trong khỏang thời gian ngắn sau khi giấy được xeo xong,
nghĩa là độ chống thấm vẫn tiếp tục tăng.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả dùng keo AKD:
Tỷ lệ chất độn cao thì tăng lượng dùng keo AKD vì chất độn
hấp thu nhiều keo. Nên gia keo trước khi gia chất độn.
Tăng lượng dùng tinh bột cation thì tăng hiệu quả gia keo vì
tinh bột cation làm tăng khả năng bám dính của keo AKD lên bề mặt
xơ sợi.
Chọn chất trợ bảo lưu thích hợp khi gia keo AKD. Nên dùng hệ
bảo lưu vi hạt.


Độ pH: keo AKD dùng hiệu quả trong khoảng pH = 8-9. Phản
ứng của keo AKD với xơ sợi thuờng được xúc tác bằng các ion
bicarbonat (HCO3)-, do vậy người ta thường dùng một lượng nhỏ
NaHCO3 hoặc Na2CO3 vào dòng bột vừa để thúc đẩy phản ứng giữa
keo AKD với xơ sợi, vừa để điều chỉnh pH trong khỏang 8-9. Khi
dùng CaCO3 làm chất độn thì nồng độ ion (HCO 3)- là thích hợp nên
không cần bổ sung thêm NaHCO3 hoặc Na2CO3 nữa.
Độ kiềm tính và hiện tượng hồi keo
Độ kiềm tính là nồng độ in OH- có trong dòng bột. Các ion OHcó trong dòng bột do hai lý do. Thứ nhất là do bổ sung Na 2CO3 hoặc
NaHCO3 quá nhiều. Thứ hai là khi dùng PCC làm chất độn, trong
PCC có chứa tạp chất Ca(OH)2 do quá trình điều chế PCC, Ca(OH)2
chưa phản ứng hết với khí CO2 để tạo thành CaCO3. Nếu độ kiềm tính

của dòng bột cao nghĩa là nồng độ OH - cao sẽ làm tăng phản ứng thủy
phân keo AKD để tạo thành keton, không có tính chống thấm, phản
ứng này diễn ra chậm, dẫn đến tính chống thấm của giấy bị giảm dần
sau khi tấm giấy được sản xuất – gọi là hiện tượng hồi keo. Nên dùng
keo AKD với chất độn GCC.
Ngoài ra chất hoạt động bề mặt không ion như nynol phenol còn
được ứng dụng giúp lấy nhựa ra khỏi lõi cây, là tác nhân thấm ướt lại
giấy, là chất tẩy rửa làm sạch tấm bằng len của máy làm giấy.
II. Giấy thu hồi:


Giấy thu hồi được định nghĩa gồm các loại giấy đã qua ít nhất một
lần sử dụng, hoặc là các loại giấy đứt, giấy xén loại ra từ các phân
xưởng sản xuất giấy hay từ các xưởng in.
Giấy thu hồi là nguồn nguyên liệu không thể thiếu của nền công
nghiệp giấy ở nhiều nước. Bằng sự hổ trợ của các quá trình hóa học và
cơ học giấy thu hồi có thể tái sản xuất các loại giấy hay bao bì.
Việc sử dụng giấy thu hồi còn là một giải pháp làm sạch môi
trường, giúp cho việc bảo vệ rừng tốt hơn.
Công nghệ sản xuất giấy từ nguồn thu hồi còn giúp giảm năng
lượng và nước tiêu tốn so với sản xuất giấy từ gỗ.
Khái quát, một quy trình xử lý giấy thu hồi bao gồm những công
đoạn theo thứ tự sau:
Nghiền thủy lực, tạo huyền phù bột giấy trong nước từ các
loại giấy hay cactong thu hồi.
Đánh tơi sợi.
Sàng sợi.
Tinh chế bột bằng cyclon thủy lực.
Khử mực bằng tuyển nổi.
Làm đặc bột.

Rửa – loại mực và một số tạp chất.
Phân tán và xé tơi bột.
Tẩy trắng bột khử mực.
Nghiền bột.
Phối trộn, tồn trữ.


Trong đó chất hoạt động bề mặt được sử dụng chủ yếu trong quá
trình nghiền thủy lực và quá trình tuyển nổi.
1. Nghiền thuỷ lực:
Khi nghiền thủy lực dưới tác dụng của nước và chất hoạt động bề
mặt các hạt mực sẽ được tách ra khỏi bề mặt giấy. Sự hiện diện của
chất hoạt động bề mặt trong một môi trường nước sẽ làm giảm sức
căng bề mặt của nước (chất lỏng) làm cho nó có khả năng tách mực
khỏi giấy theo cơ chế sau:

Cấu trúc của 1 vài acid béo trong chất trợ khử mực.


Các chất hoạt động bề mặt sử dụng là các axít béo bao gồm một
hydrocarbon mạch dài (-CH2-CH2-) với một nhóm carboxyl, thông
thường được gắn ở cuối mạch. Các mạch hydrocarbon có thể no hoặc
không no (có chứa nối đôi ) phụ thuộc vào nguồn gốc của các axit
béo. Các axít béo bão hòa, chẳng hạn như axit Stearic (18 cacbon)
hoặc axit palmitic (16 cacbon) tồn tại dạng rắn ở nhiệt độ phòng.
Trong khi axít béo chưa no, như acid linoleic (18 cacbon với hai nối
đôi ở vị trí 9 và 12) ở thể lỏng. Các sản phẩm axít béo thường là hỗn
hợp của nhiều loại axít béo với cấu trúc khác nhau.

Các axit béo có

nguồn gốc từ thực vật thường gồm phần lớn các hỗn hợp axít béo
không no (oleic, linoleic và linolenic acid). Trong khi axit béo có
nguồn gốc từ động vật thường gồm phần lớn các hỗn hợp của nhiều
acid béo bão hòa (Stearic palmitic,) và axit béo không no (acid oleic).
Thông thường, các chất hoạt động bề mặt tổng hợp không ion được
sử dụng trực tiếp hoặc có thể là thành phần của các chất trợ dùng
trong khử mực. Chất hoạt động bề mặt được sử dụng phổ biến nhất
trong quá trình khử mực là axit béo ethoxylated (EO) hoặc rượu béo
propoxylated (PO). Đây là những chất hoạt động bề mặt không ion.
Hình bên dưới cho thấy cấu trúc của một số chất hoạt động bề mặt


alkoxylated. Số lượng và cách sắp xếp (khối hoặc ngẫu nhiên) của EO
và PO sẽ quyết định tính chất của chất hoạt động bề mặt.

axit

béo

ethoxylated(EO).

Rượu

béo

propoxylated(PO).

Khối polymer EO – PO.
2. Quá trình tuyển nổi:

Quá trình tuyển nổi là quá trình tinh chế huyền phù bột bằng việc
sử dụng những bọt khí để nối kết các hạt tạp chất lại với nhau và
chuyển chúng lên mặt thoáng của huyền phù bột. Cơ chế loại bỏ
những hạt mực khỏi huyền phù bột thu hồi có thể khái quát như sau:
Sự bơm không khí sẽ tạo nên các bọt khí và các hạt có tính kị nước
sẽ bám vào đó. Các bọt khí di chuyển lên mặt trên của huyền phù tạo
thành lớp bọt dễ dàng được loại bỏ. Các hạt tạp chất có thể có bản
chất kỵ nước, hoặc nếu không thì có thì sẽ được làm cho trở nên kỵ
nước bằng một số hóa chất (chất hoạt động bề mặt). Chất hoạt động bề
mặt sử dụng chủ yếu là axit béo (anionic).
Chất hoạt động bề mặt dùng trong quá trình tuyển nổi nhằm làm
tăng độ bền của bọt, tăng khả năng kết tụ các hạt mực và đặc biệt là sự
kết tụ giữa hạt mực và bọt khí.



Chất hoạt động bề mặt được sử dụng chủ yếu trong quá trình
tuyển nổi giấy là hexadecyltrimethylammonium chloride (HTMAC)
and dodecyl-pyridinium chloride (DPC).