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废纸脱墨技术的研究现状与进展

2022-04-29 来源:江西农业机械网

废纸脱墨技术的研究现状与进展

纸和纸板需求量的大幅上升,势必造成原料紧张、能源短缺等问题的加剧。利用废纸生产的脱墨浆成为当前众多造纸厂家的主要浆料来源之一。废纸的回用已受到世界各国的高度重视,众多统计均表明,国内非木浆比例在下降,废纸浆增幅在加大,废纸资源在当前造纸原料结构中占据了非常重要的地位。

一、关于废纸脱墨的原理和意义

废纸脱墨过程是一个化学反应和物理反应相结合的过程,一般是通过脱墨化学品来破坏印刷油墨对纤维的粘附,并在适当的温度和机械力作用下,将油墨从纤维上分离下来。其分离机理包括润湿、乳化、溶剂化、皂化、分散、机械处理以及再沉淀等,整个过程大致可以分为以下三个步骤。

①疏解分离纤维。废纸经过预浸,然后在机械作用和化学药品的共同作用下,分散成浆料。

②油墨从纤维上分离。传统的废纸脱墨工艺一般是在碱性条件下进行的,主要通过在废纸中加入氢氧化钠(NaOH)、硅酸钠(Na2SiO3)、过氧化氢(H2O2)和表面活性剂等化学药品,经过保温后在水力碎浆机中碎解,使油墨粒子分散变小,从而从纤维上分离下来。

③分离出来的油墨粒子从浆料中除去。油墨粒子从纤维上分离后,仍然分散在废纸浆料中,必须及时除去才能获得高白度的脱墨浆,否则油墨粒子会沉积到纤维上,使得纤维变黄,影响浆料的白度以及光学性能等物理指标。

二次纤维作为造纸的原料之一,采取正确的措施提高其回用率对当前造纸业具有十分重要的意义,主要表现在以下几个方面。

①可大大节约植物纤维资源,减少对森林的砍伐,保护生态环境。每利用1吨废纸浆,即可节约3~5㎡木材。按平均4㎡计算,2002年全国利用废纸浆1620万吨,等于6480万㎡木材免于砍伐,保护了288万公顷森林。

②节约投资,降低成本。用废纸制浆,工艺流程简单,投资只需通读能规模工厂的20%~30%。

③减轻环境污染。使用二次纤维与使用植物原理哦相比,对环境的污染要小的多,同时废纸浆比化学浆的三废治理容易,完全可以达标排放,故使用废纸对企业环保有极大的改善。

④节约能源,降低能耗。与化学法、机械法和化学机械法制浆相比,废纸制作浆生产工艺流程较简,能耗较低。生产1t废新闻纸浆比生产1t磨木浆节约75%左右的能量,生产1t高白度脱墨浆较生产1t化学节约能量50%以上。

二、废纸脱墨技术的研究现状与进展

传统的脱墨技术包括洗涤法和浮选法。

洗涤法是最早使用的传统脱墨方法。洗涤是一个物理过程,主要是利用大量的水反复洗涤浆料,浆废纸浆中的油墨洗去。在这个过程中,除了除去大量的油墨粒子之外,还浆除去纸浆中的填料和细小纤维。洗涤法所选用的表面活性剂一般是浸透、乳化、分散等综合洗涤作用较强的醚型非离子型表面活性剂,为了避免高气泡性导致洗涤效果差、废水处理难等问题,应尽量少使用高气泡性的阴离子性表面活性剂。

浮选法的应用始于20世纪50年代。浮选脱墨的目的是为了使油墨颗粒吸附到气泡上,并随同上浮的气泡一并被除去。通过对浮选脱墨工艺的深入研究,现有亲水性油墨和憎水性油墨的浮选机理:在浮选亲水性油墨时,为了使油墨颗粒表面呈憎水性,表面活性吸附到油墨颗粒表面,并对其表面憎水性化起着至关重要的作用;在浮选憎水性油墨时,对含有一定硬度的水应用阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂是合适的,而阳离子表面活性剂浮选憎水性油墨时则需要酸性的浮选条件。

浮选脱墨可以分为以下四个微处理过程:分散的油墨粒子接近空气泡;在气泡表面滑动吸附;气泡、油墨粒子以及液体三相接触达到平衡;气泡和油墨粒子稳定结合,直至除去。大小适宜的气泡才能取得良好的吸附效果,有资料表明,直径小于0.1mm的气泡较容易粘附在纤维上,而只有直径大于0.3mm的气泡才具有足够的浮力从浮选液中纤维间形成的“弹性网络”中浮出。

随着办公自动化的迅速发展,二次纤维中所含高级印刷纸和办公废纸的比例也在日益增加。这些纸张所使用的油墨如紫外线光固油墨、激光打印和静电复印油墨、水性苯胺油墨等,在组成和性质上与传统的油墨有很大的差别,其特有的性质和印刷方式使得传统的脱墨技术已不能对其进行有效的处理。于是,一些新的脱墨技术便应运而生,例如超声波脱墨法、吸附脱墨法、蒸汽爆破法及生物酶脱墨法等。

20世纪90年代以来,废纸制浆技术的研究受到广大科研工作者及生产厂家的重视,并取得了较大的进展,主要表现载碎解理论与技术、浮选理论与技术、筛选理论与技术、原生再生胶粘物的来源特性和控制以及废纸浆漂白技术等几个方面的进展。另外,废纸制浆过程的设备在近十年来也有了长足的进步。

近年来对于废纸脱墨技术方面的研究大多都是考虑“印后”的问题,也就是说针对的是使用完或未使用的经过回收的印刷纸品的脱墨研究(包括脱墨工艺、脱墨剂及脱墨设备方面),而很少真正地将纸张、印刷油墨、印刷方式及最后的废纸脱墨这一系列过程结合起来考虑。

三、印刷油墨的成分及类型

印刷油墨与废纸脱墨息息相关,由于印刷油墨种类不同,可能会导致该类废纸与其他废纸的脱墨过程有很大的不同,比如油墨粒子去除的难易程度及脱墨流程的复杂程度等。

常见的印刷油墨应具有以下两个基本成分:油墨中应含有颜料或染料;使其具有颜色、不透明性以及油墨的流动性能;油墨还应含有载色体(连结料),它起着夹带颜料的作用,并把他们携带到承印物上,使其在纸面上凝固下来,载色体一般为植物油、矿物分馏液、树脂(天然或合成的),可溶性塑料或挥发性溶剂。

用于纸张印刷油墨大致上可以分成以下几种类型:根据印刷版型的不同,可分为柔性凸版印刷油墨、凹版印刷油墨和网孔版油墨及滚涂油墨等;根据油墨主要组分不同,可分为纸张溶剂型油墨和水性油墨等;根据印刷材料不同,可分为纸张及其他纸制品油墨、塑料油墨以及金属油墨等;根据油墨在印刷材料上固化方式不同,可分为热固性油墨和光固性油墨等。

无压印刷、喷墨印刷、静电印刷等新型印刷技术的问世,使得油墨和调墨油使用的品种也在不断增加。在当前的MOW(混合办公废纸)中,使用紫外光固油墨、激光印刷油墨、苯胺印刷油墨等新型油墨已占相当数量,这些新型油墨的使用使废纸的脱墨变得更加困难。

紫外光固油墨主要由光固连结料、颜料、光敏剂和辅料组成。光固化和不饱和树脂得交联反应使得油墨在纤维表面上形成一层紧密得不可渗透得薄膜,导致脱墨产生困难。当这种废纸在水力碎浆机得碱性条件下疏解时,碱对这种光固化油墨膜作用不大,但当纤维在碱性条件下润胀时,疏解作用会使这些油墨膜脱落。据测定,这些油墨片在疏解后其密度达到1.25~1.35g/cm2,这使得它们难以被除渣器除去。同时还由于油墨片本身的韧性,它们不会被碎解,而且可在改变几何形状的情况下通过筛孔或筛缝,从而降低了油墨的去除效率,它们韧性的表面使得它们难以被收集剂所附着。

激光印刷是借助热熔的方法将调色油墨印在纸张上的,常用的粘结剂是苯乙烯——丙烯酸和聚酯类的树脂。激光调色油墨各个组分的百分比大致如下:粘结剂80~90%,着色剂5~15%,电荷控制剂0~5%,液化剂0~2%,清洁剂0~1%。激光印刷油墨中的粘结剂不能被水力碎浆中所加的氢氧化钠(NaOH)所皂化,因而当纤维在碱性条件下润胀后,调色油墨会成片地从纤维上玻璃,但仍会有相当部分的油墨颗粒粘附在纤维上,造成脱墨效率下降。

三、印刷方法对废纸可脱墨性能的影响

通常来讲,根据油墨凝固过程及原理,可将印刷方法分为两大类:即接触印刷和非接触印刷。随着印刷方式的改变,印刷油墨的表面物理和化学性质也会发生相应改变,同时导致脱墨时油墨粒子与纤维的粘附情况发生改变,对印品脱墨效率(尤其是浮选脱墨效率)影响很大。

在接触印刷中,油墨通过吸收和蒸发等过程附着于承印物上,具体的印刷方式包括用于印刷新闻纸、杂志、书籍等印品的平版因嗲,用于包装、杂志的凹版印刷等。丝网印刷由于其主要的应用领域在于大型广告、招贴画、陶瓷制品、玻璃器皿、塑料品、印刷线路板等方面,及时在出版领域,丝网印刷也仅仅只是在印刷书籍的封面与书脊等方面有所应用,所以在目前的脱墨处理中,使用丝网印刷方式的废纸含量相对较少。

在非接触印刷中,液体油墨或图体墨粉以各自的方式附着到承印材料上。其印刷方式主要有使用液状喷墨墨水的喷墨印刷以及使用细粉状固体油墨的影印(静电复印)和激光印刷。

激光印刷的印刷原理与影印基本相似。激光束在有电荷的硒鼓上,在无图像部分上中和电荷而形成潜像,色料粒子到硒鼓上后粘附在有电荷的图像部分上并形成可见的图像,该图像在转移到纸上,色料粒子熔融在纸的表面。

以上所谈到的两大类印刷方法,因为在印刷过程中油墨经历了不同物理和化学的表面性能的变化过程,导致其印品在脱墨过程中所表现的特性不同。

比如通过接触印刷方法印刷的新闻纸,不管使用的油墨是油基胶印冷固油墨、水基油墨还是油基胶印热固油墨,其干燥过程基本是由纸的吸收或是在一定温度下的物理干燥(挥发或热固着)来完成印刷的,因此这些油墨在它们的化学性质方面特别是它们的疏水特性方面没有重大的变化,这些使用不同油墨的新闻纸在脱墨过程中表现出的可脱墨性能基本相似,即比较容易与纤维发生分离。其脱墨技术目前已基本成熟。

在非接触印刷(影印和激光印刷)过程中,油墨(或墨粉)中的色料粒子在印刷时受热/光的作用热熔融到纤维素纤维上,由于暴露在热(高达200℃)、光和氧(空气)的环境下,色料粒子进行聚合和氧化,随后形成过氧化物与纤维连接。这种聚合作用

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