The Sizing of Paper

Second Edition

A Project of the Papermaking Additives committee

of the Pa per- and Board Manufacture Division

Edited by

Walter F. Reynolds

Tài liệu về Gia Keo Cho Giấy

Tái bản lần thứ nhì

Công trình của tiểu ban Phụ gia Hóa chất ngành giấy

Thuộc Chuyên ngành Sản xuất Giấy và Giấy bìa

Biên tập bởi Walter F. Reynolds

TAPPI PRESS

1995

Người dịch: Thu Hà

ABPAPER - 12/2008

CHƯƠNG I

GIA KEO NHỰA CÂY – TÍNH CHẤT HÓA HỌC VÀ ỨNG DỤNG

E. Strazdins

Lời nói đầu

Mục đích của gia keo là để hạn chế không cho chất lỏng thấm vào tờ giấy. Đối với những chất lỏng có tính phân cực, như nước, mực in, hay acid lactic thì có thể hoàn tất gia keo bằng cách làm cho bề mặt xơ sợi có tính hút nước trở thành một bề mặt không phân cực và kỵ nước. Nếu dùng phương pháp gia keo nhựa thì chất kỵ nước chính là rosinate nhôm; chất này được tạo bởi phản ứng giữa keo xà phòng hóa (rosinate natri) hay free acid rosin với một muối hydroxide nhôm vào một lúc nào đó trong quá trình làm giấy. Keo xà phòng hóa hòa tan trong nước và cho phản ứng hóa học rất hiệu quả. Sự tạo thành resinate nhôm xảy ra khi keo được cho vào huyền phù bột chung với phèn ở đầu ướt của máy xeo. Một kiểu gia keo nhựa khác là gia keo phân tán, là loại keo có chứa colloidally stabilized free rosin; resinate nhôm hình thành khi băng giấy ướt đi qua lô sấy.

Tính hiệu quả của hai hình thức gia keo nhựa và các tính chất cơ lý của tờ giấy thành phẩm thì có liên quan với những khác biệt rõ ràng trong các phản ứng hóa học và trong tỷ lệ tạo thành resinate nhôm.

Keo xà phòng hóa có tính hòa tan cao và mang nhiều điện tích âm nên sẽ phản ứng rất nhạy với các chất đa điện tích dương. Bất kỳ mức độ tương tác nào với một chất điện phân cũng sẽ làm biến đổi trạng thái keo của nó – điều này có liên quan trực tiếp tới công đoạn gia keo. Đối với chất gia keo phân tán – vốn không hề có phản ứng hóa học với phèn trong suốt quá trình sử dụng phụ gia đầu ướt - thì không cần quan tâm điều này. Vì có nhiều trạng thái vật lý khác nhau và phản ứng hóa học khác nhau nên gia keo phân tán đòi hỏi cách quản lý khác và cả cách sử dụng khác với gia keo xà phòng hóa. Vì các lý do này nên gia keo phân tán được coi là một loại nguyên liệu gia keo đặc biệt và khi sử dụng trong nhà máy không nên dùng chung với gia keo xà phòng hóa.

Gia keo xà phòng hóa là kiểu gia keo nhựa lâu đời nhất, và cho tới nay nhiều nhà máy giấy vẫn còn sử dụng nó dưới nhiều hình thức khác nhau. Khi được đưa vào dòng bột, gia keo xà phòng hóa có thể trải qua những chuyển biến lớn về tính chất hóa học và trạng thái keo. Việc giải thích súc tích về những chuỗi thay đổi như thế đòi hỏi xem xét toàn bộ mọi chi tiết về tất cả các cơ chế xảy ta trong quá trình gia keo. Do đó, chương này sẽ bao gồm tóm tắt về lý thuyết gia keo hiện đại nhất đối với tất cả các phương pháp gia keo nhựa. Thêm vào đó là phần thảo luận về tính chất của gia keo xà phòng hóa, và những vấn đề liên quan tới việc ứng dụng nó trong nhà máy giấy. Đây là loại kiến thức rất quan trọng đối với người làm giấy để có được những quyết định kỹ thuật hợp lý nhằm tối ưu hóa hoạt động nhà máy.

Gia keo với nhựa và phèn đã có từ lâu, và đã có rất nhiều công trình nghiên cứu để khám phá những khía cạnh lý thuyết và công nghệ liên quan tới nó. Tuy nhiên không phải tất cả các công trình đã được công bố đều hữu ích trong việc giải đáp cho những vấn đề còn tồn đọng về quá trình gia keo nhựa. Nhiều nghiên cứu bị giới hạn trong một phạm vi nhất định, hoặc là những phương pháp thí nghiệm đã được áp dụng đều không cho được kết quả hợp lý. Nhưng mặt khác, vẫn có nhiều khía cạnh gia keo đã được nghiên cứu nhiều lần, và cho kết luận về căn bản là như nhau. Và cũng vẫn còn nhiều vấn đề chưa được hiểu biết tường tận; và thực tế là gia keo vẫn là một quá trình rất thường được sử dụng mà không có hiểu biết rõ ràng là có bao nhiêu hình thức biến thái của quá trình gia keo đã được sử dụng. Mục đích của chương này là thu hẹp

bạch nhằm giúp cả người làm giấy lẫn các khoa học gia có thể điều chỉnh để tìm ra kết quả tốt nhất trong hệ thống gia keo của họ.

Các loại gia keo nhựa

Để sản xuất các chất gia keo nhựa người ta dùng ba loại nhựa chính – là chất gôm (gum), gỗ và nhựa thông thu hồi từ dịch đen (tall oil rosin – TOR). Mặc dù chúng có khác nhau về thành phần hóa học và tính chất vật lý, nhưng với một điều chỉnh nào đó thì tất cả các chất keo này đều có thể thay thế lẫn nhau được để sản xuất ra chất gia keo nhựa. Việc chọn ra cách điều chỉnh hóa học chính xác thì được định bởi loại nhựa sử dụng và bởi loại hình và tính chất gia keo thành phẩm. Những việc này thuộc trách nhiệm của người sản xuất chất gia keo và hiểu biết về nó thì nói chung thuộc quyền sở hữu của họ. Khách quan mà nói, không có hai sản phẩm thương mại nào được làm theo cùng một cách, và chúng thường có những đặc điểm hóa lý riêng biệt. Theo quan niệm của người làm giấy thì những điều quan trọng cần biết là các thông tin liên quan tới việc quản lý sản phẩm, các đặc điểm lưu kho và việc sử dụng trong nhà máy. Những khía cạnh công nghệ của gia keo nhựa sẽ được thảo luận ngắn gọn theo quan điểm này.

Paste size Keo có độ nhớt cao là hình thức phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi nhất của keo nhựa. Nó cũng ổn định nhất, dễ vận chuyển và dễ sử dụng trong nhà máy. Vì là cách gia keo lâu đời nhất nên đa số các nhà máy đều đã có bí quyết sử dụng và trang bị cần thiết để sử dụng nó. Lúc trước keo hồ paste size hầu như là hoàn toàn trung tính, nhưng giờ đây nó được sản xuất dưới dạng 70-80% keo rắn – điều này khiến phải có 10-20% acid nhựa dưới dạng không trung hòa để tối ưu hóa tính ổn định và độ nhớt của chất gia keo. Khi hàm lượng chất rắn cao, keo này sẽ rất nhớt (dính) ở nhiệt độ trong phòng nhưng khi được làm nóng tới 700-800C thì được cho là có thể bơm được và phân tán trong nước rất tốt. Loại gia keo này cần qua hai giai đoạn pha loãng: đầu tiên là với nước nóng với khoảng 10%, sau đó là với nước lạnh với 3-5% keo rắn.

Các loại keo có độ nhớt thấp có thành phần tương tự với loại keo trên. Điểm khác biệt là người ta dùng những loại baz khác, như hydroxide kali và các chất giảm độ dính nhớt để đưa chúng lỏng trở lại ở nhiệt độ phòng với hàm lượng 50-60% keo rắn. Những loại keo này phù hợp với nhu cầu sử dụng khối lượng nhỏ và chúng không đòi hỏi thiết bị chuyên dụng gì để chuyển chúng sang thể sữa (nhũ tương) nhằm đưa vào dòng bột.

Keo khô là nhựa trung tính ở dạng bột dễ hòa tan, có thể đưa trực tiếp vào dòng bột ở bất kỳ vị trí nào thuận tiện mà không cần phải pha loãng trước.

Các loại keo phân tán gần như chứa tới 100% nhựa tự do rosin free đã ổn định ở thể keo tụ và được đưa vào máy xeo với hàm lượng khoảng 40% keo rắn. Tính chất và cách sử dụng loại keo này rất khác biệt nên sẽ được trình bày trong một phần riêng.

Tính chất của các loại nhựa nguyên liệu thô để làm các loại keo trên đây thay đổi rất nhiều khiến tính chất vật lý và các phản ứng hóa học của chúng trong các quá trình xeo giấy cũng khác.

Ảnh hưởng của nhựa lên chất lượng gia keo

Vốn là sản phẩm tự nhiên hoặc chỉ được sơ chế (bán công nghiệp) nên trong nhựa có chứa một phức hợp các acide hữu cơ. Hóa tính và lý tính của nhựa thay đổi tùy theo hàm lượng và tỷ lệ của các acide này. Một số tính chất của nhựa, như tính kết tinh thì được đưa theo vào chất gia keo. Để lưu kho và sử dụng hiệu quả nhất phải xử lý hóa học cho nhựa để thay đổi tỷ lệ và bản chất của các acide nhựa này. Bất kỳ dạng gia keo nhựa nào cũng là một thể keo phức hợp mà tính chất của nó phụ thuộc chặt chẽ vào những thay đổi dù là nhỏ nhất trong thành phần của các

nhiều biến số cố định và thay đổi trong từng hệ thống nhà máy. Vì vậy không thể thiết lập được những bộ tiêu chí về hiệu quả của bất kỳ loại nhựa hay chất tương đương nào, ngoại trừ trong một số ít trường hợp. Kinh nghiệm cho thấy những loại nhựa cao cấp thì có hiệu quả cao, trong khi loại thấp cấp, như nhựa loại B-wood vốn có chứa nhiều chất ôxy hóa và gây ra vấn đề màu sắc, sẽ cho ra loại gia keo kém hiệu quả. Người ta cũng biết rằng việc sử dụng các phụ gia nhóm carboxyl trong nhựa bằng cách dùng acid fumaric hay maleic để gia cường đã chứng tỏ được hiệu quả với mọi kiểu gia keo.

Để chuyển nhựa thành bất cứ một dạng gia keo nào, nhà sản xuất luôn phải đối mặt với vấn nạn kết tinh nhựa và kết tinh chất keo thành phẩm. Những hiện tượng này xảy ra khi nhựa có chứa hàm lượng cao các đồng phân của axit nhựa. Hiện tượng kết tinh được khắc phục bằng những điều chỉnh hóa học thích hợp mà nhờ đó tỷ lệ các axit nhựa được cân bằng như thế nào đó để hạn chế sự hình thành và phát triển các tinh thể. Những yếu tố khác tạo điều kiện cho việc hình thành tinh thể trong chất gia keo là hàm lượng các axit tự do cao, hàm lượng keo rắn cao (pha keo quá đặc), sự tích tụ những mầm tinh thể không tan trong chất gia keo và việc để chất gia keo ở một nhiệt độ khiến nó dễ kết tinh - nhiệt độ này đối với các chất keo dính có hàm lượng keo rắn cao là khoảng 600C.

Việc tối ưu hóa độ dính nhớt và hàm lượng keo rắn cùng các thành phần axit tự do thì rất quan trọng đối với giá thành và việc sử dụng, bảo quản; nhưng tình trạng kết tinh là điều kém được chấp nhận nhất bởi vì gây ra những khó khăn gần như không thể vượt qua được cho người sản xuất giấy. Nếu một chất keo có khuynh hướng kết tinh và sự phát triển các tinh thể là không thể ngăn cản được, toàn bộ bồn chứa hay toàn bộ những gì có trong bồn chứa có thể đông cứng. Hình thức kết tinh phổ biến nhất là 3:1, tức là cứ 3 phân tử acide abietic kết hợp với 1 phân tử abietate-natri. Đây là dạng tinh thể hình kim nhọn, nhưng dạng tinh đám của chúng lại phụ thuộc vào môi trường phát triển. Các tinh thể này không tan trong nước hay môi trường kiềm, và cũng không thể phá hủy chúng hay lấy đi bằng bất cứ phương tiện nào. Một khi chất gia keo đã bị kết tinh thì không có cách gì để hòa tan hay bơm nó đi, ngoại trừ dùng xẻng hay cuốc để nậy ra khỏi bồn chứa. Một kiểu kết tinh nữa là 1:1, vốn rất giống với kiểu 3:1 nói trên nhưng có thể tạo thành chất keo trong nước nóng và hòa tan chậm trong dung dịch alkali nóng. Các tinh thể kiểu 1:1 rất thường xuất hiện trong các chất gia keo được gia cường và có thể giảm hàm lượng bằng cách pha loãng với nước nóng, có thêm chút alkali, và được khuấy đảo bằng hơi nước phụt ra từ nồi hơi có áp lực. Loại thứ ba, ít phổ biến hơn, là những tinh thể dạng kim nhọn có thể tan được trong nước – vốn là muối có 3 nguyên tử Na của acid maleo-pimaric. Những tinh thể này chỉ có thể phát triển trong các chất keo được gia cường cao độ vốn hầu như trung tính và có sự tập trung cao độ các ion Natri+. Nếu chất keo có chứa NaHCO3 thì nó có thể tạo thành các tinh thể dạng dĩa tan được trong nước. Có thể không cần nói rằng tinh thể tan được trong nước không hề là điều đáng quan ngại đối với các nhà sản xuất giấy.

Những tinh thể tạo thành trong các dung dịch keo nhựa pha loãng luôn là loại 3:1. Những tinh thể này có thể phát triển rất nhanh và có thể gây tắc nghẽn đường ống cũng như tạo đốm trên tờ giấy.

Khuynh hướng tự nhiên kết tinh của một chất keo cần phải được định rõ. Có thể thực hiện điều này bằng cách cấy không đồng nhất các mẫu keo dán với những mầm hoạt tính được cải thiện bằng cách xay nhuyễn các tinh thể không tan và thả cho chúng lơ lửng trong nước. Cân lường chính xác lượng mầm tinh thể được cho thêm vào trong mẫu và khuấy đảo không đồng nhất chúng. Dán kín miệng lọ mẫu và cho vào lò nung ở nhiệt độ 600C. Mỗi ngày một lần kiểm tra sư phát triển tinh đám trong mẫu bằng cách phết và soi một lớp màng mỏng dưới kính hiển vi phân cực năng lượng thấp.

Nếu chất gia keo có khuynh hướng kết tinh, các mẫu mầm sẽ phát triển những vết tinh thể chỉ trong vòng một ngày. Nếu không có mầm thì sẽ phải mất vài tuần lễ mới có dấu hiệu kết tinh.

đó, hoặc do chất gia keo đã khử nước còn lưu lại trên các cuộn điện trở.

Chất gia keo dính là một thử thách lớn đối với các nhà hóa học về nhựa do bởi bản chất keo tụ cực kỳ phức tạp của nó. Do vậy, một nghiên cứu tối ưu hóa toàn diện về toàn bộ các tính chất hóa học và vật lý của một chất gia keo có thể chẳng bao giờ đạt được, và người ta cứ phải đương đầu với tình trạng phải cân nhắc thiệt hơn.

Tính chất của chất gia keo dính (keo có độ nhớt cao)

Tính hiệu quả của việc sử dụng một chất keo dính làm tác nhân gia keo phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của nhựa và các phụ gia nhựa mà từ đó chất keo được làm nên. Các đặc điểm của chất gia keo được hình thành chủ yếu là để kiểm soát việc quản lý và nâng cao tính chất của việc gia keo.

Keo dính có hàm lượng chất rắn cao, thường 70-80%. Ở nhiệt độ phòng, hàm lượng chất rắn càng cao tính nhớt và dính.càng nhiều. Để ổn định sự kết tinh cho phù hợp với chi phí thấp, cần phải cân bằng các tính chất sau: (1) hàm lượng acid tự do, (2) tổng lượng chất rắn, và (3) độ dính nhớt.

Để hạn chế sự kết tinh ở mức thấp nhất, hàm lượng acide tự do có trong chất gia keo phải được duy trì ở mức thấp, mặc dù các chất keo trung tính sẽ có độ dính nhớt tăng lên đáng kể do có được sự thuận lợi cho cấu trúc gel. Chất gel thể hiện một trật tự sắp xếp của các phân tử rosinate natri và đó là một cấu trúc giả-tinh-thể (quasi-crystalline). Chất này rất khó bơm và lại có hiệu ứng truyền nhiệt kém. Các tính chất dẫn nhiệt không chỉ quan trọng đối với việc thiết kế thiết bị quản lý chất gia keo, mà còn đối với cả lượng hơi và thời gian cần thiết để nung chất keo tới nhiệt độ để có thể lấy ra khỏi bồn chứa. Nếu dẫn nhiệt kém thì nhiệt độ tăng cao có thể gây mất nước cho chất keo bám trên các cuộn điện trở, và điều đó có thể giảm hẳn hiệu quả trao đổi nhiệt. Tất cả các loại keo, tùy theo hàm lượng chất rắn, sẽ thể hiện một độ dính nhớt tối thiểu đâu đó khoảng giữa 10-18% acide tự do – khi đó chúng có trạng thái kẹo như xà bông.

Tình trạng càng thêm phức tạp do hiện tượng phân lớp do chất gia keo bị tách làm hai lớp riêng biệt. Lớp bên dưới với hàm lượng acide tự do thấp hơn thì luôn có cấu trúc gel rõ ràng hơn, có màu sáng hơn và độ dính nhớt cao hơn lớp bên trên. Hiện tượng phân lớp chất gia keo trong bồn chứa của nhà máy chắc chắn gây trở ngại rất lớn cho việc vận hành và khiến công tác gia keo bị thất thường, không ổn định.

Tất cả các thông số này có liên quan chặt chẽ với nhau, và việc cân bằng chính xác tính chất vật lý và keo tụ của chất gia keo luôn là một thách thức dai dẳng đối với các nhà sản xuất chất gia keo nhựa.

Những vấn đề liên quan tới hiện tượng oxide hóa nhựa

Người ta cho rằng tình trạng chưa no của các gốc hydrocarbon 3 vòng của acide abietic sẽ khiến nó trải qua phần lớn các phản ứng điển hình của các hydrocarbon chưa no. Việc đưa thêm oxy vào hệ thống diene sẽ làm cho thành phần của các peroxide phân tách ra thành acid, cồn, và các nhóm aldehyde. Nếu đưa giấy đã được gia keo ra dưới ánh sáng tử ngoại thì các phản ứng này lại càng mạnh hơn, việc gia keo do vậy có thể sẽ hoàn toàn thất bại. Việc hình thành các peroxide trong chất gia keo khô có thể gây ra hiện tượng tự bốc cháy bởi vì nhiệt phát sinh từ phản ứng oxy hóa không thể lúc nào cũng được tỏa đi thích hợp khi những bao gói đã được gia keo được chất chồng chật cứng trong kho. Các nhà sản xuất đã thử nghiệm trong nhiều năm để ổn định tính chống oxy hóa của nhựa, thường là bằng cách bẻ gẫy cấu trúc phân tử nhựa, hoặc dùng phụ gia là các chất chống oxy hóa.

Tạo bọt trong huyền phù bột là một hiện tượng khó chịu khác vốn bị trầm trọng thêm do nhiều yếu tố, mà đôi khi là do nhiều yếu tố tác động kết hợp. Oxy hóa nhựa hay nhựa gia keo chắc chắn là một trong những yếu tố gây bọt cần được xem xét cẩn thận. Dùng chất gia keo làm từ một thứ nhựa kém chất lượng bị oxy hóa sẽ cho kết quả hạn chế.

Quản lý sử dụng chất gia keo dính

Cách thức sử dụng các chất gia keo khác nhau chủ yếu là do tính chất vật lý và keo của chúng. Loại keo dính thì rất dính nhớt ở nhiệt độ phòng, nhưng lại lỏng ra và dễ bơm ở nhiệt độ trên 600C. Loại keo này được vận chuyển trong những xe bồn hay bồn chứa chuyên dụng có trang bị điện trở để duy trì nhiệt độ thích hợp cho chúng được lỏng đủ để có thể lấy ra. Vấn đề dính nhớt có thể tệ hại thêm do hiện tượng hóa đông và phân lớp. Nếu chất gia keo không được ổn định thích hợp để chống lại hiện tượng kết tinh thì các tinh thể hình thành sẽ gây khó khăn cho việc lấy ra khỏi bồn chứa cũng như gây khó khăn cho công đoạn chuyển chúng sang thể nhũ tương (thể sệt). Nhà cung cấp keo rất chú trọng giảm thiểu những vấn đề này.

Thường thì nhà cung cấp sẽ cho biết cách tốt nhất để lấy chất keo ra khỏi bồn chứa. Nguyên tắc chung là, cần phải dùng hơi áp lực thấp để làm nóng bồn chứa, vì hơi áp lực cao cùng nhiệt độ quá cao của nó có thể làm cho chất gia keo bị sấy khô ở các cuộn điện trở làm giảm khả năng truyền nhiệt.

Trong nhà máy, để chuyển chất keo dính sang thể sệt, người ta có thể dùng bất cứ chất chuyển thể nào có trên thị trường do các nhà sản xuất chất gia keo nhựa chế tạo. Để sản xuất một chất gia keo có độ pha loãng ổn định, quá trình chuyển sang thể sệt phải qua hai giai đoạn. Giai đoạn một, chất gia keo được nung nóng tới 710C-820C sẽ được hòa trong nước nóng để cho ra nhũ tương (thể sệt) ban đầu có 10-16% keo rắn. Trong giai đoạn hai, nhũ tương nóng ban đầu được pha loãng và khuấy kỹ với nước lạnh để đạt hàm lượng 2-5%.

Trong phòng thí nghiệm người ta cũng dùng cùng nguyên lý căn bản này để pha loãng một chất gia keo dính. Tiếp theo đó nước nóng được thêm vào và khuấy kỹ để có được chất dính loãng hoàn toàn đồng nhất. Khi hàm lượng chất rắn trong chất gia keo giảm xuống khoảng 10%, thì phần việc pha loãng còn lại được thực hiện với nước lạnh. Thoạt tiên cần phải dùng nhiệt để phá vỡ các hạt keo, bó keo hay cấu trúc gel của chất gia keo và để đưa chất gia keo đến trạng thái hòa tan vốn có thể nhận biết được qua vẻ ngoại quan lấp lánh. Pha loãng thêm nữa bằng nước lạnh sẽ làm “đóng băng” trạng thái keo khiến chất-nhựa-không-bị-xà-phòng-hóa không bị tái kết hợp để hình thành nên những hạt bán keo vốn dĩ có thể phân tán ra dễ dàng.

Vẻ ngoại quan của chất gia keo đã được chuyển sang thể sệt ở hàm lượng 3% keo rắn thì phụ thuộc vào hàm lượng acide tự do và khối lượng các chất trung tính có trong chất keo. Thường thì chất gia keo đã được chuyển hoàn toàn thành thể sệt sẽ gần như trong suốt, và trạng thái này sẽ duy trì trong thời gian khá dài. Nếu chất gia keo được pha loãng mà có lợn cợn thì nó có thể trở nên kém ổn định do hiện tượng thủy phân, do hấp thụ carbonic trong không khí và do độ cứng của nước vốn là kết quả của việc hình thành chất xà phòng calci (Ca-soap) không hòa tan. Chất nhũ tương không ổn định thì rất đục và có thể gây lắng tụ trong bồn chứa và làm hỏng công đoạn tráng phấn trên các dây chuyền gia keo pha loãng. Ở những khu vực mà nước có độ cứng khoảng 100 ppm, thì phải dùng nước ít cứng hơn để chuẩn bị thành tạo nhũ tương. Ngưỡng chấp nhận đối với các ion kim loại nặng thì thấp hơn rất nhiều và việc làm mềm nước thậm chí còn trở nên quan trọng hơn. Có thể làm chậm quá trình hình thành các thể xà phòng hóa bằng cách thêm vào hydroxide natri vào nhũ tương, để làm tăng độ pH và chuyển một số thành phần nhựa tự do không ổn định thành dạng xà phòng hóa để phản ứng như một chất ổn định.

Những phương pháp phân tích tiêu chuẩn

Những phương pháp tiêu chuẩn để phân tích các loại gia keo nhựa được nêu trong bảng 1.1. Đối với các chất gia keo được gia cường thì các thử nghiệm phân tích cần được điều chỉnh thêm. Một cách điều chỉnh là xác định các gốc kiềm (alkali) tự do dựa trên NaHCO3 không thể hòa tan trong cồn. Bởi vì muối tri-sodium của acide maleoprimaric cũng không tan trong cồn nên người ta xác định muối bicarbonate bằng cách dùng một phương pháp khác. Sự kết tủa muối tri-sodium của phức chất trong quá trình định chuẩn độ số acide tự do thì không cần quan tâm nhiều.

Việc phân tích các chất không thể hóa xà phòng cũng đòi hỏi phải điều chỉnh đôi chút.

Bảng 1.1 Phương pháp TAPPI để phân tích keo nhựa

Tổng lượng chất rắn

Nhựa tự do

Nhựa kết hợp

Malter không thể hóa xà phòng

T 628- Nhựa dính

Tro

Tính kiềm của tro

Tổng lượng chất rắn

Nhựa tự do

Nhựa kết hợp

Malter không thể hóa xà phòng

T 629 – Nhựa Khô

Tro

Tính kiềm của tro

Alkali tự do

Trọng lực chuyên biệt

Những kiến thức căn bản về gia keo nhựa

Gia keo bằng nhựa và phèn có liên quan tới nhiều hiện tượng về hóa và lý, mà muốn kiểm soát được chính xác quá trình thì phải chú ý tới tất cả các hiện tượng này.

Những điều kiện hóa học bề mặt cần thiết cho gia keo được nêu trong ba yêu cầu căn bản sau:

1. Chuẩn bị một chất gia keo kết tủa có năng lượng bề mặt tự do thấp và do vậy có tính kháng nước cao;

2. Trợ bảo lưu cho chất gia keo kết tủa càng đồng nhất càng tốt trên bề mặt các xơ sợi; 3. Chuyển đổi tính kết tủa của chất gia keo trên bề mặt xơ sợi thành một màng có năng lượng tự

do thấp và ổn định (resinate nhôm) màng này vẫn ổn định ngay cả khi được cho tiếp xúc với các chất lỏng.

Việc thành tạo được một loại resinate nhôm thích hợp là công đoạn nghiêm ngặt nhất trong quá

phèn. Những yếu tố ảnh hưởng tới bản chất hóa học và vật lý của những đám kết tủa nhôm cũng ảnh hưởng tới sự kết tủa gia keo. Các sợi cellulose trong nước có hoạt động như những anion đa cực (polyanion). Chúng mang điện tích âm và có khuynh hướng kết hợp với các cation rất cao. Những kết tủa chất gia keo hình thành do phản ứng của nhựa với phèn có mang điện tích cation trong khoảng pH từ 4-6 và có tính hấp dẫn rất lớn đối với các xơ sợi cellulose mang điện tích âm. Tính hấp dẫn đối với cellulose này là do lực hấp dẫn điện từ và cũng có khuynh hướng giải phóng mạnh hợp chất resinate nhôm á kỵ nước khỏi thể nước. Những chất kết tủa hình thành từ các chất gia keo xà phòng hóa thì có chứa một hỗn hợp các muối resinate nhôm một và hai gốc resinate cùng một số nhựa tự do. Lượng nhựa tự do có trong kết tủa thì thay đổi tùy theo điều kiện hình thành kết tủa ấy. Với sự hiện diện của nhiều alkali thì sẽ chỉ có một lượng rất ít các acide tự do hình thành trong chất kết tủa. Chất gia keo xà phòng hóa kết tủa thành từng đám lớn, và việc phân bố của chúng trên các xơ sợi làm cho việc gia keo trở nên khó mà tốt được. Sự phân bố chất gia keo thậm chí càng tệ hại hơn nữa nếu trong huyền phù bột có chứa nhiều ion Ca++ hay Mg++ hoặc chất phèn hồi lưu trong dây chuyền. Những điện tích này sẽ làm kết tủa chất gia keo quá sớm, làm kết tụ lượng lớn chất gia keo gây lãng phí.

Hiện tượng các kết tủa gia keo gắn kết bám chặt vào xơ sợi và các xơ sợi vụn cung cấp cơ chế cho công tác trợ bảo lưu. Tính hấp dẫn cao của các kết tủa gia keo đối với xơ sợi cũng gây nên vài bất lợi. Một số chất gia keo hút nước thì không thể chịu được việc tái định vị trong suốt quá trình cố kết của băng giấy ướt, nên có thể can thiệp mạnh vào các liên kết xơ sợi. Một vấn đề khác là điểm nóng chảy hay kết tụ cao của quá trình kết tủa. Các resinate nhôm đôi hoặc đơn, tùy theo độ ẩm hiện diện, có thể kết tụ nhẹ (hóa mềm và tái cấu trúc) ở nhiệt độ từ 120-1500C, hoặc là, nếu không đạt được quan hệ độ ẩm/nhiệt độ thích hợp, sẽ không kết tụ trong suốt quá trình sấy khô tờ giấy. Hiện tượng kết tụ không tương thích của các kết tủa chất gia keo làm cản trở việc phát triển tối đa hiệu quả của công tác gia keo. Các hạt gia keo phân tán không thể phản ứng với phèn khi được cho vào dung dịch xơ sợi ở thể lơ lửng bởi vì với nhiệt độ vận hành của băng giấy ướt thì nhựa phân tán vẫn ở dạng rắn. Tuy nhiên, xà phòng hóa hoặc chất ổn định có anion vốn có thể được hấp thụ lên bề mặt của các hạt có thể phản ứng với các ion hydroxide nhôm để cung cấp một vài cơ chế trợ bảo lưu nào đó. Hiệu quả trợ bảo lưu của các chất gia keo phân tán là một vấn đề chủ chốt, bởi vì tự thân phèn không thể hoạt động theo một cung cách hiệu quả nhất, mà thường phải dùng thêm các chất trợ bảo lưu.

Đối với bất kỳ hình thức gia keo nhựa nào, việc xử lý đồng thời về nhiệt và độ ẩm cũng là những yếu tố quan trọng để phát triển gia keo. Trong trường hợp gia keo xà phòng hóa, hàm lượng độ ẩm khoảng 40% là tốt nhất, khi đó có thể có được độ nóng tối đa để thúc đẩy một số hoạt động tái cấu trúc, hay kết tụ, của các kết tủa keo-phèn đã được hình thành do ngẫu nhiên. Sự kết hợp nhiệt độ và độ ẩm làm cho các nhóm nhựa kỵ nước tái định hướng lên bề mặt để tiếp xúc với không khí, giúp chất gia keo trở nên kỵ nước tốt hơn. Một chế độ sấy được bảo đảm chính xác là rất quan trọng để đạt được công tác gia keo hiệu quả tối đa với chất gia keo xà phòng hóa. Nếu dùng nhiệt độ quá cao trong khi ẩm độ của băng giấy ướt vẫn còn lớn thì hơi nước thoát đi quá nhanh có thể gây rối loạn (trong cấu trúc tờ giấy) và phá hủy các liên kết giữa các kết tủa chất gia keo với xơ sợi. Và điều này khiến công tác gia keo bị lãng phí.

Khi gia keo bằng các loại keo phân tán thì ảnh hưởng theo phương ngang máy xeo của việc sấy sẽ ít đáng ngại hơn, bởi vì rõ ràng là ở đây cả hai yếu tố độ nóng và độ ẩm cũng đồng vận với nhau. Một thuận lợi vốn có khác của gia keo phân tán là nó không can thiệp vào các liên kết xơ sợi. Nhựa nóng chảy sẽ phát tán ra khỏi những chỗ kết nối của các xơ sợi và phát triển chất gia keo (resinate nhôm) khi tờ giấy đã gần khô. Phản ứng với nhôm diễn ra chậm cũng giúp tạo thành một lớp màng keo đồng nhất hơn và định hướng tốt hơn, điều này có nghĩa là công tác gia keo đạt hiệu quả hơn. Gia keo phân tán còn có một lợi điểm khác nữa là, với thành phần gần như đạt 100% acide nhựa tự do, nó có thể phản ứng và phát triển gia keo với hydoxide nhôm trung tính Al(OH3). Điều này có nghĩa là pH vận hành ở đầu ướt thì ít quan trọng hơn và thậm chí có thể gia keo được ở những mức pH trung tính. Điểm hạn chế là sự hiện diện của một nguồn

sấy giấy để làm tăng pH tờ giấy lên tới mức mà chất xà phòng nhựa bắt đầu hình thành.

Nguyên lý cải tiến gia keo bằng cách đẩy mạnh sự kết tụ các kết tủa gia keo có thể sẽ được bàn tới trong một bối cảnh khác. Nếu khả năng sấy giấy của máy xeo bị giới hạn và không thể đạt được mối quan hệ tối ưu giữa nhiệt độ/độ ẩm do nhiệt độ băng giấy ướt luôn được duy trì ở mức thấp, thì rất nên xem xét một kiểu gia keo làm từ nhựa đã được hạ thấp điểm nóng chảy (tức là được plastic hóa từ đầu). Những thể kết tủa của loại nhựa này sẽ kết tụ ở nhiệt độ thấp đủ cần thiết cho quá trình tái cấu trúc của chất gia keo trong suốt công đoạn sấy. Về mặt lý thuyết thì không thể tối ưu hóa thành phần gia keo nhựa ở mọi điều kiện. Quan hệ nhiệt độ/độ ẩm của các chủng loại giấy khác nhau và của các thế hệ máy xeo khác nhau thì thay đổi rất nhiều và trách nhiệm của người vận hành máy là phải điều chỉnh nhiệt độ đi qua các lô sấy sao cho việc dùng một loại gia keo nào đó đạt hiệu quả tối đa.

Giả thuyết vận hành tổng quát luôn cho là kết tủa chất gia keo có hạt càng nhỏ thì càng phân bổ được tốt hơn. Để đạt được điều này cần phải làm gia cường chất nhựa với acide maleic (anhydride) hay acide fumaric. Phản ứng sẽ cho các sản phẩm là các acide tricarboxylic vốn có liên quan tới các acide maleoprimaric và fumaropimaric. Các nhóm carboxyl được thêm vào là những acide mạnh hơn carboxyl abietic, và điều này khiến các chất nhựa phân tán kiểu keo có tính điện tích âm nhiều hơn, tức là dễ trở thành những hạt keo có kích thước nhỏ hơn. Những hạt keo nhựa nhỏ hơn được mang theo các thể kết tủa chất gia keo. Những kết tủa chất gia keo càng mịn sẽ có tính bao phủ bề mặt càng đồng nhất hơn, và hiệu quả gia keo càng cao. Do bởi việc gia cường cũng có lợi cho chất gia keo phân tán – trong đó chất gia keo sẽ trải đều và phản ứng với nhôm trước tiên khi băng giấy ướt được đưa đi sấy, nên tiếp theo sau đó là những cơ chế khác, như gắn kết với nhôm chắc hơn chẳng hạn, cũng có thể xảy ra.

Hóa tính của phèn

Đặc điểm hóa tính của chất gia keo làm bằng nhựa cây có liên quan chặt chẽ với đặc điểm hóa tính của phèn. Các nhân tố ảnh hưởng tới phèn cũng ảnh hưởng tới công tác gia keo. Về nguyên tắc, người ta nhận thấy đối với một số gia keo nhựa có thể dùng những muối kim loại khác để hình thành nên những hydroxyde không tan, nhưng phèn vẫn là tốt nhất bởi vì nó có những tính chất hóa học giúp phát triển các mối nối của nhựa với sợi cellulose và cho ra loại gia keo tốt nhất với những chất lỏng xét nghiệm ngặt nghèo nhất. Một yếu tố cân nhắc quan trọng khác nữa là mức chi phí tương đối thấp khi dùng phèn. Một lý thuyết chi tiết về việc gia keo dùng phèn đã được thực hiện. Công trình này chỉ giới hạn nghiên cứu trong những lĩnh vực liên quan đến hóa tính của phèn nhằm trực tiếp mang đến một phương pháp luận về lý thuyết vận hành hữu ích cho những người làm giấy.

Hóa tính của phèn thì đặc biệt phức tạp, và đã có nhiều công trình nghiên cứu về những khía cạnh khác nhau của nó. Kết quả của việc sử dụng những kỹ thuật khác nhau là có vẻ như đa phần các quan điểm khác nhau về những loại ion nhôm hoạt động tương tác dưới dạng keo và về các chuỗi phản ứng hợp lý khi sử dụng phèn vào các công đoạn đầu ướt. Một nhà hóa học phân tích luôn nỗ lực để làm việc với một hệ thống tinh khiết được định rõ. Nhà hóa học ngành giấy thì kém may mắn hơn do bởi các nguyên liệu làm giấy thì thực sự rất phức tạp và có bản chất biến động làm cho không thể định rõ được các thông số phân tích chính xác. Cách tiếp cận ở đây như vậy phải là kiểu có phần nào do kinh nghiệm và các kỹ thuật được sử dụng sao cho có thể có được những kết quả có ý nghĩa từ quan điểm thực hành thực tế.

Trong một thời gian dài, người ta vẫn cho rằng ion nhôm Al+++ thuộc loại chủ yếu chỉ hoạt động tương tác với anion nhiều điện tử, như nhựa hoặc cellulose. Gần đây có nhiều nghiên cứu đã đi tới kết luận là các ion hidroxide nhôm càng phức tạp thì các loại hoạt động và do đó các phản

polymeric nhôm như là một sản phẩm cuối cùng liên kết các hạt lại với nhau và làm cho các điện tích âm của các thành phần có trong huyền phù bột trở nên trung tính. Một lát cắt minh họa rõ ràng hơn về các cơ chế biến đổi này đã bị cản trở do thiếu phương tiện kỹ thuật để đo điện tích thực sự tồn tại của các thành phần phèn khác nhau. Việc kiểm soát hóa tính của phèn trong quá trình xeo giấy được thực hiện bằng cách thiết lập mối tương quan thực nghiệm chặt chẽ của một vài thông số thu được khi máy xeo đang vận hành. Hai thông số thường được theo dõi nhiều nhất là tổng lượng acide và mức độ trung tính của phèn. Hai thông số này liên quan với nhau theo diện rộng tới mức cả hai đều gắn bó chặt chẽ với hình thức được ưa chuộng nhất của phèn trong điều kiện cụ thể nào đó.

Theo quan sát thực nghiệm thuần túy người ta thấy rằng các loại nhựa có anion polyacrylamide có độ bền khô sẽ cho hiệu quả tốt nhất nếu phèn được dùng làm chất trợ bảo lưu cho nhựa thông được làm cho trung tính tới khoảng 30-50% bằng cách châm thêm các chất baz vào huyền phù bột. Mới đây có một kỹ thuật xác định chuẩn độ có thể giúp đánh giá định lượng đối với một điện tích dươngcó thể đạt được của phèn trên những thành phần thay đổi khá nhiều, đã cho thấy rằng phèn có khả năng tích điện cation được trung hòa ở mức độ từ 30-50%. Kỹ thuật này cũng cho thấy là điện tích khả dĩ của phèn thì phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nữa, như nhiệt độ huyền phù bột, mức độ tập trung aluminum, sự hiện diện của các anion đa cực, và thậm chí cả những yếu tố thuần túy cơ học như tỷ lệ khuấy trộn. Nghiên cứu này đã cho thấy rằng điện tích của phèn thì thấp một cách đáng ngạc nhiên, chỉ 1,8% so với điện tích bình thường của ion Al+++ khi đo trong một đám gợn phèn đã tạo thành từ trước. Nếu đám vẩn phèn này có khuynh hướng tán bung ra hoặc là nếu ta dùng chất baz để trung hòa ion Al+++ sau khi phèn được cho tiếp xúc với các anion nhiều điện tử thì điện tích có thể đo được sẽ tăng lên tới 8%. Nếu giảm tập trung nhôm lại thì điện tích cation tối đa sẽ chuyển sang một mức thấp như vẫn thường thấy ở một chất trung tính bởi vì ở mức tập trung Al thấp, độ pH sẽ tăng cao và sẽ có sự gia tăng tương ứng về mức độ thủy phân. Như vậy có nghĩa là pH tốt nhất để gia keo là pH thấp hơn với lượng phèn sử dụng tăng lên. Điều này giải thích tại sao pH tối ưu lại thấp hơn khi gia keo bằng nước trắng hồi lưu.

Việc cho phèn tiếp xúc với nhiệt trong thời gian tương đối ngắn sẽ làm giảm đáng kể điện tích, đây là kết quả có thể đoán được của việc oxolation ion nhôm vốn dĩ sẽ tạo nên một mạng lưới bền chắc hơn với các cation trở nên khó tiếp cận để trao đổi điện tích hơn. Chẳng hạn như, 70% điện tích dương đã bị thất thoát nếu như muối hydroxide nhôm được duy trì ở nhiệt độ 650C trong 10 phút. Do có một lượng lớn phèn cứ liên tục hồi lưu qua hốc nước trắng, nên không ngạc nhiên là việc gia keo và trợ bảo lưu sẽ gặp các vấn đề phát sinh khi nhiệt độ dòng bột tăng lên. Việc điện tích có thể đo được của đám gợn phèn chỉ chiếm khoảng 1,8% có lẽ cũng không hoàn toàn đáng ngạc nhiên. Cách giải thích hợp lý nhất là sulfate có được do khử điện tích điện động học các ion hydroxide nhôm đã gây ra gần như tức thời sự hình thành một đám gợn dày đặc, trong đó một lượng lớn các cation còn lại trở nên bị ”chôn vùi” khiến cho việc trao đổi điện tích không thể xảy ra được. Các anion gắn kết mạnh, như citrate và hexametaphosphate làm giảm điện tích dương của phèn thậm chí còn mãnh liệt hơn ngay cả với nồng độ 0.1 đến 0.2 và 0.05mols/Al, và chuyển điện tích thành âm ở hàm lượng cao hơn. Điều này giải thích rất rõ sự thất thoát chất gia keo khi có hiện diện citrate.

Các thông tin này có một số ứng dụng thực tiễn liên quan tới việc dùng phèn trong nhà máy giấy. Nếu lượng phụ gia thêm vào thấp thì phèn sẽ tạo thành những đám vẩn gợn trước khi kịp phân bố thích đáng và tương tác với các thành phần của huyền phù bột. Điều quan trọng không kém là phải tránh không để nhiệt độ tăng cao. Nếu các điều kiện đầu ướt làm cho hoạt động của các cation phèn bị suy yếu, thì có một số phương cách hữu hiệu là dùng nhiều phèn hơn để giữ cho thời gian tiếp xúc ngắn lại và dùng phụ gia polymer điện tích dương để bù đắp lại việc suy giảm cation.

Nhân tố căn bản để kiểm soát mức độ trung hòa của phèn trong việc dùng nhựa thông có độ bền

cation để bám được trên sợi cellulose mang điện tích âm. Với gia keo nhựa thì lại phức tạp hơn. Nhưng dù sao cũng có những điểm tương đồng ở đây. Những nghiên cứu trên các nhà máy lớn cho thấy có thể đạt tới gia keo tối đa và trợ bảo lưu tối đa với loại phèn được trung hòa 30-40%.

Để tận dụng tính chất hóa học này vào gia keo nhựa, điều cần thiết là phải kiểm soát được các công đoạn thật tốt. Độ kiềm của huyền phù bột và lượng phèn phải được theo dõi cẩn thận. Kiểm soát tổng lượng acide là một cách khác để đạt được mục tiêu. Vấn đề là điện tích dương tối đa của phèn cũng là một chức năng của hàm lượng Al như mức độ trung tính hóa. Những biến số quan trọng khác là công tác trợ bảo lưu, mức độ hồi lưu của nước trên lưới xeo, pH ở những vị trí khác nhau của dòng bột, vị trí gia keo, pH trước khi thêm phèn và bảng theo dõi pH, cách thức pha trộn, thời gian tiếp xúc, độ cứng của nước, và sự hiện diện của các chất điện phân khác. Hiệu ứng riêng biệt và kết hợp của các biến số này rất phức tạp để có thể tiên đoán theo kiểu tối giản hóa. Điểm mấu chốt là mức trung tính hóa tối ưu, và tổng lượng acide tối ưu của nguyên liệu phối trộn là những thông số cần được thiết lập riêng cho từng nhà máy.

Aluminate natri là một nguồn nhôm không có tính acide đã được dùng từ nhiều năm qua cho việc gia keo nhựa như là một hình thức thay thế cho phèn. Dùng aluminate natri thì hợp lý ở chỗ nó giúp cung cấp cho hệ thống một lượng nhôm định trước mà không sợ làm tăng nồng độ sulfate. Người ta đã công bố một số thuận lợi khác nữa của việc dùng aluminate. Một trong số các lợi ích đó là khả năng vận hành ở nhiệt độ cao, những lợi điểm khác là ít gây ăn mòn hơn, giấy có độ bền cao hơn, việc gia keo tốt hơn, trợ bảo lưu cũng hữu hiệu hơn. Việc dùng aluminater natri là dựa trên kinh nghiệm thực tế chứ không hề có một cơ sở lý luận đã có văn liệu xác nhận nào về các hoạt động hóa học. Nguyên nhân chính của việc thiếu hiểu biết kỹ càng hơn về các hiện tượng hóa-lý bao gồm trong đó là do không có được một kỹ thuật thích hợp cho phép đánh giá đinh lượng các điện tích dương của các sản phẩm tương tác từ aluminatre natri với phèn. Theo một số công trình nghiên cứu lý thuyết gần đây cho biết thông tin về các điện tích dương dưới những hình thức khác nhau của nguyên tố nhôm hình thành từ sulfate nhôm và chloride nhôm, người ta có thể phỏng đoán dựa trên mối quan hệ điện tích của các sản phẩm phản ứng aluminate –phèn. Điện tích dương của nhôm vốn được hình thành trong môi trường không có ion sulfate hay là ở mức tỷ lệ sulfate/Al thấp thì cao hơn so với nhôm hình thành từ phèn. Điều có vẻ hợp lý là các hỗn hợp nhôm và phèn sẽ giảm hàm lượng sulfate đi nhiều hơn; do đó lượng điện tích dương khả dĩ phải cao hơn so với nhôm hình thành từ 100% phèn. Yếu tố này đặc bệt có ý nghĩa ở pH cao, tức là khi ion Al+++ có mức trung tính hóa cao.

Lượng phèn cần dùng luôn là đề tài gây tranh cãi. Trong nghề xeo giấy, phèn được dùng vì nhiều mục đích khác nhau: để phát triển gia keo với nhựa, cung cấp cơ chế cho trợ bảo lưu và trung hòa điện tích, cung cấp các mối liên kết hoạt tính cho các chất trợ bảo lưu thông dụng có điện tích âm. Tất cả các cơ chế này đều cần có một lượng phèn nhất định. Như đã thảo luận trước đây, có nhiều yếu tố có tác dụng đảo ngược điện tích dương của nhôm và do đó làm gia tăng đáng kể nhu cầu phèn cần sử dụng.

Gia keo xà phòng hóa cần nhiều phèn hơn gia keo phân tán. Theo nguyên tắc chung, tỷ lệ điển hình của phèn đối với lượng gia keo cho cả hai hệ thống gia keo là 1.5:1 và 1:1. Lượng phèn thấp nhất được đề nghị để gia keo đạt hiệu quả tùy thuộc vào lượng sufate nhôm cần thiết theo lý thuyết để tạo nên mono-rosinate nhôm vốn có góc tiếp xúc với nước cao nhất. Thực tế vận hành ở các nhà máy nói chung thường dùng nhiều phèn hơn do nhiều lý do mà một số đã được nêu ở trên. Nhiều nơi dùng phèn để kiểm soát pH. Nếu dòng bột đi vào có tính kiềm, hoặc nước trong quá trình có thành phần bicarbonate cao thì có thể lại càng phải dùng nhiều phèn hơn nữa để đưa hệ thống về độ pH thích hợp. Một nguyên nhân khác khiến phải dùng nhiều phèn là cánh

vào dòng bột trước khi hiện tượng kết tủa vẩn gợn nhôm bắt đầu diễn ra. Nếu để cho phèn bị kết tủa trước khi kịp phân bổ đến các vị trí hấp thụ trên các thành phần của nguyên liệu phối trộn thì sẽ xảy ra lãng phí nhiều cơ hội hoạt động cho các cation và khả năng hình thành các mối liên kết. Như đã nêu trên, dòng bột nóng là yếu tố quan trọng khác làm giảm điện tích của phèn. Những yếu tố khác ảnh hưởng tới lượng phèn cần dùng là kiểu gia keo, và các chất điện phân polyelectrolyte. Do đó phương pháp sử dụng và lượng phèn cần dùng tốt nhất phải được thiết lập riêng cho từng nhà máy.

Kinh nghiệm cho thấy rằng có thể giảm đáng kể lượng phèn cần dùng bằng cách dùng hỗn hợp phèn với acid sulfuric. Cách này có lợi cho nhà máy ở chỗ giúp tránh được tình trạng hệ thống bị quá tải nhôm. Acide sulfuric không chỉ cho hiệu quả chi phí tốt hơn trong việc kiểm soát pH mà còn hoạt động như một chất đệm pH nhằm trì hoãn việc hình thành các kết tủa nhôm dạng vẩn gợn trong huyền phù bột giấy.

Ảnh hưởng của các chất điện phân

Ảnh hưởng của các chất điện phân trong chất gia keo nhựa sẽ trở thành đề tài tranh cãi nóng bỏng nếu như người ta cố gắng xem lại nghiêm ngặt toàn bộ các thông tin đã được phát hành. Gia keo là một công tác phức tạp trong đó bất kỳ một sai biệt nào trong các biến số quan trọng cũng có thể dẫn đến kết quả hoàn toàn khác. Do bởi các thông tin đã công bố về vấn đề này vẫn không được thích hợp nên sẽ phải nỗ lực xem xét tổng thể các ảnh hưởng chính yếu của điện tích trong ngữ cảnh của các tài liệu lý thuyết được cho là hợp lý.

Nói về các anion, lý thuyết đầu tiên của Thomas-người đã phân hạng anion theo khuynh hướng tăng dần của khả năng gắn kết với nhôm, vẫn còn hữu ích do khuynh hướng gắn kết mà ông đề nghị có liên quan tới hiệu ứng nghịch đảo (adverse effects) của các anion trên điện tích của nhôm.

Theo thứ tự xếp hạng của Thomas, tính khử của điện tích nhôm lại tăng lên, tức là nitrate (chloride) sulfate citrate. Để có điều này phải thêm polyphosphate (hexameta-phosphate) vốn là chất gây hại nhất. Trong khi lý thuyết của Thomas đã giúp tiên đoán chính xác ảnh hưởng của các anion lên cation, thì toàn bộ các cơ chế của phản ứng gắn kết anion lại không bao giờ được hiểu biết tường tận bởi vì có những yếu tố khác cũng quan trọng không kém. Điều cốt lõi là các anion liên kết, như citrate chẳng hạn, ảnh hưởng lên công tác gia keo và hóa tính của phèn do nhiều chứ không chỉ do một cơ chế. Ví dụ như, citrate, khi hiện diện với hàm lượng lớn sẽ phá hỏng công tác gia keo cho các loại bột gỗ thông thường. Tình hình sẽ trái ngược hẳn nếu dùng loại bột gỗ có độ tinh khiết cao (alpha-cellulose). Có một lượng nhỏ citrate (0.1 mole cho mỗi nguyên tử Al) sẽ cải thiện được phần chính yếu trong công tác gia keo. Có thể giải thích như sau: một lượng nhỏ citrate làm cho nhôm ít hỗn tạp hơn và làm giảm được điểm hóa keo của chất gia keo kết tủa vốn là cơ chế quan trọng của việc phát triển gia keo. Kế tiếp, đối với bột gỗ nguyên chất, một lượng nhỏ anion kết nối cũng là lượng tạp chất” đáng kể. Đối vói bột gỗ thương phẩm thông thường, vốn có chứa nhiều loại tạp chất với hàm lượng thay đổi như acide saccharinic hình thành từ phản ứng bóc tách trong quá trình làm bột gỗ kiềm, sư hiện diện của các anion kết nối của các phụ gia chỉ có thể là điều bất lợi cho công tác gia keo. Lập luận tương tự cũng được dùng cho ion sulfate mặc dù các cơ chế bao gồm trong đó đều khác. Một lượng nhỏ ion sulfate thì tốt, bởi vì nó dần thay đổi điện tích dương khá mạnh của nhôm (hình thành từ AlCl3), nhưng quá nhiều sulfate thì lại có hại do bởi nó sẽ cản trở tột độ đến điện tích dương của nhôm và đẩy nhanh quá trình hình thành các đám vẩn gợn trước khi các ion aluminum có cơ hội phân bố hợp lý vào những vị trí bám dính.

Lực hút ion được nâng lên quá cao sẽ cản trở rất lớn lên lớp điện tích kép và lực tương tác tĩnh điện (coulomb). Hạt nhân điện tích của các kết tủa gia keo điện tích dương không thể bắt dính lên các xơ sợi đủ nhanh so với tỷ lệ tăng trưởng của các hạt lớn, vốn là trạng thái vật lý chính yếu của chất gia keo để phát huy được tối đa hiệu quả gia keo. Nói tóm lại, mức độ quá cao các chất điện phân là có hại cho quá trình gia keo, mặc dù cơ chế phản ứng và hàm lượng đáng chú ý của mỗi loại ion đều có khác nhau.

Các ion dương ảnh hưởng lên công tác gia keo bởi nhiều cơ chế khác nhau mà những điều này cũng chưa được hiểu biết tường tận. Ion Ca++ là cation phổ biến nhất, bên cạnh đó là ion Al+++, cũng rất đáng quan tâm. Với hàm lượng cao (từ 100-300 ppm như CaCO3), calcium có thể phá hỏng toàn bộ quá trình gia keo chủ yếu do cơ chế tập trung sớm chất gia keo nhựa pha loãng. Xà phòng hóa calcium mới hình thành là một chất gia keo không hiệu quả. Mặt khác, người ta lại khám phá thấy một số calcium có lợi cho gia keo. Người ta cũng biết rõ là những vấn đề gia keo xuất hiện nơi vùng thung lũng Alpine do đã sử dụng nước từ băng tuyết tan ra có độ cứng rất thấp. Đã có đề nghị rằng calcium hiện diện với khối lượng tương đương với một phân tử CaO với một mol Al2O3. Những khảo sát khác cho thấy là ion Ca++ và các cation hóa trị hai khác làm gia tăng điện tích điện động học của nhôm vốn phù hợp với lý thuyết là cation hóa trị hai có lợi cho gia keo. Trong điều kiện nước dùng trong nhà máy quá mềm, thường người ta đã biết cách thêm hydrat vôi vào huyền phù bột trước khi biết sử dụng cách gia keo nhựa và phèn. Lượng vôi được sử dụng nói chung khoảng vài pound (1 kg~2,2 pounds) cho mỗi tấn giấy.

Các công trình nghiên cứu chưa chú trọng gì nhiều đến ảnh hưởng của các chất điện phân và việc suy xét, biện luận dường như chỉ chú trọng vào những cơ chế hoạt động của các kim loại kiềm thổ. Để làm được điều này, người ta có thể nhận ra yếu tố là sự hợp nhất của một số chất điện phân cũng thường bao gồm cả chất đềm nguyên liệu xung quanh một acid có độ pH thấp (5-7). Tự thân điều này là một yếu tố quan trọng để chuyển đổi chất xà phòng hóa nhựa hòa tan hoàn toàn thành một thể keo với một số phân tử nhựa tự do được giải phóng. Do bởi ion hóa trị hai Ca++ là công cụ để làm giảm điện tích âm của các micell chất gia keo nhựa nên sự thành tạo chất nhựa thể keo sẽ được đẩy mạnh thêm hơn. Những kết tủa phèn hình thành từ dạng kết tụ gia keo nhựa này ở nhiệt độ thấp vốn là đặc điểm đáng xem xét trong công tác phát triển gia keo.

Cần thảo luận thêm về những kiểu phản ứng căn bản của một số cation nào đó. Còn với những cation khác thì người ta hy vọng chúng sẽ phản ứng theo quy luật do Schulze Hardy khởi xướng. Việc đưa ra những kiểu phản ứng của các chất điện phân sẽ giúp cung cấp một số lý thuyết vận hành cho các nhà sản xuất giấy khi cần đối phó với các vấn đề thường gặp trong gia keo và cách thay đổi quy trình vận hành nhà máy để đạt được hiệu quả cao nhất.

Tóm tắt các nguyên lý căn bản về hóa học bề mặt của chất gia keo

Hiện tượng hóa học bề mặt căn bản của chất gia keo với chất keo xà phòng hóa và với phèn thì được tóm tắt bởi kết quả thí nghiệm đã thể hiện nơi bảng số liệu 1.1. Khối lượng gia keo và chất trợ bảo lưu alumina được thử nghiệm dựa trên độ pH của các mẫu được chuẩn bị sẵn.

Ở pH thấp (3,5) độ bảo lưu nhựa tương đối cao nhưng vẫn không đủ để thành tạo nên rosinate aluminnum. Với pH 4.5 -5.0 cả nhựa lẫn phèn đều hiện diện ở hàm lượngthích hợp cho công tác gia keo cứng hard sizing. Trong khoảng pH này các ion AL+++ sẽ chuyển thành ion hydroxide nhôm với điện tích dương rất mạnh. Chất gia keo sẽ kết tủa thành rosinate nhôm, và một số phân tử nhựa tự do sẽ được giải phóng do sự thủy phân của xà phòng hóa. Chất kết tủa có điện tích dương rất lớn và nhanh chóng hấp thụ lên bề mặt xơ sợi và những thành phần phân tán mịn khác có trong huyền phù bột. Khi băng giấy ướt đi vào lô sấy và đạt được nhiệt độ đủ cao, các

nhôm để tạo nên rosinate nhôm.

Trong phòng thi nghiệm gia keo đạt hiệu quả tối đa ở pH 4.5-5.0. Trong điều kiện thực tế của nhà máy -nơi dòng bột khá nóng và hàm lượng phèn cao hơn do sự tuần hoàn của nước trắng - thì pH tối ưu để gia keo giảm xuống còn 4.1-4.3

Khi pH vượt quá 5.0, hiệu quả gia keo sút giảm nhanh chóng. Trong những khoảng pH cao hơn 5.0, lượng xà phòng còn sót lại sẽ tích tụ trên bề mặt đã được gia keo, làm cho mặt giấy (?) bị chuyển biến từ bề mặt kháng nước năng lượng thấp thành bề mặt hút nước năng lượng cao nên sẽ dễ dàng bị ướt khi gặp các chất lỏng phân cực và tính thấm hút qua các mao mạch với những chất lỏng thử nghiệm cũng tăng. Lượng xà phòng hiện diện có thể ước tính được bằng đường cong logarit (Ab.../ABH) (16).

Tình hình sẽ khác đi khi dùng chất gia keo phân tán. Ở đây các acide tiềm tàng trong nhựa tự do phản ứng như một chất đệm và rosinate nhôm hình thành mà không cần có bất kỳ sự hiện diện nào của các thể xà phòng hóa lắng tụ khi băng giấy ướt đạt đến nhiệt độ tương đối cao trong lô sấy. Vì lý do này nên hình thức gia keo cứng (hard sizing) với chất gia keo phân tán có thể thực hiện được trong một khoảng pH rộng hơn cho thấy các điều kiện ngặt nghèo đã được thỏa mãn.

Loại ngành hóa học này đã mang lại cho người làm giấy một số lựa chọn để đạt được hình thúc gia keo như ý muốn bằng cách dùng nhựa làm nguyên liệu ngay cả khi nó có chứa một lượng vừa phải chất độn CaCO3. Trong chương những vấn đề của nhà máy giấy sẽ có phần thảo luận thêm về đề tài này.

Các yếu tố thuộc về nhà máy

Trong những phần kế tiếp sẽ chú trọng thảo luận về những khía cạnh quan trọng nhất của gia keo nhựa theo quan điểm lý thuyết. Ý tưởng ở đây là nhằm cung cấp cho người làm giấy những hiểu biết căn bản về bản chất phức tạp của việc gia keo, từ đó giúp họ tìm ra những giải pháp cho những vấn đề phát sinh hàng ngày trong vận hành của nhà máy. Phần thảo luận về các yếu tố thuộc về nhà máy sẽ dẫn đến một ứng dụng cụ thể hơn các lý thuyết về công tác gia keo, nhằm giải thích những vấn đề đan xen phức tạp đã được nhiều tài liệu về gia keo đề cập tới.

Có rất ít hy vọng tìm được một cách trả lời rõ ràng hợp lý về các vấn đề gia keo thông qua tra cứu trong các văn liệu hiện có. Đa số các tài liệu đang tồn tại trên thị trường đều trình bày những trường hợp cụ thể với các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm độc lập, chứ không hề xác định được các thông số cần thiết. Hậu quả là, các thông tin không hề đề cập thẳng vào một hệ thống cụ thể nào và do đó giá trị sử dụng bị giới hạn. Dường như đang có nhiều công trình nhằm liên kết nguyên nhân và giải pháp cho các vấn đề của nhà máy với việc hiểu biết tốt hơn về các nguyên lý hóa-lý căn bản. Cách tiếp cận này khiến phải lựa chọn ngẫu nhiên khi cần nhận biết các tài liệu thích hợp và cần chú trọng đến một số kỹ thuật phân tích có chất lượng nào đó, mà nó cung cấp nhiều hiểu biết hơn về hóa học gia keo – đây chính là mục tiêu của nhiều thế hệ nhà sản xuất giấy.

Bột giấy

Gia keo nhựa có thể dùng cho nhiều loại xơ sợi nguyên liệu khác nhau. Nói chung thì những loại bột tinh khiết nhất, như bột từ giấy vụn hoặc loại có hàm lượng alpha-cellulose cao là những thứ khó gia keo nhất; trong khi các loại bột không tẩy thì dễ gia keo hơn rất nhiều. Bột kraft không tẩy thì gia keo dễ hơn bột sulfit không tẩy. Trong khi tính dễ gia keo không liên quan gì tới việc trợ bảo lưu nhựa thì có nhiều bằng chứng cho thấy sự khác biệt trong khả năng gia keo lại có liên quan tới một số yếu tố hóa, lý nhất định. Pectin và chemicellulose đã được phát hiện thấy là có

làm giảm khả năng gia keo. Bột tẩy có độ sáng thấp thì dễ gia keo hơn loại bột tẩy hoàn toàn (triệt để). Những nghiên cứu khác cho biết, tẩy kraft hay sulfit với chloride hoặc chloride dioxide và các chất axit hóa làm giảm khả năng gia keo sulfite, trong khi hypochloride và các dẫn xuất kiềm lại làm tăng khả năng này. Không như với sulfite, khả năng gia keo của bột kraft bị giảm do việc tẩy với dẫn xuất kiềm và hypochloride, chlorine, hay chloride dioxide. Tẩy peroxide được cho là ít gây hại nhất, và công đoạn rửa sau khi tẩy cũng làm tăng khả năng gia keo bất kể hình thức tẩy nào đã được dùng.

Người ta có thể tiếp tục tìm thấy rất nhiều tài liệu tương tự, nhưng điều căn bản là không hề có được một kết luận nào khả dĩ để áp dụng được cho những điều kiện cụ thể. Những tài liệu không bị chỉ trích gì thì có rất ít giá trị sử dụng, còn những tài liệu gặp nhiều phê phán lại không thể đưa vào thực hiện do thiếu những nhận biết chính xác về các thông số quan trọng. Tốt nhất là hãy cùng vượt qua khoảng cách và thảo luận về những điều này và các yếu tố liên quan bằng cách sử dụng nhiều hơn nữa các công trình khảo cứu tân tiến về hóa học bề mặt trong lĩnh vực gia keo nhựa.

Về bột giấy thì có loại sợi cellulose hoàn toàn tinh khiết tới những loại bột không tẩy được rửa nước ít và có các anion lignin bám dính chắc cùng những anion khác ở thể vẩn như các chất tẩy tàn dư, hay những nguyên liệu được dòng nước trắng hồi lưu đưa trở về hệ thống. Có một số hiện tượng keo tụ tự nhiên diễn ra trong bột không tẩy thì có lợi cho gia keo nhựa, vì chúng làm giảm điểm kết tụ của các kết tủa nhựa-phèn, và cung cấp việc phân bổ chất gia keo cũng như định hướng đều tốt hơn trong suốt công đoạn sấy khô. Những loại keo tụ ”quí giá” như thế chính là các acide saccharine hình thành từ việc đánh bột kiềm và tạo nên anion hemicellulose diễn ra trong các loại bột không tẩy. Nói chung các thành phần này đều thuộc loại hydroxyacid. Chúng cùng gốc với những loại bột không tẩy và kém tinh chất. Các phức hợp hydroxyacid với ion nhôm, vốn gây ra hiện tượng kết tủa ở điểm kết tụ thấp – là cơ chế giúp công tác gia keo có hiệu quả hơn.

Nếu bột thuộc loại cellulose tinh khiết, như alpha-cellulose, thì những thể resinate nhôm được hình thành không kết tụ được theo cách thích hợp (tái cấu trúc) và chất gia keo sẽ không phát triển được tính kháng nước tối đa. Do đó loại bột tinh khiết rất khó để gia keo với chất gia keo nhựa kiểu xà phòng hóa. Tuy nhiên có thể đạt được chất lượng gia keo tốt hơn nếu thêm vào một lượng thích hợp hydroacid, như citric chẳng hạn.

Từ những nhận định này, có thể thấy rõ ràng là từ những loại bột không tẩy được rửa kém tới loại bột có tẩy với độ tinh khiết cao có tồn tại một loạt những tình huống trung gian.

Những điều vừa nói có thể áp dụng được cho cả gia keo nhựa kiểu xà phòng hóa. Gia keo xà phòng hóa tạo thành rosinate nhôm ở đầu ướt trước khi băng giấy ướt được tạo thành. Đối với gia keo phân tán thì tình hình khác hẳn trong đó chất nhựa còn lại trong băng giấy ướt lại ở dưới dạng không phản ứng và hình thành nên những thể rosinate nhôm khi băng giấy ướt đạt tới điểm nóng chảy của nhựa - điều này xảy ra ở lô sấy. Lúc này nhựa sẽ dàn ra và phản ứng với các hydroxy-aluminium tồn lại và tạo nên lớp màng resinate nhôm kháng nước rất tốt. Cơ chế này không đòi hỏi phải có sự can thiệp của những thể ”keo tụ có càng chelating colloidals”. Theo lý thuyết này thì có vẻ như gia keo phân tán sẽ được chọn cho loại bột tẩy vốn là thứ khó xử lý nếu dùng những hình thức gia keo xà phòng hóa. Kinh nghiệm thực tiễn ở các nhà máy dường như cũng ủng hộ cho kết luận này. Đối với các loại bột tẩy, gia keo phân tán vượt xa kiểu gia keo xà phòng hóa, trong khi với bột không tẩy thì hiệu quả lại không khác bao nhiêu.

Gỗ mới được cưa đốn là một yếu tố khác có thể làm đảo ngược hiệu quả gia keo. Các vấn đề gia keo sẽ càng trầm trọng thêm khi gỗ được đốn hạ vào đầu mùa xuân – chúng có thể liên quan

ngày sau khi đốn hạ có thể làm giảm điều này. Đối với cây lâu năm cũng có thể giảm được vấn đề acide béo.

Một vấn đề hoàn toàn tách biệt là khó khăn trong gia keo bột gỗ mài....(lược bớt...)

Khả năng trao đổi điện tích là một yếu tố khác ảnh hưởng tới khả năng gia keo cho bột giấy. Bột có thành phần là các nhóm carboxyl thì dễ gia keo hơn. Những cơ chế có thể xảy ra là trao đổi ion với gia keo xà phòng hóa - gây ra sự phóng thích các thể keo tụ nhựa; và việc trao đổi ion với phèn sẽ cung cấp các mối nối bền chặt hơn và phân bổ gia keo cũng đồng nhất hơn. Ví dụ như, người ta đã nhận xét thấy gia keo càng đạt hiệu quả nếu bột đã được rửa với acid – tức là các nhóm carboxyl đã được chuyển đổi thành dạng acid tự do.

Nghiền

Ảnh hưởng của các tác động cơ học lên xơ sợi có liên quan đến gia keo có thể được phân chia một cách hợp lý thành những giai đoạn như sau:

1. Gia keo đối với xơ sợi được đánh tơi kỹ hay không đánh tơi. 2. Ảnh hưởng của tác động cơ học đối với kết tủa đã hấp thụ chất gia keo. 3. Ảnh hưởng của việc đánh tơi lên cấu trúc cơ học của tờ giấy thành phẩm và tác động của việc thay đổi cấu trúc đối với công tác gia keo.

Tác động chính của gia keo là ở chỗ giúp cho những bề mặt lộ ra bên ngoài trở nên kháng nước hơn. Vì bề mặt sản phẩm cuối cùng thường khá rộng lớn nên phải cần tới gia keo nhiều hơn để bảo vệ được tốt hơn. Mặt khác, việc đập vừa phải cũng khiến công tác gia keo có kết quả hơn. Tác động của việc đập đối với cấu trúc tờ giấy và với việc gia keo đã được nghiên cứu từ lâu. Kết luận là ảnh hưởng của việc chỉnh sửa cấu trúc tờ giấy thì không đơn giản. Đập vừa phải sẽ giúp gia keo tốt hơn do tăng mật độ tờ giấy, giảm độ xốp do đó ngăn chặn tính mao dẫn. Nếu tiếp tục đập sẽ không còn thay đổi được bao nhiêu về mật độ tờ giấy, độ xốp cũng như kích thước các lỗ bọng; nhưng diện tích bề mặt sẽ tăng lên và do đó sẽ tốn nhiều chất gia keo hơn. Nhiều bằng chứng cho thấy nghiền làm phát sinh những xơ sợi vụn hoặc các vi xơ có diện tích b ề mặt lớn hấp thụ nhiều chất gia keo hơn. Đập kỹ cũng làm bong tróc lớp phủ của vách xơ sợi, khiến chúng trở nên dễ bị tác động. Hoạt động cơ học này làm sinh ra những ống dẫn bên trong xơ sợi và phần nào khiến tính thẩm thấu của một chất lỏng phân cực chuyển từ mao dẫn giữa các sợi xơ trở thành mao dẫn bên trong sợi xơ. Những thay đổi cấu trúc bề mặt này được cho là có ảnh hưởng rất khác nhau lên các kết quả ghi nhận được từ những thử nghiệm gia keo khác nhau.

Hành động đập cũng làm phóng thích phần nào các chất lỏng còn sót trong sợi xơ từ quá trình nấu bột, các chất tẩy, những nguyên liệu hemicellulosic có thể tạo keo vốn là những chất không chỉ làm gia tăng nhu cầu cation (CD) của nguyên liệu mà còn có ảnh hưởng chủ yếu lên kết quả đáp ứng gia keo. Những tính chất hóa học chi tiết hơn đã được thảo luận trong phần lý thuyết về việc phát triển công tác gia keo.

Kết quả thảo luận trong chừng mực nào đó thì dựa trên công tác gia keo cho huyền phù bột sau khi nghiền. Nếu chất gia keo bị kết tủa trước khi nghiền, thì cần xem xét tới ảnh hưởng của việc cắt nghiền quá kỹ lên cấu trúc và việc phân bổ các kết tủa gia keo.

Cần nhớ nguyên tắc chung là, hành động cắt nghiền kỹ được cho là làm giảm hiệu quả gia keo.

Điều này có thể do tác động loại bỏ các kết tủa gia keo ra khỏi sợi xơ đã khiến chất gia keo kết hợp lại và mở ra những vùng bề mặt mới vốn vẫn không được bảo vệ. Gia keo phân tán thì cũng nhạy cảm với việc đập cắt và phải dùng mọi nỗ lực để đưa nó về bám trên các sợi xơ trước khi băng giấy ướt được hình thành. Mặt khác, gia keo phân tán, do có phản ứng trở lại với phèn (trong suốt quá trình sấy giấy), có thể tái phân bố được một cách thích hợp trên bề mặt xơ sợi, thế nhưng các kết tủa gia keo xà phòng hóa lại không thể, bởi vì các nhiệt độ kết tụ của chúng lại thường vượt quá nhiệt độ sấy của giấy.

Huyền phù bột nóng

Nhiệt độ của huyền phù bột trong mỗi nhà máy khác nhau rất nhiều và thay đổi trong khoảng từ nhiệt độ phòng đến gần 93 C. Huyền phù bột có nhiệt độ cao hoặc là do phun hơi nóng tự do, hoặc do những điều kiện ngẫu nhiên trong nhà máy. Lý do thông thường để phun hơi nóng vào huyền phù bột là để gia tăng sản xuất thông qua thoát nước và sấy thật nhanh. Huyền phù bột bị nóng do những điều kiện ngẫu nhiên như hệ thống quá khép kín khiến nhiệt độ tăng cao, do nhiệt độ cao của hệ thống đánh tơi giấy vụn và đánh bột và do cả thời tiết.

0

Người ta biết rõ rằng nhiệt độ cao làm giảm hiệu quả của công tác gia keo nhựa và nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện để đánh giá các tác động này. Luận thuyết toàn diện nhất về các vấn đề của huyền phù bột nóng đã được công bố trong Sizi Technical Highlights (44), nhưng người ta có được cách giải thích chính xác nhất về các tác động này lại là từ công trình nghiên cứu lý thuyết về phèn (23), do bởi các yếu tố ảnh hưởng đến hóa tính của phèn cũng ảnh hưởng đến công tác gia keo nhựa. Nói tóm lại, những hình thức ion aluminum có hoạt tính mà có phần trách nhiệm đối với bảo lưu nhựa và việc phát triển công tác gia keo là những ion aluminum được trung hòa từ 1/3 tới ½ thường đi kèm với một polymer ngậm nước mang điện tích dương. Những loại có hoạt tính cao hay là hữu ích cho việc kết tủa và bảo lưu chất gia keo nhựa cũng chính là loại có hiệu quả nhất để bảo lưu các anion nhựa polyacrylamide có độ bền khô. Khi huyền phù bột bị nóng hoặc không lưu chuyển allow to stand, sẽ có hiện tượng liên kết ngang và hóa polymer của các nhóm hydroxyl – gọi là "oxolation" – bằng cách khử nước giữa các nhóm hydroxyl lân cận. Do các quá trình khử nước này mà các vẩn gợn sẽ co lại và kết tụ với nhau – điều này khiến phân bố kết tủa gia keo bị xấu đi và làm giảm đáng kể điện tích dương của nhôm. Nóng tới 65°C trong 10 phút làm giảm lượng điện tích nhôm dương đến 70%. Công tác gia keo do vậy có thể bị thiệt hại khá nhiều.

Sau đây là một số đề nghị cải tiến công tác gia keo ở nhiệt độ cao:

1. Cho phèn vào hệ thống càng trễ càng tốt. Giữ cho thời gian tiếp xúc của kết tủa nhựa phèn càng ngắn càng tốt.

2. Tăng lượng phèn lên sao cho tạo được các vẩn gợn kết tụ hay mất nước cục bộ. Không được dựa vào duy nhất một yếu tố là pH để điều chỉnh mức phèn cần dùng (với cùng một lượng phèn thì huyền phù bột nóng sẽ có pH thấp hơn huyền phù bột lạnh).

3. Hạ thấp pH của máy xeo, tức là chạy máy với mức trung hòa phèn thấp hơn, bởi vì điều này giúp giữ cho các đám vẩn gợn giàu điện tích hơn và ít có khuynh hướng khử nước và kết đám hơn.

4. Làm giảm sự tạo thành sulfat bằng cách thêm nước sạch vào (hàm lượng ion sulfat cao sẽ làm tăng ảnh hưởng của dòng bột nóng vì chúng trung hòa cục bộ điện tích dương của vẩn gợn, gây cản trở việc kết tụ)

5. Dùng nhựa gia keo được gia cường sẽ tạo nên những hạt keo nhỏ hơn và có tính kháng nhiệt cao hơn là loại keo không gia cường.

6. Dùng keo phân tán vốn dĩ buộc phải có những cơ chế khác nhau cản trở việc thành tạo resonate aluminum và do vậy sẽ kém nhạy cảm hơn đối với những bất lợi do dòng bột nóng gây ra cho hóa tính của phèn.

7. Cho xịt hơi nóng trước, hơn là sau khi chất gia keo kết tủa. Nhiệt độ ở gần vòi phun sẽ cao

hơn nhiệt độ trung bình của huyền phù bột. 8. Giữ cho nhiệt độ dòng bột thấp hơn bằng mọi cách. Thậm chí có thể dùng một ít nước

sạch. 9. Tạo độ bền khô cho nhựa và các chất bảo lưu để cải thiện độ thoát nước và do đó làm gia

tăng sản xuất. Nhựa thông có độ bền khô cho phép giảm độ nghiền mà vẫn duy trì được độ bền và hiệu quả gia keo.

10. Cho thêm phèn vụn hoặc các chất trợ bảo lưu để được kết tủa gia keo không thất thoát, bởi vì khi được cho hồi lưu các kết tủa không thất thoát sẽ bị giảm điện tích cationic và kết tụ càng mạnh.

Một yếu tố khác cần quan tâm về các điều kiện của dòng huyền phù bột nóng là ở chính bản thân loại bột. Đã có những báo cáo về việc nhiệt độ tăng cao làm ảnh hưởng nhiều đến công tác gia keo cho bột sulfite có tẩy hơn là bột sulfite không tẩy hoặc kraft không tẩy. Có thể cho rằng những ảnh hưởng này là do sự hiện diện hay vắng mặt của các “thể keo có càng” ("chelating colloids”), vốn dĩ vẫn được kỳ vọng rằng sẽ làm các đám vẩn alumina co lại (và sau đó sẽ làm giảm việc tập hợp các kết tụ gia keo) ở nhiệt độ cao. Cũng có thể đẩy mạnh hiệu quả gia keo bằng cách dùng thêm một số phụ gia đưa vào phối liệu, như dùng nhiều bột gỗ mài hơn để bù lại cho những vấn đề phát sinh trong mùa thời tiết nắng nóng, hay là bằng cách dùng tăng lượng các chất hữu cơ hòa tan (acide humic và fulvic) trong nước chu trình. Đa phần những vấn đề của công tác gia keo thì liên quan chủ yếu với nhau, cứ giải quyết một vấn đề này thì hầu như lại phát sinh một vấn đề khác hoàn toàn mới. Vì vậy các nhà sản xuất giấy cần hiểu rõ những tác động này và chọn lấy cách xử lý phù hợp.

Nước chu trình

Sự hiện diện của nước chu trình có màu sẫm là một chỉ báo tốt về sự hòa tan của các chất hữu cơ như acide humic. Các acide humic ảnh hưởng đến công tác gia keo thông qua việc làm giảm điện tích cationic của alumina. Có thể cân bằng điều này bằng cách dùng nhiều phèn hơn hoặc thêm một lượng polymer cationic như chất trợ điện tích. Vì các cationic khi kết hợp với phèn sẽ giữ các nguyên liệu hữu cơ sẫm màu này lại bên trong tờ giấy, khiến độ sáng của nó bị kém đi. Có những điều đáng suy xét tương tự đối với các polyanionics khác, như những tàn tích lignin chẳng hạn.

Tác động của các ion vô cơ, như calcium, lên công tác gia keo xà phòng hóa đã được thảo luận ở phần trên. Nói chung bất kỳ lượng cation hóa trị hai hay ba đáng kể nào cũng được cho là gây hại cho công tác gia keo xà phòng hóa vì chúng làm cho chất gia keo tập hợp lại trước khi tiếp xúc với phèn. Tuy nhiên chỉ cần một lượng nhỏ calcium cũng có lợi cho việc gia keo trong phòng thí nghiệm nếu dùng nước đã khử ion hoặc nước cất để làm huyền phù bột. Điều này có thể liên quan tới việc thủy phân xà phòng hóa nhiều hơn, vốn là hiện tượng xảy ra khi sản xuất nhựa tự do hơn với điểm kết tụ thấp hơn.

Thành phần phối liệu

Về nguyên tắc thì mọi phụ gia phối liệu đều có ảnh hưởng tới công tác gia keo. Nếu các cation polymer làm lợi cho việc gia keo, thì đa số các phụ gia lại có ảnh hưởng không tốt ở những mức độ khác nhau và bằng các cơ chế khác nhau. Một số phụ gia làm tăng diện tích bề mặt của phối liệu, một số khác có thể can thiệp vào bản chất hóa học bề mặt của các bề mặt hay can thiệp vào hóa tính của phèn. Với hàm lượng nhỏ thì ảnh hưởng có thể không đáng kể, nhưng vấn đề sẽ trở nên trầm trọng nếu như công tác gia keo hoàn toàn bị lãng phí. Tác động xấu càng tệ hơn khi dòng nước trắng được cho thu hồi trong chu trình kín. Tình hình sẽ phụ thuộc vào khả năng dự liệu và điều hành công tác gia keo của người làm giấy và vào việc chuẩn bị để có đo lường đúng đắn.

định. Trong trường hợp của đất sét và dioxide titanium, tác động không tốt còn có thể mở rộng ra trên toàn bộ diện tích bề mặt và làm sinh ra các tạp chất anion như polyphosphates chẳng hạn. Những polyanions có ảnh hưởng sâu xa lên tính chất hóa học của phèn, như đã thảo luận ở trên. Cũng có khi tính hấp thụ chất phụ gia đầu ướt thì luôn luôn phân bố trên diện tích bề mặt của thành phần phối liệu. Bởi vì các chất độn và các xơ sợi mịn có diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ chất gia keo trên các hạt và chất độn. Để bảo đảm cho công tác gia keo đạt hiệu quả tối đa và để giảm thiểu thấp nhất việc suy giảm chất lượng gia keo do kết tụ lên chu trình tuần hoàn, cần nỗ lực để duy trì mức trợ bảo lưu cao. Điều này sẽ càng trở nên quan trọng nếu huyền phù bột nóng.

Calcium carbonate có ảnh hưởng mạnh nhất lên gia keo nhựa, do bởi khả năng làm trung hòa phèn và duy trì pH trong mức thích hợp để bắt đầu hình thành Ca-xà phòng hóa. Đối với gia keo phân tán thì tình hình có khác đi. Như đã nêu trong phần cuối cùng "Sử dụng Nhựa trong xeo giấy trung tính" có một số lối mở ra cho nhà sản xuất giấy để duy trì mức thỏa mãn cho công tác gia keo bằng nhựa trong những điều kiện này. Dùng gia keo sáp cùng với nhựa là cách cải tiến gia keo với sự hiện diện của chất độn calcium carbonate.

Calcium silicate là chất kiềm và được cho là có tác động đến công tác gia keo tới những mức độ nào đó nếu được dùng với khối lượng đáng kể. Những chất độn khác như thạch cao, và bột talc thì trung tính và sẽ ảnh hưởng tới công tác gia keo chỉ bằng cách mở rộng tổng diện tích bề mặt của phối liệu.

Các phụ gia polymer: Một loạt khá nhiều những tính chất của polymer tự nhiên và tổng hợp được ứng dụng vào ngành giấy vì những mục tiêu khác nhau. Do những yêu cầu thực tế mà thành phần hóa học, điện tích, khối lượng phân tử và các tính chất hóa-lý sẽ được thiết kế cho phù hợp. Mọi chất phụ gia, bất kể là có mục tiêu sử dụng như thế nào, đều sẽ có một số ảnh hưởng lên công tác gia keo nhựa. Các cơ chế phản ứng thì thay đổi và thường không được hiểu biết tường tận.

Các cation polymer luôn phản ứng theo cơ chế trung hòa điện tích; nếu khối lượng phân tử của chúng đủ lớn thì cơ chế bắc cầu vật lý giữa các hạt cũng sẽ là yếu tố phân bổ. Khi đó hai cơ chế sẽ luôn vận hành theo kiểu tương hợp để bảo lưu hiệu quả của toàn bộ thành phần phối liệu. Những xơ sợi vụn và các chất độn hấp phụ phần lớn các kết tủa nhựa gia keo. Vì việc tiếp xúc với huyền phù bột nóng làm giảm chất lượng gia keo, điều quan trọng bậc nhất là những xơ sợi vụn giàu nhựa vẫn còn lưu lại trong tờ giấy khi mới đi qua đầu tiên. Có thể đạt được mục tiêu này này bằng cách kết hợp chính xác các cation nhựa-s (chất hoạt hóa) với các chất trợ bảo lưu cao phân tử. Phân bố gia keo theo hướng Z có khuynh hướng song song vi hạt, và phân bố không đồng nhất trên tờ giấy. Thông thường gia keo bị giảm hiệu quả trên mặt lưới và tích tụ nhiều trên mặt chăn của tờ giấy được sản xuất bằng máy xeo lưới dài. Kiểm tra công tác gia keo thường lấy trên cả hai mặt. Việc mở rộng ra tính hai mặt này là một chức năng của tốc độ máy xeo. Những yếu tố khác tác động lên tính hai mặt là thành phần các xơ sợi vụn, các chất độn, các chất trợ bảo lưu, điện tích của phối liệu và định lượng của giấy.

Các cation nhựa còn giúp mở rộng công tác gia keo bằng cách cải thiện tính định hướng của chất gia keo. Điều này bị sút giảm do yếu tố là với sự hiện diện của các cation nhựa thì có thể gia keo cho giấy bằng gia keo xà phòng hóa ở pH 6-7, ở những nơi mà các thể alumina trung tính được hình thành và do vận hành thực tế; công tác gia keo ắt hẳn sẽ kém hiệu quả do sự thành tạo chất xà phòng hóa nhựa. Như vậy cation polymer đóng vai trò thay thế cục bộ cho phèn trong phạm vi pH mà bản thân phèn không thể phân phối đủ điện tích dương. Những loại nhựa có độ bền ướt mang điện tích dương cũng tham gia vào gia keo bằng cách làm chậm lại sự trương nở của xơ sợi và diện tích mặt cắt ngang của các xơ sợi.

Những acide acryl amide- acrylic đồng trùng hợp được dùng kết hợp với phèn để làm tăng độ bền khô cũng giúp cải thiện đáng kể công tác gia keo với nhựa. Có lẽ trợ bảo lưu xơ sợi vụn được cải tiến nhiều nhất là bằng cơ chế này, và có lẽ cả một số tác động mở rộng cho phân bổ gia keo.

Đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của các polymer tự nhiên hay polymer tự nhiên đã được điều chỉnh đối với công tác gia keo nhựa. Chúng bao gồm tinh bột, các chất gum tự nhiên và cellulose carboxymetyl. Các dẫn xuất mang điện tích dương luôn giúp ích cho công tác gia keo, có lẽ bằng cách bảo lưu gia keo. Những chất tương tự mang điện tích âm hoặc là những polymer trung tính chưa điều chỉnh đều là chủ đề của quan điểm tổng hợp. Những thông tin đã được phát hành thì ít có giá trị, do bởi phần lớn các công trình này chỉ là những thí nghiệm trong phòng mà không cung cấp được các chi tiết thích hợp về các thông số quan trọng ảnh hưởng tới công tác gia keo. Những tài liệu tham khảo có số từ 51 đến 55 là những nghiên cứu về ứng dụng polymer tự nhiên vào công tác gia keo nhựa. Có một sản phẩm cho hiệu quả gia keo rất tốt là tinh bột 20%-40% đã được oxy hóa. Hiện tượng oxy hóa hình thành những nhóm carboxyl giúp cho tinh bột phản ứng với phèn tốt hơn và do đó tạo nên một số cơ chế có thể hỗ trợ công tác gia keo. Tinh bột hòa tan sau khi có liên kết ngang với phèn sẽ trở thành một chất trợ bảo lưu hữu hiệu cho chất gia keo và các xơ sợi vụn.

Sản phẩm phản ứng cũng có thể làm giảm nhiệt độ kết tủa của chất gia keo khiến phân bố gia keo được tốt hơn. Nó còn có thể hoạt động như một chất keo tụ bảo vệ tính ổn định cho chất gia keo trong suốt quá trình kết tủa với phèn, hình thành nên chất gia keo hạt nhỏ hơn.

Một loại polymer tự nhiên khác giúp cải thiện công tác gia keo với nhựa là các protein. Những polymer này hoạt động như những thể keo tụ ổn định hay bảo vệ trong quá trình chuẩn bị phân tán nhựa tự do của những chất gia keo vi hạt. Gia keo Bewoid và Progia là những ví dụ về các chất gia keo có hiệu quả. Thêm chất keo động vật hay casein vào huyền phù bột cùng với gia keo xà phòng hóa, trước khi phèn được biết tới, cũng luôn cho kết quả tốt. Nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này đều dẫn tới cùng kết luận, nghĩa là mọi protein đều có tác dụng bảo vệ cho chất gia keo, cho ra chất gia keo hạt mịn hơn và phân bố tốt hơn trên bề mặt xơ sợi – điều này luôn có nghĩa là gia keo hiệu quả hơn. Những lý thuyết trước đây về vai trò của protein thì hoàn toàn phù hợp với quan điểm hiện tại, vốn vẫn được cổ vũ bởi một bằng chứng trực tiếp hơn về hóa học bề mặt mà có liên quan đến tầm quan trọng của gia keo hạt nhỏ hơn.

Những thành phần phối liệu khác: Những thành phần khác có thể có ích hay có hại tùy theo bản chất và lượng hiện diện của chúng. Các chất phá bọt là chất hoạt động bề mặt và có thể có tác dụng ngược lên gia keo nếu như tồn tại quá nhiều. Điều này xảy ra nếu như dùng quá nhiều chất phá bọt để giải quyết vấn đề tạo bọt. Tốt hơn hết là nên truy về nguyên nhân của việc tạo bọt hơn là cố khắc phục hậu quả. Có một số biện pháp thông dụng để giảm bọt như: giảm bớt các nguồn sinh ra khí (bơm rỉ, những dòng nước đổ từ trên xuống) khiến không khí đi vào hệ thống, kiểm soát tổng lượng acide, cho phèn vào ngay khi chất gia keo được đưa vào bằng hơi để phá bọt, kiểm soát chất tẩy tàn dư, và cho nhiều nước hơn vào dòng huyền phù bột. Nói chung khuynh hướng tạo bọt xảy ra mạnh nhất ở pH= 6 và trở lại ở pH= 4. Đó là do nhựa xà phòng hóa (ở pH 6) và lượng thặng dư nhựa tự do không có mối nối (pH dưới 4) đều là những chất duy trì bọt rất tốt. Sử dụng chất phá bọt cũng có thể giúp ích cho công tác gia keo nếu như việc định hình cho giấy được cải thiện bằng cách khử khí đối với huyền phù bột.

Tác động của nhuộm thì ít được chú ý hơn. Đa số các chất nhuộm thì có ít hoặc không có ảnh hưởng gì lên gia keo, trừ khi chúng được sử dụng với khối lượng lớn.

Những yếu tố vật lý

Chất lượng của công tác gia keo bị ảnh hưởng đáng kể bởi nhiều yếu tố vật lý. Định lượng của giấy, mật độ, liên kết bên trong sợi xơ, việc định hình và phân bố xơ sợi mịn là những yêu tố chính cần được xem xét. Định lượng hay độ dày của giấy cũng được chú ý nhiều; và kết luận rút ra là, thời gian chất lỏng thẩm thấu qua tờ giấy thì thay đổi theo diện tích hay thể tích độ dày. Việc sử dụng cách thử nghiệm nào đó là để xác định chính xác mối quan hệ. Về mật độ tờ giấy thì kết quả có quan hệ mật thiết với hình thức gia keo và mức độ gia keo. Công đoạn ép ướt làm gia tăng đáng kể hiệu quả gia keo, những loại gia keo nhựa được gia cường thì có đáp ứng tương đối khác với những loại không gia cường.

Việc các liên kết bên trong sợ i xơ được phát triển mạnh hơn thì có liên quan tớ i những đ iều kiện thuận lợ i cho công tác gia keo. Một ví dụ cụ thể là tính tương tác của chất gia keo nhựa tự do, vốn sẽ dàn trải và tái phân bố trên bề mặt xơ sợi trong suốt quá trình sấy giấy, nên sẽ khiến hình thành nhiều mối liên kết xơ sợi hơn. Những sai sót trong công tác định hình luôn có ảnh hưởng xấu lên gia keo, bởi vì những đốm nhỏ sẽ thẩm thấu nhanh hơn bề mặt đặc kín. Điều này sẽ thể hiện dưới dạng những lỗ kim châm trong các xét nghiệm về độ thẩm thấu.

Điều kiện sấy từ lâu đã được nhận thức là một yếu tố chủ chốt để đạt được hiệu quả tối đa của công tác gia keo. Các kết tủa resinate aluminum phải kết tụ tới một mức độ nào đó mới đạt được sự định hướng đúng đắn trên sợi xơ. Điều này chỉ xảy ra khi thiết lập được quan hệ độ ẩm/độ nóng chính xác. Băng giấy ướt phải không được quá nóng trong khi hàm lượng độ ẩm vẫn cao, bởi vì hơi nóng hấp thụ vào kết tủa gia keo và làm sinh thêm kết tủa gia keo. Cả hai yếu tố đều có tác động ngược lên công tác gia keo. Người ta đã xác định là việc sấy giấy phải được thực hiện theo một chu trình như sau: vào các lô sấy mát trước, đến các lô sấy nóng trung tâm (độ nóng đạt cao nhất khi độ ẩm băng giấy ướt đạt 40%) rồi đến các lô sấy mát sau cùng. Theo đó cần luôn nhớ rằng điều quan trọng bậc nhất là đối với những hình thức gia keo nhựa khác nhau, thì chế độ sấy tối ưu sẽ khác. Kết tủa gia keo xà phòng hóa thì có hàm lượng resinate aluminum lớn vốn không bao giờ kết tụ phù hợp; và bất kể việc tái cấu trúc đã diễn ra như thế nào trong suốt quá trình sấy giấy nó vẫn phụ thuộc nghiêm ngặt vào việc có được mối tương quan đúng đắn giữa độ ẩm/ nhiệt độ. Cả hai yếu tố cùng phối hợp tác động lên sự định hướng cần thiết để đạt được hiệu quả gia keo tốt nhất. Đối với gia keo nhựa tự do hay gia keo phân tán, thì không cần có cùng chế độ sấy, bởi vì các loại keo nhựa này nóng chảy và tái phân bố trên bề mặt xơ sợi và phản ứng với nhôm ở những nhiệt độ sấy giấy bình thường. Trong quá trình này hàm lượng độ ẩm trở nên kém quan trọng hơn so với trong trường hợp của các kết tủa gia keo xà phòng hóa.

Mỗi hệ thống nhà máy có một môi trường khác. Kết quả là, nhựa có thể hiện diện dưới nhiều hình thức khi được cho bám vào xơ sợi bằng phèn và theo đó thì tính cách kết tụ của các kết tủa gia keo sẽ thay đổi. Những quy trình vận hành tốt nhất sẽ được rút ra từ cơ sở thực tiễn trong những điều kiện thương mại. Chế độ sấy chính xác đòi hỏi thực nghiệm của chính các nhà máy.

Ứng dụng của gia keo xà phòng hóa

Duy trì các điều kiện hóa học chính xác trong suốt quá trình cho chất gia keo chuyển sang thể sệt thì cũng quan trọng như duy trì điều kiện đúng trong quá trình ứng dụng đầu ướt. Một chất gia keo xà phòng hóa phải được chuyển sang thể sệt trong nước mềm và phải bảo đảm có độ kiềm vừa đủ trong phối liệu để giữ cho keo tồn tại dưới dạng xà phòng hóa. Dạng keo này là cách chống lại tốt nhất tình trạng kết đám sớm do các ion kim loại đa hóa trị.

tiên rồi bỏ phèn vào sau khi chất gia keo đã phân bố đồng nhất trên phối liệu giấy. Tốt nhất là đưa pH của dòng huyền phù bột về khoảng 6.5-7 trước khi cho gia keo nhựa. Nếu pH chỉ từ 5.5 - 6.3, chất gia keo có thể bị kết đám sớm do phản ứng với các ion kim loại đa hóa trị như Ca++ hay với chất phèn hồi lưu. Gia keo kết đám, hay là gia keo bị chuyển hóa thành Ca-resinate trong những vùng có nước cứng là một tổn thất lớn cho công tác gia keo. Trong hoàn cảnh đó, thường người ta cho phèn vào trước rồi mới đến chất gia keo xà phòng hóa bằng cách trộn kỹ để có được sự phân bố gia keo đồng nhất và nhanh chóng. Nếu trộn kỹ và đưa nhanh phèn vào sau khi gia keo, cũng sẽ có được kết quả tốt dựa trên tiêu chuẩn của các phụ gia hóa học. Nên đo độ pH của phối liệu trước khi gia keo. Nếu pH quá cao (khoảng 9.0), kết tủa gia keo sẽ chứa rất ít nhựa và điểm kết tụ sẽ cao tột cùng nên công tác gia keo chỉ đạt hiệu quả tương đối.

Theo nguyên tắc chung thì lượng phèn cần dùng gấp khoảng 1.5 lần so với lượng nhựa gia keo. Để đạt hiệu quả tối đa, phèn nên được trung hòa tới 30% bởi vì trong khoảng này nguyên tố alumina có được điện tích dương cao nhất. Như vậy nó sẽ đưa thêm từ 1 đến 1.5 gốc baz OH tương đương cho mỗi ion Al+++. Lượng baz chính xác đã được thêm vào là do một số yếu tố như hàm lượng phèn trong phối liệu, nhiệt độ và pH của huyền phù bột. Những yếu tố này sẽ xác định cần thêm bao nhiêu gốc OH để thủy phân. Đồng thời, mức độ trung hòa phèn thực sự sẽ luôn cao hơn mức trung hòa “chính thức” vốn dĩ phụ thuộc vào lượng kiềm bổ sung. Các ion dương hoạt động, hay điện tích dương khả dĩ, đã được nghiên cứu chi tiết và thông tin đã được công bố nơi các tài liệu tham khảo đánh số 23 và 28. Thành phần của những loại cation lớn nhất thì thay đổi trong một khoảng pH hẹp, do đó việc kiểm soát chỉ riêng một yếu tố pH không thể là cách đáng tin cậy để duy trì những điều kiện tối ưu cho máy xeo. Tỷ lệ chính xác baz/A phải được thiết lập là gấp 3. Để tính độ kiềm của huyền phù bột, việc phân bố chất baz của chất gia keo cần được quan tâm nhiều hơn.

Trong những hệ thống có hàm lượng alkaline cao, có thể phải cần nhiều phèn hơn để vận hành gần mức pH tối ưu. Để tránh dùng quá nhiều phèn một cách không cần thiết, thì dùng hỗn hợp acide sulfuric (H SO ) với phèn sẽ đạt hiệu quả. Đối với các phối chế có độ kiềm cao, việc thay thế từng phần phèn bằng acide sẽ có kết quả tốt để cải tiến công tác gia keo và gia tăng độ bền cho giấy. Sử dụng acide làm giảm lượng acide tiềm tàng trong tờ giấy là chất sẽ chuyển thành những vẩn gợn hydrolysis nhôm, Al (OH) (SO ) 0.5 khi giấy bị cũ đi. Kết quả là độ bền của giấy được cải thiện.

2 4

2 5 4

Công tác gia keo còn được kiểm soát bằng cách theo dõi độ acide toàn phần. Độ acide toàn phần được xác định bằng cách định chuẩn độ của 100ml nước hứng ở phần ép máy xeo với 0.02N NaOH để đạt tới điểm cuối phenolphthalein. Nhân gấp 10 lần số ml NaOH sẽ được độ acide toàn phần. Đa số các nhà máy giấy có được độ gia keo tốt nhất khi độ acide toàn phần được duy trì ở mức 50 đến 150 ppm (như CaCO ). Khi độ acide toàn phần quá cao và/hoặc pH quá thấp, sẽ có một lượng nhôm không phù hợp bị lưu giữ lại khiến công tác gia keo bị ảnh hưởng. Nếu độ acide toàn phần quá thấp, thì bất kể là với sự hiện diện của lượng phèn quá thấp hoặc với lượng nhôm còn sót lại, cũng tạo nên điện tích dương không phù hợp. Xem xét mối tương quan về độ acide toàn phần của những nhà máy giấy khác nhau đã cho thấy độ acide không phải là một chỉ số tốt để tối ưu hóa việc sử dụng phèn. Nếu muốn rút ra được mối tương quan giữa độ acide toàn phần với độ trung hòa do phèn thì phải tiến hành thống kê ở nhiều nhà máy khá c nhau với khối lượng dữ liệu khổng lồ. Những công trình lý thuyết kết hợp các nghiên cứu ở nhà máy trong quá khứ và mới gần đây đã cung cấp những bằng chứng đáng tin cậy là muốn đạt mức sử dụng tối ưu trong nhà máy thì phải kiểm soát độ trung hòa do phèn (OH/Al) – đó là cách tiếp cận tốt nhất.

3

Việc vận hành ở mức pH quá thấp còn là nguyên nhân của nhiều vấn đề khác. Chất gia keo bị

là một vấn đề khác. Ở pH thấp, sự trương nở xơ sợi bị sút giảm và độ bền tờ giấy cũng giảm do liên kết xơ sợi bị giảm. Sự sút kém của màu và các tính chất cơ lý của tờ giấy theo thời gian cũng tăng lên rõ rệt. Hiệu quả gia keo mau chóng bị suy giảm là một yếu tố khác, do bởi chất nhựa tự do không có mối liên kết phù hợp và khi ở dưới dạng acide tự do nó trở nên rất nhạy với hiện tượng tự oxy hóa, khiến hiệu quả gia keo bị kém đi.

Liên tục bỏ thêm chất gia keo và phèn giúp cải thiện được việc kiểm soát quy trình. Thêm chất gia keo vào ngay phía trước máy Jordan, và phèn thì cho sau đó, là một kỹ thuật đáng chú ý. Nếu cho gia keo vào hệ thống quá sớm và cho phèn quá trễ thì có thể xảy ra hiện tượng tạo bọt nghiêm trọng, khiến bột văng tung tóe và hiệu quả gia keo có thể bị sút giảm do bởi các kết tủa bị gia tăng kích thước và phân bố không tốt trên các sợi xơ.

Sử dụng các loại keo phân tán

Các loại keo phân tán là một bước tiến đáng kể trong kỹ thuật gia keo mang đến cho công nghiệp giấy một số lợi ích như: gia keo được nhiều hơn đối với cùng một lượng nhựa được sử dụng, khoảng pH cho phép để gia keo rộng hơn, cải thiện thoát nước, cải thiện độ bền tờ giấy, và không đòi hỏi thiết bị chuyên dùng. Bản chất của các lợi ích này chủ yếu là do tính chất hoạt động hóa - bề mặt của chất gia keo phân tán.

Thuật ngữ “phân tán” hàm ý là các hạt keo là loại nhựa ở thể rắn. Ý tưởng sử dụng chất nhựa phân tán vào công tác gia keo có từ năm 1932, khi phương pháp gia keo Bewoid ra đời. Ngày nay, gia keo nhựa phân tán được nhiều nhà sản xuất khuyên dùng, mỗi nơi theo một quy trình tương đối khác đôi chút. Tất cả các sản phẩm đều sử dụng tốt và đều có tính chất của kiểu gia keo Bewoid. Keo phân tán thường được dùng với hàm lượng 40% chất rắn và chứa 100% nhựa tự do đã được gia cường đến một mức độ nào đó. Các chất phân tán có điện tích âm và được ổn định bằng cách dùng những thể keo tụ bảo vệ và ở thể sệt như sữa. Tính ổn định cơ lý của chất keo phân tán có thể thay đổi rất đáng kể, và trường hợp chất phân tán bị vỡ nát khi được bơm qua một thiết bị có độ cắt mạnh không phải là hiếm thấy.

Chất nhựa sẽ tích tụ và bám trên các bộ phận của thiết bị và nơi các vách bên trong của bơm cũng như các phao lưu lượng kế. Dùng quá nhiều nước để pha loãng cũng làm chất phân tán bị mất ổn định, vì việc tập trung các chất ổn định cho hiệu quả đã bị sụt giảm. Nước pha loãng cũng có thể có chứa ion Ca++ hoặc Mg++ gây mất ổn định sự phân tán do làm giảm điện tích âm của nó. Nhiệt độ lưu giữ ổn định của một sản phẩm gia keo đã được chế biến tốt nhất là từ 2°C đến 40°C. Nếu nhiệt độ cao hơn mức này quá nhiều sẽ có hại và làm đông cứng do đó gây vỡ vụn chất phân tán. Trong vận hành, cần tránh không để chất phân tán ở gần thiết bị cắt xẻ. Chẳng hạn như, một chất phân tán tương đối ổn định có thể được cho tuần hoàn trong một bơm nhu động (peristaltic pump) trong hơn tám giờ; trong khi đó với vòng tuần hoàn qua bơm ly tâm hay thiết bị trộn có độ cắt cao thì độ ổn định của nó giảm xuống còn lần lượt là 450 hay 20 phút.

Người ta vẫn chuộng kiểu gia keo phân tán với những hạt gia keo nhỏ - cụ thể trong khoảng 0.1 tới 0.5 micrometers. Phản ứng với phèn chỉ xảy ra với một phần nhỏ nhựa vốn dĩ đã có trạng thái ion hóa trên bề mặt các hạt. Nhựa hay là các kết đám hình thành bởi một chất gia keo phân tán thì dày đặc và nén chặt hơn những kết tủa hình thành bởi gia keo xà phòng hóa. Đây chính là lý do khiến gia keo phân tán giúp thoát nước trở nên tốt hơn. Nguyên nhân khác nữa là gia keo phân tán không làm giảm tỷ lệ điện tích của nhôm, trong khi gia keo xà phòng hóa, do có điện tích âm lớn, đã làm giảm điện tích dương của nhôm. Mối tương tác yếu hơn của gia keo phân tán với nhôm điện tích dương cũng gây ra một số bất lợi. Keo phân tán thì khó lưu lại hơn khi ta dùng phèn làm chất trợ bảo lưu. Để gia keo phân tán đạt hiệu quả cao nhất, cần xác định việc duy trì bảo lưu vòng một cao nhất là mục tiêu chính; do đó các polymer điện tích dương, như các loại nhựa làm tăng độ bền ướt hay các cation tinh bột,

công tác gia keo. Với các polymer điện tích dương ta có thể giảm đáng kể lượng phèn sử dụng, nhưng không bao giờ được cắt giảm nó xuống dưới giới hạn cho phép vốn là đặc trưng của một loại phối liệu nào đó. Lúc đó nhựa tự do sẽ tản mát ra và không thể đạt được hiệu quả gia keo toàn diện.

Cách vận hành thích hợp là thêm phèn (bằng cách khuấy kỹ) ở vị trí hòm bột máy xeo và cho keo phân tán vào thùng bột trước hòm phun, at stuff box. Phèn tinh (trim alum) và chất kích hoạt cation hay các chất trợ bảo lưu có thể cho vào ở gần bơm quạt, hoặc ở vị trí giữa bơm và thùng đầu máy xeo.

Nói về các yếu tố thông thường của nhà máy thì cũng đáng để làm rõ là nói chung việc gia keo phân tán cũng sẽ bị ảnh hưởng tương tự như kiểu gia keo xà phòng hóa. Ví dụ như, các loại bột không tẩy thì dễ gia keo hơn; việc nghiền và thêm các chất độn sẽ khiến phải gia keo nhiều hơn; kiểm soát được độ trung tính của phèn tới 30%-50% sẽ có lợi nhiều cho trợ bảo lưu chất gia keo và cho công tác gia keo; các chất kiểm soát diệt khuẩn tích tụ trên bề mặt gia keo có thể gây hại nghiêm trọng cho cả hai kiểu gia keo – trong đó chất gia keo phân tán phản ứng hơi nên chắc chắn sẽ được nhà sản xuất giấy chọn dùng. Keo phân tán chỉ phản ứng với nhôm khi băng giấy ướt đi qua lô sấy và hình thành nên alumin resinate ngay cả với aluminum hydroxide trung tính. Điều này có nghĩa là công tác gia keo có thể phát triển với các phối liệu mà pH đầu ướt gần tới 7. Vấn đề này sẽ được thảo luận chi tiết thêm trong chương kế về “Sử dụng nhựa trong cách xeo giấy trung tính”

Kết luận

Các loại keo phân tán có thể gây ra nhiều vấn đề cho nhà sản xuất giấy nếu được sử dụng hay ổn định không đúng cách. Ngược lại, việc sử dụng đúng cách sẽ đem lại nhiều lợi ích mà gia keo xà phòng hóa không thể sánh bằng.

Sử dụng nhựa trong xeo giấy trung tính

Khi kiểu xeo giấy trung tính dùng CaCO làm chất độn ra đời, một câu hỏi đặt ra là có thể dùng một dạng nhựa nào đó làm tác nhân gia keo trong các điều kiện này hay không? Trái hẳn với suy nghĩ đang có, câu trả lời là có! Khoảng pH để công tác gia keo với nhựa đạt hiệu quả thì không bị giới hạn cho tới những điều kiện acide. Công nghệ hiện có cho phép mở rộng biên độ pH hiệu quả gia keo lên cao tới pH 7.

3

Vận hành bằng gia keo xà phòng hóa thì phải giới hạn trong mức pH acide từ 4 - 5. Gia keo xà phòng hóa phải được thực hiện để aluminum resinate lưu lại trong tờ giấy. Phản ứng thì hầu như hoàn toàn diễn ra ở pha nước, trước khi hình thành băng giấy ướt. Nếu trong huyền phù bột có CaCO , toàn bộ hệ thống được đệm trong độ pH 7-8, và sẽ đạt được độ kiềm vừa đủ để chuyển đổi hoàn toàn nhôm dưới dạng cation thành Al+++(OH) , vốn là thứ không thể trung hòa anion nhựa xà phòng hóa. Như hình 1.1 cho thấy, ngay cả những vết xà phòng hóa cũng chuyển các bề mặt kháng nước thành cực, hám nước và thế là công tác gia keo bị thất bại.

3

3

Tình hình hoàn toàn khác nếu như chất gia keo được sử dụng có dạng acide tự do, như nhựa phân tán tốt. Keo phân tán không trải qua bất kỳ phản ứng hóa học nào với phèn trong suốt quá trình bảo lưu ở pha nước. Dạng nhựa này trước hết phản ứng với nhôm khi băng giấy ướt đi qua những trống nóng hổi ở khu vực sấy. Lúc này, nhiệt độ và độ ẩm cao làm cho nhựa trải ra và phản ứng với một polymer hydroxy-aluminum trên bề mặt xơ sợi, tạo nên aluminum resinate. Sẽ không còn tồn tại pha nước nữa và trên bề mặt sợi xơ không thể có độ kiềm vượt quá độ kiềm của CaCO3 Kết quả là một màng keo kháng nước sẽ thành hình với một dư lượng tạp chất rất nhỏ từ chất xà phòng hóa nhựa.

Loại hóa chất này mang đến cho nhà sản xuất giấy một lựa chọn để đạt được tính thỏa mãn đối với công tác gia keo với nhựa ngay cả khi phối liệu có chứa lượng chất độn CaCO3 từ trung bình tới cao. Cách thức này đã được áp dụng với quy mô nhà máy và đã thành công đáng kể. Để làm giảm mức tương tác của phèn có tính acide với chất độn CaCO3 có tính kiềm, người ta trộn nhựa phân tán với phèn, chủ yếu là ở dàn bột mỏng. Công tác gia keo thành công nên được duy trì ở pH vận hành khoảng 6,5, sử dụng 0.5% nhựa phân tán và phèn 1.0%-1.5%, với tải lượng CaCO3 khoảng 30%, dựa trên xơ sợi. Cách thức này cho phép nhà máy thu được lợi ích từ chất độn CaCO3 với chi phí khiêm tốn nhất. Các lợi ích bao gồm: giảm tiêu hao năng lượng trong khâu nghiền, cải thiện thoát nước và sấy, và cho khả năng giữ được hàm lượng chất độn cao trong tờ giấy.

Khi xét tới vai trò của nhựa trong ngề xeo giấy trung tính, người ta hay bỏ qua yếu tố là đối với nhiều loại giấy, đa phần công tác gia keo được thực hiện bằng cách ép keo. Đối với gia keo nội bộ phải dùng đủ lượng keo nhựa để kiểm soát được việc chọn lựa kiểu ép keo. Một lựa chọn đúng đắn khi kết hợp gia keo phân tán với phèn sẽ cung cấp một hệ thống gia keo đáng tin cậy đối với tờ giấy có calcium carbonate. Tờ giấy gốc có thể được gia keo bề mặt bằng cách dùng styrene-malefic acid điện tích âm loại đa phân tử polymer với các đơn phân tử điện tích dương thích hợp. Có nhiều sản phẩm thương mại để dùng cho dây chuyền kiểu này, nhưng chúng lại thuộc những sản phẩm khác nằm ngoài phạm vi của chương này.

NTH – ABP (12/2008)

H.1.1: Phát triển gia keo theo chức năng của pH đối với bột kraft tẩy gỗ mềm/cứng