造纸用化学品

定义

造纸用化学品指在制浆、抄纸和成纸加工过程中用来处理纤维原料、纸浆及原纸的化学制剂，也常被称为造纸化学品或造纸助剂。中国造纸化学品工业协会归口的团体标准 T/CPCIA 0001—2021 将其界定为制浆造纸过程中使用的各类专用化学品，覆盖生产、销售、应用、科研与教学等领域^[3]。

按工序位置，这类药剂一般分为制浆化学品、抄纸化学品、纸加工化学品和环境治理化学品四类，部分标准另设“其他化学品”一类以容纳纳米纤维素衍生物等难以归类的材料^[1]。从使用性质看，又可分为通用型与精细型：氢氧化钠、硫化钠、松香等属于多数纸种都需要的通用化学品，氨基磺酸这类为特定工艺添加的则属精细化学品。

抄纸环节的化学品还常按功能再分为两类：过程化学品服务于纸机运行，功能性化学品直接改变纸张性质，两者的界限并不严格，因为过程化学品也会间接影响成纸性能^[4]。有文献估计，全部添加化学品中约 90% 属于功能性添加剂，其余 10% 为过程化学品，其中助留剂体系所占份额最大^[4]。

原理

制浆化学品的作用对象是木质素与碳水化合物。碱法蒸煮依靠氢氧根断裂木素中的 α-芳基醚键，加入硫化钠后，硫离子和硫氢根离子的亲核性强于氢氧根，更易切断 β-芳基醚键，因此硫酸盐法的脱木素速度快于单纯烧碱法^[5]。碱法蒸煮同时会发生剥皮反应，使聚糖末端基逐个脱落而损失得率，蒽醌类助剂可先把还原性末端基氧化为羧基，从而抑制这一降解过程^[5]。

漂白分氧化性与还原性两条路线：化学浆多用液氯、次氯酸盐、过氧化氢、二氧化氯等氧化剂除去残余木素与发色物质；机械浆则以连二亚硫酸盐等还原性药剂为主，配以硅酸钠作缓冲剂、硫酸镁作稳定剂，抑制微量重金属对过氧化物的催化分解。

施胶剂的作用是降低纸张表面能、阻滞水和水溶液渗入。传统松香胶须借助硫酸铝在酸性条件下生成带正电的絮状物沉积到纤维上才产生抗水性，属酸性施胶；烷基烯酮二聚体（AKD）含 β-内酯环，能在接近中性的条件下与纤维结合，链烯基琥珀酸酐（ASA）则由马来酸酐与 C14～C18 烯烃反应制得，二者同为中碱性施胶的代表^[6]。

助留助滤剂是湿部化学的核心。纸浆纤维与多数填料表面带负电而相互排斥，加入阳离子聚合物后电荷被中和，Zeta 电位趋近零时细小纤维与填料较易附着于纤维；长链高分子还可在颗粒间架桥形成絮团，这被称为桥联絮凝，另有高电荷密度低分子量聚合物形成的“补丁”机理^[7]。单一阳离子聚合物形成的絮团过大时会导致匀度变差，微粒体系因而先用阳离子聚合物絮凝，再经高剪切破碎后加入胶体二氧化硅或膨润土等阴电微粒，把碎块重新连成尺寸更小、结构更致密的微絮体，兼顾留着率、滤水性与成形匀度^[7]。

发展历程

早期造纸沿用松香加明矾的酸性施胶体系，成本低廉，但成纸的耐老化性能较差^[8]。20 世纪 70 年代中性施胶剂投入应用，使纸张耐久性方面的缺陷得到改善。1975 年前后发现，在蒸煮药液中添加少量蒽醌可催化加速碱法脱木素，此后蒽醌及其衍生物与其他蒸煮助剂得到系统研究^[9]。

聚丙烯酰胺、阳离子淀粉等高分子助剂自 20 世纪末起被大量用于助留、助滤和废水处理，其离子型态可按不同纸机环境选择。行业分类的标准化则相对较晚：中国造纸化学品工业协会发布的 T/CPCIA 0001—2021《造纸化学品产品分类导则》于 2021 年 12 月 31 日发布、2022 年 4 月 1 日实施，界定了相关术语与产品分类^[3]。

应用

在制浆工段，蒸煮剂依制浆方法而异：碱法使用氢氧化钠、硫化钠和石灰，酸性亚硫酸盐法使用亚硫酸氢钙或亚硫酸氢镁，中性亚硫酸盐法使用亚硫酸钠与碳酸钠，氧碱法则以氧和碱配合。硫酸盐法因得率和纸张强度较好而居主导地位；废纸制浆则主要依靠以非离子表面活性剂为主体的脱墨剂，按纸浆质量与油墨类型调整配方^[8]。

抄纸工段的药剂种类最多。助留助滤剂包括阳离子淀粉、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚酰胺及多元助留体系；消泡剂有聚醚类、有机硅复配物；干强剂以聚丙烯酰胺、阳离子淀粉和瓜尔胶为主，通过增强纤维间结合力提高抗张强度与耐折度；湿强剂则用三聚氰胺甲醛树脂、脲醛树脂、聚酰胺多胺环氧氯丙烷等改善纸张湿态强度^[8]。施胶剂、染料与荧光增白剂、填料、杀菌剂同属这一工段的常用品种^[10]。

特殊纸种对应功能各异的化学品：书写纸需内施胶剂赋予抗水性，钞票纸、水果套袋纸要求高湿强，装饰纸兼需高不透明度与湿强，卷烟纸通过助燃剂与阻燃剂调控燃烧速度，防伪纸使用荧光纤维，除臭纸则添加吸附剂^[11]。进入成纸加工环节后，涂布粘合剂、颜料分散剂、润滑剂、抗水剂与防腐剂等被用于改善纸面性能。废水处理方面，蒸煮废液、中段水和造纸白水分别采用无机絮凝剂与聚丙烯酰胺类有机絮凝剂处理^[8]。

局限

功能性化学品的效果受制于湿部化学环境。助留剂的用量窗口较窄，超过最佳值后电荷逆转、絮团被破坏，填料留着率与纸张抗张指数反而下降^[12]。留着率与匀度之间存在此消彼长的关系：絮团越大留着越好，纸页中纤维与填料的分布却越不均匀，单一药剂难以同时兼顾两者^[13]。高离子浓度、封闭白水循环和二次纤维带来的阴离子杂质也会削弱阳离子助剂的作用^[7]。

部分药剂自身存在性能短板。松香-明矾酸性施胶的成纸耐老化性不佳，转向中碱性施胶又要求改用碳酸钙填料并调整整个湿部体系^[8]。AKD 乳液极易水解，固含量通常约 15%，pH 值在 3～4 之间，乳化与储存条件因此较为苛刻^[6]。关于 AKD 与纤维素之间能否真正发生化学反应，学术界至今仍有分歧^[14]。此外，蒽醌类、含氯漂白剂等品种的环保与安全约束，也推动行业转向低污染药剂和酶制剂等替代路线^[15]。

参见

• 烷基烯酮二聚体 —— 中碱性施胶的代表性反应型施胶剂，是取代酸性松香施胶的关键品种。

• 烯基琥珀酸酐 —— 另一种中碱性浆内施胶剂，熟化速度快、适用 pH 范围宽。

• 聚丙烯酰胺 —— 造纸湿部应用最广的高分子助剂之一，用作助留剂、助滤剂、干强剂与絮凝剂。

• 阳离子淀粉 —— 由天然淀粉阳离子化制得，兼具助留、助滤与增强功能。

• 硫酸盐法 —— 以氢氧化钠和硫化钠为蒸煮剂的制浆方法，决定制浆化学品的选用。

• 湿部化学 —— 研究纸料中纤维、填料与各类助剂之间胶体与表面作用的领域。