高档卷烟纸专用轻质碳酸钙（PCC）沉降体积控制技术
高档卷烟纸专用PCC 除了要满足高透气度、高强度的基本要求之外，还要求能提高卷烟纸的不透明度、白度，改进手感和柔软性，有较高的留着率以及能调节卷烟纸燃烧速度等功能。高档卷烟纸对专用PCC 的晶形、平均粒径大小与粒度分布、游离碱含量、白度等有严格要求，对沉降体积要求并不明确。按照通常的观点，PCC 粒度越小，其沉降体积越大，反之亦然。但事实上，PCC平均粒度与沉降体积并不是一种一一对应关系，因为沉降体积除了与结晶粒子大小有关之外，还与粒度分布和结晶形态等因素密切相关。因此，生产过程中往往存在平均粒径大小与沉降体积大小之间的矛盾，当平均粒径合格时沉降体积却偏大；反之，当沉降体积合格时，平均粒径又偏大。
牡丹江恒丰纸业的生产实践表明：高档卷烟纸专用PCC 平均粒径最好处于3.2~3.8 μm 之间，d503.5 μm，比表面积2~3 m2·g-1，沉降体积3.5 mL·g-1，如果沉降体积偏大将影响纸张的透气性能。
本文从调节平均粒径大小与粒度分布、石灰活性、石灰消化水温度、碳化温度，稳定进行窑气净化和熟浆陈化等工艺条件探讨实现沉降体积的可控性。
１ 不同粒径与粒度PCC的性质
我们用Mastersizer2000 激光粒度分析仪对不同试样的粒度大小、粒度分布情况与沉降体积进行了对比分析，分别如图1(a)、图1(b) 和图1(c) 所示。
由图1(a)可知，试样１ 在0.2~1.2μm 之间有一个明显的小峰，主峰已经明显深入10~15
μm 之间，说明该试样中既明显存在部分微细PCC，同时又存在大于10μm 的普通PCC，总体的平均粒径较大，比表面积较小，粒径分布较宽，且峰高较矮，虽然其沉降体积适中，但不符合产品的粒度分布要求，应用效果不佳。
μm 之间，说明该试样中既明显存在部分微细PCC，同时又存在大于10μm 的普通PCC，总体的平均粒径较大，比表面积较小，粒径分布较宽，且峰高较矮，虽然其沉降体积适中，但不符合产品的粒度分布要求，应用效果不佳。
由图1(b) 看出，其峰形与图1(a) 相似，不同的是试样2 的平均粒径看起来非常符合要求，但粒度分布更宽，微细PCC 含量更多，比表面积较大、沉降体积明显偏大，应用效果仍不理想。图1(c) 只有一个主峰，且粒度分布较窄，峰高较大，峰宽较小，比表面积适中，峰形对称美观，其平均粒径和沉降体积都符合产品要求，应用效果很好。
可见，PCC 的平均粒径和粒度分布是两个影响沉降体积的重要因素，在平均粒径相差无几的情况下，粒度分布是一个更重要的影响因素，只有当产品的平均粒径、粒度分布和沉降体积同时符合要求时才能算是合格的产品。根据斯托克斯定律，由于微细PCC 悬浮粒子产生的轻度布朗运动，对粒子的下沉产生阻滞作用，这是平均粒径较小、粒度分布较宽、沉降体积却更大的原因。因此，在高档卷烟纸填料专用PCC 生产过程中要着力避免粒径小于1 μm 的微细PCC 的出现，同时也要避免粒径大于10 μm 的普通PCC 的出现，这是控制产品沉降体积的重要措施。
2 PCC 的性质控制
2.1 调节石灰活性
生石灰的生产是PCC 的龙头，只有先生产出了优质的生石灰，才可能最终生产出合格的PCC产品。活性石灰是一种优质轻烧石灰，它具有晶粒细小（0.1~3 μm）、气孔率高(50%）、体积密度小(1.5~1.7 g·cm-3)、比表面积大(1.5~2.0 m2·g-1)、活性度高( ≥ 300 mL)、残余CO2 含量少( ≤ 2 %)等优点。石灰活性越好，越容易消化，消化后的氢氧化钙粒子越小，生产出来的PCC 平均粒径就越小，其沉降体积值就越大[6]。但粒径大小与沉降体积大小并不是一一对应关系，在其他工艺参数允许的条件下，在产品平均粒径合格的前提下，提高石灰活性可加大产品的沉降体积；反之，降低石灰活性可减小产品的沉降体积，石灰活性对轻钙沉降体积的影响如表2。实践表明，高档卷烟纸填料专用PCC 要求中等活性的石灰，石灰活性度大于300 mL 或小于200 mL 都不适合。而石灰活性大小的控制可通过控制燃煤添加比例来控制煅烧温度，通过控制煅烧时间来控制石灰石的分解程度来实现。
可见，PCC 的平均粒径和粒度分布是两个影响沉降体积的重要因素，在平均粒径相差无几的情况下，粒度分布是一个更重要的影响因素，只有当产品的平均粒径、粒度分布和沉降体积同时符合要求时才能算是合格的产品。根据斯托克斯定律，由于微细PCC 悬浮粒子产生的轻度布朗运动，对粒子的下沉产生阻滞作用，这是平均粒径较小、粒度分布较宽、沉降体积却更大的原因。因此，在高档卷烟纸填料专用PCC 生产过程中要着力避免粒径小于1 μm 的微细PCC 的出现，同时也要避免粒径大于10 μm 的普通PCC 的出现，这是控制产品沉降体积的重要措施。
2 PCC 的性质控制
2.1 调节石灰活性
生石灰的生产是PCC 的龙头，只有先生产出了优质的生石灰，才可能最终生产出合格的PCC产品。活性石灰是一种优质轻烧石灰，它具有晶粒细小（0.1~3 μm）、气孔率高(50%）、体积密度小(1.5~1.7 g·cm-3)、比表面积大(1.5~2.0 m2·g-1)、活性度高( ≥ 300 mL)、残余CO2 含量少( ≤ 2 %)等优点。石灰活性越好，越容易消化，消化后的氢氧化钙粒子越小，生产出来的PCC 平均粒径就越小，其沉降体积值就越大[6]。但粒径大小与沉降体积大小并不是一一对应关系，在其他工艺参数允许的条件下，在产品平均粒径合格的前提下，提高石灰活性可加大产品的沉降体积；反之，降低石灰活性可减小产品的沉降体积，石灰活性对轻钙沉降体积的影响如表2。实践表明，高档卷烟纸填料专用PCC 要求中等活性的石灰，石灰活性度大于300 mL 或小于200 mL 都不适合。而石灰活性大小的控制可通过控制燃煤添加比例来控制煅烧温度，通过控制煅烧时间来控制石灰石的分解程度来实现。
2.2 窑气净化与熟浆陈化
目前行业内广泛采用的窑气净化系统是由旋风分离器、喷淋除尘器或泡沫洗涤塔、吸附过滤塔等设备组成。其中旋风分离器、喷淋除尘器或泡沫洗涤塔可以很好地起到脱除窑尘、降温、脱硫等作用，能够长期稳定运行；其中吸附过滤塔为关键设备，吸附过滤塔一般都内装焦炭或分子筛，主要起到吸附脱除窑气中煤焦油等有机成分的作用，而吸附过滤塔能否有效运行正是窑气净化对PCC 沉降体积产生影响的关键所在。
因为焦炭或分子筛都存在一个有效容量，一旦超过吸附介质的有效容量，吸附塔将完全不能起到脱除煤焦油等有机成分的作用，而这些进入碳化阶段的有机成分容易吸附在产品表面，相当于对产品进行了局部的表面改性作用，从而使产品沉降体积产生“ 虚高”现象，即导致产品沉降体积偏大。因此，每班都要测定净化窑气中煤焦油的含量，定期更换吸附介质，确保吸附过滤塔的有效运行是保证产品沉降体积稳定的基础。
沉降体积与熟浆的陈化时间成反比，即陈化时间越长，沉降体积越小。但随着陈化时间的延长，陈化对沉降体积的影响越小，当陈化时间超过24 h 之后，沉降体积趋于稳定。这是因为不经陈化处理的PCC 结晶是不完整的、亚稳态的微细结晶，其粒度分布较宽，沉降体积较大；反之，经过陈化处理的PCC 结晶完整、形态稳定、粒度分布较窄、沉降体积较小。碳化熟浆经24 h 的陈化处理是稳定产品沉降体积的重要措施。
2.3 消化温度和浆液浓度
石灰乳活性与消化过程中的搅拌强度、石灰粒径、消化水温度、m(H2O)/m(CaO) 等操作条件有关。在消化设备、石灰质量、灰水比一定的条件下，消化水温度是决定消化质量的关键。消化反应是放热反应，反应体系的温度取决于生石灰的温度和消化用水的温度及数量。根据生产经验，一般消化温度比消化用水温度高20~40℃，当用热水(50~80℃ ) 进行消化反应时，反应尤其剧烈，可使反应温度达到100℃以上，从而使溶液沸腾，同时产生大量蒸汽，使消化反应速度更快，反应也更为彻底，Ca(OH)2颗粒也更为细腻，最终所产PCC 的沉降体积也更大。
可见，如果产品的沉降体积偏大，则可以适当调低消化水温度，反之亦然。当所选石灰质量、数量和消化水量都相同，消化水温分别为30℃、50℃、70℃时，分别测定3 个试样的石灰乳沉降体积和相应的PCC 沉降体积，其结果如表3。
目前行业内广泛采用的窑气净化系统是由旋风分离器、喷淋除尘器或泡沫洗涤塔、吸附过滤塔等设备组成。其中旋风分离器、喷淋除尘器或泡沫洗涤塔可以很好地起到脱除窑尘、降温、脱硫等作用，能够长期稳定运行；其中吸附过滤塔为关键设备，吸附过滤塔一般都内装焦炭或分子筛，主要起到吸附脱除窑气中煤焦油等有机成分的作用，而吸附过滤塔能否有效运行正是窑气净化对PCC 沉降体积产生影响的关键所在。
因为焦炭或分子筛都存在一个有效容量，一旦超过吸附介质的有效容量，吸附塔将完全不能起到脱除煤焦油等有机成分的作用，而这些进入碳化阶段的有机成分容易吸附在产品表面，相当于对产品进行了局部的表面改性作用，从而使产品沉降体积产生“ 虚高”现象，即导致产品沉降体积偏大。因此，每班都要测定净化窑气中煤焦油的含量，定期更换吸附介质，确保吸附过滤塔的有效运行是保证产品沉降体积稳定的基础。
沉降体积与熟浆的陈化时间成反比，即陈化时间越长，沉降体积越小。但随着陈化时间的延长，陈化对沉降体积的影响越小，当陈化时间超过24 h 之后，沉降体积趋于稳定。这是因为不经陈化处理的PCC 结晶是不完整的、亚稳态的微细结晶，其粒度分布较宽，沉降体积较大；反之，经过陈化处理的PCC 结晶完整、形态稳定、粒度分布较窄、沉降体积较小。碳化熟浆经24 h 的陈化处理是稳定产品沉降体积的重要措施。
2.3 消化温度和浆液浓度
石灰乳活性与消化过程中的搅拌强度、石灰粒径、消化水温度、m(H2O)/m(CaO) 等操作条件有关。在消化设备、石灰质量、灰水比一定的条件下，消化水温度是决定消化质量的关键。消化反应是放热反应，反应体系的温度取决于生石灰的温度和消化用水的温度及数量。根据生产经验，一般消化温度比消化用水温度高20~40℃，当用热水(50~80℃ ) 进行消化反应时，反应尤其剧烈，可使反应温度达到100℃以上，从而使溶液沸腾，同时产生大量蒸汽，使消化反应速度更快，反应也更为彻底，Ca(OH)2颗粒也更为细腻，最终所产PCC 的沉降体积也更大。
可见，如果产品的沉降体积偏大，则可以适当调低消化水温度，反之亦然。当所选石灰质量、数量和消化水量都相同，消化水温分别为30℃、50℃、70℃时，分别测定3 个试样的石灰乳沉降体积和相应的PCC 沉降体积，其结果如表3。
浆液浓度是影响轻钙平均粒径和沉降体积的主要因素之一。提高浆液浓度可增大产品的平均粒径和降低沉降体积；反之，降低浆液浓度可减小产品的平均粒径和增大产品的沉降体积。纳米PCC的生浆浓度一般控制在8%~12%，普通PCC 一般控制在16%~18%，高档卷烟纸专用PCC 的平均粒径介于普通PCC 和纳米PCC 之间，其生浆浓度应控制在12%~16%。
2.4 碳化起始温度和过程最高温度
生浆的起始反应温度、碳化过程最高温度的控制，也是影响PCC 平均粒径的重要因素之一。众所周知，普通PCC 生产过程是几乎不控制生浆的起始反应温度和碳化过程温度，这是因为普通PCC 也几乎不控制产品的粒径；而纳米PCC 生产过程则需要通过制冷来严格控制生浆的起始反应温度和碳化过程温度，这源于氢氧化钙粒子在水中的溶解度与温度成反比，即温度越低，其溶解度越大，反应的推动力越大，越有利于碳化反应初期形成大量晶核，有利于粒子超细化。
而高档卷烟纸专用PCC 的粒径介于普通PCC 和纳米PCC 之间，一般来说，浆液的起始反应温度可控制在20~30℃，碳化过程最高温度可相应地控制在45~55℃之间]。因此，碳化温度最好能实现可控。如果产品的沉降体积偏大，可适当调高碳化起始温度或碳化过程温度；反之亦然，但这可能带来产品平均粒径的改变。
3 结语
⑴ 在平均粒径相差无几的情况下，粒度分布是一个影响产品沉降体积更重要的因素，在高档卷烟纸填料专用PCC 生产过程中要着力避免粒径小于1 μm 的微细PCC 和大于10 μm 的普通PCC。
⑵ 提高石灰活性可加大产品的沉降体积，反之，降低石灰活性可减小产品的沉降体积。高档卷烟纸填料专用PCC 要求中等活性的石灰，石灰活性度大于300 mL 或小于200 mL 都不适合。
⑶ 吸附过滤塔是窑气净化的关键设备，一旦超过其吸附介质的有效容量，将不能起到脱除煤焦油等有机成分的作用，将使产品沉降体积产生“虚高”，导致产品沉降体积偏大。因此，确保吸附过滤塔的有效运行是保证产品沉降体积稳定的基础。
⑷ 消化水温度是决定消化质量的关键，消化水温一般控制在50~80℃。消化水温越高，消化反应速度越快，反应也越彻底，Ca(OH)2 颗粒也更为细腻，最终所产PCC 的沉降体积也更大。因此，如果产品的沉降体积偏大，则可以适当调低消化水温度，反之亦然。
⑸ 碳化温度最好能实现可控，起始反应温度可控制在20~30℃，最高温度控制在45~55℃之间。如果产品的沉降体积偏大，可适当调高碳化起始温度或碳化过程温度，反之亦然。
⑹ 经陈化处理的PCC 结晶完整、形态稳定，应避免出现微细PCC、粒度分布较窄、沉降体积较小的现象产生。碳化熟浆经24 h 的陈化处理是稳定产品沉降体积的重要措施。
2.4 碳化起始温度和过程最高温度
生浆的起始反应温度、碳化过程最高温度的控制，也是影响PCC 平均粒径的重要因素之一。众所周知，普通PCC 生产过程是几乎不控制生浆的起始反应温度和碳化过程温度，这是因为普通PCC 也几乎不控制产品的粒径；而纳米PCC 生产过程则需要通过制冷来严格控制生浆的起始反应温度和碳化过程温度，这源于氢氧化钙粒子在水中的溶解度与温度成反比，即温度越低，其溶解度越大，反应的推动力越大，越有利于碳化反应初期形成大量晶核，有利于粒子超细化。
而高档卷烟纸专用PCC 的粒径介于普通PCC 和纳米PCC 之间，一般来说，浆液的起始反应温度可控制在20~30℃，碳化过程最高温度可相应地控制在45~55℃之间]。因此，碳化温度最好能实现可控。如果产品的沉降体积偏大，可适当调高碳化起始温度或碳化过程温度；反之亦然，但这可能带来产品平均粒径的改变。
3 结语
⑴ 在平均粒径相差无几的情况下，粒度分布是一个影响产品沉降体积更重要的因素，在高档卷烟纸填料专用PCC 生产过程中要着力避免粒径小于1 μm 的微细PCC 和大于10 μm 的普通PCC。
⑵ 提高石灰活性可加大产品的沉降体积，反之，降低石灰活性可减小产品的沉降体积。高档卷烟纸填料专用PCC 要求中等活性的石灰，石灰活性度大于300 mL 或小于200 mL 都不适合。
⑶ 吸附过滤塔是窑气净化的关键设备，一旦超过其吸附介质的有效容量，将不能起到脱除煤焦油等有机成分的作用，将使产品沉降体积产生“虚高”，导致产品沉降体积偏大。因此，确保吸附过滤塔的有效运行是保证产品沉降体积稳定的基础。
⑷ 消化水温度是决定消化质量的关键，消化水温一般控制在50~80℃。消化水温越高，消化反应速度越快，反应也越彻底，Ca(OH)2 颗粒也更为细腻，最终所产PCC 的沉降体积也更大。因此，如果产品的沉降体积偏大，则可以适当调低消化水温度，反之亦然。
⑸ 碳化温度最好能实现可控，起始反应温度可控制在20~30℃，最高温度控制在45~55℃之间。如果产品的沉降体积偏大，可适当调高碳化起始温度或碳化过程温度，反之亦然。
⑹ 经陈化处理的PCC 结晶完整、形态稳定，应避免出现微细PCC、粒度分布较窄、沉降体积较小的现象产生。碳化熟浆经24 h 的陈化处理是稳定产品沉降体积的重要措施。
来源：中国粉体技术网
