CÔNG CỤ ĐỂ CHUYỂN ĐỔI: CÔNG NGHỆ MỚI CHO CÁC LOẠI GIẤY LÀM BAO BÌ

Đại dịch đã đẩy nhanh sự sụt giảm nhu cầu về giấy in và giấy viết ở Bắc Mỹ và Châu Âu, đặc biệt là giấy in báo. Trong khi đó, sự phát triển của thương mại điện tử đã làm tăng nhu cầu về vật liệu đóng gói. Điều này đã dẫn đến việc nhiều máy giấy bị ngừng hoạt động hoặc chuyển đổi sang các loại giấy khác, đặc biệt là bao bì.

Một số bài báo đề cập đến các công nghệ mới liên quan đến chủ đề này tại hội nghị ảo PaperCon 2021 của TAPPI, được tổ chức vào ngày 5 và 6 tháng 5. Sự kiện này đã trình bày một số nội dung đã được lên kế hoạch cho hội nghị năm 2020 nhưng đã bị hoãn lại do đại dịch.

Phần còn lại của chương trình năm 2020 sẽ là một phần của TAPPICon, một hội nghị trực tiếp tại Atlanta diễn ra từ ngày 3 đến ngày 6 tháng 10. Nó sẽ tập hợp sáu phân khúc ngành: giấy, khăn giấy, vải không dệt, tái chế, bảo trì và độ tin cậy, và phụ nữ trong công nghiệp. Bài viết này đánh giá những điểm nổi bật từ hội nghị ảo năm 2021.

Khử nước và sấy khô

Như Sakari Karjalalainen đã giải thích trong bài nói chuyện của mình, “Tương lai của ngành sản xuất giấy – The Future of Papermaking,” Valmet đã phát triển một số công nghệ có thể được sử dụng trong máy xeo được cải tạo hay máy xeo mới để sản xuất các loại giấy làm thùng sóng.

Một trong những công nghệ này là tăng tốc độ khử nước trong phần hình thành. Valmet đã thiết kế một trục có ống ngoài (Sleeve Roll) với một chiếc guốc bên trong tạo ra lực khử nước cao hơn nhờ bán kính đổi hướng nhỏ hơn (by means of a smaller turn radius). Điều này có thể được sử dụng để chỉnh trang bộ phận hình thành trên cùng (top-former) cho các loại giấy làm bao bì có định lượng cao hơn hoặc được sử dụng trong bộ phần hình thành dạng khe (lưới đôi).

Một công nghệ khác giải quyết mong muốn từ lâu là loại bỏ việc tờ giấy không có chăn đỡ (open draw) giữa phần ép và phần sấy. Việc đứt giấy ở lần giấy không có chăn đỡ đầu tiên này sẽ giới hạn tốc độ máy xeo và làm cho hiệu suất của máy thấp hơn. Valmet đã phát triển một chăn ép bao quanh trục ép trung tâm (press belt to close this draw) để đỡ giấy giữa phần ép và phần sấy, như thể hiện trong Hình 1. Hiện chăn này đã được lắp đặt trên ba máy.

Hình 1. Chăn ép bao trục ép giữa để đỡ giấy di chuyển giữa phần ép và phần sấy. Ảnh: Valmet Technologies

Sự phát triển thứ ba từ Valmet là cán láng với đai kim loại (metal belt calender). Vào năm 2012, Mika Viljanmaa của Valmet đã được trao Giải thưởng Marcus Wallenberg cho sự đổi mới này. Ưu điểm của cán láng đai là độ mịn và khả năng in tốt hơn với độ cứng cao hơn và ít mất tỉ khối (bulk) hơn. Đến nay, 10 trong thiết bị cán đai này đã được lắp đặt.

Nanocellulose cho bìa cứng

Một bước phát triển gần đây trong sản xuất giấy là việc sử dụng nanocellulose trong các sản phẩm giấy. Nói rộng ra, nanocellulose dùng để chỉ các thành phần xenlulô nhỏ.

Khi được thêm vào các sản phẩm giấy, nanocellulose có thể tăng cường độ bền, cho phép làm nhẹ hoặc tạo ra các đặc tính rào cản. Nanocellulose có thể được thêm vào các lớp bên trong của giấy, ví dụ như trong lớp nước trong hòm phun bột nhiều lớp hoặc được phủ lên bề mặt giấy bằng nhiều lớp phủ khác nhau.

Jack Miller của Biobased Markets đã cung cấp thông tin cập nhật về sự phát triển của nanocellulose trong giấy và bìa. Nanocellulose có thể được chia thành hai loại lớn. Một là tinh thể nano cellulose (CNC), là các thành phần nano rời rạc có kích thước đường kính khoảng năm nm x chiều dài 100 nm, thường được tạo ra bằng quá trình thủy phân axit.

Loại còn lại là sợi nano xenlulô (CNF), các bó sợi có kích thước nano với đường kính từ 5 đến 20 nm và chiều dài từ 500 đến 3.000 nm, thường được sản xuất bằng phương pháp cơ học, đôi khi có xử lý trước bằng enzym. CNC có các ứng dụng khả thi dựa trên các đặc tính quang học, điện và hóa học của nó. CNF tốt cho sức bền và gia cường. Cả hai đều hữu ích trong các ứng dụng ngoài giấy, chẳng hạn như chất điều chỉnh độ nhớt trong dung dịch khoan, phụ gia xi măng, băng vết thương và giàn giáo.

Một trong những vấn đề với nanocellulose là thiếu các định nghĩa chung về đặc tính của vật liệu theo kích thước. Điều này được thể hiện trong Hình 2, trong đó các nhà sản xuất đưa ra các tên gọi khác nhau cho xenlulô nano có kích thước khác nhau.

Hình 2. Các nhà sản xuất không dùng các định nghĩa tiêu chuẩn để biểu thị đặc tính của vật liệu nanocellulose. Ảnh: Miller, J. Nanocellulose Producers, Products and Applications, A Guide for End Users, TAPPI, 2017.

Rõ ràng, việc tiêu chuẩn hóa thuật ngữ là cần thiết để hiểu đúng sự phát triển của vật liệu mới nổi này.

Nhà sản xuất vật liệu nanocellulose lớn nhất là FiberLean Technologies (xem Bảng 1). Như David Skuse đã giải thích, họ sản xuất composit chất khoáng/MFC bằng cách cùng nghiền bột giấy với một loại chất khoáng, tác động như một môi trường vi nghiền.

Bảng 1. Các nhà sản xuất nanocellulose lớn nhất (tấn/năm, khô cơ bản)

Nhiều lựa chọn chất khoáng và sợi có thể được lựa chọn để điều chỉnh các thuộc tính cho các ứng dụng cụ thể. Trên thực tế, chất khoáng có thể được chọn để tăng cường độ đục, chống mài mòn, độ bóng hoặc các đặc tính khác và MFC cung cấp keo.

Bùn thu được có độ đặc từ một đến hai phần trăm. Composit được sản xuất trong các nhà máy sản xuất vệ tinh tại các nhà máy giấy.

Tổng sản lượng nanocellulose tính theo tấn được ước tính là 11.000 vào năm 2017, 30.000 vào năm 2020 và dự kiến ​​là 60.000 vào năm 2025. Tuy nhiên, do MFC có thể được sản xuất bằng sợi được nghiền ở độ nghiền cao trong các nhà máy giấy, nên có thể còn có các lượng nanocellulose được sản xuất trong các nhà máy và được dùng nội bộ mà không được ghi nhận ở đây. Trong số sản lượng nanocellulose ghi nhận được, 75% đang được sử dụng trong các nhà máy nơi nó được sản xuất ra.

Bột giấy hiệu suất cao cho giấy làm bao bì

Một trong những thách thức đối với việc chuyển đổi máy xeo giấy in báo hoặc giấy chuyên dụng sang máy xeo giấy làm bao bì là sửa đổi bột giấy hiệu suất cao (HYP) để đáp ứng độ bền và đặc tính bề mặt cần thiết cho các loại giấy này. Mặc dù nhiều loại giấy làm bao bì và bìa được sản xuất bằng bột giấy hiệu suất cao như bột hoá-nhiệt-cơ tẩy trắng để đạt được tỉ khối lớn và độ cứng, giấy làm từ những loại bột giấy này thường được kẹp vào giữa các lớp giấy ở bên ngoài làm từ bột giấy hóa học.

Việc chuyển đổi kinh tế của các nhà máy bột giấy cơ học thường sẽ yêu cầu giấy làm chủ yếu từ HYP. Điều này sẽ yêu cầu quá trình tăng sáng, có thể bằng hydro peroxide và gia cường, có thể bằng nanocellulose CF hoặc MFC.

Một cách tiếp cận khác đã được Tove Joelsson và các đồng nghiệp của cô từ MoRe, Mid Sweden University and IPCO khám phá ra. Sử dụng thiết bị ép đai thép thí điểm, chạy ở tốc độ thấp theo thứ tự vài m/phút với hai bề mặt ép được chất tải đến 4 và 8 MPa và được làm nóng đến nhiệt độ lên tới 300°C, sử dụng CTMP, họ có thể đạt được các giá trị cường độ gần so với bột giấy kraft. Ý tưởng là dưới áp suất và nhiệt độ đủ lớn, lignin sẽ làm mềm và kết dính các sợi lại với nhau.

Để tránh tách lớp và bám dính quá mức, họ đã sử dụng giấy thấm xốp mỏng trên cả hai mặt của tờ giấy được ép. Những thí nghiệm này đã chứng minh những cải tiến đặc tính tiềm năng trong những điều kiện này. Tuy nhiên, thách thức sẽ là sao chép điều này ở tốc độ thương mại

Thiết bị sấy CondeBelt, sử dụng đai kim loại đã được cấp bằng sáng chế vào năm 1975, đã đạt được thành công thương mại hạn chế. Có lẽ việc áp dụng HYP cho các loại bao bì sẽ là động lực để sửa đổi thiết kế này để áp dụng áp suất bề mặt và để vận hành ở nhiệt độ cao hơn.

Độ khô sau công đoạn ép

Độ ẩm trong giấy sau phần ép có ảnh hưởng quan trọng đến năng lượng sấy khô. Nó cũng ảnh hưởng đến độ bền của giấy trong máy sấy và do đó, khả năng chạy của máy xeo. Những câu hỏi muôn thuở được các nhà sản xuất giấy đặt ra là: độ khô thực tế tối đa sau khi kẹp giấy là bao nhiêu và yếu tố nào quyết định giới hạn này?

Dick Kerekes và tôi đã giải quyết những câu hỏi này trong bài báo của chúng tôi về độ ẩm cân bằng. Trong các bài báo trước, sử dụng mô hình Độ thấm giảm (DP) của chúng tôi, chúng tôi đã chỉ ra rằng giới hạn này được xác định bằng tổng độ ẩm cân bằng và độ ẩm lại.

Sử dụng các phép đo loại trừ chất hòa tan khỏi giấy của Stone và Scallan của Paprican, chúng tôi đã chỉ ra rằng độ ẩm cân bằng của giấy chịu áp suất cơ học được xác định bởi nước được giữ bởi sức căng bề mặt bên trong các sợi. Nước bổ sung chỉ có thể được loại bỏ bằng áp suất cao hơn.

Với các giới hạn thực tế về độ dẻo dai của lớp bọc trục, dây đai và chăn giới hạn áp suất tối đa, giới hạn thực tế đối với hàm lượng chất rắn từ phần ép là khoảng 60 phần trăm. Chất rắn được ép cao hơn sẽ yêu cầu sửa đổi thành tế bào của sợi, có thể sử dụng enzyme.