Chất điều chỉnh kích thước giấy: Tổng quan kỹ thuật toàn diện về hóa học, phân loại và ứng dụng

1. Giới thiệu: Nền tảng quyết định hiệu suất của giấy

Chất phủ giấy là các chất phụ gia hóa học không thể thiếu trong quy trình sản xuất giấy, được thiết kế để tăng khả năng chống thấm nước, mực in và các chất lỏng khác, đồng thời cải thiện độ bền, độ mịn và khả năng in ấn của giấy. Nếu không có chất phủ, hầu hết các sản phẩm giấy sẽ thấm chất lỏng một cách không kiểm soát được, khiến chúng không phù hợp cho các ứng dụng viết, in ấn hoặc đóng gói.

Các chất điều chỉnh kích thước hoạt động bằng cách thay đổi tính chất bề mặt của sợi xenluloza. Các hóa chất này có cả các nhóm phân tử ưa nước và kỵ nước; khi được phủ lên sợi giấy, các nhóm kỵ nước sẽ hướng ra ngoài, tạo thành một lớp màng ngăn chặn chất lỏng xâm nhập đồng thời duy trì tính toàn vẹn cấu trúc của giấy.

Thị trường chất phủ bề mặt giấy toàn cầu tiếp tục mở rộng, được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng tăng đối với các loại giấy đóng gói hiệu suất cao và xu hướng chuyển sang các phương pháp sản xuất giấy bền vững. Riêng thị trường chất phủ bề mặt giấy đã được định giá ở mức US$ 1.114 triệu vào năm 2024 và dự kiến sẽ đạt mức US$ 1.505 triệu vào năm 2031, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 4,8%.

Công ty TNHH Công nghệ LY Chem. , với hơn hai thập kỷ kinh nghiệm trong lĩnh vực sản xuất hóa chất giấy, cung cấp một loạt các giải pháp chất tráng toàn diện — bao gồm các loại chất tráng gốc nhựa thông LY-CRS và LY-ARS, các chất phủ AKD LY-AKD301 và LY-AKD302, cùng chất phủ bề mặt styrene-acrylate LY-BB201 — được thiết kế để đáp ứng nhu cầu đa dạng của các nhà sản xuất giấy hiện đại.

2. Quá trình phát triển lịch sử: Từ gelatin đến các chất tổng hợp hiện đại

2.1 Thời kỳ sử dụng keo gelatin

Vào thế kỷ XVIII và đầu thế kỷ XIX, việc xử lý kích thước giấy chủ yếu được thực hiện bằng cách kết hợp gelatin và phèn (sunfat nhôm). Phương pháp này, dù hiệu quả, nhưng lại tốn kém và mất nhiều thời gian, khiến năng lực sản xuất giấy bị hạn chế.

2.2 Cuộc cách mạng nhựa thông-phèn chua (1807)

Sự phát minh ra Chất làm cứng từ phèn và nhựa thông Năm 1807, tại Đức, Moritz Friedrich Illig đã tạo ra một bước ngoặt trong lịch sử ngành sản xuất giấy. Nhựa thông, được chiết xuất từ cây thông, đã chứng tỏ là rẻ hơn đáng kể so với gelatin, tạo điều kiện cho sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp giấy.

Từ khoảng năm 1850 đến năm 1950, giấy được gia cố bên trong bằng nhựa thông và phèn giấy trong môi trường có độ pH axit, thường nằm trong khoảng từ 4 đến 5. Hệ thống axit này, mặc dù tiết kiệm chi phí, nhưng lại gây ra những hạn chế đáng kể:

• Giấy bị ố vàng và giòn: Môi trường có tính axit thúc đẩy quá trình thủy phân chất xơ
• Sự ăn mòn thiết bị: Môi trường có tính axit đã làm gia tăng sự mài mòn của các bộ phận trong máy sản xuất giấy
• Không thể sử dụng chất độn canxi cacbonat: Các chất độn kiềm không thể được sử dụng trong các hệ thống có tính axit
• Độ bền của giấy có hạn: Giấy có tính axit bị phân hủy theo thời gian

2.3 Cuộc cách mạng AKD (1956)

Sự phát triển của Dimer alkyl ketene (AKD) Các chất làm cứng của công ty Hercules Inc. trong những năm 1950 — lần đầu tiên được đưa ra thị trường vào năm 1955 với tên gọi Aquapel — đã đánh dấu một bước ngoặt trong công nghệ sản xuất giấy. Các nhũ tương AKD đã nhanh chóng được thị trường chấp nhận nhờ hiệu quả cao và tính kinh tế so với chất làm cứng truyền thống từ nhựa thông và phèn chua.

Khác với phương pháp phủ keo gốc nhựa thông, vốn dựa trên quá trình lắng đọng vật lý và các tương tác ion, AKD tạo ra các liên kết cộng hóa trị với các sợi cellulose. Cơ chế liên kết hóa học này mang lại:

• Hiệu quả định cỡ vượt trội và bền bỉ hơn so với nhựa thông
• Điều kiện sản xuất giấy trung tính/kiềm, giúp giảm sự ăn mòn thiết bị
• Khả năng tương thích với chất độn canxi cacbonat, giúp giảm chi phí sản xuất
• Tăng cường độ bền của giấy không bị ố vàng hay giòn

2.4 Sự ra đời của kỹ thuật phủ bề mặt

Công nghệ tráng bề mặt ra đời vào khoảng năm 1930 cùng với sự xuất hiện của các máy ép tráng bề mặt kiểu trục đứng. Ban đầu chỉ được áp dụng trong các lĩnh vực chuyên biệt như giấy in tiền và giấy bảo mật, nhưng hiện nay, tráng bề mặt đã trở thành một quy trình xử lý giấy thông dụng trong toàn ngành.

Ngày nay, quá trình tráng bề mặt được công nhận là một công đoạn không thể thiếu trong ngành sản xuất giấy hiện đại, với các ứng dụng bao gồm giấy văn hóa, giấy bao bì, bìa sóng và giấy tiếp xúc với thực phẩm.

3. Phân loại các chất điều chỉnh kích thước

Các chất điều chỉnh kích thước được phân loại thành hai nhóm chính dựa trên phương pháp sử dụng: chất điều chỉnh kích thước bên trong và chất làm cứng bề mặt.

3.1 Chất điều chỉnh kích thước nội bộ

Các chất điều chỉnh kích thước bên trong được thêm vào bột giấy ở phần ướt của máy làm giấy. Chúng hoạt động bằng cách làm chậm quá trình thấm nước thông qua hiện tượng khuếch tán phân tử và được phân bố đều khắp tấm giấy.

Các danh mục chính bao gồm:

Chất làm cứng gốc nhựa thông — Loại sản phẩm chủ lực truyền thống của ngành. Quá trình phủ nhựa thông thường đòi hỏi phải duy trì môi trường axit bằng phèn chua (sunfat nhôm). Các kích thước của nhựa thông phân tán mang lại những lợi thế đáng kể so với các chất làm cứng bằng nhựa thông xà phòng hóa truyền thống, giúp tiết kiệm 30–50% lượng nhựa thông và sunfat nhôm, đồng thời cho phép thực hiện quá trình làm cứng trong điều kiện trung tính.

Dimer alkyl ketene (AKD) — Một chất điều chỉnh kích thước phản ứng, tạo ra các liên kết este cộng hóa trị với sợi xenluloza. AKD cho phép sản xuất giấy ở môi trường trung tính/kiềm, giảm sự ăn mòn thiết bị và tạo điều kiện sử dụng chất độn canxi cacbonat. Đối với bột giấy tẩy trắng, lượng AKD bổ sung thường dao động trong khoảng 0,10–0,30%.

Anhydrit succinic alkenyl (ASA) — Một chất tráng keo phản ứng khác có khả năng tạo lớp keo nhanh chóng trên máy sản xuất giấy. ASA có ưu điểm là có thể tạo lớp keo ngay trên máy, nhưng đòi hỏi phải xử lý cẩn thận hơn do độ ổn định của nhũ tương thấp hơn.

3.2 Chất tạo độ bám dính bề mặt

Chất tráng bề mặt được phủ lên bề mặt tờ giấy đã được định hình tại máy ép tráng, thường ở gần cuối đoạn sấy. Quá trình tráng bề mặt tạo ra một lớp màng bảo vệ trên bề mặt tờ giấy, giúp ngăn chặn hiện tượng thấm hút và lem màu, đồng thời liên kết các sợi bề mặt lại với nhau để giảm bụi và xơ vải.

Các chất tạo lớp phủ bề mặt thông dụng bao gồm:

• Tinh bột và các dẫn xuất của tinh bột: Các chất tạo lớp phủ bề mặt được sử dụng rộng rãi nhất, mang lại khả năng tạo màng tuyệt vời và giúp tăng cường độ bền
• Carboxymethyl cellulose (CMC) : Tăng cường độ bền bề mặt và khả năng in ấn
• Rượu polyvinyl (PVA) : Mang lại khả năng tạo màng vượt trội và khả năng chống dầu
• Copolyme styrene-anhydride maleic (SMA) : Các polyme tổng hợp giúp cải thiện đáng kể tính kỵ nước, khả năng chống thấm nước, khả năng in ấn và vẻ ngoài bề mặt

4. Các tính chất lý hóa của các chất làm cứng chính

4.1 Kích thước của nhựa thông phân tán

Chất kết dính nhựa thông phân tán có một số ưu điểm so với chất kết dính nhựa thông xà phòng hóa truyền thống:

• Tiết kiệm hóa chất: Giảm lượng nhựa thông và sunfat nhôm tiêu thụ từ 30–50%
• Khả năng định cỡ trung lập: Tạo điều kiện sản xuất giấy trung tính, giúp cải thiện khả năng chống thấm nước của giấy
• Nhiệt độ tạo nhũ tương tối ưu: Kết quả tốt nhất đạt được ở nhiệt độ 140–150°C
• Yêu cầu về chất phân tán: 7–8% – chất phân tán thường là đủ
• Ít tạo bọt: Lượng bọt sinh ra trong quá trình sản xuất ở mức tối thiểu
• Quy trình sản xuất không độc hại: Quy trình sản xuất thân thiện với môi trường

4.2 AKD (Dimer alkyl ketene)

AKD là một chất rắn sáp màu vàng nhạt, có điểm nóng chảy thấp (thường là 43–55°C) và không tan trong nước. Các đặc tính chính bao gồm:

• Cơ chế định cỡ phản ứng: Tạo liên kết β-ketoester cộng hóa trị với các nhóm hydroxyl của cellulose
• Hiệu suất cao: Chỉ cần một lượng rất nhỏ AKD đã phản ứng là đủ để đạt được hiệu quả làm keo
• Ứng dụng trung tính/kiềm: Hoạt động hiệu quả trong khoảng pH 7–9
• Yêu cầu về quá trình ủ: Thông thường mất từ 12 đến 24 giờ ở nhiệt độ phòng để chất làm cứng phát huy hết tác dụng

4.3 Chất phủ bề mặt styrene-anhydride maleic (SMA)

Các copolyme SMA là những polyme tổng hợp hòa tan trong nước hoặc phân tán trong nước, mang lại những ưu điểm sau:

• Khả năng kỵ nước vượt trội: Khả năng chống nước tuyệt vời
• Khả năng in ấn được cải thiện: Nâng cao khả năng giữ mực và chất lượng in
• Cải thiện độ bền bề mặt: Giảm bụi và giảm việc nhặt
• Giảm độ xốp: Làm kín các lỗ rỗng trên bề mặt để tăng cường tính chất ngăn cách

5. Các phương pháp sản xuất

5.1 Chất làm cứng gốc nhựa thông

Chất làm cứng từ lignin và nhựa thông: Phương pháp chế tạo này bao gồm việc hòa tan lignin và nhựa thông trong ethanol khan theo tỷ lệ khối lượng 1:0,25–4, sau đó khuấy đều và sấy khô để thu được sản phẩm dạng bột. Phương pháp này giúp đơn giản hóa quy trình chế tạo đồng thời nâng cao độ bền của giấy.

Chất làm cứng nhựa thông anion: Được sản xuất bằng cách sử dụng các copolyme axit acrylic anion tự chế để nhũ hóa nhựa thông, với tỷ lệ khối lượng tối ưu giữa nhựa thông và chất nhũ hóa là 1:1.

5.2 Công ty Sản xuất AKD

Phương pháp công nghiệp truyền thống để tổng hợp AKD sử dụng triethylamine làm chất liên kết axit nhằm thúc đẩy quá trình tự trùng hợp của các clorua axit béo, từ đó tạo thành các dimer alkyl ketene có cấu trúc vòng (AKD).

Phương pháp tổng hợp AKD không dùng dung môi đã trở thành xu hướng chủ đạo. Quá trình này loại bỏ các dung môi hữu cơ khỏi quy trình sản xuất, từ đó giải quyết những lo ngại về dư lượng dung môi và tác động đến môi trường.

5.3 Sản xuất chất tạo độ bám dính bề mặt

Copolyme styrene-anhydride maleic: Các chất tạo lớp phủ bề mặt SMA được sản xuất thông qua quá trình đồng trùng hợp giữa styrene và anhydrit maleic. Muối amoni của styrene-anhydrit maleic đã được xác định là một chất tạo lớp phủ bề mặt hiệu quả.

Chất làm cứng cation: Được sản xuất thông qua phản ứng của các α-olefin với anhydrit maleic, tiếp theo là phản ứng imid hóa với các polyamine chứa các nhóm amin bậc ba và bậc nhất, và cuối cùng là phản ứng quatern hóa với epichlorohydrin trong môi trường có nước.

6. Chiến lược ứng dụng và sự phối hợp

6.1 Các ứng dụng xác định kích thước bên trong

Việc định cỡ bên trong phù hợp với các ứng dụng yêu cầu khả năng chống thấm nước trên diện rộng:

• Tấm bìa đóng gói chất lỏng: AKD có khả năng chống chịu tuyệt vời đối với nước ép trái cây, axit lactic và các môi trường ăn mòn khác
• Lớp lõi sóng: Có khả năng chống nén và chống ẩm
• Viết và in tài liệu: Quá trình tráng nhựa thông truyền thống hoặc tráng AKD tùy theo yêu cầu về chất lượng
• Giấy làm túi đựng trái cây: Khả năng chống thấm nước để bảo vệ trái cây khỏi hư hỏng do ẩm ướt

6.2 Các ứng dụng xử lý bề mặt

Việc xử lý bề mặt mang lại những ưu điểm rõ rệt cho các ứng dụng đòi hỏi các tính chất bề mặt vượt trội:

• Giấy in có độ chính xác cao: Khả năng in ấn được cải thiện và bề mặt mịn hơn
• Giấy đóng gói có họa tiết: Chất lượng in và độ bền bề mặt được cải thiện
• Các bài báo yêu cầu giảm tỷ lệ in hai mặt: Các tính chất bề mặt đồng nhất
• Giấy đóng gói thực phẩm: Các đặc tính của lớp màng ngăn bề mặt đáp ứng các quy định pháp lý

6.3 Sự phối hợp trong việc xác định kích thước kết hợp

Trong ngành sản xuất giấy hiện đại, việc sử dụng chất làm cứng bên trong và bề mặt thường được kết hợp với nhau. Phương pháp tích hợp này mang lại nhiều lợi ích:

• Nâng cao chất lượng sản phẩm: Tính chất bề mặt và độ bền thể tích được cải thiện
• Giảm ô nhiễm: Giảm lượng hóa chất còn sót lại trong nước thải
• Giảm chi phí sản xuất: Tối ưu hóa lượng hóa chất sử dụng tổng thể
• Tính linh hoạt cao hơn trong việc xây dựng công thức: Khả năng điều chỉnh chính xác các tính chất bề mặt mà không phụ thuộc vào thành phần hóa học của phần ướt

6.4 Cơ chế xác định kích thước “Lattice”

Cơ chế định cỡ của AKD trên giấy đã được đề xuất như một “cơ chế ”mạng lưới”. Lý thuyết này cho rằng các phân tử AKD tạo thành một cấu trúc đều đặn, có trật tự trên bề mặt sợi cellulose, từ đó hình thành một hàng rào kỵ nước nhờ sự sắp xếp phân tử chứ không chỉ đơn thuần là do sự lắng đọng ngẫu nhiên.

7. Xu hướng thị trường và triển vọng tương lai

7.1 Tăng trưởng thị trường

Thị trường chất tạo kích thước toàn cầu tiếp tục mở rộng:

• Thị trường chất làm cứng bề mặt giấy: 1.114 triệu US$ (năm 2024), dự kiến đạt 1.505 triệu US$ (năm 2031), với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 4,8%
• Thị trường chất điều chỉnh bề mặt (trong phạm vi rộng hơn): 825,9 triệu USD (năm 2025), dự kiến đạt 1,12 tỷ USD (năm 2032), tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) 4,5%
• Thị trường châu Âu: Dự kiến sẽ tăng từ 306,22 triệu US$ (năm 2024) lên 409,80 triệu US$ (năm 2031), với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 4,43%

7.2 Các yếu tố thúc đẩy thị trường chính

Sự phát triển của thương mại điện tử: Với dự báo khối lượng bao bì thương mại điện tử sẽ tăng trưởng với tốc độ hơn 14% mỗi năm cho đến năm 2025, các giải pháp bao bì làm từ giấy cần có các chất phủ có hiệu suất cao để nâng cao khả năng chống thấm nước và khả năng in ấn.

Các quy định về phát triển bền vững: Xu hướng chuyển đổi toàn cầu sang các giải pháp bao bì bền vững đang thúc đẩy sự tăng trưởng của ngành công nghiệp giấy và bìa cứng, từ đó làm gia tăng nhu cầu về các chất làm cứng.

Chất làm cứng có nguồn gốc sinh học: Xu hướng ngày càng ưa chuộng các chất làm cứng có nguồn gốc sinh học nhằm tuân thủ các quy định về môi trường và đạt được các mục tiêu phát triển bền vững là một xu hướng thị trường quan trọng.

Sự phát triển của công nghệ in ấn: Sự phát triển mạnh mẽ của các công nghệ in kỹ thuật số và in tốc độ cao tiếp tục nâng cao những kỳ vọng về chất lượng bề mặt giấy.

7.3 Những đổi mới trong tương lai

• Tinh bột biến tính bằng enzym: Mang lại độ ổn định độ nhớt và độ bền cơ học vượt trội
• Chất làm cứng được tăng cường bằng nano-cellulose: Kết hợp các chất điều chỉnh kích thước truyền thống với vật liệu nano cellulose
• Chất làm cứng có nguồn gốc sinh học: Đáp ứng nhu cầu về các giải pháp thay thế tái tạo và có thể phân hủy sinh học
• Quy trình sản xuất không sử dụng dung môi: Loại bỏ dung môi hữu cơ khỏi các quy trình sản xuất
• Hệ thống định cỡ thông minh: Giám sát và điều khiển theo thời gian thực quá trình phun chất làm đặc

8. Kết luận

Các chất làm cứng giấy đã có những bước tiến vượt bậc trong hai thế kỷ qua — từ gelatin và phèn vào thế kỷ 18, qua cuộc cách mạng sử dụng nhựa thông và phèn năm 1807, đến cuộc cách mạng AKD năm 1956, và tiếp tục cho đến ngày nay với các công thức tổng hợp và có nguồn gốc sinh học tiên tiến. Sự phát triển này phản ánh nỗ lực không ngừng của ngành công nghiệp giấy trong việc theo đuổi chất lượng cao hơn, tính bền vững lớn hơn và hiệu quả vận hành được cải thiện.

Những điểm chính cần lưu ý:

• Việc chọn kích cỡ là rất quan trọng: Ngoại trừ một số trường hợp hiếm hoi, hầu như tất cả các sản phẩm giấy đều cần phải được phủ chất làm cứng
• Hai phương pháp bổ sung cho nhau: Lớp phủ bên trong giúp tăng khả năng chống thấm nước; lớp phủ bề mặt mang lại các đặc tính bề mặt vượt trội
• Hóa học rất quan trọng: Quá trình phủ rosin dựa trên cơ chế lắng đọng vật lý; AKD tạo ra các liên kết cộng hóa trị với cellulose
• Phát triển bền vững thúc đẩy sự đổi mới: Các chất làm cứng có nguồn gốc sinh học và không chứa dung môi đang trở thành những xu hướng chủ đạo
• Tốc độ tăng trưởng thị trường rất mạnh mẽ: Thị trường chất điều chỉnh kích thước toàn cầu tiếp tục mở rộng, nhờ sự tăng trưởng của ngành bao bì và các quy định về phát triển bền vững

Công ty TNHH Công nghệ LY Chem. , với hơn hai thập kỷ kinh nghiệm trong lĩnh vực sản xuất hóa chất giấy, cung cấp một loạt các giải pháp xử lý bề mặt toàn diện:

• LY-CRS (Chất làm mịn nhựa thông cationic có độ phân tán cao) : Giảm lượng tiêu thụ sunfat nhôm, chất làm đặc gần như trung tính dành cho các ứng dụng trong ngành thực phẩm
• LY-ARS (Chất keo nhựa thông anion phân tán cao) : Chịu được nước trắng có độ cứng cao, là sản phẩm thay thế hoàn toàn cho chất làm cứng nhựa thông xà phòng hóa truyền thống
• LY-AKD301 (Chất điều chỉnh kích thước AKD nội bộ) : Khả năng chống thấm nước và chống lão hóa vượt trội đối với giấy văn hóa, giấy tráng phủ và giấy nền đóng gói
• LY-AKD302 (Chất tạo độ bám dính bề mặt AKD) : Tăng cường độ chịu nén vòng và độ bền chống vỡ cho lớp giấy sóng và lớp lót
• LY-BB201 (Chất phủ bề mặt styrene-acrylate) : Nhũ tương cationic giúp thay thế một phần chất làm cứng bên trong đồng thời nâng cao độ bền nén vòng và khả năng chống thấm nước

Trong bối cảnh ngành công nghiệp giấy toàn cầu tiếp tục chuyển đổi sang hướng sản xuất giấy bền vững và hiệu suất cao, LY Chem vẫn cam kết cung cấp các giải pháp hóa chất sáng tạo, giúp các nhà sản xuất giấy sẵn sàng đối mặt với những thách thức của tương lai ngay từ hôm nay.

---

Để biết thêm thông tin về các giải pháp điều chỉnh độ đặc của LY Chem cũng như danh mục đầy đủ các hóa chất sản xuất giấy của chúng tôi, vui lòng liên hệ với đội ngũ bán hàng kỹ thuật của chúng tôi.

Tài liệu tham khảo

1. Xử lý bề mặt giấy bằng các dimer alkyl ketene – ScholarWorks, WMU
2. Nguồn gốc của kỹ thuật xử lý bằng kiềm – cool.culturalheritage.org
3. Lịch sử việc sử dụng nhựa thông làm chất phủ – Wikipedia / Các nguồn tài liệu về bảo tồn
4. Lịch sử các kích cỡ AKD – Hercules Inc., 1956 (De Gruyter / Viện Bảo tồn Bảo tàng)
5. Hỗn hợp tạo lớp phủ bề mặt – Copolyme styrene-anhydride maleic (Bằng sáng chế / CNKI)
6. Báo cáo thị trường chất xử lý bề mặt giấy giai đoạn 2025–2031 – QY Research
7. Triển vọng thị trường chất tạo lớp bề mặt giai đoạn 2025–2032 – 24Chemical Research
8. Các đặc tính về kích thước của nhựa thông phân tán – IPPTA
9. Tổng hợp AKD – Các phương pháp không dùng dung môi (Bằng sáng chế / Nguồn tạp chí)
10. Phân loại chất điều chỉnh kích thước – Baidu Baike