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　　包覆矿物纤维特征及其加填纸性能研究

　　张雄伟，谢宇

　　(华南理工大学制浆造纸工程国度重点试验室，广东广州510640)

　　摘要:通过化学办法在CaCl2-CO2-H2O体系中将轻质碳酸钙(PCC)粒子沉淀在矿物纤维表面，实现对矿物纤维表面包覆，借助于扫描电子显微镜(SEM)察看了CaCO3包覆矿物纤维的表面形态，剖析了包覆矿物纤维表面化学组成及形态变化对纸机网部磨损的改善;以矿物纤维/重质碳酸钙(GCC)为填料，研究了包覆前后矿物纤维/GCC填料、助留体系及包覆矿物纤维与GCC配比对填料在纸张中的留着及纸张性能的影响．研究结果表明，包覆后的矿物纤维表面存在很多细小的CaCO3颗粒，颗粒大小在纳米级，随着包覆量的增加，原矿物纤维颗粒表面的细纹、棱角被填充及包覆，其表面化学成分及形态的转变可在一定程度上减小其对纸机的磨蚀．与原矿物纤维/GCC加填纸比拟，加填包覆矿物纤维/GCC的纸张灰分更高，且其对纸张强度性能影响甚小．在本研究范畴内所使用的两种包覆矿物纤维中，包覆量相对较大的包覆矿物纤维Ⅱ在纸张灰分提高27．2%的同时，纸张强度性能未受到影响．阳离子淀粉、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)和硅溶胶的助留体系对包覆矿物纤维/GCC留着高，对纸张的强度性能影响相对较小．在雷同加填量条件下，随着填料中包覆纤维配比的提高，不仅纸张中填料留着明显增加，而且对纸张强度性能的负面作用也相对较小．

　　要害词:矿物纤维;包覆;留着;纸张性能

　　为了提高纸张的不透明度和白度，改善纸面的平滑度和均匀性，增加纸张的可塑性、柔软性和吸墨性，以满足纸张的印刷和书写请求，并节俭纤维，降低本钱，往往须要在纸中加进一些填料．对大多数纸种来说，填料已成为纸张的一个主要组成成分。但传统填料如碳酸钙、滑石粉等Zui大的不足是造成加填后纸张强度的严重下降，进而严重影响纸张的品德。矿物纤维是硅灰石原矿经特别加工后得到的高长径比的纤维状、针状微粉，是一种钙的偏硅酸盐类矿物．矿物纤维除颗粒长径比高外，还具有无毒、低吸油性、低吸水

　　性、高热稳固性和化学稳固性、高白度等特征．其奇特的形态构造使其作为造纸填料能与植物纤维形成交错构造，在一定程度上减小因加填而导致的纸张强度丧失，因而其具有传统填料无法比较的上风．作为造纸用填料，磨耗值是其主要的技巧指标之一．由于硅灰石硬度高，对造纸网、案辊、切刀、印刷板磨损大，高车速抄造条件下应用受到限制．为了应用矿物纤维奇特的颗粒形态同时下降其磨耗值，在一定条件下将CaCO3沉积在矿物纤维表面，实现CaCO3对矿物纤维颗粒的表面包覆，其目标是通过转变填料表面化学成分及颗粒形态，显微镜CCD，减小因硅酸钙硬度高及矿物纤维颗粒尖利的棱角对纸机的磨损，满足使用需求;另外，包覆后矿物纤维由于表面附着一层CaCO3粒子，使其比表面积增加，这可提高矿物纤维在纸张中的留着及与植物纤维的联合，进而实现高留着及减小对纸页强度性能影响的目标．

　　本文通过化学法将CaCO3沉淀在矿物纤维表面而实现对矿物纤维颗粒的包覆，剖析了包覆后矿物纤维表面及颗粒形态变更;以包覆矿物纤维/GCC(重质碳酸钙)为填料，通过研讨其在纸张中的留着及对纸张性能的影响，剖析了其包覆层及表面形态对纸机磨蚀改良及高留着条件下对纸张强度性能影响较小的原因．本研究可为造纸产业充足施展矿物纤维颗粒形态的上风、进步纸页中填料加填量、改良纸张品德等方面供给根据．

　　1资料与方式

　　1．1重要实验原料

　　针叶木浆，打浆度46°SR;阔叶木浆，打浆度35°SR;某纸厂提供．

　　矿物纤维，江西华杰泰矿纤科技有限公司供给．

　　包覆矿物纤维，自制．

　　GCC、施胶剂AKD、阳离子淀粉、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)、硅溶胶等由某纸厂供给．

　　1．2包覆矿物纤维的制备

　　在装有搅拌器的三口烧瓶中参加一定浓度的氯化钙溶液和一定量的矿物纤维，开动搅拌器，通进二氧化碳，在一定温度下反映一定时光后，得到包覆GCC疏散液，抽滤，烘干，备用．

　　1．3纸张抄造

　　本研讨所用填料为包覆矿物纤维与GCC，加填量10%(对尽干浆)．浆料为针叶木浆与阔叶木浆，配比为1∶9(按绝干浆计)．将矿物纤维和GCC按比例配制10%疏散液，疏散20min备用．称取混杂浆料(按比例)加水至浓度4%并在疏解机中疏解(10000转)后，加水稀释至浆浓0．3%，分辨加各种化学助剂及填料，或参加各种助剂及填料后再稀释至浆浓0．3%，分杯，抄纸．湿纸页在

　　0.25-0．3MPa下恒压1min后烘干．纸张定量80g/m2．

　　1．4试验办法

　　1．4．1纸张物理性能测定纸张经24h平衡水分后，按相干国度尺度方式丈量纸张物理性能．

　　1．4．2填料留着填料留着按相干国度尺度方式及参考文献进行．

　　1．4．3纸张扫描电子显微镜(SEM)分析用双面胶带将供分析的试样粘于样品台上，经离子溅射仪镀金后．使用Philips XL-30 FEG CEPREI(JSM-6360LV)扫描电子显微镜在20kV加速电压下对试样拍照，察看其表面形态的变化．2结果与讨论

　　2．1矿物纤维基础物理特征

　　矿物纤维重要成分为硅酸钙;白度:≥84%;长径比:15∶1-10∶1;纤维长度:0．08-0.20mm;水分:≤1.5%;10%浓度pH值:≥8.5．

　　2．2包覆前后矿物纤维形态变化

　　

　　图1是包覆前后矿物纤维表面形态的SEM照片．由图可知，原矿物纤维棱角分明，表面有细纹，且有少量细粉附着在颗粒表面．经碳酸钙包覆后的矿物纤维表面附着一些碳酸钙的渺小颗粒，颗粒大小在纳米级，原矿物纤维颗粒表面的细纹、棱角在一定程度上被碳酸钙粒子填充及包覆．包覆矿物纤维Ⅱ由于其包覆碳酸钙的量比包覆矿物纤维Ⅰ大，其颗粒表面上的碳酸钙粒子更多，包覆更完全．作为纸张加填用的包覆矿物纤维，其包覆量对其应用性能的影响较大，重要体现在以下3个方面．一是包覆较完全的矿物纤维其表面化学成分产生了变更，由矿物纤维的硅酸钙变为碳酸钙，碳酸钙的硬度比硅酸钙小，因此可下降其磨耗值，减小其对纸机的磨蚀作用;二是包覆较完全的矿物纤维，原坚硬的棱角变得相对油滑，这也可减小其对纸机的磨蚀作用;三是包覆矿物纤维颗粒表面有较多的纳米碳酸钙粒子，这可增添矿物纤维与植物纤维间的相互作用，能在必定水平上减小因纸页中填料量增长而发生的对纸张强度性能的负面影响．

　　2．3加填包覆矿物纤维/GCC在纸张中留着及对纸张性能的影响

　　

　　表1是矿物纤维与GCC为1∶1、加填量为10%(对尽干浆)条件下纸张中填料留着及纸张性能变化．由表中的试验结果可以发明，加填后纸张白度有提高，但变更不大;加填包覆矿物纤维比加填未包覆矿物纤维的纸张灰分更高，由原矿物纤维的6.58%提高到7.25%和8.37%，提高了10．2%和27.2%，包覆水平高的矿物纤维Ⅱ其纸页灰分相对更高表明其留着更好．对加填纸而言，填料对纸张Zui大的影响就是导致纸张强度性能的明显下降，加填量越大，填料留着越高，对纸张强度的影响越严重．由表1的试验结果可以发明加填包覆矿物纤维的纸张在纸页灰分提高的同时不仅未影响到纸张的强度性能，而且比加填原矿物纤维纸张其抗张指数、耐破指数和撕裂指数均略有提高，其中加填包覆矿物纤维Ⅱ的纸张尽管其填料留着比包覆矿物纤维Ⅰ的纸张更高，但也基础未影响到纸张的强度性能，这是造纸常用填料所无法比较的．纤维间的联合是纸的强度发生的原因，造纸常用的填料如重质碳酸钙(GCC)、轻质碳酸钙(PCC)、滑石粉等加填后导致纸张强度显明降低，这是由于纸张中的填料与纤维之间几乎没有联合力，同时填料的参加影响了纤维

　　间的结合．包覆矿物纤维由于其表面存在很多纳米级碳酸钙颗粒(见图1)，当其加填到纸张中后，会增加其与纤维间的结合面积，尤其是分丝帚化的纤维部分会与包覆矿物纤维表面的渺小粒子相互缠结在一起，增加其与纤维间的相互作用，结果不仅提高了填料在纸张

　　中的留着，同时也使纸张的强度性能有所改善．试验结果表明，经包覆后矿物纤维在纸张中的留着提高，且对纸张强度性能影响较小;合适包覆量的矿物纤维，不仅能提高填料在纸张中的留着，而且能使纸张坚持良好的强度性能．

　　2．4助留体系对矿物纤维/GCC留着及纸张性能的影响

　　

　　助留剂是造纸主要的化学助剂，其不仅能更好地实现填料在纸张中的留着，而且能使白水中渺小固体物的含量有所降低，同时幻想的助留体系还有助于成纸质量的改良．本节以包覆矿纤Ⅱ/GCC1：1为填料，在加填量为10%(对尽干浆)的条件下，研讨不同助留系统对填料留着及纸张性能的影响．表2是助留系统对填料留着及纸张性能的影响．由表中的实验成果可知，不同的助留体系对填料留着及纸张性能有较大的影响．比拟A和B两个样本可知，在添加CPAM的基本上增加硅溶胶，可提高填料的留着，纸页灰分提高了91%;C样本助留剂为阳离子淀粉、CPAM及硅溶胶，纸页灰分到达了8.37%，分辨比A和B提高了15.8%和6.1%．随着填料在纸页中留着的提高，纸张的强度性能逐渐降落，但降落幅度不大，尤其是C样本，尽管其填料留着比B样本高，但对纸张强度性能影响甚小，其原因可能是阳离子淀粉在起助留作用的同时，也增添了纤维间的相互作用，在必定水平上补充了因填料留着多而对纸张强度的丧失．表2成果表明，选择多元助留体系可到达进步纸张中填料留着同时仍坚持良好强度性能的目标。

　　2.5 包覆矿物纤维与GCC配比对填料留着及纸张性能的影响

　　表3是包覆矿纤与GCC不同配比其填料在纸中留着及对纸张性能的影响．由表中的试验成果可知，包覆矿物纤维添加比例对纸张的白度影响不大．随着填料中包覆矿物纤维比例减小，纸张灰分逐渐降落，表明填料在纸中的留着逐渐下降;当填料仅为GCC时，纸张灰分为5．73%;当填料为包覆矿纤Ⅱ/GCC=1∶1时，纸张灰分为8．37%，进步了46．1%．由于纸张中填料留着高，纸张的强度性能随着填料留着的增添而减小，抗张指数由31.78N.m/g减小到28.51N.m/g，耐破指数由2.14kPa.m2/g减小1.72kPa.m2/g，撕裂指数由6.20mN.m2/g减小到5.50mN.m2/g，分辨减小了10.3%、19.6%和11.3%，降低幅度较小．实验结果表明，填料中添加必定量的包覆矿物纤维不仅可以提高填料在纸张中的留着，而且可使加填纸张仍坚持良好的强度性能．

　　

　　3结论

　　(1)SEM研究表明，通过CaCl2-CO2-H2O将CaCO3沉淀在矿物纤维表面，实现对矿物纤维的表面包覆．包覆矿物纤维表面附着很多渺小的CaCO3颗粒，颗粒大小在纳米级，随着包覆量的增长，原矿物纤维颗粒表面的细纹、棱角被填充及包覆．包覆后的矿物纤维表

　　面成分及形态的转变可在一定程度上减小其对纸机的磨蚀。(2)与原矿物纤维/GCC加填纸比拟，加填包覆矿物纤维/GCC的纸张灰分更高，但其对纸张强度性能影响甚小．在本研究所应用的两种包覆矿物纤维中，包覆量相对较大的包覆矿物纤维Ⅱ在纸张灰分提高27.2%的同时，纸张强度性能未受到影响。(3)助留系统影响填料留着及加填纸性能，在本研究范畴内，以阳离子淀粉、CPAM硅溶胶的助留体系对包覆矿物纤维/GCC留着高，对纸张的强度性能影响相对较小。(4)在雷同加填量条件下，随着填料中包覆矿物纤维配比的提高，不仅纸张中填料留着明显增长，而且对纸张强度性能的负面作用相对较小。

　　

　　


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