纳米级硅镁石微粒性能及其对纸料助留效果的研究

祖 彬夏新兴胡 芳许 凤赵 红

(1.齐齐哈尔大学,黑龙江齐齐哈尔,161006; 2.陕西科技大学,陕西西安,710021)

·硅镁石·

纳米级硅镁石微粒性能及其对纸料助留效果的研究

祖 彬1夏新兴2胡 芳1许 凤1赵 红1

(1.齐齐哈尔大学,黑龙江齐齐哈尔,161006; 2.陕西科技大学,陕西西安,710021)

研究了阳离子硅镁石微粒的性能和其作为助留剂的助留效果。研究发现,硅镁石微粒具有纳米级的粒径和较高的正电性,其正电性随着pH值的增加逐渐降低;随着研磨时间的延长,硅镁石微粒的粒径逐渐降低,但其正电性也随着明显降低。硅镁石阳离子微粒单独作为助留剂使用时,具有一定的助留效果,但其用量大,且抗剪切性能差。硅镁石微粒与阴离子聚丙烯酰胺(APAM)组成的双元助留体系具有良好的助留效果,其中,未研磨的硅镁石微粒/APAM组成的体系具有良好的抗剪切性能和pH值适应性。因此,未研磨的硅镁石微粒与APAM组成的助留体系是一种理想的助留体系。

阳离子硅镁石微粒;正电性;研磨;助留

(＊E-mail:zubin0452@sina.com)

Abstract:The characteristic of nanometer cationic humitemicro-particle and its effect as a retention and drainage aidwere studied in thispaper.The results showed that the nanometer cationic humite micro-particle has high cationic Zeta potential.Its cationic Zeta potential increaseswhile pH value dropps,and decreaseswhile grinding time increases.The retention of the fillers and fines improves in certain degreewhen a large amount of nanometer cationic humite is added alone which is sensitive to shear.When nanometer cationic humite is used in cationic micro-particle/APAM retention aid system,it shows excellent retention effect;moreover,this retention system is insensitive to shear and pH,especially the ungrounded humite micro-particle hasmore excellent retention effect.Therefore,the retention aid system of ungrounded cationic humite micro-particle/APAM is an ideal retention aid system.

Key words:humite micro-particle;cationic;grinding;retention

随着造纸技术的发展,湿部白水封闭循环程度越来越高,造纸湿部化学越来越受到造纸工作者的关注,尤其是作为湿部化学核心的助留助滤技术,更受到造纸工作者的重视[1-2]。20世纪80年代末,由瑞典Eka Nobel Paper Chemicals公司开发的阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)/膨润土微粒助留助滤体系被认为是造纸湿部化学的一场革命,该体系能显著提高纸机车速,提高产品质量,降低生产成本[3]。

本课题研究了一种由纳米级阳离子硅镁石微粒/阴离子聚丙烯酰胺(APAM)组成的微粒助留体系,以期开发出一种新型的微粒助留体系。

1 实 验

1.1 原料

阳离子硅镁石微粒:纳米级,取自浙江海山密封材料有限公司。针叶木、阔叶木化学浆:取自黑龙江斯达纸业有限公司。

1.2 药品

CaCO3:填料级,取自黑龙江斯达纸业有限公司。阴离子聚丙烯酰胺(APAM):取自黑龙江斯达纸业有限公司。

1.3 主要仪器

QM-3-A球磨机,长沙天创化工工贸有限公司生产。ZetasizerNano ZS Zeta电位及粒度检测仪,英国Malvern Instruments公司制造。MT2110 DDJ动态脱水仪,美国Paper Research Instruments公司制造。755B分光光度计,杭州科晓化工仪器设备有限公司制造。

1.4 实验方法

把纳米级阳离子硅镁石用蒸馏水调制成质量分数40%,装入球磨机中,磨至设定的时间。然后,进行纸浆中的应用实验。取CaCO3(用量为25%,对绝干浆质量)的悬浮液,将其加入装有2 g绝干化学浆[m(针叶木)∶m(阔叶木)=3∶7]的动态滤水仪中,再加入助留剂,混合1 min,收集初始滤液100 mL,用分光光度计测定其浊度。

2 结果与讨论

2.1 硅镁石微粒基本性能

实验用硅镁石微粒为蛇纹石类硅镁石,分子式为Mg6[Si4O10](OH)8[4],是由硅氧(SiO2)四面体和氢氧化镁[Mg(OH)2]八面体组成的双层型结构的三八面体硅酸盐矿物,在其晶体结构中,硅氧四面体片在二维方向上无限延展,其八面体片中的Mg—OH键为离子键。硅氧四面体片与八面体片之间以离子键连接,形成1∶1型结构层,在层的二维延展方向上具有共价键和离子键,结构层之间仅靠分子键——范德华力连接。硅镁石中常含有FeO、Fe2O3、Al2O3、CaO、MnO2、Cr2O3等杂质,这些杂质有些直接进入晶格,取代结构中的部分Mg,形成类质同相混合物,有些是机械混合物,分布于蛇纹石中,从而使蛇纹石带正电性[4]。

图1、图2为未经研磨的硅镁石微粒的带电情况。由图1、图2可见,当pH值为7.0左右时,硅镁石微粒的Zeta电位约为+50 mV,电荷密度约为+0.16 mmol/g,因此,硅镁石微粒具有高的Zeta电位和电荷密度,即硅镁石微粒具有高的正电性,并且随着pH值降低,Zeta电位和电荷密度显著增加。

图3为硅镁石微粒经湿法研磨后的粒径变化情况。由图3可见,未研磨时,硅镁石微粒的平均粒径为52 nm,随着研磨时间增加,硅镁石微粒的平均粒径逐渐减小,但在约3 h后,减小幅度趋缓,磨至8 h后,其平均粒径为19 nm。

图4为研磨过程硅镁石微粒的Zeta电位变化情况。由图4可见,未研磨时,硅镁石微粒的Zeta电位较高,但是,随着研磨的进行,Zeta电位显著降低,尤其是在研磨8 h左右时,降低幅度更加明显。可能是由于硅镁石微粒中使微粒带正电性的离子,如Fe3+、Fe2+、Al3+、Cr3+等,在未研磨时这些离子被包裹在微粒中,而在研磨过程中,随着微粒的进一步细化,这些物质不断从微粒中溶出,因此,使微粒的Zeta电位不断下降。

2.2 硅镁石阳离子微粒单元助留体系

图5为硅镁石阳离子微粒单元体系对纸料的助留效果。由图5可见,对于硅镁石微粒单元助留体系,未研磨及各种研磨情况下,滤液浊度随着硅镁石微粒用量增加而逐渐降低,证明硅镁石微粒单元助留体系对细小纤维、CaCO3具有一定的助留效果。这是由于硅镁石微粒带正电性,对负电性的细小纤维和CaCO3具有静电吸附作用,因此,产生了助留效果。但是,由图5可见,在硅镁石用量小于20%(对CaCO3质量)之前,浊度下降幅度不大,当硅镁石用量在20%～50%时,浊度有较大幅度下降,说明对于硅镁石微粒单元体系,需要加入大量硅镁石微粒才有良好的助留效果。且研磨与未研磨的硅镁石微粒助留效果相差不大,未研磨的相对来说较好,其原因可能是,未研磨时,硅镁石微粒具有较高的正电性,随着研磨时间延长,正电性逐渐下降(见图4)。因此,虽然随着研磨时间延长,微粒粒度下降,但由于微粒的正电性降低显著,降低了其对负电性细小纤维及CaCO3的吸附能力,因此,影响了助留效果。加。因此,硅镁石微粒单元助留体系助留效果及抗剪切性能都较差,不是一种理想的助留体系。

图6 剪切速率对浊度的影响

2.3 APAM单元助留体系

图7是APAM单元助留体系对纸料的助留效果情况。由图7可见,随着APAM用量(对纸浆的质量分数)的增加,浊度逐渐变大,说明随着APAM用量的增加,其助留效果反而呈下降趋势。这是由于纤维、填料CaCO3都呈弱负电性,APAM呈较强的负电性。因此,随着APAM的加入,加强了纸料悬浮液的负电性,使悬浮液体系中CaCO3粒子间相互排斥力增大,使CaCO3粒子更加趋于分散,从而使浊度上升,助留效果下降。由此可见,由于APAM带负电性,对纤维、填料CaCO3不仅没有助留效果,反而起到分散的作用。

图5 硅镁石用量对浊度的影响

图6为硅镁石微粒单元助留体系抗剪切能力情况。由图6可见,随着剪切速率的提高,未研磨和各种研磨情况下,滤液的浊度都迅速增加,证明硅镁石单元助留体系抗剪切能力很差。这是由于硅镁石微粒与细小纤维及CaCO3形成的静电吸附力很弱,其产生的絮聚团很容易被剪切破坏,从而使浊度迅速增

图7 APAM用量对浊度的影响

2.4 硅镁石阳离子微粒/APAM双元助留体系

图8为阳离子硅镁石微粒与APAM配合使用对纸料的助留效果,其中APAM的用量为0.5%(对CaCO3质量)。由图8可见,研磨与未研磨的硅镁石与APAM配合使用,都使滤液的浊度显著降低,说明阳离子硅镁石微粒与APAM具有良好的协同作用,产生良好的助留效果,当硅镁石微粒用量为2%时,浊度就已达到很低的值。由此可见,硅镁石微粒/ APAM双元助留体系具有良好的助留效果。

图8 硅镁石用量对硅镁石/APAM体系浊度的影响

图9为硅镁石微粒/APAM双元助留体系的抗剪切性能情况,其中硅镁石用量为5%,APAM用量为0.5%(均对CaCO3质量)。由图9可见,研磨2 h与8 h的硅镁石微粒抗剪切性能较弱,其他的硅镁石微粒/APAM双元体系具有良好的抗剪切性能,其中,未研磨的硅镁石微粒/APAM双元体系具有最好的抗剪切性能。这可能是由于硅镁石未研磨时具有最高的正电性,其与负电性的APAM具有最好的协同作用,形成的絮聚团最牢固,因此,具有最好的抗剪切性能。

图9 剪切速率对硅镁石/APAM体系浊度的影响

图10为硅镁石用量5%、APAM用量0.5%(对CaCO3质量)时的pH值对助留效果的影响。由图10可见,随着纸料pH值降低,滤液的浊度逐渐下降,说明随着pH值降低,该助留体系的助留效果逐渐变好。这是由于随着pH值下降,硅镁石微粒的正电性逐渐增加,从而使助留效果逐渐变好。由图10可见, pH值在6.0～8.5之间,滤液的浊度值都较低,证明pH值在6.0～8.5之间,该体系都有良好的助留效果,说明该助留体系在造纸湿部正常pH值范围内都有良好的助留效果。

图10 pH值对硅镁石微粒/APAM体系的影响

由此可见,研磨与未研磨的硅镁石微粒/APAM组成的双元助留体系都具有良好的助留效果,其中,未研磨的硅镁石微粒/APAM组成的体系具有最好的抗剪切性能,同时,也有良好的pH值适应性。因此,未研磨的硅镁石微粒/APAM体系是一种理想的助留体系。

3 结 论

3.1 硅镁石微粒具有纳米级的粒径和高的正电性,其正电性随着pH值增加逐渐降低。

3.2 随着研磨时间增加,硅镁石微粒粒径逐渐降低,正电性也随着逐渐降低。

3.3 硅镁石阳离子微粒单独作为助留剂使用时,具有一定的助留效果,但其用量大且效果一般,并且抗剪切性能差,不是一种理想的助留体系。

3.4 硅镁石微粒与APAM组成的双元助留体系具有良好的助留效果,其中,未研磨的硅镁石微粒/ APAM组成的体系具有良好的抗剪切性能和pH值适应性。因此,未研磨的硅镁石微粒与APAM组成的助留体系是一种理想的助留体系。

[1] Ovenden Cherie,Xiao Hui ning,W iseman Nicholas.Retention aid systems of cationic micro-particles and anionic polymer:experiments and pilotmachine trials[J].Tappi Journal,2000,83(3):80.

[2] 刘 娜,刘温霞.CPAM/膨润土助留体系中改性膨润土的研究[J].纸和造纸,2005,2:64.

[3] 刘军钛.抄纸化学品的理论与实践[J].纸和造纸,2000,6:5.

[4] 吴良士,白 鸽,袁忠信.矿产原料手册[M].北京:化学工业出版社,2007.

(责任编辑:郭彩云)

Characteristic of Cation ic Hum iteM icro-particle and Its Effect as Retention A id

ZU Bin1,＊X IA Xin-xing2HU Fang1XU Feng1ZHAO Hong1

(1.Q iqiharUniversity,Q iqihar,Heilongjiang Province,161006; 2.ShaanxiUniversity of Science&Technology,Xi'an,Shaanxi Province,710021)

祖 彬先生,教授;主要研究方向:制浆造纸工艺、制浆造纸环保综合利用。

TS727+.2

A

0254-508X(2010)04-0032-04

2009-12-07(修改稿)

本课题为黑龙江科技厅资助项目(项目编号:GC05A421)。