碳酸钙原位沉淀法加填对蔗渣浆光学性能的改善

碳酸钙原位沉淀法加填对蔗渣浆光学性能的改善

该文研究了碳酸钙原位沉淀法对漂白蔗渣化学浆纤维光学性能改善的效果。结果表明：（1）碳酸钙原位沉淀法能显著提高蔗渣浆抄出来的纸张的光散射系数，从而在很大程度上改善纸张的不透明度和白度；（2）加填量相同时，用原位沉淀法得到的浆料光散射系数明显高于直接加填浆料的光散射系数；（3）碳酸钙原位沉淀法会使蔗渣浆的强度有一定损失，不过损失的强度大部分可以采用加入强度更高的纤维和原位沉淀后精磨等方法弥补回来；（4）碳酸钙原位沉淀法对纤维造成的影响因浆种的不同而不同，如对阔叶木浆，碳酸钙原位沉淀法并不会明显改善阔叶木浆的光学性能，也不会明显降低阔叶木浆的强度性能。

印度和其他亚洲国家因林产木材供应的不充足，甘蔗渣就成为一种非常重要的造纸纤维原材料。蔗渣浆抄造的纸张具有大部分纸种所需的良好成形性、表面平滑度和强度。蔗渣纤维的主要缺点在于其抄出的纸张光散射能力相对较低，化学蔗渣浆含量较高的浆料所抄造出的纸张不透明度和松厚度就相对较低，透印的可能性较大（对于两面都需要打印的纸张而言，低的透印度是相当重要的）。

提高填料的含量可以改善纸张的不透明度，然而纸张的强度和挺度也会有一定损失。对于蔗渣浆而言，强度的损失比光学性能的改善更为明显。一些新的研究表明，如将填料颗粒加填到纤维的细胞腔和/或细胞壁中，即采用填料的原位沉淀法能改善纸张的某些性能。

填料可以通过3种不同的工艺方法加到纸页中：（1）直接加填，这是纸厂中最为常用的加填方法；（2）机械扩散，在机械作用下，填料通过重纹孔扩散到纤维的细胞腔中；（3）原位沉淀法，填料沉积在纤维的细胞腔和/或细胞壁上。

本文研究了漂白蔗渣化学浆纤维采用碳酸钙原位沉淀法来改善其光学性能的效果，结论与早期文献中的结论存在一定差异。在灰分含量相同时，相对于直接将PCC加填到浆料中，用碳酸钙原位沉淀法加填的蔗渣浆的光散射系数有明显改善，不过强度会有较大损失，于是研究了采用加入强度更高的纤维以及原位沉淀后精磨等方法来提高其强度。

1 实验

实验采用未干燥的未漂白蔗渣浆、阔叶木浆和麦草浆（均为湿浆），以及商品漂白针叶木浆板。用PFI磨将浆料打浆至32°SR，蔗渣浆和阔叶木浆采用碳酸钙原位沉淀法加填。打好的浆料放入含有碳酸钠溶液的、容量为3 L的大烧杯中浸泡，同时用实验室搅拌器以1 200～1 500 r/min的转速加以搅拌。约20 min后，碳酸钠已进入纤维内部，然后加入饱和氢氧化钙溶液（1.46 g/L）以产生沉淀碳酸钙。继续搅拌20 min。沉淀之后，用自来水和250目筛彻底洗涤浆料直至得到澄清的滤液。

将采用原位沉淀法的蔗渣浆和阔叶木浆以及按不同比例混合的麦草浆和针叶木浆按照标准SCAN C：26用实验室标准成形器抄成定量为60 g/m2的纸张，抄纸器截面为正方形，规格为165 mm×165 mm。纸张置于光滑表面上自然干燥。手抄片用AKD进行内部施胶，使其Cobb60值约为22 g/m2。

另外向蔗渣浆和阔叶木浆中直接加入商品级的PCC作为对比，同时加入助留剂。

采用Elerpho分光光度计（L&W 071型）测量纸张的白度、不透明度、光散射系数和光吸收系数。同时，灰分、定量、厚度、抗张强度、撕裂强度、耐折度和Cobb60值都用相应的SCAN法进行测量。用扫描电镜法观察纸张中PCC的位置。

浆料的物理性能（此处性能指用PFI磨打浆至32°SR所得到标准纸页的性能）如表1所示。

2 结果与讨论

2.1 纸张的扫描电镜图

图1分别为不加填PCC（a）、直接加填PCC（b）和碳酸钙原位沉淀法加填（c）时蔗渣浆手抄片的扫描电镜图（SEM）。图1（d）为碳酸钙原位沉淀法加填纤维的横截面。

表1 浆料的物理性能

蔗渣浆 阔叶木浆 针叶木浆 麦草浆w（灰分）/%抗张指数/（N·m·g-1）耐破指数/（kPa·m2·g-1）撕裂指数/（mN·m2·g-1）耐折度/次白度/%散射系数/（m2·kg-1）吸收系数/（m2·kg-1）0.61 58.9 3.73 3.96 1.39 73.5 21.2 0.52 0.66 65.6 4.73 5.34 1.47 73.0 36.7 0.73 0.35 44.1 5.96 18.5 2.69 74.3 24.0 0.38 1.60 45.5 2.66 3.32 0.62 71.4 25.8 0.62

图1 蔗渣浆纸张的扫描电镜显微图

图1表明，采用原位沉淀法时，大部分碳酸钙都沉积在纤维细胞腔或细胞壁内部。对于直接加填[图1（b）]，填料颗粒沉积在纤维表面上；对于原位加填[图1（c）]，大部分填料颗粒都在纤维内部，因为多数沉积在纤维表面的颗粒已被洗去。从图1（d）可以看出，大部分PCC颗粒都在细胞腔里面。

2.2 填料对纸页光学性能的影响

图2为PCC加填量对蔗渣浆手抄片和阔叶木浆手抄片的光散射系数、白度和不透明度的影响（不透明度是在60 g/m2定量的基础上用s值、k值以及简化的Kubelka-Munk方程式计算得到的。

图2 碳酸钙加填量对纸张光学性能的影响

由图2可见，不加填时蔗渣浆手抄片的光散射系数明显低于阔叶木浆手抄片的光散射系数；直接加填会使蔗渣浆和阔叶木浆的光散射系数小幅度增加，而原位沉淀法对蔗渣浆和阔叶木浆加填时光散射系数显著提升，蔗渣浆更为明显；当灰分高于12%时，蔗渣浆和阔叶木浆的散射系数几乎相同。

用原位沉淀法加填的蔗渣浆纸张的白度和不透明度显著提升，原因在于光散射系数大幅度增加。

2.3 填料加填量对纸张强度的影响

相对于PCC直接加填的纸张，用碳酸钙原位沉淀法加填的蔗渣浆和阔叶木浆的强度下降更为明显。图3为碳酸钙加填量对纸张抗张指数、耐折度和撕裂指数的影响。

图3 碳酸钙加填量对纸张强度性能的影响

由图3可见，不论是PCC直接加填或者碳酸钙原位沉淀法加填，抗张指数都会随碳酸钙加填量的增加而减小，不过碳酸钙原位沉淀法降低得更为明显。耐折度与抗张指数的趋势相同；对2种碳酸钙加填方法而言，填料用量对撕裂强度的影响很小。

2.4 碳酸钙的原位沉淀对蔗渣浆强度损失的补偿

虽然碳酸钙的原位沉淀法可以赋予蔗渣浆手抄片较好的光学性能，却使纸张的强度性能有所降低。为了克服原位沉淀法蔗渣浆抄造的纸张强度下降的问题，对几种可能的解决方法进行了评估。在碳酸钙原位沉淀法中，首先把浆料浸泡在Na2CO3溶液中，再加入Ca（OH）2溶液。即使Ca（OH）2在水中的溶解性很低，仍然认为这样能使大部分CaCO3沉淀进入细胞腔，而不是沉淀在纤维的外表面上。然后用相反的化学品加入顺序进行实验，即将浆料浸泡在Ca（OH）2溶液中，然后鼓入CO2气体产生沉淀CaCO3。实验表明，化学品的加入顺序发生改变时，纸张强度和光散射系数并没有明显变化。

2.4.1 原位沉淀法蔗渣浆与其他浆料的混合

在原位加填的蔗渣浆料中加入其他浆料来观察它们对强度的作用。在碳酸钙加填量为18.86%的原位加填蔗渣浆中分别加入针叶木浆、阔叶木浆和麦草浆，图4为加入这些浆料后纸张强度性能的变化。

图4 不同浆料以不同比例与碳酸钙原位加填蔗渣浆混合时对纸张强度性能的影响

由图4可见，混合纤维含量较低时（＜20%），麦草浆对抗张强度的提升最为显著，其原因可能是麦草浆半纤维素的含量较高。而长纤维的针叶木浆对撕裂强度、耐折度和耐破度的提高最为显著。混合浆料的加入会降低加填量。如加入20%的混合浆料时加填量会由18.86%降至15%。在加填量相同时，混合浆料抗张强度的改善明显优于原位加填的蔗渣浆。混合浆料导致散射能的降低与加填蔗渣浆中加填量减少时散射能的降低是一致的。因此可以认为，在蔗渣浆中添加任何一种浆料都使强度有明显改善，且纸张的光学性能没有明显损失。

2.4.2 原位加填蔗渣浆的精磨处理

图5显示了碳酸钙加填量对原位沉淀加填及精磨的蔗渣浆手抄片强度的影响（此处是通过鼓入CO2气体进行原位加填）。

实验发现蔗渣浆经碳酸钙原位加填后游离度有所增加，而打浆度由32°SR左右降到15°SR左右。于是再次精磨原位加填后的浆料到32°SR，并观察能否挽回由于原位加填而损失的强度。如图5所示，通过精磨原位加填的蔗渣浆，抗张指数可达到直接加填时的水平，而光散射系数仅有微小损失。精磨对浆料的撕裂强度没有明显影响。原位沉淀法中浆料游离度的增加可能是因为填料沉淀在细胞壁内，致使纤维硬度增加。精磨不仅可以保持纤维的柔韧性，还可使浆料在光散射系数没有明显下降的情况下使抗张强度有所回升。

3 结论

（1）蔗渣浆浸泡在碳酸钠溶液中后再加入氢氧化钙溶液产生PCC，可使大部分碳酸钙颗粒沉积在细胞腔内。

图5 碳酸钙加填量对原位沉淀加填及精磨的蔗渣浆手抄片强度的影响

（2）碳酸钙在蔗渣浆上的原位加填使光散射系数显著增加，其不透明度和白度也有大幅度提升。

（3）加填量相同时，原位沉淀法加填浆料的光散射系数明显高于直接加填浆料的光散射系数。

（4）碳酸钙的原位加填使蔗渣浆的强度降低，不过在灰分含量相同的情况下，原位加填强度的降低要低于直接加填时强度的降低。

（5）原位沉淀法加填蔗渣浆降低的强度可以通过加入其他浆料得以补偿，不过光散射系数会减小。即加入其他浆种可能使浆料的强度和光学性得以优化。

（6）原位沉淀法加填蔗渣浆的强度也可以通过再次精磨得以提升。

（7）碳酸钙原位沉淀法加填蔗渣浆与加填阔叶木浆的效果是不一样的。阔叶木浆的碳酸钙原位沉淀法既没有明显改善光学性能，也没有使强度明显降低。

（胡伟婷 编译）