阳离子淀粉预絮聚新型硅酸钙填料的应用效果研究

吴 盼 张美云 王 建 宋顺喜 刘 峰 李王芳

(1.陕西科技大学轻工与能源学院，陕西省制浆造纸重点实验室，教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室，陕西西安，710021;2.福伊特造纸(中国)有限公司，江苏昆山，215300)

以高铝粉煤灰为主要原料，采用我国自主开发的高铝粉煤灰生产氧化铝联产新型硅酸钙技术，制备超细、轻质、多孔的新型硅酸钙——粉煤灰联产新型硅酸钙(FACS)，Zeta电位-75.2 mV，比表面积大于150 cm2/g，是一种电负性较强的填料［1］。将 FACS用作造纸填料时，存在纸料滤水困难、成纸强度低的问题。

阳离子淀粉(CS)对带阴离子电荷的物质有很好的亲和力，结合后不可逆性高，所以在造纸工业中的应用广泛，可用作增强剂、助留助滤剂及表面施胶剂等。

本实验采用2种方式对浆料进行加填:①将糊化好的CS直接加入含FACS的纸料中(常规加填);②将糊化好的CS与FACS预先混合，然后将CS预絮聚FACS的絮聚体添加到浆料中(预絮聚加填)。2种加填工艺中，FACS加填量均为绝干浆量的30%。对比了常规加填和预絮聚加填工艺下纸料的留着率、滤水性能和成纸性能，以期考察CS预絮聚FACS的使用效果，为FACS在实践中的应用提供参考。

1 实验

1.1 原料与仪器

粉煤灰联产新型硅酸钙(FACS，灰白色悬浮液)，取自某电厂;阳离子淀粉(CS)，上海兖华新材料科技有限公司。

纤维疏解器，L＆W公司;动态滤水仪，MT2110-086CF，滤网规格200目;Quanta200环境扫描电子显微镜(SEM)，FEI公司;肖氏打浆度仪，陕西科技大学机械厂;胶体电荷分析仪，PCD-03，德国Mütek;Zeta电位测定仪，SzP06，美国。

1.2 CS预絮聚FACS的制备

用搅拌器搅拌FACS悬浮液，使FACS分散均匀，然后将一定量的糊化CS(CS在质量分数2%的条件下糊化)滴加到FACS悬浮液中，并搅拌1 min(搅拌速率750 r/min)，使CS在FACS表面絮聚、吸附，制得CS预絮聚FACS。

1.3 纸料留着率和滤水性能的测定

预絮聚加填纸料:将浆料加入到DDJ动态滤水仪中，然后加入CS预絮聚FACS，开动搅拌器(设定搅拌速率750 r/min，搅拌30 s)，体积为500 mL，进行滤水实验，用秒表记录从开始滤水到得到100 mL 滤液的时间［2］。

常规加填纸料:将浆料加入到DDJ动态滤水仪中，并添加FACS，搅拌30 s，然后添加一定量的CS，再搅拌30 s，进行滤水实验，用秒表记录从开始滤水到得到100 mL滤液的时间［2］。

用定量滤纸过滤收集的滤液，然后干燥称量滤纸以分析纸料的留着率;采用灰分法测定FACS留着率［2］。

1.4 FACS加填纸料的电荷特性

Zeta电位:采用SZP-06 Zeta电位仪测定。

阳离子需求量:过滤1.3中得到的100 mL白水，取滤液10 mL，用PCD03型胶体电荷分析仪测定阳离子需求量。阳离子需求量采用10 mL滤液消耗的标准阳离子滴定液PDADMAC(0.001 mmol/L)体积表示。

1.5 纸张物理性能的测定

将填料添加到阔叶木漂白化学浆和针叶木漂白化学浆质量比为4∶1(绝干)的混合浆料(打浆度40°SR)中，并利用实验室小型抄片器抄造手抄片，定量70 g/m2。平衡水分24 h后，按国家相关标准分别测定手抄片的松厚度、抗张强度和撕裂度。

2 结果与讨论

2.1 FACS扫描电镜分析

FACS扫描电镜图如图1所示。由图1可知，FACS呈蜂窝状聚集体特征，是一种蓬松且高孔隙率的多孔性材料。FACS的多孔性使其具有较大的比表面积，对化学助剂有较强的吸附能力。

图1 FACS扫描电镜图

2.2 CS对纸料滤水性能和留着率的影响

2.2.1 CS用量对纸料滤水时间的影响

CS用量对纸料滤水时间的影响如图2所示。由图2可知，一定范围内，随CS用量的增加，预絮聚加填纸料的滤水性能比常规加填纸料的好，说明CS预絮聚FACS能改善纸料的滤水性能。这可能是因为CS预絮聚后，FACS表面被CS包覆，电负性减弱，随CS用量的增加甚至趋于不带电或带正电，从而能与带负电荷的纤维产生静电吸附作用，使纤维间的滤水通道打开［3］;部分游离的CS会与纤维发生电荷中和作用，使纤维的极性有所降低，水分子难以在纤维表面浸湿及定向排列;同时，CS会与微细纤维作用，使微细纤维在纤维上絮凝，形成大的聚集体，减少了微细纤维对孔隙的阻塞，加速了纸料脱水［4］。另一方面，FACS是一种多孔性填料，其粗糙的表面结构和大量的孔隙会延长水的通过时间，利用CS预絮聚包覆FACS后，能够堵住FACS表面的孔隙，使得纸料的滤水性能得以改善。

图2 CS用量对纸料滤水时间的影响

2.2.2 CS用量对纸料留着率的影响

图3 CS用量对纸料留着率的影响

CS用量对纸料留着率和FACS留着率的影响分别如图3和图4所示。从图3和图4可以看出，CS用量对纸料留着率和FACS留着率的影响趋势基本一致。当CS用量低于1.25%时，预絮聚加填纸料的留着率明显高于常规加填纸料的留着率。当CS用量为0.5%时，常规加填纸料的留着率为85.3%，FACS留着率为56.2%，而预絮聚加填纸料的留着率为89.3%，FACS留着率为77.8%。CS絮聚 FACS时，形成了一种包覆的软絮聚体，这种絮聚体在纤维表面的沉积性能较强，即机械截留作用较强。同时，被CS包覆的 FACS的电负性减弱，CS用量增加时，FACS可能逆转为带正电荷，有助于FACS在纸张中的留着。常规加填方式添加的FACS由于比表面积较大，对CS也会产生吸附，但通常是单分子吸附［5］，机械截留作用较弱，因此留着效果不如预絮聚加填方式。但当CS用量超过1.5%时，常规加填方式添加的纸料留着率和FACS留着率继续上升，而预絮聚加填方式添加的纸料留着率和FACS留着率出现较大幅度的降低。这可能是因为FACS表面吸附的CS有限，多余的CS在搅拌和水流冲击的作用下脱落，使CS的助留效果降低了;在预絮聚过程中，如果CS用量过多，CS可能起到分散剂的作用，降低预絮聚效果。

图4 CS用量对FACS留着率的影响

2.2.3 CS用量对纸料Zeta电位的影响

CS用量对纸料Zeta电位的影响如图5所示。由图5可知，CS的加入使纸料Zeta电位急剧上升，在CS用量约为1.5%时，2种加填方式的纸料的Zeta电位基本达到等电点。总体看来，预絮聚加填纸料的Zeta电位比常规加填纸料的略低。这可能是因为大部分CS对FACS产生絮聚，并吸附在FACS表面。已证明填料和纤维对CS的吸附是不可逆的［6］，只有较少的CS溶解在水中，因此这部分CS对纸料Zeta电位的影响较小。而采用常规方式加填时，CS与纤维的吸附属于单层吸附，而纤维表面单层吸附量达到饱和吸附量后，过多的CS大部分溶解在水中，较少的CS对细小纤维与FACS产生絮聚，体系中阳离子化程度加大，对纸料Zeta电位影响较大［7］。因此，常规加填时，流失到白水中的CS可能较多，白水负荷增大。

图5 CS用量对纸料Zeta电位的影响

2.2.4 CS用量对白水阳离子需求量的影响

CS用量对白水阳离子需求量的影响如图6所示。由图6可知，总体上，预絮聚加填纸料的白水阳离子需求量低于常规加填纸料的白水。当CS用量低于1.0%时，2种加填方式下的白水阳离子需求量基本相当;当CS用量大于1.0%时，预絮聚加填时的白水阳离子需求量较常规加填的低。

图6 CS用量对白水阳离子需求量的影响

2.3 CS用量对纸张性能的影响

2.3.1 CS用量对成纸抗张指数的影响

CS用量对成纸抗张指数的影响如图7所示。从图7可以看出，随CS用量的增加，成纸抗张指数呈先降低后升高的趋势。这可能是因为CS用量较低时，CS主要起助留作用，FACS的留着率很高，大量的CS吸附在FACS表面，在纤维间起增强作用的CS很少，所以成纸抗张指数降低。当CS用量超过1.5%以后，纸张中FACS留着率提高不大，FACS表面吸附的CS也接近饱和，CS预絮聚FACS能与纤维形成静电结合，填料与纤维间形成氢键的能力增强，从而提高成纸抗张强度［8］。总体来看，预絮聚加填纸的抗张指数高于常规加填纸。常规加填纸抗张指数的最低值出现在CS用量为1.5%时，而预絮聚加填纸抗张指数的最低值出现在CS用量为0.5%时，这说明与常规加填相比，预絮聚加填可以降低CS用量。

图7 CS用量对成纸抗张指数的影响

2.3.2 CS用量对成纸撕裂指数的影响

CS用量对成纸撕裂指数的影响如图8所示。由图8可知，对于常规加填，当CS用量低于1.0%时，成纸撕裂指数随CS用量的增加而降低。这是因为此时CS用量较低，CS一部分被具有较大比表面积的FACS填料吸附，一部分用于改善 FACS的留着，FACS在纸张中的留着率提高，阻碍了纤维间的结合，对成纸撕裂指数产生不利影响。但随CS用量的增加，FACS表面吸附的CS也接近饱和，多余的CS吸附在纤维上起增强作用，成纸撕裂指数呈增大的趋势［9］。对于预絮聚加填，随CS用量的增加，成纸撕裂指数呈缓慢降低的趋势。这可能是由于随CS用量的增加，一方面 FACS的留着率增大，另一方面FACS可能产生了絮聚，导致成纸匀度降低，进而成纸撕裂指数下降。总体上，当CS用量低于1.5%时，预絮聚加填纸的撕裂指数大于常规加填纸的撕裂指数。

图8 CS用量对成纸撕裂指数的影响

2.3.3 CS用量对成纸松厚度的影响

CS用量对成纸松厚度的影响如图9所示。从图9可看出，当CS用量低于1.5%时，预絮聚加填纸的松厚度略低于常规加填纸，这可能是由于预絮聚加填的FACS留着率较常规加填的高，纸张中更多的空气被排出，成纸松厚度降低。当CS用量超过1.5%时，成纸松厚度迅速增大，这可能是因为CS用量较大时，预絮聚过程中填料产生了较大的絮聚，填料粒径变大，不能很好地填充纤维间的孔隙。

2.3.4 加填纸的微观形貌分析

预絮聚加填和常规加填(CS用量均为1%)的纸张的扫描电镜图分别如图10和图11所示。对比图10和图11可知，常规加填时，大量填料分布在纤维表面，纸张表面较为粗糙，容易出现掉毛掉粉现象;预絮聚加填时，FACS填料较均匀地分散在纤维间，这有利于提高纸张的匀度和强度性能。

3 结论

采用阳离子淀粉(CS)预絮聚粉煤灰联产新型硅酸钙(FACS)的方法对FACS进行改性，对比了浆内添加CS至含FACS纸料(常规加填)和CS预絮聚FACS加填(预絮聚加填)方式下纸料的滤水性能、留着率和成纸性能。

3.1 与常规加填纸料相比，预絮聚加填纸料的滤水性能有较大改善，Zeta电位略低，白水滤液的阳离子需求量明显降低。

3.2 预絮聚加填纸的抗张指数高于常规加填纸。2种加填方式下，成纸抗张指数随CS用量的增加呈现出先降低后增大的趋势;在预絮聚加填中，随CS用量的增加，成纸撕裂指数呈缓慢下降的趋势，而常规加填纸的撕裂指数随CS用量的增加先降低后增大;CS用量低于1.5%时，预絮聚加填纸的松厚度略低于常规加填纸。常规加填时，较多的FACS分布在纸张表面，致使纸张表面较为粗糙，容易出现掉毛掉粉现象;而预絮聚加填时，FACS比较均匀地分散在纤维间，这有利于提高纸张的匀度和强度性能。

3.3 在纸张性能基本相同的条件下，预絮聚加填的CS用量较常规加填的低。

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