高填料纸中填料留着的研究

张素风， 王 群， 罗晓芳， 吴养育， 张美云， 李志健

(陕西科技大学 轻工与能源学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安 710021)

0 引言

填料作为纸浆中纤维的替代品，其使用量在造纸工业中仅次于纤维，能很大程度地降低生产成本[1].硅酸钙作为填料生产高填料纸,目前在造纸领域中还处于研究和试用阶段.

硅酸钙不同于植物纤维，也不同于传统填料,如碳酸钙、滑石粉等，它是介于植物纤维与传统填料之间的一种纤维状材料，可代替纸浆纤维用于造纸过程中的填料，具有类似纤维状的结构.因此，它在纸张中可获得相对较高的留着率，可降低原料成本，改善浆料的滤水性能，提高纸张的白度、不透明度、印刷适性等，还可以替代传统填料应用于新闻纸、胶版纸、书写纸等印刷文化用纸[2-4].

为达到纸张中填料的高留着率，一般采用助留——增强多元系统法.如，聚丙烯酰胺(PAM)和膨润土(MMT)等组成的微粒助留体系[5,6]，阳离子聚酰胺环氧氯丙烷树脂(PAE)和阴离子聚丙烯酰胺(APAM)组成的二元体系[7-11]，或PAE、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)和阴离子聚丙烯酰胺(APAM)等组成的三元助留系统[12].

本研究使用从工业废料粉煤灰中提取出来的硅酸钙作为填料，利用助留剂和湿强剂组成二元系统，探讨填料留着率高于50%以上的方法.

1 实验部分

1.1 原料

硅酸钙填料来自内蒙古某再生资源开发有限公司，其形态为乳状灰色；植物纤维原料为针叶木和阔叶木商品浆板，打浆度分别为45 °SR和40 °SR.

1.2 主要试剂

XX-8060助留助滤剂(浓度0.1%)，Dorning公司生产；湿强剂PAE，固含量12.5%.

1.3 主要仪器

纤维解离器(ZQS4型，陕西科技大学机械厂)；纸样抄取器(ZQJ1-B-I型，陕西科技大学机械厂)；经济型微电脑抗张强度测试仪(DN-1190型，西安鼎诺测控技术公司)；马弗炉(SGM.M45/13型，南通华泰实验仪器有限公司).

1.4 实验方法

1.4.1 纸张抄造

抄造时，纸浆原料的配比为，针叶木浆∶阔叶木浆=3∶7.称取一定量的纸浆纤维，疏解后添加填料和助剂(XX-8060助留助滤剂、PAE)，在标准纸页成形器上抄片，在2 MP的压力下压榨，然后105 ℃下干燥3 min左右，恒温恒湿24 h后，以备检测.纸张定量为95 g·m-2.

1.4.2 纸张灰分的测定

纸张灰分按GB/T742-2008标准进行检测.精确一定质量的试样(精确至0.000 1 g)，置于预先灼烧至恒重的坩锅中，同时另外称取试样测定水分，并计算试样的绝干质量m，将装有试样的坩埚先在电炉上炭化，然后将坩埚移入高温炉中，原料的灼烧温度为575±25 ℃，时间为4 h，然后从高温炉中取出坩埚，在空气中自燃降温10 min，再移入干燥器中冷却至室温.称取坩埚残余物的总质量，精确至0.000 1 g[13].

灰分X(%)按式(1)计算：

(1)

式中：X-残余物的含量；m1-灼烧后坩埚的质量，单位为克(g)；m2-灼烧后盛有残余物的坩埚质量，单位为克(g)；m-绝干试样的质量，单位为克(g).

1.4.3 纸张性能检测

抗张强度按GB/T 12914-1991标准进行检测，耐折强度按GB/T2679-5标准进行检测.

2 结果与讨论

2.1 填料的基本形态及性质

填料硅酸钙的粒度和形态，对于其在纸页抄造过程中的留着率具有很大的影响.为此，首先对硅酸钙填料的形态在显微镜下进行了观察，见图1所示.

由图1可见，硅酸钙填料的形状为针状，显微镜下观察到的填料粒径不均匀，通过激光粒度分析仪测得硅酸钙填料的粒径约为0.15～0.3μm之间.而常用填料的粒径一般较大，如GCC的粒径范围超细磨时为0.5～0.9μm，细磨时为1～3μm，粗磨时>3μm，滑石粉的粒径约10μm.硅酸钙填料的粒径较小，易于吸附在纤维上，并且对设备的磨蚀较小.因此，用硅酸钙作为造纸填料是可行的.

图1 硅酸钙填料的显微镜图(10×10)

2.2 不同助剂对填料留着率的影响

由于填料较细小，单程留着率很低，流失量比较大，白水循环利用对其总留着的提高非常关键.因此，本研究是在白水循环回用的基础上来进行的.

2.2.1 助留剂8060对填料留着率的影响

助留剂因为所带电荷与纤维所带的电荷相反，可直接与无机盐离子、纤维以及其它有机高分子发生静电桥梁作用，因而可以起到很好的絮凝作用，以达到增加填料留着率的目的.

本实验使用助留剂8060，使硅酸钙填料尽可能地留着在纸页中，并考察填料和助留剂添加量需为多少时，填料的留着率才能达到50%及以上，同时对两者的添加量进行了优化.

(1)不同填料和助留剂用量对填料平均留着率的影响

当填料和助留剂用量不确定时，通过填料的平均留着率来考察填料和助留剂的最佳添加量.表1为不同填料和助留剂用量对填料平均留着率的影响.

表1 不同填料和助留剂用量对填料平均留着率的影响

由图2可知，要达到较高的填料留着率，需要同时增加填料和助留剂8060的用量.当纤维的用量为1.5 g，填料的添加量为8 g，助留剂8060的用量为0.2%时,填料平均留着率达到47.6%，接近50%.

图2 不同填料和助留剂用量 对填料平均留着率的影响效果

(2)不同填料用量对填料平均留着率的影响

考虑到助留剂的价格比填料价格贵，固定助留剂8060的用量为0.2%，考察填料的添加量与填料平均留着率的关系.表2为不同填料用量对填料平均留着率的影响.

表2 不同填料用量对填料平均留着率的影响

图3 不同填料用量对填料 平均留着率的影响效果

由图3可见，助留剂的用量在0.2%时，随着填料添加量的增加，填料的留着率也逐渐增加.当填料添加量为8.5 g及以上时，填料的平均留着率可以超过50%.

(3)灰分含量的测定

填料的留着率初步估测已经达到50%，为了进一步确定填料的留着率数据，采用了灼烧测定灰分的方法.实验结果见表3所示.

表3 灰分含量

由表3可见，纤维原料(空白样)的灰分含量较高，其原因可能是实验条件所致.因为灼烧灰分是在500 ℃的条件下进行的，温度较低时，没有灼烧完全.当填料添加量为8.5 g时的灰分含量没有达到50%，是因为填料本身有一个烧失量.

综合考虑两方面的原因，后续实验选择在填料添加量为10 g的条件下进行.

2.2.2 湿强剂PAE与助留剂8060协同应用的影响

PAE树脂含有叔胺和季胺功能基，使其具有阳离子性，因此在中性和碱性条件下它们能够被吸附到带有负电荷的纸浆纤维上，是目前应用最广泛的湿强剂.其合成过程中可烷基化的次氨基，会自身烷基化形成一羟基氮杂环丁烷基团，该基团对PAE树脂的阳离子性和湿强度的产生具有重要意义.最终产品具有较低的相对分子质量(<10万)和阳离子性.

由于单独使用助留剂8060作为助留剂时，虽然能够使填料的留着率在50%以上，但填料的添加量非常高.在保证填料留着率的前提下，为探究能否将填料的添加量减少，使用了湿强剂PAE.因为PAE不但有增强的作用，还能够提高细小纤维和填料的留着率.使用PAE后的填料留着实验结果见表4所示.

表4 助留剂8060与PAE协同作用效果

注：纤维1.5 g，填料10 g，助留剂用量0.2%，PAE用量1.0%

由表4可见，加入PAE后，填料的留着率明显提高.这是因为PAE树脂带有正电荷，能溶于水，而且具有较高的分子量，因而能够提高细小纤维和填料的留着.增加PAE的加入量，可以提高助留效果，甚至有些时候不必使用助留剂.

由于使用PAE后填料留着率非常高，故通过减少填料的添加量再次进行系列实验，其实验结果见表5所示.

表5 协同作用下填料添加量的确定

由表5可见，当纤维量为1.5 g时，填料留着率达50%以上的条件是：填料添加量4 g，助留剂用量0.2%，PAE用量1.0%.此时，纤维量占27.27%，填料量占到72.73%.

本研究过程中，为达到填料的留着率为50%，且填料的添加量又不能太多的目的，直接采用PAE的用量为1.0%，为了确定PAE的最佳用量，故进行了在不同PAE用量下纸张的抗张强度实验，其结果见表6所示.

表6 PAE用量与抗张强度关系

由图4可见，抗张强度随PAE用量的增加不断上升，但达到一定程度后便开始下降.其原因是：PAE树脂产生湿强的机理一般有两步反应.一是，分子链上的氮杂环丁基团与另一分子链上的第二个氨基产生交联反应；二是，在单个树脂分子中的杂氮环丁基与在两根纤维上的羧基产生交联[14,15].而纸浆纤维各种成分所含的羧基，在中性和碱性抄纸的pH范围能够较大程度地解离，这表明许多含羧基在较低pH下不能溶解的物质，在中性和碱性条件下能够溶解，这会引起白水的阳离子需求增加.

由于静电吸引作用，PAE树脂能与阴离子垃圾形成络合物，PAE树脂能够作为阴离子捕捉剂清洁白水循环系统，但是它们吸附于带负电荷的纤维，改善湿强度的能力因而被削弱.故在PAE用量为0.7%时，抗张强度较好.

但考虑到提高纸张的强度还可以采用其它方法，故本实验选用其留着率较好时为1%的添加量.

图4 PAE用量与纸张抗张强度关系

综上所述，助留剂8060与PAE协同作用的最佳用量分别为0.2%、1.0%，此时其填料留着率达到54%，抗张指数为3.12 N·m·g-1.

3 结论

(1)单独使用助留剂8060时，当用量为0.2%时，其填料平均留着率达到64.66%.

(2)同时使用助留剂8060和湿强剂PAE时，当助留剂用量0.2%，PAE用量1.0%时，填料平均留着率达到54.55%.此时，纤维量占27.27%，填料量占72.73%.

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