微硅矿物粉加填对纸张性能的影响

刘建安 董晓斌 樊慧明，* 高 达 齐亚楠 陈世盛

（1.华南理工大学造纸与污染控制国家工程研究中心，制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640；2.广东利盈投资集团有限公司，广东清远，511600）

造纸行业中，无机填料的应用十分广泛，大多数纸种中都添加无机填料，如碳酸钙、滑石粉等[1-2]。无机矿物填料的加入不仅能降低纸张的成本，同时也能改善纸张的表面性能和印刷效果[3-4]。微硅矿物粉是由非金属矿石开采后余下的尾矿加工而成，主要化学成分为SiO2(71.23%)、Al2O3(16.57%)，主要晶相为莫来石相，其基本性能符合造纸填料的要求[5]。

本实验以重质碳酸钙和滑石粉作参照，分析比较了微硅矿物粉加填到阔叶木浆、针叶木浆以及废纸脱墨浆中，对纸张强度性能以及印刷性能的影响。

1 实 验

1.1 原料

商品漂白阔叶木浆（打浆度36°SR，白度87.6%）、商品漂白针叶木浆（打浆度43°SR，白度85.5%）、废纸脱墨浆（打浆度45°SR，白度56.3%），均取自广州造纸股份有限公司；微硅矿物粉，白度79.1%、D50=10.3 μm，广东盖特奇新材料科技有限公司；重质碳酸钙（白度91.5%、D50=13.9 μm）、滑石粉（白度85.8%、D50=16.7 μm），广东亚太森博浆纸有限公司；助留剂阳离子聚丙烯酰胺（CPAM），分析纯，天津市科密化学试剂有限公司；施胶剂烷基烯酮二聚体（AKD），分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；增强剂瓜尔胶，工业纯，牡丹江恒丰纸业有限公司。

1.2 主要仪器

CE062抗张强度仪，CE180耐破度测定仪，009撕裂度仪，MIT/U21B耐折度仪，CE165纸张表面粗糙度仪，CE165纸张表面粗糙度，250厚度仪，以上仪器均来自瑞典L&W公司；2D LAB F/SENSOR尘埃匀度仪，德国；PL4-2打浆机，中国；MESSMER 255纸页抄片机，美国；Elrepho 070白度仪，瑞典。

表1 3种填料加填性能实验方案

1.3 实验方案

以阔叶木浆、针叶木浆以及废纸脱墨浆为原料，对微硅矿物粉、重质碳酸钙和滑石粉分别进行加填实验，实验方案如表1所示。将所抄造的纸样在标准恒温恒湿条件下[(23±1)℃,(50±2)%]平衡4 h后，分别按相应国家标准检测其抗张指数、撕裂指数、耐破指数、耐折度、白度、表面粗糙度和表面强度。

2 结果与讨论

2.1 强度性能分析

3种填料在相同实验条件下加填，不同加填量对纸张强度性能的影响如图1～图6所示。

图1 不同填料对针叶木浆纸张抗张指数、撕裂指数的影响

图2 不同填料对针叶木浆纸张耐破指数、耐折度的影响

由图1～图6可以看出，随着填料加入量的增加，所有纸样的强度性能均呈现下降趋势。这是由于填料加入到浆料中，附着在纤维的表面，阻碍了纤维之间的结合，而无机填料本身与纤维之间没有结合能力，从而导致了纸张强度的下降[6]。

对比碳酸钙和滑石粉，微硅矿物粉对纸张强度性能的影响基本相似，有的指标比碳酸钙好，如针叶木浆纸张的耐折度（见图2），阔叶木浆纸张的撕裂度（见图3）和耐破度（见图4）；有的指标比滑石粉好，如针叶木浆纸张的撕裂度（见图1）、废纸脱墨浆纸张的抗张强度和撕裂度（见图5）；但加填微硅矿物粉的废纸脱墨浆纸张的耐破度低于加填碳酸钙和滑石粉的（见图6）。

图3 不同填料对阔叶木浆纸张抗张指数、撕裂指数的影响

图4 不同填料对阔叶木浆纸张耐破指数、耐折度的影响

图5 不同填料对废纸脱墨浆纸张抗张指数、撕裂指数的影响

图6 不同填料对废纸脱墨浆纸张耐破指数、耐折度的影响

灰分含量对于微硅矿物粉的加填性能有明显的影响。当纸张的灰分含量比较低时，本实验中低于15%时，微硅矿物粉加填对纸张的强度性能影响较小，纸张强度性能表现较好，但当灰分含量大于15%后，纸张的大多数强度指标下降较快。

2.2 印刷性能

3种填料在相同实验条件下加填，不同加填量对纸张印刷性能的影响如图7～图12所示，其中，表面强度实验所用高黏油墨最大拉毛速度为2 m/s，拉力为700 N，填料加填量均为15%。

图7 不同填料对针叶木浆纸张白度、表面粗糙度的影响

微硅矿物粉白度低于碳酸钙和滑石粉的白度，也低于漂白针叶木浆和阔叶木浆的白度，仅高于废纸脱墨浆的白度，因此随着微硅矿物粉加填量的增加，所抄针叶木浆和阔叶木浆纸样的白度均下降（见图7、图9），而废纸脱墨浆纸样的白度上升（见图11）。

图8 不同填料对针叶木浆纸张表面强度的影响

图9 不同填料对阔叶木浆纸张白度、表面粗糙度的影响

图10 不同填料对阔叶木浆纸张表面强度的影响

由图8和图12可知，微硅矿物粉所抄针叶木浆纸样与废纸脱墨浆纸样的表面强度低于碳酸钙与滑石粉所抄纸样的表面强度，而3种填料对于纸张表面粗糙度的影响基本相似。

图11 不同填料对废纸脱墨浆纸张白度、表面粗糙度的影响

图12 不同填料对废纸脱墨浆纸张表面强度的影响

由此可见，微硅矿物粉适合添加到对白度要求不高的纸张中，特别是无需印刷的包装纸中[7]。

3 结论

本实验以重质碳酸钙和滑石粉作参照，分析比较了微硅矿物粉加填对纸张强度性能及印刷性能的影响。

3.1 不同填料对比加填实验中，无论是利用针叶木浆、阔叶木浆还是废纸脱墨浆作为抄纸原料，微硅矿物粉对纸张性能的影响，除白度和临界拉毛速度比其他两种填料差之外，其他的强度性能、印刷性能与造纸常用的碳酸钙和滑石粉对比各有优缺点，对纸张性能的影响持平或介于碳酸钙和滑石粉之间，有的指标比碳酸钙好，有的指标比滑石粉好。

3.2 随着灰分含量的增加，所有纸样的强度性能均呈现下降的趋势，但当灰分含量大于15%时，微硅矿物粉加填的纸张强度性能相对于另两种填料下降更为明显。

3.3 由于填料白度的原因，微硅矿物粉作为填料更适合用于对纸张白度要求不高且不印刷的纸张中。