凹凸棒石黏土對紙張的加填性能研究

吳 劍 陳 靜 金葉玲

(淮陰工學院生命科學與化學工程學院,江蘇省凹土資源利用重點實驗室,江蘇淮安，223003)

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·凹凸棒石黏土·

凹凸棒石黏土對紙張的加填性能研究

吳 劍 陳 靜 金葉玲

(淮陰工學院生命科學與化學工程學院,江蘇省凹土資源利用重點實驗室,江蘇淮安，223003)

比較了凹凸棒石黏土(以下簡稱凹土)與碳酸鈣加填紙張的填料留著性能、對網下白水的影響以及對紙張理化性能的影響,并對填充機理進行了分析。結果顯示,經良好水化分散后凹土纖維可與植物纖維通過氫鍵力緊密結合,這種作用方式與碳酸鈣有顯著區(qū)別。凹土是一種高保留填料,留著率一般在80%以上,可顯著提高紙張灰分、降低網下白水濁度。凹土加填的紙張具有較好的強度性能,尤其在高加填量時紙張的強度顯著優(yōu)于碳酸鈣加填紙。

凹土;填料;留著;強度性能

現代造紙?zhí)盍现饕ㄌ烊环墙饘俚V物粉體或非金屬礦物經化學合成、表面改性的各種高性能填充產品[1]。目前廣泛用于造紙的三大類填料是：碳酸鈣、高嶺土、滑石粉,占到填料使用量的80%～90%,其中僅碳酸鈣就占填料總使用量的60%[2]。傳統(tǒng)礦物填料的使用顯著降低了紙張成本,減少了植物纖維的用量,并提高了紙張勻度、不透明度、平滑度和適印性,但也存在紙張強度性能下降、留著性能不佳、網下白水循環(huán)惡化等問題[3-4]。

與碳酸鈣、高嶺土、滑石粉等填料不同,纖維狀礦物粉體材料能夠與植物纖維交織,從而在一定程度上減小填料對紙張強度的負面影響[5]。研究顯示,纖維狀的硅灰石填料對紙張強度的影響遠小于傳統(tǒng)礦物填料[6-7]。

凹凸棒石黏土(以下簡稱凹土)是一種親水的纖維狀富鎂鋁硅酸鹽,直徑約20～70 nm,長1～5 μm,在水中極易水化解離,與植物纖維交織形成具有良好結合度的纖維網絡,且其表面存在大量的Si—OH 基,對植物纖維有很強的親和力[8-9]。本課題組前期研究發(fā)現,相對于水化能力不佳的硅灰石,凹土充分水化分散后可在一定程度上提升紙張性能[10]。另外,纖維狀填料具有較大的長寬比,在紙幅中可獲得較高的留著率,乃至提高紙漿細小纖維及造紙濕部助劑的留著率[11-12]。本實驗以凹土為填料,研究其留著情況和對網下白水循環(huán)、紙張性能的影響,并通過與碳酸鈣的對比分析,揭示其高保留性能機理。

1 實 驗

1.1 主要原料與儀器

實驗用凹土由盱眙中源新材料科技有限公司提供,為青灰色粉體,200目篩通過率95%。能譜分析(EDS) 表明,其主要化學成分為：MgO,15.04%；Al2O3,7.19%；SiO2,71.65%；K2O,1.03%；Fe2O3,5.10%。X射線衍射圖譜(XRD)分析表明,其主要礦物組成為：凹凸棒石,61%；蒙脫石,15%；石英石,5%。其他工業(yè)級市售助劑均取自淮安飛翔紙業(yè)有限公司；脫墨漿,自制(含3.3%的灰分)。輕質碳酸鈣(PCC)：1250目,常州奧邦化工；重質碳酸鈣(GCC)：1250目,江西盛泰化工。

1.2 填料預處理

將凹土或碳酸鈣(GCC：PCC=1：1)加水配制成5%的漿料,150 r/min下攪拌5 min。

1.3 抄紙

將凹土或碳酸鈣漿料,按照2%～10%(以絕干漿計)的用量加入紙漿中,在200 r/min下快速攪拌2 min,制成紙料備用。在循環(huán)水抄片器中,先泵入循環(huán)白水,然后按抄造70 g/m2定量的手抄片,量取一定體積的上述紙料,并加入0.02%(以絕干漿計)的陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)助留劑,用手動攪拌器將紙料和助留劑快速分散均勻后進行抄片。每個抄樣的前5張棄去不用,以盡量平衡白水,然后連續(xù)抄片6～8張,取平均值。成紙在105 ℃烘干后置于干燥器中保存,進行強度性能的檢測，并對網下白水各指標進行檢測。

1.4 分析表征

抗張強度、松厚度、白度均按國家標準檢測。

填料留著率：采用灰分測定法,灰分測定按照GB/T463—1989進行。

式中，A為加填紙張灰分,%；B為空白紙樣灰分,%；C為填料實際用量,%；D為填料燒失量,%。

微觀形貌表征：采用S-3000N 掃描電子顯微鏡( SEM) 分析。

2 結果與討論

2.1 凹土加填紙的留著性能和對網下白水的影響

纖維狀凹土和顆粒狀碳酸鈣加填張后顯示出截然不同的留著性能(見圖1)。由圖1可知，碳酸鈣的留著率較低,在45%～60%之間,而凹土的留著率則高達80%～95%。圖2顯示了紙張加填碳酸鈣和凹土后網下白水濃度的變化,碳酸鈣加填后網下白水濃度隨用量的提高而上升,大量的碳酸鈣顆粒進入白水,導致白水渾濁使填料得留著率較低；而凹土加填后,在用量2%～4%的范圍內,可顯著降低網下白水濃度,顯示出一定的微粒助留性能,而后隨著用量進一步提高,更多的凹土纖維進入白水,導致濁度和濃度逐漸提升,但也遠低于碳酸鈣加填后網下白水濃度。

圖1 填料用量對填料留著率的影響

圖2 填料用量對網下白水濃度的影響

2.2 凹土加填紙張性能表征

2.2.1 松厚度

圖3所示為凹土和碳酸鈣加填后紙張松厚度的變化。由圖3可以看出，碳酸鈣加填的優(yōu)勢在于可保持乃至提升松厚度,尤其是輕質碳酸鈣,使得紙張更蓬松；而凹土類似其他礦物填料,加填后紙張更加緊密,松厚度下降,與文獻報道一致[3]。

圖3 填料用量對紙張松厚度的影響

2.2.2 白度

圖4所示為凹土和碳酸鈣加填對紙張白度的影響。由圖4可以看出，碳酸鈣加填對紙張白度影響較小，凹土加填紙張白度下降較顯著,從80%降低至70%左右。采用的凹土白度為69%～71%,因此凹土加填紙張白度的下限約為70%。由于對白度影響較大,因此凹土加填時應加填三網造紙機的芯層,或牛皮紙、包裝紙、新聞紙等對白度要求不高的紙張。

圖7 填料加填紙漿的微觀形貌表征

2.2.3 強度性能

圖5和圖6所示為凹土和碳酸鈣加填對紙張抗張指數和撕裂度的影響。由圖5和圖6可以看出，碳酸鈣加填后紙張強度性能較差,抗張指數、撕裂度均隨填料用量的提高而降低；凹土加填紙張強度性能要顯著優(yōu)于碳酸鈣,隨著填料用量提高,抗張指數、撕裂度下降不顯著,低用量(2%～4%)時還有一定提升效果。

圖4 填料用量對紙張白度的影響

圖5 填料用量對紙張抗張指數的影響

圖6 填料用量對紙張撕裂度的影響

2.3 微觀形貌表征

將用量10%凹土或碳酸鈣加填紙漿與循環(huán)白水充分分散混合,在助留劑CPAM添加前后分別取樣觀測,結果如圖7所示。由圖7可以看出，凹土具有良好的水化分散能力,在CPAM加入前,即能夠牢固吸附于植物纖維表面且分散良好；加入CPAM后,植物纖維絮聚顯著,且凹土主要吸附于植物纖維表面,未見明顯游離的凹土絮凝體。同樣條件下加填碳酸鈣,加入CPAM前,漿料中可見大量碳酸鈣顆粒；加入CAPM后,碳酸鈣絮凝現象嚴重,嚴重抑制了植物纖維的絮凝。圖7(d)還表明,碳酸鈣絮凝體與植物纖維之間不存在良好的結合。

2.4 凹土加填機理分析

作為親水的富鎂鋁硅酸鹽,凹土在水中極易水化解離,呈單晶纖維狀分散,具有較高的比表面積和較強的表面吸附效應,且其表面存在大量的Si—OH基,能夠與植物纖維形成較強的氫鍵結合力,這是凹土纖維與植物纖維之間的主要作用模式。在加入CPAM前,凹土即以氫鍵強力吸附在植物纖維上,該作用模式帶來凹土加填紙漿的高填料留著率、低網下白水濁度,以及對絮凝劑CPAM的低消耗。凹土與植物纖維的強結合作用也賦予紙張良好的強度性能,但同時也導致了宏觀上的松厚度降低。另外,纖維狀凹凸棒石的高長寬比以及凹土中天然伴生蒙脫石優(yōu)良的微粒助留性能[13],也有助于提高凹土在紙張中的留著。

碳酸鈣加填主要為植物纖維網絡機械截留,因而表現為加填紙張的留著率低、網下白水濁度高。碳酸鈣顆粒優(yōu)先消耗CPAM,形成碳酸鈣絮凝體,抑制了植物纖維之間的絮聚,導致植物纖維交織松散,松厚度提升、強度性能下降。

凹土和碳酸鈣加填紙張機理和作用方式的不同,決定了兩者具有極佳的互補性,進行凹土和碳酸鈣的復合加填能夠有效提升紙張性能[10]。

3 結 論

以凹凸棒石黏土(簡稱凹土)為填料，研究了其留著情況和對網下白水濁度、對紙張松厚度、白度、強度性能的影響，通過與碳酸鈣留著情況的對比分析，揭示了凹土高保留性能的機理。

3.1 經良好水化分散后凹土纖維可與植物纖維通過氫鍵力緊密結合,這種作用方式與主要通過機械截留作用的碳酸鈣有顯著區(qū)別。

3.2 凹土是一種高保留填料,留著率一般在80%以上,可顯著提高紙張灰分、降低網下白水濁度。

3.3 凹土加填紙張具有較好的強度性能,尤其在高加填量時顯著優(yōu)于碳酸鈣,但缺點是白度和松厚度較差。

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(責任編輯：馬 忻)

Study on Application of Attapulgite as Paper filler

WU Jian*CHEN Jing JIN Ye-ling

(FacultyofLifeScienceandChemicalEngineering,HuaiyinInstituteofTechnology,AttapulgiteResourceUtilizationKeyLabofJiangsuProvince,Huai’an,JiangsuProvince,223003)(*E-mail:wjsword@sohu.com)

In this paper the retention properties,the influence on white water and the mechanical properties of the paper were compared when attapulgite and calcium carbonate were employed as paper filler,and the mechanism of the filling process was discussed.Results showed that,attapulgite fibers could be closely integrated with pulp fibers through hydrogen bonding force under sufficient hydrated treatment,and this binding mode was significantly different from the calcium carbonate.Attapulgite was a high-retention paper filler which ash retention was generally above 80%,it could significantly improve the paper ash content and turbidity of the white water.Attapulgite could not deteriorate the mechanical properties of the paper.As a filler it was significantly superior than the calcium carbonate particularly under high filling content.

attapulgite; filler；retention rate；mechanical properties

吳 劍先生，博士，講師；主要從事環(huán)境功能材料研究。

2014-09-10(修改稿)

支撐項目：江蘇省科技型企業(yè)技術創(chuàng)新資金(BC2013183)。

TS727

A

0254-508X(2015)02-0029-04