硅藻土復(fù)合填料在造紙中的應(yīng)用

尚 尉，孟曉敏，譚雨清，陳子成

(東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林吉林132012)

硅藻土是一種對(duì)人體無害的天然礦物，其主要化學(xué)成分是二氧化硅，利用其多孔、高吸附性特性，制造吸水保鮮紙和紙板，主要用于食品的儲(chǔ)藏包裝材料，也可用于醫(yī)藥、日常生活用品的包裝材料［1－5］。用于各種蔬菜和食品的包裝，可以保持食品的水分，阻隔外界異味和其他污染物的滲透。因硅藻土具備多種優(yōu)良的特性，所以對(duì)于硅藻土的開發(fā)和應(yīng)用一直是相關(guān)科研人員的研究熱點(diǎn)。如:輕質(zhì)印刷紙的開發(fā)和應(yīng)用，輕質(zhì)印刷紙一般含有70%以上的機(jī)械木漿和30%以下的漂白化學(xué)木漿［6－8］。紙質(zhì)松厚、挺括，具有良好的吸墨性和不透明度，在強(qiáng)度方面又可滿足高速輪轉(zhuǎn)印刷機(jī)的印刷要求。我國(guó)輕質(zhì)印刷紙產(chǎn)量，近年呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。主要以機(jī)械木漿、漂白化學(xué)木漿和草漿為纖維原料，填料主要選擇滑石粉、碳酸鈣或二者的混合體。硅藻土細(xì)膩、密度小、質(zhì)輕、松散、粒子形態(tài)好，用于加填輕質(zhì)紙，可提高紙張松厚度、不透明度、抗張指數(shù)等性能指標(biāo)。

硅藻土具有的孔隙度大、吸附性強(qiáng)、容重小無毒等特性，由于硅藻土具備這些良好的特性，可以利用其特殊的分子結(jié)構(gòu)特征，生產(chǎn)抄造多種特種紙。硅藻土用于特種紙的生產(chǎn)，可滿足不同紙品對(duì)性能要求，如:松厚度、透氣性、油墨吸收性、吸附性、吸油吸水性和阻燃性等方面的要求［9－11］。因此，可作為功能性填料或涂料顏料廣泛用于文化印刷紙、特種工業(yè)用紙和紙板、生活用紙張的制造［12－17］。

本研究通過對(duì)硅藻土的改性，通過離子改性使硅藻土表面帶有正電荷，再通過調(diào)節(jié)硅藻土溶液pH，使硅藻土表面被大量的硅羥基所覆蓋，最后得到改性硅藻土填料，使其在作為造紙?zhí)盍系臅r(shí)候具有更優(yōu)良的適應(yīng)性和特性，并且試圖通過這項(xiàng)研究對(duì)比硅藻土和改性硅藻土性質(zhì)上的差異以及使用硅藻土作為填料和使用改性硅藻土作為填料對(duì)于紙張基本性能有哪些重要的提高。同時(shí)為將改性硅藻土作為填料用于造紙行業(yè)提供技術(shù)理論方面的支持，推動(dòng)國(guó)內(nèi)造紙?zhí)盍霞夹g(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

實(shí)驗(yàn)儀器:立式電腦拉力儀、電腦測(cè)控耐折度儀、紙張透氣度測(cè)定儀等。

實(shí)驗(yàn)材料:碳酸鈣、氫氧化鈉、無水氯化鈣、硅藻土。

1.2 改性硅藻土的制備

先將硅藻土原料研磨過65目篩后備用。在燒杯中加入無水氯化鈣溶液，再加入碳酸鈣溶液，用攪拌器混合，攪拌5 min后，向燒杯中緩慢加入硅藻土溶液，邊加邊慢慢攪拌，最后過濾，濾渣在105℃干燥，再研磨過65目篩，取用篩下的土，得到改性硅藻土。用抄片器進(jìn)行抄片，定量為80 g·m－2。改性硅藻土加入量分別為25%、30%、35%、40%和45%(相對(duì)于絕干漿的量)。

1.3 紙張的物理性能檢測(cè)

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)紙張的抗張強(qiáng)度、撕裂度和耐折度等物理強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅藻土復(fù)合填料添加量對(duì)紙張物理性能的影響

從表1的紙張物理性能數(shù)據(jù)可以看出，隨著硅藻土復(fù)合填料添加量的增加，紙張透氣度變化不大。說明對(duì)紙張的透氣度沒有明顯影響。撕裂度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)硅藻土的添加量在35%時(shí)，紙張的撕裂度處在一個(gè)較高水平，這主要是因?yàn)殡S著填料添加量的增加，對(duì)于提高紙張撕裂度有一定的促進(jìn)作用，但是當(dāng)添加量超過35%時(shí)，由于填料的加入，對(duì)于纖維間的結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生了一定的影響，所以紙張撕裂度開始出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

從圖1的紙張抗張指數(shù)數(shù)據(jù)可以看出，隨著硅藻土復(fù)合填料添加量(對(duì)絕干漿的質(zhì)量百分比)的增加，抗張指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)硅藻土的添加量在35%時(shí)，紙張的抗張指數(shù)達(dá)到最高，再繼續(xù)提高添加量，紙張抗張指數(shù)開始出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)殡S著填料添加量的增加，當(dāng)添加量超過35%時(shí)，由于填料的加入，對(duì)于纖維間的結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生了一定的影響，所以紙張強(qiáng)度開始出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。因此改性硅藻土復(fù)合填料的添加量在35%時(shí)為最佳。

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2.2 不同溫度改性硅藻土復(fù)合填料對(duì)紙張物理性能的影響

研究在硅藻土添加量為35%，不同改性溫度的改性硅藻土復(fù)合填料填加，對(duì)紙張物理性能的影響，結(jié)果如表2和圖2所示。從表2和圖2的紙張物理性能數(shù)據(jù)可以看出，隨著溫度的提高，添加復(fù)合填料紙張的白度有所降低，撕裂度和透氣度無明顯變化，抗張強(qiáng)度也有所降低。當(dāng)在溫度為20℃條件下，對(duì)硅藻土進(jìn)行改性時(shí)，添加到紙張中，紙張透氣度沒有明顯變化，但紙張的撕裂度和抗張指數(shù)都處在一個(gè)較高水平，這是由于在20℃左右時(shí)硅藻土與CaCO3填料復(fù)合得較好，能夠有效改善紙張物理性能，因此硅藻土改性的最佳溫度為20℃。

表2 不同改性溫度對(duì)復(fù)合填料添加效果的影響

2.3 不同pH改性硅藻土復(fù)合填料對(duì)紙張物理性能的影響

研究在硅藻土添加量為35%，不同pH改性的條件下，改性硅藻土復(fù)合填料填加，對(duì)紙張物理性能的影響，結(jié)果如表3所示。從表3的紙張物理性能數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)改性硅藻土的添加量在35%、復(fù)合反應(yīng)溫度20℃時(shí)，隨著pH的升高，紙張的白度、撕裂度和透氣度沒有明顯變化，當(dāng)pH為7.5時(shí)其抗張指數(shù)較其他各組略高;但當(dāng)pH呈弱酸性時(shí)其透氣度稍高，這可能是因?yàn)楦男蕴盍现蠧aCO3成分在酸性條件下反應(yīng)損失了一部分，主要起作用的是孔隙率較大的硅藻土的原因;鑒于在實(shí)際生產(chǎn)中均采用中堿性方法造紙，且由試驗(yàn)可知在pH為7－8時(shí)其抗張指數(shù)最高，因此確定在硅藻土改性試驗(yàn)過程中的最佳pH為7－8。

圖2 不同溫度合成填料加添對(duì)紙張抗張指數(shù)的影響

表3 不同改性pH對(duì)復(fù)合填料添加效果的影響

3 結(jié) 論

改性溫度為20℃左右時(shí)，復(fù)合反應(yīng)的pH為7－8時(shí)，可以制備性能比較好的填料，紙張?zhí)砑有Ч^好。隨著復(fù)合填料添加量的增加，對(duì)紙張透氣度沒有明顯影響，當(dāng)硅藻土復(fù)合填料在紙張中添加量為35%時(shí)，所抄造的紙張具有較好的物理性能。紙張的抗張指數(shù)、撕裂度指數(shù)分別提高0.28倍和0.1 4倍。

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