多孔硅酸鈣填料的造紙?zhí)匦约捌浼犹罴埥Y(jié)構(gòu)與性能的研究.pdf

1、礦物填料在改善成紙性能、降低生產(chǎn)成本與能耗方面的優(yōu)勢(shì)使其廣泛應(yīng)用于造紙工業(yè)中。近年來(lái)，以固體廢棄物為主要原料制備環(huán)境友好型低成本造紙?zhí)盍弦呀?jīng)成為了制漿造紙領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。粉煤灰作為火力發(fā)電廠的固體廢棄物，在我國(guó)排放量大，綜合利用率低，對(duì)環(huán)境與人類(lèi)健康造成了嚴(yán)重危害。因此，提高粉煤灰資源化利用率，對(duì)我國(guó)乃至世界而言仍是一項(xiàng)重要的任務(wù)。在造紙工業(yè)中，粉煤灰可以作為一種潛在的造紙?zhí)盍?，但其白度低，粒徑大的特點(diǎn)使其應(yīng)用受到限制。論文以我國(guó)高

2、鋁粉煤灰提取氧化鋁過(guò)程中產(chǎn)生的非晶態(tài)氧化硅所制備的新型硅酸鈣作為造紙?zhí)盍?，與傳統(tǒng)造紙?zhí)盍铣恋硖妓徕}（PrecipitatedCalciumCarbonate，PCC）和研磨碳酸鈣（GroundCalciumCarbonate，GCC）對(duì)比，對(duì)新型多孔硅酸鈣(FlyAshbasedCalciumSilicate，F(xiàn)ACS)填料物化特性、化學(xué)組成、表面形貌、濕部性能、成紙性能和印刷適性等方面進(jìn)行了研究，分析了FACS作為造紙?zhí)盍系膬?yōu)勢(shì)與不足

3、。在此基礎(chǔ)上，從填料特性出發(fā)，研究了加填紙結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，并通過(guò)填料熱改性、填料與纖維共同磨漿以及填料復(fù)配等方式來(lái)改善加填紙的成紙性能，以期為優(yōu)化填料的生產(chǎn)工藝、發(fā)揮填料應(yīng)用優(yōu)勢(shì)以及開(kāi)發(fā)高填料紙方面提供參考和借鑒。
　　(1)FACS填料的表征與造紙性能
　　對(duì)FACS填料特性進(jìn)行了表征。FACS填料平均粒徑為21.6μm，比表面積為121m2/g，堆積密度為0.31g/cm3，白度為91.5％ISO，與普通填料GCC和P

4、CC相比，具有粒徑大、比表面積高、堆積密度低，白度高的特點(diǎn)，該特點(diǎn)有利于改善成紙松厚度與光學(xué)性能，但會(huì)導(dǎo)致成紙的施膠性能較差。另外，該填料游離水和結(jié)合水含量較高，是造成灼燒損失較高的原因。XRD結(jié)果表明，該填料的主要成分為水化硅酸鈣(C-S-H)，除此之外，還有含水硫酸鈣（CaSO4·2H2O和CaSO4·0.5H2O），這主要是由于在填料制備后期添加硫酸降低填料pH所致。SEM、TEM與EDAX結(jié)果顯示，F(xiàn)ACS填料包含表面多孔球狀聚

5、集體的水化硅酸鈣粒子和針狀的硫酸鈣粒子，其中水化硅酸鈣結(jié)晶程度較低，粒子由褶皺片狀組成，而硫酸鈣具有良好的單斜晶體結(jié)構(gòu)。
　　采用物理研磨方法制備3種不同粒徑的FACS填料，并對(duì)FACS填料的造紙性能進(jìn)行分析比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著研磨強(qiáng)度的增加，水化硅酸鈣的多孔結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，填料的粒徑分布變寬，白度從91.5％ISO上升至93.1％ISO。在濕部特性方面，當(dāng)添加助留劑CPAM時(shí)，填料的動(dòng)態(tài)留著率隨著粒徑的增加而增大，原始FACS填

6、料的留著率遠(yuǎn)高于GCC和PCC填料;添加CPAM后，較小粒徑的FACS填料留著率較高。CPAM可明顯提高FACS加填漿料的濾水速度，F(xiàn)ACS與PCC填料加填漿料的濾水性能相近，但略低于GCC填料;粒徑較低的FACS填料其濾水性能相對(duì)較差。
　　對(duì)成紙物理性能測(cè)試結(jié)果表明，F(xiàn)ACS填料在改善成紙松厚度方面優(yōu)勢(shì)明顯，當(dāng)FACS0填料含量為15％時(shí)，與未加填紙張相比，松厚度可提高約40％，在輕型紙領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢(shì)。對(duì)于研磨FACS填料，

7、成紙松厚度隨填料粒徑的降低而下降，但相應(yīng)的抗張強(qiáng)度有所提高;粒徑較大的FACS填料，其成紙撕裂強(qiáng)度也較高。FACS0加填紙的光散射系數(shù)高于GCC加填紙，這主要?dú)w因子FACS0表面多孔形貌和聚集體結(jié)構(gòu)。另外，F(xiàn)ACS加填紙的光散射系數(shù)隨著填料粒徑的降低而升高。FACS填料較高的比表面積以及加填紙較高的透氣度導(dǎo)致成紙油墨需求量較高，但FACS的較好的油墨吸收性以及加填紙較高的松厚度是造成其透印值優(yōu)于GCC加填紙的主要原因。粒徑較小的FACS

8、2填料（8.4μm）可在達(dá)到相同的印刷密度時(shí)降低油墨需求量與透印值。另外，F(xiàn)ACS加填紙表面強(qiáng)度與GCC加填紙相近，均高于PCC和FACS2加填紙，填料在紙張的表面分布情況可能是導(dǎo)致表面強(qiáng)度不同的原因之一。
　　(2)加填紙結(jié)構(gòu)與性能的相關(guān)性研究
　　當(dāng)纖維定量固定時(shí)，增加PCC和GCC填料定量最終會(huì)提高成紙表觀密度，而增加FACS定量卻可顯著降低成紙表觀密度。表觀密度的變化引起了紙張結(jié)構(gòu)與性能的變化。另外發(fā)現(xiàn)，填料定量的提

9、高會(huì)造成填料堆積指數(shù)(Packingindex)的降低，從而影響成紙強(qiáng)度性能與光學(xué)性能的變化。當(dāng)固定纖維定量而增加填料定量時(shí)，成紙有效抗張指數(shù)隨著填料定量的增加而降低說(shuō)明填料粒子通過(guò)位阻效應(yīng)降低了纖維結(jié)合;然而FACS加填紙有效抗張指數(shù)損失在FACS定量超過(guò)7g/m2時(shí)逐漸降低，說(shuō)明填料粒子之間的包裹能力的增加有利于降低填料對(duì)纖維結(jié)合能力的破壞作用。另外，填料堆積指數(shù)與成紙光散射系數(shù)的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系解釋了在高填料定量下，加填紙的光散射系

10、數(shù)增加較慢的原因。
　　對(duì)加填紙成形性能（勻度）與成紙性能相關(guān)性分析表明，加填有利于改善紙張勻度。加填紙成紙性能與不同勻度分量的相關(guān)性隨著填料種類(lèi)、物理性質(zhì)的不同有一定差異。FACS加填紙的抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)與勻度分量為0.6mm、0.8mm和1.3mm的PPF(PaperPerfectFormation)值（勻度）呈線性正相關(guān)，在勻度分量為0.6～0.8mm之間，其判定系數(shù)可達(dá)0.95以上。FACS加填紙白度和不透明度與勻度分量

11、為0.6～1.3mm處PPF值相關(guān)性較高，呈負(fù)相關(guān)，該結(jié)果有利于紙廠在線快速檢測(cè)產(chǎn)品性能變化，及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)以滿足產(chǎn)品性能要求。
　　為研究填料Z向分布對(duì)成紙結(jié)構(gòu)與性能的影響，采用分層抄造的方法制備出具有不同填料Z向分布特征因子的加填紙張，通過(guò)圖像分析方法對(duì)填料在紙張Z向分布進(jìn)行了表征與驗(yàn)證，并研究了填料分布特征因子，即對(duì)稱因子、形狀因子和集中因子與成紙性能的關(guān)系。論文提出了與結(jié)構(gòu)性能和強(qiáng)度性能關(guān)系密切的填料Z向分布的特征因子，

12、集中因子(ConcentrationFactor,Fc)。結(jié)果表明，紙張的松厚度和透氣度與填料分布集中因子成正相關(guān)，即集中因子越大，紙張的松厚度越高，透氣度越大;紙張的抗張強(qiáng)度與填料分布的集中因子成負(fù)相關(guān)，即集中因子越小，抗張強(qiáng)度越大，當(dāng)集中因子Fc=0時(shí)，與Fc＞0的紙樣相比，成紙抗張指數(shù)可提高70％以上，但卻顯著降低成紙內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度。在成紙光學(xué)性能方面，紙張?zhí)盍虾吭礁?，其表面填料含量也?huì)提高，因而成紙白度也相對(duì)較高。對(duì)稱因子與成紙白

13、度的兩面差呈線性正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)R2可達(dá)0.9802。當(dāng)填料分布對(duì)稱因子越小，成紙兩面的白度差也越小。填料Z向分布的集中因子與層合紙頁(yè)的不透明度呈正相關(guān)。當(dāng)層合紙頁(yè)集中因子相同時(shí)，增加上層紙頁(yè)填料含量有利于提高成紙不透明度。
　　(3)FACS加填紙性能的改善
　　為了研究填料晶體結(jié)構(gòu)對(duì)成紙性能的影響，對(duì)填料進(jìn)行了熱改性處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度超過(guò)840℃時(shí)，填料物理性質(zhì)發(fā)生較大變化，F(xiàn)ACS平均粒徑由未改性的21.62μm

14、減小至17.06μm;另外，由于其表面褶皺多孔形貌的消失，在900℃改性后填料熱穩(wěn)定性好，比表面積由原始填料121.0m2/g下降至4.0m2/g，有利于改善成紙施膠性能;化學(xué)成分也由當(dāng)初的C-S-H和含水硫酸鈣轉(zhuǎn)變?yōu)楣杌沂蜔o(wú)水硫酸鈣。900℃改性后的FACS填料加填紙的松厚度與未改性FACS加填紙相比，在填料含量為17.5％和33.5％時(shí)分別降低了約27.2％和33.8％，而相應(yīng)的透氣度分別降低了約129％和79％。然而，使用900

15、℃下熱改性的填料可有效改善加填紙的抗張強(qiáng)度，但卻降低了成紙白度與不透明度。
　　研究采用纖維和填料共同磨漿的新方法可改善FACS加填紙的物理強(qiáng)度與光學(xué)性能。與常規(guī)漿內(nèi)加填方式相比，采用纖維和填料共同磨漿方式可有效改善加填紙的光學(xué)性能，但卻會(huì)降低成紙的松厚度。在磨漿轉(zhuǎn)數(shù)為3500r時(shí)，該方法制備的手抄片的強(qiáng)度性能與常規(guī)加填方式相當(dāng)，但卻可顯著改善加填紙的光散射系數(shù)和成紙白度。采用共同磨漿方式對(duì)填料粒徑的降低作用是降低成紙松厚度，改善