韓 群 劉 莉 芮源隆 吳 劍 金葉玲 陳 靜

(淮陰工學(xué)院江蘇省凹土資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇淮安，223003)

將兩種以上無(wú)機(jī)非金屬礦物填料進(jìn)行復(fù)配，在加填時(shí)能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短、相互配合，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)非金屬礦物填料加填性能的最優(yōu)化［1］。一般而言，片狀、纖維狀的填料有利于提高基體的強(qiáng)度，而近球狀的填料有利于提高基體的韌性，因此，不同形狀的填料復(fù)配加填可以同時(shí)發(fā)揮各自的增強(qiáng)增韌作用，得到綜合強(qiáng)度性能較好的復(fù)合材料［2-3］?；谏鲜鲈淼牟煌墙饘俚V物在橡塑制品、陶瓷和紙張中復(fù)配加填以提升基體材料性能的研究已有多篇報(bào)道［4-6］。

凹土是一種非金屬黏土礦物，其天然一維納米纖維結(jié)構(gòu)和豐富的硅羥基對(duì)植物纖維有很強(qiáng)的親和力，能夠與植物纖維交織形成良好的纖維網(wǎng)絡(luò)，在有效增強(qiáng)紙張強(qiáng)度方面比同為纖維狀的硅灰石和硅酸鋁(基本無(wú)水化能力)效果更好［7-8］。鑒于復(fù)配加填的普遍優(yōu)勢(shì)，本研究考察了凹土、碳酸鈣、滑石粉和硅灰石復(fù)配加填對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)配加填紙張較單一加填紙張強(qiáng)度均有明顯提升，并擇優(yōu)深入研究了凹土與碳酸鈣復(fù)配加填提升紙張強(qiáng)度性能的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及試劑

自制脫墨漿;200目凹土由盱眙中源新材料科技有限公司提供，凹凸棒石含量≥60%;其他工業(yè)級(jí)市售原料及助劑均取自淮安飛翔紙業(yè)有限公司，均為紙張專(zhuān)用輔料。

1.2 填料預(yù)處理

將填料以10%濃度分別分散備用，復(fù)配填料按實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)的比例同樣配制成10%濃度，分散備用。

1.3 抄紙

稱取一定量的紙漿 (以絕干漿計(jì))，放入燒杯中，加水配成濃度2%的懸浮液;將制備好的填料稀釋成2%濃度。按實(shí)驗(yàn)方案，將一定量的紙漿和填料在攪拌條件下均勻混合后，繼續(xù)加入用量為0.02%(相對(duì)于絕干漿)的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺 (CPAM)作為助留劑。混合漿料迅速倒入快速抄片器中，抄紙，定量80 g/m2。

1.4 表征分析

(1)粒徑:采用GSL-101B激光粒度分析儀分析。

(2)抗張強(qiáng)度:采用DLS-03抗張強(qiáng)度試驗(yàn)儀測(cè)定。

(3)微觀形貌表征:采用S-3000N掃描電子顯微鏡 (SEM)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 填料對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響

礦物填料在改善紙張的平滑度和不透明度等方面有一定的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也往往帶來(lái)撕裂度、抗張強(qiáng)度和耐破度等強(qiáng)度性能的降低。圖1所示為凹土、碳酸鈣、滑石粉及硅灰石對(duì)紙張強(qiáng)度性能影響的比較。

圖1 不同填料對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響

由圖1可知，不同填料對(duì)紙張強(qiáng)度性能影響是不同的;同為纖維型礦物的凹土和硅灰石加填，紙張的強(qiáng)度性能要優(yōu)于菱形結(jié)構(gòu)的碳酸鈣和片層結(jié)構(gòu)的滑石粉;凹土加填，紙張的強(qiáng)度性能優(yōu)于硅灰石。有研究［1］表明，纖維狀填料具有顯著的沿x軸方向取向增強(qiáng) (一維增強(qiáng))作用。但是，硅灰石雖能與柔性的木質(zhì)纖維相互交織，但是它們水化能力弱，因此，相對(duì)于表面富含硅羥基且柔韌性良好的凹土纖維，硅灰石與植物纖維的結(jié)合力明顯遜色。

不同填料復(fù)配可能存在良好的協(xié)同增效作用;且性能不同的填料之間可以互為分散劑，促進(jìn)填料在紙張中的分散，從而對(duì)紙張的強(qiáng)度性能提高也有進(jìn)一步的促進(jìn)作用。以強(qiáng)度性能表現(xiàn)最好的凹土與其他3種填料復(fù)配加填，以考察復(fù)配效應(yīng)對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，凹土與其他3種填料的復(fù)配存在明顯的協(xié)同效應(yīng)，其中以凹土與碳酸鈣復(fù)配的協(xié)同效應(yīng)最為顯著。

圖2 凹土與不同填料復(fù)配對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響

2.2 凹土與碳酸鈣復(fù)配的可行性分析

圖3為實(shí)驗(yàn)所用凹土及碳酸鈣的粒徑分布圖。由圖3可知，碳酸鈣最大的粒徑分布在5.32 μm，而凹土最大的粒徑分布在10.06 μm;二者在粒徑分布上有較大的重疊。二者在粒度上的良好匹配程度是復(fù)配加填能夠產(chǎn)生協(xié)同增效的重要原因之一。

圖3 凹土與碳酸鈣的粒徑分布圖

圖4 凹土、碳酸鈣及二者復(fù)配的微觀形貌分析

用掃描電鏡 (SEM)對(duì)凹土、碳酸鈣及復(fù)配凹土-碳酸鈣的微觀形貌進(jìn)行分析，如圖4所示。圖4表明，碳酸鈣基本為菱形微粒，屬典型重鈣，微粒相互聚集形成較大的聚集體;凹土為高長(zhǎng)徑比的纖維結(jié)構(gòu)，纖維間有較強(qiáng)的交織現(xiàn)象;復(fù)配凹土-碳酸鈣，凹土與碳酸鈣有很好的相容性，且碳酸鈣團(tuán)聚體得到有效分散。圖4進(jìn)一步證明不同填料復(fù)配加填可互為分散劑，促進(jìn)填料在紙張中的良好分散。

綜合分析圖3和圖4可知，凹土與碳酸鈣因二者在粒度和形狀上的良好匹配性，復(fù)配加填產(chǎn)生的顯著堆砌增強(qiáng)效應(yīng)可能是復(fù)配加填紙張強(qiáng)度性能提升的根本原因。

2.3 凹土比例對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響

為了探討凹土與碳酸鈣的最佳復(fù)配比例，以抗張指數(shù)和耐破指數(shù)為指標(biāo)，在加填量為20%的條件下考察了復(fù)配比例對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨著凹土比例的增加，紙張的抗張指數(shù)及耐破指數(shù)均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，分別在凹土含量為30%和50%時(shí)達(dá)到最大值。圖6為凹土與碳酸鈣按1∶2比例復(fù)配后以不同加填量加填后紙張強(qiáng)度性能的變化。

由圖6可知，隨著復(fù)配填料在紙張中加填量的升高，紙張的抗張指數(shù)和耐破指數(shù)均表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì);加填量為7%左右時(shí)，紙張強(qiáng)度性能達(dá)最高值，復(fù)配填料在加填量小于10%之前，強(qiáng)度性能均高于未加填 (加填量為0)紙張。加填量為10%時(shí)，紙張的抗張指數(shù)為10.8 N·m/g，與相同加填量下碳酸鈣、凹土單獨(dú)加填的紙張相比，分別提高了65.6%和56.9%。上述結(jié)果表明，在一定的加填量范圍內(nèi)，采用復(fù)配填料加填，對(duì)紙張的強(qiáng)度性能有明顯的提升作用。

2.4 復(fù)配加填紙張的微觀形貌分析

綜合上述分析，選取凹土與碳酸鈣復(fù)配比例為1∶2，按加填量10%進(jìn)行抄紙，將復(fù)配填料加填紙張和相同加填量下碳酸鈣單獨(dú)加填紙張進(jìn)行微觀形貌對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 加填紙張SEM圖

由圖7可知，碳酸鈣以較大的團(tuán)聚體沉積在植物纖維的堆積孔隙中，見(jiàn)圖7(a);碳酸鈣團(tuán)聚體與植物纖維間存在較大疏離，見(jiàn)圖7(b)。與碳酸鈣單獨(dú)加填紙張相比，凹土與碳酸鈣復(fù)配加填紙張不僅在宏觀上表現(xiàn)為較好的勻度和緊度，而且在微觀形貌上也得到了進(jìn)一步證實(shí)，見(jiàn)圖7(c)和圖7(d):凹土的引入極大地促進(jìn)了碳酸鈣在紙張中的分散，復(fù)配加填紙張中無(wú)明顯大的碳酸鈣團(tuán)聚體存在，植物纖維間由于有凹土纖維的交織，表現(xiàn)出更好的結(jié)合度。

3 結(jié)語(yǔ)

填料單獨(dú)加填時(shí)，加填紙張的強(qiáng)度性能依凹土＞硅灰石＞碳酸鈣＞滑石粉順序逐漸降低;凹土與其他3種填料的復(fù)配存在明顯的協(xié)同效應(yīng)，且以凹土與碳酸鈣復(fù)配加填的效果最佳;凹土與碳酸鈣按1∶2比例復(fù)配，加填量為10%的紙張的抗張指數(shù)為10.8 N·m/g，與碳酸鈣、凹土在相同加填量下分別加填的紙張相比，分別提高了65.6%和56.9%。綜合分析認(rèn)為，凹土與碳酸鈣在粒度和形狀上具有良好的匹配性，二者復(fù)配加填產(chǎn)生顯著的粒子堆砌效應(yīng)是紙張強(qiáng)度性能改善的根本原因;凹土的引入改善了碳酸鈣在紙張中的分散性，且因凹土纖維與植物纖維的架橋和親和力，進(jìn)一步促進(jìn)了紙張強(qiáng)度性能的提升。參考文獻(xiàn)

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