宋順喜， 郝　寧， 張美云， 王　建

(陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院， 陜西 西安　710021)

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粉煤灰基硅酸鈣-細(xì)小纖維-CPAM共絮聚改善加填紙張物理性能的研究

宋順喜， 郝寧， 張美云， 王建

(陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院， 陜西 西安710021)

摘要：粉煤灰基硅酸鈣(Fly ash based calcium silicate,FACS)作為一種新型的造紙?zhí)盍?，與傳統(tǒng)造紙?zhí)盍舷啾?，具有平均粒徑?24μm)，比表面積高(121 m2/g)的特點(diǎn)，可顯著提高紙張的松厚度.為進(jìn)一步改善FACS加填紙張的物理性能，研究采用FACS-細(xì)小纖維-CPAM共絮聚的方法制備高松厚度高強(qiáng)度紙張.結(jié)果表明，細(xì)小纖維用量對(duì)紙張結(jié)構(gòu)性能、強(qiáng)度性能及光學(xué)性能影響顯著.采用共絮聚加填方式制備的紙張，雖然松厚度有所下降，但強(qiáng)度性能和光學(xué)性能優(yōu)勢(shì)明顯.綜合紙張各項(xiàng)性能，當(dāng)細(xì)小纖維含量為8%時(shí)，其紙張的抗張指數(shù)、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度與撕裂指數(shù)比常規(guī)加填紙張分別高8.4%、9.8%和11.5%，且不透明度可提高1.2個(gè)百分點(diǎn).

關(guān)鍵詞：粉煤灰基硅酸鈣; 細(xì)小纖維; CPAM; 共絮聚

0引言

為了改善紙張的光學(xué)性能和印刷適性，滿(mǎn)足紙張某些特殊性能要求，節(jié)約纖維原料，降低生產(chǎn)成本，在紙張生產(chǎn)過(guò)程中，一般均需要加入填料.由于一般填料的價(jià)格只有植物纖維價(jià)格的十分之一甚至更低，因此，在紙張中加入更多的填料，可以顯著降低紙張生產(chǎn)成本[1].紙張生產(chǎn)中所使用的填料通常是無(wú)機(jī)礦物粉體，填料與纖維、填料與填料之間不能產(chǎn)生結(jié)合，因此在紙張中添加填料可顯著降低紙張的強(qiáng)度性能，導(dǎo)致紙張斷裂或者出現(xiàn)掉毛掉粉問(wèn)題，不適應(yīng)現(xiàn)代高速印刷.為了提高紙張中的填料含量，各國(guó)研究者近些年做了大量的研究工作，例如，表面加填[2]、層間加填[3]、纖維胞腔加填[4]、填料預(yù)絮聚技術(shù)[5]、填料改性技術(shù)[6]和“細(xì)小纖維-填料”復(fù)合填料制備技術(shù)[7]等.

粉煤灰是從燃煤發(fā)電廠煤粉爐廢氣中收集下來(lái)的細(xì)顆粒粉末，白度通常低于30%ISO.它不僅污染環(huán)境，且堆放時(shí)會(huì)占用大量土地.因此，對(duì)粉煤灰進(jìn)行高值利用成為了國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn).由于粉煤灰中含有大量的有用元素和化合物，目前主要用于建筑材料、道路工程、農(nóng)業(yè)和吸附劑等領(lǐng)域[8].

有關(guān)粉煤灰作為造紙?zhí)盍系难芯肯鄬?duì)較少.Sinha[9]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用平均粒徑為19μm的粉煤灰作為造紙?zhí)盍蠒r(shí)，與高嶺土相比，粉煤灰加填紙張具有更好的不透明度和撕裂強(qiáng)度，而耐破指數(shù)、抗張強(qiáng)度和平滑度等指標(biāo)卻與高嶺土加填紙張相近.但是，粉煤灰加填紙張的白度卻隨著用量的提高而降低.范玉敏等[10]的研究表明，采用篩分，浮選并與碳酸鈣復(fù)配使用提高粉煤灰的白度時(shí)，其加填紙白度雖有一定的改善，但隨著加填量的提高，其白度仍然會(huì)降低.因此，粉煤灰白度低的問(wèn)題已成為制約其作為造紙?zhí)盍系淖畲笳系K.

前期研究[11-13]發(fā)現(xiàn)，由火力發(fā)電廠廢棄物粉煤灰提取氧化鋁后的廢液制備的粉煤灰基硅酸鈣(Fly ash based calcium silicate， FACS)具有平均粒徑大(24μm)、比表面積高(121 m2/g)、白度高(90% ISO)、表面負(fù)電性強(qiáng)等特點(diǎn).與常用造紙?zhí)盍铣恋硖妓徕}(PCC)相比，F(xiàn)ACS可賦予紙張較高的強(qiáng)度和松厚度，在制備高松厚度低定量的輕型紙方面具有巨大潛力.為充分利用固體廢棄物資源粉煤灰，改善FACS加填紙的物理性能，研究采用填料FACS-細(xì)小纖維-CPAM共絮聚的方法進(jìn)行加填，并對(duì)共絮聚加填方法對(duì)紙張的結(jié)構(gòu)性能、強(qiáng)度性能、光學(xué)性能等的影響進(jìn)行了分析，以期為粉煤灰基硅酸鈣高填料紙張的開(kāi)發(fā)提供參考.

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1　原料

漂白針葉木硫酸鹽漿，打漿度30 °SR；粉煤灰基硅酸鈣填料，取自某電廠，其平均粒徑為24μm，比表面積為121 m2/g，表面呈蜂窩多孔形貌，白度為90%ISO；陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM)，美國(guó)納爾科公司，分子量600~700 萬(wàn).

1.2　儀器與設(shè)備

PFI磨，型號(hào)DCS-041P，日本KRK有限公司；標(biāo)準(zhǔn)纖維疏解機(jī)，型號(hào)ZQS4，Lorentzen-& Wettre公司；數(shù)顯式攪拌器，型號(hào)RW20 Digital，IKA；紙樣抄取器，型號(hào)ZQJ1-B，陜西科技大學(xué)機(jī)械廠；電腦測(cè)控厚度緊度儀，型號(hào)DC-HJ Y03，四川省長(zhǎng)江造紙機(jī)械廠；抗張強(qiáng)度測(cè)定儀，型號(hào)SE-062，Lorentzen & Wettre公司；白度儀，型號(hào)DN-B，杭州高新儀器儀表公司；紙張撕裂度測(cè)定儀，型號(hào)60-2600，美國(guó)；層間結(jié)合測(cè)試儀，型號(hào)KRK2085-D，日本KRK；馬弗爐，型號(hào)SX-4-10，天津市泰斯特儀器有限公司.

1.3　實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1細(xì)小纖維的制備

每次取30 g絕干針葉木硫酸鹽漿，調(diào)節(jié)濃度至10%，在PFI磨中磨漿15 000 r，打漿度為80 °SR，將漿料稀釋至濃度為0.1%，進(jìn)行篩分，收集通過(guò)200目篩的組分作為細(xì)小纖維.

1.3.2手抄片制備

取一定量FACS填料懸浮液(固含量為10%)加到燒杯中，稀釋并攪拌1 min，再加入細(xì)小纖維的懸浮液，用量分別為5%、8%和11%(相對(duì)于絕干填料質(zhì)量，填料加填量25%)，混合攪拌1 min后，滴入濃度為0.01%的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM)，用量為0.07%，繼續(xù)攪拌30 s，使FACS填料與細(xì)小纖維的發(fā)生絮聚，然后迅速倒入預(yù)先準(zhǔn)備好的一定濃度的漿料中，攪拌30 s后上網(wǎng)成形抄紙.常規(guī)加填紙中，F(xiàn)ACS填料的用量、CPAM的用量、細(xì)小纖維的用量與共絮聚加填一致.手抄片的定量為70 g/m2，并使加填紙?zhí)盍虾靠刂圃?7±0.5%.

1.3.3紙張物理性能檢測(cè)

紙樣在25 ℃，50%RH條件下進(jìn)行恒溫恒濕24 h.紙張定量、松厚度根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB-T 451.2-2002和GB-T 451.3-2002進(jìn)行測(cè)定計(jì)算；抗張指數(shù)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12914-2008進(jìn)行測(cè)定計(jì)算；撕裂指數(shù)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 455-2002的方法進(jìn)行測(cè)定；內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB-T 26203-2010的方法進(jìn)行測(cè)定；紙張灰分根據(jù)TAPPI T211方法進(jìn)行測(cè)定計(jì)算.

2結(jié)果與討論

2.1　共絮聚加填對(duì)紙張松厚度的影響

如圖1所示，與常規(guī)加填相比，采用共絮聚加填方式獲得的紙張松厚度低于常規(guī)加填方式制備的紙張，但隨著細(xì)小纖維含量的增加，兩種加填方式所得紙張的松厚度的差距有所減少.采用常規(guī)加填方式時(shí)，紙張松厚度隨著細(xì)小纖維用量的升高而降低；而對(duì)于共絮聚加填方法，當(dāng)細(xì)小纖維用量為8%時(shí)，紙張的松厚度最高.加填方式對(duì)紙張松厚度的影響反映出細(xì)小纖維在加填紙張各組分表面分布的變化.采用常規(guī)加填方式時(shí)，細(xì)小纖維會(huì)隨機(jī)分布在纖維和填料表面，分布在纖維表面的細(xì)小纖維可填充紙張結(jié)構(gòu)中的孔隙，并通過(guò)氫鍵作用，使得纖維之間的結(jié)合更加緊密，導(dǎo)致松厚度降低；而分布在填料表面的細(xì)小纖維，會(huì)使填料與細(xì)小纖維形成復(fù)合體，這一方面使得填料與填料之間的包裹能力增強(qiáng)，粒子之間的孔隙減少，另一方面，使得填料與纖維之間產(chǎn)生了結(jié)合，提高了紙張緊度，降低了紙張的松厚度.

圖1　細(xì)小纖維用量對(duì)紙張松厚度的影響

前期研究[14]表明，與增加纖維結(jié)合所造成松厚度降低相比，F(xiàn)ACS對(duì)紙張松厚度影響更顯著.因此，采用共絮聚方法時(shí)，細(xì)小纖維會(huì)主要分布在填料表面，使填料粒子與細(xì)小纖維形成更多的復(fù)合體，通過(guò)減少紙張結(jié)構(gòu)中的孔隙而降低紙張的松厚度.

2.2　共絮聚加填對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響

紙張的強(qiáng)度主要來(lái)源于纖維氫鍵的結(jié)合，細(xì)小纖維比表面積大，表面暴露出大量羥基，有利于增加纖維間氫鍵結(jié)合，有利于提高紙張的抗張強(qiáng)度[14].與常規(guī)方法相比，采用共絮聚加填方法時(shí)，根據(jù)細(xì)小纖維用量不同，其成紙抗張指數(shù)可提高8%~23.5%，如圖2所示.

圖2　細(xì)小纖維用量紙張抗張指數(shù)的影響

當(dāng)細(xì)小纖維含量為5%時(shí)，兩種加填紙張的抗張指數(shù)相差最大，這說(shuō)明細(xì)小纖維分布在填料粒子上更有利于改善紙張的抗張指數(shù).然而，該用量下兩種加填方法所得紙張的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度差別不大，如圖3所示.

圖3　細(xì)小纖維用量加填紙內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響

隨著細(xì)小纖維用量進(jìn)一步增加，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度均增加，且共絮聚加填紙張的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn).這主要是因?yàn)楣残蹙塾欣谔岣呒?xì)小纖維的留著，并且，該方法可使填料顆粒吸附于細(xì)小纖維上，或使細(xì)小纖維包覆在填料表面而形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，最終使粗大纖維與填料可通過(guò)細(xì)小纖維形成氫鍵連接，提高成紙的抗張指數(shù)和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度.

紙張的撕裂指數(shù)主要與纖維的長(zhǎng)度及纖維的結(jié)合性能有關(guān).細(xì)小纖維的長(zhǎng)度小于紙漿纖維的平均長(zhǎng)度，所以增加細(xì)小纖維用量意味著抄紙漿料纖維的平均長(zhǎng)度降低，故提高細(xì)小纖維用量會(huì)降低紙張的撕裂強(qiáng)度，如圖4所示.

圖4　細(xì)小纖維用量撕裂指數(shù)的影響

在相同的細(xì)小纖維用量下，共絮聚加填紙的撕裂指數(shù)高于常規(guī)加填紙的撕裂指數(shù)，主要是因?yàn)楣残蹙圻^(guò)程一方面使細(xì)小纖維以絮聚體形式存在，整體尺寸變大；另一方面，共絮聚方法所形成的填料-細(xì)小纖維復(fù)合體提高了纖維之間、纖維與填料之間的結(jié)合性能，進(jìn)而改善了加填紙張的撕裂強(qiáng)度.

2.3　共絮聚加填對(duì)紙張不透明度的影響

除強(qiáng)度性能外，紙張的光學(xué)性能也是重要的質(zhì)量指標(biāo).共絮聚加填方法制備紙張的不透明度略高于常規(guī)加填紙張，如圖5所示.隨著細(xì)小纖維用量增加，加填紙不透明度均降低.這主要是因?yàn)榧?xì)小纖維用量較高時(shí)，填料與纖維形成的復(fù)合體尺寸大，且填料表面被細(xì)小纖維覆蓋的面積增大，降低了填料的光散射系數(shù)，進(jìn)而導(dǎo)致光學(xué)性能下降.采用常規(guī)加填方法時(shí)，細(xì)小纖維的加入增強(qiáng)了纖維與纖維的結(jié)合，增加了紙張中的光學(xué)接觸面積，最終導(dǎo)致其光學(xué)性能低于共絮聚加填紙張.

圖5　細(xì)小纖維用量加填紙不透明度的影響

由圖1~5可知，當(dāng)細(xì)小纖維用量為11%時(shí)，共絮聚加填紙的抗張指數(shù)和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度明顯高于5%和8%的細(xì)小纖維用量的共絮聚加填紙，但是其紙張松厚度、不透明度和撕裂指數(shù)的下降較為明顯，綜合考慮到成本、紙張的松厚度、強(qiáng)度性能和光學(xué)性能，細(xì)小纖維用量在8%左右為宜.在此條件下，共絮聚加填紙的抗張指數(shù)、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、撕裂指數(shù)分別為42.5N·m/g、335 J·m2、12.6 mN·m2/g，相較于常規(guī)加填紙的相應(yīng)指標(biāo)(39.2 N·m/g、305 J·m2、11.3 mN·m2/g)分別提高了8.4%、9.8%、11.5%，且共絮聚加填紙的不透明度由常規(guī)加填的84.1%提高至85.3%，提高了1.2個(gè)百分點(diǎn).

3結(jié)論

(1)與常規(guī)加填方法相比，粉煤灰基硅酸鈣-細(xì)小纖維-CPAM共絮聚加填可有效改善紙張的強(qiáng)度性能和光學(xué)性能，但會(huì)降低成紙松厚度；

(2)細(xì)小纖維用量對(duì)紙張的結(jié)構(gòu)性能、強(qiáng)度性能以及光學(xué)性能影響顯著，這主要是由于細(xì)小纖維在紙張各組分中的分布差異性所造成；

(3)綜合考慮紙張的松厚度、強(qiáng)度性能和光學(xué)性能指標(biāo)，細(xì)小纖維用量為8%較適宜，在填料含量為17%時(shí)，與常規(guī)加填方式相比，紙張抗張指數(shù)、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、撕裂指數(shù)分別提高了8.4%、9.8%、11.5%，不透明度則提高了1.2個(gè)百分點(diǎn).

參 考 文 獻(xiàn)

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Improvement of the physical properties of FACS

filled paper by co-flocculation of FACS-fines-CPAM

SONG Shun-xi, HAO Ning, ZHANG Mei-yun, WANG Jian

(College of Light Industry and Energy, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:Compared to common fillers,fly-ash based calcium silicate (FACS) has a large average particle size (24μm),a high specific surface area (121 m2/g),which can increase paper bulk significantly.In order to further improve the physical properties of FACS filled paper,FACS-fines-CPAM co-flocculation method was employed in this study.Results showed that fines content can greatly affect paper bulk,strength properties and optical properties.The strength and optical properties of the handsheets filled with FACS was increased by co-flocculation method. However,the bulk of co-flocculation handsheets decreased slightly.Based on the balance of paper properties,the tensile index,inter bonding strength and tear index can increase 8.4%,9.8%, and 11.5% respectively when the usage of fines content fixed 8%.Besides,the opacity of paper by co-flocculation can increase 1.2 percentage point.

Key words:fly-ash based calcium silicate; fines; CPAM; co-flocculation

作者簡(jiǎn)介:宋順喜(1986-),男,陜西西安人，講師,博士，研究方向：高性能紙基功能材料

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31170560); 國(guó)家863科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011AA06A101); 陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(15JK1091); 陜西科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(BJ15-12)

*收稿日期:2015-09-20

中圖分類(lèi)號(hào)：TS756

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

*文章編號(hào)：1000-5811(2015)06-0006-04