改善碳酸鈣高加填紙張強度性能的碳酸鈣表面處理助劑

盡管社會正在向無紙化發(fā)展，但印刷紙、信息用紙作為信息媒質(zhì)仍然扮演著重要作用。通常作為造紙?zhí)盍系臒o機顆粒如滑石粉、碳酸鈣等常常被用于印刷和信息用紙以改善印刷性能和光學性能，特別是碳酸鈣，以其優(yōu)良的性能和高性價比被廣泛使用。但是隨著紙張中碳酸鈣用量的增加，紙張強度損失問題變得很嚴重。為了解決這一問題，日本研發(fā)了“碳酸鈣表面處理助劑”——一種采用新材料并結(jié)合聚合技術(shù)的創(chuàng)新型濕部化學品——能改善因碳酸鈣高比例加填引起的紙張強度損失。該文介紹了該碳酸鈣表面處理助劑及其在紙機上的試用結(jié)果。

1 序言

造紙產(chǎn)業(yè)是以用“自然恩賜”的木材制成的木漿為原料，制漿時以產(chǎn)生的副產(chǎn)品作為生物能源加以利用以及以廢紙為原料再使用的環(huán)境保護型產(chǎn)業(yè)。近年來，從環(huán)境保護和節(jié)約資源的角度出發(fā)，為降低紙漿用量和削減物流成本，紙張低定量化的要求相當迫切。作為紙張低定量化的手段之一，為提高紙張白度、不透明度和印刷適應性，正在逐漸增加作為填料的無機顆粒（滑石粉，高嶺土，碳酸鈣等）的使用比例，即高灰分化。其中，碳酸鈣作為各種涂布顏料和填料不僅在造紙，而且在涂料、橡膠、食品等行業(yè)使用，使用比例呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。

圖1和圖2分別顯示了自2000年以來各種涂布顏料和填料使用比例的變化趨勢和紙張產(chǎn)量和輕質(zhì)碳酸鈣用量[包括紙廠外購（漿內(nèi)添加用）和自制的量]的變化趨勢。強調(diào)了以下3點。

圖1 各種涂布顏料和填料的使用比例

圖2 紙張產(chǎn)量和輕質(zhì)碳酸鈣用量的變化趨勢

由圖1和圖2可見，雖然紙的產(chǎn)量隨著電子媒體的發(fā)展而下降，但是輕質(zhì)碳酸鈣的用量則呈現(xiàn)了逐年增加的趨勢。

與滑石粉及高嶺土這些填料相比，造紙中碳酸鈣使用比例的增加，存在著施膠效果變得比較難以發(fā)揮及紙張干強度下降這些問題。為了維持紙張強度，已經(jīng)使用了淀粉和聚丙烯酰胺（PAM）等干強劑，但是為了彌補因使用較多填料造成的紙張強度損失，就必須大幅度增加這些干強劑的使用量。

為此，日本某公司對有效利用碳酸鈣的技術(shù)進行了研究，開發(fā)了能改變碳酸鈣粒子表面性質(zhì)的化學品——碳酸鈣表面處理助劑。碳酸鈣表面處理助劑的成功研發(fā)是該公司采用新材料并融合了多年培育的聚丙烯酰胺（PAM）干強劑合成技術(shù)的結(jié)果。經(jīng)使用，可以確認碳酸鈣表面處理助劑對于因加填碳酸鈣、紙張灰分增加而受損的紙張強度和灰分留著率能夠發(fā)揮很大的改善效果。

本文將結(jié)合紙機實際應用結(jié)果介紹該碳酸鈣表面處理助劑的特征及為提高紙張灰分使用該表面處理助劑的使用方案。

2 紙張強度的產(chǎn)生及碳酸鈣表面處理助劑的開發(fā)理念

碳酸鈣用量的增加將減少紙張中紙漿纖維間的結(jié)合點，增加紙的總表面積，特別是在單程留著率較低的抄造系統(tǒng)中，由于碳酸鈣與漿內(nèi)添加化學品之間的相互作用，化學品的留著率和均一分布受到損失，導致了紙張強度以及施膠效果的下降。在這種情況下，常?？梢酝ㄟ^使用表面施膠劑提高其施膠效果，但要減少紙張內(nèi)部強度的損失則必須大幅度增加干強劑的用量。

圖3顯示了使用碳酸鈣表面處理助劑對紙張強度的影響。

由圖3可見：加填30%碳酸鈣的紙張與加填15%碳酸鈣的紙張相比，其紙張強度通常下降三成左右；當使用碳酸鈣表面處理助劑并加填30%碳酸鈣時，其紙張強度能夠維持與只加填15%碳酸鈣的紙張同等強度。

上述結(jié)果是碳酸鈣表面處理助劑“抑制”了紙張強度隨碳酸鈣用量增加而下降，并以此作為開發(fā)碳酸鈣表面處理助劑的理念。

表1是1～6號試樣手抄紙的制作條件。

有關碳酸鈣表面處理助劑的開發(fā)方面的問題，

圖3 使用碳酸鈣表面處理劑對紙張強度的影響

表1 手抄紙的制作條件 w/%

首先，通過碳酸鈣表面處理助劑與碳酸鈣的相互作用，使碳酸鈣粒子凝聚形成二次粒子。這樣使碳酸鈣表面積變小，減少碳酸鈣與紙漿的接觸面積。這樣可以抑制伴隨紙漿纖維間結(jié)合點減少帶來的紙張強度的下降。其模型圖如圖4所示。

圖4 使用碳酸鈣表面處理助劑后碳酸鈣粒子凝聚形成二次粒子

第2，作為碳酸鈣表面處理助劑的原料，選擇了對紙漿具有高親和性的材料。這樣借助碳酸鈣表面處理助劑能提高碳酸鈣與紙漿的結(jié)合力。

另外，碳酸鈣無論是從市場購買的還是各紙廠自己生產(chǎn)的，都具有不同的結(jié)構(gòu)與表面特性。為了對各種碳酸鈣發(fā)揮穩(wěn)定效果，單一原材料及離子性的處理劑是不夠的。為此，作為第3點，為了能夠容易取得電荷平衡，擴大處理濃度范圍，采用了PAM類共聚體和由新材料構(gòu)成的兩性復合聚丙烯酰胺類共聚體。

開發(fā)成功的碳酸鈣表面處理助劑，其不同電荷特性和構(gòu)造的聚合物通過形成聚離子復合體，發(fā)揮對碳酸鈣適度的凝聚效果和對紙漿纖維的高度親和性；并且己確認在含有已處理的碳酸鈣紙漿中添加PAM類干強劑的情況下，也能高效地發(fā)揮其效果，同時也不會影響這些化學品的效果。

3 碳酸鈣表面處理助劑的使用效果

為了確認開發(fā)的碳酸鈣表面處理助劑的使用效果，進行如下試驗。

在碳酸鈣泥漿中添加碳酸鈣表面處理助劑，經(jīng)過均勻攪拌，配制成已形成二次粒子的碳酸鈣（以下簡稱“已處理的碳酸鈣”）。將這種已處理的碳酸鈣添加到漂白硫酸鹽闊葉木漿-漂白硫酸鹽針葉木漿（LBKP-NBKP）混合漿料中，并根據(jù)相應要求加入液體Alum、CS和PAM等干強劑，留著助劑（RA）等漿內(nèi)添加劑，制成手抄紙?；瘜W品的添加量均以紙漿質(zhì)量計，Alum為液體硫酸鋁（Al2O3為8%），其他化學品添加量以固含量表示。另外，作為對手抄紙的評價，考察了其紙張灰分、抗張強度及裂斷長。

3.1 碳酸鈣表面處理助劑對手抄紙的灰分含量和

紙張強度（抗張強度）的影響

根據(jù)表1所示1～6號試樣的條件制作手抄紙，碳酸鈣表面處理助劑的添加量為0.5%（以碳酸鈣的質(zhì)量計，如以紙漿質(zhì)量計，則為0.125%）；RA的添加量為質(zhì)量分數(shù)100×10-6。

在上述試驗條件下，使用碳酸鈣表面處理助劑和不使用碳酸鈣表面處理助劑2種條件下紙張灰分含量和紙張強度的測定結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

由圖5可知，由于使用了留著助劑和漿內(nèi)添加PAM，即使在使用未處理的碳酸鈣情況下紙張灰分留著率也上升；但是在使用已處理的碳酸鈣情況下，即使在不使用Alum、CS和漿內(nèi)添加PAM的情況下，也能取得與使用這些化學品情況下接近的灰分留著率，并且未發(fā)現(xiàn)因為協(xié)同使用漿內(nèi)添加化學品而導致灰分留著率下降的現(xiàn)象。

抗張強度方面，由圖6可知，由于使用了已處理的碳酸鈣，即使在不使用Alum、CS和漿內(nèi)添加PAM的情況下（2號試樣），也取得了比使用未處理的碳酸鈣手抄紙更高的值。另外，如圖5和圖6所示，盡管2號試樣使用已處理的碳酸鈣與未處理的碳酸鈣時紙張灰分含量差異很大，但是使用已處理的碳酸鈣手抄紙的紙張強度更勝一籌。根據(jù)這些結(jié)果可以說，新開發(fā)的碳酸鈣表面處理助劑能夠發(fā)揮如開發(fā)理念所提出的優(yōu)越的效果。

圖5 手抄紙的灰分含量

圖6 手抄紙的抗張強度

從圖5和圖6還可以看到，在使用已處理的碳酸鈣場合下，使用CS和漿內(nèi)添加PAM這些干強劑帶來的紙張強度上升也相當顯著。圖7顯示了這種現(xiàn)象的作用機理。

圖7 使用未處理的碳酸鈣（上）和使用已處理的碳酸鈣（下）的紙張中的化學品分布

未處理的碳酸鈣的粒子小、表面積大，灰分留著率低。另外，由于漿內(nèi)添加化學品與碳酸鈣接觸機會較多，所以灰分留著率受與碳酸鈣的相互作用影響較大。另一方面，由于已處理的碳酸鈣因二次粒子形成的物理效果和碳酸鈣表面處理助劑產(chǎn)生的與紙漿親和性的上升，因而提高了留著率；同時，漿內(nèi)添加化學品由于與碳酸鈣的相互作用受到抑制，被紙漿高效吸附，因而發(fā)揮了它們本來的功能。

3.2 碳酸鈣表面處理助劑在不同碳酸鈣用量時改

善紙張強度（裂斷長）的效果

為了確認碳酸鈣表面處理助劑在不同碳酸鈣用量時改善紙張強度（裂斷長）的效果，制成了碳酸鈣用量從6.5%～20%（對紙漿質(zhì)量）的手抄紙，測定紙張強度（裂斷長）。漿內(nèi)添加的化學品為Alum（質(zhì)量分數(shù)1.5%）、CS（質(zhì)量分數(shù) 0.8%）和 RA（質(zhì)量分數(shù)100×10-6）。試驗結(jié)果如圖8所示。

由圖8可見，隨著碳酸鈣用量的增加，使用已處理的碳酸鈣與使用未處理的碳酸鈣手抄紙的紙張強度都降低了，但是使用已處理的碳酸鈣手抄紙的紙張強度隨碳酸鈣添加量的增加，比使用未處理的碳酸鈣手抄紙紙張強度下降的幅度小，而且碳酸鈣添加量越多，這種傾向越顯著，顯示了使用已處理的碳酸鈣的試樣具有改善紙張強度的效果。根據(jù)這一試驗結(jié)果可以認為，使用碳酸鈣表面處理助劑是改善因碳酸鈣高加填而產(chǎn)生的紙張強度性能下降的有效對策。

圖8 碳酸鈣表面處理助劑改善紙張強度（裂斷長）的效果

3.3 應對碳酸鈣高加填的紙張強度性能下降的最

合適的化學品添加方案

為了探討應對碳酸鈣高加填的紙張強度性能下降的最合適的化學品使用方案，對單獨使用漿內(nèi)添加PAM、漿內(nèi)同時添加PAM和碳酸鈣表面處理助劑這2種情況對紙張強度的影響進行了比較。試驗的所有試樣均添加了漿內(nèi)添加劑Alum（質(zhì)量分數(shù)1.5%）、CS（質(zhì)量分數(shù) 0.8%）和 RA（質(zhì)量分數(shù) 100×10-6），另外5號試樣和6號試樣均添加了碳酸鈣表面處理助劑，按表2中1～6號試樣的制作條件制成的手抄紙的灰分和紙張強度（裂斷長）的測試結(jié)果如圖9所示。

首先，可以確認在碳酸鈣添加量由15%增加到30%的情況下，紙張強度大幅度下降。只用漿內(nèi)PAM應對這種紙張強度下降的2～4號試樣顯示，為了抑制紙張強度的下降，漿內(nèi)添加PAM的量需要達到1.0%質(zhì)量分數(shù)（4號試樣），而且4號試樣中的紙張灰分含量比3號試樣的低，其主要原因可能是因為抄造系統(tǒng)中的電荷平衡受到了破壞。

表2 手抄紙的制作條件 w/%

圖9 添加碳酸鈣表面處理劑和PAM對手抄紙紙張強度和灰分的影響

另一方面，在紙漿使用0.2%質(zhì)量分數(shù)的碳酸鈣表面處理助劑并使用處理過的碳酸鈣的情況下，僅添加0.2%質(zhì)量分數(shù)PAM，就既能提高紙張灰分又能提高紙張強度（6號試樣）。在碳酸鈣高比例用量的情況下，通過使用碳酸鈣表面處理助劑可以大幅度控制總的化學品用量。

4 使用碳酸鈣表面處理助劑的紙機試驗結(jié)果

為了能夠確認在手抄紙中使用碳酸鈣表面處理助劑時的效果，在造紙廠進行了為確認其效果的紙機試驗。

在紙機試驗過程中，在紙張灰分質(zhì)量分數(shù)10%左右的品種中添加5%（以碳酸鈣的質(zhì)量計）的碳酸鈣表面處理助劑，考察對紙張強度（縱向擴張強度）的影響，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可見，使用了碳酸鈣表面處理助劑后手抄紙的紙張強度提高了。另外，在試驗過程中紙機運行未產(chǎn)生問題。

5 結(jié)束語

圖10 使用碳酸鈣表面處理助劑的紙機試驗結(jié)果

今后，隨著碳酸鈣加填比例的增加，紙的灰分將進一步提高，在這種情況下，可以期待紙張白度、不透明度和印刷適應性的提高，但也不可避免會出現(xiàn)紙張強度下降和所用漿內(nèi)添加化學品效果下降的情況；而新開發(fā)的碳酸鈣表面處理助劑是一種即使在碳酸鈣用量增加的情況下，也能提高留著率和維持紙張品質(zhì)的化學品。

（杜偉民 編譯）

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