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)勢使其廣泛應(yīng)用于造紙工業(yè)中。近年來，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)域的研究熱點之一。粉煤灰作為火力發(fā)電廠的固體廢棄物，在我國排放量大，綜合利用率低，對環(huán)境與人類健康造成了嚴重危害。因此，提高粉煤灰資源化利用率，對我國乃至世界而言仍是一項重要的任務(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，粒徑大的特點使其應(yīng)用受到限制。論文以我國高

2、鋁粉煤灰提取氧化鋁過程中產(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）對比，對新型多孔硅酸鈣(FlyAshbasedCalciumSilicate，F(xiàn)ACS)填料物化特性、化學組成、表面形貌、濕部性能、成紙性能和印刷適性等方面進行了研究，分析了FACS作為造紙?zhí)盍系膬?yōu)勢與不足

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)勢以及開發(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FACS填料特性進行了表征。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，該特點有利于改善成紙松厚度與光學性能，但會導(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FACS填料的造紙性能進行分析比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著研磨強度的增加，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，當添加助留劑CPAM時，填料的動態(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較差。
　　對成紙物理性能測試結(jié)果表明，F(xiàn)ACS填料在改善成紙松厚度方面優(yōu)勢明顯，當FACS0填料含量為15％時，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。對于研磨FACS填料，

7、成紙松厚度隨填料粒徑的降低而下降，但相應(yīng)的抗張強度有所提高;粒徑較大的FACS填料，其成紙撕裂強度也較高。FACS0加填紙的光散射系數(shù)高于GCC加填紙，這主要歸因子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）可在達到相同的印刷密度時降低油墨需求量與透印值。另外，F(xiàn)ACS加填紙表面強度與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
　　當纖維定量固定時，增加PCC和GCC填料定量最終會提高成紙表觀密度，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、高會造成填料堆積指數(shù)(Packingindex)的降低，從而影響成紙強度性能與光學性能的變化。當固定纖維定量而增加填料定量時，成紙有效抗張指數(shù)隨著填料定量的增加而降低說明填料粒子通過位阻效應(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7g/m2時逐漸降低，說明填料粒子之間的包裹能力的增加有利于降低填料對纖維結(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、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，呈負相關(guān)，該結(jié)果有利于紙廠在線快速檢測產(chǎn)品性能變化，及時調(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，通過圖像分析方法對填料在紙張Z向分布進行了表征與驗證，并研究了填料分布特征因子，即對稱因子、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;紙張的抗張強度與填料分布的集中因子成負相關(guān)，即集中因子越小，抗張強度越大，當集中因子Fc=0時，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)合強度。在成紙光學性能方面，紙張?zhí)盍虾吭礁撸浔砻嫣盍虾恳矔岣?，因而成紙白度也相對較高。對稱因子與成紙白

13、度的兩面差呈線性正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)R2可達0.9802。當填料分布對稱因子越小，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的不透明度呈正相關(guān)。當層合紙頁集中因子相同時，增加上層紙頁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)對成紙性能的影響，對填料進行了熱改性處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當溫度超過840℃時，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;化學成分也由當初的C-S-H和含水硫酸鈣轉(zhuǎn)變?yōu)楣杌沂蜔o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加填紙的物理強度與光學性能。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性能，但卻會降低成紙的松厚度。在磨漿轉(zhuǎn)數(shù)為3500r時，該方法制備的手抄片的強度性能與常規(guī)加填方式相當，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填料粒徑的降低作用是降低成紙松厚度，改善