李春,唐栩靚,劉萃瑩
(國家造紙化學(xué)品工程技術(shù)研究中心杭州市化工研究院有限公司,浙江杭州310014)
幾種新型造紙?zhí)盍系难芯窟M(jìn)展
李春,唐栩靚,劉萃瑩
(國家造紙化學(xué)品工程技術(shù)研究中心杭州市化工研究院有限公司,浙江杭州310014)
對(duì)近年來我國造紙?zhí)盍项I(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,主要介紹了幾種新型造紙?zhí)盍系难芯楷F(xiàn)狀,并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
新型填料;造紙?zhí)盍?;研究進(jìn)展
在造紙過程中應(yīng)用造紙?zhí)盍希ǔ?梢蕴岣呒垙埖钠交?、透氣度和柔軟性;改善紙張的光學(xué)性能(不透明度、白度和光澤度)、印刷性能和書寫性能(油墨吸收性、勻度和減少透印);填充紙幅中纖維間的空隙,改善紙頁成形,改善紙張的尺寸穩(wěn)定性;賦予紙張?zhí)厥獾墓δ苄裕▽?dǎo)電性、阻燃性、磁性和抗菌性等)[1]。常用的造紙?zhí)盍嫌刑妓徕}、高嶺土、滑石粉和二氧化鈦等。然而,隨著加填量的增加,紙張的強(qiáng)度、松厚度及挺度降低,紙機(jī)磨損程度增加,施膠劑的使用效果降低,白水循環(huán)體系中細(xì)小組分的含量增加,印刷過程中容易出現(xiàn)掉毛掉粉等現(xiàn)象[2]。
隨著造紙工業(yè)的發(fā)展,作為一個(gè)新型的極具潛力的研究領(lǐng)域——新型造紙?zhí)盍系难芯颗c開發(fā),逐漸引起了科研工作者的廣泛關(guān)注。新型造紙?zhí)盍项I(lǐng)域的相關(guān)研究,對(duì)于改善當(dāng)前造紙?zhí)盍显诟呒犹顟?yīng)用中所產(chǎn)生的相關(guān)負(fù)面影響,改善紙張性能和豐富填料品種具有重要意義。
本文綜述了目前國內(nèi)研究較多的幾種新型造紙?zhí)盍?,以期為相關(guān)研究與開發(fā)提供借鑒和參考。
1.1粉煤灰
1.1.1 粉煤灰的基本性質(zhì)
粉煤灰是一種工業(yè)固體廢棄物,是煤炭中的灰分經(jīng)過分解、燒結(jié)、熔融及冷卻等過程后形成的固體顆粒,表面呈球形,具有質(zhì)輕、粒細(xì)、比表面積大和吸水性強(qiáng)的特點(diǎn)[3]。粉煤灰因煤源不同,鍋爐技術(shù)不同,其化學(xué)成分及物化性質(zhì)參差不齊[4]4。粉煤灰的主要化學(xué)成分是二氧化硅和三氧化二鋁,約占80%,其他成分為Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O和P2O5等[5]。粉煤灰對(duì)漿料中的細(xì)小纖維具有較強(qiáng)的吸附性,可以減輕白水負(fù)荷。粉煤灰作為造紙?zhí)盍希瑸榉勖夯业母咧祷褂米龀隽诵碌膰L試,但是粉煤灰的白度相對(duì)較低,這使得粉煤灰在造紙?zhí)盍项I(lǐng)域的應(yīng)用有較大的局限性[6]2-3。
1.1.2 粉煤灰在造紙中的應(yīng)用
范玉敏等通過采用對(duì)粉煤灰篩分、浮選除碳及與碳酸鈣混用等方法,提高了粉煤灰的白度,以便探索粉煤灰用作造紙?zhí)盍系倪m應(yīng)性[7-8]。適當(dāng)提高紙漿打漿度可提高粉煤灰纖維的留著率,針葉木漿打漿度為51° SR時(shí),粉煤灰纖維留著情況最佳;闊葉木漿打漿度為45° SR時(shí),粉煤灰纖維留著情況最佳。用硅酸鈣包覆改性粉煤灰纖維,在一定范圍內(nèi),加填包覆改性粉煤灰纖維的復(fù)合紙光學(xué)性能及物理性能均高于加填未改性粉煤灰纖維的復(fù)合紙。
1.2粉煤灰基新型硅酸鈣填料(FACS)
吳盼等研究發(fā)現(xiàn)FACS呈多孔蜂窩狀聚集體結(jié)構(gòu),且?guī)в休^強(qiáng)的負(fù)電荷[6]28,50-51,[9]。隨著FACS加填量的增加,其漿料的Zeta電位呈負(fù)增長,但是由于FACS有較好的吸附性能,所以其加填紙具有更好的松厚度。陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)和CPAM-膨潤土體系對(duì)留著的改善最為顯著,且后者對(duì)FACS加填紙的濾水性能也有所改善。采用陽離子淀粉(CS)對(duì)FACS進(jìn)行改性,發(fā)現(xiàn)改性后的FACS有助于改善漿料的濾水性能,且成紙強(qiáng)度提高。FACS加填紙的AKD施膠效率較低。FACS用量小于30%時(shí),加填紙張的不透明度提高,抗張指數(shù)降低,撕裂指數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。當(dāng)加填量為30%,定量為60 g/m2時(shí),與輕鈣(PCC)相比,加填紙的白度和抗張指數(shù)基本相當(dāng),不透明度低5.1%,撕裂指數(shù)高1.3 mN·m2/g。
郝寧也研究開發(fā)了多孔蜂窩狀FACS用作造紙?zhí)盍希撎盍暇哂畜w積大、蓬松質(zhì)輕、設(shè)備磨耗低等特點(diǎn)[4]。在相同填料含量下,F(xiàn)ACS加填紙的抗張強(qiáng)度比PCC約低4%,但是松厚度比PCC高出19%,松厚度優(yōu)勢明顯。采用共磨加填方式,可以提高成紙的緊度,松厚度下降約0.5 cm3/g,成紙強(qiáng)度提高約8 N·m/g,白度和不透明度也得到一定改善。采用FACS填料與細(xì)小纖維通過CPAM預(yù)絮聚的加填方式,加填紙松厚度降低較少,而紙張抗張強(qiáng)度得到明顯改善,提高了將近10 N·m/g。
宋順喜等研究的FACS填料平均粒徑為21.6 μm,比表面積為121 m2/g,堆積密度為0.31 g/cm3,白度為91.5%ISO[10-11]。FACS填料在改善成紙松厚度方面優(yōu)勢明顯,當(dāng)加填量為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。CPAM可明顯提高FACS加填漿料的濾水速度,粒徑較小的FACS填料其濾水性能相對(duì)較差。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。當(dāng)細(xì)小纖維含量為8%,填料含量為17%時(shí),與常規(guī)加填方式相比,其加填紙張的抗張指數(shù)提高了8.4%,撕裂指數(shù)提高了11.5%,不透明度提高了1.2%。
1.3 硅灰石
硅灰石的結(jié)構(gòu)式為:Ca3Si3O9,是一種具有獨(dú)特纖維狀外形的鏈狀偏硅酸鹽礦物,能夠與植物纖維相互交織在一起,形成“植物纖維-礦物纖維”網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
熊剛研究了硅灰石加填對(duì)紙頁性能的影響,在相同加填量下(如20%,相對(duì)于絕干纖維),硅灰石在紙頁中的留著率為74.27%,比GCC要高,在相同灰分條件下,硅灰石加填紙頁強(qiáng)度比GCC加填紙頁高[12]。采用聚合氯化鋁(PAC)、硫酸鋁和聚酰胺多胺環(huán)氧氯丙烷(PAE)3種陽離子試劑對(duì)硅灰石進(jìn)行改性用于提高硅灰石在紙頁中的留著率,同時(shí)將CPAM作為陽離子助留劑加入到造紙?bào)w系中,探討了添加方法對(duì)硅灰石留著率的影響。結(jié)果表明:在相同用量下,CPAM作為陽離子改性劑加入填料中,比其作為助留劑加入漿料中留著率要高。同時(shí)也采用了海藻酸鈉和羧甲基纖維素(CMC)2種聚糖類化合物對(duì)硅灰石進(jìn)行有機(jī)涂覆改性,在相同化學(xué)品用量下,改性硅灰石留著率大小是:海藻酸鈉/氯化鈣/CPAM三元改性>海藻酸鈉/氯化鈣二元改性>海藻酸鈉單獨(dú)改性,而加填紙頁強(qiáng)度大小是:海藻酸鈉/氯化鈣/CPAM三元改性<海藻酸鈉/氯化鈣二元改性<海藻酸鈉單獨(dú)改性。
常建棟用陽離子淀粉(CS)和聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDADMAC)對(duì)硅灰石做了表面包覆改性處理,其分子與纖維之間形成氫鍵作用力,提高了纖維間結(jié)合力,在一定程度上改善了由于加填所引起的強(qiáng)度下降問題[13]。當(dāng)陽離子淀粉用量為5%時(shí),手抄片的耐折強(qiáng)度提高了50%~60%,抗張強(qiáng)度提高了7.2%~7.4%,裂斷長提高了10.3%~16.5%,白度略有下降,不透明度略有提高,抗水性能變化不大。當(dāng)聚胺用量為5%時(shí),手抄片的耐折強(qiáng)度提高了50%~60%,抗張強(qiáng)度提高了6.6%~6.8%,裂斷長提高了9.5%~15.8%,白度略有下降,不透明度略有提高,抗水性能變化不大。
王淑梅等研究了不同粒徑的未改性硅灰石和改性硅灰石對(duì)紙頁灰分和物理性能的影響[14]。結(jié)果表明:紙頁灰分隨著硅灰石用量的增加而提高,灰分最大可達(dá)25%,改性與否和粒徑大小對(duì)灰分的影響不大;硅灰石配抄在針葉木漿中,紙頁物理強(qiáng)度隨著硅灰石用量的增加而降低,粒徑大小是影響紙頁強(qiáng)度的主要因素,當(dāng)硅灰石添加量為20%時(shí),紙頁的抗張指數(shù)為32 N·m/g,耐破指數(shù)為2 kPa·m2/g,撕裂指數(shù)為8~10 mN·m2/g;未改性硅灰石的紙頁白度要比改性的高,粒徑小的硅灰石紙頁白度高于粒徑大的;添加硅灰石的紙頁平滑度比空白紙頁高。
劉焱等研究了硅灰石替代部分木漿造紙時(shí),硅灰石的加填量及紙漿打漿度等工藝條件對(duì)紙張強(qiáng)度性能以及硅灰石留著情況的影響[15]。結(jié)果表明:隨著硅灰石加填量的增加,紙張強(qiáng)度性能和硅灰石留著率下降;而隨著紙漿打漿度的提高,紙張強(qiáng)度性能和硅灰石留著率先增大后降低。當(dāng)加填量為40%時(shí),硅灰石留著率可達(dá)74.6%;紙漿打漿度為52°SR時(shí),硅灰石留著情況最佳。
1.4水滑石
鎂鋁水滑石(HT)俗稱水滑石,是最常見的層狀雙金屬氫氧化物,是一種固體堿性層狀材料,具有層間離子可交換性、吸附性等優(yōu)點(diǎn),具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。
李賢慧等考察了HT用作造紙阻燃填料的可能性及其對(duì)紙張性能的影響[16-17]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)紙張定量為240 g/m2、HT添加量為20%時(shí),當(dāng)添加0.025%CPAM和30%HT時(shí),當(dāng)僅添加HT 40%時(shí),紙張皆可基本達(dá)到難燃級(jí)。HT能提高紙張的不透明度和白度,但使紙張的強(qiáng)度有一定程度的降低。HT捕集陰離子垃圾(DCS)的效果遠(yuǎn)優(yōu)于沸石和蛋白石等常見多孔填料。隨著AKD用量的增加,HT加填紙的Cobb值持續(xù)減小。當(dāng)填料添加量為10%、AKD用量為0.4%時(shí),加填紙的Cobb值降至30 g/m2。
1.5 白云石
車元?jiǎng)撞捎脻穹ㄑ心スに囍苽湓旒執(zhí)盍稀自剖?,主要考察了研磨時(shí)間、分散劑用量、礦漿濃度、研磨介質(zhì)與白云石質(zhì)量比等因素對(duì)微粒粒徑的影響[18-19]。結(jié)果表明:研磨時(shí)間為45 min,分散劑用量為0.5%,礦漿濃度為60%,研磨介質(zhì)與白云石質(zhì)量比為6∶1時(shí),研磨后的微粒粒徑較小。使用研磨得到的白云石微粒加填紙張,隨著加填量的增加,其留著率和紙張強(qiáng)度性能降低,但紙張光學(xué)性能提高。用羧甲基纖維素改性白云石,當(dāng)硫酸鋁用量為10%,羧甲基纖維素用量為4%時(shí),所得改性填料的銅網(wǎng)磨耗量最低,包覆效果最好。用改性白云石加填新聞紙的強(qiáng)度性能和留著率比加填未改性白云石均有所提高,原因是改性后的白云石聚集物,顆粒粒徑變大,可以與紙漿纖維有效地吸附和結(jié)合。
1.6硅藻土
硅藻土是一種硅質(zhì)巖石,主要化學(xué)成分是SiO2,化學(xué)式SiO2·nH2O。硅藻土具有孔隙度大、吸附性強(qiáng)、化學(xué)性能穩(wěn)定和無毒等特點(diǎn),可作為功能性填料廣泛應(yīng)用于紙張,如吸水保鮮包裝紙、裝飾紙、輕質(zhì)紙、膠印紙、阻燃吸音紙、油封紙和卷煙紙等等[20]。
李金寶等對(duì)比了4種硅藻土的物化性能指標(biāo)和加填紙張的各項(xiàng)物理指標(biāo),并以此為依據(jù)優(yōu)選出了最佳的硅藻土填料試樣,還對(duì)比考察了硅藻土的加入量對(duì)加填紙張物理性能的影響[21]。
隨著造紙工業(yè)的發(fā)展,對(duì)新型、多功能型造紙?zhí)盍系拈_發(fā)不應(yīng)僅僅局限于提高紙品灰分,降低生產(chǎn)成本,而應(yīng)該考慮以使用造紙?zhí)盍显黾蛹埰返墓δ苄詾橹饕康?。研制開發(fā)出具有高附加值的造紙?zhí)盍袭a(chǎn)品,對(duì)于造紙行業(yè)具有重大的意義。
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10.13752/j.issn.1007-2217.2016.04.002
2016-09-10