硅酸铝纤维作为造纸填料的可能性探讨

2010-09-07逄锦江赵传山

中国造纸 2010年4期

关键词：白度纸张填料

逄锦江赵传山

(山东轻工业学院制浆造纸科学与技术省部共建教育部重点实验室,山东济南,250353)

·硅酸铝纤维·

硅酸铝纤维作为造纸填料的可能性探讨

逄锦江赵传山

(山东轻工业学院制浆造纸科学与技术省部共建教育部重点实验室,山东济南,250353)

研究了硅酸铝纤维性能及其作为填料在纸张中的应用,并与轻质碳酸钙(PCC)填料进行了对比实验,探讨硅酸铝纤维作为填料的最佳加入量及与PCC混合后对纸张性能的影响。通过实验发现,添加硅酸铝纤维后,纸张的灰分和填料留着率都有不同程度的提高,纸张的抗张强度、耐折度有所降低,撕裂指数基本上保持不变;填料加入量控制在10%以内,基本上能够达到强度要求;对纸张白度、不透明度等光学性能有不同程度的提高。

硅酸铝纤维;轻质碳酸钙;填料;纸张性能

(＊E-mail:pangjinjiang2008@163.com)

Abstract:This paper studies the propertiesof aluminum silicate fibers and compares the application of aluminum silicate fibers and precipitated calcium carbonate as fillers in paper making.The best dosage of silicate fiber and the effectof combination of the precipitated calcium carbonate and silicate fiber as filler on paper property are investigated.The experiment results showed that adding silicate fibers,the paper ash and filler retention rate increase to varying degrees,tensile strength and folding decrease,tearing index essentially unchanges.The basic strength requirements of the paper can be achieved when the dosage of the filler is controlled in 10%.However the improvement of paper whiteness,opacity and other optical properties is not very significant.

Key words:aluminum silicate fiber;light calcium carbonate;fillers;paper properties

矿物纤维具有良好的尺寸稳定性、耐热性、抗化学性、阻燃性和电绝缘性,这些性质是植物纤维无法比拟的[1]。矿物纤维是采用现代高科技技术,将自然产出的纤维状矿石(如:硅灰石、蛭石、海泡石)经纤维化超细粉碎、表面改性后制备的造纸用活性新材料。由于矿物纤维的长径比较为特殊,加上对其表面进行改性处理,使得矿物纤维能够与植物纤维交织在一起,构成了植物纤维-矿物纤维网状结构,在一定程度上能够减轻加填对纸张强度的负面影响,因而可替代部分植物短纤维[2]。

国内大量研究资料[3-6]显示,矿物纤维不仅可应用于55～60 g/m2书写纸和70 g/m2胶版印刷纸上,一定程度上降低原料成本,改善纸品性能,减少环境污染,纸张强度符合要求,而且纸张的白度、不透明度、匀度、印刷适性等指标有所改善;矿物纤维原料应用于卷烟纸,可改善卷烟纸厚度和透气度;矿物纤维在涂布白纸板面浆加填中的应用,可降低面浆浆料的消耗量。硅酸铝纤维是以酸性氧化物Al2O3和碱性氧化物SiO2为原料,添加辅料熔融后,通过喷吹或甩丝工艺而得到的无机纤维[7]。硅酸铝纤维不同于植物纤维,制备过程不会造成环境污染,也不同于传统填料(碳酸钙、滑石粉),硅酸铝纤维可单独抄造硅酸铝耐火保温纸、硅酸铝耐火保温板,广泛应用于钢铁、窑炉、管道和化工等行业[8]。本实验对硅酸铝纤维作为填料在纸张上的应用做一些初步探索,并与轻质碳酸钙(PCC)填料的性能进行对比,分析了硅酸铝纤维性能及作为常规填料对纸张物理性能的影响,探讨了通过添加硅酸铝纤维赋予纸张的保温性能。

1 实验

1.1 原料与仪器

硅酸铝纤维,山东章丘安勒特生态纤维有限公司生产,其主要成分为:Al2O3含量≥46%,Al2O3+ SiO2含量≥99%,其他成分≤1%,常规使用温度为1260℃,渣球含量10%～12%。

阔叶木浆,打浆度47°SR,水分11.2%。

AKD(η=27 mPa·s),产自东营某化工厂,固含量12.5%。

助留助滤剂CPAM,北京中德天使公司生产,白色粉末,相对分子质量为100万～400万。

H158型纸浆疏解机,产自瑞典L&W公司; FTI101圆形抄片器,产自奥地利;FI119系列电热干燥机,产自瑞典L&W公司。

1.2 硅酸铝纤维预处理

由于硅酸铝纤维中含有大量的渣球(它的产生主要来自喷吹或者甩丝工艺),这些渣球的直径一般在0.25 mm左右,渣球的存在不仅对纸张平滑度有较大影响,而且会降低纤维制品的保温隔热性能。因此应该尽量将其除去,本实验采用的方法为:首先采用实验室自制的纤维粉碎机将纤维打散,配制成极稀的溶液,利用纤维与渣球之间的密度不同,用20目的网罩使纤维与渣球分离,此过程重复3～4次,渣球即可大量除去。

1.3 实验方法

1.3.1 PCC与硅酸铝纤维作为填料进行抄片

抄片定量85 g/m2,阔叶木浆与填料质量比分别为9∶1、8∶2、7∶3、6∶4。浆料与填料混合后放入高速疏解器疏解3 min,然后倒入大烧杯中,加入0.1%用量(相对于总质量)的CPAM,搅拌3 min后再加入0.5%用量(相对于总质量)的AKD,再搅拌3 min左右,用PTI抄片器抄造手抄片,然后采用FI119电热干燥机干燥。

1.3.2 纸张性能检测

将抄造出的手抄片按照国家标准检测抗张强度、撕裂度、白度、不透明度、耐折度和灰分等,并计算填料留着率。

2 结果与讨论

2.1 硅酸铝纤维性能及其与常用填料的对比

2.1.1 硅酸铝纤维性能的表征

图1 硅酸铝纤维微观结构SEM图(×3000)

从图1中可以发现硅酸铝纤维的表面光滑,呈玻璃态,相互之间不易粘合,通过Zeta电位仪测定,硅酸铝纤维的电位为-27 mV,因为硅酸铝纤维的表面含有大量的阴离子基团,这种基团吸附水分子中带正电的H+离子,致使水分子发生极化,其正电荷端朝向纤维表面,负电荷端朝向纤维外端,所以硅酸铝纤维表面带负电荷,被称为负电荷性纤维;用PHS-3C数字酸度仪测其pH值为8.4。

取工厂喷吹出的硅酸铝纤维在常规显微镜下进行长度统计,然后于EXCLE中应用Frequency函数处理得到图2,从图2可以看出,硅酸铝纤维长度于1406～2465μm范围出现的频率较高,通过显微镜测量宽度为17～19μm。与针叶木纤维(长度2.0 ～3.2 mm,宽度30～75μm)、阔叶木纤维(长度1 mm左右,宽度60μm以下)相比,硅酸铝纤维长度在针叶木纤维和阔叶木纤维之间。

图2 硅酸铝纤维长度统计直方图

2.1.2 硅酸铝纤维与常用填料的对比

加填无论是对纸浆纤维的结构形态还是物理与化学性质都存在着较大的影响。当填料与浆料纤维和其他纸料组分一起形成纸张时,填料对纸张性质的影响既可能来自填料本身也可能来自纤维间的结合。从表1中可以看出,硅酸铝纤维的密度、白度及折射率与常用填料的物理指标相近。且刚性的硅酸铝纤维长宽比(12～124)范围宽。能够很好地与柔性的木质纤维相互的穿插,构成致密的网络结构。

表1 硅酸铝纤维与常用填料的物理指标比较

2.2 硅酸铝纤维作为填料对纸张物理性能的影响

2.2.1 硅酸铝纤维加入量对灰分及留着率的影响

从表2分析可以得到,加填硅酸铝纤维及PCC后的纸张灰分随填料加入量的增加而增加,但使用硅酸铝纤维的纸张灰分比单独使用PCC或使用混合填料纸张的灰分增加更为明显。随着填料加入量的增加,硅酸铝纤维留着率基本上保持不变,硅酸铝纤维与PCC混合添加的留着率反而出现整体下降的趋势,留着率随混合填料用量的增加而降低。硅酸铝纤维的形状是纤维状,从前面的形貌分析中可知其长度主要分布在1406～2465μm之间,PCC的典型尺寸为0.1～10μm,而一般造纸网的网孔大小约为200μm,因此硅酸铝纤维由于其长度远大于网孔的尺寸,易于截留,而PCC则由于粒径较小,易随白水流失,所以在没有加入其他助留剂的情况下,硅酸铝纤维和PCC主要是靠机械截留的方式,纤维长的硅酸铝纤维具有绝对优势,留着率较高。

2.2.2 硅酸铝纤维作为填料对纸张强度的影响

纸张的强度性质取决于纤维间的结合,加填后,由于填料不能与纤维形成有效的结合或填料妨碍了纤维间的结合,使得纸张强度下降。加填后纸张强度的降低也可源于纸张的裂纹和空隙产生的应力集中现象。若定量保持不变时增加加填量,由于单位体积内的纤维含量减少,也会导致强度降低[9]。从图3填料加入量对抗张指数的影响可知,随着填料加入量的增加,纸张的抗张指数整体上呈现下降趋势,当填料加入量大于10%时,纸张的抗张指数下降趋势减缓。在填料加入量相同的情况下,纸张抗张指数从大到小的顺序为:PPC>混合填料>硅酸铝纤维。

图3 填料加入量对抗张指数的影响

加填对纸张撕裂度的影响取决于纤维间的结合程度,但是与抗张强度相比,加填对撕裂度的影响较小。用打浆度较高的化学浆抄成的纸,由于纤维间结合很好,填料用量较高时,撕裂度也未必下降。由图4可知,加填后纸张的撕裂强度基本上保持不变,并且使用混合填料(硅酸铝纤维∶PCC=1∶1,以下同)时反而出现上升的趋势。

表2 加填纸张的物理性能

图4 填料加入量对撕裂指数的影响

由图5填料加入量对耐折度的影响可知,在填料加入量相同的情况下,纸张耐折度从大到小的顺序为:PCC>混合填料>硅酸铝纤维,整体上看,随着加填量的增加耐折度降低,但PCC填料的纸张耐折度变化不大;以填料加入量为10%为界,当加入量为10%～20%时,添加硅酸铝纤维的纸张耐折度呈显著下降的趋势,采用混合填料抄造的纸张耐折度呈现出缓慢下降的趋势。

图5 填料加入量对耐折度的影响

2.2.3 硅酸铝纤维作为填料对纸张光学性能的影响

加填纸张的光散射能力来自3个方面:①来自结合的纤维面积;②来自纤维性细小纤维和细小纤维的散射;③来自填料。从理论上讲,填料的聚集会引起光散射能力的降低,但实际上光散射能力的降低幅度不大。一般来讲,由于填料的白度和光散射系数均高于纤维,因此加填可提高纸张的光学性质。如图6所示,加入填料之后纸张的白度都出现上升趋势,且在填料加入量相同的情况下,白度增加量由大到小的顺序为:PCC填料>硅酸铝纤维>混合填料。从图7可以看出,随着填料加入量的增加纸张的不透明度有所提高,且硅酸铝纤维单独使用效果优于PCC。

2.3 添加硅酸铝纤维填料纸张的保温性能

对于在一定工艺条件下给定的隔热材料来说,它的组成、结构和纤维组织等即被确定。这时在一定大气压下影响它的热导率的主要因素是密度和温度[10]。导热系数包括导热、热辐射和对流3部分。温度的变化不仅影响导热系数的数值,而且会使3种热传递方式所做的贡献对导热系数的影响程度发生变化。因为空气导热与绝对温度的平方根近似地成正比例关系,而热辐射的贡献则随着温度T的升高而成T3的比例增大。从图8可以发现,随着温度的升高,纸张的热导率呈现上升的趋势,主要归因于气相导热和热辐射的贡献对导热系数的影响比较大,而固相导热和对流传热的影响比较小,尤其在高温下更是如此。