凹土与碳酸钙复配加填对纸张强度性能的影响

韩 群 刘 莉 芮源隆 吴 剑 金叶玲 陈 静

(淮阴工学院江苏省凹土资源利用重点实验室，江苏淮安，223003)

将两种以上无机非金属矿物填料进行复配，在加填时能够取长补短、相互配合，实现无机非金属矿物填料加填性能的最优化［1］。一般而言，片状、纤维状的填料有利于提高基体的强度，而近球状的填料有利于提高基体的韧性，因此，不同形状的填料复配加填可以同时发挥各自的增强增韧作用，得到综合强度性能较好的复合材料［2-3］。基于上述原理的不同非金属矿物在橡塑制品、陶瓷和纸张中复配加填以提升基体材料性能的研究已有多篇报道［4-6］。

凹土是一种非金属黏土矿物，其天然一维纳米纤维结构和丰富的硅羟基对植物纤维有很强的亲和力，能够与植物纤维交织形成良好的纤维网络，在有效增强纸张强度方面比同为纤维状的硅灰石和硅酸铝(基本无水化能力)效果更好［7-8］。鉴于复配加填的普遍优势，本研究考察了凹土、碳酸钙、滑石粉和硅灰石复配加填对纸张强度性能的影响，发现复配加填纸张较单一加填纸张强度均有明显提升，并择优深入研究了凹土与碳酸钙复配加填提升纸张强度性能的机理。

1 实验部分

1.1 原料及试剂

自制脱墨浆;200目凹土由盱眙中源新材料科技有限公司提供，凹凸棒石含量≥60%;其他工业级市售原料及助剂均取自淮安飞翔纸业有限公司，均为纸张专用辅料。

1.2 填料预处理

将填料以10%浓度分别分散备用，复配填料按实验预设的比例同样配制成10%浓度，分散备用。

1.3 抄纸

称取一定量的纸浆 (以绝干浆计)，放入烧杯中，加水配成浓度2%的悬浮液;将制备好的填料稀释成2%浓度。按实验方案，将一定量的纸浆和填料在搅拌条件下均匀混合后，继续加入用量为0.02%(相对于绝干浆)的阳离子聚丙烯酰胺 (CPAM)作为助留剂。混合浆料迅速倒入快速抄片器中，抄纸，定量80 g/m2。

1.4 表征分析

(1)粒径:采用GSL-101B激光粒度分析仪分析。

(2)抗张强度:采用DLS-03抗张强度试验仪测定。

(3)微观形貌表征:采用S-3000N扫描电子显微镜 (SEM)分析。

2 结果与讨论

2.1 填料对纸张强度性能的影响

矿物填料在改善纸张的平滑度和不透明度等方面有一定的优势，同时也往往带来撕裂度、抗张强度和耐破度等强度性能的降低。图1所示为凹土、碳酸钙、滑石粉及硅灰石对纸张强度性能影响的比较。

图1 不同填料对纸张强度性能的影响

由图1可知，不同填料对纸张强度性能影响是不同的;同为纤维型矿物的凹土和硅灰石加填，纸张的强度性能要优于菱形结构的碳酸钙和片层结构的滑石粉;凹土加填，纸张的强度性能优于硅灰石。有研究［1］表明，纤维状填料具有显著的沿x轴方向取向增强 (一维增强)作用。但是，硅灰石虽能与柔性的木质纤维相互交织，但是它们水化能力弱，因此，相对于表面富含硅羟基且柔韧性良好的凹土纤维，硅灰石与植物纤维的结合力明显逊色。

不同填料复配可能存在良好的协同增效作用;且性能不同的填料之间可以互为分散剂，促进填料在纸张中的分散，从而对纸张的强度性能提高也有进一步的促进作用。以强度性能表现最好的凹土与其他3种填料复配加填，以考察复配效应对纸张强度性能的影响，实验结果如图2所示。由图2可知，凹土与其他3种填料的复配存在明显的协同效应，其中以凹土与碳酸钙复配的协同效应最为显著。

图2 凹土与不同填料复配对纸张强度性能的影响

2.2 凹土与碳酸钙复配的可行性分析

图3为实验所用凹土及碳酸钙的粒径分布图。由图3可知，碳酸钙最大的粒径分布在5.32 μm，而凹土最大的粒径分布在10.06 μm;二者在粒径分布上有较大的重叠。二者在粒度上的良好匹配程度是复配加填能够产生协同增效的重要原因之一。

图3 凹土与碳酸钙的粒径分布图

图4 凹土、碳酸钙及二者复配的微观形貌分析

用扫描电镜 (SEM)对凹土、碳酸钙及复配凹土-碳酸钙的微观形貌进行分析，如图4所示。图4表明，碳酸钙基本为菱形微粒，属典型重钙，微粒相互聚集形成较大的聚集体;凹土为高长径比的纤维结构，纤维间有较强的交织现象;复配凹土-碳酸钙，凹土与碳酸钙有很好的相容性，且碳酸钙团聚体得到有效分散。图4进一步证明不同填料复配加填可互为分散剂，促进填料在纸张中的良好分散。

综合分析图3和图4可知，凹土与碳酸钙因二者在粒度和形状上的良好匹配性，复配加填产生的显著堆砌增强效应可能是复配加填纸张强度性能提升的根本原因。

2.3 凹土比例对纸张强度性能的影响

为了探讨凹土与碳酸钙的最佳复配比例，以抗张指数和耐破指数为指标，在加填量为20%的条件下考察了复配比例对纸张强度性能的影响，实验结果如图5所示。

由图5可知，随着凹土比例的增加，纸张的抗张指数及耐破指数均表现出先增大后减小的趋势，分别在凹土含量为30%和50%时达到最大值。图6为凹土与碳酸钙按1∶2比例复配后以不同加填量加填后纸张强度性能的变化。

由图6可知，随着复配填料在纸张中加填量的升高，纸张的抗张指数和耐破指数均表现为先增大后减小的趋势;加填量为7%左右时，纸张强度性能达最高值，复配填料在加填量小于10%之前，强度性能均高于未加填 (加填量为0)纸张。加填量为10%时，纸张的抗张指数为10.8 N·m/g，与相同加填量下碳酸钙、凹土单独加填的纸张相比，分别提高了65.6%和56.9%。上述结果表明，在一定的加填量范围内，采用复配填料加填，对纸张的强度性能有明显的提升作用。

2.4 复配加填纸张的微观形貌分析

综合上述分析，选取凹土与碳酸钙复配比例为1∶2，按加填量10%进行抄纸，将复配填料加填纸张和相同加填量下碳酸钙单独加填纸张进行微观形貌对比，结果见图7。

图7 加填纸张SEM图

由图7可知，碳酸钙以较大的团聚体沉积在植物纤维的堆积孔隙中，见图7(a);碳酸钙团聚体与植物纤维间存在较大疏离，见图7(b)。与碳酸钙单独加填纸张相比，凹土与碳酸钙复配加填纸张不仅在宏观上表现为较好的匀度和紧度，而且在微观形貌上也得到了进一步证实，见图7(c)和图7(d):凹土的引入极大地促进了碳酸钙在纸张中的分散，复配加填纸张中无明显大的碳酸钙团聚体存在，植物纤维间由于有凹土纤维的交织，表现出更好的结合度。

3 结语

填料单独加填时，加填纸张的强度性能依凹土＞硅灰石＞碳酸钙＞滑石粉顺序逐渐降低;凹土与其他3种填料的复配存在明显的协同效应，且以凹土与碳酸钙复配加填的效果最佳;凹土与碳酸钙按1∶2比例复配，加填量为10%的纸张的抗张指数为10.8 N·m/g，与碳酸钙、凹土在相同加填量下分别加填的纸张相比，分别提高了65.6%和56.9%。综合分析认为，凹土与碳酸钙在粒度和形状上具有良好的匹配性，二者复配加填产生显著的粒子堆砌效应是纸张强度性能改善的根本原因;凹土的引入改善了碳酸钙在纸张中的分散性，且因凹土纤维与植物纤维的架桥和亲和力，进一步促进了纸张强度性能的提升。参考文献

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