不同形貌PCC作为造纸填料的性能研究

吴 盼 张美云 宋顺喜

(陕西科技大学，陕西西安，710021)

碳酸钙是造纸工业主要无机化工原料之一，其在造纸工业中的应用主要有两个方面:作为造纸填料和纸张涂布加工的颜料。用轻质碳酸钙 (PCC)作为造纸填料时，可显著提高纸张白度和不透明度，并可减少植物纤维用量，大大降低生产成本［1-2］。传统意义上，人们对PCC产品较多地关注高白度、高纯度和粒径分布等几项技术指标，而PCC的粒子形态和形貌均一性对纸张质量影响的研究却较少。众所周知，PCC有多种形状，如纺锤状、立方形、针状、片形和球形［4］，这些不同形状的PCC可由不同的反应条件制得。中国制浆造纸研究院宋宝祥等人［4］指出:大长径比的PCC用于造纸加填，有利于填料保留和改善纸张物理性能。本实验主要研究了不同形貌的PCC加填时对纸张性能的影响。通过控制制备PCC时的反应条件，制得了针状PCC、纺锤状PCC和无定形状PCC。研究了它们作为造纸填料的典型物理性质，并将针状PCC、纺锤状PCC、无定形状PCC和商品PCC用于纸张的加填，对加填效果进行了对比。

1 实验

1.1 材料、试剂和仪器

漂白针叶木化学浆，打浆度30°SR;不同形貌PCC，实验室自制;商品PCC，取自河南某造纸厂。

氯化钙，分析纯;碳酸钠，分析纯;聚丙烯酸，平均相对分子质量5000，分析纯;邻苯二甲酸二辛酯 (DOP)，分析纯。

ZOS2-23打浆机，陕西科技大学机械厂;BBS-3纸页成形器，德国ERNSTHAAGE公司;WSB-3A型智能式数字白度仪;撕裂强度测定仪，美国MIT公司;SEO64抗张强度仪，瑞典 L＆W公司;VEGATS5136XM扫描电子显微镜 (SEM);BT-9300H激光粒度分布仪。

1.2 实验方法

1.2.1 各形貌PCC的制备方法［5-6］

本实验通过CaCl2和Na2CO3反应，制备出不同形貌的PCC，其反应原理是:

CaCl2+Na2CO3=CaCO3↓+2NaCl

通过控制反应温度、反应物浓度和搅拌速度可以得到不同形貌的PCC。反应装置如图1所示，具体制备方法如下:

(1)针状PCC的制备:配置CaCl2溶液浓度为0.2 mol/L，Na2CO3溶液浓度为 0.3 mol/L。通过并流加料 (二者并加)的方式进行反应。反应温度80℃，反应时间4 h，搅拌速度300 r/min。待反应结束时得到针状PCC，水洗至中性，烘干待用。

(2)纺锤状PCC的制备:配置CaCl2溶液浓度为0.2 mol/L，Na2CO3溶液浓度为0.3 mol/L。通过并流加料 (二者并加)的方式进行反应。反应温度80℃，反应时间4 h，搅拌速度100 r/min。待反应结束时得到纺锤状PCC，水洗至中性，烘干待用。

(3)无定形状PCC的制备:配置CaCl2溶液浓度为0.2 mol/L，Na2CO3溶液浓度为 0.3 mol/L。将Na2CO3加入到 CaCl2溶液中进行反应，反应温度80℃，反应时间4 h，搅拌速度100 r/min。待反应结束时得到无定形状PCC，水洗至中性，烘干待用。

图1 PCC制备装置示意图

1.2.2 抄片工艺

将漂白针叶木化学浆在纤维疏解机中疏解2000转;填料用量均为20%(相对于绝干浆，下同);采用CPAM和膨润土二元助留助虑体系，其中CPAM用量0.04%，膨润土用量0.2%;采用AKD作为施胶剂，AKD用量0.15%;纸张定量80 g/m2。

1.3 填料物理性质分析检测

1.3.1 PCC的形貌检测

将试样粘于导电胶并放入试样台，经镀金后，放入扫描电子显微镜中，抽真空后在20 kV电压下观察试样形貌并记录。

1.3.2 PCC的粒径检测

采用激光光散射扫描法:将PCC与水混合，测试PCC颗粒的粒径大小。

1.3.3 PCC 吸油值的测定［7］

PCC吸油值采用DOP来测定。具体方法为:将称取好的PCC置于干燥的玻璃板上，用DOP往玻璃板上的PCC上滴加，在滴加时要不断用玻璃棒进行搅拌、研磨。刚开始时，PCC呈分散状，等DOP滴入量增多时，PCC会被全部润湿，直到PCC润湿至一整团时，即停止滴加，此时即为终点。计算所用DOP的量，精确至0.01 g。整个测定要求在90 min内完成。计算所用DOP的质量与PCC质量的比，即为吸油值。

1.3.4 PCC沉降体积的测定［7］

准备100 mL的具塞量筒，要求最小刻度为1 mL，将10.0 g的PCC试样加入具塞量筒中，加少量水浸泡2 h左右，再加水到100 mL刻度线处，再用力来回震荡，最后在室温下静置24 h。统计PCC沉降物在具塞量筒内所占体积的大小。计算沉降物体积与试样质量的比值即为沉降体积。

1.4 纸张性能检测

在实验室抄片器中抄片，定量80 g/m2。抄片在恒温恒湿条件下放置24 h后，按国家标准进行抗张强度、耐破度、不透明度、白度、施胶度的测定。

2 结果与讨论

2.1 不同形貌PCC的扫描电镜图

图2为针状PCC的SEM图。从图2可以看出，产物分散性较好，形貌均一，粒径范围在2～8 μm之间分布较多，颗粒的长宽比较大。图3为纺锤状PCC的SEM图。从图3可以看到粒径范围在5～10 μm之间分布较多，长径比较小。图4为无定形状PCC SEM图。图5为商品PCC的SEM图。由图5可以看出，商品PCC有一定形貌，但并不均一，为混合状。

2.2 不同形貌PCC的粒径

图6～图9为不同形貌PCC的粒径分布图。由图6～图9可知，针状PCC平均粒径为 6.54 μm。其中，5 μm以下占 27.85%，5 ～10 μm 则占52.69%。粒度分布较均匀，且大多数分布在5～10 μm之间。纺锤状PCC粒度分布较为均匀，但其粒径较大，平均粒径为9.41 μm。其中，10 μm以下占55.57%，10 μm以上占44.43%。商品PCC粒径较小，平均粒径为5.25 μm，其中5 μm 以下占49%，5～10 μm 则占45.14%，粒径小而均匀。无定形状PCC的平均粒径为11.97 μm，且粒径分布则不均匀，其中10 μm以下只占34.47%，10 μm以上则占65.53%。而粒径较大的PCC不适合用作造纸填料，会引起加填不均，影响纸张的松厚度和匀度，还会造成网布的磨损。

2.3 不同形貌PCC的吸油值

吸油值对造纸用填料的使用性比较重要，填料的吸油值主要影响体系中液体助剂的用量，填料的吸油值越大，相应加大液体助剂的用量，PCC的粒径大小、形貌、粒度分布、比表面积和颗粒表面性质都会影响其吸油值。对某一种填料而言，粒子的形状直接影响其吸油量大小。颗粒的比表面积大，吸油值大。图10为不同形貌PCC的吸油值。从图10可知，随着形貌的不均一程度的增加，吸油值逐渐减小。针状和纺锤状的PCC，由于比表面积大，填充排列时纵横交错，空隙较大，吸油值也高;针状PCC比纺锤状PCC有更大的吸油值，因为同样数量的针状PCC粒子的比表面积更大，而且颗粒间的空隙也更大。

2.4 不同形貌PCC的沉降体积

图11为不同形貌PCC的沉降体积。沉降体积反映了PCC的粒径大小及分布，是PCC的一个重要指标。PCC的粒度大小与沉降体积之间存在一定的线性关系。从图11可以看出，针状PCC、纺锤状PCC、商品PCC的沉降体积相当，均优于无定形状PCC;并且形貌均一的针状PCC和纺锤状PCC沉降体积稍大于商品PCC。

图11 不同形貌PCC的沉降体积

2.5 不同形貌PCC用于加填对纸张性能的影响

将针状PCC、纺锤状PCC、商品PCC、无定形状PCC分别进行纸张加填，然后对加填纸张进行物理检测，其结果如图12～图14所示。从图12～图14可以看出，在物理强度方面，无定形状PCC加填纸的物理强度最小，针状PCC加填纸略优于纺锤状PCC加填纸和商品PCC加填纸，纺锤状PCC和商品PCC加填纸的物理强度相当;在白度方面，相对于商品PCC加填纸，针状PCC加填纸的白度提高了4.8%，纺锤状PCC加填纸则提高了3.4%，无定形状PCC加填纸下降3.9%;在不透明度方面，针状PCC加填纸比商品PCC加填纸略高，无定形状PCC和纺锤状PCC加填纸则略低;在施胶度方面，针状PCC、纺锤状PCC、商品PCC和无定形状PCC加填纸其施胶效果基本一致。综合以上因素考虑，针状PCC加填对纸张性能提升最为明显，纺锤状PCC加填与商品PCC加填效果相当，无定形状PCC加填效果稍差。

3 结论

通过控制反应条件，制备了针状PCC、纺锤状PCC和无定形状PCC，对其作为造纸填料的物理性能及纸张加填性能进行了检测，并与商品PCC对比。

3.1 形貌均一的针状PCC的吸油值高、沉降体积大。

3.2 针状PCC对纸张的不透明度和白度有很大的改善，其加填效果优于现在普遍使用的商品PCC;施胶度方面，针状PCC、纺锤状PCC、商品PCC和无定形状PCC加填纸其施胶效果基本一致。实验结果表明，微观形貌为非球形、非立方体形的PCC，尤其是针状且晶体形貌均一的PCC粒子更容易吸附在纤维上，并形成架桥效应，使之不易穿过纤维交织形成的孔隙而被留着，并且对纸张的物理性能有较好的改善作用。

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