细小纤维对PCC预絮聚技术影响研究

石义刚， 万朝雨， 周 扬， 付建生

(湖北工业大学制浆造纸研究所， 湖北 武汉 430068)

在中、弱碱性造纸取代酸性造纸后，PCC(沉淀碳酸钙)由于其颗粒均匀细小、纯度高、白度高、成本低而得到了较为广泛应用．Bratskaya[1]等用阳离子淀粉对纤维进行改性，使纤维局部出现阳离子化，增加填料留着．Ping Peng[2]等人研究了阳离子聚丙烯酰胺对PCC絮凝的相关研究，认为用静电、范德华力和氢键的空间位阻平衡可以很好地解释PCC与CPAM吸附溶解时的相互平衡．笔者研究发现，通过对填料进行预絮聚(用造纸助剂将填料粒子絮聚后再加入到浆料中)不用对填料表面预处理改性，可较大幅度提高填料留着率，同时对成纸质量影响较少．在已有PCC加填研究中发现，相比传统工艺加填，填料预絮聚加填具有填料留着高，可改善纸张性能[3]．国外也有相关实验研究[4-5]，目前填料预絮聚技术刚开始推广应用，还存在很多问题，尤其是在机理方面尚未见深入研究．在国内某纸厂原有的工艺及在PCC絮聚体的研究[6]基础上，笔者进行PCC预絮聚实验研究，探讨PCC预絮聚技术细小纤维对纸张性能的影响机理．选用PCC作为填料的原因是其化学合成纯度高，粒径均匀，对研究的干扰少．

1 实验

1.1 实验原料及药品

1.1.1实验原料漂白硫酸盐针叶木浆(湖北某纸厂)，打浆度36°SR；苇浆(湖北某纸厂)，打浆度31°SR ；600目沉淀碳酸钙(PCC，湖北某纸厂)．

1.1.2实验药品中等取代度阳离子淀粉(CS，东莞市汇美淀粉科技有限公司)，配制浓度10 g/L；阴离子有机微聚物(CP3，湖北某纸厂提供)，分子量1 200万，配制浓度为0.5 g/L；

阳离子聚丙烯稀酰胺(CPAM，湖北某纸厂提供)，分子量900万，配制浓度1 g/L；阳离子型AKD乳液，浓度为7.5 g/L(湖北某纸厂提供)．

实验药品加入量为：绝干浆，2 g；PCC， 0.5 g； CPAM，0.4 mL；CP3，0.2 mL；CS， 4 mL；AKD，0.4 mL．

1.2 实验仪器

FD-610红外水分测定仪，日本KETT ；GBJ-A纤维标准解离器，长春市月明小型试验机有限责任公司；P95854.3A凯塞快速纸页成型器，PTI；JSM-6390扫描电子显微镜，日本电子株式会社；DCP-SLY1000电脑测控撕裂度仪，四川长江造纸仪器有限责任公司；抗张试验仪，Loren tzen· welter；101A-3数显电热鼓风干燥箱，上海浦东荣丰科学仪器有限公司；YX-WK/MFL马弗炉，长沙友欣公司制造；Lale912纤维形态分析仪，L&W．

1.3 实验方法

1.3.1浆料纤维形态分析分别取少量针叶木浆和苇浆，疏解好后稀释浆浓度在0.05%～0.1%之间，用纤维形态分析仪进行实验，实验得到两种浆料纤维分布如图1所示．

(a)实验用针叶木浆

(b)实验用芦苇浆图 1 两种浆料纤维长度分布1.3.2 纸页抄造及检测 按以下几种工艺方案做对比实验：

工艺1，浆+PCC (空白)；

工艺2，浆+AKD+PCC+CS+CPAM+CP3(某纸厂正常加填)；

工艺3，浆+ PCC+CS+CP3(双元系统预絮聚加填)；

工艺4，浆+ PCC+CPAM+CP3(双元系统预絮聚加填)；

工艺5，浆+ PCC+CS+CP3+CPAM(多元系统预絮聚加填)．

用凯塞快速纸页成型器分别按照以上5种工艺抄片，检测纸张的抗张性能，撕裂强度以及灰分含量，所得实验数据见表1．两种浆料在不同工艺条件下相关性质对比见图2.

表1 纸页相关性质检测

(a)抗张指数

(b)撕裂指数

(c)灰分图 2 两种浆料在不同工艺条件下相关性质对比

1.3.3扫描电子显微镜观察纸页形貌

扫描电子显微镜观察纸页形貌见图3.

(a)预絮聚加填(工艺5)

(b)传统加填工艺(工艺2)图 3 纸页SEM

2 分析与讨论

影响抗张强度的主要因素是纤维之间的结合力及纤维自身的强度.从表1可知，针叶木浆优于芦苇浆，纤维自身的强度是主要因素；对比传统PCC加填工艺和PCC预絮聚工艺可知，采用阳离子淀粉对PCC预絮聚加填(工艺3)，纸张的抗张强度影响较小，而阳离子聚丙烯酰胺的双元系统预絮聚(工艺4)并不能对抗张强度有所改善．

PCC预絮聚工艺条件下抄片的纸页(图3a)，PCC絮聚体是以颗粒状填充在纤维的交织处及由纤维交织所形成的孔隙处和毛细管中，对纤维之间交织和结合影响较小．传统工艺加填抄片纸页(图3b)，填料粒子絮聚较少，主要集中以“点”的形式留着并包裹纤维的表面，在纤维交织形成的毛细孔及空隙处只有少量留着，阻碍了纤维之间的氢键结合，使成纸的抗张强度降低．

影响纸张撕裂度的主要因素是纤维的长度，增加空隙率也能提高纸页的撕裂强度．对于针叶木浆和芦苇浆，由纤维形态分析(图1)可知，芦苇浆的细小纤维含量很高，所抄造纸页撕裂指数相对较低；用同一种浆料抄片检测撕裂度，纤维交织的空隙率对撕裂指数的影响较大，预絮聚工艺填料絮聚体大多停留在纤维交织的空隙处，而传统加填工艺则在空隙处较少，大多包裹或停留在纤维表面(图3)，所以预絮聚工艺的空隙率低于传统加填工艺，纸张的撕裂指数偏低．

由表1可知，同种工艺条件下苇浆灰分含量略高，说明细小纤维含量高有助于填料PCC的留着．对比同种浆料PCC留着效果，预絮聚工艺填料留着较高，在加入CPAM的预絮聚工艺4和5中，纸张灰分含量增加， CPAM对填料PCC的助留效果显著．在传统工艺中加入CPAM也可增加填料留着(表1)．

3 结论

1)与传统加填工艺相比，PCC预絮聚工艺所抄造纸页在抗张强度、填料留着方面均有较大优势；CPAM虽然对填料留着有帮助，但是加入后纸张强度会降低．

2)PCC预絮聚工艺所抄造纸页中，PCC絮聚体大多留着在纤维交织的空隙及毛细孔处，因而对于纸页的抗张强度影响不大，能较大改善PCC的留着和纸页的表面性能，但是会稍微降低纸页的撕裂度．

3)细小纤维含量对纸页相关性能影响很大，PCC的留着与之关系密切，PCC预絮聚技术增大了留着颗粒的粒径，细小纤维可与PCC预絮聚体形成较多的交织，有利于填料的分散留着；从图3a中可见，打浆后分丝帚化的细小纤维包裹在絮聚体周围．初步分析认为，此现象可能与静电作用相关，将在后续研究中探讨PCC絮聚体成形及其流送机理．

[参考文献]

[1] Bratskaya, Schwarz, Petzold. Cationic starches of high degree of functionalization: Modification of cellulose fibers toward high filler technology in papermaking [J].Industrial and Engineering Chemistry Research, 2006(45):7 374-7 379.

[2] Peng P，Garnier G．Effect of cationic polyacrylamide on precipitated calcium carbonate flocculation: kinetics, charge density and ionic strength[J]. Colloids and Surfaces A: Physico chemical and Engineering Aspects (2010), doi:10.1016/j.colsurfa. 2012.05.002.

[3] 潘 诚，付建生，袁世炬,等.填料和助剂预絮聚对填料留着和成纸抗张强度的影响[J].中国造纸，2012,31(11):30-33．

[4] Petersson M. The effect of pre-flocculation of fillers on paper strength[D].SwedeN: Chalmers University Of Technology，2011.

[5] Sara Wiik. Pre-flocculation of fillers Evaluation of different flocculation conditions[D]. Luleå University of Technology,2010.

[6] 石义刚，潘 诚，付建生,等.碳酸钙预絮聚加填技术研究[J].湖北造纸，2012(112)：101-102.