凹凸棒石黏土对纸张的加填性能研究

吴 剑 陈 静 金叶玲

(淮阴工学院生命科学与化学工程学院,江苏省凹土资源利用重点实验室,江苏淮安，223003)



·凹凸棒石黏土·

凹凸棒石黏土对纸张的加填性能研究

吴 剑 陈 静 金叶玲

(淮阴工学院生命科学与化学工程学院,江苏省凹土资源利用重点实验室,江苏淮安，223003)

比较了凹凸棒石黏土(以下简称凹土)与碳酸钙加填纸张的填料留着性能、对网下白水的影响以及对纸张理化性能的影响,并对填充机理进行了分析。结果显示,经良好水化分散后凹土纤维可与植物纤维通过氢键力紧密结合,这种作用方式与碳酸钙有显著区别。凹土是一种高保留填料,留着率一般在80%以上,可显著提高纸张灰分、降低网下白水浊度。凹土加填的纸张具有较好的强度性能,尤其在高加填量时纸张的强度显著优于碳酸钙加填纸。

凹土;填料;留着;强度性能

现代造纸填料主要包括天然非金属矿物粉体或非金属矿物经化学合成、表面改性的各种高性能填充产品[1]。目前广泛用于造纸的三大类填料是：碳酸钙、高岭土、滑石粉,占到填料使用量的80%～90%,其中仅碳酸钙就占填料总使用量的60%[2]。传统矿物填料的使用显著降低了纸张成本,减少了植物纤维的用量,并提高了纸张匀度、不透明度、平滑度和适印性,但也存在纸张强度性能下降、留着性能不佳、网下白水循环恶化等问题[3-4]。

与碳酸钙、高岭土、滑石粉等填料不同,纤维状矿物粉体材料能够与植物纤维交织,从而在一定程度上减小填料对纸张强度的负面影响[5]。研究显示,纤维状的硅灰石填料对纸张强度的影响远小于传统矿物填料[6-7]。

凹凸棒石黏土(以下简称凹土)是一种亲水的纤维状富镁铝硅酸盐,直径约20～70 nm,长1～5 μm,在水中极易水化解离,与植物纤维交织形成具有良好结合度的纤维网络,且其表面存在大量的Si—OH 基,对植物纤维有很强的亲和力[8-9]。本课题组前期研究发现,相对于水化能力不佳的硅灰石,凹土充分水化分散后可在一定程度上提升纸张性能[10]。另外,纤维状填料具有较大的长宽比,在纸幅中可获得较高的留着率,乃至提高纸浆细小纤维及造纸湿部助剂的留着率[11-12]。本实验以凹土为填料,研究其留着情况和对网下白水循环、纸张性能的影响,并通过与碳酸钙的对比分析,揭示其高保留性能机理。

1 实 验

1.1 主要原料与仪器

实验用凹土由盱眙中源新材料科技有限公司提供,为青灰色粉体,200目筛通过率95%。能谱分析(EDS) 表明,其主要化学成分为：MgO,15.04%；Al2O3,7.19%；SiO2,71.65%；K2O,1.03%；Fe2O3,5.10%。X射线衍射图谱(XRD)分析表明,其主要矿物组成为：凹凸棒石,61%；蒙脱石,15%；石英石,5%。其他工业级市售助剂均取自淮安飞翔纸业有限公司；脱墨浆,自制(含3.3%的灰分)。轻质碳酸钙(PCC)：1250目,常州奥邦化工；重质碳酸钙(GCC)：1250目,江西盛泰化工。

1.2 填料预处理

将凹土或碳酸钙(GCC：PCC=1：1)加水配制成5%的浆料,150 r/min下搅拌5 min。

1.3 抄纸

将凹土或碳酸钙浆料,按照2%～10%(以绝干浆计)的用量加入纸浆中,在200 r/min下快速搅拌2 min,制成纸料备用。在循环水抄片器中,先泵入循环白水,然后按抄造70 g/m2定量的手抄片,量取一定体积的上述纸料,并加入0.02%(以绝干浆计)的阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)助留剂,用手动搅拌器将纸料和助留剂快速分散均匀后进行抄片。每个抄样的前5张弃去不用,以尽量平衡白水,然后连续抄片6～8张,取平均值。成纸在105 ℃烘干后置于干燥器中保存,进行强度性能的检测，并对网下白水各指标进行检测。

1.4 分析表征

抗张强度、松厚度、白度均按国家标准检测。

填料留着率：采用灰分测定法,灰分测定按照GB/T463—1989进行。

式中，A为加填纸张灰分,%；B为空白纸样灰分,%；C为填料实际用量,%；D为填料烧失量,%。

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 凹土加填纸的留着性能和对网下白水的影响

纤维状凹土和颗粒状碳酸钙加填张后显示出截然不同的留着性能(见图1)。由图1可知，碳酸钙的留着率较低,在45%～60%之间,而凹土的留着率则高达80%～95%。图2显示了纸张加填碳酸钙和凹土后网下白水浓度的变化,碳酸钙加填后网下白水浓度随用量的提高而上升,大量的碳酸钙颗粒进入白水,导致白水浑浊使填料得留着率较低；而凹土加填后,在用量2%～4%的范围内,可显著降低网下白水浓度,显示出一定的微粒助留性能,而后随着用量进一步提高,更多的凹土纤维进入白水,导致浊度和浓度逐渐提升,但也远低于碳酸钙加填后网下白水浓度。

图1 填料用量对填料留着率的影响

图2 填料用量对网下白水浓度的影响

2.2 凹土加填纸张性能表征

2.2.1 松厚度

图3所示为凹土和碳酸钙加填后纸张松厚度的变化。由图3可以看出，碳酸钙加填的优势在于可保持乃至提升松厚度,尤其是轻质碳酸钙,使得纸张更蓬松；而凹土类似其他矿物填料,加填后纸张更加紧密,松厚度下降,与文献报道一致[3]。

图3 填料用量对纸张松厚度的影响

2.2.2 白度

图4所示为凹土和碳酸钙加填对纸张白度的影响。由图4可以看出，碳酸钙加填对纸张白度影响较小，凹土加填纸张白度下降较显著,从80%降低至70%左右。采用的凹土白度为69%～71%,因此凹土加填纸张白度的下限约为70%。由于对白度影响较大,因此凹土加填时应加填三网造纸机的芯层,或牛皮纸、包装纸、新闻纸等对白度要求不高的纸张。

图7 填料加填纸浆的微观形貌表征

2.2.3 强度性能

图5和图6所示为凹土和碳酸钙加填对纸张抗张指数和撕裂度的影响。由图5和图6可以看出，碳酸钙加填后纸张强度性能较差,抗张指数、撕裂度均随填料用量的提高而降低；凹土加填纸张强度性能要显著优于碳酸钙,随着填料用量提高,抗张指数、撕裂度下降不显著,低用量(2%～4%)时还有一定提升效果。

图4 填料用量对纸张白度的影响

图5 填料用量对纸张抗张指数的影响

图6 填料用量对纸张撕裂度的影响

2.3 微观形貌表征

将用量10%凹土或碳酸钙加填纸浆与循环白水充分分散混合,在助留剂CPAM添加前后分别取样观测,结果如图7所示。由图7可以看出，凹土具有良好的水化分散能力,在CPAM加入前,即能够牢固吸附于植物纤维表面且分散良好；加入CPAM后,植物纤维絮聚显著,且凹土主要吸附于植物纤维表面,未见明显游离的凹土絮凝体。同样条件下加填碳酸钙,加入CPAM前,浆料中可见大量碳酸钙颗粒；加入CAPM后,碳酸钙絮凝现象严重,严重抑制了植物纤维的絮凝。图7(d)还表明,碳酸钙絮凝体与植物纤维之间不存在良好的结合。

2.4 凹土加填机理分析

作为亲水的富镁铝硅酸盐,凹土在水中极易水化解离,呈单晶纤维状分散,具有较高的比表面积和较强的表面吸附效应,且其表面存在大量的Si—OH基,能够与植物纤维形成较强的氢键结合力,这是凹土纤维与植物纤维之间的主要作用模式。在加入CPAM前,凹土即以氢键强力吸附在植物纤维上,该作用模式带来凹土加填纸浆的高填料留着率、低网下白水浊度,以及对絮凝剂CPAM的低消耗。凹土与植物纤维的强结合作用也赋予纸张良好的强度性能,但同时也导致了宏观上的松厚度降低。另外,纤维状凹凸棒石的高长宽比以及凹土中天然伴生蒙脱石优良的微粒助留性能[13],也有助于提高凹土在纸张中的留着。

碳酸钙加填主要为植物纤维网络机械截留,因而表现为加填纸张的留着率低、网下白水浊度高。碳酸钙颗粒优先消耗CPAM,形成碳酸钙絮凝体,抑制了植物纤维之间的絮聚,导致植物纤维交织松散,松厚度提升、强度性能下降。

凹土和碳酸钙加填纸张机理和作用方式的不同,决定了两者具有极佳的互补性,进行凹土和碳酸钙的复合加填能够有效提升纸张性能[10]。

3 结 论

以凹凸棒石黏土(简称凹土)为填料，研究了其留着情况和对网下白水浊度、对纸张松厚度、白度、强度性能的影响，通过与碳酸钙留着情况的对比分析，揭示了凹土高保留性能的机理。

3.1 经良好水化分散后凹土纤维可与植物纤维通过氢键力紧密结合,这种作用方式与主要通过机械截留作用的碳酸钙有显著区别。

3.2 凹土是一种高保留填料,留着率一般在80%以上,可显著提高纸张灰分、降低网下白水浊度。

3.3 凹土加填纸张具有较好的强度性能,尤其在高加填量时显著优于碳酸钙,但缺点是白度和松厚度较差。

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(责任编辑：马 忻)

Study on Application of Attapulgite as Paper filler

WU Jian*CHEN Jing JIN Ye-ling

(FacultyofLifeScienceandChemicalEngineering,HuaiyinInstituteofTechnology,AttapulgiteResourceUtilizationKeyLabofJiangsuProvince,Huai’an,JiangsuProvince,223003)(*E-mail:wjsword@sohu.com)

In this paper the retention properties,the influence on white water and the mechanical properties of the paper were compared when attapulgite and calcium carbonate were employed as paper filler,and the mechanism of the filling process was discussed.Results showed that,attapulgite fibers could be closely integrated with pulp fibers through hydrogen bonding force under sufficient hydrated treatment,and this binding mode was significantly different from the calcium carbonate.Attapulgite was a high-retention paper filler which ash retention was generally above 80%,it could significantly improve the paper ash content and turbidity of the white water.Attapulgite could not deteriorate the mechanical properties of the paper.As a filler it was significantly superior than the calcium carbonate particularly under high filling content.

attapulgite; filler；retention rate；mechanical properties

吴 剑先生，博士，讲师；主要从事环境功能材料研究。

2014-09-10(修改稿)

支撑项目：江苏省科技型企业技术创新资金(BC2013183)。

TS727

A

0254-508X(2015)02-0029-04