硅藻土复合填料在造纸中的应用

尚 尉，孟晓敏，谭雨清，陈子成

(东北电力大学化学工程学院，吉林吉林132012)

硅藻土是一种对人体无害的天然矿物，其主要化学成分是二氧化硅，利用其多孔、高吸附性特性，制造吸水保鲜纸和纸板，主要用于食品的储藏包装材料，也可用于医药、日常生活用品的包装材料［1－5］。用于各种蔬菜和食品的包装，可以保持食品的水分，阻隔外界异味和其他污染物的渗透。因硅藻土具备多种优良的特性，所以对于硅藻土的开发和应用一直是相关科研人员的研究热点。如:轻质印刷纸的开发和应用，轻质印刷纸一般含有70%以上的机械木浆和30%以下的漂白化学木浆［6－8］。纸质松厚、挺括，具有良好的吸墨性和不透明度，在强度方面又可满足高速轮转印刷机的印刷要求。我国轻质印刷纸产量，近年呈现增长态势。主要以机械木浆、漂白化学木浆和草浆为纤维原料，填料主要选择滑石粉、碳酸钙或二者的混合体。硅藻土细腻、密度小、质轻、松散、粒子形态好，用于加填轻质纸，可提高纸张松厚度、不透明度、抗张指数等性能指标。

硅藻土具有的孔隙度大、吸附性强、容重小无毒等特性，由于硅藻土具备这些良好的特性，可以利用其特殊的分子结构特征，生产抄造多种特种纸。硅藻土用于特种纸的生产，可满足不同纸品对性能要求，如:松厚度、透气性、油墨吸收性、吸附性、吸油吸水性和阻燃性等方面的要求［9－11］。因此，可作为功能性填料或涂料颜料广泛用于文化印刷纸、特种工业用纸和纸板、生活用纸张的制造［12－17］。

本研究通过对硅藻土的改性，通过离子改性使硅藻土表面带有正电荷，再通过调节硅藻土溶液pH，使硅藻土表面被大量的硅羟基所覆盖，最后得到改性硅藻土填料，使其在作为造纸填料的时候具有更优良的适应性和特性，并且试图通过这项研究对比硅藻土和改性硅藻土性质上的差异以及使用硅藻土作为填料和使用改性硅藻土作为填料对于纸张基本性能有哪些重要的提高。同时为将改性硅藻土作为填料用于造纸行业提供技术理论方面的支持，推动国内造纸填料技术的发展与进步。

1 实 验

1.1 实验仪器及材料

实验仪器:立式电脑拉力仪、电脑测控耐折度仪、纸张透气度测定仪等。

实验材料:碳酸钙、氢氧化钠、无水氯化钙、硅藻土。

1.2 改性硅藻土的制备

先将硅藻土原料研磨过65目筛后备用。在烧杯中加入无水氯化钙溶液，再加入碳酸钙溶液，用搅拌器混合，搅拌5 min后，向烧杯中缓慢加入硅藻土溶液，边加边慢慢搅拌，最后过滤，滤渣在105℃干燥，再研磨过65目筛，取用筛下的土，得到改性硅藻土。用抄片器进行抄片，定量为80 g·m－2。改性硅藻土加入量分别为25%、30%、35%、40%和45%(相对于绝干浆的量)。

1.3 纸张的物理性能检测

按照国家标准对纸张的抗张强度、撕裂度和耐折度等物理强度进行检测。

2 结果与讨论

2.1 硅藻土复合填料添加量对纸张物理性能的影响

从表1的纸张物理性能数据可以看出，随着硅藻土复合填料添加量的增加，纸张透气度变化不大。说明对纸张的透气度没有明显影响。撕裂度呈现先上升后下降的趋势，当硅藻土的添加量在35%时，纸张的撕裂度处在一个较高水平，这主要是因为随着填料添加量的增加，对于提高纸张撕裂度有一定的促进作用，但是当添加量超过35%时，由于填料的加入，对于纤维间的结合强度产生了一定的影响，所以纸张撕裂度开始出现下降的趋势。

从图1的纸张抗张指数数据可以看出，随着硅藻土复合填料添加量(对绝干浆的质量百分比)的增加，抗张指数呈现先上升后下降的趋势，当硅藻土的添加量在35%时，纸张的抗张指数达到最高，再继续提高添加量，纸张抗张指数开始出现下降的趋势，这主要是因为随着填料添加量的增加，当添加量超过35%时，由于填料的加入，对于纤维间的结合强度产生了一定的影响，所以纸张强度开始出现下降的趋势。因此改性硅藻土复合填料的添加量在35%时为最佳。

?

2.2 不同温度改性硅藻土复合填料对纸张物理性能的影响

研究在硅藻土添加量为35%，不同改性温度的改性硅藻土复合填料填加，对纸张物理性能的影响，结果如表2和图2所示。从表2和图2的纸张物理性能数据可以看出，随着温度的提高，添加复合填料纸张的白度有所降低，撕裂度和透气度无明显变化，抗张强度也有所降低。当在温度为20℃条件下，对硅藻土进行改性时，添加到纸张中，纸张透气度没有明显变化，但纸张的撕裂度和抗张指数都处在一个较高水平，这是由于在20℃左右时硅藻土与CaCO3填料复合得较好，能够有效改善纸张物理性能，因此硅藻土改性的最佳温度为20℃。

表2 不同改性温度对复合填料添加效果的影响

2.3 不同pH改性硅藻土复合填料对纸张物理性能的影响

研究在硅藻土添加量为35%，不同pH改性的条件下，改性硅藻土复合填料填加，对纸张物理性能的影响，结果如表3所示。从表3的纸张物理性能数据可以看出，当改性硅藻土的添加量在35%、复合反应温度20℃时，随着pH的升高，纸张的白度、撕裂度和透气度没有明显变化，当pH为7.5时其抗张指数较其他各组略高;但当pH呈弱酸性时其透气度稍高，这可能是因为改性填料中CaCO3成分在酸性条件下反应损失了一部分，主要起作用的是孔隙率较大的硅藻土的原因;鉴于在实际生产中均采用中碱性方法造纸，且由试验可知在pH为7－8时其抗张指数最高，因此确定在硅藻土改性试验过程中的最佳pH为7－8。

图2 不同温度合成填料加添对纸张抗张指数的影响

表3 不同改性pH对复合填料添加效果的影响

3 结 论

改性温度为20℃左右时，复合反应的pH为7－8时，可以制备性能比较好的填料，纸张添加效果较好。随着复合填料添加量的增加，对纸张透气度没有明显影响，当硅藻土复合填料在纸张中添加量为35%时，所抄造的纸张具有较好的物理性能。纸张的抗张指数、撕裂度指数分别提高0.28倍和0.1 4倍。

［1］孙仕勇，文科，杨波，等.活性炭/硅藻土吸附剂的制备及性能研究［J］.岩石矿物学杂志，2013，06:941－946.

［2］张瑛洁，孙祎临，张弘伟.硅藻土纯化处理工艺研究进展［J］.东北电力大学学报，2014，34(6):67－72.

［3］吴盼，张美云，王建，等.粉煤灰联产新型活性硅酸钙作为造纸填料的可行性探讨［J］.中国造纸，2012，31(12):27－31.

［4］吴盼，张美云，宋顺喜.不同形貌PCC作为造纸填料的性能研究［J］.中国造纸，2013，32(1):14－18.

［5］朱陆婷，王宝，胡懂皓，等.造纸填料改性技术的研究与发展趋势［J］.纸和造纸，2014，33(6):40－45.

［6］牟名铭，张金声，王桂卿，等.轻质印刷纸的研究［J］，上海造纸，2005，36(5):48－51.

［7］李金宝，修慧娟，王安东.硅藻土用作轻质印刷纸填料的探索性研究［J］.硅酸盐通报，2008，27(4):832－836.

［8］刘秉钺，张浩淼，郝军，等.硅藻土用作除臭纸的研究［J］.上海造纸，2008，39(1):39－42.

［9］宋宝祥.造纸用滑石的功能特性及其产品的研发方向［J］.中国非金属矿业导刊，2009，74:8－10.

［10］Sittichok Khansorthong，Mali Hunsom.Remediation of wastewater from pulp and paper mill industry by the electrochemical technique［J］.Chemical Engineering Journal，2009，151，228－234.

［11］宋雪斐，胡勤海，李霞，等.基于二甲胺(DMA)光催化降解的纳米TiO2/硅藻土光催化剂的制备和表征［J］.浙江大学学报，2014，41(5):553－557.

［12］张媛，闫军.黏土矿物用于净化染料废水的研究进展［J］.化工管理，2014，35:270－271.

［13］赵庆权.硅藻土与橡胶粉复合改性沥青混合料路用性能研究［J］.公路工程，2014，39(6):76－81.

［14］解立发.白山市硅藻土矿床地质特征及其开发利用［J］.中国非金属矿工业导刊，2014，06:44－47.

［15］林健，郭郊，赵宇，等.硅藻土/聚氨酯多孔复合材料的组织结构与吸声特性［J］.复合材料学报，2014，31(6):1476－1480.

［16］宋更新.固相烧结法制备高纯LaCoO3粉末［J］.东北电力大学学报，2013，33(6):82－88.

［17］张晓君，冉光钧，刘爽.稀硫酸和高温热水预提取桉木半纤维素［J］.东北电力大学学报，2013，33(4):71－74.