白面牛卡纸生产中填料加填工艺的研究

李　珊，薛国新，王宏伟

（1.浙江理工大学 材料与纺织学院，浙江 杭州　310018；2.吉安集团有限公司，浙江 嘉兴　314300）

白面牛卡纸生产中填料加填工艺的研究

李珊1，薛国新1，王宏伟2

（1.浙江理工大学 材料与纺织学院，浙江 杭州310018；2.吉安集团有限公司，浙江 嘉兴314300）

在白面牛卡纸实际生产中进行填料加填的生产试验，试验发现：加填填料可有效提高成纸灰分，节约成本；重质碳酸钙（GCC）和轻质碳酸钙（PCC）填料均能提高纸张的白度；滑石粉可解决由加填填料带来的成纸吸水性偏高的问题；但随着填料总量的增加，成纸的强度逐渐降低；对于定量为140 g/m2普通白面牛卡，最适宜的填料加填工艺为总填料量200 kg/t（纸），其中GCC 184 kg/t（纸），滑石粉10 kg/t（纸），膨润土5 kg/t（纸），超微粒填料1 kg/t（纸）；若生产增强白面牛卡，可添加PCC小比例替代GCC对成纸性能进行调节。

重质碳酸钙；轻质碳酸钙；滑石粉；灰分；白面牛卡；成纸强度

白面牛卡纸作为一种比较高档的箱板纸，分为漂白木浆挂面和表面涂布2种。本文试验的纸机生产的白面牛卡纸为漂白木浆挂面，共3层；面层采用木浆和白纸边浆，芯、底层采用废纸浆；面层加填填料，增加成纸灰分，节约成本。由于填料加填会对成纸的强度等指标造成负面影响，为保证产品各项指标合格，本文对白面牛卡纸生产中填料的加填工艺的改善进行了研究。

1　填料在白面牛卡纸生产中的应用

造纸填料基本上都是各种矿物颜料，主要是滑石粉、高岭土、碳酸钙（包括GCC，PCC）和二氧化钛等，所用填料的平均粒径在1～10 μm之间［1］。本文中的纸机生产白面牛卡纸时所用填料主要为GCC、PCC、滑石粉、膨润土及超微粒填料，添加点为面层。碳酸钙是其中主要添加的一种填料，GCC和PCC填料均能提高纸张的白度，且能提高成纸灰分，从而降低成本。PCC的特殊结构和较窄的粒径分布曲线使其具有较高的光散射系数，可使纸张获得高不透明度［2］。填料的加填会对纸机造成磨损，PCC相对于GCC对网部的磨损要小［3］。滑石粉（3MgO·4SiO2·H2O）是具有层状结构的硅酸镁水合物，共3层，中间层是八面体的MgO层，上下均为四面体的硅石层［4］。滑石粉的层状结构可提高填料的留着率，节省助留剂用量，大大降低了生产成本，其表面具有疏水亲油性，有利于滤水，控制成纸吸水性。此外，滑石粉还可以减少磨损，降低成纸的两面差，改善箱板纸的印刷适应性。膨润土是一种以蒙脱石为主要矿物的黏土，蒙脱石为3层结构硅酸盐矿物，具有剧烈的水化作用［5-6］，在助留助滤的同时，也起到了填料的作用。

本文中的纸机所用膨润土及超微粒填料的添加量较少且固定不变，而碳酸钙及滑石粉的添加量会随着所生产产品的种类、定量而有所不同；因此，以定量140 g/m2的白面牛卡纸为例，针对成纸的灰分、灰分保留、颜色、亮度和强度等，重点跟踪分析碳酸钙及滑石粉的加填工艺。

2　中试生产试验

在三层长网纸机上进行了生产试验，探究适宜的填料加填工艺。

2.1试验条件

中试纸机为三道长网纸机，二道靴型压榨，采用硬压光加软压光，膜转移式施胶，卷纸机上纸幅宽为6 650 mm，车速为1 000 m/min。面层浆料为30%针叶木浆和70%白纸边浆，打浆游离度为220 CSF；芯层为100%废纸脱墨浆，底层为废纸浆（长纤50%+短纤50%），芯、底层打浆游离度均为280 CSF。

填料在面层纸机浆池加填，生产试验中生产的白面牛卡纸定量为140 g/m2，面层定量为24 g/m2，面层混合浆池浓度为3.0%，流浆箱pH为7.0～7.5。采用表面施胶和内部施胶相结合的施胶工艺，面层添加淀粉8 kg/t（纸），浆内硫酸铝用量10 kg/t（纸）及AKD用量 22 kg/t（纸）。

填料的技术参数见表1。

表1　填料的主要技术参数

由表1可看出，GCC和PCC的各项指标除平均粒径外基本相当，PCC的600目筛余物略高于GCC，PCC的平均粒径比GCC小。滑石粉粒径远大于碳酸钙，滑石粉的白度比碳酸钙略低，3种填料的白度均在90%以上。

2.2试验方法

2.2.1GCC加填工艺

生产白面牛卡纸期间，在加填膨润土用量5 kg/ t（纸）及超微粒填料用量1 kg/t（纸）的基础上，增加GCC的加填量，观察总填料量从100 kg/t（纸）到375 kg/t（纸）变化中灰分留着及成纸指标的变化。

2.2.2PCC加填工艺

生产白面牛卡纸期间，在加填膨润土用量5 kg/ t（纸）及超微粒填料用量1 kg/t（纸）的基础上，加填GCC用量194 kg/t（纸），控制总填料加入量为200 kg/ t（纸），以0%～20%的PCC逐渐替代GCC，对灰分留着及成纸指标进行检测。

2.2.3滑石粉加填工艺

生产白面牛卡纸期间，保持加填膨润土用量5 kg/t（纸）及超微粒填料用量1 kg/t（纸）不变，加填GCC用量 179 kg/t（纸）。先在填料的制备中配入占总填料量5%的滑石粉替代GCC，3 h后填料贮存槽中滑石粉的比例达到5%，1 h后将把面层填料添加量由185 kg/t（纸）提高到200 kg/t（纸），稳定生产24 h后开始把填料中滑石粉的比例由5%向20%提升，生产稳定后，先将填料添加量提至250 kg/t（纸），约1 h后将填料添加量提至300 kg/t（纸）。跟踪生产中的各项指标，综合分析。

2.3性能测试

流浆箱灰分、灰分保留、面层灰分及成纸灰分的测试按GB/T 742—2008《造纸原料、纸浆、纸和纸板灰分的测定》；成纸光泽度的测试按GB/T 8941—2007《纸和纸板镜面光泽度的测定》；成纸粗糙度的测试按GB/T 22881—2008《纸和纸板 粗糙度（平滑度）的测定（空气泄漏法）通用方法》；成纸吸水性（Cobb值）的测试按 GB/T 461.3—2005《纸和纸板吸水性的测定》；成纸耐破度的测试按GB/T 1539—2007《纸板耐破度的测定》；成纸耐折度的测试按GB/T 2679.5—1995《纸和纸板耐折度的测定》。

3　结果与讨论

3.1GCC加填工艺

图1～3分别显示了GCC加填对流浆箱灰分及灰分保留、面层灰分、成纸灰分和成纸强度的影响。

图1　GCC加填对流浆箱灰分及灰分保留的影响

图2　GCC加填对面层灰分及成纸灰分的影响

图3　GCC加填对成纸强度的影响

如图1和图2所示，随着填料加入量的增加，流浆箱灰分及灰分保留率逐渐提高，相应地面层及成纸灰分也逐渐增大，最高面层灰分达到24.84%，成纸灰分达到13.76%。当填料加入量超过200 kg/ t（纸）后，面层及成纸的灰分不再增大，GCC加填过量导致灰分保留开始下降，填料不能有效地留着在纸页中。

如图3所示，填料的加填导致成纸强度降低，当填料加入量超过270 kg/t（纸）时，成纸的质量已达不到产品标准；结果表明，对于定量140 g/m2的白面牛卡纸，填料加填量的适宜范围为180～220 kg/t（纸），而当填料加入量为200 kg/t（纸）时，其成纸及面层灰分达到较优值；综合考虑，在定量140 g/m2的白面牛卡纸生产期间，填料加入总量为200 kg/t（纸）。

3.2PCC加填工艺

图4～8分别显示了PCC加填对流浆箱灰分及灰分保留、面层灰分、成纸灰分、成纸光泽度及粗糙度、成纸强度和施胶的影响。

图4　PCC加填对流浆箱灰分及灰分保留的影响

图5　PCC加填对面层灰分及成纸灰分的影响

如图4和图5所示，由于该纸机使用的PCC粒径较GCC小，不利于留着，随着PCC替代GCC比例的增大，面层留着率呈下降趋势，20%PCC+80%GCC留着率较100%GCC留着率下降约18.59%；面层及成纸灰分呈降低趋势，10%PCC+90%GCC面层灰分较100%GCC面层灰分下降了9.50%，成纸灰分下降了19.19%。

图6　PCC加填对成纸光泽度及粗糙度的影响

PCC和GCC加填均能提高成纸白度及平滑度，降低成纸粗糙度［7］。由于PCC粒径分布均匀，理论上改善成纸面层光泽性能及降低粗糙度要优于GCC；但由于本次生产试验PCC加填比例较小，且其粒径小于GCC，留着率降低，导致其改善成纸面层光泽性能及降低粗糙度效果反而不如GCC，如图6所示。在该纸机后续生产中，将PCC应用于涂布纸生产所使用的涂料中，发现PCC可有效改善成纸的光泽性能。

此外，由于PCC纯度高，粒径小，PCC与GCC复合加填的成纸强度比100%GCC加填有所提高，当PCC替代比例达到20%时，其成纸耐折度较100%GCC加填提高了31.37%，如图7所示。

图7　PCC加填对成纸强度的影响

由于PCC表面较粗糙，比表面积大，吸油值较高［8］，同时，PCC制备中残留的Ca（OH）2导致AKD施胶困难，如图8所示，施胶工艺不变，随着PCC替代GCC的比例增大，成纸正面Cobb值逐渐增大，20%PCC+80%GCC较100%GCC上升了16.67%。提高AKD用量至28 kg/t（纸）后，成纸Cobb值恢复未替代时的加填效果；因此，对于定量140 g/m2的白面牛卡纸，在对成纸强度无特殊要求的情况下，不添加PCC。

图8　PCC加填对施胶的影响

3.3滑石粉加填工艺

图9和图10分别显示了滑石粉加填对灰分保留、面层灰分及成纸灰分的影响。表2显示了滑石粉加填后的成纸指标数据。

图9　滑石粉加填对灰分保留的影响

图10　滑石粉加填对面层灰分及成纸灰分的影响

表2　滑石粉加填后成纸指标数据

从表2可以看出，填料中配有一定比例的滑石粉之后，当添加量达到300 kg/t（纸）时，成纸的吸水性以及点渗情况仍然在合格的范围之内。滑石粉的疏水性对控制成纸的吸水性有帮助，这样就可以在保证成纸吸水性能的情况下提高面层填料的添加量，从而达到替代纤维原料的目的。后续试验中继续提高填料加填量，成纸的吸水性开始变差；因此，对于填料添加量以及滑石粉的比例要控制在合理的范围内。

从表2还可以看出：滑石粉的加填使纸面的颜色出现轻微的偏黄，但都在合格的范围之内；当总填料为200 kg/t（纸）不变，滑石粉添加量达到总填料的20%时，其白度比未加填滑石粉下降了1.48%；从成纸的各项指标来看，包括粗糙度在内都没有发生明显的变化，没有影响到车间的正常生产；提高总填料用量，滑石粉比例保持20%不变，成纸白度有所上升；填料加填用量为300 kg/t（纸）比填料加填用量为200 kg/t（纸）提高了2.50%，比未加填滑石粉的200 kg/t（纸）白度提高了0.99%；在填料添加量为200 kg/t（纸）不变的情况下，滑石粉比例越大，面层灰分保留越小，成纸灰分越小。为利用滑石粉对吸水性的改善效果，综合考虑，在定量140 g/m2的白面牛卡纸生产期间，添加5%的滑石粉替代GCC进行填料加填。

4　结论

GCC和PCC都能提高成纸白度及成纸灰分，GCC加填在生产中其施胶剂的用量低于PCC加填，PCC加填可改善GCC加填带来的成纸强度下降，且PCC对纸机的磨损较GCC小。2种填料各有优点；因此考虑将这2种填料以不同比例混合，可对纸张质量进行快速、灵活的调节，以获得所要求的纸张质量。为保证纸机生产的稳定性，在生产白面牛卡纸期间，主要以GCC加填为主，添加小比例的PCC来改善成纸的性能。对于定量为140 g/m2的白面牛卡纸，填料加填的适宜范围为180～220 kg/t（纸）。而当填料加入量为200 kg/t（纸）时，定量140 g/m2白面牛卡纸的成纸及面层灰分达到较优值。由于PCC的市场单价高于GCC，在对成纸强度要求不高的情况下，采用降低GCC加填量来弥补填料造成的强度下降。

滑石粉可有效控制成纸的吸水性，滑石粉的加填对成纸的白度有一定的影响，但影响不大。滑石粉加填比例越大，灰分保留越小，为后续生产高填料加填纸创造条件。在滑石粉添加比例为20%不变的前提下，当总填料量超过一定量时，成纸的吸水性又会变差。综合考虑，在定量140 g/m2的白面牛卡纸生产期间，添加5%的滑石粉替代GCC进行填料加填。

结合纸机生产条件，最终确定定量为140 g/m2的普通白面牛卡纸的加填工艺为：总填料量为200 kg/t（纸），其中GCC加填量为184 kg/t（纸），滑石粉加填量为10 kg/t（纸），膨润土加填量为5 kg/t（纸），超微粒填料加填量为1 kg/t（纸）。当生产高强白面牛卡纸时，可采用PCC小比例替代GCC对成纸性能进行灵活调节。

［1］程金兰，翟华敏，吴慧英.造纸主要填料动态留着特性研究［J］.中国造纸学报，2009，24（4）：46-49.

［2］许英，编译.用于不含磨木浆的涂布纸和未涂布纸的GCC和PCC的性能比较［J］.国际造纸，2010，29（3）：26-30.

［3］weigl J.Use of pretreated fillers in papermaking and their influence on paper properties［J］.Wochbl Papiedabr，1985（109）：103.

［4］周林杰，王立军，陈夫山.滑石粉的性质及其在造纸中的作用［J］.西南造纸，2005，34（6）：32-33.

［5］刘景.膨润土的改性及其在造纸工业的应用研究［D］.天津：河北工业大学，2006：1.

［6］陆赵情，张美云.膨润土在造纸工业中的应用与开发前景［J］.中国非金属矿工业导刊，2006（4）：5.

［7］宋宝祥.碳酸钙在造纸工业中的应用现状及展望［J］.非金属矿，2001，24（2）：5-9.

［8］何林华.碳酸钙在造纸工业中的应用［J］.中华纸业，1999，20（4）：50-51.

Research on the Application of Paper Fillers in the Coated Duplex Board Manufacture

LI Shan1，XUE Guo-xin1，WANG Hong-wei2
（1.Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310018，China；2.Ji'an Group Co.，Ltd，Jiaxing 314300，China）

Adding paper filler tests were carried out during the production of the coated duplex board.The results show that adding filler can improve the ash contect of paper effectively and save the cost，both of GCC and PCC can improve the whiteness of paper，talcum powder can control the paper's hydroscopicity.But with the increase of adding filler，the intensity of the paper product reduce gradually.For the ordinary coated duplex board of 140 g/m2quantitative，adding 200 kg/t（paper）paper filler，cosists of 184 kg/t（paper）GCC，10 kg/t（paper）talc powder，5 kg/t（paper）bentonite and 1 kg/t（paper）ultramicron filler were proved to be a suitable craft.Replace low percentage of GCC with PCC can adjust the property of the product when manufacture the heighten coated duplex board.

GCC；PCC；talc；ash contect；coated duplex board；paper intensity

TS761.7

A

1007-2225（2015）02-0021-06

李珊女士（1989-），在读硕士；研究方向：制浆造纸；E-mail：shanshan-shu@163.com。

本文文献格式：李珊，薛国新，王宏伟．白面牛卡纸生产中填料加填工艺的研究［J］．造纸化学品，2015，27（2）∶21-26．

2015-01-19（修回）