改善碳酸钙高加填纸张强度性能的碳酸钙表面处理助剂

改善碳酸钙高加填纸张强度性能的碳酸钙表面处理助剂

尽管社会正在向无纸化发展，但印刷纸、信息用纸作为信息媒质仍然扮演着重要作用。通常作为造纸填料的无机颗粒如滑石粉、碳酸钙等常常被用于印刷和信息用纸以改善印刷性能和光学性能，特别是碳酸钙，以其优良的性能和高性价比被广泛使用。但是随着纸张中碳酸钙用量的增加，纸张强度损失问题变得很严重。为了解决这一问题，日本研发了“碳酸钙表面处理助剂”——一种采用新材料并结合聚合技术的创新型湿部化学品——能改善因碳酸钙高比例加填引起的纸张强度损失。该文介绍了该碳酸钙表面处理助剂及其在纸机上的试用结果。

1 序言

造纸产业是以用“自然恩赐”的木材制成的木浆为原料，制浆时以产生的副产品作为生物能源加以利用以及以废纸为原料再使用的环境保护型产业。近年来，从环境保护和节约资源的角度出发，为降低纸浆用量和削减物流成本，纸张低定量化的要求相当迫切。作为纸张低定量化的手段之一，为提高纸张白度、不透明度和印刷适应性，正在逐渐增加作为填料的无机颗粒（滑石粉，高岭土，碳酸钙等）的使用比例，即高灰分化。其中，碳酸钙作为各种涂布颜料和填料不仅在造纸，而且在涂料、橡胶、食品等行业使用，使用比例呈现逐年上升的趋势。

图1和图2分别显示了自2000年以来各种涂布颜料和填料使用比例的变化趋势和纸张产量和轻质碳酸钙用量[包括纸厂外购（浆内添加用）和自制的量]的变化趋势。强调了以下3点。

图1 各种涂布颜料和填料的使用比例

图2 纸张产量和轻质碳酸钙用量的变化趋势

由图1和图2可见，虽然纸的产量随着电子媒体的发展而下降，但是轻质碳酸钙的用量则呈现了逐年增加的趋势。

与滑石粉及高岭土这些填料相比，造纸中碳酸钙使用比例的增加，存在着施胶效果变得比较难以发挥及纸张干强度下降这些问题。为了维持纸张强度，已经使用了淀粉和聚丙烯酰胺（PAM）等干强剂，但是为了弥补因使用较多填料造成的纸张强度损失，就必须大幅度增加这些干强剂的使用量。

为此，日本某公司对有效利用碳酸钙的技术进行了研究，开发了能改变碳酸钙粒子表面性质的化学品——碳酸钙表面处理助剂。碳酸钙表面处理助剂的成功研发是该公司采用新材料并融合了多年培育的聚丙烯酰胺（PAM）干强剂合成技术的结果。经使用，可以确认碳酸钙表面处理助剂对于因加填碳酸钙、纸张灰分增加而受损的纸张强度和灰分留着率能够发挥很大的改善效果。

本文将结合纸机实际应用结果介绍该碳酸钙表面处理助剂的特征及为提高纸张灰分使用该表面处理助剂的使用方案。

2 纸张强度的产生及碳酸钙表面处理助剂的开发理念

碳酸钙用量的增加将减少纸张中纸浆纤维间的结合点，增加纸的总表面积，特别是在单程留着率较低的抄造系统中，由于碳酸钙与浆内添加化学品之间的相互作用，化学品的留着率和均一分布受到损失，导致了纸张强度以及施胶效果的下降。在这种情况下，常常可以通过使用表面施胶剂提高其施胶效果，但要减少纸张内部强度的损失则必须大幅度增加干强剂的用量。

图3显示了使用碳酸钙表面处理助剂对纸张强度的影响。

由图3可见：加填30%碳酸钙的纸张与加填15%碳酸钙的纸张相比，其纸张强度通常下降三成左右；当使用碳酸钙表面处理助剂并加填30%碳酸钙时，其纸张强度能够维持与只加填15%碳酸钙的纸张同等强度。

上述结果是碳酸钙表面处理助剂“抑制”了纸张强度随碳酸钙用量增加而下降，并以此作为开发碳酸钙表面处理助剂的理念。

表1是1～6号试样手抄纸的制作条件。

有关碳酸钙表面处理助剂的开发方面的问题，

图3 使用碳酸钙表面处理剂对纸张强度的影响

表1 手抄纸的制作条件 w/%

首先，通过碳酸钙表面处理助剂与碳酸钙的相互作用，使碳酸钙粒子凝聚形成二次粒子。这样使碳酸钙表面积变小，减少碳酸钙与纸浆的接触面积。这样可以抑制伴随纸浆纤维间结合点减少带来的纸张强度的下降。其模型图如图4所示。

图4 使用碳酸钙表面处理助剂后碳酸钙粒子凝聚形成二次粒子

第2，作为碳酸钙表面处理助剂的原料，选择了对纸浆具有高亲和性的材料。这样借助碳酸钙表面处理助剂能提高碳酸钙与纸浆的结合力。

另外，碳酸钙无论是从市场购买的还是各纸厂自己生产的，都具有不同的结构与表面特性。为了对各种碳酸钙发挥稳定效果，单一原材料及离子性的处理剂是不够的。为此，作为第3点，为了能够容易取得电荷平衡，扩大处理浓度范围，采用了PAM类共聚体和由新材料构成的两性复合聚丙烯酰胺类共聚体。

开发成功的碳酸钙表面处理助剂，其不同电荷特性和构造的聚合物通过形成聚离子复合体，发挥对碳酸钙适度的凝聚效果和对纸浆纤维的高度亲和性；并且己确认在含有已处理的碳酸钙纸浆中添加PAM类干强剂的情况下，也能高效地发挥其效果，同时也不会影响这些化学品的效果。

3 碳酸钙表面处理助剂的使用效果

为了确认开发的碳酸钙表面处理助剂的使用效果，进行如下试验。

在碳酸钙泥浆中添加碳酸钙表面处理助剂，经过均匀搅拌，配制成已形成二次粒子的碳酸钙（以下简称“已处理的碳酸钙”）。将这种已处理的碳酸钙添加到漂白硫酸盐阔叶木浆-漂白硫酸盐针叶木浆（LBKP-NBKP）混合浆料中，并根据相应要求加入液体Alum、CS和PAM等干强剂，留着助剂（RA）等浆内添加剂，制成手抄纸。化学品的添加量均以纸浆质量计，Alum为液体硫酸铝（Al2O3为8%），其他化学品添加量以固含量表示。另外，作为对手抄纸的评价，考察了其纸张灰分、抗张强度及裂断长。

3.1 碳酸钙表面处理助剂对手抄纸的灰分含量和

纸张强度（抗张强度）的影响

根据表1所示1～6号试样的条件制作手抄纸，碳酸钙表面处理助剂的添加量为0.5%（以碳酸钙的质量计，如以纸浆质量计，则为0.125%）；RA的添加量为质量分数100×10-6。

在上述试验条件下，使用碳酸钙表面处理助剂和不使用碳酸钙表面处理助剂2种条件下纸张灰分含量和纸张强度的测定结果分别如图5和图6所示。

由图5可知，由于使用了留着助剂和浆内添加PAM，即使在使用未处理的碳酸钙情况下纸张灰分留着率也上升；但是在使用已处理的碳酸钙情况下，即使在不使用Alum、CS和浆内添加PAM的情况下，也能取得与使用这些化学品情况下接近的灰分留着率，并且未发现因为协同使用浆内添加化学品而导致灰分留着率下降的现象。

抗张强度方面，由图6可知，由于使用了已处理的碳酸钙，即使在不使用Alum、CS和浆内添加PAM的情况下（2号试样），也取得了比使用未处理的碳酸钙手抄纸更高的值。另外，如图5和图6所示，尽管2号试样使用已处理的碳酸钙与未处理的碳酸钙时纸张灰分含量差异很大，但是使用已处理的碳酸钙手抄纸的纸张强度更胜一筹。根据这些结果可以说，新开发的碳酸钙表面处理助剂能够发挥如开发理念所提出的优越的效果。

图5 手抄纸的灰分含量

图6 手抄纸的抗张强度

从图5和图6还可以看到，在使用已处理的碳酸钙场合下，使用CS和浆内添加PAM这些干强剂带来的纸张强度上升也相当显著。图7显示了这种现象的作用机理。

图7 使用未处理的碳酸钙（上）和使用已处理的碳酸钙（下）的纸张中的化学品分布

未处理的碳酸钙的粒子小、表面积大，灰分留着率低。另外，由于浆内添加化学品与碳酸钙接触机会较多，所以灰分留着率受与碳酸钙的相互作用影响较大。另一方面，由于已处理的碳酸钙因二次粒子形成的物理效果和碳酸钙表面处理助剂产生的与纸浆亲和性的上升，因而提高了留着率；同时，浆内添加化学品由于与碳酸钙的相互作用受到抑制，被纸浆高效吸附，因而发挥了它们本来的功能。

3.2 碳酸钙表面处理助剂在不同碳酸钙用量时改

善纸张强度（裂断长）的效果

为了确认碳酸钙表面处理助剂在不同碳酸钙用量时改善纸张强度（裂断长）的效果，制成了碳酸钙用量从6.5%～20%（对纸浆质量）的手抄纸，测定纸张强度（裂断长）。浆内添加的化学品为Alum（质量分数1.5%）、CS（质量分数 0.8%）和 RA（质量分数100×10-6）。试验结果如图8所示。

由图8可见，随着碳酸钙用量的增加，使用已处理的碳酸钙与使用未处理的碳酸钙手抄纸的纸张强度都降低了，但是使用已处理的碳酸钙手抄纸的纸张强度随碳酸钙添加量的增加，比使用未处理的碳酸钙手抄纸纸张强度下降的幅度小，而且碳酸钙添加量越多，这种倾向越显著，显示了使用已处理的碳酸钙的试样具有改善纸张强度的效果。根据这一试验结果可以认为，使用碳酸钙表面处理助剂是改善因碳酸钙高加填而产生的纸张强度性能下降的有效对策。

图8 碳酸钙表面处理助剂改善纸张强度（裂断长）的效果

3.3 应对碳酸钙高加填的纸张强度性能下降的最

合适的化学品添加方案

为了探讨应对碳酸钙高加填的纸张强度性能下降的最合适的化学品使用方案，对单独使用浆内添加PAM、浆内同时添加PAM和碳酸钙表面处理助剂这2种情况对纸张强度的影响进行了比较。试验的所有试样均添加了浆内添加剂Alum（质量分数1.5%）、CS（质量分数 0.8%）和 RA（质量分数 100×10-6），另外5号试样和6号试样均添加了碳酸钙表面处理助剂，按表2中1～6号试样的制作条件制成的手抄纸的灰分和纸张强度（裂断长）的测试结果如图9所示。

首先，可以确认在碳酸钙添加量由15%增加到30%的情况下，纸张强度大幅度下降。只用浆内PAM应对这种纸张强度下降的2～4号试样显示，为了抑制纸张强度的下降，浆内添加PAM的量需要达到1.0%质量分数（4号试样），而且4号试样中的纸张灰分含量比3号试样的低，其主要原因可能是因为抄造系统中的电荷平衡受到了破坏。

表2 手抄纸的制作条件 w/%

图9 添加碳酸钙表面处理剂和PAM对手抄纸纸张强度和灰分的影响

另一方面，在纸浆使用0.2%质量分数的碳酸钙表面处理助剂并使用处理过的碳酸钙的情况下，仅添加0.2%质量分数PAM，就既能提高纸张灰分又能提高纸张强度（6号试样）。在碳酸钙高比例用量的情况下，通过使用碳酸钙表面处理助剂可以大幅度控制总的化学品用量。

4 使用碳酸钙表面处理助剂的纸机试验结果

为了能够确认在手抄纸中使用碳酸钙表面处理助剂时的效果，在造纸厂进行了为确认其效果的纸机试验。

在纸机试验过程中，在纸张灰分质量分数10%左右的品种中添加5%（以碳酸钙的质量计）的碳酸钙表面处理助剂，考察对纸张强度（纵向扩张强度）的影响，结果如图10所示。

由图10可见，使用了碳酸钙表面处理助剂后手抄纸的纸张强度提高了。另外，在试验过程中纸机运行未产生问题。

5 结束语

图10 使用碳酸钙表面处理助剂的纸机试验结果

今后，随着碳酸钙加填比例的增加，纸的灰分将进一步提高，在这种情况下，可以期待纸张白度、不透明度和印刷适应性的提高，但也不可避免会出现纸张强度下降和所用浆内添加化学品效果下降的情况；而新开发的碳酸钙表面处理助剂是一种即使在碳酸钙用量增加的情况下，也能提高留着率和维持纸张品质的化学品。

（杜伟民 编译）

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