硅含量、两种苛化工艺对白泥特性及纸张加填效果的影响

2018-05-28田杏欢殷学风张鼎军

陕西科技大学学报 2018年3期

林涛, 田杏欢, 殷学风, 张鼎军, 付玥

(陕西科技大学轻工科学与工程学院轻化工程国家级实验教学示范中心陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安 710021)

0 引言

白泥是制浆黑液碱回收工段的副产物[1]，主要成分是CaCO3，还有CaCl2、CaSO4、Ca(OH)2、以及少量的CaSiO3和Fe2O3等[2]，虽然目前碱回技术已达成熟[3]，但对其副产物白泥的合理应用又成为一个新的问题.

由于白泥成分复杂，目前对白泥综合利用的研究主要测重于共混，如张礼华、祖彬、任淑华等[4-6]将白泥与页岩、粉煤灰等分别混合制备水泥，陆金刚、张博廉等[7,8]将白泥与粉煤灰等混合制备建筑用砖材料，以及刘来宝等[9]将未经处理的白泥与分散剂及表面活性剂等合理复配后制备发泡保温墙体材料.碱回收白泥属于富钙高碱性污染物[1,10]，若能将白泥精致CaCO3作为填料合理利用到纸张中，则可实现企业内部消化，既达到环保的目的，又为造纸产业创造效益[11].与木浆白泥和草浆白泥相比，硫酸盐法竹浆绿液中硅、硫元素含量高，限制了白泥精制碳酸钙填料的有效发展.从竹浆碱回收白泥的生产实际来看，制备的白泥白度低，粒径分布宽及小粒径组分多，不能满足纸张填料的应用要求[12,13].因此，须首先解决其白度低，粒径分布宽的问题.

本文以竹浆绿液为原料，采用新型的实验室自制的铝盐改性膨润土做除硅剂，通过控制铝盐改性膨润土的加入量和苛化方法，得到不同硅含量、不同苛化方法下的白泥碳酸钙.通过对白泥碳酸钙白度、粒径，以及用其加填所抄纸张的物理性能的检测，分析得出新型的铝盐改性膨润土能有效提高苛化白泥的白度，减小粒径分布，并且使回用加填纸的部分性能显著提高，为工厂解决白泥废弃问题提供较好的思路.

1 实验部分

1.1 原料、试剂及仪器

(1)浆料：漂白针叶木化学浆(取自海南金海江纸业股份有限公司，水分含量27.68%，处理至打浆度38 °SR)；漂白阔叶木化学浆(取自浙江永泰纸业股份有限公司，水分含量27.86%，处理至打浆度38 °SR)；竹浆绿液(取自贵州赤天化纸业股份有限公司的碱回收槽).

(2)化学试剂和助剂：铝盐改性膨润土(ALBM)，为实验室自制[14]；氧化钙CaO；商品重质碳酸钙(GCC，中粒径：13.85μm)；商品轻质碳酸钙(PCC，中粒径：5.64μm)；AKD施胶剂；CPAM助留助滤剂.

(3)仪器和设备

激光粒度分析仪；电热恒温鼓风干燥箱；Valley打浆机；纸样抄取器纸；白度测定仪；抗张强度试验仪；纸张撕裂度测定仪；智能实时色度白度计；电脑测控厚度紧度仪；标准浆料疏解器；纸张表面吸收重量测定仪.

1.2 实验方法

1.2.1 苛化碳酸钙的制备

通过调整竹浆绿液中ALMB的加入量，得到八份不同硅含量的竹浆绿液，再将其平行分为两组.将得到的两组相同含硅梯度的竹浆绿液分别进行快速式苛化和间歇式苛化.快速式苛化是将消化好的氢氧化钙乳液一次性加入到绿液中，并在85 ℃～90 ℃水浴加热下搅拌2 h，待反应结束后，沉降一段时间，分离出白泥，水洗至中性后烘干，获得白泥碳酸钙CCC1.间歇式苛化则是将消化好的氢氧化钙乳液加入到三口烧瓶中，将绿液加入到恒压滴液漏斗中，控制绿液的滴加速度约为2滴/3 s，让绿液缓慢滴加到三口烧瓶中，同样在85 ℃～90 ℃水浴温度下搅拌2 h，反应结束后，沉降一段时间，分离出白泥碳酸钙，水洗至中性后烘干，获得白泥碳酸钙CCC2.其过程原理如下[15]：

CaO+H2O= Ca(OH)2(消化反应)

Na2CO3+ Ca(OH)2=CaCO3(苛化反应)

1.2.2 纸张加填

将漂白针叶木化学浆和阔叶木化学浆以质量比3∶7的比例混合，调节浆浓至1%，用Valley打浆机打浆至38 °SR.用水将浆料稀释至浓度为0.3%，计算并量取定量为60 g/m2的浆料，再向量取的浆料中依次加入施胶剂(AKD，用量0.2%)、填料(不同苛化工艺下的不同硅含量的白泥碳酸钙，用量25%)、助留助滤剂(CPAM，用量0.03%)，在标准纸张成型器上抄纸、压榨、干燥，测定纸张的性能.

1.2.3 苛化白泥碳酸钙和纸张性能的检测

用激光粒度分析仪和智能实时色度白度计分别测得不同含硅梯度及不同苛化工艺下的白泥碳酸钙(CCC1和CCC2)的粒径和白度.

按表1所示的国家标准方法进行测定纸张的物理性能[16].

表1 纸张性能测定标准

2 结果与讨论

2.1 硅含量及苛化工艺对白泥粒径和白度的影响

硅含量及苛化工艺对白泥白度和粒径的影响如表2所示.由表2可知，无论是快速式苛化还是间歇式苛化，白泥粒径均随着硅含量的增大呈先减小后增大的趋势，白泥的白度随硅含量的增大呈一直减小的趋势；由此趋势说明，硅的存在对苛化所得的白泥碳酸钙粒子的匀整性和白度是不利的，且硅含量越高，白泥碳酸钙的白度越差.在同一硅含量下，将两种苛化方法进行对比可以看出，间歇式苛化比快速式苛化所得的白泥粒径较均匀，且所得白泥的白度相对较高，因此间歇式苛化要优于快速式苛化.将所得的白泥碳酸钙与商品碳酸钙(GCC和PCC)相比可以看出，快速苛化方法得到的白泥碳酸钙的粒径与商品GCC的粒径相近，平均粒径大约在18.24μm左右，间歇式苛化方法得到的白泥碳酸钙的粒径与商品PCC的粒径相近，其平均粒径大约在7.27μm左右.

表2 不同含硅量及不同苛化工艺下的白泥粒径和白度

2.2 不同硅含量及苛化工艺所得白泥对成纸质量的影响

将不同硅含量的白泥碳酸钙用于纸张加填，并与商品碳酸钙用于纸张加填进行对比.通过表2可知快速式苛化方法得到的白泥碳酸钙的粒径与商品GCC的粒径相近，间歇式苛化方法得到的白泥碳酸钙的粒径与商品PCC的粒径相近，故将快速式苛化方法得到的白泥碳酸钙与商品GCC加填后纸张的光学性能对比，将间歇式苛化方法得到的白泥碳酸钙与商品PCC加填后纸张的光学性能对比.

2.2.1 不同硅含量及不同苛化方法对白泥碳酸钙加填纸张光学性能的影响

不同硅含量及不同苛化方法对白泥碳酸钙加填纸张的白度和不透明度的影响,及其与商品GCC或PCC加填后纸张的白度和不透明度的对比,分别如图1、图2、图3与图4所示.

从图1、图2、图3与图4可知，在同一苛化方法下，不同硅含量的白泥碳酸钙对纸张的光学性能有一定的影响，随着硅含量的不断减少，纸张的白度和不透明度逐渐升高，即光学性能被改善.这是由于绿液在除硅过程中，绿液中的一些杂质通过沉淀作用而除去，同时硅含量越少，白泥碳酸钙粒子的匀整性越好，从而能更均匀地填充纸页中的空隙，纸页的匀度提高.光散射性能更均匀化，从而增加了纸页的白度和不透明度.另外，通过与商品填料GCC的白度与不透明度对比可知，绿液中硅含量较少时苛化得到的白泥碳酸钙加填纸的光学性能比商品GCC加填纸的光学性能好，说明除硅有利于白泥填料品质的提高.

图1 硅含量对纸张白度的影响(快速式苛化)

图2 硅含量对纸张不透明度的影响(快速式苛化)

将图1与图3以及图2与图4进行分别对比可知，间歇式苛化所得CCC2加填纸的白度和不透明度都明显优于快速式苛化所得CCC1加填纸.一是因为间歇式苛化所得CCC2的白度更高，二则是因为CCC2的粒径更小且匀整性好，粒径小导致粒子数目增加，使纸张结构中存在更多的纤维-空气-填料界面，造成光线反射和折射次数增加，从而纸张白度和不透明度进一步提高.

图3 硅含量对纸张白度的影响(间歇式苛化)

图4 硅含量对纸张不透明度的影响(间歇式苛化)

2.2.2 不同硅含量及不同苛化方法对白泥碳酸钙加填纸张强度性能的影响

不同硅含量及不同苛化方法对白泥碳酸钙加填纸张的抗张指数和撕裂指数的影响，及其与商品GCC或PCC加填后纸张的抗张指数和撕裂指数的对比，分别如图5、图6、图7与图8所示.

图5 硅含量对纸张抗张指数的影响(快速式苛化)

从图5、图6、图7与图8可知，随着绿液中硅含量的不断减少，纸张的力学强度不断增加，纸张的抗张强度和撕裂度逐渐增强.当硅含量较小时，纸张的撕裂度和抗张强度均高于商品GCC或PCC加填后纸张的强度，这是由于随着硅含量的不断减小，白泥碳酸钙的粒子大小越均一，分散性越好，所得到的纸张匀度好，所以加填后成纸的抗张强度与撕裂度均较高.另外，从图中也可以看出，当绿液中硅含量小于2.5 g/L时，白泥碳酸钙加填纸的强度性能就开始优于商品碳酸钙加填纸的性能，且除硅效果越好，苛化白泥碳酸钙加填纸张强度性能越优.

图6 硅含量对纸张撕裂指数的影响(快速式苛化)

图7 硅含量对纸张抗张指数的影响(间歇式苛化)

图8 硅含量对纸张撕裂指数的影响(间歇式苛化)

将图5与图7以及图6与图8进行分别对比可知，间歇式苛化所得CCC2加填纸的抗张和撕裂强度都明显优于快速式苛化所得CCC1加填纸.这是由于间歇式苛化比快速式苛化所得的白泥粒径较均匀，所得到的纸张匀度好，间歇式苛化所得CCC2加填纸的抗张和不撕裂强度较优.

2.2.3 不同硅含量及不同苛化方法对白泥碳酸钙加填纸张松厚度的影响

不同硅含量及不同苛化方法对白泥碳酸钙加填纸张的松厚度的影响，及其与商品GCC或PCC加填后纸张的松厚度对比，分别如图9与图10所示.

图9 硅含量对纸张松厚度的影响(快速式苛化)

图10 硅含量对纸张松厚度的影响(间歇式苛化)

从图9与图10可知，随着硅含量的不断增加，纸张的松厚度呈略增趋势，并且其纸张的松厚度都大于商品GCC或PCC加填纸张的松厚度.这是由于绿液体系中的硅在苛化过程中会产生无定型的硅酸钙，容易部分包覆在白泥碳酸钙表面，导致白泥粒子的颗粒变大，粒径分布不均匀且粒子形状不规则，在加填过程中，这种粒径和粒形的碳酸钙粒子会较大程度上增加纤维与纤维的间距，减弱了纤维间的结合，所以纸张的松厚度较高.

2.2.4 不同硅含量及不同苛化方法对白泥碳酸钙加填纸张留着率的影响

不同硅含量及不同苛化方法对白泥碳酸钙加填纸张的留着率的影响，及其与商品GCC或PCC加填后纸张的留着率对比,分别如图11与图12所示.

图11 硅含量对纸张灰分的影响(快速式苛化)

图12 硅含量对纸张灰分的影响(间歇式苛化)

从图11与图12可知，随着硅含量的降低，纸张的灰分含量逐渐增加，即填料留着率提高；当硅含量为2 g/L左右时，白泥碳酸钙加填纸的留着效果开始优于商品填料GCC或PCC加填留着效果，而且随着绿液体系中硅含量的减少，其留着效果就越好，越优于商品填料加填.这说明经过除硅处理的白泥加填的纸张具有良好留着.这是由于硅含量的减小，白泥碳酸钙子的大小分布越均匀，同时碳酸钙在浆料中的留着率也越高，所以纸张的灰分含量越高.另外，间歇式苛化所得的白泥碳酸钙的留着效果略优于快速式苛化白泥碳酸钙加填，这又一次证明间歇式苛化方法得到的白泥碳酸钙加填效果更好.

2.2.5 不同硅含量及不同苛化方法对白泥碳酸钙加填纸张施胶度的影响

从图13与图14可以看出，不同硅含量的白泥碳酸钙对纸张施胶性能具有明显的影响.随着硅含量的降低，纸张的Cobb值明显下降，施胶效果有了很大的改善.这是因为在高硅含量的白泥碳酸钙中含有一些吸附强、粘度大、多孔的硅酸钙[17]，同时硅酸钙的存在会导致白泥粒子的颗粒变大，同时含有大量的细小粒子，粒径分布不均匀且粒子形状不规则,较多的施胶剂被硅酸钙及细小粒子所吸附从而降低纸张的施胶效果.经过除硅处理的白泥碳酸钙加填的纸张具有良好的施胶效果.

此外，对比图13和图14还可知，采用快速苛化所得白泥碳酸钙加填纸，其硅含量为最小值0.049 g/L时,纸张的Cobb值为26.9 g/m2，仍大于商品GCC加填后纸张的Cobb值25.5 g/m2，其施胶效果比GCC加填效果差，但采用间歇式苛化所得白泥碳酸钙加填纸，其硅含量为最小值0.049 g/L,纸张的Cobb值为20.8 g/m2，商品PCC加填后纸张的Cobb值21.6 g/m2，其施胶效果与PCC加填效果相似，由此可知，采用间歇式苛化方法得到CCC2加填纸的施胶效果更好.