CaSiO3加填纸的可脱墨性及脱墨浆性能研究

范述捷 苏振华 ，* 张 羽

（1. 中国制浆造纸研究院有限公司，北京，100102；2. 制浆造纸国家工程实验室，北京，100102）

矿物填料由于在改善成纸性能、降低生产成本与能耗方面的优势，被广泛应用于造纸工业中［1］。Ca⁃SiO3属无机矿物粉体填料，具有来源广、产量大、白度高、粒径小、比表面积大等特点［2-3］，国内外学者对其作为填料应用于造纸工业进行了大量研究。张权等［4］研究了多孔CaSiO3的合成工艺及其对加填纸性能的影响。研究结果表明，影响CaSiO3孔隙率和粒径的因素有反应温度、搅拌速度、添加剂的种类等，且多孔CaSiO3加填可使成纸松厚度较沉淀CaSiO3加填纸高20%以上。宋顺喜等［5］提出了一种改善CaSiO3加填纸性能的方法，即采用盐酸对CaSiO3填料进行预处理，将预处理后的填料加入到磨浆后的植物纤维中，成纸的强度性能较加填未预处理CaSiO3成纸显著提升。孙俊民等［6］的研究表明，多孔CaSiO3作为造纸功能性填料可替代部分纤维，提高成纸松厚度，同时也可提高滑石粉的留着率，有一定助留作用。但目前关于CaSiO3加填纸可回收性研究的文献较少。脱墨是废纸回收利用的关键一步［7］，常用的脱墨方法有两类：一类是采用浮选法、洗涤法或浮选洗涤相结合的方法，另一类是通过筛选和离心净化的方式去除油墨。影响废纸脱墨的因素有很多，包括废纸种类［8］、油墨性质、印刷方式［9］及脱墨碎浆工艺［10-11］等。本课题对2 种CaSiO3加填印刷纸的脱墨性能进行了探讨，旨在为该类纸张的再生回用提供指导。

1 实 验

1.1 原料及试剂

1.1.1 实验原料

实验用2 种纸样均由北京某造纸企业提供，1#纸样是CaSiO3加填且经四色套印的双胶纸，灰分40%；2#纸样是CaSiO3和滑石粉（质量比1∶1）加填且经四色套印的双胶纸，灰分35%。

将上述2 种CaSiO3加填印刷纸裁剪成25 mm ×25 mm纸片并混合均匀，平衡水分后备用。

1.1.2 实验试剂

脱墨剂、NaOH、Na2SiO3、H2O2及EDTA，均为化学分析纯试剂，购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 碎浆

采用FORMAX 450H 型高浓碎浆机（AMC 公司，美国）碎解CaSiO3加填印刷纸。碎浆工艺条件为：浆浓10%，温度40～45℃，时间10 min，NaOH、H2O2、Na2SiO3、EDTA用量分别为1.2%、1.4%、1.8%、0.3%（相对于绝干浆质量，下同），脱墨剂用量0.8%。

1.2.2 浮选

采用HG-18型浮选槽（HICO，韩国）进行浮选。浮选条件为：浆浓1%，温度40～45℃，时间10 min，空气流量10 L/min，浆料循环频率50 Hz。收集脱墨浮渣，计算浮选脱墨浆得率。

1.2.3 浆片和手抄片制备及相关指标测定

碎浆机碎解浆或浮选脱墨浆：用布氏漏斗抄制浆片，采用CTPC 型白度仪（Technidyne 公司，美国）测定浆片白度（GB/T 7974—2002）、色度和有效残余油墨浓度（ERIC，T567om—2020），以评价浮选脱墨效果。

采用RK-3A 型纸页成型器（PTI 公司，奥地利）抄造浮选脱墨浆手抄片，定量为（60±2）g/m2，抄纸浓度约0.35%，压榨压力300 kPa，采用纸页成型器自带的干燥器进行干燥，然后依据国家标准测定浮选脱墨浆手抄片各项物理性能指标：光学性能，如白度（GB/T 7974—2002）、明度 （L） 和色度 （a*值和b*值）；强度性能，如抗张强度（GB/T 12914—2018）、撕裂度 （GB/T 455—2002）、耐折度 （GB/T 457—2008）及耐破度（GB/T 454—2002）等。

参考标准T277pm“纸浆中胶黏物含量的测定”，采用MSA-XLQ 型胶黏物筛（Pulmac 公司，美国）分别测定碎浆机碎解浆和浮选脱墨浆中的胶黏物含量，筛板缝宽选择0.10 mm，以评价胶黏物去除效果。

2 结果与讨论

2.1 两种纸样的浮选脱墨效果

按照1.2 的实验方法，对2 种纸样进行碎浆、浮选脱墨处理，分别采用脱墨前后的浆料抄造浆片，测定脱墨过程中浆料光学性能的变化。

图1 为2 种纸样浮选脱墨前后浆片的白度变化。由图1 可知，1#纸样脱墨前后浆片的白度均高于2#纸样脱墨前后浆片，2种纸样脱墨前后浆片的反面白度较正面白度高8%ISO以上，这可能与添加填料相关，即填料密度大，沉降速度相对较快，且填料白度高，造成浆片反面白度高。2种纸样经碎解和浮选脱墨后，浆片正反面白度均有不同程度提高，1#纸样浮选脱墨后浆片的白度为77.5%ISO，正、反面白度较碎解后浆片分别提高16.2%ISO和23.8%ISO，白度平均值提高了34.8%。2#纸样浮选脱墨后浆片的白度为73.9%ISO，正、反面白度较碎解后浆片分别提高28.0%ISO和18.5%ISO，白度平均值提高了45.9%。

图1 2种纸样在碎解和浮选脱墨后浆片的白度Fig.1 Brightness of two pulp samples after repulping and flotation deinking

图2 为2 种纸样浮选脱墨后浆片的色度测定值。由图2 可知，2 种纸样浮选脱墨后浆片正反面均稍偏红偏蓝，这可能与原纸样的四色套印所用油墨有关，2种纸样浮选脱墨后浆片反面的L*、a*、b*的绝对值均高于正面。

图2 两种纸样浮选脱墨后浆片的色度Fig.2 Chromaticity of two pulp samples after flotation deinking

图3 为2 种纸样浮选脱墨前后浆片的有效残余油墨浓度变化。由图3 可知，1#纸样浮选脱墨前后浆片的有效残余油墨浓度（81.24 mm2/m2）均低于2#纸样（115.96 mm2/m2）。2 种纸样经碎解和浮选脱墨后，浆片油墨去除效果均较好，油墨去除率分别达82.7%和80.4%。

图3 2种纸样在碎解和浮选脱墨后浆片的有效残余油墨浓度Fig.3 ERIC of two pulp samples after repulping and flotation deinking

2.2 2种纸样浮选脱墨前后胶黏物去除效果

2 种纸样碎解和浮选脱墨处理后浆样的胶黏物含量如表1 所示。由表1 可知，浮选脱墨前1#浆样胶黏物个数及面积均较2#浆样高，经浮选脱墨后，1#浆样和2#浆样的胶黏物个数分别减少89.7%和88.9%，胶黏物面积分别减少97.4%和92.8%，可见在脱墨过程中，1#浆样胶黏物去除效果略优于2#浆样，这可能和胶黏物与填料发生吸附结合，并在浮选及洗涤过程中流失有关。经碎解、浮选脱墨后，1#浆样的胶黏物去除率（97.4%）略高于2#浆样（92.8%）。然而，2 种纸样均相对洁净，胶黏物含量均较低，对生产而言，无负面影响，其胶黏物去除率的差别所带来的影响亦微不足道。

表1 2种纸样在碎解和浮选脱墨后浆样胶黏物的含量Table 1 Stickies content of two pulp samples after repulping and flotation deinking

2.3 2 种纸样浮选脱墨浆的性质及其手抄片的物理性能

测定2种纸样浮选脱墨的浆料得率，并对浮选脱墨前后浆料的性质进行分析，使用该浆料抄造手抄片，测定手抄片的光学性能和物理性能。采用马弗炉于525℃下将2 种纸样的手抄片灼烧至质量恒定，测得1#和2#手抄片灰分分别为13.02%和12.04%。

表2 为2 种纸样浮选脱墨的浆料得率及浮选脱墨前后浆料的性质。由表2 可知，2 种纸样的浮选脱墨浆得率相同，碎解浆经浮选脱墨后游离度均有所降低；浮选脱墨后纤维平均长度降低，细小纤维含量增加，说明浮选脱墨过程对纤维有一定的损伤［12］。从纤维形态分析数据来看，1#纸样的碎解浆经过浮选脱墨，纤维的数均长度、质均长度和二重质均长度分别下降2.4%、2.8%和7.5%，细小纤维含量增加10.1%，纤维宽度变化不大。2#纸样与1#纸样有相似的变化规律，但浮选脱墨后纤维长度下降程度略低于1#纸样，纤维的数均长度、质均长度和二重质均长度分别下降1.3%、1.5%和4.6%，细小纤维含量增加10.3%。主要原因是碱性脱墨过程中，NaOH和Na2SiO3等试剂的使用，一方面使得油墨粒子皂化、水解，加强了纤维和油墨润胀，并最终起到分散、脱离油墨粒子的作用，另一方面强碱性脱墨环境对再生纤维的结构和形态都产生了一定“损伤”［13］。

表2 2种纸样浮选脱墨后的浆料得率及浮选脱墨前后浆料的性质Table 2 Yield of flotation deinking of two pulp samples and the properties of pulp before and after flotation deinking

表3 列出了2 种纸样浮选脱墨浆手抄片的光学性能。由表3 可知，1#浮选脱墨浆手抄片白度较2#浮选脱墨浆手抄片高，这是因为填料白度较纤维白度高，且与其在碎解浆和浮选脱墨浆中含量不同有直接关系，因为1#浮选脱墨浆手抄片的灰分较2#浮选脱墨浆手抄片约高1 个百分点。另外，结合图1 浆片白度和图3浆片有效残余油墨浓度的测定结果可知，浮选脱墨浆的手抄片白度较浆片白度更高，有效残余油墨浓度较浆片低，这主要源于抄纸过程的洗涤作用使得油墨进一步被去除。最终1#和2#浮选脱墨浆手抄片的白度分别为92.6%ISO和89.7%ISO，有效残余油墨浓度分别降低到29.87 和36.80 mm2/m2。从色度指标来看，浮选脱墨浆手抄片亦稍偏红偏蓝。

表3 2种纸样浮选脱墨浆手抄片的光学性能Table 3 Optical properties of handsheets made with two flotation deinking pulp samples

表4 为2 种纸样浮选脱墨浆手抄片的强度性能，主要包括耐折度、耐破指数、抗张指数及撕裂指数，这些指标均与纤维的结合力和纤维自身的强度直接相关。加填可提高纸张白度，但会使纸张强度有所下降。从表4 可以看出，2 种纸样浮选脱墨浆手抄片的强度相差不大，1#浮选脱墨浆手抄片的耐折度、抗张指数较2#浮选脱墨浆手抄片略低，而耐破指数及撕裂指数基本一致，这可能与1#浮选脱墨浆手抄片的灰分较高有关。由于CaSiO3及滑石粉均属于无机物，加填势必影响纸浆纤维之间的结合，从而使纸张强度降低；而撕裂指数与纤维本身长度有关，故二者差别不大。因此，探索和掌握填料用量和纸张强度损失之间的平衡点，是降低纸张生产成本，获得较好经济效益的重要途径。

表4 2种纸样浮选脱墨浆手抄片的强度性能Table 4 Physical strengths of handsheets made with two flotation deinking pulp samples

3 结 论

探讨了2 种CaSiO3加填印刷纸（以CaSiO3为填料的1#纸样和以CaSiO3/滑石粉为填料的2#纸样）的脱墨性能，并得出如下结论。

3.1 2种CaSiO3加填印刷纸的脱墨效果良好，可正常回收利用。

3.2 1#浮选脱墨浆的白度为77.5% ISO，略高于2#浮选脱墨浆的73.9% ISO；1#浮选脱墨浆有效残余油墨浓度为81.24 mm2/m2，略低于2#浮选脱墨浆的115.96 mm2/m2；1#浮选脱墨浆手抄片的强度指标较后者略差；在脱墨过程中1#纸样浮选脱墨浆的胶黏物去除效果略优于2#纸样浮选脱墨浆，但2种纸样相对洁净，胶黏物含量均较低，对生产而言，无负面影响。

3.3 碱性脱墨对纤维有一定损伤，2种纸样的碎解浆经浮选脱墨后纤维长度均有所降低，细小纤维含量增加，1#浮选脱墨浆的纤维长度下降幅度略高于2#浮选脱墨浆。