硅灰石作為造紙填料的研究

　　在過去的二三十年間，造紙工業的下列發展趨勢使得濕部化學更為復雜，促使人們不斷加強和優化濕部化學控制。主要包括：(1)紙機速度的不斷提高;(2)夾網和頂網的應用;(3)二次纖維用量的增加;(4)定量越來越低;(5)由酸性向堿性抄造條件的轉變;(6)白水回用量的提高;(7)濕部助劑成本的降低;(8)高質量紙的追求。

　　前四個趨勢致使獲得高的單程留著更加困難，由酸性向堿性抄造條件的轉變需要提高單程留著，隨著白水回用量的提高，許多干擾物質不斷積累，使濕部化學現象變得復雜，最后兩個趨勢顯然是要提高濕部添加劑的效率。隨著人們對高填料紙張的追求，人們同時也面臨著對于填料留著方面的挑戰。

　　要達到使用填料的目的和經濟性，這不僅取決于填料留著率，還取決于它在紙頁中的分布情況，低的填料留著率，填料的過分絮聚及其分布的兩面差都會影響到紙產品的白度、不透明度、光澤度、強度、塵埃度等主要質量品質。只有尋求在助留體系，填料，施膠和增強樹脂技術上的進步才有機會克服高加填量的消極影響。許多新型結構的填料已經被開發，能大大降低加填對強度和施膠造成的不利影響，微粒聚合物助留體系可以很容易地獲得較高的填料留著率而無損紙機的運行和紙頁特征。

　　近些年來，造紙濕部化學研究有了很大的進展，造紙助留助濾體系有了較快的發展，提高填料留著率成了大家關注的課題。填料作為一種惰性物質，能夠直接影響纖維間的結合，因此加入填料對紙張的大部分機械強度有不利影響。填料顆粒的大小及形狀決定其對紙張機械強度的影響程度。加入粉煤灰使紙張的物理強度比加高嶺土的稍低，這是因為粉煤灰的顆粒較大及形狀不規則。粉煤灰和高嶺土的主要成分都是SiO2和Al2O3。

　　將粉煤灰作為造紙填料有四大優勢：(1)與其他造紙填料相比，粉煤灰價格較低，有望將造紙生產成本降低3%～5%;(2)在用量一定時可使紙張達到更高的不透明度;(3)添加粉煤灰為填料的紙張的機械強度高于添加高嶺土的紙張;(4)粉煤灰是一種主要的固體垃圾，確保其合理利用可以避免對環境的污染。

　　有研究表明，工業固廢粉煤灰可作為瓦楞原紙填料的替代品，在瓦楞原紙中的最大用量為10%，糊化陽離子淀粉溶液的加入量為1.5%時，可獲得較好質量的產品。還有相關研究表明，隨著填料量的增加(從0%~21.5%)，粉煤灰與高嶺土相比，其成紙耐破指數、抗張指數變化趨勢相似，撕裂指數和紙張不透明度稍好于高嶺土，而白度卻明顯低于高嶺土。從固體廢物粉煤灰的吸附機理看，主要有物理吸附和化學吸附兩種。這兩種作用同時存在，但在不同條件下表現出的優勢不同。

　　同時，可吸附紙漿中細小纖維，使白水中細小纖維含量減少。另外，有些顆粒以多孔性玻璃體為主，纖維可以留著在顆粒與顆粒之間的孔中，從而使填料留著在紙內，減少纖維的損失。由此可知，使用粉煤灰作為造紙填料時加填量同樣不能太高。一般在抄造新聞紙、箱板紙、瓦楞原紙、包裝紙、灰底白紙板等對白度要求比較低的紙種時，按要求加入相應顏色的粉煤灰。目前還處于實驗室研究階段，未見有工業應用方面的報道。

　　為了增加填料用量而又不影響紙張性質，人們提出改變填料的結構，使它們的行為更類似纖維。這樣的填料會有更高的留著率，同時也不會對紙張性質和紙機的運轉性能有負面影響，這樣就有可能用更多的填料取代價格較貴的纖維。纖維狀硅灰石是一種鏈狀偏硅酸鈣礦物，分子式為CaSiO3或Ca3(Si3O9)，理論化學成分為SiO2含量40%~50%，CaO含量45%～50%，Al2O3含量2%~5%，MgO含量2%~5%，在其形成過程中Ca有時被Fe、Mn、Ti、Sr等離子部分置換而呈類質同象體。硅灰石分為α晶型和β晶型，α晶型通常為粒狀和粉狀，長徑比為5:1，β晶型通常為纖維狀和針狀，甚至微小顆粒也保持纖維狀結構，長徑比20:1，最高可達30:1;纖維狀硅灰石的白度和折光率較高，形態結構與傳統填料不同，表現出類似纖維的某些性能，可替代傳統填料應用于新聞紙、膠版紙、書寫紙等印刷文化用紙中。

　　目前，纖維狀硅灰石在造紙中的應用研究主要集中在纖維狀硅灰石和改性硅灰石對成紙各項性能指標的影響上。研究表明，打漿對木漿加填硅灰石有一定的改善效果，紙漿打漿度為48°SR~52°SR時，硅灰石替代木漿成紙強度最大。當加填量為35%時成紙強度性能仍能滿足一般包裝類用紙的要求。

　　當加填量低于40%時，硅灰石留著率在70%以上。改性硅灰石應用在新聞紙中可極大改善再生新聞紙的白度、不透明度和適印性。加入10%~15%的改性硅灰石的新聞紙(定量44~47g/m2)具有高白度(58%~60%)、高強度(裂斷長3800~4000m)和高不透明度(95%~97%)。同時具有高達90%的留著率、高濾水性。由于硅灰石呈針柱狀，作為填料加入與碳酸鈣相比，可與植物纖相互交織，形成網狀結構，在添加相同比例填料下，加入硅灰石礦物復合纖維紙張的灰分明顯高于碳酸鈣填料。當硅灰石加入量為30%時，除伸長率外，紙張性能也比添加20%的碳酸鈣的紙張性能高，填料的留著率也明顯高于其他填料。

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