填料和助劑預(yù)絮聚對(duì)填料留著和成紙抗張強(qiáng)度的影響

潘 誠(chéng) 付建生 袁世炬 龍 芬

(湖北工業(yè)大學(xué)制漿造紙工程研究所，湖北武漢，430068)

填料和助劑預(yù)絮聚對(duì)填料留著和成紙抗張強(qiáng)度的影響

潘 誠(chéng) 付建生 袁世炬 龍 芬

(湖北工業(yè)大學(xué)制漿造紙工程研究所，湖北武漢，430068)

利用兩個(gè)紙廠的漿料，在填料和助劑預(yù)絮聚工藝條件及模擬實(shí)際生產(chǎn)工藝條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了不同工藝條件下，手抄片中細(xì)小纖維含量與紙張灰分、抗張強(qiáng)度之間的關(guān)系，通過(guò)掃描電子顯微鏡 (SEM)對(duì)紙張表面形貌進(jìn)行了觀察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在填料和助劑預(yù)絮聚后進(jìn)行的加填，與實(shí)際生產(chǎn)工藝條件相比，成紙的灰分分別從10．8%、9．0%提高到12．2%、10．3%;成紙的抗張指數(shù)分別從21．6、23．4 N·m/g提高到22．2、27．6 N·m/g;填料和助劑預(yù)絮聚工藝條件下的加填，相對(duì)于普通生產(chǎn)工藝，在纖維交織所形成的毛細(xì)孔中的填料含量明顯增加。

預(yù)絮聚;細(xì)小纖維;紙張形貌

本實(shí)驗(yàn)中的預(yù)絮聚是指在抄紙過(guò)程中將填料和所用助劑提前混合絮聚，然后加入紙漿中抄紙。這樣可以減化工藝流程，易于過(guò)程控制，有較好的紙張質(zhì)量，有較好的填料留著率，降低生產(chǎn)成本，并能保持整個(gè)抄造系統(tǒng)的潔凈度［1］。

預(yù)絮聚技術(shù)由最開(kāi)始的填料預(yù)處理技術(shù)［2-4］到對(duì)整個(gè)抄造系統(tǒng)的改進(jìn)［5］，再到簡(jiǎn)化工藝流程預(yù)先混合的預(yù)絮聚技術(shù)。國(guó)內(nèi)涉及的對(duì)填料處理如磷酸酯淀粉改性滑石粉、AKD改性滑石粉和絹云母以及對(duì)碳酸鈣表面處理的相關(guān)技術(shù)［1，6-7］，目的都是為了減少造紙化學(xué)品用量、節(jié)約成本、簡(jiǎn)化工藝，使抄造更為簡(jiǎn)單，流程縮短，體系的復(fù)雜程度降低，影響因素減少。

預(yù)絮聚工藝的可行性需由實(shí)際生產(chǎn)中的情況進(jìn)行分析。隨著造紙助留技術(shù)的發(fā)展，助留體系從最初的單元助留體系發(fā)展到雙元或多元助留體系及微粒助留體系［8］。現(xiàn)根據(jù)采用雙元助留體系 (監(jiān)利某紙業(yè))及采用微粒助留體系 (赤壁某紙業(yè))的兩個(gè)造紙廠的實(shí)際生產(chǎn)情況，在實(shí)驗(yàn)室條件下分別采用填料和助劑預(yù)絮聚工藝及模擬實(shí)際生產(chǎn)工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)這2種工藝進(jìn)行比較分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及藥品

1.1.1 漿料

監(jiān)利某紙業(yè)成品漿:10%的針葉木化學(xué)漿、5%損紙漿及85%楊木化學(xué)漿)，打漿度30°SR，以下簡(jiǎn)稱監(jiān)利漿。

赤壁某紙業(yè)成品漿:77%自制葦漿、8%商品針葉木漿及15%自制楊木化機(jī)漿，打漿度30°SR，以下簡(jiǎn)稱赤壁漿。

1.1.2 助劑

中取代度陽(yáng)離子淀粉 (CS)，廣東匯美淀粉科技;AKD乳液，固含量15%，監(jiān)利某紙業(yè)提供;膨潤(rùn)土，天津輕科公司;陽(yáng)離子聚丙烯酰胺 (CPAM)，相對(duì)分子質(zhì)量800萬(wàn)和900萬(wàn)，巴斯夫公司;陰離子有機(jī)微聚物 (CP3)，相對(duì)分子質(zhì)量1200萬(wàn) (監(jiān)利某紙業(yè)提供)，相對(duì)分子質(zhì)量2000萬(wàn) (赤壁某紙業(yè)提供)。

1.1.3 填料

沉淀碳酸鈣 (PCC)，監(jiān)利某紙業(yè)提供;漿狀碳酸鈣，赤壁某紙業(yè)提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

凱賽快速紙頁(yè)成形器 (P95854．3A)，奧地利PTI公司;紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) (UV-2550)，日本島津公司;分析型掃描電子顯微鏡 (JSM-6360LA)，日本電子株式會(huì)社;纖維形態(tài)分析儀 (912)，瑞典L＆W公司;數(shù)顯臥式抗張?jiān)囼?yàn)機(jī) (D-KZ(W)30)。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

1.3.1 模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝及填料和助劑預(yù)絮聚工藝

(1)模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝

稱取相當(dāng)于絕干的漿料2．0 g，在纖維疏解機(jī)中疏解3000轉(zhuǎn)。

按照CS→AKD→填料→CPAM→CP3的順序依次加入到疏解好的漿料中混合均勻，然后在凱塞快速紙頁(yè)成形器上抄造手抄片。

(2)填料和助劑預(yù)絮聚工藝

稱取相當(dāng)于絕干的漿料2．0 g，在纖維疏解機(jī)中疏解3000轉(zhuǎn)。

稱取一定量的填料于400 mL的燒杯中并加入250 mL的水，用玻璃棒攪拌直到完全溶解。助劑按照AKD→CS→CPAM→CP3的順序依次邊攪拌邊加入到填料溶液中。填料與助劑混合預(yù)絮聚后，加入到已經(jīng)疏解好的漿料中，混合均勻后在凱塞紙頁(yè)快速成形器上抄造手抄片。

1.3.2 細(xì)小纖維含量的測(cè)定

模擬監(jiān)利某紙業(yè)工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝及填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實(shí)驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)1，模擬赤壁某紙業(yè)工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝及填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實(shí)驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)2。

(1)實(shí)驗(yàn)1

CS用量2%(相對(duì)于絕干漿，下同)，CPAM用量0．04%，CP3用量0．005%，PCC用量20%，AKD用量0．15%。分別按1．3．1進(jìn)行抄片。模擬監(jiān)利某紙業(yè)工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝的實(shí)驗(yàn)抄造的手抄片簡(jiǎn)稱為1A，采用填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實(shí)驗(yàn)抄造的手抄片簡(jiǎn)稱為1B。

分別取1A、1B紙樣分成小塊，在0．9%濃度的HCl溶液中浸泡一段時(shí)間后，在真空泵下過(guò)濾洗滌至中性，在纖維解離機(jī)中疏解300轉(zhuǎn)，疏解后的漿料在纖維分析儀上測(cè)定細(xì)小纖維含量及纖維組分。

與監(jiān)利漿料中細(xì)小纖維含量進(jìn)行比較分析。

(2)實(shí)驗(yàn)2

膨潤(rùn)土用量2%(相對(duì)于絕干漿，下同)，CPAM用量0．04%，CP3用量0．0025%，漿狀碳酸鈣用量20%，AKD用量0．15%。模擬赤壁某紙業(yè)工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝的實(shí)驗(yàn)及抄造的手抄片簡(jiǎn)稱為2A，采用填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實(shí)驗(yàn)及抄造的手抄片簡(jiǎn)稱為2B。

分別取2A、2B紙樣分成小塊，在0．9%濃度下HCl溶液中浸泡一段時(shí)間后，在真空泵下過(guò)濾洗滌至中性，在纖維解離機(jī)中疏解300轉(zhuǎn)，疏解后的漿料在纖維分析儀上測(cè)定細(xì)小纖維含量及纖維組分。

與赤壁漿料中細(xì)小纖維含量進(jìn)行比較分析。

1.3.3 網(wǎng)下白水AKD流失的測(cè)定

在工廠實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，紙機(jī)的上網(wǎng)濃度在0．5%左右，對(duì)網(wǎng)下白水的測(cè)定需按照實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)定。

所加助劑中，AKD在波長(zhǎng)為238 nm處有明顯的吸收峰，通過(guò)測(cè)定在238nm處的吸光度來(lái)表征網(wǎng)下白水中AKD的流失。AKD濃度與吸光度是線性關(guān)系，c=1328A-36．28(其中c為以二氯甲烷為溶劑AKD的濃度，A為吸光度)，通過(guò)測(cè)定AKD的吸光度，可以計(jì)算出白水中AKD的濃度，進(jìn)而計(jì)算出流失率來(lái)表征AKD的流失率［9］。由于紙張抄造過(guò)程中以水為介質(zhì)，只能測(cè)定網(wǎng)下白水中AKD的吸光度來(lái)表征含量的多少。每種工藝下取4個(gè)樣品測(cè)定吸光度，以平均值表示。

分別稱取相當(dāng)于絕干漿10 g的監(jiān)利漿和赤壁漿，加入1000 mL水，在纖維解離器上疏解300轉(zhuǎn)，分別按實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2進(jìn)行配漿。

將配制好的漿料稀釋至漿濃0．5%，然后倒入抄片器中，攪拌靜置后，用容器接取網(wǎng)下白水，取樣測(cè)定吸光度。

1.3.4 填料留著率測(cè)定

以手抄片的灰分含量來(lái)表示填料的留著率?；曳譁y(cè)定按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T463—1989進(jìn)行。

1.3.5 抗張強(qiáng)度測(cè)定

抗張強(qiáng)度測(cè)定按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12914—2008進(jìn)行。

1.3.6 紙張形貌觀察

分別取1A、1B、2A、2B紙樣表面鍍金后在掃描電子顯微鏡 (JSM-6360LA)下觀察成紙內(nèi)絮聚體的分布情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 細(xì)小纖維含量

模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝及填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實(shí)驗(yàn)的細(xì)小纖維含量如表1所示。

表1 成紙細(xì)小纖維含量及纖維平均長(zhǎng)度

從表1可以看出，細(xì)小纖維含量低的監(jiān)利漿以填料和助劑預(yù)絮聚工藝抄造的成紙細(xì)小纖維含量相對(duì)于模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝抄造的成紙細(xì)小纖維含量有所增加，細(xì)小纖維含量高的赤壁漿以填料和助劑預(yù)絮聚工藝抄造的成紙細(xì)小纖維含量相對(duì)于模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝抄造的成紙細(xì)小纖維含量降低較少，說(shuō)明預(yù)絮聚工藝對(duì)不同細(xì)小纖維含量的漿料體系下細(xì)小纖維的留著沒(méi)有較大的影響，甚至有促進(jìn)作用。

2.2 網(wǎng)下白水AKD流失

模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝及填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實(shí)驗(yàn)抄造過(guò)程中網(wǎng)下白水吸光度見(jiàn)表2所示。

表2 網(wǎng)下白水吸光度

網(wǎng)下白水中AKD以水為介質(zhì)，只能通過(guò)AKD濃度與吸光度的線性關(guān)系來(lái)表征AKD含量的多少。從吸光度與AKD濃度線性關(guān)系來(lái)看，填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實(shí)驗(yàn)中AKD留著率比模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝實(shí)驗(yàn)中的要高，說(shuō)明了填料和助劑預(yù)絮聚工藝對(duì)助劑留著率的提高、整個(gè)濕部環(huán)境的清潔度及陰離子垃圾的減少有促進(jìn)作用。

2.3 紙張灰分

模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝及填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實(shí)驗(yàn)成紙灰分含量如表3所示。

表3 紙張灰分含量

由表3可知，填料和助劑預(yù)絮聚工藝實(shí)驗(yàn)中，填料的留著率相對(duì)于模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝實(shí)驗(yàn)下留著率較高，紙張1B對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)填料的留著率從10．8%提高到12．2%，紙張2B實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)填料的留著率從9．0%提高到10．3%，說(shuō)明填料和助劑預(yù)絮聚工藝具有優(yōu)越性。從填料和助劑預(yù)絮聚工藝下成紙的外觀情況看，沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的絮聚成團(tuán)的現(xiàn)象，可能原因在于填料和助劑預(yù)絮聚工藝下CPAM與填料進(jìn)行混合預(yù)絮聚后加入漿料中，直接作用于漿料的絮聚效果較小。

2.4 成紙抗張強(qiáng)度

模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝及填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實(shí)驗(yàn)成紙抗張指數(shù)如表4所示。

表4 紙張抗張指數(shù)

填料和助劑預(yù)絮聚工藝實(shí)驗(yàn)與模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝實(shí)驗(yàn)相比，在填料留著率提高的情況下紙張的抗張性能沒(méi)有較大的變化。紙張1B的抗張指數(shù)從21．6 N·m/g提高到22．2 N·m/g，紙張2B的抗張指數(shù)從23．4 N·m/g 提高到 27．6 N·m/g。從觀察成紙掃描電鏡圖片后分析，可能原因在于填料和助劑預(yù)絮聚工藝下絮聚體留著在纖維交織處，對(duì)纖維之間的結(jié)合影響較小，而實(shí)際生產(chǎn)工藝下填料更多地留著在纖維上，對(duì)纖維之間的結(jié)合有較大的影響，所以在填料留著率提高的情況下，紙張的物理性能反而有所增加。

2.5 紙張形貌觀察

模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝及填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實(shí)驗(yàn)成紙形貌SEM圖見(jiàn)圖1和圖2。

從圖1和圖2可以看出，模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝實(shí)驗(yàn)的成紙，有較多的填料留著在纖維表面上，而填料和助劑預(yù)絮聚工藝實(shí)驗(yàn)成紙?zhí)盍闲蹙垠w留著于纖維交織處，而在纖維表面留著得較少，說(shuō)明了前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表征，填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實(shí)驗(yàn)成紙絮聚體留著于纖維交織處，對(duì)纖維間的結(jié)合沒(méi)有較大的影響，而模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝實(shí)驗(yàn)的成紙?zhí)盍狭糁诶w維表面，對(duì)纖維與纖維之間的氫鍵結(jié)合有一定的影響，從而影響到成紙的抗張性能，但填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實(shí)驗(yàn)成紙?jiān)谔盍狭糁矢玫那闆r下抗張性能未受到影響，反而由于絮聚體未影響纖維之間的交織使得紙張結(jié)合緊密，成紙的抗張強(qiáng)度比模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝的成紙強(qiáng)度更高。

3 結(jié)論

根據(jù)兩個(gè)工廠實(shí)際生產(chǎn)情況，在實(shí)驗(yàn)室條件下分別采用填料和助劑預(yù)絮聚工藝及模擬實(shí)際生產(chǎn)工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析可知，采用填料和助劑預(yù)絮聚工藝在填料留著及成紙的抗張性能上都有促進(jìn)作用，并且適用于不同的實(shí)際生產(chǎn)情況。

監(jiān)利某紙業(yè)工藝的配方為雙元助留體系，CS用量2%(相對(duì)于絕干漿，下同)，CPAM用量0．04%，CP3用量0．005%，PCC用量20%，AKD用量0．15%。①?gòu)哪M成紙性能來(lái)看，填料和助劑預(yù)絮聚工藝下填料留著率從10．8%提高到12．2%，同時(shí)紙張的抗張指數(shù)從21．6 N·m/g提高到22．2 N·m/g;②從細(xì)小纖維來(lái)看，填料和助劑預(yù)絮聚工藝下細(xì)小纖維含量相對(duì)于模擬工廠生產(chǎn)工藝來(lái)說(shuō)有所提高;③從網(wǎng)下白水的AKD流失率來(lái)看，填料和助劑預(yù)絮聚工藝下AKD的流失比模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝的流失率少。

赤壁某紙業(yè)工藝的配方為微粒助留體系，膨潤(rùn)土用量2% (相對(duì)于絕干漿，下同)，CPAM用量0．04%，CP3用量0．0025%，漿狀碳酸鈣用量20%，AKD用量0．15%。①?gòu)某杉埿阅軄?lái)看，填料和助劑預(yù)絮聚工藝下填料留著率從9．0%提高到10．3%，同時(shí)紙張的抗張指數(shù)從23．4 N·m/g 提高到 27．6 N·m/g;②從細(xì)小纖維來(lái)看，填料和助劑預(yù)絮聚工藝下細(xì)小纖維含量與模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝相差較小;③從網(wǎng)下白水中AKD的流失率來(lái)看，填料和助劑預(yù)絮聚工藝下AKD的流失比模擬工廠實(shí)際生產(chǎn)工藝少。

通過(guò)SEM照片能夠發(fā)現(xiàn)填料與助劑預(yù)絮聚工藝抄造紙張中絮聚體較多地分布于纖維交織處，而模擬工廠生產(chǎn)工藝其填料吸附在纖維表面，這一現(xiàn)象能夠解釋填料和助劑預(yù)絮聚工藝中填料留著率較高的情況下紙張抗張性能沒(méi)有降低的現(xiàn)象，即由于絮聚體留著于交織處未影響纖維與纖維之間的氫鍵結(jié)合，而模擬工廠生產(chǎn)工藝中填料大部分吸附在纖維表面，對(duì)纖維與纖維之間的結(jié)合有較大的影響。

［1］ 宋中陽(yáng)，李志杰，雷以超．造紙?zhí)盍吓c高分子絮聚劑的應(yīng)用［J］．中國(guó)造紙，2004，23(5):64．

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［3］ David W zunker．Inorganic fillers modified with vinyl alcohol polymer and cationic melamine-formaldehyde resin:US，4495245［P］．1985-01-22．

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［7］ 沈 靜，宋湛謙，錢學(xué)仁．改善碳酸鈣加填紙強(qiáng)度性能的研究進(jìn)展［J］．中國(guó)造紙，2007，26(5):47．

［8］ 張克慶，劉溫霞，陳子成．陽(yáng)離子微粒助留體系的研究進(jìn)展［J］．中國(guó)造紙，2005，24(7):53．

［9］ 劉 冉，韓 卿．涂布原紙中未反應(yīng)AKD的光譜法分析測(cè)定［J］．紙和造紙，2010，29(8):51．

Influence of Pre-flocculation of Filler and Wet End Additives on Filler Retention and Paper Strength

PAN Cheng*FU Jian-sheng YUAN Shi-ju LONG Fen
(Institute of Pulp and Papermaking Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan，Hubei Province，430068)

Using two pulps from two mills，the handsheets were prepared with adding filler in two ways，one was to simulate the current production operation，another was to use pre-flocculation technique，and the filler was pre-flocculated with wet end chemicals．The relation between fines content and ash content，paper strength of the handsheets prepared by different loading processes was studied．The results indicated that when filler was added by using pre-flocculation technique，the ash content increased from 10．8%and 9．0%to 12．2%and 10．3%，tensile strength increased from 21．6 N·m/g and 23．4 N·m/g to 22．2 N·m/g and 27．6 N·m/g of the handsheets prepared by using two different mill's pulps respectively．The surface morphology of the handsheets was analyzed by SEM;it was found that most of the pre-floccalated fillers were resented in the pores of fiber network，on the contrary，the fillers mainly resented on the fibers surface when fillers were added according to conventional process．

pre-flocculation;small fibers;paper morphology

TS727+．2

A

0254-508X(2012)11-0030-04

潘 誠(chéng)先生，在讀碩士研究生;研究方向?yàn)樵旒埢瘜W(xué)品及特種紙。

(*E-mail:pcqian837@sina．com)

2012-08-08(修改稿)

(責(zé)任編輯:馬 忻)