開發(fā)高填料紙的有關(guān)認(rèn)識(shí)與思考

宋順喜 張美云 王 建

(陜西科技大學(xué)，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710021)

加填的最初目的是利用填料自身物理性質(zhì)優(yōu)勢來改善紙張的光學(xué)性能和表面性能。隨著對(duì)森林資源和環(huán)境保護(hù)力度的加大，以低成本的填料替代部分高成本的纖維原料來降低生產(chǎn)成本，已成為傳統(tǒng)造紙企業(yè)保持競爭力的主要方法之一。適當(dāng)提高紙張中的填料含量可節(jié)約纖維原料、改善紙張的干燥、節(jié)約蒸汽用量，達(dá)到節(jié)約能耗，降低生產(chǎn)成本的目的。因此，提高紙張中的填料含量，開發(fā)高填料紙成為了國內(nèi)外造紙科研人員的研究熱點(diǎn)。筆者結(jié)合國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，談?wù)劯咛盍霞堥_發(fā)的有關(guān)認(rèn)識(shí)和思考。

1 高填料紙的概念

開發(fā)高填料紙，首先應(yīng)明確高填料紙的概念。目前國內(nèi)對(duì)高填料紙的表述方式不一，有高加填紙、高灰分紙和高填料紙等，其英文通常譯為high filler content paper或者h(yuǎn)ighly filled paper，其意思都為紙張中填料含量很高。但這些表述方式又有所區(qū)別。

第一種“高加填紙”的表述方式，通常理解為紙漿中有很高的填料添加量。雖然提高填料的添加量可以相對(duì)提高填料在紙張中的含量，但由于濕部技術(shù)的差異 (填料留著率不同)，最終填料在紙張中的含量因濕部技術(shù)不同而有所差別。第二種“高灰分紙”的表述方式，是指紙張的灰分含量高。對(duì)于常見的紙產(chǎn)品，其灰分可能包含以下成分:①造紙過程中所使用化學(xué)品的殘余物;②從管道和設(shè)備中帶進(jìn)來的一些金屬物質(zhì);③造紙所用紙漿中的礦物殘?jiān)?④留在紙張中的礦物填料和顏料。前3項(xiàng)物質(zhì)質(zhì)量的總和對(duì)于加填紙中填料量來說相對(duì)較少，所以灰分可近似地反映紙張中填料含量的高低。但以灰分來說明紙張中填料含量的高低，需涉及到有關(guān)填料熱穩(wěn)定性的問題，即填料種類以及測定灰分溫度的不同可能導(dǎo)致結(jié)果不具有可比性。從國內(nèi)外行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)文獻(xiàn)中可以看出，我國目前測定紙和紙板灰分的方法中 (GB/T 742—2008)選用的灰分測試溫度為900℃，而國外測試標(biāo)準(zhǔn)中，如Tappi T413 om-02，提到了兩個(gè)測試溫度，即525℃和900℃。如果紙和紙板中的填料和顏料在525℃和900℃下性質(zhì)穩(wěn)定，即質(zhì)量變化可被忽略，如二氧化硅、二氧化鈦等，則兩個(gè)溫度都可使用。但其他填料如碳酸鈣，若采用525℃測試時(shí)，碳酸鈣幾乎不分解，可以較好地反映紙張中碳酸鈣填料的含量;而采用900℃測試時(shí)，碳酸鈣已分解為氧化鈣，計(jì)算填料含量時(shí)還需要考慮填料的灼燒損失。如果比較不同填料加填紙，由于填料熱穩(wěn)定性的不同，以灰分來衡量填料含量也會(huì)造成一定誤差。第三種“高填料紙”的表述方式，通常理解為高填料含量的紙張，嚴(yán)格地講，就是在測試紙張灰分后，除去纖維灰分，再根據(jù)填料熱穩(wěn)定性的不同，通過計(jì)算轉(zhuǎn)換為實(shí)際填料含量，該值才能較為準(zhǔn)確地反映出紙張中真實(shí)的填料含量。所以，為了使其可比性更強(qiáng)，筆者認(rèn)為采用高填料紙來表達(dá)紙張中填料含量高的含義更為準(zhǔn)確。

目前所指的高填料紙以機(jī)制紙為主，紙張中的無機(jī)礦物粉體含量超過同類傳統(tǒng)紙張中填料含量。涉及到4個(gè)方面:①填料通常指通過物理處理 (研磨和煅燒)或者化學(xué)方法合成得到的無機(jī)礦物粉體，即傳統(tǒng)意義上所指的造紙?zhí)盍希缪心ヌ妓徕}(GCC)、煅燒高嶺土、滑石粉和沉淀碳酸鈣 (PCC)等。②高填料紙可包含多類紙種。通常指文化用紙(如膠版印刷紙等)，但筆者認(rèn)為，由于不同紙種對(duì)定量、纖維原料的要求不一樣，如新聞紙?zhí)盍虾吭?%～10%，如果其填料含量達(dá)15%以上，也可成為新聞紙中的高填料紙，即便是包裝用紙也可有高填料紙，所以這與紙張的種類有關(guān)，要區(qū)分開來。③填料含量應(yīng)該是一個(gè)相對(duì)量。隨著工藝技術(shù)水平、紙機(jī)裝備水平和濕部化學(xué)控制水平的提高，同一紙種的填料含量也在逐漸提高，所以填料含量應(yīng)該是相對(duì)的，是不斷變化的。一般文化用紙 (如復(fù)印紙、膠版印刷紙)中填料含量由以前的10%～20%提高到20%～30%，就目前來看，若該紙種的填料含量達(dá)30%以上，就可稱為高填料紙。因此，高填料紙也是區(qū)別于同類普通紙種的一種較為特殊的紙，且其技術(shù)在不斷發(fā)展和變化。④有關(guān)填料含量的上限。定義中提到了填料含量應(yīng)該是一個(gè)相對(duì)量，那么高填料紙中的填料含量是否具有上限?從紙張的定義來看，并沒有規(guī)定或者涉及到有關(guān)填料含量的問題，對(duì)于傳統(tǒng)紙張而言，若將纖維作為紙張的主要成分，則其比例至少應(yīng)該達(dá)到50%，即填料含量最多到50%。當(dāng)然，有關(guān)紙張中填料含量是否具有上限的問題，在學(xué)術(shù)界目前還存有爭議。

2 紙張?zhí)盍虾康淖兓厔?/h2>

提高紙張?zhí)盍虾克鶐淼暮锰幉谎远?，因此，國?nèi)外各造紙企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)都在通過各種技術(shù)來提高紙產(chǎn)品中的填料含量。如表1所示，從1970年到2000年，文化用紙?zhí)盍虾繋缀醴艘环@足以說明提高填料用量已成為企業(yè)追求的目標(biāo)之一。

表1 不同紙種填料用量趨勢變化［1］

世界造紙工業(yè)強(qiáng)國早已開始進(jìn)行有關(guān)提高紙張?zhí)盍虾康难芯浚⒊雠_(tái)了一些導(dǎo)向性的規(guī)劃。2010年，美國制定的林產(chǎn)品工業(yè)技術(shù)規(guī)劃中，提出了開展功能性高填料紙的研究。該研究作為未來林產(chǎn)品工業(yè)的研究項(xiàng)目中期研究目標(biāo)之一。同時(shí)該研究的最終目標(biāo)是使進(jìn)入干燥部紙幅的干度提高到65%(該指標(biāo)還需要其他方法共同實(shí)現(xiàn))。同時(shí)，在提高填料含量的同時(shí)，提高成紙松厚度，但對(duì)成紙平滑度、其他物理強(qiáng)度性能及紙機(jī)運(yùn)行性能不能有負(fù)面影響。美國特種礦物公司的Fulfill技術(shù)，通過調(diào)控填料表面形態(tài)和聚集體形態(tài) (見圖1)，開發(fā)出了多套加填技術(shù)，可在原有生產(chǎn)條件下使紙張中的填料含量有不同程度的提高，同時(shí)成紙的物理性能、紙料的留著性能、濾水性能及紙機(jī)的運(yùn)行性能等方面也得到了改善。

加拿大、芬蘭等國家在近幾年也紛紛開展了有關(guān)高填料紙技術(shù)的研究。如加拿大林產(chǎn)品創(chuàng)新研究中心(FPInnovations)制造的新一代高填料印刷紙 (Next generation paper)其填料含量可達(dá)50%。一些著名的化學(xué)品公司，如Nalco(納爾科)公司的FillerTEK技術(shù)可使成紙?zhí)盍虾刻岣?個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)對(duì)紙張強(qiáng)度、光學(xué)性能以及印刷適性等重要性能沒有負(fù)面影響。該技術(shù)通過填料的預(yù)絮聚控制絮聚體粒徑大小、分布及絮聚體的穩(wěn)定性來降低填料對(duì)成紙的負(fù)面影響。處理后填料的表面形貌和加填紙性能測試結(jié)果見圖2和表2。

圖1 美國特種礦物公司的Fulfill技術(shù)中不同系列的填料表面形貌［2］

圖2 采用Nalco FillerTEK技術(shù)對(duì)填料處理前后填料粒徑的變化［2］

目前我國許多造紙廠也通過各種方法來提高紙張?zhí)盍虾?，但只有少?shù)造紙廠可使紙張中的填料含量達(dá)到30%以上。面對(duì)世界造紙強(qiáng)國近幾年在開發(fā)高填料紙領(lǐng)域開展的研究和應(yīng)用，我國造紙廠和研究機(jī)構(gòu)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求，通過技術(shù)整合和創(chuàng)新，提高不同紙種現(xiàn)有的填料含量，來提升我國紙品的競爭力。

3 開發(fā)高填料紙需要權(quán)衡的幾個(gè)問題

開發(fā)高填料紙的實(shí)質(zhì)是進(jìn)一步提高不同紙種現(xiàn)有的填料含量水平。雖然提高填料含量在節(jié)能降耗、降低成本方面具有較大優(yōu)勢，但還需要權(quán)衡加填量提高與造紙機(jī)濕部、成紙性能變化及固體廢棄物排放等之間所形成的矛盾。這也是開發(fā)高填料紙必須面對(duì)和思考的問題。

3.1 提高填料含量與成紙性能之間的矛盾

提高紙張中的填料含量通?？筛纳萍垙埞鈱W(xué)性能、表面性能及印刷適性，但填料在粒徑與粒徑分布、微觀形貌、比表面積等物理性質(zhì)方面的差異，對(duì)最終紙產(chǎn)品性能的影響也不盡相同。如偏三角面體的 PCC［4］和合成硅酸鈣［5-6］利于提高成紙松厚度和挺度，滑石粉可降低成紙的透氣度［7］等。此外，紙張的裂斷長、表面強(qiáng)度會(huì)隨著填料用量的提高而大幅降低，在高填料含量下尤其明顯。有時(shí)為了保證填料的高留著率而提高助留劑用量，易造成纖維-填料、填料-填料之間的過度絮聚，導(dǎo)致成紙勻度下降;另外，由于填料比表面積通常高于纖維，提高填料用量還需要考慮施膠障礙的問題。所以在提高填料用量的同時(shí)，如何減少填料對(duì)成紙性能的負(fù)面影響，尤其是對(duì)成紙強(qiáng)度性能的負(fù)面影響是制約高填料紙生產(chǎn)的主要瓶頸，也是開發(fā)高填料紙技術(shù)的關(guān)鍵之一。

3.2 提高填料含量與新增成本之間的矛盾

雖然用填料取代纖維可顯著降低成本，但為維持高填料紙的紙張強(qiáng)度，漿料的打漿度必定要高于常規(guī)漿料的打漿度。為保證填料的留著率，時(shí)常還需要采用質(zhì)量和性能更好的化學(xué)品，甚至增加化學(xué)品的用量。這些新增成本與用填料替代部分纖維所造成的原料和能耗節(jié)約的成本需要進(jìn)行權(quán)衡和評(píng)估，這也是開發(fā)高填料紙時(shí)應(yīng)該重視的問題。

表2 應(yīng)用FillerTEK技術(shù)進(jìn)行填料處理前后加填紙性能對(duì)比［3］

3.3 提高填料含量 (加填量)與濕部化學(xué)控制之間的矛盾

在相同留著水平下，要增加紙張?zhí)盍虾勘厝灰岣呒犹盍?，但加填量的提高意味著更多的填料?huì)流失到白水中。由于填料的比表面積通常比纖維大，所以更多的施膠劑和染料等化學(xué)助劑會(huì)被填料粒子優(yōu)先吸附，即使是現(xiàn)有的留著水平 (60% ～70%)也會(huì)流失大量的化學(xué)品。這些化學(xué)品隨白水在造紙機(jī)濕部循環(huán)，導(dǎo)致白水負(fù)荷提高，產(chǎn)生濕部控制的問題。另外，白水負(fù)荷過大，白水處理也是需要關(guān)注的問題。因此，提高填料含量的關(guān)鍵在于提高填料的留著率，這不僅要通過優(yōu)化助留體系來實(shí)現(xiàn)，而且可能還需要通過其他技術(shù)方法，如填料的預(yù)絮聚技術(shù)，改變填料的加填方式等進(jìn)一步改善填料的留著，從而降低白水負(fù)荷，穩(wěn)定造紙機(jī)濕部參數(shù)。

3.4 提高填料含量與造紙機(jī)運(yùn)行性能之間的矛盾

在現(xiàn)有造紙機(jī)運(yùn)行條件下，提高填料含量會(huì)造成紙幅濕強(qiáng)度降低，影響紙機(jī)的運(yùn)行性能。過度增加紙張中填料含量，還可能會(huì)造成更多的填料粒子粘在壓榨部的毛毯上，增加毛毯的清洗難度，同時(shí)還有可能在烘缸處 (表面施膠前)出現(xiàn)掉粉問題。所以開發(fā)高填料紙時(shí)應(yīng)充分考慮現(xiàn)有造紙機(jī)裝備水平，通過多方面技術(shù)創(chuàng)新來達(dá)到提高填料含量的目的。

3.5 提高填料含量與廢紙和損紙回用的矛盾

文化用紙?zhí)盍虾康闹饾u提高使得廢紙中填料含量也會(huì)相應(yīng)地提高，而廢紙回用過程中涉及到碎漿、除渣、浮選等工藝流程，在此過程中填料以污泥的形式與其他雜質(zhì)大量流失在廢紙制漿系統(tǒng)之外，增加工廠排污成本并給環(huán)境帶來壓力。在浮選流程中添加抑制劑雖可以減少填料的流失，但是在廢紙漿料中保留過多的填料又需要考慮廢紙漿的成紙性能、造紙機(jī)濕部控制與造紙機(jī)運(yùn)行性能等問題。所以紙張?zhí)盍虾康奶嵘臻g還需要依靠未來廢紙回用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，滿足生產(chǎn)成本、環(huán)境壓力的要求。另一方面，高填料紙的生產(chǎn)可能還需要考慮造紙系統(tǒng)損紙的處理。損紙的處理通常還要經(jīng)過碎漿、除渣等流程，此過程又會(huì)造成填料的損失，導(dǎo)致廢棄固體排放量的升高。從維持生產(chǎn)穩(wěn)定性方面講，高填料紙的生產(chǎn)更需要注重造紙機(jī)的運(yùn)行性能，否則上述問題可能會(huì)抑制填料含量的提高。

4 開發(fā)高填料紙需要轉(zhuǎn)變原有思路

在生產(chǎn)成本方面高填料紙具有較大優(yōu)勢，但是，高填料紙的開發(fā)不應(yīng)僅僅局限于以提高填料含量、降低生產(chǎn)成本為目的，而應(yīng)該以改善成紙性能、增加紙品的功能性為主要目的。所以高填料紙的開發(fā)除了需要較好地權(quán)衡上述所提及的矛盾外，還應(yīng)該對(duì)其重新認(rèn)識(shí)與思考。

4.1 填料應(yīng)由天然填料向工程填料轉(zhuǎn)變

這里所提及的天然填料是指通過開采天然礦藏并經(jīng)機(jī)械加工所獲得的填料，如GCC、滑石粉、石膏、鈦白粉等。這類填料形態(tài)單一，生產(chǎn)成本較高，表面化學(xué)性質(zhì)隨開采地的不同而變化等，導(dǎo)致其應(yīng)用受到一定的限制。工程填料通常是指采用化學(xué)反應(yīng)合成的具有可控形貌、粒徑與粒徑分布以及表面化學(xué)性質(zhì)的一類填料，如PCC、合成硅酸鈣等。與天然填料相比，工程填料不僅可以實(shí)現(xiàn)改善成紙性能的目的，還能在造紙廠內(nèi)獨(dú)立進(jìn)行合成生產(chǎn)，既能降低生產(chǎn)成本，又能滿足成紙要求。另外，通過對(duì)傳統(tǒng)填料進(jìn)行物理或化學(xué)改性，改變填料的物理和化學(xué)性質(zhì)，從而減弱填料對(duì)成紙強(qiáng)度的負(fù)面影響，甚至使填料能與纖維產(chǎn)生結(jié)合 (即bonding filler)，這些都為提高紙張?zhí)盍虾刻峁┝藯l件。工程填料在填料物理化學(xué)性質(zhì)的控制方面可操作性更強(qiáng)，國內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了大量研究，并取得了豐碩的成果［8-10］，這些都為高填料紙的開發(fā)提供了條件。

4.2 由單純制造高填料紙向制造功能紙轉(zhuǎn)變

研發(fā)高填料紙還要考慮到利用不同填料自身的特性，以開發(fā)出具有一定功能性的高填料紙，以滿足市場需求，提升紙品的利潤空間。如多孔硅酸鈣填料［11］在提高紙張松厚度方面具有明顯的優(yōu)勢，與未加填紙張相比，使用多孔硅酸鈣作為填料，當(dāng)填料用量為20%時(shí)，紙張的松厚度可提高50%以上，并且工廠中試表明，紙張中填料含量可以達(dá)到40%以上，這為高填料輕型紙的開發(fā)提供了新的技術(shù)方案。當(dāng)然，許多填料本身還具有很多特殊的性質(zhì)，如抗菌、除臭、保溫、隔熱等功能［12］，將這些能夠賦予紙張功能性的填料應(yīng)用于高填料紙，開發(fā)出新型功能性紙基材料，具有更大的應(yīng)用潛力。

4.3 提高加填技術(shù)的可操作性與適應(yīng)性

由于填料的化學(xué)組成和物理性質(zhì) (粒徑與粒徑分布、比表面積、形貌等)不同，加填后其成紙性能存在很大差異，根據(jù)對(duì)成紙性能的影響程度來優(yōu)選填料的種類和性質(zhì)是開發(fā)高填料紙不可忽視的一部分。同時(shí)因?yàn)樘盍系男再|(zhì)不同，開發(fā)高填料紙時(shí)所采用的處理方式也存在差別。不同造紙廠選用填料也是根據(jù)填料成本以及對(duì)紙張性能的要求來選擇的，也許最佳填料對(duì)某些紙廠并非為最優(yōu)選擇。所以還應(yīng)嘗試從填料自身的特性出發(fā)，探索利用不同的高加填技術(shù)提高不同填料在紙張中的含量。

由于我國各個(gè)造紙廠的造紙機(jī)裝備水平、生產(chǎn)紙種不同，僅靠一套高填料紙技術(shù) (方法)不可能解決和滿足所有紙廠的問題與需求。所以高填料紙的開發(fā)應(yīng)考慮到實(shí)際應(yīng)用過程的可操作性。高填料紙的應(yīng)用還需依靠多種技術(shù)的創(chuàng)新和融合，這一方面需要對(duì)纖維-填料-聚合物的相互作用關(guān)系進(jìn)一步加深理解，并通過改進(jìn)現(xiàn)有方法來提高我國不同紙種填料用量水平，以提升我國紙品的競爭力。

5 結(jié)語

雖然以提高紙張中的填料含量來替代價(jià)格相對(duì)較高的植物纖維在紙張光學(xué)性能、表面性能、濕部濾水、節(jié)約蒸汽與電力方面具有一定優(yōu)勢，但開發(fā)高填料紙還應(yīng)該倡導(dǎo)以改善成紙性能，賦予紙張功能性為目的，從而提升產(chǎn)品競爭力。同時(shí)，紙張中填料含量的增加對(duì)今后廢紙回用技術(shù)也提出了更高的要求。提高紙張?zhí)盍虾?，?yīng)充分考慮紙種的使用要求、環(huán)境的承載能力以及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，使技術(shù)與經(jīng)濟(jì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

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