石膏晶須溶解抑制改性的初步研究

龐春霞，高玉杰，高立敏，車大軍

(天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300457)

石膏晶須溶解抑制改性的初步研究

龐春霞，高玉杰，高立敏，車大軍

(天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300457)

結(jié)合石膏晶須的結(jié)構(gòu)性能和特點(diǎn)，對(duì)石膏晶須溶解抑制改性進(jìn)行初步研究．分析石膏晶須經(jīng)改性劑TSNG改性后溶解度的變化，并研究添加改性晶須后紙頁(yè)白度、相關(guān)強(qiáng)度性質(zhì)及填料留著率的變化情況．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用改性劑TSNG對(duì)石膏晶須改性后可有效降低石膏晶須的溶解度；添加改性石膏晶須的紙頁(yè)能取得較好的白度，但紙頁(yè)強(qiáng)度有一定程度的降低．

石膏晶須；改性；填料；留著率

石膏晶須集增強(qiáng)纖維和超細(xì)無(wú)機(jī)填料二者的優(yōu)勢(shì)于一體，具有白度高、韌性好、強(qiáng)度高、易進(jìn)行表面處理和與一些聚合物有較強(qiáng)親和力等優(yōu)點(diǎn)，作為一種性能優(yōu)良的補(bǔ)強(qiáng)材料，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于橡膠、塑料、水泥、陶瓷等多種領(lǐng)域[1]．

將石膏晶須作為填料用于造紙工業(yè)，取代或部分代替不可再生的碳酸鈣或瓷土礦物填料，對(duì)于保護(hù)天然礦產(chǎn)資源、節(jié)約植物纖維資源、減少環(huán)境污染等方面具有十分重要的意義，可同時(shí)解決保護(hù)森林資源和石膏廢料利用兩大難題，前景十分廣闊[2]．但制約其造紙應(yīng)用的主要問(wèn)題是石膏晶須在水中有一定的溶解度．在濕法造紙環(huán)境下，不斷溶解的晶須進(jìn)入造紙白水循環(huán)系統(tǒng)，硫酸根離子、鈣離子等的惡性積累會(huì)造成設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢，影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行[3–4]．因此，要解決石膏晶須在造紙中的應(yīng)用問(wèn)題，首先必須有效解決其在水中的溶解問(wèn)題．本文針對(duì)石膏晶須本身溶解度較高的特點(diǎn)，研究改性劑TSNG對(duì)石膏晶須的溶解抑制改性方法及改性晶須對(duì)抄紙過(guò)程、紙張性質(zhì)等的影響．

1 材料與方法

1.1 原料

漂白針葉木漿板，山東泉林紙業(yè)；石膏晶須，河南洛陽(yáng)亮東非金屬材料科技開(kāi)發(fā)有限公司；改性劑TSNG，天津市江天化工有限公司．

1.2 儀器與設(shè)備

HB43型自動(dòng)快速水分測(cè)定儀，美國(guó)Mettler-Toledo公司；DZKW–3型恒溫水浴裝置，余姚工業(yè)儀表二廠；ZQS2–23型瓦利打漿機(jī)，西北輕工業(yè)學(xué)院機(jī)

械廠；KRK SE0808098型濕紙頁(yè)壓榨機(jī)、NO.7047.S型標(biāo)準(zhǔn)紙頁(yè)成型器，英國(guó)MAVIS公司；ZDJ–100型打漿度測(cè)定儀，國(guó)營(yíng)宜賓造紙廠；970154型漿料疏解器、SE062型抗張強(qiáng)度測(cè)定儀、SE009型撕裂強(qiáng)度測(cè)定儀、969920型耐破強(qiáng)度測(cè)定儀、紙張白度測(cè)定儀，瑞典Lorentzen & Wettre公司；TD908–1型耐折度測(cè)定儀，美國(guó)Tinius olsen公司．

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 石膏晶須溶解度的測(cè)定及手抄片制備

使用改性劑TSNG對(duì)石膏晶須進(jìn)行不同條件的改性處理．

溶解度的測(cè)定：稱取2,g絕干石膏晶須，用100,mL蒸餾水溶解，在20,℃下充分溶解6,h后過(guò)濾，得石膏晶須溶液．用質(zhì)量為m1的稱量瓶接取部分濾液，稱量稱量瓶與濾液的總質(zhì)量m2，在烘箱內(nèi)烘干至恒質(zhì)量后，稱取稱量瓶與殘余物的總質(zhì)量m3．通過(guò)計(jì)算確定石膏晶須溶解度S．

將經(jīng)改性處理過(guò)的晶須與針葉木漿(打漿度為35°SR)混合后以相同條件進(jìn)行抄紙．按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法檢測(cè)成品紙的有關(guān)指標(biāo)．

1.3.2 紙頁(yè)物理性能的測(cè)定[5]

紙頁(yè)按照GB/T 10739—1989《紙漿、紙和紙板試樣處理和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)大氣》中相關(guān)規(guī)定經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕處理，根據(jù)GB/T 453—1989《紙和紙板抗張強(qiáng)度的測(cè)定法(恒速加荷法)》進(jìn)行抗張指數(shù)測(cè)定；根據(jù)GB/T 1539—2007《紙和紙板耐破度的測(cè)定》測(cè)定手抄片的耐破強(qiáng)度；根據(jù)QB/T 1050—1998《紙和紙板撕裂度的測(cè)定》測(cè)定手抄片的撕裂強(qiáng)度；根據(jù)QB/T 1049—1998《紙和紙板耐折度的測(cè)定》測(cè)定手抄片的耐折度；根據(jù)GB/T 7974—2002《紙、紙板和紙漿亮度(白度)的測(cè)定》測(cè)定手抄片的白度；按照GB/T 742—2008《紙漿灰分的測(cè)定》進(jìn)行填料留著率測(cè)定．

2 結(jié)果與討論

2.1 改性劑TSNG對(duì)石膏晶須溶解度的影響

在室溫條件下，未改性石膏晶須溶解度為0.292,4,g(本實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù))．石膏晶須相對(duì)較高的水溶性對(duì)抄紙時(shí)石膏晶須的留著和應(yīng)用效果將具有不利影響，因此必須對(duì)其進(jìn)行改性處理．

2.1.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)石膏晶須溶解度的影響

在石膏晶須用量2,g、改性劑TSNG用量0.11,g、反應(yīng)溫度20,℃情況下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)石膏晶須溶解度的影響，結(jié)果如圖1所示．由圖1可知：石膏晶須的溶解度隨反應(yīng)時(shí)間的增加，整體上呈逐漸下降的趨勢(shì)，在10,min時(shí)溶解度有個(gè)極大值，極有可能是此時(shí)反應(yīng)物還未反應(yīng)完全．反應(yīng)時(shí)間為30,min后，晶須的溶解度基本上變化不大．根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可認(rèn)為改性劑TSNG和石膏晶須的最佳反應(yīng)時(shí)間為30,min．

2.1.2 反應(yīng)溫度對(duì)石膏晶須溶解度的影響

在石膏晶須用量2,g、改性劑TSNG用量0.11,g、反應(yīng)時(shí)間30,min情況下，反應(yīng)溫度由20,℃逐漸升高到60,℃，考察反應(yīng)溫度對(duì)石膏晶須溶解度的影響，結(jié)果如圖2所示．

由圖2可知：反應(yīng)溫度對(duì)石膏晶須改性后的溶解度有較明顯的影響．改性石膏晶須的溶解度均較未改性時(shí)有顯著的降低，在反應(yīng)溫度為40,℃時(shí)晶須的溶解度達(dá)到最低值0.179,6,g．就溶解度方面考慮，可以認(rèn)為采用40,℃是TSNG溶解抑制改性的適宜反應(yīng)溫度．

2.1.3 改性劑用量對(duì)石膏晶須溶解度的影響

在石膏晶須用量2,g、反應(yīng)時(shí)間30,min、反應(yīng)溫度40,℃的情況下，考察改性劑用量對(duì)石膏晶須溶解

度的影響，結(jié)果如圖3所示．

由圖3可知：隨著改性劑TSNG用量從0.20,g增加至1.60,g，石膏晶須的溶解度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)．從溶解度方面考慮，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增加改性劑TSNG的用量有利于降低石膏晶須的溶解度，從而有利于改善石膏晶須造紙時(shí)的留著．但改性劑用量的增加必然會(huì)增加晶須的改性成本．

2.2 TSNG改性對(duì)石膏晶須抄紙性能的影響

2.2.1 改性反應(yīng)溫度對(duì)石膏晶須紙頁(yè)性能的影響

控制改性反應(yīng)時(shí)間為30,min、改性劑用量0.6,g，在不同反應(yīng)溫度下制備改性晶須．添加20%改性晶須，進(jìn)行紙張的抄造(0#樣品為對(duì)比樣，添加了20%未改性石膏晶須；1#—5#樣品分別添加反應(yīng)溫度為20、30、40、50、60,℃的改性晶須)，考察改性反應(yīng)溫度對(duì)紙頁(yè)物理性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表1．

由表1可知：石膏晶須經(jīng)TSNG改性后，總體上紙頁(yè)的抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)、耐折度等強(qiáng)度指標(biāo)均有一定程度的降低．紙頁(yè)的耐折度隨反應(yīng)溫度的升高有所波動(dòng)，30,℃時(shí)紙頁(yè)耐折度較高，其他反應(yīng)溫度時(shí)耐折度都基本相當(dāng)．雖然紙頁(yè)的撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)、抗張指數(shù)都較添加未改性晶須時(shí)有所下降，但在反應(yīng)溫度為30,℃時(shí)，3個(gè)指標(biāo)均維持在較高的水平．就紙頁(yè)強(qiáng)度指標(biāo)而言，TSNG改性的適宜反應(yīng)溫度為30,℃．結(jié)合晶須溶解度方面綜合考慮，TSNG改性的反應(yīng)溫度可取30～40,℃并偏向40,℃，此時(shí)可以在取得較低晶須溶解度的基礎(chǔ)上保持較高的紙頁(yè)強(qiáng)度．

反應(yīng)溫度對(duì)紙頁(yè)白度的影響見(jiàn)表2．

由表2可知：在其他條件相同的情況下，將石膏晶須進(jìn)行TSNG改性后可在一定程度上改善紙頁(yè)白度．同時(shí)，隨著改性反應(yīng)溫度的升高，紙頁(yè)的白度也有所提高但變化不是特別明顯，可以肯定的是，晶須經(jīng)TSNG改性后不會(huì)影響抄紙白度．

反應(yīng)溫度對(duì)填料留著率的影響如圖4所示．

由圖4可知：石膏晶須經(jīng)TSNG改性后，可使填料留著率有一定的提高．留著率隨反應(yīng)溫度的變化比較復(fù)雜，但可以看出反應(yīng)溫度為40,℃時(shí)，留著率較高，反應(yīng)溫度為30,℃時(shí)，填料留著率相對(duì)較低，此結(jié)果與反應(yīng)溫度對(duì)溶解度的影響結(jié)果表現(xiàn)一致，據(jù)此可以認(rèn)為，石膏晶須的溶解度將對(duì)其抄紙留著率有重要的影響．

2.2.2 改性反應(yīng)時(shí)間對(duì)石膏晶須紙頁(yè)性能的影響

控制改性反應(yīng)溫度為40,℃、改性劑用量0.6,g，在不同反應(yīng)時(shí)間下制備改性晶須．添加20%改性晶須，進(jìn)行紙張的抄造(1A#樣品為對(duì)比樣，添加了20%未改性石膏晶須；2A#—5A#樣品分別添加反應(yīng)時(shí)間為2、10、30、60,min的改性晶須)，考察改性反應(yīng)時(shí)間對(duì)紙頁(yè)物理性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表3．

由表3可以看出：紙頁(yè)在添加TSNG改性石膏晶須后，抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)、耐折度都有所下降，尤其是耐折度和抗張指數(shù)下降較明顯．雖然添加不同改性反應(yīng)時(shí)間的改性晶須時(shí)，紙頁(yè)的相關(guān)強(qiáng)度指標(biāo)有所波動(dòng)，但總體上變化不大．可以認(rèn)為，石膏晶須和改性劑TSNG的反應(yīng)時(shí)間對(duì)紙頁(yè)的強(qiáng)度性能基本上沒(méi)有影響，因而在決定石膏晶須的改性反應(yīng)時(shí)間時(shí)可主要考慮解決晶須的溶解度問(wèn)題．

反應(yīng)時(shí)間對(duì)紙頁(yè)白度的影響見(jiàn)表4．由表4可知：石膏晶須經(jīng)TSNG改性后添加可在一定范圍內(nèi)提高紙頁(yè)的白度，或者說(shuō)改性反應(yīng)不會(huì)影響晶須添加的抄紙白度．同時(shí)可以看出，添加不同改性反應(yīng)時(shí)間的改性晶須后，紙頁(yè)的白度基本上沒(méi)有太大的差別，即在一定范圍內(nèi)石膏晶須的改性反應(yīng)時(shí)間對(duì)紙頁(yè)白度的影響不大．

反應(yīng)時(shí)間對(duì)填料留著率的影響如圖5所示．由圖5可知：石膏晶須經(jīng)TSNG改性后由于可以減少石膏晶須的溶解，使晶須的填料留著率有較大的提高；改性反應(yīng)時(shí)間對(duì)填料留著率的影響不是很大．改性劑TSNG與石膏晶須的反應(yīng)時(shí)間從2,min延長(zhǎng)至60,min時(shí)，填料的留著率基本上變化不大．

2.2.3 改性劑用量對(duì)紙頁(yè)性能的影響

控制改性反應(yīng)時(shí)間為30,min、改性反應(yīng)溫度為40,℃，在不同改性劑用量下制備改性晶須．添加20%改性晶須，進(jìn)行紙張的抄造(1Y#樣品為對(duì)比樣，添加了20%未改性石膏晶須；2Y#—5Y#樣品分別添加改性劑用量為0.5、1.0、2.0、3.0,g的改性晶須)，考察改性劑用量對(duì)紙頁(yè)物理性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表5．由表5可知：隨著改性劑用量的增加，紙頁(yè)的抗張指數(shù)、耐破指數(shù)及耐折度均有一定程度的降低，其中耐折度下降的更加明顯；撕裂指數(shù)隨著改性劑用量的增加表現(xiàn)為有所增加或基本持平．

改性劑用量對(duì)紙頁(yè)白度的影響見(jiàn)表6．由表6可知：在其他條件相同的情況下，采用未改性石膏晶須添加后紙頁(yè)的白度相對(duì)最小，改性后紙頁(yè)白度有一定提高．而且，隨著改性劑用量的增加，紙頁(yè)的白度逐漸提高．所以就紙頁(yè)白度而言，采用改性劑TSNG對(duì)石膏晶須進(jìn)行改性后添加有利于提高紙頁(yè)白度．

改性劑用量對(duì)填料留著率的影響如圖6所示，適當(dāng)增加改性劑用量，有利于提高抄紙時(shí)的填料留著率．在一定范圍內(nèi)，填料留著率隨著改性劑TSNG用量的增加而增加．石膏晶須經(jīng)TSNG改性后，在一定程度上改變了晶須的表面性質(zhì)，降低了石膏晶須的溶解度，從而有利于提高填料留著率．

3 結(jié) 論

(1)改性劑TSNG可對(duì)石膏晶須的溶解度產(chǎn)生有效的抑制作用．從溶解度方面考慮，石膏晶須TSNG改性的最佳反應(yīng)時(shí)間為30,min，反應(yīng)溫度為40,℃，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增加改性劑用量，可更多地降低晶須溶解度．

(2)石膏晶須經(jīng)TSNG改性后，可提高紙頁(yè)的白度．改性反應(yīng)時(shí)間及反應(yīng)溫度對(duì)紙頁(yè)白度影響不大，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)提高改性劑用量能獲得更高的白度；晶須經(jīng)TSNG改性后，會(huì)使紙頁(yè)強(qiáng)度有所降低；改性反應(yīng)溫度為30～40,℃時(shí)可取得較好的紙頁(yè)強(qiáng)度，增加改性劑用量不利于紙頁(yè)強(qiáng)度性能的改善．

(3)石膏晶須經(jīng)TSNG改性后，填料留著率有一定程度的提高．適當(dāng)提高改性劑用量有利于提高晶須的填料留著率；改性反應(yīng)溫度為40,℃時(shí)填料留著率相對(duì)較高；改性反應(yīng)時(shí)間對(duì)填料留著率的影響不大．

［1］ 石巖，謝來(lái)蘇. 一種新型造紙?jiān)希菏辔⒗w[J]. 西南造紙，2000，29(6)：18.

［2］ 劉菲菲，王玉瓏，覃盛濤，等. 硫酸鈣晶須溶解抑制改性及其在紙張中的應(yīng)用[J]. 湖南造紙，2012(1)：21–23.

［3］ 王力，莊春艷，主曦曦，等. 復(fù)合改性劑對(duì)硫酸鈣晶須的表面改性及溶解抑制研究[J]. 功能材料，2012，43(14)：1833–1836. .

［4］ 廖夏林，錢學(xué)仁，何北海. 石膏晶須的溶解抑制改性及在造紙中的應(yīng)用[J]. 造紙科學(xué)與技術(shù)，2010，29(6)：82–86.

［5］ 石淑蘭，何福望. 制漿造紙分析與檢測(cè)[M]. 北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2003.

責(zé)任編輯：周建軍

Dissolving Inhibition of Gypsum Whiskers

PANG Chunxia，GAO Yujie，GAO Limin，CHE Dajun
(Tianjin Key Laboratory of Pulp and Paper，College of Material Science and Chemical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China)

The dissolving inhibition of gypsum whiskers in water was studied based on the structure and characteristics of gypsum whisker. TSNG was adopted as the inhibitor to reduce the solubility of the whiskers. The changes of the solubility of whiskers，the brightness and the strength of papersheet after filling the modified whiskers，and the retention of the whiskers as fillers were investigated in detail. The experimental results showed that the inhibitor TSNG can reduce the solubility of gypsum whiskers effectively. The papersheets filled with modified gypsum whiskers can keep high brightness，while the strength was reduced to a certain extent.

gypsum whisker；modification；filler；retention

O614.23+1

A

1672-6510(2014)06-0041-05

10.13364/j.issn.1672-6510.2014.06.009

2014–02–26；

2014–05–22

龐春霞（1990—），女，重慶人，碩士研究生；通信作者：高玉杰，教授，yujie@tust.edu.cn.