微硅礦物粉加填對紙張性能的影響

劉建安 董曉斌 樊慧明，* 高 達 齊亞楠 陳世盛

（1.華南理工大學(xué)造紙與污染控制國家工程研究中心，制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640；2.廣東利盈投資集團有限公司，廣東清遠，511600）

造紙行業(yè)中，無機填料的應(yīng)用十分廣泛，大多數(shù)紙種中都添加無機填料，如碳酸鈣、滑石粉等[1-2]。無機礦物填料的加入不僅能降低紙張的成本，同時也能改善紙張的表面性能和印刷效果[3-4]。微硅礦物粉是由非金屬礦石開采后余下的尾礦加工而成，主要化學(xué)成分為SiO2(71.23%)、Al2O3(16.57%)，主要晶相為莫來石相，其基本性能符合造紙?zhí)盍系囊骩5]。

本實驗以重質(zhì)碳酸鈣和滑石粉作參照，分析比較了微硅礦物粉加填到闊葉木漿、針葉木漿以及廢紙脫墨漿中，對紙張強度性能以及印刷性能的影響。

1 實 驗

1.1 原料

商品漂白闊葉木漿（打漿度36°SR，白度87.6%）、商品漂白針葉木漿（打漿度43°SR，白度85.5%）、廢紙脫墨漿（打漿度45°SR，白度56.3%），均取自廣州造紙股份有限公司；微硅礦物粉，白度79.1%、D50=10.3 μm，廣東蓋特奇新材料科技有限公司；重質(zhì)碳酸鈣（白度91.5%、D50=13.9 μm）、滑石粉（白度85.8%、D50=16.7 μm），廣東亞太森博漿紙有限公司；助留劑陽離子聚丙烯酰胺（CPAM），分析純，天津市科密化學(xué)試劑有限公司；施膠劑烷基烯酮二聚體（AKD），分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；增強劑瓜爾膠，工業(yè)純，牡丹江恒豐紙業(yè)有限公司。

1.2 主要儀器

CE062抗張強度儀，CE180耐破度測定儀，009撕裂度儀，MIT/U21B耐折度儀，CE165紙張表面粗糙度儀，CE165紙張表面粗糙度，250厚度儀，以上儀器均來自瑞典L&W公司；2D LAB F/SENSOR塵埃勻度儀，德國；PL4-2打漿機，中國；MESSMER 255紙頁抄片機，美國；Elrepho 070白度儀，瑞典。

表1 3種填料加填性能實驗方案

1.3 實驗方案

以闊葉木漿、針葉木漿以及廢紙脫墨漿為原料，對微硅礦物粉、重質(zhì)碳酸鈣和滑石粉分別進行加填實驗，實驗方案如表1所示。將所抄造的紙樣在標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕條件下[(23±1)℃,(50±2)%]平衡4 h后，分別按相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)檢測其抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)、耐折度、白度、表面粗糙度和表面強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 強度性能分析

3種填料在相同實驗條件下加填，不同加填量對紙張強度性能的影響如圖1～圖6所示。

圖1 不同填料對針葉木漿紙張抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)的影響

圖2 不同填料對針葉木漿紙張耐破指數(shù)、耐折度的影響

由圖1～圖6可以看出，隨著填料加入量的增加，所有紙樣的強度性能均呈現(xiàn)下降趨勢。這是由于填料加入到漿料中，附著在纖維的表面，阻礙了纖維之間的結(jié)合，而無機填料本身與纖維之間沒有結(jié)合能力，從而導(dǎo)致了紙張強度的下降[6]。

對比碳酸鈣和滑石粉，微硅礦物粉對紙張強度性能的影響基本相似，有的指標(biāo)比碳酸鈣好，如針葉木漿紙張的耐折度（見圖2），闊葉木漿紙張的撕裂度（見圖3）和耐破度（見圖4）；有的指標(biāo)比滑石粉好，如針葉木漿紙張的撕裂度（見圖1）、廢紙脫墨漿紙張的抗張強度和撕裂度（見圖5）；但加填微硅礦物粉的廢紙脫墨漿紙張的耐破度低于加填碳酸鈣和滑石粉的（見圖6）。

圖3 不同填料對闊葉木漿紙張抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)的影響

圖4 不同填料對闊葉木漿紙張耐破指數(shù)、耐折度的影響

圖5 不同填料對廢紙脫墨漿紙張抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)的影響

圖6 不同填料對廢紙脫墨漿紙張耐破指數(shù)、耐折度的影響

灰分含量對于微硅礦物粉的加填性能有明顯的影響。當(dāng)紙張的灰分含量比較低時，本實驗中低于15%時，微硅礦物粉加填對紙張的強度性能影響較小，紙張強度性能表現(xiàn)較好，但當(dāng)灰分含量大于15%后，紙張的大多數(shù)強度指標(biāo)下降較快。

2.2 印刷性能

3種填料在相同實驗條件下加填，不同加填量對紙張印刷性能的影響如圖7～圖12所示，其中，表面強度實驗所用高黏油墨最大拉毛速度為2 m/s，拉力為700 N，填料加填量均為15%。

圖7 不同填料對針葉木漿紙張白度、表面粗糙度的影響

微硅礦物粉白度低于碳酸鈣和滑石粉的白度，也低于漂白針葉木漿和闊葉木漿的白度，僅高于廢紙脫墨漿的白度，因此隨著微硅礦物粉加填量的增加，所抄針葉木漿和闊葉木漿紙樣的白度均下降（見圖7、圖9），而廢紙脫墨漿紙樣的白度上升（見圖11）。

圖8 不同填料對針葉木漿紙張表面強度的影響

圖9 不同填料對闊葉木漿紙張白度、表面粗糙度的影響

圖10 不同填料對闊葉木漿紙張表面強度的影響

由圖8和圖12可知，微硅礦物粉所抄針葉木漿紙樣與廢紙脫墨漿紙樣的表面強度低于碳酸鈣與滑石粉所抄紙樣的表面強度，而3種填料對于紙張表面粗糙度的影響基本相似。

圖11 不同填料對廢紙脫墨漿紙張白度、表面粗糙度的影響

圖12 不同填料對廢紙脫墨漿紙張表面強度的影響

由此可見，微硅礦物粉適合添加到對白度要求不高的紙張中，特別是無需印刷的包裝紙中[7]。

3 結(jié)論

本實驗以重質(zhì)碳酸鈣和滑石粉作參照，分析比較了微硅礦物粉加填對紙張強度性能及印刷性能的影響。

3.1 不同填料對比加填實驗中，無論是利用針葉木漿、闊葉木漿還是廢紙脫墨漿作為抄紙原料，微硅礦物粉對紙張性能的影響，除白度和臨界拉毛速度比其他兩種填料差之外，其他的強度性能、印刷性能與造紙常用的碳酸鈣和滑石粉對比各有優(yōu)缺點，對紙張性能的影響持平或介于碳酸鈣和滑石粉之間，有的指標(biāo)比碳酸鈣好，有的指標(biāo)比滑石粉好。

3.2 隨著灰分含量的增加，所有紙樣的強度性能均呈現(xiàn)下降的趨勢，但當(dāng)灰分含量大于15%時，微硅礦物粉加填的紙張強度性能相對于另兩種填料下降更為明顯。

3.3 由于填料白度的原因，微硅礦物粉作為填料更適合用于對紙張白度要求不高且不印刷的紙張中。