纖維/填料共同磨漿對紙張性能的影響

宋順喜，強 盛，張美云，樊慧明，童樹華，郭小鋒

(1.陜西科技大學 輕工科學與工程學院 輕化工程國家級實驗教學示范中心 教育部輕化工助劑化學與技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710021；2.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院) 生物基材料與綠色造紙國家重點實驗室，山東 濟南 250353；3.華南理工大學 輕工科學與工程學院，廣東 廣州 510640；4.浙江金昌特種紙股份有限公司，浙江 龍游 324404；5.華邦古樓新材料有限公司，浙江 龍游 324400)

0 引言

無機礦物填料作為造紙工業(yè)使用的第二大原材料，在提高紙張光學性能和印刷適性，降低生產(chǎn)成本方面發(fā)揮著重要作用[1-3].然而，由于填料為無機礦物粉體，與植物纖維無法產(chǎn)生氫鍵結(jié)合，因此在紙張中填料添加過多的填料會顯著降低紙張強度性能[4-6]，進而影響紙張的生產(chǎn)和印刷適性.

為此，國內(nèi)外通過開發(fā)新型造紙?zhí)盍虾透呒犹罴夹g(shù)提高紙張中的填料含量.在填料形貌設(shè)計方面，當把沉淀碳酸鈣填料設(shè)計為針狀時[7]，加填紙具有更好的強度性能，而當形貌為偏三角面體時[6]，紙張光學性能更好，但強度性能會劣化；在填料表面改性方面，采用原位溶膠-凝膠法制備二氧化硅改性沉淀碳酸鈣[8]、淀粉包覆改性填料[9]、羧甲基纖維素/明礬復合包覆改性沉淀碳酸鈣[10]等方法均可實現(xiàn)在相同的紙張?zhí)盍虾肯拢行Ц纳萍垙埖膹姸刃阅?，但也會不同程度上損失紙張的光學性能.Subramanian等[11]制備的細小纖維-填料復合填料可顯著改善填料的留著和成紙強度，在相近的成紙抗張強度下，其填料含量可提高近10個百分點.但是，該技術(shù)中使用的細小纖維必須單獨制備，工藝復雜并且耗時，增加了工業(yè)化應(yīng)用的復雜性，難于推廣.因此，開發(fā)簡單可行的高加填技術(shù)對于節(jié)約纖維資源，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競爭力尤為重要.

因此，實驗以造紙工業(yè)中廣泛使用的沉淀碳酸鈣為填料，采用纖維與填料共磨的方法使纖維與填料形成復合結(jié)構(gòu)，研究了共磨加填對紙張結(jié)構(gòu)與性能的影響，以期為高填料紙的開發(fā)提供參考.

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

1.1.1 主要原料

漂白硫酸鹽針葉木漿板；助留劑采用陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)，美國納爾科化學公司，分子量600～700萬；沉淀碳酸鈣(Precipitated Calcium Carbonate,PCC)，形貌為偏三角面體，平均粒徑為3.3μm.

1.1.2 主要儀器

標準纖維疏解機，型號ZQS4，Lorentzen &Wettre公司；紙樣抄取器，ZQJ1-B ，陜西科技大學機械廠；紙頁壓榨機，ZQYC-200，陜西科技大學機械廠；厚度儀，DC-HJ Y03，四川長江造紙儀器有限責任公司；自動抗張強度測定儀，L&WSE-062，Lorentzen&Wettre公司；白度儀，四川長江造紙儀器有限責任公司YQ-Z-48B.

1.2 纖維/填料共磨漿料的制備

取30 g絕干漿料，采用去離子水浸泡24 h后，采用標準疏解機疏解5 000轉(zhuǎn)，將紙漿濃度調(diào)整為10%后，按照纖維與填料的絕干質(zhì)量比為6∶1、3∶1、2∶1、3∶2進行配漿，混合均勻后采用PFI磨漿機進行磨漿，磨漿間隙為0.15 mm，磨漿轉(zhuǎn)數(shù)為7 600 r，磨漿完成后，添加自來水，調(diào)節(jié)紙漿濃度為0.25%，待用.未共磨漿料的磨漿濃度與時間與共磨漿料相同，且磨漿過程中不添加填料.

1.3 紙頁的抄造與物理性能檢測

實驗制備的手抄片定量為70 g/m2抄造過程中，將共磨漿料混合均勻后，添加助留劑陽離子聚丙烯酰胺(CPAM，0.02%，相對于成紙定量)，攪拌15 s后，上網(wǎng)成形.通過調(diào)整纖維與填料質(zhì)量比可獲得不同的紙張?zhí)盍虾?為了便于對比，采用相同磨漿轉(zhuǎn)數(shù)下的漿料進行常規(guī)加填，即將填料直接加入磨漿后的漿料中，通過調(diào)節(jié)CPAM用量，使填料含量與采用共同磨漿制備的紙張?zhí)盍虾肯嘟?手抄片壓榨3 min，壓力為0.4 MPa.手抄片干燥采用抄片器自帶真空加熱干燥裝置，干燥時間為5 min.

紙張經(jīng)溫度與濕度平衡后，根據(jù)美國制漿造紙工業(yè)協(xié)會(TAPPI)檢測方法測定紙張的厚度(T411 om-89)、強度性能與光學性能(T220 sp-96)、成紙灰分(T413 om-93).為了避免碳酸鈣在灰分測定時發(fā)生分解，灼燒溫度采用525 ℃.

1.4 紙張表面形貌觀察

采用掃描電子顯微鏡對常規(guī)加填和共磨后的紙張表面進行觀察.樣品提前進行噴金處理，獲取圖像的加速電壓為3.0 kV.

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維與填料共磨對紙張性能的影響

2.1.1 松厚度

纖維與填料共同磨漿對紙張松厚度的影響如圖1所示.結(jié)果表明，與常規(guī)加填方式相比，采用纖維/填料共磨的方式會降低紙張松厚度.當紙張?zhí)盍虾繛?2%時，共磨加填紙張比常規(guī)加填紙張松厚度降低22.3%.此外，隨著填料含量的增加，兩種加填方式對紙張松厚度的影響趨勢也有所不同.常規(guī)加填紙張的松厚度隨著填料含量的增加略有提高，而共磨加填紙的松厚度略有下降.

圖1 加填方式對紙張松厚度的影響

填料對紙張松厚度的影響主要與填料的粒徑有關(guān).研究表明[12]，填料粒徑增加有利于提高紙張的松厚度.纖維與填料共同磨漿后，紙張松厚度下降的主要原因可能是在磨漿過程中，填料粒子破碎，填料粒徑降低，使填料粒子之間的包裹能力增加，因而在相同孔隙體積下填料填充能力增加所致.

2.1.2 強度性能

紙張的抗張強度對紙張印刷與加工性能有重要影響，圖2為不同加填方式對紙張抗張指數(shù)的影響.由圖2可知，隨著填料含量的增加，兩種加填方式下紙張的抗張強度均有所下降.在實驗條件下，當紙張?zhí)盍虾吭?0%左右時，兩種加填方式制備的紙張強度性能接近.隨著填料含量的增加，采用纖維與填料共磨方法制備的紙張強度優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來，說明纖維與填料共同磨漿的方式更適合于制備高填料紙張.當紙張抗張指數(shù)基本滿足膠版印刷紙的要求時，即26～28 N·m/g，共磨加填紙張的填料含量與常規(guī)加填紙張相比，填料含量提高9個百分點，所對應(yīng)的共磨加填紙張的填料含量高達32.6%，遠高于現(xiàn)有膠版印刷紙?zhí)盍虾克?15%～25%).

圖2 加填方式對紙張抗張指數(shù)的影響

在紙張中添加過多的填料往往會造成掉毛掉粉以及斷紙問題，因而普通文化用紙的填料含量一般控制在25%，甚至更低.加填導致紙張強度下降的原因主要有兩個，其一是由于填料作為無機組分，與纖維無法產(chǎn)生氫鍵結(jié)合，因此填料加入紙張中會破壞纖維結(jié)合，造成紙張強度下降；另一方面，在相同紙張定量下，填料含量的增加也導致纖維用量的降低，這本身也會導致紙張強度下降.采用纖維與填料共同磨漿的方法可使紙張在保持一定強度下，有效提高紙張?zhí)盍虾?，說明在共磨過程中，填料與纖維之間可能形成了復合結(jié)構(gòu).共磨過程中，磨漿機的高速水力剪切作用使碳酸鈣和其表面的水分發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生Ca-OH，Ca-O-Ca等基團，使填料表面產(chǎn)生強的羥基化作用[13]，從而有利于增加纖維與填料的結(jié)合.

不同加填方式對紙張撕裂指數(shù)的影響如圖3所示.由圖3可以看出，高填料含量下，隨著填料含量增加，紙張撕裂度整體呈下降趨勢.同時，與常規(guī)加填方式相比，共磨加填紙張的撕裂度有所下降.紙張撕裂強度不僅與纖維長度和纖維結(jié)合力相關(guān)，還受紙張挺度的影響.研究表明，紙張挺度與紙張厚度呈三次方關(guān)系[14]，因此提高紙張厚度可顯著改善紙張挺度，進而提高撕裂強度.與常規(guī)加填方式相比，纖維與填料共磨時紙張松厚度降低，導致挺度下降，因此撕裂指數(shù)低于常規(guī)加填紙張.

圖3 加填方式對紙張撕裂度的影響

2.1.3 光學性能

由于填料的白度比纖維高，因此加填可有效改善紙張的白度和不透明度，從而降低紙張印刷時出現(xiàn)透印的風險.不同加填方式對紙張白度和光散射系數(shù)的影響如圖4和圖5所示.

由圖4可以看出，提高紙張中的填料含量可顯著改善紙張的白度.當紙張?zhí)盍虾啃∮?0%時，采用共磨加填對紙張白度的改善作用較為明顯.隨著填料含量的增加，兩種加填方式對紙張白度的改善效果趨于一致.然而，采用共磨加填方式可有效改善紙張的光散射系數(shù)，如圖5所示.光散射系數(shù)的提高意味著紙張對光的散射能力增強，有利于提高紙張的不透明度，從而降低透印的風險.

圖4 加填方式對紙張白度的影響

圖5 加填方式對紙張光散射性能的影響

纖維和填料共磨對紙張白度和光散射性能的改善作用主要是由于填料粒子在共磨過程中粒徑減小所造成的.在相同填料含量下，粒徑降低意味著粒子數(shù)目的增加，紙張結(jié)構(gòu)中存在更多的填料與纖維的界面，增加了光路的反射和折射次數(shù)，提高了光散射效率，因此，共磨加填紙張的光散射系數(shù)高于常規(guī)加填紙張的光散射系數(shù).

2.2 微觀形貌

常規(guī)加填與共磨加填紙張的表面形貌如圖6所示.輕質(zhì)碳酸鈣作為一種合成填料，形貌為偏三角面體，填料由多個單一的填料粒子形成聚集體結(jié)構(gòu).磨漿后，碳酸鈣填料的聚集體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，填料多以單個粒子形式存在，填料比表面積增加，因而提高了紙張的光散射性能；同時，與常規(guī)加填紙張表面不同的是，共磨加填紙張表面填料與纖維之間相互穿插形成了復合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，紙張結(jié)構(gòu)更加緊密，因而有利于增加紙張網(wǎng)絡(luò)的強度.因此，采用纖維與填料共同磨漿的方式，可實現(xiàn)紙張強度與光學性能的雙重改善.

(a)常規(guī)加填

3 結(jié)論

(1)采用纖維與填料共同磨漿，可有效改善紙張抗張指數(shù).與常規(guī)加填紙張相比，當抗張指數(shù)在26～28 N·m/g時，共磨加填紙張的填料含量可提高9個百分點，填料含量高達32.6%.但是，紙張松厚度與撕裂指數(shù)有所下降.

(2)與常規(guī)加填方式相比，采用纖維與填料共磨有利于改善紙張的白度與光散射性能.當紙張?zhí)盍虾枯^低時，對紙張的白度改善作用更為明顯.

(3)共磨過程中，填料粒子發(fā)生破碎，纖維與填料形成的相互穿插的復合結(jié)構(gòu)是紙張強度和光學性能改善的主要原因.