微硅礦物粉性能分析及用做造紙填料的可行性研究

Property Analysis of Microsilicon Mineral Powder and Feasibility Study of Its Use as Paper Filler

劉建安¹ 董曉斌¹ 樊慧明¹ 齊亞楠¹ 高達¹

陳世盛²

(1、華南理工大學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有限公司，廣東清遠，511600)

摘要：微硅礦物粉是一種新型的無機材料。本文分析了微硅礦物粉的基本性能，對比GCC和滑石粉，初步研究了微硅礦物粉加填對紙頁性能的影響。結果表明微硅礦物粉具有做為造紙填料的基本性能，其對紙張性能的影響與GCC類似，但由于其白度低，適合于抄造白度要求不高的紙種。

關鍵詞：微硅礦物粉；填料；紙頁性能

Abstract: Microsilicon mineral powder is a new inorganic material. The paper analyzed basic properties of microsilicon mineral powder. Compared with GCC and talc, the effect of microsilicon mineral powder on the properties of paper was studied preliminarily. The results showed that the microsilicon mineral powder had the basic properties as the filler for papermaking. Its effect on the properties of paper is similar to that of GCC. However, because of its low whiteness, it is more suitable for paper species with low whiteness requirements.

Key words：Microsilica mineral powder; Filler; Paper propersity

填料是紙張中的第二大組分^[1]，加填可以改善紙頁的光學性質和印刷適性，滿足紙張某些特殊性能的要求；另一方面，填料的相對密度較大，價格便宜，在紙中可以代替部分纖維，從而可以節省纖維原料，降低生產成本。

微硅礦物粉是研發出來的一種新材料，本文通過分析微硅礦物粉的基本性能及初步的加填結果，研究其做造紙填料的可行性。

1、實驗

1.1實驗原料

微硅礦物粉：廣東蓋特奇新材料科技有限公司

漂白針葉漿板：取自廣州造紙有限公司

陽離子聚丙烯酰胺：分析純，天津市科密化學試劑有限公司

聚丙烯酰胺：分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司

瓜爾膠：工業純，取自牡丹江恒豐紙業有限公司

重質碳酸鈣（GCC）、滑石粉：取自廣東亞太森博漿紙有限公司

1.2實驗儀器

打漿機（PL4-2 中國咸陽）；紙頁手抄機（MESSMER 255 美國）；抗張強度儀（L&W CE062 瑞典L&W公司）；L&W耐破度測定儀（L&W CE180瑞典L&W公司）；L&W撕裂度儀（L&W 009 瑞典L&W公司）；耐折度儀（MIT/U21B 美國）；L&W白度儀（Elrepho 070 瑞典L&W公司）；塵埃勻度儀（2D LAB F/SENSOR 德國）；L&W紙張表面粗糙度儀（L&W CE165 瑞典L&W公司）；L&W厚度儀（L&W250 瑞典L&W公司）；可勃吸水性測試儀（ZB-Cobb125 杭州）；SZP 06流動電位法ZETA電位儀（SZP-06 德國）；粒度分析儀 (Malvern Master sizer 3000 英國）；掃描電鏡（ZEISS EVO 18 德國）

1.3 實驗方案

1.3.1 基本性能測試

分別對微硅礦物粉進行白度、密度、燒失量、粒徑分布、晶體結構、孔隙率、Zeta電位等基本性能進行測試。

1.3.2 加填性能測試

微硅礦物粉加填性能試驗方案如表1所示。

表1 加填性能試驗方案

將漂白針葉木商品漿板用打漿機打漿至43⁰SR，然后稀釋，依次加入施膠劑、增強劑、填料和助留劑，在抄片器上抄出所需要的紙樣。

對抄造的紙樣按標準測試方法分別檢測其抗張強度、撕裂強度、耐破度、耐折度、白度、表面粗糙度和表面強度（以拉毛速度表示）。

2、結果與討論

2.1 微硅礦物粉基本性能

微硅礦物粉基本性能檢測結果如表2和圖1、圖2所示。

表2 微硅礦物粉基本性能檢測結果

圖1 X射線多晶衍射儀分析結果

圖2 ZEISS掃描電鏡圖

從上述的結果可以看出，微硅礦物粉晶相中確定存在石英相SiO₂（FOM=0.8），可能存在莫來石相Al₂O₃-SiO₂（FOM=17）和硅線石Al2[SiO4]O相（FOM=16.8）。常見的滑石粉和高嶺土等填料均含有一定量的上述晶相^[2]。

通過ZEISS掃描電鏡檢測，可以明顯觀測到顆粒表面不光滑，吸附小型顆粒，這種形態加填在紙張中更有利于這種填料與纖維之間的結合。

微硅礦物粉在580°C馬弗爐中4小時，燒失量低于1%，顯然在紙張的生產條件下不會分解，同時在紙張灰分測定過程中基本不影響測量值。

2.2 與造紙常用填料性能對比

微硅礦物粉和造紙常用填料性能對比如表3所示。

表3 微硅礦物粉和造紙常用填料性能對比

說明：

（1）白度是干粉狀態下的白度；

（2）Zeta 電位，電導率，pH三項指標在各種填料20%固含量的懸浮液中測量，纖維0.5%濃度下測量。

從表3中可以看出，微硅礦物粉除了白度較低以外，折射率、密度、pH、吸油值（%）等指標均與GCC和滑石粉近似，Zeta電位較高，有利于填料懸浮液中顆粒的分散和輸送^[3]。

2.3 加填性能

2.3.1 強度性能

微硅礦物粉與GCC、滑石粉加填對紙張強度性能的影響如圖2~圖5所示。

圖2 不同填料對紙張抗張強度的影響圖3 不同填料對紙張撕裂強度的影響

圖4不同填料對紙張耐破強度的影響圖5 不同填料種類對紙張耐折度的影響

從圖2至圖5可以得知，微硅礦物粉加填對紙張強度的影響與常用填料GCC和滑石粉較為接近，沒有明顯的差別。隨著加填量的增加，紙張的強度性能均呈現下降趨勢。

2.3.2 印刷性能

微硅礦物粉與GCC、滑石粉加填對紙張印刷性能的影響如圖6~圖8所示。

圖6不同填料對紙張白度的影響圖7 不同填料對紙張表面粗糙度的影響

（樣品灰分約20%，使用高濃油墨，其中最大拉毛速度2m/s，拉力700N，單位：m/s）

圖8 不同填料對紙張表面強度的影響

從圖7、圖8可以看出，微硅礦物粉對紙張表面粗糙度的影響好于GCC和滑石粉，但對于紙張表面強度的影響不如滑石粉，與GCC差不多。

結論

1、微硅礦物粉其元素組成、晶相結構、密度、折射率等與常見的造紙填料類似，具有做為造紙填料的基本性能。

2、以針葉木漿為原料，所做的加填對比實驗表明，所做的加填料對比實驗表明，新型微硅礦物粉對紙張撕裂強度的影響類似碳酸鈣，優于滑石粉，低灰分條件下，對耐折度的影響優于滑石粉喝碳酸鈣，對其它的強度性能的影響與滑石粉喝碳酸鈣接近，從印刷性能的角度來看，微硅礦物粉對紙張表面粗糙的影響好于GCC喝滑石粉，但對于紙張表面的強度的影響不如滑石粉，與GCC差不多，微硅礦物粉對于紙張的強度性能、印刷性能的影響與造紙常用填料GCC和滑石粉接近，可以代替GCC等填料用于造紙加填中。

3、微硅礦物粉的白度為79%ISO，明顯低于常用造紙填料，因此微硅礦物粉更適合用于對于白度沒有要求或要求比較低的紙種，如包裝紙、砂管紙和新聞紙等。

參考文獻

[1] 何北海. 造紙原理與工程[M]. 中國輕工業出版社, 2010.

[2] 余開明, 江超, 余少華. 氧化鋁泡沫多孔陶瓷的制備[J]. 中國陶瓷, 2014(2):51-53.

[3] 周景輝. 紙張結構與印刷適性[M]. 中國輕工業出版社, 2013.

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