硅灰石作为造纸填料的研究

　　在过去的二三十年间，造纸工业的下列发展趋势使得湿部化学更为复杂，促使人们不断加强和优化湿部化学控制。主要包括：(1)纸机速度的不断提高;(2)夹网和顶网的应用;(3)二次纤维用量的增加;(4)定量越来越低;(5)由酸性向碱性抄造条件的转变;(6)白水回用量的提高;(7)湿部助剂成本的降低;(8)高质量纸的追求。

　　前四个趋势致使获得高的单程留着更加困难，由酸性向碱性抄造条件的转变需要提高单程留着，随着白水回用量的提高，许多干扰物质不断积累，使湿部化学现象变得复杂，最后两个趋势显然是要提高湿部添加剂的效率。随着人们对高填料纸张的追求，人们同时也面临着对于填料留着方面的挑战。

　　要达到使用填料的目的和经济性，这不仅取决于填料留着率，还取决于它在纸页中的分布情况，低的填料留着率，填料的过分絮聚及其分布的两面差都会影响到纸产品的白度、不透明度、光泽度、强度、尘埃度等主要质量品质。只有寻求在助留体系，填料，施胶和增强树脂技术上的进步才有机会克服高加填量的消极影响。许多新型结构的填料已经被开发，能大大降低加填对强度和施胶造成的不利影响，微粒聚合物助留体系可以很容易地获得较高的填料留着率而无损纸机的运行和纸页特征。

　　近些年来，造纸湿部化学研究有了很大的进展，造纸助留助滤体系有了较快的发展，提高填料留着率成了大家关注的课题。填料作为一种惰性物质，能够直接影响纤维间的结合，因此加入填料对纸张的大部分机械强度有不利影响。填料颗粒的大小及形状决定其对纸张机械强度的影响程度。加入粉煤灰使纸张的物理强度比加高岭土的稍低，这是因为粉煤灰的颗粒较大及形状不规则。粉煤灰和高岭土的主要成分都是SiO2和Al2O3。

　　将粉煤灰作为造纸填料有四大优势：(1)与其他造纸填料相比，粉煤灰价格较低，有望将造纸生产成本降低3%～5%;(2)在用量一定时可使纸张达到更高的不透明度;(3)添加粉煤灰为填料的纸张的机械强度高于添加高岭土的纸张;(4)粉煤灰是一种主要的固体垃圾，确保其合理利用可以避免对环境的污染。

　　有研究表明，工业固废粉煤灰可作为瓦楞原纸填料的替代品，在瓦楞原纸中的最大用量为10%，糊化阳离子淀粉溶液的加入量为1.5%时，可获得较好质量的产品。还有相关研究表明，随着填料量的增加(从0%~21.5%)，粉煤灰与高岭土相比，其成纸耐破指数、抗张指数变化趋势相似，撕裂指数和纸张不透明度稍好于高岭土，而白度却明显低于高岭土。从固体废物粉煤灰的吸附机理看，主要有物理吸附和化学吸附两种。这两种作用同时存在，但在不同条件下表现出的优势不同。

　　同时，可吸附纸浆中细小纤维，使白水中细小纤维含量减少。另外，有些颗粒以多孔性玻璃体为主，纤维可以留着在颗粒与颗粒之间的孔中，从而使填料留着在纸内，减少纤维的损失。由此可知，使用粉煤灰作为造纸填料时加填量同样不能太高。一般在抄造新闻纸、箱板纸、瓦楞原纸、包装纸、灰底白纸板等对白度要求比较低的纸种时，按要求加入相应颜色的粉煤灰。目前还处于实验室研究阶段，未见有工业应用方面的报道。

　　为了增加填料用量而又不影响纸张性质，人们提出改变填料的结构，使它们的行为更类似纤维。这样的填料会有更高的留着率，同时也不会对纸张性质和纸机的运转性能有负面影响，这样就有可能用更多的填料取代价格较贵的纤维。纤维状硅灰石是一种链状偏硅酸钙矿物，分子式为CaSiO3或Ca3(Si3O9)，理论化学成分为SiO2含量40%~50%，CaO含量45%～50%，Al2O3含量2%~5%，MgO含量2%~5%，在其形成过程中Ca有时被Fe、Mn、Ti、Sr等离子部分置换而呈类质同象体。硅灰石分为α晶型和β晶型，α晶型通常为粒状和粉状，长径比为5:1，β晶型通常为纤维状和针状，甚至微小颗粒也保持纤维状结构，长径比20:1，最高可达30:1;纤维状硅灰石的白度和折光率较高，形态结构与传统填料不同，表现出类似纤维的某些性能，可替代传统填料应用于新闻纸、胶版纸、书写纸等印刷文化用纸中。

　　目前，纤维状硅灰石在造纸中的应用研究主要集中在纤维状硅灰石和改性硅灰石对成纸各项性能指标的影响上。研究表明，打浆对木浆加填硅灰石有一定的改善效果，纸浆打浆度为48°SR~52°SR时，硅灰石替代木浆成纸强度最大。当加填量为35%时成纸强度性能仍能满足一般包装类用纸的要求。

　　当加填量低于40%时，硅灰石留着率在70%以上。改性硅灰石应用在新闻纸中可极大改善再生新闻纸的白度、不透明度和适印性。加入10%~15%的改性硅灰石的新闻纸(定量44~47g/m2)具有高白度(58%~60%)、高强度(裂断长3800~4000m)和高不透明度(95%~97%)。同时具有高达90%的留着率、高滤水性。由于硅灰石呈针柱状，作为填料加入与碳酸钙相比，可与植物纤相互交织，形成网状结构，在添加相同比例填料下，加入硅灰石矿物复合纤维纸张的灰分明显高于碳酸钙填料。当硅灰石加入量为30%时，除伸长率外，纸张性能也比添加20%的碳酸钙的纸张性能高，填料的留着率也明显高于其他填料。

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