改性納米包覆礦物纖維在涂布白紙板面漿加填中的應用

周銳，陳港

（1.佛山華豐紙業有限公司，廣東佛山528000；2.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州510640）

改性納米包覆礦物纖維在涂布白紙板面漿加填中的應用

周銳1，陳港2

（1.佛山華豐紙業有限公司，廣東佛山528000；2.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州510640）

采用PCC與改性納米包覆礦物纖維相結合的加填方式，能有效地提高加填量，改善原紙白度和面層遮蓋力，面漿克重也有了更大的下降空間，從而有效地降低了生產成本。

改性納米包覆礦物纖維；輕質碳酸鈣；涂布白紙板；面漿加填

在涂布白紙板生產中，面漿加填是一種能增加原紙平滑度、提高面層遮蓋力和降低生產成本的有效技術手段。加填的目的在于：（1）在保證產品質量的前提下，通過加填降低面漿纖維耗用量，達到降低生產成本的目的；（2）提高面層的不透明度和遮蓋能力，提高原紙的白度與平滑度，改善產品的外觀；（3）由于提高了面漿遮蓋能力，為進一步降低涂布量、降低涂布成本提供了空間。

目前常用的填料主要有輕質碳酸鈣（簡稱輕鈣，PCC）、重質碳酸鈣（GCC）、高嶺土、滑石粉和礦物纖維等。同其他填料相比，PCC具有白度高、遮蓋力強和磨耗低等優點，但PCC加填也會造成面漿纖維結合強度降低。同滑石粉、PCC等填料相比，在對面漿強度影響方面，改性納米包覆礦物纖維具有獨到的優勢。

改性納米包覆礦物纖維是采用現代高科技技術，將自然產出的纖維狀硅灰石礦經纖維化超細粉碎、表面復合改性后制備的新材料。它不同于植物纖維，也不同于傳統填料——碳酸鈣、滑石粉；礦物纖維在紙張中不僅僅是簡單的填料，由于其15∶1～10∶1長徑比的特殊晶形，加上對其表面進行復合改性納米包覆處理，使得礦物纖維能夠與植物纖維交織在一起，構成了新型的植物纖維——礦物纖維網狀結構，在一定程度上能減輕加填所造成的對紙張強度的負面影響，因而可替代部分植物短纖維。在我公司涂布白紙板的生產中，希望通過對面漿加填礦物纖維填料后，能夠提高面漿加填量，達到降低成本，提高不透明度，提高面層遮蓋力，降低面漿用量，盡量保持原紙面層結合強度的目的。

根據實際情況，我們對面漿加填工藝進行了研究。實踐證明：采用了PCC與改性納米包覆礦物纖維相結合的加填方式，能有效地提高原紙白度和面層遮蓋力，產品質量（特別是在遮蓋性能方面）取得明顯提高，面漿克重也有了更大的下降空間，從而有效地降低了生產成本。

1 實驗部分

1.1 原料與試劑

1.1.1 改性納米包覆礦物纖維

改性納米包覆礦物纖維主要成分為硅酸鈣（見圖1和圖2），化學式CaSiO3；其物理特性指標為：白度，≥84%；長徑比，15∶1～10∶1；纖維長度，0.08～0.20mm；水分，≤1.5%；10%質量分數；pH≥8.5。

圖1 硅灰石礦石

圖2 HJMF改性納米包覆礦物纖維電鏡圖

1.1.2 改性納米包覆礦物纖維與PCC性能對比

PCC來自日本某公司生產牌號為TP-121的產品，改性納米包覆礦物纖維（HJMF-PA）來自江西某公司的1250目產品。2種填料的物理性能指標見表1。

表1 2種填料的性能指標

1.1.3 其他原料

纖維原料：面漿（LBKP）來自100%廣西賀縣桉木漿；AKD，PAM，陽離子淀粉。

1.2 實驗步驟

配制4%質量分數的漿料，分別按表2所列不同的加填量來添加填料（預先配制成20%質量分數的溶液），混合3 min；加1%質量分數的陽離子淀粉，添加量為14 kg/t（絕干漿），混合3 min；加AKD施膠劑（用量10 kg/t），混合3 min；稀釋至0.4%漿濃，混合3 min；加PAM助留助濾劑，用量0.02%，混合30 s；抄紙（紙張定量32 g/m2），每個品種抄8片。

表2 實驗室抄片不同填料的配比（%絕干漿）

1.3 紙樣測試

按國家規定的標準測試方法檢測抄片紙的定量、緊度、填料留著率、抗張強度、裂斷長、白度與不透明度等性能指標。紙板遮蓋性的測量方法如圖3所示。

把待測的紙樣放于黑色標準紙樣上，用ISO白度儀來測試白度，用所測試的白度值來表征紙樣的遮蓋性。

圖3 紙板遮蓋性測試示意圖

2 結果與討論

紙樣性能指標檢測結果見表3。

2.1 遮蓋性與不透明度對比分析

由表3中的遮蓋性和不透明度數據可知，由于PCC白度高，比表面積大，所以遮蓋性好；當PCC加填量為12%時，遮蓋性提高了8.3個百分點。而礦物纖維對紙頁遮蓋性的提高效果較PCC低，在相同的添加量下，遮蓋性僅提高了0.7個百分點。

PCC+礦物纖維的加填組合對遮蓋性的作用也較為明顯，基本等同于單獨添加相同用量PCC時的遮蓋性能。

表3 實驗室抄片的性能指標

2.2 抗張強度與裂斷長的對比

從表3中的抗張強度與裂斷長數據可知，在單獨添加一種填料的情況下，PCC加填對紙張的抗張強度和裂斷長影響較大，當PCC加填量為12%時，抗張強度下降26.3%，裂斷長降低27.0%；而礦物纖維在同樣的添加量下僅分別減少9.0%和10.5%。

繼續增大加填量，當PCC加填量為16%時，抗張強度下降33.1%，裂斷長降低33.8%；這說明PCC加填會對面漿纖維結合強度帶來較大負面影響，且PCC加填量越大，面漿纖維結合強度降低越明顯。

PCC+礦物纖維的加填組合對抗張強度、裂斷長的影響比單純添加相同用量PCC時要改善的多，可以看出礦物纖維在填料組合中所起到的作用。

3 生產實踐

根據以上實驗室研究結果，我們在公司2號機上進行了對PCC+礦物纖維加填的生產應用試驗，目的是提高面層遮蓋力，降低面漿用量，降低生產成本。

2號機技術參數：4 300 mm三長網涂布白紙板機，生產車速為300 m/min。

采用PCC+礦物纖維（按照4∶1質量比例混合）加填新工藝，取代原PCC加填，生產定量為300 g/m2涂布白紙板，期間取原紙樣按國家規定的標準方法測試成紙的性能指標，填料保留率根據公式計算：

式中：C為加填后的灰分值，g；Y為未加填的灰分值，g；D為加填量，%。

填料灼燒損失忽略不計，如計算在內，則保留率會略微高些。成紙質量指標如表4所示。

表4 添加礦物纖維前后成紙相關質量指標

從表4的上機應用效果可知，采用w（PCC+礦物纖維）=8%取代w（PCC）=6%加填，原紙面層白度略為提高，面層灰分明顯增加，原紙PPS表面粗糙度等變化不大，施膠度略有變化，但均在正常范圍內；原紙面層蠟值、耐折度、橫向挺度基本變化不大。

由于白水封閉循環，填料總保留率提高到70%左右。

在面漿添加w（PCC+礦物纖維）=8%，即提高了面層遮蓋力，又進一步降低了面漿消耗量，降低了生產成本，經濟效益顯著。

4 結論

PCC本身具有較高的白度，同時又有較高的折射率，因而加填于紙張中能明顯提高成紙的不透明度和遮蓋性能；但是，加入紙漿中的PCC粒子在成形過程中填充于纖維間，減少了纖維與纖維之間的接觸面，妨礙纖維間氫鍵的結合，致使纖維結合強度下降，表現在抗張強度、裂斷長等指標明顯降低。而礦物纖維粒徑比較大，其15∶1～10∶1長徑比的特殊晶形，加上對其表面進行復合改性處理，使得礦物纖維能夠與植物纖維交織在一起，構成了新型的植物纖維——礦物纖維網狀結構，所以對纖維結合強度的影響比較小。圖4為HJMF改性納米包覆礦物纖維與植物纖維交織耦合顯微圖片。

圖4 HJMF改性納米包覆礦物纖維與植物纖維交織耦合顯微圖片

顯然，要想在盡量滿足面漿結合強度性能指標的前提下使加填量達到最大，最佳的途徑是對PCC與礦物纖維進行優化組合，發揮各自的優勢特長，做到既能提高面層白度、遮蓋性與不透明度，同時又盡量減少對面漿結合強度的影響，尋求到一個最佳平衡點。

Application of Surface-coated Mineral Fiber in Filling of Toplayer of White Coated Paperboard

ZHOU Rui1，CHEN Gang2
（1.Foshan Huafeng Paper Co.，Ltd.，Foshan 528000，China；2.State Key Lab of Pulp and Paper Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Filler content could be efficiently increased by filling PCC together with surface-coated mineral filler.At same time，the whiteness and opacity of the toplayer was improved.As a result，the basis weight of the toplayer might be reduced largely，resulting in reduced produce cost.

surface-coated mineral fiber；PCC；white coated paperboard；filling of toplayer

book=4,ebook=94

TS727.1

A 文獻標識碼：1007-2225（2010）02-0019-04

周銳先生（1972-），造紙工藝高級工程師；長期從事涂布白紙板生產工藝和涂布配方技術的研究與應用；E-mail：hf_zhourui@163.com。

2009-11-15（修回）

本文文獻格式：周銳,陳港.改性納米包覆礦物纖維在涂布白紙板面漿加填中的應用[J].造紙化學品，2010，22（2）：19-22.