硅酸鋁纖維作為造紙填料的可能性探討

逄錦江 趙傳山

(山東輕工業學院制漿造紙科學與技術省部共建教育部重點實驗室,山東濟南,250353)

·硅酸鋁纖維·

硅酸鋁纖維作為造紙填料的可能性探討

逄錦江 趙傳山

(山東輕工業學院制漿造紙科學與技術省部共建教育部重點實驗室,山東濟南,250353)

研究了硅酸鋁纖維性能及其作為填料在紙張中的應用,并與輕質碳酸鈣(PCC)填料進行了對比實驗,探討硅酸鋁纖維作為填料的最佳加入量及與PCC混合后對紙張性能的影響。通過實驗發現,添加硅酸鋁纖維后,紙張的灰分和填料留著率都有不同程度的提高,紙張的抗張強度、耐折度有所降低,撕裂指數基本上保持不變;填料加入量控制在10%以內,基本上能夠達到強度要求;對紙張白度、不透明度等光學性能有不同程度的提高。

硅酸鋁纖維;輕質碳酸鈣;填料;紙張性能

(＊E-mail:pangjinjiang2008@163.com)

Abstract:This paper studies the propertiesof aluminum silicate fibers and compares the application of aluminum silicate fibers and precipitated calcium carbonate as fillers in paper making.The best dosage of silicate fiber and the effectof combination of the precipitated calcium carbonate and silicate fiber as filler on paper property are investigated.The experiment results showed that adding silicate fibers,the paper ash and filler retention rate increase to varying degrees,tensile strength and folding decrease,tearing index essentially unchanges.The basic strength requirements of the paper can be achieved when the dosage of the filler is controlled in 10%.However the improvement of paper whiteness,opacity and other optical properties is not very significant.

Key words:aluminum silicate fiber;light calcium carbonate;fillers;paper properties

礦物纖維具有良好的尺寸穩定性、耐熱性、抗化學性、阻燃性和電絕緣性,這些性質是植物纖維無法比擬的[1]。礦物纖維是采用現代高科技技術,將自然產出的纖維狀礦石(如:硅灰石、蛭石、海泡石)經纖維化超細粉碎、表面改性后制備的造紙用活性新材料。由于礦物纖維的長徑比較為特殊,加上對其表面進行改性處理,使得礦物纖維能夠與植物纖維交織在一起,構成了植物纖維-礦物纖維網狀結構,在一定程度上能夠減輕加填對紙張強度的負面影響,因而可替代部分植物短纖維[2]。

國內大量研究資料[3-6]顯示,礦物纖維不僅可應用于55～60 g/m2書寫紙和70 g/m2膠版印刷紙上,一定程度上降低原料成本,改善紙品性能,減少環境污染,紙張強度符合要求,而且紙張的白度、不透明度、勻度、印刷適性等指標有所改善;礦物纖維原料應用于卷煙紙,可改善卷煙紙厚度和透氣度;礦物纖維在涂布白紙板面漿加填中的應用,可降低面漿漿料的消耗量。硅酸鋁纖維是以酸性氧化物Al2O3和堿性氧化物SiO2為原料,添加輔料熔融后,通過噴吹或甩絲工藝而得到的無機纖維[7]。硅酸鋁纖維不同于植物纖維,制備過程不會造成環境污染,也不同于傳統填料(碳酸鈣、滑石粉),硅酸鋁纖維可單獨抄造硅酸鋁耐火保溫紙、硅酸鋁耐火保溫板,廣泛應用于鋼鐵、窯爐、管道和化工等行業[8]。本實驗對硅酸鋁纖維作為填料在紙張上的應用做一些初步探索,并與輕質碳酸鈣(PCC)填料的性能進行對比,分析了硅酸鋁纖維性能及作為常規填料對紙張物理性能的影響,探討了通過添加硅酸鋁纖維賦予紙張的保溫性能。

1 實 驗

1.1 原料與儀器

硅酸鋁纖維,山東章丘安勒特生態纖維有限公司生產,其主要成分為:Al2O3含量≥46%,Al2O3+ SiO2含量≥99%,其他成分≤1%,常規使用溫度為1260℃,渣球含量10%～12%。

闊葉木漿,打漿度47°SR,水分11.2%。

AKD(η=27 mPa·s),產自東營某化工廠,固含量12.5%。

助留助濾劑CPAM,北京中德天使公司生產,白色粉末,相對分子質量為100萬～400萬。

H158型紙漿疏解機,產自瑞典L&W公司; FTI101圓形抄片器,產自奧地利;FI119系列電熱干燥機,產自瑞典L&W公司。

1.2 硅酸鋁纖維預處理

由于硅酸鋁纖維中含有大量的渣球(它的產生主要來自噴吹或者甩絲工藝),這些渣球的直徑一般在0.25 mm左右,渣球的存在不僅對紙張平滑度有較大影響,而且會降低纖維制品的保溫隔熱性能。因此應該盡量將其除去,本實驗采用的方法為:首先采用實驗室自制的纖維粉碎機將纖維打散,配制成極稀的溶液,利用纖維與渣球之間的密度不同,用20目的網罩使纖維與渣球分離,此過程重復3～4次,渣球即可大量除去。

1.3 實驗方法

1.3.1 PCC與硅酸鋁纖維作為填料進行抄片

抄片定量85 g/m2,闊葉木漿與填料質量比分別為9∶1、8∶2、7∶3、6∶4。漿料與填料混合后放入高速疏解器疏解3 min,然后倒入大燒杯中,加入0.1%用量(相對于總質量)的CPAM,攪拌3 min后再加入0.5%用量(相對于總質量)的AKD,再攪拌3 min左右,用PTI抄片器抄造手抄片,然后采用FI119電熱干燥機干燥。

1.3.2 紙張性能檢測

將抄造出的手抄片按照國家標準檢測抗張強度、撕裂度、白度、不透明度、耐折度和灰分等,并計算填料留著率。

2 結果與討論

2.1 硅酸鋁纖維性能及其與常用填料的對比

2.1.1 硅酸鋁纖維性能的表征

圖1 硅酸鋁纖維微觀結構SEM圖(×3000)

從圖1中可以發現硅酸鋁纖維的表面光滑,呈玻璃態,相互之間不易粘合,通過Zeta電位儀測定,硅酸鋁纖維的電位為-27 mV,因為硅酸鋁纖維的表面含有大量的陰離子基團,這種基團吸附水分子中帶正電的H+離子,致使水分子發生極化,其正電荷端朝向纖維表面,負電荷端朝向纖維外端,所以硅酸鋁纖維表面帶負電荷,被稱為負電荷性纖維;用PHS-3C數字酸度儀測其pH值為8.4。

取工廠噴吹出的硅酸鋁纖維在常規顯微鏡下進行長度統計,然后于EXCLE中應用Frequency函數處理得到圖2,從圖2可以看出,硅酸鋁纖維長度于1406～2465μm范圍出現的頻率較高,通過顯微鏡測量寬度為17～19μm。與針葉木纖維(長度2.0 ～3.2 mm,寬度30～75μm)、闊葉木纖維(長度1 mm左右,寬度60μm以下)相比,硅酸鋁纖維長度在針葉木纖維和闊葉木纖維之間。

圖2 硅酸鋁纖維長度統計直方圖

2.1.2 硅酸鋁纖維與常用填料的對比

加填無論是對紙漿纖維的結構形態還是物理與化學性質都存在著較大的影響。當填料與漿料纖維和其他紙料組分一起形成紙張時,填料對紙張性質的影響既可能來自填料本身也可能來自纖維間的結合。從表1中可以看出,硅酸鋁纖維的密度、白度及折射率與常用填料的物理指標相近。且剛性的硅酸鋁纖維長寬比(12～124)范圍寬。能夠很好地與柔性的木質纖維相互的穿插,構成致密的網絡結構。

表1 硅酸鋁纖維與常用填料的物理指標比較

2.2 硅酸鋁纖維作為填料對紙張物理性能的影響

2.2.1 硅酸鋁纖維加入量對灰分及留著率的影響

從表2分析可以得到,加填硅酸鋁纖維及PCC后的紙張灰分隨填料加入量的增加而增加,但使用硅酸鋁纖維的紙張灰分比單獨使用PCC或使用混合填料紙張的灰分增加更為明顯。隨著填料加入量的增加,硅酸鋁纖維留著率基本上保持不變,硅酸鋁纖維與PCC混合添加的留著率反而出現整體下降的趨勢,留著率隨混合填料用量的增加而降低。硅酸鋁纖維的形狀是纖維狀,從前面的形貌分析中可知其長度主要分布在1406～2465μm之間,PCC的典型尺寸為0.1～10μm,而一般造紙網的網孔大小約為200μm,因此硅酸鋁纖維由于其長度遠大于網孔的尺寸,易于截留,而PCC則由于粒徑較小,易隨白水流失,所以在沒有加入其他助留劑的情況下,硅酸鋁纖維和PCC主要是靠機械截留的方式,纖維長的硅酸鋁纖維具有絕對優勢,留著率較高。

2.2.2 硅酸鋁纖維作為填料對紙張強度的影響

紙張的強度性質取決于纖維間的結合,加填后,由于填料不能與纖維形成有效的結合或填料妨礙了纖維間的結合,使得紙張強度下降。加填后紙張強度的降低也可源于紙張的裂紋和空隙產生的應力集中現象。若定量保持不變時增加加填量,由于單位體積內的纖維含量減少,也會導致強度降低[9]。從圖3填料加入量對抗張指數的影響可知,隨著填料加入量的增加,紙張的抗張指數整體上呈現下降趨勢,當填料加入量大于10%時,紙張的抗張指數下降趨勢減緩。在填料加入量相同的情況下,紙張抗張指數從大到小的順序為:PPC>混合填料>硅酸鋁纖維。

圖3 填料加入量對抗張指數的影響

加填對紙張撕裂度的影響取決于纖維間的結合程度,但是與抗張強度相比,加填對撕裂度的影響較小。用打漿度較高的化學漿抄成的紙,由于纖維間結合很好,填料用量較高時,撕裂度也未必下降。由圖4可知,加填后紙張的撕裂強度基本上保持不變,并且使用混合填料(硅酸鋁纖維∶PCC=1∶1,以下同)時反而出現上升的趨勢。

表2 加填紙張的物理性能

圖4 填料加入量對撕裂指數的影響

由圖5填料加入量對耐折度的影響可知,在填料加入量相同的情況下,紙張耐折度從大到小的順序為:PCC>混合填料>硅酸鋁纖維,整體上看,隨著加填量的增加耐折度降低,但PCC填料的紙張耐折度變化不大;以填料加入量為10%為界,當加入量為10%～20%時,添加硅酸鋁纖維的紙張耐折度呈顯著下降的趨勢,采用混合填料抄造的紙張耐折度呈現出緩慢下降的趨勢。

圖5 填料加入量對耐折度的影響

2.2.3 硅酸鋁纖維作為填料對紙張光學性能的影響

加填紙張的光散射能力來自3個方面:①來自結合的纖維面積;②來自纖維性細小纖維和細小纖維的散射;③來自填料。從理論上講,填料的聚集會引起光散射能力的降低,但實際上光散射能力的降低幅度不大。一般來講,由于填料的白度和光散射系數均高于纖維,因此加填可提高紙張的光學性質。如圖6所示,加入填料之后紙張的白度都出現上升趨勢,且在填料加入量相同的情況下,白度增加量由大到小的順序為:PCC填料>硅酸鋁纖維>混合填料。從圖7可以看出,隨著填料加入量的增加紙張的不透明度有所提高,且硅酸鋁纖維單獨使用效果優于PCC。

2.3 添加硅酸鋁纖維填料紙張的保溫性能

對于在一定工藝條件下給定的隔熱材料來說,它的組成、結構和纖維組織等即被確定。這時在一定大氣壓下影響它的熱導率的主要因素是密度和溫度[10]。導熱系數包括導熱、熱輻射和對流3部分。溫度的變化不僅影響導熱系數的數值,而且會使3種熱傳遞方式所做的貢獻對導熱系數的影響程度發生變化。因為空氣導熱與絕對溫度的平方根近似地成正比例關系,而熱輻射的貢獻則隨著溫度T的升高而成T3的比例增大。從圖8可以發現,隨著溫度的升高,紙張的熱導率呈現上升的趨勢,主要歸因于氣相導熱和熱輻射的貢獻對導熱系數的影響比較大,而固相導熱和對流傳熱的影響比較小,尤其在高溫下更是如此。

圖8 不同溫度下加填硅酸鋁纖維紙張的熱導率

3 結 論

3.1 硅酸鋁纖維的表面光滑,呈玻璃態,纖維長度多為1406～2465μm,寬為17～19μm,Zeta電位為-27 mV,pH值為8.4。

3.2 加入硅酸鋁纖維后,紙的灰分和填料留著率都有不同程度的提高;紙張的抗張強度、耐折度有所降低;但填料加入量為10%以內時,基本能夠達到強度要求,且撕裂指數基本上保持不變;紙張的白度、不透明度等光學性能有不同程度的提高。

3.3 對于功能性紙張,硅酸鋁纖維加入量為70% 時,隔熱紙的熱導率隨著溫度的升高而升高,300℃時熱導率為0.167 W/(m·K)。

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(責任編輯:常 青)

The Application of Alum inum Silicate Fiber as Filler in Papermaking

PANG Jin-jiang＊ZHAO Chuan-shan

(Key Lab of Paper Science and Technology of M inistry of Education,Shandong Institute of Light Industry, Ji'nan,Shandong Province,250353)

逄錦江先生,在讀碩士研究生;研究方向:功能紙與造紙化學品。

TS727

A

0254-508X(2010)04-0027-05

2009-11-30(修改稿)