磷石膏晶須在造紙中應用的初步研究

盧振華，高玉杰，劉紅娟，李 敏

(天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津 300457)

磷石膏晶須在造紙中應用的初步研究

盧振華，高玉杰，劉紅娟，李 敏

(天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津 300457)

結合磷石膏晶須的結構特點，對其在造紙中的應用進行了探討．研究發現：無論是針葉木漿還是漂白麥草漿，抄紙時加填磷石膏晶須可有效提高紙張的抗張指數、撕裂指數、耐破指數等，尤其是磷石膏晶須添加量為30%時，紙張的物理強度性能和填料留著率最高．白度高、成本低的磷石膏晶須作為填料應用于造紙，將具有很大的市場潛力．

磷石膏晶須；造紙填料；紙頁物理性能

造紙加填的目的是降低生產成本，并且使紙張獲得某些特殊的性質，比如通過填充紙頁中的空隙，提高紙頁的勻度，增加紙的白度和不透明度，改善印刷適性，增加紙張尺寸穩定性等[1]．

目前，造紙工業常用的填料主要包括滑石粉、二氧化鈦、碳酸鈣及高嶺土等．然而，隨著加填量的增加，紙張的強度、松厚度及挺度等往往會受到負面影響，印刷過程中易于出現掉毛掉粉現象，因此，基于減輕或避免此類負面效應的相關研究具有十分廣闊的空間[2]．

磷石膏晶須(Calcium Sulfate Whisker，CSW)，即硫酸鈣晶須，亦稱硫酸鈣微纖維，國際商品名稱為ONODA-GPF．磷石膏晶須是硫酸鈣的纖維狀單晶體，具有高強度、高模量、高介電強度、耐磨耗、耐高溫、耐腐蝕、紅外線反射性良好、易于進行表面處理、易與聚合物復合、無毒等諸多優良的物理化學性能，是現有復合材料中較為高檔的增強組元，也是當前一種備受科研工作者關注并且具有較高性價比的無機材料[3]．磷石膏晶須集增強纖維和超細無機填料二者的優勢于一體，而且，磷石膏晶須的化學性能穩定，水溶性低(22,℃時小于1.2,g/L)，有白色光澤．晶須長寬比為29～77，平均長度約為1.275,mm，晶須直徑基本一致[4]．

本文針對磷石膏晶須的特性，將其添加到針葉木漿和漂白麥草漿中進行紙張抄造，探討其作為造紙填料對紙張強度等性能的影響，以期尋找在造紙工業中充分利用磷礦礦渣所生產的磷石膏晶須的最佳添加量，為造紙工業及環境保護作出貢獻．

1 材料與方法

1.1 原料

磷石膏晶須，河南洛陽亮東非金屬材料科技開發有限公司提供；針葉木漿、漂白麥草漿，山東泉林紙業提供．

1.2 設備與儀器

ZQS2–23型valley打漿機，陜西科技大學機械廠；970154型漿料疏解器、SE062型紙張抗張強度測定儀、969920型紙張耐破測定儀、SE099型紙張撕裂度測定儀、912型纖維分析儀、SE062型分光光度計，瑞典Lorentzena & Wettre 公司；196550型紙張耐折度測定儀，美國Tinius Olsen 公司；BL–320H型電子天平，日本Shimadzv公司；2571–1型濕紙頁壓榨機，日本熊谷理機工業株式會社；7407,S型紙頁成型器，Mavis 公司．

1.3 實驗方法

1.3.1 打漿

采用valley打漿機，打漿濃度2%，打漿杠桿臂負荷為118 N．

1.3.2 纖維長度頻率分布測定

分別稱取絕干質量0.04,g的磷石膏晶須、針葉木漿和漂白麥草漿，經打散后采用912型纖維分析儀進行測定．

1.3.3 手抄片抄造

將磷石膏晶須按照不同添加量分別在紙頁成型器上抄取定量為80,g/m2的紙樣．

1.3.4 紙頁物理性能及填料留著率的測定

紙頁按照GB/T 10739—1989《紙漿、紙和紙板試樣處理和試驗的標準大氣》中相關規定經標準恒溫恒濕處理4,h后，根據GB/T 453—1989《紙和紙板抗張強度的測定法(恒速加荷法)》進行抗張指數測定，根據GB/T,454—1989《紙耐破度的測定法》進行耐破指數測定，根據GB/T,455.1—1989《紙撕裂度的測定法》進行撕裂指數測定，耐折度根據GB/T 457—1989《紙耐折度的測定法》進行測定．空白樣和不同添加量的手抄片按照GB/T,742—2008《紙漿灰分的測定》進行填料留著率測定[5]．

2 結果與討論

2.1 不同纖維長度的頻率分布

針葉木漿、漂白麥草漿以及磷石膏晶須纖維長度的頻率分布結果見表1．可以看出，針葉木漿、漂白麥草漿以及磷石膏晶須在0.5～1,mm范圍內所占比例都較大，而且磷石膏晶須長度在0.5,mm以上所占的比例明顯大于漂白麥草漿，并且與針葉木漿的頻率分布相差不大．磷石膏晶須適宜的纖維長度分布，有利于抄紙后增加與植物纖維的接觸結合點，有利于提高紙張的物理強度性能．

表1 不同纖維的長度頻率分布Tab.1 Frequency distribution of different fibers

2.2 磷石膏晶須對紙張物理性能和填料留著率的影響

2.2.1 磷石膏晶須對針葉木漿物理性能的影響

采用針葉木漿(打漿度為30,°SR)配抄磷石膏晶須，所得紙張的物理性能見表2．

表2 磷石膏晶須配抄針葉木漿原紙的物理性能Tab.2 Physical performance of the paper made from softwood mixed Calcium Sulfate Whisker

由表2可以看出，在針葉木漿中添加30%的磷石膏晶須時，原紙的綜合物理強度性能最好，抗張指數、撕裂指數和耐破指數分別比空白樣提高了6.7%、1.8%和1.4%，耐折度與空白樣相比有所降低，但不是很明顯．當磷石膏晶須添加量達到40%時，雖然抗張指數與空白樣相比達到最高，但其他指標都有所下降．同樣，原紙白度在磷石膏晶須添加量為30%時達到最大值且大于原紙白度．因此，認為針葉木漿中磷石膏晶須的最佳添加量為30%．

2.2.2 針葉木漿添加晶須后填料留著率的測定

針葉木漿添加晶須后填料在紙張中的留著率見表3．實驗結果表明：在不加任何助劑的情況下，在添加量為30%時，填料留著率達到最大值．并且隨著磷石膏晶須添加量的不斷增加，其填料留著率在逐漸減少，說明隨著添加量的增加，磷石膏晶須流失會變得更加嚴重，今后將對此進行深入研究和分析，可以探討利用助劑提高磷石膏晶須的留著率．

表3 磷石膏晶須配抄針葉木漿原紙的填料留著率Tab.3 Filler retenion of the paper made from softwood Tab.3 mixed Calcium Sulfate Whisker

2.2.3 磷石膏晶須對漂白麥草漿物理性能的影響

采用漂白麥草漿(打漿度為30 °SR)配抄磷石膏晶須，實驗結果見表4．

表4 磷石膏晶須配抄漂白麥草漿漿原紙的物理性能Tab.4 Physical performance of the paper made from bleached straw mixed Calcium Sulfate Whisker

由表4可以看出，當在漂白麥草漿中添加30%的磷石膏晶須時，原紙的綜合物理強度性能最好，抗張指數、撕裂指數和耐破指數分別比空白樣提高了11.2%、8.7%和6.4%．雖然耐折度在各個添加量下都有所降低，但是在30%添加量時仍可維持較高水平．與此同時，在添加10%磷石膏晶須時，原紙的白度值達到最大，隨著添加量的增加原紙白度逐漸下降，但在添加量為30%時原紙白度仍大于空白樣原紙白度．根據實驗結果可以認為在漂白麥草漿中磷石膏晶須的最佳添加量為30%．

2.2.4 漂白麥草漿添加晶須后填料留著率的測定

漂白麥草漿添加晶須后填料在紙張中的留著率見表5．

表5 磷石膏晶須配抄漂白麥草漿原紙的填料留著率Tab.5 Filler retenion of the paper made from bleached straw mixed Calcium Sulfate Whisker

由表5可以看出，磷石膏晶須加填漂白麥草漿與加填針葉木漿時填料留著率的變化規律基本上是一致的．在添加量為30%時，填料留著率達到最大值．隨著磷石膏晶須添加量的不斷增加，其填料留著率也在逐漸減少．

從以上實驗結果可以看出，當磷石膏晶須添加量小于10%時，由于磷石膏晶須在紙頁中含量過低，彼此間距較大，以致磷石膏晶須之間結合力過小或不產生結合力，此時磷石膏晶須只起到類似填料的作用，所以紙頁強度呈下降趨勢；當磷石膏晶須添加量大于10%時，原紙的物理強度開始上升，并當磷石膏晶須添加量為30%時，紙頁強度指標達到最大值；當添加量大于30%時，雖然磷石膏晶須間的結合力進一步增大，但是過多的磷石膏晶須會影響纖維間氫鍵的形成，導致所形成的氫鍵數量減少，綜合作用后，結果表現為紙頁物理強度性能下降[6]．在原紙白度方面，磷石膏晶須自身白度能達到98%，因而加到紙張中后能夠提高原紙白度．手抄片由磷石膏晶須、植物纖維、水和空氣組成，原紙白度受以上各組成成分相互影響．在針葉木漿中添加30%的磷石膏晶須時，原紙白度大于空白樣原紙白度且達到最大值．在漂白麥草漿中添加30%磷石膏晶須時，原紙白度雖然沒有達到最高值，但仍較空白有所提高．

3 結 論

(1)磷石膏晶須長度在0.5,mm以上所占的比例明顯大于漂白麥草漿，并且與針葉木漿的頻率分布相差不大．

(2)針葉木漿打漿度為30,°SR時，針葉木漿配抄磷石膏晶須的最佳添加量為30%，抗張指數、撕裂指數和耐破指數分別比空白樣提高了6.7%、1.8%和1.4%，耐折度與空白樣相比降低得不是很明顯．磷石膏晶須留著率在添加量為30%時，達到最大值．原紙白度在添加量為30%時，達到最大值．

(3) 漂白麥草漿打漿度為30,°SR時，漂白麥草漿配抄磷石膏晶須的最佳添加量為30%，抗張指數、撕裂指數和耐破指數分別比空白樣提高了11.2%、8.7%和6.4%，耐折度與空白樣相比同樣降低得也不是很明顯．磷石膏晶須留著率在添加量為30%時，達到最大值．原紙白度在添加量為30%時雖然沒有達到最高值，但仍較空白有所提高．

［1］朱勇強. 造紙填料的類型及其特性[J]. 上海造紙，2005，36(2)：36–41.

［2］沈靜，宋湛謙，錢學仁. 造紙填料工程及新型填料的研究進展[J]. 中國造紙學報，2007，22(4)：113–119.

［3］石巖，謝來蘇. 一種新型造紙原料：石膏微纖[J]. 西南造紙，2000，29(6)：18.

［4］蘇無畏. 磷石膏綜合利用前景[J]. 江西化工，2003 (4)：21–24.

［5］石淑蘭，何福望. 制漿造紙分析與檢測[M]. 北京：中國輕工業出版社，2003.

［6］陳學璽，崔波，尹進華，等. 磷石膏晶須在造紙上的應用[J]. 黑龍江造紙，2007，35(2)：4–5.

Preliminary Study on Application of Calcium Sulfate Whisker in Papermaking

LU Zhen-hua，GAO Yu-jie，LIU Hong-juan，LI Min
(Tianjin Key Laboratory of Pulp and Paper，College of Material Science and Chemical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China)

According to the structure of the Calcium Sulfate Whisker，a deep investigation and study on its application in paper industry was made. It was found that the index of the tensile，tearing，bursting and the folding resistance was all obvious improved. Especially，the physical strength of the paper and the retention of the filler achieve the best when the Calcium Sulfate Whisker was added about 30%. If the Calcium Sulfate Whisker with nice properties，for example，high whiteness，low cost and so on，is used in paper industry，it will has great market potential.

Calcium Sulfate Whisker；paper filler；physical performance of paper

TS766

：A

：1672-6510(2010)05-0035-03

2010-04-21；

2010-07-05

盧振華（1984—），男，山東人，碩士研究生；通信作者：高玉杰，教授，yujie@tust.edu.cn.