改性輕質碳酸鈣的性能及其在造紙中的應用

劉軍海

(陜西理工學院化學與環境科學學院，陜西漢中，723001)

在造紙行業中，普通輕質碳酸鈣(PCC)都存在黏度過大、產品過篩困難等問題，且使用前常常會有聚集現象，影響了其使用性能［1］。因此在使用前對PCC 進行改性是很有必要的。關于PCC 改性的報道已很多，如使用鈦酸酯偶聯劑、鋁鋯酸酯偶聯劑、陽離子淀粉、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、殼聚糖覆膜、膠囊化及包覆改性等［2-8］。本實驗以自制的樹枝狀聚合物(結構式見圖1)對PCC 進行改性，并將改性后的PCC 作為填料用于造紙中，以期獲得較好的應用效果。

1 實 驗

1.1 實驗原料與儀器

自制樹枝狀聚合物:液體，固含量50%;PCC:工業級，淄博熱電寶晶鈣業有限公司;紙漿:打漿度45°SR，白度78%。

JY-PHb 接觸角測量儀，承德惠普檢測設備有限公司;NDJ-1 黏度計，上海安德儀器設備有限公司;Brookfield 流變儀YR-1，WSB-1 白度儀，上海平軒科學儀器有限公司;JSM-7500F 掃描電鏡，日本電子株式會社;VERTEX 700 傅里葉紅外光譜儀，(德國Bruker 公司);具塞量筒，100 mL。

1.2 PCC 的改性

將PCC 粉末及用量為1.0% (對PCC 質量)的樹枝狀聚合物加入到捏合機中，調整攪拌速度為25 r/min，設定溫度至90 ～95℃，然后逐漸升溫，當溫度達到設定值時，再捏合30 min，然后取樣檢查PCC 與樹枝狀聚合物的反應情況，合格后放料通過200 目篩的為改性的PCC 粉末。若捏合情況不合格可延長捏合時間，本實驗中，捏合30 min 已經可以達到要求。

1.3 潤濕性測定

將一定量改性前后的PCC 粉末分別裝入壓片機，在20 MPa 的壓力下保持5 min，將其壓成表面光滑的圓片，在接觸角測量儀上測量水與圓片的接觸角。液體在固體表面的潤濕性通常用接觸角θ 的大小來判定。接觸角越小，說明固體表面的潤濕性越強，親水性也越強。接觸角越大，則反之。接觸角θ 可作為潤濕性的直觀判據，如圖2 所示，θ≤90°為浸漬潤濕，θ ＞90°為黏附潤濕。

1.4 表觀黏度測定

用黏度計分別測定改性前后固含量為30%、35%、40%的PCC 懸浮液的表觀黏度。

1.5 穩定性分析［9］

懸浮液中顆粒受范德華力作用，顆粒間會發生相互團聚，形成疏散而無序的聚集體。根據分形理論，聚集體的結構已不能用傳統的歐氏幾何來描述，分形理論對模擬懸浮液中團聚體生長、評價懸浮液穩定性等方面起到重要作用。分形理論表明，聚集體質量越大，分維值Df越高，聚集體結構越緊密，反之則相反。而聚集體的質量可以通過屈服應力反映，相同固含量下屈服應力越高，聚集體質量越大，結構越緊密，也就越不穩定，越容易發生沉降。因此通過流變儀測定改性前后不同固含量PCC 懸浮液的屈服應力，即可以反映出懸浮液的穩定性。

1.6 沉降體積測定

分別取5 g 改性前后的PCC 置于100 mL 具塞量筒中，加水至50 mL，上下振蕩5 min，在室溫下靜置，在一定時間內記錄沉積物所占容積。以沉降物所占容積表示PCC 的沉降體積。

1.7 Zeta 電位測定

造紙中膠體顆粒的電荷在它的分散穩定性方面起著主要作用，顆粒的電荷會影響造紙過程中細小纖維留著、染色效果、填料留著、膠乳乳化、膠料留著等。測量和控制這些電荷在濕部化學控制中是非常關鍵的。其中，Zeta 電位是重要的參數之一，它的測定對了解系統各組分的相互作用是非常重要的。實驗通過電泳法測定改性前后PCC 的Zeta電位。

1.8 改性前后PCC 形態分析

用掃描電鏡分析改性前后PCC 的形態。

1.9 改性前后PCC 在紙張中留著率的測定

分別使用改性前后的PCC 作為填料，加填量均為15%，抄紙后采用分光光度法測定改性前后PCC在紙張中的留著率［10-12］。

1.10 改性前后PCC 紅外光譜分析

采用傅里葉紅外光譜儀對改性前后PCC 進行分析，采用KBr 壓片。

2 結果與討論

2.1 改性對PCC 潤濕性的影響

改性前后PCC 的接觸角如圖3 和圖4 所示。由圖3 和圖4 可看出，改性前接觸角約為19°，而改性后接觸角約為30°，雖然潤濕性有所下降，但仍小于90°，可以滿足其在親水體系中分散的要求。

2.2 改性對PCC 懸浮液表觀黏度的影響

改性前后PCC 懸浮液的表觀黏度隨固含量的變化如圖5 所示。由圖5 可知，改性后PCC 在水中懸浮液的表觀黏度均下降50%以上，下降幅度較大。這是由于樹枝狀聚合物改變了PCC 的電荷狀態，使粒子相互排斥，粒子之間不易聚集，分散更均勻，所以表觀黏度降低，這有利于制備高固含量的懸浮液及生產使用。

2.3 改性對PCC 懸浮液穩定性的影響

測定改性前后PCC 懸浮液的屈服應力，結果如圖6 所示。由圖6 可知，在相同固含量下，改性后PCC 懸浮液的屈服應力低于改性前PCC 懸浮液的屈服應力，說明其穩定性要好于改性前PCC懸浮液。

2.4 改性對PCC 懸浮液沉降體積的影響

測定改性前后PCC 懸浮液的沉降體積，測定結果如圖7 所示。由圖7 可知，改性后PCC 懸浮液沉降慢，沉降體積變化小，說明其更穩定，這與其流變特性相吻合。

2.5 改性對PCC 懸浮液Zeta 電位的影響

在不同的pH 值情況下測定改性前后PCC 懸浮液Zeta 電位的變化，結果如圖8 所示。由圖8 可知，改性后PCC 懸浮液的Zeta 電位正電荷稍有上升。可能是由于該樹枝狀聚合物所含叔胺基使得PCC 表面帶一定的正電荷，這使得PCC 等電點向高pH 值方向移動，使其在較寬pH 值范圍內帶正電荷，有利于造紙濕部過程中與帶負電荷的纖維形成強有力的結合，減少填料流失，并增加紙張的強度。

2.6 改性前后PCC 形態的掃描電鏡分析

用掃描電鏡分析改性前后PCC 的形態，結果如圖9 和圖10 所示。由圖9 和圖10 可知，改性后PCC聚集現象明顯減弱，說明該樹枝狀聚合物有效地防止了PCC 粒子的聚集。

2.7 改性前后PCC 在紙張中留著率的變化

將改性前后PCC 作為填料分別進行紙張加填實驗，測定PCC 在紙張中的留著率，結果如圖11 所示。從圖11 可知，改性后PCC 的留著率比改性前PCC 明顯提高，與改性前PCC 加填相比，用改性后PCC 加填，填料留著率由64.6%提高到73.1%。這是由于改性后PCC 表面結合的樹枝狀聚合物在與負電荷的纖維結合時，靠靜電作用力將填料和纖維牢固地結合在一起。

2.8 改性前后PCC 紅外光譜分析

改性前后PCC 的紅外譜圖如圖12 所示。由圖12可知，改性后PCC 的紅外譜圖中，2900 ～3100 cm－1左右出現的吸收峰為酰胺基吸收峰及—CH2的伸縮振動吸收峰，而在1200 cm－1處的微弱吸收峰是—OOC—的吸收峰，說明在捏合改性過程中PCC 被改性，引入了樹枝狀聚合物基團，PCC 與樹枝狀聚合物基團以化學鍵力結合在一起。

圖12 改性前后PCC 的紅外譜圖

3 結 論

采用自制的樹枝狀聚合物對輕質碳酸鈣(PCC)進行改性處理，并將改性PCC 用于紙張加填實驗。

3.1 PCC 經改性后，其懸浮液表觀黏度下降50%以上，分散性能得到提高，聚集現象大大減弱，在使用中有利于配制高固含量的懸浮液。

3.2 改性前后PCC 作為填料用于紙張加填時，與改性前PCC 加填相比，填料留著率由64.6% 提高到73.1%，效果較明顯。

3.3 紅外譜圖分析表明，改性后PCC 與樹枝狀聚合物以化學鍵力結合在一起。

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