貝殼粉作為填料對紙張性能的影響

吳　靜　牛梅紅　平清偉　李　娜　石海強　張　健

(大連工業大學輕工與化學工程學院,遼寧大連，116034)

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貝殼粉作為填料對紙張性能的影響

吳靜牛梅紅*平清偉李娜石海強張健

(大連工業大學輕工與化學工程學院,遼寧大連，116034)

摘要：通過與商品輕質碳酸鈣(PCC)進行對比,研究了貝殼粉作為填料的性能及其不同用量對紙張強度性能和光學性能的影響,探討了貝殼粉作為造紙填料的可行性及優勢。結果表明,貝殼粉呈梭狀的偏三角面體,并聚集在一起成叢簇狀,平均粒徑為0.44 μm,顆粒尺寸分布均勻,白度為91.4%,沉降體積為5.35 mL/g。加填紙的性能測試結果表明,與PCC加填紙相比，在貝殼粉用量為10%時,加填紙張的強度性能下降較少且光學性能增加較多,加填效果最佳；在加填量相同時,貝殼粉的加填效果與PCC相當,且貝殼粉加填紙的不透明度和光散射系數比PCC加填紙的高,可作為一種新型的造紙填料。

關鍵詞：貝殼粉；填料特性；紙張性能

我國湖泊眾多,海域遼闊,貝類養殖業發達,貝殼資源豐富[1]。目前,國內對貝殼的資源化利用主要有制造工藝品、加工成飼料添加劑、用做藥材和化工原料。長期以來沿海地區把大量的貝殼當作固體垃圾進行處理[2],不僅浪費了自然資源,而且污染了環境。貝殼作為海產品廢棄物已成為沿海地區亟待解決的廢物處理問題[3]。

貝殼主要由95%左右的碳酸鈣,少量的有機貝殼素以及微量元素組成[3]。貝殼粉是天然貝殼粉碎后經一定處理得到的無機填料,其價格低廉,來源廣泛[4],是一種天然的可再生海洋資源。貝殼粉的主要成分為碳酸鈣,而碳酸鈣是造紙工業目前最常用的三大類填料之一,因此貝殼粉有作為造紙填料的可能性。新型造紙級貝殼粉填料的研發是貝殼資源綜合利用的新嘗試,不僅可以回收利用海產品廢棄物,降低環境污染,還有可能降低造紙成本,具有廣闊的應用前景。目前,貝殼粉在造紙加填中的應用還未見文獻報道,本實驗通過與輕質碳酸鈣(PCC)進行對比,研究了貝殼粉作為填料的性能及其不同用量對紙張強度性能和光學性能的影響,探討了貝殼粉作為造紙填料的可行性及優勢,為貝殼粉在造紙濕部中的應用提供參考。

1實驗

1.1實驗原料

貝殼粉(白色固體粉末狀)，輕質碳酸鈣(PCC)，陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)，漂白硫酸鹽(KP)蘆葦漿,打漿度為39°SR。

1.2主要儀器

Nano-ZS90納米粒度儀、Zeta電位測定儀,英國MALVERN公司；JSM-7800F掃描電子顯微鏡,日本電子株式會社；TLS標準纖維解離器,西班牙生產；ZQJ1-B-Ⅱ紙樣抄取器,陜西科技大學機械廠制造；耐破度測試儀、抗張強度測試儀、撕裂度儀,德國FRANK-PTI GmbH公司；CTPC白度色差儀,美國Technidyne公司。

1.3實驗方法

1.3.1貝殼粉的形貌檢測

將貝殼粉粘上導電膠并放入試樣臺,鍍金后,放入掃描電子顯微鏡(SEM)中,抽真空后在20 kV電壓下觀察填料形貌并記錄。

1.3.2貝殼粉粒徑分布和Zeta電位的測定

用蒸餾水將貝殼粉配制成一定固含量的懸浮液,在超聲波作用下分散均勻后,用納米粒度儀和Zeta電位測定儀分別進行填料顆粒粒徑和Zeta電位的測定。

1.3.3貝殼粉沉降體積的測定

將10.0 g的貝殼粉加入100 mL的具塞量筒中,加水到100 mL,蓋好瓶塞,用手緊握量筒搖蕩30 次,然后在20～25℃的水中靜置15 min。記錄貝殼粉沉降物在具塞量筒內所占體積的大小。沉降物體積與試樣質量的比值即為沉降體積。

1.3.4紙張抄造

將漂白KP蘆葦漿經過纖維疏解機疏解10000轉,在疏解后的漿料中加入不同用量的填料(貝殼粉、PCC),攪拌均勻后稀釋至漿濃0.3%,添加用量0.02%的CPAM (相對于絕干漿和填料)作為助留劑,然后在750 r/min的轉速下攪拌30 s,在紙頁成型器上抄造手抄片后烘干。手抄片定量為60 g/m2。

1.3.5紙張物理性能檢測

紙張在恒溫恒濕條件下平衡24 h,按國家相關標準方法對紙張分別進行抗張強度、耐破度、撕裂度、白度、不透明度和光散射系數的測定。

2結果與討論

2.1貝殼粉的SEM分析

圖1和圖2分別為貝殼粉和PCC的SEM圖。由圖1可看出,貝殼粉呈梭狀的偏三角面體,顆粒大小均勻,并聚集在一起形成叢簇,有利于提高填料的留著和改善紙張的不透明度。由圖2可以看出，PCC呈不規則塊狀結構,顆粒大小相差很大。

圖1　貝殼粉的SEM圖

圖2　PCC的SEM圖

2.2貝殼粉的粒徑分布

貝殼粉和PCC的粒徑分布分別見圖3和圖4。粒徑檢測結果表明,貝殼粉的平均粒徑為0.44 μm,有92.9%的粒徑在3.1～5.5 μm之間；而PCC的平均粒徑為0.49 μm,有86.8%的粒徑在3.6～6.4 μm之間。由圖3和圖4可以看出,貝殼粉和PCC的平均粒徑和顆粒尺寸分布都比較接近,但貝殼粉的平均粒徑比PCC的小,且顆粒尺寸分布更均勻,范圍更窄,適用于造紙。而小的顆粒和窄的顆粒尺寸分布會產生較高的光散射系數[5],因此，加填紙的光散射性能也較高。

2.3貝殼粉的性能

表1所列為貝殼粉和PCC的性能。由表1可知,貝殼粉的白度為91.4%,比PCC的白度略低。貝殼粉的沉降體積為5.35 mL/g,和PCC相差不多,這說明貝殼粉懸浮液在水相分散體系和漿料中具有較好的懸浮穩定性,容易輸送[6]。貝殼粉的Zeta電位為正值,這種特性有利于其在造紙濕部過程中與帶負電荷的纖維之間形成結合,從而在一定程度上減少填料的流失。

圖3　貝殼粉的粒徑分布圖

圖4　PCC的粒徑分布圖

填料沉降體積/mL·g-1白度/%Zeta電位/mV貝殼粉5.3591.411.7PCC5.6094.6-12.2

圖5　貝殼粉用量對紙張抗張指數的影響

圖6　貝殼粉用量對紙張耐破指數的影響

圖7　貝殼粉用量對紙張撕裂指數的影響

2.4貝殼粉用量對紙張強度性能的影響

貝殼粉用量對紙張強度的影響分別如圖5、圖6和圖7所示。由圖5、圖6和圖7可以看出,隨著貝殼粉用量的增加,加填紙的抗張指數、撕裂指數和耐破指數都呈下降趨勢。在紙張定量不變時,增加填料用量會減少紙張中纖維的數量和剩余纖維間的相互接觸面積[7- 8],從而導致紙張強度下降。

從圖5可以看出，在貝殼粉和PCC用量相同時,貝殼粉加填紙和PCC加填紙的抗張指數相差不大,但PCC加填紙的抗張指數略高于貝殼粉的。由于貝殼粉的粒徑比PCC的小,顆粒數量更多,不利于纖維之間的結合,對強度損害更大；在貝殼粉用量超過10%時,貝殼粉加填紙的抗張指數下降較快。

由圖6可知,當貝殼粉用量增加時,貝殼粉和PCC加填紙的耐破指數下降趨勢非常接近。在貝殼粉用量為10%時,貝殼粉加填紙的耐破指數下降的較少,為0.08 kPa·m2/g；在貝殼粉用量為15%時,貝殼粉加填紙的耐破指數下降了0.3 kPa·m2/g。

由圖7可以看出,貝殼粉加填紙的撕裂指數隨其用量的增加而降低,與PCC加填紙的變化趨勢相近，二者相差不大。這可能與貝殼粉和PCC的相近粒徑分布有關。在貝殼粉用量超過10%時,貝殼粉加填紙的撕裂指數下降得較快。

2.5貝殼粉用量對紙張光學性能的影響

影響加填紙光學性能的因素有很多,如填料的化學組成、粒徑的大小、粒度分布、粒子的聚集程度和填料含量等。加填通?？梢愿纳萍垙埌锥?、不透明度和光散射系數,且這種作用隨著填料用量的增加而增加[9],貝殼粉用量對紙張光學性能的影響分別如圖8、圖9和圖10所示。

從圖8可以看出,在不加任何填料時,紙張的白度較低,為76.0%。隨著貝殼粉和PCC用量的增加,PCC加填紙的白度上升幅度高于貝殼粉的,但相差不大。這是由于貝殼粉本身的白度略低于PCC的,且貝殼粉的粒徑較小不易于留著,因此貝殼粉加填紙的白度比PCC加填紙的略低。在貝殼粉和PCC用量為10%時,貝殼粉加填紙的白度比PCC加填紙的低0.6個百分點。

由圖9可知,貝殼粉加填紙的不透明度隨其用量的增加而增加的幅度比PCC的大,在加填量為10%時,貝殼粉和PCC加填紙的不透明度分別是85.4%和82.8%,由于貝殼粉的粒徑更小和顆粒尺寸分布更均勻,相應的紙張中填料數目及其與纖維接觸面積會增大,增加了紙張中的非光學結合面積,因此相同加填量下，貝殼粉加填紙的不透明度比PCC的高。在加填量超過10%后,貝殼粉對加填紙不透明度的增加并不明顯。

圖8　貝殼粉用量對紙張白度的影響

圖9　貝殼粉用量對紙張不透明度的影響

圖10　貝殼粉用量對紙張光散射系數的影響

由圖10可知，與PCC加填紙相比，隨著貝殼粉用量的增加,貝殼粉加填紙的光散射系數上升的更多。在用量為10%時,貝殼粉加填紙的光散射系數上升較多,比PCC的高3.84 m2/kg。光散射系數主要取決于填料的顆粒尺寸分布、比表面積和顆粒形態。貝殼粉和PCC有相近的顆粒尺寸分布,但貝殼粉的粒徑更小,相應的紙張中填料的數量增加了,提供的散射界面就越多,散射能力越大,從而產生較高的光散射系數[10]。

3結論

本實驗通過與輕質碳酸鈣(PCC)進行對比，研究了貝殼粉作為填料的性能和其不同用量對紙張強度性能和光學性能的影響。

3.1貝殼粉呈梭狀的偏三角面體,并聚集在一起形成叢簇,平均粒徑為0.44 μm,顆粒尺寸分布均勻,白度和沉降體積都較高,分別為91.4%和5.35 mL/g。

3.2對比分析不同用量的貝殼粉和PCC加填硫酸鹽(KP)蘆葦漿手抄紙的強度性能和光學性能,得出貝殼粉的加填效果與PCC相當,且在加填量為10%時效果最佳，在改善紙張不透明度和光散射系數方面貝殼粉具有的優勢。

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(責任編輯：董鳳霞)

·貝殼粉填料·

Characteristics of Shell Powder and the Effect of Its Application as Filler on Paper Properties

WU JingNIU Mei-hong*PING Qing-weiLI NaSHI Hai-qiangZHANG Jian

(Schooloflightindustry&chemicalengineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian,LiaoningProvince, 116034)

(*E-mail: nmh414@163.com)

Abstract：Comparing with commercial precipitated calcium carbonate(PCC) the characteristics of shell powder and the effect of its application as filler in various dosages on paper strength and optical properties were studied, and the feasibility of using shell powder as papermaking filler and its advantages were discussed. The results showed that shell powder exhibited spindle-shaped scalenohedral and gathered together in clusters, the average particle size was 0.44 μm and the particle size distribution was uniform, the brightness was 91.4%, the sediment volume was 5.35 mL/g. It was feasible to use shell powder as papermaking filler. Physical tests of shell powder-filled paper indicated that, when the same content was filled, the strength properties and optical properties of the shell powder-filled paper were similar to that of PCC-filled paper, while the opacity and light scattering coefficient were higher than that of PCC-filled paper. Shell powder could be used as a novel papermaking filler. When the filler content was 10%, the tensile index, tear index, burst index and brightness of shell powder-filled paper were 0.09 N·m/g, 0.05 mN·m2/g, 0.03 kPa·m2/g and 0.57% respectively and lower than PCC-filled paper, while the opacity and light scattering coefficient were 2.62 point and 3.84 m2/g higher respectively compared with the PCC-filled paper.

Key words：shell powder;filler characteristics;paper properties

通信作者：*牛梅紅女士，E-mail:nmh414@163.com。

收稿日期：2015- 07-17(修改稿)

中圖分類號：TS727.2

文獻標識碼：ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2015.12.002

作者簡介：吳靜女士，在讀碩士研究生；主要研究方向：造紙濕部化學。