（矿物加工工程专业论文）造纸用非金属矿物与植物复合纤维制备与性能研究.pdf

中文摘要 纸张是人类生产、生活的必需品，我国日益增长的纸张需求量，使造纸工 业面临着木浆供应短缺的严重问题，因此寻求价格低廉而又可以部分代替植物 纤维，改善纸品性能而又不污染环境的新的造纸原料，成为造纸行业梦寐以求 的事情。而矿物纤维如海泡石纤维、硅灰石纤维等具有与植物纤维类似的纤维 结构，因此，用矿物纤维替代部分植物纤维抄造纸张的研究具有非常重要的意 义。 通过对海泡石、硅灰石和植物纤维的试样特性进行较系统的研究，有针对 性地对海泡石进行分散，硅灰石改性，并将分散好的海泡石和植物纤维进行复 合抄纸并测试其性能指标。 通过矿物纤维与植物纤维的结构、表面电性和微观显微镜图片进行了分析 和比较，得出以下结论：将海泡石充分分散后，实现纤维单束化，能与植物 纤维实现良好结合；硅灰石由于纤维长径比较小，柔软性差，与植物纤维的 交织作用不强，有必要对硅灰石进行改性处理，来增强它们与植物纤维的结合 强度。 对海泡石的分散、提纯和硅灰石的改性进行了研究，最后确定海泡石分散 提纯的工艺条件为：分散剂选用六偏磷酸钠，分散剂用量3 0 ，搅拌转速 9 0 0 r m i n ，搅拌时间6 0 m i n ，然后超声波分散3 0 m i n 。硅灰石的改性可采用阳离 子淀粉或聚丙烯酰胺进行。经过阳离子淀粉改性后可将硅灰石的电位降低，经 过聚丙烯酰胺改性后硅灰石电位变化不大，但会使硅灰石纤维间形成三维网络 结构，这将会增大硅灰石与植物纤维复合后的留着率。 矿物纤维和植物纤维复合抄造纸张的试验结果表明：矿物纤维的添加会导 致纸张的强度的下降，留着率也不高，特别是未改性硅灰石的添加将会严重影 响纸张的强度。添加改性后的硅灰石有助于提高纸张的强度和留着率，而海泡 石和改性后的硅灰石复合后再添加到植物纤维中造纸，可以得到比单独加填硅 灰石更好的效果，复合矿物纤维的添加量可以达到4 0 。 将矿物纤维添加到植物纤维中替代部分植物纤维造纸，既不改变生产工艺， 而且在技术上可行。在保证纤维强度的情况下，添加适量的矿物纤维，有助于 降低纸张的生产成本和减少对环境的污染。 关键词：海泡石，硅灰石，植物纤维，造纸 a b s t r a c t p a p e ri st h en e c e s s a r i e si np e o p l e sl i f e n ed e m a n do fp a p e rc o n s u m p t i o ni s g r o w i n gi n c r e a s i n g l y w eh a v ec o n f r o n t e dw i t hs e r i o u sp r o b l e m so nt h es u p p l y i n go f w o o dp u l p t h e r e f o r e ，i ti se a r n e s t l yl o n g i n gf o rs e e k i n gn e wp a p e rm a k i n gm a t e r i a l s t h a tw i t hl o wp r i c ea n dn op o l l u t i o nt oo u re n v i r o n m e n tt oi m p r o v et h ep a p e rp r o d u c t f u n c t i o ni n s t e a do fap r o p o r t i o no fp l a n tf i b r e n em i n e r a lf i b r es u c ha st h es e p i o l i t e f i b r ea n dt h ew o l l a s t o n i t ef i b r eh a v eas i m i l a rs t r u c t u r ew i t ht h ep l a n tf i b r e s o ，i th a s a g r e a ts i g n i f i c a n c et or e p l a c eap r o p o r t i o no f t h ep l a n tf i b r e sw i t hm i n e r a lf i b r e s a f t e ras y s t e m i cr e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dp r o p e r t i e so ft h es e p i o l i t ea n d t h ew o l l a s t o n i t ea n dt h ep l a n tf i b r e ，s e p i o l i t ed i s p e r s i n ga n dt h ew o l l a s t o n i t e m o d i f i c a t i o nw e r ec a r r i e do u tp e r t i n e n c y ，t h em i n e r a lf i b r e sw e r ec o m p o u n d e dw i t h p l a n tf i b r e st om a k ean e wl 【i n do fp a p e r t h ep e r f o r m a n c ea n dp r o p e r t i e so ft h e c o m p o u n d e dp a p e r sw e r ed e t e c t e d b yc o m p a r i n gt h es t r u c t u r ea n do fm i n e r a lf i b r ea n dp l a n tf i b r e ，a n a l y z i n gt h e s u r f a c ee l e c t r i c a lp r o p e r t y ，c o m p a r i n gt h em i c r o s c o p ep h o t o so ft h e s ef i b r e s w e m a d eac o n c l u s i o nt h a t ：( 堇) s e p i o l i t ef i b r ea n dp l a n tf i b r ec o u l db ec o m b i n e dw e l l w h e nt h es e p i o l i t ef i b r eh a db e e nd i s p e r s e di n t os i n g l ef i b r e t h el e n g t ho f w o l l a s t o n i t ef i b r ew a ss h o r t e rt h a nt h ep l a n tf i b r e ，a n dt h ep l a s t i c i t yw a sv e r yw e a k , a n dt h es t r e n g t h e nf o r c eb e t w e e nt h ef i b r e sw a sn o tv e r ys u o n g i tw a sn e c e s s a r yt o m o d i f yw o l l a s t o n i t et oe n h a n c ei t sc o m p o s i t ep e r f o r m a n c eb e t w e e nt h ep l a n t sf i b r e s a n dw o u a s t o n i t e t h ed i s p e r s i o n 、p u r i f i c a t i o no fs e p i o l i t ea n dm o d i f i c a t i o no fw o l l a s t o n i t ew e r e s t u d i e di nt h i sp a p e r , a n dt h ef i n a lp r o c e s sc o n d i t i o n so fp u r i f i c a t i o no fs e p i o l i t ew a s s h o w e da sf o l l o w s ：t h ed o s a g eo fd i s p e r s a n to f ( n a p 0 3 ) 6w a s3 0 s t i r r i n gr a t ew a s s e tt o9 0 0 r m i nf o r6 0m i n u t e s d i s p e r s i n gs e p i o l i t ef o r3 0 m i ni nu l t r a s o n i cc o n d i t i o n t a k ec a t i o n i cs t a r c ho rp a mt om o d i f yt h ew o l l a s t o n i t e t h es u r f a c ee l e c t r i c a l p r o p e r t yo fw o u a s t o n i t em o d i f i e db yc a t i o n i cs t a r c hd e c l i n e d b u tt h e o n et h a t m o d i f i e db yp a mh a dc h a n g e do n l yal i t t l e ，h o w e v e r ，t h et h r e e d i m e n s i o n a ln e t s t r u c t u r ew a sf o r m e db e t w e e nw o l l a s t o n i t ea n do t h e rf i b r e si tw o u l di n c r e a s et h e r e t e n t i o nr a t eo fw o l l a s t o n i t ei nw o l l a s t o n i t e p l a n t f i b r ec o m p o s i t e s t h er e s e a r c ho np a p e rm a k i n gb ym i n e r a lf i b r ea n dp h n tf i b r ec o m p o s i t es h o w s t h a t ：m i n e r a l 矧) r ew i l ld e c r e a s et h es t r e n g t ho ft h ep a p e r a n di t sr e t e n t i o nr a t ei sn o t v e r yh i g h , e s p e c i a l l y ，t h ea n m o d i f i e dw o l l a s t o n i t ew i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h es t r e n g t h o fp a p e r t h em o d i f i e dw o l l a s t o n i t ew i l lr a i s ep a p e r si n t e n s i t ya n dr e t e n t i o nr a t eo f w o u a s t o n i t e ，t h es e p i o l i t e m o d i f i e d - w o l l a s t o n i t e p l a n t f i b r ec o m p o s i t eh a sab e t t e r p e r f o r m a n c et h a nt h es e p i o l i t e p l a n t f i b r ec o m p o s i t ea n dm o d i f i e d w o l l a s t o n i t e p l a n t f i b r c t h ec o n s i d e r a b l ec o n c e n t r a t eo fm i n e r a lf i b r ew a s 4 0 i np a p e rm a k i n g , r e p l a c i n gp a r t i a lf i b r ep l a n tb ym i n e r a lf i b r ew i l ln o tc h a n g e t h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，a n di ti sf e a s i b l ei nt e c h n o l o g y u n d e rt h ep r e m i s eo f g u a r a n t e et h ep a p e r ss t r e n g t h ，i tw i l lh e l pt or e d u c ep r o d u c t i o nc o s t sa n dr e d u c e e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o no na d d i n ga na p p r o p r i a t ea m o u n to fm i n e r a lf i b r e k e y w o r d s ：s e p i o l i t e ，w o l l a s t o n i t e ，p l a n tf i b r e ，p a p e r m a k i n g m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：拯蕴差日期：丝；：曼 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：去垒日期：! 翌：生 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 1 1 1 造纸工业的发展对造纸原料的需求现状 纸张是人类生产、生活的必需品，几乎涉及到社会的各方面。目前我国正 处于快速发展的时期，现代社会也正进入信息时代，对纸张的需求日益增长。 我国造纸工业迅速发展，虽已是世界上一个纸张生产大国，但还不是一个造纸 强国，和世界造纸发达国家比，有很大差距i l j 。我国造纸工业还面临许多困难和 问题，我国造纸工业面临最大的问题就是造纸原料供给问题，一方面是原料结 构的不合理，另一方面则是原料供给的严重不足。 造纸原料结构的不合理，表现在木浆比重低，在国产纸浆中木浆比重不足 1 0 。2 0 0 0 年各类商品木浆进口3 3 4 5 1 万吨，2 0 0 3 年已达6 0 3 4 万吨，比2 0 0 2 年增长1 4 6 ，2 0 0 4 年上升到7 3 1 8 万吨，比上年又增长2 1 8 。即使在2 0 0 3 年国内纸和纸板生产量比1 9 9 5 年增长8 0 的情况下，自产原生纸浆产量几乎是 零增长。不仅木浆产量基本没有增长，而且由于调整产品结构、保护环境、控 制水污染，草类原生纸浆也没有更大增长。因此，近年来我国每年不得不大量 进1 ：3 商品木浆，进口数量逐年在大幅度增力t l i 2 ) 。 我国造纸工业对进口依赖性已在日益增大，虽然进口纸浆可以在一定程度 上缓解现阶段原料供给的不足，可是长期依赖进口以解决我国造纸原料短缺的 问题是很不现实的，我国造纸工业发展面临相当严重的问题。2 0 0 4 年我国进口 纸浆和废纸共用外汇6 0 5 5 亿美元，其中进口各类商品木浆用汇4 3 3 亿美元， 进口废纸用汇1 7 2 5 亿美元。另外，由于国内高挡次纸张品种有缺口，还需进口 一定数量，2 0 0 4 年进口各类纸张6 0 3 7 8 万吨，又用汇3 7 5 8 亿美元。我国造纸 行业全部总用外汇9 8 1 3 亿美元。 为解决我国造纸工业原料结构的不合理和供给不足，我国造纸工业确定的 原料方针【3 】确定是：“中国造纸原料结构是转向以木材为主要原料，要逐步形成 以木材纤维为主，扩大废纸回收利用，科学合理使用非木材纤维的多元化原料 结构。”提高木材纤维原料比重，成为我国造纸工业实现现代化和可持续发展 的当务之急。 武汉理工大学硕士学位论文 l 1 2 造纸工业的发展对环境的影响 目前我国正处于工业化、城市化的重要发展阶段，随着我国国民经济形势 的发展，人们物质文化生活日益丰富和提高，预计未来几年，我国纸张的消费 量仍将明显加快。造纸工业这几年发展很快，引进了多条先进的造纸生产线， 生产工艺有所改进，但仍是破坏生态和环境污染大户，对我国的生态环境具有 双重负面效应。一方面，纸张的原料以木材为主，需砍伐大量森林，而我国人 口众多，人均森林资源稀少，森林面积的大幅度减少，引起了一系列生态污染 问题，如泥石流、沙尘暴、洪水等。另一方面，纸浆的生产工艺主要由蒸煮、 漂白、洗涤组成，这些工序既需消耗大量的水，又产生难以根治的“黑液”和 废水，造成了严重的环境污染问题1 4 j 。 目前造纸需用木浆供给严重不足，依靠加快植树造林和等待实施林纸一体 化工程项目、筹建新的纸浆厂，恐非短期内可以办到的。随着人们环保意识的 增强和造纸原料的短缺，回收利用废纸资源造纸已被世界造纸工业所重视1 5 一。 充分利用废纸资源成为我国造纸工业原料调整的重要措施之一。废纸利用 - q 不仅 可节约大量植物纤维原料、能源和降低成本，还保护了环境，减轻对生态的破 坏，有经济效益，而且有很好的社会效益和环境效益。是造纸工业实施循环经 济的一项重要内容。 但是，我国造纸工业因木材资源缺乏和建设资金不足，长时期是以草类纤 维原料，特别是以稻、麦草为主，并且是以小纸厂为主体，而又多采用传统的 碱法制浆工艺。草类原料中麦草的制浆废液回收处理和污染防治难度大，费用 高，而稻草中硅含量高，制浆废液的回收更难【8 j 。 我国日益增长的纸张需求量，使造纸工业面临着木浆供应短缺的严重问题， 其结果一方面造成国内纸张生产线开工不足，另一方面需花费大量外汇购买国 外纸张和纸浆来满足国内需要。目前，为解决造纸用植物纤维来源不足的问题， 回收废纸是重要途径之一，但废纸的白度低于4 5 ，对环境污染造成较大的影 响，需要脱墨和漂白，而且废纸加工工艺比较繁琐，白度也仅达到8 0 ，会影 响纸品的白度、不透明度，从而影响了纸品的适印性能，所以寻找新的造纸用 纸浆纤维材料成为迫切的需要1 9 】。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 3 非植物纤维在造纸工业中应用意义 随着科学技术的发展，纸的用途已经远远超出了文化生活的范畴【1 0 l ，农业 生产以及国民经济中的各个部门，与造纸产品都有着密切的联系，对纸张的性 能要求也越来越高，单纯用植物纤维原料抄造的纸张已经不能完全满足使用要 求。选用其它原料制造特种性能的纸也势在必行，国内外也出现了添加非植物 纤维造纸的研究【1 5 】。这些非植物纤维主要包括化学纤维( 聚酯纤维、聚酰胺纤 维、聚氯乙稀纤维、聚丙烯纤维及粘胶纤维等) 、无机纤维( 无机化合物纤维、 矿物纤维、金属纤维及碳纤维等) 和微生物纤维。 国内造纸生产总量的增加和国内造纸原料的短缺，也迫使我们尽可能提高 废纸的利用率，并积极寻找廉价的纸浆纤维的替代品。随着社会经济的快速发 展，寻求价格低廉而又可以部分代替植物纤维，改善纸品性能而又不污染环境 的新的造纸原料，成为造纸行业梦寐以求的事情。 造纸行业使用填料不但可以降低纸张的制造成本，而且还可赋予纸张不透 明度和印刷适印性等一些特殊的性能。造纸界一直致力于提高纸张的填料用量， 希望少用纤维多用成本低的填料来降低成本。但在过去十几年的时间里，大多 数纸张的填料含量无明显提高，似乎已达到目前技术的极刚1 2 】。要把填料含量 从目前的1 0 ，2 0 提高到2 0 一3 0 ，技术上的主要困难是：目前填料和淀粉的 留着率很难达到较高的水平；即使达到较高的保留水平，对纸张的性质如强度、 松厚度等均有负面的影响。为了增加填料用量而又不影响纸张性质，人们提出 改变填料的结构，使用具有纤维结构的物质作为纸浆纤维的替代品。 1 1 a 矿物纤维在造纸工业中应用的国内外研究现状 非金属矿物1 1 3 l 按照矿物的形态可分为层片状矿物、纤维状矿物、颗粒状( 无 定形) 矿物、晶体矿物和黏土矿物等几类。常见的纤维状矿物包括纤维石棉、 海泡石、凹凸棒石、纤维水镁石、纤维状硅灰石及石膏纤维( 石膏晶须) 等。 矿物纤维能够与植物纤维产生交织作用，构成植物纤维与矿物纤维的网状结构， 对矿物纤维进行了改性处理后更好地同植物纤维相结合，得到植物矿物复合纤 维材料，这种复合纤维材料可代替部分植物纤维纸浆造纸【1 ”。目前，国内用于 植物纤维替代品的矿物纤维主要为海泡石和硅灰石以及其他矿物复合纤维。 国外纤维状矿物用于造纸的报道主要为表面涂料、填料或添加剂，国外更 3 武汉理工大学硕士学位论文 着重于废纸的回收利用【1 5 , 1 6 , 切。我国森林覆盖率低，远不及世界平均水平，但我 国有较丰富的纤维状矿物资源，因此，将矿物纤维代替部分植物纤维用于造纸 较具有市场前景。 1 1 4 1 海泡石 一般海泡石纤维状在水和其它高中等极性溶液中，纤维束易解散形成不规 则的纤维网络，可在低浓度下形成高粘度的稳定悬浮液。在海泡石表面存在大 量的s i o h 基，对有机物结合分子有很强的亲和力，可与有机物反应剂直接作 用。海泡石因其特有的晶体结构，具有良好的吸附性、流变性和催化性。其所 具有的这些特性，使它在很多方面有较高的应用价值，但是它的主要市场仍然 是在吸附剂市场i l s - 2 0 l 。西班牙【2 l 】是全球最大的海泡石生产国，在欧洲，9 0 的海 泡石来自西班牙，其余的海泡石供应主要来自土耳其。现阶段国内出现了不少 对海泡石在造纸工业中的加工应用研究。 艾常涛【2 2 】等利用干法、湿法对河南西峡优质海泡石粘土进行超细粉碎。通 过粒度测定、s e m 、x r d 等检测手段考察了各磨矿工艺参数对纤维剥离效果的 影响，获得了平均长径比高达1 0 0 ：1 的海泡石纳米单纤，指出利用气流磨进行 干法磨矿更有利于海泡石纳米单纤维的保护。 高玉杰【2 3 】等利用海泡石配抄其它纤维作原料进行造纸研究，湿法抄造不同 用途的页纸。对海泡石的打浆特性进行了初步探讨，尝试了用不同粘合剂来提 高海泡石的成纸强度。通过海泡石与针叶木浆、玻璃棉浆等其它纤维配抄，制 备吸附类用纸、阻燃纸等。海泡石纤维具有较好的抄纸性能，若条件掌握适当， 完全可以采用湿法造纸。而且成纸匀度好，有较好的白度，强度适当。掌握不 同的条件，配比不同的纤维，可以抄制不同定量、不同用途的纸张以满足不同 的需要，具有广阔的开发前景。 王继忠【2 4 】等对非金属矿产a 海泡石在配抄玻璃纤维及针叶木纤维时添加各 种不同助剂，不同条件下的滤水性能、纸机抄造及耐高温性能进行了多方面的 试验，认为a 海泡石具有较好的抄纸性能，如果条件掌握适当，可以满足不同 定量，不同用途的纸张需要。 杨守生【2 6 】对以海泡石为主要无机添加剂的阻燃体系进行了研究。结果表明， 单纯以海泡石为外加剂时，添加量达到7 0 以上后有较好的阻燃性；添加一定 量的氯化石蜡三氧化二锑可以大大提高纸的阻燃性能。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 4 2 硅灰石 根据用途【卅划分，硅灰石产品可分为两大类：一类是高长径比的硅灰石产 品，主要利用其针状性能，用于填料方面作为增强剂，尤其在塑料、橡胶、油 漆、涂料等方面，硅灰石可增加硬度、抗弯强度、抗冲击性，改善塑料的电学 特性，提高材料的热稳定性和尺寸稳定性。一类是细磨硅灰石粉，主要利用其 矿物化学性质，用于陶瓷和冶金工业，硅灰石中的c a o 、s i 0 2 成分提供了低的 热膨胀性和抗冲击性。 施玉北【明等利用云南超微公司制造的特殊的超细粉磨设备，加工出高白度 ( 9 5 ) ，高长径比( 1 2 1 5 ：1 ) 的硅灰石纤维。将这种高长径比硅灰石纤维与 植物纤维造纸与传统用植物纤维造纸相比，可节约植物纤维用量1 0 一2 0 ，可 以降低造纸成本，减轻用植物纤维制浆造纸过程中环境污染的压力，单程留着 率可达7 0 一8 0 ，并且可改善纸品性能，提高纸品不透明度、消除纸的静电及 降低纸品的收缩率等【捌。马正先1 2 9 】认为具有足够长径比的超细硅灰石针状粉有 着极高的应用价值，提高硅灰石产品的长径比，关键在于粉碎过程中保持矿物 原有的结晶结构。刘新海【删等人对制备超细高长径比硅灰石进行了研究，破碎 阶段开始就注重对其针状晶体的保护，采用长腔颚式破碎，使破碎作用于硅灰 石矿物上的力分别以挤压力和摩擦力为主，避免过粉碎，可有效地保护粗颗粒 硅灰石的针状晶体结构。 孙传敏1 3 1 】等将云南腾冲白石岩的硅灰石矿粉碎至1 2 5 0 目后，获得直径约为 l o m m ，长径比1 5 ，白度9 0 左右的超细纤维。为使硅灰石纤维具有更好的白度 和遮盖力，对表面进行了无机物s i 0 2 涂覆，使用一些有机物质对硅灰石纤维进 行了改性处理，使之能更好地与植物纤维结合，使纸张具有较高的强度。硅灰 石纤维最显著的优点在于，可大量添加到新闻纸中( 直到2 0 ) ，留着率高( 9 0 ) ， 且纸的强度( 裂断长、撕裂度等) 下降不大，并可极大地改善纸的白度、不透明度 及适印性。这些优良性质对于那些含有大量脱墨废纸浆的再生新闻纸尤为重要， 提供了一种使用脱墨废纸浆生产高品质新闻纸的低成本方法。 1 1 4 3 其他矿物纤维 除硅灰石和海泡石外，国内也出现了不少利用其它矿物纤维或复合纤维进 行造纸的研究的报道。 杨鸿章p 2 1 等探讨了矿物纤维代替植物纤维用于造纸的机理，展望了矿物纤 5 武汉理工大学硕士学位论文 维用于造纸的前景。通过生产实验证明，经过表面复合技术处理的矿物纤维用 于造纸，不改变造纸工艺，能够改善纸品性能，减少环境污染，降低造纸成本； 但大量使用矿物纤维会降低纸的松厚度和纸张强度。 胡琳娜【3 3 】等对由玄武岩纤维和植物纤维制备复合纸板及型体材料进行了研 究，讨论了打浆度、玄武岩纤维等因素对复合材料性能的影响。罗果【卅等通过 对在不同处理剂浓度下不同比例的玻璃纤维与植物纤维混合配抄出来的成纸物 理性能进行研究和比较，得出了较佳的处理剂浓度和玻璃纤维与植物纤维的混 抄比例与成纸物理性能的对应关系。玻璃纤维分散性较差，用浓度为0 5 的处 理剂处理后的分散效果较好。玻璃纤维单独抄纸其成纸强度较差，因此可以将 玻璃纤维与剑麻纤维以一定比例混合配抄，这样抄出来的纸既具有一定的过滤 性能，也具有一定的强度。 张赣霞【3 5 】对矿物纤维配抄单面涂布白纸板进行了研究，用矿物纤维代替 1 0 一1 5 的木浆，同时添加1 5 阳离子助剂，生产的涂布白纸板可以提高挺度， 有助于降低纸板的横幅定量差，除表面强度指标外，其它指标均达到“单面涂 布白纸板”的a 等要求。由于矿物纤维价格仅为进口木浆的1 3 ，以之代替部分 木浆有利于降低成本。 1 2 本课题研究的目的和意义及研究内容 1 2 1 研究目的和意义 本项目着眼于研究开发出一种新型复合型纤维纸浆，其主要组成为非金属 矿纤维和植物纤维的复合材料，非金属矿纤维材料可以代替3 0 以上的植物纤 维，而不影响纸张产品主要性能，本项目的实施无论是对造纸工业，还是对非 金属矿工业，以及相关行业都具有积极的、重大的意义。主要体现在以下几个 方面： ( 1 ) 纸浆原料除了木浆、蔗漂浆等植物纤维、废纸回收之外，增加新的原料 来源，使纸浆生产原料的供应和选择多元化。 ( 2 ) 在一定程度上，可缓解我国纸浆供应不足的状态，改变每年部分纸浆依 赖进口的局面。 按非金属矿纤维代替3 0 木浆纤维计，每年可节省进口木浆近2 2 0 万吨 ( 2 0 0 4 年进口木浆7 3 1 8 万吨) ，减少木材消耗6 0 0 万立方米。既减少了森林 6 武汉理工大学硕士学位论文 砍伐面积，保护了生态环境，又可减少木浆生产过程中产生的环境污染。 ( 4 ) 非金属矿物纤维材料主要作为填料应用于涂料、橡胶、塑料等行业，造 纸用复合纤维的研究开发也使非金属矿纤维材料产品扩大了新的应用领域，使 非金属矿纤维材料的加工技术得到发展和提高，在一定程度上也推动了非金属 矿工业的发展。 1 2 2 研究内容 本课题是根据国内外矿物纤维在造纸工业中的研究应用现状，在已有的试 验基础上，进一步深入研究矿物纤维( 主要是海泡石和硅灰石) 在造纸工业中 应用，具体内容如下： ( 1 ) 矿物纤维物化特性研究，包括矿物纤维的晶体结构，化学及矿物组成， 表面电性以及矿物形貌分析；植物纤维的纤维结构及微观形貌分析； ( 2 ) 矿物纤维的分散提纯和改性，确定了最佳分散剂、改性剂及相应的工艺 条件； ( 3 ) 矿物纤维与植物纤维的复合、纸张的抄造及性能测试，探讨了影响矿物 纤维与植物纤维复合性能的因素，进一步验证了矿物纤维在造纸工业中应用的 可行性。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章试验原料、设备及研究方法 2 1 试验原料 选用海泡石纤维和针状硅灰石纤维作为矿物复合纤维的原料，海泡石选用 河南省西峡县环宇海泡石厂机械, b n - r 后的海泡石绒。硅灰石采用云南非金属矿 产应用研究所提供的1 2 5 0 目的针柱状硅灰石。植物纤维由中国制浆造纸应用研 究院提供的进e l 阔叶林( 短纤维) 纸浆。 2 2 试验药剂 试验所用化学药剂如表2 - 1 所示。 表2 - 1 主要化学试剂一览表 药剂名称化学式规格生产厂商 盐酸 h c la r武汉洪山永发化工 六偏磷酸纳 ( n a - p 0 3 ) 6 a r 武汉江北化学试剂厂 o t 渗透剂 c 2 0 h 3 7 0 7 s n a c r 湖北枣阳化工 d c c 5 h 9 n 0 2 c r 美国罗门哈斯公司厂 氢氧化钠 n a o ha r上海恒利精细化工厂 硫酸 h 2 s 0 4 a r河南开封东大化工厂 氯化铝a l c l 3 a r上海兴塔美兴化工厂 聚丙烯酰胺 c o n h 2 i c h 2 - - c h 。 c r 市售 阳离子淀粉 c r 市售 2 3 试验设备 主要试验设备如表2 - 2 所示。 8 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 2 主要设备一览表 设备型号生产厂家 离心沉淀机 i j u 2上海医用分析仪器厂 矿物形貌测定仪 j m t 成都理工大学 白度仪 d n b杭州高新自动化仪器仪表有限公司 旋转式粘度计 n d j 7上海天平仪器厂 超声波清洗机 c ) n ：5 0中国北京医疗设备二厂 激光粒度分析仪 g s i ，1 0 1丹东仪器仪表厂 高速分散机 g e j 0 4 a上海涂料工业机械厂 多功能搅拌器 i - i j 5常州国华电器有限公司 数显恒温水浴锅 h h 2常州国华电器有限公司 精密p h 计 p h s 3 c上海雷磁仪器厂 z e t a 电位测定仪 z e t a 9 0 p l u s美国布鲁克海文仪器公司 电热干燥箱 k w y 5 0 0 1武汉市武昌实验仪器厂 光学显微镜 x b t 1国营江南光学仪器厂 数字转速表 f g 5 3 1香港泰发实业有限公司 打浆机 j 2 3西北轻工业学院机械厂 纸样抄取机z q j l - b西北轻工业学院机械厂 单面上光机 s 5浙江上虞道墟照相材料厂 纸张厚度计 z h d 1 0长春第二材料试验机厂 纸和纸板定量测定仪 d d l y 5 0四川长江造纸仪器有限公司 电脑测控耐破度仪 d c p n p y l 2 0 0四川长江造纸仪器有限公司 电脑测控耐折度仪 d c p m i t l 3 5四川长江造纸仪器有限公司 数显卧式抗张试验机 d c z 3 0 0四川长江造纸仪器有限公司 定距切纸刀 d j d 1 5长春小型试验机厂 调距切纸刀 j j d长春小型试验机厂 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 试验流程 试验分为两个部分，第一部分是矿物纤维的提纯、分散与改性，第二部分 为矿物纤维与植物纤维的复合与性能研究，试验流程见图2 - 1 所示。 卧圉 2 5 试验研究方法 图2 1 试验原则流程图 2 5 1 矿物纤维的提纯、分散及评价方法 2 5 1 1 矿物纤维的提纯与分散 海泡石的分散采用机械搅拌分散和超声波分散相结合的方法，利用沉降分 离和离心分离相结合进行海泡石提纯。由于海泡石绒中含有较多的杂质矿物， 这些杂质矿物大都夹杂在海泡石纤维束中，要实现杂质矿物分离，必须要使海 泡石单纤维化，即实现良好分散。海泡石提纯分散的原则流程如图2 2 。 卧卧固掴怔 图2 2 海泡石提纯工艺流程图 l o 武汉理工大学硕士学位论文 2 s 1 2 分散效果的评价方法 矿物纤维的分散效果的评价方法有很多，但是单一的评价方法不能够反映 表示矿物纤维的分散程度的好坏，为此我们选择利用粘度、透光率、沉降时间 和显微镜照片对比来对海泡石的分散情况进行综合评价，具体方法如下： ( 1 ) 粘度测定，取搅拌分散后的上层海泡石悬浮液7 0 m l ，静置3 0 r a i n ， 用n d j 7 型旋转式粘度计测定其粘度。悬浮液中单纤维海量越多，则分散越均 匀，比表面积越大，长径比相对变大，在剪切力下，纤维的旋转半径增大，粘 度也会随之增大。 ( 2 ) 透光率的测定，取搅拌分散后的上层海泡石悬浮液1 0 m l ，静置1 0 r a i n 后，用7 2 1 型分光光度计( 选用波长5 0 0 n m ，l e m 比色皿) 测定其透光率。悬 浮液静置一段时间后，悬浮液中纤维含量越多，则悬浮液越稳定，纤维的分散 稳定性也越好，透光率也越低。 ( 3 ) 沉降时间的测定，取搅拌分散后的上层海泡石悬浮液1 0 m l ，放入1 0 m l 量筒中，记录上清液体积达到5 m l 所需要的时间。悬浮液中单纤维含量越多， 纤维越细，纤维的当量直径也就越小，在介质中所需要的沉降时间也就越长。 ( 4 ) 显微镜照片对比，取分散后的矿物纤维在显微镜下面观察纤维的分散 情况。 2 5 2 矿物纤维的改性方法与评价方法 硅灰石较海泡石纤维而言，纤维的长径比小，柔韧性也不如海泡石纤维好， 与植物纤维复合时，会造成留着率的严重下降，保持硅灰石纤维的留着率成为 我们这次研究的重点，对硅灰石改性主要是为了加强它与植物纤维复合造纸后 的留着率。由于植物纤维带负电，硅灰石纤维在中性条件下也是带负电的，为 此我们选择用阳离子淀粉和聚丙烯酰胺分别对硅灰石进行改性，通过改变硅灰 石表面的( 电位，增强硅灰石与植物纤维的结合强度，从而增大硅灰石的留着率。 2 5 2 1 硅灰石的改性方法 准确称取一定量的硅灰石，加入三口蒸馏瓶中，按比例加入一定量的改性 药剂，在不同温度( 用恒温水浴锅控制温度在5 0 - 9 0 ) 下利用多功能搅拌器进 武汉理工大学硕士学位论文 行改性。 2 5 2 2 硅灰石的改性效果的评价方法 用硅灰石表面( 电位的变化对改性效果进行评价，取改性后的适量样品配制 成稀矿浆悬浮液，超声波分散后，测定不同p h 值下的样品的电位。 2 5 3 抄纸试验 在生产上，纸浆在送去抄纸抄纸之前，一般需要进行打浆，经过打浆机的 机械处理，赋予纸浆一些特定的性能，以满足抄造和成纸性能的要求。 2 5 3 1 纸浆打浆与打浆度的测试 抄造纸张之前，必须先将干纸板浸泡并打浆，打浆度的高低会影响到后期 抄纸的性能，纸浆打浆工艺流程如下： ( 1 ) 准备好绝干重量4 0 0 6 0 0 克浆料( 干浆板应先撕成2 5 x 2 5 m m 的小块 并浸泡4 h ；并放入烘箱在7 5 的条件下烘干至恒重。) ( 2 ) 按所需打浆浓度计算应加水量，一并加入打浆机； ( 3 ) 松开底刀进行疏解，控制3 0 m i n 以内，疏解过程中应将底刀杠杆上下 移动1 2 次； ( 4 ) 疏解后，按需求在底刀杠杆臂上加压砝码调整打浆比压，开始打浆； ( 5 ) 打浆过程中，按要求每隔一定时间取样测定打浆度和湿重，直至打浆 度适合工艺要求为止。 ( 6 ) 打浆完成后，取下加压砝码，停机放浆、清洗。 纸张打浆效果的好坏可用打浆度进行评价，打浆度越高，打浆效果越好， 纸浆打浆度的测定方法如下： ( 1 ) 根据浆料的湿重量取含绝干浆2 9 所需的浆料体积，放入测量筒内， 加约3 0 0 m l 清水，用分散器将纸浆充分打散后，再用清水稀释至1 0 0 0 m l ，用 玻璃棒搅拌均匀； ( 2 ) 沿逆时针方向转动手轮，放下锥形盖，将筒网紧紧扣住使之不漏水， 随即将试样倒入滤水筒中； ( 3 ) 静置5 s 后，启动手轮，升起锥形盖。浆料筒中的水通过滤层经分离室 的两个排水管流入量筒中。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 待测流管停止滴水后既可以从专用量筒上读取打浆度值，准确到1 单 位。 ( 5 ) 测定完毕后，取下滤水筒，清洗。 2 5 3 2 纸片抄造 纸片的抄造是造纸的重要组成部分，纸片抄造的好坏直接影响的纸张的使 用，纸片的抄造在西北轻工业学院机械厂生产的浆2 3 型抄纸机上完成，抄纸后 的纸片经加压，烘干即可。纸张抄造工艺流程如下： ( 1 ) 准备 检查设备，并使各部件处于抄纸工作位置； 根据抄纸定量( 保证定量与试验对象的规定定量相同) 和打浆后的纸 浆浓度，计算出每张纸页需取液体浆的体积； ( 2 ) 抄纸 打开贮浆室，置成形网于支撑网上，然后扣紧储浆室； 关闭抽吸室排水管，往储浆桶加水，至约4 l 时，将己准备好的浆料 倒入，继续加水至总体积为7 l ； 用匀浆板上下搅动5 次； 搅拌结束，静置5 s 后，打开连接抽吸室的阀门，抽滤成型( 若抄造 高打浆度的纸样，须在后期采用真空抽滤) ： 待纸浆悬浮液中的水抽滤完后，再继续用真空泵抽吸l o s 。然后关上 真空泵，解除抽吸室的真空，打开贮浆室，进行揭纸。 ( 3 ) 揭纸 于湿纸页上放置一块细致白布，然后盖上毛毯，用毡筒在不附加任 何外界压力的情况下上下往复滚动一次，左右往复滚动一次； 将湿纸页和毛毯连同成形网一起取下，使之稍微倾斜，将其边缘对 准一个水平的垫板轻击，使湿纸页、细致白布和毛毯移到垫板上去， 此时毛毯在最下面，湿纸页在最上面，细致白布在中间： 此时在纸页上加盖一块细致白布，然后再盖上一块毛毯，用毡筒在 不附加任何外界压力的情况下上下往复滚动一次，左右往复滚动一 次； 将湿纸页连同毛毯一块放入油压机下加压3 r a i n 后取出。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 干燥 揭下毛毯，将湿纸页连同细致白布一起放到单面上光机上面烘干，烘干后 取下细致白布，即得到我们所需的手抄片。 2 5 a 纸片性能测试 纸和纸板的性能通常分为物理性、光学性能、印刷性能、电气性能、化学 性能等五大类。物理性能是满足其使用的重要依据，包括定量、水分、厚度、 紧度、透气度、平滑度、抗张强度、耐破度、撕裂度、耐折度、挺度、环压强 度、戳穿强度；光学性能包括白度、透明度、不透明度、光泽度、光散射系数、 光吸收系数等；印刷性能包括吸墨性、平滑度、一定的表面结合强度、不透明 度、白度等；化学性能是指纸和纸板的化学组成( 纤维素、半纤维素、木素、 树脂等) ，水分、灰分的含量，各种化学添加剂的含量，铜价、黏度、p h 值等 性能；电气性能主要是指介电常数、介电强度、介电损耗等。 考虑到矿物纤维的添加对纸张的强度的造成不利影响，因此，我们主要对 定量和强度指标进行了测试。 ( 1 ) 定量的测定 定量w 是指纸或纸板每平方米的质量，以g m 2 表示。通过测定试样的面积 和它的质量，即可以计算出它的定量，定量用纸和纸板定量测定仪按标准进行 测定。 ( 2 ) 抗张强度测定 抗张强度是单位宽度的纸和纸板断裂前所能承受的最大张力，以n m 表示。 利用抗张强度试验仪在恒速加荷下把规定尺寸l w 的试样拉伸至断裂时测其张力 f ，可计算出抗张强度s 和抗张指数y 。抗张指数由数显卧式抗张试验机测定抗 张强度后计算得出。 抗张强度s = f k 4 1 旷 抗张指数y = s 、矿1 x 1 0 。3 ( 3 ) 纸张撕裂指数的测定 内撕裂度( t m ) 是指撕裂预先切1 ：3 的纸板至一定长度所需要的力，以m n 表 示。用电脑测控纸张撕裂度测定仪进行测定。撕裂指数x ，用撕裂度除以定量计 算得出。 ( 4 ) 纸张耐破度的测定 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 耐破度( p ) 纸页所能承受的垂直于试样表面均匀分布的最大压力，通常用k p a 表示。耐破指数x = p 、矿1 ，通常用k p a m 2 g 表示。耐破度用电脑测控耐破度仪 测定。 ( 5 ) 纸张耐折度的测定 耐折度分两种耐折度( 肖伯尔式) 和耐折度( m r r 式) 。耐折度( 肖伯尔 式) 是指纸张在一定的张力下，所能经受往复1 8 0 。的次数，以往复折叠的次数 表示。耐折度( m i t 式) 是指纸张在一定的张力下，所能经受往复1 3 5 0 的双折 次数，以往复折叠的次数表示。用肖伯尔式耐折度测定仪测定。我们测定的耐 折度为耐折度( m r r 式) ，仪器选用电脑测控耐折度仪按标准进行测定。 ( 7 ) 纸张白度的测定 取抄造好的纸片，用d n - b 白度仪测定白度。 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 硅灰石 第3 章试样特性研究 硅灰