（林业工程专业论文）矿物复合纤维在造纸中的应用研究.pdf

摘要 纸张是人类生产和生活的必需品，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，是造纸行业梦寐以求的事情。 本丈首先研究了矿物复舍纤维的性能，矿物复合纤维与植物纤维的比较。其次， 在实验室研究了影响矿物复合纤维应用性能的因素、添加矿物复合纤维对纸页性能 的影响。最后，进行了防粘原纸、金黄条纹牛皮纸生产应用实践，以进一步验证影 响矿物复合纤维应用性能的因素、添加矿物复合纤维对纸页性能的影响。 矿物复合纤维是使用现代科技技术，将天然产出的纤维状矿石( 硅荻石粉) 经纤维化超细粉碎、表面复合改性后制备的活性造纸用新材料，它介于植物纤维 与传统填料之间，外观形状类似“针状”，不同于滑石粉、碳酸钙等传统填料的细 小片状、圆形或球形。据国外专家预测，硅灰石未来将有4 0 用于造纸生产。 矿物复合纤维在造纸中应用后，纸张的强度有所降低，对纸张施胶度没有影 响，对纸张光泽度的影响较小。纸张正反面平滑度都增大，纸张的正反面色度均 有所提高、正反面色差减小，原纸的色牢度明显提高。网下水的颜色会变浅，废 水浓度、s s 、c o d 大幅度下降，可降低废水污染负荷，有利于环境保护。 矿物复合纤维类实际使用过程中须添加适量的助留剂来提高留着率，添加适 量分散裁采改善纸张的匀度，同时提高纸张的强度，但分散剂添加量超过一定极 限，纸张强度不会再有明显的变化。在酸性施胶时，上网浆料p h 值控制在4 7 5 ，l ， 白水中滴加适量的消泡剂，以消除泡沫对成纸质量的负面影响。 为了达到矿物复合纤维的最佳分散效果，首先将矿物复合纤维加到高剪切水 平的水中，然后不问断搅拌，最后，在浆料悬浮液中加人适量的分散荆，并继续 搅拌，使得矿物复合纤维保持良好的悬浮状态而不致沉降。矿物复合纤维在造纸 中应用时最好不要经过除渣器，以提高矿物复合纤维的留着率，减少浪费。 矿物复合纤维可以用来替代部分木浆生产防粘原纸、金黄条纹牛皮纸，可降 低生产成本。矿物复合纤维作为造纸填料技术上可行，经济上合理。 关键词：硅友石，矿物复合纤维，填料，助留剂，分散荆 a b s t r a c t p a p e ri s t h en e c e s s a r i e si np e o p l e sp r o d u c t i o na n dl i f e ，i ti se a r n e s t l yl o n gf o r s e e k i n gn e wp a p e r r n a k i n gr a w m a t e r i a l st h a tw i t hl o wp r i c ea n dc a l li n s t e a do fs o m e p l a n tf i b e r ，a n d c a ni m p r o v et h ep a p e rp e r f o r m a n c ea n da l s ow i l l n o t p o l l u t et h e c i r c u m s t a n c e f i r s t l y , t h ea r t i c l e sm a i n l ys t u d yt h ep e r f o r m a n c eo f t h em i n e r a lc o m p o s i t i o nf i b e r , a n dc o m p a r i s o no f t h em i n e r a lc o m p o s i t i o nf i b e ra n dt h ep l a n tf i b e r s e c o n d l y ，s t u d yt h e f a c t o r st h a ta f f e c tt h eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo ft h em i n e r a lc o m p o s i t i o nf i b e r , a n dt h e e f f e c tt ot h e p a p e rp e r f o r r n a l a c e w h e na d dt h em i n e r a l c o m p o s i t i o n f i b e ri 1 1t h e l a b o r a t o r y f i n a l l y , t od ot r i a l sd u r i n gt h ep r o d u c t i o no f t h ea n t i s e i z eb a s ep a p e ra n d g o l ds t r i p e k r a f t p a p e r , s o a st o v e r i f y t h eh ef a c t o r st h a ta f f e c tt h e o p e r a t i n g p e r f o r m a n c e o ft h em i n e r a lc o m p o s i t i o nf i b e r ，a n dt h ee f f e c tt ot h ep a p e rp e r f o r m a n c e w h e na d dt h em i n e r a lc o m p o s i t i o nf i b e r n l em i n e r a l c o m p o s i t i o n f i b e ri saa c t i v ep a p e r m a k i n gn e wm a t e r i a lw h i c hu s et h e m o d e mt e c h n o l o g y ( f i b r o s i sa n ds u r f a c e r e c o m b i n a t i o n ) t o t h ef i b r o i dm i n e r a l s ( w o l l a s t o n i t ei np o w d e r ) ，i ti sb e t w e e nt h ep l a n tf i b e ra n dt r a d i t i o n a lf i l l e r , i t ss u r f a c e l o o k sl i k ean e e d l e ，d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lf i l l e rs u c ha st a l c u mp o w d e r ，c a l c i u m p h o s p h a t ea n dk a o l i n i ec l a yw h i c h a r es m a l ls h e e t e d ，r o u n da n dg l o b a l i ti se s t i m a t e d b yt h ef o r e i g ne x p e r t t h a ti nt h ef u t u r e4 0 o ft h e w o l l a s t o n l t ew i l lb eu s e di n p a p e r m a k i n gi n d u s t r y t oa d dm i n e r a lc o m p o s i t i o nf i b e rd u r i n gt h ep a p e r m a k i n g ，t h et e n s i l es t r e n g t ho f t h ep a p e rw i l ll o w e r ，h a sn oe f f e c tt ot h ep a p e rs i z i n gd e g r e e ，a n da l s oh a ss m a l le f f e c t t ot h ep a p e rb r i g h t n e s s t h es m o o t h n e s so f t h eb o t hs i d e so ft h ep a p e rw i l li n c r e a s e ，t h e c h r o r r mo ft h eb o t hs i d e so ft h ea n f i s e i z eb a s ep a p e ri r e p r o v e d ，t h ec m o m a t i s mo ft h e b o t hs i d e sr e d u c e d a n dt h e l o u rf a s t n e s sp r o m o t e dd i s t i n c t l y t h ec o l o ro ft h ew h i t e w a t e rw i l lb e c o m el i g h tg r e a t l y , t h ew a s t es t r e n g t h ，s sa n dc o dw i l lb e c o m eg r e a t l y l o w e r , i tc a nl o wd o w nt h ep o l l u t i o nl o a do ft h ew a s t e rw a t e r , a n db e n e f i tt ot h e c i r c u m s t a n c ep r o t e c t i o n d u r i n gt h ep a p e rp r o d u c t i o n ，t oa d ds u i t a b l eq u a n t i t yo f r e t e n t i o na i dt oi m p r o v e t h er e t e n t i o nr a t e ，t oa d da p p r o p d a t eq u a n t i t yo fd i s p e r s a n ti sb e n e f i tt oi m p r o v et h e p a p e rf o r m a t i o n ，m e a n w h i l ec a ni m p r o v et h ep a p e rt e n s i l es t r e n g t h ，b u ti ft h eq u a n t i t y o f t h ed i s p e r s a n tg o e sb e y o n dt h el i m i t ，t h ep a p e rt e n s i l es t r e n g t hw i l ln ol o n g e rh a sa n y c h a n g e t oa d dt h em i n e r a lc o m p o s i t i o n f i b e rd u r i n gt h ea c i dp a p e m l a k i n gp r o d u c t i o n ， i ti sb e t t e rt oc o n t r o lt h ep hn u m b e ro ft h ew i r ep u l pa t4 7 0 1 a d d a p p r o p r i a t e d e f o a m e rt ot h ew h i t ew a t e r , s oa st oe l i m i n a t et h en e g a t i v ea f f e c tt ot h ef i n i s h e dp a p e r t h a tc a u s e d b y t h ef o a m i no r d e rt o g e tt h eb e s td i s p e r s ee f f e c to ft h em i n e r a lc o m p o s i t i o nf i b e r , f i r s t l y s h o u l dp u tt h em i n e r a l c o m p o s i t i o n f i b e ri n t ot h eh i 曲s h e a rw a t e r , t h e n s t i r r i n g c o n t i n u o u s l y , f i n a l l y , a d da p p r o p r i a t ed i s p e r s a n tt ot h es u s p e n d e dl i q u i do fp u l p ，a n d s t i r r i n ga g a i n ，s oa st om a i n t a i nt h eb e s ts u s p e n d e ds t a t eo ft h em i n e r a lc o m p o s i t i o n f i b e r , a n dd on o th a v es e d i m e n t a t i o n ，d on o tu s ec l e a n e rt ot h em i n e r a lc o m p o s i t i o n f i b e r ，s oa st oi m p r o v et h er e t e n t i o nr a t eo ft h em i n e r a lc o m p o s i t i o nf i b e r , t or e d u c et h e w a s t eo f t h em i n e r a lc o m p o s i t i o nf i b e r t h em i n e r a lc o m p o s i t i o nf i b e rc a l lb eu s e dt or e p l a c es o m e w o o d e np u l pt om a k e t h ea n t i s e i z eb a s e p a p e ra n dg o l ds 订i p ek r a f tp a p e r , s oa st or e d u c et h ep r o d u c t i o n c o s t i ti sf e a s i b l ei nt h et e c h n o l o g ya n dr e a s o n a b l ei n t h ee c o n o m yt ot a k et h em i n e r a l c o m p o s i t i o n f i b e ra sp a p e r m a k i n gf i l l e r k e y w o r d ：w o l l a s t o n i t e ，m i n e r a lc o m p o s i t i o nf i b e r ，f i l l e r ，r e t e n t i o na i d ，d i s p e r s a n t 致谢 x 7 s 9 2 1 9 本论丈是在导师戴红旗教授、鲁俭高级工程师的严格要求和悉心指导下完成 的。两年来，导师为论文的顺利完成倾注了大量的精力，并给予了多方面的指导 和帮助。导师渊博的学识、严谨的治学态度、科学周密的思维方式、严厉宽厚的 师德使我受益匪浅。在此，谨向导师表示最真挚的感谢! 论文开题过程中李忠正教授、尤纪学教授、曹云峰教授、周小凡教授等为论 文的可行性争进展提出了许多建设性的意见和建议。在论文研究过程中得到了捧 尤长教授级高级工程师、张建平高级工程师、曹继华高级工程师、任建华高级工 程师的热情帮助和指导，并为论文的研究和进展提出了许多宝贵的意见。周明华 高级工程师、张静工程师、徐维龙工程师、朱杏云工程师等为实验的顺利进行提 供了许多帮助。持此向他们表示感谢。感谢云南超微新材料有限责任公司金自钦 工程师的热心指点和帮助。 最后，向在读研究生期间给予本人关心和帮助的所有老师，同学和朋友表示衷 心的感谢! 作者：聂永俊 二0 0 五年七月 第一章绪论 1 1 文献综述 1 1 1 造纸生产过程申使用原料的基本概况 制浆造纸原料主要为植物纤维，由各种细胞构成，其中细而长的细胞通称为纤 维。纤维是构成纸的基本单位，但纤维在植物体内以聚集态存在，作为造纸原料， 首先要将聚集态的纤维离解成单根纤维，此过程即为制浆。 即：聚集态纤维斗单根纤维叶重新组合交织成纸。 由此可见，纤维是构成纸的基本单位，纤维形态与结构对纸的性能有重要影响。 了解原料纤维的形态结构及其与制浆造纸的关系十分重要。不同的原料由于形态 结构不同，需采用不同的生产工艺，其成品的质量和用途也不同。 世界各国造纸原料随各国资源不同而异，在多数国家以木材为主，尤其是造纸 发达国家，我国由于森林资源有限，木材短缺。基本上以草类韶二次纤维为主。 表1 - 1 我国造纸纤维原料的结构( ) 为顺应纸品消费高档化趋势，我国纸浆产业链正在按如图l l 发生变化。从目 前国内纸品消费水平看，这一变化将是个漫长的过程。在这一变化过程中，纸浆 供给逐年趋紧。价格呈长期上涨趋势，我国纸业成本压力将逐年增加。预计2 0 0 5 年木浆和非木浆价格稳定，废纸价格上涨1 2 。 图1 - 1 纸浆产业链变化 木纤维消费比重增加：在1 9 9 0 年以来我国的纸浆消费结构中，非木桨比重明 显下降，废纸浆比重大幅度增加，水浆比重也呈上升趋势，如图l 一2 所示。其中 木浆比重由1 9 9 0 的1 5 提高到2 0 0 3 年的2 1 ，木纤维含量大的废纸浆比重由2 8 增至4 9 。纸浆结构的优化为国内纸品档次的提高奠定了基础，但与全球比较，这 一优化过程还很漫长。 惴 8 茁# 瑚 l瞎雏g- # 羲 忡 m 簧舟柬褥：中尊造蠛年= i ) ( 2 口0 5 】、中华航盘( 2 0 0 4 ) 图1 - 21 9 9 0 - 2 0 0 3 年我国原料结构的变化 进口铱赖增强：我国术材资骧缺乏，林装纸一体化经营目4 起步，上述躁料结 构调整目前只能依赖进口进行，进口的全都是废纸和木浆两种木纤维原料。1 9 9 0 每以来国内纸浆进口依存速度快速提高t 图1 3 ) ，进口原辩的比重明显增_ 人( 表 i 一2 ) ，国内纸浆越来越受到嗣际原料市场的影响，并进而联动国内纸品价格。 图1 319 9 0 2 0 0 3 年纸浆进口依存度快速提高 表1 2 进口纸浆占总用浆的比重变化 木浆供给偏紧，价格与2 0 0 4 年持平： 1 、需求 提高木浆在纸浆中的比重是我国纸业发展的方向，1 9 9 0 2 0 0 3 年国内木浆需 求迅速增长，年均增长1 1 3 。由于国内森林资源相对匮乏，木浆需求无法得到满 足而逐步转向进口，其中进口木浆消费年增长2 0 4 ，国产木浆仅2 9 ，后者近 年来的消费量维持在2 0 0 万- - 2 2 0 万吨。如图卜4 。根据近年消费增长加快的趋势， 预计2 0 0 5 年进口木浆需求增长每年在1 5 左右，即9 0 万1 0 0 万吨。 7 0 gr t 目 1 q 肆52 02 0 0 1 2 0 0 22 0 骨科拳源：中国遘纸年鉴t 芷0 0 j ) 图卜41 9 9 0 - - 2 0 0 3 年我国进口及国产木浆消费置对比 2 、供给 如图卜5 ，在国际方面，1 9 9 1 2 0 0 3 年全球纸浆产需量年增长只有1 1 ，年 均增加1 8 8 万吨，但年均增量幅度很大，为9 3 1 万9 5 5 万吨。我国进口木浆主要 来自北美、俄罗斯和巴西，其中北美木浆产量占全球的4 9 ，近年年增稳定在2 0 0 万吨左右，预计2 0 0 5 年增加1 2 0 万吨；俄罗斯林业和制浆业发展空间很大，但受 到投入不足的严重制约，近年投入逐年减少，浆产量难以快速增加，南美巴西和 进口阔叶木浆近年增长迅速，产品大部分出口，对中国的出口也在逐年增加，2 0 0 5 年该区没有新浆厂投产，而2 0 0 6 年投产浆厂将新增木浆产量1 0 0 万随以上。 考呈著垂啪狮拗僻o o。，孙馕漶潺 2 出 1 d o ： 淞 捉 蠢 k 瑶1 1 4 0 6 。 2 碧 。耋 强 2 哥 t e 1 黼獬21 9 9 31 嘲 獬，9 黼1 蝴瑚鞠a0 0 c j 。黜1 勰22 i 膏幸 来源：中国造纸年墼( 2 0 0 酗、国嚣证券蛏济研凳砖 图卜51 9 9 1 2 0 0 3 年全球纸浆产量增长缓慢 国内木浆供应近年维持在2 0 0 万2 2 0 万吨，a p p 海南浆一期6 0 万吨项目2 0 0 4 年1 1 月的试生产将改变这一局面。 3 、供求关系 从国内木浆需求年增长1 1 3 远高于全球浆产量年增长1 1 来看，我国将面 临木浆长期紧张的局面。在南美2 0 0 6 年新浆厂投产以前和北美浆产量稳定的情况 下，我们预计2 0 0 4 2 0 0 5 年全球供给缩减，如表卜3 ，这将形成浆价上涨动力。 中国木浆供应市场2 0 0 5 年剩余供给尽管增加4 6 万吨，但根本无法撼动国际浆价 走势。 表1 3 进口纸浆占总用浆的比重变化 芝圈产小浆主缝水浆会计 ； 消赞最蒜消赞照嚣銎淌赞徽嚣黧 ：= 一一一 。、。+ 一一一一一 2 0 0 3 龟i 厅吨2 1 7 0 舣) 32 0 ( i 8 2 j ：f ，( j23 增长率001 5 4 0 1 1 4 ( j7 2 ( m 蟮棼玎吨2 2 0 f ) 6 9 31 2 f ) 9 1 3j 2 ( j3 0 j 臀长率1 h j015 f i l5 i i5 7 2 0 0 5 ；# e 玎h ：2 ) o l7 9 7 2 01 f ) 1 71r f i7 寸 芷：一 i ； ：r f 苹蛭： # rt “ 4 、价格趋势 4 木浆是全球性资源，其价格由全球供求关系决定。过去全球制浆企业和预测机 构主要参考库存指标判断浆价未来趋势，从2 0 0 4 年开始该指标不再发布。我们参 考p p p c 木浆产运存指标( 图卜6 ) ，判断2 0 0 5 年浆价可能在6 4 0 6 5 0 美元吨( 为 美国市场价，欧洲市场价6 2 0 6 3 0 美元吨) ，略高于2 0 0 4 年6 3 9 美元吨的均价。 4 酾 ；黼 渤 嚣鳓 鐾粉 躺 能 1 晕 淮 撩 妻 把 蓦 辜掌5 莓辱若富g 留g 辞魁啐羁譬露卷卑萼葛萼蓦善暮 l 毫毒 喜室毒童g 基毒量2 詈li 警l 童譬兰 资料来源m 4 i e f i i , e x 图1 62 0 0 1 - 2 0 0 4 年国际术浆库存与n b s k 价格对应关系 主要理由基于以下的供求关系： 1 ) 1 9 9 1 2 0 0 3 年全球纸浆产需量年增长仅有1 1 ，年均增加1 8 8 万吨，从目 前中国、南美和欧洲主要浆厂投产项目看，产量会增加2 0 0 万吨甚至3 0 0 万吨以上。 2 ) 2 0 0 4 年8 月份全球库存达到近5 年来的最大值3 9 9 万吨，可供期首次长达4 0 天，这导致浆价随后的下跌。这一库存扩大能力反映了产能释放能力正在提高， 它同样会制约2 0 0 5 年浆价的过度上涨。 3 ) 1 9 9 1 2 0 0 3 年全球纸品消费增长率为3 ，明显高于纸浆消费增长率，而 国际货币组织预测2 0 f 5 年全球经济增长率的同比将不支持纸品消费的快速增长， 纸浆消费快速增长的难度因而更大。 4 ) “中国因素”越发成为全球浆价上涨的重要原因，中国持续的木浆紧缺 会不断上移国际浆价的下限。2 0 0 1 年以来术浆产出率和出运率的缓慢上升也反映 全球术浆供应直吃紧( 图卜7 ) ，导致价格总体呈涨势。我们预计2 0 0 5 年中国纸 业消费仍将增长9 ，浆价下跌空间因而也不大。 ；l _ l ；l 辩l ”l 踵；ll妻奎毒室善菩童募蔓宝嚣差童鲁鼍 爹蓦兽孽 车差 背 忏来谭：件p c 图1 - 72 0 0 1 年以来国际木浆产出率和出运率缓慢上升 我国木浆是现货市场，并不执行北美、北欧市场的标准牌价，国外木浆生产 商和供应商要逐月与中国买家商谈交易价格，由此影响了价格的稳定性。随着进 口依存度的提高，我国木浆进口规模扩大，交易对象拓宽，价格发现及时，对国 际标准牌价的跟随日趋紧密( 图卜8 ) ，即国际价格的波动会较快地传至我国浆市”。 e 螂o 芷5 轴o 牡 瞩5 m 噼o l , l i h 矍o 薷拍a 口 3 日 lli 圣li ；lll lil 喜；ll 量妻i 注：囤内进口价勾1 6 个城市漂白针叶未辇进口坶价欧洲市墙价鸯m 微美元牌 价的折算衍。 骨井采溽；f o e x 、c e i c 、越估证券经济研究卿 图1 - 8 国内外的木浆差价正在缩小 1 1 2 矿物复合纤维在造纸中应用技术研究的意义 纸张是人类生产和生活的必需品，是以木浆和草浆等植物纤维原料生产的， 需要消耗大量森林，生产过程中还排出大量“废液”污染环境。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。 众所周知，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 6 燃 啪 娜 哪 枞 纸张不透明度和印刷适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限。要把填料含量 从目前的1 0 2 0 提高到2 0 3 0 ，技术上的主要困难是；目前填料和淀粉的 保留率难以达到较高的水平：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，使它们的行为更类似纤维。 要使工程填料像纤维，它的长宽比不应小于3 ：l ，且表面要具有吸附能力。这 样的填料会有更高的留着率。同时也不会对纸张性质和纸机的运转性能有负面影 响。这样就有可能用更多的填料取代价格较贵的纤维。如果这类填料开发、应用 成功，纸张填料量可比目前增加5 0 1 0 ，从而使纸张生产成本下降2 0 3 0 。3 。 浙江民丰特种纸股份有限公司作为我国民族造纸工业尤其是特种纸的代表之 一，公司一直以木材、麦草、竹子等植物的纤维为造纸原料生产纸张，为降低环 境污染负荷关闭自制稻草浆生产线，全部采用商品浆，由于商品浆的价格持续上 涨( 由均价3 2 0 0 元吨上涨到4 8 0 0 元吨) ，严重制约了产品的市场竞争力。 同时，民丰的产品品种比较多，如：卷烟纸、滤嘴棒纸、描图纸、电容器纸、 包装与文化用纸等系列，随着社会经济的飞速发展，不同的产品用户对产品的性 能要求也不同。 如何选用合适的原料来替代部分商品浆降低生产成本，同时又能通过原辅料 添加品种、添加量等的改变使产品具有不同的性能，满足用户的不同需求呢? 为 解决这个问题，本人选择了课题“矿物复合纤维在造纸中的应用研究”，重点 研究分析影响矿物复合纤维在造纸中应用效能的主要因素和矿物复合纤维在造纸 中的应用可行性。 通过矿物复合纤维在造纸中的应用研究，一方面可以添加矿物复合纤维替代 部分商品浆造纸，大幅度降低生产成本，减小商品浆价格波动带来的负面影响，并 为今后矿物复合纤维的生产推广应用提供参考。另一方面有助于全面提高公司的科 技水平，可有效改善本公司特种纸产品的性能，满足用户的不同需求，使得公司产 品具有更强的市场竞争力。 总之，在我国木材原料供应紧张的条件下，通过添加矿物复合纤维替代部分 商品浆造纸，公司将会收到较大的社会和经济效益。 1 1 3 矿物复舍纤维在造纸中应用技术的国内外研究状况 1 1 3 1 硅灰石的基本概况 硅灰石是一个新矿种，世界上已有2 0 多个国家发现了硅灰石矿，已查明储量 约2 亿吨，远景储量4 亿吨。主要分布在中国、美国、印度、墨西哥和芬兰等国。 硅灰石属钙质偏硅酸盐矿物，属三斜晶系，晶体常沿y 轴延伸成板状、杆状 和针状；集合体为放射状、纤维状块体。较纯的硅灰石呈自色和乳白色，或带浅 灰、浅绿、浅红的白色。具有玻璃光泽，解理面呈珍珠光泽。 硅灰石具有针状晶形，甚至细小颖粒也呈纤维状，纤维长径比通常为7 8 ：l ， 高的达1 5 2 0 ：1 ；具有内在助熔性质，是一种天然低温助熔剂：不含化学结晶水 和碳酸盐，烧失量小，物理化学性能稳定，吸水率和吸油率低，l o o g 吸收2 0 6 0 m g 。 1 1 3 2 硅灰石开发利用现状及发展趋势 硅灰石开发利用水平与选矿方法、加工技术息息相关，国外硅灰石矿选矿方 法和工艺流程比较完善，硅灰石产品已广泛应用在陶瓷、油漆、造纸、建材、钢 铁等领域。 我国1 9 7 5 年在潮托首次发现天然硅灰石矿床，8 0 年代初应用于陶瓷工业，目 前在陶瓷工业用量约占总用量的5 0 ，其它方面的应用仅仅处在试验研究阶段。随 着加工技术、方法的改进，超细粒物质的获得，其应用领域正日趋广泛。据国外 专家预测，硅灰石未来将主要应用于非陶瓷领域，见图1 9 。伴随着硅灰石粉碎技 术和改性技术的迅速发展，硅灰石未来在造纸领域中的使用将大步上升“1 。 造纸生产 矿渣混凝土砌块面层潦料 铸造生产用陶瓷泡沫 耐火绝缘层陶瓷泡竦 建筑用绝缘嘲瓷泡沫 日常生话绝缭物品用绝缘内瓷泡椿 石棉 滁抖、塑料和装饰材料 陶瓷工业 一j f 1 i l l j1 i i ii ! f 所占此倒j l 、 。 l _ | i f 豳| l 051 01 52 02 53 03 54 01 5 图1 - 9 未来硅灰石应用结构图 8 硅灰石在造纸工业上目前还没有得到实际应用，仅作过少量的研究。加拿大 研究了硅灰石作造纸填溶科的可能性，但没有进行工业试验。日本发明了一种含 石棉和硅灰石的耐热纸板，将含有硅灰石、石棉纤维和无机纤维的混合物进行酸 处理，然后经过造纸机加工，便得到一种耐热纸板。这种纸板特别适于做绝缘材 科、包装材料和炼钢炉的圆盘形纸板材料”3 。 在我国造纸行业中，硅灰石的深加工产品主要集中于双胶纸、铜版原纸、涂 布白纸板面层、石膏护面纸等品种上，且处于初步试用状态，对其使用性能和影 响因素无系统性的研究。 1 2 课题研究内容、研究的步骤 1 2 1 研究的内容 主要研究对象是添加矿物复合纤维替代部分木浆造纸，主要研究内容如下： 1 ) 在实验室主要研究矿物复合纤维的性能、矿物复合纤维与植物纤维的比较、 影响矿物复合纤维应用性能的因素、添加矿物复合纤维对纸页性能的影响。 2 ) 在造纸机上进行生产应用实践，进一步验证影响矿物复合纤维应用性能的 因素。 1 2 2 研究步骤 1 ) 根据矿物复合纤维的物理化学特点，实验室研究添加矿物复合纤维的应 用效果，重点研究酸性施胶、化学助剂( 分散剂、助留剂) 对矿物复合纤维应用 性能的影响。 2 ) 矿物复合纤维造纸应用研究。主要讨论影响矿物复合纤维应用效果的各种 因素，以及提高矿物复合纤维应用效果的各种途径和方法。 3 ) 米黄色防粘原纸抄造生产实践。探讨化学助剂( 分散剂、助留剂) 、施胶 剂、p h 值对添如矿物复合纤维抄纸的影响，并与空白进行比较。 4 ) 金黄条纹牛皮纸抄造生产实践，进一步验证矿物复合纤维在造纸中应用研 究的成果。 第二章研究纸种的选择及质量标准分析 2 1 研究纸种的选择 作为矿物复合纤维在造纸中应用性能的应用性研究，首先要以企业现状为基 础，充分结合企业发展过程中遇到的实际问题或难题，在研究过程中予以解决； 其次，要充分借鉴已有的或被实践检验可行的研究成果；最后，研究过程要经济、 可行。 在实验室研究和生产实践研究中，主要选择了米黄色防粘原纸作为实验研究 的纸种，选择的主要理由如下： 1 ) 防粘原纸的技术指标要求比较高， 物理强度要求商。包括拉力、耐破和撅裂强度，以适应原纸在加工过程中 多次进入涂布机承受多次高温干燥的考验。同时要注意原纸的内部结合力( z 向拉 力) 。 尺寸稳定性要好。以防止或减少原纸在后加工过程中出现收缩( 或膨胀) 、 卷曲、起皱和变形等问题。 均匀一致的厚度。以保证自粘标签纸模切的准确性； 高的平滑度。以保证硅酮膜层的连续性、平整性和均匀性，降低硅酮的消 耗并保证防粘纸的防粘性能。 ) 小的表面吸收性。以避免硅酮涂料的过多渗透，降低硅酮的消耗，并保证 其防粘性能嘲。 2 ) 防粘原纸生产原料采用国产木浆和芦苇浆，其单位生产成本在企业内部不 是最高，便于降低实验研究成本； 3 ) 矿物复合纤维燃烧后确有灰份，但防粘原纸用户对灰份无过高的要求，添 加适量的矿物复合纤维可能不会影响用户的使用： 4 生产防粘原纸的# 1 纸机是一台具有近8 0 年历史的老纸机无设备折旧费用， 生产运行成本相对较低； 5 ) 国内诸多造纸生产厂家的设备都比较落后，选择# l 纸机为实验纸枫更具有 现实意义，更容易加快新材料在造纸行业中的推广应用。 另外，为验证矿物复合纤维在造纸中应用研究的成果，在生产实践中还选择 了金黄条纹牛皮纸作为研究对象，并做了迸步的生产实践。 2 2 研究纸种的主要质量要求 2 2 1 防粘原纸的主要质量指标 研究选用的防粘原纸的主要质量指标见表2 1 所示。 表2 17 3 9 m 2 c 级防粘原纸质量标准( o m f j 3 0 0 1 卜一2 0 0 2 ) 外观：组织均匀，纸幅平整，不应有折子，皱纹，洞眼，斑点，破损，硬质 块以及其它影响使用的外观纸病。 2 2 2 金黄条纹牛皮纸的主要质量指标 研究选用的金黄条纹牛皮纸的主要质量指标见表2 2 所示。 表2 - 2 金黄条纹牛皮纸的主要质量标准( q m f j 3 0 0 1 2 2 0 0 2 ) 外观：组织均匀，纸幅平整，不应有折子，皱纹，洞眼，斑点，破损，硬质 块阱及其它影响使用的外观纸病。 2 3 研究纸种的主要用途 2 3 ，1 防粘原纸的主要用途 防粘原纸又称为不干胶底纸原纸，我公司生产的米黄色防粘原纸是为生产不 干胶底纸的厂家开发的一种应用于以溶剂型有机硅涂布工艺生产或直接涂塑( 氏 粘度聚乙烯) 的剥离纸，如图2 1 所示的生产工艺流程。用于涂塑或涂低浓聚丙烯， 再涂硅、防粘，再复合塑料型装饰纸。目前，防粘纸的用途目益广泛，己扩大到 许多方面，主要有： ( 1 ) 自粘标签纸用的底层纸，它是防粘纸中质量要求最高的一种，需要极小的 剥离力，高的平滑度和良好的耐老化性能。 ( 2 ) 自粘装饰薄膜用的底层纸，由于装饰薄膜应用很广，并且薄膜容易伸长， 因此对防粘纸的质量要求也很高。 ( 3 ) 纸基或膜基自粘胶带背面的防粘层，防粘性能根据胶带的粘接性能不同而 不同。对双面胶带所用的双面防粘纸，它的两面的防毒占性能应该有差别。 ( 4 ) 防粘纸和防粘膜用于自粘地毯砖、吸音材料和绝缘材料，对于这类材料， 防粘纸的剿离力不需要非常小但防粘层绝对不许有转移现象。 ( 5 ) 聚氯乙烯和聚氯酯人造革生产用的背层纸( 又叫离型纸) ，这种防粘纸的剥 离力也不需要很小，仅在生产过程中应能重复使用，并能抗2 2 0 0 c 的高温，由于它 还需要经过再压花，故硅酮膜要有高伸展性和与基材良好的附着性”3 。 趣婀待特射 图2 - 1 自粘标签纸的工艺流程 众多不干胶纸生产厂由于对纸的两面要进行不同的后续加工，即一面需进行 育机硅涂布或直接涂塑。另一面有时根据要求进行胶版印刷。因此，不干胶底纸 原纸的两面要求有不同的性能，即其中一面应致密、平滑，成纸有较高的紧度；另 一面则要有良好的印刷性能。 2 3 2 金黄条纹牛皮纸的主要用途 金黄条纹牛皮纸主要用于印刷后做包装袋及包装，原纸全部出口印尼、泰国、 香港等国家和地区，主要规格为平张3 5 ”4 7 ”，一般要求其光泽度要高、单面平 滑度好、强度高、无明显色差。 2 4 本章小结 1 ) “矿物复合纤维在造纸中应用研究”属于应用型研究，研究纸种选择的基 本原则是以企业现状为基础，充分结合企业发展过程中遇到的实际问题或难题， 在研究过程中予以解决；同时，充分借鉴已有的或被实践检验可行的研究成果， 研究过程经济、可行。 2 ) 研究中主要选择了米黄色防粘原纸作为试验研究的纸种。 3 ) 为验证矿物复合纤维在造纸中应用研究的成果，在生产实践中还选择了金 黄条纹牛皮纸作为研究对象，并做了进一步的生产实践检验。 4 ) 对于研究选择的纸种，主要对抗张强度、施胶度、平滑度、光泽度等指标 有很高要求，这也是研究中要予以重点关注的。 第三章矿物复合纤维简介及特性分析 3 1 矿物复合纤维简介 矿物复合纤维的基本原料来源是硅灰石，硅灰石是一种天然的偏硅酸钙 ( c a s i o 。) 矿物，密度2 8 3 1 9 c m 3 ，熔点1 5 4 0 。c 。硅灰石粉为无机针状和纤维 晶须，呈亮白色，具有低吸湿性、低吸油性、较高的绝缘性和较好的耐高温性质。 作为一种非金属矿物，它不仅能赋予产品和复合材料优良的机械性能、介电性能、 抗热性能和稳定性等，而且节约能源、价格低廉，应用领域广泛0 3 。 矿物复合纤维是使用现代科技技术，将天然产出的纤维状矿石( 硅灰石粉) 经纤维化超细粉碎、表面复合改性后制备的活性造纸用新材料。它不同于植物纤 维，也不同于传统填料c a c o 。、滑石粉，它介于植物纤维与传统填料之间，其形 态见图3 1 至图3 - 4 所示，与植物纤维交织在一起，构成了新型的“植物纤维一 一矿物纤维”网状结构，在纸品生产中可以替代部分植物短纤维。同时，矿物复 合纤维对造纸工艺适应性强，可适应中性、碱性施胶工艺，且不会造成环境污染8 3 。 图3 1 矿物复合自身纤维形态 图3 2 矿物复合纤维扫描电镜形态圈 图3 - 3 超细重质碳酸钙扫描电镜形态图 圈3 - 4 超细滑石粉扫描电镜形态图 本研究选用的矿物复合纤维g f s 一0 1 是一种环保型造纸新材料，是种国家 高新技术成果( 2 0 0 2 年l o 月被国家计委授予“国家高技术产业化示范工程”) ， 它主要以优质矿物( 硅灰石) 纤维为原料，通过先进的超细粉碎技术和独特的复 合技术制成。特别适合于文化系列用纸( 胶版印刷纸、铜版原纸等) 板纸( 涂布 白版纸、灰底白版纸、挂面箱版纸等) 各种包装纸( 本色纸袋纸、牛皮纸、牛皮 卡纸等) ，可降低造纸成本。改善纸品性能，并减少植物纤维制浆过程中的污染 排放。 3 2 矿物复合纤维的性能 3 2 1 矿物复合纤维的主要理化指标 本研究选用的矿物复合纤维g f s 0 1 的主要理化指标见表3 1 所示。 表3 1 矿物复合纤维的主要理化指标 3 2 2 矿物复合纤维应用于造纸的优点 矿物复合纤维作为一种环保型造纸新材料，其应用于造纸的主要优点如下： 1 ) 不改变传统造纸工艺，不需增加设备； 2 ) 可用于各种文化用纸。各种包装用纸； 3 ) 不制浆、无污染； 4 ) 可提高纸张不透明度； 5 ) 增加匀度、改善保留 6 ) 可消除纸的静电； 7 ) 可降低生产成本； 8 ) 纸品收缩率小、适印性好旧。 3 3 矿物复合纤维与植物纤维的比较 加填纸是具有网络结构的混合体，有必要了解其组成成分的尺度。表3 2 给出 了纤维、原纤维、微纤维以及填料的平均尺度。 表3 2 纤维、原纤维和填料的平均尺度 网络结构本身包含5 0 甚至更多的孔隙间隔，纤维构成框架，填料粒子的大小 还不足以消除主体空间，而在大小上只近似于原纤维和微纤维，因而能强烈地影 响它们的作用。填料粒子的大小也近似于纤维交叉点的接触面积。 在普通造纸配浆的给定化学状态下，填料粒子和与纤维有关的组成成分之间 存在强烈的吸引。即使单单基于表面面积，这也证明填料粒子更可能同原纤维和 微纤维相关联。因而，我们可以得出一个对纸张中填料相互作用性质的简单理解。 填料粒子置身于主体纤维之中及周围，包裹在原纤维和微纤维束上，并且通过在 某些纤维接触点上阻碍结合而并非靠影响纤维的x y 排列或其弹性来作用于纸张的 结构9 3 。 植物纤维与矿物纤维结合的微观结构图 图3 5 植物纤维与矿物纤维结合的微观结构图 矿物纤维的粒径2 一1 0pj l 】，长度1 0 1 0 0um ，针叶木浆纤维的平均长度2 2 m m ， 阔叶木浆纤维的平均长度1 7 m m ，蔗渣浆纤维的平均长度1 3 8 r a m 。 未复合改性的矿物纤维与植物纤维不亲和，两者分离，复合改性后的矿物纤 维有很好的亲和力，与植物纤维共同交织形成网状结构。 3 4 添加矿物复合纤维对纸张性能可能产生的影响 矿物复合纤维介于植物纤维与传统填料之间，外观形状类似“针状”，不同于 滑石粉、碳酸钙、高岭土等传统填料的细小片状、圆形或球形。从国内少数研究 情况来看，大部分都把矿物复合纤维作为填料来进行研究，在本研究中也把矿物 复合纤维作为填料来研究。 使用矿物复合纤维就是向纸料中加入白色矿物的复合物，改进纸的性质，更 好的满足用户使用的要求和节省部分木浆，降低产品生产成本。加填主要有四个 目的： ( 1 ) 改变纸的光学性质：提高纸的不透明度、亮度，改善纸页的外观； ( 2 ) 改进纸的物理性质和印刷性能：改进平滑度和匀度，提高印刷适印性； ( 3 ) 满足纸张的一些特殊性能要求； ( 4 ) 节省纤维原料降低生产成本；填料的相对密度大，价格相对于植物纤维比 较便宜，在纸中可以替代部分纤维，节约造纸原料。另外还能改善纸张的干燥， 利于提高纸机车速，减少蒸汽消耗，降低产品的生产成本。 在纸张中加入填料，填料必会分散于纤维之间将空隙填平。同时，纸张的结 构也变的疏松多孔，减少了纤维之间的联结和氨键结合，使纸页的物理强度有所 下降。一般来说，对于同一种纸，灰分增加1 。裂断长下降3 。耐折