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中国造纸学报 Vol 26 No 2 2011Transactions of China Pulp and Paper 几种填料的物理特性及其在造纸中的应用比较 万丽李媛媛戴红旗 南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室 江苏南京 210037 摘要 对造纸填料 PCC GCC 硫酸钡 TiO2 滑石粉的密度 折射率 比表面积 粒径与分布进行了分析测定 并将它们用于抄 造较低定量的纸中 比较了填料在纸中的留着情况 纸张的光学性能和印刷透印值 关键词 填料 光学性能 留着 透印值 中图分类号 TS753 9文献标识码 A 文章编号 1000 6842 2011 02 0029 04 收稿日期 2011 03 20 修改稿 作者简介 万丽 女 在读硕士研究生 主要研究方向 造纸化学品与工程 通信联系人 戴红旗 E mail daihq njfu com cn 随着人们环保意识的增强 对 低碳经济 的 认识越来越深刻 造纸企业也采取了种种举措进行低 碳经济的尝试 例如通过降低纸张定量而增加纸张生 产面积 使用更多的矿物填料 降低纸浆纤维的配 比等方法 以新闻纸为例 定量从 49 g m2降到 46 g m2 在原来印刷面积不减少的情况下 大约可 节约6 的木材 从49 g m2降到43 g m2 大约可以 节约 12 的木材 低定量字典纸的发展趋势就对现 有的造纸工艺技术提出了挑战 它不同于常用的胶版 纸之类的承印材料 属于比较特殊的印刷纸质材料 对不透明度要求相对较高 低定量字典纸在印刷使用 方面也存在着如透印等一些难以解决的问题 低定量 字典纸比较薄 不透明度低 双面印刷时易产生透印 问题 1 因此 充分了解和掌握造纸常用填料的各 种物理性能以及在抄纸中的应用情况尤为重要 本实 验就 PCC GCC 硫酸钡 TiO2 滑石粉的密度 折 射率 比表面积 粒径与分布进行了分析测定 并将 它们应用于抄造低定量的字典纸中 比较了填料在纸 中的留着情况 纸张的光学性能和印刷透印值等 供 造纸研发及生产人员参考 1实验 1 1实验原料 浆料 漂白阔叶木浆 用实验室 Valley 打浆机按 照 Tappi T200 SP 96 方法打浆 打浆度 25 SR 填料 轻质碳酸钙 PCC 南京金银兴纸业 重质碳酸钙 GCC 南京 OMYA 公司 硫酸钡 常 州恒耐超微高新材料公司 TiO2 锐钛型 镇江市 泛华化工有限公司 滑石粉 南京金银杏纸业 助留体系 阳离子淀粉 GELTRON24 国民淀 粉有限公司 阳离子聚丙烯酰胺 perco1182 Ciba 精化公司 硅溶胶 固含量 8 依卡公司 1 2实验方法 1 2 1折射率的测定 采用 QBG 3 高频 Q 表测定填料的折射率 将填 料压成厚度约 5 mm 直径约 25 mm 的密实的圆饼 用并联替代法测量电容量小于 460 pF 的电容量 被测电容量 CX C C1 1 CX 1 C1 1 C2 C1 0S d1 C2 0 S d2 其中 0 8 85 10 12 S 为实际被测样的面 积 实验中 d1设为零 d2为被测样的厚度 C C1 均可在主调电容度盘上读出 折射率 n 槡 为非磁性材料 为 1 所测 样均为非磁性材料 2 1 2 2密度的测定 采用 MH 300T 粉末专用密度计测定填料的密度 1 2 3比表面积的测定 采用 Micromeritics 公司生产的 ASPA 2020 全自动 快速比表面积及介孔 微孔分析仪 根据等温物理吸 附的静态容量法的原理 1 2 4粒径分析 采用 NSKC 1 光透射式粒度测定仪进行粒径分析 1 2 5纸片抄造 将打浆度为 25 SR 的阔叶木浆在疏解机上疏解 调浓后加入填料 再依次加入阳离子淀粉 阳离子聚 丙烯酰胺 硅溶胶 然后在 RK 2A 型实验室快速抄 片器上抄片 抄好的纸张在恒温恒湿条件下平衡24 h 92 几种填料的物理特性及其在造纸中的应用比较第 26 卷第 2 期 后检测纸张的各项物理性能 1 2 6印刷透印值的测定 采用 Spectro Eye 分光光度计测定印刷品的透 印值 2结果与讨论 2 1理化分析 2 1 1填料密度和折射率的测定 矿物型造纸填料的密度要求相对较高 不易溶解 于水 填料密度和纸浆纤维的密度不宜相差太大 否 则易在湿部产生沉积 造成湿部过程问题 也会影响 到纸张匀度 平滑度和不透明度 折射率是由填料的 化学成分和分子晶格结构决定的一项基本性质 纤维 的折射率为 1 55 填料本身的折射率越高 与纤维 的折射率相差越大 则在纤维 填料界面上光的散射 能力越强 加填到纸张中可以提高纸张的光学性能 如提高不透明度 降低印刷透印程度 采用阿基米德浸液置换法 配合专用比重瓶和比 重天平 测得了实验所用 5 种填料的密度 见表 1 从表 1 可以看出 硫酸钡的密度几乎是碳酸钙的 2 倍 也远高于其他填料 显然不适合上浆浓度低 匀 度要求高的低定量印刷纸抄造工艺 表 1几种填料的密度和折射率 填料PCCGCC硫酸钡 TiO2 滑石粉 密度 g cm 3 2 42 54 53 82 8 折射率1 661 611 652 561 57 TiO2具有较高的折射率 在定量要求较低的纸 张中加填 TiO2是个很好的选择 相对其他填料只需 要较少的量就可以达到同样的光学性能 但 TiO2的 价格也是加填时必须权衡的问题 滑石粉具有较低的 折射率 对于高光学性能要求的低定量纸张 滑石粉 作为填料难以达到不透明度的要求 因此 根据填料的密度和折射率测定数据 结合 低定量印刷纸的性能要求 加填选用 TiO2 碳酸钙 或 TiO2与碳酸钙混合物较为合适 2 1 2填料比表面积的测定 填料的比表面积越大提供的散射界面越多 从而 有利于提高加填纸张的光学性质 同时由于增加纸张 的吸墨性而提高纸张的适印性 经比表面积及介孔 微孔分析仪测定 根据等 温物理吸附的静态容量法的原理计算得到 TiO2 PCC 硫酸钡 GCC 和滑石粉的比表面积分别为 8 5979 m2 g 5 8439 m2 g 5 1613 m2 g 2 2794 m2 g 和 0 7522 m2 g 从实验吸附过程中相对压力和吸附量的关系曲线 见图 1 可以看出 填料吸附曲线具有很好的相关 性 几种填料中 TiO2具有较大的吸附量 滑石粉的 吸附量最小 这可间接反映出 TiO2的比表面积最大 而滑石粉的比表面积最小 图 1几种填料比表面积的对比 2 1 3填料粒径分析 填料粒径的大小 粒度分布和填料粒子的聚集程 度对填料的光学性质有很大影响 在相同的纸张定量 和加填量下填料粒度越均一 粒径越小所能提供的散 射界面就越多 散射能力越大 光反射的次数增加 纸张不透明度也就越高 填料粒度分布范围较窄的且 在纸张中均匀分布时 有助于提高光的散射能力 图 2几种填料的粒径分布 03 第 26 卷第 2 期几种填料的物理特性及其在造纸中的应用比较 从图 2 可以看出 滑石粉和 GCC 的粒度分布比 较宽 均匀指数都比较小 且滑石粉的粒径较大 晶 形为片状 在水中沉降时阻力比其他填料大 另外 滑石粉具有疏水性 测定粒径时误差相对较大 需要 添加表面活性剂 PCC 和 TiO2粒度分布比较窄 均 匀指数都比较高 且 TiO2具有较小的粒度 硫酸钡 的粒度分布在 5 种填料中处于中间段 均匀指数较 GCC 滑石粉高 较 PCC TiO2低 在几种填料中 硫酸钡的粒径最小 作为填料 过大和过小的颗粒都 易流失 且粒度太大或太小都不利于光的散射 2 2几种填料在造纸中的应用比较 实验设定纸样定量为 25 g m2 填料添加量相对 于绝干浆为 5 10 15 20 25 30 疏解后的浆料在搅拌下加入填料使混合均匀 再依次 加入 1 相对于绝干浆 阳离子淀粉 0 03 相 对于绝干浆 阳离子聚丙烯酰胺及硅溶胶微粒助留 体系 在 RK 2A 型实验室快速抄片器中抄片 2 2 1填料对纸张紧度的影响 紧度是影响纸张不透明度的基本性质 紧度的大 小相对说明了纸张中实体部分与孔隙 空气 部分 比率的大小 若纸张紧度较低 即纤维交织后存在若 干孔隙 内有空气 会对光线产生漫反射而使不透明 度增加 若提高纸张紧度 增加了纤维间的光学接触 面积 降低了分散光线 从而降低了纸张不透明度 当然纸张紧度的提高如果是靠填料的加填就另当别论 了 因为填料的加入使得散射界面变多 不透明度反 而是增加的 图 3不同填料对纸张紧度的影响 从图 3 可以看出 随着加填量的增加纸张的紧度 呈上升的趋势 因为随着加填量的增加 由纸张内挤 出的空气变多 纸层中空气介质减少 纸张紧度变 大 从图 3 还可以看出 硫酸钡加填纸张的紧度最 高 因为硫酸钡的粒径最小 可以更好地填充在纤维 之间的空隙内 除了硫酸钡 TiO2加填的纸张紧度 也较高 也是因为 TiO2的粒径相对较小 而滑石粉 的粒径虽然较大 但是其加填纸张的紧度高于 PCC 加填纸张 这可能由于滑石粉是片状结构造成的 2 2 2填料对纸张不透明度的影响 未加填的纸张主要是由纤维和空气组成 空气存 在于纤维间的孔隙中 由于纤维与空气的折射率不 同 因此当光束照射到纸张表面时 有部分光在纤维 与空气界面上发生散射 赋予纸张较低的不透明度 这样的纸在印刷过程中易透印 在纸张中加入折射率 大于纤维的填料后 增加了纸张内部的光散射界面 即增加了填料与纤维间和填料与空气间的界面 填料 与空气的折射率相差较大 因此光线在填料与空气界 面上得到最大散射 不透明度增加 从图 4 可以看出 随着加填量的增加不透明度呈 上升趋势 且 TiO2加填的纸张不透明度明显高于其 他填料 TiO2的折射率较其他填料高出很多 这是 TiO2加填的纸张具有高效的光学性能的主要原因 滑石粉加填的纸张不透明度最小 PCC 硫酸钡 GCC 介于 TiO2和滑石粉之间 这和几种填料测定出 的折射率呈一一对应的关系 折射率高的填料应用于 造纸中 所抄出纸张的光学性能也较高 虽然不透明 度的增加满足了纸张光学性能的要求 而且在低定量 纸中 为了最大程度地节约资源 降低成本 提高加 填量是必然趋势 但是加填比例的增大将造成纸张强 度和挺度的下降 且如果留着不好势必会造成湿部系 统沉积物的增加 因此 如何选择填料和填料用量的 多少是一个需要综合考虑的问题 图 4不同填料对纸张不透明度的影响 2 2 3填料对纸张灰分的影响 在其他条件相同的情况下 不同填料加填纸张 的灰分大小可以间接的反应填料在纸张中的留着 情况 从图 5 可以看出 TiO2和硫酸钡加填纸张的灰 分含量较高且不相上下 TiO2的粒径很小 造纸填 料在纸张中的留着主要依靠机械截留和胶体吸附 填 料粒径较小时靠机械截留是很困难的 但是从图 5 可 以看出 TiO2的留着率较高 说明 TiO2和纤维间存 在较强的化学吸附 否则相对于其他填料有较高的留 着率是不可能实现的 3 4 资料表明 5 6 由于 TiO 2 表面钛原子配位数的不饱和性 吸引了水分子以满足 13 几种填料的物理特性及其在造纸中的应用比较第 26 卷第 2 期 图 5不同填料对纸张灰分含量的影响 其在晶格内部的配位数 这些水分子与金属钛离子进 行水解反应 产生大量的表面羟基 可以与纤维表面 的羟基形成氢键 这可能是 TiO2与纤维产生化学吸 附的原因 硫酸钡的粒径也比较小 其加填的纸张也 具有较高的留着率 也可能有这方面的原因 滑石粉 加填纸张的灰分含量相对较低 即留着率相对较低 这可能与滑石粉的粒径和晶形有密切的关系 2 2 4填料对纸张透印值的影响 透印值是衡量低定量纸印刷品质量的重要指标 直接影响到产品档次 读者的阅读质量和成品的使用 性能 研究表明 长期使用小字号且透印严重的书刊 会影响视力 实验采用 Spectro Eye 分光光度计测量 印刷品的透印值 7 从图6 可以看出 随着填料量的 增加透印值变小 透印值越小说明适印性越好 且曲 线开始变化明显 随着填料量的进一步增加变化趋于 平缓 从图 6 还可以看出 TiO2加填的纸张透印值 图 6不同填料对透印值的影响 最小 其次是 PCC 透印值的变化趋势也间接反映了 不透明度的情况 从图 4 和图 6 比较可看出 不透明 度低的纸张透印值相对较高 3结论 3 1比表面积大的填料颗粒具有较高的折射率 加 填后纸张具有较好的光学性能 3 2粒径小的填料颗粒不一定留着率低 除粒度外 填料的化学组成也是影响其留着的重要性能 在微粒 助留系统中 TiO2粒径虽较小 但留着率很高 3 3在 PCC GCC 硫酸钡 TiO2 滑石粉这 5 种 填料中 TiO2对纸张的光学性能贡献较大 在印刷 中也体现了优异的适印性 3 4综合考虑这几种填料的物理性能 价格以及加 填后纸张的性能 在低定量纸中可以采取 PCC 和 TiO2混合加填 以平衡纸张性能要求及控制生产 成本 参考文献 1 邢洁芳 丁胜 许哲 低定量纸透印值标准的研究 J 印 刷质量与标准化 2006 7 23 2 叶玉堂 饶建珍 等 光学教程 M 北京 清华大学出版 社 2005 3 Arslan Kema Bousfield DouglasW Genco Joseph M Effect of Shear Forces on Fine Particle Retention J Tappi J 1997 80 1 254 4 Tanaka M Swerin A Oedberg L Redistribution of Adsorbed Poly electrolytes From Cellulosic Fibres to Model Filler Particles in a Pa permaking Suspension Effects of Filler Particle Size and Electrolyte Concentration J Nordic Pulp Paper Research Journal 1995 10 4 261 5 Anderson M A Rubin A J 水溶液吸附化学 无机物在固 液界面 上的吸附作用 M 刘莲生 等 译 北京 科学出版社 1989 6 郑水林 粉体表面改性 M 2 版 北京 中国建材工业出版 社 2003 7 张