潘 誠 付建生 袁世炬 龍 芬

(湖北工業(yè)大學(xué)制漿造紙工程研究所，湖北武漢，430068)

填料和助劑預(yù)絮聚對填料留著和成紙抗張強(qiáng)度的影響

潘 誠 付建生 袁世炬 龍 芬

(湖北工業(yè)大學(xué)制漿造紙工程研究所，湖北武漢，430068)

利用兩個紙廠的漿料，在填料和助劑預(yù)絮聚工藝條件及模擬實際生產(chǎn)工藝條件下進(jìn)行實驗，研究了不同工藝條件下，手抄片中細(xì)小纖維含量與紙張灰分、抗張強(qiáng)度之間的關(guān)系，通過掃描電子顯微鏡 (SEM)對紙張表面形貌進(jìn)行了觀察。實驗結(jié)果表明，在填料和助劑預(yù)絮聚后進(jìn)行的加填，與實際生產(chǎn)工藝條件相比，成紙的灰分分別從10．8%、9．0%提高到12．2%、10．3%;成紙的抗張指數(shù)分別從21．6、23．4 N·m/g提高到22．2、27．6 N·m/g;填料和助劑預(yù)絮聚工藝條件下的加填，相對于普通生產(chǎn)工藝，在纖維交織所形成的毛細(xì)孔中的填料含量明顯增加。

預(yù)絮聚;細(xì)小纖維;紙張形貌

本實驗中的預(yù)絮聚是指在抄紙過程中將填料和所用助劑提前混合絮聚，然后加入紙漿中抄紙。這樣可以減化工藝流程，易于過程控制，有較好的紙張質(zhì)量，有較好的填料留著率，降低生產(chǎn)成本，并能保持整個抄造系統(tǒng)的潔凈度［1］。

預(yù)絮聚技術(shù)由最開始的填料預(yù)處理技術(shù)［2-4］到對整個抄造系統(tǒng)的改進(jìn)［5］，再到簡化工藝流程預(yù)先混合的預(yù)絮聚技術(shù)。國內(nèi)涉及的對填料處理如磷酸酯淀粉改性滑石粉、AKD改性滑石粉和絹云母以及對碳酸鈣表面處理的相關(guān)技術(shù)［1，6-7］，目的都是為了減少造紙化學(xué)品用量、節(jié)約成本、簡化工藝，使抄造更為簡單，流程縮短，體系的復(fù)雜程度降低，影響因素減少。

預(yù)絮聚工藝的可行性需由實際生產(chǎn)中的情況進(jìn)行分析。隨著造紙助留技術(shù)的發(fā)展，助留體系從最初的單元助留體系發(fā)展到雙元或多元助留體系及微粒助留體系［8］?，F(xiàn)根據(jù)采用雙元助留體系 (監(jiān)利某紙業(yè))及采用微粒助留體系 (赤壁某紙業(yè))的兩個造紙廠的實際生產(chǎn)情況，在實驗室條件下分別采用填料和助劑預(yù)絮聚工藝及模擬實際生產(chǎn)工藝進(jìn)行實驗，對這2種工藝進(jìn)行比較分析。

1 實驗

1.1 實驗原料及藥品

1.1.1 漿料

監(jiān)利某紙業(yè)成品漿:10%的針葉木化學(xué)漿、5%損紙漿及85%楊木化學(xué)漿)，打漿度30°SR，以下簡稱監(jiān)利漿。

赤壁某紙業(yè)成品漿:77%自制葦漿、8%商品針葉木漿及15%自制楊木化機(jī)漿，打漿度30°SR，以下簡稱赤壁漿。

1.1.2 助劑

中取代度陽離子淀粉 (CS)，廣東匯美淀粉科技;AKD乳液，固含量15%，監(jiān)利某紙業(yè)提供;膨潤土，天津輕科公司;陽離子聚丙烯酰胺 (CPAM)，相對分子質(zhì)量800萬和900萬，巴斯夫公司;陰離子有機(jī)微聚物 (CP3)，相對分子質(zhì)量1200萬 (監(jiān)利某紙業(yè)提供)，相對分子質(zhì)量2000萬 (赤壁某紙業(yè)提供)。

1.1.3 填料

沉淀碳酸鈣 (PCC)，監(jiān)利某紙業(yè)提供;漿狀碳酸鈣，赤壁某紙業(yè)提供。

1.2 實驗儀器

凱賽快速紙頁成形器 (P95854．3A)，奧地利PTI公司;紫外可見分光光度計 (UV-2550)，日本島津公司;分析型掃描電子顯微鏡 (JSM-6360LA)，日本電子株式會社;纖維形態(tài)分析儀 (912)，瑞典L＆W公司;數(shù)顯臥式抗張試驗機(jī) (D-KZ(W)30)。

1.3 實驗流程

1.3.1 模擬工廠實際生產(chǎn)工藝及填料和助劑預(yù)絮聚工藝

(1)模擬工廠實際生產(chǎn)工藝

稱取相當(dāng)于絕干的漿料2．0 g，在纖維疏解機(jī)中疏解3000轉(zhuǎn)。

按照CS→AKD→填料→CPAM→CP3的順序依次加入到疏解好的漿料中混合均勻，然后在凱塞快速紙頁成形器上抄造手抄片。

(2)填料和助劑預(yù)絮聚工藝

稱取相當(dāng)于絕干的漿料2．0 g，在纖維疏解機(jī)中疏解3000轉(zhuǎn)。

稱取一定量的填料于400 mL的燒杯中并加入250 mL的水，用玻璃棒攪拌直到完全溶解。助劑按照AKD→CS→CPAM→CP3的順序依次邊攪拌邊加入到填料溶液中。填料與助劑混合預(yù)絮聚后，加入到已經(jīng)疏解好的漿料中，混合均勻后在凱塞紙頁快速成形器上抄造手抄片。

1.3.2 細(xì)小纖維含量的測定

模擬監(jiān)利某紙業(yè)工廠實際生產(chǎn)工藝及填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實驗為實驗1，模擬赤壁某紙業(yè)工廠實際生產(chǎn)工藝及填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實驗為實驗2。

(1)實驗1

CS用量2%(相對于絕干漿，下同)，CPAM用量0．04%，CP3用量0．005%，PCC用量20%，AKD用量0．15%。分別按1．3．1進(jìn)行抄片。模擬監(jiān)利某紙業(yè)工廠實際生產(chǎn)工藝的實驗抄造的手抄片簡稱為1A，采用填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實驗抄造的手抄片簡稱為1B。

分別取1A、1B紙樣分成小塊，在0．9%濃度的HCl溶液中浸泡一段時間后，在真空泵下過濾洗滌至中性，在纖維解離機(jī)中疏解300轉(zhuǎn)，疏解后的漿料在纖維分析儀上測定細(xì)小纖維含量及纖維組分。

與監(jiān)利漿料中細(xì)小纖維含量進(jìn)行比較分析。

(2)實驗2

膨潤土用量2%(相對于絕干漿，下同)，CPAM用量0．04%，CP3用量0．0025%，漿狀碳酸鈣用量20%，AKD用量0．15%。模擬赤壁某紙業(yè)工廠實際生產(chǎn)工藝的實驗及抄造的手抄片簡稱為2A，采用填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實驗及抄造的手抄片簡稱為2B。

分別取2A、2B紙樣分成小塊，在0．9%濃度下HCl溶液中浸泡一段時間后，在真空泵下過濾洗滌至中性，在纖維解離機(jī)中疏解300轉(zhuǎn)，疏解后的漿料在纖維分析儀上測定細(xì)小纖維含量及纖維組分。

與赤壁漿料中細(xì)小纖維含量進(jìn)行比較分析。

1.3.3 網(wǎng)下白水AKD流失的測定

在工廠實際生產(chǎn)過程中，紙機(jī)的上網(wǎng)濃度在0．5%左右，對網(wǎng)下白水的測定需按照實際情況進(jìn)行測定。

所加助劑中，AKD在波長為238 nm處有明顯的吸收峰，通過測定在238nm處的吸光度來表征網(wǎng)下白水中AKD的流失。AKD濃度與吸光度是線性關(guān)系，c=1328A-36．28(其中c為以二氯甲烷為溶劑AKD的濃度，A為吸光度)，通過測定AKD的吸光度，可以計算出白水中AKD的濃度，進(jìn)而計算出流失率來表征AKD的流失率［9］。由于紙張抄造過程中以水為介質(zhì)，只能測定網(wǎng)下白水中AKD的吸光度來表征含量的多少。每種工藝下取4個樣品測定吸光度，以平均值表示。

分別稱取相當(dāng)于絕干漿10 g的監(jiān)利漿和赤壁漿，加入1000 mL水，在纖維解離器上疏解300轉(zhuǎn)，分別按實驗1和實驗2進(jìn)行配漿。

將配制好的漿料稀釋至漿濃0．5%，然后倒入抄片器中，攪拌靜置后，用容器接取網(wǎng)下白水，取樣測定吸光度。

1.3.4 填料留著率測定

以手抄片的灰分含量來表示填料的留著率。灰分測定按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T463—1989進(jìn)行。

1.3.5 抗張強(qiáng)度測定

抗張強(qiáng)度測定按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12914—2008進(jìn)行。

1.3.6 紙張形貌觀察

分別取1A、1B、2A、2B紙樣表面鍍金后在掃描電子顯微鏡 (JSM-6360LA)下觀察成紙內(nèi)絮聚體的分布情況。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 細(xì)小纖維含量

模擬工廠實際生產(chǎn)工藝及填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實驗的細(xì)小纖維含量如表1所示。

表1 成紙細(xì)小纖維含量及纖維平均長度

從表1可以看出，細(xì)小纖維含量低的監(jiān)利漿以填料和助劑預(yù)絮聚工藝抄造的成紙細(xì)小纖維含量相對于模擬工廠實際生產(chǎn)工藝抄造的成紙細(xì)小纖維含量有所增加，細(xì)小纖維含量高的赤壁漿以填料和助劑預(yù)絮聚工藝抄造的成紙細(xì)小纖維含量相對于模擬工廠實際生產(chǎn)工藝抄造的成紙細(xì)小纖維含量降低較少，說明預(yù)絮聚工藝對不同細(xì)小纖維含量的漿料體系下細(xì)小纖維的留著沒有較大的影響，甚至有促進(jìn)作用。

2.2 網(wǎng)下白水AKD流失

模擬工廠實際生產(chǎn)工藝及填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實驗抄造過程中網(wǎng)下白水吸光度見表2所示。

表2 網(wǎng)下白水吸光度

網(wǎng)下白水中AKD以水為介質(zhì)，只能通過AKD濃度與吸光度的線性關(guān)系來表征AKD含量的多少。從吸光度與AKD濃度線性關(guān)系來看，填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實驗中AKD留著率比模擬工廠實際生產(chǎn)工藝實驗中的要高，說明了填料和助劑預(yù)絮聚工藝對助劑留著率的提高、整個濕部環(huán)境的清潔度及陰離子垃圾的減少有促進(jìn)作用。

2.3 紙張灰分

模擬工廠實際生產(chǎn)工藝及填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實驗成紙灰分含量如表3所示。

表3 紙張灰分含量

由表3可知，填料和助劑預(yù)絮聚工藝實驗中，填料的留著率相對于模擬工廠實際生產(chǎn)工藝實驗下留著率較高，紙張1B對應(yīng)實驗填料的留著率從10．8%提高到12．2%，紙張2B實驗對應(yīng)填料的留著率從9．0%提高到10．3%，說明填料和助劑預(yù)絮聚工藝具有優(yōu)越性。從填料和助劑預(yù)絮聚工藝下成紙的外觀情況看，沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的絮聚成團(tuán)的現(xiàn)象，可能原因在于填料和助劑預(yù)絮聚工藝下CPAM與填料進(jìn)行混合預(yù)絮聚后加入漿料中，直接作用于漿料的絮聚效果較小。

2.4 成紙抗張強(qiáng)度

模擬工廠實際生產(chǎn)工藝及填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實驗成紙抗張指數(shù)如表4所示。

表4 紙張抗張指數(shù)

填料和助劑預(yù)絮聚工藝實驗與模擬工廠實際生產(chǎn)工藝實驗相比，在填料留著率提高的情況下紙張的抗張性能沒有較大的變化。紙張1B的抗張指數(shù)從21．6 N·m/g提高到22．2 N·m/g，紙張2B的抗張指數(shù)從23．4 N·m/g 提高到 27．6 N·m/g。從觀察成紙掃描電鏡圖片后分析，可能原因在于填料和助劑預(yù)絮聚工藝下絮聚體留著在纖維交織處，對纖維之間的結(jié)合影響較小，而實際生產(chǎn)工藝下填料更多地留著在纖維上，對纖維之間的結(jié)合有較大的影響，所以在填料留著率提高的情況下，紙張的物理性能反而有所增加。

2.5 紙張形貌觀察

模擬工廠實際生產(chǎn)工藝及填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實驗成紙形貌SEM圖見圖1和圖2。

從圖1和圖2可以看出，模擬工廠實際生產(chǎn)工藝實驗的成紙，有較多的填料留著在纖維表面上，而填料和助劑預(yù)絮聚工藝實驗成紙?zhí)盍闲蹙垠w留著于纖維交織處，而在纖維表面留著得較少，說明了前述實驗結(jié)果的表征，填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實驗成紙絮聚體留著于纖維交織處，對纖維間的結(jié)合沒有較大的影響，而模擬工廠實際生產(chǎn)工藝實驗的成紙?zhí)盍狭糁诶w維表面，對纖維與纖維之間的氫鍵結(jié)合有一定的影響，從而影響到成紙的抗張性能，但填料和助劑預(yù)絮聚工藝的實驗成紙在填料留著率更好的情況下抗張性能未受到影響，反而由于絮聚體未影響纖維之間的交織使得紙張結(jié)合緊密，成紙的抗張強(qiáng)度比模擬工廠實際生產(chǎn)工藝的成紙強(qiáng)度更高。

3 結(jié)論

根據(jù)兩個工廠實際生產(chǎn)情況，在實驗室條件下分別采用填料和助劑預(yù)絮聚工藝及模擬實際生產(chǎn)工藝進(jìn)行實驗分析可知，采用填料和助劑預(yù)絮聚工藝在填料留著及成紙的抗張性能上都有促進(jìn)作用，并且適用于不同的實際生產(chǎn)情況。

監(jiān)利某紙業(yè)工藝的配方為雙元助留體系，CS用量2%(相對于絕干漿，下同)，CPAM用量0．04%，CP3用量0．005%，PCC用量20%，AKD用量0．15%。①從模擬成紙性能來看，填料和助劑預(yù)絮聚工藝下填料留著率從10．8%提高到12．2%，同時紙張的抗張指數(shù)從21．6 N·m/g提高到22．2 N·m/g;②從細(xì)小纖維來看，填料和助劑預(yù)絮聚工藝下細(xì)小纖維含量相對于模擬工廠生產(chǎn)工藝來說有所提高;③從網(wǎng)下白水的AKD流失率來看，填料和助劑預(yù)絮聚工藝下AKD的流失比模擬工廠實際生產(chǎn)工藝的流失率少。

赤壁某紙業(yè)工藝的配方為微粒助留體系，膨潤土用量2% (相對于絕干漿，下同)，CPAM用量0．04%，CP3用量0．0025%，漿狀碳酸鈣用量20%，AKD用量0．15%。①從成紙性能來看，填料和助劑預(yù)絮聚工藝下填料留著率從9．0%提高到10．3%，同時紙張的抗張指數(shù)從23．4 N·m/g 提高到 27．6 N·m/g;②從細(xì)小纖維來看，填料和助劑預(yù)絮聚工藝下細(xì)小纖維含量與模擬工廠實際生產(chǎn)工藝相差較小;③從網(wǎng)下白水中AKD的流失率來看，填料和助劑預(yù)絮聚工藝下AKD的流失比模擬工廠實際生產(chǎn)工藝少。

通過SEM照片能夠發(fā)現(xiàn)填料與助劑預(yù)絮聚工藝抄造紙張中絮聚體較多地分布于纖維交織處，而模擬工廠生產(chǎn)工藝其填料吸附在纖維表面，這一現(xiàn)象能夠解釋填料和助劑預(yù)絮聚工藝中填料留著率較高的情況下紙張抗張性能沒有降低的現(xiàn)象，即由于絮聚體留著于交織處未影響纖維與纖維之間的氫鍵結(jié)合，而模擬工廠生產(chǎn)工藝中填料大部分吸附在纖維表面，對纖維與纖維之間的結(jié)合有較大的影響。

［1］ 宋中陽，李志杰，雷以超．造紙?zhí)盍吓c高分子絮聚劑的應(yīng)用［J］．中國造紙，2004，23(5):64．

［2］ Brian paul lambert．A method of treating calcium carbonate paper filler:US，3873336［P］．1975-03-25．

［3］ David W zunker．Inorganic fillers modified with vinyl alcohol polymer and cationic melamine-formaldehyde resin:US，4495245［P］．1985-01-22．

［4］ Robert A Gill．Cationic polymer-modified filler material，process for its preparation and method of its use in papermaking:US，5147507［P］．1992-09-15．

［5］ Jouni Matula．Advanced use of filler close to headbox together with Retention aid additives with TrumpJet flash mixing system［J］．World Pulp and Paper，2008，27(2)．

［6］ 楊德清，劉溫霞．AKD對滑石粉和絹云母的改性效果與作用機(jī)理［J］．中國造紙，2010，29(4):1．

［7］ 沈 靜，宋湛謙，錢學(xué)仁．改善碳酸鈣加填紙強(qiáng)度性能的研究進(jìn)展［J］．中國造紙，2007，26(5):47．

［8］ 張克慶，劉溫霞，陳子成．陽離子微粒助留體系的研究進(jìn)展［J］．中國造紙，2005，24(7):53．

［9］ 劉 冉，韓 卿．涂布原紙中未反應(yīng)AKD的光譜法分析測定［J］．紙和造紙，2010，29(8):51．

Influence of Pre-flocculation of Filler and Wet End Additives on Filler Retention and Paper Strength

PAN Cheng*FU Jian-sheng YUAN Shi-ju LONG Fen
(Institute of Pulp and Papermaking Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan，Hubei Province，430068)

Using two pulps from two mills，the handsheets were prepared with adding filler in two ways，one was to simulate the current production operation，another was to use pre-flocculation technique，and the filler was pre-flocculated with wet end chemicals．The relation between fines content and ash content，paper strength of the handsheets prepared by different loading processes was studied．The results indicated that when filler was added by using pre-flocculation technique，the ash content increased from 10．8%and 9．0%to 12．2%and 10．3%，tensile strength increased from 21．6 N·m/g and 23．4 N·m/g to 22．2 N·m/g and 27．6 N·m/g of the handsheets prepared by using two different mill's pulps respectively．The surface morphology of the handsheets was analyzed by SEM;it was found that most of the pre-floccalated fillers were resented in the pores of fiber network，on the contrary，the fillers mainly resented on the fibers surface when fillers were added according to conventional process．

pre-flocculation;small fibers;paper morphology

TS727+．2

A

0254-508X(2012)11-0030-04

潘 誠先生，在讀碩士研究生;研究方向為造紙化學(xué)品及特種紙。

(*E-mail:pcqian837@sina．com)

2012-08-08(修改稿)

(責(zé)任編輯:馬 忻)