硅酸鋁纖維分散性的影響因素及提高方法

王晶晶，趙傳山，姜亦飛

（山東輕工業學院制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室，山東濟南250353）

硅酸鋁纖維分散性的影響因素及提高方法

王晶晶，趙傳山，姜亦飛

（山東輕工業學院制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室，山東濟南250353）

該文研究了硅酸鋁纖維的分散性能。實驗表明，對硅酸鋁纖維進行切斷和除渣的預處理，可有效地提高纖維的分散性能；在硅酸鋁纖維中加入分散劑，是提高纖維在水中分散性能的最有效的方法，有利于提高紙張的勻度、抗張強度和撕裂度，有利于改善成紙性能。

硅酸鋁纖維；分散性能；成紙性能

硅酸鋁纖維與天然植物纖維比較，相對較長，長寬比大，纖維之間容易互相纏繞，不易分開；并且，硅酸鋁纖維的相對密度較大，在水中很難均勻地分散，纖維絮聚和沉降的可能性大，而且纖維絮聚后就不容易重新分散，成紙不均勻。為了使纖維在水中達到較好的分散效果，一般需要加入分散劑或者對硅酸鋁纖維進行分散處理。研究硅酸鋁纖維分散性對生產均勻合格的功能紙具有重要意義。硅酸鋁纖維在水中的均勻分散，實現纖維之間的良好交織，是優良紙頁和纖維復合產品濕法成形的關鍵[1]。

本文對硅酸鋁纖維的分散性能進行了探討和研究。

1 實驗部分

1.1 原料

硅酸鋁纖維，針葉木纖維，闊葉木纖維，麥草漿纖維。

聚氧化乙烯（PEO），分散劑，外觀為白色粉末，非離子性，相對分子質量為300萬；陰離子聚丙烯酰胺（APAM），分散劑，外觀為白色粉末，非離子性，相對分子質量為300萬；羧甲基纖維素（CMC），膠粘劑，質量分數為8%。

1.2 設備及儀器

實驗室改裝粉碎機，磁力攪拌器，20目漿網，實驗室用打散器，攪拌器，光度儀，PTI抄片器，環境掃描電鏡儀（ESEM，荷蘭FEI公司）。

1.3 方法

首先，將硅酸鋁纖維與不同種類的植物纖維在單根纖維外觀、直徑和長度等方面進行對比，找出硅酸鋁纖維與植物纖維的不同之處，以便進行后續的實驗。

其次，用實驗室自行改裝的粉碎機切斷硅酸鋁纖維。通過調整粉碎機轉速和選用不同的篩板來獲取最佳的切斷條件；并采用水洗沉降法對纖維進行除渣處理，用磁力攪拌器加速渣球的沉降，增加洗漿得率。

再次，將洗滌后的纖維按不同的加入量，測定其沉降時間；并添加不同種類的分散劑，測定纖維的沉降時間和透光率。

最后，通過添加膠粘劑用PTI抄片器對纖維進行抄片，觀察分散劑添加量對紙張強度性能的影響。

1.4 項目測試

透光率按GB 1446—1983測定，抗張指數按GB/ T 453—2002測定，撕裂度按GB/T 455—2002測定。

2 結果與討論

2.1 硅酸鋁纖維形態分析

硅酸鋁纖維主要成分是Al3O2，是由含鋁元素的礦石高溫溶融后，經過噴吹或甩絲后形成的纖維狀物質。硅酸鋁纖維制品的體積密度比較小，一般為100～250 kg/m3，而單位體積中空氣占94%～96%[2]。雖然其形態與植物纖維相似，但是由于其構成不同，它的物理化學性能與植物纖維有較大的差異。表1是硅酸鋁纖維與植物纖維在物理形態方面的對比[3]。

表1 硅酸鋁纖維與植物纖維對比

由表1可以看出，硅酸鋁纖維直徑比植物纖維小，長度是植物纖維的10～200倍。因此，如果不經過打漿，在抄造紙頁時，硅酸鋁纖維會因為纖維太長而不易分散，且濾水不均勻，很難形成紙頁。

圖1和圖2分別是打漿后的植物纖維和硅酸鋁纖維的掃描電鏡照片。

圖1 植物纖維掃描電鏡圖

圖2 硅酸鋁纖維掃描電鏡圖

由圖1和圖2比較可以得出，雖然肉眼看硅酸鋁纖維與植物纖維有著極為相似的外觀，但是實質上，植物纖維經過打漿后其表面有一定的分絲帚化，在形成紙頁的過程中，能夠自然形成氫鍵，產生結合力。而硅酸鋁纖維表面光滑，整根纖維呈棒狀，自然彎曲很少，抄紙時纖維間不能結合成力；成紙時，只靠纖維間的相互搭結，不能提供紙頁形成所需的結合力。另外，硅酸鋁纖維不能像植物纖維那樣在打漿過程中自動形成氫鍵；未作纖維切斷、分散處理的硅酸鋁纖維漿料，在上網成形時難以分布均勻，難以分散，容易產生絮聚問題，影響成紙及紙頁中纖維的分散。因此，將硅酸鋁纖維均勻分散是使其形成紙頁的重要前提。

2.2 硅酸鋁纖維的打漿及洗滌

對硅酸鋁纖維進行打漿及水洗除渣的預處理，提高其分散性，使其符合硅酸鋁纖維紙抄造條件。

2.2.1 硅酸鋁纖維的打漿

首先采用實驗室自行改裝的粉碎機對硅酸鋁纖維進行切斷。打漿條件及打漿后纖維長度和得率見表2。

從表2可以看出，實驗室改裝粉碎機對于硅酸鋁纖維切斷的各種影響因素是：篩孔越小，纖維得率越低，纖維長度越短；轉速越高，纖維長度越短，纖維得率越低。通過表中列舉的硅酸鋁纖維長度范圍和硅酸鋁纖維得率，可以根據不同要求來調節硅酸鋁纖維的打漿條件，以便得到滿足要求的硅酸鋁纖維紙。本實驗選用1 200轉的轉速下，采用孔徑為0.5 cm的篩板對硅酸鋁纖維進行切斷。在此條件下，能獲得最高的得率為77.29%，同時也能滿足纖維得到較好分散時長度為2.81～3.31mm的要求。

表2 打漿條件及打漿后纖維長度和得率

2.2.2 硅酸鋁纖維的除渣

硅酸鋁纖維中渣球的存在不僅影響纖維在水中的分散效果，使纖維容易絮聚；而且在成紙過程中，分散在紙張中的渣球使纖維的勻度、光滑度下降，影響纖維的強度。

纖維采用水洗法除渣，即將硅酸鋁纖維分散在水中，利用晶渣相對密度與纖維相對密度之間的差別這一性質導致二者沉降速度的不同對其進行分離。

將打漿后的纖維（質量分數為1%左右）分散在水中，用磁力攪拌器攪拌0.5 h，然后靜置5 min，選用20目漿網將纖維從水中撈出，注意動作要輕，盡量不要攪起沉淀的晶渣。重復操作3次基本可以將晶渣去除，洗后纖維得率在80%以上。

2.3 纖維用量對分散性能的影響

實驗中不斷改變纖維在水中的加入量，加入質量分數分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0和1.2%的纖維，放入500 mL的量筒中，加水觀察其在水中的分散情況，并記錄纖維沉降完畢所用時間，見圖3。

由圖3可以看出，硅酸鋁纖維加入量為質量分數1%以下時在水中的分散情況比較好，纖維能夠均勻地分散懸浮于水中，如果濃度過大，則會使纖維由于分散不開而發生絮聚，加快沉降。其中，纖維加入量在質量分數0.6%時，分散性能最好。

2.4 分散劑加入量對纖維分散性能的影響

PEO和APAM是造紙中常用的分散劑。實驗選用經過打漿處理的硅酸鋁纖維漿料作為實驗漿料，在漿料中加入分散劑的質量分數分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0和2.5%（相對于硅酸鋁纖維用量）。通過實驗表征硅酸鋁纖維的分散性能及透光率。結果分別見圖4和圖5。

圖4 分散劑對硅酸鋁纖維漿料沉降性能的影響

圖5 分散劑對硅酸鋁纖維漿料透光率的影響

由圖4和圖5可以看出，隨著硅酸鋁纖維漿料中PEO和APAM加入量的增加，纖維漿料沉降至穩定的時間逐漸增加；相同時間下的透光率比空白樣降低。分析原因是，由于PEO和APAM本身具有高的黏度、對纖維的潤滑性能好，減少了硅酸鋁纖維間的接觸機會，纖維漿料的濃度提高使纖維受到較大的阻力，因此硅酸鋁纖維漿料的分散穩定性提高，沉降時間延長，導致透光率下降。這對硅酸鋁纖維紙成紙的勻度和穩定性具有重要的意義。另外由圖4曲線可知，PEO對硅酸鋁纖維漿料的穩定性能要好于APAM。分析原因是，由于PEO較APAM有更高的黏度，在相同用量的條件下，前者分散體系的黏度較高，因此硅酸鋁纖維沉降時間較長，表現為透光率變化緩慢，PEO穩定效果較好。

2.5 分散劑的加入量對成紙性能的影響

硅酸鋁纖維在不加入膠粘劑的情況下不能成紙，因此加入w（CMC）=10%作為膠粘劑，然后改變PEO的加入量，檢測PEO的加入量對成紙強度的影響。結果見圖6和圖7。

圖6 分散劑的加入量對抗張指數的影響

圖7 分散劑的加入量對撕裂度的影響

由圖6和圖7可以看出，加入分散劑PEO所形成的紙頁抗張指數和撕裂度顯著提高。分析原因是，由于加入分散劑以后，硅酸鋁纖維在成形過程中達到很好的分散效果，使紙頁中的纖維分散均勻，因此，抗張指數和撕裂度得到提高。

3 結論

（1）硅酸鋁纖維是無機纖維，雖然與植物纖維有著相似的外觀，但是與植物纖維有著本質的區別。

（2）對硅酸鋁纖維進行打漿切斷和水洗除渣可以有效地提高纖維在水中的分散性能。

（3）在硅酸鋁纖維中加入分散劑是提高纖維分散性能的最有效的方法。一般采用PEO作為分散劑。硅酸鋁纖維中加入分散劑后，其漿料沉降時間增加，提高了纖維的分散性，并顯著提高了紙頁的抗張強度和撕裂度。

［1］Gaodu A N.Crystallization in heated alumina-silicate fibers［J］. Inorg Mater，1977（13）：1802-1804.

［2］羅森諾W M.傳熱學基礎手冊［M］.科學出版社，1992：340-341.

［3］姜亦飛，趙傳山，于冬梅.新型造紙替代原料——硅酸鋁纖維［J］.湖南造紙，2008，15（3）：30-32.

Influencing Factors and Improving Methods on Dispersibility of Alumino-silicate Fibers

WANG Jing-jing，ZHAO Chuan-shan，JIANG Yi-fei
（Key Laboratory of Paper Science and Technology ofMinistry of Education，Shandong Institute of Light Industry，Ji’nan 250353，China）

The dispersibility of alumino-silicate fibers was studied in this paper.The results show that the fiber dispersibility can be significantly improved by cutting off the fibers and separating waste products from the fibers. The employment of dispersant is themost efficientmethod to enhance the dispersibility of alumino-silicate fibers in water.It improves the formation，tensile strength and tearing strength of paper aswell as other paper properties.

alumino-silicate fiber；dispersibility；paper properties

book=2,ebook=36

TS727.2

A 文獻標識碼：1007-2225（2010）01-0021-04

王晶晶女士（1985-），制漿造紙專業在讀研究生；研究方向：功能紙與造紙化學品；E-mail：jingjingzaozhi412@163.com。

2009-12-03（修回）

本文文獻格式：王晶晶，趙傳山，姜亦飛.硅酸鋁纖維分散性的影響因素及提高方法[J].造紙化學品，2010，22（1）：21-24.