細小纖維對PCC預(yù)絮聚技術(shù)影響研究

石義剛， 萬朝雨， 周 揚， 付建生

(湖北工業(yè)大學(xué)制漿造紙研究所， 湖北 武漢 430068)

在中、弱堿性造紙取代酸性造紙后，PCC(沉淀碳酸鈣)由于其顆粒均勻細小、純度高、白度高、成本低而得到了較為廣泛應(yīng)用．Bratskaya[1]等用陽離子淀粉對纖維進行改性，使纖維局部出現(xiàn)陽離子化，增加填料留著．Ping Peng[2]等人研究了陽離子聚丙烯酰胺對PCC絮凝的相關(guān)研究，認為用靜電、范德華力和氫鍵的空間位阻平衡可以很好地解釋PCC與CPAM吸附溶解時的相互平衡．筆者研究發(fā)現(xiàn)，通過對填料進行預(yù)絮聚(用造紙助劑將填料粒子絮聚后再加入到漿料中)不用對填料表面預(yù)處理改性，可較大幅度提高填料留著率，同時對成紙質(zhì)量影響較少．在已有PCC加填研究中發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)工藝加填，填料預(yù)絮聚加填具有填料留著高，可改善紙張性能[3]．國外也有相關(guān)實驗研究[4-5]，目前填料預(yù)絮聚技術(shù)剛開始推廣應(yīng)用，還存在很多問題，尤其是在機理方面尚未見深入研究．在國內(nèi)某紙廠原有的工藝及在PCC絮聚體的研究[6]基礎(chǔ)上，筆者進行PCC預(yù)絮聚實驗研究，探討PCC預(yù)絮聚技術(shù)細小纖維對紙張性能的影響機理．選用PCC作為填料的原因是其化學(xué)合成純度高，粒徑均勻，對研究的干擾少．

1 實驗

1.1 實驗原料及藥品

1.1.1實驗原料漂白硫酸鹽針葉木漿(湖北某紙廠)，打漿度36°SR；葦漿(湖北某紙廠)，打漿度31°SR ；600目沉淀碳酸鈣(PCC，湖北某紙廠)．

1.1.2實驗藥品中等取代度陽離子淀粉(CS，東莞市匯美淀粉科技有限公司)，配制濃度10 g/L；陰離子有機微聚物(CP3，湖北某紙廠提供)，分子量1 200萬，配制濃度為0.5 g/L；

陽離子聚丙烯稀酰胺(CPAM，湖北某紙廠提供)，分子量900萬，配制濃度1 g/L；陽離子型AKD乳液，濃度為7.5 g/L(湖北某紙廠提供)．

實驗藥品加入量為：絕干漿，2 g；PCC， 0.5 g； CPAM，0.4 mL；CP3，0.2 mL；CS， 4 mL；AKD，0.4 mL．

1.2 實驗儀器

FD-610紅外水分測定儀，日本KETT ；GBJ-A纖維標(biāo)準(zhǔn)解離器，長春市月明小型試驗機有限責(zé)任公司；P95854.3A凱塞快速紙頁成型器，PTI；JSM-6390掃描電子顯微鏡，日本電子株式會社；DCP-SLY1000電腦測控撕裂度儀，四川長江造紙儀器有限責(zé)任公司；抗張試驗儀，Loren tzen· welter；101A-3數(shù)顯電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海浦東榮豐科學(xué)儀器有限公司；YX-WK/MFL馬弗爐，長沙友欣公司制造；Lale912纖維形態(tài)分析儀，L&W．

1.3 實驗方法

1.3.1漿料纖維形態(tài)分析分別取少量針葉木漿和葦漿，疏解好后稀釋漿濃度在0.05%～0.1%之間，用纖維形態(tài)分析儀進行實驗，實驗得到兩種漿料纖維分布如圖1所示．

(a)實驗用針葉木漿

(b)實驗用蘆葦漿圖 1 兩種漿料纖維長度分布1.3.2 紙頁抄造及檢測 按以下幾種工藝方案做對比實驗：

工藝1，漿+PCC (空白)；

工藝2，漿+AKD+PCC+CS+CPAM+CP3(某紙廠正常加填)；

工藝3，漿+ PCC+CS+CP3(雙元系統(tǒng)預(yù)絮聚加填)；

工藝4，漿+ PCC+CPAM+CP3(雙元系統(tǒng)預(yù)絮聚加填)；

工藝5，漿+ PCC+CS+CP3+CPAM(多元系統(tǒng)預(yù)絮聚加填)．

用凱塞快速紙頁成型器分別按照以上5種工藝抄片，檢測紙張的抗張性能，撕裂強度以及灰分含量，所得實驗數(shù)據(jù)見表1．兩種漿料在不同工藝條件下相關(guān)性質(zhì)對比見圖2.

表1 紙頁相關(guān)性質(zhì)檢測

(a)抗張指數(shù)

(b)撕裂指數(shù)

(c)灰分圖 2 兩種漿料在不同工藝條件下相關(guān)性質(zhì)對比

1.3.3掃描電子顯微鏡觀察紙頁形貌

掃描電子顯微鏡觀察紙頁形貌見圖3.

(a)預(yù)絮聚加填(工藝5)

(b)傳統(tǒng)加填工藝(工藝2)圖 3 紙頁SEM

2 分析與討論

影響抗張強度的主要因素是纖維之間的結(jié)合力及纖維自身的強度.從表1可知，針葉木漿優(yōu)于蘆葦漿，纖維自身的強度是主要因素；對比傳統(tǒng)PCC加填工藝和PCC預(yù)絮聚工藝可知，采用陽離子淀粉對PCC預(yù)絮聚加填(工藝3)，紙張的抗張強度影響較小，而陽離子聚丙烯酰胺的雙元系統(tǒng)預(yù)絮聚(工藝4)并不能對抗張強度有所改善．

PCC預(yù)絮聚工藝條件下抄片的紙頁(圖3a)，PCC絮聚體是以顆粒狀填充在纖維的交織處及由纖維交織所形成的孔隙處和毛細管中，對纖維之間交織和結(jié)合影響較?。畟鹘y(tǒng)工藝加填抄片紙頁(圖3b)，填料粒子絮聚較少，主要集中以“點”的形式留著并包裹纖維的表面，在纖維交織形成的毛細孔及空隙處只有少量留著，阻礙了纖維之間的氫鍵結(jié)合，使成紙的抗張強度降低．

影響紙張撕裂度的主要因素是纖維的長度，增加空隙率也能提高紙頁的撕裂強度．對于針葉木漿和蘆葦漿，由纖維形態(tài)分析(圖1)可知，蘆葦漿的細小纖維含量很高，所抄造紙頁撕裂指數(shù)相對較低；用同一種漿料抄片檢測撕裂度，纖維交織的空隙率對撕裂指數(shù)的影響較大，預(yù)絮聚工藝填料絮聚體大多停留在纖維交織的空隙處，而傳統(tǒng)加填工藝則在空隙處較少，大多包裹或停留在纖維表面(圖3)，所以預(yù)絮聚工藝的空隙率低于傳統(tǒng)加填工藝，紙張的撕裂指數(shù)偏低．

由表1可知，同種工藝條件下葦漿灰分含量略高，說明細小纖維含量高有助于填料PCC的留著．對比同種漿料PCC留著效果，預(yù)絮聚工藝填料留著較高，在加入CPAM的預(yù)絮聚工藝4和5中，紙張灰分含量增加， CPAM對填料PCC的助留效果顯著．在傳統(tǒng)工藝中加入CPAM也可增加填料留著(表1)．

3 結(jié)論

1)與傳統(tǒng)加填工藝相比，PCC預(yù)絮聚工藝所抄造紙頁在抗張強度、填料留著方面均有較大優(yōu)勢；CPAM雖然對填料留著有幫助，但是加入后紙張強度會降低．

2)PCC預(yù)絮聚工藝所抄造紙頁中，PCC絮聚體大多留著在纖維交織的空隙及毛細孔處，因而對于紙頁的抗張強度影響不大，能較大改善PCC的留著和紙頁的表面性能，但是會稍微降低紙頁的撕裂度．

3)細小纖維含量對紙頁相關(guān)性能影響很大，PCC的留著與之關(guān)系密切，PCC預(yù)絮聚技術(shù)增大了留著顆粒的粒徑，細小纖維可與PCC預(yù)絮聚體形成較多的交織，有利于填料的分散留著；從圖3a中可見，打漿后分絲帚化的細小纖維包裹在絮聚體周圍．初步分析認為，此現(xiàn)象可能與靜電作用相關(guān)，將在后續(xù)研究中探討PCC絮聚體成形及其流送機理．

[參考文獻]

[1] Bratskaya, Schwarz, Petzold. Cationic starches of high degree of functionalization: Modification of cellulose fibers toward high filler technology in papermaking [J].Industrial and Engineering Chemistry Research, 2006(45):7 374-7 379.

[2] Peng P，Garnier G．Effect of cationic polyacrylamide on precipitated calcium carbonate flocculation: kinetics, charge density and ionic strength[J]. Colloids and Surfaces A: Physico chemical and Engineering Aspects (2010), doi:10.1016/j.colsurfa. 2012.05.002.

[3] 潘 誠，付建生，袁世炬,等.填料和助劑預(yù)絮聚對填料留著和成紙抗張強度的影響[J].中國造紙，2012,31(11):30-33．

[4] Petersson M. The effect of pre-flocculation of fillers on paper strength[D].SwedeN: Chalmers University Of Technology，2011.

[5] Sara Wiik. Pre-flocculation of fillers Evaluation of different flocculation conditions[D]. Lule? University of Technology,2010.

[6] 石義剛，潘 誠，付建生,等.碳酸鈣預(yù)絮聚加填技術(shù)研究[J].湖北造紙，2012(112)：101-102.