開發高填料紙的有關認識與思考

宋順喜 張美云 王 建

(陜西科技大學，陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室，陜西西安，710021)

加填的最初目的是利用填料自身物理性質優勢來改善紙張的光學性能和表面性能。隨著對森林資源和環境保護力度的加大，以低成本的填料替代部分高成本的纖維原料來降低生產成本，已成為傳統造紙企業保持競爭力的主要方法之一。適當提高紙張中的填料含量可節約纖維原料、改善紙張的干燥、節約蒸汽用量，達到節約能耗，降低生產成本的目的。因此，提高紙張中的填料含量，開發高填料紙成為了國內外造紙科研人員的研究熱點。筆者結合國內外文獻資料，談談高填料紙開發的有關認識和思考。

1 高填料紙的概念

開發高填料紙，首先應明確高填料紙的概念。目前國內對高填料紙的表述方式不一，有高加填紙、高灰分紙和高填料紙等，其英文通常譯為high filler content paper或者highly filled paper，其意思都為紙張中填料含量很高。但這些表述方式又有所區別。

第一種“高加填紙”的表述方式，通常理解為紙漿中有很高的填料添加量。雖然提高填料的添加量可以相對提高填料在紙張中的含量，但由于濕部技術的差異 (填料留著率不同)，最終填料在紙張中的含量因濕部技術不同而有所差別。第二種“高灰分紙”的表述方式，是指紙張的灰分含量高。對于常見的紙產品，其灰分可能包含以下成分:①造紙過程中所使用化學品的殘余物;②從管道和設備中帶進來的一些金屬物質;③造紙所用紙漿中的礦物殘渣;④留在紙張中的礦物填料和顏料。前3項物質質量的總和對于加填紙中填料量來說相對較少，所以灰分可近似地反映紙張中填料含量的高低。但以灰分來說明紙張中填料含量的高低，需涉及到有關填料熱穩定性的問題，即填料種類以及測定灰分溫度的不同可能導致結果不具有可比性。從國內外行業標準以及相關文獻中可以看出，我國目前測定紙和紙板灰分的方法中 (GB/T 742—2008)選用的灰分測試溫度為900℃，而國外測試標準中，如Tappi T413 om-02，提到了兩個測試溫度，即525℃和900℃。如果紙和紙板中的填料和顏料在525℃和900℃下性質穩定，即質量變化可被忽略，如二氧化硅、二氧化鈦等，則兩個溫度都可使用。但其他填料如碳酸鈣，若采用525℃測試時，碳酸鈣幾乎不分解，可以較好地反映紙張中碳酸鈣填料的含量;而采用900℃測試時，碳酸鈣已分解為氧化鈣，計算填料含量時還需要考慮填料的灼燒損失。如果比較不同填料加填紙，由于填料熱穩定性的不同，以灰分來衡量填料含量也會造成一定誤差。第三種“高填料紙”的表述方式，通常理解為高填料含量的紙張，嚴格地講，就是在測試紙張灰分后，除去纖維灰分，再根據填料熱穩定性的不同，通過計算轉換為實際填料含量，該值才能較為準確地反映出紙張中真實的填料含量。所以，為了使其可比性更強，筆者認為采用高填料紙來表達紙張中填料含量高的含義更為準確。

目前所指的高填料紙以機制紙為主，紙張中的無機礦物粉體含量超過同類傳統紙張中填料含量。涉及到4個方面:①填料通常指通過物理處理 (研磨和煅燒)或者化學方法合成得到的無機礦物粉體，即傳統意義上所指的造紙填料，如研磨碳酸鈣(GCC)、煅燒高嶺土、滑石粉和沉淀碳酸鈣 (PCC)等。②高填料紙可包含多類紙種。通常指文化用紙(如膠版印刷紙等)，但筆者認為，由于不同紙種對定量、纖維原料的要求不一樣，如新聞紙填料含量在6%～10%，如果其填料含量達15%以上，也可成為新聞紙中的高填料紙，即便是包裝用紙也可有高填料紙，所以這與紙張的種類有關，要區分開來。③填料含量應該是一個相對量。隨著工藝技術水平、紙機裝備水平和濕部化學控制水平的提高，同一紙種的填料含量也在逐漸提高，所以填料含量應該是相對的，是不斷變化的。一般文化用紙 (如復印紙、膠版印刷紙)中填料含量由以前的10%～20%提高到20%～30%，就目前來看，若該紙種的填料含量達30%以上，就可稱為高填料紙。因此，高填料紙也是區別于同類普通紙種的一種較為特殊的紙，且其技術在不斷發展和變化。④有關填料含量的上限。定義中提到了填料含量應該是一個相對量，那么高填料紙中的填料含量是否具有上限?從紙張的定義來看，并沒有規定或者涉及到有關填料含量的問題，對于傳統紙張而言，若將纖維作為紙張的主要成分，則其比例至少應該達到50%，即填料含量最多到50%。當然，有關紙張中填料含量是否具有上限的問題，在學術界目前還存有爭議。

2 紙張填料含量的變化趨勢

提高紙張填料含量所帶來的好處不言而喻，因此，國內外各造紙企業和科研機構都在通過各種技術來提高紙產品中的填料含量。如表1所示，從1970年到2000年，文化用紙填料含量幾乎翻了一番，這足以說明提高填料用量已成為企業追求的目標之一。

表1 不同紙種填料用量趨勢變化［1］

世界造紙工業強國早已開始進行有關提高紙張填料含量的研究，并出臺了一些導向性的規劃。2010年，美國制定的林產品工業技術規劃中，提出了開展功能性高填料紙的研究。該研究作為未來林產品工業的研究項目中期研究目標之一。同時該研究的最終目標是使進入干燥部紙幅的干度提高到65%(該指標還需要其他方法共同實現)。同時，在提高填料含量的同時，提高成紙松厚度，但對成紙平滑度、其他物理強度性能及紙機運行性能不能有負面影響。美國特種礦物公司的Fulfill技術，通過調控填料表面形態和聚集體形態 (見圖1)，開發出了多套加填技術，可在原有生產條件下使紙張中的填料含量有不同程度的提高，同時成紙的物理性能、紙料的留著性能、濾水性能及紙機的運行性能等方面也得到了改善。

加拿大、芬蘭等國家在近幾年也紛紛開展了有關高填料紙技術的研究。如加拿大林產品創新研究中心(FPInnovations)制造的新一代高填料印刷紙 (Next generation paper)其填料含量可達50%。一些著名的化學品公司，如Nalco(納爾科)公司的FillerTEK技術可使成紙填料含量提高5個百分點，同時對紙張強度、光學性能以及印刷適性等重要性能沒有負面影響。該技術通過填料的預絮聚控制絮聚體粒徑大小、分布及絮聚體的穩定性來降低填料對成紙的負面影響。處理后填料的表面形貌和加填紙性能測試結果見圖2和表2。

圖1 美國特種礦物公司的Fulfill技術中不同系列的填料表面形貌［2］

圖2 采用Nalco FillerTEK技術對填料處理前后填料粒徑的變化［2］

目前我國許多造紙廠也通過各種方法來提高紙張填料含量，但只有少數造紙廠可使紙張中的填料含量達到30%以上。面對世界造紙強國近幾年在開發高填料紙領域開展的研究和應用，我國造紙廠和研究機構應根據實際需求，通過技術整合和創新，提高不同紙種現有的填料含量，來提升我國紙品的競爭力。

3 開發高填料紙需要權衡的幾個問題

開發高填料紙的實質是進一步提高不同紙種現有的填料含量水平。雖然提高填料含量在節能降耗、降低成本方面具有較大優勢，但還需要權衡加填量提高與造紙機濕部、成紙性能變化及固體廢棄物排放等之間所形成的矛盾。這也是開發高填料紙必須面對和思考的問題。

3.1 提高填料含量與成紙性能之間的矛盾

提高紙張中的填料含量通常可改善紙張光學性能、表面性能及印刷適性，但填料在粒徑與粒徑分布、微觀形貌、比表面積等物理性質方面的差異，對最終紙產品性能的影響也不盡相同。如偏三角面體的 PCC［4］和合成硅酸鈣［5-6］利于提高成紙松厚度和挺度，滑石粉可降低成紙的透氣度［7］等。此外，紙張的裂斷長、表面強度會隨著填料用量的提高而大幅降低，在高填料含量下尤其明顯。有時為了保證填料的高留著率而提高助留劑用量，易造成纖維-填料、填料-填料之間的過度絮聚，導致成紙勻度下降;另外，由于填料比表面積通常高于纖維，提高填料用量還需要考慮施膠障礙的問題。所以在提高填料用量的同時，如何減少填料對成紙性能的負面影響，尤其是對成紙強度性能的負面影響是制約高填料紙生產的主要瓶頸，也是開發高填料紙技術的關鍵之一。

3.2 提高填料含量與新增成本之間的矛盾

雖然用填料取代纖維可顯著降低成本，但為維持高填料紙的紙張強度，漿料的打漿度必定要高于常規漿料的打漿度。為保證填料的留著率，時常還需要采用質量和性能更好的化學品，甚至增加化學品的用量。這些新增成本與用填料替代部分纖維所造成的原料和能耗節約的成本需要進行權衡和評估，這也是開發高填料紙時應該重視的問題。

表2 應用FillerTEK技術進行填料處理前后加填紙性能對比［3］

3.3 提高填料含量 (加填量)與濕部化學控制之間的矛盾

在相同留著水平下，要增加紙張填料含量必然要提高加填量，但加填量的提高意味著更多的填料會流失到白水中。由于填料的比表面積通常比纖維大，所以更多的施膠劑和染料等化學助劑會被填料粒子優先吸附，即使是現有的留著水平 (60% ～70%)也會流失大量的化學品。這些化學品隨白水在造紙機濕部循環，導致白水負荷提高，產生濕部控制的問題。另外，白水負荷過大，白水處理也是需要關注的問題。因此，提高填料含量的關鍵在于提高填料的留著率，這不僅要通過優化助留體系來實現，而且可能還需要通過其他技術方法，如填料的預絮聚技術，改變填料的加填方式等進一步改善填料的留著，從而降低白水負荷，穩定造紙機濕部參數。

3.4 提高填料含量與造紙機運行性能之間的矛盾

在現有造紙機運行條件下，提高填料含量會造成紙幅濕強度降低，影響紙機的運行性能。過度增加紙張中填料含量，還可能會造成更多的填料粒子粘在壓榨部的毛毯上，增加毛毯的清洗難度，同時還有可能在烘缸處 (表面施膠前)出現掉粉問題。所以開發高填料紙時應充分考慮現有造紙機裝備水平，通過多方面技術創新來達到提高填料含量的目的。

3.5 提高填料含量與廢紙和損紙回用的矛盾

文化用紙填料含量的逐漸提高使得廢紙中填料含量也會相應地提高，而廢紙回用過程中涉及到碎漿、除渣、浮選等工藝流程，在此過程中填料以污泥的形式與其他雜質大量流失在廢紙制漿系統之外，增加工廠排污成本并給環境帶來壓力。在浮選流程中添加抑制劑雖可以減少填料的流失，但是在廢紙漿料中保留過多的填料又需要考慮廢紙漿的成紙性能、造紙機濕部控制與造紙機運行性能等問題。所以紙張填料含量的提升空間還需要依靠未來廢紙回用技術的進一步發展，滿足生產成本、環境壓力的要求。另一方面，高填料紙的生產可能還需要考慮造紙系統損紙的處理。損紙的處理通常還要經過碎漿、除渣等流程，此過程又會造成填料的損失，導致廢棄固體排放量的升高。從維持生產穩定性方面講，高填料紙的生產更需要注重造紙機的運行性能，否則上述問題可能會抑制填料含量的提高。

4 開發高填料紙需要轉變原有思路

在生產成本方面高填料紙具有較大優勢，但是，高填料紙的開發不應僅僅局限于以提高填料含量、降低生產成本為目的，而應該以改善成紙性能、增加紙品的功能性為主要目的。所以高填料紙的開發除了需要較好地權衡上述所提及的矛盾外，還應該對其重新認識與思考。

4.1 填料應由天然填料向工程填料轉變

這里所提及的天然填料是指通過開采天然礦藏并經機械加工所獲得的填料，如GCC、滑石粉、石膏、鈦白粉等。這類填料形態單一，生產成本較高，表面化學性質隨開采地的不同而變化等，導致其應用受到一定的限制。工程填料通常是指采用化學反應合成的具有可控形貌、粒徑與粒徑分布以及表面化學性質的一類填料，如PCC、合成硅酸鈣等。與天然填料相比，工程填料不僅可以實現改善成紙性能的目的，還能在造紙廠內獨立進行合成生產，既能降低生產成本，又能滿足成紙要求。另外，通過對傳統填料進行物理或化學改性，改變填料的物理和化學性質，從而減弱填料對成紙強度的負面影響，甚至使填料能與纖維產生結合 (即bonding filler)，這些都為提高紙張填料含量提供了條件。工程填料在填料物理化學性質的控制方面可操作性更強，國內外許多科研機構對此進行了大量研究，并取得了豐碩的成果［8-10］，這些都為高填料紙的開發提供了條件。

4.2 由單純制造高填料紙向制造功能紙轉變

研發高填料紙還要考慮到利用不同填料自身的特性，以開發出具有一定功能性的高填料紙，以滿足市場需求，提升紙品的利潤空間。如多孔硅酸鈣填料［11］在提高紙張松厚度方面具有明顯的優勢，與未加填紙張相比，使用多孔硅酸鈣作為填料，當填料用量為20%時，紙張的松厚度可提高50%以上，并且工廠中試表明，紙張中填料含量可以達到40%以上，這為高填料輕型紙的開發提供了新的技術方案。當然，許多填料本身還具有很多特殊的性質，如抗菌、除臭、保溫、隔熱等功能［12］，將這些能夠賦予紙張功能性的填料應用于高填料紙，開發出新型功能性紙基材料，具有更大的應用潛力。

4.3 提高加填技術的可操作性與適應性

由于填料的化學組成和物理性質 (粒徑與粒徑分布、比表面積、形貌等)不同，加填后其成紙性能存在很大差異，根據對成紙性能的影響程度來優選填料的種類和性質是開發高填料紙不可忽視的一部分。同時因為填料的性質不同，開發高填料紙時所采用的處理方式也存在差別。不同造紙廠選用填料也是根據填料成本以及對紙張性能的要求來選擇的，也許最佳填料對某些紙廠并非為最優選擇。所以還應嘗試從填料自身的特性出發，探索利用不同的高加填技術提高不同填料在紙張中的含量。

由于我國各個造紙廠的造紙機裝備水平、生產紙種不同，僅靠一套高填料紙技術 (方法)不可能解決和滿足所有紙廠的問題與需求。所以高填料紙的開發應考慮到實際應用過程的可操作性。高填料紙的應用還需依靠多種技術的創新和融合，這一方面需要對纖維-填料-聚合物的相互作用關系進一步加深理解，并通過改進現有方法來提高我國不同紙種填料用量水平，以提升我國紙品的競爭力。

5 結語

雖然以提高紙張中的填料含量來替代價格相對較高的植物纖維在紙張光學性能、表面性能、濕部濾水、節約蒸汽與電力方面具有一定優勢，但開發高填料紙還應該倡導以改善成紙性能，賦予紙張功能性為目的，從而提升產品競爭力。同時，紙張中填料含量的增加對今后廢紙回用技術也提出了更高的要求。提高紙張填料含量，應充分考慮紙種的使用要求、環境的承載能力以及企業的經濟效益，使技術與經濟、環境協調發展。

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