探討硅灰石在造紙行業的應用

蒲文娟

摘 要：硅灰石是一種鏈狀偏硅酸鹽，呈纖維狀、針狀，礦物纖維的形態介于植物纖維與傳統填料碳酸鈣之間，相當于細小植物纖維。硅灰石有很高的白度，較好的熱穩定性和化學穩定性。硅灰石在造紙中的添加，不僅可以起到傳統造紙填料的作用——節約植物纖維原料，還可以在一定程度上提高紙頁的不透明度、遮蓋力等光學性能，當部分代替植物纖維時，硅灰石與植物纖維交織成“植物纖維-硅灰石網狀”結構，還可在紙張允許的范圍內適當改善其物理強度指標。該文主要探討硅灰石在造紙行業的應用。

關鍵詞：硅灰石 造紙 填料

中圖分類號：P619 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（a）-0095-02

全球造紙用木材資源匱乏日趨嚴重，填料的加入能夠降低紙張的制造成本，同時還可賦予紙張不透明度和印刷適印性等一些特殊的性能，所以，造紙用填料越來越受到人們的重視。在過去十幾年的時間里，大多數紙張的填料含量是10%～20%，要想提高到20%～30%，似技術上的主要困難是：目前填料和淀粉的留著率很難達到較高的水平；即使達到較高的保留水平，對紙張的性質如強度、松厚度等均有負面的影響[1]。因此，開發新型的具有纖維結構的物質作為紙漿纖維的替代品，是一項符合國家產業政策、利國利民的新型產業。

1 硅灰石的簡介

硅灰石是一種鈣質偏硅酸鹽礦物，化學分子式為CaSiO3，結構式為Ca3[Si3O9]，理論化學成分： SiO2含量40%～50%，CaO含量45%～50%，Al2O3含量2%～5%，MgO含量2%～5%。自然界中純硅灰石罕見，在其形成過程中，Ca有時被Fe、Mn、Ti、Sr等離子部分置換而呈類質同象體并混有少量的Al和微量K、Na。硅灰石形成時的溫度、壓力等條件不同，分為低溫的三斜晶系變體、低溫的單斜變體和高溫的三斜變體。硅灰石分為α晶型和β晶型，其中α晶型通常為粒狀和粉狀，而β晶型為針狀、纖維狀[2]。自然界產出的硅灰石一般為β型，呈纖維狀、針狀或放射狀集合體。

2 硅灰石的改性技術

雖然硅灰石的添加可以賦予紙張特殊性能，但是由于硅灰石本身纖維較短、柔軟性差、脆性大，其表面極性基團少，與植物纖維的交織作用不強[3]。試圖通過增加硅灰石添加量來降低植物纖維原料的用量時反而會影響成紙強度，表面改性技術在一定程度上可以彌補這種缺陷。硅灰石改性技術可采用物理法、化學法、機械力化學改性。

2.1 化學法

化學法通過在礦纖顆粒表面引入電解質或表面活性劑而達到改性的目的。表面活性劑分子大多是有機化合物，具有不對稱的分子結構，由親水和疏水兩部分基團所組成。表面活性劑的加入可與礦纖表面發生物理吸附，礦纖粒子表面某些功能基的電離、溶解于水中的微量離子的吸附或者與水分子形成氫鍵。結果，表面活性劑在礦纖和纖維素纖維之間架起了一座“分子橋”，將極性不同、相容性很差的兩種物質偶聯起來，從而增加了纖維與填料之間的相互作用，改善了紙品性能。同時，因為表面活性劑的加入使得礦纖顆粒表面的某種電荷將出現不平衡，產生了電位差，礦纖、纖維素纖維和其他填料等在碰撞時發生凝聚。這樣在助留劑的作用下，加劇凝結和附聚程度，從而使礦纖大量附著在植物纖維表面，增加了填料留著率[4]。

2.2 物理法

物理法是指不用表面改性劑而對礦纖顆粒表面實施表面改性的方法，其中包括涂覆改性和高能表面改性等。涂覆改性是利用有機物或無機物包覆于表面以達到改性的方法。高能表面改性是利用紅外線、紫外線、電暈放電、等離子體照射和超聲波等技術進行表面改性的方法。高能表面改性工藝較復雜、成本高，現階段只作為研究方向并未實現工業化。

3 硅灰石在造紙工業中的應用

硅灰石不同于傳統的填料，它加填于紙張中并不是簡單的填充，而是憑借其高長徑比與植物纖維交織在一起，構成“植物纖維-礦物-纖維”網狀結構，從而部分替代植物短纖維。

3.1 作為填料

福建南紙的鄭飛[5]利用南紙PM2新聞紙機100%脫墨漿（漿中已添加淀粉、定著劑、硫酸鋁等）在實驗室加填一定量的硅灰石，而后加入一定量的CPAM，攪拌之后抄片并分析添加硅灰石對成紙性能的影響。實驗表明，新聞紙中添加硅灰石能有效降低白水中的COD含量，節約纖維，降低成本，有較好的經濟效益，美中不足的是成紙的表面強度有輕微下降[5]。

佛山華豐紙業的周銳[6]將1250目的硅灰石添加進面漿中（100%NBKP），然后按順序加入AKD施膠劑和PAM助留助濾劑之后抄片。實驗表明，在硅灰石添加量為5%～8%時，對抗張指數、撕裂指數、耐折度的影響并不明顯，但是紙張的不透明度有一定程度的提高，達到了提高遮蓋力的目的。

天津商業大學的郭玉花等[7]將硅灰石添加到廢瓦楞紙漿中抄片，對手抄片的物理性能、力學性能進行測試。研究發現，隨著硅灰石加入量的不斷增加，成紙緊度先上升后下降，在10%處達到最高點；透氣度先下降后上升，在10%處最低；且在加入量為10 %處，成紙的伸長率、撕裂指數、環壓指數均有不同程度的提高。

江西省輕工業研究所雷建民等人[8]利用造紙企業現有的造紙工藝流程及設備，在不改變原工藝技術條件的情況下，對新聞紙進行改性硅灰石加填實驗。實驗結果顯示，除白度、不透明度有所提高之外，紙頁的表面平整程度與勻度均得到了很大改善。而未添加改性硅灰石的新聞紙平滑度為42s，再依次填加8%、15%、20%的改性硅灰石后，新聞紙的平滑度分別提高了9.5%、33.3%和52.4%；由此也反映出改性硅灰石對新聞紙的適印性也具有很好的改善作用。

3.2 部分替代植物纖維

東北林業大學的劉焱等[9]利用硅灰石替代部分木漿（本色硫酸鹽落葉松漿）造紙。實驗表明，隨著硅灰石加入量的不斷增加，成紙的物理強度隨之下降，但在加入量為35%時，成紙強度依然可以滿足一般包裝紙的要求。

河北省地勘局的劉淑鵬等[10]將硅灰石與植物纖維復合造紙。通過實驗，硅灰石的加入量高達30%～40%，此時紙樣的耐折度、撕裂指數等均與添加20%的碳酸鈣填料的紙樣相當，這就有效地節約了植物纖維的用量，減少了森林的砍伐，維護了生態平衡。

4 其他用途

中國制漿造紙研究院的孫德文等[11]將硅灰石與其他礦物粉體水處理劑作對比，對其用于再生紙板廠造紙廢水處理做了探索性研究。研究表明，經硅灰石處理后的凈化水，其色度、濁度指標均比其他商品礦物有明顯優勢。硅灰石獨特的多孔結構對廢水中的微細纖維以及染色劑等有極強的吸附作用，因此凈化效果明顯。

北京林業大學的戴林等[12]以苯乙烯為引發劑，丙烯酸丁酯為單體，OP-10為乳化劑，過硫酸銨為引發劑，加入納米硅灰石粉體，采用乳液聚合的方法制備出苯丙乳液表面施膠劑并對施膠紙張的印刷性能做了研究。研究表明，隨著納米硅灰石粉體用量的增大，Zeta電位先增大后減小，施膠之后，紙張白度升高，不透明度降低，色密度升高。表面施膠彌補了非木材纖維造紙的不足，賦予紙張優良的印刷適性，符合國際發展的大趨勢。

青島科技大學常建棟以硅灰石取代部分表面施膠淀粉用于瓦楞紙的表面施膠并對施膠后的瓦楞紙環壓、抗張等強度指標進行對比。由于硅灰石的加入也會使抗水性有一定程度的降低，故導致瓦楞紙表面施膠后抗水性急劇下降。因此常建棟又用實驗室自制AKD施膠乳液與淀粉-硅灰石糊化液按一定比例混合來提高施膠后瓦楞紙的抗水性。改用淀粉替代劑取代一部分淀粉，瓦楞紙的抗水性能也有較好的提高。這樣不僅可以在不添加AKD的情況下解決紙張的抗水問題，而且一定程度上節約了淀粉，降低了成本。

總之，對硅灰石等礦物纖維的研究和利用是極其重要的，硅灰石在造紙方面的應用還有很多待開發空間需要繼續深入研究，以改善成紙性能和印刷性能并賦予成紙一些特殊的功能性，同時可以降低生產成本等。

參考文獻

[1] 聶永俊.礦物復合纖維在造紙中的應用研究[D].南京：南京林業大學，2005.

[2] 劉焱，于鋼.造紙用硅灰石的應用研究現狀與發展前景[J].造紙科學與技術，2008，27（4）：45-48.

[3] Gou ZG，Chang J.Synthesisand in vitrobio activity of dicalciumsilicate pow ders[J].Journal of the European Ceramic Society，2004（24）：93-99.

[4] 常建棟.硅灰石的改性及其在造紙工業中的應用[D].青島科技大學，2014.

[5] 鄭飛.新聞紙礦物纖維加填研究和應用[J].造紙科學與技術，2006，25（5）：50-53.

[6] 周銳.礦物纖維在涂布白紙板面漿加填中的應用實踐[J].造紙科學與技術，2007，26（6）：56-58.

[7] 郭玉花，計宏偉，滕立軍，等.礦物纖維與廢瓦楞紙箱漿配抄手抄片的性能[J].紙和造紙，2011，30（1）：26-28.

[8] 雷建民，劉文靜，王建.纖維狀礦物在造紙生產中的應用試驗[J].紙和造紙，2006（25）：38-39.

[9] 劉焱，于鋼.硅灰石替代部分木漿的研究[J].造紙化學品，2009，21（6）：12-15.

[10] 劉淑鵬，張小偉，李玉寶.硅灰石與植物纖維復合造紙研究[J].礦產保護與利用，2010（6）：16-20.

[11] 孫德文，宋寶祥，王成海.合成硅酸鈣特性及其在造紙廢水處理中的應用[J].紙和造紙，2011，30（6）：52-54.

[12] 戴林，曾威.納米填料在表面施膠劑中的應用[J].紙和造紙，2011，30（11）：27-29.