微硅矿物粉性能分析及用做造纸填料的可行性研究

Property Analysis of Microsilicon Mineral Powder and Feasibility Study of Its Use as Paper Filler

刘建安¹ 董晓斌¹ 樊慧明¹ 齐亚楠¹ 高达¹

陈世盛²

(1、华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640；

2、广东利盈投资集团有限公司有限公司，广东清远，511600)

摘要：微硅矿物粉是一种新型的无机材料。本文分析了微硅矿物粉的基本性能，对比GCC和滑石粉，初步研究了微硅矿物粉加填对纸页性能的影响。结果表明微硅矿物粉具有做为造纸填料的基本性能，其对纸张性能的影响与GCC类似，但由于其白度低，适合于抄造白度要求不高的纸种。

关键词：微硅矿物粉；填料；纸页性能

Abstract: Microsilicon mineral powder is a new inorganic material. The paper analyzed basic properties of microsilicon mineral powder. Compared with GCC and talc, the effect of microsilicon mineral powder on the properties of paper was studied preliminarily. The results showed that the microsilicon mineral powder had the basic properties as the filler for papermaking. Its effect on the properties of paper is similar to that of GCC. However, because of its low whiteness, it is more suitable for paper species with low whiteness requirements.

Key words：Microsilica mineral powder; Filler; Paper propersity

填料是纸张中的第二大组分^[1]，加填可以改善纸页的光学性质和印刷适性，满足纸张某些特殊性能的要求；另一方面，填料的相对密度较大，价格便宜，在纸中可以代替部分纤维，从而可以节省纤维原料，降低生产成本。

微硅矿物粉是研发出来的一种新材料，本文通过分析微硅矿物粉的基本性能及初步的加填结果，研究其做造纸填料的可行性。

1、实验

1.1实验原料

微硅矿物粉：广东盖特奇新材料科技有限公司

漂白针叶浆板：取自广州造纸有限公司

阳离子聚丙烯酰胺：分析纯，天津市科密化学试剂有限公司

聚丙烯酰胺：分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司

瓜尔胶：工业纯，取自牡丹江恒丰纸业有限公司

重质碳酸钙（GCC）、滑石粉：取自广东亚太森博浆纸有限公司

1.2实验仪器

打浆机（PL4-2 中国咸阳）；纸页手抄机（MESSMER 255 美国）；抗张强度仪（L&W CE062 瑞典L&W公司）；L&W耐破度测定仪（L&W CE180瑞典L&W公司）；L&W撕裂度仪（L&W 009 瑞典L&W公司）；耐折度仪（MIT/U21B 美国）；L&W白度仪（Elrepho 070 瑞典L&W公司）；尘埃匀度仪（2D LAB F/SENSOR 德国）；L&W纸张表面粗糙度仪（L&W CE165 瑞典L&W公司）；L&W厚度仪（L&W250 瑞典L&W公司）；可勃吸水性测试仪（ZB-Cobb125 杭州）；SZP 06流动电位法ZETA电位仪（SZP-06 德国）；粒度分析仪 (Malvern Master sizer 3000 英国）；扫描电镜（ZEISS EVO 18 德国）

1.3 实验方案

1.3.1 基本性能测试

分别对微硅矿物粉进行白度、密度、烧失量、粒径分布、晶体结构、孔隙率、Zeta电位等基本性能进行测试。

1.3.2 加填性能测试

微硅矿物粉加填性能试验方案如表1所示。

表1 加填性能试验方案

将漂白针叶木商品浆板用打浆机打浆至43⁰SR，然后稀释，依次加入施胶剂、增强剂、填料和助留剂，在抄片器上抄出所需要的纸样。

对抄造的纸样按标准测试方法分别检测其抗张强度、撕裂强度、耐破度、耐折度、白度、表面粗糙度和表面强度（以拉毛速度表示）。

2、结果与讨论

2.1 微硅矿物粉基本性能

微硅矿物粉基本性能检测结果如表2和图1、图2所示。

表2 微硅矿物粉基本性能检测结果

图1 X射线多晶衍射仪分析结果

图2 ZEISS扫描电镜图

从上述的结果可以看出，微硅矿物粉晶相中确定存在石英相SiO₂（FOM=0.8），可能存在莫来石相Al₂O₃-SiO₂（FOM=17）和硅线石Al2[SiO4]O相（FOM=16.8）。常见的滑石粉和高岭土等填料均含有一定量的上述晶相^[2]。

通过ZEISS扫描电镜检测，可以明显观测到颗粒表面不光滑，吸附小型颗粒，这种形态加填在纸张中更有利于这种填料与纤维之间的结合。

微硅矿物粉在580°C马弗炉中4小时，烧失量低于1%，显然在纸张的生产条件下不会分解，同时在纸张灰分测定过程中基本不影响测量值。

2.2 与造纸常用填料性能对比

微硅矿物粉和造纸常用填料性能对比如表3所示。

表3 微硅矿物粉和造纸常用填料性能对比

说明：

（1）白度是干粉状态下的白度；

（2）Zeta 电位，电导率，pH三项指标在各种填料20%固含量的悬浮液中测量，纤维0.5%浓度下测量。

从表3中可以看出，微硅矿物粉除了白度较低以外，折射率、密度、pH、吸油值（%）等指标均与GCC和滑石粉近似，Zeta电位较高，有利于填料悬浮液中颗粒的分散和输送^[3]。

2.3 加填性能

2.3.1 强度性能

微硅矿物粉与GCC、滑石粉加填对纸张强度性能的影响如图2~图5所示。

图2 不同填料对纸张抗张强度的影响图3 不同填料对纸张撕裂强度的影响

图4不同填料对纸张耐破强度的影响图5 不同填料种类对纸张耐折度的影响

从图2至图5可以得知，微硅矿物粉加填对纸张强度的影响与常用填料GCC和滑石粉较为接近，没有明显的差别。随着加填量的增加，纸张的强度性能均呈现下降趋势。

2.3.2 印刷性能

微硅矿物粉与GCC、滑石粉加填对纸张印刷性能的影响如图6~图8所示。

图6不同填料对纸张白度的影响图7 不同填料对纸张表面粗糙度的影响

（样品灰分约20%，使用高浓油墨，其中最大拉毛速度2m/s，拉力700N，单位：m/s）

图8 不同填料对纸张表面强度的影响

从图7、图8可以看出，微硅矿物粉对纸张表面粗糙度的影响好于GCC和滑石粉，但对于纸张表面强度的影响不如滑石粉，与GCC差不多。

结论

1、微硅矿物粉其元素组成、晶相结构、密度、折射率等与常见的造纸填料类似，具有做为造纸填料的基本性能。

2、以针叶木浆为原料，所做的加填对比实验表明，所做的加填料对比实验表明，新型微硅矿物粉对纸张撕裂强度的影响类似碳酸钙，优于滑石粉，低灰分条件下，对耐折度的影响优于滑石粉喝碳酸钙，对其它的强度性能的影响与滑石粉喝碳酸钙接近，从印刷性能的角度来看，微硅矿物粉对纸张表面粗糙的影响好于GCC喝滑石粉，但对于纸张表面的强度的影响不如滑石粉，与GCC差不多，微硅矿物粉对于纸张的强度性能、印刷性能的影响与造纸常用填料GCC和滑石粉接近，可以代替GCC等填料用于造纸加填中。

3、微硅矿物粉的白度为79%ISO，明显低于常用造纸填料，因此微硅矿物粉更适合用于对于白度没有要求或要求比较低的纸种，如包装纸、砂管纸和新闻纸等。

参考文献

[1] 何北海. 造纸原理与工程[M]. 中国轻工业出版社, 2010.

[2] 余开明, 江超, 余少华. 氧化铝泡沫多孔陶瓷的制备[J]. 中国陶瓷, 2014(2):51-53.

[3] 周景辉. 纸张结构与印刷适性[M]. 中国轻工业出版社, 2013.