納米級(jí)硅鎂石微粒性能及其對(duì)紙料助留效果的研究

祖 彬夏新興胡 芳許 鳳趙 紅

(1.齊齊哈爾大學(xué),黑龍江齊齊哈爾,161006; 2.陜西科技大學(xué),陜西西安,710021)

·硅鎂石·

納米級(jí)硅鎂石微粒性能及其對(duì)紙料助留效果的研究

祖 彬1夏新興2胡 芳1許 鳳1趙 紅1

(1.齊齊哈爾大學(xué),黑龍江齊齊哈爾,161006; 2.陜西科技大學(xué),陜西西安,710021)

研究了陽離子硅鎂石微粒的性能和其作為助留劑的助留效果。研究發(fā)現(xiàn),硅鎂石微粒具有納米級(jí)的粒徑和較高的正電性,其正電性隨著pH值的增加逐漸降低;隨著研磨時(shí)間的延長(zhǎng),硅鎂石微粒的粒徑逐漸降低,但其正電性也隨著明顯降低。硅鎂石陽離子微粒單獨(dú)作為助留劑使用時(shí),具有一定的助留效果,但其用量大,且抗剪切性能差。硅鎂石微粒與陰離子聚丙烯酰胺(APAM)組成的雙元助留體系具有良好的助留效果,其中,未研磨的硅鎂石微粒/APAM組成的體系具有良好的抗剪切性能和pH值適應(yīng)性。因此,未研磨的硅鎂石微粒與APAM組成的助留體系是一種理想的助留體系。

陽離子硅鎂石微粒;正電性;研磨;助留

(＊E-mail:zubin0452@sina.com)

Abstract:The characteristic of nanometer cationic humitemicro-particle and its effect as a retention and drainage aidwere studied in thispaper.The results showed that the nanometer cationic humite micro-particle has high cationic Zeta potential.Its cationic Zeta potential increaseswhile pH value dropps,and decreaseswhile grinding time increases.The retention of the fillers and fines improves in certain degreewhen a large amount of nanometer cationic humite is added alone which is sensitive to shear.When nanometer cationic humite is used in cationic micro-particle/APAM retention aid system,it shows excellent retention effect;moreover,this retention system is insensitive to shear and pH,especially the ungrounded humite micro-particle hasmore excellent retention effect.Therefore,the retention aid system of ungrounded cationic humite micro-particle/APAM is an ideal retention aid system.

Key words:humite micro-particle;cationic;grinding;retention

隨著造紙技術(shù)的發(fā)展,濕部白水封閉循環(huán)程度越來越高,造紙濕部化學(xué)越來越受到造紙工作者的關(guān)注,尤其是作為濕部化學(xué)核心的助留助濾技術(shù),更受到造紙工作者的重視[1-2]。20世紀(jì)80年代末,由瑞典Eka Nobel Paper Chemicals公司開發(fā)的陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)/膨潤(rùn)土微粒助留助濾體系被認(rèn)為是造紙濕部化學(xué)的一場(chǎng)革命,該體系能顯著提高紙機(jī)車速,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本[3]。

本課題研究了一種由納米級(jí)陽離子硅鎂石微粒/陰離子聚丙烯酰胺(APAM)組成的微粒助留體系,以期開發(fā)出一種新型的微粒助留體系。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料

陽離子硅鎂石微粒:納米級(jí),取自浙江海山密封材料有限公司。針葉木、闊葉木化學(xué)漿:取自黑龍江斯達(dá)紙業(yè)有限公司。

1.2 藥品

CaCO3:填料級(jí),取自黑龍江斯達(dá)紙業(yè)有限公司。陰離子聚丙烯酰胺(APAM):取自黑龍江斯達(dá)紙業(yè)有限公司。

1.3 主要儀器

QM-3-A球磨機(jī),長(zhǎng)沙天創(chuàng)化工工貿(mào)有限公司生產(chǎn)。ZetasizerNano ZS Zeta電位及粒度檢測(cè)儀,英國(guó)Malvern Instruments公司制造。MT2110 DDJ動(dòng)態(tài)脫水儀,美國(guó)Paper Research Instruments公司制造。755B分光光度計(jì),杭州科曉化工儀器設(shè)備有限公司制造。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

把納米級(jí)陽離子硅鎂石用蒸餾水調(diào)制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%,裝入球磨機(jī)中,磨至設(shè)定的時(shí)間。然后,進(jìn)行紙漿中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。取CaCO3(用量為25%,對(duì)絕干漿質(zhì)量)的懸浮液,將其加入裝有2 g絕干化學(xué)漿[m(針葉木)∶m(闊葉木)=3∶7]的動(dòng)態(tài)濾水儀中,再加入助留劑,混合1 min,收集初始濾液100 mL,用分光光度計(jì)測(cè)定其濁度。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅鎂石微?；拘阅?/p>

實(shí)驗(yàn)用硅鎂石微粒為蛇紋石類硅鎂石,分子式為Mg6[Si4O10](OH)8[4],是由硅氧(SiO2)四面體和氫氧化鎂[Mg(OH)2]八面體組成的雙層型結(jié)構(gòu)的三八面體硅酸鹽礦物,在其晶體結(jié)構(gòu)中,硅氧四面體片在二維方向上無限延展,其八面體片中的Mg—OH鍵為離子鍵。硅氧四面體片與八面體片之間以離子鍵連接,形成1∶1型結(jié)構(gòu)層,在層的二維延展方向上具有共價(jià)鍵和離子鍵,結(jié)構(gòu)層之間僅靠分子鍵——范德華力連接。硅鎂石中常含有FeO、Fe2O3、Al2O3、CaO、MnO2、Cr2O3等雜質(zhì),這些雜質(zhì)有些直接進(jìn)入晶格,取代結(jié)構(gòu)中的部分Mg,形成類質(zhì)同相混合物,有些是機(jī)械混合物,分布于蛇紋石中,從而使蛇紋石帶正電性[4]。

圖1、圖2為未經(jīng)研磨的硅鎂石微粒的帶電情況。由圖1、圖2可見,當(dāng)pH值為7.0左右時(shí),硅鎂石微粒的Zeta電位約為+50 mV,電荷密度約為+0.16 mmol/g,因此,硅鎂石微粒具有高的Zeta電位和電荷密度,即硅鎂石微粒具有高的正電性,并且隨著pH值降低,Zeta電位和電荷密度顯著增加。

圖3為硅鎂石微粒經(jīng)濕法研磨后的粒徑變化情況。由圖3可見,未研磨時(shí),硅鎂石微粒的平均粒徑為52 nm,隨著研磨時(shí)間增加,硅鎂石微粒的平均粒徑逐漸減小,但在約3 h后,減小幅度趨緩,磨至8 h后,其平均粒徑為19 nm。

圖4為研磨過程硅鎂石微粒的Zeta電位變化情況。由圖4可見,未研磨時(shí),硅鎂石微粒的Zeta電位較高,但是,隨著研磨的進(jìn)行,Zeta電位顯著降低,尤其是在研磨8 h左右時(shí),降低幅度更加明顯?？赡苁怯捎诠桄V石微粒中使微粒帶正電性的離子,如Fe3+、Fe2+、Al3+、Cr3+等,在未研磨時(shí)這些離子被包裹在微粒中,而在研磨過程中,隨著微粒的進(jìn)一步細(xì)化,這些物質(zhì)不斷從微粒中溶出,因此,使微粒的Zeta電位不斷下降。

2.2 硅鎂石陽離子微粒單元助留體系

圖5為硅鎂石陽離子微粒單元體系對(duì)紙料的助留效果。由圖5可見,對(duì)于硅鎂石微粒單元助留體系,未研磨及各種研磨情況下,濾液濁度隨著硅鎂石微粒用量增加而逐漸降低,證明硅鎂石微粒單元助留體系對(duì)細(xì)小纖維、CaCO3具有一定的助留效果。這是由于硅鎂石微粒帶正電性,對(duì)負(fù)電性的細(xì)小纖維和CaCO3具有靜電吸附作用,因此,產(chǎn)生了助留效果。但是,由圖5可見,在硅鎂石用量小于20%(對(duì)CaCO3質(zhì)量)之前,濁度下降幅度不大,當(dāng)硅鎂石用量在20%～50%時(shí),濁度有較大幅度下降,說明對(duì)于硅鎂石微粒單元體系,需要加入大量硅鎂石微粒才有良好的助留效果。且研磨與未研磨的硅鎂石微粒助留效果相差不大,未研磨的相對(duì)來說較好,其原因可能是,未研磨時(shí),硅鎂石微粒具有較高的正電性,隨著研磨時(shí)間延長(zhǎng),正電性逐漸下降(見圖4)。因此,雖然隨著研磨時(shí)間延長(zhǎng),微粒粒度下降,但由于微粒的正電性降低顯著,降低了其對(duì)負(fù)電性細(xì)小纖維及CaCO3的吸附能力,因此,影響了助留效果。加。因此,硅鎂石微粒單元助留體系助留效果及抗剪切性能都較差,不是一種理想的助留體系。

圖6 剪切速率對(duì)濁度的影響

2.3 APAM單元助留體系

圖7是APAM單元助留體系對(duì)紙料的助留效果情況。由圖7可見,隨著APAM用量(對(duì)紙漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù))的增加,濁度逐漸變大,說明隨著APAM用量的增加,其助留效果反而呈下降趨勢(shì)。這是由于纖維、填料CaCO3都呈弱負(fù)電性,APAM呈較強(qiáng)的負(fù)電性。因此,隨著APAM的加入,加強(qiáng)了紙料懸浮液的負(fù)電性,使懸浮液體系中CaCO3粒子間相互排斥力增大,使CaCO3粒子更加趨于分散,從而使?jié)岫壬仙?助留效果下降。由此可見,由于APAM帶負(fù)電性,對(duì)纖維、填料CaCO3不僅沒有助留效果,反而起到分散的作用。

圖5 硅鎂石用量對(duì)濁度的影響

圖6為硅鎂石微粒單元助留體系抗剪切能力情況。由圖6可見,隨著剪切速率的提高,未研磨和各種研磨情況下,濾液的濁度都迅速增加,證明硅鎂石單元助留體系抗剪切能力很差。這是由于硅鎂石微粒與細(xì)小纖維及CaCO3形成的靜電吸附力很弱,其產(chǎn)生的絮聚團(tuán)很容易被剪切破壞,從而使?jié)岫妊杆僭?/p>

圖7 APAM用量對(duì)濁度的影響

2.4 硅鎂石陽離子微粒/APAM雙元助留體系

圖8為陽離子硅鎂石微粒與APAM配合使用對(duì)紙料的助留效果,其中APAM的用量為0.5%(對(duì)CaCO3質(zhì)量)。由圖8可見,研磨與未研磨的硅鎂石與APAM配合使用,都使濾液的濁度顯著降低,說明陽離子硅鎂石微粒與APAM具有良好的協(xié)同作用,產(chǎn)生良好的助留效果,當(dāng)硅鎂石微粒用量為2%時(shí),濁度就已達(dá)到很低的值。由此可見,硅鎂石微粒/ APAM雙元助留體系具有良好的助留效果。

圖8 硅鎂石用量對(duì)硅鎂石/APAM體系濁度的影響

圖9為硅鎂石微粒/APAM雙元助留體系的抗剪切性能情況,其中硅鎂石用量為5%,APAM用量為0.5%(均對(duì)CaCO3質(zhì)量)。由圖9可見,研磨2 h與8 h的硅鎂石微?？辜羟行阅茌^弱,其他的硅鎂石微粒/APAM雙元體系具有良好的抗剪切性能,其中,未研磨的硅鎂石微粒/APAM雙元體系具有最好的抗剪切性能。這可能是由于硅鎂石未研磨時(shí)具有最高的正電性,其與負(fù)電性的APAM具有最好的協(xié)同作用,形成的絮聚團(tuán)最牢固,因此,具有最好的抗剪切性能。

圖9 剪切速率對(duì)硅鎂石/APAM體系濁度的影響

圖10為硅鎂石用量5%、APAM用量0.5%(對(duì)CaCO3質(zhì)量)時(shí)的pH值對(duì)助留效果的影響。由圖10可見,隨著紙料pH值降低,濾液的濁度逐漸下降,說明隨著pH值降低,該助留體系的助留效果逐漸變好。這是由于隨著pH值下降,硅鎂石微粒的正電性逐漸增加,從而使助留效果逐漸變好。由圖10可見, pH值在6.0～8.5之間,濾液的濁度值都較低,證明pH值在6.0～8.5之間,該體系都有良好的助留效果,說明該助留體系在造紙濕部正常pH值范圍內(nèi)都有良好的助留效果。

圖10 pH值對(duì)硅鎂石微粒/APAM體系的影響

由此可見,研磨與未研磨的硅鎂石微粒/APAM組成的雙元助留體系都具有良好的助留效果,其中,未研磨的硅鎂石微粒/APAM組成的體系具有最好的抗剪切性能,同時(shí),也有良好的pH值適應(yīng)性。因此,未研磨的硅鎂石微粒/APAM體系是一種理想的助留體系。

3 結(jié) 論

3.1 硅鎂石微粒具有納米級(jí)的粒徑和高的正電性,其正電性隨著pH值增加逐漸降低。

3.2 隨著研磨時(shí)間增加,硅鎂石微粒粒徑逐漸降低,正電性也隨著逐漸降低。

3.3 硅鎂石陽離子微粒單獨(dú)作為助留劑使用時(shí),具有一定的助留效果,但其用量大且效果一般,并且抗剪切性能差,不是一種理想的助留體系。

3.4 硅鎂石微粒與APAM組成的雙元助留體系具有良好的助留效果,其中,未研磨的硅鎂石微粒/ APAM組成的體系具有良好的抗剪切性能和pH值適應(yīng)性。因此,未研磨的硅鎂石微粒與APAM組成的助留體系是一種理想的助留體系。

[1] Ovenden Cherie,Xiao Hui ning,W iseman Nicholas.Retention aid systems of cationic micro-particles and anionic polymer:experiments and pilotmachine trials[J].Tappi Journal,2000,83(3):80.

[2] 劉 娜,劉溫霞.CPAM/膨潤(rùn)土助留體系中改性膨潤(rùn)土的研究[J].紙和造紙,2005,2:64.

[3] 劉軍鈦.抄紙化學(xué)品的理論與實(shí)踐[J].紙和造紙,2000,6:5.

[4] 吳良士,白 鴿,袁忠信.礦產(chǎn)原料手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

(責(zé)任編輯:郭彩云)

Characteristic of Cation ic Hum iteM icro-particle and Its Effect as Retention A id

ZU Bin1,＊X IA Xin-xing2HU Fang1XU Feng1ZHAO Hong1

(1.Q iqiharUniversity,Q iqihar,Heilongjiang Province,161006; 2.ShaanxiUniversity of Science&Technology,Xi'an,Shaanxi Province,710021)

祖 彬先生,教授;主要研究方向:制漿造紙工藝、制漿造紙環(huán)保綜合利用。

TS727+.2

A

0254-508X(2010)04-0032-04

2009-12-07(修改稿)

本課題為黑龍江科技廳資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):GC05A421)。