改善碳酸鈣高加填紙張強(qiáng)度性能的碳酸鈣表面處理助劑

盡管社會(huì)正在向無(wú)紙化發(fā)展，但印刷紙、信息用紙作為信息媒質(zhì)仍然扮演著重要作用。通常作為造紙?zhí)盍系臒o(wú)機(jī)顆粒如滑石粉、碳酸鈣等常常被用于印刷和信息用紙以改善印刷性能和光學(xué)性能，特別是碳酸鈣，以其優(yōu)良的性能和高性價(jià)比被廣泛使用。但是隨著紙張中碳酸鈣用量的增加，紙張強(qiáng)度損失問(wèn)題變得很?chē)?yán)重。為了解決這一問(wèn)題，日本研發(fā)了“碳酸鈣表面處理助劑”——一種采用新材料并結(jié)合聚合技術(shù)的創(chuàng)新型濕部化學(xué)品——能改善因碳酸鈣高比例加填引起的紙張強(qiáng)度損失。該文介紹了該碳酸鈣表面處理助劑及其在紙機(jī)上的試用結(jié)果。

1 序言

造紙產(chǎn)業(yè)是以用“自然恩賜”的木材制成的木漿為原料，制漿時(shí)以產(chǎn)生的副產(chǎn)品作為生物能源加以利用以及以廢紙為原料再使用的環(huán)境保護(hù)型產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)，從環(huán)境保護(hù)和節(jié)約資源的角度出發(fā)，為降低紙漿用量和削減物流成本，紙張低定量化的要求相當(dāng)迫切。作為紙張低定量化的手段之一，為提高紙張白度、不透明度和印刷適應(yīng)性，正在逐漸增加作為填料的無(wú)機(jī)顆粒（滑石粉，高嶺土，碳酸鈣等）的使用比例，即高灰分化。其中，碳酸鈣作為各種涂布顏料和填料不僅在造紙，而且在涂料、橡膠、食品等行業(yè)使用，使用比例呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)。

圖1和圖2分別顯示了自2000年以來(lái)各種涂布顏料和填料使用比例的變化趨勢(shì)和紙張產(chǎn)量和輕質(zhì)碳酸鈣用量[包括紙廠外購(gòu)（漿內(nèi)添加用）和自制的量]的變化趨勢(shì)。強(qiáng)調(diào)了以下3點(diǎn)。

圖1 各種涂布顏料和填料的使用比例

圖2 紙張產(chǎn)量和輕質(zhì)碳酸鈣用量的變化趨勢(shì)

由圖1和圖2可見(jiàn)，雖然紙的產(chǎn)量隨著電子媒體的發(fā)展而下降，但是輕質(zhì)碳酸鈣的用量則呈現(xiàn)了逐年增加的趨勢(shì)。

與滑石粉及高嶺土這些填料相比，造紙中碳酸鈣使用比例的增加，存在著施膠效果變得比較難以發(fā)揮及紙張干強(qiáng)度下降這些問(wèn)題。為了維持紙張強(qiáng)度，已經(jīng)使用了淀粉和聚丙烯酰胺（PAM）等干強(qiáng)劑，但是為了彌補(bǔ)因使用較多填料造成的紙張強(qiáng)度損失，就必須大幅度增加這些干強(qiáng)劑的使用量。

為此，日本某公司對(duì)有效利用碳酸鈣的技術(shù)進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)了能改變碳酸鈣粒子表面性質(zhì)的化學(xué)品——碳酸鈣表面處理助劑。碳酸鈣表面處理助劑的成功研發(fā)是該公司采用新材料并融合了多年培育的聚丙烯酰胺（PAM）干強(qiáng)劑合成技術(shù)的結(jié)果。經(jīng)使用，可以確認(rèn)碳酸鈣表面處理助劑對(duì)于因加填碳酸鈣、紙張灰分增加而受損的紙張強(qiáng)度和灰分留著率能夠發(fā)揮很大的改善效果。

本文將結(jié)合紙機(jī)實(shí)際應(yīng)用結(jié)果介紹該碳酸鈣表面處理助劑的特征及為提高紙張灰分使用該表面處理助劑的使用方案。

2 紙張強(qiáng)度的產(chǎn)生及碳酸鈣表面處理助劑的開(kāi)發(fā)理念

碳酸鈣用量的增加將減少紙張中紙漿纖維間的結(jié)合點(diǎn)，增加紙的總表面積，特別是在單程留著率較低的抄造系統(tǒng)中，由于碳酸鈣與漿內(nèi)添加化學(xué)品之間的相互作用，化學(xué)品的留著率和均一分布受到損失，導(dǎo)致了紙張強(qiáng)度以及施膠效果的下降。在這種情況下，常?？梢酝ㄟ^(guò)使用表面施膠劑提高其施膠效果，但要減少紙張內(nèi)部強(qiáng)度的損失則必須大幅度增加干強(qiáng)劑的用量。

圖3顯示了使用碳酸鈣表面處理助劑對(duì)紙張強(qiáng)度的影響。

由圖3可見(jiàn)：加填30%碳酸鈣的紙張與加填15%碳酸鈣的紙張相比，其紙張強(qiáng)度通常下降三成左右；當(dāng)使用碳酸鈣表面處理助劑并加填30%碳酸鈣時(shí)，其紙張強(qiáng)度能夠維持與只加填15%碳酸鈣的紙張同等強(qiáng)度。

上述結(jié)果是碳酸鈣表面處理助劑“抑制”了紙張強(qiáng)度隨碳酸鈣用量增加而下降，并以此作為開(kāi)發(fā)碳酸鈣表面處理助劑的理念。

表1是1～6號(hào)試樣手抄紙的制作條件。

有關(guān)碳酸鈣表面處理助劑的開(kāi)發(fā)方面的問(wèn)題，

圖3 使用碳酸鈣表面處理劑對(duì)紙張強(qiáng)度的影響

表1 手抄紙的制作條件 w/%

首先，通過(guò)碳酸鈣表面處理助劑與碳酸鈣的相互作用，使碳酸鈣粒子凝聚形成二次粒子。這樣使碳酸鈣表面積變小，減少碳酸鈣與紙漿的接觸面積。這樣可以抑制伴隨紙漿纖維間結(jié)合點(diǎn)減少帶來(lái)的紙張強(qiáng)度的下降。其模型圖如圖4所示。

圖4 使用碳酸鈣表面處理助劑后碳酸鈣粒子凝聚形成二次粒子

第2，作為碳酸鈣表面處理助劑的原料，選擇了對(duì)紙漿具有高親和性的材料。這樣借助碳酸鈣表面處理助劑能提高碳酸鈣與紙漿的結(jié)合力。

另外，碳酸鈣無(wú)論是從市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的還是各紙廠自己生產(chǎn)的，都具有不同的結(jié)構(gòu)與表面特性。為了對(duì)各種碳酸鈣發(fā)揮穩(wěn)定效果，單一原材料及離子性的處理劑是不夠的。為此，作為第3點(diǎn)，為了能夠容易取得電荷平衡，擴(kuò)大處理濃度范圍，采用了PAM類共聚體和由新材料構(gòu)成的兩性復(fù)合聚丙烯酰胺類共聚體。

開(kāi)發(fā)成功的碳酸鈣表面處理助劑，其不同電荷特性和構(gòu)造的聚合物通過(guò)形成聚離子復(fù)合體，發(fā)揮對(duì)碳酸鈣適度的凝聚效果和對(duì)紙漿纖維的高度親和性；并且己確認(rèn)在含有已處理的碳酸鈣紙漿中添加PAM類干強(qiáng)劑的情況下，也能高效地發(fā)揮其效果，同時(shí)也不會(huì)影響這些化學(xué)品的效果。

3 碳酸鈣表面處理助劑的使用效果

為了確認(rèn)開(kāi)發(fā)的碳酸鈣表面處理助劑的使用效果，進(jìn)行如下試驗(yàn)。

在碳酸鈣泥漿中添加碳酸鈣表面處理助劑，經(jīng)過(guò)均勻攪拌，配制成已形成二次粒子的碳酸鈣（以下簡(jiǎn)稱“已處理的碳酸鈣”）。將這種已處理的碳酸鈣添加到漂白硫酸鹽闊葉木漿-漂白硫酸鹽針葉木漿（LBKP-NBKP）混合漿料中，并根據(jù)相應(yīng)要求加入液體Alum、CS和PAM等干強(qiáng)劑，留著助劑（RA）等漿內(nèi)添加劑，制成手抄紙?；瘜W(xué)品的添加量均以紙漿質(zhì)量計(jì)，Alum為液體硫酸鋁（Al2O3為8%），其他化學(xué)品添加量以固含量表示。另外，作為對(duì)手抄紙的評(píng)價(jià)，考察了其紙張灰分、抗張強(qiáng)度及裂斷長(zhǎng)。

3.1 碳酸鈣表面處理助劑對(duì)手抄紙的灰分含量和

紙張強(qiáng)度（抗張強(qiáng)度）的影響

根據(jù)表1所示1～6號(hào)試樣的條件制作手抄紙，碳酸鈣表面處理助劑的添加量為0.5%（以碳酸鈣的質(zhì)量計(jì)，如以紙漿質(zhì)量計(jì)，則為0.125%）；RA的添加量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)100×10-6。

在上述試驗(yàn)條件下，使用碳酸鈣表面處理助劑和不使用碳酸鈣表面處理助劑2種條件下紙張灰分含量和紙張強(qiáng)度的測(cè)定結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

由圖5可知，由于使用了留著助劑和漿內(nèi)添加PAM，即使在使用未處理的碳酸鈣情況下紙張灰分留著率也上升；但是在使用已處理的碳酸鈣情況下，即使在不使用Alum、CS和漿內(nèi)添加PAM的情況下，也能取得與使用這些化學(xué)品情況下接近的灰分留著率，并且未發(fā)現(xiàn)因?yàn)閰f(xié)同使用漿內(nèi)添加化學(xué)品而導(dǎo)致灰分留著率下降的現(xiàn)象。

抗張強(qiáng)度方面，由圖6可知，由于使用了已處理的碳酸鈣，即使在不使用Alum、CS和漿內(nèi)添加PAM的情況下（2號(hào)試樣），也取得了比使用未處理的碳酸鈣手抄紙更高的值。另外，如圖5和圖6所示，盡管2號(hào)試樣使用已處理的碳酸鈣與未處理的碳酸鈣時(shí)紙張灰分含量差異很大，但是使用已處理的碳酸鈣手抄紙的紙張強(qiáng)度更勝一籌。根據(jù)這些結(jié)果可以說(shuō)，新開(kāi)發(fā)的碳酸鈣表面處理助劑能夠發(fā)揮如開(kāi)發(fā)理念所提出的優(yōu)越的效果。

圖5 手抄紙的灰分含量

圖6 手抄紙的抗張強(qiáng)度

從圖5和圖6還可以看到，在使用已處理的碳酸鈣場(chǎng)合下，使用CS和漿內(nèi)添加PAM這些干強(qiáng)劑帶來(lái)的紙張強(qiáng)度上升也相當(dāng)顯著。圖7顯示了這種現(xiàn)象的作用機(jī)理。

圖7 使用未處理的碳酸鈣（上）和使用已處理的碳酸鈣（下）的紙張中的化學(xué)品分布

未處理的碳酸鈣的粒子小、表面積大，灰分留著率低。另外，由于漿內(nèi)添加化學(xué)品與碳酸鈣接觸機(jī)會(huì)較多，所以灰分留著率受與碳酸鈣的相互作用影響較大。另一方面，由于已處理的碳酸鈣因二次粒子形成的物理效果和碳酸鈣表面處理助劑產(chǎn)生的與紙漿親和性的上升，因而提高了留著率；同時(shí)，漿內(nèi)添加化學(xué)品由于與碳酸鈣的相互作用受到抑制，被紙漿高效吸附，因而發(fā)揮了它們本來(lái)的功能。

3.2 碳酸鈣表面處理助劑在不同碳酸鈣用量時(shí)改

善紙張強(qiáng)度（裂斷長(zhǎng)）的效果

為了確認(rèn)碳酸鈣表面處理助劑在不同碳酸鈣用量時(shí)改善紙張強(qiáng)度（裂斷長(zhǎng)）的效果，制成了碳酸鈣用量從6.5%～20%（對(duì)紙漿質(zhì)量）的手抄紙，測(cè)定紙張強(qiáng)度（裂斷長(zhǎng)）。漿內(nèi)添加的化學(xué)品為Alum（質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%）、CS（質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.8%）和 RA（質(zhì)量分?jǐn)?shù)100×10-6）。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

由圖8可見(jiàn)，隨著碳酸鈣用量的增加，使用已處理的碳酸鈣與使用未處理的碳酸鈣手抄紙的紙張強(qiáng)度都降低了，但是使用已處理的碳酸鈣手抄紙的紙張強(qiáng)度隨碳酸鈣添加量的增加，比使用未處理的碳酸鈣手抄紙紙張強(qiáng)度下降的幅度小，而且碳酸鈣添加量越多，這種傾向越顯著，顯示了使用已處理的碳酸鈣的試樣具有改善紙張強(qiáng)度的效果。根據(jù)這一試驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)為，使用碳酸鈣表面處理助劑是改善因碳酸鈣高加填而產(chǎn)生的紙張強(qiáng)度性能下降的有效對(duì)策。

圖8 碳酸鈣表面處理助劑改善紙張強(qiáng)度（裂斷長(zhǎng)）的效果

3.3 應(yīng)對(duì)碳酸鈣高加填的紙張強(qiáng)度性能下降的最

合適的化學(xué)品添加方案

為了探討應(yīng)對(duì)碳酸鈣高加填的紙張強(qiáng)度性能下降的最合適的化學(xué)品使用方案，對(duì)單獨(dú)使用漿內(nèi)添加PAM、漿內(nèi)同時(shí)添加PAM和碳酸鈣表面處理助劑這2種情況對(duì)紙張強(qiáng)度的影響進(jìn)行了比較。試驗(yàn)的所有試樣均添加了漿內(nèi)添加劑Alum（質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%）、CS（質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.8%）和 RA（質(zhì)量分?jǐn)?shù) 100×10-6），另外5號(hào)試樣和6號(hào)試樣均添加了碳酸鈣表面處理助劑，按表2中1～6號(hào)試樣的制作條件制成的手抄紙的灰分和紙張強(qiáng)度（裂斷長(zhǎng)）的測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

首先，可以確認(rèn)在碳酸鈣添加量由15%增加到30%的情況下，紙張強(qiáng)度大幅度下降。只用漿內(nèi)PAM應(yīng)對(duì)這種紙張強(qiáng)度下降的2～4號(hào)試樣顯示，為了抑制紙張強(qiáng)度的下降，漿內(nèi)添加PAM的量需要達(dá)到1.0%質(zhì)量分?jǐn)?shù)（4號(hào)試樣），而且4號(hào)試樣中的紙張灰分含量比3號(hào)試樣的低，其主要原因可能是因?yàn)槌煜到y(tǒng)中的電荷平衡受到了破壞。

表2 手抄紙的制作條件 w/%

圖9 添加碳酸鈣表面處理劑和PAM對(duì)手抄紙紙張強(qiáng)度和灰分的影響

另一方面，在紙漿使用0.2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳酸鈣表面處理助劑并使用處理過(guò)的碳酸鈣的情況下，僅添加0.2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)PAM，就既能提高紙張灰分又能提高紙張強(qiáng)度（6號(hào)試樣）。在碳酸鈣高比例用量的情況下，通過(guò)使用碳酸鈣表面處理助劑可以大幅度控制總的化學(xué)品用量。

4 使用碳酸鈣表面處理助劑的紙機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

為了能夠確認(rèn)在手抄紙中使用碳酸鈣表面處理助劑時(shí)的效果，在造紙廠進(jìn)行了為確認(rèn)其效果的紙機(jī)試驗(yàn)。

在紙機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，在紙張灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%左右的品種中添加5%（以碳酸鈣的質(zhì)量計(jì)）的碳酸鈣表面處理助劑，考察對(duì)紙張強(qiáng)度（縱向擴(kuò)張強(qiáng)度）的影響，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可見(jiàn)，使用了碳酸鈣表面處理助劑后手抄紙的紙張強(qiáng)度提高了。另外，在試驗(yàn)過(guò)程中紙機(jī)運(yùn)行未產(chǎn)生問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖10 使用碳酸鈣表面處理助劑的紙機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

今后，隨著碳酸鈣加填比例的增加，紙的灰分將進(jìn)一步提高，在這種情況下，可以期待紙張白度、不透明度和印刷適應(yīng)性的提高，但也不可避免會(huì)出現(xiàn)紙張強(qiáng)度下降和所用漿內(nèi)添加化學(xué)品效果下降的情況；而新開(kāi)發(fā)的碳酸鈣表面處理助劑是一種即使在碳酸鈣用量增加的情況下，也能提高留著率和維持紙張品質(zhì)的化學(xué)品。

（杜偉民 編譯）

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