CaSiO3加填紙的可脫墨性及脫墨漿性能研究

范述捷 蘇振華 ，* 張 羽

（1. 中國制漿造紙研究院有限公司，北京，100102；2. 制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102）

礦物填料由于在改善成紙性能、降低生產成本與能耗方面的優(yōu)勢，被廣泛應用于造紙工業(yè)中［1］。Ca?SiO3屬無機礦物粉體填料，具有來源廣、產量大、白度高、粒徑小、比表面積大等特點［2-3］，國內外學者對其作為填料應用于造紙工業(yè)進行了大量研究。張權等［4］研究了多孔CaSiO3的合成工藝及其對加填紙性能的影響。研究結果表明，影響CaSiO3孔隙率和粒徑的因素有反應溫度、攪拌速度、添加劑的種類等，且多孔CaSiO3加填可使成紙松厚度較沉淀CaSiO3加填紙高20%以上。宋順喜等［5］提出了一種改善CaSiO3加填紙性能的方法，即采用鹽酸對CaSiO3填料進行預處理，將預處理后的填料加入到磨漿后的植物纖維中，成紙的強度性能較加填未預處理CaSiO3成紙顯著提升。孫俊民等［6］的研究表明，多孔CaSiO3作為造紙功能性填料可替代部分纖維，提高成紙松厚度，同時也可提高滑石粉的留著率，有一定助留作用。但目前關于CaSiO3加填紙可回收性研究的文獻較少。脫墨是廢紙回收利用的關鍵一步［7］，常用的脫墨方法有兩類：一類是采用浮選法、洗滌法或浮選洗滌相結合的方法，另一類是通過篩選和離心凈化的方式去除油墨。影響廢紙脫墨的因素有很多，包括廢紙種類［8］、油墨性質、印刷方式［9］及脫墨碎漿工藝［10-11］等。本課題對2 種CaSiO3加填印刷紙的脫墨性能進行了探討，旨在為該類紙張的再生回用提供指導。

1 實 驗

1.1 原料及試劑

1.1.1 實驗原料

實驗用2 種紙樣均由北京某造紙企業(yè)提供，1#紙樣是CaSiO3加填且經四色套印的雙膠紙，灰分40%；2#紙樣是CaSiO3和滑石粉（質量比1∶1）加填且經四色套印的雙膠紙，灰分35%。

將上述2 種CaSiO3加填印刷紙裁剪成25 mm ×25 mm紙片并混合均勻，平衡水分后備用。

1.1.2 實驗試劑

脫墨劑、NaOH、Na2SiO3、H2O2及EDTA，均為化學分析純試劑，購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 碎漿

采用FORMAX 450H 型高濃碎漿機（AMC 公司，美國）碎解CaSiO3加填印刷紙。碎漿工藝條件為：漿濃10%，溫度40～45℃，時間10 min，NaOH、H2O2、Na2SiO3、EDTA用量分別為1.2%、1.4%、1.8%、0.3%（相對于絕干漿質量，下同），脫墨劑用量0.8%。

1.2.2 浮選

采用HG-18型浮選槽（HICO，韓國）進行浮選。浮選條件為：漿濃1%，溫度40～45℃，時間10 min，空氣流量10 L/min，漿料循環(huán)頻率50 Hz。收集脫墨浮渣，計算浮選脫墨漿得率。

1.2.3 漿片和手抄片制備及相關指標測定

碎漿機碎解漿或浮選脫墨漿：用布氏漏斗抄制漿片，采用CTPC 型白度儀（Technidyne 公司，美國）測定漿片白度（GB/T 7974—2002）、色度和有效殘余油墨濃度（ERIC，T567om—2020），以評價浮選脫墨效果。

采用RK-3A 型紙頁成型器（PTI 公司，奧地利）抄造浮選脫墨漿手抄片，定量為（60±2）g/m2，抄紙濃度約0.35%，壓榨壓力300 kPa，采用紙頁成型器自帶的干燥器進行干燥，然后依據(jù)國家標準測定浮選脫墨漿手抄片各項物理性能指標：光學性能，如白度（GB/T 7974—2002）、明度 （L） 和色度 （a*值和b*值）；強度性能，如抗張強度（GB/T 12914—2018）、撕裂度 （GB/T 455—2002）、耐折度 （GB/T 457—2008）及耐破度（GB/T 454—2002）等。

參考標準T277pm“紙漿中膠黏物含量的測定”，采用MSA-XLQ 型膠黏物篩（Pulmac 公司，美國）分別測定碎漿機碎解漿和浮選脫墨漿中的膠黏物含量，篩板縫寬選擇0.10 mm，以評價膠黏物去除效果。

2 結果與討論

2.1 兩種紙樣的浮選脫墨效果

按照1.2 的實驗方法，對2 種紙樣進行碎漿、浮選脫墨處理，分別采用脫墨前后的漿料抄造漿片，測定脫墨過程中漿料光學性能的變化。

圖1 為2 種紙樣浮選脫墨前后漿片的白度變化。由圖1 可知，1#紙樣脫墨前后漿片的白度均高于2#紙樣脫墨前后漿片，2種紙樣脫墨前后漿片的反面白度較正面白度高8%ISO以上，這可能與添加填料相關，即填料密度大，沉降速度相對較快，且填料白度高，造成漿片反面白度高。2種紙樣經碎解和浮選脫墨后，漿片正反面白度均有不同程度提高，1#紙樣浮選脫墨后漿片的白度為77.5%ISO，正、反面白度較碎解后漿片分別提高16.2%ISO和23.8%ISO，白度平均值提高了34.8%。2#紙樣浮選脫墨后漿片的白度為73.9%ISO，正、反面白度較碎解后漿片分別提高28.0%ISO和18.5%ISO，白度平均值提高了45.9%。

圖1 2種紙樣在碎解和浮選脫墨后漿片的白度Fig.1 Brightness of two pulp samples after repulping and flotation deinking

圖2 為2 種紙樣浮選脫墨后漿片的色度測定值。由圖2 可知，2 種紙樣浮選脫墨后漿片正反面均稍偏紅偏藍，這可能與原紙樣的四色套印所用油墨有關，2種紙樣浮選脫墨后漿片反面的L*、a*、b*的絕對值均高于正面。

圖2 兩種紙樣浮選脫墨后漿片的色度Fig.2 Chromaticity of two pulp samples after flotation deinking

圖3 為2 種紙樣浮選脫墨前后漿片的有效殘余油墨濃度變化。由圖3 可知，1#紙樣浮選脫墨前后漿片的有效殘余油墨濃度（81.24 mm2/m2）均低于2#紙樣（115.96 mm2/m2）。2 種紙樣經碎解和浮選脫墨后，漿片油墨去除效果均較好，油墨去除率分別達82.7%和80.4%。

圖3 2種紙樣在碎解和浮選脫墨后漿片的有效殘余油墨濃度Fig.3 ERIC of two pulp samples after repulping and flotation deinking

2.2 2種紙樣浮選脫墨前后膠黏物去除效果

2 種紙樣碎解和浮選脫墨處理后漿樣的膠黏物含量如表1 所示。由表1 可知，浮選脫墨前1#漿樣膠黏物個數(shù)及面積均較2#漿樣高，經浮選脫墨后，1#漿樣和2#漿樣的膠黏物個數(shù)分別減少89.7%和88.9%，膠黏物面積分別減少97.4%和92.8%，可見在脫墨過程中，1#漿樣膠黏物去除效果略優(yōu)于2#漿樣，這可能和膠黏物與填料發(fā)生吸附結合，并在浮選及洗滌過程中流失有關。經碎解、浮選脫墨后，1#漿樣的膠黏物去除率（97.4%）略高于2#漿樣（92.8%）。然而，2 種紙樣均相對潔凈，膠黏物含量均較低，對生產而言，無負面影響，其膠黏物去除率的差別所帶來的影響亦微不足道。

表1 2種紙樣在碎解和浮選脫墨后漿樣膠黏物的含量Table 1 Stickies content of two pulp samples after repulping and flotation deinking

2.3 2 種紙樣浮選脫墨漿的性質及其手抄片的物理性能

測定2種紙樣浮選脫墨的漿料得率，并對浮選脫墨前后漿料的性質進行分析，使用該漿料抄造手抄片，測定手抄片的光學性能和物理性能。采用馬弗爐于525℃下將2 種紙樣的手抄片灼燒至質量恒定，測得1#和2#手抄片灰分分別為13.02%和12.04%。

表2 為2 種紙樣浮選脫墨的漿料得率及浮選脫墨前后漿料的性質。由表2 可知，2 種紙樣的浮選脫墨漿得率相同，碎解漿經浮選脫墨后游離度均有所降低；浮選脫墨后纖維平均長度降低，細小纖維含量增加，說明浮選脫墨過程對纖維有一定的損傷［12］。從纖維形態(tài)分析數(shù)據(jù)來看，1#紙樣的碎解漿經過浮選脫墨，纖維的數(shù)均長度、質均長度和二重質均長度分別下降2.4%、2.8%和7.5%，細小纖維含量增加10.1%，纖維寬度變化不大。2#紙樣與1#紙樣有相似的變化規(guī)律，但浮選脫墨后纖維長度下降程度略低于1#紙樣，纖維的數(shù)均長度、質均長度和二重質均長度分別下降1.3%、1.5%和4.6%，細小纖維含量增加10.3%。主要原因是堿性脫墨過程中，NaOH和Na2SiO3等試劑的使用，一方面使得油墨粒子皂化、水解，加強了纖維和油墨潤脹，并最終起到分散、脫離油墨粒子的作用，另一方面強堿性脫墨環(huán)境對再生纖維的結構和形態(tài)都產生了一定“損傷”［13］。

表2 2種紙樣浮選脫墨后的漿料得率及浮選脫墨前后漿料的性質Table 2 Yield of flotation deinking of two pulp samples and the properties of pulp before and after flotation deinking

表3 列出了2 種紙樣浮選脫墨漿手抄片的光學性能。由表3 可知，1#浮選脫墨漿手抄片白度較2#浮選脫墨漿手抄片高，這是因為填料白度較纖維白度高，且與其在碎解漿和浮選脫墨漿中含量不同有直接關系，因為1#浮選脫墨漿手抄片的灰分較2#浮選脫墨漿手抄片約高1 個百分點。另外，結合圖1 漿片白度和圖3漿片有效殘余油墨濃度的測定結果可知，浮選脫墨漿的手抄片白度較漿片白度更高，有效殘余油墨濃度較漿片低，這主要源于抄紙過程的洗滌作用使得油墨進一步被去除。最終1#和2#浮選脫墨漿手抄片的白度分別為92.6%ISO和89.7%ISO，有效殘余油墨濃度分別降低到29.87 和36.80 mm2/m2。從色度指標來看，浮選脫墨漿手抄片亦稍偏紅偏藍。

表3 2種紙樣浮選脫墨漿手抄片的光學性能Table 3 Optical properties of handsheets made with two flotation deinking pulp samples

表4 為2 種紙樣浮選脫墨漿手抄片的強度性能，主要包括耐折度、耐破指數(shù)、抗張指數(shù)及撕裂指數(shù)，這些指標均與纖維的結合力和纖維自身的強度直接相關。加填可提高紙張白度，但會使紙張強度有所下降。從表4 可以看出，2 種紙樣浮選脫墨漿手抄片的強度相差不大，1#浮選脫墨漿手抄片的耐折度、抗張指數(shù)較2#浮選脫墨漿手抄片略低，而耐破指數(shù)及撕裂指數(shù)基本一致，這可能與1#浮選脫墨漿手抄片的灰分較高有關。由于CaSiO3及滑石粉均屬于無機物，加填勢必影響紙漿纖維之間的結合，從而使紙張強度降低；而撕裂指數(shù)與纖維本身長度有關，故二者差別不大。因此，探索和掌握填料用量和紙張強度損失之間的平衡點，是降低紙張生產成本，獲得較好經濟效益的重要途徑。

表4 2種紙樣浮選脫墨漿手抄片的強度性能Table 4 Physical strengths of handsheets made with two flotation deinking pulp samples

3 結 論

探討了2 種CaSiO3加填印刷紙（以CaSiO3為填料的1#紙樣和以CaSiO3/滑石粉為填料的2#紙樣）的脫墨性能，并得出如下結論。

3.1 2種CaSiO3加填印刷紙的脫墨效果良好，可正常回收利用。

3.2 1#浮選脫墨漿的白度為77.5% ISO，略高于2#浮選脫墨漿的73.9% ISO；1#浮選脫墨漿有效殘余油墨濃度為81.24 mm2/m2，略低于2#浮選脫墨漿的115.96 mm2/m2；1#浮選脫墨漿手抄片的強度指標較后者略差；在脫墨過程中1#紙樣浮選脫墨漿的膠黏物去除效果略優(yōu)于2#紙樣浮選脫墨漿，但2種紙樣相對潔凈，膠黏物含量均較低，對生產而言，無負面影響。

3.3 堿性脫墨對纖維有一定損傷，2種紙樣的碎解漿經浮選脫墨后纖維長度均有所降低，細小纖維含量增加，1#浮選脫墨漿的纖維長度下降幅度略高于2#浮選脫墨漿。