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【研究】前沿技术——纤维细胞内加填

发布时间:2017-02-11 14:38:23

煤灰是火力电厂排出的废渣,主要由硅、铝及铁的氧化物组成,经过脱硅处理后提取的硅氧化物,可用于合成一种新型的造纸填料—硅酸钙。合成硅酸钙具有多孔状结构、较高的比表面积、高吸附性,与GCC填料相比具有更高的松厚度和白度。植物纤维内部存在大量的孔隙,平均每克绝干浆约含1.5mL的孔隙体积。原位沉积法合成硅酸钙,可以使填料进入到细胞内,并且不会阻碍纤维与纤维之间的结合,有效地改善了由于填料粒子沉积在纤维表面对纤维间结合造成的负面影响,从而保证纸张强度。

1、硅酸钙的填充及效果

取一定量润浸后的浆板放入疏解机中疏解,然后用槽式打浆机打浆到40°SR,平衡水分。根据加填量(30%)、脱硅液和石灰乳浓度,计算出脱硅液和石灰乳的用量。将纸浆与脱硅液混合后,用搅拌器进行疏解,加入到反应器内,调节浆浓分别为3%、4%、5%、6%。将反应器放入水浴锅中,使用机械搅拌器进行搅拌,调节搅拌器转速为450r/min,加入脱硅液,搅拌30min。然后调节转速到600r/min,加入石灰乳溶液,反应1h。反应完成后,用布氏漏斗对浆料进行抽滤洗涤,将浆料洗涤至中性。洗涤后的浆料用疏解机疏解10000转,在白水循环模式下,进行手抄片的抄造,纸张设计定量70g/m2

通过洗涤可以将未与纤维形成紧密连接的硅酸钙填料洗去,纤维细胞内填充了大量硅酸钙且聚集在一起,硅酸钙为多孔结构并且与纤维结合成网状结构,将其他填料包裹,有效地保证了填料的留着率。

2、原料配比对纸张性能的影响

添加硅酸钙以后,纸张的松厚度有所提升,且不透明度的变化趋势与松厚度的变化趋势保持一致。这是由于填料的填充可以阻止细胞腔的塌陷,而松厚度的大小间接说明了纸张中空气所占比例的大小。松厚度高,即纤维交织成网形成纸后存在若干孔隙,内有空气,会使进入纸张的光进行漫反射,从而增加纸张的不透明度。加入了填料以后,填料增加了光散射的面积,导致纸张不透明度增加。

在针叶木浆与阔叶木浆配比为1:1时,纸张性能较优。通过实验可以测定阔叶木浆细胞填充量为12.63%,针叶木浆的细胞填充量为6.29%,由此可以得出,阔叶木浆纤维的细胞填充效果比针叶木浆更好,因为阔叶木浆纤维粗短适中,填料可以通过切断的纤维末端将更多的硅酸钙沉积到细胞内。

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3、温度对纸张性能的影响

随着温度的升高,纸张灰分含量增加,填料的留着效果更好。细胞填充量在温度达到60℃以后趋于平滑。随着温度的升高,纸张白度平缓提高,在80℃时达到最大,但在100℃时纸张白度下降较大。随着温度的升高,纸张的抗张强度和耐破度呈下降趋势,纸张撕裂度呈现先上升后下降的趋势。温度为60℃时,纸张强度最大,这是细胞填充效果的体现。填料加填必定会导致纸张强度的下降,而温度在60℃时,填充进细胞腔的填料占总填料量的比例最大,对纤维间结合造成的负面影响最小。

4、转速对纸张性能的影响   

随着转速的提升,纸张灰分平稳上升,细胞填充量在转速为500r/min时达到最大,之后随着转速的增加而下降。在转速为500r/min时,纸张的各项强度性能值达到最大。转速会影响硅酸钙晶体的粒径,转速越大,晶体的成核作用越小,晶体颗粒越大。

5、浆浓对纸张性能的影响  

浆浓从3%升到6%,纸张灰分含量逐步提高,从25.88%提升到了32.54%,填料有较好的留着。纸张的抗张强度和撕裂度随着浆浓的提高呈下降趋势。但浆浓在5%时,由于细胞填充量高,使游离硅酸钙含量减小,对纤维的结合强度影响最小,故纸张的抗张强度和撕裂度最大。

6、结论

在加填量为30%的条件下,针叶木浆与阔叶木浆的纤维配比为1:1、温度为60℃、浆浓为5%、转速为500r/min时,利用原位沉积法细胞内合成硅酸钙,将其加填到纸张中,纸张性能最好。纸张灰分含量达30.09%,细胞填充量达20.14%。