草漿CaCO3性能及運(yùn)用
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本文作者：夏新興杜明珠作者單位：陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院
由于木材資源短缺，目前我國(guó)還大量以麥草、蘆葦、竹子等作為造紙纖維原料。據(jù)報(bào)道，我國(guó)原生漿中草類漿的比例占40%以上[1]。在堿回收過程中，綠液與石灰發(fā)生苛化反應(yīng)生成氫氧化鈉供蒸煮工段循環(huán)使用，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品——白泥。在麥草漿堿回收體系中，每回收1t堿產(chǎn)生的絕干白泥理論值是1250kg。如此多的白泥如果不加以利用，勢(shì)必會(huì)造成很大的浪費(fèi)。但由于草漿白泥雜質(zhì)多，硅含量高，生成的碳酸鈣白度低，粒子勻整性差，使得麥草漿白泥的循環(huán)利用難度較大，大多數(shù)制漿廠只是簡(jiǎn)單的填埋或堆放，不僅造成對(duì)環(huán)境的污染，還需要支付高額的排污費(fèi)，加重了企業(yè)負(fù)擔(dān)[2]。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開展了白泥碳酸鈣作為造紙?zhí)盍系募夹g(shù)研究并在一些企業(yè)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，如湖南泰格林紙股份有限公司、沅江紙業(yè)有限公司、中冶銀河紙業(yè)有限公司等。從這些公司的白泥碳酸鈣作為造紙?zhí)盍系膽?yīng)用情況來看，白泥碳酸鈣已經(jīng)可以部分甚至大部分替代商品碳酸鈣作為紙張?zhí)盍稀Ｈ欢ㄟ^對(duì)這些生產(chǎn)企業(yè)的了解，白泥碳酸鈣作為填料在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，還存在許多問題，如白泥碳酸鈣的粒度、白度及晶型等的控制問題；白泥碳酸鈣在加填時(shí)還會(huì)造成粘網(wǎng)、糊網(wǎng)等問題；對(duì)AKD施膠有一定的負(fù)面影響，使施膠劑用量增加。這些問題嚴(yán)重制約了草漿白泥碳酸鈣的應(yīng)用。因此，我們通過對(duì)綠液進(jìn)行預(yù)處理，并精確控制苛化反應(yīng)條件，生產(chǎn)出精制白泥碳酸鈣用于紙張加填，并對(duì)比分析了傳統(tǒng)草漿白泥碳酸鈣、精制草漿白泥碳酸鈣及商品碳酸鈣的物理性能及其用作造紙?zhí)盍蠒r(shí)對(duì)紙張性能的影響。
1實(shí)驗(yàn)
1.1實(shí)驗(yàn)原料及儀器
綠液，取自西安某紙業(yè)有限公司，為麥草制漿堿回收綠液；漿料，漂白闊葉木化學(xué)漿，打漿度30°SR；AKD施膠劑，CPAM、膨潤(rùn)土助留助濾劑，均為工業(yè)品；鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)，分析純。BT-9300H激光粒度分布儀，R457白度計(jì)，可勃（Cobb）吸水性測(cè)定儀，抗張強(qiáng)度測(cè)定儀。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1精制草漿白泥碳酸鈣的制備
麥草漿綠液靜置一段時(shí)間后，使其自然澄清，取一定量上層清液進(jìn)行預(yù)處理，過濾析出的沉淀[3]。將得到的凈化綠液用于苛化反應(yīng)，并精確控制反應(yīng)條件制得精制白泥碳酸鈣。
1.2.2碳酸鈣粒徑分布的測(cè)定
采用BT-9300H型激光粒度分布儀對(duì)碳酸鈣的粒度分布進(jìn)行測(cè)定。
1.2.3碳酸鈣吸油值的測(cè)定
稱取5.0g碳酸鈣，精確至0.01g，置于玻璃板或釉面瓷板上，用已知質(zhì)量的盛有鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)的滴瓶滴加DOP，在滴加時(shí)用調(diào)刀不斷進(jìn)行翻動(dòng)研磨，起初試樣呈分散狀，后逐漸成團(tuán)直至全部被DOP所潤(rùn)濕，并形成一整團(tuán)即為終點(diǎn)。稱取滴瓶質(zhì)量，精確至0.01g。整個(gè)測(cè)定要求在90min內(nèi)完成。計(jì)算所用DOP的質(zhì)量與物料質(zhì)量的比，即為吸油值。式中：m1—滴加DOP之前滴瓶和DOP的質(zhì)量，g；m2—滴加DOP之后滴瓶和剩余DOP的質(zhì)量，g；m—試樣質(zhì)量，g。
1.2.4碳酸鈣沉降體積的測(cè)定
取10.0g碳酸鈣試樣置于最小刻度為1mL的100mL具塞量筒中，浸泡2h左右，加水到刻度線，用力振蕩使之完全呈分散狀態(tài)，室溫下靜置24h，觀察沉降物所占體積大小以及沉降情況。計(jì)算沉降物所占體積與試樣的質(zhì)量的比值[4]。X=V/m式中：X—沉降體積，mL•g-1；V—沉降物所占體積，mL；m—試樣質(zhì)量，g。
1.2.5碳酸鈣在紙張中的加填實(shí)驗(yàn)
將一定量的漂白闊葉木化學(xué)漿（30°SR）在標(biāo)準(zhǔn)纖維疏解器中疏解2000r。在疏解后的漿料中加入一定量的碳酸鈣,攪拌均勻，加入AKD、CPAM/膨潤(rùn)土助留助濾劑,在抄片器中抄制成紙，并對(duì)其進(jìn)行物理性能檢測(cè)。
2結(jié)果和討論
2.1碳酸鈣的物理性能
2.1.1粒徑分布
由圖1可見，傳統(tǒng)草漿白泥碳酸鈣的粒徑分布范圍寬，平均粒徑達(dá)12.78μm，其中，粒徑10μm以下的只占34%，10μm以上則占66%。這樣，在紙張加填時(shí)，粒徑較大的碳酸鈣粒子很難進(jìn)入纖維之間的空隙之中，僅覆蓋在紙張的表面，使紙張?jiān)谟∷⑦^程中會(huì)出現(xiàn)掉毛掉粉現(xiàn)象，此外還會(huì)引起加填不均、影響紙張的松厚度和勻度，以及造成網(wǎng)部磨損等，因此不適合用作造紙?zhí)盍稀６频牟轁{白泥碳酸鈣平均粒徑為6.36μm，且粒徑分布較均勻，大多數(shù)在5~10μm之間，10μm以下粒徑的約占82%。商品碳酸鈣平均粒徑最小，且粒徑分布范圍小，平均粒徑為5.31μm，其中，5μm以下占49%，5~10μm則占45%，粒徑均一性優(yōu)于精制白泥碳酸鈣。從圖1~圖3我們可以看出，精制草漿白泥碳酸鈣和商品碳酸鈣的粒徑接近，且分布較為均勻，可以滿足作為造紙?zhí)盍系氖褂靡螅鴤鹘y(tǒng)白泥碳酸鈣，粒徑大部分在10μm以上，且分布不均勻，不適合用作造紙所用的填料。
2.1.2吸油值和沉降體積
填料的沉降性能跟填料的粒徑之間存在一定的線性關(guān)系。通常情況下，粒徑越大，沉降速度越快，沉降體積越小。而粒度越細(xì)，沉降速度越慢，沉降體積越大。從表1可知，傳統(tǒng)草漿白泥碳酸鈣的沉降體積最大，為8.6mL•g-1，沉降速度最慢，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)草漿白泥的粒度均勻性較差，粒度分布范圍寬，盡管平均粒徑較大，但仍有大量的細(xì)小粒子。填料沉降的速度越快，在造紙網(wǎng)部的濾水也就會(huì)越快。反之，沉降速度慢，大量填料粒子就容易隨白水流失，使填料的留著率降低。精制后的草漿白泥碳酸鈣沉降體積最小，只有3.2mL•g-1，有利于促進(jìn)填料在漿料表面的均勻吸附。填料顆粒吸油值的大小與粒子間的間隙、粒子表面性能以及粒子的比表面積等有關(guān)。吸油值對(duì)造紙用碳酸鈣的使用性能比較重要，由表1可知，精制的草漿白泥碳酸鈣其吸油值最高，達(dá)到120.0，而傳統(tǒng)草漿白泥僅為65.2，商品碳酸鈣的吸油值為84.0。在造紙中，實(shí)際需要的是降低沉降體積和提高吸油值。因此，從吸油值和沉降體積來考慮，精制后的草漿白泥碳酸鈣完全適合用作造紙?zhí)盍希鴤鹘y(tǒng)草漿白泥碳酸鈣則不適合用作造紙?zhí)盍稀?/p>
2.1.3白度
從表2可見，傳統(tǒng)草漿白泥碳酸鈣的白度只有82.36%ISO，達(dá)不到作為造紙?zhí)盍系臉?biāo)準(zhǔn)要求。精制草漿白泥碳酸鈣白度達(dá)到了90.00%ISO，相對(duì)于傳統(tǒng)草漿白泥碳酸鈣有了很大提高。但是，與商品輕質(zhì)碳酸鈣相比還是稍低，這是因?yàn)椴轁{綠液的成分復(fù)雜，含有很多金屬離子，如Fe3+、Cu2+、Mg2+等，這些雜質(zhì)的存在影響了白泥碳酸鈣的白度。
2.2碳酸鈣在紙張中的應(yīng)用性能對(duì)紙張施膠效果的影響
2.2.1對(duì)紙張施膠效果的影響
由圖4可知，經(jīng)傳統(tǒng)草漿白泥碳酸鈣加填的紙張幾乎沒有施膠效果，而精制草漿白泥碳酸鈣加填的紙張其抗水性有了很大的提高，達(dá)到了商品碳酸鈣加填的施膠效果。由圖4還可以看到，隨著白泥碳酸鈣加填量的增加，紙張抗水性呈減弱趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著填料的增加，較多的施膠劑被填料所吸附而降低了紙張的施膠效果。
2.2.2對(duì)紙張光學(xué)性能的影響
由圖5可知，傳統(tǒng)草漿白泥碳酸鈣加填的紙張白度較低，且隨著加填量增加紙張白度不斷降低。而精制草漿白泥碳酸鈣及商品輕質(zhì)碳酸鈣加填的紙張白度較高，且隨著加填量增加，紙張的白度不斷提高，當(dāng)加填量從15%到25%時(shí)，F(xiàn)CC加填紙的白度要稍高于PCC加填紙的白度。當(dāng)加填量超過25%后，PCC加填紙白度才開始高于FCC加填紙的白度，這可能與兩種碳酸鈣的形貌結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。由圖6可見，3種紙張不透明度隨著碳酸鈣加填量的增加而增大。在相同填料加入量下，精制草漿白泥碳酸鈣加填紙的不透明度最大，商品輕質(zhì)碳酸鈣次之，傳統(tǒng)草漿白泥碳酸鈣的最小，這可能與3種碳酸鈣的形貌結(jié)構(gòu)特征及粒徑大小有關(guān)。
2.2.3對(duì)紙張物理強(qiáng)度的影響
從圖7到圖9可知，隨著填料加入量的增加，各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)。紙張的抗張強(qiáng)度及耐破度，精制草漿白泥加填紙比商品碳酸鈣的略好，傳統(tǒng)草漿白泥的最低；撕裂度方面，精制草漿白泥加填紙略低于商品碳酸鈣加填紙，但相對(duì)于傳統(tǒng)草漿白泥加填紙也有較大的提高。
3結(jié)論
精制草漿白泥碳酸鈣平均粒徑為6.36μm，10μm以下粒徑的約占82%，其粒徑與商品輕質(zhì)碳酸鈣相近；傳統(tǒng)草漿白泥碳酸鈣粒度分布范圍寬，10μm以上粒徑的約占66%，平均粒徑達(dá)12.78μm。通過改進(jìn)工藝得到的精制草漿白泥碳酸鈣其吸油值高、沉降體積小。用于紙張加填時(shí)，精制草漿白泥碳酸鈣及商品輕質(zhì)碳酸鈣都能使紙張白度得到提高，而傳統(tǒng)草漿白泥碳酸鈣使紙張白度降低；精制草漿白泥碳酸鈣對(duì)紙張不透明度有良好提高效果，商品輕質(zhì)碳酸鈣次之；相對(duì)于傳統(tǒng)草漿白泥碳酸鈣，精制草漿白泥碳酸鈣加填的紙張?jiān)谑┠z度和物理強(qiáng)度方面都有了明顯的改善，可以代替商品碳酸鈣用作造紙?zhí)盍稀?/p>
