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沉淀碳酸钙填料的改性及其在造纸中的应用研究

作　者: 沈静
导　师: 宋湛谦；钱学仁
学　校: 东北林业大学
专　业: 林产化学加工工程
关键词: 填料造纸沉淀碳酸钙溶解抑制改性有机包覆改性应用耐酸性光学性能强度性能
分类号: TS727
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

造纸填料的应用可显著降低造纸成本、改善纸品性能和降低造纸能耗等,且可用于功能纸制品的生产,具有重要的应用价值。造纸填料应用中存在的主要问题有：价格低廉、性能优良的碳酸钙填料通常不适用于弱酸性和近中性造纸；加填对成纸的强度性能可产生显著的负面影响；随着加填量的增加,填料留着具有一定局限性,且易于引发施胶障碍；填料的光学性能及可分散性有时具有一定局限性,且加填易于增加纸机的磨蚀。针对造纸填料应用中存在的问题的相关研究具有重要的现实意义。本论文对造纸填料级沉淀碳酸钙的溶解抑制改性和有机包覆改性及应用进行了研究,以期提高填料的耐酸性、改善加填纸的性能,减轻加填对成纸强度性能的不利影响。1.沉淀碳酸钙填料的溶解抑制改性与应用对沉淀碳酸钙填料的溶解性进行测定与分析,采用几种改性方法对其进行改性,制备了粉末状改性填料,初步探索了改性剂的溶解抑制作用。沉淀碳酸钙在几种溶液体系中均具有较强的溶解性；硫酸铝、硫酸铝／硅酸钠、硅酸钠／稀盐酸、氯化锌及硅酸钠／氯化锌均可在一定程度上降低填料的溶解性。然而,改性填料的耐酸性具有一定局限性。将磷酸、磷酸／辅助剂、硅酸钠基改性剂、氯化钙及氯化钙／辅助剂引入至沉淀碳酸钙填料悬浮液中,制备了改性填料悬浮液,对改性剂的溶解抑制作用进行了研究。当采用磷酸及磷酸／辅助剂进行改性时,磷酸、磷酸／六偏磷酸钠、磷酸／乙二胺四乙酸二钠、磷酸／硫酸铝及磷酸／氯化铝均具有一定的溶解抑制作用,其中,4%磷酸／1%六偏磷酸钠的溶解抑制作用最为显著。当采用硅酸钠基改性剂进行改性时,硅酸钠／硫酸铝、硅酸钠／氯化铝、硅酸钠／磷酸、硅酸钠／磷酸／六偏磷酸钠及硅酸钠／磷酸／聚丙烯酸钠均具有一定的溶解抑制作用,其中,1%硅酸钠／4%磷酸／1%六偏磷酸钠的溶解抑制作用最为显著。当采用氯化钙及氯化钙／辅助剂进行改性时,氯化钙、氯化钙／六偏磷酸钠、氯化钙／乙二胺四乙酸二钠及氯化钙／磷酸均可具有一定的溶解抑制作用,其中,1%氯化钙／4%磷酸的溶解抑制作用最为显著。EDAX分析和SEM观察表明,4%磷酸／1%六偏磷酸钠改性填料、1%硅酸钠／4%磷酸／1%六偏磷酸钠改性填料及1%氯化钙／4%磷酸改性填料的表面状态与未改性填料有一定差异。采用硅酸钠／氯化锌类改性剂、硫酸钛／氢氧化钠及纳米二氧化钛对沉淀碳酸钙填料进行溶解抑制改性,制备了粉末状改性填料,对改性剂的溶解抑制作用进行了研究。当采用硅酸钠／氯化锌类改性剂进行改性时,硅酸钠／氯化锌、硅酸钠／氯化锌／六偏磷酸钠及硅酸钠／氯化锌／六偏磷酸钠／磷酸及硅酸钠／氯化锌／磷酸均具有一定溶解抑制作用,其中,10%硅酸钠／3%氯化锌／1%六偏磷酸钠／0.2%磷酸的溶解抑制作用最为显著。当采用硫酸钛／氢氧化钠及纳米二氧化钛进行改性时,20%硫酸钛／2%氢氧化钠可在一定程度上改善填料的耐酸性,而P25型纳米二氧化钛的溶解抑制作用具有一定局限性。改性填料的XPS分析和SEM观察证实了硅酸钠／氯化锌／六偏磷酸钠／磷酸的表面包覆效应,填料耐酸性的改善很可能主要是由耐酸性Si02在填料表面的沉积和包覆引起的。对5种耐酸性改性沉淀碳酸钙填料(磷酸／六偏磷酸钠改性填料、硅酸钠／磷酸／六偏磷酸钠改性填料、氯化钙／磷酸改性填料、硅酸钠／氯化锌／六偏磷酸钠／磷酸改性填料及硫酸钛／氢氧化钠改性填料)在造纸(DIP浆)中的应用性能进行了研究。与未改性填料相比,5种耐酸性改性填料均可更为显著地提高成纸的白度,且加填5种耐酸性改性填料的纸料悬浮液的pH值均较低。硅酸钠／磷酸／六偏磷酸钠改性填料的留着性能优于未改性填料,硅酸钠／氯化锌／六偏磷酸钠／磷酸改性填料的留着性能与未改性填料基本相当。耐酸性改性填料对成纸强度性能和透气度的影响与改性填料种类密切相关。综合来看,硅酸钠／磷酸／六偏磷酸钠改性填料及硅酸钠／氯化锌／六偏磷酸钠／磷酸改性填料的应用性能具有较强的优势。因此,当采用硅酸钠／磷酸／六偏磷酸钠或硅酸钠／氯化锌／六偏磷酸钠／磷酸对沉淀碳酸钙填料进行溶解抑制改性时,填料改性不仅可显著提高填料的耐酸性,还可有效地改善填料在造纸中的应用性能。2.沉淀碳酸钙填料的有机包覆改性与应用采用淀粉／油酸钠／硫酸铝对沉淀碳酸钙填料进行有机包覆改性,探讨了改性剂的应用效果,对改性填料的有机包覆量和应用性能进行了研究。在硫酸铝的作用下,淀粉／油酸钠可有效地用于沉淀碳酸钙的有机包覆改性。当硫酸铝用量由16%逐渐增加至20%时,改性填料的有机包覆量不断增加。有机包覆改性对含有填料的纸料的静态滤水性能无显著影响,而加填纸的强度性能得到显著改善,填料留着在一定条件下也得到改善。此外,有机包覆改性对加填纸的白度可产生一定的负面影响,不透明度和光散射系数在一定条件下有所提高。改性填料的XRD和XPS分析及SEM观察证实了改性剂的表面包覆效应。采用壳聚糖／醋酸／氢氧化钠对沉淀碳酸钙填料进行有机包覆改性,探讨了改性剂的应用效果,对改性填料的有机包覆量和应用性能进行了研究。壳聚糖／醋酸／氢氧化钠可有效地用于沉淀碳酸钙的有机包覆改性,改性过程中壳聚糖几乎无损失。经改性后,填料粒子的Zeta电位增加,白度有所下降,相应纸料的静态滤水性能略有改善,填料的溶解性也有所变化。沉淀碳酸钙的壳聚糖／醋酸／氢氧化钠改性可显著改善加填纸的强度性能,加填纸的白度有所下降,不透明度和光散射系数无明显变化。当壳聚糖用量在5%以内时,填料留着率有所提高。采用羧甲基纤维素／硫酸铝对沉淀碳酸钙填料进行有机包覆改性,探讨了硫酸铝用量对包覆改性效果的影响,对改性填料的应用性能进行了研究。在硫酸铝的作用下,羧甲基纤维素可有效地用于沉淀碳酸钙的有机包覆改性,羧甲基纤维素在填料表面的有效沉积和包覆与硫酸铝用量密切相关。当羧甲基纤维素和硫酸铝的用量分别为4%和12%时,有机包覆改性使填料留着率提高了71.5%,加填纸的光学性能得到显著改善；然而,加填纸的强度性能基本未受影响。改性填料的XPS分析证实了改性剂的表面包覆效应。加填纸和未加填纸的SEM观察证实了有机包覆改性对填料与纸浆纤维的亲和力和相容性的改善作用,并进一步验证了改性剂的表面包覆效应。综合来看,3种有机包覆改性方法均可在一定条件下改善沉淀碳酸钙填料的应用性能,减轻加填对成纸强度性能的不利影响,均具有潜在的应用价值；与另2种改性方法相比,基于羧甲基纤维素／硫酸铝的有机包覆改性方法似乎更为简便易行。

沉淀碳酸钙填料的改性及其在造纸中的应用研究

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