硅对草浆白泥碳酸钙结构及性能的影响研究

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纤维原料的匮乏已经成为全世界造纸生产的主要问题,中国非木材纤维原料丰富,但非木材纤维原料中硅含量较大,在造纸生产过程中影响碱回收过程,苛化生成的草浆白泥碳酸钙(CCC)难以处理,污染环境。许多学者对此进行过深入研究,主要包括草浆绿液的除硅处理和精制草浆白泥碳酸钙的加填研究,本文通过对“模拟绿液”和生产绿液制备草浆CCC性能的对比,引出不同苛化反应条件对除硅和不除硅草浆CCC性能的影响,用晶型控制剂改性未除硅绿液草浆CCC,并进行粒径形貌和加填成纸各项性能的研究。这为草浆CCC的研究引入了新的方法,对生产绿液精制草浆CCC有一定指导意义。通过“模拟绿液”和生产绿液制备草浆CCC性能的对比发现,模拟绿液和生产绿液制备的碳酸钙在粒径、晶型、形貌方面有相同的性质,可以通过模拟绿液代替生产绿液进行研究。研究发现无论硅含量多少,苛化生成的碳酸钙晶型均为方解石;随着硅含量的升高,碳酸钙形貌从较规整的方形或针形逐渐变为片状,且碳酸钙表面的孔越来越密,硅有利于碳酸钙形成孔径较小的孔,碳酸钙的白度略微升高,平均粒径降低,比表面积升高,对烷基烯酮二聚体(AKD)吸附率增加。在不同硅含量碳酸钙纸张加填实验中,纸张光学和力学性能变化不大,但AKD施胶效果随硅含量增加而变差,并在硅含量大于3g/L时,纸张失去施胶效果。通过改变苛化条件(苛化温度、时间、搅拌速度和绿液滴加速度)对除硅和未除硅草浆CCC进行研究,综合考虑生成草浆CCC的粒径和比表面积,以及加填成纸的各项性能,对除硅草浆CCC的最优反应条件为:75℃,2h,200rpm,6mL/min;对未除硅草浆CCC的最优反应条件为:75℃,2h,200rpm,20mL/min。在最优条件下对绿液进行实验,发现改变苛化反应条件可以调节和控制除硅草浆CCC的粒径和加填纸张施胶等各项性能,制备出较为理想的草浆CCC,但是改变苛化反应条件不能控制未除硅草浆CCC的上述性能,硅对草浆CCC的制备有很大的影响。通过单一晶型控制剂(三聚磷酸钠STP和羧甲基纤维素钠CMC)对未除硅草浆CCC进行改性,随着STP用量的增加,碳酸钙粒径逐渐减小,形貌由规则的立方体逐渐变成无定形结构;随着CMC用量的增加,碳酸钙粒径逐渐减小,碳酸钙形貌由立方体结构逐渐变成谷粒状。进行加填实验,比起工厂草浆CCC的加填成纸性能,纸张在白度、抗张撕裂指数和施胶效果上都有了较大提升。总体来说,STP添加量为0.007wt%时,CMC添加量为0.25wt%时,改性后碳酸钙加填纸张性能最好通过组合晶型控制剂(三聚磷酸钠STP,焦磷酸钠SPP和ZnCl2、MgCl2、BaCl2分别搭配)对未除硅草浆CCC进行改性,改性后的碳酸钙粒径大于未改性碳酸钙,比表面积更小,使用STP改性碳酸钙的粒径大于SPP改性产品,比表面积更小。在共同使用STP改性的情况下,ZnCl2、MgCl2、BaCl2改性后的碳酸钙粒径逐渐减小,比表面积逐渐增加。进行加填实验发现,在共同使用SPP改性的情况下,ZnCl2改性纸张白度最高,MgCl2改性不透明度、撕裂指数最高,纸张的Cobb值最小,BaCl2改性的纸张抗张指数最高;在共同使用STP改性的情况下,MgCl2改性纸张白度、不透明度最高,纸张的施胶效果最好,ZnCl2改性后的纸张抗张指数最大,BaCl2改性后的纸张撕裂指数最大。总体来说,选择STP与MgCl2组合比较合适,此时改性后碳酸钙加填纸张性能最好。
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