探讨硅灰石在造纸行业的应用

硅灰石是一种链状偏硅酸盐，呈纤维状、针状，矿物纤维的形态介于植物纤维与传统填料碳酸钙之间，相当于细小植物纤维。硅灰石有很高的白度，较好的热稳定性和化学稳定性。硅灰石在造纸中的添加，不仅可以起到传统造纸填料的作用——节约植物纤维原料，还可以在一定程度上提高纸页的不透明度、遮盖力等光学性能，当部分代替植物纤维时，硅灰石与植物纤维交织成“植物纤维-硅灰石网状”结构，还可在纸张允许的范围内适当改善其物理强度指标。该文主要探讨硅灰石在造纸行业的应用。

关键词：硅灰石 造纸 填料

中图分类号：P619 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（a）-0095-02

全球造纸用木材资源匮乏日趋严重，填料的加入能够降低纸张的制造成本，同时还可赋予纸张不透明度和印刷适印性等一些特殊的性能，所以，造纸用填料越来越受到人们的重视。在过去十几年的时间里，大多数纸张的填料含量是10%～20%，要想提高到20%～30%，似技术上的主要困难是：目前填料和淀粉的留着率很难达到较高的水平；即使达到较高的保留水平，对纸张的性质如强度、松厚度等均有负面的影响[1]。因此，开发新型的具有纤维结构的物质作为纸浆纤维的替代品，是一项符合国家产业政策、利国利民的新型产业。

1 硅灰石的简介

硅灰石是一种钙质偏硅酸盐矿物，化学分子式为CaSiO3，结构式为Ca3[Si3O9]，理论化学成分： SiO2含量40%～50%，CaO含量45%～50%，Al2O3含量2%～5%，MgO含量2%～5%。自然界中纯硅灰石罕见，在其形成过程中，Ca有时被Fe、Mn、Ti、Sr等离子部分置换而呈类质同象体并混有少量的Al和微量K、Na。硅灰石形成时的温度、压力等条件不同，分为低温的三斜晶系变体、低温的单斜变体和高温的三斜变体。硅灰石分为α晶型和β晶型，其中α晶型通常为粒状和粉状，而β晶型为针状、纤维状[2]。自然界产出的硅灰石一般为β型，呈纤维状、针状或放射状集合体。

2 硅灰石的改性技术

虽然硅灰石的添加可以赋予纸张特殊性能，但是由于硅灰石本身纤维较短、柔软性差、脆性大，其表面极性基团少，与植物纤维的交织作用不强[3]。试图通过增加硅灰石添加量来降低植物纤维原料的用量时反而会影响成纸强度，表面改性技术在一定程度上可以弥补这种缺陷。硅灰石改性技术可采用物理法、化学法、机械力化学改性。

2.1 化学法

化学法通过在矿纤颗粒表面引入电解质或表面活性剂而达到改性的目的。表面活性剂分子大多是有机化合物，具有不对称的分子结构，由亲水和疏水两部分基团所组成。表面活性剂的加入可与矿纤表面发生物理吸附，矿纤粒子表面某些功能基的电离、溶解于水中的微量离子的吸附或者与水分子形成氢键。结果，表面活性剂在矿纤和纤维素纤维之间架起了一座“分子桥”，将极性不同、相容性很差的两种物质偶联起来，从而增加了纤维与填料之间的相互作用，改善了纸品性能。同时，因为表面活性剂的加入使得矿纤颗粒表面的某种电荷将出现不平衡，产生了电位差，矿纤、纤维素纤维和其他填料等在碰撞时发生凝聚。这样在助留剂的作用下，加剧凝结和附聚程度，从而使矿纤大量附着在植物纤维表面，增加了填料留着率[4]。

2.2 物理法

物理法是指不用表面改性剂而对矿纤颗粒表面实施表面改性的方法，其中包括涂覆改性和高能表面改性等。涂覆改性是利用有机物或无机物包覆于表面以达到改性的方法。高能表面改性是利用红外线、紫外线、电晕放电、等离子体照射和超声波等技术进行表面改性的方法。高能表面改性工艺较复杂、成本高，現阶段只作为研究方向并未实现工业化。

3 硅灰石在造纸工业中的应用

硅灰石不同于传统的填料，它加填于纸张中并不是简单的填充，而是凭借其高长径比与植物纤维交织在一起，构成“植物纤维-矿物-纤维”网状结构，从而部分替代植物短纤维。

3.1 作为填料

福建南纸的郑飞[5]利用南纸PM2新闻纸机100%脱墨浆（浆中已添加淀粉、定着剂、硫酸铝等）在实验室加填一定量的硅灰石，而后加入一定量的CPAM，搅拌之后抄片并分析添加硅灰石对成纸性能的影响。实验表明，新闻纸中添加硅灰石能有效降低白水中的COD含量，节约纤维，降低成本，有较好的经济效益，美中不足的是成纸的表面强度有轻微下降[5]。

佛山华丰纸业的周锐[6]将1250目的硅灰石添加进面浆中（100%NBKP），然后按顺序加入AKD施胶剂和PAM助留助滤剂之后抄片。实验表明，在硅灰石添加量为5%～8%时，对抗张指数、撕裂指数、耐折度的影响并不明显，但是纸张的不透明度有一定程度的提高，达到了提高遮盖力的目的。

天津商业大学的郭玉花等[7]将硅灰石添加到废瓦楞纸浆中抄片，对手抄片的物理性能、力学性能进行测试。研究发现，随着硅灰石加入量的不断增加，成纸紧度先上升后下降，在10%处达到最高点；透气度先下降后上升，在10%处最低；且在加入量为10 %处，成纸的伸长率、撕裂指数、环压指数均有不同程度的提高。

江西省轻工业研究所雷建民等人[8]利用造纸企业现有的造纸工艺流程及设备，在不改变原工艺技术条件的情况下，对新闻纸进行改性硅灰石加填实验。实验结果显示，除白度、不透明度有所提高之外，纸页的表面平整程度与匀度均得到了很大改善。而未添加改性硅灰石的新闻纸平滑度为42s，再依次填加8%、15%、20%的改性硅灰石后，新闻纸的平滑度分别提高了9.5%、33.3%和52.4%；由此也反映出改性硅灰石对新闻纸的适印性也具有很好的改善作用。

3.2 部分替代植物纤维

东北林业大学的刘焱等[9]利用硅灰石替代部分木浆（本色硫酸盐落叶松浆）造纸。实验表明，随着硅灰石加入量的不断增加，成纸的物理强度随之下降，但在加入量为35%时，成纸强度依然可以满足一般包装纸的要求。

河北省地勘局的刘淑鹏等[10]将硅灰石与植物纤维复合造纸。通过实验，硅灰石的加入量高达30%～40%，此时纸样的耐折度、撕裂指数等均与添加20%的碳酸钙填料的纸样相当，这就有效地节约了植物纤维的用量，减少了森林的砍伐，维护了生态平衡。

4 其他用途

中国制浆造纸研究院的孙德文等[11]将硅灰石与其他矿物粉体水处理剂作对比，对其用于再生纸板厂造纸废水处理做了探索性研究。研究表明，经硅灰石处理后的净化水，其色度、浊度指标均比其他商品矿物有明显优势。硅灰石独特的多孔结构对废水中的微细纤维以及染色剂等有极强的吸附作用，因此净化效果明显。

北京林业大学的戴林等[12]以苯乙烯为引发剂，丙烯酸丁酯为单体，OP-10为乳化剂，过硫酸铵为引发剂，加入纳米硅灰石粉体，采用乳液聚合的方法制备出苯丙乳液表面施胶剂并对施胶纸张的印刷性能做了研究。研究表明，随着纳米硅灰石粉体用量的增大，Zeta电位先增大后减小，施胶之后，纸张白度升高，不透明度降低，色密度升高。表面施胶弥补了非木材纤维造纸的不足，赋予纸张优良的印刷适性，符合国际发展的大趋势。

青岛科技大学常建栋以硅灰石取代部分表面施胶淀粉用于瓦楞纸的表面施胶并对施胶后的瓦楞纸环压、抗张等强度指标进行对比。由于硅灰石的加入也会使抗水性有一定程度的降低，故导致瓦楞纸表面施胶后抗水性急剧下降。因此常建栋又用实验室自制AKD施胶乳液与淀粉-硅灰石糊化液按一定比例混合来提高施胶后瓦楞纸的抗水性。改用淀粉替代剂取代一部分淀粉，瓦楞纸的抗水性能也有较好的提高。这样不仅可以在不添加AKD的情况下解决纸张的抗水问题，而且一定程度上节约了淀粉，降低了成本。

总之，对硅灰石等矿物纤维的研究和利用是极其重要的，硅灰石在造纸方面的应用还有很多待开发空间需要继续深入研究，以改善成纸性能和印刷性能并赋予成纸一些特殊的功能性，同时可以降低生产成本等。

参考文献

[1] 聂永俊.矿物复合纤维在造纸中的应用研究[D].南京：南京林业大学，2005.

[2] 刘焱，于钢.造纸用硅灰石的应用研究现状与发展前景[J].造纸科学与技术，2008，27（4）：45-48.

[3] Gou ZG，Chang J.Synthesisand in vitrobio activity of dicalciumsilicate pow ders[J].Journal of the European Ceramic Society，2004（24）：93-99.

[4] 常建棟.硅灰石的改性及其在造纸工业中的应用[D].青岛科技大学，2014.

[5] 郑飞.新闻纸矿物纤维加填研究和应用[J].造纸科学与技术，2006，25（5）：50-53.

[6] 周锐.矿物纤维在涂布白纸板面浆加填中的应用实践[J].造纸科学与技术，2007，26（6）：56-58.

[7] 郭玉花，计宏伟，滕立军，等.矿物纤维与废瓦楞纸箱浆配抄手抄片的性能[J].纸和造纸，2011，30（1）：26-28.

[8] 雷建民，刘文静，王建.纤维状矿物在造纸生产中的应用试验[J].纸和造纸，2006（25）：38-39.

[9] 刘焱，于钢.硅灰石替代部分木浆的研究[J].造纸化学品，2009，21（6）：12-15.

[10] 刘淑鹏，张小伟，李玉宝.硅灰石与植物纤维复合造纸研究[J].矿产保护与利用，2010（6）：16-20.

[11] 孙德文，宋宝祥，王成海.合成硅酸钙特性及其在造纸废水处理中的应用[J].纸和造纸，2011，30（6）：52-54.

[12] 戴林，曾威.纳米填料在表面施胶剂中的应用[J].纸和造纸，2011，30（11）：27-29.