多孔硅酸钙高加填纸张纤维结合及强度形成机理研究

如何在保证纸张强度的同时提高矿物填料在纸张中的含量而降低植物纤维消耗是造纸界长期以来潜心研究但尚未实质性突破的难题，30%已是普通文化用纸填料含量的极限。本课题组在开展粉煤灰高值化利用合作研究中发现，利用粉煤灰脱硅产物制备的多孔硅酸钙在纸张中的填料含量可高达50%，而强度性能与含25%碳酸钙填料纸张基本相当，各项指标都满足需要，并被产业化试生产证实。该硅酸盐矿物在节约纤维生产高填料纸方面显示出广阔的开发利用前景。然而，现有加填理论无法解释该现象。为什么这种硅酸钙在保证强度的同时能大幅度提高纸张加填量？本课题结合现代分析测试手段，对多孔硅酸钙特性与纸张性能的关系进行研究；对填料与纤维之间可能产生的界面摩擦、纤维穿插、化学吸附3种假设等进行探究，以期阐明多孔硅酸钙用作造纸填料的特性要求、揭示高加填纸张纤维结合及强度形成机理。研究成果对国内外粉煤灰高值利用和造纸技术进步有重要科学价值和战略意义。

如何在保证纸张强度的同时提高矿物填料在纸张中的含量而降低植物纤维消耗是造纸界长期以来潜心研究但尚未实质性突破的难题。课题组在开展粉煤灰高值化利用合作研究中发现，利用粉煤灰脱硅产物制备的多孔硅酸钙在保持纸张较好的强度和光学性能的同时，可大幅度提高纸张松厚度，表明该填料在开发高填料轻型纸张方面潜力巨大。为此，采用现代分析测试手段，系统研究了多孔硅酸钙加填纸高强度形成机理。. 采用SEM、XRD、TG-DSC、FT-IR对多孔硅酸钙理化特性进行了表征。与传统填料相比，多孔硅酸钙表面呈蜂窝多孔状，具有粒径大、比表面积高、磨耗低、白度高的特点；基于此，加填技术的研究集中在施胶、助留等湿部化学方面；加填量与纸张性能的演变规律表明，该填料可显著提高纸张的松厚度，当填料含量为15.5%时，比未加填纸松厚度增加41%。在相同松厚度下，该加填纸强度性能优势明显。研究还发现，随着填料粒径减小，成纸抗张强度反而提高，该结论与传统理论有所不同。. 从填料的Z向分布调控及填料与纤维之间产生的表面吸附、界面摩擦和纤维穿插等作用，阐明了多孔硅酸钙加填纸张纤维结合与强度形成机理。多孔硅酸钙表面存在的硅羟基可与植物纤维表面的游离羟基形成氢键，有利于提高二者的结合强度。与合成纤维相比，多孔硅酸钙对分丝帚化的植物纤维吸附作用更强；SEM进一步表明，将纤维从加填纸中剥离时，纤维表面确实吸附了大量填料粒子。这些粒子与细小纤维形成了稳定的复合体，他们之间穿插交错，界面摩擦作用加大，阻止纤维被抽出，进而增强了纸张的结构强度；采用填料/纤维混合磨浆方式加填时，填料与纤维形成相互穿插结构，有利于进一步提高纸张的抗张强度；通过设计填料分布曲线，提出填料分布的集中因子Fc对纸张强度的影响机理，并建立了该因子与纸张各性能的相关性，以实现填料分布与纸张性能的调控。. 研究成果有利于新型填料的开发、有利于丰富和完善加填技术的科学理论体系；同时，所形成的多孔硅酸钙填料加填技术，对国内外粉煤灰高值利用、高填料含量纸张的生产以及造纸业的技术进步具有重要科学价值和战略意义。