纤维网络中填料聚集体形态与分布对纸张强度的影响及其调控机制

Increasing mineral filler content in paper while maintaining paper strength is a challenge in paper industry. The limitation of filler content in paper is 30%. Our previous study found that the loss of strength of filled paper was not mainly attributed to filler properties but depended on filler aggregate morphology and distribution in fiber matrix. Therefore, based on the differences of the morphology between filler aggregates, the relationship between the properties of filler and filler aggregates are investigated by employing Nano-CT, SEM . The mechanism and effect of filler aggregates on paper structure and strength are explored by controlling Z-distribution of filler in paper (expressed by concentration factor, shape factor and symmetry factor), and analyzing paper structural parameters. Then, the regulation model are built based on the evolvement rule of filler particles during wet-end process. The results can enrich the theory related to the strength of filled paper and help to develop novel filler technologies.

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潜心研究但尚未在理论上实质性突破的难题，30%已是普通文化用纸填料含量的极限。前期研究发现，纸张强度直接受填料聚集体形态、结构的影响，而非填料原始的理化性质。因此，本课题从填料聚集体结构的差异性角度出发，采用纳米CT、SEM等现代仪器分析手段，研究填料理化特性与填料聚集体结构、尺寸的相关性；通过分层抄造等方法，控制填料Z向分布的集中因子、形状因子和对称因子，分析纸张结构性能参数，探究填料与填料、填料与纤维的相互作用关系，揭示填料聚集体结构与纸张强度关系的内在本质。最后，以纸张填料聚集体形态与结构演变的内在规律为依据，通过控制湿部化学与抄造过程，建立填料聚集体在纤维网络中的调控模型。研究结果可丰富现有加填理论，为新型造纸填料和高加填技术的开发提供理论依据。

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潜心研究但尚未在理论上实质性突破的难题。纸张强度直接受填料聚集体形态、结构的影响，而非填料原始的理化性质。本课题从填料聚集体结构的差异性角度出发，建立了填料聚集体表征方法，研究填料理化特性与纸张填料聚集体结构、尺寸的相关性，揭示填料聚集体结构对纸张强度性能的影响机制。.采用SEM背散射模式获取分层纸张样品的图像，通过MATLAB与Image J等软件提取纸张纤维网络结构中的填料聚集体数据信息。结果表明，纸张中填料聚集体的中粒径、粒径跨度及在纸张Z向的粒径分布标准偏差等特性与纸张强度性能之间存在显著线性关系，且填料聚集体在Z向的粒径分布对纸张抗张指数影响最为显著。此外，填料聚集体的形貌（以分形维数定量化表示）对纸张的光散射系数及松厚度有显著正影响关系。.通过调控填料在纸张Z向的粒径分布可以在明显改善纸张的强度性能同时改善纸张的松厚度、透气度及光学性能等；而通过控制填料在纸张Z向的质量分布，将填料集中分布在上下两层时，可以同时改善纸张的抗张强度及白度等性能；根据填料聚集体特性差异，采用填料复配及预絮聚等方法对纸张填料聚集体形貌进行调控，可实现在保障纸张强度性能的前提下，对纸张的光学性能进行优化改善。研究结果对于丰富现有加填理论，开发新型高加填技术提供了理论和技术依据。