造纸湿部化学 第六章造纸用填料与色料化学.docVIP

第六章 造纸用填料与色料化学 造纸填料是一种颗粒细小的白色颜料，是纸料中除纤维之外占比例最大的组分，其加入量可占到纸料组分的20-40%。加填的最初目的是降低纸张生产成本，但后来发现纸张的许多性质都需要通过加填才能达到，而有些填料的价格也远远超过纤维，因此，目前加填早已成为纸张生产中必不可少的工艺过程，我们在这里将填料归类为造纸功能助剂。 纸浆由于脱木素程度的不同可呈白色、微黄色和黄褐色，生产彩纸时，需要利用色料对纸浆染色；生产一般纸张时，也要根据用户的要求利用色料调整纸张的色调，或使用色料保持纸张的色调一致，因为人类的眼睛对颜色非常敏感，可辨别出纸张间轻微的颜色或色调差异；有时，还要使用色料达到光学增白的效果。因此，色料作为一种功能助剂在造纸生产中应用的越来越广泛。 6.1 造纸用填料 填料的粒度要远小于纤维，纸张中加入填料后，通过填充纸页中纤维间的空隙，可提高纸页的匀度和表面平滑度。由于填料的白度和折射率一般较纤维高，而粒度小、比表面积大，加填可提高纸张的不透明度和白度。事实上，加填是控制纸张光学性质的主要手段。纤维易于吸水润胀，加填后可提高纸张的尺寸稳定性，减少纸张的吸水变形。通过加填还可调整纸张对油墨的吸收性，增加纸张的适印性等。如果不是生产高不透明度的纸张，加填还可以降低纸张生产成本。当然，加填对纸张和造纸过程也有不利影响。加填会减少纤维间的结合，造成纸的强度下降，印刷时易掉毛掉粉，同时会增加对纸机的磨蚀。如何充分利用填料的性质改善纸张性能、降低成本而又减少加填对纸张的不利影响，则需要了解填料性质、各种填料特性和加填与纸张性质的关系。 6.1.1填料的性质 在填料的性质中与造纸有关的重要性质包括光学性质、颗粒形态与粒度、比表面积、表面化学、pH值、溶解性和磨蚀性等。 1. 填料的光学性质 当光照在填料上时，一部分光束直接从表面反射回去，其它的光进入到填料内部，部分被填料吸收，部分透过填料。填料对光的反射、吸收和透射就决定了填料的亮度、颜色、光散射系数、不透明度和光泽度等光学性质[]。这些与填料的化学成分、折射率、粒度分布和填料粒子的形状有关。其中亮度由填料的光反射能力决定，与填料的化学或矿物成分及提纯方法有关。氢氧化铝、塑料颜料、煅烧高岭土、合成颜料和沉淀碳酸钙等要比普通填料的亮度高。而填料的颜色由填料对可见光的选择性吸收决定，大部分填料为白色颜料，即对可见光没有吸收。填料的相对光散射系数则为透射光强度由光反射引起的相对降低[1] （6-1） 其中，S为光散射系数, cm2/g；I为入射光强；IR为反射光强；W为纸的定量，g/cm2。表6-1是一些典型的造纸填料和纤维的光散射系数。 表6-1 填料和纤维的光散射系数 填料 光散射系数 cm2/g 高岭土填料 1100-1200 锻烧高岭土 2600-3000 研磨碳酸钙 1400-1700 沉淀碳酸钙 2200-2700 二氧化钛 4500-6000 漂白化学浆 220-350 机械浆 500-750 从表中可地看到，在矿物填料中，光的散射能力差异很大，二氧化钛是最好的光散射物质，而矿物颜料相对于纸浆纤维对光有更好的散射能力。填料的光散射系数取决于填料的折射系数和填料粒度的分布，并最终表现为填料的遮盖力[]。 折射率是由填料的化学成分和分子结构所决定的一项基本性质。纤维的折射率为1.55，一般填料的折射率在1.56-1.66之间，而锐钛矿和金红石型的TiO2的折射率分别为2.55和2.76。填料的折射率越高，与纤维的折射率差别越大，则纤维－填料界面上光的散射能力越强；而填料的粒度越小、越均一，在同样的加填量和纸张定量下所能提供的散射界面就越多，散射能力就越强，光经过多次反射，纸张的不透明度也就越高。因此，填料的遮盖力主要取决于填料的折射系数和粒度及其分布。其中TiO2填料是遮盖力最强的造纸填料。 2. 填料粒度与颗粒形态 填料粒度的大小、粒度分布及填料粒子的聚集程度强烈地影响着填料的光学性质。当填料粒度范围较窄，特别是填料在纸张中均匀分布时，有助于提高光散射程度。理论上，具有高折射率的球形颗粒的粒度等于光束波长的一半时，可获得最大的光散射，因此，高折射率球形填料粒子的粒度在0.2-0.3μm 时具有最大的遮盖力。折射率较低的球形填料粒子则需要在较大的粒径（0.4-0.5μm）下取得最高的遮盖力。实际上，除二氧化钛填料的粒度在最佳范围之内外，一般填料的粒度要比最佳粒度大。但如果填料具有多孔或聚结结构，而孔的尺寸在最佳粒度范围内，也可获得高光散射能力，煅烧高岭土、合成硅石（silica）和某些类型