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填料表面改性策略及其对纸张性能影响的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

在造纸工业中，填料是造纸原料的重要组成部分，其使用历史可追溯至公元8世纪，当时人们就已开始用部分填料代替浆料纤维抄造纸张。发展至今，填料已成为众多纸种不可或缺的原料，甚至在某些纸张中成为仅次于纤维的第二重要原料。在浆料中添加填料，一方面可降低纸张生产成本，因为填料能够替代部分价格较高的纤维。按照当前商品硫酸盐浆和填料的价格计算，纸张中每增加1%的填料含量，可节约6美元的原料成本。另一方面，添加填料还能改善纸张的光学性能、表面性能和印刷适性。随着填料含量的增加，纸张在成形、压榨和干燥时的脱水速率加快，湿纸幅固含量提高，从而节省干燥蒸汽的消耗。

基于上述诸多益处，目前各类纸种不断提高填料含量成为趋势，尤其是书写和印刷类纸种。当前，拷贝纸的填料含量在北美为18%-20%，欧洲为22%-24%，中国为22%-25%，且中国市场某些印刷纸纸种的填料含量已达30%。纸张生产商仍在努力进一步提高填料含量，期望达到35%-40%，甚至50%的高填料含量。

然而，提高纸张中填料含量也给纸张产品性能和纸机运行性能带来了巨大挑战。其中最大的技术挑战是，填料含量增加会减少或削弱纤维间的结合点，进而导致纸张强度下降。由于填料具有高比表面积，加填还会降低传统造纸干强剂的作用效果以及印刷过程中纸张的拉力。填料含量升高还会致使纸张内结合强度和表面强度下降，在使用过程中出现掉毛、掉粉现象。此外，提高纸张中填料含量的另一个技术问题是填料留着。纤维、细小纤维以及大多数填料都带负电荷，因此在纸张成形时，由于填料和纤维间的静电排斥作用，填料会部分流失，这不仅会间接增加助留剂的使用量，而且填料在纸张z向的分布对纸张的匀度和内结合强度也有较大负面影响。

为解决这些问题，科研人员和造纸工业界一直致力于研发关键技术。其中，对填料进行表面改性是一种有效的解决途径。未经表面改性处理的填料，如碳酸钙属于无机物，颗粒表面极性，亲水疏油且具有团聚性，与有机高聚物相容性差，在高聚物基料中分散不均匀，结合力低，容易产生界面缺陷，导致产品质量不稳定。作为造纸填料，其与纸浆纤维的相容性和结合力差、在纸张中留着率低、会使纸张的机械强度下降。而通过表面改性，可赋予填料优良的物理化学性能，如减少团聚性、增加亲油性和提高与高聚物基料的结合力等。以碳酸钙为例，经表面改性后用于造纸过程，可在不降低纸张强度的情况下，明显提高其在纸张中的留着率。

本研究聚焦于填料的表面改性及对纸张性能的影响，通过深入探究填料表面改性的方法和作用机制，以及其对纸张强度、光学性能、印刷适性等多方面性能的影响，旨在为造纸行业提供更有效的技术支持和理论依据，推动造纸行业在提高填料使用效率、改善纸张性能的同时，实现可持续发展，降低生产成本和环境压力。

1.2国内外研究现状

在造纸工业中，提高纸张中填料含量一直是研究热点，而填料的表面改性及其对纸张性能的影响更是备受关注。国内外学者从多个角度对这一领域展开研究，取得了一系列成果。

在填料表面改性方法方面，国外起步较早，研究较为深入。美国、欧洲等国家和地区的科研团队在偶联剂、聚合物、无机物等改性剂对碳酸钙等常见填料的改性研究上成果丰硕。例如，美国某研究团队通过溶胶-凝胶方法，用二氧化硅包覆在轻质碳酸钙填料表面，完成对轻质碳酸钙的表面改性，发现与使用未改性的轻质碳酸钙作为造纸填料的手抄纸相比，在不影响纸张的结构性能和亮度的情况下，可以得到更好的纸张强度性能。在国内，随着造纸工业的快速发展，对填料表面改性的研究也日益增多。有学者利用阳离子淀粉单独改性PCC填料和阳离子淀粉与硬脂酸钠复配改性PCC填料，结果表明纸张的抗张指数、撕裂指数、滤水性能和填料留着率得到极大提高，且后者优于前者，改性PCC填料可以更好地与纤维结合，因而改善了加填纸张的强度性能和造纸湿部的留着性能。

在填料表面改性对纸张强度性能的影响方面，国外研究主要聚焦于通过改性减少填料对纤维间结合的负面影响，从而提升纸张强度。如欧洲的研究人员通过对滑石粉进行表面改性，使其与纤维的相容性增强，在高加填量下仍能保持纸张较好的强度。国内研究也得出类似结论，浙江理工大学的研究团队采用壳聚糖和羧甲基壳聚糖对滑石粉进行改性研究，结果表明，在壳聚糖粘度为高粘度、壳聚糖用量为5％、壳聚糖浓度为5g／L、反应pH为10时制得的改性滑石粉覆膜量高，加填纸张的强度性能相对较好，光学性能和灰分亦较高。在使用高粘度壳聚糖的条件下，当灰分从20％增加到37％时，和未改性填料相比，抗张指数分别提高了15.0％和64.0％。

关于填料表面改性对纸张光学性能的影响，国外研究发现，某些改性后的填料能有效提高纸张的