硬矽鈣石作為造紙填料的用途
2023-07-09 03:31:16 1
硬矽鈣石作為造紙填料的用途
【專利摘要】本發明公開了硬矽鈣石作為造紙填料的用途。本發明以40%～60%的植物紙漿纖維原料為骨架，以40%～60%的硬矽鈣石作為造紙填料，用水溶性高分子多元聚合物作增強劑，利用常規造紙工藝方法生產得到高填料紙張。與現有的紙張抄造方法相比，本發明以硬矽鈣石作為造紙填料，在造紙過程中不會出現成紙表面填料「掉粉」的現象，填料在紙機上網後的留著率一般在55%—85%，較傳統造紙填料的留著率高20%—50%，有效減少了填料浪費；本發明方法所抄造的紙張具有伸長率低、不透明度高、平滑度高、無汙染、可降解、可回收、成本低等優點。
【專利說明】硬矽鈣石作為造紙填料的用途
【技術領域】
[0001]本發明涉及硬矽鈣石的新用途，尤其涉及硬矽鈣石作為造紙填料製造文化用紙的用途，屬於硬矽鈣石在紙張抄造中的應用領域。
【背景技術】
[0002]目前常規的造紙生產領域，以文化用紙為例，是以大量的植物纖維紙漿為主作為紙張骨架，通過流送系統向植物纖維中再填加約10%?25%不等的碳酸鈣或滑石粉等傳統礦物填料和少量的化學助劑完成造紙。這種紙張具有較高的印刷性能和書寫性能及其它的使用性能，為人類的文化發展及精神文明發展和歷史延續起到了功不可沒滅的作用。造紙工業中使用填料是為了達到提高紙張均勻度、不透明度和降低成本等目的，原料主要為廣泛易得且價格低廉的無機礦物質為主，目前主要使用的有:輕質碳酸鈣、重質碳酸鈣、滑石粉等。造紙工業對填料有如下要求:粒徑均勻、粒徑適宜、較高的白度和化學穩定性、不易發生氧化或還原作用、不溶解或不易溶解於水、有較大的遮蓋率、折射率和散射係數、資源豐富、價格低廉等。
[0003]當前國內常規的造紙填料(如:輕質碳酸鈣、重質碳酸鈣、滑石粉等)存在以下技術問題:
[0004]1、填料本身密度較纖維密度相差較大，如果在漿池中與植物纖維混合加入，會快速沉降至池底，無法與纖維混合均勻，並且在流送系統的叩前、叩後漿池以及抄前池之間的流送轉移過程中由於沉於底部，造成填料利用率低，紙張灰分較低。
[0005]2、現有技術中，填料是在填料高位箱中儲存，並在紙漿即將上網抄造前利用衝漿泵快速加入紙漿中在流送管道中混合，同時也在紙機流漿箱中與纖維進行二次快速混合運動，採取這樣的方式使填料不與紙漿沉降分層。該方法雖然解決了傳統填料密度大沉降速度快的缺點，但是填料與纖維混合時間過短，不利於填料在纖維中的充分物理填充，因此也造成了傳統填料留著率低，且成紙紙面上聚集大量填料，造成紙面「掉粉」的現象。
[0006]3、目前造紙領域使用的常規填料普遍密度較大，即使在工藝上滿足相對較高的填料填加比例，也會由於大量填料的加入影響固定定量紙張的厚度，從而使其無法滿足紙張的指標要求，因此在對紙張有厚度要求的情況下，無法填加過多的傳統填料。
[0007]隨著地球環境的日益惡化，伴隨著植物製漿過程所帶來的環境汙染和植物原料、水及能源的大量消耗，傳統造紙工藝及原料的使用的局限性日益嚴重，亟待改進。
【發明內容】
[0008]本發明的目的之一是將硬矽鈣石作為造紙填料應用於紙張抄造，可提高填料的加填比例並提高紙張的性能。
[0009]本發明目的之二是提供一種以硬矽鈣石作為造紙填料的紙張抄造方法。
[0010]本發明的上述目的是通過以下技術方案來實現的:
[0011]硬矽鈣石呈纖維狀結構，具有白度高、真密度低等性特點，本發明通過大量的實驗發現，將硬矽鈣石作為造紙填料，在保證紙張性能的前提下(提高紙張不透明度、表面光滑度、增加紙張松厚度等指標)，能夠最大程度的減少了植物纖維的使用；因此，本發明提供了硬矽鈣石的一種新用途，即作為造紙填料應用於紙張抄造製備得到高填料文化紙。採用硬矽鈣石取代傳統的造紙填料，不僅最大程度的減少了植物纖維的使用，而且填料利用率高，紙張灰分較高。
[0012]晶須是指具有一定長徑比(一般大於10)和截面積小於52X 10_5cm2的一種針狀單晶體材料。晶須是以單晶形式生長的形狀類似於短纖維，而尺寸遠小於短纖維的須狀單晶體。由於單晶體的這一結構特性，決定了其強度幾乎達到了理論計算值(即價鍵組合強度值)，是目前發現的固體的最強形式，其強度遠遠超過目前大量使用的各種增強劑。晶須直徑極小，約為0.1-10 μ m，長徑比在5-1000之間。
[0013]硬娃I丐石晶體屬於單斜晶系，a=l.67nm, b=0.73nm, c=0.695nm,其化學式為6Ca0.6Si02.H2O,密度為2.79g/cm3,屬於娃灰石類水化娃酸|丐。Mamedov和Belov對硬娃隹丐石的晶體結構分析發現:晶體結構如同娃灰石，由一個在同一方向上(纖維延長方向)的偏矽酸鏈和一個CaO8的八面體組成的雙三節鏈，三節鏈是通過Ca2+和OH-離子連接起來的，結構見圖1。
[0014]硬矽鈣石的補強作用能與植物纖維的氫鍵相結合形成較為穩定的化學鍵，不僅可以提高填料的填加比例，而且填料與纖維的結合兼有物理填充和化學結合的特性，結合穩定，成紙質量較好，因此符合高填料造紙的要求。此外其特殊的纖維針狀結構與紙漿纖維接近，更利於直接與紙漿進行交叉和成形。此外，生產硬矽鈣石的原料主要使用電廠粉煤灰或工業水玻璃，原料廣泛易得，生產工藝簡單易行，因而可作為新型造紙填料廣泛應用。
[0015]作為參考，本發明提供了一種以粉煤灰為主要原料生產硬矽鈣石的方法，該方法包括以下步驟:
[0016](I)精製脫矽液的製備:將粉煤灰加入到14%_20%的氫氧化鈉溶液中形成漿液，控制氫氧化鈉和粉煤灰幹基的質量比為0.45-0.7:1，溫度為100?140°C，在此條件下脫矽l-3h，反應結束後對脫矽漿液進行固液分離，並將脫矽濾液經過葉濾機精濾，液體即為精製脫矽液；
[0017](2)精製石灰乳的製備:將採石場得到的石灰石經過破碎、洗石、分級後，控制尺寸為75-150mm，在立窯中使用20_40mm無煙煤進行煅燒，得到的石灰過篩去掉煤渣(灰)和小粒石灰及石灰粉塵後，破碎為10-30mm後，與溫度為55-65°C的溫水按照石灰:水=1:4.8混合進行消化，消化完成後使用熱水進行稀釋，然後經過三級篩和旋液分離器後得到精製石灰乳液；
[0018](3)硬矽鈣石水熱合成:將上述得到的精製脫矽液和石灰乳液的濃度進行調整，脫矽液稀釋到SiO2濃度l-10g/L，石灰乳液濃度控制為CaO濃度為2_8g/L，控制脫矽液和石灰乳液中的鈣矽摩爾比1.0，水固比20-30:1，然後進行混合均勻，在水熱高壓反應釜內升溫至180-240°C，升溫及反應時間控制為2-8h，攪拌速度100_400rpm，然後在180_220°C下保溫l_5h，攪拌速度50-200rpm，反應完成後降到室溫後過濾烘乾既得產物硬矽鈣石。
[0019]本發明的另外一個目的是提供一種高填料紙張的抄造方法，該方法包括:
[0020](I)把漂白紙漿分散後送入叩前儲漿池，調節疏解纖維；將疏解後的纖維打漿，漿料送入叩後儲漿池，備用；(2)將硬矽鈣石與叩後儲漿池中的漿料充分混合、攪拌，得到混合漿料I ; (3)向混合漿料I中依次加入增強劑、分散劑、助留助濾劑和抗水劑，混合均勻，得到混合漿料2 ; (4)混合漿料2進入流送系統按照常規造紙工藝進行紙張抄造。
[0021 ] 為了達到更好的技術效果，步驟(I)中，按總質量計，把佔質量分數為40%?60%的漂白紙漿用水力碎漿機碎解分散後送入叩前儲漿池，調節疏解纖維漿料的質量分數濃度到6%?10% ;用盤磨機將疏解後的纖維打漿到30° SR?60° SR的打漿度後，把漿料濃度調節到質量分數為4%?6%送入叩後儲漿池。
[0022]優選的，步驟(2)中將硬矽鈣石與水分散均勻後，通過過篩除渣，導入到叩後儲漿池中與打漿後的纖維充分混合，並在水平推進器或垂直攪拌槳作用下混合攪拌0.5-1.5小時；
[0023]優選的，步驟(3)中，向混合漿料I內加入相對紙漿質量分數為I %?5%的增強劑,攪拌並混合均勻；再加入相對紙漿質量分數為0.5%?1.5%的分散劑，攪拌並混合均勻；再分別加入相對紙漿質量分數為0.3%?3%的助留助濾劑和相對紙漿質量分數為
1.0 %?4.5 %的抗水劑，得到混合漿料2 ；
[0024]優選的，步驟(4)中加水調節混合漿料2濃度質量分數為2%?3%後進入流送系統。
[0025]此外，在用造紙機抄造成所需定量的紙張時，可根據需要加入相對紙漿質量分數為1.5%?5.5%的塗布膠乳進行浸潰塗布；均勻塗布膠乳後能使組成紙張的纖維之間緊密結合，形成具有較高的拉力和防水性的紙張。
[0026]本發明紙張抄造的加填方法摒棄了傳統造紙填料在流送系統使用衝漿泵等直接加入紙漿的方式，改為預處理後直接導入叩後漿池或在抄前漿池與紙漿混合攪拌的加填方式，該方法不僅簡化了造紙填料的加填工藝，而且保證了填料和植物纖維能夠充分混合均勻，增加內部結合力，紙張表面沒有填料脫落，從而提高紙張性能；具有工藝流程簡單，填料與纖維混合時間短、結合效果好等特點。
[0027]本發明高填料紙張的抄造方法是以40%?60%的植物紙漿纖維原料為骨架，以40%?60%的硬矽鈣石作為造紙填料，用水溶性高分子多元聚合物作增強劑，利用造紙工藝方法生產成紙張；與現有的紙張抄造方法相比，在造紙過程中不會出現成紙表面填料「掉粉」的現象，填料在紙機上網後的留著率一般在55% — 85%，較傳統造紙填料(如輕質碳酸鈣、重質碳酸鈣及滑石粉等)的留著率高20% — 50%，可將大部分填料留著於紙張當中，減少填料浪費；本發明方法所抄造的紙張具有伸長率低、不透明度高、平滑度高、無汙染、可降解、可回收、成本低等優點，特別是在節約植物紙漿纖維方面的強大優勢，使得該填料具有很高的經濟意義、社會意義以及生態環保意義，極具推廣價值。
[0028]與現有的紙張抄造方法相比，本發明方法主要具有以下優點:
[0029]( I)本發明綜合利用電廠廢棄物粉煤灰為原料生產新型造紙填料，原料來源廣泛、成本低廉。不僅最大化的節約了造紙過程中植物纖維的使用，同時避免了傳統造紙工藝使用不可再生的礦產資源作為造紙填料，因此有效保護了生態環境和礦產資源；
[0030](2)硬矽鈣石的物理結構及化學性能優異，其容重較低，因而可在漿池中與纖維在同一層位其充分混合，不會出現分層現象，同時由於其特殊的纖維狀結構能在漿池中與纖維結構充分進行物理填充，因而其結合性能更穩定，在造紙過程中不會出現成紙表面填料「掉粉」的現象，此外由於其密度略輕於纖維，因而大量填加不會降低紙張松厚度，反而會對紙張松厚度有所增加。
[0031](3)採用硬矽鈣石作為造紙填料，填料在紙機上網後的留著率一般在55% — 85%，較傳統造紙填料(如輕質碳酸鈣、重質碳酸鈣及滑石粉等)的留著率高20% — 50%，可將大部分填料留著於紙張當中，減少填料浪費。
[0032](4)採用硬矽鈣石作為造紙填料，該填料在造紙過程中進入白水的部分，有絮凝沉澱的作用，即在沉澱池中可作為吸附劑和絮凝劑將白水中的細小纖維及化學品吸附在纖維狀表面，然後快速絮凝沉澱，能顯著提高造紙白水的沉澱分離速度並減少絮凝劑的使用。
[0033](5)採用硬矽鈣石作為造紙填料的加填工藝過程簡單，設備要求低，對現有造紙工藝和設備改動較小，對設備要求也相對較低，可操作性較高，因而本發明易於產業化推廣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1硬矽鈣石的雙三節鏈結構圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結合具體實施方案來進一步描述本發明，本發明的優點和特點將會隨著描述而更為清楚。但這些實施例僅是範例性的，並不對本發明的範圍構成任何限制。本領域技術人員應該理解的是，在不偏離本發明的精神和範圍下可以對本發明技術方案的細節和形式進行修改或替換，但這些修改和替換均落入本發明的保護範圍內。
[0036]預備實施例1硬矽鈣石的製備
[0037]將粉煤灰20g加入到濃度為14%的氫氧化鈉溶液81.43g中，攪拌後形成漿液，在該條件下控制了氫氧化鈉和粉煤灰幹基的質量比為0.5:1，漿液溫度升至120°C，在此條件下脫矽2h，反應結束後對脫矽漿液進行固液分離，並將脫矽濾液經過葉濾機精濾，固體作為生產氧化鋁的原料，液體經稀釋為2.67L，其Si02濃度為2.99g/L，將其作為水熱合成硬矽鈣石的矽質原料。再將採石場得到的石灰石經過破碎、洗石、分級後，控制尺寸為80_，在立窯中使用30mm無煙煤進行煅燒，得到的石灰過篩去掉煤渣(灰)和小粒石灰及石灰粉塵後，破碎為20mm後，與溫度為60°C的溫水按照石灰冰=1:4.8混合進行消化,消化完成後使用熱水進行稀釋，然後經過三級篩和旋液分離器後得到精製石灰乳液進行稀釋，製成
2.67LCa0濃度為2.79g/L的乳液作為水熱合成硬矽鈣石的鈣質原料。將上述得到的精製脫矽液和石灰乳液混合均勻，控制脫矽液和石灰乳液中的鈣矽摩爾比1.0，在水熱高壓反應釜內升溫至220°C，升溫及反應時間控制為5h，攪拌速度350rpm，然後在200°C下保溫2h，攪拌速度IOOrpm，反應完成後降到室溫後過濾烘乾既得產物硬矽鈣石15.43g。
[0038]預備實施例2硬矽鈣石的製備
[0039]將粉煤灰20g加入到濃度為15%的氫氧化鈉溶液60g中，攪拌後形成漿液，在該條件下控制了氫氧化鈉和粉煤灰幹基的質量比為0.45:1，漿液溫度升至115°C，在此條件下脫矽3h，反應結束後對脫矽漿液進行固液分離，並將脫矽濾液經過葉濾機精濾，固體作為生產氧化鋁的原料，液體經稀釋為3L，其Si02濃度為2.67g/L，將其作為水熱合成硬矽鈣石的矽質原料。再將採石場得到的石灰石經過破碎、洗石、分級後，控制尺寸為70_，在立窯中使用25mm無煙煤進行煅燒，得到的石灰過篩去掉煤渣(灰)和小粒石灰及石灰粉塵後，破碎為15mm後，與溫度為55°C的溫水按照石灰:水=1:4.8混合進行消化，消化完成後使用熱水進行稀釋，然後經過三級篩和旋液分離器後得到精製石灰乳液進行稀釋，製成3LCaO濃度為2.49g/L的乳液作為水熱合成硬矽鈣石的鈣質原料。將上述得到的精製脫矽液和石灰乳液混合均勻，控制脫矽液和石灰乳液中的鈣矽摩爾比1.0，在水熱高壓反應釜內升溫至215°C，升溫及反應時間控制為4h，攪拌速度300rpm，然後在190°C下保溫3h，攪拌速度150rpm，反應完成後降到室溫後過濾烘乾既得產物硬矽鈣石15.48g。
[0040]預備實施例3硬矽鈣石的製備
[0041 ] 將粉煤灰20g加入到濃度為16%的氫氧化鈉溶液75g中，攪拌後形成漿液，在該條件下控制了氫氧化鈉和粉煤灰幹基的質量比為0.6:1，漿液溫度升至125°C，在此條件下脫矽2.5h，反應結束後對脫矽漿液進行固液分離，並將脫矽濾液經過葉濾機精濾，固體作為生產氧化鋁的原料，液體經稀釋為4L，其Si02濃度為2.88g/L，將其作為水熱合成硬矽鈣石的矽質原料。再將採石場得到的石灰石經過破碎、洗石、分級後，控制尺寸為90mm，在立窯中使用35mm無煙煤進行煅燒，得到的石灰過篩去掉煤渣(灰)和小粒石灰及石灰粉塵後，破碎為12mm後，與溫度為62°C的溫水按照石灰冰=1:4.8混合進行消化,消化完成後使用熱水進行稀釋，然後經過三級篩和旋液分離器後得到精製石灰乳液進行稀釋，製成4LCaO濃度為2.69g/L的乳液作為水熱合成硬矽鈣石的鈣質原料。將上述得到的精製脫矽液和石灰乳液混合均勻，控制脫矽液和石灰乳液中的鈣矽摩爾比1.0，在水熱高壓反應釜內升溫至235°C，升溫及反應時間控制為6h，攪拌速度280rpm，然後在210°C下保溫2.5h，攪拌速度120rpm，反應完成後降到室溫後過濾烘乾既得產物硬矽鈣石22.28g。
[0042]實施例1
[0043]按總質量把質量分數為50%的漂白硫酸鹽針葉木漿板用水力碎漿機碎解分散後送入叩前儲漿池，調節漿料的質量分數濃度到6.0% ;用盤磨機打漿到42° SR的打漿度後，把漿料濃度調節到質量分數為4.0%，送入叩後儲漿池；
[0044]將硬矽鈣石(預備實施例1製備)在高速分散器作用下在水中製成乳濁液狀，經過除篩設備後，將計量的佔總質量50%質量分數的硬矽鈣石填料打入叩後儲漿池，與打漿後的纖維在水平推進器作用下充分混合I小時；
[0045]經篩漿機及除砂器淨化紙漿後的紙漿和硬矽鈣石填料的混合漿料送人抄前漿池內繼續進行循環攪拌；向漿內加入相對紙漿質量分數為1.0%的增強劑，攪拌並混合均勻；向漿料中再加入相對紙漿質量分數為0.5%的分散劑；依次再分別加入相對紙漿質量分數為0.3%的助留助濾劑和相對紙漿質量分數為1.0 %的抗水劑；
[0046]加水調節漿料濃度質量分數為2.0 %後送入抄前漿池；
[0047]用造紙機抄造成定量為75g/m2的紙張，加入相對紙漿質量分數為1.5%的塗布膠乳進行浸潰塗布。均勻塗布膠乳後能使組成紙張的纖維之間緊密結合，形成具有較高的拉力和防水性的紙張。
[0048]表I本實施例所製備紙張的有關性能數據
[0049]
【權利要求】
1.硬矽鈣石作為造紙填料的應用。
2.按照權利要求1的應用，其特徵在於，包括:以40%?60%的植物紙漿纖維原料為骨架，以40%?60%的硬矽鈣石作為造紙填料，加入造紙助劑，利用常規造紙方法生產得到高填料紙張。
3.按照權利要求2所述的應用，其特徵在於:所述的造紙助劑包括增強劑、分散劑、助留助濾劑和抗水劑。
4.一種高填料紙張的抄造方法，其特徵在於，該方法包括:(I)把漂白紙漿分散後送入叩前儲漿池，調節疏解纖維；將疏解後的纖維打漿，漿料送入叩後儲漿池，備用；(2)將硬矽鈣石與叩後儲漿池中的漿料充分混合、攪拌，得到混合漿料I ; (3)向混合漿料I中依次加入增強劑、分散劑、助留助濾劑和抗水劑，混合均勻，得到混合漿料2 ； (4)混合漿料2進入流送系統按照常規造紙工藝進行紙張抄造。
5.按照權利要求4所述的抄造方法，其特徵在於:步驟(I)中，按總質量計，把佔質量分數為40%?60%的漂白紙漿用水力碎漿機碎解分散後送入叩前儲漿池，調節疏解纖維漿料的質量分數濃度到6%?10%。
6.按照權利要求4所述的抄造方法，其特徵在於:步驟(I)中，用盤磨機將疏解後的纖維打漿到30° SR?60° SR的打漿度後，把漿料濃度調節到質量分數為4%?6%送入叩後儲漿池。
7.按照權利要求4所述的抄造方法，其特徵在於:步驟(2)中將硬矽鈣石與水分散均勻後，通過過篩除渣，導入到叩後儲漿池中與打漿後的纖維充分混合，並在水平推進器或垂直攪拌槳作用下混合攪拌0.5-1.5小時。
8.按照權利要求4所述的抄造方法，其特徵在於:步驟(3)中，向混合漿料I內加入相對紙漿質量分數為1%?5%的增強劑，攪拌並混合均勻；再加入相對紙漿質量分數為0.5%?1.5%的分散劑，攪拌並混合均勻；再分別加入相對紙漿質量分數為0.3%?3%的助留助濾劑和相對紙漿質量分數為1.0%?4.5%的抗水劑，得到混合漿料2。
9.按照權利要求4所述的抄造方法，其特徵在於:步驟(4)中加水調節混合漿料2濃度質量分數為2%?3%後進入流送系統。
10.按照權利要求4所述的抄造方法，其特徵在於:在用造紙機抄造成所需定量的紙張時，加入相對紙漿質量分數為1.5%?5.5%的塗布膠乳進行浸潰塗布。
【文檔編號】D21H21/10GK103669104SQ201310745956
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月30日 優先權日:2013年12月30日
【發明者】徐鵬, 孫俊民, 張戰軍, 王成海, 魏曉芬, 何路東, 馬鵬程 申請人:大唐國際發電股份有限公司高鋁煤炭資源開發利用研發中心