一種用於造紙填料的改性矽灰石的製備方法
2023-04-30 10:44:21
一種用於造紙填料的改性矽灰石的製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於造紙填料的改性矽灰石的製備方法，利用無機酸將未改性的矽灰石粉體顆粒表面部分溶解，然後在鹼性條件下將溶解的物質再沉積到矽灰石粒子表面，實現矽灰石顆粒的結構重建，其製備過程包括原料準備、酸化處理、鹼化處理和過濾乾燥等主要步驟。本方法具有工藝簡單、改性化學藥品價廉易得、生產設備投資小等優點，所製備的矽灰石填料白度高、磨損低、松厚性好，繼承了未改性矽灰石的優點，克服了原有的缺點，所抄造的紙頁具有良好的機械強度、光學性能、印刷適應性和外觀性能，延長成型網的壽命，降低紙張生產成本。
【專利說明】一種用於造紙填料的改性矽灰石的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於造紙【技術領域】，涉及一種用於造紙填料的改性矽灰石的製備方法。
【背景技術】
[0002]在造紙過程中加入填料能夠降低生產成本，增加紙張的白度、不透明度等光學性能，改善紙張尺寸穩定性，同時提高紙張的印刷適應性，但是加填也會帶來一些負面作用，例如降低紙張強度。對於一般填料，若造紙過程沒有使用助留系統或使用不當，填料在紙張中留著比較困難。矽灰石是近年來開發的一種新型造紙填料，它是一種三斜鏈狀偏矽酸鈣礦物，分子式為CaSiO3或Ca3Si3O9，化學成分含量:Si0240%~50%、Ca045%~50%、Al2032%~5%、Mg02%~5%，呈白色或灰白色，玻璃光澤到珍珠光澤，密度2.78~2.91g/cm3，硬度4.5~5.0，熔點1544°C，具有較好的熱穩定性和化學穩定性。顆粒呈針狀或纖維狀，生產工藝不同，長徑比不同，通常長徑比為(7~8): 1，有的可達(15~20): I。由於矽灰石的纖維狀外形，吸引了許多造紙研究人員和企業的注意，並進行了系列研究。研究表明，矽灰石可以作為功能填料部分替代紙漿纖維，降低生產成本；與傳統的造紙填料不同，加入一定量的纖維狀矽灰石，對紙張強度影響不大；矽灰石的留著率比傳統填料高，可達70%~80%。但是，矽灰石在實際應用過程中存在兩個問題:(I)矽灰石在分級破碎過程中會表現出沿著解理面解理破碎的趨勢，使得矽灰石粉體形成尖銳的稜角，矽灰石填料硬度較高、粒度較大，在抄紙過程中會對紙機網部(成型網和脫水元件)產生磨損，降低其使用壽命；(2)由於矽灰石的密度高於纖維，當加填量較高時，如果紙頁定量不變，隨著填料量的增加，紙頁的松厚度降低。
[0003]為了進一步提高矽灰石作為造紙填料的應用效果，解決應用中出現的問題，對矽灰石進行改性處理是一種思路。CN102249530A公開了一種利用陽離子醯胺類的高聚物在矽灰石粉碎過程中的幹法改性矽灰石的方法，增加矽灰石的加填量，提高張張的印刷和光學性能。CN103031761A公開了利用多種化學品複合改性造紙用矽灰石的方法，首先在粉碎過程中加入改性劑A，然 後加水使矽灰石成漿後，再依次加入改性劑B和C，以進一步提高填料留著率，從而減少對紙機設備的磨損，提高填料的添加量。CN102745909A公開了一種低磨耗矽灰石填料的製備方法，主要是在填料成漿的情況下在表面包覆一層易成膜的高分子物質。這些方法的思路均是在矽灰石粒子的表面吸附或包覆一層陽離子物質，提高在抄紙過程中的留著率。但是，在矽灰石的粉碎過程中添加改性劑的幹法改性，雖然操作簡單，但實踐證明並不能完全解決矽灰石使用過程中出現的問題，溼法改性可導致填料生產廠家的生產成本、儲運成本增加，或者造紙廠投資增加、操作繁瑣，另外這些方法均是通過添加另外的化學品來改性矽灰石填料，帶來的問題可能干擾紙機溼部的電荷平衡，達不到預想的效果O
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種改性矽灰石製備方法，利用該製備方法獲得的改性矽灰石作為造紙填料，提高紙頁的白度、松厚度並減少抄紙時對紙機脫水元件的磨損。
[0005]本發明實現目的的技術方案如下:
[0006]一種用於造紙填料的改性矽灰石的製備方法，具體方法如下:
[0007]⑴將未改性矽灰石粉體放入水中，攪拌混合，得到質量濃度為1-35 %的矽灰石粉體懸浮液，將懸浮液的溫度升至20-99°C ；
[0008]⑵加入矽灰石重量的0.1-12%的0.01-1.50mol/L磷酸鹽溶液，攪拌混合均勻，將濃度為5-98%無機酸溶液加到矽灰石粉體懸浮液中，無機酸用量為矽灰石重量的1-50%，然後繼續攪拌反應至pH值≥5.5時，反應停止；
[0009]⑶繼續向前述的反應體系中加入質量濃度為0.1-55%無機鹼性物質，調節pH值至6.5-9.5，反應5-90min後停止攪拌，靜置冷卻以使改性矽灰石得以陳化穩定；
[0010]⑷將步驟⑶獲得的反應產物進行過濾和乾燥，即得到改性的矽灰石。
[0011]而且，所述磷酸鹽為三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉、磷酸鈉、多聚磷酸鈉或焦磷酸鈉中的一種或至少兩種的混合物。
[0012]而且，所述無機酸為硫酸、鹽酸、硝酸或磷酸中的一種或至少兩種的混合物。
[0013]而且，所述無機鹼性物質為氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、氫氧化鈣、氧化鈣、氫氧化鋇、氧化鋇和矽酸鈉中的一種或至少兩種的混合物。
[0014]而且,所述未改性娃灰石粉體選用平均粒徑=50 μ m的未改性的娃灰石粉體。
[0015]本發明取得的優點和有益效果是:
[0016]1、本發明以矽灰石為原料，通過無機化學反應改變填料化學組成、顆粒表面狀況等，實現了對矽灰石粉體的粒子重構，在矽灰石粉體顆粒原有的纖維狀或針狀形態的基礎上，表面包覆一層疏鬆多孔物質，在保持原有的特性的同時，白度提高，磨損和堆積密度下降，所加填抄造的紙頁性能好。
[0017]2、本發明涉及的矽灰石改性方法具有工藝簡單、改性化學藥品價廉易得、生產設備投資小等優點，用本發明所製備的矽灰石填料，繼承了未改性矽灰石的優點，克服了原有的缺點，所抄造的紙頁具有良好的機械強度、光學性能、印刷適應性和外觀性能，延長成型網的壽命，降低紙張生產成本，具有光明的工業應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1矽灰石改性前後顆粒形貌變化；圖1a:改性前矽灰石(X500);圖1b:改性後矽灰石(X500);圖1c:改性後矽灰石(X1000);圖1d:改性矽灰石顆粒表面(X5000)；
[0019]圖2為本發明矽灰石改性前後粒徑大小及分布變化，I是改性前，2是改性後。
【具體實施方式】
[0020]下面通過具體實施例對本發明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發明的保護範圍。
[0021]本發明以下的百分比均為重量百分比，特殊標明的除外。
[0022]實施例1
[0023]一種用於造紙填料的改性矽灰石的製備方法，步驟如下:
[0024]⑴將IOg未改性矽灰石粉體加入反應容器中，加水配製成質量濃度為10%的懸浮液，放入水浴中加熱至50°C，並充分攪拌混合；
[0025]⑵加質量濃度為2%的六偏磷酸鈉溶液10ml，攪拌2min後，緩慢加入1.0ml濃硫酸(98% )，當反應體系pH值> 5.5時，酸化反應完成；
[0026]⑶加入質量濃度為5%的燒鹼溶液，調整懸浮液pH值至8.5，繼續反應10min後，停止攪拌和加熱並靜置陳化20min ；
[0027]⑷用布式漏鬥將懸浮液過濾，濾餅在105°C下乾燥即得改性矽灰石。
[0028]用貝克曼庫爾特LS13320雷射衍射分析儀測量顆粒粒徑。使用與對比例相同的混合漿料進行抄紙，不同的是所用的填料是本實施例製得的改性矽灰石填料。按照與對比例相同的步驟得到的紙頁性能如表1所示。可以看出，與未改性矽灰石比較，改性後的矽灰石粒徑增大、白度增加、磨損值下降，加填後所抄造的紙頁松厚度升高、白度增大，而抗張強度、耐破強度和灰分含量略有下降。
[0029]實施例2
[0030]一種用於造紙填料的改性矽灰石的製備方法，步驟如下:
[0031]⑴將15g未改性娃灰石粉體加入反應容器中,加水配製成質量濃度為15%的懸浮液，放入水浴中加熱至80°C，並充分攪拌混合；
[0032]⑵加質量濃度為5%的三聚磷酸鈉溶液10ml，攪拌2min後，緩慢加入1.5ml濃鹽酸(37% )，當反應體系pH值> 5.5時，酸化反應完成； [0033]⑶加入質量濃度為10%的碳酸鈉和矽酸鈉(I:1)混合溶液，調整懸浮液pH值至8.5，繼續反應10min後，停止攪拌和加熱並靜置30min ；
[0034]⑷用布式漏鬥將懸浮液過濾，濾餅在105°C下乾燥即得改性矽灰石。
[0035]用貝克曼庫爾特LS13320雷射衍射分析儀測量顆粒粒徑。使用與對比例相同的混合漿料進行抄紙，不同的是所用的填料是本實施例製得的改性矽灰石填料。按照與對比例相同的步驟得到的紙頁性能如表1所示。可以看出，與未改性矽灰石比較，改性後的矽灰石粒徑增大、白度增加、磨損值下降，加填後所抄造的紙頁松厚度升高、白度增大，而抗張強度、耐破強度和灰分含量基本無變化。
[0036]對比例
[0037]取針葉木漿(打漿度35 ° SR)和闊葉木漿(打漿度35 ° SR)按3:7的比例混合得到混合漿料，混合漿料的質量百分濃度為I %。取上述混合漿料，加入未改性矽灰石填料，加入量20% (相對於絕幹紙料)，攪拌均勻，然後按0.05% (相對於絕幹紙料)用量的加入濃度為0.1%的陽離子聚丙烯醯胺作為助留劑，攪拌Imin後，用快速紙頁成型器抄造定量60g/m2的手抄片，經壓榨後乾燥，所得紙頁供測試用。
[0038]紙頁性能測試項目及採用標準如下:定量(GB/T451.2-2002)、松厚度(GB/T451.3-2002)、白度(GB/T7974-2002)、不透明度(GB/T1543-2005)、抗張強度(GB/T453-2002)、耐破強度(GB/T454-2002)。
[0039]表1改性填料及加填紙頁物理指標
【權利要求】
1.一種用於造紙填料的改性矽灰石的製備方法，其特徵在於:具體方法如下: ⑴將未改性矽灰石粉體放入水中，攪拌混合，得到質量濃度為1-35%的矽灰石粉體懸浮液，將懸浮液的溫度升至20-99°C ； ⑵加入矽灰石重量的0.1-12%的0.01-1.50mol/L磷酸鹽溶液，攪拌混合均勻，將濃度為5-98%無機酸溶液加到娃灰石粉體懸浮液中，無機酸用量為娃灰石重量的1-50%,然後繼續攪拌反應至pH值≥5.5時，反應停止； ⑶繼續向前述的反應體系中加入質量濃度為0.1-55%無機鹼性物質，調節pH值至6.5-9.5，反應5-90min後停止攪拌，靜置冷卻以使改性矽灰石得以陳化穩定； ⑷將步驟⑶獲得的反應產物進行過濾和乾燥，即得到改性的矽灰石。
2.根據權利要求1所述的用於造紙填料的改性矽灰石的製備方法，其特徵在於:所述磷酸鹽為三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉、磷酸鈉、多聚磷酸鈉或焦磷酸鈉中的一種或至少兩種的混合物。
3.根據權利要求1所述的用於造紙填料的改性矽灰石的製備方法，其特徵在於:所述無機酸為硫酸、鹽酸、硝酸或磷酸中的一種或至少兩種的混合物。
4.根據權利要求1所述的用於造紙填料的改性矽灰石的製備方法，其特徵在於:所述無機鹼性物質為氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、氫氧化鈣、氧化鈣、氫氧化鋇、氧化鋇和矽酸鈉中的一種或至少 兩種的混合物。
5.根據權利要求1所述的用於造紙填料的改性矽灰石的製備方法，其特徵在於:所述未改性娃灰石粉體選用平均粒徑=50 μ m的未改性的娃灰石粉體。
【文檔編號】D21H17/69GK104004385SQ201410201352
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月13日 優先權日:2014年5月13日
【發明者】王高升, 薛洪龍, 熊鋼 申請人:天津科技大學