张海健先生

广东轻工职业技术学院造纸专业学生。

造纸填料是造纸中不可缺少的重要组分，其加入量能占到纸浆总物料的10%～40%[1]。填料的使用不仅能改善成纸的白度、不透明度、透气性、印刷适应性等，还能赋予纸张以特殊性能，如阻燃性和抗菌性等。常用的填料粒子尺寸较小（一般为0.2～10μm），远小于纸浆纤维，使其在抄纸过程中很难依靠纸浆纤维机械截留的作用留在纸张中。因此，如何提高填料的留着率，尤其是对高加填纸张生产过程尤为关键。填料留着率的提高不仅可以降低纸张的生产成本，还能降低造纸白水循环的负荷。

在实际生产过程中，一般通过添加助留剂来提高填料的留着。常见的助留系统包括单独使用一种阳离子聚合物的单元助留系统[2,3]，阴/阳离子聚合物复配或阴离子聚合物/金属盐复配的二元助留体系和阳离子聚合物/阴离子微粒复配的微粒助留体系[4～6]。近三十年来，由于造纸装备的升级和环保意识的加强，造纸机车速和白水封闭循环程度日益提高，以及人们对高填料量的追求，造纸湿部化学工艺变得越来越复杂，大量实践证明单元或二元助留体系已很难满足生产要求[7]。与传统的单元或二元助留体系相比，微粒助留具有更高的细小纤维和填料留着率，滤水性好，能适用白水封闭循环等优点[8,9]。微粒助留体系的助留作用原理如图1所示，首先在冲浆泵或压力筛之前加入阳离子聚合物，使纤维、细小纤维和填料发生絮聚，然后这些絮聚体在泵或筛的剪切作用下被分散，最后加入阴离子无机微粒使分散开的微絮聚体重新絮聚，从而将填料和细小纤维留着于纸张中。

近些年，阳离子聚合物/有机微粒聚合物和阳离子聚合物/膨润土等微粒助留体系[10,11]已经被大量研究并在造纸生产中广泛应用，而对胶体二氧化硅、微溶胶二氧化硅在微粒助留系统中的应用较少。大量的实践证明，颗粒尺寸小于3nm的离散型胶体二氧化硅粒子体系不具有助留作用，但如果连成直线或分支状，则其助留能力大大提高[12]。硅溶胶一般是由3～5nm的二氧化硅粒子连接在一起形成的聚集体，聚集体尺寸达到20～50nm，表面积高达m2/g以上，抗机械扰动能力强，应用在微粒助留系统中具有很好的前景。

本文以PCC加填的手抄纸为研究对象，研究了硅溶胶/阳离子淀粉组成的微粒助留系统在不同加填量下对PCC的留着效果，并对其配方和用量进行优化；比较了硅溶胶/阳离子淀粉微粒助留系统与纸厂常规助留剂的优劣；最后，初步探究了硅溶胶/阳离子淀粉/瓜尔胶组成的二元微粒助留系统在高加填量下对PCC的留着效果。

1实验

1.1原料与仪器

漂白针叶木浆；3种硅溶胶（代号分别为1#、2#、3#）来自佛山科凝新材料有限公司；阳离子淀粉来自东莞某纸厂；PCC来自江门某纸厂；工厂粉为阳离子型聚丙烯酰胺，工厂液为阴离子型聚丙烯酰胺，都来自于东莞某纸厂；ZQJ1-B型全自动纸页成形器，ZQS2-23型瓦利打浆机，LY-型马弗炉，RH-P型纸张耐破度仪。

1.2实验方法

1.2.1纸浆准备：按照QB/T-标准利用瓦利打浆机进行打浆（打浆度38°SR），按照QB/T-标准利用标准纤维解离器进行浆料疏解，按照ISO/2-标准利用全自动纸页成形器进行手抄纸抄造。

1.2.2硅溶胶/阳离子淀粉微粒助留实验：先将纸浆和一定量填料和阳离子淀粉混合，在标准纤维解离器中疏解，5min内加入一定量硅溶胶，混合后进行手抄纸抄造。

1.2.3硅溶胶/阳离子淀粉/瓜尔胶二元微粒助留实验：先将纸浆和一定量填料和阳离子淀粉混合，在标准纤维解离器中疏解，5min内加入一定量瓜尔胶和硅溶胶，混合后进行手抄纸抄造。

1.3检测方法

1.3.1填料留着率

利用灼烧后称量纸张灰分的方法测定纸张填料留着率，纸张灰分的含量按照GB/T-标准进行检测。

1.3.2纸张耐破强度的测定

按照GB/T-标准测算手抄纸的耐破指数，kPa.m2/g。

2结果与讨论

2.1硅溶胶/淀粉助留系统对PCC的助留效果

图2表示添加三种不同种类的硅溶胶/阳离子淀粉对手抄纸过程中填料PCC留着率和纸张物理性能的影响。硅溶胶的用量和阳离子淀粉的用量皆以纸浆绝干质量来计算。由图2可知，由于所用PCC颗粒粒径较小，再加上所用浆料疏解器强烈的剪切作用，未加助留剂的手抄纸PCC留着率仅为18%；在相同的打浆和抄纸条件下，添加不同配比的硅溶胶/阳离子淀粉后，手抄纸的填料留着率都有明显提高，这主要是由于带负电性的纳米二氧化硅聚集体能够将表面吸附阳离子淀粉后的PCC颗粒牢牢地固着在纸浆纤维上，从而提高了PCC的留着率。添加0.3%1#硅溶胶复配1.0%阳离子淀粉后，手抄纸的PCC留着率达到56%；而添加0.8%3#硅溶胶复配1.0%阳离子淀粉后，PCC的留着率最高可达63%,远比仅靠纸浆纤维的机械截留的留着效果好。

另外，阳离子淀粉的使用量也明显影响整个助留体系的填料留着效果。在纸浆系统中，与纸浆纤维相比，PCC尺寸较小、负电性较高，因此填料会优先与纸浆纤维与阳离子淀粉结合。阳离子淀粉添加量不够，不足以改变填料粒子的带电性或带电性不够，使浆料体系不能形成稳定的絮聚体，填料留着率必然不高；阳离子淀粉添加量过大，整个纸浆系统都带正电荷，也会影响填料的留着。由图2可知，1#硅溶胶复配1.0%用量的阳离子淀粉具有相对较高的填料留着率；2#硅溶胶复配0.8%～1.0%的阳离子淀粉具有较好的助留效果；3#硅溶胶在硅用量较低（低于0.3%）时复配0.5%的阳离子淀粉助留效果好，而当硅用量较大（大于0.5%）时，阳离子淀粉用量增大到0.8%～1.0%助留效果更好。三个系列的硅溶胶与淀粉的最佳配比不同，可能与三种系列硅溶胶的浓度、尺寸和表面电荷密度不同有关。

通常，在造纸过程中填料的使用会影响纸浆纤维的机械交织和氢键结合，从而降低纸张的物理强度，因此填料加填量越大，留着率越高，纸张物理强度应该越小。由图2～图4可知，随着硅溶胶/阳离子淀粉助留体系添加量的增大，不但填料的留着率明显提高，成纸的耐破指数也有所提高，这可能是因为：（1）硅溶胶/阳离子淀粉助留系统同时提高了细小纤维的留着率；（2）硅溶胶提高了纸浆纤维网络的物理交织力，对纸张的物理强度有一定的提升作用。

2.2硅溶胶微粒助留系统与造纸厂常用助留剂的比较

图3、图4为某纸厂常用的二元助留系统与硅溶胶/阳离子淀粉微粒助留系统的填料助留效果的比较，本实验所用填料为PCC，加填量皆为10%。由图3可知，按某纸厂的标准用量添加二元助留系统(工厂粉+液)后的填料留着率与空白对照相比，填料留着率能从6%提高到40%；添加不同配比的硅溶胶/阳离子淀粉的手抄纸的填料留着率处于47%～55%之间。由图4可知，按标准用量添加二元助留系统(工厂粉+液)后，手抄纸的填料留着率提高，使得纸样的耐破强度有所下降；而添加不同配比的硅溶胶/阳离子淀粉的手抄纸耐破强度都有所提高，最好的提高了51.9%。由数据可得，硅溶胶/阳离子淀粉组成的微粒助留系统比工厂常规使用的二元助留系统具有更好的填料留着效果和更高的成纸强度。

2.3PCC加填量对硅溶胶/淀粉微粒助留系统留着效果的影响

近些年，纸张高加填量是造纸工业的主流趋势，在某些纸种中，比如卷烟纸和壁纸等，填料的加填量普遍高于20%。一般而言，常规的单元或二元助留剂在高加填抄纸中留着效果明显变差。因此，研究硅溶胶/阳离子淀粉微粒助留体系在高加填量条件下的使用效果尤为重要。由图5可知，随着加填量的逐渐提高，使用三个系列的硅溶胶/1%阳离子淀粉助留剂的手抄纸填料留着率都有所下降。其中，加填量由10%提高到30%，添加0.8%的3#硅溶胶/1%阳离子淀粉助留剂，手抄纸填料留着率由59%下降到42%；1#和2#的助留剂也有类似的趋势。由数据可得，1#、2#和3#系列的微粒助留剂在高加填抄纸中助留效果下降明显，但是仍比单独使用阳离子淀粉的单元助留剂好得多。

图6为在高加填量抄纸条件下，使用硅溶胶/阳离子淀粉助留剂对成纸物理强度的影响。由图6可知，随着填料加填量的提高，手抄纸的耐破强度逐渐降低。其中，加填量由10%提高到30%，添加0.8%的3#硅溶胶/1%阳离子淀粉助留剂，成纸的耐破指数下降94%；令人奇怪的是，1#、2#和3#硅溶胶复配阳离子淀粉比单独添加相同量的阳离子淀粉，能得到更高的成纸强度。这可能与硅溶胶微粒助留体系能提高细小纤维留着率和对成纸匀度影响较小有关。

2.4硅溶胶/阳离子淀粉/瓜尔胶二元微粒助留系统对高加填PCC留着的探究

为了提高硅溶胶微粒助留体系在高加填纸中填料的留着率，本部分利用阴离子型瓜尔胶协同阳离子淀粉和硅溶胶构成二元微粒助留体系，并探究它们在高加填抄纸条件下对PCC的留着效果。如表1所示，单独使用瓜尔胶对PCC也有很好的留着作用。由于瓜尔胶和纤维素分子结构相似，相互间的亲和力很强，因此可以增加纤维网络的机械交织强度和对细小组分的截留能力，从而提高细小纤维和填料的留着。添加三个系列的硅溶胶/阳离子淀粉/瓜尔胶二元微粒助留剂在较高的加填量下，对PCC的留着率都有一定的提高；其中，添加0.8%2#硅溶胶/1%阳离子淀粉/0.5%瓜尔胶，在PCC加填量30%时，填料留着率能达到47.3%；添加0.8%3#硅溶胶/1%阳离子淀粉/0.5%瓜尔胶，在PCC加填量高达35%时，填料留着率仍能达到45.7%。硅溶胶/阳离子淀粉/瓜尔胶二元微粒助留系统对高加填量的PCC有优异的留着表现，可能归因于由阴离子瓜尔胶/阳离子淀粉组成的二元助留系统和由阳离子淀粉/硅溶胶组成的微粒助留系统的协同作用。通过引入两种助留体系的补丁效应和桥联作用，使尽可能多的填料粒子固着在纸浆纤维上。考虑到本实验并未对二元微粒助留系统的配方进行优化，其对填料的助留能力仍有很大的提升空间。

3结论

3.1在相同的打浆和抄纸条件下，使用三种系列的硅溶胶/阳离子淀粉的手抄纸的PCC留着率均有明显提高,填料留着率最高可达63%。

3.2对硅溶胶/阳离子淀粉的配比进行研究，发现1#和2#硅溶胶复配0.8%～1.0%的阳离子淀粉对PCC具有较好的助留效果；3#硅溶胶在硅用量较低（低于0.3%）时复配0.5%的阳离子淀粉助留效果好，而当硅用量较大（大于0.5%）时，阳离子淀粉最佳用量随之增大到0.8%～1.0%。

3.3与纸厂常规使用的二元助留系统相比，硅溶胶/阳离子淀粉组成的微粒助留系统具有更好的填料留着效果和更高的成纸强度。

3.4三个系列的硅溶胶/阳离子淀粉微粒助留剂在高加填抄纸中助留效果有所下降，但仍比仅使用阳离子淀粉相同条件下在PCC留着和成纸物理强度上要好得多。

3.5硅溶胶/阳离子淀粉/瓜尔胶二元微粒助留系统对高加填量的PCC有优异的留着表现，在高加填纸张中有很好的应用前景。