CN102433795A - 造纸填料及其预处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种造纸填料及其预处理方法，属于造纸工艺技术领域；本发明的填料为活性硅酸钙，填料的预处理方法为将所述活性硅酸钙加入水温为50~100℃的热水中，充分搅拌溶解成乳浊液状；本发明的填料原料来源广泛、成本低廉，特别是可综合利用电厂废弃的粉煤灰为原料生产该填料，有效保护了生态环境和矿产资源；填料溶解时间短、能耗低，填料活性高，符合高填料造纸的要求，并且预处理方法流程简单，使填料充分分散和活化，经过预处理后的填料能与植物纤维充分混合均匀，增加填料与纤维的内部结合力，从而提高纸张性能。

Description

造纸填料及其预处理方法
技术领域
 本发明属于造纸生产工艺技术领域，具体涉及一种造纸填料及其预处理方法。
背景技术
目前常规的造纸生产领域，以文化用纸为例，是以大量的植物纤维纸浆为主作为纸张骨架，通过纸机高位箱向植物纤维中再添加约7%~20%不等的碳酸钙或滑石粉等传统矿物填料和少量的化学助剂完成造纸。这种纸张具有较高的印刷性能和书写性能及其它的使用性能，为人类的文化发展和文明传承起到了功不可没的作用。
造纸工业中使用填料是为了提高纸张均匀度、不透明度和降低成本，原料主要为广泛易得且价格低廉的无机矿物质，目前主要使用的有：轻质碳酸钙、重质碳酸钙、滑石粉等。造纸工业对填料有如下要求：粒径均匀、粒径适宜、较高的白度和化学稳定性、不易发生氧化或还原反应、不溶解或不易溶解于水、有较大的遮盖率、折射率和散射系数、资源丰富、价格低廉等。
但目前常规的造纸填料（如：轻质碳酸钙、重质碳酸钙、滑石粉等）及其预处理过程存在以下技术问题：
1、填料多为含水率较低（10%以下）的无机矿物质，多呈粉末状存在，在溶解的过程中，由于粉末颗粒较细，容易出现结团并浮在液面的现象，很难充分溶解，不仅影响溶解时间，降低生产效率，还增加能耗；
2、现有填料不含活性官能基团，因此填料没有化学活性，预处理过程中，无法通过溶解升温和搅拌分散等手段得以激发，因而使用恒温恒速搅拌的落后溶解技术；
3、目前造纸领域使用的常规填料普遍密度较大，在预处理溶解过程中，需要快速搅拌以防止填料沉降分层，因此搅拌能耗较大。
随着地球环境的日益恶化，伴随着植物制浆过程所带来的环境污染和植物原料、水及能源的大量消耗，传统造纸工艺及原料的使用的局限性日益显现。从降低纸浆纤维用量的同时保持纸张本身特性的角度出发，需要改变传统造纸填料及其预处理方法，提高填料的分散性和表面活性，从而以高性能造纸填料较大程度地取代植物纤维，生产高填料纸张。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种造纸填料，该填料原料来源广泛、成本低廉，填料溶解时间短、能耗低，填料活性高，符合高填料造纸的要求。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
本发明的造纸填料，该填料为活性硅酸钙。
进一步，所述活性硅酸钙为块状，其含水率为20%~70%。
进一步，所述活性硅酸钙的真密度为1.2~1.5g/cm3，堆积密度为0.15~0.30g/cm3。
进一步，所述活性硅酸钙的粒径为5~30μm，比表面积为50~150m2/g，白度为89~95%，pH值为8~11。
进一步，所述活性硅酸钙由粉煤灰为原料制成。
本发明的目的之二在于提供一种造纸填料的预处理方法，该预处理方法流程简单，使填料充分分散和活化，经过预处理后的填料能与植物纤维充分混合均匀，增加填料与纤维的内部结合力，从而提高纸张性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
本发明的造纸填料的预处理方法，将所述活性硅酸钙加入水温为50~100℃的热水中，充分搅拌溶解成乳浊液状。
进一步，所述预处理方法的具体步骤为：
1）在活性硅酸钙溶解槽罐中，加入计量的水，并将水温升温至50~80℃；
2）将计量的活性硅酸钙加入到升温后的水中，活性硅酸钙干基在溶解液中的最终固含为30~200g/L； 
3）在活性硅酸钙加入的过程中开启搅拌装置搅拌溶解，转速控制在50~200r/min；
4）当计量的活性硅酸钙全部加入以后，逐渐将水温升温至80~100℃，升温速度低于10℃/min；
5）在升温过程中，逐渐提升搅拌装置的转速至200~500r/min，提升转速后稳定运转10min~3h。
进一步，将所述活性硅酸钙溶解得到的填料浆料通过管道导入30~200目的筛网槽中，经过筛网过滤后的填料浆液进入浆池中与植物纤维混合。
本发明的有益效果在于：
本发明摒弃了传统的造纸填料，使用活性硅酸钙作为造纸填料。活性硅酸钙又称作高分散硅酸钙，是一种新型硅酸盐产品，分子式可表示为：CaO·mSiO2·nH2O，无毒无味，不溶于水、酒精和碱，能溶于酸中；该产品呈白色粉末状，微观形态为分散的颗粒状，结构为疏松多孔。该产品不仅具有白度高、真密度小、堆积密度小、不透明度高、粒度小且均匀等符合造纸填料的物理特性，而且因其表面存在与白炭黑相同的硅氧基和硅醇基官能团，能与植物纤维的氢键相结合形成较为稳定的化学键。因此，该造纸填料与纤维的结合兼有物理填充和化学结合的特性，不仅添加比例高，而且结合稳定，成纸质量较好，在高填料造纸领域显示出十分优越的应用特性和市场潜力。过去，活性硅酸钙主要利用石灰与工业水玻璃合成，存在成本较高、难以推广应用的问题。近来，以粉煤灰为主要原料，制取多孔状活性硅酸钙产品的工艺已经成熟，不仅原料广泛易得，生产工艺可靠，而且生产成本大幅度降低，因此活性硅酸钙可以作为新型造纸填料广泛应用。
因此，本发明具有以下优点：
1）本发明的造纸填料原料来源广泛、成本较低；特别是综合利用电厂废弃的粉煤灰为原料生产该填料（粉煤灰综合利用生产氧化铝联产活性硅酸钙），不大量节约了造纸过程中植物纤维的使用，同时避免了传统造纸工艺使用不可再生的矿产资源作为造纸填料，因此有效保护了生态环境和矿产资源；
2）由于活性硅酸钙密度较小，不容易沉降分层，因此填料溶解时间短、能耗低，特别是含水率为20%~70%的块状活性硅酸钙，不容易出现结团现象，更容易分散溶解；
3）填料物理结构及化学性能优异，填料活性高，特别是经过搅拌状态下水热升温乳化活化预处理，充分分散和激发活性后，其真密度与纤维相近，因而可在浆池中与其充分混合，不会出现分层现象，同时由于其在浆池中与纤维结构充分进行物理填充和化学键结合，因而其结合性能更稳定，在造纸过程中有效避免了成纸表面填料“掉粉”的现象，此外由于其密度略轻于纤维，因而大量添加不会降低纸张厚度，反而会对纸张厚度有所增加；
4）本发明涉及的填料在造纸过程中的留着率较传统造纸填料（如轻质碳酸钙、重质碳酸钙及滑石粉等）的留着率提高20%~50%，本发明的填料在纸机上网后的留着率一般在60%~80%，可将大部分填料留着于纸张当中，减少填料浪费；
5）本发明的预处理方法的工艺流程简单，对现有填料预处理设备改动较小，对设备要求也相对较低，可操作性较强，因而本发明易于产业化推广。
具体实施方式
以下将对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1
本实施例的造纸填料为活性硅酸钙，所述活性硅酸钙的真密度为1.2g/cm3，堆积密度为0.15g/cm3，粒径为5~30μm，比表面积为150m2/g，白度为89%，pH值为8；所述活性硅酸钙由粉煤灰为原料制成，填料生产过程中不完全干燥，而是用板框压滤后保持其含水率为70%，使其成块状。本发明中，含水率是指块状活性硅酸钙中水的重量百分含量。
将上述造纸填料进行如下预处理：
1）在活性硅酸钙溶解槽罐中，加入1m3水，并通过蒸汽将水温升温至50℃；
2）将107.5kg含水率为70%的块状活性硅酸钙加入到升温后的水中，活性硅酸钙干基在溶解液中的最终固含为30g/L； 
3）在活性硅酸钙加入的过程中开启搅拌装置搅拌溶解，转速控制在50r/min；
4）当活性硅酸钙全部加入以后，逐渐将水温升温至80℃，升温速度为6℃/min；
5）在升温过程中，逐渐提升搅拌装置的转速至200r/min后，稳定运转10min；在此过程中活性硅酸钙被充分分散和溶解成乳浊液状，分散后的颗粒表面功能基团充分得到活化；
6）将所述活性硅酸钙溶解得到的填料浆料通过管道导入200目的筛网槽中，经过筛网过滤后的填料浆液进入浆池中与植物纤维混合。
实施例2
本实施例的造纸填料为活性硅酸钙，所述活性硅酸钙的真密度为1.3g/cm3，堆积密度为0.20g/cm3，粒径为5~30μm，比表面积为112m2/g，白度为90%，pH值为10；所述活性硅酸钙由粉煤灰为原料制成，填料生产过程中不完全干燥，而是用板框压滤后保持其含水率为50%，使其成块状。本发明中，含水率是指块状活性硅酸钙中水的重量百分含量。
将上述造纸填料进行如下预处理：
1）在活性硅酸钙溶解槽罐中，加入1m3水，并通过蒸汽将水温升温至60℃；
2）将222.2kg含水率为50%的块状活性硅酸钙加入到升温后的水中，活性硅酸钙干基在溶解液中的最终固含为100g/L； 
3）在活性硅酸钙加入的过程中开启搅拌装置搅拌溶解，转速控制在100r/min；
4）当活性硅酸钙全部加入以后，逐渐将水温升温至90℃，升温速度为5℃/min；
5）在升温过程中，逐渐提升搅拌装置的转速至300r/min后，稳定运转30min；在此过程中活性硅酸钙被充分分散和溶解成乳浊液状，分散后的颗粒表面功能基团充分得到活化；
6）将所述活性硅酸钙溶解得到的填料浆料通过管道导入100目的筛网槽中，经过筛网过滤后的填料浆液进入浆池中与植物纤维混合。
 
实施例3
本实施例的造纸填料为活性硅酸钙，所述活性硅酸钙的真密度为1.4g/cm3，堆积密度为0. 25g/cm3，粒径为5~30μm，比表面积为105m2/g，白度为92%，pH值为10；所述活性硅酸钙由粉煤灰为原料制成，填料生产过程中不完全干燥，而是用板框压滤后保持其含水率为60%，使其成块状。本发明中，含水率是指块状活性硅酸钙中水的重量百分含量。
将上述造纸填料进行如下预处理：
1）在活性硅酸钙溶解槽罐中，加入1m3水，并通过蒸汽将水温升温至70℃；
2）将483.9kg含水率为60%的块状活性硅酸钙加入到升温后的水中，活性硅酸钙干基在溶解液中的最终固含为150g/L； 
3）在活性硅酸钙加入的过程中开启搅拌装置搅拌溶解，转速控制在100r/min；
4）当活性硅酸钙全部加入以后，逐渐将水温升温至90℃，升温速度为5℃/min；
5）在升温过程中，逐渐提升搅拌装置的转速至300r/min后，稳定运转1h；在此过程中活性硅酸钙被充分分散和溶解成乳浊液状，分散后的颗粒表面功能基团充分得到活化；
6）将所述活性硅酸钙溶解得到的填料浆料通过管道导入150目的筛网槽中，经过筛网过滤后的填料浆液进入浆池中与植物纤维混合。
实施例4
本实施例的造纸填料为活性硅酸钙，所述活性硅酸钙的真密度为1.4g/cm3，堆积密度为0. 25g/cm3，粒径为5~30μm，比表面积为105m2/g，白度为92%，pH值为10；所述活性硅酸钙由粉煤灰为原料制成，填料生产过程中不完全干燥，而是用板框压滤后保持其含水率为30%，使其成块状。本发明中，含水率是指块状活性硅酸钙中水的重量百分含量。
将上述造纸填料进行如下预处理：
1）在活性硅酸钙溶解槽罐中，加入1m3水，并通过蒸汽将水温升温至70℃；
2）将312.5kg含水率为30%的块状活性硅酸钙加入到升温后的水中，活性硅酸钙干基在溶解液中的最终固含为200g/L； 
3）在活性硅酸钙加入的过程中开启搅拌装置搅拌溶解，转速控制在150r/min；
4）当活性硅酸钙全部加入以后，逐渐将水温升温至86℃，升温速度为2℃/min；
5）在升温过程中，逐渐提升搅拌装置的转速至400r/min后，稳定运转2h；在此过程中活性硅酸钙被充分分散和溶解成乳浊液状，分散后的颗粒表面功能基团充分得到活化；
6）将所述活性硅酸钙溶解得到的填料浆料通过管道导入50目的筛网槽中，经过筛网过滤后的填料浆液进入浆池中与植物纤维混合。
实施例5
本实施例的造纸填料为活性硅酸钙，所述活性硅酸钙的真密度为1.5g/cm3，堆积密度为0.30g/cm3，粒径为5~30μm，比表面积为50m2/g，白度为95%，pH值为11；所述活性硅酸钙由粉煤灰为原料制成，填料生产过程中不完全干燥，而是用板框压滤后保持其含水率为20%，使其成块状。本发明中，含水率是指块状活性硅酸钙中水的重量百分含量。
将上述造纸填料进行如下预处理：
1）在活性硅酸钙溶解槽罐中，加入1m3水，并通过蒸汽将水温升温至80℃；
2）将221.9kg含水率为20%的块状活性硅酸钙加入到升温后的水中，活性硅酸钙干基在溶解液中的最终固含为170g/L； 
3）在活性硅酸钙加入的过程中开启搅拌装置搅拌溶解，转速控制在200r/min；
4）当活性硅酸钙全部加入以后，逐渐将水温升温至100℃，升温速度为2℃/min；
5）在升温过程中，逐渐提升搅拌装置的转速至500r/min后，稳定运转3h；在此过程中活性硅酸钙被充分分散和溶解成乳浊液状，分散后的颗粒表面功能基团充分得到活化；
6）将所述活性硅酸钙溶解得到的填料浆料通过管道导入30目的筛网槽中，经过筛网过滤后的填料浆液进入浆池中与植物纤维混合。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种造纸填料，其特征在于：该填料为活性硅酸钙。
2.根据权利要求1所述的造纸填料，其特征在于：所述活性硅酸钙为块状，其含水率为20%~70%。
3.根据权利要求1所述的造纸填料，其特征在于：所述活性硅酸钙的真密度为1.2~1.5g/cm3，堆积密度为0.15~0.30g/cm3。
4.根据权利要求1所述的造纸填料，其特征在于：所述活性硅酸钙的粒径为5~30μm，比表面积为50~150m2/g，白度为89~95%，pH值为8~11。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的造纸填料，其特征在于：所述活性硅酸钙由粉煤灰为原料制成。
6.权利要求1至5任意一项所述的造纸填料的预处理方法，其特征在于：将所述活性硅酸钙加入水温为50~100℃的热水中，充分搅拌溶解成乳浊液状。
7.根据权利要求6所述的造纸填料的预处理方法，其特征在于：所述预处理方法的具体步骤为：
1）在活性硅酸钙溶解槽罐中，加入计量的水，并将水温升温至50~80℃；
2）将计量的活性硅酸钙加入到升温后的水中，活性硅酸钙干基在溶解液中的最终固含为30~200g/L； 
3）在活性硅酸钙加入的过程中开启搅拌装置搅拌溶解，转速控制在50~200r/min；
4）当计量的活性硅酸钙全部加入以后，逐渐将水温升温至80~100℃，升温速度低于10℃/min；
5）在升温过程中，逐渐提升搅拌装置的转速至200~500r/min，提升转速后稳定运转10min~3h。
8.根据权利要求6或7所述的造纸填料的预处理方法，其特征在于：将所述活性硅酸钙溶解得到的填料浆料通过管道导入30~200目的筛网槽中，经过筛网过滤后的填料浆液进入浆池中与植物纤维混合。
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