CN110003686A - 造纸用重质碳酸钙填料的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及造纸原料的技术领域，公开了一种造纸用重质碳酸钙填料的制备方法及应用。该制备方法包括以下步骤：(1)将重质碳酸钙干粉与水混合，配制成重质碳酸钙悬浮液；(2)在步骤(1)得到的悬浮液中加入助磨剂后，进行研磨，得到浆液；(3)在步骤(2)得到的浆液中加入预糊化淀粉和环氧氯丙烷，混合均匀后研磨，得到造纸用重质碳酸钙填料。本发明中利用左旋环氧氯丙烷促进预糊化淀粉在重质碳酸钙表面形成三维交联网络结构，将制得的造纸用重质碳酸钙填料用于填充造纸后，可以与纤维素形成化学结合与物理缠绕，显著提高了填料留着率，同时改善了纸张的力学性能。

Description

造纸用重质碳酸钙填料的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及造纸原料的技术领域，具体涉及一种造纸用重质碳酸钙填料的制备方法及应用。
背景技术
重质碳酸钙是无机化工产品中最重要的化工原料，广泛应用于造纸行业中的填料和涂料。随着中性或碱性施胶技术的扩大应用、高档涂布印刷纸消费的增长、高速现代纸机的出现及高质量纸张的要求，重质碳酸钙在造纸行业的应用比重得到了突飞猛进的提升。重质碳酸钙除了可以提高纸张的不透明度、增加纸张的吸墨性以及增强纸张的柔软性及光泽度外，还具有价格较低、易施胶、易染色等特点。
造纸填料普遍存在填料留着率低的问题，虽然可以采用添加助留剂的方法提高留着率，但效果并不明显。而且随着填料量的增大，纸张力学强度显著降低。专利CN104973614A公开了一种造纸涂布用重质碳酸钙浆料的制备方法，所述浆料碳酸钙的粒径：D90≤2.0μm，粘度：400-450cps，固含量：68-70wt％，pH值：8-9。与普通重质碳酸钙相比，该发明的重质碳酸钙浆料的磨砂值和吸油值均能得到明显降低，白度有所提高，但仍存在留着率低、影响纸张力学强度等缺陷。专利CN104448942A公开了一种造纸填充超细重质碳酸钙的制备方法，将直径小于1cm的碳酸钙粗料，送入磨粉机中，加入1-3％碳酸钠、1-3％十二烷基二甲基苄基氯化铵，在85-95℃下研磨至5-10μm后，加水配成固含量为70-80％的浆料，再加入1-5％改性剂，在研磨介质中研磨，获得制得粒径为0.1-1μm的改性超细碳酸钙粉。该方法制备的重质碳酸钙，在一定程度上改善了留着率的问题，但其与纸张纤维质的相容性较差，对纸张力学强度不利。专利106893364A公开了一种用于造纸的改性重质碳酸钙的制备方法，包括以下步骤：1)将直径小于2μm的重质碳酸钙加入到反应釜中，并将反应釜升温到80-90℃；2)向反应釜中加入水，配制成固含量为5-10％的悬浮液；3)开动搅拌器，反应釜中的悬浮液搅拌10-15min，搅拌速率为400-500r/分；4)悬浮液冷却，加入改性剂，静置30-50min；5)将悬浮液沉淀、脱水、烘干、筛分得到成品。该发明采用多元醇对碳酸钙进行表面改性处理，提高了碳酸钙与纤维的结合能力，但多元醇为水溶性物质，缺乏与碳酸钙反应的活性基团，很难包覆上去。
综上所述，目前重质碳酸钙作为造纸用填料，仍存在留着率低、影响纸张力学性能等问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的重质碳酸钙作为造纸用填料时留着率低、影响纸张力学性能的问题，提供一种造纸用重质碳酸钙填料的制备方法及应用，该方法制得的重质碳酸钙填料可显著提高造纸填料的留着率，改善纸张的力学性能。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种造纸用重质碳酸钙填料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将重质碳酸钙干粉与水混合，配制成重质碳酸钙悬浮液；
(2)在步骤(1)得到的悬浮液中加入助磨剂后，进行研磨，得到浆液；
(3)在步骤(2)得到的浆液中加入预糊化淀粉和环氧氯丙烷，混合均匀后研磨，得到造纸用重质碳酸钙填料。
优选地，步骤(3)中所述预糊化淀粉的颗粒大小为80-120目，20℃时浓度为2wt％的预糊化淀粉的水溶液粘度为1000-2500mpa.s。
优选地，步骤(3)中所述环氧氯丙烷为左旋环氧氯丙烷。
优选地，所述重质碳酸钙干粉、所述预糊化淀粉与环氧氯丙烷的质量比为333-1000：10-50：1。
优选地，步骤(1)中，所述重质碳酸钙干粉的颗粒大小为400-800目，所述重质碳酸钙悬浮液的固含量为40-60％。
优选地，步骤(2)中，所述浆液的D97粒径为5-10μm、D50粒径为0.8-2.5μm。
优选地，步骤(2)中所述助磨剂选自分子量为3000-5000的聚丙烯酸钠和分子量为3000-5000的聚丙烯酸铵，所述重质碳酸钙干粉与所述助磨剂的质量比为100-500：1。
优选地，所述研磨的条件包括采用粒径为0.8-4mm的锆珠为研磨介质，步骤(3)中所述研磨的时间为20-40min。
本发明第二方面提供由上述方法制备的造纸用重质碳酸钙填料。
本发明第三方面提供由上述方法制备的造纸用重质碳酸钙填料在造纸中的应用。
通过上述技术方案，本发明的有益效果为：本发明中造纸用重质碳酸钙填料的制备过程中，通过加入预糊化淀粉和左旋环氧氯丙烷，利用左旋环氧氯丙烷促进预糊化淀粉在重质碳酸钙表面形成三维交联网络结构，将制得的造纸用重质碳酸钙填料用于填充造纸后，可以与纤维素形成化学结合与物理缠绕，显著提高了填料留着率，同时改善了纸张的力学性能。本发明中，造纸用重质碳酸钙填料的制备工艺简单、生产成本低。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
第一方面，本发明提供了一种造纸用重质碳酸钙的制备方法，包括以下步骤：
(1)将重质碳酸钙干粉与水混合，配制成重质碳酸钙悬浮液；
(2)在步骤(1)得到的悬浮液中加入助磨剂后，进行研磨，得到浆液；
(3)在步骤(2)得到的浆液中加入预糊化淀粉和环氧氯丙烷，混合均匀后研磨，得到造纸用重质碳酸钙填料。
本发明中，所述预糊化淀粉是以天然淀粉为原料，经过变性改良而成，一般的淀粉糊化是将天然淀粉在适当温度下在水中溶胀、分裂，形成均匀糊状溶液。优选地，步骤(3)中所述预糊化淀粉的颗粒大小为80-120目，20℃时浓度为2wt％的预糊化淀粉的水溶液粘度为1000-2500mpa.s。
本发明中，所述环氧氯丙烷按结构可分为左旋环氧氯丙烷和右旋环氧氯丙烷，优选地，步骤(3)中所述环氧氯丙烷为左旋环氧氯丙烷。
优选地，所述重质碳酸钙干粉、所述预糊化淀粉与环氧氯丙烷的质量比为333-1000：10-50：1。
优选地，步骤(1)中，所述重质碳酸钙干粉的颗粒大小为400-800目，所述重质碳酸钙悬浮液的固含量为40-60％，固含量具体可以为40％、45％、50％、55％、60％，以及这些点值中的任意两个所构成的范围内的任意值。
优选地，步骤(2)中，所述浆液的D97粒径为5-10μm、D50粒径为0.8-2.5μm，浆液的粒径过大时，补强较果差，拉伸强度较低；浆液的粒径过细时，粒子与纸张纤维的结合面小，易于流失，造成留着率低，粒子的粗细通过调整研磨机的进料速度来控制。本发明中，步骤(2)中的D97粒径是指颗粒粒度分布中，从小到大累积分布百分数达到97％时对应的粒径值，即指某一粉体中，粒径小于D97粒径的颗粒数占总颗粒数的97％；D50粒径是指颗粒累积分布为50％的粒径，即小于D50粒径的颗粒数含量占总颗粒数的50％。
本发明中，粒径的检测采用珠海欧美克公司生产的激光粒度仪，型号为POP(6)；将样品加入到蒸馏水中配成浓度为0.01-0.1wt％的溶液，先将超声波分散2min，再加入到激光粒度仪中去检测，当检测粒径过大时，大于需要的数值时，减小隔膜进料泵的进料速度，物料在研磨机中的研磨时间延长，从而得到较细的粒径的产品；当检测成品的粒径过细时，增加隔膜进料泵的进料速度，物料在研磨机中的研磨时间减小，从而得到较粗的粒径的产品；根据产品的需要进行调节。
优选地，步骤(2)中所述助磨剂选自分子量为3000-5000的聚丙烯酸钠和分子量为3000-5000的聚丙烯酸铵，所述重质碳酸钙干粉与所述助磨剂的质量比为100-500：1。
本发明中，研磨采用湿法搅拌磨或剥片机，可以采用立式的研磨机或者卧式的研磨机，优选采用主机磨机，由传动部分(包括电机和减速机)、筒体和组合型搅拌器组成，电机经减速机带动组合搅拌器在充满一定磨矿介质(刚玉球、锆球或玻璃球)和被磨物料的筒体内中高速旋转，在研磨介质的重压力和搅拌器回转产生的离心挤压力下，利用摩擦、冲击和剪切而有效地粉磨物料。优选地，所述研磨的条件包括采用粒径为0.8-4mm的锆珠为研磨介质。步骤(3)中所述研磨的时间为20-40min，具体可以为20min、25min、30min、35min、40min，以及这些点值中的任意两个所构成的范围内的任意值。当需要研磨粒径细的成品时，减小隔膜进料泵的进料速度，物料在研磨机中的研磨时间延长，从而得到较细的粒径产品；当需要研磨粒径粗的成品时，增加隔膜进料泵的进料速度，物料在研磨机中的研磨时间减小，从而得到较粗的粒径的产品。
第二方面，本发明提供了由上述方法制备的造纸用重质碳酸钙。
第三方面，本发明提供了由上述方法制备的造纸用重质碳酸钙在造纸中的应用。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，填料的留着率通过分光光度计方法测得，纸张的拉伸指数通过ZB-WL300专业纸张拉伸强度测试仪测得(GB453-89)；重质碳酸钙干粉购于广西桂宝公司，聚丙烯酸钠购于成都市科隆化学有限公司、型号为5040、分子量为3000-5000，聚丙烯酸铵购于河南凯特瑞水处理材料有限公司、分析纯、分子量为3000-5000，预糊化淀粉购于山东嘉和节能材料有限公司、工业用，左旋环氧氯丙烷购于济南铭威化工有限公司、分析纯，右旋环氧氯丙烷购于济南铭威化工有限公司、分析纯。
实施例1
(1)将10kg颗粒大小为800目的重质碳酸钙干粉与水混合，配制成固含量为50％的重质碳酸钙悬浮液；
(2)将步骤(1)得到的悬浮液中加入30g聚丙烯酸钠，搅拌均匀后将料液输送至剥片机中，以0.8mm的锆珠作为研磨介质进行研磨，直至物料的D97粒径为5.8μm、D50粒径为1.0μm，得到浆液；
(3)在步骤(2)得到的浆液中加入400g颗粒大小为100目、粘度为2000mpa.s(2wt％的水溶液)的预糊化淀粉和20g左旋环氧氯丙烷，研磨30min，得到造纸用重质碳酸钙填料。
实施例2
(1)将10kg颗粒大小为600目的重质碳酸钙干粉与水混合，配制成固含量为60％的重质碳酸钙悬浮液；
(2)将步骤(1)得到的悬浮液中加入100g聚丙烯酸铵后，搅拌均匀后将料液输送至球磨机中，以2mm的锆珠作为研磨介质进行研磨，直至物料的D97粒径为7.5μm、D50粒径为1.5μm，得到浆液；
(3)在步骤(2)得到的浆液中加入300g颗粒大小为120目、粘度为2500mpa.s(2wt％的水溶液)的预糊化淀粉和30g左旋环氧氯丙烷，研磨40min，得到造纸用重质碳酸钙填料。
实施例3
(1)将10kg颗粒大小为400目的重质碳酸钙干粉与水混合，配制成固含量为40％的重质碳酸钙悬浮液；
(2)将步骤(1)得到的悬浮液中加入10g聚丙烯酸钠和10g聚丙烯酸铵后，搅拌均匀后将料液输送至剥片机中，以4mm的锆珠作为研磨介质进行研磨，直至物料的D97粒径为10μm、D50粒径为2.5μm，得到浆液；
(3)在步骤(2)得到的浆液中加入500g颗粒大小为80目、粘度为1000mpa.s(2wt％的水溶液)的预糊化淀粉和10g左旋环氧氯丙烷，研磨20min，得到造纸用重质碳酸钙填料。
实施例4
按照实施例3的方法制备造纸用重质碳酸钙填料，不同的是，将左旋环氧氯丙烷替换为右旋环氧氯丙烷。
实施例5
(1)将10kg颗粒大小为500目的重质碳酸钙干粉与水混合，配制成固含量为45％的重质碳酸钙悬浮液；
(2)将步骤(1)得到的悬浮液中加入50g聚丙烯酸钠后，搅拌均匀后将料液输送至剥片机中，以4mm的锆珠作为研磨介质进行研磨，直至物料的D97粒径为7.5μm、D50粒径为1.2μm，得到浆液；
(3)在步骤(2)得到的浆液中加入300g颗粒大小为150目、粘度为800mpa.s(2wt％的水溶液)的预糊化淀粉和10g左旋环氧氯丙烷，研磨25min，得到造纸用重质碳酸钙填料。
实施例6
(1)将10kg颗粒大小为900目的重质碳酸钙干粉与水混合，配制成固含量为30％的重质碳酸钙悬浮液；
(2)将步骤(1)得到的悬浮液中加入75g聚丙烯酸钠后，搅拌均匀后将料液输送至球磨机中，以3mm的锆珠作为研磨介质进行研磨，直至物料的D97粒径为5.5μm、D50粒径为1.0μm，得到浆液；
(3)在步骤(2)得到的浆液中加入300g颗粒大小为100目、粘度为1800mpa.s(2wt％的水溶液)的预糊化淀粉和10g左旋环氧氯丙烷，研磨35min，得到造纸用重质碳酸钙填料。
实施例7
(1)将10kg颗粒大小为700目的重质碳酸钙干粉与水混合，配制成固含量为30％的重质碳酸钙悬浮液；
(2)将步骤(1)得到的悬浮液中加入50g聚丙烯酸钠后，搅拌均匀后将料液输送至剥片机中，以4mm的锆珠作为研磨介质进行研磨，直至物料的D97粒径为5.8μm、D50粒径为1.1μm，得到浆液；
(3)在步骤(2)得到的浆液中加入200g颗粒大小为100目、粘度为2000mpa.s(2wt％的水溶液)的预糊化淀粉和40g左旋环氧氯丙烷，研磨30min，得到造纸用重质碳酸钙填料。
对比例1
(1)将10kg颗粒大小为400目的重质碳酸钙粉加入到6kg去离子水中，搅拌制成浆料，并向浆料中加入40g聚丙烯酸钠分散剂，充分搅拌，使浆料获得良好的流动性；
(2)将步骤(1)制得的浆料用泵送入砂磨机，用砂磨机进行研磨，研磨至物料的D97粒径为15μm、D50粒径为3.0μm，制得重质碳酸钙填料。
对比例2
(1)将10kg颗粒大小为1000目的重质碳酸钙粉加入到6kg去离子水中，搅拌制成浆料，并向浆料中加入80g聚丙烯酸钠分散剂，充分搅拌，使浆料获得良好的流动性；
(2)将步骤(1)制得的浆料用泵送入砂磨机，用砂磨机进行研磨，研磨至物料的D97粒径为3.5μm、D50粒径为0.7μm，制得重质碳酸钙填料。
将上述实施例和对比例制得的重质碳酸钙填料分别用于造纸填充，分别测试填料的留着率和纸张的拉伸指数，测试结果见表1。
表1
编号 填料留着率(％) 纸张拉伸指数(Nm/g)
实施例1 72.9 7.8
实施例2 72.8 7.6
实施例3 72.5 7.9
实施例4 72.5 7.5
实施例5 72.1 7.3
实施例6 71.6 7.6
实施例7 71.2 7.8
对比例1 65.3 5.9
对比例2 56.4 6.3
通过表1的结果可以看出，对比例1的浆液粒径较粗，且不加入本发明所采用的处理剂，留着率较低，物料的拉伸强度较差；对比例2的细径过细，且不加入本发明所采用的处理剂，导致留着率过低。采用本发明的制备方法制得的重质碳酸钙填料，用于造纸填充后，可明显提高填料留着率，同时改善纸张的拉伸指数。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种造纸用重质碳酸钙填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将重质碳酸钙干粉与水混合，配制成重质碳酸钙悬浮液；
(2)在步骤(1)得到的悬浮液中加入助磨剂后，进行研磨，得到浆液；
(3)在步骤(2)得到的浆液中加入预糊化淀粉和环氧氯丙烷，混合均匀后研磨，得到造纸用重质碳酸钙填料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述预糊化淀粉的颗粒大小为80-120目，20℃时浓度为2wt％的预糊化淀粉的水溶液粘度为1000-2500mpa.s。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述环氧氯丙烷为左旋环氧氯丙烷。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于，所述重质碳酸钙干粉、所述预糊化淀粉与所述环氧氯丙烷的质量比为333-1000：10-50：1。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述重质碳酸钙干粉的颗粒大小为400-800目，所述重质碳酸钙悬浮液的固含量为40-60％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述浆液的D97粒径为5-10μm、D50粒径为0.8-2.5μm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述助磨剂选自分子量为3000-5000的聚丙烯酸钠和分子量为3000-5000的聚丙烯酸铵，所述重质碳酸钙干粉与所述助磨剂的质量比为100-500：1。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述研磨的条件包括采用粒径为0.8-4mm的锆珠为研磨介质，步骤(3)中所述研磨的时间为20-40min。
9.权利要求1至8中任意一项所述的方法制备的造纸用重质碳酸钙填料。
10.权利要求9所述的造纸用重质碳酸钙填料在造纸中的应用。
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