1 前言
（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）造紙工業(yè)是以纖維為原料的化學(xué)加工工業(yè)。在造紙工業(yè)的原料結構中, 填料(含顏料)的用量?jì)H次于纖維, 是位居第二位的重要原料。常用的填料有滑石粉、高嶺土、碳酸鈣、鈦白粉等。我國有豐富的石灰石資源, 其中可用于生產(chǎn)造紙用超細碳酸鈣的高質(zhì)量方解石礦資源分布廣泛, 已探明工業(yè)儲量超過(guò)5億t。隨著(zhù)世界性造紙工業(yè)酸性抄紙向中堿性抄紙變革以及紙張向低定量高擋化發(fā)展, 碳酸鈣在造紙工業(yè)中的應用有著(zhù)廣闊的前景。
2 填料在造紙工業(yè)中的作用和地位
造紙工業(yè)的產(chǎn)品(紙和紙板)有相當大的比重是為下游行業(yè)印刷、包裝等產(chǎn)業(yè)服務(wù)的, 為了書(shū)寫(xiě)、印刷、包裝等需要, 對紙和紙板的勻度、平滑度、白度、不透明度、印刷適性、尺寸穩定性等方面都有著(zhù)特殊的要求, 通常在抄紙時(shí)都需要使用填料, 為了滿(mǎn)足更高層次的要求, 還可以通過(guò)在原紙表面涂敷一層含有白色顏料的涂料, 從而達到更高的性能指標。同時(shí), 由于常用填料與顏料的價(jià)格遠低于紙漿的價(jià)格, 因此, 有效地使用填料不僅可以節約寶貴的纖維原料) ) ) 紙漿, 而且可以顯著(zhù)降低造紙成本, 并在低成本下獲得更好的紙質(zhì)?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō),離開(kāi)了填料就沒(méi)有各種高檔紙, 紙和紙板生產(chǎn)的經(jīng)濟性也將深受影響。
3 造紙工業(yè)填料的后起之秀- 碳酸鈣
隨著(zhù)世界范圍的酸性造紙向中性和堿性造紙的變革, 對碳酸鈣在造紙工業(yè)中的應用帶來(lái)了生機。碳酸鈣作為造紙填料具有如下優(yōu)點(diǎn): ①白度高; ②松厚性; ③耐久性; ④透氣性; ⑤可作為二氧化鈦的補充劑; ⑥磨蝕性低; ⑦增進(jìn)柔軟性; ⑧提高油墨吸收性能; ⑨對紫外線(xiàn)吸收性低; ⑩能控制燃燒性。其次在堿性抄紙時(shí), 碳酸鈣作為一種堿性填料, 它具有pH 值緩沖作用, 使濕部的pH 值自然地穩定在7.5-8.0, 這正是堿性施膠劑施膠的最佳pH 值。
而碳酸鈣用量的劇增主要有兩方面原因: 一是由于堿性造紙的發(fā)展使碳酸鈣填料在造紙濕部的大量應用成為可能, 另一個(gè)原因是20 世紀70年代起細磨碳酸鈣和超細碳酸鈣的發(fā)展, 使天然碳酸鈣粒子細度能使紙張涂層光澤度等于或超過(guò)沉淀碳酸鈣, 致使細磨碳酸鈣在涂布紙上的使用量急劇增加。研磨碳酸鈣與高嶺土相比最大的優(yōu)勢是成本低; 其二是對涂布膠粘劑需要量少, 可節約膠粘劑費用; 其三是研磨碳酸鈣有良好的流變性, 涂料可以做到高固含量, 有利于節省造紙機烘干部能耗。
據報道, 到上世紀末, 世界沉淀碳酸鈣的產(chǎn)量在過(guò)去10年里已增加4 倍, 其中36% 是由碳酸鈣生產(chǎn)廠(chǎng)家生產(chǎn)的, 而另外64% 由紙廠(chǎng)利用煙道氣的二氧化碳自行生產(chǎn), 由于加工及運輸費用的節省, 現場(chǎng)生產(chǎn)沉淀碳酸鈣可使成本降低50% 。在我國, 隨著(zhù)外商投資的一批大型、特大型造紙廠(chǎng)在沿海一帶建成投產(chǎn), 其先進(jìn)的堿性施膠工藝以及對原紙的涂布加工, 標志著(zhù)我國造紙用碳酸鈣應用的新里程碑。
4 從造紙的角度看碳酸鈣填料
造紙工業(yè)使用的碳酸鈣按其加工工藝不同可分為兩大類(lèi), 一類(lèi)是經(jīng)化學(xué)加工而成的沉淀碳酸鈣(簡(jiǎn)稱(chēng)PCC )。沉淀碳酸鈣用于造紙填料所表現的特性?？筛爬ㄓ诒?。生廠(chǎng)中使用AKD 和ASA 堿性施膠劑施膠的紙張所采用的填料主要就是PCC。
另一類(lèi)是天然石灰石經(jīng)研磨成特定細度的重質(zhì)碳酸鈣, 造紙工業(yè)上又稱(chēng)研磨碳酸鈣(簡(jiǎn)稱(chēng)GCC ) , GCC產(chǎn)品的技術(shù)指標包括平均粒徑、白度、吸油性等, 其中粒度和粒度分布是GCC 最重要的技術(shù)指標。如果按粒徑大小來(lái)分類(lèi), GCC 可分為三類(lèi): 超細磨碳酸鈣(UFGCC) , 平均粒徑為0.5-0. 9Lm; 細磨碳酸鈣(FGCC), 平均粒徑為1-3Lm, 粗磨碳酸鈣(GCC), 平均粒徑大于3Lm。
超細磨碳酸鈣主要作為顏料用于紙張表面涂布, 細磨碳酸鈣主要在中性或堿性抄紙時(shí)用作填料。粗磨碳酸鈣作為填料使用通常被認為對紙機磨損太大, 但國內也曾有人作過(guò)粗磨碳酸鈣加填應用于松香和硫酸鋁酸性施膠體系的生產(chǎn)性實(shí)驗并提出膠版印刷紙的加填宜選擇平均粒徑為10-15Lm, 通過(guò)325目篩網(wǎng)占99.9% 以上的粗磨碳酸鈣(這種產(chǎn)品的吸油量為40-42mL/100g) , 認為過(guò)細的粒度會(huì )增加填料的加工費用, 也不利于填料留著(zhù)率的提高, PCC 和GCC 兩種不同類(lèi)型的碳酸鈣作為填料使用在造紙工業(yè)抄紙過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。
除此之外, 造紙廠(chǎng)的生產(chǎn)經(jīng)驗表明:隨著(zhù)應用碳酸鈣使造紙機系統的潔凈度大為提高。同時(shí)也降低了對泵、管道、網(wǎng)以及其它設備部件的腐蝕。另在酸性抄紙系統中, 為要獲得良好的施膠效果, 往往加入過(guò)量的松香和明礬, 這樣也就帶來(lái)了生產(chǎn)中常發(fā)生可溶性鹽類(lèi)聚集、沉積障礙問(wèn)題, 而對抄紙白水系統, 則還需要控制pH 值, 這些都增加了工藝控制的復雜性。而應用碳酸鈣加填之后, 在中性/堿性系統( pH7.5-8.0) , 即可避免以上問(wèn)題的發(fā)生, 使抄紙機白水系統無(wú)須控制pH 值, 降低了造紙廠(chǎng)的排放量, 易于實(shí)現白水系統的封閉循環(huán)。這是碳酸鈣益趨重要的優(yōu)點(diǎn)。
 因此也大大地降低了磨盤(pán)及其它濕部設備的磨耗。其次對堿性施膠的漿料來(lái)說(shuō), 若叩解至相等的游離度水平, 則其精磨所耗動(dòng)力較低, 這也意味著(zhù)具有一定的節能效果?？墒侨绻谝粋€(gè)造紙廠(chǎng), 不是所有的機臺都投入采用碳酸鈣加填運轉的。則對酸、堿性不同系統的白水需要采取分流的辦法, 是最突出的問(wèn)題。為解決這一矛盾, 通常是在機臺間安裝最低限量閥控制酸性白水, 以達到最佳回用白水的目的。
5 碳酸鈣質(zhì)量濃度的控制
雖然碳酸鈣作為填料具有很多優(yōu)點(diǎn), 但是在生產(chǎn)過(guò)程中還必須對其加入量進(jìn)行嚴格地控制。
5.1 實(shí)驗室測定碳酸鈣質(zhì)量濃度的基本方法
吸取5mL試樣于250mL 錐形瓶中, 加入2-3滴甲基橙指示劑, 由滴定管中加入過(guò)量的鹽酸標準溶液C=0.5moL /L, 置于電爐上加熱煮沸, 待冷卻后, 以氫氧化鈉標準溶液C=0.5moL /L中和過(guò)量的鹽酸標準溶液。反應式為:
5. 2 碳酸鈣溶液質(zhì)量濃度與比重之間的關(guān)系
由于上述方法費時(shí)費力, 不利于直接指導生產(chǎn),因此, 我們想到了找出碳酸鈣溶液質(zhì)量濃度和碳酸鈣溶液比重(以波美度bBec表示）之間的關(guān)系。通過(guò)試驗我們發(fā)現, 當碳酸鈣溶液的比重在4.0 -12.0bBec時(shí), 碳酸鈣溶液質(zhì)量濃度和碳酸鈣溶液比重呈線(xiàn)性關(guān)系, 當碳酸鈣溶液比重小于4.0bBec時(shí),二者之間的關(guān)系偏離線(xiàn)性關(guān)系, 如附圖所示。在生產(chǎn)過(guò)程中, 對于不同紙的質(zhì)量要求, 我們一般控制碳酸鈣溶液的比重在6.0-10.0bB ec。所以如附圖所示, 碳酸鈣溶液質(zhì)量濃度和碳酸鈣溶液比重之間的線(xiàn)性關(guān)系完全適用于生產(chǎn)。根據附圖, 將碳酸鈣溶液比重和碳酸鈣溶液質(zhì)量濃度列表4如下:
5. 3 實(shí)際應用
在實(shí)驗室測得碳酸鈣比重之后, 對照上表就可直接查出相對應的碳酸鈣質(zhì)量濃度數值。而實(shí)驗室測定碳酸鈣比重的方法是: 取溶解池(槽)代表性試樣于500mL玻璃量筒中, 馬上插入波美計。注意波美計不能碰到量筒壁上, 以免引起測量誤差, 待波美計穩定時(shí)立即計數, 然后對照表4, 便可查出碳酸鈣質(zhì)量濃度數值。這樣就可及時(shí)、準確、有效地適用于指導生產(chǎn), 達到控制碳酸鈣加入量的目的, 穩定了生產(chǎn)工藝控制。
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