凹凸棒土结构性能及在造纸中应用

作     者：郁骏 

作者单位：南京林业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹云峰

授予年度：2016年

学科分类：082903[工学-林产化学加工工程] 08[工学] 0829[工学-林业工程] 082201[工学-制浆造纸工程] 0822[工学-轻工技术与工程] 

主      题：凹凸棒土 成分分析 提纯改性 矿物纤维 填料 

摘      要：凹凸棒土是一种天然的纤维状结构一维纳米材料,具有较大长径比和较强的吸附能力,可吸附水中部分金属离子和细小纤维,有助于纸机的清洁生产。因此,将凹凸棒土用于造纸填料具有较大优势。本文以天然凹凸棒土为原料,对其进行成分分析、提纯和改性研究。探讨凹凸棒土自身结构及其对纸张性能的影响,为凹凸棒土在造纸工业中的应用提供一定的理论依据。首先,对天然采集的五种凹凸棒土样品进行X射线衍射分析(XRD),研究其主要成分及含量,为后续提纯实验奠定基础。通过超声分散法对凹凸棒土进行提纯,再进行硅烷偶联剂KH550改性研究。研究发现,凹凸棒土样品中的杂质主要是蒙脱石、白云石和石英。五种样品中凹凸棒土的含量分别为34.64%、34.27%、42.39%、69.51%和92.05%。对五种凹凸棒土样品进行20 min超声波和1%的六偏磷酸钠共同处理提纯后,凹凸棒土的含量分别提高至65.91%、45.12%、98.23%、74.57%和98.40%,石英杂质被去除,而蒙脱石仍保留其中。提纯后凹凸棒土与硅烷偶联剂KH550进行化学偶联反应,凹凸棒土与硅烷偶联剂之间能够形成牢固的共价结合,并且湿法改性效果优于干法改性。当硅烷偶联剂KH550添加量为1%时,凹凸棒土的改性效果最佳。其次,将凹凸棒土作为造纸填料应用到纸页抄造过程中,与传统填料轻质碳酸钙(PCC)进行对比,探讨改性前后凹凸棒土自身结构及其对纸张性能的影响。研究发现,改性前原本凹凸棒土平均粒径(D50)为6.055μm,改性后平均粒径(D50)为3.856μm,小于PCC的平均粒径(D50)4.349μm。改性后凹凸棒土表面接有氨基,等电点右移至pHIEP2.8处。凹凸棒土对淀粉的吸附能力较高,改性前原本凹凸棒土的吸附量是PCC吸附量的2.4倍,改性后的吸附量是PCC的1.8倍。凹凸棒土的留着率大于PCC,但是对纸张的白度和机械性能影响较大,其中凹凸棒土加填量越少,影响越小。最后,根据凹凸棒土自身结构特点以及对纸张性能的影响,开展白卡纸芯层纸与用废纸浆配抄普通文化用纸加填应用实验。结果表明,改性凹凸棒土加填白卡纸芯层纸时,可提高纸张的灰分含量、松厚度和抗张指数,但纸张耐折度有所下降。加填于废纸浆抄造的普通文化用纸时,纸张的灰分含量、抗张指数、撕裂指数和耐破指数均有所提高,且改性凹凸棒土能吸附废纸浆中原有填料粒子而提高灰分含量。改性凹凸棒土加填白卡纸芯纸和废纸浆配抄的普通文化用纸时,可在不影响加填纸张基本性能指标的情况下提高对纸张的灰分含量和机械性能。