几种非金属矿物在造纸行业中的应用进展(2)

1.6 硅藻土

硅藻土(Diatomite)是一种以硅藻遗骸组成的岩石，硅藻含量大于80%，SiO2含量大于75%。硅藻土化学分子式为SiO2·nH2O，矿物成分主要由蛋白石及其变种组成，常伴有黏土类矿物(高岭石、水云母、蒙脱石等)和碎屑类矿物(石英、长石和碳酸盐等)[4]。硅藻土原矿颜色呈白色、灰白色、灰绿色、浅黄色或褐色，土状块体，多孔，孔径7～160 nm，孔隙度达65%～92%。矿物质轻而软，硬度4.5～5.0，易研磨粉碎， 具有极强吸附能力和释放负离子特性， 密度1.9～2.3 g/cm3，堆积密度0.32～0.85 g/cm3，比表面积19～65 m2/g，孔隙体积为0.45～0.98 cm3/g。

2 应用现状和进展

2.1 碳酸钙

碳酸钙是造纸工业的重要传统填料之一，未经改性处理的碳酸钙与纸浆纤维的相容性和结合力差，留着率低，容易造成材料界面缺陷，降低纸张的机械强度。对于碳酸钙的改性方法有化学包覆改性和表面改性[5-6]。

（1）化学包覆改性：在Ca(OH)2-H2O-CO2体系中对重质碳酸钙进行表面修饰，经过纳米包覆后，颗粒晶体解理面粗糙、棱角钝化，改善了其分散性能，同时纳米包覆GCC 与纤维之间存在静电引力，使得纸张纤维之间形成网状结构，产生较强作用力，进而提高了加填纸张的抗张指数、填料留着率、耐破指数、撕裂指数和耐折度[7]。以阳离子化壳聚糖和羧甲基纤维素为改性剂，利用聚电解质复合的原理对轻质碳酸钙PCC 填料进行处理，由于聚电解质复合物沉积包覆在PCC 表面，其颗粒粒径明显变大，颗粒分布集中，均匀性得到改善，比表面积也增加了1 倍。相比未改性PCC，改性PCC 表现出更好的留着性能，依靠机械截留和胶体吸附的共同作用，能够以单一颗粒和絮聚体形式留着在纤维表面和纤维之间的孔隙中[8]。利用淀粉改性碳酸钙，在淀粉的包覆效应下，碳酸钙聚集形成较大的团聚体，其浆料留着率和碳酸钙留着率分别提高到87.34%和86.50%；以淀粉-烟梗纤维改性碳酸钙，在纤维表面作用和淀粉包覆双重作用下，碳酸钙颗粒较均匀地包覆在烟梗纤维的表面，形成碳酸钙-纤维复合物，其浆料留着率和碳酸钙留着率分别达到了90.37%和90.53%，有效提高了基片抗张强度和松厚度等物理性能[9]。

（2）表面改性：表面改性主要分为偶联剂改性（硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂、铝酸酯类偶联剂等），复合偶联改性剂改性（以偶联剂为基础，与其他加工改性剂、表面处理剂、交联剂相结合）和有机物改性(硬脂酸、硬脂酸盐和磷酸酯类)等。利用γ－甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH570）对纳米碳酸钙进行表面修饰，硅烷偶联剂KH570 经过水解后生成硅羟基(Si—OH)，与纳米碳酸钙表面的羟基进行缩合形成Ca—O—Si 键，从而实现稳定有效的化学接枝，改性后的纳米碳酸钙表面晶体的层间距变大，极性降低、表面能减小、亲油性增强，分散性得到改善，涂布后，光学性能得到了提高，纸张的表面强度增大，疏水性能提高[10]。采用硬脂酸钠对纳米CaCO3进行有机化改性，通过红外光谱分析可知，硬脂酸钠能成功接枝于CaCO3粉体表面，降低粉体表面能，减少颗粒间团聚，提高粉体的分散性和与树脂结合性能。改性后的纳米CaCO3与水性聚氨酯和甘油共混，冷却后均匀涂布于纸张表面，结果表明涂布型防滑纸摩擦性能和力学性能均较佳，可用于制备运输包装用防滑衬垫和防滑托盘[11]。

2.2 高岭土

高岭土在造纸工业中主要应用于造纸填料和表面涂布的颜料，其特性对造纸生产可操作性及成纸质量有很大影响。高岭土提纯通常采用重选、磁选、浮选、浸出和化学漂白等方法，目的是去除铁矿物、钛矿物和有机质等有害的染色杂质，以提高产品的白度；或去除石英、长石等砂质矿物，以提升产品的品质[12]。高岭土改性方法有烧结法、酸法、金属盐法、表面改性等方法[13-14]。其中，烧结法和表面改性法在造纸填料和涂布颜料应用较为普遍，酸法、碱法和金属盐法一般用于造纸废水处理。

（1）烧结法：煅烧的目的主要是增加高岭土的孔隙度，提高其活性，脱色杂质来提高白度等。在加热过程中，高岭土矿物游离水、层间水等先后脱出，矿物晶格结构发生变化，矿物向偏高岭石、硅铝尖晶石、似莫来石和莫来石转换，粒径增大，比表面积减小，表面能降低，分散性提高[15]。

（2）酸法：通过置换反应抽提杂质，促使颗粒表面产生孔道。采用酸法改性后的高岭土片层状结构变薄变小，表面基团发生明显的变化，吸附性能明显提高[16]，孔体积、比表面积和表面酸量大幅提高[17]。

文章来源：《造纸科学与技术》 网址: http://www.zzkxyjs.cn/qikandaodu/2021/0422/553.html