粉煤灰基新型硅酸钙填料的湿部化学行为特性研究

摘要

粉煤灰是燃煤在锅炉燃烧过程中产生的固体颗粒物，通过协同作用与联产技术利用粉煤灰制备新型硅酸盐填料的技术已经实现。通过这种方式制得粉煤灰基新型硅酸钙(FACS)用作造纸填料，达到了节约纤维原料和高值化利用固体废弃物的目的。
　　FACS与常规填料相比在填料性能上有很大的特殊性，因而在湿部化学行为上与常规填料有着较大差异。本文研究了FACS的物理化学性能和加入FACS后浆料的留着滤水性能、电荷特性、对湿部化学品的吸附特性及纸张的施胶性能、强度和光学性能等，对FACS湿部化学行为特征的机理进行了探讨，在与常规填料进行了对比研究的基础上，确定FACS的湿部化学状态控制，旨在寻求适宜于新型硅酸钙造纸矿物填料的湿部控制技术。
　　实验结果发现，在填料性能方面，FACS呈多孔蜂窝状聚集体结构。与GCC和PCC相比，FACS具有较低的密度、磨耗值，较高的325目筛余物含量、吸油值，比表面积和含水率。在电荷特性方面，与PCC和GCC相反，FACS带有较强的负电荷，并且所带电荷量是它们的近60倍。研磨性能发现，在研磨的前20min里，FACS表面的孔隙结构易被破坏为较小的碎片并露出实心结构。研磨20min之后，随着研磨时间的增加粒度降低缓慢。
　　对抄造性能的研究发现，填料用量的增加对FACS加填浆料的滤水不利。FACS由于有较好的吸附性能而具有净化白水的功能。与GCC加填纸相比，FACS加填纸具有更好的光学性能、留着率和松厚度，但是强度性能比GCC加填纸差。对比CPAM单元助留体系，CPAM/Bentonite双元体系和CS单元体系发现，CPAM和CPAM/Bentonite体系对留着的改善最为显著，只有CPAM-Bentonite体系对FACS加填纸的滤水性能有所改善。Zeta电位接近于0时，CPAM和CPAM/膨润土双元体系下（膨润土用量0.1％），GCC加填浆料的CPAM用量约为0.04％，而FACS加填浆料的CPAM用量超过0.08％;CS单元体系下GCC加填浆料的CS用量约为1％，而FACS加填浆料的CS用量为1.5％。
　　实验研究了不同粒径FACS在不同助留体系中的留着滤水特性以及成纸特性。研究结果表明，随着填料粒径的增大，FACS加填浆料的留着率和滤水时间都呈先增大后降低的趋势。CPAM单元和CPAM/膨润土双元助留体系对留着均有较大幅度的提高，但对FACS加填纸的滤水性能的改善不明显。填料经过研磨后，可能暴露出更多的Ca2+，导致浆料电导率和Zeta增加。随着填料粒径的增加，白水的阳离子需求量降低，抗张指数和撕裂指数均呈先降低后升高的趋势。总体上，粒径越小时纸张的不透明度和白度越高，松厚度越低。
　　采用可见光光谱法考察了FACS对淀粉的吸附性能。结果表明，FACS对阳离子淀粉的吸附量远大于PCC、GCC，但对阴离子淀粉的吸附量小于PCC。粒径越小时，FACS对淀粉的吸附量越大，并且对阳离子淀粉的吸附量远大于对阴离子淀粉的吸附量。FACS对阳离子淀粉的吸附平衡时间为30min，对阴离子淀粉的吸附平衡时间为20min。FACS对淀粉的吸附，同时受静电作用和比表面积的影响，静电作用的影响更显著。在FACS的生产实践中，可以保留填料的多孔性带来纸张高松厚度等优势，而通过降低FACS颗粒所带的负电荷量来避免消耗过多的阳离子助剂。
　　实验过程中采用阳离子淀粉(CS)预絮聚FACS的方法对FACS填料进行改性，研究结果表明:CS是一种较好的填料预处理助剂，与普通加填相比，预絮聚FACS加填可以较好地改善纸料的滤水性能，提高纸料留着率和成纸强度，达到相同的纸张性能时，CS用量也相对较低。预絮聚FACS工艺，操作简单，纸张性能较好，具有较强的实用性。
　　实验研究了FACS对AKD浆内施胶的影响。与常规PCC填料相比，FACS加填纸的AKD施胶效率较低。通过设计正交实验优化FACS加填纸施胶工艺。实验结果表明，影响硅酸钙加填纸的AKD施胶效果的各因素的主次关系依次为:CS用量＞PAE用量＞PAE加入点＞CPAM用量。正交实验的最优水平是:CS用量为1％，PAE用量为0.1％，CPAM用量为0.04％，PAE加入点为阳离子淀粉之后。在此工艺下纸张施胶度为27.55g·m-2。硅酸钙加填纸施胶度受阳离子淀粉用量的影响较大，提高阳离子淀粉用量能显著提高纸张施胶度。利用紫外-分光光度法研究FACS对施胶剂AKD的吸附，发现FACS对AKD的吸附量和吸附率较高且远大于PCC和GCC。但是通过工艺优化后FACS的AKD施胶效果只比PCC略低，研究表明被FACS吸附的AKD可以重新产生施胶效果。

目录

摘要

1 绪论

1．1 国内外粉煤灰资源的利用现状

1．2 粉煤灰在造纸工业的利用及研究现状

1．2．1 粉煤灰作为造纸湿部填料的应用进展

1．2．2 粉煤灰用于造纸废水处理

1．2．3 粉煤灰超细纤维在造纸上的应用

1．2．4 粉煤灰在造纸领域的应用趋势

1．3 粉煤灰基新型硅酸钙填料的研究进展综述

1．3．1 常规的造纸填料的应用现状

1．3．2 粉煤灰基新型硅酸钙填料的制备工艺

1．3．3 粉煤灰联产新型硅酸钙填料的特性

1．3．4 粉煤灰基新型硅酸钙的应用进展

1．4 填料对造纸湿部化学特性的负面影响

1．4．1 对湿部留着、滤水特性影响

1．4．2 对施胶性能的影响

1．5 选题目的、意义和主要研究内容

1．5．1 选题目的和意义

1．5．2 研究内容、技术路线与研究方法

2 新型硅酸钙填料的物理化学特性

2．1 前言

2．2 实验材料与方法

2．2．1 实验原料与试剂

2．2．2 实验仪器与设备

2．2．3 实验内容与方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 硅酸钙的基本组成及结构分析

2．3．2 FACS的粒径及其分布

2．3．3 FACS的电荷特性

2．3．4 FACS的其它物理特性

2．3．5 硅酸钙填料的研磨特性

2．4 本章小结

3 新型硅酸钙填料的抄造特性

3．1 实验部分

3．1．1 实验原料

3．1．2 实验设备

3．1．3 实验方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 加填量对湿部化学特性的影响

3．2．2 CPAM单一助留体系的应用效果

3．2．3 CPAM／膨润土双元助留体系的应用效果

3．2．4 CS单元助留体系的应用效果

3．2．5 新型硅酸钙填料粒度对抄造特性的影响

3．3 小结

4 硅酸钙对淀粉的吸附特性及淀粉改性硅酸钙的初步研究

4．1 实验部分

4．1．1 实验原料

4．1．2 实验设备

4．1．3 实验方法

4．2 结果与讨论

4．2．1 硅酸钙填料对淀粉的吸附特性及吸附机理研究

4．2．2 阳离子淀粉预絮聚硅酸钙填料的湿部化学及成纸特性

4．3 本章小结

5 硅酸钙加填纸施胶工艺研究

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 实验原料

5．2．2 实验仪器设备

5．2．3 实验方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 未添加施胶剂时不同加填量下纸页吸水性研究

5．3．2 AKD用量对不同填料施胶性能的影响

5．3．3 干燥温度对施胶效果的影响

5．3．4 FACS的粒度对施胶性能的影响

5．3．5 湿部助剂对硅酸钙加填纸的施胶增效研究

5．3．6 未添加PAE时CS用量的优化

5．3．7 AKD在FACS加填纸中的施胶机理探讨

5．4 结论

6 结论

6．1 主要结论

6．2 本论文的创新点

6．3 论文中的不足及对今后工作的建议

致谢

参考文献

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