摘要：該文簡(jiǎn)要論述了PCC 在造紙的應(yīng)用中對(duì)紙張相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)的影響。PCC 較高的白度、適宜的微觀粒徑、相對(duì)較窄的拉度分布特性，對(duì)提高紙張質(zhì)量有積極的意義。
　　關(guān)鍵詞：沉淀碳酸鈣 造紙 沉降體積 粒度 留著率

　　1 前言
　　碳酸鈣是造紙工業(yè)主要無(wú)機(jī)化工原料之一，其在造紙工業(yè)中的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：作為造紙?zhí)盍虾图垙埻坎技庸さ念伭?。隨著造紙技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，對(duì)造紙用碳酸鈣提出了新的要求。碳酸鈣行業(yè)開始注重具有功能特性的造紙專用新產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用，主要有兩個(gè)方而：微觀形貌從不加以考慮到要求具有仿錘狀、仿立方體、偏六角形、針狀和片狀等特定的微觀形狀，粒徑分布從比較寬到分布狹窄；同時(shí)還要求成品有高的純度、白度、良好的分散性、涂布用品要求配制成漿料可以達(dá)到較高的固形物含量和較低的粘度與良好的流動(dòng)性能。目前許多系列產(chǎn)品進(jìn)入了工業(yè)化試生產(chǎn)和生產(chǎn)階段。
　　2 碳酸鈣的特性與制備
　　2 . 1 作為造紙?zhí)盍虾图垙埻坎技庸び妙伭系奶妓徕}分為兩大類：一類是研磨石灰石制造的天然碳酸鈣（GCC ) ，另一類是化學(xué)沉淀制造的合成輕質(zhì)碳酸鈣（PCC )[1] 。
　　2 . 2 研磨石灰石制造的GCC 由干法研磨發(fā)展到濕法研磨，研磨技術(shù)的突破和有關(guān)助劑的良好應(yīng)用，使得粒度可以達(dá)到小于1.5 微米在90% 以上[2] ，平均粒徑小于2 個(gè)微米，從而使品質(zhì)大幅度提高，很大程度上擴(kuò)大了其在在造紙領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　2 . 3 眾所周知，碳酸鈣作為造紙?zhí)盍虾图垙埻坎技庸び妙伭希饕瞧渚哂幸韵碌奶匦裕篬3]① 微觀形貌的一致性及符合要求；② 粒徑的均－性（良好的粒度分布）；③ 具有較高的白度、較強(qiáng)的遮蓋能力；④ 提高增量（填充）能力；⑤ 白色度保持持久，雜質(zhì)含量如金屬氧化物的含量低，有比較高的化學(xué)穩(wěn)定性。
　　2 . 4 PCC 的生產(chǎn)方式主要采用碳酸飽和法，當(dāng)然這種方法既是最簡(jiǎn)單也是最復(fù)雜的：簡(jiǎn)單到在石灰水中吹口氣（通入二氧化碳?xì)怏w）就可以制造出輕質(zhì)沉淀碳酸鈣；但在生產(chǎn)沉淀碳酸鈣方面有許多新的控制技術(shù)，主要是根據(jù)不同的下游產(chǎn)品需要通過(guò)改變反應(yīng)的速度、溫度、濃度、攪拌速率及使用適量的化學(xué)添加劑，有目的地控制反應(yīng)進(jìn)程，使產(chǎn)品的粒徑大小、粒度分布、微觀形狀達(dá)到特定的要求，以提高填料或顏料的適應(yīng)性，同時(shí)要求產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，這是比較復(fù)雜的。其他還有復(fù)分解法如石灰--蘇打法、氧化鈣--碳酸鈉法等生產(chǎn)方式，由于在制造成本方面無(wú)法和碳酸飽和法相比，故沒有能在大型生產(chǎn)上被廣泛采用。
　　2 . 5 但造紙工藝的限制在某種意義上制約了碳酸鈣在紙張中的應(yīng)用，原因是國(guó)內(nèi)還存在大量的酸性施膠造紙工藝生產(chǎn)線。
　　3 PCC 的紙張中的作用
　　3.1 通常情況下，加入造紙過(guò)程中的填料（如PCC 、GCC 、滑石粉、硫酸鋇、欽白粉、高嶺土等或是這類物質(zhì)按一定比例的復(fù)配物）以纖維為基數(shù)在成品紙中的含量為5 %一25 % ；由于在紙頁(yè)成型過(guò)程中的流失，填料的加入量為10 %一45 % , 最高可達(dá)50 %以上[4]。
　　3.2 PCC 在紙張中的應(yīng)用使紙張獲得特定的性能與降低成本。特定的性能包括白度、不透明度、平滑度、透氣度等。碳酸鈣作為填料加入使紙張內(nèi)部空隙變小變細(xì)，增加紙張對(duì)油墨吸收性的同時(shí)使整體的油墨吸收性均勻化。
　　3.2.1 文化印刷用紙主要具有印刷與書寫功能，PCC 對(duì)于提高紙張質(zhì)量有著積極的作用。
　　(l) PCC 在紙料中的加入可使紙張具有可塑性、柔軟性、勻整性、平滑的表面、壓光之后更具有理想的表面平滑度，提高紙張的不透明度,白度，使紙張內(nèi)部空隙變??；
　　(2) PCC 的良好吸收性增強(qiáng)了紙張對(duì)油墨的吸收并使得吸墨性更加均勻，改善了紙張對(duì)油墨的親和力，有利于印刷品質(zhì)量的提高；
　　(3) PCC 的加入增加了紙品的定量，減少纖維原料消耗，降低了造紙成本。
　　3.3 PCC 在紙料中的加入對(duì)紙張質(zhì)量的影響[5]。
　　3.3.1 挺度
　　紙張的挺度是紙張厚度和彈性模量的函數(shù)。填料對(duì)挺度的影響應(yīng)將填料對(duì)松厚度和抗張強(qiáng)度
　　的影響綜合起來(lái)考慮。當(dāng)加填料量小時(shí)，填料的加人基本不影響紙張的挺度，當(dāng)加填料量再增加時(shí)，挺度則隨填料量增加而顯著減小。
　　3.3.2 緊度（松厚度）
　　紙張纖維的密度為1克 / 立方厘米，而填料密度大多在2.5 ~3.0克 / 立方厘米。因此填料的加人將會(huì)改變紙張的松厚度。
　　3.3.3 紙張強(qiáng)度
　　纖維間的結(jié)合是紙張強(qiáng)度的基礎(chǔ)，填料的加人減少了纖維間的結(jié)合，所以加人大量填料會(huì)使紙張強(qiáng)度顯著下降。其中抗張強(qiáng)度、耐折度和耐破度下降較大，撕裂度下降較小，使用填料的用量有一定限制。同時(shí)某些造紙助劑的應(yīng)用可以使這種強(qiáng)度下降現(xiàn)象明顯減輕。
　　3.3.4 有利于不透明度的提高
　　沒有加填料的紙張是由纖維和空氣組成?？諝獯嬖谟诶w維間的孔隙中，由于纖維與空氣的折射率不同，因此當(dāng)光束照射到紙張表面時(shí)，即有部分光在纖維與空氣界面上發(fā)生散射，賦予紙張一定（較低）的不透明度，反映在印刷中，主要表現(xiàn)為極易透印。在紙張中加入折射率大于纖維素的PCC 后，增加了紙張內(nèi)部光散射界面的數(shù)量，即存在纖維與空氣間、填料與纖維間以及填料與空氣間三類不同的界面，在這三種界面中，填料與空氣折射率的差值較大。因此光線在填料與空氣界面上得到最大散射，使紙張的不透明度增加。
　　3.3.5 對(duì)印刷紙張性能的影響
　　印刷用紙加入填料可改進(jìn)紙張的印刷適性，如增加紙張的白度、平滑度、不透明度、挺度。改善紙張對(duì)油墨的親合力、柔軟度和穩(wěn)定性，從而有助于印刷品質(zhì)量的提高。當(dāng)然紙張中加入填料量太高也帶來(lái)一些不良的影響，主要表現(xiàn)為紙張強(qiáng)度的降低和施膠效果的下降，在印刷中易發(fā)生掉粉、掉毛現(xiàn)象，填料粒子傳遞到印版和橡皮布上會(huì)產(chǎn)生糊版等現(xiàn)象；由于填料有摩擦作用，還會(huì)磨損印版，但用PCC 加填則可以使印版磨損降低到最低程度。
　　4 關(guān)于PCC 在造紙中的留著率
　　4.1 紙張抄造過(guò)程中，紙漿的上網(wǎng)濃度通常低于1 % ，由于紙頁(yè)成型時(shí)過(guò)濾網(wǎng)的作用，能夠在紙張中留著的填料一般為加入量的50 ％甚至更低，未留著的填料隨著造紙廢水排放，給環(huán)境保護(hù)和造紙廢水處理帶來(lái)較大的負(fù)面影響。
　　4.2 影響PCC 在造紙過(guò)程中留著率的因素較多：造紙工藝控制如紙漿漿度、紙漿種類、紙張品種、助劑應(yīng)用及造紙機(jī)運(yùn)行參數(shù)等因素都會(huì)影響到PCC 在紙中的留著率。實(shí)踐證明，PCC 粒子的大小、微觀形狀與粒度分布對(duì)在造紙過(guò)程中的留著率有很大的影響。
　　4.3 相對(duì)來(lái)說(shuō)，當(dāng)PCC的粒徑在適當(dāng)范圍內(nèi)，粒度較大時(shí)較易被截留在交織的纖維濾層中；微觀形貌為非球形、非立方體形、晶體形貌完整的粒子易吸附在纖維上，并形成架橋效應(yīng)，使之不易穿過(guò)纖維交織的針眼而被留著。

　　圖2 紙張表面微觀形態(tài)（涂布加工）

　　4.4 粒度分布狄窄的PCC 有利于在紙張抄造過(guò)程中的留著。
　　4.4.1 試驗(yàn)表明，在紙張的灰分一致、成品紙張各種物理指標(biāo)如定量、白度、仲長(zhǎng)率、抗張強(qiáng)度等符合要求的情況下，微觀形貌相同、平均粒徑也基本相同的不同PCC 品種，粒度分布狹窄的PCC 留著率明顯提高。
　　4.4.2 以下是某大型試驗(yàn)時(shí)不同PCC 在紙張質(zhì)量均符合要求情況下動(dòng)態(tài)加入量數(shù)據(jù)比較（表1 ）。在各項(xiàng)指標(biāo)符合的情況下，PCC#l 更具有較為理想的粒度分布，由于其留著率的提高與PCC#2 比較加入量減少了1/4 左右。

　　表1 PCC 動(dòng)態(tài)加入量數(shù)據(jù)比較

　　4.4.3 目前對(duì)于提高填料留著率的問(wèn)題在造紙濕部化學(xué)特別是助留助劑的研究應(yīng)用有相當(dāng)?shù)倪M(jìn)步，由采用單助劑助留發(fā)展到雙元、多元助留系統(tǒng)，能將填料的留著率提高到70 ％以上，同時(shí)也提高了細(xì)小纖維的留著。但有一點(diǎn)就是助留系統(tǒng)助劑的引人要求不能與造紙過(guò)程中其他特殊助劑的加人相沖突。
　　5 紙張的掉毛掉粉現(xiàn)象與PCC 的關(guān)系
　　5.1 紙張抄造過(guò)程中加入PCC 可以改善成品紙張的許多性能和降低成本，但由于填料的加入也可能引起在復(fù)卷、分切及印刷過(guò)程中的掉毛掉粉現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生有許多影響因素，其中PCC 的粒徑大小和粒度分布的不合理是造成掉毛掉粉現(xiàn)象產(chǎn)生的重要因素之一。
　　5.2 PCC粒徑的大小分布情況可以通過(guò)粒度分布測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，最簡(jiǎn)便的方法是進(jìn)行常規(guī)的沉降性測(cè)試：將PCC 在一定時(shí)間內(nèi)的沉降體積用曲線直觀地加以表達(dá)，作為重要的參考依據(jù)。                        
　　5.3 # l 、＃5PCC 使用效果好，# 4 次之，# 2 、# 3 又次之。
　　5.4 通過(guò)分析（見表2 、圖3 ）可知：PCC 樣品＃1 、＃5 沉降性曲線在一定范圍內(nèi)幾乎是一條直線，相應(yīng)的粒度測(cè)試分布情況也比較均勻，使用效果比較理想。樣品＃4 總體上也不錯(cuò)；樣品＃2 、# 3 相對(duì)來(lái)說(shuō)沉降曲線的彎曲程度很大，對(duì)應(yīng)的粒度分布相對(duì)要寬一些。
　　5.5 沉降曲線呈現(xiàn)一條直線，主要是這種PCC 沉降速度均勻，而沉降速度的均勻反映了微觀粒子大小的均勻，粒度分布狹窄；# 2 、＃3 樣品的沉降速度在開始的30 分鐘比較快，之后逐漸趨緩，從沉降曲線上可以直觀地反映出來(lái)，配合粒度的測(cè)試，這種類型的PCC 微觀粒子粒度分布欠佳，主要是較大、較小粒子的含量均含有一定的比例，應(yīng)用后提高了紙張掉毛掉粉現(xiàn)象產(chǎn)生的幾率。
　　5.6 以下圖表列出了幾種比較有代表性的PCC 沉降性測(cè)試曲線和粒度分布圖（見表2 、圖3 、圖4 ）。

　　表2 幾種有代表性的PCC 動(dòng)態(tài)加入量沉降性測(cè)試數(shù)據(jù)

　　表3幾種常見的造紙?zhí)盍系哪ズ膮⒖贾?/p>

　　圖3 幾種比較有代表性的PCC 沉降性曲線

　　圖4 幾種PCC 的粒度分布情況

　　6 磨耗問(wèn)題
　　6.1 填料的磨耗通常是指在造紙過(guò)程中對(duì)造紙機(jī)特種器材特別是造紙銅網(wǎng)、聚酚成型網(wǎng)的磨擦損耗程度。同時(shí)使用不同填料生產(chǎn)的紙張的磨擦性能在紙張完成、后續(xù)加工及印刷過(guò)程中也有著重要意義。
　　6.2 下表列出了幾種造紙?zhí)盍系哪ズ闹礫6] 。
　　6.3 通常認(rèn)為，微觀形狀為紡錘狀的PCC 在紙張抄造過(guò)程中對(duì)造紙器材的磨耗比較小。
　　7 穩(wěn)定性問(wèn)題
　　7.1 PCC 在不同紙張產(chǎn)品上使用，對(duì)各種物理、化學(xué)及特殊指標(biāo)有不同的要求，在符合行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)的前提下，分別有著不同的特性：如遮蓋性、透氣性、吸收性等。
　　7.2 質(zhì)量的波動(dòng)是絕對(duì)的，但是相關(guān)指標(biāo)波動(dòng)在一定的范圍內(nèi)，適用于某一個(gè)或一類紙種的使用，我認(rèn)為這種PCC 就是優(yōu)質(zhì)的，也是最好的。如PCC 的粒度分布波動(dòng)很大，在造紙?zhí)盍咸貏e是涂料調(diào)配時(shí)必然使操作人員難于把握，也就給紙張質(zhì)量穩(wěn)定帶來(lái)不利的影響。
　　7.3 以下圖示列出了用于高檔紙張作填充料的同類型PCC 幾個(gè)基本測(cè)試數(shù)據(jù)比較。

　　圖5 粒徑對(duì)比曲線

　　圖6a 白度對(duì)比曲線

　　圖6b 沉降性對(duì)比曲線

　　7.4 從上圖中可以看出兩個(gè)產(chǎn)品的相關(guān)指標(biāo)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是無(wú)可挑剔的，生產(chǎn)商也稱該產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，得到用戶的認(rèn)可并予于使用。但隨著時(shí)間的推移，由于該產(chǎn)品存在著上述指標(biāo)的大幅度波動(dòng)，給下游產(chǎn)品造成一定的負(fù)面影響。
　　7.5 在使用和穩(wěn)定的前提下，我認(rèn)為不必追求所有指標(biāo)的高要求，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)即可，但要注意的是：
　　( l ）白度。大多數(shù)紙張是白色的，對(duì)于填料包括PCC 的白度總是首選條件；對(duì)于有色紙也－樣，在潔白的基礎(chǔ)上染色才能達(dá)到色彩的明亮與艷麗。但是如果不同批次的PCC 產(chǎn)品白度差別比較大，則也將給成品紙張?jiān)斐杀容^明顯的色差。
　　( 2 ）粒度分布。PCC的粒徑目前在企業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中都給予了規(guī)定，但很少見到包括粒度分布及其穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)規(guī)定（這是比較難于達(dá)到的）。但是造紙行業(yè)對(duì)于這類指標(biāo)比較重視，除用作填充外，作為紙張涂布的涂層用體質(zhì)顏料，粒度分布的不均勻?qū)⒂绊懙酵繉颖砻娴钠交?、孔隙、光學(xué)等性能。
　　( 3 ）減少塵埃。盡可能減少PCC 成品中的黑色和有色雜質(zhì)點(diǎn)。
　　8 結(jié)束語(yǔ)
　　8.1 PCC 的制備需針對(duì)不同的下游產(chǎn)品實(shí)際通過(guò)反應(yīng)條件的控制達(dá)到所需的質(zhì)量要求；
　　8.2 高白度的PCC 產(chǎn)品往往被首選在造紙中應(yīng)用；
　　8.3 粒度分布狹窄的PCC 用作造紙?zhí)盍峡梢蕴岣咂淞糁?，降低紙張抄造成本并適當(dāng)減輕造紙廢水處理負(fù)荷；
　　8.4 相關(guān)指標(biāo)穩(wěn)定的PCC 更受用戶歡迎。
　　參考資料：
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　　[4] 沈興楠．卷煙紙用碳酸鈣的概況．碳酸鈣工業(yè)，2000 (1) : 4 1 .
　　[5] 錢鷺生等．涂布加工技術(shù)手冊(cè)．中國(guó)輕工出版社，2000 (5) : 45 一51 .
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　　作者：沈興楠 （浙江嘉興民豐特種紙股份有限公司技術(shù)開發(fā)中心浙江314000 )