摘 要：对高铝粉煤灰基多孔硅酸钙性能进行了分析，并对其在轻型纸中的加填应用进行了生产实践与分析。结果表明，硅酸钙呈多孔状结构，具有白度高、密度低、孔隙率高、磨耗低等特点。与轻钙相比，多孔硅酸钙用于轻型纸加填可明显提高填料留着率，但纸机网部滤水性降低，干燥部汽耗增加，施胶效果降低。硅酸钙填料用于轻型纸生产可以大幅提升轻型纸松厚度和填料含量，有助于改善产品质量，降低生产成本。经济有效地解决硅酸钙加填产生的施胶问题是大规模生产应用的关键。
为了改善纸页性能，降低生产成本，文化纸生产中通常加入无机矿物粉体作为填料。据初步统计，我国每年用于纸张加填的无机填料超过1000万t，主要为碳酸钙、滑石粉等，已经成为仅次于植物纤维的第二大纸张组分。然而碳酸钙、滑石粉等矿物为不可再生资源，长期开采已经造成大量资源过度消耗及环境破坏，矿物资源的循环利用已成为目前的研究热点。为了充分实现固体废弃物的综合利用，大唐国际高铝煤炭资源开发中心成功从粉煤灰中提取出新型多孔硅酸钙副产品。初步研究表明，新型硅酸钙填料呈多孔状结构，堆积密度低、孔隙率高、吸收性好，用作造纸填料具有较高的可行性，有助于提升纸页松厚度；但同时硅酸钙加填也显示出滤水性降低，施胶度差等缺点。目前多孔硅酸钙的应用研究主要集中在实验室阶段，为了评估实际生产应用情况，本文对多孔硅酸钙在轻型纸加填中的应用进行了生产实践，分析了硅酸钙加填对纸机系统和成纸性能的影响，以期为硅酸钙在造纸中的应用和推广提供支持。
1 高铝粉煤灰基多孔硅酸钙性能分析
轻型纸生产实践中使用的硅酸钙为大唐集团高铝粉煤灰提取氧化铝生产中的副产品，对其主要性能进行了分析，并与轻型纸用轻钙填料进行对比，结果如表1所示。
表1多孔硅酸钙性能分析及对比
填料类型
白度 %ISO
中位粒径 μm
磨耗值 （mg/2000）次
真密度 g/cm3
吸油值 ml/100g
比表面积 m2/g
孔隙率 ml/g
pH 值，（10%）
商品轻钙
91.2
3.5
10
2.62
75
25.4
0.01
9
硅酸钙
90.5
25
1.2
1.24
182.5
152.4
0.4
9.5
表1数据可以看出，硅酸钙填料白度较高，超过90%ISO，完全达到造纸填料白度要求。硅酸钙填料中位粒径较大，约为商品轻钙填料的7倍，但其磨耗值仅为商品轻钙的1/10，这对于提高填料留着，降低设备磨损是非常有利的。硅酸钙填料的密度小，孔隙率高，有助于提高纸页的松厚度。图1为硅酸钙与商品轻钙的SEM表面形貌对比。
图1表明，硅酸钙与商品轻钙具有明显的形态差异，商品轻钙呈菱形构成的“菊花状”，形状规则；而硅酸钙呈团状聚集形态，放大至20000倍可明显观察到多孔状结构。
2硅酸钙在轻型纸生产中的应用
2.1生产工艺条件
硅酸钙造纸加填生产应用在山东某纸厂2640mm纸机上进行，纸机车速260m/min，生产70g/m2轻型印刷纸。浆料配比：针叶木浆/阔叶化机浆=12%/88%；针叶木浆打浆度40～45 ?SR，化机浆打浆度50～55 ?SR。碳酸钙或硅酸钙填料按一定浓度均匀分散到水中在线加入，通过调整流量控制成纸灰分。AKD浆内施胶剂在碳酸钙加填中用量为10kg/t纸，硅酸钙加填中AKD用量根据Cobb值变化进行相应调整，控制轻型纸Cobb值≤45g/m2。PAM助留剂和浆内阳离子淀粉用量分别为0.5kg/t纸和10kg/t纸。表面施胶采用施胶淀粉和合成苯丙表面施胶剂配置而成，表面淀粉和合成表面施胶剂用量分别为20kg/t纸和4kg/t纸。
2.2硅酸钙加填对纸机和施胶剂用量的影响
2.2.1纸机网部水线变长
当填料由碳酸钙更换为硅酸钙后，可以明显观察到纸机网部的水线变长，表明硅酸钙加填后纸机网部脱水速率降低，分析认为这是由于硅酸钙的多孔结构中的游离水脱除难度增加引起的。我们在实验室研究也得到了类似的结论。
2.2.2填料留着率明显增加
生产试验结果表明，应用硅酸钙加填后，填料留着率显著增加，这是因为硅酸钙更高的填料粒径有助于在网部的机械截留。
2.2.3施胶剂用量显著增加
生产实践表明，硅酸钙加填后明显降低施胶效果，增加AKD用量，这可能是由于硅酸钙的多孔性对施胶剂产生强烈的吸附作用引起的。研究工作者在实验中也获得了这样的结果，如何解决硅酸钙填料对施胶剂的副作用是合理应用硅酸钙的关键问题。
2.2.4纸机干燥部汽耗明显增加
当填料由碳酸钙更换为硅酸钙后，出烘干部进压光机的轻型纸水份明显增大，说明硅酸钙加填轻型纸需要更高的汽耗。
2.3硅酸钙加填对轻型纸纸页性能的影响
生产中通过控制填料流量获得不同硅酸钙加填量的轻型纸，对硅酸钙加填后生产的轻型纸性能进行了分析，并与碳酸钙加填轻型纸进行对比，结果如表2所示。
表2 硅酸钙加填轻型纸性能分析及对比
生产实例1
生产实例2
生产实例3
填料类型
CaCO3
CaSiO3
CaSiO3
575oC灰分 %
（烧失量约12%）
19
22
24
纸张实际填料含量 %
19
25
27.3
定量 g/m2
69.9
71.9
70.8
松厚度 cm3/g
1.94
2.03
2.04
白度 %ISO
75.7
77.4
78.0
视觉白度 %
55.7
58.7
60.2
L
92.42
93.09
93.22
a*
-0.59
-0.47
-0.45
b*
5.58
5.29
5.04
Cobb值 g/m2
（AKD用量 kg/t纸）
30
（10）
40
（15）
45
（19）
平滑度 s
9
7
7
纵向抗张指数 N·m/g
X向
19.86
14.23
14.47
Y向
29.88
19.87
18.94
撕裂指数
mN·㎡/g
X向
1.09
1.03
1.07
Y向
1.25
1.15
1.02
耐破指数 kPa·㎡/g
1.32
0.94
0.95
伸长率（%）
X向
1.94
1.66
1.68
Y向
1.15
0.94
0.87
表2可以看出，尽管两种硅酸钙加填轻型纸的填料含量明显高于碳酸钙加填轻型纸，但硅酸钙加填轻型纸的松厚度仍明显高于碳酸钙加填轻型纸，分析认为这是由于硅酸钙的多孔性显示出的对松厚度的优势。高松厚度不仅可以提升纸页性能，而且可以降低浆耗，节省成本。
ISO白度和视觉白度结果表明，硅酸钙加填后纸张的白度略有提升，这可能是由于硅酸钙加填轻型纸的填料含量较高，而硅酸钙白度高于纸浆白度的原因。轻型纸对白度没有过高的要求，因此对产品质量影响不大。色相分析数据表明，硅酸钙加填轻型纸与碳酸钙加填轻型纸在色相方面差异很小，硅酸钙轻型纸亮度略高，红色彩和绿色彩稍多；但差异细微，肉眼很难判断。
抗水性指标是轻型印刷纸非常重要的性能，在很大程度上影响着纸张后续印刷使用效果。生产结果表明，硅酸钙加填后，轻型纸的Cobb值迅速上升，难以达到使用要求；尝试浆内增加AKD用量降低吸水性，虽然可以起到一定的效果，但效果不够理想，且AKD用量很高，会造成生产成本增加。
硅酸钙加填轻型纸的纸页平滑度略低于碳酸钙轻型纸加填，这可能是由于硅酸钙填料粒径明显高于碳酸钙填料的原因。轻钙填料的中位粒径为3.5μm，而硅酸钙填料的中位粒径为25μm。轻型纸对平滑度要求不高，硅酸钙加填轻型纸的平滑度完全可以满足使用要求。
生产结果表明，硅酸钙加填轻型纸的抗张强度、撕裂强度、耐破强度均低于碳酸钙加填轻型纸，分析认为这主要是由于硅酸钙轻型纸加填量过高的原因，过高的加填量会阻碍纤维间的结合，降低纸页强度性能，当然会大幅降低生产成本。根据大量前期实验研究结果，在保持同样的填料含量的前提下，硅酸钙加填纸页的强度性能会明显高于碳酸钙加填纸页。
伸长率对于保持纸页的尺寸稳定和后续印刷过程非常重要，实验结果表明，硅酸钙加填轻型纸的伸长率较低，有助于保持纸张尺寸稳定和后续印刷。
3 结论
与轻钙加填相比，硅酸钙用于轻型纸加填后可明显提高填料留着率，降低网下白水浓度；但纸机网部滤水性降低，干燥部汽耗增加，纸张施胶效果降低。
硅酸钙填料用于轻型纸生产可以大幅提升纸张松厚度和填料含量，有助于改善产品质量，降低生产成本。对施胶效果产生的副作用是影响硅酸钙填料应用的主要问题所在，经济有效地解决硅酸钙加填的施胶问题是生产应用的关键。
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