纤维状非金属矿与植物复合纤维的制备、性能及应用研究

论文摘要

本研究属于新材料领域,涉及非金属矿和造纸两个行业。寻求来源广、价格低、能改善纸品性能、环境污染小的纤维矿物原料对推动造纸原料供应和选择多元化,探索功能矿物材料在特殊纸品的应用、推动我国造纸工业可持续发展具有十分重要的意义。本研究重点是开发一种新型非金属矿物纤维和植物纤维的复合纤维。本文从研究硅灰石、海泡石、纤维水镁石等非金属矿物纤维的物化特性出发,对矿物纤维的分散解离、提纯、改性、矿物纤维和植物纤维复合、纸张的抄造及性能测试进行了系统试验研究,取得了以下主要研究成果:1、系统研究了硅灰石、海泡石、纤维水镁石以及植物纤维的试样特性,针对矿物纤维的晶体结构、化学及矿物组成、表面电性和矿物形貌特征进行了比较深入研究,为纤维的复合研究提供了理论指导。2、系统研究了硅灰石的改性,海泡石纤维、纤维水镁石的分散解离提纯,为矿物纤维的复合应用奠定了基础。（1）采用CPAM对硅灰石进行改性,降低了硅灰石表面电位,增强了与植物纤维、其他矿物纤维的结合强度。（2）采用六偏磷酸钠作分散剂,进行机械搅拌分散,再经超声波处理,可使海泡石纤维基本单束化。（3）采用OT对水镁石浸泡处理,再经高速搅拌机分散,可使纤维水镁石纤维分散均匀,基本上呈现单束化。3、系统地进行矿物纤维和植物纤维的复合抄纸实验室试验。首次进行了复合矿物纤维（改性硅灰石/纤维水镁石、改性硅灰石/海泡石、纤维水镁石/海泡石）和植物纤维的复合试验,取得了较好效果。（1）添加矿物纤维（硅灰石、海泡石、纤维水镁石）其纸片的性能明显优于添加一般填料碳酸钙、滑石粉的性能,表明矿物纤维在复合纤维中不是起一般填料的作用,而有其矿物纤维的效应。（2）硅灰石,特别是改性硅灰石可以改善纸片的性能,其添加量可达30%（硅灰石）～40%（改性硅灰石）,改性硅灰石效果更明显,因而硅灰石纤维的改性对复合纤维的结合强度和纸片的性能具有重要作用。（3）海泡石/改性硅灰石、纤维水镁石/硅灰石、纤维水镁石/改性硅灰石、纤维水镁石/海泡石（配比1:1）矿物复合纤维与植物纤维复合,其纸片性能优于单一矿物纤维与植物纤维复合纸片的性能。其主要原因是矿物纤维特性的协同作用,提高了纸片的性能,加入量可以达30%-40%。（4）从SEM电镜照片中可以看到,矿物纤维在纸片中分布较均匀,与植物纤维形成了网状交织结构,在纸品中可替代部分植物短纤维。4、200mm長网纸机中试表明,在适宜的纤维复合条件下可获得较好的成纸综合性能。对比滑石粉填料,改性硅灰石加填量提高8%,成纸仍能获得较好的综合物理性能,从而可以降低相应量的植物纤维用量,具有较好的经济效益;改性硅灰石与海泡石或与纤维水镁石如按适当比例混合,能在提高成纸灰分的同时,纸页保持较好的物理性能。5、探讨了硅灰石的改性机理,海泡石、纤维水镁石的分散解离机理,复合纤维界面作用机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 概述
• 1.1 造纸纤维原料
• 1.1.1 植物纤维原料
• 1.1.2 非植物纤维原料
• 1.2 造纸工业对造纸原料的需求
• 1.3 造纸工业对环境的主要影响
• 1.4 非植物纤维在造纸工业中应用的意义
• 1.5 非金属矿及矿物纤维在造纸中应用的国内外研究现状
• 1.5.1 硅灰石
• 1.5.2 海泡石
• 1.5.3 石膏纤维
• 1.5.4 水镁石纤维
• 1.5.5 其他矿物纤维
• 1.6 矿物纤维在造纸中应用存在的主要问题
• 1.7 研究目的、意义和研究内容
• 1.7.1 研究目的和意义
• 1.7.2 研究内容
• 第2章 试验原料、设备及试验流程和试验研究方法
• 2.1 试验原料
• 2.1.1 硅灰石
• 2.1.2 海泡石
• 2.1.3 纤维水镁石
• 2.1.4 植物纤维
• 2.2 试验药剂
• 2.3 试验主要仪器设备
• 2.4 试验流程
• 2.5 试验研究方法
• 2.5.1 矿物纤维的提纯、分散及评价方法
• 2.5.1.1 海泡石的提纯与分散
• 2.5.1.2 纤维水镁石的提纯与分散
• 2.5.1.3 分散效果的评价方法
• 2.5.2 硅灰石的改性与评价方法
• 2.5.3 抄纸试验
• 2.5.3.1 纸浆打浆与打浆度的测试
• 2.5.3.2 纸张抄造
• 2.5.4 纸片性能测试
• 第3章 试样特性研究
• 3.1 硅灰石
• 3.1.1 硅灰石的晶体结构
• 3.1.2.硅灰石的化学组成
• 3.1.3 硅灰石的矿物组成
• 3.1.4 硅灰石的粒度组成
• 3.1.5 硅灰石的表面电性
• 3.1.6 硅灰石的形貌特征
• 3.2 海泡石
• 3.2.1 海泡石的晶体结构
• 3.2.2 海泡石的化学组成
• 3.2.3 海泡石的矿物组成
• 3.2.4 海泡石的表面电性
• 3.2.5 海泡石的形貌特征
• 3.3 纤维水镁石
• 3.3.1 纤维水镁石的晶体结构
• 3.3.2 纤维水镁石的理化性质
• 3.3.3 纤维水镁石的化学组成
• 3.3.4 纤维水镁石的矿物组成
• 3.3.5 纤维水镁石的表面电性
• 3.3.6 纤维水镁石的形貌特征
• 3.4 植物纤维
• 3.4.1 植物纤维的主要成分与分子结构
• 3.4.2 植物纤维的理化性能
• 3.4.3 植物纤维的形貌特征
• 3.5 小结
• 第4章 矿物纤维的提纯、分散与改性
• 4.1 硅灰石的改性
• 4.2 海泡石的分散与提纯
• 4.2.1 分散剂种类的选择
• 4.2.2 分散剂用量的确定
• 4.2.3 搅拌转速的确定
• 4.2.4 搅拌时间的确定
• 4.2.5 超声波对海泡石分散提纯效果的影响
• 4.3 纤维水镁石的分散与提纯
• 4.3.1 分散剂种类的确定
• 4.3.2 分散剂用量的影响
• 4.3.3 搅拌速度的影响
• 4.3.4 搅拌时间的影响
• 4.3.5 浸泡时间的影响
• 4.3.6 超声波对纤维分散效果的影响
• 4.4 小结
• 第5章 矿物纤维与植物纤维的复合抄纸实验室试验
• 5.1.纤维原料
• 5.2 实验流程
• 5.3 抄纸试验
• 5.3.1 单一植物纤维及添加填料试验
• 5.3.2 硅灰石与植物纤维复合抄纸试验
• 5.3.3 海泡石与植物纤维复合抄纸试验
• 5.3.4 纤维水镁石与植物纤维抄纸试验
• 5.3.5 复合矿物纤维与植物纤维抄纸试验
• 5.3.6 纤维水镁石耐高温纸的初步试验
• 5.3.7 抄纸纸片SEM扫描电镜分析
• 5.4 小结
• 第6章 复合纤维成纸性能测定及200mm长网机中试试验
• 6.1 实验
• 6.1.1 原料
• 6.1.2 实验方法及仪器
• 6.1.3 试验流程
• 6.2 试验结果与分析
• 6.2.1 矿物纤维性质
• 6.2.2 矿物纤维的应用性能
• 6.2.3 加填手抄片物理性能
• 6.2.4 200mm纸机成纸物理性能
• 6.2.5 200mm纸机成纸扫描电镜分析
• 6.3 小结
• 第7章 矿物纤维分散、改性、与植物纤维复合机理研究
• 7.1 硅灰石改性机理
• 7.2 超声波对海泡石纤维的分散机理
• 7.3 OT渗透剂对纤维水镁石的分散机理
• 7.4 复合纤维界面作用机理
• 7.5 小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录一 攻读博士学位期间承担和完成的课题
• 附录二 攻读博士学位期间获得的专利
• 附录三 攻读博士学位期间获奖