改性硅灰石

一般而言，造纸行业使用的填料多为无机矿物材料如碳酸钙、滑石粉等，与这些传统的造纸填料相比叫，硅灰石是一种比较独特的造纸填料，该矿物是自然界中一种天然具有纤维状结构的无机矿物材料，具有稳定的物理化学性质、白度较高、耐酸碱、无毒环保。从造纸行业的使用效果来看，在造纸系统中添加硅灰石矿物纤维，可以较好地保留纸张的强度，提高纸张的挺度、环压强度，节省抄纸生产成本。

硅灰石矿石经过机械粉碎后，如果不对其进行任何处理而直接填加于纸张中，则该矿物纤维的留着率相对较低，另外，矿物纤维的大量流失也导致纸机成型网的磨损加快。为了更好地提高硅灰石在纸页中的留着率以降低纸张生产成本、减轻成型网的磨耗，我们采用硫酸铝或硫酸铝／聚丙烯酰胺对硅灰石粉料进行改性处理并研究改性对硅灰石填料留着率的影响。

l硅灰石填料形态、Zeta电对填料留着的影响

本研究所采用的硅灰石填料外观为白色粉末状，采用扫描电镜对硅灰石填料进行形貌分析（如图1所示），可以看出，硅灰石填料大颗粒主要呈针状，具有较大长径比：对于较小的颗粒，针状形态消失，长径比很小，这些细小部分将影响着填料的留着率。另外，从图l可以看出该填料表面棱角分明，加之该填料硬度较大，可能是造成纸机脱水元件磨损严重的主要原因。

    图1硅灰石填料电子显微镜照片

    实验测定硅灰石填料悬浮液pH值为7.42，此时其Zeta电位为- 12. 36mv，本研究探讨了pH值对硅灰石颗粒Zeta电位的影响（如图2所示），可以看出：pH值对硅灰石表面的Zeta电位影响很大，随着pH值的增加，硅灰石表面的Zeta电位由正变负，且{jd1}值逐渐增加。还可以看出，在一般的造纸体系pH值(4.58.5)范围内硅灰右表面一直呈负电性，这种电负性与纸浆悬浮液中的纤维表面电荷相似，相互的排斥作用不利于填料在纸浆中的留着，所以为了提高填料的留着效果，有必要对该填料进行改性处理，本研究综合考虑以硫酸铝为改性剂，探讨改性对硅灰石填料留着等性能的影响。2硫酸铝改性硅灰石在不同浆种中的留着效果

    2.1不同硫酸铝用量改性硅灰石在化学浆留着率的影响

    由图3可知，随着硫酸铝用量的增加，改性硅灰石的留着率呈先上升后下降趋势，当硫酸铝用量为6%时，硅灰石的留着率从64.12%提高到72. 06%，提高幅度为7. 94q%。

2.2硫酸铝改性对硅灰石加填高得率浆留着率影响

图4不同硫酸铝用量改性硅灰石在高得率浆留着率的影响

图4表明，硫酸铝改性可以提高硅灰石在离得率浆中的留着率，当硫酸铝用量为4%左右时，改性硅灰石的留着率为53.98%，比未改性硅灰石留着率提高了5. 76%。

 对比图3改性硅灰石在化学浆中的加填效果，表明单独采用硫酸铝改性硅灰石对加填化学浆留着率提升更加明显。

3硫酸铝/CPAM改性硅灰石对加填留着的影响

3.1硫酸铝/CPAM二元改性对硅灰右加填化学浆影响

  实验在CPAM用量为0.02%和0.04%两种用量下，探讨不同用量硫酸铝用量与这两种CPAM配比改性硅灰石对留着率提升效果比较，如图5所示。

对改性硅灰石加填化学浆留着率影响。

  从图5可以看出，CPAM用量为0.04%时，硫酸铝用量为0.5%对，硅灰石留着率可以达到91. 98%。如不用硫酸铝，则硅灰石留着率仅为86. 25%。对比图3，表明在CPAM存在下，硫酸铝提高硅灰石留着率效果更明显。而当CPAM用量为0.02%时，硫酸铝用量为1.5%时，硅灰石留着率为87. 96%，比仅仅采用CPAM改性时83. 97qc留着率提高了3.99%。通过对比发现CPAM/硫酸铝分别为0.02 010与1.5%时改性硅灰石的留着率(87.96%)比CPAM用量为0.04%时(86.25%)要高，因此硫酸铝/CPAM二元改性能够节约CPAM的用量，从经济角度考虑更为可行。

3.2硫酸铝/CPAM二元改性硅灰石加填高得率浆效果比较

 实验采用的CPAM用量为0.04%，探讨不同硫酸铝用量对改性硅灰石留着率的影响，如图6所示。期j}选纸

  图6硫酸铝用量对硫酸铝

/CPAM二元改性硅灰石加填高得率浆影响

 从图6可以看出，改性硅灰石留着率随着硫酸铝用量的增加呈现先增加后减小趋势，当硫酸铝用量为1. 5qo时，改性硅灰石留着率达到{zd0}值为92. 27%，相比较与硫酸铝／CPAM分别为0.5qo和0.04%时改性加填化学浆留着率的91. 98%要高。这表明改性硅灰石在高得率浆留着效果更好，而且相比较与硫酸铝用量为0%时硅灰石的留着率82. 57 010，留着率提高9.7 010，比化学浆5.73%提升效果明显，这表明，对于

阴离子垃圾比较多的高得率浆而言，提高硫酸铝用量中和部分阴离子垃圾，使得硅灰石留着率提高，相比较与化学浆更具应用优势。

4硫酸铝／CPAM改性系统与硫酸铝改性+CPAM助留系统应用效果比较

实验对比了硫酸铝／CPAM硅灰石加填和硫酸铝改性硅灰石而后采用0. 04%用量CPAM系统对硅灰石留着效果比较，比较了在化学浆和高得率浆应用效果。

对与化学浆来说，硫酸铝／CPAM改性效果比单纯采用硫酸铝改性 CPAM助留系统对硅灰石留着率提升效果更明显。而且采用CPAM助留系统时，硫酸铝用量对改性硅灰石留着率提升不明显，硫酸铝用量为1. 5%时，留着率为84. 3%。比硫酸铝用量为0%留着率83. 36%提高了0.94%，这表明，当采用CPAM助留系统时，对硅灰石留着率的贡献主要是CPAM。而当采用硫酸铝/CPAM二元改性硅灰石时，相比较于硫酸铝用量为0%的86. 25%，硫酸铝用量为0.5%时，留着率为91. 98%，留着率提高了5.73%。而且硫酸铝用量为0%时，采用CPAM加入浆中的助留系统留着率83. 36%比CPAM改性86.25%要低，这可能是因为CPAM改性后，硅灰石离子絮聚在一起，使得硅灰右粒径增大，从而使单纯采用助留系统时留着率要高。因此综合比较硫酸铝／CPAM二元改性硅灰石留着率效果好。

对于高得率浆而言，硫酸铝／CPAM改性效果比单纯采用硫酸铝改性+ CPAM助留系统对硅灰石留着率提升效果更明显，相比较与CPAM助留系统，即硫酸铝用量为1%，CPAM用量为0.04 qo时的90. 84%，硫酸铝／CPAM二元改性，在硫酸铝与CPAM用量分别为1.5%和0.04%时留着率为92.27%，露着率更高。硫酸铝为0%时，CPAM加填填料中改性比加在浆中留着率高。

对比硫酸铝/CPAM二元改性加填化学浆和高得率浆留着率发现，高得率浆留着率可以达到92.27%，化学浆只能达到91. 98%，而且硫酸铝用量对高得率浆留着率增加幅度比化学浆更明显，在化学浆中，硫酸铝，CPAM用量分别为0.5%和0.04%时留着率91. 98%，比硫酸铝/CPAM用量分别为0%和0.04%时留着率86.25%提高了5.73%。而在高得率浆中，92. 27%，比硫酸铝／CPAM用量分别为0%和0.04%时的留着率82. 57%，留着率提高了9.7%，因此硫酸铝/CPAM二元改性在高得率浆应用效果更好。

5结论

(1)硅灰石填料颗粒形态、Zeta电位是影响其在造纸加填过程中的留着率、网部磨损的主要因素：

   (2)单纯采用硫酸率对硅灰石进行表面改性时，{zj0}的用量为4% -6%，填料留着率可以提高约6% - 8%：

 (3)硫酸铝/CPAM二元改性硅灰石具有更好的留着效果

    聚四氟乙烯( PTFE)是一种含氟塑料，由于其具有优异的化学稳定性、耐高低温、极低的摩擦因数及自润滑等性能，在摩擦学领域一直是研究的热点田。但是纯PTFE存在耐磨性差、蠕变明显的缺点，限制了其更宽范围的应用脚。为了提高PTFE的综合性能，需对其进行改性，而采用各种纤维、颗粒、纳米粒子对PTFE进行增强、耐磨改性的研究已经比较多。

    硅灰石是一种含钙的偏硅酸盐类矿物，因其具有无毒、耐化学腐蚀、热稳定性及尺寸稳定性良好、力学性能及电性能优良且廉价易得等优点，广泛用作高聚物基复合材料的增强填料陆-。天然针状硅灰石由于具有较高的长径比，可明显改善基体的机械和摩擦学性能，因而广泛用于聚合物的增殛改性圃。然而，目前关于硅灰石填充PTFE复合材料(简称WF/PT-FE)摩擦学性能的研究报道很少嘲。

    本文作者研究了WF的含量、尺寸对PTFE复合材料摩擦学性能的影响，并与经典的炭纤维(CF)填充PTFE复合材料的耐磨性能进行对比。目的是为硅灰石在PTFE增强改性中的应用提供实验依据，为高性能低成本减摩耐磨PTFE复合材料的制备和应用提供参考。am），美国杜邦公司生产：硅灰石(80、200、325及600目)，江西新余硅灰石实业有限公司生产：硅烷偶联剂KH - 550，南京曙光化工厂生产。

    为改善硅灰石填料在聚合物中的分散效果，填料经过硅烷偶联剂KH-550表面处理，方法同文献[10]。根据需要称取不同含量的处理后的硅灰石加入PTFE粉末中，机械搅拌混合均匀，经冷压烧结(380℃，保温2h)成型。加工后的样品(外径26mm.内径22 mm)和对偶面在实验前用900砂纸打磨到粗糙度Ra=0.15一0.3Wni，用丙酮清洗后干燥

备用。

1.2性能测试与评价

    采用MPX．2000型磨损试验机，在室温下考察WF/PTFE复合材料的摩擦磨损性能。实验采用双环端面接触方式。实验条件为：载荷100、200、300 N,滑动速度1.4 m/s，实验周期2h。磨损量用精度为0.1 mg电子天平称量，磨损率的计算同文献[11]：

摩擦因数取稳定期的平均值。所有实验结果均取3次实验的平均值。利用日本FEI公司生产的QUANTA-200型扫描电子显微镜分析磨损表面形貌。

2结果与讨论

2.1    WF含量对复合材料摩擦磨损性能的影响

图l，2分别给出了不同载荷下改性硅灰石(325曰)含量对WF/PTFE复合材料摩擦磨损性能的影响。从图1可以看出，较低载荷(100 N)下，摩擦因数随WF含量增加变化幅度较大：较高载荷(200和300 N)下，摩擦因数随WF含量变化的幅度不大，总体稳定在较低值：随着载荷增大WF/PTFE复合材料的摩擦因数明显降低。

在较宽范围内震荡，摩擦学性能不稳定：较低载荷(100 N)下，3% WF填充PTFE复合材料具有{zd1}的磨损率：而较高载荷（200和300 N）下，10% WF填充PTFE复合材料的耐磨性能{zj0}。从图2中可看出，200 N载荷下，10% WF填充PTFE复合材料的磨

损率为1. 58 x10-9 crn3，(N．m)，相比纯PTFE的磨损率286.5×10。9 cm3，(N．m)，提高了181.3倍。

图2不同载荷下硅灰石含量与磨损量的关系Fig 2  Effect of WF conLent on the wear rate ofWF/PrFE composite under different loads

2.2    WF尺寸对复合材料摩擦磨损性能的影响 表1给出载荷200 N下，不同目数的10% WF填充PTFE复合材料的摩擦磨损性能。可以看出325目和600目的硅灰石，相比80目和200目的硅灰石填充改性PTFE复合材料的耐磨性提高得很明显，其中600目WF/PTFE复合材料磨损率{zd1}：此外，尺寸较细的WF改性填充的PTFE的摩擦因数也相对比较低。因此，用尺寸较细的WF改性填充PTFE，复合材料耐磨性提高明显。

2.3   WF/PTFE复合材料的摩擦磨损性能 以上研究表明，较高载荷下，10% WF填充PT-FE复合材料的耐磨性能{zj0}：325目的硅灰石填充改性PTFE复合材料的耐磨性提高得很明显。因此，作者考察了10%的硅灰石(325目)填充PTFE复合材料在不同载荷下的摩擦因数及磨损量，并与10%CF填充IrfFE复合材料的性能进行了比较，结果如

图3所示。可以看出，各载荷下硅灰石填充PTFE复合材料具有比相同含量CF填充PTFE复合材料更低的摩擦因数和磨损量，表现出更好的减摩和耐磨性，尤其是低载荷时效果更为明显。在载荷为200 N时，10% WF／PTFE复合材料具有{zh0}的耐磨性，其磨损率只有相同含量CF/PTFE复合材料的81%：在载荷为100 N时，WF/PTFE复合材料的磨损率只有CF，PTFE复合材料的22. 7%，耐磨性高出4.4倍。

2.4摩擦磨损机制分析

图4，5分别是为10% WF/PTFE、10% CF/PTFE复合材料在200 N载荷下磨损面的SEM图片。由图4可看出，600霹硅灰石填充PTFE复合材料的磨损面较平整，存在轻微黏着磨损，这可能是由于较细(600目)的硅灰石纤维与基体之间形成了较强的界面作用，从而降低了磨损率。由图5可看出，磨损面有许多裸露和碎断的CF，同时磨损面上存在较多微观裂纹，犁削和磨粒磨损是主要的磨损形式。

貌，可起到微区增强、显微耐磨作用。同时由于粒径较小，可以有效降低对偶面和磨损面的表面粗糙度，有利于转移膜的形成。而平整均一的转移膜对提高聚合物耐磨性具有重要的作用‘阁。而CF/PTFE复合材料的对摩面上存在明显的犁沟和划痕，结构粗糙，未见转移膜生成，这可能是CF增强PTFE复合材料磨损率偏高的主要原因。

3结论

(1)在较高载荷(200和300 N)下，复合材料摩擦因数随WF含量变化的幅度不大，摩擦因数稳定在较低值，在较低载荷(100 N)下，摩擦因数随WF含量增加变化幅度较大。

(2)硅灰石填充PTFE复合材料的摩擦因数随着载荷增大明显降低。细小尺寸WF填充PTFE复合材料的耐磨性能较好。

(3)硅灰石填充PTFE复合材料具有比相同含量CF填充PTFE复合材料更低的摩擦因数和磨损量，表现出更好的减摩和耐磨性，尤其是低载荷时效果更为明显。

 (4) 600目WF填充PTFE复合材料的磨损面比较平整，对偶面转移膜平整光滑，结构致密，轻微的黏着磨损是其主要的磨损形式：而CF/PTFE复合材料磨损面存在许多裸露和碎断的CF，犁削和磨粒磨损是主要的磨损形式。