硅酸鋁纖維以天然植物纖維比較、相對較長，長寬比大，纖維之間容易互相纏繞，不易分開;并且，硅酸鋁纖維的相對密度較大，在水中很難均勻分散，纖維絮聚和沉降的可能性大，而且纖維絮聚后就不容易重新分散，成紙不均勻。為了使纖維在水中達(dá)到較好的分散效果，一般需要加入分散劑或者對硅酸鋁纖維進(jìn)行分散處理。研究硅酸鋁纖維分散性對生產(chǎn)均勻合格的功能紙具有重要意義。硅酸鋁纖維在水中的均勻分散，實現(xiàn)纖維質(zhì)檢的良好交織，是優(yōu)良紙頁和纖維復(fù)合產(chǎn)品濕法成型的關(guān)鍵。

  原料

  硅酸鋁纖維，針葉木纖維，闊葉木纖維，麥草漿纖維

  聚氧化乙烯，分散劑，外觀為白色粉末，非離子性，相對分子質(zhì)量為300萬，陰離子聚丙烯酰胺，分散劑，外觀為白色粉末，非離子性，相對分子質(zhì)量為300萬，羚甲基纖維素，膠粘劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%。

  首先，將硅酸鋁纖維與不同種類的植物纖維在單根纖維外觀、直徑和長度等方面進(jìn)行對比，找出硅酸鋁纖維與植物纖維 的不同之處，以便進(jìn)行后續(xù)的實驗。

  其次，用實驗室自行改裝的粉碎機(jī)切斷硅酸鋁纖維。通過調(diào)整粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速和選用不同的篩板來獲取最佳的切斷條件;并采用水洗沉降法對纖維進(jìn)行除渣處理，用磁力攪拌器加速渣球的沉降，增加洗漿得率。

  再次，將洗滌后的纖維按不同的加入量，測定其沉降時間;并添加不同種類的分散劑，測定纖維的沉降時間和透光率。

  最后，通過添加膠粘劑用PTI抄片器對纖維進(jìn)行抄片，觀察分散劑添加量對紙張強(qiáng)度性能的影響。

  硅酸鋁纖維主要成分是Al2O3，是由含鋁元素的礦石高溫熔融后，經(jīng)過噴吹或甩絲后形成的纖維狀物質(zhì)。硅酸鋁纖維制品的體積密度比較小，一般為100~250kg/m3，而單位體積中空氣占94%~96%。雖然其形態(tài)與植物纖維相似，但是由于其構(gòu)成不同，它的物理化學(xué)性能與植物纖維有較大的差異。表1是硅酸鋁纖維與植物纖維在物理形態(tài)方面相比。

  表1 硅酸鋁纖維與植物纖維對比

  由表1可以看出，硅酸鋁纖維直徑比植物纖維小，長度是植物纖維的10~200倍。因此，如果不經(jīng)過打漿，在抄造紙頁時，硅酸鋁纖維會因為纖維太長而不易分散，且濾水不均勻，很難形成紙頁。

  圖1和圖2分別是打漿后的植物纖維和硅酸鋁纖維的掃描電鏡照片。

  圖1 植物纖維掃描電鏡圖

  圖2 硅酸鋁纖維掃描電鏡圖

  由圖1和圖2比較可以得出，雖然肉眼看硅酸鋁纖維與植物纖維有著極為相似的外觀，但是實質(zhì)上，植物纖維經(jīng)過打漿后其表面有一定的分絲帶化，在形成紙頁的過程中，能夠自然形成氫鍵，產(chǎn)生結(jié)合力。而硅酸鋁纖維表面光滑，整根纖維呈棒狀，自熱彎曲很少，抄紙時纖維間不能結(jié)合成力，成紙時，只靠纖維間的相互搭結(jié)，不能提供紙頁形成所需的結(jié)合力。另外，硅酸鋁纖維不能像植物纖維那樣在打漿過程中自動形成氫鍵，未作纖維切斷、分散處理的硅酸鋁纖維漿料，在上網(wǎng)成型時難以分布均勻，難以分散，容易產(chǎn)生絮聚問題，影響成紙及紙頁中纖維的分散。因此，將硅酸鋁纖維均勻分散是使其形成紙頁的重要前提。

  硅酸鋁纖維的打漿機(jī)洗滌

  對硅酸鋁纖維進(jìn)行打漿及水洗除渣的預(yù)處理，提高其分散性，使其符合硅酸鋁纖維紙抄造條件。

  硅酸鋁纖維的打漿

  首先采用實驗室自行改裝的粉碎機(jī)對硅酸鋁纖維進(jìn)行切斷。打漿條件及打漿后纖維長度和得率見表2。

  表2 打漿條件及打漿后纖維長度和得率

  從表2可看出，實驗室改裝粉碎機(jī)對于硅酸鋁纖維切斷的各種影響因素是：篩孔越小。纖維得率越低，纖維長度越短，轉(zhuǎn)速越高，纖維長度越短，纖維得率越低。通過表中列舉的硅酸鋁纖維長度范圍和硅酸鋁纖維得率，可以根據(jù)不同要求來調(diào)節(jié)硅酸鋁纖維的打漿條件，以便得到滿足要求的硅酸鋁纖維紙。本試驗選用120轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速下，采用孔徑為0.5cm的篩板對硅酸鋁纖維進(jìn)行切斷。在此條件下，能獲得最高的得率為77.29%，同時也能滿足纖維得到較好分散時長度為2.81-3.31mm的要求。

  硅酸鋁纖維的除渣

  硅酸鋁纖維中渣球的存在不僅影響纖維在水中的分散效果，使纖維容易絮聚;而且在成紙過程中，分散在紙張中的渣球使纖維的勻度、光滑度下降，影響纖維的強(qiáng)度。

  纖維采用水洗法除渣，即將硅酸鋁纖維分散在水中，利用晶渣相對密度與纖維相對密度之間的差別這一性質(zhì)導(dǎo)致二者沉降速度的不同對其進(jìn)行分離。

  將打漿后的纖維(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%左右)分散在水中，用磁力攪拌器攪拌0.5h，然后靜置5min，選用20目漿網(wǎng)將纖維從水中撈出，注意動作要輕，盡量不要攪起沉淀的晶渣，重復(fù)操作3次基本可以將晶渣去除，洗后纖維得率在80%以上。

  纖維用量對分散性能的影響

  實驗中不斷改變纖維在水中的加入量，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0和1.2%的纖維，裝入500ml的量筒中，加水觀察其在水中的分散情況，并記錄纖維沉降完畢所用時間，見圖3。

  圖3 纖維加入量對沉降時間的影響

  由圖3可以看出，硅酸鋁纖維加入量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%以下時在水中的分散情況比較好，纖維能夠均勻地分散懸浮于水中，如果濃度過大，則會使纖維由于分散不開而發(fā)生絮聚，加快沉降。其中，纖維加入量在質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%時，分散性能最好。

  分散劑加入量對纖維分散性能的影響

  PEO和APAM是造紙中常用的分散劑。實驗選用經(jīng)過打漿處理的硅酸鋁纖維漿料作為實驗漿料，在漿料中加入分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0和2.5%(相對于硅酸鋁纖維用量)。通過實驗表征硅酸鋁纖維的分散性能及透光率。結(jié)果分別見圖4和圖5。

  圖4 分散劑對硅酸鋁纖維漿料沉降性能的影響

  圖5 分散劑對硅酸鋁纖維漿料透光率的影響

  由圖4和圖5可以看出，隨著硅酸鋁纖維漿料中PEO和APAM加入量的增加，纖維漿料沉降至穩(wěn)定的時間逐漸增加;相同時間下的透光率比空白樣降低。分析原因是，由于PEO和APAM本身具有高的黏度、對纖維的潤滑性能好，減少了硅酸鋁纖維間的接觸機(jī)會，纖維漿料的濃度提高使纖維受到較大的阻力，因此硅酸鋁纖維漿料的分散穩(wěn)定性提高，沉降時間延長、導(dǎo)致透光率下降。這對硅酸鋁纖維紙成紙的勻度和穩(wěn)定性具有重要的意義。另外由圖4曲線可知，PEO對硅酸鋁纖維漿料的穩(wěn)定性能要好于APAM。分析原因是，由于PEO較APAM有更高的黏度，在相同用量的條件下，前者分散體系的黏度較高，因此硅酸鋁纖維沉降時間較長，表現(xiàn)為透光率變化緩慢，PEO穩(wěn)定效果較好。

  分散劑的加入量對成紙性能的影響

  硅酸鋁纖維在不加入膠黏劑的情況下不能成紙，因此加入w(cmc)=10%作為膠黏劑，然后改變PEO的加入量，檢測PEO的加入量對成紙強(qiáng)度的影響。結(jié)果見圖6和圖7。

  圖6 分散劑的加入量對抗張指數(shù)的影響

  圖7 分散劑的加入量對撕裂度的影響

  由圖6和圖7可以看出，加入分散劑PEO所形成的紙頁抗張指數(shù)和撕裂度顯著提高。分析原因是，由于加入分散劑以后，硅酸鋁纖維在成型過程中達(dá)到很好的分散效果，使紙頁中的纖維分散均勻，因此，抗張指數(shù)和撕裂度得到提高。

  結(jié)論

  (1)硅酸鋁纖維是無機(jī)纖維，雖然與植物纖維有著相似的外觀，但是與植物纖維有著本質(zhì)的區(qū)別。

  (2)對硅酸鋁纖維進(jìn)行打漿切斷和水洗除渣可以有效地提高纖維在水中的分散性能。

  (3)在硅酸鋁纖維中加入分散劑是提高纖維分散性能的最有效的方法。一般采用PEO作為分散劑。硅酸鋁纖維中加入分散劑后，其漿料沉降時間增加，提高了纖維的分散性，并顯著提高了紙頁的抗張強(qiáng)度和撕裂度。