一、技術(shù)來源與技術(shù)水平 　　 　　納米是長度的計量單位，為 1×10－9m。人工制造納米材料雖然可從幾千年前我國制造炭黑 作顏料算起，但納米微粒是德國于 1984年首先研制出的，開創(chuàng)了人類利用納米技術(shù)的先河。納 米微粒是一種新物態(tài)，是物質(zhì)顆粒直徑小于 100nm 的粉粒集合體，只有在電子顯微鏡下才能觀察 到其顆粒形態(tài)。 　　 　　1992 年，國際納米結(jié)構(gòu)材料會議定義納米材料為：“兩相材料中一相的任一維尺寸在 1nm～ 100nm 的聚集體。”20 世紀(jì) 80 年代由于電子能譜和掃描隧道顯微鏡的應(yīng)用，納米微粒許多異常性質(zhì)被發(fā)現(xiàn)，這才成為全球科技界和各國政府備加關(guān)注的熱門領(lǐng)域。納米微粒較常規(guī)的微粒材料具有特異的物理、化學(xué)性能，短短十幾年，它已在國外的機械、電子、能源、化工、生物、建材、 國防等眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。 　　 　　納米技術(shù)是當(dāng)今世界研究和開發(fā)的熱點，但納米技術(shù)和材料在我國尚處在起步階段，大部分成果還停留在實驗室里，進入產(chǎn)業(yè)化的只有少數(shù)幾個品種，納米級碳酸鈣就是其中一種。碳酸鈣因具有材料來源易得、價格較低、毒性低、污染小、白度較高、填充量大及混煉加工性能好等特點，成為橡膠制品加工中用量最大的淺色填料之一。但由于受自身親水性及傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的局限，通常碳酸鈣產(chǎn)品粒子都比較粗，表面積較小，表面缺乏活性，與聚合物復(fù)合往往只起到填充增量的作用，缺乏補強效果，不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。 　　 　　納米級碳酸鈣是 20 世紀(jì) 80 年代發(fā)展起來的一種新型超細固體材料，粒徑在 1nm～100nm 之間。由于納米級碳酸鈣粒子的超細化，其晶體結(jié)構(gòu)和表面電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生了普通碳酸鈣所不具有的量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子效應(yīng)，在磁性、催化性、光熱阻和熔點等方面與常規(guī)材料相比顯示出優(yōu)越的性能。將其填充在橡膠、塑料中有使制品表面光艷、伸長度好、抗張力高、抗撕力強、耐彎曲、抗龜裂性能好，是優(yōu)良的白色補強材料，在高級油墨、 涂料中具有良好的光澤、透明、穩(wěn)定、快干等特性。納米級碳酸鈣不僅可增容降低成本，用于塑料、橡膠和紙張中，還具有補強作用。粒徑小于 20nm的碳酸鈣產(chǎn)品，其補強作用與白炭黑相當(dāng)，粒徑小于 80nm 的碳酸鈣產(chǎn)品，可用于汽車底盤防石擊涂料。因此，納米級碳酸鈣的研制開發(fā)和應(yīng)用受到國內(nèi)外的關(guān)注。 　　 　　納米級碳酸鈣是平均在 0.1nm～100nm 范圍內(nèi)的輕質(zhì)碳酸鈣，包括超細碳酸鈣和超微細碳酸 鈣，屬納米體粉材料。 　　 　　二、國內(nèi)外微細碳酸鈣（PCC）與納米級碳酸鈣應(yīng)用概述 　　 　　在美國、日本、西歐等發(fā)達國家中，造紙消費 PCC 占各行業(yè)首位，而中國目前處于第三四位。 　　在造紙工業(yè)中，隨著造紙工藝過程中的施膠技術(shù)由酸性施膠向中－堿性施膠轉(zhuǎn)變，為碳酸鈣的應(yīng)用提供了一個巨大的潛在市場。碳酸鈣用做造紙?zhí)盍习锥雀撸馍⑸湫院茫砑雍蟮募垙堄休^高的松密度，良好的可塑性和柔軟性，紙張表面細膩，可大大改善紙張性能，使紙廠獲得明顯的經(jīng)濟效益。所以，歐美和日本的造紙廠大多從酸性施膠改為中－堿性施膠工藝。近年來，中國造紙行業(yè)在造紙技術(shù)上也開始由酸性施膠向中性施膠技術(shù)轉(zhuǎn)變，原輕工部已將中－堿性施膠技術(shù)列入國家“八五”重點推廣項目之一，這就要求我們只有不斷開發(fā)碳酸鈣新產(chǎn)品，才能適應(yīng)造紙 行業(yè)的需求。 　　 　　輕質(zhì)碳酸鈣在堿性造紙中主要用做填料，也有少部分用做顏料。廣泛用于不含磨木漿的紙漿市場，比高嶺土、重鈣具有極佳物理性能，如高透明、高密度、高膨脹能力、粒度均勻、顏料牢固等。以目前世界最大的造紙生產(chǎn)國和紙品消費國美國為例，2005 年造紙?zhí)盍线x用輕質(zhì)碳酸鈣的 比例達到 65%，增長率為4%。美國超細碳酸鈣主要應(yīng)用于造紙和涂料，其中包括多種晶型的納 米碳酸鈣產(chǎn)品。日本 1952 年研制出了平均粒活為 0.04um的超細碳酸鈣，1983 年又研制出了平均 粒活為 0.005um 的超細碳酸鈣。 　　 　　造紙工藝是 PCC 最大用戶，占世界 PCC 使用量的 73%， PCC 在造紙上的兩個不同工藝用途是紙張?zhí)盍虾图垙埻苛稀Ｆ渲饕迷谔畛錈o磨木漿涂敷紙（WFO），最高填充量可達到 25%， 且用量有望增加。 　　 　　納米級碳酸鈣作為造紙?zhí)盍暇哂懈弑喂庑浴⒏吡炼龋岣呒堉破返陌锥群捅喂庑裕贿€具有高膨脹性，能使造紙廠使用更多的填料量，而少用紙漿，大幅度降低原料成本；粒度細小、均勻，對紙機的磨損小，并使生產(chǎn)的紙制品更加均勻、平整；吸油值高，能提高彩色紙張的顏料牢固性等優(yōu)點。目前納米級碳酸鈣在造紙工業(yè)上的應(yīng)用主要在高檔衛(wèi)生巾、紙尿布及家庭用護理成人失 禁墊片、卷煙紙及造紙涂料等。 　　 　　三、納米級碳酸鈣在造紙上的應(yīng)用研究 　　 　　納米材料與對應(yīng)的常態(tài)材料相比，在光學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)性質(zhì)方面，顯示出許多奇異的特性，如密度降低、強度和硬度提高、塑韌性改善、擴散能力提高、熱膨脹系數(shù)提高等。 　　目前造紙領(lǐng)域?qū){米技術(shù)的研究和應(yīng)用方面的實驗并不多，因而進行這方面的研究是必要的。在造紙涂料方面，由于納米級碳酸鈣自身白度高，以及其屬于納米級材料的特點──表面積大、表面活性高、強度和硬度高，所以可能對涂布紙的質(zhì)量提高有所幫助。通過在涂料里加入納米級碳酸鈣，希望可以得到高光澤度和高油墨吸收性的涂布紙，并改善紙的平滑度。但是由于納米級碳酸鈣存在顆粒表面能高、極易團聚成團、表面親水疏油、與有機物質(zhì)之間沒有結(jié)合力等缺陷，增加了其實際應(yīng)用的難度，需要不斷地進行研究和突破。 　　 　　當(dāng)在造紙涂料原配方中加入 5%納米級碳酸鈣時，在同樣的膠粘劑、分散劑用量的情況下，可以提高涂層的強度、平滑度，對油墨的吸收性能也有一定的改善。加入納米級碳酸鈣后涂層的 幾個重要物化指標(biāo)均有較大的提高： 　　 　　（1）提高了 IGT 撫張粒毛強度。當(dāng)配方中含有 5%的納米碳酸鈣時，IGT 值有明顯的提高， 比未加入納米碳酸鈣的要高將近80%。如果能把納米碳酸鈣分散技術(shù)的問題解決了，IGT 抗張拉 毛強度值可能會提高很多。 　　 　　（2）粗糙度受納米碳酸鈣的影響很大，主要原因是納米粒子的顆粒小，為此紙面上的凹痕和小凸點相對減少，從而使紙面更趨于光潔平滑。在納米碳酸鈣占 5%時，粗糙度較低，紙相對 來說比較平滑；同 IGT抗張拉毛強度測定值所反映的一樣，高含量的納米粒子要求高水平分散技術(shù)。納米碳酸鈣在適量及分散良好的情況下，有助于粗糙度的降低、平滑度的增加。 　　 　　由于納米顆粒表面能高，處于熱力學(xué)非穩(wěn)定狀態(tài)，極易聚集成團，從而影響了納米碳酸鈣的分散應(yīng)用效果。僅采用一般的機械分散和分散劑達不到理想的分散效果。所采用的分散劑是聚丙烯酸鈉，在選用時，考慮到它對于瓷土和碳酸鈣的分散效果較好，而且在分散原理上有著一定的優(yōu)勢，是較好的選擇。但還要考慮到：一方面納米碳酸鈣表面親水疏油，呈強極性，一般的有機分散劑難以將其均勻分散，與有機質(zhì)之間沒有結(jié)合力，易造成界面缺陷，導(dǎo)致材料性能下降，而所選用的聚丙烯酸鈉恰恰又是有機分散劑；另一方面，所采用的分散劑是常規(guī)大顆粒涂料所采用的分散劑，可能這種分散的機理不適應(yīng)于納米粒子的分散。因此，納米碳酸鈣能否均勻分散，將極大影響涂料的涂層性能。另外，從理論上看，納米碳酸鈣的表面積大，需用的膠粘劑量應(yīng)該相 應(yīng)增加，這其中的比例關(guān)系有待于實驗論證。 　　 　　但不同行業(yè)對納米級碳酸鈣要求不同，同一行業(yè)不同品種產(chǎn)品對納米碳酸鈣要求也不同。所以一方面要了解不同行業(yè)不同品種下游產(chǎn)品對納米碳酸鈣的要求；另一方面還應(yīng)研究納米級碳酸鈣如何應(yīng)用，最好能提供適應(yīng)于某一行業(yè)、某一品種應(yīng)用的配方。 　　 　　四、納米超低定量瓦楞原紙 　　 　　納米超低定量瓦楞原紙是在普通瓦楞原紙的制造過程中加入納米技術(shù)輔助材料，經(jīng)過特殊處理而生產(chǎn)的。該產(chǎn)品比普通產(chǎn)品具有強度高，表面細膩光滑，脫水性能好，生產(chǎn)成本低等特點。同時該產(chǎn)品在使用過程中不掉粉掉毛，粘合劑用量低，瓦楞形狀均勻一致，定型穩(wěn)定。在普通瓦楞原紙生產(chǎn)過程中，筆者所在的公司 2005 年在對制漿設(shè)備進行全面升級改造后，通過引進具有高科技含量的納米碳酸鈣材料，并配合其它幾種具有科技含量高的、性能優(yōu)越的法 國進口化工助劑－PG2、KB156助留助濾劑，經(jīng)過特殊設(shè)備處理后，制造成具有納米技術(shù)的新型 造紙?zhí)砑觿苯蛹尤氲綕舛戎挥?0.8%的漿料中。充分混合后，經(jīng)造紙機集束管式流漿箱，噴到紙頁成型網(wǎng)上形成含量納米碳酸鈣的濕紙頁。由于納米碳酸鈣含有陽性與具有陰性的纖維緊密結(jié) 合，在 PG2、KB156 助劑的輔助作用下，80%的納米碳酸鈣留著在紙頁中。濕紙頁經(jīng)過高真空伏 輥脫水，二道線壓力達 100N／mm以上的壓榨進一步處理，一套四組 40 只高壓高溫烘缸烘干后， 形成水分為8%的具有納米碳酸鈣的瓦楞原紙。由于加入納米碳酸鈣及化工助劑，產(chǎn)品定量可以 從原 110g／m3低定量的規(guī)格為 850mm～2500mm的瓦楞原紙，進一步降低到只有 90g／m2～100g ／m2的超低定量瓦楞原紙。主要原料及配比：＃11ACC40%；半化學(xué)麥草漿30%；國內(nèi)廢紙 15%； 紙箱下腳料 15%。 　　 　　五、納米碳酸鈣及助劑系統(tǒng)操作規(guī)程 　　 　　（一）輔料名稱： 　　 　　納米碳酸鈣、PG2 助留助慮劑、KB156 助留助慮劑、陽離子分散膠、硫酸鋁。 　 　　（二）納米級碳酸鈣性能指標(biāo)： 　　 　　納米級碳酸鈣 DD 型產(chǎn)品。 　　 　　（三）工藝流程： 　　 　　人工搬運→攪拌納