辽宁鑫达滑石集团有限公司--曹心愚

摘要

本研究以造纸行业常用的锐钛型纳米钛白粉（D50≈0.25 μm）为对象，探究高纯滑石粉（D50≈0.5 μm）的片状结构对其团聚行为的影响机制，并结合造纸生产实际需求，揭示滑石粉在钛白粉复配体系中的分散机理及应用价值。实验结果表明，滑石粉添加量为10%时，钛白粉分散效果最佳，团聚体平均粒径降低32.7%，沉降稳定性提升41.2%，纸浆粘度降低28.8%。基于DLVO理论的计算模型验证了滑石粉通过改变颗粒间相互作用力实现防团聚的机制。该研究为钛白粉在造纸行业的高效分散应用提供了理论依据，对提升纸张白度、强度、平滑度等关键性能具有重要意义。

关键词：滑石粉；钛白粉；造纸行业；分散机理；DLVO理论；纸张性能

一、引言

钛白粉（TiO2）是造纸行业中最重要的无机颜料和填料之一，广泛应用于文化用纸、包装纸、特种纸等领域。其主要作用是提高纸张的白度、不透明度和印刷适性。然而，纳米级钛白粉（尤其是锐钛型）因高比表面积（≈50 m²/g）和表面能，在纸浆悬浮体系中极易发生团聚，导致分散困难、分布不均，进而影响纸张的最终性能。例如，钛白粉团聚体会导致纸张白度不均、强度下降、表面粗糙度增加，甚至在造纸机网部形成“鱼眼”缺陷，严重影响生产效率和产品质量。

滑石粉（Mg3Si4O10(OH)2）作为一种片层状硅酸盐矿物，具有大比表面积（≈12 m²/g）、低硬度、化学稳定性好等特点，在造纸行业中常作为分散助剂或填料使用。其片状结构可通过物理包覆和空间位阻效应抑制钛白粉团聚，但具体作用机制及最优添加比例尚不明确。本研究以辽宁鑫达滑石集团有限公司的高纯滑石粉为原料，结合造纸生产实际需求，系统探究其对纳米钛白粉团聚的抑制机制，并评估其对纸张性能的影响，为钛白粉在造纸行业的高效分散应用提供理论支持。

二、分散原理分析

2.1 物理协同效应

滑石粉的片层状结构使其具有较大的比表面积，可通过范德华力物理包覆钛白粉颗粒表面，形成“隔离层”，减少钛白粉颗粒间的直接接触。根据DLVO理论，颗粒间的总相互作用能（Vtotal）由范德华吸引能（VA）和静电排斥能（VR）组成：

当滑石粉包覆钛白粉后，VA减小，VR相对增强，总相互作用能降低，颗粒间排斥力占优，从而抑制团聚。在造纸过程中，纸浆体系通常呈弱碱性（pH≈7.5-8.5），钛白粉颗粒表面带负电荷，静电排斥力较强，但高比表面积仍会导致团聚。滑石粉的包覆作用可进一步削弱范德华吸引力，提高分散稳定性。

2.2 空间位阻效应

超细滑石粉（D50≈0.5 μm）的片状结构可穿插在钛白粉颗粒（D50≈0.25 μm）之间，形成物理屏障。根据空间位阻理论，位阻能（VS）与颗粒间距（h）的关系为：

当h减小至纳米级时，VS急剧增大，有效阻止钛白粉颗粒靠近，实现分散。在造纸过程中，纸浆的高剪切力（如打浆、筛选）可促进滑石粉片层在钛白粉颗粒间的穿插，增强位阻效应。

三、实验设计与方法

3.1 原料与试剂

锐钛型钛白粉：D50≈0.25 μm，比表面积≈50 m²/g（攀枝花钢铁集团钛业公司，造纸级）

高纯滑石粉：D50≈0.5 μm，白度≥98%，SiO2≥60.45，MgO含量≤30.41%（辽宁鑫达滑石集团有限公司，造纸级）

分散剂：聚丙烯酸钠（PAA，分子量≈10000，上海阿拉丁生化科技股份有限公司，造纸常用分散剂）

纸浆：漂白硫酸盐针叶木浆（打浆度≈40°SR，广东造纸行业常用原料）

3.2 样品制备

按钛白粉:滑石粉质量比为100:0、100:5、100:10、100:15、100:20称取原料，加入0.5% PAA分散剂，在纸浆悬浮液（浓度≈10%）中，通过高速分散机（1500 r/min）分散30 min，制得复配浆料。模拟造纸过程中的分散条件，确保实验结果与实际生产一致。

3.3 表征方法

粒度分布：激光粒度仪（Mastersizer 3000，英国马尔文仪器有限公司）

沉降稳定性：量筒法（24 h沉降体积，模拟纸浆储存稳定性）

粘度测试：旋转粘度计（NDJ-8S，上海精密科学仪器有限公司，模拟纸浆流变性）

纸张性能测试：白度仪（ISO 2470）、抗张强度测定仪（ISO 1924-2）、平滑度测定仪（ISO 8791-2）

微观形貌：扫描电子显微镜（SEM，FEI Quanta 200，美国FEI公司）

四、结果与讨论

4.1 粒度分布分析

未添加滑石粉时，钛白粉团聚体平均粒径为1.82μm（D50），分布宽（多峰）；添加10%滑石粉后，平均粒径降至1.23μm，分布窄化（单峰）（图1）。当添加量超过15%时，粒径略有回升，可能因滑石粉过量导致二次团聚。粒度分布的改善可提高钛白粉在纸浆中的分散均匀性，减少“鱼眼”缺陷。

(注：横坐标为粒径（μm），对数刻度；纵坐标为累积体积百分比（%）；黑色实线：未添加滑石粉；红色虚线：添加5%；蓝色点线：添加10%；绿色 dash-dot 线：添加15%；紫色长虚线：添加20%）

4.2 沉降稳定性

添加10%滑石粉后，24 h沉降体积从未添加时的12.5 mL降至7.3 mL，稳定性提升41.2%（图2）。沉降稳定性的提高可减少纸浆储存过程中的沉淀问题，确保生产连续性。

（注：横坐标为添加比例（%）；纵坐标为24 h沉降体积（mL）；柱状图带误差线，误差范围±标准差）

4.3 粘度变化

复配浆料粘度随滑石粉添加量增加先降低后升高（图3）。添加10%时，粘度从1250 mPa·s降至890 mPa·s，降低28.8%，表明分散性改善；添加20%时，粘度回升至1100 mPa·s，可能因滑石粉片层堆叠增加体系内摩擦。粘度的降低可改善纸浆的流变性，有利于造纸机的运行。

（注：横坐标为添加比例（%）；纵坐标为粘度（mPa·s）；折线图带误差线，误差范围±标准差）

4.4 微观形貌分析

SEM图像显示，未添加滑石粉时，钛白粉颗粒呈紧密团聚状（图4a）；添加10%滑石粉后，钛白粉颗粒被滑石粉片层分隔，形成松散结构（图4b）。滑石粉片层（长径比≈10:1）均匀分布在钛白粉颗粒间，验证了空间位阻效应。

4.5 纸张性能测试

添加10%滑石粉后，纸张白度从85.2%提升至88.7%，抗张强度从35.2 N·m/g提升至38.5 N·m/g，平滑度从120 s提升至150 s（表1）。性能的提升可归因于钛白粉分散性的改善，减少了团聚体对纸张结构的破坏。

五、DLVO理论计算与空间位阻分析

5.1 范德华吸引能计算

5.1.1 理论公式

根据DLVO理论，两个半径为 R 的球形颗粒在表面间距 h≪R 时，范德华吸引能为：

其中 D=h+2δ 为两颗粒核心间距，δ 为包覆层厚度。

5.1.2 参数取值

该值与文献常用值吻合，远小于原文采用的 3.5×10−19 J。

考虑滑石粉包覆后，由于引入了与水性质更接近的低Hamaker常数介质层（TiO2–滑石粉–水三层模型），有效常数进一步降低。假设降低约30%，取 A′≈2.6×10−20 J。

5.1.3 计算结果

5.1.4 对比分析

包覆后范德华吸引能绝对值从 1.9×10−19 J 降至 2.7×10−21 J，从根本上削弱了颗粒团聚的热力学驱动力。

5.2 空间位阻能分析

5.2.1 模型选择

原文公式与间距 h 无关，为一常数，物理上不成立。位阻能必须是间距的函数。

采用自由体积排斥模型的简化形式：当两颗粒表面间距 h<2t 时，滑石粉片层的平动自由度受限，产生熵排斥：

5.2.2 参数与估算

5.2.3 位阻能与范德华能的比较

在片层接触临界点 h=2t=0.2 μm 处，使用包覆后参数计算残余范德华吸引能：

位阻能垒约为残余范德华吸引能的60倍，构成阻止颗粒紧密接触的有效物理屏障。

六、 结论

本研究通过实验与修正理论计算，定量揭示了滑石粉片状结构抑制纳米钛白粉团聚的双重机制：

最优添加比例：滑石粉添加量为10%时，两种效应协同发挥最佳——团聚体平均粒径降低32.7%，浆料沉降稳定性提升41.2%，粘度降低28.8%。

应用价值：该复配分散体系显著优化了钛白粉在纸浆中的分散状态，提升成纸白度、抗张强度和平滑度，为减少造纸生产缺陷、提高产品品质提供了可靠的技术方案。

参考文献

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