造紙加填料的最初目的是降低紙的成本, 現在主要目的是使紙張獲得某些特殊性質。由于加填的目的不同,填料在紙中所占的比例差別較大。采用一種填料或幾種填料取決于所要求的紙張特殊性質。
最常用的填料有碳酸鈣、高嶺土和滑石粉,此外,少量的無定形硅石、硅酸鹽、三經基鋁用作填料。
填料的物理性質對紙張的不透明度和物理性質有很大影響。這些物理性質主要包括填料的反射指數、顆粒形態、粒徑及其分布、比表面積、顆粒電荷和磨蝕性。
反射指數
反射指數是由填料的化學成分和分子結構所決定的一項基本性質。原子結構對光散射性不透明度有直接影響。這是因為光進入填料后在其內部發生多次反射而不是直接透過。填料的反射指數越大, 反射光的數量越多, 使紙張的不透明度越高。
顆粒形態
顆粒的形態是填料的一種重要性質。它影響光散射方式,從而影響紙中填料的光學特性,各種沉淀仇的形態不同。從而使其光散射作用的能力不同。棱柱型和菱形晶胞分別形成桶型和立方體型的固體顆粒,偏三角形晶胞形成具有許多微孔的重尊形顆粒,是這些微孔的尺寸而不是顆粒的尺寸使散射光達到最大。因此,不同形狀的顆粒,其光散射的最佳值不同。
粒徑及其分布
填料的粒徑大小、粒徑分布及填料粒子的聚集程度強烈地影響著填料的光學性質。研究發現, 當填料粒徑范圍較窄, 特別是填料在紙張中均勻分布時, 有助于提高光散射率。
理論上, 高反射系數的球形粒子粒徑為0.2~0.3um(相當于二分之一波長)時發生最大光散射低反射系數的填料粒徑更大(0.4~0.5um)時發生最大光散射。但實際填料粒子很少為球形。扁平狀的顆粒如高嶺土, 最大不透明度在其球形直徑為0.7~1.5um時獲得, 棱柱形的沉淀碳酸鈣。在其直徑為0.4~0.5um, 偏三角形在其當量直徑為0.9~1.5um時分別達到最大光散射。同時必須說明的是, 以最佳粒徑為中心的粒徑分布范圍越穿時, 越有利于增加紙的不透明度。
在紙廠中, 使用助留劑有助于填料在紙中的留著,但同時會引起填料聚集,填料聚集對不透明度的不利影響。填料聚集可通過使用恰當的濕部添加劑尤其是助留劑和淀粉、優化填料的添加方法和添加順序來控制。
比表面積
顆粒粒徑、粒徑分布及顆粒形狀都對比表面積有直接影響。顆粒的比表面積影響光散射,也影響紙張強度和印刷性能。通常比表面積高的填料會增加紙頁的適印性,但會削弱紙頁的強度,增加施膠的難度,這主要是由于加填后影響紙張中纖維與纖維間的結合,并干擾造紙濕部化學。
顆粒電荷
填料顆粒表面電荷在填料分散中起重要作用。影響填料狀態的非水力作用力有三種范德華力常為引力、靜電力、空間阻力。
這三種力隨顆粒間的距離變化而變化,它們之間的平衡決定了填料粒子是呈懸浮狀態還是絮聚,Zeta電位是表示膠體顆粒間靜電力的一種方法,一般填料的Zeta電位為-30mV~-30mV之間。
磨蝕性
磨蝕性是填料的一項重要指標,高磨蝕性的填料會對紙機網部和印刷版造成過多的磨損,填料的磨蝕性主要是由兩個因素引起的晶體的性質或填料的硬度原子間結合強度、空間排列和雜質等,填料的物理性質粒徑、粒徑分布、形狀、表面積等。少量雜質,如硅石和石英是造成磨蝕的主要原因。同種結晶形式時, 大顆粒填料的磨蝕性高。