水质对云母纸强度性能的影响

张小伟 刘淑鹏 钱玉鹏 朱瀛波

(1.石家庄经济学院宝石与材料工艺学院，河北石家庄，050031;2.河北省地勘局第一地质大队，河北邯郸，056001;3.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉，430070)

水质对云母纸强度性能的影响

张小伟1，3刘淑鹏1，2钱玉鹏3朱瀛波3

(1.石家庄经济学院宝石与材料工艺学院，河北石家庄，050031;2.河北省地勘局第一地质大队，河北邯郸，056001;3.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉，430070)

研究了云母纸生产过程中水质 (包括生产用水中各种金属阳离子、固体悬浮物以及pH值)对云母鳞片间作用力的影响。通过抄造的云母纸性能的变化进一步验证各种水质对云母纸强度的影响，并提出可用调节pH值、EDTA去除杂质离子、聚丙烯酰胺絮凝的方法改善水质，并取得了较好的效果，提高了云母纸的产品质量。

水质;云母纸;离子;悬浮物;pH值;强度性能

云母是电气工业中不可缺少的绝缘材料。云母的晶体结构是由两层硅氧四面体夹着一层铝氧八面体形成的片状结构 (见图1)，具有优良的绝缘性能。云母纸是将云母原料粉碎成细小鳞片，靠云母鳞片间的静电引力和范德华力在造纸机上抄造而成的［1-2］。云母纸及其制品有许多优良的特点:厚度均匀，介电强度波动小，电晕起始电压高，耐热性能好，导热性好，使用时温升低，可靠性高［3-4］。然而，成形后的云母纸的机械强度比天然片云母要低很多，需要添加黏结剂或补强材料［5］，在某些方面限制了云母纸的应用。因此，有必要研究云母纸成形过程中的各种影响因素，以提高云母纸的成纸强度，提高云母纸的产品质量。

图1 白云母的晶体结构

在实际生产中水质对云母纸的强度影响较大，水中的杂质离子、粒子可影响云母鳞片的表面性质，降低相互间作用力。为了提高云母纸的强度，本课题研究了水中各种杂质离子、粒子对云母纸强度性能的影响，尤其是生产用水中各种阳离子、固体悬浮物和pH值对云母纸强度的影响，可用于指导云母纸的生产，以提高云母纸的性能。

1 云母鳞片间结合力

云母纸的成形是靠云母鳞片间的结合力，搭接成大面积的纸张，云母鳞片的表面性能直接决定云母纸的强度。

在云母结构中，硅氧四面体有1/4的Si4+被Al3+取代，造成负电荷过剩，K+与过剩的负电荷结合，但结合力比较弱。因此，剥片后的云母层中的K+极易脱落被其他阳离子置换。

在水中的云母鳞片，当K+摆脱微弱的键合力而溶解于水中时，形成带负电的云母鳞片，在云母表面形成由电吸附层和扩散层组成的双电层结构。根据DLVO理论，云母鳞片间存在双电层排斥力Fr和范德华力 Fa［6-7］，见图 2 所示。

假设云母鳞片间距为H，当H大于双电层厚度时，Fr表示为:

式中:n0指内部液体 (电位ψ=0)单位体积中的电子数;k是波尔兹曼常数;T为绝对温度;κ为离子强度常数;γ0表示与表面电位ψ成比例的常数［8-9］。

当两云母鳞片间的距离小于双电层厚度时，范德华力Fa表示为:

图2 云母鳞片间作用力

式中:A为Hamaker常数。当水中存在金属阳离子时，云母表面的相互作用力与经典的DLVO理论不相符，会观察到短程效应，可由扩展的DLVO理论解释，产生附加排斥力VHR。

水中的不同离子可以对云母表面力产生不同的影响，从而影响云母纸的强度。同样，水中的固体悬浮物阻碍云母鳞片之间的充分接触，影响表面力。

2 实验

实验选用印度产白云母，X射线荧光全分析其化学组分含量为:SiO248.07%;Al2O332.72%;K2O 10.27%;Fe2O31.92%;TiO20.28%，结合X射线衍射图谱分析 (见图3)可知，该云母纯度较高。采用煅烧化学制浆法制备云母浆料，即在760℃下将云母煅烧50 min，煅烧后的云母在温度90℃，浓度为4%的硫酸中浸泡40 min，并在剧烈的搅拌作用下获得云母浆料。

图3 印度产白云母XRD图

制备好的云母浆料分别在浓度为1.0 mmol/L的HCl、NaCl、CaCl2、MgCl2、AlCl3、FeCl3溶液中浸泡2 h，测定此时云母鳞片的表面电位，并用此云母浆料制备云母纸，抄片定量为100 g/m2。通过对比纯水和上述各种溶液浸泡后云母鳞片的表面电位和抄造的云母纸的性能变化，探讨水中阳离子对云母纸性能的影响。

分别用HCl和NaOH将云母浆料的pH值调整为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，2 h后用此云母浆料抄造云母纸，测试云母纸性能的变化;另外，向云母浆料中添加粒度为200～325目的石英、云母细微颗粒，测定添加前后云母纸性能的变化，研究悬浮颗粒对云母纸性能的影响。

3 结果与讨论

3.1 阳离子对云母纸性能的影响

施育仁［12］研究了各种离子在绢云母表面的吸附情况，结果表明，离子真实半径越小，其单位体积的电荷密度越大，所具有的水合能越大，水合半径越大。作为补偿硅铝氧结构负电荷的层间阳离子，在同等价位的情况下，离子的水合半径越大，阳离子对于矿物表面的亲和性越小，产生阳离子选择性吸附。一般情况下，阳离子优先吸附的顺序为:＞Li+，当水中存在各种阳离子时，云母鳞片的表面电位的变化见图3。

图4 水中各种阳离子对云母表面Zeta电位的影响

纯水中云母鳞片的零电点在1左右，H+的加入使得零电点稍向pH值减小的方向偏移，总体电位变化不大;金属阳离子的加入使得云母鳞片的零电点向pH值增大的方向偏移，表面所带负电荷减少。

金属阳离子的存在使云母表面负电位的绝对值减小，但很难使表面电位变号，主要压缩了矿物表面双电层的厚度［13］，云母鳞片间需要靠得更近才能达到原来的引力强度，且阳离子的存在使得Hamaker常数减小，降低了云母鳞片间范德华吸引力Fa;加之附加排斥力VHR的出现，云母鳞片间吸引力合力F减小，这可由云母纸强度性能的下降表现出来。当水中存在阳离子时，云母鳞片抄造的云母纸的性能见表1。

从抄造云母纸性能的变化可以反映出云母鳞片间吸引力的降低，当水中存在金属阳离子时会对抄造的云母纸的强度产生较大的影响。其中，三价离子对云母纸强度的影响最大，其次是二价阳离子，影响最小的是一价阳离子，H+的存在反而有利于云母纸强度的提高。生产中应尽量降低杂质离子的存在，减少对云母纸强度的影响。

表1 水中阳离子对云母纸性能的影响

3.2 pH值对云母纸性能的影响

除了水中的阳离子会对云母纸的性能产生一定的影响外，水的pH值也会影响云母纸的性能。pH值的变化影响颗粒表面电荷密度，改变了颗粒的表面性质，对抄造纸张的各种使用性能产生了一定的影响［14-15］。图4中不同pH值下云母鳞片的表面电位相差较大，当pH值增大时，云母鳞片表面负电位增加。公式1中的当表面电位ψ0的绝对值增大时，γ0随之增大，导致静电斥力Fr增加，影响云母鳞片表面的结合力。水的pH值对云母鳞片抄造云母纸的性能的影响见表2。

表2 水的pH值对云母纸性能的影响

由表2可知，酸性环境 (pH值＜7)对云母纸的强度性能基本无影响，抗张强度稍有提高，介电强度基本不变;碱性环境 (pH值＞7)对云母纸的强度性能影响较大，当pH值为9.0时，云母纸的抗张强度只有1.57 N/cm，介电强度也减小。故生产中应尽量降低水的pH值以提高云母纸的强度。

3.3 固体悬浮物对云母纸性能的影响

另一个对云母纸的性能产生影响的因素是水中的固体悬浮物，固体悬浮物可吸附于云母鳞片表面，增加云母鳞片间的距离，降低了云母鳞片间的相互结合力，影响云母纸的抗张强度。当水中含有1%的较细石英和云母颗粒时，抄造的云母纸的性能见表3。

表3 水中固体悬浮物对云母纸性能的影响

从表3可知，水中固体悬浮物的存在对抄造的云母纸的性能有一定的影响。其中，石英细小颗粒的存在对云母纸的影响比云母颗粒要大，抗张强度和介电强度有较大下降。云母鳞片间杂质颗粒的存在造成了层间的孔隙，不仅降低了云母纸的抗张强度，在一定的电压作用下云母纸易在孔隙处被击穿，降低云母纸的介电强度，从而影响了云母纸材料的绝缘性能。

3.4 云母纸生产用水处理

由于水质对云母纸性能有较大影响，因此，生产用水尤其是循环用水需经过相应的处理。

(1)调整pH值避免使用碱性水。虽然酸性水对云母纸的生产较有利，但对造纸设备的损害较大，影响造纸机械的寿命。因此，实际生产中仍以调节生产用水中性为宜。

(2)去除水中的固体悬浮物。水中固体悬浮物主要是以石英和云母为主，粒度较细，选用絮凝的方式去除。絮凝剂主要有无机絮凝剂和高分子有机絮凝剂，宜选择高分子絮凝剂如聚丙烯酰胺等，以防止无机絮凝剂中其他杂质离子的混入，影响云母纸的性能。

(3)去除水中的杂质离子。实际生产用水中的杂质离子主要以Ca2+、Mg2+为主，也就是水的硬度偏高所致。EDTA可作为硬度测量时Ca2+、Mg2+的滴定剂，与Ca2+、Mg2+形成稳定的络合物，不会再与云母鳞片表面的K+发生交换，消除杂质离子对云母纸性能的影响。

用pH值为9.0，Ca2+浓度为1.0 mmol/L，含有1%的微细石英悬浮物的水进行云母纸抄造时，烘干后云母鳞片仍呈松散状，无法抄造成纸。当将水的pH值调整为7.0，用EDTA去除水中的Ca2+，并用聚丙烯酰胺去除石英悬浮物后，所抄造的云母纸的抗张强度达5.27 N/cm，恢复到纯水时的水平，并且介电强度不受影响。

4 结语

对云母纸的强度性能影响较大的是生产用水中所含的高价阳离子、高pH值及含有的石英悬浮物。云母纸生产现场实际情况验证了水质对云母纸性能的影响，如现场水硬度较大或碱性较重时，所生产的云母纸强度明显降低，甚至纸张不达标，产生废纸;现场用水多循环使用，在使用多次后固体悬浮物的含量增大，云母纸的强度降低，使用一定的次数后循环水无法继续使用。

通过采取调整pH值、用聚丙烯酰胺去除固体悬浮物，用EDTA软化水质等改进措施，可有效地提高循环使用后生产用水的水质，增加水的循环使用次数，节约企业用水成本，对于用水量巨大的云母纸生产企业具有重大的意义。同时，水的循环使用避免了污水的排放，有效地保护了环境。

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Influence of Water Quality on the Strength of Mica Paper

ZHANG Xiao-wei1，3LIU Shu-peng1，2QIAN Yu-peng3ZHU Ying-bo3，*
(1．School of Gemology and Material Technology，Shijiazhuang University of Economics，Shijiazhuang，Hebei Province，050031;2．No．1 Geological Unit of Hebei Geological Exploration Bureau，Handan，Hebei Province，056001;3．School of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan，Hubei Province，430070)
(*E-mail:zyb@whut．edu．cn)

Mica paper is broadly used as insulation material of electric industry，which is formed by electrostatic attraction and Van der Waals force．Influences of cations，SS and pH value of the process water on mica paper making are studied in this paper．The changes of mica paper properties proves the influences of water quality．Methods of improving the quality of water are proposed，which are adjustment of pH value，removing of cations with EDTA and removing of SS with polyacrylamide．Those methods have achieved good results，with upgrading the strength of mica paper．

water quality;mica paper;ions;SS;pH value;strength

TD985;TS761.2

A

0254-508X(2011)07-0016-04

张小伟先生，在读博士研究生;主要研究方向:云母、长石、石膏、高岭土等非金属矿物的综合利用。

2011-02-25(修改稿)

本课题为国家“十一五”科技支撑计划“高性能云母绝缘材料在线监测与控制技术研究”(2008BAE60B03)项目。

(责任编辑:马 忻)