[01003226]粉煤灰基硅酸钙高填料造纸关键技术及应用

该项目属轻工业科学技术中造纸技术领域。 中国是世界第一燃煤大国，火电发电量占总发电量的70％以上，粉煤灰作为燃煤电厂的固体废弃物，年产生量已超过6亿吨，而高值利用率不足10％，数亿吨粉煤灰堆置在储灰场，严重威胁着环境与人类健康。陕西省作为煤炭资源大省，粉煤灰累计堆存量已超过1亿吨。因此，提高粉煤灰资源化利用率，使其“化害为利，变废为宝”是中国面临的重大资源环境问题。中国也是世界第一造纸大国，纸和纸板产量和消费量均居世界第一，但原生纸浆对外依存度高达55％，纤维原料短缺已成为限制中国造纸工业可持续发展的主要瓶颈。矿物填料作为纸张第二大组分，在降低纤维用量、改善成纸性能、降低生产成本方面具有显著优势。提高矿物填料在纸张中的含量而降低植物纤维消耗是造纸界长期以来潜心研究但尚未实质性突破的难题，30％已是普通文化用纸填料含量的极限。 项目针对粉煤灰中大量非晶态氧化桂资源未得到高值化利用、造纸工业寻求高填料造纸技术尚未突破，造成大量植物纤维资源消耗的问题，将二者有机结合，在国家863计划、国家自然科学基金等项目支持下，经过10余年研究，利用高铝粉煤灰提铝过程中产生的非晶态氧化硅成功制备了新型硅酸钙造纸填料，在填料形态优化、浆料湿部调控、纸张结构设计和填料复合增强等技术方面取得了系列发明和创新，制备出高填料纸张，并阐明了硅酸钙高加填体系下纤维结合及强度形成机理。主要技术发明包括：(1)发明高铝粉煤灰提取氧化铝联产硅酸钙高值化制备技术，采用水热合成法调控填料形态与粒径，制备出适于造纸的硅酸钙填料，填料轻质、多孔，白度可达90％以上，纸张松厚度可提高43％，吨纸印张数可提高16％；(2)创新研发粉煤灰基桂酸钙加填体系的湿部化学调控与施胶增效技术。基于填料与纤维的非共价作用，发明填料絮聚体调控与绿色高效修饰技术，实现浆料异质组分协同増效与湿部高效助留，解决了高加填量下纸张施胶障碍等技术难题，纸张灰分增加1倍，施胶效果提升69％；(3)基于填料聚集体特性及纸张结构异质组分相互作用，提出了填料分布的堆积指数、集中因子与键合因子，揭示了高加填纸张纤维结合及强度形成机理，丰富和完善了造纸加填理论；建立了填料组分Z向分布表征方法与调控技术，实现纸张强度性能、光学性能与微观结构的可控制备；(4)创新研发基于化学机械力作用的纤维/填料复合技术和微米尺度填料粒子物理/化学改性等系列高加填技术，制备出高填料纸张，纸张填料含量高达43％，比常规文化用纸填料含量提高72％，突破了造纸行业文化用纸的极限。经中国轻工业联合会鉴定，项目技术达国际领先水平。 项目获授权中国发明专利20件，美国发明专利1件；制定企业标准1件；发表论文60篇，其中SCI/EI收录33篇，ES1高被引论文1篇；获陕西省优秀博士学位论文1部；出版著作4部；培养研究生9人，其中博士生2人；培养全国优秀科技工作者、教育部新世纪优秀人才、陕西省五四青年奖章获得者、陕西省普通高校青年杰出人才等高层次人才10人次；研究成果获陕西省高等学校科学技术一等奖，所生产的高加填复印纸和胶版印刷纸中填料含量可达43％和37％，产品各指标优于国家标准《复印纸》(GB/T24988-2010)、《胶版印刷纸》(QB/T 1012-2010)优等品指标。与现有技术相比，吨纸生产成本降低12％，节约纤维原料230kg，消纳粉煤灰770kg，减排CO₂420kg，经济与环境效益显著。 相关技术在陕西、河南、山西、浙江等地企业推广应用，2016～2018年累计新增销售额8.14亿元，新增利润9572万元。若项目推广至全国文化用纸生产，每年潜在经济效益可达200亿元，可消纳粉煤灰2000多万吨，替代30％天然不可再生矿物填料。项目成果可促进陕西煤电工业的可持续发展，为打好污染防治攻坚战，实现美丽陕西建设目标提供有力技术支撑；同时，对提升中国固废减量化、资源化、无害化水平，实现煤炭一电力一造纸的新兴战略性循环经济产业发展有重大推动作用。