تطبيقات الكاولين في الورق

الاستخدام الصناعي الأكثر أهمية للكاولين كمعدن حشو هو في صناعة الورق حيث يتم استخدامه في كل من تطبيقات الحشو والطلاء. ومع ذلك، فإن استخدام الكاولين يتعرض لضغوط من المعادن المنافسة الأخرى، ولا سيما كربونات الكالسيوم المطحونة والمترسبة (دول مجلس التعاون الخليجي وPCC).

يمكن تقسيم صناعة الورق على نطاق واسع إلى قطاعات الورق/الورق المقوى ولب الورق. الاتجاه الرئيسي في هذه الصناعة هو النمو الأسرع في إنتاج الورق والورق المقوى مقارنة باللب، ويرجع ذلك أساسًا إلى زيادة معدلات إعادة التدوير في العديد من البلدان. يستمر استهلاك نفايات الورق والحشو في الارتفاع، كما هو الحال مع التطورات في إزالة الأحبار التي تسمح بإعادة تدوير مجموعة أكبر من الورق. تستخدم الحشوات فقط في قطاع الورق والورق المقوى في الصناعة.

1.1 صناعة الورق

يتكون الورق من صفائح رقيقة من ألياف السليلوز المتشابكة، المشتقة عمومًا من الخشب. تأتي قوة الورق من الرابطة الهيدروجينية التي تتشكل عندما يتم ضغط ألياف السليلوز معًا في وجود الماء. يمكن تقسيم الورق إلى أنواع ميكانيكية وكيميائية (خالية من الخشب)، اعتمادًا على الطريقة التي يتم بها تحضير ألياف السليلوز وإزالة مادة اللجنين (المادة "الخشبية" الموجودة في النباتات).

يمكن تقسيم صناعة الورق إلى قسمين، الورق والورق المقوى. على المستوى التبسيط، يتمثل الاختلاف الأساسي بين الاثنين في أن الورق عبارة عن ورقة واحدة بينما الورق المقوى عبارة عن صفائح من عدة صفحات. تشتمل المواد الخام لكل منها على مصدر ألياف، و/أو لب بكر و/أو ورق معاد تدويره، ومواد حشو ومجموعة متنوعة من المواد الكيميائية. تعتمد الصيغة الدقيقة على الخصائص المطلوبة في المنتج النهائي. وهكذا سيتم صنع ورق الكتابة أو الطباعة بحيث يكون معتمًا ويقبل الحبر دون تلطيخ. ومن ناحية أخرى، سيتم تصميم المناديل الورقية بحيث تمتص السائل مع الحفاظ على القوة البدنية.

يمكن استخدام مواد الحشو مثل الكاولين في إنتاج الورقة نفسها وفي أي معالجة (تشطيب) لاحقة للورقة. سيتم تحديد اختيار نوع (أنواع) المعادن المراد استخدامها، جزئيًا، وفقًا للظروف التي يتم بموجبها تشكيل الورقة الورقية. عندما تتم طباعة المنتج النهائي أو الكتابة عليه، يجب أن يكون الورق مصممًا بحيث يقبل الحبر دون السماح لذلك الحبر بالسيلان أو التلطيخ. وبما أن ألياف السليلوز لديها ميل طبيعي لامتصاص الماء والعديد من المذيبات، فيجب أن يكون حجم الورقة الورقية من أجل الحد من هذا الميل.

تاريخيًا، تم تحقيق هذا التحجيم من خلال استخدام الصنوبري، وهو منتج ثانوي لصناعة عجينة الورق، والذي تم ترسيبه على ألياف السليلوز بواسطة الشب (كبريتات الألومنيوم) في الظروف الحمضية. كانت هذه الظروف الحمضية محدودة إذا لم تمنع ذلك، وكان استخدام الحشوات الكربونية مثل دول مجلس التعاون الخليجي وPCC والكاولين هو الحشو المفضل.

خلال الستينيات تم إدخال أنظمة التحجيم القلوية. في حين أن اعتمادها على نطاق واسع استغرق سنوات عديدة حتى يتم تفعيلها، إلا أنها اليوم هي الأنظمة السائدة في العديد من مناطق صناعة الورق. وكانت النتيجة أن حشوات الكربونات تمكنت من الحصول على حصة سوقية من الكاولين. تم إجراء التبديل على أساس انخفاض تكلفة الاستخدام وتحسين جودة الورق.

يحتفظ الورق المصنوع في ظروف حمضية ببعض الحموضة، مما يحد من استخدام حشوات الكربونات في أي عمليات طلاء (تشطيب). لقد أدى التحول إلى صناعة الورق القلوي إلى إزالة هذه القيود بحيث استحوذت حشوات الكربونات أيضًا على حصة سوقية في قطاع تشطيب الورق.

1.2 أصباغ الحشو والطلاء المتنافسة في صناعة الورق

كان الكاولين في السابق أكثر صبغات الحشو والطلاء المعدنية استخدامًا على نطاق واسع في صناعة الورق، ولكن في العقدين الأخيرين تم استبداله بشكل مطرد بكربونات الكالسيوم. السببان وراء ذلك هما التحول من صناعة الورق الحمضي إلى صناعة الورق القلوي والطلب على ورق أكثر سطوعًا وأكبر حجمًا.

لقد مكّن التحول من أساليب الإنتاج الحمضية إلى أساليب الإنتاج المحايدة منتجي الورق من استخدام كربونات الكالسيوم، وهي أقل تكلفة وأكثر سطوعًا من الكاولين. يمكن أن يحتوي الورق ذو الحجم المحايد على أحمال حشو معدنية أعلى من الورق ذو الحجم الحمضي، لذلك يتم استخدام ملاط ​​كربونات الكالسيوم بدلاً من ملاط ​​الكاولين بسبب محتواه العالي من المواد الصلبة.

يقتصر استخدام معادن التلك كمادة حشو في الورق على المناطق التي تتوفر فيها مصادر محلية أو حيث توجد متطلبات فنية خاصة في مصانع الورق. يستخدم التلك بشكل أساسي كعامل طلاء وتحكم في درجة اللون وليس كصبغة حشو.

يتمتع الكاولين عمومًا بمساحة سطحية أقل ومسامية داخلية أقل من كربونات الكالسيوم، لذا فهو يتداخل بشكل أقل مع روابط الألياف بالألياف مما يؤدي إلى منتج أقوى. ومن الممكن أن يؤدي مزج هذين المعدنين معًا إلى إنتاج مادة بالمواصفات المطلوبة تمامًا. على سبيل المثال، تنتج كربونات الكالسيوم منتجًا ذو تشطيب "مسطح" بحيث يمكن إضافة الكاولين كعامل "لمعان" لتحسين تشطيب المنتج.

1.3 تعبئة الورق

تضاف المعادن إلى الورق على شكل ورقة مكونة بالكامل من لب السليلوز ولها سطح غير منتظم وفي بعض الأحيان تكون غير شفافة بدرجة كافية للعديد من أغراض الطباعة والكتابة. بالنسبة لغالبية أوراق الطباعة والكتابة، يلزم وجود ورقة أكثر سلاسة وأكثر عتامة. يمكن تحقيق ذلك عن طريق ملء الفراغات الموجودة في شبكة ألياف السليلوز بحشوات معدنية غير ليفية أو عن طريق طلاء الورقة بمواد مماثلة.

من الناحية المثالية، يجب أن تكون معادن الحشو المستهلكة في الورق بيضاء للغاية، وناعمة، وغير كاشطة، وخالية من الشوائب، وخاصة الحبيبات، لتقليل تآكل آلات صنع الورق. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون شكل جسيمات معادن الطلاء مسطحًا بحيث يمكن تشكيلها إلى ورقة ناعمة عن طريق الصقل، حيث أن السطح الأملس ضروري لضمان سطح طباعة جيد. يجب أيضًا أن يكون معدن الحشو خاملًا كيميائيًا حتى لا يتداخل مع المواد الكيميائية المستخدمة في عملية التحجيم.

تعمل الحشوات المعدنية على تقليل القوة الميكانيكية للورق. ويقابل ذلك خصائص طباعة الورق المحسنة وزيادة السطوع والعتامة. تعمل مواد الحشو والأصباغ المعدنية على تمديد ألياف السليلوز وبالتالي تقليل تكاليف وحدة المنتج. وفي حالة الورق غير المطلي الخالي من الخشب، فإن تكلفة الألياف لكل وحدة وزن يمكن أن تصل إلى خمسة أضعاف تكلفة الصبغة. في الورق الخالي من الخشب ذي الطلاء المزدوج، حيث تضيف المواد اللاصقة إلى تكاليف الإنتاج، يمكن أن تظل تكاليف الألياف أعلى بما يصل إلى ثلاثة أضعاف تكاليف الحشو.

المعادن الأكثر استخدامًا في تطبيقات الحشو هي الكاولين وكربونات الكالسيوم (سواء الأرضية أو المترسبة) والتلك. وتستخدم أيضًا معادن أخرى بما في ذلك الباريت والدياتوميت والجبس، ولكن بكميات أقل بكثير.

الكاولين المغسول بالماء هو النوع المفضل من الكاولين لتطبيقات تعبئة الورق، حيث أنه قابل للتشتت بسهولة في الماء. يتمتع الكاولين العائم بالهواء عمومًا بسطوع أقل من الدرجات المغسولة بالماء ويميل إلى استخدامه في المنتجات الورقية الأقل تكلفة نتيجة لذلك.