Kaolinanwendungen in Papier

Die wichtigste industrielle Verwendung von Kaolin als Füllstoffmineral findet in der Papierindustrie statt, wo es sowohl in Füllstoff- als auch in Beschichtungsanwendungen eingesetzt wird. Die Verwendung von Kaolin wird jedoch durch andere konkurrierende Mineralien, insbesondere gemahlenes und gefälltes Calciumcarbonat (GCC und PCC), unter Druck gesetzt.

Die Papierindustrie lässt sich grob in die Sektoren Papier/Pappe und Zellstoff unterteilen. Der Haupttrend innerhalb der Branche ist das schnellere Wachstum der Papier- und Pappeproduktion im Vergleich zur Zellstoffproduktion, was hauptsächlich auf höhere Recyclingquoten in vielen Ländern zurückzuführen ist. Der Verbrauch von Altpapier und Füllstoffen nimmt weiter zu, ebenso wie die Entwicklung im Bereich Deinking, die es ermöglicht, eine größere Vielfalt an Papieren zu recyceln. Füllstoffe werden ausschließlich im Papier- und Kartonbereich der Industrie eingesetzt.

1.1Papierherstellung

Papier besteht aus dünnen Blättern verflochtener Zellulosefasern, die im Allgemeinen aus Holz gewonnen werden. Die Festigkeit des Papiers beruht auf der Wasserstoffbindung, die entsteht, wenn die Zellulosefasern in Gegenwart von Wasser zusammengepresst werden. Abhängig von der Methode, mit der die Zellulosefasern hergestellt und das Lignin (das „holzartige“ Material in Pflanzen) entfernt wird, kann Papier in mechanische und chemische (holzfreie) Arten unterteilt werden.

Die Papierindustrie lässt sich in zwei Teile unterteilen: Papier und Pappe. Vereinfacht ausgedrückt besteht der Hauptunterschied zwischen den beiden darin, dass Papier aus einem Blatt besteht, während Pappe aus einem Laminat aus mehreren Blättern besteht. Zu den Rohstoffen gehören jeweils eine Faserquelle, Frischzellstoff und/oder Recyclingpapier, Füllstoffe und eine Vielzahl von Chemikalien. Die genaue Formel hängt von den erforderlichen Eigenschaften des Endprodukts ab. Dadurch wird ein Schreib- oder Druckpapier so hergestellt, dass es undurchsichtig ist und Tinte annimmt, ohne zu verschmieren. Ein Seidenpapier hingegen ist so konzipiert, dass es Flüssigkeit aufnimmt und gleichzeitig seine physikalische Festigkeit behält.

Füllstoffe wie Kaolin können sowohl bei der Herstellung der Platte selbst als auch bei einer eventuellen Nachbehandlung (Veredelung) der Platte verwendet werden. Die Wahl der zu verwendenden Mineralart(en) wird teilweise durch die Bedingungen bestimmt, unter denen das Papierblatt geformt wird. Wenn das Endprodukt gedruckt oder beschrieben werden soll, muss das Papier so beschaffen sein, dass es Tinte aufnehmen kann, ohne dass die Tinte verläuft oder verschmiert. Da Zellulosefasern von Natur aus dazu neigen, Wasser und viele Lösungsmittel aufzunehmen, muss der Papierbogen geleimt werden, um diese Tendenz zu begrenzen.

In der Vergangenheit wurde diese Leimung durch die Verwendung von Kolophonium erreicht, einem Nebenprodukt der Papierzellstoffherstellung, das unter sauren Bedingungen mit Alaun (Aluminiumsulfat) auf den Zellulosefasern ausgefällt wurde. Da diese sauren Bedingungen die Verwendung von Carbonatfüllstoffen wie GCC und PCC einschränkten, wenn nicht sogar verboten, war Kaolin der Füllstoff der Wahl.

In den 1960er Jahren wurden alkalische Schlichtesysteme eingeführt. Obwohl es viele Jahre dauerte, bis sich ihre weitverbreitete Einführung durchsetzte, sind sie heute in vielen Papierherstellungsregionen die vorherrschenden Systeme. Die Folge war, dass Karbonatfüllstoffe Kaolin Marktanteile abnehmen konnten. Die Umstellung erfolgte sowohl aufgrund geringerer Betriebskosten als auch aufgrund verbesserter Papierqualitäten.

Unter sauren Bedingungen hergestelltes Papier behält einen gewissen Säuregehalt, was die Verwendung von Carbonatfüllstoffen bei Beschichtungs- (Veredelungs-)Vorgängen einschränkt. Mit der Umstellung auf alkalische Papierherstellung wurden diese Grenzen aufgehoben, so dass Carbonatfüllstoffe auch im Bereich der Papierveredelung Marktanteile erobert haben.

1.2Konkurrierende Füllstoffe und Streichpigmente in der Papierherstellung

Kaolin war früher der am häufigsten verwendete mineralische Füllstoff und Streichpigment in der Papierherstellung, wurde jedoch in den letzten zwei Jahrzehnten zunehmend durch Calciumcarbonat verdrängt. Die beiden Ursachen dafür waren die Umstellung von saurer auf alkalische Papierherstellung und die Nachfrage nach hellerem und voluminöserem Papier.

Die Umstellung von sauren auf neutrale Produktionsmethoden hat es Papierherstellern ermöglicht, Calciumcarbonat zu verwenden, das kostengünstiger und heller als Kaolin ist. Neutral geleimtes Papier kann einen höheren Anteil an mineralischen Füllstoffen aufweisen als säuregeleimtes Papier. Daher werden Calciumcarbonat-Aufschlämmungen aufgrund ihres höheren Feststoffgehalts gegenüber Kaolin-Aufschlämmungen bevorzugt.

Die Verwendung von Talkmineralien als Füllstoff in Papier ist auf Gebiete beschränkt, in denen lokale Quellen verfügbar sind oder in denen in Papierfabriken besondere technische Anforderungen bestehen. Talk wird hauptsächlich als Beschichtungs- und Harzkontrollmittel und nicht als Füllstoffpigment verwendet.

Kaolin hat im Allgemeinen eine geringere Oberfläche und innere Porosität als Calciumcarbonat und beeinträchtigt daher die Faser-zu-Faser-Bindung weniger, was zu einem stärkeren Produkt führt. Durch die Mischung dieser beiden Mineralien kann ein Material mit genau den erforderlichen Spezifikationen entstehen. Calciumcarbonat erzeugt beispielsweise ein Produkt mit einer „matten“ Oberfläche, sodass Kaolin als „Glanzmittel“ hinzugefügt werden kann, um die Oberfläche des Produkts zu verbessern.

1.3Papierfüllung

Dem Papier werden Mineralien zugesetzt, da ein vollständig aus Zellulosezellstoff bestehendes Blatt Papier eine unregelmäßige Oberfläche aufweist und für viele Druck- und Schreibzwecke manchmal nicht ausreichend undurchsichtig ist. Für die meisten Druck- und Schreibpapiere ist ein glatteres und undurchsichtigeres Blatt erforderlich. Dies kann erreicht werden, indem die Hohlräume in der Zellulosefaserbahn mit nichtfaserigen mineralischen Füllstoffen gefüllt werden oder indem die Bahn mit ähnlichen Materialien beschichtet wird.

Idealerweise sollten die im Papier verwendeten Füllstoffmineralien sehr weiß, weich, nicht scheuernd und frei von Verunreinigungen, insbesondere Sand, sein, um den Verschleiß der Papierherstellungsmaschinen zu minimieren. Darüber hinaus sollte die Partikelform von Beschichtungsmineralien flach sein, damit sie durch Kalandrieren zu einer glatten Folie geformt werden können, da eine glatte Oberfläche für eine gute Druckoberfläche unerlässlich ist. Ein Füllstoffmineral sollte außerdem chemisch inert sein, um die im Schlichteprozess verwendeten Chemikalien nicht zu beeinträchtigen.

Mineralische Füllstoffe verringern die mechanische Festigkeit eines Papiers. Dies wird durch verbesserte Papierdruckeigenschaften, erhöhte Helligkeit und Opazität ausgeglichen. Mineralische Füllstoffe und Pigmente verlängern die Zellulosefasern und senken dadurch die Produktstückkosten. Bei holzfreiem, ungestrichenem Papier können die Kosten der Fasern pro Gewichtseinheit bis zu fünfmal höher sein als die des Pigments. Bei doppelt gestrichenem holzfreiem Papier, bei dem Bindemittel die Produktionskosten erhöhen, können die Faserkosten immer noch bis zu dreimal höher sein als die von Füllstoffen.

Die am häufigsten in Füllanwendungen verwendeten Mineralien sind Kaolin, Calciumcarbonat (sowohl gemahlene als auch gefällte Form) und Talk. Andere Mineralien wie Baryt, Kieselgur und Gips werden ebenfalls verwendet, jedoch in weitaus geringeren Mengen.

Mit Wasser gewaschener Kaolin ist der bevorzugte Kaolintyp für Papierfüllanwendungen, da er leicht in Wasser dispergierbar ist. Luftfloatiertes Kaolin hat im Allgemeinen eine geringere Helligkeit als mit Wasser gewaschene Sorten und wird daher tendenziell in günstigeren Papierprodukten verwendet.