Aplicaciones de caolín en papel.
El uso industrial más importante del caolín como mineral de relleno es en la industria del papel, donde se utiliza tanto en aplicaciones de relleno como de recubrimiento. Sin embargo, el uso de caolín se ve presionado por otros minerales competidores, en particular el carbonato de calcio molido y precipitado (GCC y PCC).
La industria del papel se puede dividir en términos generales en los sectores de papel/cartón y pulpa. La principal tendencia dentro de la industria es el crecimiento más rápido de la producción de papel y cartón en comparación con la pulpa, debido principalmente al aumento de las tasas de reciclaje en muchos países. El consumo de papel usado y de masillas sigue aumentando, al igual que los avances en el destintado, que permiten reciclar una mayor variedad de papeles. Las cargas sólo se utilizan en el sector del papel y cartón de la industria.
1.1Fabricación de papel
El papel está compuesto por finas láminas de fibra de celulosa entrelazada, generalmente derivada de la madera. La resistencia del papel proviene de los enlaces de hidrógeno que se forman cuando las fibras de celulosa se presionan entre sí en presencia de agua. El papel se puede dividir en tipos mecánicos y químicos (sin madera), según el método mediante el cual se preparan las fibras de celulosa y se elimina la lignina (el material "leñoso" de las plantas).
La industria del papel se puede dividir en dos partes, papel y cartón. En un nivel simplista, la principal diferencia entre los dos es que el papel es una hoja, mientras que el cartón es un laminado de varias. Las materias primas para cada uno incluyen una fuente de fibra, pulpa virgen y/o papel reciclado, rellenos y una variedad de productos químicos. La fórmula precisa dependerá de las propiedades requeridas en el producto final. De este modo, se fabricará un papel para escribir o imprimir de manera que sea opaco y acepte tinta sin manchar. Por otro lado, un papel de seda estará diseñado para absorber líquido manteniendo su fuerza física.
Se pueden utilizar cargas como el caolín tanto en la producción de la propia lámina como en cualquier tratamiento posterior (acabado) de la lámina. La elección de qué tipo(s) de mineral utilizar estará determinada, en parte, por las condiciones bajo las cuales se forma la hoja de papel. Cuando se imprima o escriba sobre el producto final, el papel debe diseñarse de modo que acepte tinta sin permitir que ésta se corra o se corra. Como las fibras de celulosa tienen una tendencia natural a absorber agua y muchos disolventes, es necesario dimensionar la hoja de papel para limitar esta tendencia.
Históricamente, este apresto se lograba mediante el uso de colofonia, un subproducto de la fabricación de pulpa de papel, que precipitaba sobre las fibras de celulosa con alumbre (sulfato de aluminio) en condiciones ácidas. Estas condiciones ácidas limitaban si no prohibían, el uso de cargas de carbonato como GCC y PCC y caolín fue la carga de elección.
Durante la década de 1960 se introdujeron los sistemas de dimensionamiento alcalinos. Si bien su adopción generalizada tardó muchos años en concretarse, hoy son los sistemas dominantes en muchas regiones productoras de papel. Una consecuencia de ello ha sido que las cargas de carbonato han podido quitarle cuota de mercado al caolín. El cambio se ha realizado basándose tanto en un menor coste de uso como en mejoras en la calidad del papel.
El papel fabricado en condiciones ácidas conserva cierta acidez, lo que limita el uso de cargas de carbonato en cualquier operación de recubrimiento (acabado). El cambio a la fabricación de papel alcalino ha eliminado esos límites, de modo que las cargas carbonatadas también han ganado cuota de mercado en el sector del acabado del papel.
1.2Pigmentos de carga y recubrimiento competidores en la fabricación de papel
El caolín era antiguamente la carga mineral y el pigmento de recubrimiento más utilizado en la fabricación de papel, pero en las últimas dos décadas ha sido suplantado constantemente por el carbonato de calcio. Las dos causas de esto han sido la conversión de la fabricación de papel ácido a la alcalina y la demanda de papel más brillante y voluminoso.
El cambio de métodos de producción ácidos a neutros ha permitido a los productores de papel utilizar carbonato de calcio, que es menos costoso y más brillante que el caolín. El papel de encolado neutro puede tener mayores cargas de carga mineral que el papel de encolado ácido, por lo que se utilizan lechadas de carbonato de calcio con preferencia a las lechadas de caolín debido a su mayor contenido de sólidos.
El uso de minerales de talco como carga en el papel está restringido a áreas donde hay fuentes locales disponibles o donde existen requisitos técnicos particulares en las fábricas de papel. El talco se utiliza principalmente como agente de recubrimiento y control de brea más que como pigmento de relleno.
El caolín generalmente tiene una superficie y una porosidad interna más bajas que el carbonato de calcio, por lo que interfiere menos con la unión de fibra a fibra, lo que da como resultado un producto más fuerte. La combinación de estos dos minerales puede producir un material con exactamente las especificaciones requeridas. Por ejemplo, el carbonato de calcio produce un producto con un acabado "plano", por lo que se puede agregar caolín como agente "brillante" para mejorar el acabado del producto.
1.3Relleno de papel
Los minerales se añaden al papel cuando una hoja de papel compuesta enteramente de pulpa de celulosa tiene una superficie irregular y, a veces, no es lo suficientemente opaca para muchos fines de impresión y escritura. Para la mayoría de los papeles de impresión y escritura, se requiere una hoja más lisa y opaca. Esto se puede conseguir rellenando los huecos de la red de fibra de celulosa con cargas minerales no fibrosas o recubriendo la lámina con materiales similares.
Lo ideal es que los minerales de carga consumidos en el papel sean muy blancos, suaves, no abrasivos y libres de impurezas, especialmente arena, para minimizar el desgaste de la maquinaria de fabricación de papel. Además, la forma de las partículas de los minerales de recubrimiento debe ser plana para que se pueda formar una hoja lisa mediante calandrado, ya que una superficie lisa es esencial para garantizar una buena superficie de impresión. Un mineral de relleno también debe ser químicamente inerte para no interferir con los químicos utilizados en el proceso de dimensionamiento.
Las cargas minerales reducen la resistencia mecánica del papel. Esto se compensa con características mejoradas de impresión del papel, mayor brillo y opacidad. Las cargas minerales y los pigmentos extienden las fibras de celulosa y, por lo tanto, reducen los costos unitarios del producto. En el caso del papel no estucado sin pasta química, el coste de las fibras por unidad de peso puede ser hasta cinco veces mayor que el del pigmento. En el papel sin pasta química de doble capa, donde los aglutinantes aumentan los costos de producción, los costos de la fibra pueden seguir siendo hasta tres veces mayores que los de las cargas.
Los minerales más utilizados en aplicaciones de relleno son el caolín, el carbonato de calcio (tanto en forma molida como precipitada) y el talco. También se utilizan otros minerales como la barita, la diatomita y el yeso, pero en cantidades mucho menores.
El caolín lavado con agua es el tipo preferido de caolín para aplicaciones de relleno de papel, ya que es fácilmente dispersable en agua. El caolín flotado con aire generalmente tiene un brillo más bajo que los grados lavados con agua y, como resultado, tiende a usarse en productos de papel menos costosos.