Applicazioni del caolino nella carta

L'uso industriale più importante del caolino come minerale riempitivo è nell'industria della carta, dove viene utilizzato sia in applicazioni di riempimento che di rivestimento. Tuttavia, l’uso del caolino è messo sotto pressione da altri minerali concorrenti, in particolare dal carbonato di calcio macinato e precipitato (GCC e PCC).

L’industria della carta può essere sostanzialmente suddivisa nei settori carta/cartone e pasta di legno. La tendenza principale del settore è la crescita più rapida della produzione di carta e cartone rispetto a quella della pasta di legno, dovuta principalmente all’aumento dei tassi di riciclaggio in molti paesi. Il consumo di carta straccia e materiali di riempimento continua ad aumentare, così come lo sono gli sviluppi nel campo della disinchiostrazione che consentono di riciclare una maggiore varietà di carta. I riempitivi vengono utilizzati solo nel settore della carta e del cartone.

1.1Produzione di carta

La carta è composta da sottili fogli di fibra di cellulosa intrecciata, generalmente derivata dal legno. La resistenza della carta deriva dal legame idrogeno che si forma quando le fibre di cellulosa vengono pressate insieme in presenza di acqua. La carta può essere divisa in meccanica e chimica (senza legno), a seconda del metodo con cui vengono preparate le fibre di cellulosa e viene rimossa la lignina (il materiale “legnoso” nelle piante).

L’industria della carta può essere divisa in due parti, carta e cartone. A livello semplicistico, la differenza principale tra i due è che la carta è un foglio mentre il cartone è un laminato di diversi fogli. Le materie prime per ciascuno includono una fonte di fibra, pasta di legno vergine e/o carta riciclata, riempitivi e una varietà di prodotti chimici. La formula precisa dipenderà dalle proprietà richieste nel prodotto finale. Verrà così realizzata una carta da scrivere o da stampa in modo da essere opaca e accogliere l'inchiostro senza sbavature. Una carta velina invece sarà progettata in modo da assorbire i liquidi mantenendo la forza fisica.

Cariche come il caolino possono essere utilizzate sia nella produzione della lastra stessa che in qualsiasi successivo trattamento (finitura) della lastra. La scelta di quale/i tipo/i di minerale/i utilizzare sarà determinata, in parte, dalle condizioni in cui si forma il foglio di carta. Quando il prodotto finale verrà stampato o scritto, la carta deve essere progettata in modo da accettare l'inchiostro senza consentirne la fuoriuscita o la sbavatura. Poiché le fibre di cellulosa hanno una naturale tendenza ad assorbire acqua e molti solventi, il foglio di carta deve essere dimensionato in modo da limitare questa tendenza.

Storicamente questa collatura veniva ottenuta utilizzando la colofonia, un sottoprodotto della produzione della pasta di carta, che veniva fatta precipitare sulle fibre di cellulosa dall'allume (solfato di alluminio) in condizioni acide. Queste condizioni acide limitavano se non proibivano l'uso di riempitivi carbonatici come GCC e PCC e il caolino era il riempitivo preferito.

Negli anni '60 furono introdotti i sistemi di collatura alcalini. Sebbene la loro adozione su vasta scala abbia richiesto molti anni per essere attuata, oggi sono i sistemi dominanti in molte regioni produttrici di carta. Una conseguenza è stata che i riempitivi carbonatici sono stati in grado di sottrarre quote di mercato al caolino. Il passaggio è stato effettuato sulla base sia del minor costo di utilizzo che del miglioramento della qualità della carta.

La carta prodotta in condizioni acide conserva una certa acidità, questo limita l'uso di riempitivi di carbonato in qualsiasi operazione di rivestimento (finitura). Il passaggio alla produzione di carta alcalina ha eliminato tali limiti, così che i riempitivi carbonatici hanno conquistato quote di mercato anche nel settore della finitura della carta.

1.2 Pigmenti di riempimento e rivestimento concorrenti nella produzione della carta

Il caolino era in passato il riempitivo minerale e il pigmento di rivestimento più utilizzato nella produzione della carta, ma negli ultimi due decenni è stato costantemente soppiantato dal carbonato di calcio. Le due cause di ciò sono state la conversione dalla produzione di carta acida a quella alcalina e la domanda di carta più brillante e voluminosa.

Il passaggio dai metodi di produzione acidi a quelli neutri ha consentito ai produttori di carta di utilizzare il carbonato di calcio, che è meno costoso e più brillante del caolino. La carta con formato neutro può avere carichi di riempitivo minerale più elevati rispetto alla carta con formato acido, quindi i fanghi di carbonato di calcio vengono preferiti ai fanghi di caolino a causa del loro contenuto di solidi più elevato.

L'uso dei minerali di talco come riempitivo nella carta è limitato alle aree in cui sono disponibili fonti locali o dove esistono particolari requisiti tecnici nelle cartiere. Il talco viene utilizzato principalmente come agente di rivestimento e controllo della pece piuttosto che come pigmento riempitivo.

Il caolino ha generalmente un'area superficiale e una porosità interna inferiori rispetto al carbonato di calcio, quindi interferisce meno con il legame fibra-fibra, risultando in un prodotto più forte. La miscelazione di questi due minerali insieme può produrre un materiale con esattamente le specifiche richieste. Ad esempio, il carbonato di calcio produce un prodotto con una finitura “piatta”, quindi è possibile aggiungere caolino come agente “lucidante” per migliorare la finitura del prodotto.

1.3Riempimento della carta

I minerali vengono aggiunti alla carta poiché un foglio di carta composto interamente da polpa di cellulosa ha una superficie irregolare e talvolta non è sufficientemente opaco per molti scopi di stampa e scrittura. Per la maggior parte delle carte da stampa e da scrittura è necessario un foglio più liscio e opaco. Ciò può essere ottenuto riempiendo i vuoti nel velo di fibre di cellulosa con riempitivi minerali non fibrosi o rivestendo il foglio con materiali simili.

Idealmente, i minerali riempitivi contenuti nella carta dovrebbero essere molto bianchi, morbidi, non abrasivi e privi di impurità, in particolare graniglia, per ridurre al minimo l’usura dei macchinari per la produzione della carta. Inoltre, la forma delle particelle dei minerali di rivestimento deve essere piatta in modo da poter formare un foglio liscio mediante calandratura, poiché una superficie liscia è essenziale per garantire una buona superficie di stampa. Un minerale di riempimento dovrebbe anche essere chimicamente inerte per non interferire con le sostanze chimiche utilizzate nel processo di dimensionamento.

I riempitivi minerali riducono la resistenza meccanica della carta. Ciò è compensato da migliori caratteristiche di stampa della carta, maggiore luminosità e opacità. I riempitivi minerali e i pigmenti estendono le fibre di cellulosa e quindi riducono i costi unitari del prodotto. Nel caso della carta usomano senza legno, il costo delle fibre per unità di peso può essere fino a cinque volte superiore a quello del pigmento. Nella carta doppia patinata senza legno, dove i leganti aumentano i costi di produzione, i costi delle fibre possono essere fino a tre volte superiori a quelli dei riempitivi.

I minerali più comunemente utilizzati nelle applicazioni di riempimento sono il caolino, il carbonato di calcio (sia in forma macinata che precipitata) e il talco. Vengono utilizzati anche altri minerali tra cui barite, diatomite e gesso, ma in quantità molto minori.

Il caolino lavato con acqua è il tipo di caolino preferito per le applicazioni di riempimento della carta, poiché è facilmente disperdibile in acqua. Il caolino flottato ad aria ha generalmente una lucentezza inferiore rispetto ai tipi lavati con acqua e di conseguenza tende ad essere utilizzato in prodotti di carta meno costosi.