紙におけるカオリンの応用
フィラー鉱物としてのカオリンの最も重要な産業用途は、製紙産業であり、フィラーとコーティングの両方の用途に使用されます。 しかし、カオリンの使用は、他の競合鉱物、特に粉砕および沈降炭酸カルシウム (GCC および PCC) からの圧力を受けています。
製紙産業は大きく紙・板紙部門とパルプ部門に分けられます。 業界内の主な傾向は、主に多くの国でのリサイクル率の向上により、パルプと比較して紙および板紙の生産量が急速に増加していることです。 古紙と充填剤の消費量は増加し続けており、より多くの種類の紙をリサイクルできるようにする脱墨技術の開発も進んでいます。 充填剤は、紙および板紙業界でのみ使用されます。
1.1製紙
紙は、一般に木材から得られる、絡み合ったセルロース繊維の薄いシートで構成されています。 紙の強度は、セルロース繊維が水の存在下で圧縮されるときに形成される水素結合によってもたらされます。 紙は、セルロース繊維の製造方法とリグニン（植物の「木質」物質）の除去方法に応じて、機械式と化学式（木材不使用）に分類できます。
製紙業界は、紙と板紙の 2 つの部分に分けることができます。 単純化したレベルで言うと、この 2 つの主な違いは、紙が 1 枚であるのに対し、板紙は複数のシートを積層したものであるということです。 それぞれの原材料には、繊維源、バージンパルプおよび/または再生紙、充填剤、およびさまざまな化学物質が含まれます。 正確な配合は、最終製品に必要な特性によって異なります。 したがって、筆記用紙や印刷用紙は不透明で、インクをにじませることなく受け入れられるように作られます。 一方、ティッシュペーパーは物理的な強度を保ちながら液体を吸収するように設計されています。
カオリンなどの充填剤は、シート自体の製造とその後のシートの処理 (仕上げ) の両方で使用できます。 どの鉱物タイプを使用するかの選択は、紙シートが形成される条件によって部分的に決まります。 最終製品に印刷したり文字を書いたりする場合、インクがにじみたり汚れたりすることなく、インクを受け入れるように紙を設計する必要があります。 セルロース繊維は水や多くの溶剤を吸収する性質があるため、この傾向を制限するために紙シートのサイズを調整する必要があります。
歴史的に、このサイジングは、紙パルプ製造の副産物であるロジンを使用することによって達成され、酸性条件下でミョウバン（硫酸アルミニウム）によってセルロース繊維上に沈殿させられました。 これらの酸性条件では、GCC や PCC などの炭酸塩充填剤の使用が禁止されないにしても制限され、充填剤としてカオリンが選択されました。
1960 年代にアルカリサイジング システムが導入されました。 広く普及するには長い年月を要しましたが、現在では多くの製紙地域で主流のシステムとなっています。 その結果、炭酸塩充填剤がカオリンから市場シェアを奪うことができました。 この切り替えは、使用コストの削減と紙の品質の向上の両方を理由に行われました。
酸性条件で製造された紙はある程度の酸性を保持するため、コーティング (仕上げ) 作業における炭酸塩充填剤の使用が制限されます。 アルカリ製紙への切り替えによりこれらの制限がなくなり、炭酸塩充填剤が製紙分野でも市場シェアを獲得しました。
1.2製紙における競合充填剤およびコーティング顔料
カオリンは、以前は製紙において最も広く使用されている鉱物充填剤およびコーティング顔料でしたが、過去 20 年間で着実に炭酸カルシウムに取って代わられてきました。 その原因は 2 つあり、それは酸性製紙からアルカリ性製紙への転換と、より光沢があり嵩高い紙への需要です。
酸性から中性への製造方法の切り替えにより、製紙業者はカオリンよりも安価で光沢のある炭酸カルシウムを使用できるようになりました。 中性サイズの紙は、酸性サイズの紙よりも多くの鉱物充填剤を配合できるため、固形分含有量が高い炭酸カルシウム スラリーがカオリン スラリーよりも優先して使用されます。
紙の充填剤としてのタルク鉱物の使用は、地元の資源が入手可能な地域、または製紙工場に特別な技術的要件がある地域に限定されています。 タルクは、充填顔料としてではなく、主にコーティングおよびピッチ制御剤として使用されます。
カオリンは一般に炭酸カルシウムよりも表面積と内部多孔性が低いため、繊維間の結合を妨げにくく、その結果より強力な製品が得られます。 これら 2 つの鉱物を一緒にブレンドすると、要求される仕様を正確に備えた材料を生成できます。 たとえば、炭酸カルシウムは「平らな」仕上がりの製品を生成するため、製品の仕上げを改善するために「光沢」剤としてカオリンを添加できます。
1.3紙詰め
セルロースパルプのみで構成される紙のシートは表面が不規則で、多くの印刷や筆記の目的には不透明度が不十分な場合があるため、ミネラルが紙に添加されます。 ほとんどの印刷用紙や筆記用紙には、より滑らかで不透明なシートが必要です。 これは、セルロース繊維ウェブの空隙を非繊維鉱物充填剤で埋めるか、シートを同様の材料でコーティングすることによって実現できます。
理想的には、紙に使用されるフィラー鉱物は、製紙機械の磨耗を最小限に抑えるために、非常に白く、柔らかく、非研磨性であり、不純物、特に砂が含まれていない必要があります。 また、良好な印刷面を確保するには表面が平滑であることが重要であるため、コーティング鉱物の粒子形状はカレンダー加工により平滑なシートに成形できるように平坦である必要がある。 フィラー鉱物はまた、サイジングプロセスで使用される化学物質を妨げないように、化学的に不活性である必要があります。
鉱物充填剤は紙の機械的強度を低下させます。 これは、紙の印刷特性の改善、輝度と不透明度の増加によって相殺されます。 鉱物充填剤と顔料はセルロース繊維を拡張するため、製品単位コストが削減されます。 非コート上質紙の場合、単位重量あたりの繊維のコストは顔料のコストの最大 5 倍になる可能性があります。 両面塗工上質紙では、バインダーが生産コストを増加させるため、繊維のコストが充填剤のコストよりも最大 3 倍高くなる可能性があります。
充填用途で最も一般的に使用されるミネラルは、カオリン、炭酸カルシウム (粉砕および沈殿の両方) およびタルクです。 重晶石、珪藻土、石膏などの他の鉱物も使用されますが、その量ははるかに少ないです。
水洗浄カオリンは、水に容易に分散できるため、紙充填用途に好ましいタイプのカオリンです。 空気浮遊カオリンは一般に、水洗グレードよりも白色度が低く、その結果、より安価な紙製品に使用される傾向があります。