Kaolientoepassingen in papier

Het belangrijkste industriële gebruik van kaolien als vulmineraal vindt plaats in de papierindustrie, waar het zowel in vulmiddel- als coatingtoepassingen wordt gebruikt. Het gebruik van kaolien staat echter onder druk door andere concurrerende mineralen, met name gemalen en neergeslagen calciumcarbonaat (GCC en PCC).

De papierindustrie kan grofweg worden onderverdeeld in de sectoren papier/karton en pulp. De belangrijkste trend binnen de sector is de snellere groei van de productie van papier en karton in vergelijking met pulp, voornamelijk als gevolg van de toegenomen recyclingpercentages in veel landen. Het verbruik van oud papier en vulstoffen blijft stijgen, evenals de ontwikkelingen op het gebied van het ontinkten, waardoor een grotere verscheidenheid aan papier kan worden gerecycled. Vulstoffen worden alleen gebruikt in de papier- en kartonsector van de industrie.

1.1 Papierproductie

Papier bestaat uit dunne vellen verweven cellulosevezels, meestal afkomstig van hout. De sterkte van het papier komt van de waterstofbinding die ontstaat wanneer de cellulosevezels samengedrukt worden in de aanwezigheid van water. Papier kan worden onderverdeeld in mechanische en chemische (houtvrije) soorten, afhankelijk van de methode waarmee de cellulosevezels worden bereid en de lignine (het “houtachtige” materiaal in planten) wordt verwijderd.

De papierindustrie kan in twee delen worden verdeeld: papier en karton. Op een simplistisch niveau is het belangrijkste verschil tussen de twee dat papier één vel is, terwijl karton een laminaat van meerdere is. De grondstoffen voor elk omvatten een vezelbron, nieuwe pulp en/of gerecycled papier, vulstoffen en een verscheidenheid aan chemicaliën. De precieze formule zal afhangen van de eigenschappen die vereist zijn in het eindproduct. Aldus zal een schrijf- of drukpapier zo worden gemaakt dat het ondoorzichtig is en inkt accepteert zonder uit te smeren. Een papieren zakdoekje daarentegen zal zo worden ontworpen dat het vloeistof absorbeert terwijl de fysieke kracht behouden blijft.

Vulstoffen zoals kaolien kunnen zowel bij de productie van de plaat zelf als bij de eventuele daaropvolgende behandeling (afwerking) van de plaat worden gebruikt. De keuze van de te gebruiken mineraalsoort(en) zal gedeeltelijk worden bepaald door de omstandigheden waaronder het vel papier wordt gevormd. Wanneer het eindproduct wordt afgedrukt of beschreven, moet het papier zodanig zijn ontworpen dat het inkt accepteert zonder dat de inkt kan uitlopen of uitsmeren. Omdat cellulosevezels van nature de neiging hebben om water en veel oplosmiddelen te absorberen, moet het papiervel op maat worden gemaakt om deze neiging te beperken.

Historisch gezien werd deze lijming bereikt door het gebruik van colofonium, een bijproduct van de productie van papierpulp, dat onder zure omstandigheden door aluin (aluminiumsulfaat) op de cellulosevezels werd neergeslagen. Deze zure omstandigheden beperkten het gebruik van carbonaatvulstoffen, zoals GCC en PCC, en kaolien was het vulmiddel bij uitstek.

In de jaren zestig werden alkalische lijmsystemen geïntroduceerd. Hoewel het vele jaren duurde voordat de wijdverbreide toepassing ervan effect had, zijn ze tegenwoordig de dominante systemen in veel papierproducerende regio's. Een gevolg hiervan is dat carbonaatvulstoffen marktaandeel van kaolien hebben kunnen veroveren. De overstap is gemaakt op grond van zowel lagere gebruikskosten als verbeteringen aan de papierkwaliteit.

Papier gemaakt in zure omstandigheden behoudt een zekere zuurgraad, dit beperkt het gebruik van carbonaatvulstoffen bij coating- (afwerkings)bewerkingen. Door de overstap naar de productie van alkalisch papier zijn deze beperkingen opgeheven, zodat carbonaatvulstoffen ook marktaandeel hebben veroverd in de papierafwerkingssector.

1.2 Concurrerende vul- en coatingpigmenten bij de papierproductie

Kaolien was vroeger het meest gebruikte minerale vul- en coatingpigment bij de papierproductie, maar is de afgelopen twintig jaar gestaag verdrongen door calciumcarbonaat. De twee oorzaken hiervoor zijn de omschakeling van zure naar alkalische papierproductie en de vraag naar helderder en volumineuzer papier.

De omschakeling van zure naar neutrale productiemethoden heeft papierproducenten in staat gesteld calciumcarbonaat te gebruiken, dat goedkoper en helderder is dan kaolien. Papier met een neutraal formaat kan hogere hoeveelheden minerale vulstoffen bevatten dan papier met een zuur formaat. Daarom worden calciumcarbonaatslurries gebruikt in plaats van kaolienslurries vanwege hun hogere gehalte aan vaste stoffen.

Het gebruik van talkmineralen als vulmiddel in papier is beperkt tot gebieden waar lokale bronnen beschikbaar zijn of waar er bijzondere technische eisen gelden in papierfabrieken. Talk wordt voornamelijk gebruikt als coating- en pekcontrolemiddel en niet als vulpigment.

Kaolien heeft over het algemeen een lager oppervlak en een lagere interne porositeit dan calciumcarbonaat, waardoor de vezel-tot-vezelbinding minder wordt verstoord, wat resulteert in een sterker product. Door deze twee mineralen samen te voegen, kan een materiaal ontstaan ​​met precies de vereiste specificaties. Calciumcarbonaat produceert bijvoorbeeld een product met een “platte” afwerking, zodat kaolien kan worden toegevoegd als “glansmiddel” om de afwerking van het product te verbeteren.

1.3Papiervulling

Mineralen worden aan papier toegevoegd omdat een vel papier dat volledig uit cellulosepulp bestaat een onregelmatig oppervlak heeft en soms onvoldoende ondoorzichtig is voor veel druk- en schrijfdoeleinden. Voor het merendeel van het druk- en schrijfpapier is een gladder en ondoorzichtiger vel vereist. Dit kan worden bereikt door de holtes in het cellulosevezelweb op te vullen met niet-vezelachtige minerale vulstoffen of door de plaat met soortgelijke materialen te bekleden.

Idealiter zouden de vulmineralen die in papier worden geconsumeerd zeer wit, zacht, niet-schurend en vrij van onzuiverheden, vooral gruis, moeten zijn om slijtage aan papiermachines tot een minimum te beperken. Bovendien moet de deeltjesvorm van coatingmineralen vlak zijn, zodat deze door kalanderen tot een gladde plaat kan worden gevormd, aangezien een glad oppervlak essentieel is om een ​​goed printoppervlak te garanderen. Een vulmineraal moet ook chemisch inert zijn om de chemicaliën die bij het lijmproces worden gebruikt niet te verstoren.

Minerale vulstoffen verminderen de mechanische sterkte van papier. Dit wordt gecompenseerd door verbeterde papierafdrukeigenschappen, verhoogde helderheid en dekking. Minerale vulstoffen en pigmenten verlengen de cellulosevezels en verlagen daardoor de productkosten per eenheid. In het geval van houtvrij ongestreken papier kunnen de kosten van de vezels per gewichtseenheid tot vijf keer hoger zijn dan die van het pigment. Bij dubbel gecoat houtvrij papier, waar bindmiddelen de productiekosten verhogen, kunnen de vezelkosten nog steeds tot drie keer hoger zijn dan die van vulstoffen.

De meest gebruikte mineralen bij vultoepassingen zijn kaolien, calciumcarbonaat (zowel gemalen als neergeslagen vormen) en talk. Andere mineralen, waaronder bariet, diatomeeënaarde en gips, worden ook gebruikt, maar in veel kleinere hoeveelheden.

Met water gewassen kaolien is het voorkeurstype kaolien voor papiervultoepassingen, omdat het gemakkelijk dispergeerbaar is in water. Luchtgedreven kaolien heeft over het algemeen een lagere helderheid dan met water gewassen kaolien en wordt daarom vaak in goedkopere papierproducten gebruikt.