Zastosowania kaolinu w papierze

Najważniejszym przemysłowym zastosowaniem kaolinu jako minerału wypełniającego jest przemysł papierniczy, gdzie stosuje się go zarówno jako wypełniacz, jak i powłokę. Jednakże stosowanie kaolinu znajduje się pod presją innych konkurencyjnych minerałów, zwłaszcza mielonego i wytrącanego węglanu wapnia (GCC i PCC).

Przemysł papierniczy można ogólnie podzielić na sektor papieru/tektury i celulozy. Głównym trendem w branży jest szybszy wzrost produkcji papieru i tektury w porównaniu do masy celulozowej, głównie ze względu na zwiększone wskaźniki recyklingu w wielu krajach. Zużycie makulatury i wypełniaczy stale rośnie, podobnie jak postęp w odbarwianiu, który umożliwia recykling większej różnorodności papieru. Wypełniacze są stosowane wyłącznie w przemyśle papierniczym i tekturowym.

1.1 Produkcja papieru

Papier składa się z cienkich arkuszy przeplatanych włókien celulozowych, zwykle pochodzących z drewna. Wytrzymałość papieru wynika z wiązań wodorowych powstałych podczas ściskania włókien celulozowych w obecności wody. Papier można podzielić na mechaniczny i chemiczny (bezdrzewny), w zależności od sposobu przygotowania włókien celulozowych i usunięcia ligniny (materiału drzewiastego występującego w roślinach).

Przemysł papierniczy można podzielić na dwie części: papierniczą i tekturową. W uproszczeniu podstawowa różnica między nimi polega na tym, że papier to jeden arkusz, a tektura to laminat składający się z kilku. Surowce do każdego z nich obejmują źródło włókien, pierwotną masę celulozową i/lub papier z recyklingu, wypełniacze i różnorodne chemikalia. Dokładna formuła będzie zależała od właściwości wymaganych w produkcie końcowym. W ten sposób papier do pisania lub drukowania zostanie wykonany tak, aby był nieprzezroczysty i akceptował atrament bez rozmazywania. Z drugiej strony bibułka będzie zaprojektowana tak, aby wchłaniać ciecz, zachowując jednocześnie wytrzymałość fizyczną.

Wypełniacze takie jak kaolin można stosować zarówno przy produkcji samej blachy, jak i przy późniejszej obróbce (wykończeniu) blachy. Wybór rodzaju użytego minerału będzie częściowo określony przez warunki, w jakich formowany jest arkusz papieru. Kiedy produkt końcowy będzie drukowany lub zapisywany, papier musi być zaprojektowany tak, aby przyjmować atrament, nie pozwalając, aby atrament się rozmazał lub rozmazał. Ponieważ włókna celulozowe mają naturalną tendencję do wchłaniania wody i wielu rozpuszczalników, arkusz papieru musi być tak zaklejony, aby ograniczyć tę tendencję.

Historycznie rzecz biorąc, zaklejanie to osiągano poprzez zastosowanie kalafonii, produktu ubocznego wytwarzania masy papierniczej, która została wytrącona na włókna celulozowe przez ałun (siarczan glinu) w warunkach kwasowych. Te kwasowe warunki ograniczały, jeśli nie uniemożliwiały, stosowanie wypełniaczy węglanowych, takich jak GCC i PCC oraz kaolin było wypełniaczem z wyboru.

W latach sześćdziesiątych XX wieku wprowadzono alkaliczne systemy zaklejania. Chociaż ich powszechne przyjęcie zajęło wiele lat, obecnie są one dominującymi systemami w wielu regionach papierniczych. Konsekwencją tego było to, że wypełniacze węglanowe zdołały odebrać kaolinowi udział w rynku. Zmianę przeprowadzono zarówno ze względu na niższe koszty użytkowania, jak i poprawę jakości papieru.

Papier wyprodukowany w warunkach kwaśnych zachowuje pewną kwasowość, co ogranicza użycie wypełniaczy węglanowych w jakichkolwiek operacjach powlekania (wykańczania). Przejście na produkcję papieru alkalicznego zniosło te ograniczenia, w związku z czym wypełniacze węglanowe również zdobyły udział w rynku w sektorze uszlachetniania papieru.

1.2 Konkurencyjne pigmenty wypełniające i powłokowe w produkcji papieru

Kaolin był dawniej najczęściej stosowanym wypełniaczem mineralnym i pigmentem powłokowym w produkcji papieru, ale w ciągu ostatnich dwudziestu lat był stopniowo wypierany przez węglan wapnia. Dwie przyczyny to przejście z produkcji papieru kwasowego na zasadowe oraz zapotrzebowanie na jaśniejszy i grubszy papier.

Przejście z kwaśnych na obojętne metody produkcji umożliwiło producentom papieru stosowanie węglanu wapnia, który jest tańszy i jaśniejszy niż kaolin. Papier o neutralnej granulacji może zawierać wyższą zawartość wypełniacza mineralnego niż papier zaklejany kwasem, dlatego zamiast zawiesin kaolinu stosuje się zawiesiny węglanu wapnia ze względu na wyższą zawartość części stałych.

Stosowanie minerałów talku jako wypełniacza w papierze jest ograniczone do obszarów, w których dostępne są lokalne źródła lub gdzie istnieją szczególne wymagania techniczne w papierniach. Talk stosuje się głównie jako środek powlekający i regulujący wysokość tonu, a nie jako pigment wypełniający.

Kaolin ma na ogół mniejszą powierzchnię i porowatość wewnętrzną niż węglan wapnia, więc w mniejszym stopniu zakłóca wiązanie między włóknami, co skutkuje mocniejszym produktem. Mieszanie tych dwóch minerałów razem może dać materiał o dokładnie wymaganych specyfikacjach. Na przykład węglan wapnia daje produkt o „płaskim” wykończeniu, dlatego można dodać kaolin jako środek „nabłyszczający”, aby poprawić wykończenie produktu.

1.3 Wypełnienie papierem

Minerały dodawane są do papieru, ponieważ arkusz papieru składający się w całości z masy celulozowej ma nieregularną powierzchnię i czasami jest niewystarczająco nieprzezroczysty do wielu celów drukarskich i do pisania. W przypadku większości papierów drukarskich i piśmienniczych wymagany jest gładszy i bardziej nieprzezroczysty arkusz. Można to osiągnąć wypełniając puste przestrzenie w siatce włókien celulozowych niewłóknistymi wypełniaczami mineralnymi lub powlekając arkusz podobnymi materiałami.

Idealnie, minerały wypełniające stosowane w papierze powinny być bardzo białe, miękkie, nieścierne i wolne od zanieczyszczeń, zwłaszcza piasku, aby zminimalizować zużycie maszyn do wytwarzania papieru. Ponadto kształt cząstek minerałów powłokowych powinien być płaski, aby można było je uformować w gładki arkusz poprzez kalandrowanie, ponieważ gładka powierzchnia jest niezbędna do zapewnienia dobrej powierzchni do drukowania. Wypełniacz mineralny powinien być również chemicznie obojętny, aby nie zakłócać działania środków chemicznych stosowanych w procesie zaklejania.

Wypełniacze mineralne zmniejszają wytrzymałość mechaniczną papieru. Jest to równoważone przez ulepszone właściwości drukowania na papierze, zwiększoną jasność i nieprzezroczystość. Wypełniacze i pigmenty mineralne wydłużają włókna celulozowe i tym samym obniżają koszty jednostkowe produktu. W przypadku bezdrzewnego papieru niepowlekanego koszt włókien na jednostkę masy może być nawet pięciokrotnie wyższy niż koszt pigmentu. W przypadku podwójnie powlekanego papieru bezdrzewnego, w którym spoiwa zwiększają koszty produkcji, koszty włókien mogą być nadal nawet trzykrotnie wyższe niż w przypadku wypełniaczy.

Najczęściej stosowanymi minerałami w wypełniaczach są kaolin, węglan wapnia (zarówno w postaci mielonej, jak i wytrąconej) oraz talk. Stosowane są również inne minerały, w tym baryt, diatomit i gips, ale w znacznie mniejszych ilościach.

Kaolin płukany wodą jest preferowanym typem kaolinu do wypełniania papieru, ponieważ łatwo dysperguje w wodzie. Kaolin flotowany powietrzem ma na ogół niższą jasność niż kaolin płukany wodą i w rezultacie jest zwykle stosowany w tańszych produktach papierniczych.