Aplicações de caulim em papel

O uso industrial mais importante do caulim como mineral de carga é na indústria de papel, onde é usado tanto em aplicações de carga quanto de revestimento. No entanto, a utilização de caulino está sob pressão de outros minerais concorrentes, nomeadamente carbonato de cálcio moído e precipitado (GCC e PCC).

A indústria papeleira pode ser amplamente dividida nos setores de papel/cartão e celulose. A principal tendência na indústria é o crescimento mais rápido da produção de papel e cartão em comparação com a pasta, principalmente devido ao aumento das taxas de reciclagem em muitos países. O consumo de resíduos de papel e de enchimento continua a aumentar, assim como os desenvolvimentos na destintagem, que permitem a reciclagem de uma maior variedade de papéis. As cargas são utilizadas apenas no setor de papel e papelão da indústria.

1.1 Fabricação de papel

O papel é composto por finas folhas de fibra de celulose entrelaçada, geralmente derivada de madeira. A resistência do papel vem da ligação de hidrogênio formada quando as fibras de celulose são comprimidas na presença de água. O papel pode ser dividido em tipo mecânico e químico (isento de madeira), dependendo do método pelo qual as fibras de celulose são preparadas e a lignina (o material “lenhoso” das plantas) é removida.

A indústria papeleira pode ser dividida em duas partes, papel e papelão. Num nível simplista, a principal diferença entre os dois é que o papel é uma folha, enquanto o cartão é um laminado de várias. As matérias-primas para cada um incluem uma fonte de fibra, celulose virgem e/ou papel reciclado, cargas e uma variedade de produtos químicos. A fórmula precisa dependerá das propriedades exigidas no produto final. Assim, um papel para escrever ou imprimir será feito de modo a ser opaco e aceitar tinta sem manchar. Um lenço de papel, por outro lado, será projetado de modo a absorver líquidos enquanto retém a resistência física.

Cargas como o caulim podem ser utilizadas tanto na produção da própria chapa quanto em qualquer tratamento (acabamento) subsequente da chapa. A escolha do(s) tipo(s) de mineral a utilizar será determinada, em parte, pelas condições sob as quais a folha de papel é formada. Quando o produto final for impresso ou escrito, o papel deve ser projetado de forma a aceitar tinta sem permitir que ela escorra ou manche. Como as fibras de celulose têm uma tendência natural para absorver água e muitos solventes, a folha de papel tem de ser dimensionada para limitar esta tendência.

Historicamente, esta colagem foi conseguida através da utilização de colofónia, um subproduto do fabrico de pasta de papel, que foi precipitado nas fibras de celulose pelo alúmen (sulfato de alumínio) em condições ácidas. Essas condições ácidas limitavam, se não proibiam, o uso de cargas de carbonato como GCC e PCC e caulim era a carga de escolha.

Durante a década de 1960, foram introduzidos sistemas de colagem alcalina. Embora a sua adopção generalizada tenha demorado muitos anos a produzir efeitos, hoje são os sistemas dominantes em muitas regiões produtoras de papel. Uma consequência foi que as cargas de carbonato conseguiram conquistar participação de mercado do caulim. A mudança foi feita com base na redução do custo de uso e na melhoria da qualidade do papel.

O papel feito em condições ácidas retém alguma acidez, o que limita o uso de cargas carbonáticas em quaisquer operações de revestimento (acabamento). A mudança para a fabricação de papel alcalino eliminou esses limites, de modo que as cargas carbonatadas também conquistaram participação de mercado no setor de acabamento de papel.

1.2 Pigmentos de enchimento e revestimento concorrentes na fabricação de papel

O caulim era anteriormente a carga mineral e o pigmento de revestimento mais amplamente utilizado na fabricação de papel, mas nas últimas duas décadas tem sido constantemente suplantado pelo carbonato de cálcio. As duas causas para isso foram a conversão da fabricação de papel ácido para alcalino e a demanda por papéis mais brilhantes e volumosos.

A mudança de métodos de produção ácidos para neutros permitiu que os produtores de papel usassem carbonato de cálcio, que é mais barato e mais brilhante que o caulim. O papel de tamanho neutro pode ter cargas minerais mais altas do que o papel de tamanho ácido, portanto as pastas de carbonato de cálcio são usadas preferencialmente às pastas de caulim devido ao seu maior teor de sólidos.

A utilização de minerais de talco como carga no papel está restrita a áreas onde estão disponíveis fontes locais ou onde existem requisitos técnicos específicos nas fábricas de papel. O talco é usado principalmente como agente de revestimento e controle de pitch, e não como pigmento de enchimento.

O caulim geralmente tem uma área superficial e porosidade interna menores do que o carbonato de cálcio, portanto interfere menos na ligação fibra a fibra, resultando em um produto mais forte. A mistura desses dois minerais pode produzir um material com exatamente as especificações exigidas. Por exemplo, o carbonato de cálcio produz um produto com acabamento “plano”, portanto o caulim pode ser adicionado como agente de “brilho” para melhorar o acabamento do produto.

1.3 Enchimento de papel

Os minerais são adicionados ao papel porque uma folha de papel composta inteiramente de polpa de celulose tem uma superfície irregular e às vezes é insuficientemente opaca para muitos fins de impressão e escrita. Para a maioria dos papéis de impressão e escrita, é necessária uma folha mais lisa e opaca. Isto pode ser conseguido preenchendo os vazios da teia de fibra de celulose com cargas minerais não fibrosas ou revestindo a folha com materiais semelhantes.

Idealmente, os minerais de enchimento consumidos no papel devem ser muito brancos, macios, não abrasivos e isentos de impurezas, especialmente grãos, para minimizar o desgaste nas máquinas de fabricação de papel. Além disso, o formato das partículas dos minerais de revestimento deve ser plano para que possam formar uma folha lisa por calandragem, pois uma superfície lisa é essencial para garantir uma boa superfície de impressão. Um mineral de enchimento também deve ser quimicamente inerte para não interferir com os produtos químicos utilizados no processo de colagem.

As cargas minerais reduzem a resistência mecânica de um papel. Isto é compensado pelas melhores características de impressão em papel, maior brilho e opacidade. As cargas minerais e os pigmentos prolongam as fibras de celulose e, assim, reduzem os custos unitários do produto. No caso do papel isento de madeira não revestido, o custo das fibras por peso unitário pode ser até cinco vezes maior que o do pigmento. No papel isento de madeira de revestimento duplo, onde os ligantes aumentam os custos de produção, os custos da fibra ainda podem ser até três vezes superiores aos dos enchimentos.

Os minerais mais comumente usados ​​em aplicações de enchimento são caulim, carbonato de cálcio (moído e precipitado) e talco. Outros minerais, incluindo barita, diatomita e gesso, também são utilizados, mas em quantidades muito menores.

O caulim lavado com água é o tipo preferido de caulim para aplicações de enchimento de papel, pois é facilmente dispersável em água. O caulim flutuado no ar geralmente tem um brilho mais baixo do que os tipos lavados com água e, como resultado, tende a ser usado em produtos de papel mais baratos.