Аппликации каолина в бумаге

Наиболее важное промышленное применение каолина в качестве минерального наполнителя приходится на бумажную промышленность, где он используется как в качестве наполнителя, так и в качестве покрытия. Однако использование каолина находится под давлением других конкурирующих минералов, особенно измельченного и осажденного карбоната кальция (GCC и PCC).

Бумажную промышленность можно условно разделить на секторы бумаги/картона и целлюлозы. Основной тенденцией в отрасли является более быстрый рост производства бумаги и картона по сравнению с целлюлозой, главным образом, за счет увеличения масштабов переработки во многих странах. Потребление макулатуры и наполнителя продолжает расти, равно как и разработки в области удаления краски, которые позволяют перерабатывать большее количество видов бумаги. Наполнители используются только в секторе производства бумаги и картона.

1.1 Производство бумаги

Бумага состоит из тонких листов переплетенных целлюлозных волокон, обычно полученных из древесины. Прочность бумаги обусловлена ​​водородными связями, образующимися при сжатии целлюлозных волокон в присутствии воды. Бумагу можно разделить на механическую и химическую (бездревесную) в зависимости от способа подготовки целлюлозных волокон и удаления лигнина («древесного» материала растений).

Бумажную промышленность можно разделить на две части: бумагу и картон. На упрощенном уровне основное различие между ними заключается в том, что бумага представляет собой один лист, а картон — это ламинат из нескольких листов. Сырье для каждого из них включает источник волокна, первичную целлюлозу и/или переработанную бумагу, наполнители и различные химикаты. Точная формула будет зависеть от свойств, необходимых конечному продукту. Таким образом, бумага для письма или печати будет изготовлена ​​так, чтобы быть непрозрачной и принимать чернила без размазывания. С другой стороны, папиросная бумага будет спроектирована так, чтобы впитывать жидкость, сохраняя при этом физическую прочность.

Наполнители типа каолина могут использоваться как при производстве самого листа, так и при любой последующей обработке (отделке) листа. Выбор типа минерала для использования будет частично определяться условиями, в которых формируется лист бумаги. Когда конечный продукт будет напечатан или написан, бумага должна быть спроектирована так, чтобы принимать чернила, не допуская их растекания или размазывания. Поскольку целлюлозные волокна имеют естественную тенденцию поглощать воду и многие растворители, размер бумажного листа должен быть подобран таким образом, чтобы ограничить эту тенденцию.

Исторически такая проклейка достигалась за счет использования канифоли, побочного продукта производства бумажной массы, которая осаждается на целлюлозные волокна квасцами (сульфатом алюминия) в кислых условиях. Эти кислые условия ограничивали, если не запрещали, использование карбонатных наполнителей, таких как GCC и PCC, и предпочтительным наполнителем было каолин.

В 1960-х годах были внедрены щелочные системы калибровки. Хотя для их широкого внедрения потребовалось много лет, сегодня они являются доминирующими системами во многих регионах производства бумаги. В результате карбонатные наполнители смогли отобрать долю рынка у каолина. Переход был сделан по соображениям как более низкой стоимости использования, так и улучшения качества бумаги.

Бумага, изготовленная в кислых условиях, сохраняет некоторую кислотность, что ограничивает применение карбонатных наполнителей при любых операциях по нанесению покрытия (отделки). Переход на производство щелочной бумаги устранил эти ограничения, и карбонатные наполнители также заняли долю рынка в секторе отделки бумаги.

1.2 Конкурирующие пигменты-наполнители и покрытия в производстве бумаги

Раньше каолин был наиболее широко используемым минеральным наполнителем и покрывающим пигментом в производстве бумаги, но в последние два десятилетия его постепенно вытеснял карбонат кальция. Двумя причинами этого стали переход от кислотного к щелочному производству бумаги и спрос на более яркую и объемную бумагу.

Переход от кислотных к нейтральным методам производства позволил производителям бумаги использовать карбонат кальция, который дешевле и ярче каолина. Бумага нейтрального размера может иметь более высокое содержание минеральных наполнителей, чем бумага кислотного размера, поэтому суспензии карбоната кальция используются предпочтительнее суспензий каолина из-за более высокого содержания в них твердых веществ.

Использование минералов талька в качестве наполнителя бумаги ограничено областями, где доступны местные источники или где на бумажных фабриках действуют особые технические требования. Тальк используется главным образом в качестве средства для покрытия и контроля смолы, а не в качестве пигмента-наполнителя.

Каолин обычно имеет меньшую площадь поверхности и внутреннюю пористость, чем карбонат кальция, поэтому меньше мешает соединению волокон, что приводит к получению более прочного продукта. Смешение этих двух минералов позволяет получить материал с точно необходимыми характеристиками. Например, карбонат кальция позволяет получить продукт с «гладкой» поверхностью, поэтому можно добавить каолин в качестве «глянца» для улучшения внешнего вида продукта.

1.3Бумажное заполнение

Минералы добавляются в бумагу, поскольку лист бумаги, полностью состоящий из целлюлозной массы, имеет неровную поверхность и иногда недостаточно непрозрачен для многих целей печати и письма. Для большинства видов бумаги для печати и письма требуется более гладкий и непрозрачный лист. Этого можно достичь, заполняя пустоты в полотне из целлюлозных волокон неволокнистыми минеральными наполнителями или покрывая лист аналогичными материалами.

В идеале минералы-наполнители, используемые в бумаге, должны быть очень белыми, мягкими, неабразивными и не содержать примесей, особенно песка, чтобы свести к минимуму износ оборудования для производства бумаги. Кроме того, форма частиц минералов покрытия должна быть плоской, чтобы можно было сформировать гладкий лист путем каландрирования, поскольку гладкая поверхность необходима для обеспечения хорошей печатной поверхности. Минерал-наполнитель также должен быть химически инертным, чтобы не мешать химическим веществам, используемым в процессе калибровки.

Минеральные наполнители снижают механическую прочность бумаги. Это компенсируется улучшенными печатными характеристиками бумаги, повышенной яркостью и непрозрачностью. Минеральные наполнители и пигменты удлиняют волокна целлюлозы и тем самым снижают себестоимость единицы продукции. В случае немелованной бумаги, не содержащей древесины, стоимость волокон на единицу веса может быть до пяти раз выше, чем стоимость пигмента. В бездревесной бумаге с двойным покрытием, где связующие вещества увеличивают производственные затраты, стоимость волокна все равно может быть в три раза выше, чем стоимость наполнителей.

Наиболее часто используемыми минералами в наполнителях являются каолин, карбонат кальция (как в измельченной, так и в осажденной форме) и тальк. Другие минералы, включая барит, диатомит и гипс, также используются, но в гораздо меньших количествах.

Промытый водой каолин является предпочтительным типом каолина для наполнения бумаги, поскольку он легко диспергируется в воде. Каолин, флотируемый на воздухе, обычно имеет меньшую белизну, чем сорта, промытые водой, и в результате его, как правило, используют в менее дорогих бумажных изделиях.