การประยุกต์ดินขาวในกระดาษ
การใช้ดินขาวในอุตสาหกรรมที่สำคัญที่สุดเป็นแร่ตัวเติมอยู่ในอุตสาหกรรมกระดาษซึ่งใช้ทั้งในงานตัวเติมและสารเคลือบ อย่างไรก็ตาม การใช้ดินขาวอยู่ภายใต้แรงกดดันจากแร่ธาตุคู่แข่งอื่นๆ โดยเฉพาะแคลเซียมคาร์บอเนตที่บดและตกตะกอน (GCC และ PCC)
อุตสาหกรรมกระดาษสามารถแบ่งออกกว้าง ๆ ออกเป็นภาคกระดาษ/กระดาษแข็งและเยื่อกระดาษ แนวโน้มหลักในอุตสาหกรรมคือการเติบโตที่รวดเร็วของผลผลิตกระดาษและกระดาษแข็งเมื่อเทียบกับเยื่อกระดาษ สาเหตุหลักมาจากอัตราการรีไซเคิลที่เพิ่มขึ้นในหลายประเทศ การใช้กระดาษเหลือทิ้งและตัวเติมยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เช่นเดียวกับการพัฒนาในการเลิกหมึกซึ่งทำให้สามารถรีไซเคิลกระดาษได้หลากหลายมากขึ้น สารตัวเติมจะใช้เฉพาะในภาคกระดาษและกระดาษแข็งของอุตสาหกรรมเท่านั้น
1.1การผลิตกระดาษ
กระดาษประกอบด้วยเส้นใยเซลลูโลสแบบอินเทอร์เลซแผ่นบาง ซึ่งโดยทั่วไปได้มาจากไม้ ความแข็งแรงของกระดาษมาจากพันธะไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นเมื่อเส้นใยเซลลูโลสถูกอัดเข้าด้วยกันเมื่อมีน้ำ กระดาษสามารถแบ่งออกเป็นประเภทเชิงกลและประเภทเคมี (ไร้ไม้) ขึ้นอยู่กับวิธีการเตรียมเส้นใยเซลลูโลสและกำจัดลิกนิน (วัสดุ "ไม้" ในพืช) ออก
อุตสาหกรรมกระดาษสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ส่วน คือ กระดาษและกระดาษแข็ง ในระดับที่เรียบง่าย ความแตกต่างหลักระหว่างทั้งสองคือกระดาษเป็นแผ่นเดียว ในขณะที่กระดาษแข็งเป็นลามิเนตของหลายแผ่น วัตถุดิบสำหรับแต่ละรายการประกอบด้วยแหล่งเส้นใย เยื่อกระดาษบริสุทธิ์และ/หรือกระดาษรีไซเคิล สารตัวเติม และสารเคมีหลายชนิด สูตรที่แม่นยำจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติที่ต้องการในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ดังนั้นกระดาษเขียนหรือกระดาษพิมพ์จะต้องมีความทึบและรับหมึกได้โดยไม่เลอะ ส่วนกระดาษทิชชู่จะได้รับการออกแบบให้ดูดซับของเหลวแต่ยังคงความแข็งแรงทางกายภาพเอาไว้
สารตัวเติมเช่นดินขาวอาจใช้ทั้งในการผลิตแผ่นงานและในการบำบัด (การตกแต่ง) ของแผ่นงานในภายหลัง การเลือกประเภทของแร่ที่จะใช้จะถูกกำหนดบางส่วนตามเงื่อนไขของการสร้างแผ่นกระดาษ เมื่อผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจะถูกพิมพ์หรือเขียนลงบนกระดาษ กระดาษจะต้องได้รับการออกแบบให้สามารถรับหมึกได้โดยไม่ปล่อยให้หมึกไหลหรือเลอะ เนื่องจากเส้นใยเซลลูโลสมีแนวโน้มตามธรรมชาติในการดูดซับน้ำและตัวทำละลายจำนวนมาก แผ่นกระดาษจึงต้องมีขนาดเพื่อจำกัดแนวโน้มนี้
ในอดีต ขนาดนี้ทำได้โดยการใช้ขัดสนซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการผลิตเยื่อกระดาษ ซึ่งตกตะกอนบนเส้นใยเซลลูโลสด้วยสารส้ม (อะลูมิเนียมซัลเฟต) ในสภาวะที่เป็นกรด สภาวะที่เป็นกรดเหล่านี้จะถูกจำกัดหากไม่ได้ห้าม การใช้สารตัวเติมคาร์บอเนต เช่น GCC และ PCC และดินขาวคือตัวเลือกที่ดีที่สุด
ในช่วงทศวรรษที่ 1960 มีการนำระบบการวัดขนาดอัลคาไลน์มาใช้ แม้ว่าการยอมรับอย่างแพร่หลายจะใช้เวลาหลายปีกว่าจะมีผล แต่ในปัจจุบัน ระบบเหล่านี้กลับกลายเป็นระบบที่โดดเด่นในภูมิภาคการผลิตกระดาษหลายแห่ง ผลที่ตามมาคือสารตัวเติมคาร์บอเนตสามารถแย่งส่วนแบ่งการตลาดจากดินขาวได้ สวิตช์นี้ทำขึ้นโดยมีต้นทุนการใช้งานลดลงและปรับปรุงคุณภาพกระดาษ
กระดาษที่ผลิตในสภาวะที่เป็นกรดจะคงความเป็นกรดอยู่บ้าง ซึ่งเป็นการจำกัดการใช้สารตัวเติมคาร์บอเนตในการดำเนินการเคลือบ (การตกแต่ง) ใดๆ การเปลี่ยนมาใช้การผลิตกระดาษอัลคาไลน์ได้ขจัดข้อจำกัดเหล่านั้นออกไป ดังนั้นตัวเติมคาร์บอเนตจึงได้ส่วนแบ่งการตลาดในภาคการตกแต่งกระดาษด้วย
1.2การแข่งขันฟิลเลอร์และเม็ดสีเคลือบในการผลิตกระดาษ
ดินขาวเคยเป็นสารตัวเติมแร่และสารเคลือบสีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในการผลิตกระดาษ แต่ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมาได้ถูกแทนที่ด้วยแคลเซียมคาร์บอเนตอย่างต่อเนื่อง สาเหตุสองประการคือการเปลี่ยนจากการผลิตกระดาษที่เป็นกรดไปเป็นด่างและความต้องการกระดาษที่สว่างและเทอะทะมากขึ้น
การเปลี่ยนจากวิธีการผลิตแบบกรดไปใช้แบบเป็นกลางช่วยให้ผู้ผลิตกระดาษสามารถใช้แคลเซียมคาร์บอเนตซึ่งมีราคาถูกกว่าและสว่างกว่าดินขาว กระดาษที่มีขนาดเป็นกลางสามารถบรรจุแร่ธาตุได้สูงกว่ากระดาษที่มีขนาดเป็นกรด ดังนั้นจึงมีการใช้สารละลายแคลเซียมคาร์บอเนตแทนสารละลายดินขาว เนื่องจากมีปริมาณของแข็งสูงกว่า
การใช้แร่ทัลก์เป็นตัวเติมในกระดาษนั้นจำกัดเฉพาะในพื้นที่ที่มีแหล่งในท้องถิ่นหรือในพื้นที่ที่มีข้อกำหนดทางเทคนิคเฉพาะในโรงงานกระดาษ แป้งถูกใช้โดยหลักแล้วเป็นสารเคลือบและสารควบคุมระดับสี แทนที่จะเป็นเม็ดสีตัวเติม
ดินขาวโดยทั่วไปมีพื้นที่ผิวต่ำกว่าและความพรุนภายในมากกว่าแคลเซียมคาร์บอเนต ดังนั้นจึงรบกวนการเกาะติดระหว่างเส้นใยกับเส้นใยน้อยกว่า ส่งผลให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่แข็งแรงขึ้น การผสมแร่ธาตุทั้งสองนี้เข้าด้วยกันสามารถผลิตวัสดุที่มีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดที่ต้องการได้ ตัวอย่างเช่น แคลเซียมคาร์บอเนตผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีผิวเคลือบ "เรียบ" จึงสามารถเติมดินขาวเป็นสาร "เคลือบเงา" เพื่อปรับปรุงผิวเคลือบของผลิตภัณฑ์ได้
1.3การเติมกระดาษ
แร่ธาตุจะถูกเติมลงในกระดาษ เนื่องจากแผ่นกระดาษที่ประกอบด้วยเยื่อเซลลูโลสทั้งหมดมีพื้นผิวที่ไม่สม่ำเสมอ และบางครั้งก็มีความทึบไม่เพียงพอสำหรับการพิมพ์และการเขียนหลายๆ อย่าง สำหรับกระดาษพิมพ์และการเขียนส่วนใหญ่ จำเป็นต้องใช้แผ่นเรียบและทึบแสงมากขึ้น ซึ่งสามารถทำได้โดยการเติมช่องว่างในแผ่นใยเซลลูโลสด้วยสารตัวเติมแร่ที่ไม่ใช่เส้นใย หรือโดยการเคลือบแผ่นด้วยวัสดุที่คล้ายกัน
ตามหลักการแล้ว แร่ธาตุตัวเติมที่ใช้ในกระดาษควรมีสีขาวมาก นุ่ม ไม่เสียดสี และปราศจากสิ่งเจือปน โดยเฉพาะกรวด เพื่อลดการสึกหรอของเครื่องจักรผลิตกระดาษ นอกจากนี้ รูปร่างอนุภาคของแร่ธาตุที่เคลือบควรเรียบเพื่อให้สามารถขึ้นรูปเป็นแผ่นเรียบได้โดยการรีด เนื่องจากพื้นผิวที่เรียบเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าพื้นผิวการพิมพ์ที่ดี แร่ตัวเติมควรเป็นสารเคมีเฉื่อยเพื่อไม่ให้รบกวนสารเคมีที่ใช้ในกระบวนการปรับขนาด
สารตัวเติมแร่ช่วยลดความแข็งแรงเชิงกลของกระดาษ สิ่งนี้ถูกชดเชยด้วยคุณสมบัติการพิมพ์บนกระดาษที่ได้รับการปรับปรุง ความสว่างและความทึบที่เพิ่มขึ้น สารตัวเติมแร่ธาตุและเม็ดสีจะขยายเส้นใยเซลลูโลสและช่วยลดต้นทุนผลิตภัณฑ์ต่อหน่วย ในกรณีของกระดาษที่ไม่เคลือบผิวแบบไร้กระดาษ ต้นทุนของเส้นใยต่อน้ำหนักต่อหน่วยอาจสูงกว่าราคาของเม็ดสีถึงห้าเท่า ในกระดาษไร้ไม้เคลือบสองชั้น ซึ่งสารยึดเกาะเพิ่มต้นทุนการผลิต ต้นทุนเส้นใยยังคงสูงกว่าต้นทุนของสารตัวเติมถึงสามเท่า
แร่ธาตุที่ใช้กันมากที่สุดในการเติมได้แก่ ดินขาว แคลเซียมคาร์บอเนต (ทั้งแบบบดและแบบตกตะกอน) และแป้ง แร่ธาตุอื่นๆ เช่น แบไรต์ ไดอะตอมไมต์ และยิปซั่ม ก็ถูกนำมาใช้เช่นกัน แต่ในปริมาณที่น้อยกว่ามาก
ดินขาวที่ล้างด้วยน้ำเป็นดินขาวชนิดที่นิยมใช้ในการบรรจุกระดาษ เนื่องจากมีการกระจายตัวในน้ำได้ง่าย ดินขาวที่ลอยอยู่ในอากาศโดยทั่วไปจะมีความสว่างต่ำกว่าเกรดที่ล้างด้วยน้ำ และมีแนวโน้มที่จะนำไปใช้ในผลิตภัณฑ์กระดาษที่มีราคาถูกกว่า