Kağıtta kaolin uygulamaları

Kaolinin dolgu minerali olarak en önemli endüstriyel kullanımı, hem dolgu hem de kaplama uygulamalarında kullanıldığı kağıt endüstrisindedir. Bununla birlikte, kaolin kullanımı diğer rakip minerallerin, özellikle de öğütülmüş ve çökeltilmiş kalsiyum karbonatın (GCC ve PCC) baskısı altındadır.

Kağıt endüstrisi genel olarak kağıt/karton ve kağıt hamuru sektörlerine ayrılabilir. Sektördeki ana eğilim, birçok ülkede artan geri dönüşüm oranları nedeniyle kağıt ve karton üretiminin kağıt hamuruna kıyasla daha hızlı artmasıdır. Atık kağıt ve dolgu tüketimi artmaya devam ederken, daha fazla çeşitte kağıdın geri dönüştürülmesine olanak tanıyan mürekkep gidermedeki gelişmeler de artmaya devam ediyor. Dolgu maddeleri sanayinin sadece kağıt ve karton sektöründe kullanılmaktadır.

1.1 Kağıt üretimi

Kağıt, genellikle ahşaptan elde edilen ince geçmeli selüloz elyaf tabakalarından oluşur. Kağıdın mukavemeti, selüloz liflerinin su varlığında birbirine bastırılmasıyla oluşan hidrojen bağından gelir. Kağıt, selüloz liflerinin hazırlanma ve ligninin (bitkilerdeki “odunsu” malzeme) uzaklaştırılma yöntemine bağlı olarak mekanik ve kimyasal (odun içermeyen) tiplere ayrılabilir.

Kağıt endüstrisi kağıt ve karton olmak üzere iki kısma ayrılabilir. Basit bir düzeyde, ikisi arasındaki temel fark, kağıdın bir yaprak, kartonun ise birkaç yapraktan oluşan bir laminat olmasıdır. Her birinin hammaddeleri arasında bir elyaf kaynağı, işlenmemiş kağıt hamuru ve/veya geri dönüştürülmüş kağıt, dolgu maddeleri ve çeşitli kimyasallar bulunur. Kesin formül nihai üründe gerekli olan özelliklere bağlı olacaktır. Böylece yazı veya baskı kağıdı opak olacak ve mürekkebi bulaşmadan kabul edecek şekilde yapılacaktır. Öte yandan kağıt mendil, fiziksel gücü korurken sıvıyı emecek şekilde tasarlanacaktır.

Kaolin gibi dolgu maddeleri hem tabakanın kendi üretiminde hem de tabakanın daha sonraki herhangi bir işleminde (bitirilmesinde) kullanılabilir. Hangi mineral tipinin/tiplerinin kullanılacağının seçimi kısmen kağıt tabakasının oluşturulduğu koşullara göre belirlenecektir. Nihai ürüne baskı veya yazı yazılacağı zaman, kağıdın mürekkebin akmasına veya bulaşmasına izin vermeden mürekkebi kabul edecek şekilde tasarlanması gerekir. Selüloz liflerinin suyu ve birçok solventi emmeye yönelik doğal bir eğilimi olduğundan, kağıt tabakasının bu eğilimi sınırlandıracak şekilde boyutlandırılması gerekir.

Tarihsel olarak bu boyutlandırma, kağıt hamuru üretiminin bir yan ürünü olan ve asidik koşullarda şap (alüminyum sülfat) ile selüloz lifleri üzerine çökeltilen reçinenin kullanılmasıyla elde edilmiştir. Bu asidik koşullar yasaklamasa da sınırlıydı, GCC ve PCC gibi karbonat dolguların kullanımı ve kaolin tercih edilen dolgu maddesiydi.

1960'larda alkali boyutlandırma sistemleri tanıtıldı. Yaygın olarak benimsenmelerinin etkili olması uzun yıllar almış olsa da, bugün birçok kağıt üretim bölgesinde baskın sistemlerdir. Bunun bir sonucu olarak karbonat dolgu maddeleri kaolinden pazar payı alabilmiştir. Bu geçiş, hem daha düşük kullanım maliyeti hem de kağıt kalitesindeki iyileştirmeler nedeniyle yapıldı.

Asidik koşullarda yapılan kağıt bir miktar asitliği korur, bu da herhangi bir kaplama (son işlem) işleminde karbonat dolgu maddelerinin kullanımını sınırlar. Alkali kağıt yapımına geçiş bu sınırları ortadan kaldırdı ve böylece karbonat dolgu maddeleri kağıt sonlandırma sektöründe de pazar payı elde etti.

1.2 Kağıt üretiminde rakip dolgu ve kaplama pigmentleri

Kaolin, eskiden kağıt üretiminde en yaygın kullanılan mineral dolgu ve kaplama pigmentiydi ancak son yirmi yılda yerini sürekli olarak kalsiyum karbonat aldı. Bunun iki nedeni asitten alkali kağıt yapımına geçiş ve daha parlak ve daha hacimli kağıt talebidir.

Asit üretim yöntemlerinden nötr üretim yöntemlerine geçiş, kağıt üreticilerinin kaolinden daha ucuz ve daha parlak olan kalsiyum karbonatı kullanmasını sağlamıştır. Nötr boyutlu kağıt, asit boyutlu kağıda göre daha yüksek mineral dolgu yüküne sahip olabilir, dolayısıyla daha yüksek katı içeriğinden dolayı kaolin bulamaçları yerine kalsiyum karbonat bulamaçları kullanılır.

Talk minerallerinin kağıtta dolgu maddesi olarak kullanımı, yerel kaynakların mevcut olduğu veya kağıt fabrikalarında özel teknik gereksinimlerin olduğu alanlarla sınırlıdır. Talk esas olarak dolgu pigmenti olmaktan ziyade kaplama ve zift kontrol maddesi olarak kullanılır.

Kaolin genellikle kalsiyum karbonattan daha düşük bir yüzey alanına ve iç gözenekliliğe sahiptir, bu nedenle elyafın elyafa bağlanmasına daha az müdahale ederek daha güçlü bir ürün elde edilmesini sağlar. Bu iki mineralin bir araya getirilmesi, tam olarak gerekli özelliklere sahip bir malzeme üretebilir. Örneğin, kalsiyum karbonat "düz" yüzeyli bir ürün ürettiğinden, ürünün yüzeyini iyileştirmek için "parlatıcı" bir madde olarak kaolin eklenebilir.

1.3 Kağıt doldurma

Tamamen selüloz hamurundan oluşan bir kağıt tabakasının düzensiz bir yüzeye sahip olması ve bazen birçok baskı ve yazma amacı için yeterince opak olmaması nedeniyle mineraller kağıda eklenir. Baskı ve yazma kağıtlarının çoğunluğu için daha pürüzsüz ve daha opak bir sayfa gerekir. Bu, selüloz elyaf ağdaki boşlukların elyaf olmayan mineral dolgu maddeleri ile doldurulması veya tabakanın benzer malzemelerle kaplanması yoluyla elde edilebilir.

İdeal olarak, kağıtta tüketilen dolgu mineralleri çok beyaz, yumuşak, aşındırıcı olmayan ve kağıt yapım makinelerindeki aşınma ve yıpranmayı en aza indirmek için yabancı maddelerden, özellikle de kumdan arınmış olmalıdır. Ek olarak, iyi bir baskı yüzeyi sağlamak için pürüzsüz bir yüzey gerekli olduğundan, perdahlama yoluyla pürüzsüz bir tabaka halinde oluşturulabilmesi için kaplama minerallerinin parçacık şekli düz olmalıdır. Ayrıca dolgu mineralinin haşıllama işleminde kullanılan kimyasallara müdahale etmemesi için kimyasal olarak inert olması gerekir.

Mineral dolgular kağıdın mekanik mukavemetini azaltır. Bu, geliştirilmiş kağıt yazdırma özellikleri, artan parlaklık ve opaklık ile dengelenir. Mineral dolgular ve pigmentler selüloz liflerini uzatır ve böylece birim ürün maliyetlerini azaltır. Ağaç içermeyen kaplanmamış kağıt durumunda, birim ağırlık başına liflerin maliyeti, pigmentin maliyetinden beş kat daha yüksek olabilir. Bağlayıcıların üretim maliyetlerini artırdığı çift kaplamalı ağaçsız kağıtta, elyaf maliyetleri dolgu maddelerine göre hala üç kat daha yüksek olabiliyor.

Dolgu uygulamalarında en sık kullanılan mineraller kaolin, kalsiyum karbonat (hem öğütülmüş hem de çökeltilmiş formlarda) ve talktır. Barit, diatomit ve alçı taşı gibi diğer mineraller de kullanılır, ancak çok daha küçük miktarlarda.

Suyla yıkanmış kaolin, suda kolaylıkla dağılabileceği için kağıt dolgu uygulamalarında tercih edilen kaolin türüdür. Havayla yüzdürülmüş kaolin genellikle suyla yıkanmış kaolinlerden daha düşük bir parlaklığa sahiptir ve sonuç olarak daha ucuz kağıt ürünlerinde kullanılma eğilimindedir.