Ứng dụng cao lanh trong giấy

Việc sử dụng cao lanh trong công nghiệp quan trọng nhất làm khoáng chất độn là trong ngành công nghiệp giấy, nơi nó được sử dụng trong cả ứng dụng chất độn và lớp phủ. Tuy nhiên, việc sử dụng cao lanh đang chịu áp lực từ các khoáng chất cạnh tranh khác, đặc biệt là canxi cacbonat đã nghiền và kết tủa (GCC và PCC).

Ngành công nghiệp giấy có thể được chia thành các lĩnh vực giấy/bìa và bột giấy. Xu hướng chính trong ngành là sản lượng giấy và bìa tăng trưởng nhanh hơn so với bột giấy, chủ yếu do tỷ lệ tái chế tăng ở nhiều quốc gia. Tiêu thụ giấy thải và chất độn đang tiếp tục tăng, cũng như sự phát triển trong quá trình khử mực cho phép tái chế nhiều loại giấy hơn. Chất độn chỉ được sử dụng trong lĩnh vực giấy và bìa của ngành công nghiệp.

1.1Sản xuất giấy

Giấy bao gồm các tấm sợi xenlulo mỏng đan xen, thường có nguồn gốc từ gỗ. Độ bền của giấy đến từ liên kết hydro được hình thành khi các sợi xenlulo được ép lại với nhau khi có nước. Giấy có thể được chia thành các loại cơ học và hóa học (không có gỗ), tùy thuộc vào phương pháp chuẩn bị sợi xenlulo và loại bỏ lignin (vật liệu “gỗ” trong thực vật).

Ngành công nghiệp giấy có thể được chia thành hai phần là giấy và bìa. Ở mức độ đơn giản, sự khác biệt chính giữa hai loại này là giấy là một tờ trong khi bìa giấy là một lớp nhiều lớp. Nguyên liệu thô của mỗi loại bao gồm nguồn sợi, bột giấy nguyên chất và/hoặc giấy tái chế, chất độn và nhiều loại hóa chất. Công thức chính xác sẽ phụ thuộc vào các đặc tính cần thiết trong sản phẩm cuối cùng. Do đó, giấy viết hoặc giấy in sẽ được làm mờ đục và tiếp nhận mực mà không bị lem. Mặt khác, khăn giấy sẽ được thiết kế để hấp thụ chất lỏng trong khi vẫn giữ được độ bền vật lý.

Các chất độn như cao lanh có thể được sử dụng cả trong quá trình sản xuất tấm và trong bất kỳ quá trình xử lý (hoàn thiện) tiếp theo nào của tấm. Việc lựa chọn (các) loại khoáng sản để sử dụng sẽ được xác định một phần bởi các điều kiện hình thành tờ giấy. Khi sản phẩm cuối cùng được in hoặc viết lên, giấy phải được thiết kế sao cho có thể tiếp nhận mực mà không để mực chảy hoặc lem. Vì sợi xenlulo có xu hướng hấp thụ nước và nhiều dung môi tự nhiên nên tờ giấy phải có kích thước phù hợp để hạn chế xu hướng này.

Về mặt lịch sử, việc định cỡ này đạt được bằng cách sử dụng nhựa thông, một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất bột giấy, được kết tủa trên sợi xenlulo bằng phèn (nhôm sunfat) trong điều kiện axit. Các điều kiện axit này sẽ hạn chế nếu chúng không bị cấm, việc sử dụng các chất độn cacbonat như GCC và PCC và cao lanh là chất độn được lựa chọn.

Trong những năm 1960, hệ thống định cỡ kiềm đã được giới thiệu. Mặc dù việc áp dụng rộng rãi chúng phải mất nhiều năm mới có hiệu quả, nhưng ngày nay chúng là hệ thống thống trị ở nhiều khu vực sản xuất giấy. Kết quả là chất độn cacbonat đã có thể chiếm được thị phần từ cao lanh. Việc chuyển đổi được thực hiện trên cơ sở giảm chi phí sử dụng và cải thiện chất lượng giấy.

Giấy được làm trong điều kiện axit vẫn giữ được một ít axit, điều này hạn chế việc sử dụng chất độn cacbonat trong bất kỳ hoạt động phủ (hoàn thiện) nào. Việc chuyển sang sản xuất giấy kiềm đã loại bỏ những giới hạn đó để chất độn cacbonat cũng chiếm thị phần trong lĩnh vực hoàn thiện giấy.

1.2 Cạnh tranh chất độn và chất phủ trong sản xuất giấy

Cao lanh trước đây là chất độn khoáng và chất phủ phủ được sử dụng rộng rãi nhất trong sản xuất giấy nhưng trong hai thập kỷ qua đã dần bị thay thế bởi canxi cacbonat. Hai nguyên nhân dẫn đến điều này là do việc chuyển đổi từ sản xuất giấy axit sang giấy kiềm và nhu cầu về giấy sáng hơn và cồng kềnh hơn.

Việc chuyển đổi từ phương pháp sản xuất axit sang trung tính đã cho phép các nhà sản xuất giấy sử dụng canxi cacbonat, loại vật liệu rẻ hơn và sáng hơn cao lanh. Giấy có kích thước trung tính có thể có lượng chất độn khoáng cao hơn giấy có kích thước axit, vì vậy bùn canxi cacbonat được ưu tiên sử dụng hơn so với bùn cao lanh vì hàm lượng chất rắn cao hơn.

Việc sử dụng khoáng chất talc làm chất độn trong giấy bị hạn chế ở những khu vực có nguồn nguyên liệu địa phương hoặc nơi có yêu cầu kỹ thuật đặc biệt trong các nhà máy giấy. Talc được sử dụng chủ yếu như một chất phủ và chất kiểm soát độ cao hơn là chất độn.

Cao lanh thường có diện tích bề mặt và độ xốp bên trong thấp hơn canxi cacbonat nên ít ảnh hưởng đến liên kết giữa các sợi với nhau dẫn đến sản phẩm bền hơn. Trộn hai loại khoáng chất này lại với nhau có thể tạo ra một loại vật liệu có các thông số kỹ thuật chính xác theo yêu cầu. Ví dụ, canxi cacbonat tạo ra sản phẩm có độ hoàn thiện “phẳng” nên cao lanh có thể được thêm vào làm chất “làm bóng” để cải thiện độ hoàn thiện của sản phẩm.

1.3Đổ giấy

Khoáng chất được thêm vào giấy dưới dạng một tờ giấy được làm hoàn toàn bằng bột xenlulo có bề mặt không đều và đôi khi không đủ độ mờ cho nhiều mục đích in và viết. Đối với phần lớn các loại giấy in và viết, cần có một tờ giấy mịn hơn và mờ hơn. Điều này có thể đạt được bằng cách lấp đầy các khoảng trống trong lưới sợi xenlulo bằng chất độn khoáng không phải dạng sợi hoặc bằng cách phủ tấm bằng vật liệu tương tự.

Lý tưởng nhất là khoáng chất độn tiêu thụ trong giấy phải rất trắng, mềm, không mài mòn và không chứa tạp chất, đặc biệt là sạn, để giảm thiểu hao mòn trên máy móc sản xuất giấy. Ngoài ra, hình dạng hạt của khoáng chất phủ phải phẳng để có thể tạo thành tấm mịn bằng cách cán, vì bề mặt nhẵn là điều cần thiết để đảm bảo bề mặt in tốt. Khoáng chất độn cũng phải có tính trơ về mặt hóa học để không ảnh hưởng đến các hóa chất được sử dụng trong quá trình hồ.

Chất độn khoáng làm giảm độ bền cơ học của giấy. Điều này được bù đắp bằng các đặc tính in giấy được cải thiện, tăng độ sáng và độ mờ. Chất độn khoáng và chất màu giúp kéo dài sợi xenlulo và do đó làm giảm giá thành đơn vị sản phẩm. Trong trường hợp giấy không tráng phủ gỗ, giá thành của sợi trên mỗi đơn vị trọng lượng có thể cao hơn tới 5 lần so với giá thành của bột màu. Trong loại giấy không chứa gỗ phủ hai lớp, chất kết dính làm tăng thêm chi phí sản xuất, chi phí sợi vẫn có thể cao hơn tới ba lần so với chất độn.

Các khoáng chất được sử dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng làm đầy là cao lanh, canxi cacbonat (cả dạng nghiền và dạng kết tủa) và bột talc. Các khoáng chất khác bao gồm baryte, diatomite và thạch cao cũng được sử dụng nhưng với số lượng nhỏ hơn nhiều.

Cao lanh được rửa sạch bằng nước là loại cao lanh được ưa chuộng hơn cho các ứng dụng làm giấy vì nó dễ dàng phân tán trong nước. Cao lanh nổi trong không khí thường có độ sáng thấp hơn so với loại được rửa bằng nước và do đó có xu hướng được sử dụng trong các sản phẩm giấy rẻ tiền hơn.