滑石粉在造紙工業(yè)中的應用

 我國滑石粉產(chǎn)量的50% 以上用于造紙業(yè)。主要用于造紙填料、樹(shù)脂吸附劑,少量用于造紙涂布顏料。

1　滑石粉結構及其特殊性質(zhì)

滑石粉即水合硅酸鎂,其理論分子式為3MgO· 4SiO2·H2O。它具有層狀結構,共分三層,中間是一個(gè)八 面體的MgO層,上下均為四面體的硅石層[1];滑石粉的 兩個(gè)-OH基在里面,因此,其表面具有疏水性。這是滑 石粉具有不同于其他顏料特殊性質(zhì)的原因。



滑石粉有其獨特的性質(zhì):層狀結構:滑石粉的層間 范德華力較弱使其在研磨時(shí)容易裂為薄層;疏水性(親 油性):即較低的表面能,有機物易吸附到它的層狀表 面上,在彩色紙的生產(chǎn)中,滑石粉的加入,減少了染料 的消耗,有效地節約成本,另外,它的表面親油性使其 可用作樹(shù)脂、膠黏劑控制劑和廢紙脫墨劑;柔軟性:使 涂層表面平滑、柔順,可減少涂層的斷裂,降低印刷壓 力等;較低的摩擦因數:可降低對設備(成形網(wǎng)、刮刀和 印刷機)的磨蝕,從而延長(cháng)其使用壽命;化學(xué)惰性:不與 任何化學(xué)品反應,也不受其他任何助劑的影響,與其它 涂料組分有很好的兼容性,也意味著(zhù)對pH值變化不 敏感,這種化學(xué)惰性也使其對環(huán)境有利。

2　滑石粉用作造紙填料

20世紀90年代初,滑石粉在造紙領(lǐng)域使用的主 要技術(shù)意義仍是填料,占全國滑石消費總量的60%左 右。

滑石粉白度高、密度大、折光指數高,作為造紙工 業(yè)的填料有其優(yōu)點(diǎn):化學(xué)性質(zhì)穩定,不但適于在酸性條 件下抄紙,也可與碳酸鈣配合使用在中性條件下抄紙; 它的摩擦系數小(低于碳酸鈣),可以延長(cháng)抄紙網(wǎng)的使 用壽命,也適于高車(chē)速紙機;它是片狀粒子,有利于在 紙頁(yè)中存留和改善紙張不透明度、平滑度和印刷適性; 表面具有親油性,可以吸附有機物,在作為填料的同 時(shí),也收到了免除樹(shù)脂障礙的效果,在廢紙脫墨中有助 于油墨的脫除,這是高嶺土和碳酸鈣填料所不能比擬 的;可以與施膠劑結合良好而改善施膠劑留著(zhù),并能減 輕紙頁(yè)的吸收性,防止印刷油墨滲透紙頁(yè)。

20世紀90年代末,國內造紙工業(yè)由酸性造紙工 藝轉向中堿性抄紙,同時(shí)由于碳酸鈣質(zhì)優(yōu)價(jià)廉,使其逐 漸取代了滑石粉在填料市場(chǎng)中的主導地位。2002年 CaCO3總消費量124萬(wàn)t,超過(guò)滑石粉,而滑石粉的市 場(chǎng)占有率由2001年的41. 3%下降到2005年的 23.5%。預計今后幾年仍會(huì )下降[2]。

3　滑石粉用作功能性材料

在造紙工業(yè)中,低、中檔滑石粉仍將作為重要的填 料使用,而高檔滑石粉由于其價(jià)格較高,主要作為功能 性材料使用。如:樹(shù)脂吸附劑、廢紙脫墨助劑等。這方 面美國消費量最多,其市場(chǎng)潛在需求量很大。

滑石粉的主要成分是MgO·SiO2,滑石粉特殊的 層狀晶體結構使得其表面具有疏水親油性。此外,滑 石粉除了和水、甘油、甲酸、苯胺等表面張力較大的物 質(zhì)有接觸角外,與其他大部分物質(zhì)的接觸角在任何方向都是0,因而易吸附有機物。

滑石粉在樹(shù)脂控制方面的應用始于20世紀60年 代。目前,滑石粉用于樹(shù)脂和膠粘物的控制已遍及全 世界。每年30萬(wàn)t以上是消耗在這一用途上,這一用 量還在增加。其原理是:滑石粉表面具有親油性,能夠 吸附樹(shù)脂,把它加入到漿液中就能使新游離的尚未聚 集的薄膜狀樹(shù)脂吸附到它扁平形的表面上,降低樹(shù)脂 表觀(guān)能量,使樹(shù)脂失去其特有的黏性,從而抑制樹(shù)脂的 粘附、聚結和沉積。

滑石粉的純度、粒度以及濃度與控制樹(shù)脂沉積有 很大的關(guān)系。純度越高,越易發(fā)生層狀剝離,親油性表 面越多,效果就越好。粒度越小,比表面越大,表面能 也越大,其吸附能力就越大。濃度增加,則滑石粉吸附 樹(shù)脂的量呈直線(xiàn)增加。一般來(lái)講,用于控制樹(shù)脂沉積 的微細滑石粉(細度不低于800目的高品質(zhì)滑石),呈 片狀薄層結構,其吸附樹(shù)脂效率高達90%以上。

滑石粉在廢紙脫墨中的作用機理是當廢紙進(jìn)行脫 墨處理時(shí),可以使用滑石粉吸附油墨和其它有機物質(zhì)。 滑石粉在浮選脫墨過(guò)程中,能聚集在泡沫和油墨的周 圍,然后通過(guò)篩選和凈化,使油墨和有機物質(zhì)同滑石粉 一起從纖維中分離出去。

4　滑石粉用作涂布顏料

在造紙工業(yè)中使用滑石粉已經(jīng)有很長(cháng)的歷史,20 世紀初滑石粉首次被用作填料。隨著(zhù)造紙工業(yè)技術(shù)的 發(fā)展,1982年滑石粉在芬蘭和法國被作為涂布顏料引 入工業(yè)試用。此后,滑石粉就作為配料應用于凹印 LWC紙、涂布不含機械木漿紙(無(wú)光和亞光涂布紙)和 特種涂布紙(壁紙和標簽紙)中。

 

由圖2和圖3可見(jiàn),高嶺土和滑石粉顆粒為片狀。 片狀顏料可賦予涂層良好的纖維覆蓋率和較高的平滑 度;由于其顏料粒子在涂層中有序的排列,涂層結構密 實(shí),從而可提高印刷光澤度、降低涂層透氣度。

由于滑石具有較大的形態(tài)比及其特殊性,國外有 關(guān)研究表明,高質(zhì)量的滑石加工品可以大比例或全部 代替水選高嶺土用于涂料顏料,生產(chǎn)中、高檔涂布紙。

4.1　滑石粉用作涂布顏料的主要優(yōu)勢[3]

滑石粉可提高涂布紙白度、不透明度、平滑度和印 刷光澤度,賦予紙張較高的吸墨性。

作為高形態(tài)比的涂布顏料,滑石粉具有卓越的纖 維覆蓋能力及很好的印刷效果,也可改善凹版印刷質(zhì) 量。

與高嶺土混合使用,可改變涂料流變性,呈剪切稀 化的假塑性流動(dòng)。能配制高固形物含量的涂料,該涂 料能具有良好的流變性和穩定性。

滑石粉顆粒具有質(zhì)軟、多層和較低摩擦系數的特 性,從而降低摩擦作用和提高耐磨蝕性,它能改善無(wú)光 澤涂布紙的油墨磨損問(wèn)題(在印刷品的加工過(guò)程中,紙 張自重和紙張間的相互摩擦會(huì )使表面上產(chǎn)生應力作 用,從而會(huì )磨蝕印刷品的表面油墨層),從而提高印刷 品質(zhì)量;滑石的低摩擦因數使紙層間更易滑動(dòng)而減少 紙芯的斷裂,保證了凹印紙卷有好的卷繞質(zhì)量,也可改 善印刷機運行性能。

滑石粉具有特殊的潤滑性,由其制成的涂布紙在 壓光機上可獲得高整飾度并可減少涂料中潤滑劑的使 用量。

硬度低,磨耗較小,有利于刮刀涂布。

4.2　滑石粉的主要缺點(diǎn)

滑石粉由于其疏水性,在制備涂料時(shí)很難潤濕和 分散,制成的涂料也呈剪切膨脹性。

滑石粉在膠版印刷涂布紙中的應用容易引起油墨 堆聚和紙張掉毛、掉粉。

4.3　滑石粉在國內用作涂布顏料沒(méi)有普及的間接原因 國內凹版印刷還未普及。

九十年代以來(lái),滑石的開(kāi)發(fā)利用主要以粗加工生 產(chǎn)為主,少數企業(yè)從事超細粉加工,表面修飾與改性復 合深加工則基本上仍未起步,總體加工技術(shù)落后[4]。 因此涂布級滑石粉質(zhì)量較差。

近年,由于滑石粉應用領(lǐng)域的擴展,導致高品位滑 石價(jià)格的不斷上漲。

國內優(yōu)質(zhì)高嶺土資源較少,而且大部分是棒形(不 適于涂布),涂布用片狀高嶺土大部分是從國外進(jìn)口, 價(jià)格較高;而國內滑石粉資源豐富,雖然滑石粉和高嶺 土在各自使用的難易和效果上有差別,但它們的用途 基本上是可以互替的,如果用國產(chǎn)的滑石粉部分代替 進(jìn)口的高嶺土生產(chǎn)涂布紙,既能節約資源,又能滿(mǎn)足涂 布印刷紙性能的不同需求。

5　滑石粉在造紙工業(yè)中的發(fā)展趨勢

滑石自身特有的性能決定了它在造紙領(lǐng)域的特有 地位。

從今后造紙用途的前景分析,低檔滑石粉仍將作 為重要的填料使用,而高品質(zhì)滑石粉則將發(fā)揮其應有 的功能特性,最具經(jīng)濟和技術(shù)價(jià)值的用途是在特種紙、 樹(shù)脂和膠黏劑吸附劑以及造紙涂料顏料中應用。 改性滑石粉的應用:對滑石粉進(jìn)行表面處理,使其 陽(yáng)離子化,可提高其吸附性,如可更好地吸附造紙過(guò)程 中產(chǎn)生的陰離子垃圾等。 高含鈣量滑石的開(kāi)發(fā)應用:白度95%以上,可用 于SC紙、新聞紙和造紙涂料。有關(guān)資料表明,用于填 料時(shí)比單一使用GCC有更為理想的不透明度、白度和 填料保留率,亦可減少陰離子沉積物。也可用于造紙 涂料,提高紙頁(yè)涂層白度、平滑度、印刷適性和涂料的 保水性。

黑滑石的開(kāi)發(fā)研究:經(jīng)煅燒超細后,白度可達到 94%以上,改變了其原有的疏水性,使顏料具有更好的 配伍性?？捎糜谠旒執盍虾屯苛?代替部分TiO2和 煅燒高嶺土。