纸张是由纤维构成的,但是对某些纸张来说,只由纤维构成却难于达到纸张的使用目的,为此对于文化用纸、印刷用纸、装饰原纸、白纸板、卷烟纸等来说,必须在纸浆中加入部分填料,才能达到纸张的使用要求。
加填料的主要作用
1) 提高纸张的白度,因为填料的白度比纸浆高;
2) 提高纸张的不透明度;
3) 提高纸张的平滑度;
4) 提高纸张的柔软性;
5) 提高张的印刷性能;
6) 降低纸张的变形程度,即提高纸张的平整性和形稳性;
7) 减少树脂障碍;
8) 满足某些纸张的特殊要求;
填料的种类及其性质
我国用于造纸的填料种类主要有滑石粉、瓷土、碳酸钙(PCC/GCC)、钛白粉和氧化铁黄颜料等。
1、滑石粉
滑石是一种层状结构硅酸盐矿物,滑石的功能特性主要来自其结构特征:亲油疏水性和片状结构。滑石的化学稳定性、低硬度、润滑性、层片状结构、亲油性、疏水性等结构特征决定了它是一种不可多得的功能性造纸矿物材料。在我国,滑石粉产量的50% 以上用于造纸业。主要用于造纸填料,少量用于造纸树脂(黏性物)控制剂和涂料颜料。滑石能使纸张光滑,加重、增强对印刷油墨和颜料的吸附能力。
不同类型滑石的特性不同,适用于不同的造纸产品。低档滑石及其复配加工产品,将主要用于普通造纸填料;中档滑石主要用于高质量要求的功能性造纸填料和底涂涂料;高品质滑石主要用于更能体现其功能特性的黏性物控制剂产品和涂料级产品。而且经超细加工后,滑石粉具有良好的吸附性和覆盖性。目前,可应用于造纸行业中的新型滑石产品主要有阳离子改性滑石、固体石蜡及AKD 改性滑石、黑滑石、镁铝水滑石等。
2、瓷土(高岭土)
高岭土在造纸工业中主要应用于造纸填料和表面涂布的颜料,其特性对造纸生产可操作性及成纸质量有很大影响。根据加工方法和产品特性的不同,造纸涂料用高岭土分为水选高岭土和煅烧高岭土。其中,煅烧高岭土是具有高白度、多孔隙及一定吸附性的造纸用功能材料,根据烧成温度的不同可分为不完全煅烧高岭土(600-800℃)和完全煅烧高岭土(950-1050℃)。前者多用于造纸填料,后者多用于造纸涂布材料。其功能性主要来自于高岭岩(土)焙烧脱水和脱有机质过程,焙烧后结构的多孔性可改善纸张的松厚度、不透明度、吸收油墨性等。
高岭土是目前造纸行业中消耗量较大的白色非金属矿物材料之一,全世界精制高岭土的75% 以上用于造纸。
3、硅灰石
硅灰石不同于传统的填料,它加填于纸张中并不是简单的填充,而是凭借其高长径比与植物纤维交织在一起,构成“植物纤维- 矿物纤维”网状结构,从而部分替代植物短纤维。硅灰石用于造纸,同时具有提高纸张不透明度、降低生产成本、改善匀度、提高印刷适性等优势。
纤维状硅灰石具有很多传统填料无法取代的特殊性能,适合于替代传统填料应用于文化用纸以及一些特种纸、高档纸。而通过化学改性技术降低产品磨耗度,提高纤维的柔软性,以及如何在保持纤维长度前提下使纤维束得以充分解离的加工技术是当前硅灰石加工的重要研究领域。
4、碳酸钙
碳酸钙有轻质(PCC)和重质(GCC)(研磨)之分,一般用于生产纸张的碳酸钙为轻质碳酸钙(也称沉淀碳酸钙),作涂布用颜料碳酸钙用GCC。
轻质碳酸钙:用作造纸的轻质碳酸钙,主要是以石灰石为原料,经过石灰窑煅烧、消化。特定条件下,碳化反应而成。
轻质碳酸钙的优点:
由于我国造纸行业长期以来采用酸性施胶方法,为此无法采用碳酸钙作为造成纸填料(卷烟纸由于不施胶,长期以来采用碳酸钙作填料)。
由于酸性施胶的缺点,以及对环境保护的重视,同时由于中性施胶剂的研究开发,目前世界范围内造纸施胶工艺逐渐由酸性施胶向微酸性、中(碱)性施胶发展,这就使碳酸钙作为造纸填料得到应用与发展。
采用作为造纸填料的优点是:
1)可使纸张具有更高的白度;
2)可使纸张具有更高的不透明度;
3)良好的覆盖性;
4)高的松厚度;
5)良好的印刷适应性及油墨吸收性;
6)优良的透气性;
7)良好的助燃性;
轻质碳酸钙是卷烟纸的优良填料,但在轻质碳酸钙的生产过程中,由于不同的工艺技条件,则使碳酸钙的晶形结构,颗粒大小,以及分布情况均不同,对卷烟纸的强度、透气度有明显的影响。
在比较长的一段时间内,我们对此不够重视,随着市场经济的深入发展,以及外国高档卷烟纸(高强度、高透气度)对中国市场的冲击,使各生产高档卷烟纸的企业对生产高档卷烟纸用的轻质碳酸钙的质量要求有一个共识,目前已注意到用于高档卷烟纸的轻质碳酸钙的生产工艺,并进行研写开发,这是一个可喜的进步。
不久的将来,我国将能生产出适用于高档卷烟纸的轻质碳酸钙。
在以上质量指标中,主要是沉降体积和含铁量,同时对游离碱的含量有严格要求,一般要求游离碱(以CaO计)含量,要小于0.1%。
重质碳酸钙:重质碳酸钙一般不作为造纸填料用,只作为涂布颜料之用。由于重质碳酸钙采作研磨方法进行生产的所以它的形状不规则,呈棱柱体、片状、菱形、偏三角面体积等,印刷时其对油墨的吸收性比PCC要好其粘度比PCC低。
生产研磨(重质)碳酸钙的企业比较多,他们产品质量指标也不统一。一般重质碳酸钙有下面几种规格:
1)Pd-40:干法粉碎制得,白度达98%左右,2μm含量占40%以上,15μm为零;
2)Pd-60:湿法研磨而成,白度达94%以上,2μm含量占55%~56%,粒度分布比较窄;
3)Pd-90:湿法研磨而成,2μm含量占88%~92%,白度较Pd-60好一些,粒径分布比较窄,有较好的分散性。
5、二氧化钛
商品名为钛白粉,由钛铁矿(FeO.TiO2)经加工精制而成,对光的折射率高达2.55~2.70,白度高,对纸张的覆盖性能在所有填料中居首位,但其价格昂贵。
二氧化钛有金红石和锐钛矿型,他们的化学性能有所不同,前者水溶性差,所以造纸工业(特别是薄页纸)均以后者用作填料。
6、氧化铁颜料
用作某些特殊纸张加填用的氧化铁颜料是无机颜料的一种,目前应用还不广泛,它是铁系颜料的一部分,一般只使用氧化铁红、氧化铁黄、氧化铁黑的氧化铁棕四种。
氧化铁颜色料的共同的特点是不溶于水,与纸浆纤维无亲和力,而是依靠明矾的作用,固着在纤维上,而取得着色,同时起到加填作用。氧化铁颜料耐光性强,遮盖性好。
氧化铁颜料在高档装饰原纸(或水松原纸)中起到填料作用,还可部分代替价格昂贵的钛白粉,同时它又起到染色作用,可取代价高而且污染严重的有机染料。
7、膨润土
膨润土是含有少量碱和碱土金属的含水铝硅酸盐矿物。其比表面积大、高分散和触变性等多重性质使它以多种用途应用于造纸工业都能表现出相当多的优越性。如用作造纸填料使用时,具有较高的白度和纯度,并且使用较大的添加量也不会降低纸张强度、撕裂度;用作造纸涂料时,可以提高涂料的保水性、悬浮性和流变性能。经分离、提纯和改性后,膨润土的各种性能大大提高,可制成钠基膨润土、颗粒膨润土、有机膨润土等深加工产品。改性后的膨润土具有较好的吸附性和分散性能,并且相对滑石粉而言,具有较高的留着率,对成纸强度的影响也较小。
8、硅藻土
国内造纸业主要利用硅藻土大孔隙度、强吸附、小容重、隔热、吸音、化学稳定、无毒等工艺特性生产液体饮料、制糖、酿酒业用过滤纸和纸板,也用于建筑装饰纸板、蓄电池隔板、高吸水生活用纸、阻燃纸、宠物垫纸、废水净化剂、助凝剂等;经有机改性后还可用于微助留助滤剂等。硅藻土原矿杂质较多,为提高其功能性能,通常要对硅藻土进行改性处理。
合理地选用填料
1)滑石粉
由于滑石粉具有质地细腻、白度高、覆盖性好、磨损低特点,且滑石粉的平滑度和光泽度高,价格便宜,因此一般文化用纸、印刷用纸均采用滑石粉作填料;由于滑石粉的化学稳定性好,所以采用分散松香作为施胶的酸性施胶,均采用滑石粉。
滑石粉中的碳酸钙含量一般要求低于2.5%,最也低于1.5%%,因为较高的碳酸钙含量对施胶和染色均不利,对于装饰原纸来说,高的碳酸钙含量对后续加工工序有不利的影响;粉作为涂布的白色颜料,对涂布的白度有不利的影响。
据研究,其用量每增加10%,白度值即降低1.0%,其原因是滑石粉略疏水性为此在涂料体系中分散性欠佳,细小的滑石颗粒易于捕集空气,因而形成小气泡,出现聚现象时,使涂层不均匀,因而涂布纸生产中尽量不用(少用)滑石粉作颜料。
2)碳酸钙
在AKD等新型中(碱)性施胶剂的应用,在酸性造纸中难一应用的填料碳酸钙,则有了用武之地,碳酸钙折光率高达1.65,可明显提高纸张白度和不透明度。
在pH值7.5~8.5范围内,碳酸钙的稳定性好,所以采用中(碱)性施胶的纸张均采用碳酸钙作为填料;对于薄页纸,如烟纸、印刷型 水松原纸等,由于要求有高的不透明度,均采用碳酸钙作填料,对于一些印刷性能要求高的纸,也可以采用碳酸钙作填料。
由于碳酸钙紫外线吸收少对提高纸张老化有利,为此对于一些需要进长期保存(馆藏)的纸张,采用碳酸钙作填料;采用酸性施胶的纸张,不能使用碳酸钙作填料;碳酸钙可大量用作涂布纸用的色颜料,研磨碳酸钙由于其价格便宜,制涂料流动性好,且其印刷性能等到比PCC好,为此涂布的白色多用研磨碳酸钙;
3)二氧化钛
由于其高的折射率,白度高(97%~99%),遮盖力在颜料(填料)中居首位,为此在生产高档薄页纸或高档涂布纸时均采用,但由于其价格昂贵,为此用量较少;
4)瓷土
由于瓷土良好的化学稳定性,以及其片结构,能提高纸张的平滑度和光泽度,为此可以作为各种纸张的填料,它只适用作酸性施胶纸的填料,但由于其粘度比较高,因此加入量较少,比如可与滑石粉一起使用;它可作为涂布的白色颜料,片状含越高的瓷土,其涂布性能(涂料流动性)越好,涂好的纸张(纸板)其光泽度、平滑度越好。
5)氧化铁颜料
适用于生产薄页纸,如高档装饰原纸和水松原纸等,这是其高覆盖率所体现出来的特点。
造纸是一个复杂的工艺过程,不同的纸张品种有不同的质量要求,为达到纸张的某种要求就必要加入填料;填料的种类较多,各具有不同的性能,不同纸张品种和工艺条件,就必须选择不同的填料或填料的组合,以期获得最佳的效果。
哪些因素可以影响碳酸钙的白度?如何解决?
碳酸钙作为一种广泛应用于塑料、橡胶、涂料、造纸等行业的无机填料,其白度是衡量产品质量的重要指标之一。白度的高低不仅影响产品的外观,还直接关系到产品的市场价值和应用性能。本文将探讨影响碳酸钙白度的主要因素,并提出相应的解决方案。
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