滑石粉在造纸工业中的应用

我国滑石粉产量的50% 以上用于造纸业。主要用于造纸填料、树脂吸附剂,少量用于造纸涂布颜料。

1滑石粉结构及其特殊性质

滑石粉即水合硅酸镁,其理论分子式为3MgO· 4SiO2·H2O。它具有层状结构,共分三层,中间是一个八 面体的MgO层,上下均为四面体的硅石层[1];滑石粉的 两个-OH基在里面,因此,其表面具有疏水性。这是滑 石粉具有不同于其他颜料特殊性质的原因。

滑石粉在造纸工业中的应用

滑石粉有其独特的性质:层状结构:滑石粉的层间 范德华力较弱使其在研磨时容易裂为薄层;疏水性(亲 油性):即较低的表面能,有机物易吸附到它的层状表 面上,在彩色纸的生产中,滑石粉的加入,减少了染料 的消耗,有效地节约成本,另外,它的表面亲油性使其 可用作树脂、胶黏剂控制剂和废纸脱墨剂;柔软性:使 涂层表面平滑、柔顺,可减少涂层的断裂,降低印刷压 力等;较低的摩擦因数:可降低对设备(成形网、刮刀和 印刷机)的磨蚀,从而延长其使用寿命;化学惰性:不与 任何化学品反应,也不受其他任何助剂的影响,与其它 涂料组分有很好的兼容性,也意味着对pH值变化不 敏感,这种化学惰性也使其对环境有利。

2滑石粉用作造纸填料

20世纪90年代初,滑石粉在造纸领域使用的主 要技术意义仍是填料,占全国滑石消费总量的60%左 右。

滑石粉白度高、密度大、折光指数高,作为造纸工 业的填料有其优点:化学性质稳定,不但适于在酸性条 件下抄纸,也可与碳酸钙配合使用在中性条件下抄纸; 它的摩擦系数小(低于碳酸钙),可以延长抄纸网的使 用寿命,也适于高车速纸机;它是片状粒子,有利于在 纸页中存留和改善纸张不透明度、平滑度和印刷适性; 表面具有亲油性,可以吸附有机物,在作为填料的同 时,也收到了免除树脂障碍的效果,在废纸脱墨中有助 于油墨的脱除,这是高岭土和碳酸钙填料所不能比拟 的;可以与施胶剂结合良好而改善施胶剂留着,并能减 轻纸页的吸收性,防止印刷油墨渗透纸页。

20世纪90年代末,国内造纸工业由酸性造纸工 艺转向中碱性抄纸,同时由于碳酸钙质优价廉,使其逐 渐取代了滑石粉在填料市场中的主导地位。2002年 CaCO3总消费量124万t,超过滑石粉,而滑石粉的市 场占有率由2001年的41. 3%下降到2005年的 23.5%。预计今后几年仍会下降[2]。

3滑石粉用作功能性材料

在造纸工业中,低、中档滑石粉仍将作为重要的填 料使用,而高档滑石粉由于其价格较高,主要作为功能 性材料使用。如:树脂吸附剂、废纸脱墨助剂等。这方 面美国消费量最多,其市场潜在需求量很大。

滑石粉的主要成分是MgO·SiO2,滑石粉特殊的 层状晶体结构使得其表面具有疏水亲油性。此外,滑 石粉除了和水、甘油、甲酸、苯胺等表面张力较大的物 质有接触角外,与其他大部分物质的接触角在任何方向都是0,因而易吸附有机物。

滑石粉在树脂控制方面的应用始于20世纪60年 代。目前,滑石粉用于树脂和胶粘物的控制已遍及全 世界。每年30万t以上是消耗在这一用途上,这一用 量还在增加。其原理是:滑石粉表面具有亲油性,能够 吸附树脂,把它加入到浆液中就能使新游离的尚未聚 集的薄膜状树脂吸附到它扁平形的表面上,降低树脂 表观能量,使树脂失去其特有的黏性,从而抑制树脂的 粘附、聚结和沉积。

滑石粉的纯度、粒度以及浓度与控制树脂沉积有 很大的关系。纯度越高,越易发生层状剥离,亲油性表 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。浓度增加,则滑石粉吸附 树脂的量呈直线增加。一般来讲,用于控制树脂沉积 的微细滑石粉(细度不低于800目的高品质滑石),呈 片状薄层结构,其吸附树脂效率高达90%以上。

滑石粉在废纸脱墨中的作用机理是当废纸进行脱 墨处理时,可以使用滑石粉吸附油墨和其它有机物质。 滑石粉在浮选脱墨过程中,能聚集在泡沫和油墨的周 围,然后通过筛选和净化,使油墨和有机物质同滑石粉 一起从纤维中分离出去。

4滑石粉用作涂布颜料

在造纸工业中使用滑石粉已经有很长的历史,20 世纪初滑石粉首次被用作填料。随着造纸工业技术的 发展,1982年滑石粉在芬兰和法国被作为涂布颜料引 入工业试用。此后,滑石粉就作为配料应用于凹印 LWC纸、涂布不含机械木浆纸(无光和亚光涂布纸)和 特种涂布纸(壁纸和标签纸)中。

滑石粉在造纸工业中的应用 

由图2和图3可见,高岭土和滑石粉颗粒为片状。 片状颜料可赋予涂层良好的纤维覆盖率和较高的平滑 度;由于其颜料粒子在涂层中有序的排列,涂层结构密 实,从而可提高印刷光泽度、降低涂层透气度。

由于滑石具有较大的形态比及其特殊性,国外有 关研究表明,高质量的滑石加工品可以大比例或全部 代替水选高岭土用于涂料颜料,生产中、高档涂布纸。

4.1滑石粉用作涂布颜料的主要优势[3]

滑石粉可提高涂布纸白度、不透明度、平滑度和印 刷光泽度,赋予纸张较高的吸墨性。

作为高形态比的涂布颜料,滑石粉具有卓越的纤 维覆盖能力及很好的印刷效果,也可改善凹版印刷质量。

与高岭土混合使用,可改变涂料流变性,呈剪切稀 化的假塑性流动。能配制高固形物含量的涂料,该涂 料能具有良好的流变性和稳定性。

滑石粉颗粒具有质软、多层和较低摩擦系数的特 性,从而降低摩擦作用和提高耐磨蚀性,它能改善无光 泽涂布纸的油墨磨损问题(在印刷品的加工过程中,纸 张自重和纸张间的相互摩擦会使表面上产生应力作 用,从而会磨蚀印刷品的表面油墨层),从而提高印刷 品质量;滑石的低摩擦因数使纸层间更易滑动而减少 纸芯的断裂,保证了凹印纸卷有好的卷绕质量,也可改 善印刷机运行性能。

滑石粉具有特殊的润滑性,由其制成的涂布纸在 压光机上可获得高整饰度并可减少涂料中润滑剂的使 用量。

硬度低,磨耗较小,有利于刮刀涂布。

4.2滑石粉的主要缺点

滑石粉由于其疏水性,在制备涂料时很难润湿和 分散,制成的涂料也呈剪切膨胀性。

滑石粉在胶版印刷涂布纸中的应用容易引起油墨 堆聚和纸张掉毛、掉粉。

4.3滑石粉在国内用作涂布颜料没有普及的间接原因 国内凹版印刷还未普及。

九十年代以来,滑石的开发利用主要以粗加工生 产为主,少数企业从事超细粉加工,表面修饰与改性复 合深加工则基本上仍未起步,总体加工技术落后[4]。 因此涂布级滑石粉质量较差。

近年,由于滑石粉应用领域的扩展,导致高品位滑 石价格的不断上涨。

国内优质高岭土资源较少,而且大部分是棒形(不 适于涂布),涂布用片状高岭土大部分是从国外进口, 价格较高;而国内滑石粉资源丰富,虽然滑石粉和高岭 土在各自使用的难易和效果上有差别,但它们的用途 基本上是可以互替的,如果用国产的滑石粉部分代替 进口的高岭土生产涂布纸,既能节约资源,又能满足涂 布印刷纸性能的不同需求。

5滑石粉在造纸工业中的发展趋势

滑石自身特有的性能决定了它在造纸领域的特有 地位。

从今后造纸用途的前景分析,低档滑石粉仍将作 为重要的填料使用,而高品质滑石粉则将发挥其应有 的功能特性,最具经济和技术价值的用途是在特种纸、 树脂和胶黏剂吸附剂以及造纸涂料颜料中应用。 改性滑石粉的应用:对滑石粉进行表面处理,使其 阳离子化,可提高其吸附性,如可更好地吸附造纸过程 中产生的阴离子垃圾等。 高含钙量滑石的开发应用:白度95%以上,可用 于SC纸、新闻纸和造纸涂料。有关资料表明,用于填 料时比单一使用GCC有更为理想的不透明度、白度和 填料保留率,亦可减少阴离子沉积物。也可用于造纸 涂料,提高纸页涂层白度、平滑度、印刷适性和涂料的 保水性。

黑滑石的开发研究:经煅烧超细后,白度可达到 94%以上,改变了其原有的疏水性,使颜料具有更好的 配伍性。可用于造纸填料和涂料,代替部分TiO2和 煅烧高岭土。