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造纸用功能性非金属矿物粉体材料品种及应用

2019-11-25 来源:外部媒体

  非金属矿物粉体材料是指非金属矿物经机械磨剥、改性或化学再加工处理后的粉体或未干燥的浆体状填料或涂覆性材料。根据其在造纸中的作用,分为普通非金属矿物粉体材料(填料)和功能性非金属矿物粉体材料(涂料、增强、印刷纸辅料、絮凝助滤料等)。由于造纸用功能性非金属矿物粉体材料具有独特功效,因此其研究和开发利用受到造纸和非金属矿加工业的双重关注。

  造纸是非金属矿物粉体材料的重要应用领域,目前已有80余种非金属矿物粉体材料在世界造纸业中应用,中国应用的有50余种。其中碳酸钙、滑石、高岭土等主要非金属矿粉体材料品种已成为现代造纸业不可缺少的重要原料和功能材料;石膏、硅灰石、膨润土、沸石、海泡石等是新型的造纸用功能材料。2005年中国机制纸和纸板凸产量达到5600万t,其中非金属矿物粉体材料消费量超过443万to预计到2010年,中国纸张产量将达到7500万t,非金属矿物粉体材料消费将超过660万t。

  功能性非金属矿物粉体材料概述

  1.1 功能性非金属矿物粉体材料的定义

  区别于普通造纸填料用非金属矿物粉体材料,使用后能满足造纸生产过程要求并能使纸制品达到特殊效能的粉体材料称为造纸用功能性非金属矿物粉体材料。从粉体形状上分,功能性非金属矿物粉体材料又分为球状(长径/短径:1一3)、纤维状(长径/短径5~100)、层状(长径/短径同时为:1一3和10一50)。

  1.2 功能性非金属矿物粉体材料加工

  根据加工工艺不同分为机械磨剥、改性(有机或无机改性)、化学合成矿物粉体材料;根据材料属性又有天然和人造(合成)之分。机械磨剥功能性非金属矿物粉体材料主要借助于其晶体分子结构的不同而突出其特有的物理化学性能,能满足不同纸张的应用要求。改性功能性非金属矿物粉体材料制备是通过对矿物表面施以有机包覆、交联或对层状结构矿物进行插层处理,以改善或提高天然非金属矿物的某些性能,如通过引发剂或偶联剂将纳米或亚纳米级高性能无机材料包裹或复合在廉价的矿物粉体表面,从而赋予被改性矿物粉体更好的活性、比表面积和孔隙结构。人造(合成)功能性非金属矿物粉体材料是以天然非金属矿物为原料,经化学或物理加工过程得到同天然非金属矿物结构相似,但纯度更高、性能更优的合成功能性非金属矿物粉体材料,常见的有轻质碳酸钙、钛白粉、硅酸钙、硅酸铝、氢氧化镁等。 

  1.3 功能性非金属矿物粉体材料在造纸生产中的作用

  在造纸生产中的作用表现在以下方面:a.改善纸张性能一一利用不同矿物的结构和特性满足不同用途纸张性能的要求;b.降低纸张生产成本一一利用天然矿物低廉的特性高比例替代天然纤维;c.资源保护需要一一用非金属矿物粉体材料减少天然纤维用量,减缓对森林资源的过度开采等。

  2.造纸用功能性非金属矿物粉体材料主要品种及特性

  国内造纸目前用到的功能性非金属矿材料主要有20余种,年消费量约10万t,但由于其显著的功能特性,近年来消费量增长较快,研究和应用日益受到造纸业和非金属矿加工业的关注。涉及的品种按作用可归类为:提高光泽和印刷性能的涂布材料一一煅烧高岭土、滑石、石膏等;提高强度的材料一一石膏、硅灰石、海泡石等;具有助留助滤或无碳复写功能的材料一·膨润土、凹凸棒石、海泡石、沸石、硅藻土、麦饭石、珍珠岩等;具有隔热(隔音、绝缘、辐射、阻燃等)功能的材料蛭石、石墨、海泡石、水镁石、珍珠岩等。不同品种的功能可以交叉和重叠,目前在造纸业开发力度较大的功能性非金属矿物粉体主要有以下品种。

  2.1 煅烧高岭土

  煅烧高岭土也称脱水高岭土。国内生产企业主要集中在山西、内蒙、安徽、河南等省区,产品选用高品质的煤系高岭岩(煤矸石)经煅烧加工而成,近年国内南方一些企业也利用高品质剥片水选高岭土生产煅烧高岭土。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(600一800 ℃)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。我国煤系煅烧高岭土用原料多为硬质块状体,生产分为“先磨后烧"和“先烧后磨"工艺,不同生产工艺产品其应用特性不同。据有关资料统计田,2005年国内造纸煅烧土消费量2,3万t ,主要用于纸板和印刷纸涂布涂料;少量填料级产品用于低克重新闻纸、印刷纸和农业用纸等。近年来由于受低价格pcc(轻质碳酸钙)和水洗高岭土的冲击,煅烧高岭土在造纸涂料领域的消费增长比预期的缓慢,但由于其高品质的特性,今后应还有较大的发展空间,预计2010年消费量将达6 万t左右。

  随着对煅烧高岭土特性研究的深人,近年来在造纸业开发出的新用途主要有:

  a.用于热敏记录纸,作为A组分涂料颜料组分能吸附热敏显色剂、无色染料和增感剂在发色时产生的渣粕,提高热记录头的记录适应性、质量、显色相稳定性。

  b.用于涂布涂料可提高涂料保水性和悬浮性。

  c.由于煅烧高岭土对红外线有一定阻隔和抗菌作用,用于地膜纸填料时可保持温度,用于育果袋纸能使果实外观颜色鲜艳,有助于抗菌、保鲜等。

  目前国产涂布级煤系煅烧高岭土产品生产还存在一些问题:a.孔积率较低,涂层遮盖性稍差;b.磨耗值较高,一定程度限制了在高速设备上的使用;c.受煅烧工艺控制的影响,产品光老化白度和分散后白度波动较大;d.产品成本还有一定的改进空间等。

  2.2 滑石

  滑石是传统的造纸用填料,现也用于涂布涂料,起功能性作用。在造纸中做功能性材料使用时可控制浆料和白水中有害阴离子溶解物和胶体物(D),成本优于煅烧高岭土、膨润土、硅藻土、沸石等,而滑石对DCS的吸附主要来自其粒子化学结构的特性而非表面的孔隙结构。滑石用于造纸填料和涂料有利于提高纸张涂层平滑度和润滑性,减少润滑剂用量及对平板纸张的粘连,改善压光整饰过程的运转性等。

  滑石用于DCS控制能与抄造生产环境相容,不受酸碱度、温度及剪切力变化的影响。国内用于DCS控制剂使用的滑石消费量约1巧万t/a,其中约45%进口。随着高速纸机和白水全封闭工艺的应用以及更多的使用废纸和化学机械浆原料,其消费量将进一步增长,预测2010年消费量将达到3万、4万t。

  2.3 膨润土

  我国膨润土储量位居世界第2位,膨润土的特殊层状结构使其在工业上有多种用途,可作为粘结剂、吸附剂、吸收剂、填充剂、催化剂、蚀变剂、絮凝剂、洗涤剂、增稠剂、悬浮剂,几乎用于所有的工业领域,又被称为“万能之土"。

  膨润土在造纸业的应用近年来得到较大的发展,主要应用领域有:微助留助滤剂、无碳复写纸及热敏记录纸、喷墨打印纸、纸张填料、涂布涂料、施胶剂、黑液处理剂、水净化剂等、年消费量 1.0万、1.2万t,其中用于微助留助滤剂和无碳复写纸的酸性(活性)白土年进口量约2500 t。

  2.4 沸石

  目前造纸用沸石主要为斜发沸石、丝光沸石、菱沸石和片沸石,因其特有的高孔隙度、吸附性、离子交换性、抗菌性、特殊光泽性(玻璃光泽、丝绢光泽、珍珠光泽)等用于造纸填料、特种涂布涂料和水处理剂等,具体应用在以下方面·

  a.印刷纸填料能赋予纸张较高覆盖性和不透明度,同时由于沸石化学稳定性好、对浆料系统干扰小,适于酸性或碱性造纸,但用于高速纸机填料时因磨耗值较大受一定局限。

  b.水净化剂、脱色剂、助留助滤剂等。

  c.废纸浮选脱墨剂和树脂控制剂能提高纸张白度和改善浮选后白水质量,用于机械浆和涂布配比较高的系统有助于净化白水、降低阴离子沉积物含量。

  d.纸浆漂白催化剂可缩短漂白时间、降低漂白温度和漂白剂用量,并有吸附氯气作用,可减轻对空气的污染。

  e.特种纸涂覆颜料。将微细斜发沸石和丝光沸石与有机涂料、胶料混配涂料涂覆于纸张,其涂层具有耐光、耐热、抗菌和着色性好的特点,与胶体硅颜料混配可制备喷墨打印纸涂料。

  f.特种生活用纸添加剂。沸石可作为有机香精、杀菌剂、除臭剂、保湿剂、阻燃剂载体,将改性后的沸石加人纸浆系统可制造各种具有特殊功能的系列纸制品。

  g.无机或合成纤维改性剂。将沸石粉体与生物胶或粘胶纤维在一定温度下干法混合制得沸石改性剂,用干法或湿法工艺可制成无纺布或无机纸张,能用于特种包装、工业滤材、保温隔热材料等。

  2.5 硅灰石

  硅灰石是性能独特的纤维状矿物,我国储量约占世界的40%,有天然和合成之分团,加工后长径比可达巧一60。经改性后的硅灰石增加了柔性和亲水性,能提高与植物纤维的亲合力及成纸的强度,在同等纸张强度下改性硅灰石填加量比同等细度滑石和GCC(重质碳酸钙)可增加0.3 、1.0倍,并能显著降低浆耗。改性硅灰石适用于酸性和碱性造纸,但因自身硕度较大、磨耗值高,在高速纸机中使用受到一定限制。

  硅灰石代替石棉纤维可生产绝缘和包装用耐热纸板和无机过滤纸;酸和有机改性处理的高白度硅灰石粉可用于胶印纸、书写纸、复印纸、白板纸;天然研磨硅灰石粉可用于生产普通书写纸和凸版印刷纸等。近年来造纸用功能硅灰石年消费量在1万t左右,并有继续扩大趋势。

  2.6 石膏

  我国石膏储量丰富、资源分布广泛,传统造纸业主要用于制造浸渍石膏纸板等。近年来由于石膏化学合成和矿物转化技术的发展,利用电厂脱硫石膏、磷石膏、天然石膏及陶瓷行业废石膏模等可制成长/径比20一100的石膏纤维产品。石膏纤维细分为石膏短纤维(长度0.30 m)、中长纤维(长度0.2一3.0mm)、长纤维(亦称石膏绒,长度> 3.0 (mm)产品,以石膏做为“以矿代木"功能材料替代木纤维在造纸中的添加量可达 30%、70%,能克服其他矿物纤维短、易碎裂、留着率低、硬度高等缺陷,可满足高速纸机生产要求,在印刷书写纸和造纸涂料中具有广阔的应用市场。同时,改性生石膏用于造纸填料同滑石、CaCO3比可提高填料保留率、成纸强度、挺度及不透明度;将改性硬石膏用于涂料颜料可提高纸张挺度、白度,改善印刷性能。

  2.7 蛭石

  利用蛭石膨胀后具有的蓬松、低密度、化学性质稳定、隔热、隔音、耐火、耐冷、绝缘、吸水、抗菌、吸附、阳离子交换等特性,可制造多种功能性工业用纸、军工用纸、装饰纸等。主要应用领域及纸种有:美术工艺包装纸、书皮纸、装饰纸、农业育苗纸、冷冻食品保鲜包装纸、军工用纸、动物衬垫纸、高级环保壁纸、减震衬垫纸板、建筑装饰纸板等,同时还可用于水处理剂(凝结沉淀剂和净化剂)等。

  2.8 海泡石

  海泡石具有极强的吸附性、耐高温(1500一 1700 ℃)性,良好的分散、抗腐蚀、抗辐射、隔热、绝缘等性能,在造纸中用于液体过滤纸、除臭纸、香烟过滤咀纸、美容化妆纸、卫生巾纸、尿片纸、清洁纸、医疗用纸、耐高温隔热纸、鞭炮纸、阻燃纸、工业密封垫板纸、保鲜纸、农业育苗纸、宠物垫纸、干燥剂包装纸、精密仪器包装纸、绝缘纸、抗氧化防腐包装纸、耐酸碱无机过滤纸等。

  2.9 凹凸棒石

  凹凸棒石又名坡缕石或坡缕缟石,是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐粘土矿物。凹凸棒石在造纸工业的研究和应用主要有:微助留助滤剂;纸张填料可减少白水中DCS含量;改性和提高产品白度技术研究;脱色剂和吸附剂降低废水中悬浮物和胶体量研究;碱法草浆黑液处理,其沉渣可配烧制陶瓷、内燃砖和多孔保温材料;阻燃纸填料;陶瓷纸配料;无机过滤纸填充剂等。

  2.10 硅藻土

  国内造纸业主要利用其大孔隙度、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。

  2.11 其他

  水镁石一一高纯度水镁石是良好的天然阻燃剂,可用于阻燃纸、耐温隔热纸等。

  石墨一一一可用于阻燃纸、耐高温纸、工业滤纸、育果纸、导电纸、工业包装纸、密封垫纸、绝缘纸、防辐射纸等。

  麦饭石一一、医药食品包装纸填料、纸餐具、液体饮料过滤材料、生物培养纸等。

  泥炭一一一育苗纸制品、多孔陶瓷纸填充剂、杀虫纸填料等。

  珍珠岩一保温、隔热、吸音、防火、防冻、防辐射建筑装饰纸板填充剂,也用于壁纸、液体饮料及酿酒纸板、育苗纸制容器、工业滤纸等。

  埃洛石一一可用于固含量< 58%涂布纸涂料,另外因其磨耗值低,因而可用于高速纸机等。

 

  造纸用功能性非金属矿物粉体材料发展趋势 

  a.提高纸张中矿物原料的用量;

  b.扩展矿物材料在非传统涂布或未涂布印刷纸和包装纸中的应用;

  c.充分利用低品质矿物原料;

  d.开发新的功能性非金属矿物品种;

  e.开发新的粉体复合、化学提纯、表面或层间及孔道改性等矿物加工技术等。

  随着非金属矿资源开发和精加工技术的进步,价格便宜、物理和化学性能独特的功能性非金属矿粉体材料在造纸领域的应用将有较大的发展,是造纸业不可忽视的一个重要研究方向。

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