造紙行業(yè)非金屬礦物應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展

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【摘要】造紙是非金屬礦粉體的重要應(yīng)用領(lǐng)域。目前常用的非金屬礦粉體主要有滑石、高嶺土、硅灰石、重質(zhì)碳酸鈣、輕質(zhì)碳酸鈣、硅藻土、水鎂石、海泡石、沸石、膨潤(rùn)土等。本文重點(diǎn)分析了高嶺土、滑石等幾大常用造紙?zhí)盍系膽?yīng)用現(xiàn)狀，并簡(jiǎn)要概括了非金屬礦物在造紙行業(yè)中的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】非金屬礦；造紙；應(yīng)用

造紙是非金屬礦粉體的重要應(yīng)用領(lǐng)域。造紙過程中添加非金屬礦物材料既可降低生產(chǎn)成本也可改善紙張性能，如增加紙張的白度、光澤度、平滑度、透氣度、不透明度等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)非金屬礦產(chǎn)資源豐富，高達(dá)90余種，國(guó)內(nèi)造紙工業(yè)中已用到的礦物大概有50余種。其中常用的非金屬礦粉體主要有滑石、高嶺土、硅灰石、重質(zhì)碳酸鈣、輕質(zhì)碳酸鈣、硅藻土、水鎂石、海泡石、沸石、膨潤(rùn)土等[1]。另一方面，傳統(tǒng)造紙用非金屬礦物粉體其自身具有一定的理化性狀，能夠滿足一般造紙生產(chǎn)需求。但隨著造紙工業(yè)的發(fā)展，對(duì)于非金屬礦物粉體的質(zhì)量和功能特性要求也不斷提高。而且填料的加入也會(huì)對(duì)紙張的強(qiáng)度、施膠度、松厚度及挺度等指標(biāo)造成一定負(fù)面影響，并增加白水循環(huán)體系中細(xì)小組分的含量，加劇紙漿流送管道的磨蝕，并造成印刷過程中易出現(xiàn)掉毛掉粉現(xiàn)象等。這需要對(duì)其進(jìn)行改性，賦予粉體更多的物理化學(xué)性質(zhì)。

1.滑石在造紙行業(yè)中的應(yīng)用

滑石是一種層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物，化學(xué)分子式為Mg3[Si4O10](OH)2?；墓δ芴匦灾饕獊碜云浣Y(jié)構(gòu)特征：親油疏水性和片狀結(jié)構(gòu)?；幕瘜W(xué)穩(wěn)定性、低硬度、潤(rùn)滑性、層片狀結(jié)構(gòu)、親油性、疏水性等結(jié)構(gòu)特征決定了它是一種不可多得的功能性造紙礦物材料。在我國(guó)，滑石粉產(chǎn)量的50%以上用于造紙業(yè)。主要用于造紙?zhí)盍?，少量用于造紙樹脂（黏性物）控制劑和涂料顏料?；苁辜垙埞饣又?、增?qiáng)對(duì)印刷油墨和顏料的吸附能力。不同類型滑石的特性不同，適用于不同的造紙產(chǎn)品。低檔滑石及其復(fù)配加工產(chǎn)品，將主要用于普通造紙?zhí)盍希恢袡n滑石主要用于高質(zhì)量要求的功能性造紙?zhí)盍虾偷淄客苛?；高品質(zhì)滑石主要用于更能體現(xiàn)其功能特性的粘性物控制劑產(chǎn)品和涂料級(jí)產(chǎn)品。而且經(jīng)超細(xì)加工后，滑石粉具有良好的吸附性和覆蓋性。目前，可應(yīng)用于造紙行業(yè)中的新型滑石產(chǎn)品主要有陽離子改性滑石、固體石蠟及AKD改性滑石、黑滑石、鎂鋁水滑石等[2]。

2.高嶺土在造紙行業(yè)中的應(yīng)用

高嶺土是指以高嶺石族礦物為基本組成的軟質(zhì)粘土，化學(xué)式為Al4(Si4O10)(OH)8。高嶺土通常為致密塊狀、土狀或角礫狀，顏色呈白色，具有可塑性和黏結(jié)性、高耐火度和燒結(jié)度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和絕緣性。高嶺土在造紙工業(yè)中主要應(yīng)用于造紙?zhí)盍虾捅砻嫱坎嫉念伭希涮匦詫?duì)造紙生產(chǎn)可操作性及成紙質(zhì)量有很大影響。根據(jù)加工方法和產(chǎn)品特性的不同，造紙涂料用高嶺土分為水選高嶺土和煅燒高嶺土。其中，煅燒高嶺土是具有高白度、多孔隙及一定吸附性的造紙用功能材料，根據(jù)燒成溫度的不同可分為不完全煅燒高嶺土（600-800℃）和完全煅燒高嶺土（950-1050℃）。前者多用于造紙?zhí)盍?，后者多用于造紙涂布材料。其功能性主要來自于高嶺巖（土）焙燒脫水和脫有機(jī)質(zhì)過程，焙燒后結(jié)構(gòu)的多孔性可改善紙張的松厚度、不透明度、吸收油墨性等[3]。高嶺土是目前造紙行業(yè)中消耗量較大的白色非金屬礦物材料之一，全世界精制高嶺土的75%以上用于造紙。據(jù)預(yù)測(cè)2020年全國(guó)造紙行業(yè)高嶺土需求量約為255萬t，其中國(guó)內(nèi)產(chǎn)量約占65%左右。

3.碳酸鈣在造紙行業(yè)中的應(yīng)用

造紙行業(yè)是碳酸鈣的最大市場(chǎng)之一，隨著造紙技術(shù)的發(fā)展，造紙工藝由酸性抄紙向中性、堿性抄紙轉(zhuǎn)變，碳酸鈣在造紙行業(yè)中的用量大大增加。碳酸鈣作為紙張?zhí)盍峡梢愿纳萍埰返墓鈱W(xué)性能，改善紙張的平滑度，改善紙頁的成形，改善制品的印刷適應(yīng)性和書寫適應(yīng)性，且由于其成本遠(yuǎn)低于紙漿纖維，可以顯著的降低生產(chǎn)成本。據(jù)市場(chǎng)調(diào)查公司ReportBuyer的預(yù)測(cè)，2025年全球碳酸鈣在造紙行業(yè)的應(yīng)用將達(dá)到160億美元以上。造紙行業(yè)中用到的碳酸鈣按加工制備方法分為兩種：重質(zhì)碳酸鈣和輕質(zhì)碳酸鈣。重質(zhì)碳酸鈣填料主要用于除卷煙紙、過濾紙和特種低定量信息用紙外的印刷紙、廣告用紙、辦公用紙、書寫紙等。輕質(zhì)碳酸鈣相較重質(zhì)碳酸鈣的質(zhì)量更好，具有粒度細(xì)、白度高、價(jià)格低、起泡性低和印刷適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用做造紙?zhí)盍?，可以基本滿足紙張印刷和光學(xué)性能要求[4]。另一方面，過量添加重質(zhì)碳酸鈣也會(huì)造成纖維間結(jié)合的隔斷，從而導(dǎo)致紙張強(qiáng)度、松厚度和挺度降低等損紙現(xiàn)象；輕質(zhì)碳酸鈣與紙漿纖維之間無結(jié)合力，致使其留著率很低。因此，無論重鈣或輕鈣，均需要改性以更好地應(yīng)用于造紙行業(yè)。

4.硅灰石在造紙行業(yè)中的應(yīng)用

硅灰石是一種鈣質(zhì)偏硅酸鹽礦物，化學(xué)式為CaSiO3或Ca3[Si3O9]，具有折射率高、白度高等特性。硅灰石分為α晶型和β晶型，α晶型通常為粒狀和粉狀；β晶型通常為纖維狀和針狀，長(zhǎng)徑比通常為20∶1，最高可達(dá)30∶1。β晶型纖維狀硅灰石具有高白度、高電阻、高長(zhǎng)徑比、低吸油率、低介電常數(shù)、耐熱、耐腐蝕等眾多優(yōu)良特性。硅灰石不同于傳統(tǒng)的填料，它加填于紙張中并不是簡(jiǎn)單的填充，而是憑借其高長(zhǎng)徑比與植物纖維交織在一起，構(gòu)成“植物纖維-礦物纖維”網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而部分替代植物短纖維。硅灰石用于造紙，同時(shí)具有提高紙張不透明度、降低生產(chǎn)成本、改善勻度、提高印刷適性等優(yōu)勢(shì)[5]。我國(guó)硅灰石的儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉，但應(yīng)用水平整體不高。而纖維狀硅灰石具有很多傳統(tǒng)填料無法取代的特殊性能，適合于替代傳統(tǒng)填料應(yīng)用于文化用紙以及一些特種紙、高檔紙。而通過化學(xué)改性技術(shù)降低產(chǎn)品磨耗度，提高纖維的柔軟性，以及如何在保持纖維長(zhǎng)度前提下使纖維束得以充分解離的加工技術(shù)是當(dāng)前硅灰石加工的重要研究領(lǐng)域。

5.膨潤(rùn)土在造紙行業(yè)中的應(yīng)用

膨潤(rùn)土是含有少量堿和堿土金屬的含水鋁硅酸鹽礦物。其比表面積大、高分散和觸變性等多重性質(zhì)使它以多種用途應(yīng)用于造紙工業(yè)都能表現(xiàn)出相當(dāng)多的優(yōu)越性。如用作造紙?zhí)盍鲜褂脮r(shí)，具有較高的白度和純度，并且使用較大的填加量也不會(huì)降低紙張強(qiáng)度、撕裂度；用作造紙涂料時(shí)，可以提高涂料的保水性、懸浮性和流變性能[6]。經(jīng)分離、提純和改性后，膨潤(rùn)土的各種性能大大提高，可制成鈉基膨潤(rùn)土、顆粒膨潤(rùn)土、有機(jī)膨潤(rùn)土等深加工產(chǎn)品。目前，常用的膨潤(rùn)性方法主要有活化法和添加改性劑法，改性后的膨潤(rùn)土具有較好的吸附性和分散性能，并且相對(duì)滑石粉而言，具有較高的留著率，對(duì)成紙強(qiáng)度的影響也較小。

6.硅藻土在造紙行業(yè)中的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)造紙業(yè)主要利用硅藻土大孔隙度、強(qiáng)吸附、小容重、隔熱、吸音、化學(xué)穩(wěn)定、無毒等工藝特性生產(chǎn)液體飲料、制糖、釀酒業(yè)用過濾紙和紙板，也用于建筑裝飾紙板、蓄電池隔板、高吸水生活用紙、阻燃紙、寵物墊紙、廢水凈化劑、助凝劑等；經(jīng)有機(jī)改性后還可用于微助留助濾劑等。硅藻土原礦雜質(zhì)較多，為提高其功能性能，通常要對(duì)硅藻土進(jìn)行改性處理，主要方法有常規(guī)法(擦洗法、焙燒和酸/堿洗法)、無機(jī)改性和有機(jī)改性。孟曉敏等通過對(duì)硅藻土表面改性得到了改性硅藻土復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)表面改性硅藻土的粒徑變大，同時(shí)Zeta電位升高，這為擴(kuò)大改性硅藻土的應(yīng)用范圍打下了良好的基礎(chǔ)，將改性硅藻土復(fù)合材料用于造紙?zhí)盍习l(fā)現(xiàn)，可提高紙張抗張指數(shù)，改善造紙松厚度和撕裂指數(shù)，同時(shí)還可有效提高填料留著率，當(dāng)改性硅藻土復(fù)合材料用量為45％時(shí)，留著率仍然可以超過75％[7]。

7.其他非金屬礦物在造紙行業(yè)中的應(yīng)用

與目前廣泛用于造紙的傳統(tǒng)填料碳酸鈣、高嶺土、滑石粉不同，纖維狀凹凸棒石與植物纖維有較好的結(jié)合性。近年來，研究人員探究了凹凸棒石填充劑對(duì)紙品的影響。由于凹凸棒石具有高長(zhǎng)徑比及易水化特性，使其具有良好的紙品充填性能[8]。海泡石具有比表面積大、吸附能力強(qiáng)、耐高溫、阻燃等特點(diǎn)，在造紙中添加適量的海泡石纖維，可以用來生產(chǎn)具有各種特殊性能的紙品。如可用于耐高溫紙、阻燃?jí)埖纳a(chǎn)，用于除臭紙、濾紙、高吸水性紙等的生產(chǎn)，以及鞭炮紙、香煙過濾紙、無碳復(fù)寫紙、保鮮紙、精密儀器包裝紙、絕緣紙、防腐包裝紙等的生產(chǎn)。以石膏做為“以礦代木”功能材料替代木纖維在造紙中的添加量可達(dá)30%-70%，能克服其他礦物纖維短、易碎裂、留著率低、硬度高等缺陷，可滿足高速紙機(jī)生產(chǎn)要求，在印刷書寫紙和造紙涂料中具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。且改性后的石膏與碳酸鈣相比，具有較高的強(qiáng)度、挺度、留著率和不透明度；用于涂料顏料，可提高紙張的挺度、白度，改善印刷適性。沸石可用作造紙?zhí)盍稀⒓垙埻繉觿?、漂白催化劑等。用沸石作造紙?zhí)盍峡梢杂行Ц纳萍垙埖馁|(zhì)量，使其具有白度高、孔隙度大、吸水性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。改性后的天然沸石，空隙率及表面活性有所提高，進(jìn)而使其吸附性能、離子交換性能及催化性能等得到改善[4]。利用蛭石膨脹后具有的蓬松、低密度、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、隔熱、隔音、耐火、耐冷、絕緣、吸水、抗菌、吸附、陽離子交換等特性，可制造多種功能性工業(yè)用紙、軍工用紙、裝飾紙等。

8.造紙用非金屬礦功能材料發(fā)展趨勢(shì)

非金屬礦物的填加不但可以降低造紙成本，還可有效改善紙張的性能，甚至使紙張具有一些新的功能。與傳統(tǒng)非金屬礦物粉體相比，改性非金屬礦粉體的粒徑、粒度分布、比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)、表面電性、表面能、晶格結(jié)構(gòu)與缺陷、官能團(tuán)等特性均有所改善，在造紙工業(yè)生產(chǎn)中顯示出優(yōu)越的性能，可以降低紙張生產(chǎn)成本，提高紙張的理化性能。近年來超細(xì)粉體加工和改性技術(shù)不斷開拓發(fā)展，非金屬礦物必將在造紙行業(yè)中擁有更廣闊的應(yīng)用前景。整體而言，隨著全球造紙用木材資源的日益匱乏，造紙?zhí)盍显絹碓绞艿饺藗兊闹匾?。造紙用非金屬礦功能材料發(fā)展重點(diǎn)在于：提高紙張中礦物原料的用量；擴(kuò)展礦物材料在非傳統(tǒng)涂布或未涂布印刷紙和包裝紙中的應(yīng)用；充分利用低品質(zhì)礦物原料；開發(fā)新的功能性非金屬礦物品種；發(fā)展和開發(fā)新的礦物加工技術(shù)，如顏料復(fù)合、化學(xué)提純、表面改性技術(shù)等，以提高其使用性能和功能特性，提高紙張質(zhì)量和滿足現(xiàn)代高技術(shù)用紙需要，獲得更好的性價(jià)比[9]。這對(duì)于推動(dòng)我國(guó)造紙產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和非金屬礦高效利用均有重要意義。

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作者：徐鵬金