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技術文摘

造紙用功能性非金屬礦物粉體材料品種及應用

2019-11-25 來源:外部媒體

  非金屬礦物粉體材料是指非金屬礦物經機械磨剝、改性或化學再加工處理后的粉體或未干燥的漿體狀填料或涂覆性材料。根據其在造紙中的作用,分為普通非金屬礦物粉體材料(填料)和功能性非金屬礦物粉體材料(涂料、增強、印刷紙輔料、絮凝助濾料等)。由于造紙用功能性非金屬礦物粉體材料具有獨特功效,因此其研究和開發利用受到造紙和非金屬礦加工業的雙重關注。

  造紙是非金屬礦物粉體材料的重要應用領域,目前已有80余種非金屬礦物粉體材料在世界造紙業中應用,中國應用的有50余種。其中碳酸鈣、滑石、高嶺土等主要非金屬礦粉體材料品種已成為現代造紙業不可缺少的重要原料和功能材料;石膏、硅灰石、膨潤土、沸石、海泡石等是新型的造紙用功能材料。2005年中國機制紙和紙板凸產量達到5600萬t,其中非金屬礦物粉體材料消費量超過443萬to預計到2010年,中國紙張產量將達到7500萬t,非金屬礦物粉體材料消費將超過660萬t。

  功能性非金屬礦物粉體材料概述

  1.1 功能性非金屬礦物粉體材料的定義

  區別于普通造紙填料用非金屬礦物粉體材料,使用后能滿足造紙生產過程要求并能使紙制品達到特殊效能的粉體材料稱為造紙用功能性非金屬礦物粉體材料。從粉體形狀上分,功能性非金屬礦物粉體材料又分為球狀(長徑/短徑:1一3)、纖維狀(長徑/短徑5~100)、層狀(長徑/短徑同時為:1一3和10一50)。

  1.2 功能性非金屬礦物粉體材料加工

  根據加工工藝不同分為機械磨剝、改性(有機或無機改性)、化學合成礦物粉體材料;根據材料屬性又有天然和人造(合成)之分。機械磨剝功能性非金屬礦物粉體材料主要借助于其晶體分子結構的不同而突出其特有的物理化學性能,能滿足不同紙張的應用要求。改性功能性非金屬礦物粉體材料制備是通過對礦物表面施以有機包覆、交聯或對層狀結構礦物進行插層處理,以改善或提高天然非金屬礦物的某些性能,如通過引發劑或偶聯劑將納米或亞納米級高性能無機材料包裹或復合在廉價的礦物粉體表面,從而賦予被改性礦物粉體更好的活性、比表面積和孔隙結構。人造(合成)功能性非金屬礦物粉體材料是以天然非金屬礦物為原料,經化學或物理加工過程得到同天然非金屬礦物結構相似,但純度更高、性能更優的合成功能性非金屬礦物粉體材料,常見的有輕質碳酸鈣、鈦白粉、硅酸鈣、硅酸鋁、氫氧化鎂等。 

  1.3 功能性非金屬礦物粉體材料在造紙生產中的作用

  在造紙生產中的作用表現在以下方面:a.改善紙張性能一一利用不同礦物的結構和特性滿足不同用途紙張性能的要求;b.降低紙張生產成本一一利用天然礦物低廉的特性高比例替代天然纖維;c.資源保護需要一一用非金屬礦物粉體材料減少天然纖維用量,減緩對森林資源的過度開采等。

  2.造紙用功能性非金屬礦物粉體材料主要品種及特性

  國內造紙目前用到的功能性非金屬礦材料主要有20余種,年消費量約10萬t,但由于其顯著的功能特性,近年來消費量增長較快,研究和應用日益受到造紙業和非金屬礦加工業的關注。涉及的品種按作用可歸類為:提高光澤和印刷性能的涂布材料一一煅燒高嶺土、滑石、石膏等;提高強度的材料一一石膏、硅灰石、海泡石等;具有助留助濾或無碳復寫功能的材料一·膨潤土、凹凸棒石、海泡石、沸石、硅藻土、麥飯石、珍珠巖等;具有隔熱(隔音、絕緣、輻射、阻燃等)功能的材料蛭石、石墨、海泡石、水鎂石、珍珠巖等。不同品種的功能可以交叉和重疊,目前在造紙業開發力度較大的功能性非金屬礦物粉體主要有以下品種。

  2.1 煅燒高嶺土

  煅燒高嶺土也稱脫水高嶺土。國內生產企業主要集中在山西、內蒙、安徽、河南等省區,產品選用高品質的煤系高嶺巖(煤矸石)經煅燒加工而成,近年國內南方一些企業也利用高品質剝片水選高嶺土生產煅燒高嶺土。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,根據燒成溫度的不同可分為不完全煅燒高嶺土(600一800 ℃)和完全煅燒高嶺土(950、1050 ℃)。前者多用于造紙填料,后者多用于造紙涂布材料。其功能性主要來自于高嶺巖(土)焙燒脫水和脫有機質過程,焙燒后結構的多孔性可改善紙張的松厚度、不透明度、吸收油墨性等。我國煤系煅燒高嶺土用原料多為硬質塊狀體,生產分為“先磨后燒"和“先燒后磨"工藝,不同生產工藝產品其應用特性不同。據有關資料統計田,2005年國內造紙煅燒土消費量2,3萬t ,主要用于紙板和印刷紙涂布涂料;少量填料級產品用于低克重新聞紙、印刷紙和農業用紙等。近年來由于受低價格pcc(輕質碳酸鈣)和水洗高嶺土的沖擊,煅燒高嶺土在造紙涂料領域的消費增長比預期的緩慢,但由于其高品質的特性,今后應還有較大的發展空間,預計2010年消費量將達6 萬t左右。

  隨著對煅燒高嶺土特性研究的深人,近年來在造紙業開發出的新用途主要有:

  a.用于熱敏記錄紙,作為A組分涂料顏料組分能吸附熱敏顯色劑、無色染料和增感劑在發色時產生的渣粕,提高熱記錄頭的記錄適應性、質量、顯色相穩定性。

  b.用于涂布涂料可提高涂料保水性和懸浮性。

  c.由于煅燒高嶺土對紅外線有一定阻隔和抗菌作用,用于地膜紙填料時可保持溫度,用于育果袋紙能使果實外觀顏色鮮艷,有助于抗菌、保鮮等。

  目前國產涂布級煤系煅燒高嶺土產品生產還存在一些問題:a.孔積率較低,涂層遮蓋性稍差;b.磨耗值較高,一定程度限制了在高速設備上的使用;c.受煅燒工藝控制的影響,產品光老化白度和分散后白度波動較大;d.產品成本還有一定的改進空間等。

  2.2 滑石

  滑石是傳統的造紙用填料,現也用于涂布涂料,起功能性作用。在造紙中做功能性材料使用時可控制漿料和白水中有害陰離子溶解物和膠體物(D),成本優于煅燒高嶺土、膨潤土、硅藻土、沸石等,而滑石對DCS的吸附主要來自其粒子化學結構的特性而非表面的孔隙結構。滑石用于造紙填料和涂料有利于提高紙張涂層平滑度和潤滑性,減少潤滑劑用量及對平板紙張的粘連,改善壓光整飾過程的運轉性等。

  滑石用于DCS控制能與抄造生產環境相容,不受酸堿度、溫度及剪切力變化的影響。國內用于DCS控制劑使用的滑石消費量約1巧萬t/a,其中約45%進口。隨著高速紙機和白水全封閉工藝的應用以及更多的使用廢紙和化學機械漿原料,其消費量將進一步增長,預測2010年消費量將達到3萬、4萬t。

  2.3 膨潤土

  我國膨潤土儲量位居世界第2位,膨潤土的特殊層狀結構使其在工業上有多種用途,可作為粘結劑、吸附劑、吸收劑、填充劑、催化劑、蝕變劑、絮凝劑、洗滌劑、增稠劑、懸浮劑,幾乎用于所有的工業領域,又被稱為“萬能之土"。

  膨潤土在造紙業的應用近年來得到較大的發展,主要應用領域有:微助留助濾劑、無碳復寫紙及熱敏記錄紙、噴墨打印紙、紙張填料、涂布涂料、施膠劑、黑液處理劑、水凈化劑等、年消費量 1.0萬、1.2萬t,其中用于微助留助濾劑和無碳復寫紙的酸性(活性)白土年進口量約2500 t。

  2.4 沸石

  目前造紙用沸石主要為斜發沸石、絲光沸石、菱沸石和片沸石,因其特有的高孔隙度、吸附性、離子交換性、抗菌性、特殊光澤性(玻璃光澤、絲絹光澤、珍珠光澤)等用于造紙填料、特種涂布涂料和水處理劑等,具體應用在以下方面·

  a.印刷紙填料能賦予紙張較高覆蓋性和不透明度,同時由于沸石化學穩定性好、對漿料系統干擾小,適于酸性或堿性造紙,但用于高速紙機填料時因磨耗值較大受一定局限。

  b.水凈化劑、脫色劑、助留助濾劑等。

  c.廢紙浮選脫墨劑和樹脂控制劑能提高紙張白度和改善浮選后白水質量,用于機械漿和涂布配比較高的系統有助于凈化白水、降低陰離子沉積物含量。

  d.紙漿漂白催化劑可縮短漂白時間、降低漂白溫度和漂白劑用量,并有吸附氯氣作用,可減輕對空氣的污染。

  e.特種紙涂覆顏料。將微細斜發沸石和絲光沸石與有機涂料、膠料混配涂料涂覆于紙張,其涂層具有耐光、耐熱、抗菌和著色性好的特點,與膠體硅顏料混配可制備噴墨打印紙涂料。

  f.特種生活用紙添加劑。沸石可作為有機香精、殺菌劑、除臭劑、保濕劑、阻燃劑載體,將改性后的沸石加人紙漿系統可制造各種具有特殊功能的系列紙制品。

  g.無機或合成纖維改性劑。將沸石粉體與生物膠或粘膠纖維在一定溫度下干法混合制得沸石改性劑,用干法或濕法工藝可制成無紡布或無機紙張,能用于特種包裝、工業濾材、保溫隔熱材料等。

  2.5 硅灰石

  硅灰石是性能獨特的纖維狀礦物,我國儲量約占世界的40%,有天然和合成之分團,加工后長徑比可達巧一60。經改性后的硅灰石增加了柔性和親水性,能提高與植物纖維的親合力及成紙的強度,在同等紙張強度下改性硅灰石填加量比同等細度滑石和GCC(重質碳酸鈣)可增加0.3 、1.0倍,并能顯著降低漿耗。改性硅灰石適用于酸性和堿性造紙,但因自身碩度較大、磨耗值高,在高速紙機中使用受到一定限制。

  硅灰石代替石棉纖維可生產絕緣和包裝用耐熱紙板和無機過濾紙;酸和有機改性處理的高白度硅灰石粉可用于膠印紙、書寫紙、復印紙、白板紙;天然研磨硅灰石粉可用于生產普通書寫紙和凸版印刷紙等。近年來造紙用功能硅灰石年消費量在1萬t左右,并有繼續擴大趨勢。

  2.6 石膏

  我國石膏儲量豐富、資源分布廣泛,傳統造紙業主要用于制造浸漬石膏紙板等。近年來由于石膏化學合成和礦物轉化技術的發展,利用電廠脫硫石膏、磷石膏、天然石膏及陶瓷行業廢石膏模等可制成長/徑比20一100的石膏纖維產品。石膏纖維細分為石膏短纖維(長度0.30 m)、中長纖維(長度0.2一3.0mm)、長纖維(亦稱石膏絨,長度> 3.0 (mm)產品,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 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,可滿足高速紙機生產要求,在印刷書寫紙和造紙涂料中具有廣闊的應用市場。同時,改性生石膏用于造紙填料同滑石、CaCO3比可提高填料保留率、成紙強度、挺度及不透明度;將改性硬石膏用于涂料顏料可提高紙張挺度、白度,改善印刷性能。

  2.7 蛭石

  利用蛭石膨脹后具有的蓬松、低密度、化學性質穩定、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用紙、軍工用紙、裝飾紙等。主要應用領域及紙種有:美術工藝包裝紙、書皮紙、裝飾紙、農業育苗紙、冷凍食品保鮮包裝紙、軍工用紙、動物襯墊紙、高級環保壁紙、減震襯墊紙板、建筑裝飾紙板等,同時還可用于水處理劑(凝結沉淀劑和凈化劑)等。

  2.8 海泡石

  海泡石具有極強的吸附性、耐高溫(1500一 1700 ℃)性,良好的分散、抗腐蝕、抗輻射、隔熱、絕緣等性能,在造紙中用于液體過濾紙、除臭紙、香煙過濾咀紙、美容化妝紙、衛生巾紙、尿片紙、清潔紙、醫療用紙、耐高溫隔熱紙、鞭炮紙、阻燃紙、工業密封墊板紙、保鮮紙、農業育苗紙、寵物墊紙、干燥劑包裝紙、精密儀器包裝紙、絕緣紙、抗氧化防腐包裝紙、耐酸堿無機過濾紙等。

  2.9 凹凸棒石

  凹凸棒石又名坡縷石或坡縷縞石,是一種層鏈狀結構的含水富鎂鋁硅酸鹽粘土礦物。凹凸棒石在造紙工業的研究和應用主要有:微助留助濾劑;紙張填料可減少白水中DCS含量;改性和提高產品白度技術研究;脫色劑和吸附劑降低廢水中懸浮物和膠體量研究;堿法草漿黑液處理,其沉渣可配燒制陶瓷、內燃磚和多孔保溫材料;阻燃紙填料;陶瓷紙配料;無機過濾紙填充劑等。

  2.10 硅藻土

  國內造紙業主要利用其大孔隙度、強吸附、小容重、隔熱、吸音、化學穩定、無毒等工藝特性生產液體飲料、制糖、釀酒業用過濾紙和紙板,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;經有機改性后還可用于微助留助濾劑等。

  2.11 其他

  水鎂石一一高純度水鎂石是良好的天然阻燃劑,可用于阻燃紙、耐溫隔熱紙等。

  石墨一一一可用于阻燃紙、耐高溫紙、工業濾紙、育果紙、導電紙、工業包裝紙、密封墊紙、絕緣紙、防輻射紙等。

  麥飯石一一、醫藥食品包裝紙填料、紙餐具、液體飲料過濾材料、生物培養紙等。

  泥炭一一一育苗紙制品、多孔陶瓷紙填充劑、殺蟲紙填料等。

  珍珠巖一保溫、隔熱、吸音、防火、防凍、防輻射建筑裝飾紙板填充劑,也用于壁紙、液體飲料及釀酒紙板、育苗紙制容器、工業濾紙等。

  埃洛石一一可用于固含量< 58%涂布紙涂料,另外因其磨耗值低,因而可用于高速紙機等。

 

  造紙用功能性非金屬礦物粉體材料發展趨勢 

  a.提高紙張中礦物原料的用量;

  b.擴展礦物材料在非傳統涂布或未涂布印刷紙和包裝紙中的應用;

  c.充分利用低品質礦物原料;

  d.開發新的功能性非金屬礦物品種;

  e.開發新的粉體復合、化學提純、表面或層間及孔道改性等礦物加工技術等。

  隨著非金屬礦資源開發和精加工技術的進步,價格便宜、物理和化學性能獨特的功能性非金屬礦粉體材料在造紙領域的應用將有較大的發展,是造紙業不可忽視的一個重要研究方向。

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龍源石膏創立于1992年,是一家集石膏開采、硫酸鈣粉體研發、生產、銷售、出口為一體的大型石膏產業化龍頭企業,已形成年產石膏原礦兩百多萬噸、石膏粉和超細硫酸鈣粉體百萬噸的生產加工能力,具備百萬平米石膏砌塊和石膏模盒生產能力,產品廣泛應用于建材、模具、食品、醫藥、橡膠、塑料、涂料等行業。

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