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非金属矿物在造纸行业中的应用现状与发展趋势

原标题:非金属矿物在造纸行业中的应用现状与发展趋势

前言

造纸是非金属矿粉体的重要应用领域。造纸过程中添加非金属矿物材料既可降低生产成本也可改善纸张性能,如增加纸张的白度、光泽度、平滑度、透气度、不透明度等。据统计,我国非金属矿产资源丰富,高达90余种,国内造纸工业中已用到的矿物大概有50余种。其中常用的主要有滑石、高岭土、硅灰石、重质碳酸钙、轻质碳酸钙、硅藻土、水镁石、海泡石、沸石、膨润土等 [1] 。

另一方面,传统造纸用非金属矿物粉体其自身具有一定的理化性状,能够满足一般造纸生产需求。但随着造纸工业的发展,对于非金属矿物粉体的质量和功能特性要求也不断提高。而且填料的加入也会对纸张的强度、施胶度、松厚度及挺度等指标造成一定负面影响,并增加白水循环体系中细小组分的含量,加剧纸浆流送管道的磨蚀,并造成印刷过程中易出现掉毛掉粉现象等。这需要对其进行改性,赋予粉体更多的物理化学性质。

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滑石在造纸行业中的应用

滑石是一种层状结构硅酸盐矿物,化学分子式为Mg3 [Si4 O10 ](OH)2 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粘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[2]

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高岭土在造纸行业中的应用

高岭土是指以高岭石族矿物为基本组成的软质粘土,化学式为Al4 (Si4 O10 )(OH)8 高岭土通常为致密块状、土状或角砾状,颜色呈白色,具有可塑性和黏结性、高耐火度和烧结度、良好的化学稳定性和绝缘性。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 [3] 。

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。据预测2020年全国造纸行业高岭土需求量约为255万t,其中国内产量约占65%左右。

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碳酸钙在造纸行业中的应用

造纸行业是碳酸钙的最大市场之一,随着造纸技术的发展,造纸工艺由酸性抄纸向中性、碱性抄纸转变,碳酸钙在造纸行业中的用量大大增加。碳酸钙作为纸张填料可以改善纸品的光学性能,改善纸张的平滑度,改善纸页的成形,改善制品的印刷适应性和书写适应性,且由于其成本远低于纸浆纤维,可以显著的降低生产成本。据市场调查公司Report Buyer的预测,2025年全球碳酸钙在造纸行业的应用将达到160亿美元以上。

造纸行业中用到的碳酸钙按加工制备方法分为两种:重质碳酸钙和轻质碳酸钙。重质碳酸钙填料主要用于除卷烟纸、过滤纸和特种低定量信息用纸外的印刷纸、广告用纸、办公用纸、书写纸等。轻质碳酸钙相较重质碳酸钙的质量更好,具有粒度细、白度高、价格低、起泡性低和印刷适应性好等优点,非常适合用做造纸填料,可以基本满足纸张印刷和光学性能要求 [4] 。

另一方面,过量添加重质碳酸钙也会造成纤维间结合的隔断,从而导致纸张强度、松厚度和挺度降低等损纸现象;轻质碳酸钙与纸浆纤维之间无结合力,致使其留着率很低。因此,无论重钙或轻钙,均需要改性以更好地应用于造纸行业。

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硅灰石在造纸行业中的应用

硅灰石是一种钙质偏硅酸盐矿物,化学式为CaSiO3 或Ca3 [Si3 O9 ],具有折射率高、白度高等特性。硅灰石分为α晶型和β晶型,α晶型通常为粒状和粉状;β晶型通常为纤维状和针状,长径比通常为20∶1,最高可达30∶1。β晶型纤维状硅灰石具有高白度、高电阻、高长径比、低吸油率、低介电常数、耐热、耐腐蚀等众多优良特性。

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 [5] 。

我国硅灰石的储量丰富,价格低廉,但应用水平整体不高。而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。

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膨润土在造纸行业中的应用

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,并且使用较大的填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[6]

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。目前,常用的膨润土改性方法主要有活化法和添加改性剂法,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。

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硅藻土在造纸行业中的应用

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,主要方法有常规法(擦洗法、焙烧和酸/碱洗法)、无机改性和有机改性。孟晓敏等通过对硅藻土表面改性得到了改性硅藻土复合材料。研究发现表面改性硅藻土的粒径变大,同时Zeta电位升高,这为扩大改性硅藻土的应用范围打下了良好的基础,将改性硅藻土复合材料用于造纸填料发现,可提高纸张抗张指数,改善造纸松厚度和撕裂指数,同时还可有效提高填料留着率,当改性硅藻土复合材料用量为45%时,留着率仍然可以超过75% [7] 。

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其他非金属矿物在造纸行业中的应用

与目前广泛用于造纸的传统填料碳酸钙、高岭土、滑石粉不同,纤维状凹凸棒石与植物纤维有较好的结合性。近年来,研究人员探究了凹凸棒石填充剂对纸品的影响。由于凹凸棒石具有高长径比及易水化特性,使其具有良好的纸品充填性能[8]

海泡石具有比表面积大、吸附能力强、耐高温、阻燃等特点,在造纸中添加适量的海泡石纤维,可以用来生产具有各种特殊性能的纸品。如可用于耐高温纸、阻燃墙纸的生产,用于除臭纸、滤纸、高吸水性纸等的生产,以及鞭炮纸、香烟过滤纸、无碳复写纸、保鲜纸、精密仪器包装纸、绝缘纸、防腐包装纸等的生产。

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。且改性后的石膏与碳酸钙相比,具有较高的强度、挺度、留着率和不透明度;用于涂料颜料,可提高纸张的挺度、白度,改善印刷适性。

沸石可用作造纸填料、纸张涂层剂、漂白催化剂等。用沸石作造纸填料可以有效改善纸张的质量,使其具有白度高、孔隙度大、吸水性强等优点。改性后的天然沸石,空隙率及表面活性有所提高,进而使其吸附性能、离子交换性能及催化性能等得到改善 [4]

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。

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造纸用非金属矿功能材料发展趋势

非金属矿物的填加不但可以降低造纸成本,还可有效改善纸张的性能,甚至使纸张具有一些新的功能。与传统非金属矿物粉体相比,改性非金属矿粉体的粒径、粒度分布、比表面积、孔隙结构、表面电性、表面能、晶格结构与缺陷、官能团等特性均有所改善,在造纸工业生产中显示出优越的性能,可以降低纸张生产成本,提高纸张的理化性能。近年来超细粉体加工和改性技术不断开拓发展,非金属矿物必将在造纸行业中拥有更广阔的应用前景。

整体而言,随着全球造纸用木材资源的日益匮乏,造纸填料越来越受到人们的重视。造纸用非金属矿功能材料发展重点在于:提高纸张中矿物原料的用量;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;充分利用低品质矿物原料;开发新的功能性非金属矿物品种;发展和开发新的矿物加工技术,如颜料复合、化学提纯、表面改性技术等,以提高其使用性能和功能特性,提高纸张质量和满足现代高技术用纸需要,获得更好的性价[9]。这对于推动我国造纸产业高质量发展和非金属矿高效利用均有重要意义。

参考资料:

[1]吕乐福等.几种非金属矿物在造纸行业中的应用进展[J].天津造纸,2019(01):7-11.

[2]宋宝祥.造纸用滑石的功能特性及其产品的研发方向[J].中国非金属矿工业导刊,2009(02):8-10.

[3]余丽秀等.造纸用功能性非金属矿物粉体材料品种及应用[J].化工矿物与加工,2008(12):31-33.

[4]李凯华等.非金属矿物在造纸行业中的应用进展[J].中国非金属矿工业导刊,2016(01):3-7.

[5]常建栋.硅灰石的改性及其在造纸工业中的应用[D].山东:青岛科技大学,2014.

[6]赵丽红等.膨润土的特点及其在造纸工业中的应用[J].中国造纸,2004:49-51.

[7]孟晓敏等.改性硅藻土复合材料制备及应用研究[J].造纸化学品,2016:38-40.

[8]吕国诚等.凹凸棒石的资源及应用研究进展[J].矿产保护与利用,2019(06):115-118.

[9]宋宝祥等.造纸非金属矿物粉体材料消费现状与发展趋势[J].中国非金属矿工业导刊,2007(01):10-14.

2020全国石英大会暨展览会

2020 National Quartz Congress & Exhibition

从2017年首届 “石英精细加工及应用技术交流会”举办,到2019年升级为“2019全国石英大会”,由中国粉体网举办的石英产业链专题大会已成功召开3届,汇聚了国内外众多从事石英矿产加工的企业参与,是石英行业特别受关注的行业会议。

随着疫情逐步得到控制,下半年生产秩序将逐步恢复,应行业专家及广大新老客户要求,“2020全国石英大会”定于2020年11月26-27日在安徽蚌埠南山豪生大酒店举办,大会组委会力争在规模和交流效果上实现更大的提升,更好地通过这个平台助推石英行业发展。

本次大会以“高效利用,高端突破”为主题,希望与行业同仁从原矿分析,市场定位,尾矿处理等多个方面,探讨石英矿石资源如何实现价值最大化,从前沿技术出发,探讨高纯石英、电子级硅微粉、球形硅微粉等高端产品的发展前景。大会热诚欢迎国内石英业界专家学者、企业代表、技术人员积极参会。

会务组

联系人:宋先生

Emailsong.chunxin@163.com

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