非金屬礦物在造紙行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
2021-06-29
造紙是非金屬礦粉體的重要應(yīng)用領(lǐng)域。造紙過(guò)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，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。
01、滑石
滑石是一種層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物，滑石的功能特性主要來(lái)自其結(jié)構(gòu)特征：親油疏水性和片狀結(jié)構(gòu)。滑石的化學(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?shù)脂（黏性物）控制劑和涂料顏料。滑石能使紙張光滑，加重、增強(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(yáng)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。
02、高嶺土
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?，其特性?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?lái)自于高嶺巖（土）焙燒脫水和脫有機(jī)質(zhì)過(guò)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。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(wàn)t，其中國(guó)內(nèi)產(chǎn)量約占65% 左右。
03、碳酸鈣
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。
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(guò)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(shū)寫(xiě)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。另一方面，過(guò)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(wú)結(jié)合力，致使其留著率很低。因此，無(wú)論重鈣或輕鈣，均需要改性以更好地應(yīng)用于造紙行業(yè)。
04、硅灰石
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)。纖維狀硅灰石具有很多傳統(tǒng)填料無(wú)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(guò)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。
05、膨潤(rùn)土
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。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。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。
06、硅藻土
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(wú)毒等工藝特性生產(chǎn)液體飲料、制糖、釀酒業(yè)用過(guò)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。
07、其他
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(lái)，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。
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(lái)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(guò)濾紙、無(wú)碳復(fù)寫(xiě)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(shū)寫(xiě)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?、紙張涂層劑、漂白催化劑等?br />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。
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(yáng)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。
08、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(lái)超細(xì)粉體加工和改性技術(shù)不斷開(kāi)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?lái)越受到人們的重視。
造紙用非金屬礦功能材料發(fā)展重點(diǎn)在于：（1）提高紙張中礦物原料的用量；（2）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；（3）充分利用低品質(zhì)礦物原料；（4）開(kāi)發(fā)新的功能性非金屬礦物品種；（5）發(fā)展和開(kāi)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。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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