碳酸钙在涂布加工纸应用中的选择性.pdf

碳酸钙在涂布加工纸应用中的选择性 山东泉林纸业有限责任公司孙利军 前言 碳酸钙是地表上最常见的矿物 但并不是所有的碳酸钙在造纸行业都有利用价值 在上世纪6 0 年代初期欧洲率先应用碳酸钙作为造纸填料 数年后用于涂布加工纸 而北 美则在7 0 年代末期才以相同的作法 使碳酸钙先由填料再发展应用到涂布加工纸中 以发展的方向而言 欧洲最早使用碳酸钙 但是北美在使用碳酸钙上与欧洲发展方 向不同 皆因北美纸张的不透明度要求较高 针叶木长纤维所占比例甚高 而且较早发 展了卫星式轻质碳酸钙工厂 以至于今日在北美许多纸厂大量使用沉淀式的轻质碳酸钙 P C C 作为填料 而欧洲则成熟的发展应用了湿磨碳酸钙 N G C C 以其发展的时间 算 P C C 略早于N G C C 背景的不同大略说明其发展的走向 中国从8 0 年代起部分由酸 性抄纸改为中性抄纸 碳酸钙在造纸行业所占的比重逐步提高 由填料到涂布纸碳酸钙 的应用 中国也历经了干磨至湿磨的发展过程 目前轻质碳酸钙的应用所占比重也呈上 升趋势 两方面的研究均未曾中断 在整体发展上 如何因地制宜的根据地域性的条件 设定碳酸钙的使用 将是碳酸钙在各地区发展的重要指标 综合地说 碳酸钙在造纸工业 首先使用的填料级是由干磨式到轻质碳酸钙或湿磨碳 酸钙 涂布颜料也始终是从干磨碳酸钙到湿磨碳酸钙 轻质碳酸钙仍在研究当中 目前 全世界使用率还比较低 卢 Z 卢 卜一二 图1 近年造纸C a C O 消费走势 叠 G C C I O 0 O O O O O O O 8 7 6 5 4 3 2 1 图22 0 0 2 年主要矿物颜料消费比例 一 碳酸钙的基本性质 在涂布加工过程中 不论在预涂还足面涂 碳酸钙都被广泛的应用 由于涂布碳酸 钙都以湿磨碳酸钙为主 以下讨论范围主要以湿磨碳酸钙为主 用于造纸填料和涂料颜 料的高品质碳酸钙产品应具备以下性能 高白度 高纯度 高散射系数 高折射率 适宜的粒度分布 低磨耗值 稳定的P H 值 良好的化学稳定性 良好的着色性 较低的价格 对造纸生产操作性和纸张性能的改善应具有 良好的分散性和悬浮性 较高的填料保留率 提高纸张不透明度和涂层遮盖性 减少纸张压光光泽和不透明度损失 改善纸张油墨吸收性 改善纸张透气性和印刷干燥性 固着 低的粘度和良好的流变特性 与涂料具有良好的配伍性和粘度稳定性 国家8 8 年制定的 工业天然碳酸钙 标准 见表l 1 0 7 表1 工业天然碳酸钙 Z B G l2 0 0 9 8 8 指标 指 标名称 优等品 一等品合格品 碳酸钙 C a C O 干基计 含量 9 8 09 6 0 9 4 0 1 0 5 挥发物含量 0 20 3 0 4 盐酸不溶物含量 1 O 2 O4 O 水溶物含量 0 2O 3O 5 P H 值 8 1 08 1 08 1 1 锰含量 含量 O 0 2 铜 C u 含量 O 0 1 筛余物 符合供需双方协商确定的要求 表2 常用碳酸钙的物理性质 特性天然碳酸钙G C C沉淀碳酸钙P C C 比重2 7 1 2 7 2 9 3 自度 8 6 9 69 5 9 8 光散射系数m 2 k g 1 0 0 1 6 015 0 2 0 0 碳酸钙含量 9 7 9 99 8 一一9 9 8 盐酸不溶物 0 0 6 0 30 0 1 一一0 1 磨耗值m g 3 4 02 1 2 比表面积i l l 2 g 3 2 66 8 1 6 二 涂布碳酸钙的技术要求 一 涂布碳酸钙的级别 应用于涂布级的碳酸钙仍在积极的开发中 在现阶段的涂布碳酸钙可分为预涂级与 面涂级 当然也有针对光泽度或不透明度所开发的产品 一般来说碳酸钙的级别也是以2 pm 的粒径来做指标 1 预涂用涂布碳酸钙 二次甚至三次涂布在逐渐盛行 广义的说除了表层与空气直接接触的层面外 第一道 或内部的第二道都算预涂 预涂并不是直接显现的外观或功能 然而却可以给出面涂应用 的最适合条件 通常预涂所起的作用是增进平滑度 细腻度与微粗糙度 M i c r o r o u g h n e s s 细碳酸钙在预涂上有很好的效果 6 0 d 于21 tm 的级别是最常用的 2 面涂用碳酸钙 面涂是直接对纸张的应用性质 功能 x t 光泽度 平滑度 不透明度及印刷适性的 1 0 8 种种要求 产生作用的关键 一般成本较高 通常涂布碳酸钙都是微细粒径 9 0 以上 小于2l am 的粒径 甚至有9 8 1 0 0 都小于2l am 的产品 对于涂布碳酸钙而言 高固含 量是其较有利的应用条件 二 涂布碳酸钙的白度性质 白度是碳酸钙的优点之一 碳酸钙天然具有偏蓝色调 显白效果好 且易与增白剂 结合 以碳酸钙而言 不同的矿源 白度不同 由方解石 石灰石到大理石 碳酸钙白 度也由8 6 到9 6 而因为碳酸钙是天然矿石 内部夹杂者不纯物质 这种情形使同矿 源的碳酸钙在微细或超微粒级别中 白度都较低1 2 度 如下表 国内碳酸钙为高白度 型 相较之下硬度也较高 碳酸钙粒径与白度的关系 粒径 小于2l am 白度 3 29 4 6 2 9 5 9 0 9 3 9 8 9 2 三 涂布碳酸钙的粒径 碳酸钙的粒径主要由3 2 5 目筛余物 小于2l am 的比率 平均粒径 最大相对粒径 及粒径分布等指标组成 大都可在市场销售的产品说明书找到 通常3 2 5 目的筛余物在 检验上较方便 为一般的验收标准 通常面涂使用的涂布碳酸钙的筛余物要求在6 0 p p m 以下 愈低愈好 2l am 的比率则是产品级列的指标 已有9 8 甚至1 0 0 b 于2l am 的 产品 碳酸钙 N G C C 如为研磨1 0 0 的要求小于2l am 有其困难度 故生产成本也偏 高 平均粒径则需配合粒径分布来评断其优劣 单一表示的平均粒径可能有粗者过粗 细者过细的情形 前者影响品质 后者造成粘着剂与操作的困难 四 涂布碳酸钙的粘度 涂布级碳酸钙与水混成泥浆状 干磨碳酸钙在研磨完成后加水 湿磨碳酸钙则在研 磨中已加入水 沉淀型碳酸钙则在反应中加水 在反应后浓缩 脱水 研磨不论干湿方 式 其粘度变化情形较类似 可以7 5 7 8 的高浓度配制成泥浆状 沉淀碳酸钙则只能到 7 0 通常其保水较不易 静粘度下 碳酸钙粒子愈细 则粘度愈高 但在高剪力下 因结晶系的关系 高剪粘度都很低 由于这个原因 使碳酸钙大量应用于高速刮刀式涂 布机中 五 涂布碳酸钙的筛余物 目前T A P P I 规定的筛余物以3 2 5 目为标准 即大于4 5l am 才会留在筛网上 通常标 准要求在4 0 6 0 p p m 左右 但是优质的产品应在1 0 p p m 以下 因此在需求较高的日本 工厂用2 0 p p m 来测筛余物 在品质比较下更可以看出差异 涂布碳酸钙在理论上筛余物 10 9 应是零才对 但因矿中有杂质 加上研磨的碳酸钙 桶壁上干涸或延滞的情形 无可避 免 因此其测定值也稍有波动 对沉淀型碳酸钙而言 杂质 反应时间及反应槽壁上的 沉积也会造成筛余率的升高 无论如何 筛余物高对品质有极其负面的影响 六 涂布碳酸钙的p H 值 对照到分散剂使用上 p H 9 时在操作上也正恰好 沉淀型碳酸钙理论把碳酸钙置于 水中 通常p H 值会在7 到9 5 问 且碳酸钙解离形成缓冲溶液 其p H 也应在9 左右 但若反应不完全 则熟石灰 C a O H 2 可能是p H 达到1 2 会对其他不耐碱化学品造成伤 害 七 涂布碳酸钙的水分 涂布碳酸钙除干磨或需进口产品外 都是泥浆状 湿磨碳酸钙可能在7 0 7 8 的固含 量 即水分只占2 2 3 0 沉淀型碳酸钙则为7 0 的规格 3 0 水分 干粉碳酸钙较瓷土 疏水 通常水分含量在1 以下 八 涂布碳酸钙的分散 泥浆状涂布碳酸钙不论湿磨型或沉淀型 均已分散完全 但相对的可能针对单一成 分的控制沉降 或有些分散剂已经衰减 通常在配成涂料时要补充少量分散剂 使碳酸 钙与其它颜料混合时效果更好 相对的 粉体涂布碳酸钙则较不易分散 如喷雾干燥的 粉体碳酸钙需要高剪力与较高固含量分散 7 5 较瓷土更难分散 疏水性质与低表面 自由能是其难分散的原因 如只是干磨碳酸钙 则分散剂量要加的更多 只有完全的分 散才能保证涂布的正常操作与纸张的品质 九 涂布碳酸钙的流变性 泥浆状的碳酸钙有很好的流变性 因此能在较高的固形物下进行涂布作业 这也是 碳酸钙被用在涂布的最初原因之一 就以其斜方晶系 各轴等长的特性 有高剪力粘度 偏低的倾向 因此其单一或与组合颜料都足以改善涂料的流变性 十 磨耗值 磨耗值往往成为现代高速纸机和涂布设备的首要考虑因素 也是高品质C a C 0 3 的重 要指标 一般来说 车速大于5 0 0 米 分装备均对磨耗值有要求 并随车速的提高 磨耗 值要求也越严格 大于8 0 0 米 分车速通常磨耗值应采用高转速的菲尔康磨耗仪测定 一 般填料小于2 5 m g 涂料颜料不大于5m g 干法加工的G C C 同等粒径时的产品一般磨耗值高于湿法加工产品 标准细度的 G C C 因形态上有棱角 一般高于同等细度的P C C 现代湿磨G C C 生产技术已能控制超 细G C C 产品与P C C 有相近的磨耗度 三 结论 将碳酸钙在涂布加工纸中归纳使用的原因有 1 白度高且黄度低 带蓝色调 视觉效果佳 1 1 0 2 低的粘度和良好的流变特性 操作性良好 适合高速纸机的发展要求 3 与涂料具有良好的配伍性和粘度稳定性 4 节省能源