我國滑石粉產量的50%
以上用于造紙業。主要用于造紙填料、樹脂吸附劑,少量用于造紙涂布顏料。
1 滑石粉結構及其特殊性質
滑石粉即水合硅酸鎂,其理論分子式為3MgO·
4SiO2·H2O。它具有層狀結構,共分三層,中間是一個八
面體的MgO層,上下均為四面體的硅石層[1];滑石粉的
兩個-OH基在里面,因此,其表面具有疏水性。這是滑
石粉具有不同于其他顏料特殊性質的原因。
滑石粉有其獨特的性質:層狀結構:滑石粉的層間
范德華力較弱使其在研磨時容易裂為薄層;疏水性(親
油性):即較低的表面能,有機物易吸附到它的層狀表
面上,在彩色紙的生產中,滑石粉的加入,減少了染料
的消耗,有效地節約成本,另外,它的表面親油性使其
可用作樹脂、膠黏劑控制劑和廢紙脫墨劑;柔軟性:使
涂層表面平滑、柔順,可減少涂層的斷裂,降低印刷壓
力等;較低的摩擦因數:可降低對設備(成形網、刮刀和
印刷機)的磨蝕,從而延長其使用壽命;化學惰性:不與
任何化學品反應,也不受其他任何助劑的影響,與其它
涂料組分有很好的兼容性,也意味著對pH值變化不
敏感,這種化學惰性也使其對環境有利。
2 滑石粉用作造紙填料
20世紀90年代初,滑石粉在造紙領域使用的主
要技術意義仍是填料,占全國滑石消費總量的60%左
右。
滑石粉白度高、密度大、折光指數高,作為造紙工
業的填料有其優點:化學性質穩定,不但適于在酸性條
件下抄紙,也可與碳酸鈣配合使用在中性條件下抄紙;
它的摩擦系數小(低于碳酸鈣),可以延長抄紙網的使
用壽命,也適于高車速紙機;它是片狀粒子,有利于在
紙頁中存留和改善紙張不透明度、平滑度和印刷適性;
表面具有親油性,可以吸附有機物,在作為填料的同
時,也收到了免除樹脂障礙的效果,在廢紙脫墨中有助
于油墨的脫除,這是高嶺土和碳酸鈣填料所不能比擬
的;可以與施膠劑結合良好而改善施膠劑留著,并能減
輕紙頁的吸收性,防止印刷油墨滲透紙頁。
20世紀90年代末,國內造紙工業由酸性造紙工
藝轉向中堿性抄紙,同時由于碳酸鈣質優價廉,使其逐
漸取代了滑石粉在填料市場中的主導地位。2002年
CaCO3總消費量124萬t,超過滑石粉,而滑石粉的市
場占有率由2001年的41.
3%下降到2005年的
23.5%。預計今后幾年仍會下降[2]。
3 滑石粉用作功能性材料
在造紙工業中,低、中檔滑石粉仍將作為重要的填
料使用,而高檔滑石粉由于其價格較高,主要作為功能
性材料使用。如:樹脂吸附劑、廢紙脫墨助劑等。這方
面美國消費量最多,其市場潛在需求量很大。
滑石粉的主要成分是MgO·SiO2,滑石粉特殊的
層狀晶體結構使得其表面具有疏水親油性。此外,滑
石粉除了和水、甘油、甲酸、苯胺等表面張力較大的物
質有接觸角外,與其他大部分物質的接觸角在任何方向都是0,因而易吸附有機物。
滑石粉在樹脂控制方面的應用始于20世紀60年
代。目前,滑石粉用于樹脂和膠粘物的控制已遍及全
世界。每年30萬t以上是消耗在這一用途上,這一用
量還在增加。其原理是:滑石粉表面具有親油性,能夠
吸附樹脂,把它加入到漿液中就能使新游離的尚未聚
集的薄膜狀樹脂吸附到它扁平形的表面上,降低樹脂
表觀能量,使樹脂失去其特有的黏性,從而抑制樹脂的
粘附、聚結和沉積。
滑石粉的純度、粒度以及濃度與控制樹脂沉積有
很大的關系。純度越高,越易發生層狀剝離,親油性表
面越多,效果就越好。粒度越小,比表面越大,表面能
也越大,其吸附能力就越大。濃度增加,則滑石粉吸附
樹脂的量呈直線增加。一般來講,用于控制樹脂沉積
的微細滑石粉(細度不低于800目的高品質滑石),呈
片狀薄層結構,其吸附樹脂效率高達90%以上。
滑石粉在廢紙脫墨中的作用機理是當廢紙進行脫
墨處理時,可以使用滑石粉吸附油墨和其它有機物質。
滑石粉在浮選脫墨過程中,能聚集在泡沫和油墨的周
圍,然后通過篩選和凈化,使油墨和有機物質同滑石粉
一起從纖維中分離出去。
4 滑石粉用作涂布顏料
在造紙工業中使用滑石粉已經有很長的歷史,20
世紀初滑石粉首次被用作填料。隨著造紙工業技術的
發展,1982年滑石粉在芬蘭和法國被作為涂布顏料引
入工業試用。此后,滑石粉就作為配料應用于凹印
LWC紙、涂布不含機械木漿紙(無光和亞光涂布紙)和
特種涂布紙(壁紙和標簽紙)中。
由圖2和圖3可見,高嶺土和滑石粉顆粒為片狀。
片狀顏料可賦予涂層良好的纖維覆蓋率和較高的平滑
度;由于其顏料粒子在涂層中有序的排列,涂層結構密
實,從而可提高印刷光澤度、降低涂層透氣度。
由于滑石具有較大的形態比及其特殊性,國外有
關研究表明,高質量的滑石加工品可以大比例或全部
代替水選高嶺土用于涂料顏料,生產中、高檔涂布紙。
4.1 滑石粉用作涂布顏料的主要優勢[3]
滑石粉可提高涂布紙白度、不透明度、平滑度和印
刷光澤度,賦予紙張較高的吸墨性。
作為高形態比的涂布顏料,滑石粉具有卓越的纖
維覆蓋能力及很好的印刷效果,也可改善凹版印刷質
量。
與高嶺土混合使用,可改變涂料流變性,呈剪切稀
化的假塑性流動。能配制高固形物含量的涂料,該涂
料能具有良好的流變性和穩定性。
滑石粉顆粒具有質軟、多層和較低摩擦系數的特
性,從而降低摩擦作用和提高耐磨蝕性,它能改善無光
澤涂布紙的油墨磨損問題(在印刷品的加工過程中,紙
張自重和紙張間的相互摩擦會使表面上產生應力作
用,從而會磨蝕印刷品的表面油墨層),從而提高印刷
品質量;滑石的低摩擦因數使紙層間更易滑動而減少
紙芯的斷裂,保證了凹印紙卷有好的卷繞質量,也可改
善印刷機運行性能。
滑石粉具有特殊的潤滑性,由其制成的涂布紙在
壓光機上可獲得高整飾度并可減少涂料中潤滑劑的使
用量。
硬度低,磨耗較小,有利于刮刀涂布。
4.2 滑石粉的主要缺點
滑石粉由于其疏水性,在制備涂料時很難潤濕和
分散,制成的涂料也呈剪切膨脹性。
滑石粉在膠版印刷涂布紙中的應用容易引起油墨
堆聚和紙張掉毛、掉粉。
4.3 滑石粉在國內用作涂布顏料沒有普及的間接原因
國內凹版印刷還未普及。
九十年代以來,滑石的開發利用主要以粗加工生
產為主,少數企業從事超細粉加工,表面修飾與改性復
合深加工則基本上仍未起步,總體加工技術落后[4]。
因此涂布級滑石粉質量較差。
近年,由于滑石粉應用領域的擴展,導致高品位滑
石價格的不斷上漲。
國內優質高嶺土資源較少,而且大部分是棒形(不
適于涂布),涂布用片狀高嶺土大部分是從國外進口,
價格較高;而國內滑石粉資源豐富,雖然滑石粉和高嶺
土在各自使用的難易和效果上有差別,但它們的用途
基本上是可以互替的,如果用國產的滑石粉部分代替
進口的高嶺土生產涂布紙,既能節約資源,又能滿足涂
布印刷紙性能的不同需求。
5 滑石粉在造紙工業中的發展趨勢
滑石自身特有的性能決定了它在造紙領域的特有
地位。
從今后造紙用途的前景分析,低檔滑石粉仍將作
為重要的填料使用,而高品質滑石粉則將發揮其應有
的功能特性,最具經濟和技術價值的用途是在特種紙、
樹脂和膠黏劑吸附劑以及造紙涂料顏料中應用。
改性滑石粉的應用:對滑石粉進行表面處理,使其
陽離子化,可提高其吸附性,如可更好地吸附造紙過程
中產生的陰離子垃圾等。
高含鈣量滑石的開發應用:白度95%以上,可用
于SC紙、新聞紙和造紙涂料。有關資料表明,用于填
料時比單一使用GCC有更為理想的不透明度、白度和
填料保留率,亦可減少陰離子沉積物。也可用于造紙
涂料,提高紙頁涂層白度、平滑度、印刷適性和涂料的
保水性。
黑滑石的開發研究:經煅燒超細后,白度可達到
94%以上,改變了其原有的疏水性,使顏料具有更好的
配伍性?？捎糜谠旒執盍虾屯苛?代替部分TiO2和
煅燒高嶺土。
