劉金剛-教授——非金屬礦物填料在特種紙中的應(yīng)用及其技術(shù)要求

2018-07-10 中國粉體技術(shù)網(wǎng)

在造紙行業(yè)中應(yīng)用的非金屬礦產(chǎn)品主要為白色顏料，其在紙張中的應(yīng)用方式有兩種：紙漿內(nèi)的添加（填料）、紙面的處理（涂布顏料）。

在造紙行業(yè)中應(yīng)用的填料和顏料品種主要有滑石粉、輕鈣碳酸鈣、重質(zhì)碳酸鈣、高嶺土、鈦白粉、氫氧化鋁、二氧化硅、鋁硅酸鹽等。

1、造紙工業(yè)對填料的要求

填料的成本是一個首要考慮的問題，但這不等于填料的技術(shù)性能要求不重要。比較重要的性能有下述兒項(xiàng)：首先是白度，這是紙廠最看重的一項(xiàng)指標(biāo)，這與用戶對紙張白度要求很高有關(guān)，這也是為什么在堿性抄紙中碳酸鈣占統(tǒng)治地位的重要原因。

其次是粒徑及粒徑分布，過大的粒子容易從紙面脫落，而很小的粒子對紙張的強(qiáng)度有損害，且在紙中的保留率低和施膠劑用量大，通?；垡_(dá)到200目以上，碳酸鈣為325目以上。窄分布填料可以獲得更高的光散射系數(shù)，有利于改善紙張的光學(xué)性能尤其是不透明度。

粒子的大小也影響到填料的磨耗值，大的粒子磨耗值高，此外磨耗值還受到填料的組成和特性的影響。隨著紙機(jī)車速的提高，紙廠對濕部銅網(wǎng)或塑料網(wǎng)磨損越來越敏感，填料的磨耗值逐步受到重視。

另外，填料的比表面積、折射率、比重、粒子形狀、粒子表面電荷、化學(xué)惰性和雜質(zhì)含量等也是比較重要的性能。

2、造紙工業(yè)對涂布顏料的要求

涂布應(yīng)用顏料主要是為了改善紙張的印刷性能，因而涂布顏料品質(zhì)要求較高。

由于顏料必須配成涂料才能應(yīng)用，所以顏料的性能體現(xiàn)在兩個方面，即涂料性能和成紙性能，由此可確定對顏料的技術(shù)要求。當(dāng)然顏料的性能價格比也不可忽視。

重要的性能指標(biāo)有亮度、白度和色調(diào)，粒徑、粒徑分布和粒子形狀，孔隙率，比表面積，流變性，磨耗和篩余物（200和325目）等。

涂布顏料一般是以亮度和粒徑來劃分等級的。

3、某些重要性能指標(biāo)的正確理解

（1）亮度、白度和色調(diào)

通常所說的白度實(shí)際上是指亮度——一種藍(lán)光反射率，白度應(yīng)是一種顏色概念。一般地，書寫印刷紙都經(jīng)過了調(diào)色處理，目的是使視覺上更顯白，即白度更好。當(dāng)然亮度高的紙一般白度也較高。

造紙應(yīng)用的填料和顏料，一般要求有低的黃度，這有利于給紙張?jiān)霭?，也有利于紙張的調(diào)白。無機(jī)白色顏料中的某些雜質(zhì)如鈦和鐵的氧化物可使顏料顯淡黃或微紅色調(diào)，對白度有明顯的損害。有時為追求更好的白度，一般經(jīng)過進(jìn)一步的除雜，而使其顯藍(lán)白色調(diào)，進(jìn)口瓷土的商品名中，亮度值后的“BW”即表示這種處理。

（2）粉徑、粒徑分布和粒子形狀

細(xì)的粒子賦予成紙高的光澤、亮度和不透明度，但過細(xì)的粒子會損害涂層的光學(xué)性能和降低印刷光澤度，如小于0.25μm粒子含量過多時。粗的粒子有明顯降低光澤的趨勢，例如重質(zhì)碳酸鈣中存在大于5μm的粒子明顯降低涂層的光澤。

窄粒徑分布的顏料通過降低超細(xì)粒子的含量和產(chǎn)生較理想的涂層空隙結(jié)構(gòu)可獲得好的光學(xué)性能和印刷性能。在這里需要指出的是窄粒徑分布的顏料并不能適合所有的紙種。這種顏料雖然涂層性能突出，但其涂料流變性能明顯惡化，這種顏料對于需要改善覆蓋性的紙種如輕量涂布紙和某些紙板品種是非常有益的，而對于高速生產(chǎn)的涂布量高的銅版紙來說這種顏料的應(yīng)用受到了限制，因此人為規(guī)定超細(xì)粒子必須低于某一數(shù)值是不合理的，關(guān)鍵要看其體用途。

片狀的粒子給予原紙更好的蹬蓋，可使成紙有較好的印刷性能如均勻的油墨接受性和高的油墨保持性，這對輕量涂布紙和某些種類的涂布紙板是非常重要的。

不同形狀的粒子的組合可獲得疏松的涂層，有利于提高涂層的油半吸收性，例如瓷土和重質(zhì)碳酸鈣的組合，這也是這種組合最常見的主要原因。

（3）流變性

這是一個比較復(fù)雜的概念，可以簡單地理解為涂料遭受剪切力的作用時涂料的流動行為，以涂料的粘度隨剪切速率的變化來表征。大家知道粘度是剪切應(yīng)力與剪切速牢的比位，如果涂料粘度不隨剪切速率的變化而變化，則該涂料為牛頓型流體；反之則為非牛頓型流體。嚴(yán)格地說顏料涂料均為非牛頓流體。

流變性與涂料的涂布機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性密切相關(guān)，是涂料的一項(xiàng)極其重要的性能。剪切變稀——即粘度隨剪切速率的增加而降低的流動特性是實(shí)現(xiàn)良好的涂布運(yùn)轉(zhuǎn)性所需要的。剪切增稠一旦出現(xiàn)涂布運(yùn)轉(zhuǎn)性將開始惡化，刮刀涂布時，其主要表現(xiàn)是刮刀加載壓力加大、縱橫向涂布量分布不勻、刮刀上有涂料析出和刮刀痕出現(xiàn)等。

涂料的最大組分是顏料，它的流變行為對涂料性能有顯著影響。顏料泥漿的粘度有低剪切粘度和高剪切粘度之分。采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)側(cè)定的是低剪切粘度，而高剪切粘度是在更高的剪切速率下獲得的。

（4）磨耗

這是一項(xiàng)填料和顏料都非常重要的指標(biāo)、是指稀的顏料泥漿對銅網(wǎng)的磨損程度，以銅網(wǎng)被磨去的重量來表示，基本單位為mg。

原礦的雜質(zhì)、特性和粒子大小對磨耗有影響。如果原礦中含石英、云母等雜質(zhì)則磨耗大。如果加工過程中引入雜質(zhì)如研磨碳酸鈣時研磨介質(zhì)碎渣進(jìn)入成品中，也有同樣的影響。

實(shí)踐中可以看到這樣的例子，90級重質(zhì)碳酸鈣的磨耗值與65級重質(zhì)碳酸鈣相當(dāng)或更大。另外粒子越大.磨耗越高，如325目重質(zhì)碳酸鈣的磨耗值為20-30mg，而超細(xì)重質(zhì)碳酸鈣（小于2μm占90%）的磨耗僅為2-3mg。

歡迎2018年8月9-11日來江蘇盱眙，參加“2018年中國非金屬礦產(chǎn)業(yè)高峰論壇”，聽中國制漿造紙研究院劉金剛教授作“非金屬礦物填料在特種紙中的應(yīng)用及其技術(shù)要求”專題報告！

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劉金剛，教授級高級工程師，享受國務(wù)院政府津貼，碩士研究生導(dǎo)師，中國制漿造紙研究院涂布技術(shù)研發(fā)中心主任。從事科研工作三十年來，主要從事紙張涂布工藝技術(shù)、生物質(zhì)材料制備與應(yīng)用技術(shù)、白色礦物顏料加工與利用技術(shù)等方面的研究和開發(fā)工作。曾榮獲國家科技進(jìn)步獎二等獎、中國輕工業(yè)聯(lián)合會科技進(jìn)步獎二等獎及三等獎以及中國造紙學(xué)會青年科技獎、科技部“十一五”科技創(chuàng)新先進(jìn)個人。發(fā)表論文70余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利11項(xiàng).....