造紙第一顏填料——碳酸鈣

造紙是用木材、蘆葦、甘蔗渣、稻草、麥秸、棉秸、麻稈、棉花等原料制造紙漿并將紙漿制造成紙和紙板的制造業(yè)。造紙也是將紙漿打漿、施膠、加填等工藝處理，抄造成各種性能的紙張的一個(gè)復(fù)雜過程。

 

那造紙為什么要加填料？用量最大的填料碳酸鈣，在造紙中又有哪些作用？

 

每個(gè)造紙的人都有一些答案。例如，加入一定量的填料，可增加紙張內(nèi)部光散射界面的數(shù)量，即存在纖維與空氣間、填料與纖維間以及填料與空氣間三類不同的界面，在這三種界面中，填料與空氣間折射率的差值較大，從而提高不透明度。

 

當(dāng)然，加入填料還可以提高紙張的白度、均勻度，改善手感等，最重要的是紙中加過填料后，還可節(jié)約5%~30%的纖維，降低成本的作用十分顯著。

 

造紙第一顏填料——碳酸鈣

 

自推廣中性施膠技術(shù)以來，碳酸鈣就開始大量應(yīng)用于造紙行業(yè)中，一是作為造紙?zhí)盍?，二是作為涂布顏料。碳酸鈣來源豐富，價(jià)格便宜，其顆粒細(xì)，白度高，能顯著提高紙張不透明度，增加紙的吸墨性，使紙張比較柔軟、緊密，提升光澤度，對紙張的物理強(qiáng)度影響也較小。

 

1、作為填料

 

重鈣作為填料主要用于除卷煙紙、過濾紙和特種低定量信息用紙以外的印刷紙、書寫紙、辦公用紙和廣告用紙中。在實(shí)際應(yīng)用中，銅版紙用重鈣原料為325目，白度要求92以上，碳酸鈣含量大于98%；白板紙等用重鈣細(xì)度1250目以上，白度要求92以上，碳酸鈣含量98%。

 

填料級碳酸鈣的技術(shù)指標(biāo)要求（QB/T2811-2019造紙用碳酸鈣）

 

輕鈣作為造紙?zhí)盍显瓌t上可應(yīng)用于所有紙張中，目前主要作為高檔紙?zhí)盍鲜褂?。例如：卷煙紙、辦公室信息用紙(如傳真紙、儀器記錄紙、噴墨打印紙)、低定量新聞紙、低定量涂布紙等。

 

2、作為涂布顏料

 

重鈣作為顏料可用于底涂和面涂，目的是改善印刷產(chǎn)品的質(zhì)量和均勻性，而且涂布紙的很多特征也都取決于顏料的選擇。碳酸鈣白度高，流動性好，適宜配制高固含量涂料；對膠黏劑的需求量較低，可以改善涂層的油墨吸收性；能提供良好的白度和色調(diào)，提高透氣性；是使用最為普遍的涂布顏料之一。

 

 

涂布級碳酸鈣的技術(shù)指標(biāo)要求（QB/T2811-2019造紙用碳酸鈣）

中國化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T2811-2019規(guī)定了造紙用涂料顏料碳酸鈣的技術(shù)要求，其中：重鈣可以用于底涂和面涂，輕質(zhì)碳酸鈣用于面涂。主要質(zhì)量指標(biāo)有純度、D65亮度、pH值、鹽酸不溶物、黏度、吸油值和粒度分布等。重鈣具有比輕質(zhì)碳酸鈣更好的流動性并節(jié)約涂料中膠料的用量，適用于高固含量的造紙涂料及要求越來越多的高配比中使用。有研究指出，近年來，造紙涂布顏料多采用濕法碳酸鈣。品質(zhì)指標(biāo)方面，2微米以下的粒子占比為質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%的產(chǎn)品主要用于涂布的底涂；2微米以下粒子占比為質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%以上或100%的極微粒子產(chǎn)品能產(chǎn)生高光澤度，用于面涂。

 

輕質(zhì)碳酸鈣在造紙涂布顏料中的應(yīng)用主要是彌補(bǔ)高嶺土和重質(zhì)碳酸鈣的不足。一般用于低定量涂布原紙、高光澤涂布紙和亞光銅版紙。

 

 

輕質(zhì)碳酸鈣晶型對紙張性能的影響

3、造紙用碳酸鈣的選擇

 

重質(zhì)碳酸鈣和輕質(zhì)碳酸鈣作為造紙?zhí)盍细饔袃?yōu)勢，選用何種碳酸鈣，應(yīng)根據(jù)實(shí)際紙張生產(chǎn)工藝要求而定。

 

 

重質(zhì)碳酸鈣和輕質(zhì)碳酸鈣的性能比較

填料加入量主要由紙張品種、漿料種類、填料本身的性質(zhì)和紙機(jī)的抄造條件等因素決定。為了節(jié)約植物纖維，降低生產(chǎn)成本，應(yīng)在保證紙張抄造和使用要求的前提下適當(dāng)提高填料加入量。

 

 

主要紙種碳酸鈣填料加入量

碳酸鈣顏料在涂料顏料總量中的比例

4、造紙用碳酸鈣改性

 

盡管碳酸鈣是造紙工業(yè)的重要填料之一，但未經(jīng)改性處理的碳酸鈣與紙漿纖維的相容性和結(jié)合力差，留著率低，容易造成材料界面缺陷，降低紙張的機(jī)械強(qiáng)度。因此需要對碳酸鈣進(jìn)行改性處理，其改性方法主要有化學(xué)包覆改性和表面改性。

 

（1）化學(xué)包覆改性

 

在Ca(OH)₂-H₂O-CO₂體系中對重質(zhì)碳酸鈣進(jìn)行表面修飾，經(jīng)過納米包覆后，顆粒晶體解理面粗糙、棱角鈍化，改善了其分散性能，同時(shí)納米包覆GCC與纖維之間存在靜電引力，使得紙張纖維之間形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生較強(qiáng)作用力，進(jìn)而提高了加填紙張的抗張指數(shù)、填料留著率、耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐折度。

 

以陽離子化殼聚糖和羧甲基纖維素為改性劑，利用聚電解質(zhì)復(fù)合的原理對輕質(zhì)碳酸鈣PCC填料進(jìn)行處理，由于聚電解質(zhì)復(fù)合物沉積包覆在PCC表面，其顆粒粒徑明顯變大，顆粒分布集中，均勻性得到改善，比表面積也增加了1倍。相比未改性PCC，改性PCC表現(xiàn)出更好的留著性能，依靠機(jī)械截留和膠體吸附的共同作用，能夠以單一顆粒和絮聚體形式留著在纖維表面和纖維之間的孔隙中。

 

（2）表面改性

 

利用γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)對納米碳酸鈣進(jìn)行表面修飾，硅烷偶聯(lián)劑KH570經(jīng)過水解后生成硅羥基(Si—OH)，與納米碳酸鈣表面的羥基進(jìn)行縮合形成Ca—O—Si鍵，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定有效的化學(xué)接枝，改性后的納米碳酸鈣表面晶體的層間距變大，極性降低、表面能減小、親油性增強(qiáng)，分散性得到改善，涂布后，光學(xué)性能得到了提高，紙張的表面強(qiáng)度增大，疏水性能提高。

 

采用硬脂酸鈉對納米CaCO₃進(jìn)行有機(jī)化改性，通過紅外光譜分析可知，硬脂酸鈉能成功接枝于CaCO₃粉體表面，降低粉體表面能，減少顆粒間團(tuán)聚，提高粉體的分散性和與樹脂結(jié)合性能。改性后的納米CaCO₃與水性聚氨酯和甘油共混，冷卻后均勻涂布于紙張表面，結(jié)果表明涂布型防滑紙摩擦性能和力學(xué)性能均較佳，可用于制備運(yùn)輸包裝用防滑襯墊和防滑托盤。

 

 

常見改性劑的種類與用途

復(fù)配碳酸鈣

 

隨著造紙技術(shù)和粉體加工技術(shù)不斷進(jìn)步，利用不同礦物物理化學(xué)特性，相互取長補(bǔ)短，提高產(chǎn)品附加值和功能性已是一種顯著的趨勢。造紙中利用高嶺土、鈦白粉、葉臘石、白云石、伊利石、透閃石、滑石、硅灰石等，與碳酸鈣混配制造復(fù)合型產(chǎn)品的技術(shù)已經(jīng)頗為成熟，在具體配方中使用的比例和種類略有差異，原理大同小異。

 

結(jié)語

 

造紙行業(yè)對碳酸鈣填料的需求量大，市場認(rèn)可度高，是比較成熟的應(yīng)用領(lǐng)域。今后，造紙用碳酸鈣可以著重發(fā)展一些高純度、功能型（改性、特殊形貌、形貌規(guī)整）的產(chǎn)品，嘗試在中高端市場尋求突破。

 

參考文獻(xiàn)：

梁佳正，等：碳酸鈣在造紙行業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢，廣西大學(xué)

周春暉，著：《碳酸鈣清潔加工和產(chǎn)品鏈》，化學(xué)工業(yè)出版社

碳酸鈣的形貌控制及表面改性研究，趙麗娜，吉林大學(xué)

 

中國粉體網(wǎng)、中國制漿造紙研究院

輕鈣作為造紙?zhí)盍显瓌t上可應(yīng)用于所有紙張中，目前主要作為高檔紙?zhí)盍鲜褂?。例如：卷煙紙、辦公室信息用紙(如傳真紙、儀器記錄紙、噴墨打印紙)、低定量新聞紙、低定量涂布紙等。

 

2、作為涂布顏料

 

重鈣作為顏料可用于底涂和面涂，目的是改善印刷產(chǎn)品的質(zhì)量和均勻性，而且涂布紙的很多特征也都取決于顏料的選擇。碳酸鈣白度高，流動性好，適宜配制高固含量涂料；對膠黏劑的需求量較低，可以改善涂層的油墨吸收性；能提供良好的白度和色調(diào)，提高透氣性；是使用最為普遍的涂布顏料之一。

 

涂布級碳酸鈣的技術(shù)指標(biāo)要求（QB/T2811-2019造紙用碳酸鈣）