造紙行業非金屬礦物應用現狀與發展

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【摘要】造紙是非金屬礦粉體的重要應用領域。目前常用的非金屬礦粉體主要有滑石、高嶺土、硅灰石、重質碳酸鈣、輕質碳酸鈣、硅藻土、水鎂石、海泡石、沸石、膨潤土等。本文重點分析了高嶺土、滑石等幾大常用造紙填料的應用現狀，并簡要概括了非金屬礦物在造紙行業中的發展趨勢。

【關鍵詞】非金屬礦；造紙；應用

造紙是非金屬礦粉體的重要應用領域。造紙過程中添加非金屬礦物材料既可降低生產成本也可改善紙張性能，如增加紙張的白度、光澤度、平滑度、透氣度、不透明度等。據統計，我國非金屬礦產資源豐富，高達90余種，國內造紙工業中已用到的礦物大概有50余種。其中常用的非金屬礦粉體主要有滑石、高嶺土、硅灰石、重質碳酸鈣、輕質碳酸鈣、硅藻土、水鎂石、海泡石、沸石、膨潤土等[1]。另一方面，傳統造紙用非金屬礦物粉體其自身具有一定的理化性狀，能夠滿足一般造紙生產需求。但隨著造紙工業的發展，對于非金屬礦物粉體的質量和功能特性要求也不斷提高。而且填料的加入也會對紙張的強度、施膠度、松厚度及挺度等指標造成一定負面影響，并增加白水循環體系中細小組分的含量，加劇紙漿流送管道的磨蝕，并造成印刷過程中易出現掉毛掉粉現象等。這需要對其進行改性，賦予粉體更多的物理化學性質。

1.滑石在造紙行業中的應用

滑石是一種層狀結構硅酸鹽礦物，化學分子式為Mg3[Si4O10](OH)2。滑石的功能特性主要來自其結構特征：親油疏水性和片狀結構。滑石的化學穩定性、低硬度、潤滑性、層片狀結構、親油性、疏水性等結構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，滑石粉產量的50%以上用于造紙業。主要用于造紙填料，少量用于造紙樹脂（黏性物）控制劑和涂料顏料。滑石能使紙張光滑，加重、增強對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品。低檔滑石及其復配加工產品，將主要用于普通造紙填料；中檔滑石主要用于高質量要求的功能性造紙填料和底涂涂料；高品質滑石主要用于更能體現其功能特性的粘性物控制劑產品和涂料級產品。而且經超細加工后，滑石粉具有良好的吸附性和覆蓋性。目前，可應用于造紙行業中的新型滑石產品主要有陽離子改性滑石、固體石蠟及AKD改性滑石、黑滑石、鎂鋁水滑石等[2]。

2.高嶺土在造紙行業中的應用

高嶺土是指以高嶺石族礦物為基本組成的軟質粘土，化學式為Al4(Si4O10)(OH)8。高嶺土通常為致密塊狀、土狀或角礫狀，顏色呈白色，具有可塑性和黏結性、高耐火度和燒結度、良好的化學穩定性和絕緣性。高嶺土在造紙工業中主要應用于造紙填料和表面涂布的顏料，其特性對造紙生產可操作性及成紙質量有很大影響。根據加工方法和產品特性的不同，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℃）。前者多用于造紙填料，后者多用于造紙涂布材料。其功能性主要來自于高嶺巖（土）焙燒脫水和脫有機質過程，焙燒后結構的多孔性可改善紙張的松厚度、不透明度、吸收油墨性等[3]。高嶺土是目前造紙行業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。據預測2020年全國造紙行業高嶺土需求量約為255萬t，其中國內產量約占65%左右。

3.碳酸鈣在造紙行業中的應用

造紙行業是碳酸鈣的最大市場之一，隨著造紙技術的發展，造紙工藝由酸性抄紙向中性、堿性抄紙轉變，碳酸鈣在造紙行業中的用量大大增加。碳酸鈣作為紙張填料可以改善紙品的光學性能，改善紙張的平滑度，改善紙頁的成形，改善制品的印刷適應性和書寫適應性，且由于其成本遠低于紙漿纖維，可以顯著的降低生產成本。據市場調查公司ReportBuyer的預測，2025年全球碳酸鈣在造紙行業的應用將達到160億美元以上。造紙行業中用到的碳酸鈣按加工制備方法分為兩種：重質碳酸鈣和輕質碳酸鈣。重質碳酸鈣填料主要用于除卷煙紙、過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、書寫紙等。輕質碳酸鈣相較重質碳酸鈣的質量更好，具有粒度細、白度高、價格低、起泡性低和印刷適應性好等優點，非常適合用做造紙填料，可以基本滿足紙張印刷和光學性能要求[4]。另一方面，過量添加重質碳酸鈣也會造成纖維間結合的隔斷，從而導致紙張強度、松厚度和挺度降低等損紙現象；輕質碳酸鈣與紙漿纖維之間無結合力，致使其留著率很低。因此，無論重鈣或輕鈣，均需要改性以更好地應用于造紙行業。

4.硅灰石在造紙行業中的應用

硅灰石是一種鈣質偏硅酸鹽礦物，化學式為CaSiO3或Ca3[Si3O9]，具有折射率高、白度高等特性。硅灰石分為α晶型和β晶型，α晶型通常為粒狀和粉狀；β晶型通常為纖維狀和針狀，長徑比通常為20∶1，最高可達30∶1。β晶型纖維狀硅灰石具有高白度、高電阻、高長徑比、低吸油率、低介電常數、耐熱、耐腐蝕等眾多優良特性。硅灰石不同于傳統的填料，它加填于紙張中并不是簡單的填充，而是憑借其高長徑比與植物纖維交織在一起，構成“植物纖維-礦物纖維”網狀結構，從而部分替代植物短纖維。硅灰石用于造紙，同時具有提高紙張不透明度、降低生產成本、改善勻度、提高印刷適性等優勢[5]。我國硅灰石的儲量豐富，價格低廉，但應用水平整體不高。而纖維狀硅灰石具有很多傳統填料無法取代的特殊性能，適合于替代傳統填料應用于文化用紙以及一些特種紙、高檔紙。而通過化學改性技術降低產品磨耗度，提高纖維的柔軟性，以及如何在保持纖維長度前提下使纖維束得以充分解離的加工技術是當前硅灰石加工的重要研究領域。

5.膨潤土在造紙行業中的應用

膨潤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使它以多種用途應用于造紙工業都能表現出相當多的優越性。如用作造紙填料使用時，具有較高的白度和純度，并且使用較大的填加量也不會降低紙張強度、撕裂度；用作造紙涂料時，可以提高涂料的保水性、懸浮性和流變性能[6]。經分離、提純和改性后，膨潤土的各種性能大大提高，可制成鈉基膨潤土、顆粒膨潤土、有機膨潤土等深加工產品。目前，常用的膨潤性方法主要有活化法和添加改性劑法，改性后的膨潤土具有較好的吸附性和分散性能，并且相對滑石粉而言，具有較高的留著率，對成紙強度的影響也較小。

6.硅藻土在造紙行業中的應用

國內造紙業主要利用硅藻土大孔隙度、強吸附、小容重、隔熱、吸音、化學穩定、無毒等工藝特性生產液體飲料、制糖、釀酒業用過濾紙和紙板，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；經有機改性后還可用于微助留助濾劑等。硅藻土原礦雜質較多，為提高其功能性能，通常要對硅藻土進行改性處理，主要方法有常規法(擦洗法、焙燒和酸/堿洗法)、無機改性和有機改性。孟曉敏等通過對硅藻土表面改性得到了改性硅藻土復合材料。研究發現表面改性硅藻土的粒徑變大，同時Zeta電位升高，這為擴大改性硅藻土的應用范圍打下了良好的基礎，將改性硅藻土復合材料用于造紙填料發現，可提高紙張抗張指數，改善造紙松厚度和撕裂指數，同時還可有效提高填料留著率，當改性硅藻土復合材料用量為45％時，留著率仍然可以超過75％[7]。

7.其他非金屬礦物在造紙行業中的應用

與目前廣泛用于造紙的傳統填料碳酸鈣、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合性。近年來，研究人員探究了凹凸棒石填充劑對紙品的影響。由于凹凸棒石具有高長徑比及易水化特性，使其具有良好的紙品充填性能[8]。海泡石具有比表面積大、吸附能力強、耐高溫、阻燃等特點，在造紙中添加適量的海泡石纖維，可以用來生產具有各種特殊性能的紙品。如可用于耐高溫紙、阻燃墻紙的生產，用于除臭紙、濾紙、高吸水性紙等的生產，以及鞭炮紙、香煙過濾紙、無碳復寫紙、保鮮紙、精密儀器包裝紙、絕緣紙、防腐包裝紙等的生產。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，可滿足高速紙機生產要求，在印刷書寫紙和造紙涂料中具有廣闊的應用市場。且改性后的石膏與碳酸鈣相比，具有較高的強度、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。沸石可用作造紙填料、紙張涂層劑、漂白催化劑等。用沸石作造紙填料可以有效改善紙張的質量，使其具有白度高、孔隙度大、吸水性強等優點。改性后的天然沸石，空隙率及表面活性有所提高，進而使其吸附性能、離子交換性能及催化性能等得到改善[4]。利用蛭石膨脹后具有的蓬松、低密度、化學性質穩定、隔熱、隔音、耐火、耐冷、絕緣、吸水、抗菌、吸附、陽離子交換等特性，可制造多種功能性工業用紙、軍工用紙、裝飾紙等。

8.造紙用非金屬礦功能材料發展趨勢

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、孔隙結構、表面電性、表面能、晶格結構與缺陷、官能團等特性均有所改善，在造紙工業生產中顯示出優越的性能，可以降低紙張生產成本，提高紙張的理化性能。近年來超細粉體加工和改性技術不斷開拓發展，非金屬礦物必將在造紙行業中擁有更廣闊的應用前景。整體而言，隨著全球造紙用木材資源的日益匱乏，造紙填料越來越受到人們的重視。造紙用非金屬礦功能材料發展重點在于：提高紙張中礦物原料的用量；擴展礦物材料在非傳統涂布或未涂布印刷紙和包裝紙中的應用；充分利用低品質礦物原料；開發新的功能性非金屬礦物品種；發展和開發新的礦物加工技術，如顏料復合、化學提純、表面改性技術等，以提高其使用性能和功能特性，提高紙張質量和滿足現代高技術用紙需要，獲得更好的性價比[9]。這對于推動我國造紙產業高質量發展和非金屬礦高效利用均有重要意義。

參考文獻：

[1]呂樂福等.幾種非金屬礦物在造紙行業中的應用進展[J].天津造紙，2019(01):7-11.

[2]宋寶祥.造紙用滑石的功能特性及其產品的研發方向[J].中國非金屬礦工業導刊，2009(02):8-10.

[3]余麗秀等.造紙用功能性非金屬礦物粉體材料品種及應用[J].化工礦物與加工，2008(12):31-33.

[4]李凱華等.非金屬礦物在造紙行業中的應用進展[J].中國非金屬礦工業導刊，2016(01):3-7.

[5]常建棟.硅灰石的改性及其在造紙工業中的應用[D].山東:青島科技大學，2014.

[6]趙麗紅等.膨潤土的特點及其在造紙工業中的應用[J].中國造紙，2004:49-51.

[7]孟曉敏等.改性硅藻土復合材料制備及應用研究[J].造紙化學品，2016:38-40.

[8]呂國誠等.凹凸棒石的資源及應用研究進展[J].礦產保護與利用，2019(06):115-118.

[9]宋寶祥等.造紙非金屬礦物粉體材料消費現狀與發展趨勢[J].中國非金屬礦工業導刊，2007(01):10-14.

作者：徐鵬金