降低造紙成本，看這20種功能粉體填料如何各顯其能
2021-06-23
近日，據央視報道，進入五月份以來，國內主要文化紙企業和貿易商發布多張漲價函，其中文化紙普遍漲價200元/噸，白卡紙漲價則達到1000元/噸，生活用紙1個月也迎來三連漲，包裝紙行業產量排名國內第一的玖龍紙業啟動了5月份的第三輪漲價……
據專家分析，漲價的主要原因是造紙上游的紙漿、物流、能源等價格全球性的上漲，直接增加了企業的生產成本。受紙漿原料價格上漲，造成漿價和紙價的倒掛，因此有些紙廠沒有辦法就要停機了。
作為國民經濟十大支柱產業之一，造紙工業是衡量一個國家現代化水平的重要標志。目前，國內造紙行業纖維原料供需矛盾日益突出，一方面表現為，纖維原料缺口越來越大，呈現逐年增加之勢；另一方面，原料結構不合理，木漿比重低。近幾年來，隨著特種用紙的發展和對紙張特殊性能要求的提高，非纖維原料的使用在造紙過程中所占比例越來越多，其中填料由于其較低成本越來越受到人們的重視。目前，填料已成為造紙第二大原料。
傳統造紙填料主要分天然填料和人造填料兩大類。天然填料是指天然礦藏經開采及機械加工而使用的填料，如滑石粉、白土、鈦白粉、石膏等，人造填料是指經化學反應而制得或化工廠的副產品而使用的填料，如沉淀碳酸鈣、硫酸鋇、造紙污泥、硅鈣填料等。加填不僅能節省纖維原料降低成本，還能改善紙頁的光學性質和印刷適性，滿足紙頁某些特殊性能的要求。
各種填料的特點及功能
高嶺土
高嶺土質地松軟，外觀白度較高。在造紙行業中，選擇高嶺土作填料是由于高嶺土在紙漿中不易與其它添加劑發生反應，充填紙張中木質纖維之間的空隙，從而保留在纖維之間。此外，高嶺土粒度較小，易于流動，可以保證紙張的密度及紙面平滑度。
高嶺土作為填料常用于造紙行業。因其價格低廉，實用性強，白度值相對較好而得到廣泛使用。高嶺土很容易處理和分散。高嶺土的使用使紙張具有高密度從而減少涂層滲透。高嶺土常用于超級壓光造紙。
滑石粉
滑石粉的白度值高、密度大、折光度高，并且化學性質穩定，適用于酸性造紙，同時與CaCO3共用適用中性造紙；摩擦系數小，對紙機的磨損小，延長紙機的使用壽命，同時改善紙卷質量；片層結構有利于在紙頁中的留著并改善紙張的不透明度、平滑度和印刷性能。滑石粉用于輪轉凹版印刷、膠板印刷、特種涂布紙。
重質碳酸鈣
選擇使用重質碳酸鈣主要是由于其價格低、亮度高、灰分量大，容易著色、施膠等優點，同時可以提高紙張的不透明度、光澤度、改善紙張的吸油墨性。GCC是中、堿性造紙常用的無機填料，隨著造紙行業逐漸由酸性造紙轉為中、堿性造紙(中、堿性造紙相比于酸性造紙對紙機的損耗更小，更有益于環境保護和節約水資源)，GCC的需求量逐漸增大。
沉淀碳酸鈣
沉淀碳酸鈣(PCC)是化學法制備的碳酸鈣。它的結構不同于重質碳酸鈣。使用PCC可以使紙張獲得更好的光澤度和不透明度，減少原料纖維的使用、降低紙機器材的損耗與成本投入；改善紙張的白度、印刷性能及使用壽命；同時，根據不同需求可以使紙張具備不同特性。
二氧化鈦
二氧化鈦(TiO2)具有高白度、折光度、高遮蔽性等特點，是一種具有很高光學性能的顏料，所得紙品更平整、均勻、吸油能力強，不僅能夠改善紙張的不透明度、亮度，同時可以提高其物理性能、柔軟性。造紙填料級TiO2通常選用銳鈦礦相TiO2。
以上幾種填料性能比較
白云石
白云石的晶體結構與方解石類似，價格低廉，擁有較高的不透明度，經濕法研磨后可以部分代替重質碳酸鈣作為造紙填料或用于制備復合材料，改善紙張的性能，更加合理有效地利用資源，降低成本。
白炭黑
白炭黑是國內近年用于噴墨打印紙的主要顏料。氣相法制造的納米或亞納米白炭黑具有更高的純度、比表面積和吸附特性。隨著數碼影像技術的普及，用于噴墨打印紙的高品質白炭黑消費量呈現較快增長。
膨潤土
膨潤土的提純、改性和提升產品白度以及擴展在造紙行業的應用，是近年來相關行業的主要研究領域，研究成果較多，其中在助留助濾、造紙涂料顏料、表面施膠劑和造紙黏性物控制劑、水處理劑方面的應用取得重要進展。膨潤土在造紙行業的消費量近年有了較快增長，主要用于微助留助濾劑和無碳復寫紙的酸性(活性)白土，使用技術相對成熟。
沸石
目前造紙用沸石主要為斜發沸石、絲光沸石、菱沸石和片沸石，因其特有的高孔隙度、吸附性、離子交換性、抗菌性、特殊光澤性(玻璃光澤、絲絹光澤、珍珠光澤)等用于造紙填料、特種涂布涂料和水處理劑等，印刷紙填料能賦予紙張較高覆蓋性和不透明度，同時由于沸石化學穩定性好、對漿料系統干擾小，適于酸性或堿性造紙，但用于高速紙機填料時因磨耗值較大受一定局限。
硅灰石
硅灰石是性能獨特的纖維狀礦物，加工后長徑比可達15～60。經改性后的硅灰石增加了柔性和親水性，能提高與植物纖維的親合力及成紙的強度，在同等紙張強度下改性硅灰石填加量比同等細度滑石和GCC(重質碳酸鈣)可增加0.3～1.0倍，并能顯著降低漿耗。改性硅灰石適用于酸性和堿性造紙，但因自身硬度較大、磨耗值高，在高速紙機中使用受到一定限制。
石膏
石膏纖維能克服其它礦物纖維短、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。同時，改性生石膏用于造紙填料同滑石、CaCO3比可提高填料保留率、成紙強度、挺度及不透明度；將改性硬石膏用于涂料顏料可提高紙張挺度、白度，改善印刷性能。
蛭石
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。主要應用領域及紙種有：美術工藝包裝紙、書皮紙、裝飾紙、農業育苗紙、冷凍食品保鮮包裝紙、軍工用紙、動物襯墊紙、高級環保壁紙、減震襯墊紙板、建筑裝飾紙板等。
海泡石
海泡石具有極強的吸附性、耐高溫(1500～1700℃)性，良好的分散、抗腐蝕、抗輻射、隔熱、絕緣等性能，在造紙中用于液體過濾紙、除臭紙、香煙過濾咀紙、美容化妝紙、衛生巾紙、尿片紙、清潔紙、醫療用紙、耐高溫隔熱紙、鞭炮紙、阻燃紙、工業密封墊板紙、保鮮紙、農業育苗紙、寵物墊紙、干燥劑包裝紙、精密儀器包裝紙、絕緣紙、抗氧化防腐包裝紙、耐酸堿無機過濾紙等。
硅藻土
國內造紙業主要利用其大孔隙度、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。
埃絡石
處于工業開發應用階段。磨耗度低，可用于高車速紙機，生產成本低。經PVA、APM、變性淀粉改性陽離子化產品，可提升張強度(30%～60%)、不透明度、灰份。比硅灰石填料有更好的成紙柔軟性、平滑度。
透閃石
半透明纖維狀。用于填料對紙張性能貢獻與硅灰石、埃絡石相近。用于擠壓熱熔涂布和紙塑層合樹脂填充料有特殊技術品質貢獻。
麥飯石
相關研究表明，麥飯石具有一定的抑菌作用，用來制造保健醫療鞋墊紙板、食品包裝紙和保鮮紙。中國軍事醫學科學院、北京中醫藥大學將經改性處理的麥飯石復合產品，用于醫用紙和生活用紙或紙板的填充劑。
高溫煅燒氧化鋁、硅微粉、石榴子石、莫來石等高硬度粉體
目前主要用于耐磨紙填料和拋光工業用砂帶紙的涂敷料。近年復合地板、家具裝潢以及建材用裝飾紙消費量增長，高硬度無機粉體材料制造技術及在造紙填料中的開發應用有待進一步深化。
填料的性質
填料的反射指數、顆粒形態、粒徑及其分布、比表面積、顆粒電荷、pH、溶解性和磨蝕性是重要的性質，它們對紙張的不透明度和物理性質有很大影響。
反射指數：是由填料的化學成分和分子結構所決定的一項基本性質。原子結構對光散射性(不透明度)有直接影響。這是因為光進入填料后在其內部發生多次反射而不是直接透過。填料的反射指數越大，反射光的數量越多，使紙張的不透明度越高。銳鈦礦和金紅石型的TiO2的反射指數分別為2.55和2.76，其它常用填料的反射指數都比TiO2低得多。
顆粒的形態：是填料的一種重要性質。它影響光散射方式，從而影響紙中填料的光學特性。據研究發現，各種沉淀CaCO3的形態不同，從而使其光散射作用的能力不同。不同形狀的顆粒，其光散射的最佳值不同。
粒徑及其分布：填料的粒徑大小、粒徑分布及填料粒子的聚集程度強烈地影響著填料的光學性質。研究發現，當填料粒徑范圍較窄，特別是填料在紙張中均勻分布時，有助于提高光散射率。以最佳粒徑為中心的粒徑分布范圍越窄時，越有利于增加紙的不透明度。
比表面積：顆粒粒徑、粒徑分布及顆粒形狀都對比表面積有直接影響。顆粒的比表面積影響光散射，也影響紙張強度和印刷性能。通常比表面積高的填料會增加紙頁的適印性，但會削弱紙頁的強度，增加施膠的難度。
顆粒電荷：填料顆粒表面電荷在填料分散中起重要作用。影響填料狀態的作用力有三種：范德華力(常為引力)、靜電力、空間阻力。這三種力隨顆粒間的距離變化而變化。它們之間的平衡決定了填料粒子是呈懸浮狀態還是絮聚。
磨蝕性：是填料的一項重要指標，高磨蝕性的填料會對紙機網部和印刷版造成過多的磨損，填料的磨蝕性主要是由兩個因素引起的：晶體的性質或填料的硬度(原子間結合強度、空間排列和雜質等)，填料的物理性質(粒徑、粒徑分布、形狀、表面積等)。少量雜質，如硅石是造成磨蝕的主要原因。同種結晶形式時，大顆粒填料的磨蝕性高。
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