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白色材料：用于纸张业的填充物与涂层色素

作者：Dr. R.D. Hill

Imerys Minerals

发表于亚洲纸浆与纸张2000年会议

2000年12月5－6日, Grand Hyatt, New Delhi, India（印度新德里）

简介

矿物几乎可以在每一种级别的纸张中找到。多数情况下，矿物是纸张中含量第二丰富的成份，仅次于纤维。矿物的来源各式各样。一些矿物处在纤维中。一些矿物，如膨润土或云母会作为节距调节剂加入其中，以吸收造纸机循环中的树脂微粒。 一些矿物会以微颗粒的形式加入配料，作为部分保持力体系。一些矿物会作为填充物加入配料，而另一些矿物连同废纸会返回循环中去。最后，一些矿物会作为涂层用于纸张表面。

纸张产品中的矿物数量根据不同的级别千差万别。新闻用纸只含一小部分矿物，其中多数矿物与再生纤维有关。无涂层复印纸可以含20 - 25%的矿物，其中几乎所有的矿物都作为填充物予以加入。SC杂志用纸可能含 35%的填充物。涂层纸张，如轻质涂层纸张或双层不含磨木浆纸张可能含有更高比例的矿物，其中多数矿物为涂层色素。

本文对使用作为填充物与涂层色素的白色矿物进行了评论。其中介绍了矿物的几种主要的类型，并重点说明了作为色素的属性。本文还说明了填充物加入配料或者涂层用于表面的原因。最后，还讲述了一些常见级别纸张对填充物与涂层色素的要求，以及符合这些要求之色素的名称。

纸张业是一种全球性的行业，但这并不意味存在着统一的实践方式或产品。不同的市场有着不同的质量需求与生产经济。在西欧行之有效的东西未必适用于北美或部分亚洲。本文的评论并不对两个市场在实践上的差异进行比较与比对。这里介绍的矿物是所有市场通常遇见的白色色素，但是色素的应用方式却在各地不尽相同。本文中各种级别纸张的色素建议是按欧洲的观点编写的。.

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填充物--历史的观点

填充物的使用可以追溯到几个世纪之前，以下里程碑值得一提：

(a) 公元八世纪起阿拉伯与土耳其斯坦的破布浆纸含有大量云母、白垩粉或石膏。.

(b) 公元九世纪埃及人已经使用云母了。

(c) 现代的应用好像可以追溯到18世纪在伦敦对Samuel Hooper授予的两项专利中找到。一项专利是将石膏、云母与熟石膏（硫酸钙半氢氧化物）作为填充物用于印刷纸张，而另一项专利是使用纸张（由麻浆制造）中的粘土。

(d) 19世纪初期使用的主要填充物是陶土，用于制造更白、更重、更容易吸墨的纸张。

(e) 有规律地使用填充物可以说是从当代开始的，现代造纸系统中可以对填充作如下说明：

(i) 硫酸钡 (1820)

(ii) 石膏 (1823, 但是以Hooper的专利命名)

(iii) 大规模地使用粘土自1870起

(iv) 尽管Rafton在美国进行了开拓性的工作，但是沉淀碳酸钙 (PCC)大范围的应用是自1927开始的

(v) 云母在20世纪60年代被大量使用（芬兰、法国从本土使用原料，日本、韩国从韩国的沉积物中提取）

(vi) 纯自然碳酸盐从60年代起被大规模予以应用

纯碳酸盐的使用几乎取代了沉淀材料的使用，尽管现在我们对PCC恢复了兴趣。这种PCC在造纸厂的卫星车间中制造，使用了本地的石灰石或白垩粉作为原材料，通过再次沉淀将其溶解并生成高档的填充物。

由于对硫酸钡的排斥，现在已不将其作为填充物了，以下说明了现在大量使用的"松厚"填充物，有一些会在以后的章节中提及。"较小"的填充物指在量上较小，并不是指技术上不重要。

普通填充物与涂层色素的物理特性

碳酸钙（自然）

碳酸钙是由微生物中含碳酸钙骨骼在海洋沉积，并受挤压形成的岩石。这样的岩石，即石灰石具有不同程序的硬度，其中较软的一种称为白垩粉。作为纸张填充物，纯白垩粉与石灰石被广泛使用，其主要成份为矿物方解石，CaCO3。在一定沉淀物中，沉积物会受到地热的影响，这样会产生硬质的石灰质岩石，称为大理石。

在酸性环境中，碳酸钙会释放出二氧化碳，除非采取了保护措施。一般而言，碳酸钙填充物并不在酸性造纸系统中使用，而使用碳酸钙填充物的愿望促使许多造纸厂将酸性造纸条件转化为中性或碱性。

纯碳酸钙在欧洲与亚洲被广泛地作为填充物与涂层色素加以使用。高亮度的原材料资源丰富，生产过程相对简单，而且无须对过程或车间进行大幅度的改变便可生产出一系列的微粒大小。产品有粉末状的，也有泥浆式的。在相同的固体浓度下，GCC泥浆比其它色素的泥浆更具流动性。

表格1列举了纯碳酸钙的基本特性。

表格 1: 纯碳酸钙的基本特性

成份 CaCO3

外形 无规律，"厚实的"

折射率 1.57

比重 2.71

莫氏硬度 3 (特定点)

点燃时的理论损失 44.0%

沉淀碳酸钙 (PCC)

现在可以生产出纯度很高的PPC，根据沉淀条件，可以分为两种结晶特性：方解石与文石。石灰质PCC的外形厚实。这两种形式都可以为纸张业进行制造。菱形PCC与纯自然石灰质碳酸钙的外形十分相似。偏三角面体PCC具有桶状外形，通常可以在聚合"圆花饰"的形式中找到。文石晶体的外形如针尖状。PCC有时候像自然碳酸钙一样纯，这样可以减小其微粒大小。天然沉淀物虽然已知，但是极为罕见。当然纸张中的PCC几乎可以肯定是人工创造的。

有一种纸张全都采用PCC作为填充物，即香烟纸，这种结合体有助于控制燃烧速度。用纯天然材料予以取代是不可行的。

PCC不及GCC那么广泛使用。PCC被大量地应用在北美洲，因为那里的GCC较为少见，且相当较贵。PCC多作为填充物而非涂层色素使用，近几年PCC在纸张业中的应用有所增加。多数新的PCC生产量是在纸张厂的"卫星"车间内安装的。PCC产量需要适当的石灰石与二氧化碳气体的来源。不同形式的PCC可以从相同的原材料中生产形式，但是对过程参数的控制对所需形式的生产至关重要。现在可以生产出与纯大理石产品的亮度相配的PCC，而且拥有比第一代GCC更广泛的大小种类。

表格2列举了PCC的基本特性

表格 2: 沉淀碳酸钙的基本特性

方解石 文石

成分 CaC03 CaC03

外形 厚实 针尖状

折射率 1.57 1.63

比重 2.71 2.9

硬度 3 3.5 - 4

点燃时的理论损失 44.0% 44.0%

高岭土 (陶土)

高岭土的主要成份（在英国称为陶土）是矿物高岭石。这是一种含水的硅酸铝??Al2O3 2SiO2 2H2O，是以一微米直径的六角形板的形式结晶而成。这是由水和热通过矿物长石的分解形成的。沉淀物主要分为两种类型：

a) 首先，陶土在高岭岩石的原处形式。沉淀物主要分布于英格兰西南部、法国、德国、捷克斯洛伐克与伊比利亚半岛。

b) 其次，水将陶土从主要的沉淀物处送到其它地方，可能在几百英里以外，作为较纯陶土的基层。美国乔治亚州与巴西的沉淀物大部分为其它地方流过去的。

主要的陶土是"平整的"。较粗糙的陶土在欧洲被大量地应用于高度填充的无涂层机械纸张中，使之光泽、光滑。较精细的陶土被用于涂层应用中，因为表面的良好铺层相当重要。

第二种陶土比主要的陶土较为不"平整"，而且在相同的固体浓度下，生产出来的泥浆粘度较小。这种陶土一般比主要陶土的微粒大小更细小，其覆盖表面的能力稍逊，但是可能生产出更为光滑的涂层表面。 表格3列举了高岭石的基本特性。

表格 3: 高岭石的基本特性

成分 Al2O3. 2SiO2. 2H2O

外形 六角形盘

折射率 1.56

比重 2.65

莫氏硬度 2 - 2.5

点燃时的理论损失 13.9%

云母

云母是一种含水的硅酸镁，与碳酸盐一样分布面广，并埋于地下。其微粒呈薄片状，可以通过疏水性与吸水性的表面进行区别。前者还亲油性，而且可以吸收蜡质材料（沥青），这种痕迹会在亚硫酸盐（酸性）过程上配制木质纸浆时出现，因此可以防止在纸张上形成蜡质斑点。因此，尽管云母并未有意作为填充物加入其中，但是云母会在纸张中少量出现。　

由于白云石（钙/镁）或菱镁矿（碳酸镁）及矿物的出现，含水云母泥浆略显碱性。

云母在远东被作为填充物受到广泛使用，但是在拥有大量沉淀物的美洲主要用于节距调节，而在欧洲主要限于芬兰与法国将其作为重要的填充物使用，因为这两个国家拥有大量的沉淀物。有一种纸张使用了大量云母，即特别光泽的杂志纸张。这种纸张含有高级别的纯林木质纸浆，其填充成份占23％，而且其表面经过特别的加工磨光。欧洲周日的杂志附刊会由这种级别的纸张印刷制成。填充成份可能是50:50 云母：陶土，因为当纸张受到处理与使用时，高含量的云母会产生灰尘，即填充物的释放。在欧洲，云母还被作为涂层色素予以使用。云母为涂层表面提供了松厚性、可压缩性与滑爽性，其特性在LWC照相凹片制造中特别有用。

表格4列举了云母的基本特性。

表格 4: 云母的基本特性

成分 3 MgO 4SiO2 H2O

外形 薄片状

折射率 1.57

比重 2.75

莫氏硬度 1 (标准点)

点燃时的理论损失 4.7%

二氧化钛

这种物质的折射率高于传统的填充物。因此，它更容易分散光线，所以具备很强的不透明能力。该物质用于像圣经用纸之类的纸张中，这种不透明性对薄纸亦是如此，否则其透明性将无法适用。由于该物质可以在很纯的状态下准备，所以它还是一种很白的色素。二氧化钛可以作为填充物与涂层色素进行使用。该物质以很小的剂量加入是因为：价格昂贵，而且这种物质加入得越多，其光学发生递减，即"光学折皱"现象。二氧化钛会吸收紫外线，所以会削弱荧光增白剂的效果。

像碳酸钙一样，二氧化钛会在以不同的结晶方式出现，如金红石与锐钛矿。金红石是最佳的色素。

表格5列举了二氧化钛的基本特性。

表格 5: 二氧化钛的基本特性

锐钛矿 金红厂

成分 TiO2 TiO2

外形 厚实 厚实

折射率 2.52 2.76

比重 3.9 4.6

莫氏硬度 5.5 - 6.0 6.0 - 6.5

点燃时的理论损失 无 无

煅烧粘土

本文中的煅烧粘土指由乔治亚州东北部沉淀物中的煅烧微粒粘土制成，用于形成聚合体的物质，其中含不少内部气泡。气泡的出现造成一些不透明因此，但是这些物质通常与TiO2 混合，从而获得纸张的不透明性，这比仅仅使用TiO2 更为经济实惠。煅烧粘土更改了纸张或涂层的孔隙结构，并通过分裂周围纤维与色素微粒的结合造成松厚性。

要确定两种物质合成物（煅烧物质与空气）的物理特性相当困难，而且其结晶状态依赖于煅烧的时间与温度。化学分析可以检测到硅与铝，而且在点燃时的零损失可以将其与一般的高岭土简单地区别开来。 微粒色素

微粒色素有时候可以用于更改纸张或涂层的孔隙结构。一些超细物质可以加入新闻用纸的配料中改进对印刷油墨的吸收，从而减少对纸张的冲击，同时亮度与不透明度可以得到提高。细微分割的硅石可以加入用于涂层喷墨用纸的涂层中。一些经常遇到的色素列举如下：

i) 聚合为直径为2－4um的沉淀硅酸钠铝，其主要微粒的直径可以只有30nm。这种类型的商用物质可以分解成 7% Na2O、8%12O3 与71% SiO2。这种物质处在结晶式的无组织状态，折射率 1.46，比重为 2.1。现在已经有一些这种类型的商用物质了，其分解相当典型。

ii) 氢氧化铝(Al(OH) 3)以六角形小片的形式出现，其直径为 1um或更小。折射率为1.58，比重2.4，莫氏硬度2.5。还有，一些厂商已经生产这种物质了。

iii) 由微小的海洋有机体含硅酸的骨骼构成的硅藻土被用于一些级别的纸张中。尽管微粒细小，但仍具磨砂性。

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