造紙用的優(yōu)質(zhì)高嶺土

楊利興

（遼寧省硅酸鹽研究所, 遼寧 沈陽(yáng) 110036）

0 前 言

瓷土的礦物名稱為高嶺石，高嶺石屬黏土礦物，因而又稱高嶺土。高嶺士顆粒很細(xì)，但它是一種晶體，層狀結(jié)構(gòu)，呈片狀，單個(gè)厚度僅有7?。它具有許多實(shí)用價(jià)值和工業(yè)性能，如：可塑性、黏結(jié)性、分散性、懸浮性、耐火性、化學(xué)穩(wěn)定性等。因而被陶瓷、造紙、橡膠、油漆、塑料等工業(yè)利用。

我國(guó)是高嶺土應(yīng)用最早的國(guó)家，但是礦山基礎(chǔ)薄弱、加工技術(shù)落后，產(chǎn)品都是原礦或粗精礦，因而不能適應(yīng)造紙工業(yè)的應(yīng)用，而國(guó)外自從發(fā)展精制高嶺土方法以來(lái)，根據(jù)產(chǎn)品的用途不同，生產(chǎn)系列產(chǎn)品供應(yīng)用戶。英國(guó)、美國(guó)是世界生產(chǎn)高嶺土的主要國(guó)家。據(jù)1978年資料記載，英國(guó)用于造紙方面的高嶺土占總產(chǎn)量的80%，美國(guó)占總產(chǎn)量的50%，低級(jí)瓷土在國(guó)際貿(mào)易中也很活躍，如日本每年進(jìn)口涂料土20萬(wàn)t。

為了改變礦山落后局面，原輕工業(yè)部、國(guó)家建材總局曾經(jīng)派人到英國(guó)、捷克、德國(guó)等國(guó)家進(jìn)行考察，輕工業(yè)部在1978—1985年全國(guó)輕工業(yè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要中要求各陶瓷產(chǎn)區(qū)和陶瓷研究所對(duì)陶瓷原料精制加工技術(shù)進(jìn)行研究。

遼寧省造紙工業(yè)在改革前，造紙企業(yè)的規(guī)模和產(chǎn)量在國(guó)內(nèi)占有很大的比重。為了生產(chǎn)銅版紙,營(yíng)口造紙廠與沈陽(yáng)造紙廠分別從國(guó)外引進(jìn)了刮刀涂布機(jī)。營(yíng)口造紙廠專門從美國(guó)進(jìn)口了瓷土。為了滿足生產(chǎn)的需要，地方政府在沈陽(yáng)建造了瓷土廠，并進(jìn)行了四個(gè)月的試生產(chǎn)。產(chǎn)品委托輕工部造紙科學(xué)研究所進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)。此時(shí)，改革開始由計(jì)劃經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)為市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)，遼寧省是工業(yè)大省，國(guó)企包袱過重至使大量國(guó)企破產(chǎn)，包括不少造紙廠也在此范圍。所以瓷土未能在生產(chǎn)中應(yīng)用。

筆者從《中華紙業(yè)》雜志中得知，2013年國(guó)際造紙化學(xué)品及技術(shù)應(yīng)用展覽會(huì)展品中有高嶺土。對(duì)此閱后有感，特撰此文，供生產(chǎn)單位和應(yīng)用單位參考。

1 優(yōu)質(zhì)涂布瓷土應(yīng)用測(cè)試

1.1 送樣粒度分布合理

不含過粗（＞1 0 μ m）粒子和過細(xì)（＜0.2μm）粒子，≤0.2μm粒子含量高于93%。

1.2 送樣土其他物理性能較好

白度為85%；磨耗值低（3.2mg）；濃度高為71%；易分散、流動(dòng)性好、分散劑用量低、分散體穩(wěn)定性好。適于作高濃度刮刀涂布等高級(jí)紙張用瓷土顏料。

1.3 送料很容易配成高濃度涂料

分散體濃度為69.3%時(shí)，黏度僅0.33Pa·s，且該涂料流動(dòng)性、穩(wěn)定性都較好。

1.4 成紙質(zhì)量

從成紙質(zhì)量看，由于壓光不夠，緊度偏小，故平滑度也偏低；白紙光澤度稍低于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；但高于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。成紙印刷光澤較高，是油滲性較大所致。從總體上看，屬于國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)紙。

1.5 送料的主要不足

用325目篩子篩選后余量較高，且篩余物多為砂粒，從整體情況分析，除了篩余物較高外，該土為優(yōu)質(zhì)涂布用土。

2 討論

2.1 高嶺土的物理性能

高嶺土具有許多實(shí)用價(jià)值和工藝性能，如可塑性、黏接性、分散性、懸浮性等。這些物理性質(zhì)是由它的結(jié)構(gòu)決定的。

高嶺土礦物顆粒細(xì)小，且呈片狀結(jié)構(gòu)，含水鋁硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是由SiO4四面體組成的(Si2O5)n層和一層由鋁氫八面體組成的AlO(OH)2層相互以頂角聯(lián)結(jié)起來(lái)。若氫離子從Si2O5面凸出來(lái)而進(jìn)入并聯(lián)結(jié)AlO(OH)2面，這兩層組成Al2(Si2O5)(OH)4,就是黏土礦物高嶺石。

不同的黏土礦物是由不同的層組合及含有不同的陽(yáng)離子而形成的。陽(yáng)離子的同形置換是普遍的。Al3+有時(shí)與Fe3+可以置換四面體網(wǎng)絡(luò)中某些Si4+離子，Al3+、Mg2+、Fe2+和其他離子在八面體網(wǎng)絡(luò)中也可以置換。這些同形置換導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)多余的負(fù)電荷。偶然性的置換引起的負(fù)電荷是由松弛地鑲嵌在黏土顆粒表面或夾層中的正離子來(lái)平衡的。這些離子或多或少易被置換，因而成為陽(yáng)離子交換能力的原因。

例如：一種吸收了Ca++的天然黏土，可以與硅酸鈉反應(yīng)，而生成不能溶解的硅酸鈣和鈉黏土。

這個(gè)反應(yīng)很重要，決定了黏土礦物的懸浮性，如在水中形成膠態(tài)懸浮體，而且成為穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。這種性能被陶瓷、造紙、石油勘探工程等所利用。

觀察高嶺土的結(jié)構(gòu)，用光學(xué)顯微鏡，放大率不能超過1500倍，對(duì)黏土礦物的效果不大，而電子顯微鏡放大倍數(shù)可達(dá)幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)倍，因而可以直接觀察＜2μm黏土質(zhì)點(diǎn)，對(duì)研究黏土礦物質(zhì)的微觀形態(tài)與結(jié)構(gòu)是一種有效方法。我們?cè)谏a(chǎn)瓷土?xí)r，進(jìn)行了鎖定，其結(jié)構(gòu)見圖1，呈片狀結(jié)構(gòu)。由此可見高嶺土有很高的覆蓋率和很大的覆蓋面積。這點(diǎn)對(duì)造紙涂料是很重要的，可以提高涂布紙涂層的細(xì)膩、光澤和印刷適性，是國(guó)內(nèi)涂布紙的首選顏料。

圖1 2μm片狀高嶺土的電鏡照片

2.2 高嶺土的精制

高嶺土選礦與金屬礦物選礦相比，具有某些特殊性。對(duì)于金屬礦來(lái)說(shuō)選分散的多數(shù)是經(jīng)過預(yù)磨，而后通過浮選或重介質(zhì)分選等方法。高嶺土是一種泥化礦物，原礦中含有石英-長(zhǎng)石-云母-高嶺土等，這些礦物密度很相近（2.5～2.65），但顆粒大小相差很大。因而高嶺土精制一般用機(jī)械方法，一次次除砂（沉砂），一次次富集（溢流），從而使高嶺土與其他礦物分離。

評(píng)價(jià)原礦粉級(jí)性能的方法是繪制礦物譜圖。單一礦物的粒度分布，互相分開是能夠分選的條件，其中互相重疊的程度是制得各種產(chǎn)品的關(guān)鍵，見圖2、圖3。

圖2 高嶺土與伴生礦物區(qū)域之間無(wú)重疊或少重疊

按照?qǐng)D2在15μm處作分級(jí)點(diǎn)（T1），稍加努力就能夠精制非常純的高嶺土。

圖3 伴生礦物石英和長(zhǎng)石區(qū)與高嶺石區(qū)相重疊

按照?qǐng)D3分級(jí)點(diǎn)（T1），在15μm處則是具有很多的伴生礦物，因?yàn)榫哂心p性，這種產(chǎn)品不能作為造紙使用，但是可以做為陶瓷用高嶺土。通過第二個(gè)分級(jí)點(diǎn)T2為5μm處就可以精制出造紙用的高嶺土。

造紙用的高嶺土主要有兩大指標(biāo)：一是粒度，二是白度。

（1）粒度：高級(jí)填料≤2μm，含量 80%，涂料≤2μm，含量＞85%，產(chǎn)品達(dá)到上述指標(biāo)。一般采用國(guó)產(chǎn)離心機(jī)脫水。沈陽(yáng)瓷土廠是我國(guó)在高嶺土精制工藝中首次使用。我國(guó)1987年批量生產(chǎn)的新型離心機(jī)，有兩種轉(zhuǎn)速（兩個(gè)主動(dòng)輪），1 750 r/min和2 000 r/min。輸入離心機(jī)的漿料是經(jīng)過606、600旋流器逆流料，結(jié)果如下：

1 750 r/min ≤2μm含量82%，達(dá)高級(jí)填料標(biāo)準(zhǔn)。2 000 r/min,粒度 ≤2μm含量 94 %～99.6 % 。

（2）白度：白度也是紙用瓷土的重要指標(biāo)，目前我國(guó)紙用高嶺土都是采用優(yōu)質(zhì)高嶺土精制。如：JC（318～82）PM。造紙工業(yè)用機(jī)選特號(hào)。沈陽(yáng)廠原礦白度為87%、85%、83%。Fe2O3含量很低為0.32%～0.39%,所以85%都是原礦的自然白度。筆者在試驗(yàn)中采用低亞硫酸鈉（Na2S2O4）進(jìn)行漂白，白度由85%提高到90%。

英、美國(guó)家紙用瓷土都是經(jīng)過漂白的。美國(guó)原礦白度為75%，通過高梯度磁選除鐵及漂白，白度由75%提高到85%。原礦白度75%是白度的下限，通過漂白提高產(chǎn)品白度也有一定的空間。

3 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)是高嶺土應(yīng)用最早的國(guó)家之一，但由于礦山基礎(chǔ)薄弱，精制加工起步較晚，因而影響了在造紙工業(yè)中大量應(yīng)用。至今時(shí)隔二十多年了，造紙工業(yè)有了很大的發(fā)展，已大量使用國(guó)產(chǎn)的精制瓷土。

經(jīng)精選和加工研磨的高嶺土，可達(dá)到涂布級(jí)的高嶺土，具有白度高、粒度細(xì)等特點(diǎn)。制成的涂料有濃度高、分散性好，流動(dòng)性好、穩(wěn)定性好等特性，用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的銅版、輕涂紙等涂布加工紙。

【1】楊利興.刮刀機(jī)涂布瓷土試驗(yàn)技術(shù)報(bào)告〔R〕.1990.

【2】楊利興.高嶺土選礦研究〔J〕.河北陶瓷,1984(4).

【3】〔美〕W.D Kingery,H.K.Bowen,D.R.Uhlmann.陶瓷導(dǎo)論〔M〕.清華大學(xué)新型陶瓷與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,譯.2版.北京:高等教育出版社,2010.