七層熔融共擠出石頭紙在昆鋼的工業化實踐

劉瑞銘，劉 暢

（云南昆鋼石頭紙環保材料有限公司，云南 安寧 650307）

隨著國民經濟的快速發展，社會文明的進步和人類生活水平的不斷提高，人們對紙的需求不斷增加。全球環保問題越來越突出，森林資源不斷減少，傳統的造紙業，一直被視為污染大戶，不僅會消耗大量的木材及浪費水資源和能源，而且對環境造成嚴重的污染。大量的森林資源的砍伐，導致地球生態嚴重的失衡；生產過程中排放大量的酸堿廢液，污染了土壤、空氣、水源，人類賴以生存的環境受到了嚴重的破壞[1]。石頭紙的發展就越來越被重視，在生產過程中不僅不需要木材及天然植物纖維，也不需要耗用水資源，同時也不會產生三廢，節省大量的木林資源，減少造紙過程中產生的污染[2]。

當前，國內外石頭造紙的生產方法主要有：壓延法、流延法、吹膜法、單向（縱向） 拉伸法、雙向拉伸法[3]。但現今市面上流通的石頭紙多為HDPE石頭紙，多為單層結構，普遍存在印刷適應性差、挺度差、遮蓋性差、比重大、靜電大等問題。上述各因素都是造成石頭紙產品質量不穩定，難以大規模推廣應用的瓶頸問題。

云南昆鋼石頭紙環保材料有限公司研發了一種七層熔融共擠出石頭紙及其制備方法，實現了A/B/C/D/C/B/A七層石頭紙的工業化生產，可以有效解決上述問題。所得七層熔融共擠出石頭紙成本低、不透明度高、印刷適應性好、挺度高、比重低、易推廣使用。

1 技術方案

七層熔融共擠出石頭紙技術方案如圖1。七層熔融共擠出石頭紙，包括增強層，以及從里到外依次設置在增強層兩外表面的發泡層、遮蓋層和印刷層。七層熔融共擠出石頭紙的總厚度為0.20～2mm；印刷層的總厚度占七層熔融共擠出石頭紙總厚度的10%～20%，遮蓋層的總厚度占七層熔融共擠出石頭紙總厚度的10%～20%，發泡層的總厚度占七層熔融共擠出石頭紙總厚度的50%～70%，增強層占七層熔融共擠出石頭紙總厚度的10%。

1.1 印刷層的原料組成

超細碳酸鈣粉體70%～80%（均為質量分數，下同）、超細無機吸水粉體5%、偶聯劑1%、加工助劑1%～4%、 有機吸水材料2%～5%、 擠出級聚丙烯11%～16%。

1.2 遮蓋層原料組成

超細碳酸鈣粉體70%～80%、鈦白粉2%～5%、偶聯劑1%、加工助劑1%～4%、擠出級聚丙烯16%～21%。

圖1 七層熔融石頭紙結構示意圖

1.3 發泡層的原料組成

超細碳酸鈣粉體70%～80%、PP專用發泡母粒2%～5%、偶聯劑1%、加工助劑1%～4%、擠出級聚丙烯16%～21%。

1.4 增強層由下述質量百分比的原料組成

無堿短玻纖5%～15%、 粒度800～3000目的超細碳酸鈣粉體50%、偶聯劑1%、加工助劑1%～4%、擠出級聚丙烯30%～43%。

上述超細碳酸鈣粉體可為輕質碳酸鈣、重質碳酸鈣中的一種或者兩種混合體，優選重質碳酸鈣，粒徑控制在500～3000目，水分控制在0.3%以內；超細無機吸水粉體為粒度500～1250目的高嶺土、膨潤土、絹云母、硅藻土、伊利石、蛭石等中的一種或幾種。優選高嶺土，高嶺土有很好的吸水性能，且結構單元層的一面是-OH層，易與有機單體中親水性機團形成氫鍵，有利于印刷，材料易得，成本低，易推廣使用。

有機吸水材料為熱塑性淀粉、丙烯酰胺、丙烯酸、聚乙烯醇等中的一種或幾種。優先聚乙烯醇，聚乙烯醇是一種水溶性環保型高分子聚合物，具有很好的成膜性、乳化性、粘結性、抗靜電性、印刷適應性，材料易得，成本低，易推廣使用。

偶聯劑為鋁酸酯偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑、硅烷偶聯劑、復合型偶聯劑中的一種或幾種。

加工助劑為硬脂酸、石蠟或聚乙烯蠟等。

擠出級聚丙烯的熔體流動速率為2.0～4.0g/10min。

PP專用發泡母粒，系武漢富蒂亞新型材料有限公司生產，該PP發泡母料由載體塑料與功能助劑共混造粒制得，具有泡孔均勻致密，發泡效果好等優點，通過發泡劑的作用，可使石頭紙內部形成了疏松的網狀結構，可降低石頭紙比重15%～35%。

2 制備方法

七層熔融共擠出石頭紙采用四螺桿七層熔融共擠出復合工藝，實現A/B/C/D/C/B/A七層石頭紙的工業化生產。其制備生產工藝如圖2

2.1 制備印刷層

按上述的原料備料，先將超細碳酸鈣粉體在80～120℃下進行高速 （轉速 1000～2000r/min） 攪拌10min，再加入超細無機吸水粉體混合10min，然后加入偶聯劑進行高速（轉速1000～2000r/min） 混合3～5min，最后加入加工助劑、擠出級聚丙烯和有機吸水材料進行高速（轉速1000～2000r/min）混合5～8min，通過擠出機熔融擠出，切粒后得印刷層母粒；將印刷層母粒通過A擠出機熔融擠出后，計量分配至1層和7層的擠入層，擠出機的機身溫度：180℃～195℃；螺桿轉速控制在20～50r/min。

2.2 制備遮蓋層

圖2 石頭紙的生產工藝

按上述的原料備料，先將超細碳酸鈣粉體在80～120℃下進行高速 （轉速 1000～2000r/min） 攪拌10min，再加入鈦白粉混合10min，然后加入偶聯劑進行高速（轉速1000～2000r/min） 混合3～5 min，最后加入加工助劑和擠出級聚丙烯，通過擠出機熔融擠出，切粒后得遮蓋層母粒；將遮蓋層母粒通過B擠出機熔融擠出后，計量分配至2層和6層的擠入層， 擠出機的溫度控制：190℃～200℃； 螺桿轉速控制在20～50r/min。

2.3 制備發泡層

按上述的原料備料，先將超細碳酸鈣粉體在80～120℃下進行高速 （轉速 1000～2000r/min） 攪拌10min，然后加入偶聯劑經高速（轉速1000～2000r/min） 混合3～5min，最后加入加工助劑和擠出級聚丙烯，通過擠出機熔融擠出，切粒后與PP專用發泡母粒混合均勻后，得發泡層母粒；將發泡層母粒通過C擠出機熔融擠出后，計量分配至3層和5層的擠入層，擠出機的溫度：170℃～190℃；螺桿轉速控制在20～50r/min；

2.4 制備增強層

按上述質量百分比的原料組成，先將超細碳酸鈣粉體在80～120℃下進行高速（轉速1000～2000轉/分鐘）攪拌10min，然后加入偶聯劑進行高速 （轉速 1000～2000r/min） 混合 3～5min， 最后加入加工助劑和 擠出級聚丙烯經高速（轉速1000～2000r/min） 混合3～5min后，再與無堿短玻纖低速（轉速500～1000r/min） 混合5～10min，通過擠出機熔融擠出，切粒后得增強層母粒；將增強層母粒通過D擠出機熔融擠出后計量分配至4層的擠入層，擠出機的溫度：190℃～200℃；螺桿轉速控制在20～50r/min。

最后將上述各擠入層的熔融膠狀物通過同一模頭擠出發泡，經常規三輥壓光、冷卻、牽引、收卷，即得到七層熔融共擠出石頭紙。其中，冷卻溫度控制在：30℃～45℃，模頭各段溫度控制在195℃～220℃。

3 取得的效果

1)由于高嶺土、聚乙烯醇（PVA）等吸水材料的加入，很好的解決了石頭紙的吸濕性差和印刷性適應性差、靜電大等問題。

2)因鈦白粉的加入，利用鈦白粉遮蓋性強等特點，解決當前石頭紙普遍存在不透明度低等問題，同時壓光機的引入，很好解決了平滑度不好等問題。

3)通過發泡技術的引入，很好解決了石頭紙比重大等問題，同等定量的石頭紙與市場上銷售的石頭紙，比重降低15%～35%，且還增加石頭紙的挺度和隔熱性。

4)通過無堿短玻纖的加入，增加了石頭紙的剛性和耐溫性，提升石頭紙的挺度。

5)將不同功能的石頭紙母粒在熔融狀態通過四臺擠出機擠出計量后匯集到同一模頭擠出發泡，即將不同功能的石頭紙母粒經熔融塑化經計量泵計量后擠入同一模頭的1層和7層、2層和6層、3層和5層、4層流道中擠出發泡，得到七層疊加熔融狀擠出物，通過激冷輥得到膜片，再經壓光、冷卻、電暈、收卷即可到七層熔融共擠出石頭紙。

6)采用該方法制備的石頭紙，生產成本低，工藝流程更短，投資更省，具有高效、高成品率的優點，可滿足工業化生產需求。

7)采用該方法制備的石頭紙，挺度好、印刷適應性好，比重低，不透明度高、平滑度好、厚度均勻，各項性能指標符合GB/T22806-2008“白卡紙”的性能指標要求，可用于印制美術印刷品、卡片、名片、包裝紙盒等，具有較好的推廣應用價值。

本文所述的七層熔融共擠出石頭紙制備方法，現已在云南昆鋼石頭紙環保材料有限公司工業化生產。

4 結語

云南昆鋼石頭紙環保材料有限公司自2016年6月采用該制備方法生產石頭紙以來，至今已生產5000多噸，實現銷售收入5600萬元，創造直接經濟效益500多萬元，間接經濟效益2000多萬元。項目的成功實踐，為用碳酸鈣粉等無機粉體為主要原料制造紙張探索了一種可行的新工藝技術，提供了一種新的思路和方法，為包裝行業提供了一種新產品、新材料，為致力于石頭造紙的企業提供了一種新工藝、新設備和可供借鑒的工程實例。項目成果應用于印刷、食品、藥品、一次性餐飲具等行業具有顯著效益。