碳酸钙在造纸领域的应用及发展趋势

造纸是把经过制浆工艺得到的纸浆，经过打浆、配料，再送造纸机成形、压榨脱水、干燥和表面处理等工段，生产出满足各种要求的纸页。碳酸钙在造纸中的应用主要在两个方面：一是作为造纸填料，二是作为涂布颜料。

图源：白瑞

（ 1 ） 填料

在纸张中加入填料的主要目的有：填料分散于浆料纤维间将空隙填充，改善纸张的不透明度、白度等光学性质；改进纸张的吸油墨性，使纸张具有更好的印刷适性；满足纸张某些特殊性能要求，如提高纸张的导电性、耐热性等；减少纤维原料的使用，降低生产成本；填料具有大的比表面积，有助于克服树脂障碍。

碳酸钙用作造纸填料的优点有：来源丰富，价格便宜；颗粒细，白度高，能显著提高纸张不透明度；吸油墨速度快，能增加纸的吸墨性；能使纸张比较柔软、紧密，光泽度高；对纸张的物理强度影响较小。

主要纸种碳酸钙填料加入

（ 2 ） 颜料

作为涂布颜料涂布的目的是改善纸张或纸板最终印刷产品的质量和均匀性，颜料涂布主要目标是获得更好的光学性能、平滑度和光泽度。

碳酸钙是一种来源广泛，价格低廉的原料。由于其白度高，流动性好，适宜配制高固含量涂料；对胶黏剂的需求量较低，可以改善涂层的油墨吸收性；能提供良好的白度和色调，提高透气性；是使用最为普遍的涂布颜料之一。

碳酸钙颜料在涂料颜料总量中的比例

（ 1 ）重质碳酸钙

即使与造纸行业中广受好评的高岭土相较，重质碳酸钙也具备一定优势，且有自己的发展道路。碳酸钙的价格更便宜，白度更高，油墨吸收性和通气性更好，填充和涂布的纸张抗腐蚀性和耐久性更好。然而过量添加重质碳酸钙也会造成纤维间结合的隔断，从而导致纸张强度、松厚度和挺度降低等损纸现象，为了克服这些影响，重质碳酸钙在使用前往往需进行改性处理。

研究表明，重质碳酸钙经过纳米包覆后，其颗粒棱角钝化，分散均匀，表面性能得到改善。用到造纸中对纸张的性能有所改善，能够提高纸张的抗张指数、留着率、耐破指数、撕裂指数、耐折度，降低纸张对水的吸收率。

重质碳酸钙和轻质碳酸钙的性能比较

（ 2 ）轻质碳酸钙

除了重质碳酸钙之外，轻质碳酸钙在造纸中的应用也被寄予厚望，且有不可替代的高档产品。轻质碳酸钙的质量比重质碳酸钙更好，它的粒子细、多孔、粒径分布窄、形貌丰富，具有粒度细、白度高、价格适中、起泡性低和印刷适应性好等优点，非常适合用做造纸填料，可以基本满足纸张印刷和光学性能要求，故有些高档纸中填料开始使用轻质碳酸钙，尤其是日本已经率先应用短晶须碳酸钙作为造纸填料。

但是轻质碳酸钙与纸浆纤维之间无结合力，致使其留着率很低。因此，轻质碳酸钙在使用前往往也需要改性处理。有研究指出，改性后轻质碳酸钙悬浮液表观粘度降低，分散性能增强；轻质碳酸钙与树枝状聚合物以化学键结合在一起；改性后的轻质碳酸钙用作造纸填料时，填料留着率明显提高。

（ 3 ）纳米碳酸钙

纳米碳酸钙是 20 世纪 80 年代发展起来的一种粒径在 1 ～ 100nm 之间的新型超细固体材料，和普通碳酸钙比较，它具有粒子细、比表面积大、白度高等特点，可同时作为造纸填料和涂料使用。

造纸时使用纳米级碳酸钙具有诸多优点：

① 对纸机的磨损较小 ；

② 可以提高纸张的强度、白度、不透明度和平整光滑度 ；

③ 赋予纸张较好的柔软性和可塑性，以及对水和油墨的优良吸收性能 ；

④使纸张既不容易发黄又不容易发脆，并且具有良好的隔离性能等；

⑤改变涂料制备液的流变性能；

⑥实现涂料加工纸的功能化，如绝缘、导电、抗菌性能等。

纳米碳酸钙在卷烟纸、杂志纸、字典纸、新闻纸、书籍纸中的填充量达 5% ～ 30% 。而在定量涂布纸、无光泽铜版纸等特殊纸制品中，纳米碳酸钙含量甚至高达 80% 以上，具有独特的优越性能。也有研究指出，纳米碳酸钙作为造纸填料，可用在特殊纸制品的制作方面，如尿不湿、卫生巾、彩喷打印纸、纸巾及透气膜等。

然而，纳米碳酸钙也具有耐酸性差、表面亲水疏油和容易发生团聚现象等缺点。为了克服这些缺点，学者们通过表面物理包覆改性、高能表面改性和机械化学改性等方法对纳米碳酸钙进行表面改性。

（ 4 ） 复配碳酸钙

由上述可知，各种碳酸钙都可以在造纸行业应用，因此灵活的碳酸钙复配方案亦可为造纸提供更好的定制化配方。例如，将少量纳米碳酸钙掺入普通的涂料配方中，在同样的胶粘剂、分散剂用量的情况下，也可以提高涂层的强度、平滑度，对油墨的吸收性能也有一定的改善。

由于传统填料通常不能与纤维形成有效结合，用改性剂对填料进行改性可以增强填料与纤维之间的相容性。众多研究已经表明使用生物质材料及其衍生物对填料进行改性，可以减轻添加填料对纸张强度的负面影响，提高填料的保留率。例如，利用纤维素及其衍生物作为改性剂对研磨碳酸钙进行改性，改性后的碳酸钙 留着率可提高至 85.0%-90.0% 。

此外，将农业、造纸等行业产生的生物质废料制备成生物质填料或增强剂在造纸过程中加以利用，以替代部分造纸纤维原料达到降低生产成本和改善成纸物理强度性能的目的，是一个有实际意义的研究方向。

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