Теория мелования бумаги каолином

Каолиновые частицы представляют собой белые чешуйки с гладкой поверхностью. В процессе мелования и каландрирования эти чешуйки накладываются на поверхность волокна таким образом, что их плоскости сохраняют параллельность. Высокая степень параллельности каолиновых чешуек в мелованной бумаге легко обнаруживается рентгеновским методом.

Вудвард и Лионе показали, что частицы каолинита тоньше 2 мк являются единичными чешуйками, а более крупные частицы представляют собой агрегаты таких чешуек. Таким образом, эти авторы объясняют прекрасные кроющие свойства каолинов, в которых все частицы имеют размер меньше 2 мк. Необходимо помнить, что это так называемый эквивалентный сферический диаметр частиц и, следовательно, чешуйки каолина значительно тоньше 2 мк, так что благодаря перекрытию размеров чешуек максимальная величина их будет много меньше 2 мк.

Муррей и Лионе показали, что в общем пригодность каолинов для мелования бумаги возрастает по мере увеличения степени совершенства кристалличности каолинитовых частиц. Они установили, что кристалличность не является функцией размера частиц, т. е. частицы меньше 0,25 мк могут быть хорошо окристаллизованными. Любая примесь монтмориллонита в каолине уменьшает его пригодность для мелования бумаги.

Можно ожидать, что оптимальное распределение частиц по размерам в каолинах для мелования будет изменяться в зависимости от бумажной массы, которая подвергается мелованию. Так, если целлюлозное волокно относительно грубое, то присутствие в каолине некоторого количества более крупных частиц желательно для заполнения промежутков между отдельными волокнами.

Выполнению промежутков благоприятствует концентрация тонкодисперсных частиц какого-либо одного размера. Возрастание количества чрезвычайно тонкодисперсных частиц вызывает увеличение тиксотропии и вязкости. Производители каолина стоят перед дилеммой: получить чрезвычайно тонкодисперсный каолин для достижения максимальной белизны и блеска, реологические свойства которого будут менее подходящими, или наоборот.

Изменения вязкости каолинов иногда связаны с присутствием в них тончайших частиц монтмориллонита. Несколько процентов монтмориллонита сильно увеличат вязкость суспензий каолинита, как это видно из фиг. 8-9. Лионе показал, что удаление тончайших частиц, принимаемых за монтмориллонит, вызывает сильное уменьшение вязкости и улучшает в нужном направлении свойства суспензий каолинов.

Известно много каолинитовых глин, не содержащих примеси монтмориллонита, которые имеют, однако, высокую вязкость. Причина, почему такие каолины обладают повышенной вязкостью, не ясна. Рентгеновский и гранулометрический анализы, электронная микроскопия, определения обменных катионов не обнаружили и не выявили никаких изменений минерального состава, химизма, размеров или формы частиц, текстуры, которые могли бы в каждом случае объяснить необычные реологические свойства. Миллман показал, что механическая обработка необогащенных каолинов с добавкой воды до получения консистенции замазки уменьшает вязкость. Он пришел к выводу, что такая обработка увеличивает дисперсность каолинов, приводит к появлению частиц, имеющих большее отношение толщины к длине, и в то же время такая обработка создает систему частиц, которая связывает наименьший объем воды. Считают, что каолины, обладающие наибольшей вязкостью, состоят из наиболее тонких чешуек. Механическая обработка, видимо, разрушает эти чешуйки поперек их длины, вследствие чего образуются более изометричные, а иногда и угловатые частицы. Этот процесс может быть осуществлен на машинах, например на глиномялках или червячных прессах. Однако такое объяснение трудно принять. Частицы каолинита обладают хорошей спайностью, параллельной их базальной поверхности, и можно ожидать, что подобная обработка будет расслаивать частицы каолинита на еще более тонкие чешуйки. Электронные микрофотографии, сделанные до и после обработки, обычно не показывают различий, которые можно было бы ожидать на основании теории Миллмана.

Вероятно, различия вязкости чисто каолинитовых глин каким-то образом связаны с поверхностными свойствами каолинитовых частиц и с изменениями их формы, которые чрезвычайно трудно обнаружить. Эти поверхностные свойства вызваны небольшими изменениями в кристаллической решетке каолинита, т. е. небольшим числом изоморфных замещений, различиями в нарушенных связях или различиями в адсорбированных ионах, связанных с поверхностью. Различия в форме частиц проявляются в присутствии частиц с резкими очертаниями.