تولید کاغذ سنگی (بررسی مواد اولیه و فرآیند تولید)
کاغذ سنگی عمدتاً از مقادیر زیادی کانیهای غیرآلی (پودر سنگ) و مقدار کمتری رزین ساخته میشود. این محصول دارای خواص عملکردی مشابه با کاغذ تولید شده از خمیر چوب است. فرآیند تولید کاغذ سنگی در مقایسه با روشهای سنتی کاغذسازی، دوستدار محیط زیستتر است؛ چرا که هیچگونه پسماند مضری نظیر فاضلاب یا گازهای زائد تولید نمیکند.
کاغذ سنگی ۲۰ تا ۳۰ درصد ارزانتر از محصولات جایگزین است. همچنین، این محصول بسیار رقابتی بوده و چشمانداز بازار آن بسیار امیدوارکننده به نظر میرسد.
در این مقاله، به تشریح مواد اولیه مورد استفاده در تولید کاغذ سنگی و نیز فرآیند ساخت آن خواهیم پرداخت تا مزایای منحصر به فرد آن در مقایسه با سایر محصولات کاغذی را برجسته سازیم.
آمادهسازی مواد اولیه کاغذ سنگی و تهیه مستربچ
کاغذ سنگی، به عنوان کاغذی نوین و دوستدار محیط زیست، عمدتاً از پودرهای غیرآلی ساخته میشود که کاربید کلسیم (calcium carbide) ترکیب غالب آن است و معمولاً ۷۰ تا ۸۰ درصد ترکیب را شامل میشود. برای تولید کاغذ سنگی با کیفیت بالا، پیشتیمار دقیق مواد اولیه و آمادهسازی ماده میانی حیاتی – مستربچ – ضروری است. مستربچ با اصلاح رزینهای آلی و پودر کربنات کلسیم ساخته میشود. این ترکیب همچنین حاوی افزودنیهای عملکردی مختلفی است که پایهای محکم برای فرآیند اکستروژن فراهم میکند.
ترکیب مواد اولیه اصلی در کاغذ سنگی
- سنگ آهک (کربنات کلسیم)، ماده اصلی:
- جزء اصلی: مهمترین جزء شیمیایی در سنگ آهک، کربنات کلسیم (CaCO3) است. این ماده، ماده اولیه اصلی مورد استفاده برای کاغذ سنگی به شمار میرود.
- نقش در کاغذ سنگی: کربنات کلسیم به مقدار زیاد و به صورت پودر ریز (اندازه ذرات حدود ۱۰۰۰ مش و حتی تا سطح نانو) به کاغذ سنگی اضافه میشود. این امر به کاغذ سنگی ویژگیهای “سنگی“ آن را میبخشد و وابستگی به الیاف گیاهی و آب سنتی را کاهش میدهد. به همین دلیل، محتوای کربنات کلسیم در کاغذ سنگی بیشتر از رزین آلی است.
- تالک، پرکنندهای که میتواند به عنوان ماده کمکی استفاده شود:
- ترکیب شیمیایی: جزء اصلی تالک، سیلیکات منیزیم آبدار (Mg3Si4O10(OH)2) است.
- نقش در کاغذ سنگی: تالک به مقدار کم و به عنوان یک افزودنی عملکردی به کاغذ سنگی اضافه میشود. این به تنظیم صافی و سفیدی محصول کمک میکند. پودر تالک، با درجه بالایی از ظرافت و سفیدی، برای بهبود ظاهر بصری و بافت سطحی کاغذ سنگی استفاده میشود.
سولفات باریم به عنوان یک افزودنی عملکردی
سولفات باریم (BaSO4) یک نمک غیرآلی است. این ماده در تولید کاغذ سنگی به عنوان یک ماده اصلی برای بهبود خواص چاپی و نوری به کار میرود.
افزودن مقدار مناسبی از باریم به خمیر کاغذ میتواند کیفیت چاپ را نیز بهبود بخشد. همچنین، سولفات باریم سفیدی و کدورت (opacity) کاغذ را افزایش میدهد و آن را برای نوشتن و چاپ مناسبتر میسازد.
نحوه آمادهسازی مستربچ برای کاغذ سنگی
برای آمادهسازی مستربچ، لازم است مواد اولیه زیر با نسبتهای مشخصی با یکدیگر ترکیب شوند:
- رزین سنتزی: به عنوان ماده ماتریس برای مستربچ عمل میکند. این ماده انعطافپذیری و قابلیت فرآیندپذیری لازم را به مستربچ میدهد.
- افزودنیهای شیمیایی: شامل، اما نه محدود به، نرمکنندهها (plasticizers) و روانکنندهها (lubricants). همچنین درخشانکنندهها (brighteners)، پایدارکنندهها (stabilizers) و دهها افزودنی دیگر را نیز در بر میگیرد. هر یک از این افزودنیها نقش خاصی را ایفا میکنند و با همکاری یکدیگر، عملکرد فرآیندی و کیفیت محصول نهایی را بهینه میسازند.
- پودر غیرآلی: عمدتاً کربنات کلسیم است. با این حال، بسته به فرمولاسیون، ممکن است شامل پودرهای تالک، ولاستونیت یا زئولیت، دیاکسید تیتانیوم، یا سایر ذرات غیرآلی نیز باشد تا عملکرد نهایی را تنظیم کند.
سپس، این اجزا از طریق فرآیندهایی نظیر مخلوطسازی شدید، اکستروژن، و دانهبندی به یک مستربچ با عملکرد بالا برای کاغذ سنگی تبدیل میشوند. این مرحله، گام نهایی در آمادهسازی برای تولید در مقیاس وسیع است.
روش کلندرینگ (Calendering Method)
فرآیند: این روش شامل چندین مرحله پیوسته است:
- رزین + مستربچ + رزین
- هماکستروژن (Co-extrusion)
- پیشگرمایش (Preheating)
- کشش (Stretching)
- شکلدهی (Shaping)
- عملیات کرونا (Corona Treatment)
- ️ پوششدهی (Coating)
- برش (Slitting)
- تنظیم عرض (Width Adjustment)
- پیچش (Winding)
- بازرسی (Inspection)
- محصول نهایی (Finished Product).
مزایا:
سطح عالی و کیفیت بالا: سطح کاغذ تولید شده مسطح، صاف و با کیفیت برتر است. این روش، شیوه ارجح برای تولید کاغذ سنگی با کیفیت بالاست.
- عملکرد پایدار، ضخامت دقیق: ضخامت محصول را میتوان با دقت بالایی کنترل کرد و عملکرد آن قابل اعتماد و پایدار است.
- کاربردهای متنوع و سطح اتوماسیون بالا: این دستگاه قادر به تولید کاغذ سنگی با مشخصات و ضخامتهای مختلف است. برای تولیدات صنعتی در مقیاس بزرگ با اتوماسیون بالا مناسب است.
معایب:
فرآیند پیچیده، هزینههای سرمایهگذاری بالا: ساختار تجهیزات پیچیده است و هزینههای سرمایهگذاری بالا، به ویژه برای تجهیزات اصلی مانند کلندر، قابل توجه است.
- فرآیند تولید طولانی، مصرف انرژی بالا: خط تولید دارای فرآیندی طولانی است و انرژی زیادی مصرف میکند.
روش ریختهگری (Casting Method)
فرآیند: این روش نیز دارای مراحل مشخصی است:
- ترکیب مواد اولیه
- مخلوطسازی فشرده و پلاستیکیسازی (Intensive mixing and plasticization)
- دانهبندی اکستروژن (کشش تکمحوری) (Extrusion Granulation (Uniaxial Stretching))
- قالبگیری ریختهگری (Casting Molding)
- خنکسازی و شکلدهی (Cooling and Shaping)
- (اختیاری: عملیات کرونا – پوششدهی)
- برش (Slitting) پیچش (Winding)
- بازرسی (Inspection)
- محصول نهایی (Finished Product).
مزایا:
ترکیب سفتی و استحکام در یک ورق واحد: این روش قادر است کاغذی تولید کند که هم سفت (rigid) و هم مستحکم (strong) باشد.
- فرآیند متوسط، ضخامت قابل تنظیم: سرعت اکستروژن از دای و چرخش غلتک ریختهگری متفاوت است. منحنی مایع به طور یکنواخت بین دای اکسترودر و غلتک خنککننده کشیده میشود. ضخامت کاغذ سنتزی را میتوان برای برآورده کردن نیازهای مختلف محصول تنظیم کرد. این روش از نظر تجهیزات و جریان فرآیند، مقرونبهصرفهتر و معتدلتر از روش کلندرینگ است.
- عملکرد پایدار، ضخامت دقیق: ضخامت محصول را میتوان با دقت بالایی کنترل کرد و عملکرد آن قابل اعتماد و پایدار است.
- کاربردهای متنوع و سطح اتوماسیون بالا: این دستگاه قادر به تولید کاغذ سنگی با مشخصات و ضخامتهای مختلف است. برای تولیدات صنعتی در مقیاس بزرگ با اتوماسیون بالا مناسب است.
معایب:
عملکرد ناهمسانگرد (Anisotropic Performance): عملکرد در جهت طولی (longitudinal) به مراتب بهتر از عملکرد در جهت عرضی (transverse) است.
- صافی سطح کمی پایینتر: صافی سطح ممکن است از روش کلندرینگ کمتر باشد.
- عرض محدود: عرض محصول میتواند تا حدی محدود باشد.
روش کشش دومحوری (Biaxial Stretching Method)
فرآیند: شامل مراحل زیر است:
- مخلوط کردن مواد اولیه
- مخلوطسازی فشرده و پلاستیکیسازی
- دانهبندی اکستروژن / ورق / فیلم
- پیشگرمایش
- کشش طولی (MD) و کشش عرضی (TD)
- تثبیت حرارتی
- خنکسازی و شکلدهی
- (اختیاری) برش و پیچش
- بازرسی و محصول نهایی.
مزایا:
- عملکرد عالی: کاغذ تولیدی، کاغذ سنگی رده بالایی با خواص استثنایی مانند استحکام، سفتی و چقرمگی است. پایداری ابعادی نیز در بالاترین سطح قرار دارد.
- کیفیت بالا، نفیس و متوازن در تمامی جهات: خواص هم در جهت طولی و هم در جهت عرضی کاغذ به خوبی متوازن است. همسانگردی (isotropy) و صافی سطح آن نیز خوب است.
معایب:
- فرآیند بسیار پیچیده، دشواری فنی فوقالعاده: این روش دارای بزرگترین ساختار تجهیزات، پیچیدهترین سیستم کنترل، و دشواری بسیار زیاد در بهینهسازی پارامترها و کنترل کیفیت است.
- سرمایهگذاری بالا، هزینه زیاد: سرمایهگذاری تجهیزات و هزینههای تولید در این فرآیند از تمام روشهای دیگر بالاتر است که کاربرد عمومی آن را محدود میکند.
- محدودیت احتمالی عرض: عرض خطوط تولید کشش دومحوری با عرض زیاد ممکن است همچنان محدود باشد.
روش دمشی فیلم (Film Blowing Method)
فرآیند: شامل مراحل زیر است:
- مخلوط کردن مواد اولیه
- مخلوطسازی فشرده و پلاستیکیسازی (اکستروژن دای حلقوی)
- قالبگیری دمشی فیلم (باد کردن حباب)
- کشش
- پیچش (اختیاری: برش).
مزایا:
- اقتصادی و کارآمد، سرمایهگذاری کم: این روش دارای خروجی و راندمان تولید بالا با کمترین سرمایهگذاری تجهیزاتی در میان چهار فرآیند است.
- آسان برای کار، فرآیند ساده: تجهیزات به راحتی قابل بهرهبرداری و نگهداری هستند.
- یکنواختی ضخامت خوب، ایدهآل برای محصولات نازک: این محصول برای تولید کاغذ سنگی نازک ایدهآل است.
معایب:
- حفاظت محیط زیست نسبتاً پایینتر، محتوای رزین بالا: مقدار زیادی رزین برای اطمینان از قالبگیری استفاده میشود، اما محتوای کربنات کلسیم پایین است. حفاظت محیط زیست آن ممکن است کمی کمتر از سایر روشهای با پرکنندگی بالا باشد.
- ضخامت و عرض محدود، عملکرد متوسط: عملکرد کاغذ متوسط است و از نظر عرض و ضخامت محدودیت دارد.
- صافی سطح کمی پایینتر: صافی سطح ممکن است کمی کمتر از روشهای کلندرینگ و ریختهگری باشد.