แคลเซียมคาร์บอเนต อุตสาหกรรมกระดาษ

การใช้แคลเซียมคาร์บอเนตในอุตสาหกรรมกระดาษ

จากการเปลี่ยนกรรมวิธีการผลิตกระดาษจากแบบกรด (PH ประมาณ 2) มาเป็นแบบอัลดาไลน์ (PH ประมาณ 7) ตั้งแต่มี ค.ศ. 1980 ทำ ให้ปริมาณการใช้แร่แคลเซียมคาร์บอเนตในอุตสาหกรรมกระดาษทั่วโลกมีแนวโน้ม สูงขึ้นในขณะที่แร่ตัวอื่นมีปริมาณการใช้น้อยลงเนื่องจากกรรมวิธีการผลิตกระ ดาษแบบอัลดาไลน์ เป็นผลดีต่อสิ่งแวดล้อมเพิ่มความแข็งแรงของอายุการใช้งานให้กับกระดาษเพราะ ขบวนการผลิตแบบอัลดาไลน์ทำลายเนื้อเยื่อของไม้น้อยกว่าขยวนการผลิตกระดาษ แบบกรด 

การใช้แคลเซียมคาร์บอเนตเป็นตัวเติม (filler) ในการผลิตกระดาษแคลเซียมคาร์บอเนตจะทำหน้าที่เป็นตัวเติมที่มีประโยชน์สูง (functional filler) เนื่องจากมีคุณสมบัติที่ดี มากกว่าจะใช้เป็นตัวเติมเพื่อเพิ่มปริมาณ (extender filler) แต่เพียงอย่างเดียว

ในเนื้อกระดาษจะประกอบไปด้วยโครงร่างตาข่ายของเนื้อเยื่อไม้ และรูขนาดเล็กจำนวนมากที่ส่งผลต่อคุณสมบัติที่สำคัญของกระดาษในด้านความทึบแสงที่เกิดจากการกระจายแสงระหว่างเนื้อเยื่อไม้และอากาศที่รูขนาดเล็ก  ซึ่งขนาดของรูมักขึ้นอยู่กับชนิดและขนาดของเนื้อเยื่อไม้ที่นำมาใช้ผลิตกระดาษ โดยปกติในกระบวนการหรือกรรมวิธีผลิตภระดาษ มักจะได้เนื้อเยื่อกระดาษซึ่งมีขนาดของรูในเนื้อกระดาษที่ใหญ่เกินไป ทำให้กระดาษไม่ทึบแสง จึงต้องมีการะติมแคลเซียมคารร์บอเนตลงไป เพื่อให้เกิดความเหมาะสมในการนำกระดาษไปใช้งาน ในอุตสาหกรรมกระดาษแคลเซียมคาร์บอเนตจะใช้เป็นเติมเต็ม ที่มีประโยชน์ในด้านช่วยปรับปรุงคุณสมบัติอื่นๆด้วย ในขณะที่แร่ตัวเติมอื่นๆ จะใช้เป็นตัวเติมเพื่อเพิ่มปริมาณแต่เพียงอย่างเดียวและการเติมอนุภาคแคลเซียมคาร์บอเนตลงในเนื้อเยื่อกระดาษจะเป็นการช่วยทำให้ปริมาณการใช้เนื้อเยื่อไม้ลดลง ซึ่งส่งผลต่อต้นทุนการผลิตกระดาษที่ลดลงด้วย  แต่หากถ้าใช้ตัวเติมเต็มมากเกินไปจะทำให้ความแข็งแรงของกระดาษลดลง อัตรการใช้แร่ตัวเติมที่เหมาะสมคือร้อยละ 18-20  โดยน้ำหนักของเนื้อเยื่อของกระดาษทั้งหมด และขนาดอนุภาคของตัวเติมในเนื้อเยื่อกระดาษที่เหมาะสม ควรมีขนาดอยู่ระหว่าง 0.3-2.5 ไมครอน

ในทางทฤษฎีมีแร่สีขาวมากกว่า 20 ชนิด ที่สามารถใช้เป็นตัวเติมหรือตัวเคลือบในอุตสาหกรรมกระดาษได้ การเลือกใช้แร่ชนิดใดจะมีปัจจัยในการพิจารณาหลายประการ ได้แก่ ราคาของแร่ที่ใช้เป็นตัวเติม ความสะดวกในการนำแร่มาใช้งาน ขนาด รูปร่าง และการกระจายตัวของอนุภาค พื้นผิว ประจุที่พื้นผิว ความขาวและความสว่างของแร่ ดัชนีการหักเห ความถ่วงจำเพาะ การทำปฏิกริยาและการซึมซับต่อสารเคมีต่าง ๆ ในทางปฏิบัติจะมีแร่เพียง 4 ชนิด ที่ใช้เป็นตัวเติมและตัวเคลือบมากกว่า 90% ของแร่ที่ใช้จริงได้แก่ แร่กลุ่มดินขาว แร่แคลเซียมคาร์บอเนต แร่ทัลก์ และไททาเนียมไดออกไซด์ 

          แคลเซียมคาร์บอเนตนอกจากจะใช้เป็นตัวเติมในกระดาษ แล้วยังสามารถนำมาใช้เป็นตัวเคลือบทำให้ผิวกระดาษเรียบร้อยได้อีกด้วย ซึ่งจะทำให้กระดาษมีคุณสมบัติด้านการดูดซับน้ำหมึก  การพิมพ์ Solid Printing Areas การพิมพ์ Half-Tones และการพิมพ์สี่สีดีขึ้น การใช้แคลเซียมคาร์บอเนตเป็นตัวเคลือบมักจะนำไปผสมกับอนุภาคอื่นๆ ได้แก่ แร่ไททาเนียมไดออกไซด์ แร่ดินขาว อนุภาคพลาสติก โดยใช้สารจำพวกโปรตีน หรือแป้งที่ละลายได้หรือกาว เป็นตัวผสมหรือตัวเชื่อมซึ่งจะทำให้ส่วนผสมของตัวเคลือบกระดาษเข้ากันได้ดี แคลเซียมคาร์บอเนตใช้ในอุตสาหกรรมกระดาษและเนื้อเยื่อกระดา ประเภทต่างๆ เช่น กระดาษพิมพ์เขียน  กระดาษอาร็ตมันและกระดาษที่ใช้ในสำนักงาน กระดาษถ่ายเอกสาร  กระดาษโรเนียว  กระดาษสื่อสิ่งพิมพ์ทุกชนิด รวมทั้งกระดาษกล่องบรรจุภัณฑ์ชนิดต่างๆ

ดินขาว (Kaelin)

ดินขาว (Kaelin)  

ดินขาวเป็นแร่ที่สำคัญและมีปริมาณการใช้ที่สูงที่สุดในอุตสาหกรรมกระดาษ ซึ่งมีบทบาททั้งในแง่ของการใช้เป็นสารตัวเติมและเป็นตัวเคลือบ โดยมีสัดส่วนการใช้ถึง 45 – 60% เมื่อเปรียบเทียบกับแร่ชนิดอื่นที่ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมชนิดนี้ ปริมาณการใช้ดินขาวที่เคยสูงถูกลดบทบาทลงเมื่อมีกระบวนการผลิตกระดาษโดยใช้ ด่าง (Alkaline Sizing Process) ซึ่งค่อย ๆ แทรกซึมและแบ่งสัดส่วนการตลาดของดินขาวอันเนื่องมาจากราคาแร่กลุ่มคาร์บอเนต ที่มีราคาถูกกว่า ซึ่งเป็นวัตถุดิบที่สำคัญในกรรมวิธีการผลิตกระดาษแบบใช้ด่าง ปริมาณการใช้ดินขาวในอุตสาหกรรมทั่วโลกมีประมาณปีละ 10 ล้านตัน แต่สัดส่วนการใช้ในปัจจุบันกำลังมีแนวโน้มลดลง 

ทัลก์ (Talc)

 ทัลก์ (Talc)  

การใช้ทัลก์ในอุตสาหกรรมกระดาษ คือ ช่วยลดความพรุนในเนื้อกระดาษและช่วยเพิ่มความทึกแสง นอกจากนี้ยังทำให้ผิวกระดาษมีความเนียนเรียบและยืดอายุการใช้งานของกระดาษ ได้ เนื่องจากทัลก์ช่วยในการปรับดัชนีความเหลือง (Yellow Index) ของกระดาษให้ดีขึ้น และมีความคมน้อยเมื่อเทียบกับสารตัวเติมและสารเคลือบในแร่กลุ่มอื่น ปริมาณการใช้ทัลก์ในอุตสาหกรรมกระดาษทั่วโลกมีประมาณปีละ 3.5 ล้านตัน แต่ปัจจุบันกำลังมีแนวโน้มลดลงเช่นเดียวกับแร่กลุ่มดินขาว เนื่องจากถูกแทนที่โดยแร่ในกลุ่มแคลเซียมคาร์บอเนต 

ไททาเนียมไดออกไซด์

 ไททาเนียมไดออกไซด์ (Titanium Dioxide)  

ไททาเนียมไดออกไซด์เป็นวัตถุดิบสำคัญสำหรับผลิตกระดาษ ที่มีคุณภาพสูงเช่น กระดาษพิมพ์อย่างดี เป็นต้น แต่เนื่องจากไททาเนียมไดออกไซด์ เป็นแร่ที่มีราคาแพงกว่าแร่กลุ่มอื่น ๆ ที่ใช้เป็นตัวเติมและตัวเคลือบในอุตสาหกรรมกระดาษ จึงทำให้ปริมาณการใช้ในปัจจุบันมีปริมาณลดลง โดยผู้ผลิตส่วนใหญ่จะเปลี่ยนมาใช้แร่กลุ่มดินขาว แคลเซียมคาร์บอเนตและทัลก์ ในกระบวนการผลิตแทน 

แคลเซียมคาร์บอเนต อุตสาหกรรมสี

การใช้แคลเซียมคาร์บอเนตในอุตสาหกรรมสี

ในอุตสาหกรรมสีจะใช้แคลเซียมคาร์บอเนตเป็นตัวเติม (Filler) ที่สำคัญโดยมีคุณสมบัติทำให้สีมีความต่อเนื่องและเป็นเนื้อเดียวกัน นอกจากนี้แคลเซียมคาร์บอเนตยังใช้แทนไททาเนียมไดออกไซด์  ซึ่งมีราคาสูงกว่า เพื่อทำให้สีความเงามากขึ้น  โดยเฉพาะสีที่ใช้ในงานก่อสร้างอาคาร สีที่ใช้ในงานตกแต่ง  ส่วนสีที่ใช้ในงานจราจรบนถนนแคลเซียมคาร์บอเนตเป็นทั้งตัวเติมและตัวเพิ่มปริมาณเนื้อสี

การใช้ประโยชน์แคลเซียมคาร์บอเนตในอุตสาหกรรมสี 

คุณลักษณะของแร่แคลไซต์ซึ่งใช้ทำสี กำหนดตามขนาดของเม็ดแร่ แบ่งออกเป็น 4 เกรด 

เกรด 1 ใช้ทำสีมีขนาดเม็ดแร่ละเอียด (Fine paint grade) 

- ขนาดของเม็ดแร่ 1.5 – 2.0 ไมครอน
       - วัตถุหยาบค้างบนตะแกรงขนาด 325 เมช (45ไมครอน) สูงสุด 0.05 เปอร์เซ็นต์
       - เส้นผ่าศูนย์กลางผิวหน้าของเม็ดแร่ (Specific surface diameter) สูงสุด 2.5 ไมครอน 

เกรด 2 ใช้ทำสีมีขนาดเม็ดแร่หยาบ (Course paint grade) 

- ขนาดของเม็ดแร่ 4 – 5 ไมครอน
             - วัตถุหยาบค้างบนตะแกรงขนาด 325 เมช (45 ไมครอน)สูงสุด 0.05 เปอร์เซ็นต์
             - เส้นผ่าศูนย์กลางผิวหน้าของเม็ดแร่ (SSD) สูงสุด 6 ไมครอน 

เกรด 3 ใช้เป็นวัตถุเหลวสำหรับอุดเนื้อไม้ก่อนลงสี (Filler grade) 

- ขนาดของเม็ดแร่ 10 – 45 ไมครอน
             - วัตถุหยาบค้างบนตะแกรงขนาด 325 เมช (45 ไมครอน) สูงสุด 25 เปอร์เซ็นต์
             - เส้นผ่าศูนย์กลางผิวหน้าของเม็ดแร่ (SSD) สูงสุด 9 ไมครอน 

เกรด 4 เกรดผงสำหรับยากันรั่ว (Putty powder grade) 

- ขนาดของเม็ดแร่มีความละเอียดน้อย
             - วัตถุหยาบค้างบนตะแกรงขนาด 200 เมช (75 ไมครอน) สูงสุด 30 เปอร์เซ็นต์
             - เส้นผ่าศูนย์กลางผิวหน้าของเม็ดแร่ (SSD) สูงสุด 12 ไมครอน 

แคลเซียมคาร์บอเนต อุตสาหกรรมพลาสติก

การใช้แคลเซียมคาร์บอเนตในอุตสาหกรรมพลาสติก

          แคลเซียมคาร์บอเนตถูกนำไปเป็นตัวเติม (Filler) มากกว่าตัวเติมชนิดอื่นๆ พลาสติกที่ใช้แคลเซียมคาร์บอเนตชนิด PCC เคลือบด้วย Resin เป็นตัวเติมจะรับแรงกระแทกได้ดีและมีสภาพผิวสม่ำเสมอ นอกจากนี้ แคลเซียมคาร์บอเนตยังมีความขาวสูง มีดัชนีการหักเหใกล้เคียงการกับสารพลาสติก แคลเซียมคาร์บอเนตที่ใช้ในอุตสาหกรรมพลาสติกส่วนใหญ่เป็นชนิด GCC ที่ได้จากการบด

          คุณสมบัติที่เหมาะสมของแคลเซียมคาร์บอเนตสำหรับปรับปรุงเนื้อพลาสติกให้ดีขึ้นมีดังนี้มีความบริสุทธิ์สูง ไม่มีโลหะที่ก่อให้เกิดปฏิกิริยา ไม่เกาะตัวกันเป็นกลุ่มก้อนไม่ดูดกลืนสารเติมแต่งอื่นๆ และมีพื้นผิวจำเพาะตัวมีความขาวสูง ไม่กัดกร่อนชิ้นงานของเครื่องจักร กระจายตัวได้ดีลดการหดตัว ปรับปรุงสภาพผิวของชิ้นงาน เพิ่มการรับแรง ไม่มีพิษ ไม่มีกลิ่น ทดความร้อนได้สูงถึง 600 องศาเซลเซียส ด้วยคุณสมบัติของแคลเซียมคาร์บอเนตที่ดูดซึมน้ำมันได้น้อย สามารถนำไปเคลือบผิวของพลาสติก ทำให้พลาสติกมีคุณสมบัติ มีความเงาหรือความมันเพิ่มขึ้น มีคุณสมบัติต้านทานไฟฟ้าดีขึ้น ทนทานต่อแรงบีบอัด ควบคุมการหดตัวของพลาสติก ทำให้ผลิตภัณฑ์จากพลาสติกทนทานต่อสภาพภูมิอากาศมากขึ้น สำหรับพลาสติกที่มีแคลเซียมคาร์บออเนตเป็นส่วนประกอบที่พบพบเห็นโดยทั่วไปได้แก่ จานปิดดุมล้อรถยนต์ แผ่นพลาสติกปิดหน้าปัดรถยนต์ แผ่นยางกันน้ำ กระเบื้องยาง พลาสติกที่ใช้เคลือบลวดหรือสายไฟ จานไมโครเวฟ ภาชนะใส่อาหารชนิดเมลามีน และแผ่นฟิล์มพลาสติกซึ่งใช้ในผ้าอ้อม ผ้าอนามัย และทางการแพทย์รวมทั้งในผลิตภัณฑ์ PVC ชนิดต่างๆ เช่น หนังเทียม พลาสติกหุ้มสายไฟและสายโทรศัพท์ ท่อพีวีซี พีอี พีบี  ประตูพีวีซี เม็ดพลาสติก พลาสติกวิศวกรรมสนรถยนต์ ชิ้นส่วนโทรศัพท์ คอมพิวเตอร์

แคลเซียมคาร์บอเนต อุตสาหกรรมยาง

การใช้แคลเซียมคาร์บอเนตในอุตสาหกรรมยาง

    ในอุตสาหกรรมยางใช้แคลเซียมคาร์บอเนตเป็นตัวเติม (Filler) ซึ่งใช้มากในการผลิตยางรถยนต์ ถุงมือยาง และผลิตภัณฑ์ที่ทำจากยางชนิดอื่นๆ เช่น ยางในและยางนอกรถยนต์ รถจักรยานยนต์ รถจักรยาน รองเท้า รวมทั้งสายพานสำหรับลำเลียงขนถ่ายสินค้า

     อุตสาหกรรมยาง ใช้แคลเซียมคาร์บอเนตเป็นตัวเติมในผลิตภัณฑ์ยางที่ไม่ใช่สีดำ เนื่องจากแคลเซียมคาร์บอเนตจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงให้ยาง โดยที่ความแข็งแรงจะเพิ่มขึ้นตามขนาดที่เล็กลงของผงแคลเซียมคาร์บอเนตที่ใช้ แคลเซียมคาร์บอเนตชนิดตกตะกอน(Precipitated CaCo3: PCC)  ชนิดเคลือบผิวด้วยกรดไขมันต่างๆ มีสมบัติเหมาะสมกับการใช้เป็นตัวเติมในยางเพราะมีการกระจายตัวดีและช่วยทำ ให้กรรมวิธีการผลิตง่ายขึ้น

การศึกษาอิทธิพลของปริมาณสารตัวเติมแคลเซียมคาร์บอเนต ที่มีผลต่อสมบัติทางกายภาพของยางฟองน้ำชนิดตันที่เตรียมได้จากน้ำยางธรรมชาติเพื่อลดต้นทุน โดยใช้น้ำยางข้นชนิดแอมโมเนียสูงและสารตัวเติม 50% แคลเซียมคาร์บอเนตในปริมาณ 0 , 5 , 10 , 20 และ 30 phr สำหรับกระบวนการเตรียมยางฟองน้ำนั้นใช้วิธีการเตรียมแบบดันลอป โดยมีลำดับการเติม CaCO3 ก่อนและหลังการเติม K–oleate พบว่า วิธีการเติม CaCO3 ก่อนการเติม K–oleate ช่วยทำให้สมบัติโดยรวมของยางฟองน้ำดีขึ้นแต่ตัวอย่างยางฟองน้ำที่ได้มีผิวหน้าของตัวอย่างยางฟองน้ำไม่เรียบเนียน มีลักษณะเป็นหลุมตื้นๆ ลักษณะฟองยางไม่สม่ำเสมอและยางฟองน้ำมีการยุบตัว และเมื่อปริมาณสารตัวเติมแคลเซียมคาร์บอเนตเพิ่มขึ้นตัวอย่างยางฟองน้ำมีการยุบตัวมากขึ้นเห็นได้ชัดที่ปริมาณ CaCO3 10 , 20 และ 30 phr สำหรับวิธีการเติม CaCO3 หลังการเติม K–oleate ตัวอย่างยางฟองน้ำที่เติม CaCO3 20 phr และ 30 phr ตัวอย่างที่ได้ค่อนข้างแข็ง หยาบและมีการยุบตัว ขณะที่การเติม CaCO3 ที่ปริมาณ 5 และ 10 phr จะได้ตัวอย่างยางฟองน้ำที่มีลักษณะทั่วไปค่อนข้างดีกล่าวคือ ผิวหน้าของตัวอย่างยางฟองน้ำเรียบเนียนและลักษณะฟองยางค่อนข้างสม่ำเสมอ 

เมื่อพิจารณาจากผลการทดสอบอื่นจะเห็นได้ว่า ตัวอย่างยางฟองน้ำที่เติม CaCO3 10 phr มีสมบัติความแข็งและดัชนีความแข็งเชิงกดดีกว่าตัวอย่างยางฟองน้ำที่เติม CaCO3 5 phr ขณะที่ตัวอย่างยางฟองน้ำที่เติม CaCO3 5 phr มีสมบัติความทนแรงอัดซ้ำคงที่ การยุบตัวเนื่องจากแรงกดและการบ่มเร่งดีกว่าตัวอย่างยางฟองน้ำที่เติม CaCO3 10 phr และเมื่อนำผลการทดสอบที่ได้มาเปรียบเทียบกับมาตรฐาน มอก. 1425-2540 พบว่ายางฟองน้ำที่เติม CaCO3 5 phr จะมีสมบัติที่ผ่านตามมาตรฐาน 

ดังนั้นจากงานวิจัยนี้การเลือกใช้วิธีการเติม CaCO3 หลังการเติม K–oleate จะได้ตัวอย่างยางฟองน้ำที่มีลักษณะทั่วไปค่อนข้างดี   และเพื่อให้สามารถนำยางฟองน้ำไปใช้งานได้หลากหลาย  จึงพิจารณาจากสมบัติความทนแรงอัดซ้ำคงที่  การยุบตัวเนื่องจากแรงกด และการบ่มเร่งด้วยความร้อน สรุปได้ว่าการเติม CaCO3 ปริมาณ 5 phr จึงเป็นสูตรที่เหมาะสำหรับใช้ในการเตรียมยางฟองน้ำ 

จากการคำนวณต้นทุนราคาวัตถุดิบพบว่าการผลิตยางฟองน้ำ 1 กิโลกรัม ถ้าใช้สารตัวเติม 50% CaCO3 ปริมาณ 5 phr ต้นทุนราคาวัตถุดิบจะลดลงประมาณ 3.37 บาทต่อกิโลกรัม จากการทดสอบการทำงานของเครื่องต้นแบบพบว่า เครื่องต้นแบบสามารถผลิตยางฟองน้ำได้แต่ลักษณะทั่วไปของยางฟองน้ำยังไม่ดีนักแต่เมื่อนำตัวอย่างยางฟองน้ำไปทดสอบสมบัติทางกายภาพพบว่า ตัวอย่างยางฟองน้ำที่เตรียมด้วยเครื่องต้นแบบ แล้วจึงนำยางฟองน้ำมาเติม 50% ZnO และ 12.5% SSF ภายหลังนั้นยางฟองน้ำที่ได้มีสมบัติทางกายภาพที่ค่อนข้างดีแต่อาจต้องปรับปรุงเกี่ยวกับสมบัติลักษณะทั่วไป นอกจากนี้ยังได้มีการพัฒนารูปแบบผลิตภัณฑ์ยางฟองน้ำหลายชนิดเพื่อการนำใช้ประโยชน์ที่หลากหลายมากขึ้นและตามความต้องการของตลาด