نظرة عامة 

يتركز إنتاج وتطبيق كربونات الكالسيوم المترسبة (PCC) بشكل أساسي في الولايات المتحدة والصين واليابان وأوروبا الغربية. وتبلغ الطاقة الإنتاجية لهذه المنشأة عشرات الملايين من الأطنان من المنتجات. ويرد في الجدول 13-1 تفصيل لهيكل استهلاك كربونات الكالسيوم الخفيفة في الولايات المتحدة واليابان وأوروبا الغربية في عام 2000.

الجدول 13-1 هيكل استهلاك كربونات الكالسيوم الخفيفة الوحدة: 10,000 طن/سنة

① يُدرج إجمالي استهلاك المواد البلاستيكية والدهانات والمواد المرنة وغيرها في عمود «البلاستيك» في اليابان.

يوضح الجدول 13-2 هيكل استهلاك مادة PCC في الصين.

الجدول 13-2: مجالات استهلاك كربونات الكالسيوم والتوقعات المتعلقة بها في الصين

يتضح من الجدولين 13-1 و13-2 أن استهلاك الورق في صناعة الكمبيوتر الشخصي (PCC) يحتل المرتبة الأولى بين جميع الصناعات في البلدان المتقدمة مثل الولايات المتحدة واليابان وأوروبا الغربية. غير أن الصين تحتل حالياً المرتبة الثالثة أو الرابعة.

في صناعة الورق، ومع التحول في تكنولوجيا التلبيس من التلبيس الحمضي إلى التلبيس القلوي المحايد خلال عملية صناعة الورق، انفتح سوق محتمل ضخم لاستخدام كربونات الكالسيوم. وباعتبارها مادة حشو للورق، توفر كربونات الكالسيوم درجة عالية من البياض وتشتتًا جيدًا للضوء. يتميز الورق الذي يحتوي عليه بحجم أكبر، ومرونة ونعومة أفضل، وسطح ناعم، مما يحسّن أداء الورق بشكل كبير ويحقق فوائد اقتصادية واضحة لمصانع الورق. لذلك، تحولت معظم مصانع الورق في أوروبا وأمريكا واليابان من عمليات التثبيت الحمضي إلى عمليات التثبيت القلوية المحايدة. وفي السنوات الأخيرة، بدأت صناعة الورق في الصين أيضًا في التحول من تقنية التثبيت الحمضي إلى تقنية التثبيت القلوية المحايدة. وقد أدرجت وزارة الصناعة الخفيفة السابقة تقنية التحجيم القلوية المحايدة كأحد المشاريع الوطنية الرئيسية التي يجب تعزيزها خلال فترة “الخطة الخمسية الثامنة”. وهذا يتطلب التطوير المستمر لمنتجات كربونات الكالسيوم الجديدة لتلبية متطلبات صناعة الورق.

يُستخدم كربونات الكالسيوم الخفيفة (PCC) بشكل أساسي كمواد حشو في صناعة الورق القلوية، بينما تُستخدم نسبة أقل منها كصبغة. كما أنها تُستخدم على نطاق واسع في سوق اللب للأنواع الخالية من الخشب. وبالمقارنة مع الكاولين وكربونات الكالسيوم المطحونة (GCC)، تتميز هذه المادة بخصائص فيزيائية ممتازة مثل الشفافية العالية، والكثافة العالية، والقدرة العالية على التضخيم، وحجم الجسيمات المتجانس، وقوة تثبيت الصبغة. في الولايات المتحدة، بالنسبة لأوراق الكتابة غير المطلية الخالية من الخشب والأوراق عالية الجودة، بدأ كربونات الكالسيوم الخفيفة (PCC) في استبدال مواد الحشو الأخرى مثل الكاولين غير اللامع وثاني أكسيد التيتانيوم. وبأخذ الولايات المتحدة، التي تعد حاليًّا أكبر منتج ومستهلك للورق في العالم، كمثال، يُعرض أدناه الاستخدام الحالي والمتوقع (2005) لمختلف المواد المعدنية في صناعة الورق.

(1) مواد معدنية متنوعة تُستخدم في حشو الورق

(2) مواد معدنية متنوعة تُستخدم في طلاء الورق

تُظهر البيانات الواردة أعلاه أنه بحلول عام 2005، سيبلغ معدل نمو مادة PCC في سوق حشو الورق 4%، وفي سوق الطلاء 5%. ومع ذلك، فإن قاعدة السوق العالمية للمواد المالئة المعدنية في صناعة الورق ضخمة، حيث يبلغ الطلب على المواد المالئة 25,000 كيلو طن سنويًا، والطلب على مواد الطلاء 6,000 كيلو طن سنويًا. وبالتالي، تبلغ الزيادة في الطلب على الحشو حوالي 1,000 كيلو طن سنويًا، والطلب على الطلاء حوالي 300 كيلو طن سنويًا، بإجمالي 1,300 كيلو طن سنويًا.

شهدت صناعة الورق في الصين نمواً سريعاً مواكباً لنمو الاقتصاد الوطني. ومنذ التسعينيات، حافظ كل من إجمالي إنتاج الورق والورق المقوى وإجمالي استهلاكهما في الصين على معدلات نمو عالية. في عام 1999، بلغ إجمالي الإنتاج 13,718.7 كيلو طن سنويًا، وبلغ إجمالي الاستهلاك 14,428.7 كيلو طن سنويًا؛ وفي عام 2000، وصل الإنتاج إلى 30,000 كيلو طن سنويًا، وبلغ الاستهلاك 36,500 كيلو طن سنويًا. وتجاوز متوسط معدل النمو السنوي للإنتاج 12%، وتجاوز الاستهلاك 16%. وفي الوقت الحالي، تجاوز استهلاك الصين من الورق والكرتون استهلاك اليابان، مما يجعلها ثاني أكبر مستهلك في العالم بعد الولايات المتحدة. بالنسبة للسنوات العشر إلى الخمس عشرة المقبلة، اقترح خبراء الصناعة بيانات تنبؤية لتطور صناعة الورق في الصين، كما هو موضح في الجدول 13-3.

الجدول 13-3 توقعات تطور صناعة الورق في الصين على مدى 10–15 عامًا

في الوقت الحالي، تستخدم معظم صناعة الورق في الصين الطين كمواد مالئة مع معالجة حمضية، وهو ما يؤدي عادةً إلى تصلب الورق وتلوثه الحمضي بشكل خطير. ووفقًا للإحصاءات، استهلكت صناعة الورق في عام 2000 حوالي 400 كيلو طن من كربونات الكالسيوم الفلورية (PCC)، وفي عام 2002 حوالي 1,000 كيلو طن. وفي المستقبل، مع تطبيق عملية التثبيت القلوية المحايدة، سيزداد الطلب على كربونات الكالسيوم بشكل كبير، اعتمادًا على وتيرة التحول إلى عملية التثبيت القلوية المحايدة في صناعة الورق.

بدأ استخدام كربونات الكالسيوم في صناعة الورق في الثمانينيات، عندما بدأت مصانع الورق الأوروبية والأمريكية في التحول من عمليات صناعة الورق الحمضية إلى العمليات المحايدة والقلوية، مما أرسى الأساس لاستخدام حشوات كربونات الكالسيوم. تعمل عمليات صناعة الورق المحايدة والقلوية على تحسين قوة الورق ومتانته، كما أنها أقل تهديدًا للبيئة بكثير، وتسمح بمستويات أعلى من إضافة الحشو. حتى الآن، تعد عملية صناعة الورق أكبر مستهلك لكربونات الكالسيوم (PCC)، حيث تمثل 73% من الاستهلاك العالمي لـ PCC. يتم استخدام كربونات الكالسيوم الفلورية (PCC) في صناعة الورق بطريقتين مختلفتين: كمواد حشو للورق وكصبغة لطلاء الورق. وتُستخدم بشكل أساسي في حشو الأوراق المطلية الخالية من الخشب (WFO)، بمستوى حشو أقصى يصل إلى 25%، وتكون المنتجات النهائية هي أوراق المكاتب والكتابة، وأوراق المجلات، والأوراق المستخدمة في الكتب أو المواد الإعلانية. وفي الوقت نفسه، يُستخدم الكربونات الفوسفاتية (PCC) أيضًا في الأوراق فائقة التمليس (SC)، ومن المتوقع أن يزداد استخدامها؛ نظرًا لأن الأوراق فائقة التمليس (SC) تتعرض للتهميش تدريجيًا في قطاع ورق الصحف بسبب المنافسة من الأوراق المطلية خفيفة الوزن (LWC)، مما يجبر منتجي الأوراق فائقة التمليس (SC) على زيادة استخدام الكربونات الفوسفاتية (PCC) لخفض التكاليف.

يتميز كربونات الكالسيوم النانوية، باعتبارها مادة حشو للورق، بمزايا عديدة منها: التعتيم العالي، واللمعان العالي، مما يساهم في تحسين بياض وعتمة المنتجات الورقية؛ قدرة عالية على التضخيم، مما يتيح لمصانع الورق استخدام المزيد من الحشو وكمية أقل من اللب، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف المواد الخام؛ حجم جسيمات دقيق وموحد، مما يقلل من تآكل آلات الورق وينتج منتجات ورقية أكثر اتساقًا ونعومة؛ وامتصاص عالي للزيت، مما يحسن تثبيت الصبغة في الأوراق الملونة. في الوقت الحالي، يقتصر استخدام كربونات الكالسيوم النانوية في صناعة الورق بشكل أساسي على الفوط الصحية عالية الجودة، وحفاضات الأطفال، وفوط البول للكبار المخصصة للرعاية المنزلية، وورق السجائر، وأصباغ طلاء الورق.

13.2 الاستخدام في صناعة الورق الصحي عالي الجودة

في مجال الورق الصحي عالي الجودة، يُستخدم كربونات الكالسيوم النانوية بشكل أساسي في إنتاج أغشية البولي إيثيلين القابلة للتنفس ولكن غير القابلة لنفاذ الماء. ويُطلق على هذه الأغشية القابلة للتنفس أيضًا اسم «الأغشية البلاستيكية ذات المسام الدقيقة» أو «الأغشية المصبوبة». لا يزال استخدام الأغشية ذات المسام الدقيقة في مرحلة مبكرة في الصين. وقد أدركت بعض الشركات آفاق التطور وبدأت في إنتاج الأغشية القابلة للتنفس؛ فعلى سبيل المثال، طورت مجموعة تشجيانغ دانان للبلاستيك (Zhejiang Danan Plastic Group) غشاءً من البولي إيثيلين (PE) قابلًا للتنفس. ولا يوجد عدد كبير من المنتجين المحليين للأغشية القابلة للتنفس، كما أن حجم إنتاجهم صغير نسبيًا. وتعتبر مجموعة فوجيان هنغان من الشركات التي تتمتع بجودة عالية وبدأت الإنتاج مبكرًا في الصين. وتستخدم بعض الشركات المصنعة الأخرى معدات للأغشية ذات المسام الدقيقة تأتي بشكل رئيسي من شركة «موساشينو» اليابانية، التي لا تقتصر على إنتاج المعدات فحسب، بل تمتلك أيضًا تقنية حاصلة على براءة اختراع خاصة بالأغشية ذات المسام الدقيقة. وتحتل اليابان المرتبة الأولى عالميًا في استخدام الأغشية ذات المسام الدقيقة. أطلقت شركة «لينزينغ إيه جي» (Lenzing AG) النمساوية معدات صب وتمديد البولي أوليفين، وتقوم بدمج الأغشية القابلة للتنفس مع الأقمشة غير المنسوجة عبر خط الإنتاج لإنتاج منتجات مركبة عالية الأداء، تُستخدم بشكل رئيسي في المنتجات الصحية، والأغشية الطبية الداعمة، والملابس الواقية، بمعدل نفاذية بخار الرطوبة يصل إلى 12 كجم/(م²·24 ساعة). وتقوم شركة «بلاككلاوسون» (BLACKCLAWSON) الأمريكية بإنتاج المعدات، وقد صممت معدات تمدد خاصة للأغشية ذات المسام الدقيقة. ومن بين المنتجين المحليين مجموعة «شاندونغ هواغوان» وشركة «فوشان هواهان للمواد الصحية» المحدودة في مقاطعة قوانغدونغ.

شهدت صناعة الورق الصحي عالي الجودة في الصين نمواً سريعاً في السنوات الأخيرة، لا سيما الفوط الصحية. وبدأت الفوط الطبية الخاصة بالأسرة في الانتشار في المستشفيات الكبيرة والمتوسطة الحجم وبعض المنازل. ونظراً لأن المنتجات الصحية تُعدّ من المواد الاستهلاكية، فإن توقعات الطلب في السوق يجب أن تستند إلى مستويات المعيشة الفعلية وهياكل الاستهلاك لدى السكان الصينيين. وتماشيًا مع أنماط الاستهلاك في الدول المتقدمة، تتوافق مستويات التنمية المختلفة مع هياكل استهلاك مختلفة. فقد حظيت الفوط الصحية النسائية، نظرًا لانخفاض أسعارها نسبيًّا، بشعبية واسعة على مدار ما يقرب من 20 عامًا؛ أما الحفاضات وفوط البول للكبار فهي أغلى ثمناً ولها تاريخ استهلاكي يمتد لحوالي عقد من الزمن في الصين.

مع التحسن المستمر في مستوى معيشة الناس، أدى التقدم التكنولوجي ودخول العلامات التجارية الأجنبية إلى اشتداد المنافسة على مستوى السعر والجودة في قطاع المنتجات الصحية بشكل متزايد، مما عاد بالفائدة على المستهلكين وساهم في توسيع الحصة السوقية. يوجد في الصين حوالي 300 مليون امرأة في سن الإنجاب، ويبلغ إجمالي الطلب المحتمل على الفوط الصحية حوالي 50 مليار قطعة. في عام 1998، بلغ الإنتاج حوالي 27.5 مليار قطعة، بمعدل انتشار أقل من 15%؛ وفي عام 1999، وصل الإنتاج إلى 30 مليار قطعة؛ وفي عام 2000، كان من المتوقع أن يصل إلى 33 مليار قطعة. في الوقت الحالي، يتركز سوق الفوط الصحية في الصين بشكل رئيسي في المدن وتهيمن عليه العلامات التجارية الأجنبية، مثل “Whisper” (Hushubao) التابعة لشركة Procter & Gamble، و“Carefree” (جياوشوانغ)، و“Laurier” (ليريا) التابعة لشركة Kao Corporation. أما العلامة التجارية المحلية الرئيسية فهي “An’ele” التابعة لمجموعة Fujian Heng’an. في الفوط الصحية عالية الجودة، يُستخدم كربونات الكالسيوم فائقة الدقة بشكل رئيسي في إنتاج أغشية البولي إيثيلين القابلة للتنفس ولكن غير القابلة لنفاذ الماء. ووفقًا لمسح أُجري، تستهلك مجموعة فوجيان هينغان وحدها حوالي 2.5 كيلو طن من كربونات الكالسيوم فائقة الدقة سنويًا. ومع ذلك، تُصنع معظم منتجات العلامات التجارية الأجنبية في الخارج ثم تُعالج محليًّا، حيث يُستخدم كربونات الكالسيوم فائقة النعومة بشكل رئيسي في المنتجات شبه النهائية، لذا فإن الاستهلاك المحلي الحالي لكربونات الكالسيوم فائقة النعومة في إنتاج الفوط الصحية لا يزال غير كبير. في عام 2000، كان من المتوقع أن يصل معدل انتشار الفوط الصحية في الصين إلى 20%، ومن بينها ستتطلب الفوط الصحية عالية الجودة حوالي 30 كيلو طن من كربونات الكالسيوم فائقة الدقة التي يتراوح متوسط حجم جسيماتها بين 10 و50 نانومتر. ومع ذلك، فإن الطلب الفعلي يعتمد على ما إذا كانت العلامات التجارية الأجنبية تُنتج محليًّا أم لا؛ فإذا كانت تُجمَّع في الصين فقط، فإن الطلب على كربونات الكالسيوم فائقة الدقة بحجم 10–50 نانومتر للفوط الصحية عالية الجودة في عام 2000 سيكون حوالي 8 كيلو طن. ومن المتوقع أن يصل معدل انتشار الفوط الصحية بحلول عام 2005 إلى 30%، وأن يصل الاستهلاك إلى 50 مليار قطعة، حيث ستتطلب الفوط الصحية عالية الجودة حوالي 45 كيلو طن من كربونات الكالسيوم فائقة الدقة بحجم جسيمات يتراوح بين 10 و50 نانومتر.

مع تحسن مستويات المعيشة، سيزداد الطلب على الحفاضات بشكل أكبر في المستقبل. في الوقت الحالي، يوجد في الصين حوالي 27 مليون طفل رضيع دون سن السنة الواحدة، ويبلغ استهلاك الحفاضات حوالي 1.6 مليار قطعة. وبحلول عام 2005، من المتوقع أن يصل الطلب على الحفاضات إلى 4 مليارات قطعة.

تسمح السياسة السكانية الحالية في الصين بإنجاب طفل واحد فقط لكل زوجين، وفي المستقبل سيتعين على كل زوجين رعاية 4–5 من كبار السن. ولذلك، ستشهد خدمات الرعاية المنزلية وفوط السلس البولي الطبية المخصصة للبالغين تطوراً كبيراً في المستقبل. في الوقت الحالي، بلغ عدد السكان الذين تبلغ أعمارهم 60 عامًا فأكثر 120 مليون نسمة، ومن المتوقع أن يصل هذا العدد إلى 140 مليون نسمة بحلول عام 2005. ومن المتوقع أن يصل استهلاك فوطات الرعاية المنزلية المخصصة للبالغين المصابين بسلس البول بحلول عام 2005 إلى ما بين 2.5 و3.5 مليار قطعة، مما يستهلك حوالي 10 كيلو طن من كربونات الكالسيوم النانوية.

13.3 استخدام كربونات الكالسيوم الخفيفة في ورق السجائر

بدأ إنتاج السجائر في الصين في ثلاثينيات القرن العشرين، وبدأ استخدام كربونات الكالسيوم (PCC) في ورق السجائر في أربعينيات القرن العشرين. يُعد كربونات الكالسيوم إحدى المواد الخام الرئيسية لإنتاج ورق السجائر، حيث يمثل ما بين 40% و60% من الإجمالي (يعتمد محتوى الرماد في الورق النهائي على معدل الاحتفاظ أثناء تشكيل الورقة). بعد الانتقال إلى اقتصاد السوق، تنوعت أنواع السجائر، وأصبحت متطلبات ورق السجائر أعلى بشكل متزايد. تختلف عمليات وتقنيات إنتاج ورق السجائر اليوم عن تلك التقليدية. لذلك، فإن كربونات الكالسيوم المستخدمة في ورق السجائر تتطلب أيضًا متطلبات جديدة من حيث قابلية التكيف والأداء.

منذ التسعينيات، أصبح لب الخشب المادة الخام الرئيسية لصناعة ورق السجائر. وقد تطورت آلات تصنيع ورق السجائر تطورًا سريعًا منذ الثمانينيات، مع الاستخدام المكثف للتحكم الآلي، وفي مقدمته نظام التحكم المنطقي في العمليات (PLC)، مما أدى تدريجيًا إلى السيطرة على عملية الإنتاج، وضمان جودة مستقرة وتقلبات أقل. وقد تباينت سرعات آلات تصنيع ورق السجائر تباينًا كبيرًا، كما هو موضح في الجدول 13-4.

الجدول 13-4 التغيرات في سرعة آلة تصنيع ورق السجائر

مع التحديث التدريجي لمعدات تصنيع السجائر، تغيرت سرعة آلات تصنيع السجائر أيضًا بشكل كبير، حيث زادت بمقدار 10 إلى 20 ضعفًا. وهذا يتطلب تحسينًا سريعًا في متانة ورق السجائر. وترد التغيرات في سرعة آلات تصنيع السجائر في الجدول 13-5. أما معايير جودة ورق السجائر فهي موضحة في الجدول 13-6.

الجدول 13-5 التغيرات في سرعة آلة تصنيع السجائر

الجدول 13-6 معايير الجودة الخاصة بورق السجائر

ملاحظة: لا يقدم عمود “نطاق التغيير” قيمًا محددة إلا بالنسبة للعناصر الثلاثة الأولى؛ أما البقية فقد تُركت فارغة وفقًا للجدول الأصلي.

يُستخدم كربونات الكالسيوم في صناعة ورق السجائر بنسبة تتراوح بين 40% و45%، ويشكل حوالي 30% من الورق النهائي — أي أن ثلث ورق السجائر يتكون من كربونات الكالسيوم. وتتمثل وظائفه فيما يلي:
① معامل انكسار عالٍ، مما يمنع ظهور التبغ من خلال الورق (أي عدم “ظهور التبغ من خلال الورق”) – وهذا مؤشر رئيسي لورق السجائر؛;
② أثناء الاحتراق، تتحلل كربونات الكالسيوم عند تسخينها لتطلق ثاني أكسيد الكربون (CO₂)، مما يساعد على استمرار احتراق السيجارة دون أن تنطفئ؛;
③ بعد الاحتراق، يلتصق رماد ورق السيجارة جيدًا بالتبغ، مكونًا غلافًا من الرماد “يشبه دودة القز”؛;
④ يزيد من درجة بياض ورق السجائر – تبلغ درجة بياض كربونات الكالسيوم المستوردة 95%، بينما تبلغ درجات الجودة المحلية 92%، أي أعلى بمقدار 3%–5% من درجة بياض لب الخشب؛;
⑤ يوفر نفاذية هواء أعلى لورق السجائر.

البنود من ① إلى ④ هي مؤشرات المظهر لورق السجائر: عدم ظهور ما وراء الورقة، وعدم انطفاء السجائر، والتغليف الجيد للرماد، ودرجة بياض عالية. هذه العناصر الأربعة لا غنى عنها؛ فإذا كان أي منها غير مرضٍ، فإن المنتج يكون دون المواصفات المطلوبة. تضمن نفاذية الهواء الجودة الداخلية للسجائر ويمكن أن تقلل من محتوى القطران فيها. بشكل عام، بالنسبة لورق السجائر الذي تقل نفاذية الهواء فيه عن 70 وحدة مكعبة، فإن كل زيادة بمقدار 10 وحدات مكعبة تقلل من محتوى القطران بمقدار 1–1.5 ملغ؛ أما إذا تجاوزت النفاذية 70 وحدة مكعبة، فإن الانخفاض في محتوى القطران يصبح أقل أهمية. لذلك، يجب توخي الحذر الشديد عند اختيار واستخدام كربونات الكالسيوم في ورق السجائر. يوضح الجدول 13-7 تأثير شكل بلورات كربونات الكالسيوم على أداء ورق السجائر.

وتشمل الدول التي تنتج كربونات الكالسيوم المستخدمة في صناعة ورق السجائر حالياً ألمانيا والمملكة المتحدة واليابان وفرنسا. ومن بين هذه الدول، تنتج ألمانيا كربونات الكالسيوم الأكثر ملاءمةً لورق السجائر عالي الجودة. وترد نتائج فحص الجودة في الجدول 13-8.

الجدول 13-8 نتائج اختبارات الجودة لكربونات الكالسيوم المستخدمة في صناعة ورق السجائر المستورد من دول أجنبية

المؤشرات الرئيسية لـ PCC المستخدمة تحديدًا في صناعة الورق هي امتصاص الزيت، ومعدل الترسيب، وحجم الترسيب. ويشير ارتفاع معدل امتصاص الزيت إلى مساحة سطح نوعية كبيرة، وحجم جسيمات دقيق، ومعالجة سطحية جيدة؛ كما يرتبط حجم الترسيب بشكل الجسيمات والبلورات. النطاقات المثلى لهذه المؤشرات الثلاثة هي: امتصاص الزيت 75%–83%، وحجم الترسيب 2.9–3.0 مل/غ، ومعدل ترسيب بطيء يكون بشكل أساسي خطيًّا وسلسًا. وتساعد البلورات المتجانسة والتوزيع الضيق لحجم الجسيمات على استقرار جودة ورق السجائر. من منحنيات الترسيب وقيم امتصاص الزيت المقاسة، يُوصف الشكل البلوري لكربونات الكالسيوم الألمانية بأنه “على شكل كرة قطنية” — فهو يتكون من العديد من البلورات الصغيرة التي يبلغ طول محورها الطويل 0.6 ميكرومتر ومحورها القصير 0.4 ميكرومتر، وتتجمع لتشكل تكتلات على شكل كرات قطنية بحجم 2–3 ميكرومتر، حيث يتمتع حوالي 95% منها بقطر موحد. لذلك، فإن الورق المصنوع من كربونات الكالسيوم هذه يبدو سميكًا وناعمًا، كما أن محتوى القطران في السجائر الملفوفة بهذا الورق لا يتغير إلا قليلاً ويُظهر استقرارًا جيدًا.

في الوقت الحالي، يبلغ إنتاج السجائر على الصعيد الوطني حوالي 30 مليون صندوق كبير، وهو ما يتطلب حوالي 80,000 طن من ورق السجائر، مع طلب إجمالي على كربونات الكالسيوم يبلغ حوالي 30,000 طن. ورغم أن الكمية المطلوبة ليست كبيرة، إلا أنها تمثل نوعًا خاصًا من البلورات في صناعة كربونات الكالسيوم، وهو ما يستحق الاهتمام اللازم من أجل تقليل الواردات وتلبية الاحتياجات المحلية.

13.4 استخدام كربونات الكالسيوم النانوية في أصباغ طلاء الورق

بالمقارنة مع نظيراتها التقليدية، تُظهر المواد النانوية العديد من الخصائص غير المعتادة من حيث الخصائص البصرية والحرارية والكهربائية والمغناطيسية والميكانيكية والكيميائية، مثل انخفاض الكثافة، وزيادة القوة والصلابة، وتحسن اللدونة والمتانة، وارتفاع معدل الانتشار، وزيادة معامل التمدد الحراري.

في الوقت الحالي، لا توجد تجارب كثيرة حول البحث وتطبيق تكنولوجيا النانو في مجال صناعة الورق، لذا فإن إجراء المزيد من الأبحاث في هذا المجال أمر ضروري. فيما يتعلق بأصباغ طلاء الورق، نظرًا لأن كربونات الكالسيوم النانوية تتميز بدرجة بياض عالية، وباعتبارها مادة نانوية، فإنها تتمتع بمساحة سطح نوعية كبيرة، ونشاط سطحي عالٍ، وقوة وصلابة عاليتين، مما قد يسهم في تحسين جودة الورق المطلي. ومن المتوقع أن تؤدي إضافة كربونات الكالسيوم النانوية إلى لون الطلاء إلى إنتاج ورق مطلي ذي لمعان عالٍ وقدرة جيدة على امتصاص الحبر، فضلاً عن نعومة محسّنة. ومع ذلك، وبسبب طاقته السطحية العالية، وميله إلى التكتل، وسطحه المحب للماء والكاره للزيت، ونقص قابلية الارتباط مع المواد العضوية، فإن تطبيقه العملي صعب ويتطلب أبحاثًا مستمرة واختراقات جديدة.

عند إضافة كربونات الكالسيوم النانوية 5% إلى تركيبة الطلاء الأصلية، مع استخدام نفس كميات المادة الرابطة والمواد المُشتتة، يمكن تحسين متانة الطلاء ونعومته، كما تتحسن قدرة امتصاص الحبر إلى حد ما. ويرد في الجدول 13-9 مثال على تركيبة تقليدية نموذجية لطلاء الورق.

الجدول 13-9 تركيبة طلاء تقليدية للورق المطلي

استُخدم كربونات الكالسيوم النانوية من النوع DD التي تنتجها شركة «Enping Guangping Chemical Industrial Co., Ltd.» في التركيبة الموضحة في الجدول 13-9. وترد مؤشرات جودتها في الجدول 13-10.

الجدول 13-10 مؤشرات الأداء لكربونات الكالسيوم النانوية من النوع DD

مع الحفاظ على ثبات المكونات الأخرى في لون الطلاء، تم تعديل نسبة كربونات الكالسيوم النانوية مقارنةً بكربونات الكالسيوم العادية على النحو التالي:

• فراغ: طين الصين : كربونات الكالسيوم = 80 : 20
• 1#: طين الصين : كربونات الكالسيوم : نانو-CaCO₃ = 80 : 15 : 5
• 2#: طين الصين : كربونات الكالسيوم : نانو-CaCO₃ = 80 : 10 : 10

يُبيّن الجدول 13-11 لزوجة الطلاء. وبعد تطبيق طبقة طلاء أولية واحدة، تم طلاء الورق بطبقة نهائية، مما أدى بشكل أساسي إلى تلبية متطلبات التوحيد والبياض الخاصة بطبقة مزدوجة الطلاء. وترد في الجدول 13-12 القيم المقاسة لعدد من الخصائص الفيزيائية المهمة لطبقة الطلاء.

وكما يتضح من الجدول 13-12، فقد تحسنت العديد من المؤشرات الفيزيائية والكيميائية المهمة للطلاء تحسناً ملحوظاً بعد إضافة كربونات الكالسيوم النانوية. وفيما يلي شرح مفصل لذلك.

(1) تحسين مقاومة سلالة IGT للتقشير – عندما احتوت التركيبة على كربونات الكالسيوم النانوية 5%، ارتفعت قيمة IGT بشكل ملحوظ، حيث كانت أعلى بنحو 80% من تلك التي لا تحتوي على كربونات الكالسيوم النانوية. ومع ذلك، عند إضافة 10% من كربونات الكالسيوم النانوية، انخفضت قيمة IGT. قد يكون السبب في ذلك هو أنه في حين زاد محتوى كربونات الكالسيوم النانوية، لم تتحسن تقنية التشتت وفقًا لذلك، مما أدى بدلاً من ذلك إلى نتيجة أسوأ. من ناحية أخرى، من الممكن أيضًا أن تكون النسبة المفرطة من كربونات الكالسيوم النانوية نفسها قد أثرت سلبًا على الأداء. ومع ذلك، نتوقع أنه إذا أمكن حل مشكلة تشتت كربونات الكالسيوم النانوية، فقد تتحسن قيمة مقاومة التقطيع IGT بشكل كبير.

(2) البياض – يبدو أن تأثير كربونات الكالسيوم النانوية على بياض الطلاء ضئيل للغاية، وهو ما يتعارض مع الافتراض القائل بأن بياضها العالي من شأنه أن يحسّن بياض الطلاء بشكل ملحوظ. في الاختبار المعياري، بلغت درجة بياض كربونات الكالسيوم المستخدمة أكثر من 97%، وهي تقريبًا نفس درجة بياض كربونات الكالسيوم النانوية (تبلغ درجة بياض كربونات الكالسيوم النانوية 298% – ملاحظة: يظهر هذا الرقم كخطأ مطبعي في النص الأصلي؛ ومن المرجح أنه يُقصد به ≥92% أو ما شابه ذلك). ولذلك، فإن النتيجة النهائية ليست مرضية تمامًا. ومع ذلك، لا تزال هناك نقاط جديرة بالملاحظة. أولًا، قد يكون للخطأ التجريبي تأثير كبير على درجة البياض، بما في ذلك الاختلافات في مدة عملية الكالندرة (حيث تؤدي المدة الأطول إلى انخفاض درجة البياض) وخطأ جهاز قياس درجة البياض نفسه. ثانياً، لم يتم كبس الورق المطلي في هذه التجربة. من الناحية النظرية، كلما صغر حجم الجسيمات، زادت سهولة تحولها إلى اللون الداكن أثناء الكبس، مما يؤثر على درجة البياض. ولذلك، في تطبيقات الإنتاج الفعلية، قد يؤدي ذلك إلى انخفاض في درجة البياض.

(3) قدرة K&N على امتصاص الحبر – أظهرت جميع الأوراق المطلية بالتركيبة التي تحتوي على كربونات الكالسيوم النانوية قدرة أفضل على امتصاص الحبر مقارنةً بالورق العادي الذي لا يحتوي على كربونات الكالسيوم النانوية. ويرجع ذلك إلى أن الجسيمات النانوية تتميز بحجم جزيئي صغير، ومساحة سطح نوعية كبيرة، وقدرة امتصاص قوية. ويمكن القول مبدئيًّا إن كربونات الكالسيوم النانوية تساعد على تحسين قدرة الورق على امتصاص الحبر K&N.

(4) الخشونة – تتأثر الخشونة بشكل كبير بوجود كربونات الكالسيوم النانوية، ويرجع ذلك أساسًا إلى صغر حجم الجسيمات النانوية، مما يؤدي إلى تقليل الخدوش والنتوءات الصغيرة على سطح الورق نسبيًّا، وبالتالي يجعل سطح الورق أكثر نعومة. عند محتوى كربونات الكالسيوم النانوية يبلغ 5%، تكون الخشونة أقل ويكون الورق أملس نسبيًا. ومع ذلك، عند محتوى كربونات الكالسيوم النانوية يبلغ 10%، تكون الخشونة أعلى بكثير من القيمة المقاسة في الاختبار الفارغ. وكما يتضح من قيم مقاومة التقطيع في اختبار IGT، فإن المحتوى العالي من الجسيمات النانوية يتطلب مستوى عالٍ من تقنية التشتت. ويمكن ملاحظة أنه عند إضافتها بكمية مناسبة وتشتتها جيدًا، تساهم كربونات الكالسيوم النانوية في تقليل الخشونة وزيادة النعومة.

باختصار، تُعد إضافة كربونات الكالسيوم النانوية مفيدة في تحسين العديد من الخصائص المهمة لطبقة الطلاء؛ إلا أن هذا التحسن لا يتناسب مع الكمية المضافة. ويتضح من البيانات التجريبية أنه عندما بلغ مستوى إضافة كربونات الكالسيوم النانوية 10%، انخفضت جميع خصائص الورق المختلفة. وقد يرجع ذلك إلى أنه لا يمكن إضافة كربونات الكالسيوم النانوية بكميات زائدة – فالإفراط في إضافتها يؤدي بدوره إلى إضعاف أداء الورق. وقد يرجع ذلك أيضًا إلى عدم كفاية تشتت الجسيمات النانوية، مما يؤدي إلى التلبد. تتمتع الجسيمات النانوية بطاقة سطحية عالية وتكون في حالة غير مستقرة من الناحية الحرارية الديناميكية، لذا فإنها تتكتل بسهولة، مما يؤثر على التشتت وفعالية تطبيق كربونات الكالسيوم النانوية. ولا يمكن لطرق التشتت الميكانيكية العادية والمشتتات وحدها تحقيق نتائج تشتت مثالية. في هذه التجربة، استُخدم بولي أكريلات الصوديوم كمُشتت. وقد تم اختياره لأنه يشتت طين الصين وكربونات الكالسيوم جيدًا وله مزايا معينة في آلية التشتت (إلى جانب تحقيق التشتت عن طريق تكوين أنيونات يتم امتصاصها على الصبغة لتشكيل طبقة مزدوجة كهربائية، فإنه يشكل أيضًا طبقة طلاء حول جزيئات الصبغة). ومع ذلك، لم يتم أخذ نقطتين في الاعتبار. من ناحية، كربونات الكالسيوم النانوية مادة محبة للماء وكارهة للدهون، وتتميز بقطبية قوية؛ تجد مواد التشتت العضوية العادية صعوبة في تشتيته بشكل متجانس، ولا توجد قوة ربط مع المادة العضوية، مما يتسبب بسهولة في حدوث عيوب في السطح البيني ويؤدي إلى تدهور الأداء – ومع ذلك فإن بولي أكريلات الصوديوم هو بالضبط مادة تشتيت عضوية. من ناحية أخرى، فإن المُشتت المستخدم هو نفسه الذي يُستخدم عادةً في الطلاءات التقليدية ذات الجسيمات الكبيرة؛ وقد لا تكون آلية التشتت هذه مناسبة للجسيمات النانوية. لذلك، من المرجح أن عدم قابلية تطبيق هذا المُشتت أو عدم ملاءمته لتشتيت كربونات الكالسيوم النانوية هو ما تسبب في الظاهرة التي لوحظت في هذه التجربة، حيث انخفضت بعض خصائص الورق مع زيادة محتوى كربونات الكالسيوم النانوية. وبالتالي، فإن قدرة كربونات الكالسيوم النانوية على التشتت بشكل متجانس ستؤثر بشكل كبير على أداء الطلاء. بالإضافة إلى ذلك، من الناحية النظرية، ونظرًا لأن كربونات الكالسيوم النانوية تتمتع بمساحة سطح نوعية كبيرة، فيجب زيادة كمية المادة الرابطة المطلوبة وفقًا لذلك؛ وتنتظر هذه العلاقة التناسبية مزيدًا من التحقق التجريبي.