Genel Bakış 

PCC’nin (Çöktürülmüş Kalsiyum Karbonat) üretimi ve kullanımı, esas olarak Amerika Birleşik Devletleri, Çin, Japonya ve Batı Avrupa’da yoğunlaşmaktadır. Bu üretim tesisi, on milyonlarca ton ürün üretme kapasitesine sahiptir. 2000 yılında Amerika Birleşik Devletleri, Japonya ve Batı Avrupa’daki hafif kalsiyum karbonat tüketim yapısı Tablo 13-1’de ayrıntılı olarak gösterilmiştir.

Tablo 13-1 Hafif Kalsiyum Karbonatın Tüketim Yapısı Birim: 10.000 ton/yıl

① Japonya’da plastik, boya, elastomer vb. maddelerin toplam tüketimi, “plastik” sütununda yer almaktadır.

Çin’deki PCC tüketim yapısı Tablo 13-2’de gösterilmiştir.

Tablo 13-2: Çin’de Kalsiyum Karbonat Tüketim Alanları ve Tahminleri

Tablo 13-1 ve 13-2’den, Amerika Birleşik Devletleri, Japonya ve Batı Avrupa gibi gelişmiş ülkelerde PCC sektörünün kağıt tüketiminin tüm sektörler arasında birinci sırada olduğu görülmektedir. Bununla birlikte, Çin şu anda üçüncü veya dördüncü sırada yer almaktadır.

Kağıt endüstrisinde, kağıt üretim sürecinde apreleme teknolojisinin asitli aprelemeden nötr-alkali aprelemeye geçişiyle birlikte, kalsiyum karbonat uygulamaları için devasa bir potansiyel pazar ortaya çıkmıştır. Kağıt dolgu maddesi olarak kalsiyum karbonat, yüksek beyazlık ve iyi ışık saçılımı sağlar. Kalsiyum karbonat içeren kağıtlar daha yüksek hacim, daha iyi esneklik ve yumuşaklık ile pürüzsüz bir yüzeye sahiptir; bu da kağıt performansını büyük ölçüde artırır ve kağıt fabrikalarına bariz ekonomik faydalar sağlar. Bu nedenle, Avrupa, Amerika ve Japonya’daki kağıt fabrikalarının çoğu, asitli apreleme işlemlerinden nötr-alkali apreleme işlemlerine geçmiştir. Son yıllarda, Çin kağıt endüstrisi de asitli apreleme teknolojisinden nötr apreleme teknolojisine geçiş yapmaya başlamıştır. Eski Hafif Sanayi Bakanlığı, nötr-alkali apreleme teknolojisini “Sekizinci Beş Yıllık Plan” dönemi boyunca kilit ulusal teşvik projelerinden biri olarak listelemiştir. Bu durum, kağıt endüstrisinin taleplerini karşılamak için yeni kalsiyum karbonat ürünlerinin sürekli geliştirilmesini gerektirmektedir.

Hafif kalsiyum karbonat (PCC), esas olarak alkali kağıt üretiminde dolgu maddesi olarak kullanılır; daha küçük bir kısmı ise pigment olarak kullanılır. Odunsuz kağıt türleri için kağıt hamuru pazarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Kaolin ve öğütülmüş kalsiyum karbonat (GCC) ile karşılaştırıldığında, yüksek şeffaflık, yüksek yoğunluk, yüksek hacim artırma kabiliyeti, homojen parçacık boyutu ve güçlü pigment tutunma gibi mükemmel fiziksel özelliklere sahiptir. Amerika Birleşik Devletleri’nde, kaplamasız odunsuz ve birinci sınıf yazı kağıtları için PCC, mat kaolin ve titanyum dioksit gibi diğer dolgu maddelerinin yerini almaya başlamıştır. Şu anda dünyanın en büyük kağıt üreticisi ve tüketicisi olan Amerika Birleşik Devletleri’ni örnek olarak ele alırsak, kağıt üretiminde çeşitli mineral malzemelerin mevcut ve öngörülen (2005) kullanımları aşağıda sunulmuştur.

(1) Kağıt dolgusu için çeşitli mineral malzemeler

(2) Kağıt kaplama için çeşitli mineral malzemeler

Yukarıdaki veriler, 2005 yılına kadar kağıt dolgu pazarında PCC’nin büyüme oranının 4%, kaplama pazarında ise 5% olacağını göstermektedir. Bununla birlikte, kağıt üretiminde mineral dolgu maddeleri için küresel pazar tabanı çok büyüktür; dolgu talebi yıllık 25.000 kt, kaplama talebi ise yıllık 6.000 kt'dir. Bu nedenle, dolgu talebindeki artış yaklaşık 1.000 kt/yıl, kaplama talebindeki artış ise yaklaşık 300 kt/yıl olup, toplamda 1.300 kt/yıl'a ulaşmaktadır.

Çin’in kağıt endüstrisi, ülke ekonomisiyle birlikte hızla gelişmiştir. 1990’lı yıllardan bu yana, Çin’de kağıt ve kartonun hem toplam üretimi hem de toplam tüketimi yüksek büyüme oranlarını sürdürmüştür. 1999 yılında toplam üretim 13.718,7 kt/yıl, toplam tüketim ise 14.428,7 kt/yıl olarak gerçekleşmiştir; 2000 yılında üretim 30.000 kt/yıl, tüketim ise 36.500 kt/yıl seviyesine ulaşmıştır. Üretimin yıllık ortalama büyüme oranı 1'i, tüketiminki ise 1'i aştı. Şu anda Çin’in kağıt ve karton tüketimi Japonya’nınkini geçerek, Çin’i ABD’den sonra dünyanın en büyük ikinci tüketicisi haline getirmiştir. Sektör uzmanları, önümüzdeki 10–15 yıl için Çin kağıt endüstrisinin gelişimine ilişkin Tablo 13‑3’te gösterilen tahmin verilerini ortaya koymuştur.

Tablo 13-3 Çin kağıt endüstrisinin 10–15 yıllık gelişim tahminleri

Şu anda, Çin kağıt endüstrisinin büyük bir kısmı, asitli apreleme işleminde dolgu maddesi olarak kil kullanmaktadır; bu durum kağıdın sertleşmesine ve ciddi asit kirliliğine yol açma eğilimindedir. İstatistiklere göre, 2000 yılında kağıt endüstrisi yaklaşık 400 kt PCC tüketmiş, 2002 yılında ise bu rakam yaklaşık 1.000 kt’ye ulaşmıştır. Gelecekte, nötr-alkali apreleme yönteminin uygulanmasıyla birlikte, kağıt endüstrisinde nötr-alkali apreleme sistemine geçişin hızına bağlı olarak kalsiyum karbonat talebi önemli ölçüde artacaktır.

Kağıt endüstrisinde kalsiyum karbonatın kullanımı, 1980’lerde Avrupa ve Amerika’daki kağıt fabrikalarının asitli kağıt üretim süreçlerinden nötr ve alkali süreçlere geçiş yapmaya başlamasıyla başlamış ve böylece kalsiyum karbonat dolgu maddelerinin temeli atılmıştır. Nötr ve alkali kağıt üretim süreçleri, kağıdın mukavemetini ve dayanıklılığını artırır, çevreye çok daha az zarar verir ve daha yüksek dolgu maddesi ilave seviyelerine olanak tanır. Bugüne kadar, kağıt üretim süreci PCC'nin en büyük kullanıcısıdır ve küresel PCC tüketiminin 73%'sini oluşturmaktadır. Kağıt üretiminde PCC’nin iki farklı kullanım alanı, kağıt dolgu maddesi ve kağıt kaplama pigmenti olarak karşımıza çıkmaktadır. PCC, esas olarak odunsuz kuşe kağıtların (WFO) doldurulmasında kullanılır; maksimum dolgu oranı 25%’ye kadar çıkabilir ve nihai ürünler arasında ofis ve yazı kağıtları, dergi kağıtları ile kitap veya reklam malzemeleri için kullanılan kağıtlar yer alır. Aynı zamanda, PCC süper kalenderlenmiş (SC) kağıtlarda da kullanılmaktadır ve hafif kaplamalı (LWC) kağıtların rekabeti nedeniyle SC kağıtların gazete kağıdı sektöründen kademeli olarak dışlanmaya başlaması, SC kağıt üreticilerini maliyetleri düşürmek için PCC kullanımını artırmaya zorladığından, bu kullanımın artması beklenmektedir.

Kağıt dolgu maddesi olarak kullanılan nano kalsiyum karbonat, yüksek opaklık ve parlaklık gibi avantajlara sahiptir; bu sayede kağıt ürünlerinin beyazlığını ve opaklığını artırır; yüksek hacimlendirme kabiliyeti sayesinde kağıt fabrikalarının daha fazla dolgu maddesi ve daha az kağıt hamuru kullanabilmesini sağlayarak hammadde maliyetlerini büyük ölçüde düşürür; ince ve homojen parçacık boyutu sayesinde kağıt makinelerinde daha az aşınmaya neden olur ve daha homojen ve pürüzsüz kağıt ürünleri üretilmesini sağlar; ayrıca yüksek yağ emme özelliği sayesinde renkli kağıtlarda pigment tutunmasını iyileştirir. Şu anda, kağıt endüstrisinde nano kalsiyum karbonatın kullanımı ağırlıklı olarak yüksek kaliteli hijyenik pedler, bebek bezleri, evde bakım amaçlı yetişkin inkontinans pedleri, sigara kağıdı ve kağıt kaplama pigmentlerinde görülmektedir.

13.2 Yüksek kaliteli hijyenik kağıtlarda kullanımı

Yüksek kaliteli hijyenik kağıtlarda, nano kalsiyum karbonat esas olarak nefes alabilen ancak su geçirmez polietilen filmlerin üretiminde kullanılmaktadır. Bu nefes alabilen film, mikro gözenekli plastik film veya döküm film olarak da adlandırılır. Mikro gözenekli filmin kullanımı Çin'de henüz emekleme aşamasındadır. Bazı şirketler bu alandaki gelişme potansiyelini fark ederek nefes alabilen film üretimine başlamıştır; örneğin, Zhejiang Danan Plastic Group, PE nefes alabilen film geliştirmiştir. Ülke içinde nefes alabilen film üreticisi çok fazla değildir ve üretim hacimleri nispeten düşüktür. Çin’de kaliteli ve erken üretim yapan şirketlerden biri Fujian Heng’an Group’tur. Diğer bazı üreticiler, mikroporöz film ekipmanlarını ağırlıklı olarak Japonya’nın Musashino şirketinden temin etmektedir; bu şirket sadece ekipman üretmekle kalmayıp, mikroporöz filmler için patentli teknolojiye de sahiptir. Japonya, mikroporöz film kullanımında dünyada birinci sıradadır. Avusturya’nın Lenzing AG şirketi, poliolefin döküm-germe ekipmanlarını piyasaya sürmüş ve nefes alabilen filmi dokunmamış kumaşla hat üzerinde birleştirerek, nem buharı geçirgenliği 12 kg/(m²·24h). ABD’li BLACKCLAWSON şirketi ekipman üretmekte olup, mikro gözenekli filmler için özel olarak tasarlanmış germe ekipmanlarına sahiptir. Yerli üreticiler arasında Shandong Huaguan Group ve Guangdong’daki Foshan Huahan Sanitary Materials Co., Ltd. bulunmaktadır.

Çin’de yüksek kaliteli hijyenik kağıt ürünleri, özellikle de hijyenik pedler, son yıllarda hızlı bir gelişme göstermiştir. Tıbbi yatak altlıkları ise büyük ve orta ölçekli hastanelere ve bazı hanelere girmeye başlamıştır. Hijyenik ürünler sarf malzemesi niteliğinde olduğundan, pazar talebinin tahmin edilmesi Çinli vatandaşların gerçek yaşam standartlarına ve tüketim yapılarına dayandırılmalıdır. Gelişmiş ülkelerin tüketim alışkanlıklarıyla uyumlu olarak, farklı gelişmişlik düzeyleri farklı tüketim yapılarına karşılık gelmektedir. Nispeten düşük fiyatlı olan kadın hijyenik pedleri, yaklaşık 20 yıldır popülerdir; bebek bezleri ve yetişkinler için inkontinans pedleri ise daha pahalıdır ve Çin’de yaklaşık on yıllık bir tüketim geçmişine sahiptir.

İnsanların yaşam kalitesinin sürekli iyileşmesiyle birlikte, teknolojik ilerlemeler ve yabancı markaların pazara girişi, hijyen ürünleri sektöründe fiyat ve kalite rekabetini giderek daha şiddetli hale getirmiş, bu da tüketicilere fayda sağlamış ve pazar payını artırmıştır. Çin’de yaklaşık 300 milyon doğurgan yaştaki kadın bulunmaktadır ve hijyenik pedlere yönelik potansiyel toplam talep yaklaşık 50 milyar adettir. 1998 yılında üretim yaklaşık 27,5 milyar adetti ve penetrasyon oranı “in altındaydı; 1999”da üretim 30 milyar adede ulaştı; 2000 yılında ise 33 milyar adede ulaşması bekleniyordu. Şu anda Çin’in hijyenik ped pazarı ağırlıklı olarak şehirlerde yoğunlaşmış durumda ve Procter & Gamble’ın “Whisper” (Hushubao), Johnson & Johnson’ın “Carefree” (Jiaoshuang) ve Kao Corporation’ın “Laurier” (Le’erya) gibi yabancı markalar hakimdir. Başlıca yerli marka ise Fujian Heng’an Group’a ait “An’ele”dir. Yüksek kaliteli hijyenik pedlerde, ultra ince kalsiyum karbonat esas olarak nefes alabilen ancak su geçirmez polietilen filmlerin üretiminde kullanılmaktadır. Bir araştırmaya göre, yalnızca Fujian Heng’an Group yıllık yaklaşık 2,5 kt ultra ince kalsiyum karbonat tüketmektedir. Bununla birlikte, yabancı markalı ürünlerin çoğu yurtdışında üretilip daha sonra yurt içinde işlenmekte olup, ultra ince kalsiyum karbonat esas olarak yarı mamullerde kullanılmaktadır; bu nedenle hijyenik ped üretiminde ultra ince kalsiyum karbonatın mevcut yurt içi tüketimi hâlâ fazla değildir. 2000 yılında, Çin’deki hijyenik ped penetrasyon oranının 20%’ye ulaşması bekleniyordu; bunun içinde yüksek kaliteli hijyenik pedler için ortalama parçacık boyutu 10–50 nm olan yaklaşık 30 kt ultra ince kalsiyum karbonat gerekecekti. Ancak, gerçek talep yabancı markaların yurt içinde üretilip üretilmediğine bağlıdır; eğer bu markalar Çin’de sadece montaj yapıyorsa, 2000 yılında yüksek kaliteli hijyenik pedler için 10–50 nm partikül boyutuna sahip ultra ince kalsiyum karbonat talebi yaklaşık 8 kt olacaktır. 2005 yılına kadar hijyenik pedlerin penetrasyon oranının 30%'ye ulaşacağı ve tüketimin 50 milyar adede ulaşacağı tahmin edilmektedir; bu durumda yüksek kaliteli hijyenik pedler için 10–50 nm boyut aralığındaki ultra ince kalsiyum karbonat ihtiyacı yaklaşık 45 kt olacaktır.

Yaşam standartlarının yükselmesiyle birlikte, gelecekte bebek bezi talebi daha da artacaktır. Şu anda Çin’de bir yaşın altında yaklaşık 27 milyon bebek bulunmakta ve bebek bezi kullanımı yaklaşık 1,6 milyar adettir. 2005 yılına kadar bebek bezi talebinin 4 milyar adede ulaşması beklenmektedir.

Çin’in mevcut nüfus politikası, her çiftin yalnızca bir çocuk sahibi olmasına izin vermektedir ve gelecekte her çiftin 4–5 yaşlı kişiye bakması gerekecektir. Bu nedenle, evde bakım ve yetişkinler için tıbbi inkontinans pedleri alanında gelecekte önemli bir gelişme yaşanacaktır. Şu anda 60 yaş ve üzeri nüfus 120 milyona ulaşmış olup, 2005 yılına kadar 140 milyona ulaşması beklenmektedir. 2005 yılına kadar evde bakım amaçlı yetişkin inkontinans pedlerinin tüketiminin 2,5–3,5 milyar adede ulaşacağı ve bunun yaklaşık 10 kt nano-kalsiyum karbonat tüketimi gerektireceği tahmin edilmektedir.

13.3 Sigara kağıdında hafif kalsiyum karbonatın kullanımı

Çin’de sigara üretimi 1930’larda başlamış olup, sigara kağıdında PCC kullanımı ise 1940’larda başlamıştır. Kalsiyum karbonat, sigara kağıdı üretiminin ana hammaddelerinden biridir ve toplamın –60'ını oluşturur (bitmiş kağıdın kül içeriği, tabaka şekillendirme sırasındaki tutma oranına bağlıdır). Piyasa ekonomisine geçişin ardından sigara çeşitleri çeşitlenmiş ve sigara kağıdına yönelik gereksinimler giderek artmıştır. Günümüzün sigara kağıdı üretim süreçleri ve teknolojileri, geleneksel olanlardan farklıdır. Bu nedenle, sigara kağıdında kullanılan kalsiyum karbonatın da uyarlanabilirlik ve performans açısından yeni gereksinimleri bulunmaktadır.

1990’lardan bu yana, odun hamuru sigara kağıdının ana hammaddesi haline gelmiştir. Sigara kağıdı üretim makineleri, 1980'lerden bu yana hızlı bir gelişme göstermiştir. Otomasyon kontrolünün, özellikle de PLC mantık proses kontrol sisteminin yaygın olarak kullanılmasıyla üretim süreci kademeli olarak kontrol altına alınmış, istikrarlı kalite ve daha az dalgalanma sağlanmıştır. Tablo 13-4'te gösterildiği gibi, sigara kağıdı makinelerinin hızları önemli ölçüde değişiklik göstermiştir.

Tablo 13-4 Sigara kağıdı makinesinin hızındaki değişiklikler

Sigara üretim ekipmanlarının giderek modernleşmesiyle birlikte, sigara üretim makinelerinin hızı da önemli ölçüde değişmiş ve 10 ila 20 kat artmıştır. Bu durum, sigara kağıdının mukavemetinde hızlı bir iyileştirme gerektirmektedir. Sigara üretim makinelerinin hızındaki değişiklikler Tablo 13-5'te gösterilmiştir. Sigara kağıdına ilişkin kalite standartları ise Tablo 13-6'da verilmiştir.

Tablo 13-5 Sigara üretim makinesinin hızındaki değişiklikler

Tablo 13-6 Sigara kağıdı kalite standartları

Not: “Değişim aralığı” sütununda yalnızca ilk üç öğe için belirli değerler verilmiştir; geri kalanlar orijinal tabloya uygun olarak boş bırakılmıştır.

Sigara kağıdında 40%–45% oranında kalsiyum karbonat kullanılır ve bu madde, bitmiş kağıdın yaklaşık 30%’sini oluşturur – yani sigara kağıdının üçte biri kalsiyum karbonattan oluşur. İşlevleri şunlardır:
① Yüksek kırılma indisi; bu, tütünün kağıdın arkasından görünmesini engeller (yani, “arka yüzün görünmemesi”) – bu, sigara kağıdı için temel bir göstergedir;
② Yanma sırasında, kalsiyum karbonat ısıtıldığında ayrışarak CO₂ salar; bu da sigaranın sönmeden yanmasına yardımcı olur;
③ Yanma işleminden sonra, sigara kağıdının külleri tütüne sıkıca yapışarak “ipekböceği benzeri” bir kül tabakası oluşturur;
④ Sigara kağıdının beyazlığını artırır – ithal kalsiyum karbonatın beyazlık derecesi 95% iken, yerli ürünlerin beyazlık derecesi 92%’dir; bu da odun hamuruna kıyasla 3%–5% daha yüksektir;
⑤ Sigara kağıdına daha yüksek hava geçirgenliği sağlar.

① ila ④ numaralı maddeler, sigara kağıdının görünüm göstergeleridir: arkadan görünmeme, sönmeme, iyi kül sarma özelliği ve yüksek beyazlık. Dördü de vazgeçilmezdir; bunlardan herhangi biri yetersizse, ürün standartların altındadır. Hava geçirgenliği, sigaranın iç kalitesini garanti eder ve sigaranın katran içeriğini azaltabilir. Genel olarak, hava geçirgenliği 70 cu'nun altında olan sigara kağıtlarında, her 10 cu'luk artış katran içeriğini 1–1,5 mg azaltır; 70 cu'nun üzerinde ise katran azalması daha az belirgin hale gelir. Bu nedenle, sigara kağıdı için kalsiyum karbonatın seçimi ve kullanımı çok dikkatli yapılmalıdır. Kalsiyum karbonatın kristal şeklinin sigara kağıdı performansı üzerindeki etkisi Tablo 13-7’de gösterilmiştir.

Şu anda, sigara kağıdı için kalsiyum karbonat üreten ülkeler arasında Almanya, Birleşik Krallık, Japonya ve Fransa bulunmaktadır. Bunlar arasında, yüksek kaliteli sigara kağıdı için en uygun kalsiyum karbonatı Almanya üretmektedir. Kalite kontrol sonuçları Tablo 13-8’de gösterilmiştir.

Tablo 13-8 Yurtdışından ithal edilen sigara kağıdı için kalsiyum karbonatın kalite test sonuçları

Kağıt üretiminde özellikle kullanılan PCC için temel göstergeler, yağ emme, çökelme hızı ve çökelme hacmidir. Yüksek yağ emme değeri, geniş bir özgül yüzey alanı, ince parçacık boyutu ve iyi bir yüzey işlemeyi gösterir; çökelme hacmi ise parçacık ve kristal şekliyle de ilgilidir. Bu üç göstergenin optimal aralıkları şunlardır: yağ emme 75%–83%, çökelme hacmi 2,9–3,0 mL/g ve temelde doğrusal ve düzgün bir seyir izleyen yavaş çökelme hızı. Tekdüze kristaller ve dar bir parçacık boyutu dağılımı, sigara kağıdı kalitesinin istikrarına katkıda bulunur. Sedimantasyon eğrileri ve ölçülen yağ emme değerlerinden yola çıkılarak, Alman kalsiyum karbonatının kristal şekli “pamuk topu şeklinde” olarak tanımlanmaktadır — bu, uzun ekseni 0,6 μm ve kısa ekseni 0,4 μm olan birçok küçük kristitten oluşur; bu kristitler, yaklaşık %’si tek tip çapa sahip olan 2–3 μm’lik pamuk topu aglomeraları halinde bir araya gelir. Bu nedenle, bu kalsiyum karbonatla üretilen kağıt kalın ve yumuşak bir his verir; bu kağıtla sarılan sigaraların katran içeriği çok az değişiklik gösterir ve iyi bir kararlılık sergiler.

Şu anda, ülke genelindeki sigara üretimi yaklaşık 30 milyon büyük kutu olup, bu üretim için yaklaşık 80.000 ton sigara kağıdı gereklidir; buna bağlı olarak toplam kalsiyum karbonat talebi yaklaşık 30.000 tondur. Gerekli miktar çok büyük olmasa da, bu durum kalsiyum karbonat endüstrisinde özel bir kristal çeşidini temsil etmektedir; ithalatı azaltmak ve iç talebi karşılamak amacıyla bu konuya gereken önem verilmelidir.

13.4 Kağıt kaplama pigmentlerinde nano kalsiyum karbonatın kullanımı

Geleneksel muadilleriyle karşılaştırıldığında, nanomalzemeler optik, termal, elektriksel, manyetik, mekanik ve kimyasal özellikler açısından yoğunluğun azalması, mukavemet ve sertliğin artması, plastisite ve tokluğun iyileşmesi, difüzyon katsayısının artması ve termal genleşme katsayısının artması gibi birçok sıra dışı özellik sergilerler.

Şu anda, kağıt üretim alanında nanoteknolojinin araştırılması ve uygulanmasına yönelik çok fazla deney bulunmamaktadır; bu nedenle bu alanda daha fazla araştırma yapılması gerekmektedir. Kağıt kaplama pigmentlerinde, nano-kalsiyum karbonatın yüksek beyazlığa sahip olması ve bir nanomalzeme olarak geniş bir özgül yüzey alanına, yüksek yüzey aktivitesine, yüksek mukavemet ve sertliğe sahip olması nedeniyle, kaplamalı kağıdın kalitesinin iyileştirilmesine katkıda bulunabilir. Kaplama rengine nano-kalsiyum karbonat eklenmesiyle, yüksek parlaklık ve iyi mürekkep emiciliğinin yanı sıra daha iyi pürüzsüzlüğe sahip kaplamalı kağıt üretilmesi beklenmektedir. Ancak, yüksek yüzey enerjisi, topaklanma eğilimi, hidrofilik ve oleofobik yüzeyi ve organik maddelerle bağlanma afinitesinin olmaması nedeniyle pratik uygulaması zordur ve sürekli araştırma ve atılımlar gerektirir.

Orijinal kaplama formülasyonuna, aynı miktarda bağlayıcı ve dispersan ile birlikte 5% nano kalsiyum karbonat eklendiğinde, kaplamanın mukavemeti ve pürüzsüzlüğü artırılabilir; ayrıca mürekkep emiciliği de bir ölçüde iyileştirilebilir. Tipik bir geleneksel kağıt kaplama formülasyonu Tablo 13-9’da gösterilmiştir.

Tablo 13-9 Kaplamalı kağıt için geleneksel kaplama formülasyonu

Enping Guangping Kimya Sanayi A.Ş. tarafından üretilen DD tipi nano kalsiyum karbonat, Tablo 13-9’da gösterilen formülasyonda kullanılmıştır. Bu maddenin kalite göstergeleri Tablo 13-10’da verilmiştir.

Tablo 13-10 DD tipi nano kalsiyum karbonatın performans göstergeleri

Kaplama rengindeki diğer bileşenler değiştirilmeden, sıradan kalsiyum karbonata göre nano-kalsiyum karbonatın oranı şu şekilde ayarlandı:

• Boş: Kaolin : kalsiyum karbonat = 80 : 20
• 1#: Kaolin : kalsiyum karbonat : nano-CaCO₃ = 80 : 15 : 5
• 2#: Kaolin : kalsiyum karbonat : nano-CaCO₃ = 80 : 10 : 10

Kaplama viskozitesi Tablo 13-11’de gösterilmiştir. Bir ön kaplama uygulamasının ardından kağıda son kat kaplama uygulanmış ve böylece çift kaplamalı bir tabaka için gerekli homojenlik ve beyazlık gereksinimleri büyük ölçüde karşılanmıştır. Kaplama tabakasının çeşitli önemli fiziksel özelliklerine ilişkin ölçülen değerler Tablo 13-12’de verilmiştir.

Tablo 13-12’den de görülebileceği gibi, nano kalsiyum karbonat ilavesinin ardından kaplamanın bazı önemli fizikokimyasal göstergelerinde önemli ölçüde iyileşme kaydedilmiştir. Ayrıntılı açıklamalar aşağıda verilmiştir.

(1) IGT'nin kopma direncinin artırılması – Formülasyon 5% nano-kalsiyum karbonat içerdiğinde, IGT değeri belirgin şekilde artmış ve nano-kalsiyum karbonat içermeyen formülasyona kıyasla yaklaşık 80% daha yüksek olmuştur. Ancak, 10% nano-kalsiyum karbonat eklendiğinde, IGT değeri düşmüştür. Bunun nedeni, nano-kalsiyum karbonat içeriği artarken dispersiyon tekniğinin buna uygun şekilde iyileştirilmemesi ve bunun sonucunda daha kötü bir sonuca yol açması olabilir. Öte yandan, nano-kalsiyum karbonatın oranın aşırı yüksek olmasının da performansı olumsuz etkilemiş olması mümkündür. Yine de, nano-kalsiyum karbonatın dispersiyon sorununun çözülebilmesi halinde, IGT kopma direnci değerinin büyük ölçüde artırılabileceğini öngörmekteyiz.

(2) Beyazlık – Nano-kalsiyum karbonatın kaplamanın beyazlığı üzerindeki etkisi asgari düzeyde görünmektedir; bu durum, yüksek beyazlık derecesinin beyazlığı önemli ölçüde artıracağı yönündeki varsayımla çelişmektedir. Boş testte kullanılan kalsiyum karbonatın beyazlık değeri 97%'nin üzerindeydi; bu değer, nano-kalsiyum karbonatın beyazlık değeriyle neredeyse aynıdır (nano-kalsiyum karbonatın beyazlık değeri 298%'dir – not: Bu rakam kaynak metinde yazım hatası olarak geçmektedir; muhtemelen ≥92% veya benzeri bir ifade kastedilmiştir.). Bu nedenle, nihai sonuç pek tatmin edici değildir. Bununla birlikte, yine de dikkat çekici bazı noktalar bulunmaktadır. İlk olarak, kalenderleme süresindeki farklılıklar (daha uzun süre, daha düşük beyazlık ile sonuçlanır) ve beyazlık ölçüm cihazının ölçüm hatası da dahil olmak üzere, deneysel hatalar beyazlık üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir. İkincisi, bu deneyde kuşe kağıt kalenderlenmemiştir. Teorik olarak, parçacık boyutu ne kadar küçükse, kalenderleme sırasında o kadar kolay koyulaşır ve bu da beyazlığı etkiler. Bu nedenle, gerçek üretim uygulamalarında sonuç, beyazlıkta bir azalma olabilir.

(3) K&N mürekkep emiciliği – Nano-kalsiyum karbonat içeren formülasyonla kaplanmış kağıtların tümü, nano-kalsiyum karbonat içermeyen sıradan kağıtlara kıyasla daha iyi mürekkep emiciliği sergilemiştir. Bunun nedeni, nano parçacıkların küçük parçacık boyutuna, geniş özgül yüzey alanına ve güçlü adsorpsiyon kapasitesine sahip olmasıdır. Nano-kalsiyum karbonatın, kağıdın K&N mürekkep emiciliğini artırmaya yardımcı olduğu öncelikle belirtilebilir.

(4) Pürüzlülük – Pürüzlülük, nano-kalsiyum karbonattan büyük ölçüde etkilenir; bunun başlıca nedeni, nano-parçacıkların çok ince olmasıdır. Bu sayede kağıt yüzeyindeki küçük çukurlar ve çıkıntılar nispeten azalır ve kağıt yüzeyi daha pürüzsüz hale gelir. 5% nano kalsiyum karbonat içeriğinde pürüzlülük daha düşüktür ve kağıt nispeten pürüzsüzdür. Ancak, 10% nano kalsiyum karbonat içeriğinde pürüzlülük, boş testte ölçülen değerden önemli ölçüde daha yüksektir. IGT kopma direnci değerlerinde de görüldüğü gibi, yüksek miktarda nano-parçacık kullanımı, yüksek düzeyde bir dispersiyon teknolojisi gerektirir. Uygun miktarda eklenip iyi bir şekilde dağıtıldığında, nano-kalsiyum karbonatın pürüzlülüğü azaltmaya ve pürüzsüzlüğü artırmaya katkıda bulunduğu görülmektedir.

Özetle, nano-kalsiyum karbonat ilavesi, kaplama tabakasının birçok önemli özelliğinin iyileştirilmesi açısından faydalıdır; ancak bu iyileşme, ilave edilen miktarla orantılı değildir. Deney verilerinden, nano-kalsiyum karbonat ilave seviyesinin 10%’ye ulaştığında, kağıdın çeşitli özelliklerinin hepsinde bir düşüş olduğu görülmektedir. Bunun nedeni, nano-kalsiyum karbonatın kendisinin aşırı miktarda eklenememesi olabilir; çünkü çok fazla eklenmesi kağıdın performansını bozar. Ayrıca, nano-parçacıkların yetersiz dispersiyonu sonucu flokülasyon oluşması da buna neden olabilir. Nano-parçacıklar yüksek yüzey enerjisine sahiptir ve termodinamik olarak kararsız bir durumdadır; bu nedenle kolayca aglomere olurlar ve bu da nano-kalsiyum karbonatın dispersiyonunu ve uygulama etkinliğini etkiler. Sıradan mekanik dispersiyon yöntemleri ve dispersanlar tek başına ideal dispersiyon sonuçları elde edemez. Bu deneyde, dispersan olarak sodyum poliakrilat kullanılmıştır. Bu maddenin seçilme nedeni, kaolin ve kalsiyum karbonatı iyi bir şekilde dağıtır olması ve dispersiyon mekanizmasında belirli avantajlara sahip olmasıdır (pigment üzerine adsorbe olan anyonlar oluşturarak elektriksel çift tabaka oluşturup dispersiyon sağlamasının yanı sıra, pigment parçacıklarının etrafında bir kaplama tabakası da oluşturur). Ancak, iki husus göz ardı edilmiştir. Bir yandan, nano-kalsiyum karbonat hidrofilik ve lipofobiktir ve güçlü bir polariteye sahiptir; sıradan organik dispersanların onu homojen bir şekilde dağıtması zordur ve organik madde ile herhangi bir bağlanma kuvveti bulunmadığından, bu durum kolayca arayüzey kusurlarına yol açar ve performans düşüşüne neden olur – oysa sodyum poliakrilat tam da bir organik dispersandır. Öte yandan, kullanılan dispersan geleneksel büyük parçacıklı kaplamalar için yaygın olarak kullanılan türdendir; bu dispersiyon mekanizması nano parçacıklar için uygun olmayabilir. Bu nedenle, bu dispersanın nano-kalsiyum karbonat dispersiyonu için uygulanamaz veya uygun olmaması, nano-kalsiyum karbonat içeriği arttıkça bazı kağıt özelliklerinin azaldığı bu deneydeki olguyu tetiklemiş olabilir. Dolayısıyla, nano-kalsiyum karbonatın homojen bir şekilde dağıtılıp dağıtılmayacağı, kaplama performansını büyük ölçüde etkileyecektir. Ayrıca, teorik olarak, nano-kalsiyum karbonatın özgül yüzey alanı geniş olduğundan, gerekli bağlayıcı miktarı da buna göre artırılmalıdır; bu orantılı ilişki, daha ileri deneysel doğrulamayı beklemektedir.