Способ получения пигмента для изготовления бумаги и картона

Способ получения пигмента для изготовления бумаги и картона

Реферат

Изобретение относится к производству пигментов, а также к технологии изготовления бумаги с наполнителем, мелованных видов бумаги и картона.

В настоящее время в производстве бумаги и картона большое внимание уделяется разработке пигментов, позволяющих улучшить оптические и механические характеристики бумаги с наполнителем, а также покрытий на мелованных видах бумаги и картона. Разрабатываются также технологии, обеспечивающие возможность централизованного получения пигментов в виде порошка с последующим его использованием на различных предприятиях.

Известен способ получения белого пигмента путем обработки водной суспензии гидроксида кальция сульфатом алюминия при их стехиометрическом соотношении с получением сульфоалюмината кальция - сатинвейса (пат. США №3615768, кл. 106/306, опубл. 1971 г.).

Однако по этому способу может быть получена паста пигмента с концентрацией сухих веществ до 25%, и вследствие высокой вязкости дисперсий сатинвейса его можно использовать в меловальных составах лишь как добавку к другим основным пигментам. Кроме того, пигмент, полученный по этому способу, высушенный и измельченный в порошок, теряет свои полезные свойства.

Ближайшим аналогом предлагаемого способа является способ получения пигмента для изготовления бумаги и картона, который может быть использован при изготовлении меловальной композиции. Этот способ заключается в приготовлении водной суспензии сульфоалюмината кальция путем обработки гидроксида кальция сульфатом алюминия, смешения ее с суспензией природного неорганического компонента - каолина, удаления воды высушиванием, предпочтительно распылением, с образованием порошка пигмента - механической смеси сульфоалюмината кальция и каолина при содержании сульфоалюмината кальция 10-30% по массе смеси. Порошок затем редиспергируют в воде и используют в меловальных составах (см. US, 3876443 А, н.кл. 106-306, МПК С 09 С 1/02, опубл. 08.04.1975).

В известном способе получить порошок пигмента возможно лишь при содержании сатинвейса в его смеси с каолином не более 30%. Кроме того, в нем не предусматривается возможность получения пигмента, модифицированного связующим - крахмалом или поливиниловым спиртом (ПВС).

Положительным результатом от использования настоящего изобретения является снижение стоимости пигмента за счет замены дефицитного каолина дешевым карбонатом кальция (мелом) и, соответственно, стоимости продукции, получаемой с применением пигмента в качестве наполнителя или компонента в меловальных составах, а также придание пигменту нового качества модифицированием его связующим. При использовании способа достигается также повышение белизны пигмента, облегчается измельчение высушенного материала и повышается равномерность гранулометрического состава порошка пигмента.

Модифицирование пигмента связующим расширяет области применения такого пигмента - при введении пигмента не только в покрытие, но и в бумажную массу.

Положительный эффект достигается тем, что в предлагаемом способе получения пигмента для изготовления бумаги и картона, включающем смешение гидроксида кальция, сульфата алюминия и природного неорганического компонента при диспергировании в воде, согласно изобретению в качестве природного неорганического компонента используют карбонат кальция, при этом сначала готовят при перемешивании смесь гидроксида кальция с карбонатом кальция при соотношении указанных компонентов соответственно от 1,0:2,2 до 1,0:23,5, после чего к полученной дисперсии постепенно добавляют сульфат алюминия при соотношении последнего к общей массе гидроксида кальция и карбоната кальция от 1,0:0,9 до 1,0:5,8, затем температуру смеси повышают до 80-85°С и полученную реакционную смесь выдерживают при перемешивании в течение 90-180 мин с образованием дисперсии пигмента, содержащей 20-35% сухих веществ.

В дисперсию гидроксида кальция и карбоната кальция могут вводить связующее из группы, содержащей крахмал и поливиниловый спирт, в количесвте 1,0-4,0% от массы сухих веществ пигмента.

При получении пигмента в виде порошка смесь гидроксида кальция и карбоната кальция готовят при их соотношении соответственно от 1,0:3,8 до 1,0:23,5 с последующим высушиванием дисперсии пигмента и получением его порошка.

Способ осуществляют следующим образом: в реактор-смеситель, снабженный скоростной мешалкой и паровой рубашкой, подают заданное количество воды, в которую при интенсивном перемешивании в заданном количестве постепенно подают порошки гидроксида кальция и карбоната кальция, дисперсию перемешивают 5-10 минут и затем к ней добавляют раствор сульфата алюминия, содержащего заданное количество сульфата алюминия в виде Al₂(SO₄)₃·18Н₂О. После завершения подачи раствора сульфата алюминия температуру смеси в реакторе повышают до 80-85°С и смесь при этой температуре и интенсивном перемешивании выдерживают 90-180 мин.

В результате получают дисперсию пигмента с содержанием сухих веществ 20-35%, которую можно использовать непосредственно, например, в производстве бумаги с наполнителем или при получении меловальных составов. В других случаях дисперсию подвергают высушиванию в слое при температуре до 85°С с последующим измельчением в порошок или высушиванию распылением.

При получении пигментов, модифицированных связующим - крахмалом или ПВС, гидроксид кальция и карбонат кальция диспергируют в воде, содержащей заданное количество связующего, определяемое массой сухих веществ конечного продукта - пигмента.

Поскольку в зависимости от назначения получаемого продукта его паста разбавляется, например, при введении пигмента в бумажную массу в качестве наполнителя, или смешивается в виде пасты или порошка с другими компонентами (диспергаторами, пигментами, связующими, латексами и т.п.) при формировании меловальных композиций с разной суммарной концентрацией сухих веществ и, соответственно, с разными физическими параметрами (например, вязкостными свойствами), в качестве характеристик конечного продукта - пигмента в виде пасты или порошка выбирают устойчивость пасты с содержанием сухих веществ 20% и более, простоту измельчения пигмента, высушенного в слое при 75°С, наличие или отсутствие сцементированных агломеров в измельченном порошке, способность к редиспергированию порошка без потери свойств пигмента, оптическую белизну порошка пигмента.

В качестве характеристики пигментов, модифицированных связующими, используют степень удержания пигментом связующего, которую определяют следующим образом.

Определенное количество полученной дисперсии модифицированного связующим пигмента смешивают на скоростной мешалке с определенным количеством воды. Разбавленную в несколько раз дисперсию выдерживают в покое до расслаивания. Нижний слой - это свободно плавающий осадок, а верхний слой - прозрачная, не содержащая твердой фазы вода. В этом слое определяют содержание связующего. Затем пересчетом на массу сухих веществ пигмента во взятой на разбавление навеске дисперсии определяют количество связующего, как связанного пигментом, так и находящегося в водной фазе пигмента. Степень удержания связующего выражают в % от количества связующего, поданного в систему в процессе изготовления модифицированного пигмента.

Физико-химические процессы при получении пигмента можно представить следующим образом.

При интенсивном перемешивании в водной среде всех компонентов - гидроксида кальция, карбоната кальция, сульфата алюминия - в системе протекают две реакции: реакция взаимодействия сульфата алюминия с гидроксидом кальция, проходящая с очень высокой скоростью и при нормальной температуре (15-20°С), а также медленная реакция взаимодействия сульфата алюминия с карбонатом кальция, скорость которой существенно увеличивается с повышением температуры. Соответственно, гидроксид кальция в предлагаемом способе в самом начале процесса полностью реагирует с сульфатом алюминия с образованием соответствующего количества сульфоалюмината кальция - сатинвейса.

В реакции сульфата алюминия с карбонатом кальция, при избытке последнего в реакционной смеси, сульфат алюминия в конечном итоге расходуется полностью. В результате этой реакции образуется белый пигмент, по некоторым свойствам аналогичный сатинвейсу. Он, например, обладает высокой белизной, высокой устойчивостью в системах с кислыми значениями рН, имеет размеры частиц в дисперсии не более 2 мкм, обладает способностью к модификации связующим. Эти характеристики улучшаются при повышении степени преобразования карбоната кальция в его реакции с сульфатом алюминия.

Кроме того, продукт реакции карбоната кальция с сульфатом алюминия, высушенный, например, в слое, очень легко измельчается в порошок с размерами частиц менее 1 мкм и вновь редиспергируется в воде с получением низковязких дисперсией с концентрацией пигмента до 45%.

При совместном получении сатинвейса и преобразованного карбоната кальция пигмент также достаточно легко измельчается при доле сатинвейса в составе пигмента до 45%. Порошок хорошо редиспергируется с сохранением характеристик пигмента.

Процесс получения пигмента по нашему предложению предпочтительно вести при температуре реакционной смеси 80-85°С. Для получения пигмента с более высокой степенью преобразования карбоната кальция необходим более длительный процесс.

Способность частиц пигмента удерживать в своих гидратных оболочках такие вещества, как крахмал, ПВС, обусловлена, видимо, сильным полярным взаимодействием пигмента с молекулами воды и соответствующим структурированием значительного по объему водного слоя в гидратных оболочках вокруг частиц пигмента в момент их образования. Даже при многократном разбавлении такой системы и интенсивном перемешивании водные структурированные оболочки частиц, содержащие связующее, не размываются.

Условия проведения способа по примерам и характеристики продуктов приведены в таблицах. В таблице 1 даны условия выполнения примеров по предлагаемому способу, в таблице 2 - характеристики образцов по этим примерам.

Для сравнения некоторые характеристики определяют у контрольных образцов, подготовленных по прототипу (таблица 3, примеры 9-12), то есть механическим смешением пасты сульфоалюмината кальция с каолином, а также образцов с карбонатом кальция в смеси вместо каолина при сохранении пропорций (таблица 3, примеры 13-16).

Белизна использованных исходных материалов: каолина - 89,5%, карбоната кальция - 84,5%.

Пигменты высушивают при 75°С в слое, измельчение кусочков проводят в фарфоровой ступке. Простоту измельчения оценивают по наличию или отсутствию в порошке частиц с размером более 10 мкм. Затруднения с измельчением в образцах по примерам 9 и 13 таблицы 3 были связаны с наличием в высушенных пигментах сцементированных, прочных на раздавливание и истирание агломератов.

Как видно из таблиц, предлагаемый способ обеспечивает улучшенные показатели качества пигмента по белизне, способности к измельчению высушенного материала, позволяет осуществить редиспергирование порошка пигмента при сохранении его свойств. Способ дает также возможность расширить область использования пигмента за счет его модификации связующим.

Таблица 1
Условия проведения процесса по предлагаемому изобретению.
№№ примеров	Гидроксид кальция Са(ОН)2	Карбонат кальция СаСО3	Сульфат алюминияAl2(SO4)3·18H2O	Масс. соотношение	Масс. Соотношение	Температура процесса, °С	Длительность процесса, мин
1	13,64	29,28	49,77	1:2,2	1:0,86	85	180
2	10,23	29,25	44,63	1:3,86	1:0,88	85	160
3	10,23	58,64	26,18	1:5,7	1:2,63	85	90
4	8,53	54,78	32,06	1:6,43	1:1,97	80	120
5	8,53	36,56	49,37	1:4,3	1:0,90	85	150
6	6,8	39,0	49,26	1:5,7	1:0,93	80	150
7	3,4	80,3	14,36	1:23,5	1:5,8	85	90
8	3,4	43,91	48,99	1:12,87	1:0,96	80	100

Таблица 2
Характеристики образцов пигмента, полученных по предлагаемому изобретению
№№ примеров	Доля сатинвейса в смеси, %	Концентрация сухих веществ в дисперсии, %	Устойчивость дисперсии в течение 48 ч	Степень преобразования карбоната кальция	Простота измельчения в порошок	Агломераты в порошке	Белизна порошка, %	Возможность редиспергирования порошка	Связующее	Количество связующего, % к массе сухих веществ	Степень удержания связующего, %
1	42	20	Устойчива	95	Измельчение затруднено	Отсутствуют	88,63	Возможно	Крахмал	4,0	99,8
2	36	25	-«-	95	Без затруднений	-«-	88,23	-«-	ПВС	2,0	99,8
3	26	30	-«-	30	-«-	-«-	86,88	-«-	-	-	-
4	28	35	-«-	50	-«-	-«-	87,13	-«-	Крахмал	1,0	99,4
5	27	30	-«-	95	-«-	-«-	88,11	-«-	ПВС	1,0	99,6
6	23	35	-«-	95	-«-	-«-	87,11	-«-	-	-	-
7	10	35	-«-	20	-«-	-«-	86,75	-«-	-	-	-
8	12	35	-«-	95	-«-	-«-	87,03	-«-	-	-	-

Таблица 3
Характеристики образцов пигментов, полученных по прототипу смешением сатинвейса с каолином (примеры 9-12) и сатинвейса с карбонатом кальция (примеры 13-16)
№№ примеров	Доля сатинвейса в смеси, %	Концентрация сухих веществ в дисперсии, %	Простота измельчения в порошок	Агломераты в порошке	Пригодность порошка к редиспергированию	Белизна порошка, %
9	40	20	Измельчение затруднено	Имеются	Не пригоден	89,6
10	30	30	Без затруднений	Отсутствуют	Пригоден	89,57
11	20	30	-«-	-«-	-«-	89,35
12	10	35	-«-	-«	-«-	89,0
13	40	20	Измельчение затруднено	Имеются	Не пригоден	87,40
14	30	30	Без затруднений	Отсутствуют	Пригоден	86,95
15	20	30	-«-	-«-	-«-	86,30
16	10	35	-«-	-«-	-«-	85,6

1. Способ получения пигмента для изготовления бумаги и картона, включающий смешение гидроксида кальция, сульфата алюминия и природного неорганического компонента при диспергировании в воде, отличающийся тем, что в качестве природного неорганического компонента используют карбонат кальция, при этом сначала готовят при перемешивании смесь гидроксида кальция с карбонатом кальция при соотношении указанных компонентов соответственно от 1,0:2,2 до 1,0:23,5, после чего к полученной дисперсии смеси постепенно добавляют сульфат алюминия при соотношении последнего к общей массе гидроксида кальция и карбоната кальция от 1,0:0,9 до 1,0:5,8, затем температуру смеси повышают до 80-85°С и полученную реакционную смесь выдерживают при перемешивании в течение 90-180 мин с образованием дисперсии пигмента с содержанием в ней сухих веществ 20-35%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в дисперсию гидроксида кальция и карбоната кальция вводят связующее из группы, содержащей крахмал и поливиниловый спирт в количестве 1,0-4,0% от массы сухих веществ пигмента.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь гидроксида кальция и карбоната кальция готовят при их соотношении соответственно от 1,0:3,8 до 1,0:23,5 с последующим высушиванием дисперсии пигмента и получением его порошка.