Применение осажденного карбоната для производства волоконного продукта

Применение осажденного карбоната для производства волоконного продукта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к наполнителю или смеси наполнителей, содержащим карбонат, а также к способу их получения путем осаждения наполнителя непосредственно в целлюлозную массу либо в виде отдельного процесса в отсутствие волокон, в частности, из оборотной воды бумажного и картонного производства. Изобретение также относится к волокнистому продукту, содержащему указанное волокно, такому как бумажный или картонный продукт, или пластиковый, резиновый, бетонный продукт или краска.

Предшествующий уровень техники

В последние десятилетия потребность в осажденном карбонате кальция значительно возрастает, особенно при производстве бумаги и картона, переработке каучуков и пластмасс, а также при изготовлении типографских красок, красителей и клеящих веществ. Осажденные карбонаты кальция обладают не только высокой степенью глянца и рассеивающей способностью, но также и низкой стоимостью. Кроме того, при использовании в упомянутых выше областях применения осажденный карбонат может увеличивать механическую прочность.

Такие карбонаты кальция обладают кристаллической структурой, обычно имеющей форму кальцита, арагонита или фатерита. Кальцит, как правило, встречается в таких кристаллических формах, как скаленоэдрические, ромбоэдрические, кубические и призматические формы. Арагонит является орторомбическим и обычно имеет вытянутые формы. Фатерит при нормальных температуре и давлении нестабилен и переходит в кальцит и арагонит. Как правило, фатерит имеет сферическую форму. Форма кристалла может трансформироваться в игольчатые, кубические, сферические и многие другие кристаллические формы при изменении условий реакции, таких как концентрация гашеной извести и температура реакции.

Прочность бумаги и картона образуется в основном между волокном и заряженными группами мелкозернистых частиц за счет водородных связей. Такие заряженные группы, как правило, включают в себя гидроксильные и карбоксильные группы. Улучшение прочности, прежде всего, осуществляют механическим способом при помощи размола волокон, пытаясь посредством этого повысить фибриллирование волокон. Прочность зависит от прочности отдельного волокна, прочности между волокнами, количества волоконных связей, а также от распределения волокон и связей в готовой бумаге или картоне.

Как правило, наполнители или пигменты, используемые при производстве бумаги и картона, имеют средний размер частиц менее 5 мкм и обладают светлой окраской. К наиболее типичным наполнителям относятся каолины, тальки, тонкодисперсный карбонат кальция (GCC) и осажденный карбонат кальция (РСС). Кроме того, имеются более дорогостоящие специальные пигменты, такие как осажденные силикаты алюминия, сатинит и диоксид титана. Четкое разграничение наполнителей и покрывающих пигментов представляет трудности, однако, в общих чертах, наполнители имеют больший размер и более грубую форму, чем пигменты, используемые при нанесении покрытия. Теоретически, оптимальный размер частиц наиболее распространенных наполнителей и покрывающих пигментов, с точки зрения максимального рассеяния света, составляет приблизительно от 0,4 до 0,5 мкм. Однако, как правило, средний размер частиц покрывающих пигментов составляет от 0,5 до 1 мкм, а средний размер частиц наполнителей - от 1,5 до 4 мкм.

Основным недостатком использования наполнителей и пигментов, а также других наполнителей является ослабление прочности структуры бумаги или картона при замене части химической массы наполнителем. Это обусловлено тем, что наполнители препятствуют образованию водородных связей между волокнами за счет того, что сами прикрепляются к поверхности волокон. В то же время, карбонаты кальция как тонкодисперсную (GCC), так и осажденную (РСС) формы широко используют благодаря их низкой стоимости и хорошим светорассеивающим свойствам, в особенности для замены волокон химической целлюлозы. Бумага и картон, получаемые из макулатурной массы, облагороженной макулатурной массы и механической массы, могут быть замещаться карбонатами кальция, однако потемнение механической массы, обусловленное щелочью, зачастую ограничивает их использование при производстве сортов бумаги и картона, изготавливаемых из такой целлюлозной массы.

Как показывает опыт, проблема ухудшения прочности, происходящего из-за добавления наполнителя, снижается, в частности, за счет агломерирования отдельных частиц наполнителя с образованием агломератов большего размера. Наряду с прочим, это отражено в патентных документах US 4225383, 4115187, 4445970, 5514212 и 4710270, а также в GB 2016498 и 1505641. В этих работах анионные частицы наполнителя, как правило, агломерированы с образованием более крупных заполнителей с помощью катионной добавки в смесь. Было установлено, что в этом случае улучшаются прочностные свойства и удерживание наполнителя, однако при этом ухудшаются оптические свойства.

Существуют также публикации, согласно которым для снижения ухудшения прочности, происходящего за счет добавления наполнителей, используют латексы. Это представлено, наряду с прочим, в патентных документах US 4178205, 4189345, 4187142, 4710270 и 7074845.

Уменьшение прочности и жесткость бумажного или картонного продукта при замене волокон наполнителем преимущественно обусловлены ослаблением за счет наполнителей образования водородных связей между волокнами, поскольку поверхность наполнителей не образует водородных связей. В настоящее время наполнитель обычно добавляют непосредственно в целлюлозную массу. В сеточной части лишь часть добавленного наполнителя присоединяется к конечной бумаге или картону. Независимо от этого остальная часть наполнителя проходит через систему оборотной воды для образования части структуры конечной бумаги или картона, однако при этом из-за прикрепления различных гидрофобных веществ к наполнителям системы оборотной воды значительно возрастает опасность различных проблем с безобрывным прохождением полотна. Как правило, такие проблемы с безобрывным прохождением полотна в бумаго- или картоноделательной машине проявляются, например, в виде загрязнения сеток и сукна и, в конечном итоге, в виде разрывов. Часть наполнителя из системы оборотной воды также в конечном счете нагружает установку для очистки сточных вод, поскольку материал никогда не выносится полностью за пределы процесса вместе с конечными бумагой или картоном. Более слабые связи волокно-волокно на поверхности бумаги или картона, обусловленные присутствием наполнителя, могут также приводить к повышению пылеобразования с поверхности во время печати.

Таким образом, существует необходимость в волокнистом продукте, в котором наполнитель был бы присоединен к волокну и другим наполнителям более эффективно и который в то же время обеспечивал бы продукт с подходящими прочностными характеристиками, предпочтительно, дополнительно улучшенными по сравнению с известными решениями.

Краткое описание сущности изобретения

Целью данного изобретения является обеспечение нового волокнистого продукта, такого как бумажный или картонный продукт, обладающего высокими прочностью, степенью глянца, оптической плотностью слоя краски и непрозрачностью.

В частности, целью данного изобретения является обеспечение нового наполнителя, содержащего карбонат, используемого в таком волокнистом продукте, в особенности таким образом, чтобы карбонатный наполнитель был закреплен в промежутках между волокнами волокнистого продукта.

Такие содержащий карбонат наполнитель и волокнистый продукт могут быть обеспечены, например, с помощью способа согласно изобретению.

Таким образом, настоящее изобретение относится к содержащему карбонат наполнителю и к способу его получения. Такой наполнитель затем используют при производстве волокнистого продукта согласно изобретению, где волокнистый продукт содержит целлюлозное волокно, и/или древесное волокно, и/или синтетическое волокно и, предпочтительно, является бумагой или картоном. При таком способе получения волокнистого продукта карбонатный наполнитель присоединяется между целлюлозными волокнами или древесными волокнами и прикрепляется к фибрилам, после чего из целлюлозной массы получают указанный волокнистый продукт.

Точнее, способ получения содержащего карбонат наполнителя согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что указано в отличительной части п. 1 формулы изобретения.

Содержащий карбонат наполнитель или смесь наполнителей согласно изобретению, в свою очередь, характеризуются тем, что указано в отличительной части п. 9 формулы изобретения.

Соответственно, способ получения волокнистого продукта согласно изобретению характеризуется тем, что указано в отличительной части п. 14 формулы изобретения, а применение наполнителя согласно изобретению характеризуется тем, что указано п. 18 формулы изобретения.

С помощью изобретения достигнуты значительные преимущества. Показано, что использование давления ниже атмосферного (вакуума) при образовании содержащего карбонат наполнителя позволяет улучшать степень глянца, прочность, непрозрачность и печатные свойства (способность поглощения краски) конечного продукта, такого как бумага или картон, в котором использован карбонат. Таким образом, часть волокон конечного продукта может быть заменена наполнителем таким образом, что прочностные свойства при этом поддерживаются на более высоком уровне, чем при использовании стандартных наполнителей.

Особенно предпочтительные свойства получают при использовании полимера, увеличивающего прочность в сухом состоянии, вместе с карбонатом в наполнителе или с наполнителем при производстве волокнистого продукта.

Для увеличения pH и образования карбоната при отрицательном давлении достаточно удалять диоксид углерода из реакционной смеси без добавления отдельного реагента, то есть щелочи. Это имеет особое преимущество в случае бумажных и картонных предприятий, где имеется свободный диоксид углерода, доступный с целлюлозного завода.

Краткое описание графических материалов

Фиг. 1 представляет собой графическое изображение влияния размера частиц карбонатного наполнителя (APS) и доли крахмала на величины TEA (ТЕА1) волокнистого продукта при плотности бумаги 80 г/м² и использовании 10% карбонатного наполнителя в волокнистой сетке.

Фиг. 2 представляет собой графическое изображение влияния размера частиц карбонатного наполнителя (APS) и доли крахмала на величины стойкости к расслаиванию (Scott1) волокнистого продукта при плотности бумаги 80 г/м² и использовании 10% карбонатного наполнителя в волокнистой сетке.

Фиг. 3 представляет собой графическое изображение степени глянца и величины непрозрачности каолина и карбонатного наполнителя (категория размера 6,5 мкм). Результаты приведены к содержанию наполнителя 6% при плотности бумаги 80 г/м².

На Фиг. 4 представлены снимки сканирующего электронного микроскопа листов целлюлозы плотностью 80 г/м², содержащих карбонатные наполнители категории размера 13 мкм (верхний ряд) и 6,5 мкм (нижний ряд) на поверхности листов.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

В обычно используемых процессах осаждения карбоната осажденный карбонат кальция (РСС) получают при помощи изменения величины pH от щелочной к нейтральной. При приготовлении карбонатного наполнителя согласно настоящему изобретению величину pH повышают от кислой до pH выше 7. Целью является получение на стадии осаждения карбоната, который вместе с потенциально используемыми полимерами, увеличивающими прочность в сухом состоянии, может повысить прочность содержащей наполнитель сетки в конечном продукте без ухудшения оптических свойств (непрозрачности и степени глянца).

Таким образом, настоящее изобретение относится к способу получения наполнителя, содержащего карбонат, где кислый раствор бикарбонат-иона образуется из раствора соответствующего гидроксида при помощи добавления диоксида углерода в указанный раствор гидроксида, после чего карбонатная часть наполнителя образуется за счет повышения величины рН образовавшегося кислого раствора бикарбонат-иона до нейтрального или щелочного диапазона при посредстве давления ниже атмосферного или центробежной силы либо комбинацией этого. В частности, настоящее изобретение относится к способу получения наполнителя, содержащего карбонат кальция, натрия или магния.

"Кислый" в данном контексте относится к величине рН ниже 7, тогда как "нейтральный" относится к величине рН от 7 до 8, а "щелочной" относится к величине рН выше 8, в частности выше 10.

"Давление ниже атмосферного или отрицательное давление" в данном контексте относится к давлению, меньшему атмосферного давления или давления воздуха, предпочтительно, в диапазоне от 0,60 до 1 бар, то есть как абсолютное давление - от 0,4 до 0 бар; более предпочтительно, в диапазоне от 0,85 до 0,95 бар, то есть как абсолютное давление - от 0,15 до 0,05 бар; в частности, в диапазоне от 0,88 до 0,94 бар, то есть как абсолютное давление - от 0,12 до 0,06 бар.

При применении центробежной силы предпочтительно используют скорость вращения от 50 до 2000 об/мин (оборотов в минуту).

Температура при выполнении этих стадий процесса может быть близкой к температуре окружающей среды (приблизительно 25°С) или быть немного выше, в частности от 35 до 70°С.

Используемый гидроксид предпочтительно представляет собой гидроксид кальция или гидроксид магния либо их смесь. Более предпочтительно, используемый гидроксид получают отмучиванием негашеной извести, обожженного доломита, MgO или другого такого источника кальция, натрия или магния в воде или водном растворе, который при отмучивании в таком растворе дает щелочной раствор, либо при помощи отмучивания смеси двух или нескольких из перечисленных выше источников.

В одном из воплощений изобретения раствор гидроксида выбирают из таких водных растворов или водных растворов целлюлозной массы (суспензий), которые относятся к агрегатам или технологической воде способа (производственного процесса) получения волокнистого продукта, содержащего целлюлозное волокно, древесное волокно или синтетическое волокно или их смесь.

Гидроксид и диоксид углерода могут быть добавлены в указанный водный раствор, по существу, одновременно. В некоторых случаях их добавляют на разных стадиях.

Термин "водный раствор" относится ко всем растворам или суспензиям, содержащим более 50 мас.% воды. Следовательно, водные растворы включают в себя чистую воду (100 мас.% воды) и разбавленные волокнистые суспензии.

Любые водные растворы с бумаго- или картоноделательной машины могут быть превращены в раствор бикарбонат-иона, пригодный для использования в качестве раствора исходного материала способа. Предпочтительно, указанный водный раствор представляет собой технологическую воду производства бумаги или картона, в частности циркуляционную воду.

"Раствор бикарбонат-иона", в свою очередь, представляет собой водный раствор, содержащий различные состояния карбоната, его величина рН лежит в диапазоне, где карбонат преимущественно находится в форме бикарбоната; в данном контексте, в особенности, в диапазоне рН от 4 до 10.

При изменении величины рН карбонат- или бикарбонат содержащего раствора, например, согласно изобретению, состояния карбоната в нем также изменяются в соответствии с так называемой карбонатной системой. Основными состояниями карбонатов являются:

H₂CO₃↔НСО₃ ^-↔CO₃ ^2-

При кислых значениях рН основными состояниями карбоната являются растворимый диоксид углерода (CO₂) и, в меньшей степени, угольная кислота (H₂CO₃). В нейтральной (по обе стороны от рН 7) и щелочной областях бикарбонат или гидрокарбонат (HCO₃) является основным состоянием карбоната вплоть до рН приблизительно 10. В сильнощелочной области (рН>10) основным состоянием является карбонат (CO₃ ^2-).

Щелочность карбоната относится к количеству сильной кислоты, с помощью которого водный раствор может быть оттитрован до конечной точки титрования фенолфталеина. В этой точке все ионы CO₃ ^2- превращаются в HCO₃ ^-. Это происходит при величине рН приблизительно 8,3. В наиболее важном для производства бумаги и картона диапазоне рН, рН 6-8, бикарбонат (HCO₃) является преобладающим состоянием. Кроме того, в этот диапазон рН с кислой стороны диапазона рН заносятся сравнительно хорошо растворимый диоксид углерода и некоторое количество угольной кислоты, а также коллоидный карбонат.

В данном контексте раствор с величиной рН в кислом диапазоне (рН<6) называют кислым раствором бикарбонат-иона.

Согласно настоящему изобретению, карбонат образуется в растворе из бикарбонат-ионов. Хорошо известно, что бикарбонат-ионы могут осаждаться в частицы карбонатов из раствора карбонат-ионов при повышении рН или температуры.

При повышении температуры высвобождается диоксид углерода, и бикарбонат реагирует, например, со свободными ионами кальция или магния в соответствии со следующим уравнением реакции:

Ca²⁺+2НСО₃ ^-→СаСО₃↓+CO₂↑+H₂O↑.

Соответственно, при повышении величины рН с помощью щелочи, например, NaOH или Са(ОН)₂, частицы карбоната могут осаждаться в соответствии со следующими уравнениями реакций:

Са²⁺+2HCO₃ ^-+2NaOH→СаСО₃↓+Na₂CO₃+2H₂O.

Са²⁺+2HCO₃ ^-+Са(ОН)₂→2CaCO₃↓+2OH^-.

Тем не менее, настоящее изобретение основано на ситуации, когда достаточно теплый раствор бикарбонат-иона (по меньшей мере, при комнатной температуре) подвергают воздействию давления ниже атмосферного или действию центробежной силы, так что диоксид углерода высвобождается из раствора в воздух.

В частности, показано, что при таком получении карбонатного наполнителя с помощью использования давления ниже атмосферного, например, непосредственно в ходе процесса на бумажной или картонной фабрике были улучшены прочность, непрозрачность и печатные свойства (способность поглощения краски) конечного продукта, такого как бумага или картон. Эти преимущества возрастают при использовании полимера, повышающего прочность в сухом состоянии, вместе с карбонатом в наполнителе или конечном продукте, изготавливаемом с использованием наполнителя.

Для повышения величины рН и образования карбоната при давлении ниже атмосферного достаточно, чтобы диоксид углерода высвобождался из раствора бикарбонат-иона, описанного выше, имеющего кислую величину рН, без использования дополнительного реагента, такого как щелочь. Это представляет особое преимущество применительно к бумажным и картонным предприятиям, где имеется достаточное количество свободного диоксида углерода, доступного с целлюлозного завода, для приготовления кислого раствора бикарбонат-иона.

В бумажной и картонной промышленности карбонат кальция широко используют в качестве карбоната, как в виде наполнителя, так и в виде покрывающего агента. Известные формы карбоната кальция включают в себя тонкодисперсный карбонат кальция (GCC) и осажденный карбонат кальция (РСС). Традиционно, цель заключалась в обеспечении среднего размера частиц карбонатов больше 500 нм, как правило, в диапазоне от 1 до 2 мкм, так как считалось, что в этом случае достигается оптимальная эффективность рассеяния света (глянец и непрозрачность). Растворимость карбонатов в воде в обычных условиях достаточно низкая. Однако в кислой среде высвобождаются растворимые ионы кальция, увеличивая жесткость воды.

Средний размер частиц (APS50) карбоната, получаемого согласно настоящему изобретению, предпочтительно, составляет от 0,5 до 15 мкм, в частности, от 1 до 8 мкм.

В кислый раствор бикарбонат-иона, используемый в изобретении, до образования из раствора карбонатной части наполнителя может быть добавлен дополнительный обогащенный минералом наполнитель. Этот добавленный наполнитель представляет собой, предпочтительно, коммерчески доступные GCC или РСС либо их смесь, или, необязательно, наполнитель, отличный от карбоната, такой как волластонит, силикат алюминия, каолин, тальк, сатинит или оксид титана.

Термин "карбонатная часть" в данном контексте относится к твердому карбонату наполнителя или смеси наполнителей, которые должны образоваться или образуются в режиме он-лайн, и таким образом отображает содержание карбоната по сравнению с добавленными наполнителями или соответствующими добавками. Эта часть предпочтительно превышает 5%.

Можно также повысить содержание сухого вещества в полученном растворе наполнителя, содержащем карбонат. Это осуществляют, в частности, при помощи фильтрации, осаждения, отжима, упаривания, сушки или при посредстве центробежной силы.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, вместе с карбонатной частью наполнителя используют полимер для увеличения прочности бумаги в сухом состоянии, предпочтительно, выбранный из группы, состоящей из крахмала, альдегидкрахмала, гуаровой камеди, полиакриламида, глиоксилированного полиакриламида, карбоксиметилцеллюлозы, поливинилового спирта, латекса или хитозана или смеси двух или нескольких из перечисленных выше, наиболее предпочтителен крахмал.

В бумажной или картонной промышленности уменьшение прочности в сухом состоянии, обусловленное использованием наполнителей, как правило, компенсируется за счет использования водорастворимых природных и искусственных полимеров. Использование наполнителей повышает потребность в агентах для увеличения прочности в сухом состоянии. Наиболее распространенные агенты для увеличения прочности в сухом состоянии включают в себя крахмал, карбоксиметилцеллюлозу (CMC), гуаровую камедь и полиакриламид (РАМ). Поливиниловый спирт и латекс также могут быть использованы в качестве полимера для увеличения прочности в сухом состоянии, хотя на практике их обычно не используют в мокрой части процесса производства бумаги или картона.

Крахмал является старейшим и наиболее широко используемым для увеличения прочности волокнистых сеток агентом, повышающим прочность в сухом состоянии, его действие в плане увеличения прочности обусловлено наличием у него большого количества гидроксильных групп, что увеличивает образование водородных связей. Катионные амфотерные крахмалы являются наиболее широко используемыми крахмалами. Как правило, при их добавлении в целлюлозную массу высокой консистенции результатом прежде всего является повышение прочностных характеристик. Наряду с катионизацией в крахмале может образоваться эфирная связь при производстве карбоксиметилцеллюлозы (CMC). Нативный крахмал может быть дополнительно этерифицирован, окислен, гидролизован и обработан смесью ферментов и нагреванием, либо некоторыми или всеми из упомянутых способов. Наиболее типичными источниками нативного крахмала являются картофель, ячмень, пшеница, кукуруза и тапиока. Тем не менее, при добавлении в разбавленную целлюлозную массу или в короткую циркуляцию целлюлозы крахмал улучшает удерживание мелких частиц и наполнителя, вместо увеличения прочности.

Кроме того, крахмал используют для дисперсии готовых клеев, таких как AKD (англ. alkyl ketene dimer - алкилкетеновый димер) и ASA (англ. alkenyl succinic anhydride - ангидрид алкенилянтарной кислоты). При помощи крахмала также зачастую осуществляют поверхностное проклеивание бумаги и скрепление различных слоев картона друг с другом.

Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления, карбонатный наполнитель готовят таким образом, что водный раствор сначала подкисляют дозированием в него диоксида углерода одновременно либо перед добавлением в водный раствор негашеной извести или доломита или их соответствующих гидроксид-содержащих растворов. После этого получают подкисленный раствор бикарбонат-иона согласно изобретению. Далее величину рН раствора повышают до нейтрального или щелочного диапазона за счет понижения давления ниже атмосферного (вакуумирования), в результате чего образуется карбонатный наполнитель согласно изобретению.

Настоящее изобретение также относится к наполнителю или смеси наполнителей, содержащим карбонат, получаемым с помощью описанного выше способа. Таким образом, рассматриваемые наполнитель или смесь наполнителей получают с помощью способа, при котором величину рН повышают при вакуумирования или центробежной силы или комбинации этого от кислого диапазона до нейтрального или щелочного диапазона.

Такой наполнитель содержит по меньшей мере 5 мас.%, предпочтительно, от 25 до 100 мас.%, наиболее приемлемо, от 50 до 90 мас.% карбоната, образовавшегося в твердой форме в водном растворе. Средний размер частиц такого карбоната составляет предпочтительно, от 0,5 до 15 мкм, в частности, от 1 до 8 мкм. Карбонат предпочтительно выбирают из карбоната кальция или магния или их смеси. Наиболее приемлемо, наполнители состоят из такого карбоната кальция или магния или их смеси. Особенно предпочтительными наполнителями применительно к изобретению являются тонкодисперсный карбонат кальция (GCC), осажденный карбонат кальция (РСС) или их смеси.

Величина рН наполнителя, полученного согласно изобретению, является нейтральной или щелочной. Конечная величина рН наполнителя, предпочтительно, составляет от 6 до 8.

Карбонат, получаемый в режиме он-лайн, согласно изобретению, также может быть смешан с дополнительным наполнителем с получением смеси наполнителей. Таким добавочным наполнителем, предпочтительно, является покупной GCC или РСС либо их смесь, или, необязательно, он включает в себя наполнитель, отличный от карбоната, такой как волластонит, силикат алюминия, каолин, тальк, сатинит или оксид титана.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, карбонатная часть наполнителя в конечном наполнителе уже смешана с полимером для увеличения прочности в сухом состоянии, наиболее предпочтительно, в целлюлозной массе, при этом полимер, предпочтительно, выбирают группы, состоящей из крахмала, альдегидкрахмала, гуаровой камеди, полиакриламида, глиоксилированного полиакриламида, карбоксиметилцеллюлозы, поливинилового спирта, латекса или хитозана или смеси двух или нескольких из перечисленных выше, наиболее предпочтителен крахмал.

Настоящее изобретение также относится к способу получения волокнистого продукта, содержащего целлюлозное волокно, древесное волокно или синтетическое волокно или их смесь. Согласно этому способу, получают целлюлозную массу, в которую добавляют наполнитель, содержащий карбонат, после чего целлюлозную массу прессуют с получением волокнистого продукта, на который необязательно наносят покрытие.

Используемые наполнитель или смесь наполнителей, необязательно вместе с водорастворимым полимером, увеличивающим прочность в сухом состоянии, улучшают оптические свойства структуры изготавливаемого волокнистого продукта и сохраняют его прочностные характеристики.

Волокнистый продукт относится к тонкому листовому волокнистому продукту, являющемуся, в частности, бумажным или картонным продуктом.

Волокна продукта могут быть любыми натуральными волокнами или синтетическими волокнами либо их смесью. В частности, волокна могут быть химической целлюлозой или механической целлюлозой или их смесью. Например, волокнами продукта могут быть волокна сульфатной и сульфитной целлюлозы, растворимой целлюлозы, наноцеллюлозы, химико-механической целлюлозы (СТМР), термомеханической (ТМР), получаемой под давлением (PGW), дефибрерной древесной массы, волокна вторичной переработки или волокна облагороженной макулатурной массы. Как правило, сульфатную и сульфитную целлюлозы называют химическими целлюлозами, а термомеханическую целлюлозу, получаемую под давлением, и дефибрерную древесные массы называют механическими целлюлозами. Плотность целлюлозной массы, приготовленной из таких волокон, при добавлении в нее наполнителя или смеси наполнителей согласно изобретению, составляет, предпочтительно, от 0,1 до 5%, в частности, от 0,2 до 1,5%.

При производстве бумаги или картона, "наполнитель", как правило, относится к частицам, добавляемым или присоединяемым к промежуткам между волокнами, назначением которого является уменьшение содержания конечного продукта. Применительно к настоящему изобретению, это определение также охватывает пигменты, включая покрывающие пигменты.

Как правило, такие известные наполнители и пигменты, используемые при производстве бумаги и картона, имеют средний размер частиц менее 5 мкм и светлую окраску. Наиболее часто используемые наполнители включают в себя каолины, тальки, тонкодисперсный карбонат кальция (GCC) и осажденный карбонат кальция (РСС). Кроме того, имеются более дорогостоящие специальные пигменты, такие как осажденные силикаты алюминия, сатинит и диоксид титана. Четкое разграничение наполнителей и покрывающих пигментов представляет трудности, однако, в общих чертах, наполнители имеют больший размер и более грубую форму, чем пигменты, используемые при нанесении покрытия. Теоретически, оптимальный размер частиц наиболее распространенных наполнителей и покрывающих пигментов, с точки зрения максимального рассеяния света, составляет приблизительно от 0,4 до 0,5 мкм. Однако, как правило, средний размер частиц покрывающих пигментов составляет от 0,5 до 1 мкм, а средний размер частиц наполнителей - от 1,5 до 4 мкм.

Согласно изобретению, по меньшей мере карбонатную часть наполнителя, используемого в волокнистом продукте, получают в водном растворе, предназначенном для использования при приготовлении целлюлозной массы, до прессования целлюлозной массы с получением волокнистого продукта или до того, как из нее получают покрывающую смесь перед необязательным покрытием волокнистого продукта. Таким образом, в случае, когда волокнистый продукт является бумажным или картонным продуктом, водный раствор, в котором получают карбонатную часть, становится затем технологической водой производства бумаги или картона, предпочтительно, циркуляционной водой, в частности, перед напорным ящиком бумагоделательной машины.

Для приготовления карбоната наполнителя используют описанный выше способ, где величину pH повышают от кислого диапазона до нейтрального или щелочного диапазона при посредстве понижения давления ниже атмосферного или центробежной силы либо комбинации этого.

Образующийся карбонат, предпочтительно, является карбонатом кальция или магния или их смесью.

Можно повысить содержание сухого вещества в растворе наполнителя, содержащем карбонат, перед добавлением его в волокна. В частности, это осуществляют при помощи фильтрации, осаждения, отжима, упаривания, сушки или при посредстве центробежной силы.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, в целлюлозной массе вместе с карбонатной частью наполнителя используют полимер для увеличения прочности бумаги в сухом состоянии, предпочтительно, выбранный из группы, состоящей из крахмала, альдегидкрахмала, гуаровой камеди, полиакриламида, глиоксилированного полиакриламида, карбоксиметилцеллюлозы, поливинилового спирта, латекса или хитозана или смеси двух или нескольких из перечисленных выше, наиболее приемлем крахмал.

Согласно настоящему изобретению, количество необязательно используемого крахмала составляет от 0 до 40 кг/т целлюлозной массы. Увеличение количества добавки за пределами этого диапазона ослабляет, наряду с прочим, обезвоживание в сеточной части. Это обусловлено тем, что анионный заряд волокон и наполнителя нейтрализуется катионным крахмалом, в результате чего остальной крахмал не прикрепляется больше к волокнам и наполнителю, а остается в форме растворенного крахмала в циркуляционной воде

Следующие не ограничивающие примеры иллюстрируют изобретение и его преимущества.

Примеры

Следующие примеры иллюстрируют улучшения некоторых свойств технологии производства бумаги, которые могут быть достигнуты при посредстве карбонатного наполнителя согласно изобретению.

Теоретически можно ожидать, что структура волокнистого продукта, получаемого согласно изобретению, при встраивании в волокнистую сетку карбонатного наполнителя, более светлого, чем волокна, будет наделять продукт улучшенными непрозрачностью и печатными свойствами. Это улучшает светорассеяние и поглощение краски.

Повышение прочностных характеристик при одинаковом наполнителе и содержании наполнителя обусловлено тем, что карбонатный наполнитель при соединении с волокнами остается в нестабильном аморфном состоянии, в результате чего карбонатный наполнитель позволяет увеличивать прочность связей между гидроксильными группами полимера, увеличивающего прочность в сухом состоянии, и группами, образующими водородную связь, волокна.

Пример 1

Приготовление кислого раствора бикарбоната

Кислый раствор бикарбонат-иона готовили смешиванием 100 или 200 г негашеной извести (СаО) с 500 г или 1000 г, соответственно, воды при температуре 45°C. Суспензию Са(ОН)₂, полученную таким образом, выливали в 30 л водопроводной воды. После этого воду и гидроксид кальция оставляли реагировать с диоксидом углерода, подаваемым в смесь, так что величина pH смеси в конце реакции составляла 6,3. После 12 часов осаждения осадок, осевший на дно, отделяли от растворенного и коллоидного материала (ионов Са, угольной кислоты, бикарбоната и коллоидного карбоната кальция). Осадок, осадившийся на дно, в опытах не использовали. Раствор бикарбонат-иона, полученный таким образом, использовали в качестве сырьевого материала в опытах, описанных ниже.

Часть полученных таким образом кислых растворов бикарбонат-ионов использовали в дальнейшем таким образом, что все их твердое вещество (а также осаждающаяся часть) нагревали до температуры 50°C и вакуумировали в течение 5 минут при давлении 0,92 бар, то есть при абсолютном давлении 0,08 бар. Вакуумирование проводили в стальном контейнере емкостью 50 л. Давление ниже атмосферного создавали с помощью насоса. В результате получали размеры частиц (APS10, APS50 и APS90), проводимость и pH, представленные в Таблице 1.

В приведенной выше Таблице 1100 г СаО в 30 л содержали 5,6 г/л карбоната после вакуумирования. 200 г СаО в 30 л содержали 11,3 г/л карбоната после вакуумирования.

Пример 2

Осаждение бикарбоната как отдельный процесс

В этом примере использовали растворы бикарбонат-ионов (30 л), приготовленные в предыдущем примере, при этом в одном случае добавляли 100 г оксида кальция, а в другом - 200 г оксида кальция. Осадок, оседавший на дне колбы, в опытах не использовали. Растворы бикарбонатов нагревали до температуры 55°C, после чего к раствору бикарбонат-иона, помещенному в стальной цилиндр емкостью 50 л, подключали вакуум 0,92 бар (то есть абсолютное давление 0,08 бар). Давление ниже атмосферного создавали при помощи насоса.

Таблицы 2 и 3 показывают время выдержки, по истечении которого образцы извлекали из вакумированного контейнера, и измеренные свойства образцов.

В приведенных выше Таблицах 2 и 3 показано, что в случае 100 г СаО/30 л при вакуумировании в течение 30 секунд образуются частицы с наименьшим средним размером (APS50). 200 г СаО/30 л при ваккумировании в течение 600 секунд обеспечивает частицы карбоната с наибольшими средними размерами (APS50). Размеры частиц (APS10, APS50 и APS90) измеряли с помощью анализатора Mastersizer 2000 компании Malvern. Обе таблицы показывают, что одновременно с высвобождением диоксида углерода из растворов бикарбонатов кислые растворы становятся нейтральными или щелочными. По мере того как при вакуумировании величина pH увеличивается, проводимость уменьшается, когда ионы кальция осаждают частицы карбонатов из карбонат-ионов.

Пример 3

Осаждение бикарбоната с волокнами

В лабораторных испытаниях использовали целлюлозную массу из древесины сосны и целлюлозную массу