Композиция, используемая в качестве наполнителя для производства бумаги, и способ получения бумаги - RU2142483C1
Код документа: RU2142483C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к усовершенствованным наполнителям для бумаги и к щелочной бумаге, включающей такие наполнители. Это изобретение относится к способу получения бумаги, в особенности к способам получения бумаги, в которых используют наполнители.
Предпосылки изобретения.
Во время производства щелочной бумаги к целлюлозным волокнам для улучшения степени белизны, коэффициента непрозрачности, гладкости поверхности бумаги и/или печатаемости обычно добавляют наполнители из неорганических материалов. Наполнители, используемые в процессах производства щелочной бумаги, являются неорганическими материалами. При производстве щелочной бумаги используют максимально возможное количество наполнителя, потому что увеличение количества наполнителя в таком производстве приводит к уменьшению производственных затрат. Кроме того, наполнитель обеспечивает улучшенные свойства щелочной бумаги, например такие, как коэффициент непрозрачности и степень белизны.
Степень белизны является функцией коэффициента отражения света. Неорганические материалы, например мел, тальк и глины, обеспечивают низкую степень белизны. Известно, что степень белизны, придаваемая глинами, может быть усовершенствована посредством прокаливания. Однако прокаленная глина представляет абразивный материал, что является нежелательным.
Степень белизны щелочной бумаги, которая содержит неорганические наполнители, которые имеют низкую степень белизны, может быть также улучшена путем включения флуоресцирующих отбеливателей или оптических отбеливателей. Однако эти химические вещества являются дорогостоящими и приводят к возникновению забот об охране окружающей среды.
В данной области техники представлены различные наполнители и способы производства бумаги. В патенте США N 2795509 представлены устойчивые дисперсии диоксида кремния в растворах простых эфиров целлюлозы, которые являются пригодными в качестве композиций для шлихтовки.
В патенте США N 3730830 представлен способ производства бумаги, имеющей высокую прочность, в котором образуют суспензию штапельного волокна, карбоксиметилцеллюлозы и неорганического пигмента, после чего осуществляют добавление целлюлозного волокна.
В патенте США N 4310360 представлен способ получения композиции для шлихтовки, включающий нагрев пигмента в присутствии полисахарида.
В патенте США N 4210488 описан способ усовершенствования влияния оптических отбеливателей путем поглощения полипиперидингалогенида, адсорбированного на карбоксиметилцеллюлозе.
Карбоксиметилцеллюлоза является присадкой для влажной конечной бумаги, которая улучшает прочность бумаги в сухом состоянии. Для повышения поверхностной прочности, гладкости, а также впитываемости масла или жира на поверхность бумаги могут быть также нанесены растворы карбоксиметилцеллюлозы.
Ни в одном из вышеприведенных патентов не описано успешное разрешение проблемы улучшения степени белизны продуктов из щелочной бумаги, которые содержат наполнители типа неорганических пигментов. Соответственно существует необходимость в неорганическом наполнителе, обеспечивающем повышенную степень белизны в продукции, изготовленной с использованием щелочной бумаги.
Сущность
изобретения
Представленное изобретение относится к неорганическому наполнителю, обработанному производной целлюлозы. Производную целлюлозы предпочтительно модифицируют по крайней мере одним
ионным заместителем, например натрием, или она содержит такой ионный заместитель.
Представленное изобретение относится, кроме того, к способу обеспечения щелочной бумаги улучшенной степени белизны. Способ включает обеспечение тонкоизмельченного неорганического наполнителя, обработку наполнителя производной целлюлозы, которая модифицирована по крайней мере одним ионным заместителем или содержит такой ионный заместитель, и добавление обработанного наполнителя во время щелочного способа производства бумаги к целлюлозному волокну.
Изобретение относится также к щелочной бумаге, включающей обработанный наполнитель.
Пригодные неорганические материалы, которые могут быть обработаны в соответствии с изобретением, включают минералы, например диоксид титана, карбонаты щелочноземельных металлов, например природный и осажденный карбонат кальция ("PCC"), глину, тальк, тригидрат оксида алюминия, алюмосиликат натрия и сульфид цинка. Предпочтительно наполнителем является карбонат щелочноземельного металла, наиболее предпочтительно PCC.
Производные целлюлозы, применяемые для обработки неорганических материалов, могут быть солями целлюлозы, т.е. целлюлозой, модифицированной по крайней мере одним ионным заместителем, или целлюлозой, содержащей такой ионный заместитель. Производная целлюлозы предпочтительно представляет натрийкарбоксиметилцеллюлозу ("CMC"), где карбоксиметилцеллюлоза имеет степень замещения около 0,70 и вязкость от около 25 сантипуаз до около 50 сантипуаз, как было измерено на вискозиметре Брукфилда. Натрийкарбоксиметилцеллюлоза с указанной степенью замещения доступна от Aqualon Co, Wilmington, DE (Эквэлон. Ко., Вилмингтон, DЕ).
По еще одному аспекту изобретение направлено на усовершенствованный способ производства щелочной бумаги, в котором целлюлозу и неорганический материал превращают в щелочную суспензию, обезвоживают и формуют в бумагу. Способ включает обеспечение тонкоизмельченного неорганического материала, обработку неорганического материала производной целлюлозы, модифицированной по крайней мере одним ионным заместителем, и смешивание обработанного неорганического материала с целлюлозным волокном для обеспечения суспензии, подходящей для формования в бумагу.
Обработка неорганического материала включает добавление к неорганическому материалу производной целлюлозы, например натрийкарбоксиметилцеллюлозы ("CMC"), такой как сухая CMC, или CMC с форме водного раствора, предпочтительно сухой CMC. Стадия обработки включает смешивание неорганического материала и CMC в течение времени от 1 минуты до 6 часов, предпочтительно от около 15 минут до 3-х часов при температуре от 5 до 95oC, более предпочтительно при температуре от 20 до 60oC.
Другой аспект изобретения относится к усовершенствованной щелочной бумаге. Щелочная бумага включает целлюлозное волокно и вышеуказанные тонкоизмельченные частицы неорганического материала, обработанные вышеприведенной производной целлюлозы.
Фиг. 1 показывает степень белизны бумаги в соответствии с TAPP1 (Техническое общество целлюлозно-бумажной промышленности) примеров 1A-1H.
Фиг. 2 показывает степень белизны бумаги в соответствии с TAPP1 примеров 2A-2P.
Фиг. 3 показывает степень белизны бумаги в соответствии с TAPP1 примеров 3A-3H.
Фиг. 4 показывает степень белизны бумаги в соответствии с TAPP1 примеров 4A-4D.
Подробное описание изобретения.
Как правило, обработанный неорганический наполнитель изобретения получают путем смешивания тонкоизмельченного неорганического материала с производной целлюлозы, которую модифицируют посредством по крайней мере одного ионного заместителя, или которая содержит такой ионный заместитель. Производной целлюлозы предпочтительно является карбоксиметиловый эфир целлюлозы, который имеет натриевый заместитель, т.е. CMC. CMC имеет вязкость порядка от 25 до 50 сантипуаз в 2%-ном водном растворе и может иметь степень замещения (среднее число натрийкарбоксиметильных групп на звено ангидроглюкозы) около 0.70. Другие пригодные производные целлюлозы включают окисленные или анионные крахмалы.
Неорганическим материалом, который может быть использован в изобретении, в качестве наполнителей может быть любой неорганический материал, обычно используемый в качестве наполнителя в производстве бумаги. Этими неорганическими материалами обычно являются карбонат кальция, глина, диоксид титана, тальк, тригидрат оксида алюминия, алюмосиликат натрия, сульфид цинка и т.п. Карбонат кальция может быть или природным, например кальцитом и мелом, или осажденным карбонатом кальция. Наиболее предпочтительным является осажденный карбонат кальция ("PCC").
Средний размер частиц неорганического материала, пригодного в изобретении, составляет от около 0,1 до 5 мкм, предпочтительно от около 0,2 до 3,0 мкм. Средний размер частицы определяют в виде эквивалентного сферического диаметра, который измеряют Sedigraph 5100, изготовленным Micrometrics Co. (Микрометрикс Ко).
Получение неорганических наполнителей, обработанных CMC, пригодных в изобретении, может быть осуществлено посредством любого из способа (A), способа (B), способа (C) или способа (D). В способе (A) сухой порошок производной целлюлозы, например CMC, добавляют к водной суспензии, которая имеет от около 5 до около 75% по весу, предпочтительно от около 10 до около 30% по весу неорганического материала в виде твердых частиц. Суспензию и порошок CMC смешивают в течение времени от около одной минуты до около 6-ти часов, предпочтительно от около 15 минут до около трех часов. Температура во время добавления CMC составляет обычно от около 5 до около 95oC, предпочтительно от около 20 до около 60oC, наиболее предпочтительно около 25oC.
В способе (B) водный раствор производной целлюлозы, например CMC, добавляют к водной суспензии, которая имеет от около 5 до около 75% по весу, предпочтительно от около 10 до около 30% по весу неорганического материала. Суспензию неорганического материала и раствор CMC смешивают в течение времени от около одной минуты до около шести часов, предпочтительно от около 15 минут до трех часов. Температура во время добавления раствора CMC составляет обычно 5 - 95oC, предпочтительно от около 20 до около 60oC, наиболее предпочтительно около 25oC.
В способе (C) тонкоизмельченный материал добавляют к водному раствору производной целлюлозы, например CMC. Неорганический материал и раствор CMC смешивают в течение времени от около одной минуты до около шести часов, предпочтительно от около 15 минут до около трех часов. Температура во время смешивания составляет обычно от около 5 до около 95oC, предпочтительно от около 20 до около 60oC, наиболее предпочтительно около 25oC.
В способе (D) неорганический материал обрабатывают CMC путем добавления сухих порошков CMC и тонкоизмельченного неорганического материала к воде. В этом способе CMC, неорганический материал и воду смешивают от около одной минуты до около шести часов, предпочтительно от около 15 минут до около трех часов. Температура во время смешивания может быть 5 - 95oC, предпочтительно от около 20 до около 60oC, наиболее предпочтительно около 25oC.
Количество CMC, добавленной в каждом из вышеприведенных способов, является достаточным для обеспечения неорганического материала, имеющего от около 0.01 до 5% по весу CMC, предпочтительно от около 0,05 до 0.5%. Пригодные водные растворы CMC имеют от около 0.1 до 5% по весу CMC в водной фазе, предпочтительно от около 0,5 до 1.5% по весу в водной фазе, наиболее предпочтительно около 1% по весу относительно водной фазы.
В настоящем изобретении степень белизны щелочной бумаги, к удивлению, может быть увеличена путем добавления тонкоизмельченного неорганического материала, обработанного вышеуказанной производной целлюлозы, к целлюлозному волокну во время производства щелочной бумаги. Другие использования обработанного наполнителя изобретения включают применение их в качестве пигментов и наполнителей в цементах, пластиках, каучуке, красках и лекарственных препаратах.
Щелочная бумага изобретения включает целлюлозное волокно и наполнитель, состоящий из тонкоизмельченного неорганического материала, обработанного вышеуказанной производной целлюлозы. Обработанный неорганический наполнитель может присутствовать в количестве от около 5 до 45% по весу относительно бумаги.
Упомянутые выше особенности, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из последующих неограничивающих примеров настоящего изобретения.
Примеры 1A-1H.
Примеры 1A-1F показывают воздействие на степень белизны, полученное благодаря применению наполнителя PCC, модифицированного различными дозами натрийкарбоксиметилцеллюлозы. Для сравнения примеры 1G и 1H показывают воздействие на степень белизны, полученное благодаря применению наполнителя необработанного PCC.
В примерах 1A-1F водную суспензию, содержащую 20% твердых частиц PCC, обрабатывают 1%-ным водным раствором натрийкарбоксиметилцеллюлозы, как в способе (B). PCC имеет чешуйчатую структуру, средний размер частиц 1.4 микрона и удельную поверхность 12.3 м2/г. Количество натрийкарбоксиметилцеллюлозы, использованной для обработки PCC в примерах 1A-1B, составляет 0,1,0,2 и 0.3% в пересчете на сухой вес PCC. Количество натрийкарбоксиметилцеллюлозы, использованной для обработки PCC в примерах 1C-1D, составляет 0.2% в пересчете на сухой вес PCC. В примерах 1G и 1H в качестве наполнителя применяют необработанный PCC.
В примерах 1A-1H для получения отливок бумаги (60 г/м2) из загрузки, состоящей из 75% беленой крафт-целлюлозы твердых пород древесины и 25% беленой крафт-целлюлозы мягких пород древесины, измельченных в дистиллированной воде при pH 7 до степени помола 400 в соответствии с Канадским стандартом степени помола (CFS), используют шаблон из форматного листа (производимый Adirondack Machine Corp. (Адирондэк Машин Корп.). Консистенция пульпы составляет 0.3125%. К пульпе добавляют вспомогательное средство для удержания (высокоплотный катионный полиакриламид) в количестве 0,05% (1 фунт/тонну бумаги) (0.4536 кг на тонну бумаги). К пульпе добавляют также синтетический шлихтующий агент (димер алкилкетена в количестве 0.25% (5 фунтов/тонну бумаги) (2.268 кг/тонну бумаги). К загрузке пульпы для достижения целевого уровня введения наполнителя добавляют наполнитель. Перед испытанием листы кондиционируют при относительной влажности 50% и температуре 23oC в течение, как минимум, 24-х часов.
Степень белизны полученной бумаги проверяют с использованием метода испытаний TAPP1 T452-OM92. Результаты этого испытания показаны в таблице 1 и на фиг. 1, где цифровые обозначения 1A-1H отвечают соответственно примерам 1A-1H. Как показано в таблице 1, степень белизны бумаги усовершенствуется при использовании наполнителя PCC, подвергнутого увеличивающимся степеням обработки CMC.
Примеры 2A-2F
В примерах 2A-2F воздействие на степень белизны,
полученное благодаря использованию PCC, обработанного натрийкарбоксиметилцеллюлозой, сравнивается с воздействием на степень белизны, полученным благодаря отдельному добавлению необработанного PCC к
загрузке пульпы, которая содержит CMC. В примерах 2A-2F использованный PCC имеет чешуйчатую структуру, средний размер частиц 1.3 микрона и удельную поверхность 12.1 м2/г. В примерах 2A и 2B
водную суспензию PCC, содержащую 20% твердых частиц, обрабатывают 1%-ным водным раствором натрийкарбоксиметилцеллюлозы, как в способе (B), чтобы обеспечить степень обработки CMC, равную 0.5% по весу
относительно PCC. В примере 2C и 2D оценивают воздействие отдельных добавок суспензии PCC и раствора натрийкарбоксиметилцеллюлозы к загрузке пульпы, как показано в способе (D). Количества добавленного
PCC показаны в таблице 2 в примерах 2C и 2D. Количество натрийкарбоксиметилцеллюлозы, добавленное в примерах 2C и 2D, является достаточным для достижения степени обработки
натрийкарбоксиметилцеллюлозной, соответствующей PCC, обработанному CMC, применяемому в примерах 2A и 2B. Для сравнения к загрузке пульпы, которая не содержит CMC, добавляют необработанный PCC, как это
показано в примерах 2Е и 2F.
Для получения отливок, которые описаны в примере 1A, в загрузке пульпы используют обработанные и необработанные наполнители PCC. Степень белизны полученных отливок оценивали посредством метода испытаний TAPP1 T452-OM92. Результаты показаны в таблице 2 и на фиг. 2, где цифровые обозначения 2A-2F отвечают соответственно примерам 2A-2F.
Примеры 3A-3H.
В примерах 3A-3H оценено воздействие структуры наполнителя PCC на степень белизны. Использованные осажденные карбонаты кальция имели призматическую или ромбоэдрическую структуру.
PCC с призматической структурой имел средний размер частиц 2.2 микрона и удельную поверхность 3,6 м2/г. PCC с ромбоэдрической структурой имел средний размер частиц 3.3 микрона и удельную поверхность 2.5 м2/г.
В примерах 3A, 3B, 3E и 3F для обеспечения степени обработки CMC, равной 0.5%, в пересчете на сухой вес наполнителя PCC, 1%-ным водным раствором натрийкарбоксиметилцеллюлозы, как в способе (B), обработали водные суспензии PCC любого типа, содержащие 20% твердых частиц. Для сравнения в примерах 3C, 3D, 3G и 3H оценили водные суспензии необработанного PCC, содержащие 20% твердых частиц.
Наполнители PCC добавили к загрузке пульпы и превратили в бумагу, как в примере 1.
Степень белизны полученных листов бумаги показана в таблице 3 и на фиг. 3, где цифровые обозначения 3A-3H отвечают соответственно примерам 3A-3H.
Результаты, представленные в таблице 3, показывают, что для получения бумаги с улучшенной степенью белизны карбоксиметилцеллюлозой можно обработать PCC с различной структурой.
Примеры 4A-4D.
Водную суспензию мела, содержащую 20% твердых частиц, имеющих средний размер 2.2 микрона и удельную поверхность 2.1 м2/г, обработали, как в способе (B), 1%-ным водным раствором натрийкарбоксиметилцеллюлозы, чтобы обеспечить степень обработки CMC, равную 0.5% по весу относительно мела. Водную суспензию талька, содержащую 20% твердых частиц, имеющих средний размер частицы 4.0 микрона и удельную поверхность 14.3 м2/г, также обработали 1%-ным водным раствором натрийкарбоксиметилцеллюлозы, как в способе (B), чтобы обеспечить степень обработки CMC, равную 0.5% по весу относительно талька. Обработанные наполнители мел и тальк, а также необработанные наполнители мел и тальк использовали для получения отливок, которые описаны в примере 1, за исключением того, что уровень наполнителя в загрузке пульпы составил 30%. Степень белизны полученной бумаги оценивали с использованием метода испытаний TAPP1 T452-ОМ92. Результаты показаны в таблице 4 и на фиг. 4, где цифровые обозначения 4A-4D отвечают соответственно примерам 4A-4D.
Результаты показывают, что для получения наполнителей, пригодных для обеспечения улучшенной степени белизны бумаги, различные неорганические материалы можно обработать натрийкарбоксиметилцеллюлозой.
Хотя настоящее изобретение описано подробно, понятно, что это сделано с целью приведения примера, а не с целью ограничения, при этом сфера изобретения ограничивается только объемом приложенной формулы изобретения.
Реферат
Изобретение относится к композиции, содержащей тонкоизмельченные частицы неорганического материала, обработанного производной целлюлозы или целлюлозой, модифицированные по крайней мере одним ионным заместителем или содержащие такой ионный заместитель. Щелочная бумага по изобретению содержит целлюлозное волокно и вышеуказанную композицию, являющуюся наполнителем. Способ получения бумаги включает обработку тонкоизмельченных частиц неорганического материала производной целлюлозы, модифицированной по крайней мере одним ионным заместителем, или содержащей такой заместитель, добавление обработанных частиц к целлюлозному волокну во время щелочного способа производства бумаги. Результат изобретения - повышение степени белизны бумаги, 4 с. и 30 з.п. ф-лы, 4 табл., 4 ил.
