NO176845B - Fremgangsmåte ved fremstilling av papir - Google Patents

Abstract

Tilsetning av smektitt og en katlonisk stivelse til massesanunensetningen 1 en papirfremstlllingsoperasjon forbedrer retensjonen av fyllstoffmateriale og kvaliteten på papiret.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører papirf reinstill ing hvorved det anvendes et flerkomponentsystem for forbedring av våt-partikjemien.

For å forsøke å redusere prisen på papir og modifisere visse papiregenskaper har hjelpemidler blitt prøvet. Blant disse har vært forsøk på å erstatte celluloseholdige fibre med fyllstoffmaterialer slik som kaolinleirer. Det har imidlertid vist seg å være vanskelig å opprettholde tilfredsstillende kvalitet, spesielt etter hvert som forholdet for fyllstoff til fiber økes.

Et forsøk på å forbedre kvaliteten på papir hvori fyllstoff anvendes er beskrevet i US-patenter 4.388.150 og 4.385.961. US-patent 4.388.150 beskriver anvendelsen av et bindemiddel-kompleks inneholdende kolloidal kiselsyre og kationisk stivelse. Bruken av en slik bindemiddelsammensetning er angivelig for å forbedre styrken på fremstilt papir og også for å forbedre retensjonen av fyllstoffer slik som kaolin, bentonitt, titandioksid, kritt eller talk hvis disse er tilstede. Et flerkomponentbindemiddel omfattende kolloidal kiselsyre og kationisk stivelse markedsføres i USA under varemerket Compozil av Procomp i Marietta, Georgia.

US-patent 2.795.545 beskriver bruken av syntetiske kationiske polymerer i forbindelse med uorganiske materialer slik som de som har en høy baseutvekslingskapasitet, for eksempel bentonitt, hektoritt, beidellitt, nontronitt eller saponitt, for bruk i en rekke forskjellige anvendelser inkludert forsterkning av gummier og for å forbedre retensjon av leirer ved benyttelse som malehollender-additiver ved papirfremstilling. US-patent 4.643.801 beskriver et bindemiddel omfattende en kationisk stivelse, en anionisk polymer av høy molekylvekt og et dispergert silisiumdioksid.

US-patent 4.210.490 beskriver bruken av kaolinitisk leire-fyllstoff sammen med kationisk stivelse i fremstillingen av papir eller kartong.

Bruken av kationisk stivelse i forbindelse med kolloidalt silisiumdioksid for forskjellige formål er beskrevet i US-patenter 3.253.978, 3.224.927 og 3.647.684.

Ved utførelse av foreliggende fremgangsmåte anvendes det en bindemiddelsammensetning omfattende en kationisk stivelse og et smektitt-leiremateriale.

Smektitt-leirematerialet som anvendes i foreliggende oppfinnelse tilhører den såkalte trioktaedriske smektittgruppen og utgjøres av hektoritt. Hektoritt er effektivt vannsvell-bar og -dispergerbar fordi dette materialet er i besittelse av enverdige kationer, nemlig natrium, som det dominerende utvekselbare kation. Hektoritt inneholder også det fler-verdige utvekselbare kationet magnesium.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det således tilveiebragt en fremgangsmåte ved fremstilling av papir, og denne fremgangsmåten er kjennetegnet ved at en kolloidal sol av hektoritt og en kationisk stivelse som har en substitusjonsgrad på minst 0,03 tilsettes separat til en massesammensetning for dannelse av et bindemiddel bestående i det vesentlige av disse to materialene, hvor vektforholdet for stivelse til hektoritt er i området fra 0,25:1 til 15:1, og hvor nevnte hektoritt tilsettes i en slik mengde at det resulterer i dets tilstedeværelse i en mengde på minst 1 g/kg tørt basisark.

Smektitt-leirematerialer er kjennetegnet ved deres relativt høye kation-utvekslingskapasiteter. Kaolin og talkleire-materiale benyttet som fyllstoffer i papirfremstilling har på den annen side lav kation-utvekslingskapasitet. Hektoritt-leirematerialet har utvekslingskapasiteter i området 80-150 milliekvivalenter pr. 100 g, mens kaolin- og talkutvekslings-kapasiteter er 3-5 milliekvivalenter pr. 100 g eller mindre. Det er denne høye anioniske ladningsdensiteten som er vesentlig for at hektoritt-leirematerialet skal være effektivt i dette bindemiddelet.

Hektoritt som har en dominerende mengde utvekselbart toverdig kation, nemlig magnesium kan i en etterutvinningsprosess omdannes fra en ikke-svellende til en svellende form. En metode for utførelse av denne ioneutveksling kalles "pepti-sering" og er velkjent i leirebearbeidelsesindustrien. Den utveksler det enverdige kationet natrium med magnesiumionene. Slik peptisert leire kan benyttes i foreliggende oppfinnelse.

Ved anvendelse i foreliggende oppfinnelse blir den peptiserte hektoritten dispergert og svellet i en vandig oppløsning hvor det antar en solstruktur av individuelle platelignende partikler eller små aggregater av partikler. Tykkelsen på de individuelle platene er fra 100-500 nm og overflatedimen-sjonene er typisk 2.500-5.000 nm. Det er nødvendig at de individuelle leirepartiklene har dimensjoner av denne størrelsesorden slik at de virkelig viser en kolloidal opptreden. Fremstillingen av solene av hektoritt-leirematerialet for bruk i foreliggende fremgangsmåte må utføres på en slik måte at det sørges for at en stor prosentandel av de individuelle plateelementene er tilstede i bindemiddelet.

Kationiske stivelser for bruk i foreliggende oppfinnelse er typisk de med en relativt høy substitusjonsgrad (D.S.), og er større enn 0,03. Ved bruk av potetstivelse har man funnet det særlig nyttig å anvende stivelser med en substitusjonsgrad i området 0,035 - 0,05, fortrinnsvis 0,04 - 0,046. Egnede substituenter innbefatter tertiære og kvarternære amin-grupper. Man har funnet at kationisk potetstivelse er spesielt nyttig skjønt kationiske stivelser avledet fra andre kilder, for eksempel voksholdig maisstivelse, maisstivelse, hvetestivelse og risstivelse også kan benyttes. Generelt antas det at stivelser av høy molekylvekt slik som potetstivelse er å foretrekke fremfor de av lavere molekylvekt. Typisk for andre papirfremstillingsanvendelser av stivelse må den kationiske stivelsen for bruk i foreliggende oppfinnelse "kokes" eller "prepareres" i vann for å svelle og delvis oppløse stivelsesmolekylene før bruk derav i bindemiddelet .

Det antas generelt at en stivelse som viser en høy toppviskositet i en Braebender-amylograf er foretrukket fremfor en med en lav toppviskositet og at en med en lav pastadannende temperatur foretrekkes fremfor en med en høy pastadannende temperatur. Uten ønske om å være bundet til noen teori så antas det at disse egenskaper er relatert til lettheten med hensyn til oppløsning og dispergering av stivelsesmolekylene i massesammensetningen og preservering av deres høye molekylvekt ved bruksøyeblikket.

Selv om det benyttede bindemidlet ved papirfremstillingen kan anvendes i fravær av et fyllstoff vil det ofte bli benyttet i forbindelse med fyllstoffer slik som kaolin, kalsiumkarbonat, talk, titandioksid, bariumsulfat eller kalsiumsulfat. Når fyllstoffer er tilstede kan de benyttes i mengder på 25-250 g/kg tørrvekt. Fyllstoff er vanligvis tilstede i området 100-150 g/kg tørrvekt. Det vil også ofte bli benyttet i forbindelse med limingsmidler, fargestoffer, optiske lysgjørings-midler og andre underordnede bestanddeler i kommersielle massesammensetninger for papirfremstilling.

Stivelsen og hektoritt anvendes i forhold fra 0,25:1 til 15:1, fortrinnsvis i området fra 1:1 til 8:1, mer foretrukket i området fra 1,5:1 til 6:1. Disse materialene vil typisk bli tilsatt i mengder for frembringelse av en konsentrasjon i papirmassen av smektitt-leiremateriale i området 1-30 g/kg tørt basisark, fortrinnsvis i området 2,5-20 g/kg tørt basisark.

Stivelsen vil typisk bli benyttet som en kokt oppslemming, for eksempel ved en konsentrasjon på 0,25 - 2,5 vekt-#, fortrinnsvis 0,75 - 1,25 vekt-#. Hektoritten vil typisk bli benyttet som en peptisert sol, for eksempel ved en konsentrasjon på 0,1 - 2,0 vekt-#, fortrinnsvis 0,3 - 0,6 vekt-#.

Bindemidlet kan anvendes med en rekke forskjellige massesammensetninger for papirfremstilling inkludert de basert på kjemisk, termomekanisk og mekanisk behandlede masser fra både løvved- og nåletredvedkilder.

Bindemidlet tilsettes til papirfremstillingsmassen etter at andre massesammensetningsbestanddeler har blitt tilsatt, men før dets innføring i papirfremstillingsmaskinens innløps-kasse. Bindemiddelet må dannes in situ i massen ved tilsetning av hektoritt-leirematerialet og den kationiske stivelsen separat med tilstrekkelig blanding mellom tilsetninger .

Et flytskjema av en typisk papirmaskin hvori foreliggende oppfinnelse kan benyttes er vist på Figur 1. Man har funnet at det foretrukne sted og rekkefølge for tilsetning av bindemiddelkomponentene til papirmassen er det som er vist på figuren selv om den motsatte tilsetningsrekkefølge for stivelse og hektoritt er mulig. Massesammensetningskom-ponentene blandes i tanken 1 hvoretter kationisk stivelse tilsettes og den resulterende blanding overføres til tank 2 hvor den igjen blandes grundig. Solen av hektoritt-leirematerialet tilsettes deretter og den endelige massesammensetning blandes i tank 3 før innføring i papirfremstillingsmaskinens innløpskasse. Man har funnet at det ikke er nyttig å utsette massesammensetningen inneholdende stivelsen for altfor høy skjærbelastning før tilsetning av hektoritt-leirematerialet. Videre er det ikke fordelaktig å utsette massesammensetningen som inneholder både stivelsen og hektoritt-leirematerialet for altfor høy skjærbelastning. Således bør skjærbelastninger som er større enn 6.000 Pa unngås ved disse trinnene. I praktisk forstand betyr dette at det er ønskelig at tilsetninger av bindemiddelet foretas etter både blandepumper og trykksiler siden skjærspenninger på 20.000 Pa og 10.000 Pa, respektivt, forekommer ved disse trinnene.

Bindemidlet i foreliggende fremgangsmåte kan øke retensjonen av finstoffer eller aske og stivelse i papir sammenlignet med bruk av kationisk stivelse alene som et bindemiddel. Uten ønske om å være bundet til noen teori antas det at disse forbedringene resulterer fra det faktum at den kationiske stivelsen og hektoritt-leirematerialet samvirker med fin-stoffene slik at disse bindes mer effektivt til fibre og fyllstoffpartikler enn den kationiske stivelsen kan sørge for alene.

Det har videre blitt funnet at det aktuelle bindemidlet kan forbedre formasjon ved høyere finstoffretensjon i papir sammenlignet med bruk av det kolloidale silisiumdioksidet i US-patent 4.388.150. Uten ønske om å være bundet til noen teori antas det at disse forbedringene delvis skyldes hektoritt-leirematerialets størrelse og form sammenlignet med silisiumdioksid.

Foreliggende oppfinnelse vil nå bli illustrert i de følgende eksempler hvor alle delangivelser er beregnet på vekt. Silisiumdioksidet som er benyttet i sammenligningsforsøkene hadde en partikkelstørrelse på ca. 6 nm og et overflateareal på ca. 500 m/g. Bentonitt er også benyttet som sammen-1igningsmateriale.

Eksempel 1

Effekten av separate tilsetninger av stivelse og forskjellige anioniske kolloider på finstoffretensjon i en sur massesammensetning inneholdende kjemisk, termokjemisk og malt masse av ved ble undersøkt ved bruk av en dynamisk Britt-dreneringsbeholder. Kolloidet ble tilsatt før stivelsen. To forskjellige stivelser ble benyttet: en kationisk potetstivelse med en substitusjonsgrad på 0,04 og en amfoter maisstivelse.

De oppnådde resultater var som følger:

Dette viser at bruken av hektoritt og silisiumdioksid kombinert med kationisk potetstivelse gir en fordelaktig virkning i forhold til bruken av kationisk stivelse alene. Dette viser seg ikke å være tilfelle for amfoter maisstivelse .

Eksempel 2

Fremgangsmåten i Eksempel 1 ble gjentatt ved bruk av kationisk potetstivelse (40 ppm), men ved reversering av tilsetningsrekkefølgen. Resultetene var som følger:

Fra dette fremgår det at det var en liten inkrementell forbedring i retensjon da stivelsen ble tilsatt før kolloidet.

Eksempel 3

Effekten av skjærpåvirkning etter tilsetning av stivelsen og før tilsetning av det anioniske kolloidet på retensjonen av finstoffer ved bruk av den samme massesammensetning som benyttet i Eksempel 1, ble undersøkt i en dynamisk Britt-dreneringsbeholder ved bruk av den samme kationiske potetstivelsen som anvendt i de tidligere to eksempler. Stivelsen var tilstede i en konsentrasjon på 40 ppm. De oppnådde resultater var som følger:

Fra dette fremgår det at den høye skjærpåvirkningen i vesentlig grad reduserer den retensjon som kan oppnås med alle de anioniske kolloidene ved kombinasjon med kationisk potetstivelse.

Eksempel 4

Effekten av skjaerpåvirkning på det kombinerte massesammen-setnings-bindemiddelsystemet ble undersøkt ved bruk av en massesammensetning lik den i Eksempel 1. De forskjellige anioniske kolloidene ble benyttet ved en konsentrasjon på 20 ppm og stivelsen, som benyttet i Eksempel 1, ble brukt ved en konsentrasjon på 40 ppm. Den relative finstoffretensjon ble målt i en dynamisk Britt-dreneringsbeholder ved forskjellige skjærspenninger. Resultatene er vist på Figur 2.

Herfra fremgår det at økende skjærspenning progressivt minsker bindemiddelsystemets effektivitet. Spenninger mindre enn 7.000 Pa forårsaker imidlertid uakseptable tap av effektivitet for bindemiddelsystemet.

Eksempel 5

Effekten av bruk av forskjellige etterutvinningsmetoder for å omdanne hektoritt oppnådd fra den samme forekomsten, fra en ikke-svellbar til en svellbar form ble testet på lignende måte ved bruk av den samme potetstivelsen som i Eksempel 1. De oppnådde resultater var som følger:

Fra dette fremgår det at i det vesentlige den samme retensjonen kan oppnås med hektoritt fremstilt ved den ene eller den andre metoden.

Eksempel 6

Effekten av bruk av hektoritt oppnådd fra forskjellige steder ble testet på lignende måte ved bruk av potetstivelse som i Eksempel 1. De oppnådde resultater var som følger:

Fra dette fremgår det at i det vesentlige den samme retensjonen kan oppnås med hektoritt utvunnet fra forskjellige forekomster.

Eksempel 7

Håndark ble fremstilt ved bruk av en laboratorie-formings-anordning for håndark (en Britisk standard arkform). Utgangs-materialet var en massesammensetning bestående av 30% ubleket slipmasse, 50% kraftmasse av nåletreved og løvved og 20% termokjemisk masse hvortil det var tilsatt 15$ (basert på massens vekt) fyllstoffleire og 15 g/kg alun.

Kationisk stivelse ble tilsatt ved et nivå på 120 ppm til alle forsøksmaterialer med unntakelse av kontrollprøven. Forskjellige mengder hektoritt, bentonitt og silisiumdioksid ble tilsatt for oppnåelse av stivelserkolloid-forhold varierende fra 1:8 til 1:1. De fremstilte håndark ble testet med henblikk på forskjellige parametere blant andre aske, stivelsesretensjon og formasjon (Robotest).

De oppnådde resultater er vist på Fig. 3-5 i de medfølgende tegninger.

Eksempel 8

Testene som det er vist til i Eksempel 7 ble gjentatt ved bruk av en forskjellig massesammensetning inneholdende 75$ Kraft-løvved og 25$ Kraft-løvved hvortil det var tilsatt 15% leire (basert på mengden av masse) og 10 g/kg alun. De oppnådde resultater er angitt på Fig. 6-8.

Eksempel 9

Effekten av kilden for og typen av benyttet stivelse og dens substitusjonsgrad ble undersøkt i en dynamisk Britt-dreneringsbeholder. Det ble benyttet hektoritt som det anioniske kolloid og de forskjellige stivelsene ble anvendt ved en konsentrasjon på 4 0 ppm. De oppnådde resultater var som følger:

Eksempel 10

Effekten av tilsetningsmetoden for stivelse og hektoritt på finstoffretensjon ble undersøkt ved bruk av en dynamisk Britt-dreneringsbeholder. Stivelsen var en potetstivelse med en substitusjonsgrad på 0,04 og ble benyttet ved en konsentrasjon på 40 ppm. Hektoritten ble benyttet ved en konsentrasjon på 20 ppm.

De oppnådde resultater var som følger:

Fra dette fremgår det at mens reversering av tilsetnings-rekkefølgen for stivelse og hektoritt har ubetydelig virkning på retensjonsforbedring i forhold til stivelsestilsetning alene, så har forblanding av stivelsen og hektoritten en avgjort nedsettende effekt på retensjon.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av papir, karakterisert ved at en kolloidal sol av hektoritt og en kationisk stivelse som har en substitusjonsgrad på minst 0,03 tilsettes separat til en massesammensetning for dannelse av et bindemiddel bestående i det vesentlige av disse to materialene, hvor vektforholdet for stivelse til hektoritt er i området fra 0,25:1 til 15:1, og hvor nevnte hektoritt tilsettes i en slik mengde at det resulterer i dets tilstedeværelse i en mengde på minst 1 g/kg tørt basisark.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den kationiske stivelsen har en substitusjonsgrad i området 0,04 - 0,46.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det som kationisk stivelse anvendes potetstivelse.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at den kationiske stivelsen og hektoritten anvendes i et vektforhold fra 1:1 til 8:1.

5 . Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at det anvendes et vektforhold i området fra 1,5:1 til 6:1.

6. Fremgangsmåte ifølge hvilke som helst av kravene 1-5, karakterisert ved at nevnte hektoritt er tilstede i en mengde på 1-30 g/kg tørt basisark.

7. Fremgangsmåte ifølge hvilke som helst av kravene 1-6, karakterisert ved at fyllstoff anvendes i massesammensetningen i en mengde på 50 - 250 g/kg.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at fyllstoff anvendes i massesammensetningen i en mengde på 100 - 150 g/kg.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at fyllstoffet velges fra kaolin, kalsiumkarbonat, talk, titandioksyd, bariumsulfat og kalsiumsulfat.

10. Fremgangsmåte ifølge hvilke som helst av kravene 1 - 9, karakterisert ved at massesammensetningen og bindemiddelet utsettes for skjærpåvirkning som ikke er større 6.000 Pa etter tilsetning av bindemiddelet.

11. Fremgangsmåte ifølge hvilke som helst av kravene 1 - 10, karakterisert ved at nevnte hektoritt som benyttes er syntetisk eller halvsyntetisk.