СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПИГМЕНТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БУМАГИ И КАРТОНА Российский патент 2006 года по МПК D21H19/36 D21H19/38 D21H19/44 D21H19/46 D21H19/54 D21H19/60 D21H19/64 D21H17/67 D21H17/69 D21H17/28 D21H17/36 C09C1/02 C09C1/40 C01F7/02 C01F11/02 C01F11/18 

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 1Условия проведения процесса по предлагаемому изобретению.№№ примеровГидроксид кальция Са(ОН)₂Карбонат кальция СаСО₃Сульфат алюминияAl₂(SO₄)₃·18H₂OМасс. соотношение Масс. Соотношение Температура процесса, °СДлительность процесса, мин113,6429,2849,771:2,21:0,8685180210,2329,2544,631:3,861:0,8885160310,2358,6426,181:5,71:2,63859048,5354,7832,061:6,431:1,978012058,5336,5649,371:4,31:0,908515066,839,049,261:5,71:0,938015073,480,314,361:23,51:5,8859083,443,9148,991:12,871:0,9680100

Таблица 2Характеристики образцов пигмента, полученных по предлагаемому изобретению№№ примеровДоля сатинвейса в смеси, %Концентрация сухих веществ в дисперсии, %Устойчивость дисперсии в течение 48 чСтепень преобразования карбоната кальцияПростота измельчения в порошокАгломераты в порошкеБелизна порошка, %Возможность редиспергирования порошкаСвязующееКоличество связующего, % к массе сухих веществСтепень удержания связующего, %14220Устойчива95Измельчение затрудненоОтсутствуют88,63ВозможноКрахмал4,099,823625-«-95Без затруднений-«-88,23-«-ПВС2,099,832630-«-30-«--«-86,88-«----42835-«-50-«--«-87,13-«-Крахмал1,099,452730-«-95-«--«-88,11-«-ПВС1,099,662335-«-95-«--«-87,11-«----71035-«-20-«--«-86,75-«----81235-«-95-«--«-87,03-«----

Таблица 3Характеристики образцов пигментов, полученных по прототипу смешением сатинвейса с каолином (примеры 9-12) и сатинвейса с карбонатом кальция (примеры 13-16)№№ примеровДоля сатинвейса в смеси, %Концентрация сухих веществ в дисперсии, %Простота измельчения в порошокАгломераты в порошкеПригодность порошка к редиспергированиюБелизна порошка, %94020Измельчение затрудненоИмеютсяНе пригоден89,6103030Без затрудненийОтсутствуютПригоден89,57112030-«--«--«-89,35121035-«--«-«-89,0134020Измельчение затрудненоИмеютсяНе пригоден87,40143030Без затрудненийОтсутствуютПригоден86,95152030-«--«--«-86,30161035-«--«--«-85,6

Способ касается получения пигмента для изготовления бумаги и картона и может быть использован в целлюлозно-бумажной промышленности при изготовлении бумаги с наполнителем, мелованной бумаги и картона. В воду при интенсивном перемешивании подают порошки гидроксида кальция и карбоната кальция при соотношении указанных компонентов соответственно от 1,0:2,2 до 1,0:23,5. 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 минут с образованием дисперсии пигмента с содержанием в ней сухих веществ 20-35%. Техническим результатом является улучшение качества пигмента, снижение его стоимости и расширение области его применения. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

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.