СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПИГМЕНТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БУМАГИ И КАРТОНА Российский патент 2006 года по МПК D21H19/36 D21H19/38 D21H19/54 D21H19/56 D21H19/64 D21H17/67 D21H17/69 D21H17/70 D21H17/28 D21H17/36 C09C1/02 C09C1/40 C01F11/18 

Изобретение относится к производству пигментов, а также к технологии приготовления 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 бумаг с наполнителем, а также покрытий на мелованных видах бумаги и картона. Разрабатываются также технологии, обеспечивающие возможность получения пигментов в виде порошка с последующим их использованием в различных производствах.

Известен способ обработки карбоната кальция гексаметафосфатом натрия и фосфорной кислотой. Цель этого способа - получить карбонат кальция, устойчивый к воздействию кислой среды (US 5043017, Н.кл. 106-494, 1991).

Ближайшим аналогом предлагаемого способа получения пигментов является способ получения устойчивой в кислой среде композиции из карбоната кальция и соли алюминия (US 5599388, Н.кл. 106-464, 162-181.2, 162-181.3, М.кл. С 09 С 1/02, 1997). Этот способ заключается в приготовлении смеси карбоната кальция с солью алюминия в водной среде в количестве последней от 0,5 до 10% по массе сухого карбоната кальция. В качестве соли может быть использован сульфат алюминия, причем карбонат кальция используется в виде дисперсии, а сульфат алюминия - в виде водного раствора.

Однако продукты, получаемые по этим способам, предназначены лишь для использования в качестве наполнителя в производстве нейтральных или слабокислых бумаг. В качестве компонента меловальных или каких-либо других составов предлагаемые продукты использованы быть не могут.

Положительным результатом от использования предлагаемого изобретения является получение устойчивых в кислых средах пигментов, обладающих высокой белизной или окрашенных в любой цвет, модифицированных связующим, выбранным из группы, содержащей крахмал и поливиниловый спирт (ПВС), и пригодных к применению в производствах разных видов бумаги и картона как в качестве наполнителя, так и в качестве компонента в меловальных составах.

Кроме того, эти пигменты, включая модифицированные связующим, можно получать в виде тонкодисперсного порошка, пригодного к редиспергированию без потери свойств пигмента.

Свойства пигментов позволяют использовать их в других производствах, например, в качестве наполнителя полимеров, в лакокрасочных производствах, включая производство красок для живописи, и т.д.

Поставленный положительный эффект достигается тем, что в предлагаемом способе получения пигмента для изготовления бумаги и картона, включающем обработку карбоната кальция сульфатом алюминия в водной среде, согласно изобретению обработку проводят при расходе сульфата алюминия 25-105% от массы абсолютно сухого карбоната кальция при температуре 80-85°С в течение 90-180 минут с получением суспензии с содержанием сухих веществ в ней 25-35%, причем используют водную среду, содержащую связующее, выбранное из группы, содержащей крахмал и поливиниловый спирт (ПВС), в количестве 0,5-3,0% от массы абсолютно сухого пигмента, и/или водорастворимый краситель в количестве 0,1-0,5% от массы абсолютно сухого пигмента.

Полученную суспензию могут дополнительно высушить и получить порошок.

Способ осуществляют следующим образом. В реактор-смеситель, снабженный скоростной мешалкой и паровой рубашкой, подают заданное количество воды, содержащей в растворенном виде заданное количество связующего - крахмала или ПВС и/или красителя. Затем при интенсивном перемешивании в заданном количестве подают порошок карбоната кальция и после завершения его подачи дисперсию перемешивают 5-10 минут. Далее к полученной дисперсии при перемешивании постепенно добавляют раствор сульфата алюминия, содержащего заданное количество сульфата алюминия в виде Al₂(SO₄)₃·18H₂O. 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 минут. В результате получают дисперсию пигмента, модифицированного связующим и/или красителем, с содержанием сухих веществ 25-35%.

Эту дисперсию можно использовать непосредственно, например, в производстве бумаги с наполнителем или при получении меловальных составов. В других случаях дисперсию подвергают высушиванию в слое при температуре 80-85°С с последующим измельчением в тонкодисперсный порошок или высушиванию распылением.

Физико-химические процессы, протекающие в реакционной смеси, можно представить следующим образом.

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 пигмент, модифицированный связующим и/или красителем. Пигмент обладает высокой устойчивостью в системах с кислыми значениями рН. Частицы пигмента не крупнее частиц в исходном карбонате кальция. Например, при использовании в качестве сырья химически осажденного карбоната кальция размер частиц пигмента не превышает 2 мкм с основным размером менее 1 мкм. Пигмент, не содержащий красителя, обладает высокой белизной. Пигмент, модифицированный красителем, может иметь любой цвет. Интенсивность окрашивания высокая.

Кроме того, пигменты, включая модифицированные связующим, высушенные, например, в слое, легко измельчаются в порошок с размером частиц порядка 1 мкм и вновь редиспергируются в воде без потери своих свойств с получением дисперсий пигмента с концентрацией 40-45%.

Указанные характеристики улучшаются при повышении степени преобразования карбоната кальция в его реакции с сульфатом алюминия, то есть при повышении расхода сульфата алюминия на единицу массы карбоната кальция вплоть до их стехиометрического соотношения (1,112 вес. части сульфата алюминия на 1 часть карбоната кальция).

Способность частиц пигмента удерживать такие вещества, как крахмал, ПВС, красители, обусловлены, видимо, сильным полярным взаимодействием пигмента с молекулами воды и соответствующим структурированием значительного по объему водного слоя в гидратных оболочках вокруг частиц пигмента при их образовании или при редиспергировании порошка пигмента, модифицированного связующим и/или красителем. Даже при многократном разбавлении такой системы и интенсивном перемешивании водные структурированные оболочки частиц не размываются.

Условия проведения способа по примерам приведены в таблице 1, характеристики продуктов приведены в таблице 2.

Продуктом, который используется в производстве бумаги или картона, может быть дисперсия пигмента, полученная непосредственно в реакции карбоната кальция с сульфатом алюминия в водной среде, содержащей связующее и/или краситель, сухой порошок пигмента, полученный из этой дисперсии, а также суспензия, полученная при редиспергировании порошка пигмента. Продукт разбавляется, например, при введении пигмента в бумажную массу в качестве наполнителя или смешивается с другим компонентом (диспергаторами, пигментами, связующими и т.п.) при формировании меловальных композиций с разными составами и суммарными концентрациями сухих веществ и, соответственно, с разными физическими параметрами (например, вязкостными свойствами). Соответственно, в качестве характеристик продуктов мы выбрали устойчивость дисперсий без добавки стабилизаторов (водоотдача дисперсии в течение 24 часов, выраженная в % к массе дисперсии) при концентрации пигмента 25% и выше, простоту измельчения пигмента, высушенного в слое при 75°С, наличие или отсутствие неизмельчаемых агломератов в измельченном порошке, размер частиц в порошке, возможность редиспергирования порошка без потери свойств пигмента, оптическую белизну порошка, не содержащего красителя, степень удержания пигментом связующего и/или красителя.

Степень удержания определяют следующим образом. Определенное количество полученной дисперсии модифицированного связующим и/или красителем пигмента смешивают на скоростной мешалке с определенным количеством воды. Разбавленную в несколько раз дисперсию выдерживают в покое до расслаивания. Нижний слой - свободно плавающий осадок, а второй - прозрачный, не содержащий взвеси водный слой. В этом слое определяют содержание связующего и/или красителя. Затем пересчетом на массу сухих веществ пигмента во взятой на разбавление навеске дисперсии определяют количества связующего и/или красителя, как связанного с пигментом, так и находящегося в водной фазе пигмента. Степень удержания связующего и/или красителя при многократном разбавлении дисперсии водой выражают в % от количества связующего и/или красителя, поданных в систему в процессе приготовления модифицированного пигмента.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать из карбоната кальция пигменты, модифицированные связующим (крахмалом или ПВС), и/или красители любого цвета. Пигменты можно высушить и легко измельчить в порошок с размерами частиц менее 2 мкм. Порошок можно редиспергировать при сохранении свойств пигмента. Высокая степень удержания пигментом связующего и/или красителя и другие свойства пигментов позволяют использовать их в различных областях.

Таблица 1.
Условия проведения способа по примерам.№№ примеровКоличество карбоната кальция, гКоличество сульфата алюминия (СА) в воде Al₂(SO₄)₃·18 Н₂O, гОтношение массы СА к массе СаСО₃, %Температура процесса, %Длительность процесса, минСтепень преобразования СаСО₃, %Выход пигмента по общей массе СА, СаСО₃, гСвязующее и его расчетное количество, гРасчетное количество красителя, гКонцентрация пигмента в дисперсии, %15012,525809022,588,5ПВС 0,277-3525022,2544,5801004084,20ПВС 0,456Прямой голубой 0,0553535027,8255,64851205081,45-Прямой бордо 0,323045041,7383,46851807576,80Крахмал 1,4-2555052,50105,0851809575,20Крахмал 2,31Прямой оранжевый 0,225

Таблица 2.
Характеристики образцов пигмента по примерам№№ примеровУстойчивость дисперсии в течение 24 час. (водоотдача в % к массе дисперсииПростота измельчения высушенной дисперсии в порошокАгломераты в порошкеРазмер частиц в порошке, мкмВозможность редиспергирования порошкаОптическая белизна белого пигмента, %Концентрация связующего в сухом пигменте, %Концентрация красителя в сухом пигменте, %Степень удержания связующего, %Степень удержания красителя, %1<1Без затрудненийОтсутствуют<2Без затруднений86,47ПВС 0,5-99,90-2-"--"--"--"--"--ПВС 0,750,199,9099,83-"--"--"--"--"---0,5-99,44-"--"--"--"--"-88,31Крахмал 2,0-98,4-5-"--"--"--"--"--Крахмал 3,00,2597,899,7

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. Карбонат кальция обрабатывают сульфатом алюминия в водной среде. Обработку ведут при расходе сульфата алюминия 25-105% от массы абс. сухого карбоната кальция при температуре 80-85°С в течение 90-180 мин с получением суспензии с содержанием сухих веществ в ней 25-35%. При этом используют водную среду, содержащую связующее, выбранное из группы, включающей крахмал и поливиниловый спирт, в количестве 0,5-3,0% от массы абс. сухого пигмента, и/или водорастворимый краситель в количестве 0,1-0,5% от массы абс. сухого пигмента. Суспензию дополнительно высушивают и измельчают. Техническим результатом является улучшение качества пигмента, а также расширение его области применения. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения пигмента для изготовления бумаги и картона путем обработки карбоната кальция сульфатом алюминия в водной среде при перемешивании, отличающийся тем, что обработку проводят при расходе сульфата алюминия 25-105% от массы абсолютно сухого карбоната кальция при температуре 80-85°С в течение 90-180 мин с получением суспензии с содержанием сухих веществ в ней 25-35%, причем используют водную среду, содержащую связующее, выбранное из группы, содержащей крахмал и поливиниловый спирт в количестве 0,5-3,0% от массы абсолютно сухого пигмента и/или водорастворимый краситель в количестве 0,1-0,5% от массы абсолютно сухого пигмента.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что суспензию дополнительно высушивают и измельчают.