ВОДНЫЕ КОМПОЗИЦИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ИЗГОТОВЛЕНИИ БУМАГИ И КАРТОНА Российский патент 2009 года по МПК C01B33/20 D21H17/66 

Настоящее изобретение относится к водным полисиликатным композициям и к их приготовлению и применению в качестве либо минеральных наполнителей, добавок для придания прочности, либо добавок, содействующих удерживанию/дренированию, в изготовлении бумаги и картона. Объем настоящего изобретения охватывает также способы изготовления бумаги и картона, в которых водные полисиликатные композиции включают в качестве минеральных наполнителей и/или добавок для придания прочности, и/или добавок, содействующих удерживанию/дренированию.

В процессе изготовления бумаги общей практикой является включение минерального наполнителя. Так, например, в ЕР-А-0880618 описаны способы изготовления бумаги с наполнителем, в которых в целлюлозную суспензию включают катионизированный осажденный карбонат кальция (ОКК), и приготовления разбавленной волокнистой массы для изготовления бумаги, содержащей ОКК. В ходе проведения процесса используют полимерную содействующую удерживанию добавку, обладающую характеристической вязкостью по меньшей мере 4 дл/г, и анионоактивный материал из микрочастиц, такой как кремнеземный материал из микрочастиц и способная набухать глина. При этом улучшают удерживание наполнителя, а осуществление способа позволяет изготавливать высоконаполненную бумагу.

WO-A-99/04092 относится к проблемам пониженной прочности, которые могут возникать в случае высоконаполненной бумаги. Предлагается способ, в котором силикатную композицию вводят в целлюлозную суспензию и в котором силикат вокруг целлюлозных волокон образует трехмерную сетчатую структуру. В одной системе (Са-Flocc) силикат, такой как силикат натрия, смешивают с соединением кальция, таким как оксид кальция, смесь смешивают с целлюлозным волокном, которое затем подкисляют до рН в пределах от 7 до 9, и происходит полимеризация силиката. В другой предлагаемой системе (Mg-Flocc) вместо соединения кальция используют, например, силикат натрия и соединение магния. В этом случае полимеризация или желатинизация реакционной смеси может быть осуществлена частично без присутствия в волокне, хотя смесь обычно продолжает полимеризоваться в присутствии в волокне. В предложенной другой системе (Si-Flocc) используют силикат, который затем подкисляют до рН от примерно 7 до 9. В любую из этих трех систем можно добавлять алюминиевые соединения.

Системы Mg-Flocc и Si-Flocc могут быть осуществлены приготовлением композиций, начиная без присутствия волокна. Полисиликатным системам дают возможность отверждаться, предоставляя достаточное количество времени для образования достаточного количества поперечных сшивок, но в предпочтительном варианте материалы перемешивают таким образом, чтобы они не оказались сверхтвердыми. Осуществление этого способа обеспечивает значительные улучшения прочности. Однако в некоторых случаях при этом могут возникнуть проблемы достижения соответствующего формования и это может привести к спорадической потере прочности. В таких случаях бумага может содержать значительно больше световых пятен и отверстий.

Следовательно, существует потребность разработать усовершенствованный способ изготовления высоконаполненной бумаги, которая проявляет улучшенные характеристики формования и более адекватную высокую прочность. Существует также потребность в разработке способа, осуществление которого обеспечивает изготовление бумаги, обладающей еще более улучшенной прочностью, преимущественно прочностью во влажном состоянии.

В изготовлении бумаги и картона общей практикой является применение добавок, содействующих удерживанию и дренированию. Так, например, очень эффективными добавками, содействующими удерживанию/дренированию, используемыми в изготовлении бумаги, являются катионоактивные полиакриламиды и катионный крахмал. В US 4388150 описана композиция связующего вещества, включающая коллоидный кремнезем и катионный крахмал, для добавления в волокнистую массу для изготовления бумаги с целью улучшить удерживание компонентов волокнистой массы или для добавления в оборотную воду с целью уменьшить проблемы загрязнения и рекуперировать ценные компоненты волокнистой массы. Коллоидный кремнезем может принимать различные формы, включая форму поликремниевой кислоты, поскольку наилучших результатов достигают благодаря применению кремнезема в коллоидной форме. Сама поликремниевая кислота оказывается, как сказано, нежелательной и без стабилизации при хранении портится.

В US 4954220 описана работа, которая показывает, что определенное время хранения или старение поликремниевой кислоты является необходимым. Однако в этом патенте утверждается, что полной желатинизации водных растворов поликремниевой кислоты следует избегать, поскольку после желатинизации эти растворы обладают немногими достоинствами для применения в качестве добавки, содействующей удерживанию и дренированию. В US 4954220 показано, что хранение или старение поликремниевой кислоты, которое приводит к образованию кремнеземных микрогелей, сказывается благоприятно, и применение кремнеземных микрогелей с различными катионоактивными полимерами обеспечивает, как сказано, получение систем добавок, содействующих удерживанию и дренированию, которые по меньшей мере эквивалентны, а во многих случаях превосходят те, которые образуют сочетания коллоидный кремнезем/катионный крахмал. Кремнеземные микрогели могут быть получены подкислением силиката до рН от примерно 2 до 10,5; для возможности образования микрогелей поликремниевой кислоты обычно необходимо определенное время хранения или старение раствора, а после периода старения, который может быть очень кратковременным (несколько минут или около того), раствор разбавляют до концентрации примерно 1 мас.% или ниже с целью его стабилизировать и замедлить дальнейший рост микрогелей.

В ЕР-А-0235893 описан способ изготовления бумаги и картона добавлением катионоактивного полимера молекулярной массы по меньшей мере 500000 перед стадией сдвигового воздействия и неорганического материала, включающего бентонит, после этой стадии сдвигового воздействия. Осуществление этого способа дает значительные преимущества в смысле улучшенного времени дренирования и удерживания увеличенных количеств волокна и наполнителя.

Однако несмотря на эти улучшения, все еще существует потребность в альтернативной системе удерживания/дренирования, которая обеспечивает эквивалентное или улучшенное сочетание удерживания и дренирования. Кроме того, необходимо, по-видимому, разработать способ изготовления бумаги и достижения улучшенных визуальных свойств и/или прочностных характеристик, преимущественно при изготовлении бумаги с наполнителем и, в частности, когда наполнитель представляет собой синтетический наполнитель.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается водная композиция, включающая полисиликат, который особенно эффективен либо в качестве минерального наполнителя, либо в качестве добавки, содействующей удерживанию/дренированию. Такая водная композиция, когда ее используют в качестве минерального наполнителя, создает возможность для формования высоконаполненной бумаги, проявляющей высокие прочность и характеристики формования. Кроме того, при создании настоящего изобретения было установлено, что когда водную композицию используют по меньшей мере в качестве части системы удерживания/дренирования, удерживание и дренирование оказываются по меньшей мере такими же эффективными, как в случаях известных систем с использованием неорганических добавок, содействующих удерживанию/дренированию, например систем на основе кремнеземных микрочастиц или систем с применением способной набухать глины.

В одном варианте объектом настоящего изобретения является способ приготовления водной композиции, включающей полисиликат, где эта композиция представляет собой по существу однородную жидкость, когда ее анализируют при 25°С, включающий следующие стадии:

I) приготовление водной жидкости, включающей источник силиката,

II) доведение рН жидкости до пределов от примерно 2 до примерно 10,5 с инициированием тем самым полимеризации силиката,

III) предоставление достаточного количества времени для протекания полимеризации до практического завершения и образования в результате продукта, включающего желатинизированный материал,

IV) обработка желатинизированного материала достаточным сдвиговым воздействием для получения по существу однородной жидкости.

Источником силиката может служить приемлемое силикатное соединение, которое обычно подвергают желатинизации для получения полисиликата. В целесообразном варианте такие силикатные соединения представляют собой водорастворимые мономерные силикаты одновалентных катионов. В предпочтительном варианте источник силиката выбирают из группы, включающей силикат натрия, силикат калия и силикат лития.

Необходимо, чтобы концентрация силиката была достаточной для обеспечения оптимальной полимеризации. Если концентрация оказывается чрезмерно низкой, тогда полимеризация обычно не происходит или обычно протекает со скоростью, которая неприемлемо низка. Если концентрация оказывается слишком высокой, тогда скорость полимеризации оказывается, вероятно, нерегулируемой. В целесообразном варианте концентрация силиката натрия должна находиться в интервале от 1 до примерно 7%, предпочтительно от примерно 2 до примерно 3%.

Может оказаться необходимым включение в водную жидкость стадии (I) алюминиевых соединений. Наличию алюминиевых ионов обычно свойственна тенденция к повышению скорости желатинизации и инициированию образования поперечных сшивок. Это может оказаться благоприятным для сокращения времени реакции. Алюминиевым соединением, как правило, служит любое приемлемое водорастворимое алюминиевое соединение, например сульфат алюминия или квасцы. Алюминиевое соединение, такое как квасцы, как правило, можно добавлять в количестве до примерно 0,4 г/г силиката. Таким образом, в предпочтительной форме полисиликат представляет собой полиалюмосиликат.

Подкисление может быть достигнуто введением кислых соединений, таких как минеральные кислоты, или введением веществ, которые растворяются в водной жидкости с образованием кислоты, таких как диоксид углерода. По другому варианту подкисление может быть достигнуто с использованием ионообменных смол. В предпочтительном варианте подкисления добиваются добавлением газообразного диоксида углерода. Подкисление необходимо доводить до значения рН, которое обеспечивает оптимальную полимеризацию или желатинизацию. В целесообразном варианте на стадии (II) рН доводят до пределов от 4 до 9, предпочтительно до пределов от 6 до 8.

Полимеризацию силиката следует проводить по существу до завершения. В этом контексте "по существу до завершения" означает, что при этом никакой очевидной дальнейшей желатинизации не происходит, хотя существует возможность того, что в определенной мере, в меньшей степени реакция все еще протекает. В одном варианте полимеризация водного раствора силиката может быть проведена в сосуде с получением продукта, который представляет собой однородное желатинизированное твердое вещество. Однако в этом варианте может оказаться менее удобно проводить сдвиговую обработку на конечной стадии способа. Следовательно, во время стадии полимеризации обычно предпочтительно перемешивание жидкости. Таким образом, в предпочтительном варианте продукт, образовавшийся на стадии (III), включает аморфные желатинизированные твердые частицы, диспергированные в жидкости.

Первые три стадии этого способа можно осуществлять аналогично способу, который описан в WO-A-99/04092, преимущественно в том, что касается получения Si-Flocc в отсутствие целлюлозного волокна, представленного на сс. 19, 30 и 31. Образовавшийся продукт обычно содержит желатинизированный полисиликат, как правило, в форме аморфных твердых частиц, диспергированных в относительно низковязкой жидкости.

Конечная стадия способа может быть осуществлена с применением любого обычного высокосдвигового оборудования. В целесообразном варианте оборудованием для сдвиговой обработки может служить гомогенизатор либо Silverson, либо Ultra Thurrax. В одном предпочтительном варианте продукт, содержащий желатинизированный силикат, подвергают сдвиговой обработке с использованием любой установки из перечня оборудования в течение одной минуты при 8000 об/мин. Сдвиговая обработка должна быть достаточной для гарантии того, что образуется по существу однородная жидкость. Под "по существу однородной жидкостью" подразумевается то, что жидкость по существу не содержит полисиликатных твердых частиц большого размера, которые четко видимы. Под этим подразумевается то, что частицы в несколько миллиметров или большего размера по существу отсутствуют. Однако существует возможность того, что композиция включает очень мелкие полисиликатные частицы. Диаметр таких очень мелких полисиликатных частиц, как правило, составляет меньше 1 мм, например, и по меньшей мере диаметр 90 мас.% из них составляет меньше 1 мм. В предпочтительном варианте размеры таких очень мелких полисиликатных частиц составляют меньше 750 мкм, предпочтительно меньше 500 мкм. Обычно на долю всех полисиликатных частиц диаметром больше 150 мкм должно приходиться меньше одной трети водной композиции. В предпочтительном варианте композиция обычно включает меньше 20 мас.% полисиликатных частиц диаметром больше 150 мкм, более предпочтительно меньше 10%. Особенно предпочтительная доля таких полисиликатных частиц составляет, по-видимому, меньше 1% и, в частности, меньше 0,1%. Более того, в предпочтительном варианте такая водная композиция не содержит никаких других твердых частиц, например целлюлозных волокон.

Водная композиция, получаемая по этому способу, является новой. Эта композиция должна находиться в форме однородной жидкости. Она может находиться, например, в форме однородной гелеобразной пасты. Композиция, как правило, является значительно более вязкой, чем дисперсия аморфных полисиликатных твердых частиц. В предпочтительном варианте водная композиция по изобретению обычно проявляет вязкость по меньшей мере 200 мПа·с (когда ее определяют при концентрации 2 мас.% и при 25°С с использованием вискозиметра Брукфилда при 20 об/мин с валом №2), предпочтительнее по меньшей мере 300 или 400 мПа·с, а более предпочтительно по меньшей мере 600 МПа·с. В особенно предпочтительном варианте вязкость составляет по меньшей мере 1500 мПа·с (когда ее определяют при концентрации 2 мас.% и при 25°С с использованием вискозиметра Брукфилда при 20 об/мин с валом №3). Вязкость может быть настолько высокой, как 5000 мПа·с или выше. Однако обычно вязкость находится в интервале от 1700 до 3000 мПа·с, предпочтительно около 2000 мПа·с.

Полисиликат, включенный в водную композицию, как правило, обладает относительно большой удельной площадью поверхности в сравнении со многими обычными минеральными наполнителями, такими как измельченный карбонат кальция. Однако по сравнению со многими полисиликатными продуктами из микрочастиц, такими как полисиликатные микрогели, полисиликату обычно свойственно обладание относительно небольшой удельной площадью поверхности. Обычно полисиликат обладает удельной площадью поверхности меньше 2000 м²/г, предпочтительно в интервале от 750 до 1250 м²/г, более предпочтительно около 1000 м²/г.

S-значение указывает на степень агрегации или образование микрогелей, и низкое S-значение является показателем более высокой степени агрегации. S-значение может быть определено и рассчитано так, как изложено в работе Iler&Dalton в J.Phys.Chem. 60 (1956), 955-957. Как правило, полисиликатный микрогель проявляет S-значение около 12% или выше. Полисиликат, включенный в водную композицию по настоящему изобретению, как правило, обладает S-значением ниже 5%. В предпочтительном варианте полисиликат обычно обладает S-значением в интервале от 1 до 4%, предпочтительнее от примерно 2,5 до 3,5%.

Водная композиция в соответствии с настоящим изобретением является новым объектом и может быть охарактеризована уникальным сочетанием параметров. Таким образом, предлагается водная композиция, включающая полисиликат, где эта композиция представляет собой по существу однородную жидкость, когда ее анализируют при 25°С, проявляет вязкость по меньшей мере 200 мПа·с (когда ее определяют при концентрации 2 мас.% и при 25°С с использованием вискозиметра Брукфилда при 20 об/мин с валом №2), предпочтительно по меньшей мере 300 или 400 мПа·с, а более предпочтительно по меньшей мере 600 мПа·с, причем в этой композиции полисиликат обладает удельной площадью поверхности меньше 2000 м²/г и обладает S-значением ниже 5%. В особенно предпочтительном варианте вязкость составляет по меньшей мере 1500 мПа·с (когда ее определяют при концентрации 2 мас.% и при 25°С с использованием вискозиметра Брукфилда при 20 об/мин с валом №3). Более предпочтительные варианты могут быть охарактеризованы более особыми параметрами вязкости, удельной площади поверхности и S-значением, упомянутыми выше.

Водная композиция в соответствии с настоящим изобретением может быть приготовлена в любой удобной форме. Такая водная композиция, как правило, включает SiO₂ в концентрации, которая составляет по меньшей мере 0,01 мас.%, предпочтительно от примерно 1 до примерно 45 мас.%. В более предпочтительном варианте концентрация находится в пределах от примерно 1 до 7 мас.%, наиболее предпочтительно в пределах от 2 до 3 мас.%. Особое преимущество этой водной композиции заключается в том, что ее можно добавлять в целлюлозную суспензию без предварительной модификации.

Водная полисиликатная композиция по изобретению особенно подходит для применения в изготовлении бумаги или картона либо в качестве минерального наполнителя как добавки для придания прочности, либо в качестве добавки, содействующей дренированию/удерживанию.

Объем настоящего изобретения охватывает способ изготовления бумаги или картона, включающий приготовление целлюлозной суспензии, дренирование воды из суспензии с формованием мокрого бумажного полотна и последующую сушку этого бумажного полотна, характеризующийся тем, что в целлюлозную суспензию добавляют водную полисиликатную композицию в соответствии с любыми вариантами, представленными в настоящем описании.

Более того, объектом настоящего изобретение является также способ изготовления бумаги или картона, включающий приготовление целлюлозной суспензии, дренирование воды из суспензии с формованием мокрого бумажного полотна и последующую сушку этого бумажного полотна, в котором в целлюлозную суспензию добавляют водный полисиликат, где водный полисиликат готовят по способу, включающему следующие стадии:

I) приготовление водной жидкости, включающей источник силиката,

II) доведение рН жидкости до пределов от примерно 2 до примерно 10,5 и инициирование тем самым полимеризации силиката,

III) предоставление достаточного количества времени для протекания полимеризации до практического завершения и образования в результате продукта, включающего желатинизированный материал, характеризующийся тем, что перед добавлением в целлюлозную суспензию продукт стадии (III) обрабатывают сдвиговым воздействием.

При создании настоящего изобретения было установлено, что обработке желатинизированного полисиликатного материала сдвиговым воздействием перед его добавлением в целлюлозную суспензию свойственны особые преимущества. Так, в частности, при создании настоящего изобретения было установлено, что при эквивалентных концентрациях наполнителя может быть достигнуто повышение прочности.

В еще одном варианте объектом настоящего изобретения является способ изготовления бумаги или картона, включающий приготовление целлюлозной суспензии, подмешивание в эту суспензию минерального наполнителя, дренирование воды из суспензии с формованием мокрого бумажного полотна и последующую сушку этого бумажного полотна, характеризующийся тем, что минеральный наполнитель представляет собой водную полисиликатную композицию в соответствии с любыми вариантами, представленными в настоящем описании.

Осуществление такого способа дает возможность изготовить высоконаполненную бумагу, которая проявляет высокие прочность и характеристики формования. Так, в частности, бумага, которую изготавливают по этому способу, обладает адекватно высоким качеством и демонстрирует отсутствие световых пятен или отверстий.

Водную полисиликатную композицию следует добавлять в целлюлозную суспензию в количествах, соответствующих тем, которые обычно используют в качестве минеральных наполнителей. В целесообразном варианте водную композицию добавляют в количестве от 20 до 250 кг/т в пересчете на сухую массу целлюлозной суспензии. Полисиликат этой водной суспензии может быть единственным используемым наполнителем или, по другому варианту, можно использовать дополнительные наполнители. В случае когда в дополнение к водной композиции используют другие наполнители, этими наполнителями могут служить, например, органические пигменты для улучшения непрозрачности бумаги. По другому варианту в дополнение к водной композиции может быть использован по меньшей мере один дополнительный минеральный наполнитель. Этими дополнительными минеральными наполнителями могут служить любые из обычных наполнителей, они обычно включают осажденный карбонат кальция (ОКК), измельченный карбонат кальция, глину, кальцинированную глину, тальк, цеолиты, кремнеземы, диоксид титана и структурированные пигменты.

Перед добавлением в целлюлозную суспензию водную полисиликатную композицию и дополнительный наполнитель можно объединять. Однако в предпочтительном варианте водную композицию и дополнительный наполнитель добавляют раздельно. В некоторых ситуациях может оказаться целесообразным добавление водной композиции одновременно с дополнительным наполнителем, хотя обычно предполагается, по-видимому, их последовательное добавление. В некоторых процессах изготовления бумаги может возникнуть необходимость в добавлении водной композиции в целлюлозную суспензию перед дополнительным наполнителем. Обычно в предпочтительном варианте этот дополнительный наполнитель добавляют первым.

В процессе изготовления бумаги может оказаться также необходимым включение в целлюлозную суспензию системы для удерживания и дренирования. Ею может служить, например, любая из обычных добавок, содействующих удерживанию и дренированию, которые технически доступны. В предпочтительном варианте система для удерживания и дренирования обычно включает полимерную добавку, содействующую удерживанию/дренированию, и добавку из микрочастиц, содействующую удерживанию/дренированию. Полимерной добавкой, содействующей удерживанию/дренированию, может служить любая из группы, включающей по существу водорастворимые анионоактивные, неионогенные, катионоактивные и амфотерные полимеры. Полимерами могут служить природные полимеры, такие как крахмал и хьюаровые камеди, которые могут быть модифицированными или немодифицированными. По другому варианту полимерами могут служить синтетические полимеры, например полимеры, полученные полимеризацией водорастворимых этиленовоненасыщенных мономеров, таких как акриламиды, акриловая кислота, акрилаты щелочных металлов и аммония, или кватернизованные диалкиламиноалкил(мет)акрилаты или (мет)акриламиды. Обычно такие полимеры обладают высокой молекулярной массой, например по меньшей мере 500000. В предпочтительном варианте полимеры обычно обладают молекулярными массами в интервале от по меньшей мере одного миллиона до 20 или 30 млн или выше. Как правило, полимеры обладают молекулярными массами в пределах от 5 до 15 млн.

Добавка из микрочастиц, содействующая удерживанию/дренированию, может быть основана на сшитых органических полимерах. Такие полимеры, как правило, могут находиться в форме микроэмульсий, например, таких, которые описаны в ЕР-484617 и являются товарной продукцией фирмы Ciba Specialty Chemicals под торговым наименованием Polyflex. По другому варианту добавка из микрочастиц, содействующая удерживанию/дренированию, может быть неорганической, такой как кремнеземные микрогели, коллоидный кремнезем, золи диоксида кремния, силикагели, полисиликаты, алюмосиликаты, полиалюмосиликаты, боросиликаты, полиборосиликаты, цеолиты и способная набухать глина.

В качестве набухающих глин, как правило, могут быть использованы, например, глины бентонитного типа. Предпочтительны набухающие в воде глины, к ним относятся глины, которые в воде подвергаются естественному набуханию, и глины, которые могут быть модифицированы, например ионообменом, для придания им набухаемости в воде. Подходящие набухающие в воде глины включают, хотя ими их список не ограничен, глины, часто упоминаемые как гекторит, смектиты, монтмориллониты, нонтрониты, сапонит, соконит, гормиты, аттапульгиты и сепиолиты. Типичные анионоактивные набухающие глины описаны в ЕР-А 235893 и ЕР-А 335575.

Водную композицию можно добавлять в целлюлозную суспензию в качестве наполнителя в виде разбавленного исходного материала, т.е. после разбавления. По другому варианту ее можно добавлять, кроме того, в предыдущую часть системы, например в густую волокнистую массу, смеситель или смесительный бассейн. Точку добавления можно варьировать в соответствии с конкретной компоновкой бумагоделательной машины и наполнителем, который добавляют в точке добавления, в которой обычно обеспечиваются оптимальное введение в целлюлозную среду и оптимальное удерживание. В предпочтительном варианте водную композицию в качестве наполнителя непременно подмешивают в целлюлозную суспензию перед системой удерживания и дренирования. Следовательно, в предпочтительном варианте систему удерживания и дренирования применяют в отношении целлюлозной суспензии вслед за добавлением минерального наполнителя.

В соответствии с дополнительным вариантом выполнения изобретения водная композиция, включающая полисиликат, составляет часть или всю систему удерживания и дренирования. Таким образом, при создании настоящего изобретения было установлено, что водная композиция может функционировать аналогично существующим добавкам, содействующим удерживанию/дренированию, в частности продуктам из микрочастиц, таким как золи диоксида кремния и способные набухать глины.

Следовательно, в соответствии с этим объектом изобретения предлагается способ изготовления бумаги или картона, включающий приготовление целлюлозной суспензии, применение в отношении суспензии системы удерживания и дренирования, дренирование воды из суспензии с формованием бумажного полотна и последующую сушку этого бумажного полотна, характеризующийся тем, что система удерживания и дренирования включает подмешивание в целлюлозную суспензию водной полисиликатной композиции в соответствии с любым из вариантов, представленных в настоящем описании.

Когда ее используют в качестве добавки, содействующей удерживанию/дренированию, водную полисиликатную композицию целесообразно подмешивать в целлюлозную суспензию в количестве по меньшей мере 100 г/т в пересчете на массу диоксида кремния на сухую массу суспензии. В предпочтительном варианте это количество обычно составляет по меньшей мере 500 г/т, а как правило, значительно больше, преимущественно когда ее используют по существу в отсутствие добавок из микрочастиц, содействующих удерживанию/дренированию. При создании настоящего изобретения было установлено, что в случаях некоторых систем оптимальных удерживания и дренирования добиваются с использованием таких высоких концентраций, как 250 кг/т. В одном предпочтительном варианте концентрация находится в интервале от 20 до 250 кг/т.

Водная полисиликатная композиция, как правило, составляет часть системы удерживания и дренирования. Таким образом, в дополнение к водной композиции система удерживания и дренирования в предпочтительном варианте дополнительно включает подмешивание в целлюлозную суспензию полимерной добавки, содействующей удерживанию/дренированию, и/или добавки из микрочастиц, содействующей удерживанию/дренированию. Однако обычно водную полисиликатную композицию используют в качестве частичного или полного заменителя добавки из микрочастиц, содействующей удерживанию/дренированию, и, таким образом, как правило, используют в системе, которая включает применение полимерной добавки, содействующей удерживанию/дренированию.

Полимерная добавка, содействующая удерживанию/дренированию, может быть выбрана из группы, включающей по существу водорастворимые анионоактивные, неионогенные, катионоактивные и амфотерные полимеры. Этими полимерами могут быть любые из вышеупомянутых полимерных добавок, содействующих удерживанию/дренированию.

Добавка из микрочастиц, содействующая удерживанию/дренированию, может быть основана на сшитых органических полимерах, например, так, как изложено в ЕР-А-484617. По другому варианту добавка из микрочастиц, содействующая удерживанию/дренированию, может быть неорганической, такой как кремнеземные микрогели, коллоидный кремнезем, золи диоксида кремния, силикагели, полисиликаты, алюмосиликаты, полиалюмосиликаты, боросиликаты, полиборосиликаты, цеолиты и способная набухать глина. Добавкой из микрочастиц, содействующей удерживанию/дренированию, могут служить, например, глины бентонитного типа, такие как приведенные в ЕР-А-235893, но в целесообразном варианте можно использовать любой из тех материалов из микрочастиц, которые описаны выше.

В одном предпочтительном варианте выполнения изобретения полимерную добавку, содействующую удерживанию/дренированию, подмешивают в целлюлозную суспензию перед по меньшей мере одной стадией сдвигового воздействия. Стадией сдвигового воздействия могут служить, например, стадии перемешивания, осветления или перекачивания, включающие, например, применение лопастных насосов, центробежных сортировок и т.д. Затем после этой стадии сдвигового воздействия может быть введена добавка, содействующая удерживанию/дренированию, представляющая собой водную полисиликатную композицию. Таким образом, полимерную добавку, содействующую удерживанию/дренированию, можно добавлять в целлюлозную суспензию с последующей одной или несколькими стадиями сдвигового воздействия, а затем в целлюлозную суспензию можно добавлять водную полисиликатную композицию. В альтернативной системе после этой стадии сдвигового воздействия в целлюлозную суспензию также вводят добавку из микрочастиц, содействующую удерживанию/дренированию.

Однако в еще одном варианте выполнения изобретения предлагается способ изготовления бумаги или картона, включающий приготовление целлюлозной суспензии, подмешивание в целлюлозную суспензию минерального наполнителя, применение в отношении этой суспензию системы удерживания и дренирования, дренирование воды из суспензии с формованием мокрого бумажного полотна и сушку этого бумажного полотна, характеризующийся тем, что минеральный наполнитель представляет собой водную полисиликатную композицию по изобретению, перед применением системы удерживания и дренирования суспензию пропускают через по меньшей мере одну стадию сдвигового воздействия, где система удерживания и дренирования включает введение в целлюлозную суспензию водной полисиликатной композиции по изобретению и где стадию сдвигового воздействия выбирают из стадий перемешивания, осветления и перекачивания.

В одной предпочтительной форме этого варианта в целлюлозную суспензию добавляют ОКК как минеральный наполнитель и суспензию пропускают через по меньшей мере одну стадию сдвигового воздействия. Далее в целлюлозную суспензию в качестве части минерального наполнителя подмешивают водную полисиликатную композицию по изобретению. В более предпочтительном варианте после добавления минерального наполнителя, представляющего собой водную полисиликатную композицию, целлюлозную суспензию пропускают через по меньшей мере одну стадию сдвигового воздействия с последующим добавлением полимерной добавки, содействующей удерживанию/дренированию. Затем целлюлозную суспензию пропускают через по меньшей мере одну дополнительную стадию сдвигового воздействия, после которой в целлюлозную суспензию добавляют добавку, содействующую удерживанию/дренированию, представляющую собой водную полисиликатную композицию по изобретению. Добавка из микрочастиц, содействующая удерживанию/дренированию, может быть также добавлена в целлюлозную суспензию перед добавлением, одновременно или после добавления добавки, содействующей удерживанию/дренированию, представляющей собой водную полисиликатную композицию.

В качестве одной иллюстрации сущности изобретения водную полисиликатную композицию готовят вначале получением аморфного силикагеля с 2 мас.% SiO₂ добавлением диоксида углерода в разбавленный раствор жидкого стекла (28,5% растворимого силиката с 9,2% оксида натрия). Перед карбонизацией значительное количество (возможно до больше чем 50%) силиката можно заменить либо декаборатом натрия, либо алюминатом натрия, либо другими материалами. Раствор подкисляют до значения рН от 6,9 до 7,1 и при ограниченном перемешивании позволяют гелю полностью образовать суспензию силикагеля, включающую твердые кусочки геля и менее вязкий раствор. Эту суспензию геля обрабатывают сдвиговым воздействием с использованием установки Silverson при 8000 об/мин в течение одной минуты с получением однородного вязкого раствора.

Затем перед добавкой, содействующей удерживанию и дренированию, в волокнистую массу для изготовления бумаги с целью повышения зольности бумаги при одновременном сохранении прочности бумаги добавляют этот однородный вязкий раствор полисиликата.

Примеры

Приготовление водной полисиликатной композиции (ВПК) во всех примерах

Через раствор силиката натрия с 2 мас.% SiO₂ (Na (3,27) 38/40 F фирмы Akzo PQ Silica) барботировали постоянный поток СО₂. С помощью калиброванного рН-электрода периодически следили за рН.

Изготовление бумажных полотен во всех случаях

Для каждого из вариантов, представленных ниже, пять бумажных полотен изготавливали с соблюдением следующего порядка добавления.

При изготовлении всех листов бумаги ручного отлива без ВПК в качестве добавки, содействующей удерживанию и дренированию, стандартные добавляемые порции составляли 0,5 кг/т для катионоактивного полиакриламида (КПАМ) и 2,0 кг/т для бентонитной суспензии (BentS). Когда ВПК использовали в виде микрочастиц, то в качестве катионоактивных материалов использовали 0,5 кг/т катионоактивного полиакриламида. Концентрации пересчитывали на сухую массу целлюлозной суспензии (волокнистая масса). В дальнейшем проводили следующие обработки:

Волокнистая масса5с сдвиговое воздействие 1000 об/минОКК5с сдвиговое воздействие 1000 об/мин(ВПК)5с сдвиговое воздействие 1000 об/минКПАМ50с сдвиговое воздействие 1000 об/мин(BentS) или (ВПК)15с сдвиговое воздействие 500 об/мин

Листы бумаги ручного отлива получали после конечной стадии перемешивания и сушки в течение 2 ч при 60°С на вращающемся сушильном цилиндре.

Испытание бумажного полотна

Бумажные полотна испытывали на предел прочности при разрыве с помощью разрывной машины марки "Инстрон" 4400 при UMIST в соответствии с методом испытания ТАБПр Т 494 ОМ-88.

Использованные для испытания на прочность образцы бумаги затем применяли для определения общего содержания наполнителя в листах бумаги ручного отлива озолением при 500°С в течение 2 ч.

Пример 1 - Приготовление водной полисиликатной композиции (ВПК)

Получение ВПК осуществляли в соответствии с изложенным выше. Следили за рН и фиксировали в таблице 1.

Таблица 1Время (минут)РН 011,05Масса силиката натрия (жидкое стекло): 69,97 г110,13Масса силиката натрия + Н₂О: 1007,3 г2- 38,99 48,14 57,10 67,02 77,02 87,02Желатинизация после 7 мин97,05 107,06 157,06 

Пример 2 - Влияние сдвигового воздействия на эксплуатационные свойства ВПК

100 мл ВПК подвергали сдвиговой обработке в течение соответствующего времени при 20000 об/мин с помощью гомогенизатора Ultra Thurrax. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2№ВариантТочка добавления ВПКЗольность (%)Разрывная длина(м)15,0% ВПК (без сдвига)5 с перед полимером41,01548,925,0% ВПК (30 с со сдвигом)5 с перед полимером39,22163,235,0% ВПК (60 с со сдвигом)5 с перед полимером38,12202,745,0% ВПК (15 с со сдвигом)5 с перед полимером38,72076,7

Все бумажные полотна содержали 35% ОКК до целевой зольности бумажных полотен 40%.

Из полученных результатов ясно видно, что сдвиговая обработка водной полисиликатной композиции улучшает прочность бумаги.

Пример 3 - Влияние точки добавления на эксплуатационные свойства ВПК

Во всех случаях использовали подвергнутую сдвиговой обработке ВПК (1 мин при 20000 об/мин с помощью гомогенизатора Ultra Thurrax). Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3№ВариантТочка добавления ВПКЗольность (%)Разрывная длина(м)195% ВПК (сдвиговая обработка)10 мин перед полимером37,72241,0205%ВПК (сдвиговая обработка)5 мин перед полимером37,92258,8215% ВПК (сдвиговая обработка)1 мин перед полимером38,32077,1225% ВПК (сдвиговая обработка)5 с перед полимером38,22140,5235% ВПК (сдвиговая обработка)Перед BentS41.31624,9№ВариантТочка добавления ВПКЗольность (%)Разрывная длина(м)245% ВПК (сдвиговая обработка)После BentS40,61592,2255% ВПК (сдвиговая обработка)Взамен BentS39,72093

Все бумажные полотна содержали 35% ОКК до целевой зольности бумажных полотен 40%.

Эти результаты демонстрируют улучшения прочности при использовании подвергнутой сдвиговой обработке водной полисиликатной композиции, преимущественно когда ее добавляют перед полимером.

Пример 4 - Получение алюминированных образцов ВПК. Получение образцов

Таблица 4
100% алюминированной ВПКВремя (мин)рНМасса алюмината натрия: 5,53 гМасса силиката натрия: 0,00 г0-Масса твердых частиц и воды: 200,1 г0 (после Al)12,4 111,03После 20 с добавления СО₂образовывался белый мутный осадок210,46 39,38 47, 57,3 77,15 97,12 117,11 137,11 157,11 

Таблица 5
50% алюминированной ВПКВремя (мин)рНМасса алюмината натрия: 2,77 г Масса силиката натрия: 7,05 г011,10Масса твердых частиц и воды: 201,3 г0 (после Al)12,3 110,38После 1 мин добавления СО₂желатинизировался до твердогосостояния29,81 39,47Отбирали пробы49,07 58 77,4 96,96 119,92 136,89 156,89 

Таблица 6
10% алюминированной ВПКВремя (мин)рНМасса алюмината натрия: 0,553 г Масса силиката натрия: 12,21 г011,07Масса твердых частиц и воды: 200,4 г0 (после Al)11,41 19,12Во время карбоксилирования26,98желатинизации карбоксилированной 36,83смеси не наблюдали. По прошествии 1 ч46,83стояния образец желатинизировался56,82 76,82 96,82 116,82 136,82 158,62Отбирали пробы

Таблица 7
5% алюминированной ВПКВремя (мин)рНМасса алюмината натрия: 0,277 г Масса силиката натрия: 13,26 г011,00Масса твердых частиц и воды: 200,9 г0 (после Al)11,34 19,32Во время карбоксилирования28,23желатинизации карбоксилированной смеси не наблюдали. По прошествии 1 ч 36,8746,84стояния образец как обычно56,83желатинизировался76,83 96,83 116,83 136,83 156,83Отбирали пробы

Таблица 8
Стандартная ВПКВремя (мин)рНМасса алюмината натрия: 0,9 г Масса силиката натрия: 14,00 г010,98Масса твердых частиц и воды: 199,6 г0 (после Al)9,82 18,38Образец желатинизировался по26,95истечении 7 мин36,92 46,93 56,92 76,92 96,92 116,92 136,92 156,83Отбирали пробы

Таблица 9ВариантТочка добавления ВПКРазрывная длина (м)Средняя зольность (%)30% ОККН/Д3122,130,650 кг/т стандартной ВПКПеред системой У/Д4412,519,050 кг/т 50% Al ВПКЗамена BentS4149,523,950 кг/т стандартной ВПКЗамена BentS3886,825,225% ОККН/Д3868,924,45 0 кг/т 10%Al ВПКЗамена BentS3903,126,050 кг/т 5% Al ВПКПеред системой У/Д4178,421,850 кг/т стандартной ВПКЗамена BentS3964,724,250 кг/т 10% Al ВПКПеред системой У/Д4165,921,450 кг/т 50% Al ВПКПеред системой У/Д4392,419,920% ОККН/Д4115,620,650 кг/т 5% Al ВПКЗамена BentS3861,425,350 кг/т 100% Al ВПКЗамена BentS3436,224,215% ОККН/Д4839,216,0

Все включавшие ВПК варианты содержали 20% ОКК до целевой зольности готового бумажного полотна 25%.

Пример 5 - Влияние полиалюмосиликатного микрогеля (МГ) при добавляемых количествах ВПК

Таблица 10ВариантТочка добавления ВПКРазрывная длина(м)Средняя зольность (%)5% стандартной ВПКПеред системой У/Д3671,823,45% МГПеред системой У/Д5714,76,930% ОККН/Д2016,833,125% ОККН/Д2814,124,720% ОККН/Д3104,719,615% ОККН/Д3794,015,20% ОККН/Д6412,90,4

Все включавшие ВПК варианты содержали 20% ОКК, до целевой зольности готового бумажного полотна 25%.

Пример 6

С использованием образцов ВПК, подвергнутой сдвиговой обработке в различных степенях с помощью рядя гомогенизаторов, и проведением сдвиговой обработки в течение разных промежутков времени изготавливали ряд листов бумаги ручного отлива.

Подвергнутые сдвиговой обработке образцы ВПК оценивали для определения вязкости и массы комков. Изготовленные бумажные полотна испытывали на предел прочности при разрыве и зольность и оценивали внешний вид.

Приготовление образцов ВПК

Образец с 2,0 мас.% ВПК готовили в соответствии со способом, в общих чертах представленным в первом абзаце в разделе "Примеры".

200 мл образца ВПК подвергали сдвиговой обработке в течение разных периодов времени с помощью гомогенизатора либо Silverson при 2000 об/мин, либо Ultra Thurrax при 13500 об/мин.

Таблица 11
Сдвиговое воздействие, применяемое для образцов ВПКОбразецСмесительВремя (с)Сдвиг 1Без сдвигового воздействия0Сдвиг 2Ultra Thurrax, 13500 об/мин120Сдвиг 3Ultra Thurrax, 13500 об/мин15Сдвиг 4Silverson, 2000 об/мин60Сдвиг 5Silverson, 2000 об/мин30Сдвиг 6Silverson, 2000 об/мин15

Готовили образец катионоактивного полиакриламида (КПАМ) концентрацией 1 мас.% и образец суспензии бентонитов (BentS) концентрацией 5 мас.%.

Готовили смесь древесины лиственных пород и хвойных пород в соотношении 50/50, измельченной до степени помола 55° (определяют по методу Шоппера-Риглера) и разбавляли до содержания твердых частиц 0,5%.

Готовили 10%-ную суспензию продукта Calopaque F (ОКК).

Перед добавлением в волокнистую массу катионоактивный полиакриламид и бентонитную суспензию разбавляли до 0,1%.

Изготовление бумажных полотен ручного отлива

5 комплектов бумажных полотен для каждого из вариантов, представленных ниже, изготавливали с соблюдением следующего порядка добавления.

При изготовлении всех листов бумаги ручного отлива использовали стандартные добавляемые порции 0,5 кг/т катионоактивного полиакриламида и 2,0 кг/т бентонитной суспензии.

Осуществляли следующую последовательность.Волокнистая масса5с сдвиговое воздействие 1000 об/минОКК5с сдвиговое воздействие 1000 об/мин(ВПК)5с сдвиговое воздействие 1000 об/минКПАМ50с сдвиговое воздействие 1000 об/мин(BentS) или (ВПК)15с сдвиговое воздействие 500 об/мин

Листы бумаги ручного отлива получали после конечной стадии перемешивания и сушки в течение 2 ч при 65°С на вращающемся сушильном цилиндре.

Таблица 13№Вариант1320% ОКК и 5% ВПК (сдвиг 2)1520% ОКК и 5% ВПК (сдвиг 1)1620% ОКК и 5% ВПК (сдвиг 3)1720% ОКК и 5% ВПК (сдвиг 4)1820% ОКК и 5% ВПК (сдвиг 5)1920% ОКК и 5% ВПК (сдвиг 6)2615% ОКК2720% ОКК2825% ОКК2930% ОКК3035% ОКК

Оценка ВПК

Образцы подвергнутой (и не подвергнутой сдвиговой обработке) ВПК оценивали с использованием вискозиметра Брукфилда при 20 об/мин для определения низкосдвиговой вязкости и массы комков. Массу комков определяли отбором 100 мл образца ВПК, разбавлением до 500 мл водопроводной водой и фильтрованием через предварительно взвешенное 150-микрометрическое сито. Далее ВПК промывали дополнительными 100 мл водопроводной воды с последующим удалением из сита всего избытка воды с помощью окрашенных в голубой цвет катышков. Затем сито вновь взвешивали и рассчитывали массу комков ВПК.

Испытание бумажного полотна ручного отлива

После этого с помощью сканера для оценки прозрачности высушенные бумажные полотна оценивали на внешний вид с получением отпечатка бумажного полотна для серой шкалы с гелевыми пятнами, возникавшими на изображении в виде световых пятен.

Перед испытанием на предел прочности при разрыве при UMIST листы бумаги ручного отлива кондиционировали при 23°С и при 50%-ной влажности.

Зольность листов бумаги ручного отлива определяли проведением эксперимента при 500°С в течение 2 ч.

Результаты

Подготовка образцов

Таблица 14
Стандартная ВПКВремя (мин)рНМасса силиката натрия: 70,05 г010,98Масса твердых частиц и воды: 999,6 г19,82 28,38 36,95 46,92 56,93 6  76,92По истечении 7 мин образец желатинизировался116,92 136,92 156,92 

Оценка ВПК

Таблица 15
Низкосдвиговая вязкость ВПК и количество комковОбразец123456Сдвиг (скорость)Без сдвигаUT (13500)UT (13500)Silv. (2000)Silv. (2000)Silv. (2000)Время сдвига (с) 12015603015Вязкость, вал №122222Результаты27,532,734,520,024,819,529,532,630,519,022,617,531,531,032,520,523,018,431,531,932,320,124,016,9 27,531,5 19,2  Вязкость (мПа·с)147,5638,8649,25395,2472,0364,0Масса комков и сита (г)141,796,548101,76113,25117,67129,09Масса сита (г)96,41896,51596,73096,67696,28996,298Масса комков (г)45,3220,0335,03016,57421,38132,792

Испытание бумажного полотна ручного отлива

Таблица 16
Результаты определения прочности и зольности№ВариантыРазрывная длина (м)Зольность (%)1320% ОКК и 5% ВПК (сдвиг 2)4062,619,41520% ОКК и 5% ВПК (сдвиг 1)2539,931,01620% ОКК и 5% ВПК (сдвиг 3)3054,927,51720% ОКК и 5% ВПК (сдвиг 4)3220,627,31820% ОКК и 5% ВПК (сдвиг 5)2837,529,21920% ОКК и 5% ВПК (сдвиг 6)2787,829,92615% ОКК4244,115,82720% ОКК3613,920,92825% ОКК3146,825,42930% ОКК2672,730,03035% ОКК2158,635,1

Результаты определения прочности усредняли по данным двух измерений каждого из 5 бумажных полотен. У каждого из пяти бумажных полотен зольность определяли отдельно.

В испытании 13 подвергнутая сдвиговому воздействию полисиликатная композиция в соответствии с настоящим изобретением обеспечивала эквивалентную зольность (означающую количество наполнителя, задержанного в бумажном полотне), а в эксперименте 27 полисиликатная композиция отсутствовала, но было продемонстрировано повышение прочности больше, чем на 12%. Кроме того, хотя полисиликат не подвергали сдвиговому воздействию в эксперименте 15, при эквивалентных условиях ОКК и полисиликата была продемонстрирована наивысшая зольность, а все повергнутые сдвиговой обработке полисиликаты обеспечивали повышенную прочность.

Графическое воспроизведение данных таблицы 15 можно обнаружить на фиг.1 и 2.

Влияние сдвиговой обработки на ВПК

Если судить по данным таблицы 15, то масса комков ВПК, остававшихся на сите, оказывалась обратно пропорциональной степени сдвиговой обработки. Во время определений вязкости с увеличением периода испытания показания вискозиметра Брукфилда значительно уменьшались (все показания снимали после трех оборотов вала при 20 об/мин).

Влияние сдвиговой обработки ВПК на прочность бумажного полотна

Для этой системы степень сдвиговой обработки оптимизировали в отношении прочности. Наибольшее ее повышение показано на фиг.2, что соответствовало сдвиговой обработке ВПК в течение 1 мин при 2000 об/мин с помощью смесителя Silverson. Потерю прочности при более низких степенях сдвигового воздействия можно было бы объяснить негомогенной природой суспензии диоксида кремния, позволявшей диоксиду кремния оставаться в виде отдельных частиц и связывать их скорее между собой, чем с волокнами и наполнителями.

Влияние сдвиговой обработки ВПК на внешний вид бумажного полотна

Даже сдвиговое воздействие низкой степени устраняет появление видимых гелевых пятен. Чем выше степень сдвигового воздействия на диоксид кремния, тем меньше гелевые пятна. Бумажные полотна оказывались приемлемыми при сдвиговом воздействии всех уровней.

Внешний вид бумажного полотна может быть улучшен устранением гелевых пятен, вызываемых не подвергнутой сдвиговой обработке ВПК.

Изобретение относится к производству бумаги и картона. Способ приготовления водной композиции, содержащей полисиликат, причем эта композиция представляет собой однородную жидкость, при 25°С включает следующие стадии: I) приготовление водной жидкости, включающей силикат, II) доведение рН жидкости до 2-10,5, III) предоставление времени для полимеризации до практического завершения и образования в результате продукта, включающего желатинизированный материал, IV) обработка желатинизированного материала достаточным сдвиговым воздействием для получения однородной жидкости. Водную композицию готовят данным способом. Водная композиция включает полисиликат. Эта композиция представляет собой однородную жидкость при 25°С. Композиция проявляет вязкость по меньшей мере 200 мПа·с, когда ее определяют при концентрации 2 мас.% и при 25°С с использованием вискозиметра Брукфилда при 20 об/мин с валом №2 и где полисиликат обладает удельной площадью поверхности меньше 2000 м²/г и обладает S-значением ниже 5%. Изготовление бумаги или картона включает приготовление целлюлозной суспензии, с добавлением водной композиции, дренирование воды из суспензии с формованием мокрого бумажного полотна и последующую сушку этого бумажного полотна. Изготовление бумаги или картона включает приготовление целлюлозной суспензии, подмешивание в целлюлозную суспензию минерального наполнителя, применение в отношении этой суспензии системы удерживания и дренирования, дренирование воды из суспензии с формованием мокрого бумажного полота и сушку этого бумажного полотна. Минеральный наполнитель представляет собой водную композицию. Перед применением системы удерживания и дренирования суспензию пропускают через по меньшей мере одну стадию сдвигового воздействия, система удерживания и дренирования включает введение в целлюлозную суспензию водной композиции и стадию сдвигового воздействия выбирают из стадий перемешивания, осветления и перекачивания. Изобретение позволяет повысить качество бумаги и картона. 7 н. и 39 з.п. ф-лы, 16 табл. 2 ил.

1. Способ приготовления водной композиции, включающей полисиликат, где эта композиция представляет собой по существу однородную жидкость, когда ее анализируют при 25°С, включающий следующие стадии:

I) приготовление водной жидкости, включающей источник силиката,

II) доведение рН жидкости до пределов от 2 до 10,5 с инициированием тем самым полимеризации силиката,

III) предоставление времени для протекания полимеризации до практического завершения и образования в результате продукта, включающего желатинизированный материал,

IV) обработка желатинизированного материала сдвиговым воздействием для получения по существу однородной жидкости.

Приоритет по пунктам: