СВЯЗУЮЩАЯ КОМПОЗИЦИЯ НА ОСНОВЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ ВОЛОКОН И МИНЕРАЛЬНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ, ЕЕ ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ Российский патент 2020 года по МПК D21C5/00 D21C9/00 D21H17/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к связующей композиции, компоненты которой могут быть получены в основном из смесей переработанных материалов и/или промышленных отходов, или даже любого потока переработки бумаги, богатого минеральными наполнителями и мелкими волокнами/волокнами целлюлозы. Данная связующая композиция в основном состоит из минеральных наполнителей и органических материалов растительного происхождения. Данная смесь будет определена далее в данном документе как «связующая композиция».

Область применения настоящего изобретения относится к получению биоматериалов, композиционных продуктов, а также продуктов бумажной промышленности. Она может, в частности, включать получение бумаги или картона.

Описание уровня техники

Бумажные продукты, такие как бумага и картон, получают из водных суспензий лигноцеллюлозных волокон. Их можно получать из переработанных волокон.

Помимо лигноцеллюлозных волокон, такие продукты, как правило, содержат минеральные наполнители. Такие наполнители можно также получать из линии для переработки, в частности из переработанной бумажной массы.

Так называемые «переработанные» минеральные наполнители и так называемые «природные» (не переработанные) минеральные наполнители включают в систему для модифицирования свойств бумаги или картона, в частности, оптических и/или поверхностных свойств. Наполнители также обеспечивают возможность уменьшения стоимости готового продукта.

В качестве примера, так называемые природные минеральные наполнители, обычно применяемые в бумажной промышленности, включают карбонат кальция, каолин, диоксид титана, тальк и коллоидный диоксид кремния.

Однако, несмотря на то, что в отношении оптических или поверхностных свойств природные минеральные наполнители обеспечивают необходимые свойства, переработанные минеральные наполнители часто обуславливают измененные и иногда нежелательные оптические эффекты. Тем не менее, независимо от их происхождения, все так называемые природные или переработанные наполнители уменьшают стоимость бумаги или картона и влияют на механические и оптические свойства бумаги или картона. Кроме того, учитывая низкое химическое сродство минеральных наполнителей и лигноцеллюлозных волокон, для их управляемого или неконтролируемого введения и в зависимости от режима их введения, обычно требуется присутствие других фиксирующих и/или удерживающих средств, таких как катионные полиакриламиды, и/или связующих средств, например крахмала, применяемого как для улучшения прочности листа, так и для и удержания наполнителей.

Также были разработаны полимеры на основе акриламида и их производные с целью улучшения удержания наполнителя при поддержании механических свойств бумаги или картона, таких как, например, прочность на разрыв, внутренняя когезия и прочность на продавливание.

Хотя такие решения являются относительно удовлетворительными, тем не менее, все еще существует потребность в альтернативах, более конкретно, в альтернативе полимерам и/или крахмалу, для применения в объеме или на поверхности с целью улучшения физических характеристик бумаги при меньшей стоимости.

В общем, это проблема, которая решается в настоящем изобретении путем разработки связующей композиции. Данная связующая композиция позволяет частично или полностью исключить применение средств, повышающих прочность, в сухом состоянии (крахмалов, амфотерных полиакриламидов, карбоксиметилцеллюлозы и видов гуаровой камеди). Это также позволяет повышать уровни удержания и содержания минеральных наполнителей, и при этом сводить к минимуму потери механических свойств бумаги или картона.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение относится к связующей композиции, преимущественно состоящей из воды, органических материалов растительного происхождения и минеральных наполнителей.

Более конкретно, настоящее изобретение относится к связующей композиции, содержащей воду, растительные волокна и минеральные наполнители, при этом

- весовое соотношение растительных волокон и минеральных наполнителей составляет от 99/1 до 2/98, преимущественно от 95/5 до 15/85, более преимущественно от 80/20 до 20/80,

- растительные волокна и минеральные наполнители были рафинированы одновременно.

Настоящее изобретение также относится к способу получения данной связующей композиции и к ее применению в получении бумаги или картона.

Связующая композиция

Связующие свойства связующей композиции зависят от ее получения, и более конкретно от рафинирования органических материалов растительного происхождения (растительных волокон) в присутствии минеральных наполнителей. Рафинирование означает механическое сжатие и обработку резкой. В целом, рафинирование обеспечивает фибрилляцию и/или разрезание органических материалов растительного происхождения. Рафинирование дополнительно обеспечивает удельную площадь поверхности и связующую способность растительных волокон.

Присутствие минеральных наполнителей во время рафинирования обеспечивает возможность их фрагментации, а также по меньшей мере частичного их покрытия рафинированными растительными волокнами. Таким образом, в связующей композиции в соответствии с настоящим изобретением минеральные наполнители по меньшей мере частично связаны друг с другом вследствие образования сети из рафинированных растительных волокон.

После покрытия минеральные наполнители связующей композиции можно фиксировать и/или включать в сеть лигноцеллюлозных волокон с получением бумаги или картона. Их включение в данный тип сети волокон с большой удельной площадью поверхности позволяет улучшать механические свойства и/или мягкость бумаги или картона, тогда как добавление минеральных наполнителей с помощью стандартных способов ухудшает механические характеристики и/или мягкость. Под «покрытыми минеральными наполнителями» в связующей композиции подразумеваются минеральные наполнители, которые по меньшей мере частично включены в волокна, предпочтительно полностью включены. Следовательно, минеральные наполнители по меньшей мере частично покрыты или окружены волокнами.

Одна из особенностей связующей композиции связана с увеличением уровня содержания минеральных наполнителей без изменения физических характеристик бумаги или картона. Действительно, по меньшей мере некоторое количество минеральных наполнителей, присутствующих в бумаге или картоне, происходит из связующей композиции, в которой минеральные наполнители по меньшей мере частично покрыты растительными волокнами. Увеличение удельной площади поверхности растительных волокон позволяет не только фиксировать минеральные наполнители, присутствующие во время рафинирования, но также улучшать удержание минеральных наполнителей в способе получения бумаги или картона. Следовательно, связующая композиция означает композицию, которая предусматривает фиксацию минеральных наполнителей без ухудшения механических характеристик бумаги или картона.

Растительные волокна в основном представляют собой лигноцеллюлозные волокна. Они могут быть получены из целлюлозных волокон, полученных из лигноцеллюлозных материалов, в частности дерева (твердых пород дерева или мягких пород дерева) и однолетних растений. Они также могут происходить из переработанных целлюлозных материалов.

Растительные волокна связующей композиции характеризуются средним размером, преимущественно составляющим от 10 мкм до 700 мкм в среднем. Размер волокон более преимущественно составляет от 10 мкм до 500 мкм в среднем, еще более преимущественно от приблизительно 10 мкм до 400 мкм и еще более преимущественно от приблизительно 100 мкм до 400 мкм. Он представляет собой средний размер волокон, рафинированных в присутствии минеральных наполнителей. В соответствии с другим вариантом осуществления растительные волокна связующей композиции могут характеризоваться средним размером, преимущественно составляющим от 10 мкм до 600 мкм, более преимущественно от приблизительно 100 мкм до 600 мкм. Обычно волокна с размером от 10 мкм до 80 мкм называют мелкими волокнами.

Размер относится к наибольшей размерности растительных волокон, например, к длине.

Как правило, свойства, такие как размер (длина, диаметр, толщина) можно получать с помощью традиционных способов и устройства, например, с помощью анализатора морфологии волокон MorFi.

Связующая композиция в соответствии с настоящим изобретением представляет собой волокнистую композицию. Она содержит рафинированные волокна, но может содержать и мелкие волокна (т. е. волокна с размером от 10 мкм до 80 мкм) и/или фибриллированные волокна. Обычно рафинированные волокна связующей композиции включают:

- разрезанные волокна, такие волокна могут быть фибриллированными или нет,

- мелкие волокна (10-80 мкм), т. е. разрезанные волокна или разрезанные фибриллированные волокна.

Однако волокнистая часть связующей композиции преимущественно состоит из рафинированных волокон. Рафинированные волокна включают разрезанные волокна и фибриллированные волокна. Связующая композиция характеризуется весовым соотношением рафинированных волокон и рафинированных наполнителей от 99/1 до 2/98; следовательно, она характеризуется таким соотношением разрезанных волокон и фибриллированных волокон.

В соответствии с конкретным вариантом осуществления, связующая композиция может содержать дисперсные частицы (волокна с размером 10-80 мкм), при этом общее процентное содержание предпочтительно выше 30% по длине, более предпочтительно более 50%, еще более предпочтительно от 60 до 90% и еще более предпочтительно от 70% до 90%. Такие значения процентного содержания можно получать с помощью традиционных способов и устройства, например, с помощью анализатора морфологии волокон MorFi, % мелких волокон по длине.

Волокна состоят из слоев микрофибрилл. Более конкретно, волокно образовано десятками или сотнями микрофибрилл (обычно менее 500 микрофибрилл), расположенных слоями и соединенных с помощью лигнина и/или гемицеллюлозы. Рафинированные волокна характеризуются диаметром, обычно составляющим от 10 до 60 мкм, предпочтительно от 15 до 40 мкм, и длиной, обычно составляющей от 10 мкм до 700 мкм, более предпочтительно от 100 мкм до 600 мкм.

Фибриллированные волокна представляют собой волокна, у которых фибриллы выходят из основного ядра волокон.

Микрофибриллы образуются при фибрилляции волокон. Они состоят из агрегатов фибрилл, обычно из менее 60 фибрилл. Например, WO 2014/091212 и WO 2010/131016 относятся к образованию микрофибрилл.

Нанофибриллы или первичные фибриллы образуются при фибрилляции микрофибрилл. Они образованы из макромолекул целлюлозы, соединенных посредством водородных связей. Например, WO 2010/112519 и WO 2010/115785 относятся к образованию нанофибрилл.

Как правило, нанокристаллическая целлюлоза характеризуется шириной от приблизительно 5 нм до 50 нм и длиной от приблизительно 100 нм до 500 нм. Нанофибриллярная целлюлоза характеризуется шириной от приблизительно 20 нм до 50 нм и длиной от приблизительно 500 нм до 2000 нм. Аморфная наноцеллюлоза (эллиптическая) характеризуется средним диаметром от приблизительно 50 нм до 300 нм. (см. Chamberlain D., Paper Technology Summer 2017 Micro- and Nano-Cellulose Materials – An Overview).

Рафинирование предусматривает разрезание волокон. Оно также обеспечивает набухание волокон. Следовательно, рафинированные волокна являются более короткими и разбухшими. Когда во время рафинирования происходит отслаивание волокон, размер (диаметр или толщина) полученных волокон значительно не уменьшается, поскольку также происходит набухание. По сути, эти два явления компенсируют друг друга. Однако рафинирование увеличивает количество волокон с размером менее 80 мкм.

Таким образом, рафинирование в соответствии с настоящим изобретением способствует разрезанию волокон по сравнению с фибриллированием волокон.

Связующая композиция в соответствии с настоящим изобретением характеризуется процентным содержанием волокон со средним размером 335 мкм или больше, составляющим предпочтительно 10% или меньше от общего количества волокон в составе связующей композиции, более предпочтительно от 1% до 10% и еще более предпочтительно от 1% до 5%.

После рафинирования растительные волокна характеризуются удельной площадью поверхности, преимущественно составляющей от 5 м²·г⁻¹ до 200 м²·г⁻¹, более преимущественно от 10 м²·г⁻¹ до 100 м²·г⁻¹.

Используемые растительные волокна преимущественно получены из линий для переработки бумаги и/или картона.

В связующей композиции растительные волокна (переработанные или нет) соответствуют части органического материала, полученного из растения, которую можно сжечь, если связующую композицию, ранее высушенную, подвергнуть воздействию температуры, составляющей 425°C, в течение времени, составляющего по меньшей мере 2 часа. Масса, сожженная таким образом, соответствует массовой доле растительных волокон.

Помимо растительных волокон связующая композиция также содержит минеральные наполнители.

В общем, любой тип традиционных минеральных наполнителей можно использовать в настоящем изобретении. Они могут включать природные минеральные наполнители, т. е. наполнители, не полученные в результате переработки.

Однако минеральные наполнители преимущественно получены из линий для переработки бумаги и/или картона.

Независимо от их происхождения, минеральные наполнители, в частности, могут быть выбраны из группы, включающей карбонат кальция, каолин, диоксид титана, тальк и их смеси.

В связующей композиции минеральные наполнители характеризуются средним размером, преимущественно составляющим от приблизительно 1 мкм до 100 мкм, более преимущественно от приблизительно 10 мкм до 50 мкм. Они также могут принимать форму единичных наполнителей и/или скоплений. Как правило, средний размер может составлять от приблизительно 1 мкм до 10 мкм.

Размер относится к наибольшей размерности, например, к диаметру сферических наполнителей или скоплений. Он представляет собой размер наполнителей после рафинирования в присутствии растительных волокон.

В связующей композиции минеральные наполнители, переработанные или нет, соответствуют части минерального материала, которая не сжигается, если связующую композицию, ранее высушенную, подвергнуть воздействию температуры, составляющей 425°C, в течение времени, составляющего по меньшей мере 2 часа.

В случае наполнителей и/или растительных волокон, полученных в результате переработки, в частности, в результате переработки бумаги или картона, можно применять то же самое испытание на сгорание при температуре, составляющей 425°C, в течение по меньшей мере 2 часов для определения количества растительных наполнителей и количества минеральных наполнителей, содержащихся в переработанных материалах.

Если минеральные наполнители и/или растительные волокна получают из линий для переработки, они могут быть получены из переработанных материалов и/или промышленных растительных отходов. Они также могут быть получены из обесцвеченного шлама и/или других промышленных отходов. В целом, такие композиций в основном состоят из минеральных наполнителей и/или органических веществ.

Таким образом, связующая композиция может содержать:

- воду,

- природные (не переработанные) растительные волокна и/или переработанные растительные волокна и

- природные (не переработанные) минеральные наполнители и/или переработанные минеральные наполнители.

Следовательно, настоящее изобретение обеспечивает возможность объединения растительных волокон (переработанных и/или не переработанных) и минеральных наполнителей (переработанных и/или не переработанных) в гомогенную композицию.

Как уже было указано, связующая композиция характеризуется весовым соотношением растительные волокна/минеральные наполнители, составляющим от 99/1 до 2/98, преимущественно от 95/5 до 15/85, преимущественно от 80/20 до 20/80. Преимущественно, она содержит от 5 до 500 г смеси растительных волокон и минеральных наполнителей на литр воды, более преимущественно от 10 г до 100 г и еще более преимущественно от 20 г до 50 г.

В соответствии с одним конкретным вариантом осуществления связующая композиция также может содержать по меньшей мере одну добавку, например, модификатор реологических свойств или средство для улучшения механических характеристик. В связующей композиции по меньшей мере одна добавка преимущественно составляет от 0 до 50% относительно веса связующей композиции. Если она присутствует, данная по меньшей мере одна добавка характеризуется по меньшей мере ненулевым процентным содержанием по весу.

Однако, не считая каких-либо примесей, композиция в соответствии с настоящим изобретением преимущественно состоит из воды, растительных волокон (переработанных или нет) и минеральных наполнителей (переработанных или нет). В частности, какие-либо примеси могут происходить из суспензии волокон, применяемой для получения растительных волокон связующей композиции. Если они присутствуют, примеси предпочтительно составляют менее 10 вес. % связующей композиции, предпочтительно менее 5 вес. % и более предпочтительно менее 1 вес. %. Количество примесей можно измерять в соответствии с традиционными способами, например, с помощью сортировальное сито Somerville, характеризующегося стандартной шириной щели, составляющей 0,15 мм. Примеси могут включать пластмассы и другое.

Связующая композиция в соответствии с настоящим изобретением соответствует композиции с гомогенным распределением ее компонентов в объеме, при этом рафинирование обеспечивает возможность фрагментации минеральных наполнителей и, по меньшей мере частично, покрытия их растительными волокнами.

Связующая композиция характеризуется вязкостью по Брукфильду, которая предпочтительно находится в диапазоне от 500 сП до 20000 сП, более предпочтительно от 800 сП до 12000 сП.

Вязкость по Брукфильду связующей композиции можно измерять с помощью вискозиметра Брукфильда, при 25°C с модулем LV. Специалист в данной области техники сможет определить модуль и скорость (вискозиметр Брукфильда, модуль LV), приспособленные для измеряемого диапазона вязкости. Вязкость по Брукфильду предпочтительно измеряют через 100 секунд при 100 об./мин.

Связующая композиция обычно является тиксотропной. Другими словами, ее вязкость уменьшается при сдвиге и возвращается до начальной вязкости или увеличивается со временем, когда сдвиг прекращается.

Способ получения связующей композиции

Настоящее изобретение также относится к способу получения связующей композиции.

Как уже было указано, свойства связующей композиции зависят от рафинирования растительных волокон в присутствии минеральных наполнителей.

Данный способ включает следующие стадии:

- получение суспензии растительных волокон и минеральных наполнителей в воде, при этом весовое соотношение растительных волокон и минеральных наполнителей составляет от 99/1 до 2/98, преимущественно от 95/5 до 15/85, более преимущественно от 80/20 до 20/80,

- рафинирование данной суспензии.

Рафинирование не стоит сравнивать со способом дефибрирования или со способом фибриллирования. Авторы настоящего изобретения сравнили коммерчески доступную смесь, полученную при дефибрировании целлюлозы и минеральных наполнителей. Авторы настоящего изобретения провели различные эксперименты (см. раздел «Примеры» ниже), которые показывают, что связующая композиция в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает улучшенные свойства в отношении прочности.

Без ограничения какой-либо теорией, авторы настоящего изобретения считают, что такие улучшения обусловлены тем, что стадия рафинирования обеспечивает улучшенное разрезание волокон. В отличие от стадии дефибрирования, она не способствует фибрилляции волокон, хотя фибрилляция может происходить в некоторой степени. Дополнительно, фибрилляция в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает однородное распределение по размеру, тогда как способы фибрилляции, такие как дефибрирование, обеспечивают неоднородное распределение по размеру. Наконец, по сравнению с дефибрированием, рафинирование в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает покрытие рафинированными волокнами или включение в рафинированные волокна минеральных наполнителей.

Рафинирование обеспечивает разрезанные волокна. Рафинированные волокна преимущественно состоят из волокон, укороченных по длине. Рафинирование не означает фибрилляцию, поскольку его целью не является разделение волокон на микрофибриллы или нанофибриллы. Однако, как уже упоминалось, фибрилляция может происходить в некоторой степени. Действительно, незначительные количества волокон могут быть частично или полностью фибриллированными. Кроме того, рафинирование может обеспечивать получение набухших волокон (стадию рафинирования проводят в присутствии воды).

Рафинирование обычно проводят между двумя параллельными дисками рафинера с фиксированным расстоянием между дисками, обычно между вращающимся диском и неподвижным диском. рафинирование также можно проводить посредством ряда параллельных пар дисков, предпочтительно ряда из нескольких пар дисков (например, от 2 до 6 пар дисков), которые могут иметь одинаковое расстояние между дисками или уменьшающееся расстояние между дисками. Например, такие диски могут быть выполнены из стали или нержавеющей стали. Как правило, диски рафинера содержат штыри и углубления. Специалист в данной области техники сможет выбрать подходящие диски, которые будут способствовать разрезанию, а не фибрилляции волокон.

Дефибрирование включает сдвиг/разлом и дробление волокон. Сдвиг/разлом в способе дефибрирования определенно является более сильным, чем в способе рафинирования. Более конкретно, в способе дефибрирования волокна подвергаются воздействию трения, поскольку они зафиксированы и сдавливаются с абразивным материалом или абразивным диском (дисками с выступающими абразивными частицами). В результате волокна разделяются на отдельные изломанные раздробленные волокна. С другой стороны, рафинирование обеспечивает отслаивание и разрезание волокон.

Фибрилляция или нанофибрилляция обеспечивает образование фибрилл, т. е. разделение волокон на фибриллы. Однако такой способ не обязательно включает уменьшение длины волокон. Следовательно, он является отличным от рафинирования. Нанофибриллы можно получать с помощью ультрадисперсного дефибрирования. Как правило, установка для ультрадисперсного дефибрирования содержит керамические диски, отделенные расстоянием, которое зависит от состава волокон, которые подают в установку для дефибрирования. Расстояние между двумя дисками изменяется в течение способа дефибрирования.

В результате фибриллированные волокна обычно характеризуются длиной, которая больше, чем у рафинированных волокон.

Дополнительно, в соответствии с настоящим изобретением, рафинирование предпочтительно проводят в отсутствие любого абразивного материала, такого как гранулы, шарики или зерна любого жесткого материала, такого как керамика или металл.

Перед рафинированием данный способ также может предусматривать стадию разделения на фракции и/или стадию ферментативной обработки. Следовательно, способ может предусматривать следующую последовательность:

a) получение суспензии растительных волокон и минеральных наполнителей в воде,

b) необязательно разделение на фракции данной суспензии,

c) необязательно ферментативную обработку данной суспензии,

d) рафинирование данной суспензии.

a) Получение суспензии растительных волокон и минеральных наполнителей в воде

Суспензию растительных волокон и минеральных наполнителей в воде в соответствии с настоящим изобретением можно получать из переработанных или не переработанных растительных волокон и переработанных или не переработанных минеральных наполнителей. Следовательно, ее можно получать по меньшей мере частично из переработанных материалов, например, из материалов, полученных в результате переработки бумаги или картона.

В зависимости от природы переработанных материалов можно добавлять не переработанные растительные волокна и/или не переработанные минеральные наполнители с достижением необходимого весового соотношения растительные волокна/минеральные наполнители.

Как уже было указано, растительные волокна и/или минеральные наполнители могут происходить из переработанных материалов и/или отходов промышленной установки. В качестве примера, они могут происходить из шлама производства бумаги, в частности, обесцвеченного шлама или сточного шлама, и/или других промышленных отходов, и/или из осадка при фильтровании сточной воды от машины для производства бумаги.

В целом, суспензия растительных волокон (суспензия волокон) обычно содержит от 5 г до 500 г компонентов связующей композиции на литр воды, более преимущественно от 10 г до 100 г и еще более преимущественно от 20 г до 50 г.

Переработанные материалы обычно подвергают видам предварительной обработки, которые обеспечивают возможность выделения во время способов переработки фракций, обогащенных переработанными минеральными наполнителями и растительными волокнами, характеризующимися средним размером, обычно составляющим менее 2000 мкм.

Следовательно, в водной суспензии растительные волокна характеризуются средним размером, преимущественно составляющим менее 5000 мкм, более преимущественно менее 2000 мкм, более преимущественно менее 1000 мкм и еще более преимущественно менее 800 мкм.

Любое добавление минеральных наполнителей можно осуществлять до и/или после стадии разделения на фракции. Его также можно осуществлять до и/или после стадии ферментативной обработки. Таким образом, необязательные стадии (разделения на фракции и ферментативной обработки) можно проводить в отсутствие минеральных наполнителей. Только стадию рафинирования проводят обязательно в присутствии растительных волокон и минеральных наполнителей.

b) Необязательное разделение на фракции

Стадию разделения на фракции необязательно проводят перед рафинированием и, если необходимо, перед ферментативной обработкой.

Разделение на фракции суспензии растительных волокон обеспечивает возможность обогащения суспензии короткими растительными волокнами, характеризующимися средним размером, преимущественно составляющим менее 2000 мкм, более преимущественно менее 1000 мкм и еще более преимущественно менее 800 мкм. Если необходимо, т. е. если суспензия волокон содержит минеральные наполнители, разделение на фракции также может обеспечивать обогащение суспензии минеральными наполнителями.

Таким образом, по сравнению с суспензией волокон, не обогащенной при разделении на фракции, суспензия, обогащенная короткими растительными волокнами и/или минеральными наполнителями, обеспечивает способствование покрытию минеральных наполнителей и, следовательно, получение связующей композиции с меньшим количеством энергии.

Разделение на фракции можно осуществлять с применением традиционных методик, в частности, путем просеивания с помощью щелей и/или отверстий и/или гидроциклона и/или установки для уплотнения и промывки.

После разделения на фракции минеральные наполнители необязательно можно добавлять в суспензию растительных волокон. Также можно добавлять растительные волокна, не разделенные на фракции, такие растительные волокна характеризуются средним размером, преимущественно составляющим менее 5000 мкм.

c) Необязательная ферментативная обработка

В соответствии с одним конкретным вариантом осуществления, растительные волокна можно подвергать ферментативной обработке перед стадией рафинирования.

Данную обработку преимущественно проводят после стадии разделения на фракции.

Таким образом, в соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления, способ получения связующей композиции включает следующие стадии:

- разделение на фракции суспензии переработанных или не переработанных волокон, которые также могут содержать переработанные или не переработанные минеральные наполнители,

- необязательно добавление переработанных или не переработанных минеральных наполнителей и/или промышленных отходов в суспензию, полученную в результате разделения на фракции,

- ферментативную обработку данной суспензии,

- необязательно добавление переработанных или не переработанных минеральных наполнителей и/или промышленных отходов в данную суспензию,

- рафинирование данной суспензии растительных волокон и минеральных наполнителей.

Ферментативную обработку можно осуществлять в присутствии минеральных наполнителей или без них. Действительно, минеральные наполнители можно вводить до ферментативной обработки или между ферментативной обработкой и рафинированием.

Ферментативную обработку преимущественно осуществляют в присутствии смеси ферментов и перед рафинированием.

Данные ферменты могут разрушать по меньшей мере один из компонентов растительных волокон, т. е. лигнин, и/или целлюлозу, и/или гемицеллюлозу. В целом, такие ферменты могут сделать растительные волокна хрупкими путем изменения их компонентов.

Специалисту в данной области техники будет известно, как выбрать подходящие ферменты, а также условия обработки в зависимости от них.

Активность фермента можно остановить посредством подвергания суспензии действию пара.

После ферментативной обработки минеральные наполнители необязательно можно добавлять в суспензию растительных волокон. Также можно добавлять растительные волокна, не подвергнутые ферментативной обработке.

d) Рафинирование растительных волокон в присутствии минеральных наполнителей

Как уже было указано, рафинирование растительных волокон осуществляют в присутствии минеральных наполнителей. Это обеспечивает возможность получения удельной площади поверхности растительных волокон и по меньшей мере частичного покрытия минеральных наполнителей растительными волокнами.

Преимущественно рафинирование не изменяет концентрацию суспензии в отношении растительных волокон и минеральных наполнителей. Следовательно, количество каждого из компонентов связующей композиции преимущественно определено непосредственно перед проведением рафинирования.

Рафинирование преимущественно осуществляют после стадии разделения на фракции и/или стадии ферментативной обработки.

Перед рафинированием минеральные наполнители обычно имеют форму комков наполнителей. Кроме того, комки минеральных наполнителей, полученные в результате переработки, обычно характеризуются размером, по самым грубым оценкам, находящимся в диапазоне от 400 мкм до 1000 мкм, что является несовместимым с немедленным применением для получения бумаги без отрицательных последствий

В целом, рафинирование суспензии волокон обеспечивает возможность сжатия и резку растительных волокон. В данном случае рафинирование также обеспечивает возможность уменьшения размера минеральных наполнителей, в частности путем разрушения агрегатов минеральных наполнителей. Одновременное рафинирование волокон и наполнителей также обеспечивает покрытие наполнителей по меньшей мере частично волокнами, или включение в них, в течение способа получения связующей композиции.

Поскольку рафинирование обеспечивает возможность фрагментации минеральных наполнителей (или агрегатов), после рафинирования переработанные минеральные наполнители (или комки) обычно характеризуются увеличением удельной площади поверхности в по меньшей мере 1,5-30 раз относительно их исходной удельной площади поверхности, предпочтительно по меньшей мере в 5 раз и, возможно, примерно в 10 раз. Другими словами, рафинирование увеличивает удельную площадь поверхности переработанных минеральных наполнителей.

Минеральные наполнители, рафинированные и по меньшей мере частично покрытые растительными волокнами, тогда характеризуются средним размером, преимущественно составляющим от приблизительно 1 мкм до 100 мкм, более преимущественно от приблизительно 10 мкм до 50 мкм. Как правило, средний размер может составлять от приблизительно 1 мкм до 10 мкм. Они также могут принимать форму единичных наполнителей и/или скоплений единичных наполнителей.

Размер относится к наибольшей размерности наполнителей или комков после стадии рафинирования, например, к диаметру сферических наполнителей или комков.

Таким образом, данный способ является особенно подходящим для применения продуктов, полученных в результате переработки бумаги или картона, которые раньше рассматривались как нежелательные из-за возможного присутствия минеральных наполнителей и дисперсных целлюлозных частиц.

Как уже упоминалось, после рафинирования рафинированные волокна характеризуются средневзвешенным по длине значением длины, преимущественно составляющим от 10 мкм до 700 мкм, более преимущественно от 10 мкм до 500 мкм, еще более преимущественно приблизительно от 100 мкм до 400 мкм. В соответствии с другим вариантом осуществления, растительные волокна связующей композиции могут характеризоваться средним размером, преимущественно составляющим от 100 мкм до 600 мкм, более преимущественно от приблизительно 100 мкм до 600 мкм. Обычно волокна с размером от 10 мкм до 80 мкм называют мелкими волокнами.

Как известно среднему специалисту в данной области техники, средневзвешенное по длине значение длины предпочтительно получают из следующей формулы, где «n» означает отдельное волокно, и «l» означает длину отдельного волокна: .

Кроме того, после стадии рафинирования связующая композиция характеризуется концентрацией сухих компонентов (растительные волокна + минеральные наполнители), преимущественно составляющей от 5 до 500 г на литр воды, более преимущественно от приблизительно 10 до 100 г на литр воды и еще более преимущественно от 20 г до 50 г на литр воды.

Как уже упоминалось, рафинирование обычно осуществляют между параллельными дисками рафинера, с фиксированным расстоянием между дисками. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения водную суспензию растительных волокон и минеральных наполнителей, подлежащую рафинированию, предпочтительно пропускают между такими дисками один или несколько раз. Рафинирование обычно останавливают после 10-80 проходов через диски рафинера, более предпочтительно 10-60 проходов, еще более предпочтительно после 15-40 проходов.

Способ в соответствии с настоящим изобретением характеризуется общим потреблением энергии, составляющим от 200 до 2000 кВт·ч. на тонну растительных волокон и минеральных наполнителей, более предпочтительно от 300 до 900 кВт·ч. на тонну, еще более предпочтительно от 400 до 700 кВт·ч. на тонну.

В соответствии с настоящим изобретением рафинирование предпочтительно означает прогон водной суспензии растительных волокон и минеральных наполнителей, подлежащей рафинированию, между дисками рафинера, например, между двумя дисками рафинера. Прогон суспензии неограниченное количество раз не является целесообразным, поскольку рафинирование достигает лимита. Кроме того, чрезмерное рафинирование не происходит, поскольку большинство волокон предпочтительно никогда не фибриллируются.

осле стадии рафинирования связующую композицию можно концентрировать, например, можно частично выпаривать воду.

Применение связующей композиции

Настоящее изобретение также относится к применению связующей композиции в способе получения бумаги или картона, а также к способу получения бумаги или картона.

Данная связующая композиция, например, является пригодной в способе получения бумаги и/или картона, и/или получения биоматериалов и/или композиционных материалов. Действительно, это обеспечивает возможность улучшения когезии между растительными волокнами, фиксирования минеральных наполнителей в готовом продукте и участия в улучшении механических свойств.

Если связующую композицию применяют в качестве добавки в традиционном способе получения бумаги или картона, ее преимущественно вводят в разбавленную пасту, например, напорный ящик и/или в напорный ящик многослойного типа. Количество введенной связующей композиции тогда преимущественно составляет от 0,5 до 10% по весу относительно массы суспензии волокон.

Связующую композицию также можно применять по отношению к уже сформированным бумаге или картону. Тогда предусматривается обработка поверхности, при которой связующую композицию преимущественно применяют с помощью распылителей и/или поверхностного применения, например, с помощью пресса для нанесения покрытий или пресса для склеивания.

Данная связующая композиция обеспечивает возможность влияния на механические свойства в отношении внутренней когезии, прочности на разрыв, продавливания, сжатия и т. д., и/или мягкости, и/или уменьшенной проницаемости и/или лучшего удержания наполнителей, без ущерба для процесса осушения во время формирования бумаги или картона.

Учитывая ее свойства, связующую композицию в соответствии с настоящим изобретением можно применять для получения любого типа бумаги или картона. Таким образом, ее можно вводить в конкретный слой многослойного материала (способ образования многослойного материала для неоднородных слоев).

Ее также можно применять для увеличения количества минеральных наполнителей в печатной и писчей бумаге и/или в бумаге для туалетного и бытового применения (бумажные полотенца, салфетки, туалетная бумага, платки и т. д.).

Настоящее изобретение и его преимущества станут более очевидными специалисту в данной области техники из следующих фигур и примеров.

Краткое описание графических материалов

На фиг. 1 показано распределение длины волокон связующей композиции в соответствии с настоящим изобретением по сравнению с композицией, полученной посредством дефибрирования (средневзвешенное по площади значение длины волокон).

На фиг. 2 показаны средние значения длины волокон связующей композиции в соответствии с настоящим изобретением по сравнению с композицией, полученной посредством дефибрирования.

Примеры

Связующую композицию в соответствии с настоящим изобретением (GP) сравнивали с композицией, полученной посредством дефибрирования волокон в присутствии минеральных наполнителей (CE).

1. Получение композиции в соответствии с настоящим изобретением

Растительные волокна обрабатывали следующим образом в присутствии минеральных наполнителей:

- получение бумажной массы (разбиватель Helico): 160 кг растительных волокон + 1300 литров воды при 63°C в течение 15 минут,

- ферментативная обработка в биореакторе:

- 30 минут при 50°C,

- фильтрование (воронка Бюхнера) (% C удержания = 4,96%),

- рафинирование (16 дюймов) в течение 180 минут, при этом общая удельная энергия составляет 600 кВт·ч. на тонну волокон и наполнителей.

В таблице 1 кратко изложены различные виды обработки, которые проводили с целью получения композиций GP0, GP2 и GP3 (одновременное рафинирование мягких пород дерева + CaCO₃).

Таблица 1. Условия получения композиции в соответствии с настоящим изобретением (GP0, GP2, GP3).

GP0, GP2 и GP3 содержат минеральный наполнитель в количестве 2,00, 18,60 и 45,40 вес. % соответственно, по отношению к сухому весу композиций GP. Количество минеральных наполнителей соответствует зольному остатку после обработки композиции при 425°C.

2. Сравнительный пример (CE)

Композицию в соответствии с настоящим изобретением сравнивали с композицией (CE), содержащей волокна и минеральные наполнители, которые дефибрировали одновременно.

Композиция CE содержит волокна мягких пород дерева и минеральные наполнители, представляющие собой CaCO₃. Она характеризуется зольным остатком 53,6 вес. % при 425°C.

3. Свойства композиций GP по сравнению с CE

Распределение по размеру для композиций GP (рафинирование) сравнивали с таковым для композиции CE, полученной в способе дефибрирования.

Данные анализы проводили с помощью оборудования MorFi (Techpap). Учитывались только волокна и наполнители с размером, составляющим по меньшей мере 80 мкм.

В соответствии с фиг. 1 (средневзвешенное по площади значение длины), композиция GP0 характеризуется узким распределением по размеру, центр которого соответствует приблизительно 174 мкм. Менее 15% волокон в GP0 характеризуются размером, составляющим 335 мкм или больше.

Композиция в соответствии со сравнительным примером CE содержит 30% волокон размером 335 мкм или больше.

Следовательно, распределение по размеру для композиции GP определенно является более однородным, чем таковое для композиции CE, что также продемонстрировано различными измерениями длины (см. фиг. 2).

На фиг. 2 показаны действительные средние значения длины волокон связующей композиции в соответствии с настоящим изобретением по сравнению с композицией, полученной в результате дефибрировании. Среднее арифметическое значение длины волокон (L(n)), средневзвешенное по длине значение длины волокон (L(l)) и средневзвешенное по площади значение длины волокон (L(w)) соответственно рассчитывали в соответствии со следующими формулами.

4. Получение бумаги с применением композиций в соответствии с настоящим изобретением и композиции CE

Формировали бумажные листы (90 г/м²) с помощью динамического листоотливного аппарата. Добавляли 5 вес. % (сухой вес) композиции GP или CE (см. строку «добавленная композиция» в таблице 2) в бумажную массу, содержащую растительные волокна (мягкие породы дерева), рафинированную при 25°SR (см. строку «исходная масса» в таблице 2).

Добавляли дополнительные минеральные наполнители, как показано в таблице 2, так, чтобы получить всего 15 вес. % (см. строки «добавленный CaCO₃» и «всего CaCO₃» в таблице 2).

Таблица 2. Композиции на основе бумажной массы – свойства

Листы бумаги, образованные из композиций GP, характеризуются большим удержанием наполнителей, чем из композиции CE (см. строку «удержание зольного остатка»). Рафинированные волокна, в которые включены рафинированные наполнители (композиции GP2 и GP3), также способствуют удержанию добавленных наполнителей.

Содержание наполнителей находится в диапазоне от 5,1 (CE) до 11,9% (GP2). Как показано посредством примеров CE и GP0 (подобный зольный остаток), количество минеральных наполнителей может значительно изменять свойства листа бумаги. Действительно, GP0 обеспечивает улучшение показателя прочности на 8% (65,3 по сравнению с 60,5), улучшение TEA на 22% (поглощение энергии разрыва; 0,263 по сравнению с 0,215) и улучшение стойкости к расслаиванию по Скотту на 27% (прочность склеивания, 490,4 по сравнению с 385,9).

С учетом вышесказанного очевидно, что композиция в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает улучшенные свойства по сравнению с композициями из уровня техники, полученными в результате дефибрирования растительных волокон в присутствии минеральных наполнителей. Она также улучшает удержание наполнителей.

Изобретение относится к связующей композиции, содержащей воду, растительные волокна и минеральные наполнители, при этом весовое соотношение растительных волокон и минеральных наполнителей составляет от 99/1 до 2/98, растительные волокна и минеральные наполнители были рафинированы одновременно, где рафинированные волокна характеризуются средним размером, составляющим от 10 до 700 мкм, и при этом в рафинированные волокна, по меньшей мере частично, включены рафинированные минеральные наполнители. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Связующая композиция, содержащая воду, растительные волокна и минеральные наполнители, при этом

- растительные волокна и минеральные наполнители характеризуются весовым соотношением от 99/1 до 2/98,

- растительные волокна и минеральные наполнители были рафинированы одновременно,

где рафинированные волокна характеризуются средним размером, составляющим от 10 до 700 мкм,

и при этом в рафинированные волокна, по меньшей мере частично, включены рафинированные минеральные наполнители.

2. Связующая композиция по п. 1, отличающаяся тем, что композиция характеризуется весовым соотношением растительные волокна/минеральные наполнители, составляющим от 95/5 до 15/85, преимущественно от 80/20 до 20/80.

3. Связующая композиция по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что композиция состоит из воды, растительных волокон и минеральных наполнителей.

4. Связующая композиция по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что минеральные наполнители выбраны из группы, включающей карбонат кальция, каолин, диоксид титана, тальк и их смеси.

5. Связующая композиция по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что минеральные наполнители и/или растительные волокна получены из линий для переработки бумаги или картона.

6. Связующая композиция по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что процентное содержание волокон со средним размером 335 мкм или больше составляет 10% или меньше от общего количества волокон в связующей композиции, предпочтительно от 1% до 10%, более предпочтительно от 1% до 5%.

7. Применение композиции по любому из пп. 1-6 в способе получения бумаги или картона.

8. Способ получения композиции по любому из пп. 1-6, включающий следующие стадии:

- получение суспензии растительных волокон и минеральных наполнителей в воде, при этом весовое соотношение растительных волокон и минеральных наполнителей составляет от 99/1 до 2/98, преимущественно от 95/5 до 15/85,

- рафинирование данной суспензии.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что растительные волокна подвергают ферментативной обработке перед стадией рафинирования.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что минеральные наполнители вводят перед ферментативной обработкой.

11. Способ по любому из пп. 9, 10, отличающийся тем, что минеральные наполнители вводят между ферментативной обработкой и рафинированием.

12. Способ по любому из пп. 9-11, отличающийся тем, что способ характеризуется общим потреблением энергии, составляющим от 200 до 2000 кВт·ч на тонну растительных волокон и минеральных наполнителей, предпочтительно от 300 до 900 кВт·ч на тонну, более предпочтительно от 400 до 700 кВт·ч на тонну.

13. Способ по любому из пп. 8-12, отличающийся тем, что он включает стадию разделения на фракции перед рафинированием.

14. Способ по любому из пп. 9-13, отличающийся тем, что он включает стадию разделения на фракции с последующей стадией ферментативной обработки перед рафинированием.