ES2249319T3 - Soles basados en silice. - Google Patents
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Abstract
Un sol acuoso basado en sílice que comprende un compuesto orgánico que contiene nitrógeno que tiene hasta 25 átomos de carbono y partículas basadas en sílice con una superficie específica por lo menos de 300 metros cuadrados por gramo de sílice y que tiene un valor S en el intervalo de 10 a 60%.
Description
Soles basados en sílice.
La presente invención se refiere generalmente a
soles basados en sílice que comprenden un compuesto que contiene
nitrógeno, soles que son apropiados para su uso como ayudas de
drenaje y retención en la fabricación de papel. Más
particularmente, la invención se refiere a soles basados en sílice,
a un procedimiento para la producción de soles basados en sílice, y
a un procedimiento para la producción de papel en el que se usan
soles basados en sílice como aditivos.
En la técnica de la fabricación de papel, una
suspensión acuosa que contiene fibras celulósicas, y cargas
opcionales y aditivos, denominada pasta papelera, se alimenta a una
caja de entrada que eyecta la pasta papelera sobre una tela
metálica de formación. El agua se drena de la pasta papelera a
través de la tela metálica de formación de modo que se forma una
banda continua húmeda de papel, y la banda continua de papel se
deseca adicionalmente y se seca en la sección de secado de la
máquina de papel. Las ayudas de drenaje y retención se introducen
convencionalmente en la pasta papelera para facilitar el drenaje y
para incrementar la adsorción de partículas finas sobre las fibras
celulósicas de modo que sean retenidas dentro de las fibras sobre
la tela metálica.
Se usan como ayudas de drenaje y retención
partículas basadas en sílice en combinación con polímeros orgánicos
cargados como polímeros aniónicos y catiónicos basados en
acrilamida y almidones anfóteros. Tales sistemas aditivos se
describen en las patentes de EE.UU. Nos. 4,388.150; 4,961.825;
4,980.025; 5.368.833; 5.603.805; 5.607.552; 5,858.174; y 6.103.064.
Estos sistemas están entre las más eficientes ayudas de drenaje y
retención ahora en uso.
Las partículas basadas en sílice apropiadas para
su uso como ayudas de drenaje y retención se suministran normalmente
en la forma de dispersiones acuosas coloidales, llamadas soles.
Tales soles basados en sílice comercialmente usados usualmente
tienen un contenido en sílice de alrededor de 7-15%
en peso y contienen partículas con una superficie específica por lo
menos de 300 m^{2}/g. Los soles de partículas basadas en sílice
con superficies específicas más altas son usualmente más diluidos
para mejorar la estabilidad en el almacenamiento y evitar la
formación de gel.
Sería ventajoso ser capaces de proporcionar soles
basados en sílice con rendimiento de drenaje y retención
adicionalmente mejorado e incluso mejor estabilidad. También sería
ventajoso ser capaces de proporcionar un procedimiento para
preparar soles basados en sílice que exhibieran propiedades
mejoradas de drenaje, retención y estabilidad. Sería también
ventajoso ser capaces de proporcionar un procedimiento de
fabricación de papel con drenaje y retención mejorados.
Según la presente invención se proporcionan soles
basados en sílice modificados con amina que son apropiados para su
uso como ayudas de drenaje y retención en la fabricación de papel.
La expresión "ayudas de drenaje y retención", tal como se usa
aquí se refiere a uno o más componentes (ayudas, agentes o aditivos)
que, cuando se añaden a una pasta de fabricación de papel, dan
mejor drenaje y/o retención de la que se obtiene cuando no se
añaden los dichos uno o más componentes. Los soles basados en
sílice modificados con amina de la invención dan como resultado
drenaje y/o retención mejorados cuando se usan junto con polímeros
orgánicos cargados. Por lo que la presente invención hace posible
incrementar la velocidad de la máquina de papel y usar una dosis más
baja de aditivos para dar un correspondiente efecto de drenaje y/o
retención, conduciendo por ello a un procedimiento mejorado de
fabricación de papel y beneficios económicos. Los soles basados en
sílice de la invención exhiben adicionalmente muy buena estabilidad
durante periodos extensos de tiempo, notablemente muy alta
estabilidad de la superficie específica y alta estabilidad frente a
la gelificación, y por lo tanto se pueden preparar y transportar
con altas superficies específicas y altas concentraciones de sílice.
Los soles tienen capacidad mejorada para mantener la alta
superficie específica en el almacenamiento a altas concentraciones
de sílice.
La presente invención de este modo se refiere a
soles basados en sílice que comprenden un compuesto que contiene
nitrógeno que tiene hasta 25 átomos de carbono, a la preparación de
tales soles y a su uso, como se define adicionalmente en las
reivindicaciones adjuntas. La invención se refiere también a un
procedimiento para la producción de papel a partir de una suspensión
acuosa que contiene fibras celulósicas, y cargas opcionales, que
comprende añadir a la suspensión un sol basado en sílice que
comprende un compuesto orgánico que contiene nitrógeno y por lo
menos un polímero orgánico cargado, formar y secar la suspensión
sobre una tela metálica, como se define adicionalmente en las
reivindicaciones adjuntas.
Los soles basado en sílice según la invención son
soles acuosos que contienen partículas aniónicas basadas en sílice,
es decir, partículas basadas en SiO_{2} o ácido silícico,
incluyendo sílice coloidal, diferentes tipos de ácido polisilícico,
microgeles de polisilicato, borosilicatos coloidales, sílice
modificada con aluminio o silicatos de aluminio, microgeles de
polialuminosilicato, y sus mezclas. Las partículas son
preferentemente coloidales, es decir, en el intervalo coloidal de
tamaño de partícula, y preferentemente amorfas o esencialmente
amorfas. Las partículas basadas en sílice apropiadamente tienen un
tamaño medio de partícula por debajo de alrededor de 50 nm,
preferentemente por debajo de 20 nm y más preferentemente en el
intervalo de alrededor de 1 a alrededor de 10 nm. Como es
convencional en la química de la sílice, el tamaño de partícula se
refiere al tamaño medio de las partículas primarias, que pueden
estar agregadas o sin agregar.
Los soles basados en sílice según la invención
contienen un compuesto orgánico que contiene nitrógeno que tiene
hasta 25 átomos de carbono, por ejemplo una amina que se puede
seleccionar de aminas primarias, aminas secundarias, aminas
terciarias y aminas cuaternarias, las últimas denominadas también
compuestos de amonio cuaternario. Las aminas pueden ser aromáticas,
es decir, que contienen uno o más grupos aromáticos, o alifáticas;
siendo preferidas usualmente las aminas alifáticas. El compuesto
que contiene nitrógeno es preferentemente soluble en agua o
dispersable en agua. La amina puede ser sin cargar o catiónica. Los
ejemplos de aminas catiónicas incluyen sales de adición de ácido de
aminas primarias, secundarias y terciarias y, preferentemente
compuestos de amonio cuaternario, así como sus hidróxidos. El
compuesto orgánico que contiene nitrógeno usualmente tiene un peso
molecular por debajo de 500 y preferentemente por debajo de 300. Se
usa un compuesto orgánico que contiene nitrógeno de bajo peso
molecular, que tiene hasta 25 átomos de carbono, apropiadamente
hasta 20 átomos de carbono, preferentemente de 2 a 12 átomos de
carbono y lo más preferentemente de 2 a 8 átomos de carbono. En una
realización preferida, el compuesto orgánico que contiene nitrógeno
tiene uno o más substituyentes que contienen oxígeno, por ejemplo,
con oxígeno en la forma de grupos hidroxilo y/o grupos alquiloxi.
Los ejemplos de substituyentes preferidos de este tipo incluyen
grupos hidroxialquilo, por ejemplo, grupos etanol, y grupos metoxi
y etoxi. Los compuestos orgánicos que contienen nitrógeno pueden
incluir uno o más átomos de nitrógeno, preferentemente uno o dos.
Las aminas preferidas incluyen las que tienen un valor de pKa por
lo menos de 6, apropiadamente por lo menos 7 y preferentemente por
lo menos 7,5.
Los ejemplos de aminas primarias apropiadas, es
decir, aminas que tienen un substituyente orgánico, incluyen
alquilaminas, por ejemplo, propilamina, butilamina,
ciclohexilamina, alcanolaminas, por ejemplo, etanolamina, y
alcoxialquilaminas, por ejemplo, 2-metoxietilamina.
Los ejemplos de aminas secundarias apropiadas, es decir, aminas que
tienen dos substituyentes orgánicos, incluyen dialquilaminas, por
ejemplo, dietilamina, dipropilamina y
di-isopropilamina, dialcanolaminas, por ejemplo,
dietanolamina, y pirrolidina. Los ejemplos de aminas terciarias
apropiadas, es decir, aminas que tienen tres substituyentes,
incluyen trialquilaminas, por ejemplo, trietilamina,
trialcanolaminas, por ejemplo, trietanolamina,
N,N-dialquilalcanolaminas, por ejemplo,
N,N-dimetiletanolamina. Los ejemplos de aminas
cuaternarias apropiadas o compuestos de amonio cuaternario, es
decir, aminas que tienen cuatro substituyentes, incluyen
tetraalcanolaminas, por ejemplo, hidróxido de tetraetanolamonio y
cloruro de tetraetanolamonio, aminas cuaternarias o compuestos de
amonio cuaternario con substituyentes tanto alcanol como alquilo
tales como N-alquiltrialcanolaminas, por ejemplo,
hidróxido de metiltrietanolamonio y cloruro de
metiltrietanolamonio, N,N-dialquildialcanolaminas,
por ejemplo, hidróxido de dimetildietanolamonio y cloruro de
dimetildietanolamonio, N,N,N-trialquilalcanolaminas,
por ejemplo, hidróxido de colina y cloruro de colina,
N,N,N-trialquilbencilaminas, por ejemplo, hidróxido
de dimetilcocobencilamonio y cloruro de dimetilcocobencilamonio,
sales de tetraalquilamonio, por ejemplo, hidróxido de
tetrametilamonio, cloruro de tetrametilamonio, hidróxido de
tetraetilamonio, cloruro de tetraetilamonio, hidróxido de
tetrapropilamonio, cloruro de tetrapropilamonio, hidróxido de
dietildimetilamonio, cloruro de dietildimetilamonio, hidróxido de
trietilmetilamonio y cloruro de trietilmetilamonio. Los ejemplos de
diaminas apropiadas incluyen aminoalquilalcanolaminas, por ejemplo,
aminoetiletanolamina, piperazina y piperazinas substituidas en el
nitrógeno que tienen uno o dos grupos alquilo inferior de 1 a 4
átomos de carbono. Los ejemplos de compuestos orgánicos que
contienen nitrógeno preferidos incluyen trietanolamina,
dietanolamina, dipropilamina, aminoetiletanolamina,
2-metoxietilamina,
N,N-dimetiletanolamina, hidróxido de colina,
cloruro de colina, hidróxido de tetrametilamonio, hidróxido de
tetraetilamonio e hidróxido de tetraetanolamonio.
La relación molar de SiO_{2} a N de los soles
basados en sílice es usualmente de 1:1 a 50:1, apropiadamente de
2:1 a 40:1 y preferentemente de 2,5:1 a 25:1.
La superficie específica de los soles acuosos
basados en sílice modificados con amina de la invención es
apropiadamente por lo menos 90 m^{2}/g de sol acuoso, es decir,
basada en el peso del sol acuoso, preferentemente por lo menos 100
m^{2}/g de sol acuoso, más preferentemente por lo menos 115
m^{2}/g de sol acuoso y lo más preferentemente por lo menos 150
m^{2}/g de sol acuoso. Generalmente, la superficie específica del
sol acuoso obtenido puede ser de hasta alrededor de 300 m^{2}/g
de sol acuoso, apropiadamente hasta alrededor de 250 m^{2}/g de
sol acuoso, preferentemente hasta 240 m^{2}/g de sol acuoso.
La superficie específica de las partículas
basadas en sílice es por lo menos 300 m^{2}/g de SiO_{2}, es
decir, basada en el peso de SiO_{2}, preferentemente por lo menos
400 m^{2}/g de SiO_{2} y lo más preferentemente por lo menos
550 m^{2}/g de SiO_{2}, notablemente por lo menos 700
m^{2}/g. Generalmente, la superficie específica de las partículas
puede ser hasta de alrededor de 1700 m^{2}/g de SiO_{2}. En una
realización preferida de la invención, la superficie específica de
las partículas basadas en sílice es hasta de alrededor de 1000
m^{2}/g de SiO_{2}, apropiadamente de alrededor de 550 a 950
m^{2}/g de SiO_{2}. En otra realización preferida de la
invención, la superficie específica de las partículas basadas en
sílice es de alrededor de 1000 a 1700 m^{2}/g de SiO_{2},
apropiadamente de 1050 a 1500 m^{2}/g de SiO_{2}.
La superficie específica se puede medir por medio
de valoración con NaOH de manera conocida, por ejemplo, como se
describe por Sears en Analytical Chemistry 28 (1956):12,
1981-1983 y en la patente de EE.UU. No. 5.176.891,
después de la retirada apropiada o el ajuste del compuesto orgánico
que contiene nitrógeno y cualquier otro compuesto presente en la
muestra que pueda perturbar la valoración, como las especies de
aluminio y boro. Cuando se expresa en metros cuadrados por gramo de
sol acuoso, la superficie específica representa la superficie
específica que está disponible por gramo de sol acuoso basado en
sílice. Cuando se expresa en metros cuadrados por gramo de sílice,
la superficie específica representa la superficie específica media
de las partículas basadas en sílice presentes en el sol.
Los soles basados en sílice tienen un valor S
dentro del intervalo de 10 a 60%, apropiadamente de 15 a 50%,
preferentemente de 15 a 40 y lo más preferentemente de 20 a 35%. El
valor S se puede medir y calcular como se describe por Iler &
Dalton en J. Phys. Chem. 60(1956), 955-957.
El valor S, que está afectado por la concentración de sílice,
densidad y viscosidad del sol basado en sílice, se puede ver como
una indicación del grado de agregación entre partículas o atracción
entre partículas y un valor S más bajo indica un grado más alto de
agregación.
Los soles basados en sílice deben tener
apropiadamente un contenido de sílice por lo menos de 3% en peso
pero es más apropiado que el contenido en sílice esté dentro del
intervalo de 10 a 60% en peso y preferentemente de 12 a 40% en peso.
Para reducir las instalaciones de almacenamiento y para simplificar
el transporte y reducir los costes de transporte, es generalmente
preferible transportar soles basados en sílice de alta
concentración pero es posible, por supuesto, y usualmente
preferible diluir los soles hasta contenidos sustancialmente más
bajos de sílice previamente a su uso, por ejemplo, a contenidos de
sílice dentro del intervalo de 0,05 a 5% en peso, para mejorar la
mezcla con los componentes del cargamento.
La viscosidad de los soles basados en sílice
puede variar dependiendo de, por ejemplo, el contenido de sílice del
sol, la superficie específica de las partículas basadas en sílice y
del compuesto orgánico que contiene nitrógeno usado. Usualmente, la
viscosidad es por lo menos 1,5 cP, normalmente dentro del intervalo
de 2 a 100 cP, apropiadamente de 2 a 70 cP y preferentemente de 2,5
a 40 cP. La viscosidad, que se mide apropiadamente en soles que
tienen un contenido de sílice por lo menos de 10% en peso, se puede
medir por medio de una técnica conocida, por ejemplo, usando un
viscosímetro Brookfield LVDV II+. El pH de los soles basados en
sílice según la invención es usualmente de 7 a 14, apropiadamente de
8 a 13 y preferentemente de 9 a 12.
Los soles basados en sílice de esta invención son
preferentemente estables. La expresión "sol estable basado en
sílice", tal como se usa aquí, se refiere a soles basado en
sílice que cuando se someten a almacenamiento o envejecimiento
durante un mes a 20ºC en condiciones de oscuridad y sin agitar
exhiben un incremento de viscosidad por lo menos de 100 cP.
Apropiadamente el incremento de viscosidad, si lo hay, es menor de
50 cP y preferentemente menor de 30 cP cuando los soles se someten
a las condiciones anteriores.
Además del compuesto que contiene nitrógeno, los
soles basado en sílice según la invención pueden contener también
otros elementos, por ejemplo, aluminio o boro. Tales elementos
pueden estar presentes como resultado de la modificación que usa
compuestos que contienen aluminio y compuestos que contienen boro,
respectivamente. Si se usa aluminio, los soles pueden tener una
relación molar de SiO_{2} a Al_{2}O_{3} dentro del intervalo
de 4:1 a 1500:1, apropiadamente de 8:1 a 1000:1 y preferentemente
de 15:1 a 500:1. Si se usa boro, los soles pueden tener una relación
molar de SiO_{2} a B dentro del intervalo de 4:1 a 1500:1,
apropiadamente de 8:1 a 1000:1 y preferentemente de 15:1 a
500:1.
Los soles acuosos basados en sílice según la
invención se pueden producir incorporando un compuesto que contiene
nitrógeno que tiene hasta 25 átomos de carbono, por ejemplo,
cualquiera de los descritos anteriormente y que tienen las
características anteriores, en un sol basado en sílice, seguido
opcionalmente de la concentración del sol basado en sílice. El sol
basado en sílice que se va a usar contiene apropiadamente
partículas aniónicas basadas en sílice. Preferentemente, las
partículas son coloidales y amorfas o esencialmente amorfas. La
superficie específica de las partículas basadas en sílice es por lo
menos 300 m^{2}/g de SiO_{2}, es decir, basada en el peso de
SiO_{2}, preferentemente por lo menos 400 m^{2}/g de SiO_{2}
y lo más preferentemente por lo menos 550 m^{2}/g de SiO_{2},
notablemente por lo menos 700 m^{2}/g. Generalmente, la
superficie específica de las partículas puede ser hasta de
alrededor de 1700 m^{2}/g de SiO_{2}. En una realización
preferida de la invención, la superficie específica de las
partículas basadas en sílice es hasta de alrededor de 1000
m^{2}/g de SiO_{2}, apropiadamente de alrededor de 550 a 950
m^{2}/g de SiO_{2}. En otra realización preferida de la
invención, la superficie específica de las partículas basadas en
sílice es de alrededor de 1000 a 1700 m^{2}/g, apropiadamente de
1050 a 1500 m^{2}/g de SiO_{2}. El sol basado en sílice que se
va a usar en el procedimiento tiene un valor S dentro del intervalo
de 10 a 60%, apropiadamente de 15 a 50%, preferentemente de 15 a
40% y los más preferentemente de 20 a 35%.
El sol acuoso basado en sílice que se va a usar
en el procedimiento según la invención usualmente tiene un pH dentro
del intervalo de 1 a 11. En un aspecto preferido de esta invención,
el pH del sol acuoso basado en sílice que se va a usar está dentro
del intervalo de 1 a 4, usualmente un sol ácido basado en sílice o
ácido polisilícico . En otro aspecto preferido de esta invención, el
pH del sol acuoso basado en sílice que se va a usar está dentro del
intervalo de 4 a 11, apropiadamente de 7 y lo más preferentemente
de 8 hasta 11,0, preferentemente hasta 10,5.
Se pueden preparar soles ácidos basados en sílice
partiendo de una disolución acuosa convencional de silicato como
vidrio soluble alcalino, por ejemplo, vidrio soluble de sodio o
potasio, preferentemente vidrio soluble de sodio. La relación molar
de SiO_{2} a M_{2}O, en la que M es metal alcalino, por
ejemplo, sodio, potasio, amonio, o una de sus mezclas, en la
disolución de silicato o vidrio soluble está apropiadamente dentro
del intervalo de 1,5:1 a 4,5:1, preferentemente de 2,5:1 a 3,9:1, y
el pH está usualmente alrededor de 13 o por encima de 13.
Apropiadamente se usa una disolución diluida de silicato o vidrio
soluble que puede tener un contenido de SiO_{2} de alrededor de 3
a alrededor de 12% en peso, preferentemente de alrededor de 5 a
alrededor de 10% en peso. La disolución de silicato o vidrio
soluble se acidifica normalmente hasta un pH de alrededor de 1 a
alrededor de 4. La acidificación se puede llevar a cabo de una
manera conocida por adición de ácidos minerales, por ejemplo, ácido
sulfúrico, ácido clorhídrico y ácido fosfórico, u opcionalmente con
otros compuestos químicos que se sabe que son apropiados para la
acidificación de vidrio soluble, por ejemplo, sulfato de amonio y
dióxido de carbono. Sin embargo, se prefiere que la acidificación
se lleve a cabo por medio de un intercambiador catiónico ácido que,
entre otras cosas, conduce a productos más estables. La
acidificación se lleva a cabo preferentemente por medio de una
resina de intercambio catiónico fuertemente ácida, por ejemplo, del
tipo de ácido sulfónico. Se prefiere que la acidificación se lleve
a cabo a un pH de alrededor de 2 a 4, lo más preferentemente de
alrededor de 2,2 a 3,0. El sol ácido obtenido, o ácido
polisilícico, contiene partículas con una alta superficie
específica, normalmente por encima de 1000 m^{2}/g de SiO_{2} y
usualmente de alrededor de 1300 a 1500 m^{2}/g de SiO_{2}. Los
soles ácidos basados en sílice se pueden preparar también por
acidificación de un sol alcalino basado en sílice, por ejemplo, por
medios de acidificación como se describe anteriormente.
El compuesto orgánico que contiene nitrógeno se
incorpora a continuación al sol ácido, opcionalmente en combinación
con álcali, por ejemplo, hidróxido de litio, hidróxido de sodio,
hidróxido de potasio e hidróxido de amonio, o una disolución acuosa
de silicato como se define anteriormente. El compuesto orgánico que
contiene nitrógeno y el álcali se pueden añadir simultáneamente,
separadamente o en una mezcla, o secuencialmente, por ejemplo,
adición de compuesto que contiene nitrógeno seguida de la adición
de álcali. La cantidad de compuesto orgánico que contiene nitrógeno
es usualmente tal que se obtiene la anteriormente mencionada
relación molar de SiO_{2} a nitrógeno (N). El pH del sol basado en
sílice modificado con compuesto orgánico que contiene nitrógeno es
usualmente de 7 a 13, apropiadamente de 8 a 12,5 y preferentemente
de 9 a 12.
En una realización preferida de la invención, el
sol basado en sílice obtenido después de la incorporación del
compuesto orgánico que contiene nitrógeno se concentra
adicionalmente. La concentración se puede llevar a cabo de manera
conocida tal como, por ejemplo, por método osmóticos, evaporación y
ultrafiltración. La concentración se lleva a cabo apropiadamente
para producir contenidos de sílice por lo menos de 10% en peso,
preferentemente de 10 a 60% en peso, y más preferentemente de 12 a
40% en peso. La concentración se lleva a cabo adicionalmente
usualmente de modo que el sol basado en sílice obtenido en el
procedimiento tenga una superficie específica por lo menos de 90
m^{2}/g de sol acuoso, es decir, basada en el peso de sol acuoso,
apropiadamente por lo menos de 100 m^{2}/g de sol acuoso,
preferentemente por lo menos 115 m^{2}/g de sol acuoso y lo más
preferentemente por lo menos 150 m^{2}/g de sol acuoso.
Generalmente, la superficie específica del sol acuoso obtenido puede
ser hasta de alrededor de 300 m^{2}/g de sol acuoso,
apropiadamente hasta 250 m^{2}/g de sol acuoso, preferentemente
hasta 240 m^{2}/g de sol acuoso.
Según el presente procedimiento, se pueden
preparar soles basados en sílice, soles basados en sílice
notablemente estables, que tienen las características anteriores y
los soles producidos exhiben buena estabilidad de almacenamiento y
se pueden almacenar durante varios meses sin ninguna disminución
sustancial de la superficie específica y sin gelificación.
Los soles basados en sílice modificados con
compuesto orgánico que contiene nitrógeno de esta invención son
apropiados para su uso como ayudas de drenaje y retención en la
fabricación de papel. Los soles basados en sílice se pueden usar en
combinación con polímeros orgánicos que se pueden seleccionar de
polímeros aniónicos, anfóteros, no iónicos y catiónicos y sus
mezclas, denominados aquí también "polímero principal". El uso
de tales polímeros como ayudas de drenaje y retención es bien
conocido en la técnica. Los polímeros se pueden derivar de fuentes
naturales o sintéticas, y pueden ser lineales, ramificados o
reticulados. Los ejemplos de polímeros principales generalmente
apropiados incluyen almidones aniónicos, anfóteros y catiónicos,
gomas guar aniónicas, anfóteras y catiónicas, y polímeros
aniónicos, anfóteros y catiónicos basados en acrilamida, así como
poli(cloruro de dialilmetilamonio) catiónico,
polietileniminas catiónicas, poliaminas catiónicas, poliamidoaminas
y polímeros basados en vinilamida, resinas de
melamina-formaldehído y
urea-formaldehído. Apropiadamente, los soles
basados en sílice se usan en combinación por lo menos con un
polímero catiónico o anfótero, preferentemente un polímero
catiónico. El almidón catiónico y la poliacrilamida catiónica son
polímeros particularmente preferidos y se pueden usar
individualmente, juntos entre sí o conjuntamente con otros
polímeros, por ejemplo, otros polímeros catiónicos o poliacrilamida
aniónica. El peso molecular del polímero principal está
apropiadamente por encima de 1.000.000 y preferentemente por encima
de 2.000.000. El límite superior no es crítico; puede estar
alrededor de 50.000.000, usualmente 30.000.000 y apropiadamente
alrededor de 25.000.000. Sin embargo, el peso molecular de los
polímeros derivados de fuentes naturales puede ser más alto.
Cuando se usan los soles basados en sílice en
combinación con polímero(s) principal(es) como se
menciona anteriormente, se prefiere adicionalmente usar por lo
menos un polímero orgánico catiónico de bajo peso molecular (de aquí
en adelante LMW), comúnmente usado y denominado recogedor de
impureza aniónica (ATC). Los ATCs se conocen en la técnica como
agentes de neutralización y/o fijación para las substancias
aniónicas perjudiciales presentes en la pasta papelera y su uso en
combinación con las ayudas de drenaje y retención a menudo
proporciona mejoras adicionales de drenaje y/retención. El polímero
orgánico catiónico de LMW se puede derivar de fuentes naturales o
sintéticas, y preferentemente es un polímero sintético de LMW. Los
polímeros orgánicos apropiados de este tipo incluyen polímeros
orgánicos catiónicos altamente cargados de LMW tales como
poliaminas, poliamidaaminas, polietileniminas, homo- y
co-polímeros basados en cloruro de
dialildimetilamonio, (met)acrilamidas y
(met)acrilatos. En relación al peso molecular del polímero
principal, el peso molecular del polímero orgánico catiónico de LMW
es preferentemente más bajo, es usualmente por lo menos 1000 y
preferentemente por lo menos 10.000. El límite superior del peso
molecular está alrededor de 700.000 y preferentemente por lo menos
alrededor de 500.000 y usualmente alrededor de 200.000. Las
combinaciones preferidas de polímeros que se pueden usar con los
soles basados en sílice de esta invención incluyen polímero orgánico
catiónico de LMW en combinación con polímero(s)
principal(es), tal como, por ejemplo, almidón catiónico y/o
poliacrilamida catiónica, poliacrilamida aniónica así como almidón
catiónico y/o poliacrilamida catiónica en combinación con
poliacrilamida aniónica.
Los componentes de las ayudas de drenaje y
retención según la invención se pueden añadir a la pasta papelera
de manera convencional y en cualquier orden. Cuando se usan ayudas
de drenaje y retención que comprenden un sol basado en sílice y un
polímero orgánico, por ejemplo, un polímero principal, se prefiere
añadir el polímero a la pasta papelera antes de añadir el sol basado
en sílice, incluso si se puede usar el orden de adicción opuesto.
Se prefiere adicionalmente añadir el polímero principal antes de la
etapa de cizalladura, que se puede seleccionar de bombeo, mezcla,
limpieza, etc., y añadir el sol basado en sílice después de la etapa
de cizalladura. Los polímeros orgánicos catiónicos de LMW, cuando
se usan, se introducen preferentemente en la pasta papelera
previamente a la introducción del polímero principal.
Alternativamente, el polímero orgánico catiónico de LMW y el
polímero principal se pueden introducir en la pasta papelera
esencialmente simultáneamente, separadamente o en una mezcla, por
ejemplo, tal como se describe en la patente de EE.UU. No.
5.858.174. El polímero orgánico catiónico de LMW y el polímero
principal se introducen preferentemente en la pasta papelera
previamente a la introducción del sol basado en sílice.
En una realización preferida de esta invención,
los soles basados en sílice se usan como ayudas de drenaje y
retención en combinación por lo menos con un polímero orgánico,
como se describe anteriormente, y por lo menos un compuesto de
aluminio. Los compuestos de aluminio se pueden usar para mejorar
adicionalmente el rendimiento de drenaje y/o retención de los
aditivos de la pasta papelera que comprenden soles basados en
sílice. Las sales de aluminio apropiadas incluyen alúmina,
aluminatos, cloruro de aluminio, nitrato de aluminio y
poli(compuestos de aluminio), tales como poli(cloruros
de aluminio), poli(sulfatos de aluminio),
poli(compuestos de aluminio) que contienen iones tanto
cloruro como sulfato, poli(silicato-sulfatos
de aluminio), y sus mezclas. Los poli(compuestos de
aluminio) pueden contener también otros aniones, por ejemplo
aniones de ácido fosfórico, ácidos orgánicos tales como ácido
cítrico y ácido oxálico. Las sales de aluminio preferidas incluyen
aluminato de sodio, alúmina y poli(compuestos de aluminio).
El compuesto de aluminio se puede añadir antes o después de la
adición del sol basado en sílice. Alternativa, o adicionalmente, el
compuesto de aluminio se puede añadir simultáneamente con el sol
basado en sílice esencialmente en el mismo punto, separadamente o
mezclado con él, por ejemplo, como se describe en la patente de
EE.UU. No. 5.846.384. En muchos casos, es a menudo apropiado añadir
un compuesto de aluminio a la pasta papelera al principio del
procedimiento, por ejemplo, previamente a los otros aditivos.
Los componentes de las ayudas de drenaje y
retención según la invención se añaden a la pasta papelera que se
va a desecar en cantidades que pueden variar en amplios límites
dependiendo de, entre otros, el tipo y número de componentes, tipo
de cargamento, contenido de carga, tipo de carga, punto de adición,
etc. Generalmente, los componentes se añaden en una cantidad que da
mejor drenaje y/o retención que el que se obtiene cuando no se
añaden los componentes. El sol basado en sílice se añade usualmente
en una cantidad por lo menos de 0,001% en peso, a menudo por lo
menos de 0,005% en peso, calculada como SiO_{2} y basada en la
substancia de la pasta papelera seca, es decir, fibras celulósicas y
cargas opcionales, y el límite superior es usualmente 1,0% y
apropiadamente 0,5% en peso. El polímero principal se añade
usualmente en una cantidad por lo menos de 0,001%, a menudo por lo
menos 0,005% en peso, basada en la substancia de la pasta papelera
seca, y el límite superior es usualmente 3% y apropiadamente 1,5%
en peso. Cuando se usa un polímero orgánico catiónico de LMW en el
procedimiento, se puede añadir en una cantidad por lo menos de
0,05%, basada en la substancia seca de la pasta papelera que se va
a desecar. Apropiadamente, la cantidad está en el intervalo de 0,07
a 0,5%, preferentemente en el intervalo de 0,1 a 0,35%. Cuando se
usa un compuesto de aluminio en el procedimiento, la cantidad total
introducida en la pasta papelera que se va a desecar depende del
tipo de compuesto de aluminio usado y de otros efectos deseados de
él. Es, por ejemplo, bien conocido en la técnica utilizar compuestos
de aluminio como precipitantes para agentes de apresto basados en
colofonia. La cantidad total añadida es usualmente por lo menos
0,05%, calculada como Al_{2}O_{3} y basada en la substancia de
la pasta papelera
seca. Apropiadamente, la cantidad está en el intervalo de 0,1 a 3,0%, preferentemente en el intervalo de 0,5 a 2,0%.
seca. Apropiadamente, la cantidad está en el intervalo de 0,1 a 3,0%, preferentemente en el intervalo de 0,5 a 2,0%.
En una realización preferida de la invención, el
procedimiento se usa en la fabricación de papel a partir de una
suspensión que contiene fibras celulósicas y cargas opcionales, que
tiene una alta conductividad. Usualmente, la conductividad de la
pasta papelera que se deseca sobre la tela metálica es por lo menos
0,75 mS/cm, apropiadamente por lo menos 2,0 mS/cm, preferentemente
por lo menos 3,5 mS/cm. Se han observado muy buenos resultados de
drenaje y retención a niveles de conductividad por lo menos de 5,0
mS/cm. La conductividad se puede medir con equipo estándar tal
como, por ejemplo, un instrumento WTW LF 539 de Christian Berner.
Los valores a los que nos referimos anteriormente se determinan
apropiadamente midiendo la conductividad de la suspensión celulósica
que se alimenta o presenta a la caja de entrada de la máquina de
papel o, alternativamente, midiendo la conductividad del agua
obtenida de la desecación de la suspensión. Altos niveles de
conductividad quieren decir altos contenidos de sales
(electrólitos) que pueden derivar de las fibras celulósicas y cargas
usadas para formar la pasta papelera, en particular en fábricas de
papel integradas en las que una suspensión acuosa de fibra
concentrada del molino de pasta normalmente se mezcla con agua para
formar una suspensión diluida apropiada para la fabricación de
papel en la fábrica de papel. La sal puede derivar también de
varios aditivos introducidos en la pasta papelera, del agua de nueva
aportación suministrada al procedimiento, o se puede añadir
deliberadamente, etc. Adicionalmente, el contenido de sales es
usualmente más alto en los procedimientos en los que se recircula
extensivamente agua blanca, lo que puede conducir a considerable
acumulación de sales en el agua circulante en el procedimiento.
La presente invención incluye adicionalmente
procedimientos para la fabricación de papel en los que se recircula
(recicla) extensivamente agua blanca, es decir, con un alto grado
de recirculación de agua blanca, por ejemplo, en los que se usan de
0 a 30 toneladas de agua de nueva aportación por tonelada de papel
seco producido, usualmente menos de 20, apropiadamente menos de 15,
preferentemente menos de 10 y notablemente menos de 5 toneladas de
agua de nueva aportación por tonelada de papel. La recirculación
del agua blanca obtenida en el procedimiento apropiadamente
comprende mezclar el agua blanca con fibras celulósicas y/o cargas
adicionales para formar una suspensión que se va a desecar;
preferentemente comprende mezclar el agua blanca con una suspensión
que contiene fibras celulósicas, y cargas opcionales, antes de que
la suspensión entre en la tela metálica de formación para el
desecado. El agua blanca se puede mezclar con la suspensión antes,
en medio, simultáneamente o después de introducir las ayudas de
drenaje y retención. Se puede introducir agua de nueva aportación en
el procedimiento en cualquier etapa; por ejemplo, se puede mezclar
con fibras celulósicas para formar una suspensión, y se puede
mezclar con una suspensión que contiene fibras celulósicas para
diluirla para formar la suspensión que se va a desecar, antes o
después de mezclar la pasta papelera con agua blanca y antes, en
medio, simultáneamente o después de introducir los componentes de
las ayudas de drenaje y retención.
Aditivos adicionales que son convencionales en la
fabricación de papel se pueden usar, por supuesto, en combinación
con los aditivos según la invención, tales como, por ejemplo,
agentes de resistencia en seco, agentes de resistencia en húmedo,
agentes de blanqueado óptico, colorantes, agentes de apresto como
agentes de apresto basados en colofonia y agentes de apresto
reactivos con la celulosa, por ejemplo, dímeros de alquil- y
alquenil-ceteno y multímeros de ceteno, anhídridos
alquil- y alquenil-succínicos, etc. La suspensión
celulósica, o pasta papelera, puede contener también cargas
minerales de tipos convencionales tales como, por ejemplo, caolín,
porcelana, dióxido de titanio, yeso, talco y carbonatos de calcio
naturales y sintéticos tales como tiza, mármol molido y carbonato
de calcio precipitado.
El procedimiento de esta invención se usa para la
producción de papel. El término "papel", tal como se usa aquí,
por supuesto, incluye no solo papel y su producción, sino también
otros productos de banda continua o lámina que contienen fibra
celulósica, tales como por ejemplo cartón y papel cartón, y su
producción. El procedimiento se puede usar en la producción de papel
a partir de diferentes tipos de suspensiones de fibras que
contienen celulosa y las suspensiones deben contener apropiadamente
por lo menos 25% en peso y preferentemente por lo menos 50% en peso
de tales fibras, basado en la substancia seca. La suspensión se
puede basar en fibras de pasta química tales como pastas al
sulfato, sulfito y organosolv, pasta mecánica tal como pasta
termomecánica, pasta quimiotermomecánica, pasta de refinador y pasta
de madera desfibrada, tanto de madera dura como blanda, y puede
estar basada también en fibras recicladas, opcionalmente de pastas
destintadas, y sus mezclas. El pH de la suspensión, la pasta
papelera, puede estar dentro del intervalo de alrededor de 3 a
alrededor de 10. El pH está apropiadamente por encima de 3,5 y
preferentemente dentro del intervalo de 4 a 9.
La invención se ilustra adicionalmente en los
siguientes Ejemplos que, sin embargo, no se pretende que limiten la
misma. Las partes y % se refieren a partes en peso y % en peso,
respectivamente, y todas las disoluciones son acuosas, a menos que
se diga la contrario.
Un sol de sílice estabilizado con hidróxido de
sodio que contiene partículas de sílice con una superficie
específica de alrededor de 800 m^{2}/g de SiO_{2} se desionizó
con una resina de intercambio iónico catiónica saturada con iones
hidrógeno. El sol de sílice ácido resultante tenía un pH de 2,6,
contenido de SiO_{2} de 9,15% en peso y contenía partículas de
sílice con una superficie específica de 820 m^{2}/g de SiO_{2}
y un valor S de alrededor de 27%.
A 5000 g de este sol de sílice ácido se añadieron
239 g de una disolución al 34% de hidróxido de colina con agitación
durante alrededor de 20 segundos, dando como resultado un sol
acuoso de sílice estabilizado con amina con una relación molar de
SiO_{2} a N de 11:1. Para reducir el olor del hidróxido de colina,
se añadieron 5,0 g de limoneno. El sol basado en sílice final tenía
un pH de 10,8, contenido de 8,73% en peso, valor S de 20% y
contenía partículas que contienen sílice con una superficie
específica de 820 m^{2}/g de SiO_{2}.
Vidrio soluble de sodio con una relación molar de
SiO_{2} a Na_{2}O de 3,4 se diluyó hasta alrededor del 6% en
peso de SiO_{2} y se trató con una resina de intercambio iónico
catiónica saturada con iones hidrógeno. El sol de sílice ácido
obtenido, o ácido polisilícico, tenía un pH de 2,4, contenido de
SiO_{2} de 5,7% en peso y contenía partículas de sílice con una
superficie específica de 1350 m^{2}/g de SiO_{2} y un valor S
de alrededor de 32%.
A 2000 g de este ácido polisilícico se añadieron
120 g de una disolución al 34% de hidróxido de colina con agitación
durante 2 segundos, dando como resultado un sol acuoso basado en
sílice estabilizado con amina que tenía un pH de 10,4, contenido de
SiO_{2} de 5,4% en peso, relación molar de SiO_{2} a N de
5,5:1, valor S de 28% y contenía partículas de sílice con una
superficie específica de 1330 m^{2}/g de SiO_{2}.
Un sol de sílice estabilizado con hidróxido de
sodio se desionizó de la misma manera que en el Ejemplo 1 dando
como resultado un sol de sílice ácido que tenía un pH de 2,4,
contenido de SiO_{2} de 9,15% y contenía partículas de sílice con
una superficie específica de 850 m^{2}/g de SiO_{2}.
A 2000 g de este sol de sílice ácido se añadieron
90 g de una disolución al 25% de hidróxido de tetrametilamonio con
agitación durante 2 segundos, El sol basado en sílice obtenido
tenía un pH de 10,4, contenido de SiO_{2} de 8,75% en peso,
relación molar de SiO_{2} a N de 12:1, valor S de 19,5% y contenía
partículas de sílice con una superficie específica de 850 m^{2}/g
de SiO_{2}.
Una disolución diluida de vidrio soluble de sodio
se intercambió iónicamente de la misma manera que en el Ejemplo 2.
El ácido polisilícico resultante tenía un pH de 2,4, contenido de
SiO_{2} de 5,8% en peso y contenía partículas de sílice con una
superficie específica de 1365 m^{2}/g de SiO_{2}.
A 1000 g de este ácido polisilícico se añadieron
552 g de una disolución al 25% de hidróxido de tetrametilamonio con
agitación durante 20 segundos. El sol de sílice alcalino
estabilizado con amina resultante, que tenía un contenido de
SiO_{2} de 5,4% y una relación molar de SiO_{2} a N de 6,7:1, se
concentró por ultrafiltración hasta un sol basado en sílice estable
que tenía un pH de 10,5, contenido de SiO_{2} de 13,4% en peso,
valor S de 27% y contenía partículas de sílice con una superficie
específica de 1140 m^{2}/g de SiO_{2}
Un sol de sílice estabilizado con hidróxido de
sodio se desionizó de la misma manera que en el Ejemplo 1 dando
como resultado un sol de sílice ácido que tenía un pH de 2,5,
contenido de SiO_{2} de 8,7% en peso y contenía partículas de
sílice con una superficie específica de 860 m_{2}/g de
SiO_{2}.
A 1750 g de este sol de sílice ácido se añadieron
70 g de una disolución al 35% de hidróxido de tetraetilamonio con
agitación durante 1 segundo. El sol basado en sílice alcalino
estabilizado con amina obtenido tenía un pH de 10,8, contenido de
SiO_{2} de 8,4% en peso, relación molar de SiO_{2} a N de 15:1,
valor S de 21% y contenía partículas de sílice con una superficie
específica de 930 m^{2}/g de SiO_{2}.
Un sol de sílice estabilizado con hidróxido de
sodio se desionizó de la misma manera que en el Ejemplo 1 dando
como resultado un sol de sílice ácido con un pH de 2,4, contenido
de SiO_{2} de 8,9% en peso y partículas de sílice con una
superficie específica de 820 m_{2}/g de SiO_{2}.
A 2000 g de este sol de sílice ácido se añadieron
214 g de una disolución al 20% de hidróxido de tetrapropilamonio
con agitación durante 15 segundos. El sol acuoso basado en sílice
obtenido tenía un pH de 10,7, contenido de SiO_{2} de 8,1% en
peso, relación molar de SiO_{2} a N de 14:1, valor S de 24% y
contenía partículas de sílice con una superficie específica de 820
m^{2}/g de SiO_{2}.
Un sol de sílice estabilizado con hidróxido de
sodio que contiene partículas de sílice con una superficie
específica de alrededor de 800 m^{2}/g se desionizó de la misma
manera que en el Ejemplo 1 dando como resultado un sol de sílice
ácido con un pH de 2,6, contenido de SiO_{2} de 9,3% en peso y
contenía partículas de sílice con una superficie específica de 795
m^{2}/g de SiO_{2}.
A 2000 g de este sol de sílice ácido se añadieron
192,4 g de trietanolamina con agitación durante 10 segundos. El sol
basado en sílice obtenido tenía un pH de 9,0, contenido de
SiO_{2} de 8,5%, relación molar de SiO_{2} a N de 2,4:1, valor
S del 15% y contenía partículas de sílice con una superficie
específica de 795 m^{2}/g de SiO_{2}.
A 2000 g del sol de sílice ácido según el Ejemplo
7 se añadieron 30,1 g de trietilamina con agitación durante 10
segundos. El sol basado en sílice obtenido tenía un pH de 10,2,
contenido de SiO_{2} de 9,15%, relación molar de SiO_{2} a N de
10,4:1, valor S de 25% y contenía partículas de sílice con una
superficie específica de 800 m^{2}/g.
Un sol de sílice estabilizado con hidróxido de
sodio se desionizó de la misma manera que en el Ejemplo 1 dando
como resultado un sol de sílice ácido que tenía un pH de 2,8,
contenido de SiO_{2} de 9,3% en peso y contenía partículas de
sílice con una superficie específica de 860 m^{2}/g de
SiO_{2}.
A 2000 g de este sol de sílice ácido se añadieron
68,1 g de N,N-dimetiletanolamina con agitación
durante 5 segundos. El sol basado en sílice obtenido tenía un pH de
10,1, contenido de SiO_{2} de 9,0% en peso, relación molar de
SiO_{2} a N de 4:1, valor S del 26% y contenía partículas de
sílice con una superficie específica de 860 m^{2}/g de
SiO_{2}.
SiO_{2}.
Un sol de sílice estabilizado con hidróxido de
sodio con superficie específica alrededor de 800 m^{2}/g se
desionizó de la misma manera que en el Ejemplo 1 dando como
resultado un sol de sílice ácido que tenía un pH de 2,6, contenido
de SiO_{2} de 9,1% en peso y contenía partículas de sílice con
una superficie específica de 880 m^{2}/g de SiO_{2}.
A 2000 g de este sol de sílice ácido se añadieron
103 g de dietanolamina con agitación durante 2 segundos. El sol de
sílice alcalino estabilizado con amina obtenido tenía un pH de
10,1, contenido de SiO_{2} de 8,65% en peso, relación molar de
SiO_{2} a N de 3:1, valor S del 22% y contenía partículas de
sílice con una superficie específica de 875 m^{2}/g de
SiO_{2}
A 2000 g del sol de sílice ácido según el Ejemplo
10 se añadieron 40,4 g de dietilamina con agitación durante 2
segundos. El sol basado en sílice obtenido tenía un pH de 11,4,
contenido de SiO_{2} de 8,92%, relación molar de SiO_{2} a N de
6,5:1, valor S del 22% y contenía partículas de sílice con una
superficie específica de 880 m^{2}/g de SiO_{2}
A 2000 g del sol de sílice ácido según el Ejemplo
10 se añadieron 32,4 g de diisopropilamina con agitación durante 2
segundos. El sol basado en sílice obtenido tenía un pH de 11,0,
contenido de SiO_{2} de 8,95%, relación molar de SiO_{2} a N de
9,5:1, valor S del 25% y contenía partículas de sílice con una
superficie específica de 885 m^{2}/g de SiO_{2}
A 2000 g del sol de sílice ácido según el Ejemplo
10 se añadieron 32,5 g de dietilamina con agitación durante 2
segundos. El sol basado en sílice obtenido tenía un pH de 11,1,
contenido de SiO_{2} de 8,95%, relación molar de SiO_{2} a N de
6,6:1, valor S del 25% y contenía partículas de sílice con una
superficie específica de 880 m^{2}/g de SiO_{2}
A 2000 g de otro sol de sílice desionizada que
tenía un pH de 2,8, contenido de SiO_{2} de 9,3% y contenía
partículas de sílice con una superficie específica de 860 m^{2}/g
de SiO_{2}, se añadieron 35,5 g de dipropilamina con agitación
durante 2 segundos. El sol basado en sílice obtenido tenía un pH de
10,6, contenido de SiO_{2} de 9,10%, relación molar de SiO_{2} a
N de 8,8:1, valor S del 30% y contenía partículas de sílice con una
superficie específica de 855 m^{2}/g de SiO_{2}
A 2000 g de sol de sílice ácido según el Ejemplo
10 se añadieron 33,7 g de etanolamina con agitación durante 2
segundos. El sol basado en sílice resultante tenía un pH de 10,1,
contenido de SiO_{2} de 8,95%, relación molar de SiO_{2} a N de
5,5:1, valor S del 24% y contenía partículas de sílice con una
superficie específica de 870 m^{2}/g de SiO_{2}
A 2000 g del sol de sílice ácido según el Ejemplo
10 se añadieron 30 g de ciclohexilamina con agitación durante 2
segundos. El sol basado en sílice resultante tenía un pH de 10,4,
contenido de SiO_{2} de 9,0%, relación molar de SiO_{2} a N de
10:1, valor S del 24% y contenía partículas de sílice con una
superficie específica de 880 m^{2}/g de SiO_{2}
A 2000 g de otro sol de sílice desionizado que
tenía un pH de 2,8, contenido de SiO_{2} de 9,3% y contenía
partículas de sílice con una superficie específica de 860 m^{2}/g
de SiO_{2}, se añadieron 59,1 g de
2-metoxietilamina con agitación durante 2 segundos.
El sol basado en sílice obtenido tenía un pH de 10,2, contenido de
SiO_{2} de 9,0%, relación molar de SiO_{2} a N de 3,9:1, valor
S del 28% y contenía partículas de sílice con una superficie
específica de 850 m^{2}/g de SiO_{2}
A 1500 g de sol de sílice desionizado que tenía
un pH de 2,8, contenido de SiO_{2} de 9,3% y contenía partículas
de sílice con una superficie específica de 860 m^{2}/g de
SiO_{2}, se añadieron 66,1 g de aminoetiletanolamina con
agitación durante 5 segundos. El sol basado en sílice obtenido tenía
un pH de 10,5, contenido de SiO_{2} de 9,0%, relación molar de
SiO_{2} a N de 3,6:1, valor S del 26% y contenía partículas de
sílice con una superficie específica de 875 m^{2}/g de
SiO_{2}
En los siguientes ensayos, se ensayaron el
rendimiento de drenaje y retención de soles basados en sílice según
los Ejemplos 1 a 18. Se evaluó el rendimiento de drenaje por medio
de un Analizador de Drenaje Dinámico (DDA), disponible de Akribi,
Suecia, que mide el tiempo para drenar un volumen fijado de pasta
papelera a través de una tela metálica cuando se retira un tapón y
se aplica un vacío al lado de la tela metálica opuesto al lado en
el que está presente la pasta papelera. El rendimiento de retención
se evaluó por medio de un nefelómetro midiendo la turbidez del
filtrado, el agua blanca, obtenido drenando la pasta papelera.
La pasta papelera usada se basaba en un
cargamento de papel fino estándar que consiste en 60% de sulfato de
abedul blanqueado y 40% de sulfato de pino blanqueado. Se añadió
30% de carbonato de calcio a la pasta papelera como carga y 0,3 g/l
de Na_{2}SO_{4}10H_{2}O para incrementar la conductividad. El
pH de la pasta papelera era 8,4, la conductividad 0,46 mS/cm y la
consistencia 0,29%. En los ensayos, los soles basados en sílice se
ensayaron junto con un polímero catiónico, siendo un almidón
catiónico que tiene un grado de substitución de alrededor de 0,042.
El almidón se añadió en una cantidad de 12 kg/tonelada, calculada
como almidón seco en el sistema de pasta papelera seca, y los soles
basados en sílice se añadieron en cantidades de 0,25, 0,5 y 1,0
kg/tonelada calculada como sílice seca en un sistema de pasta
papelera seca.
Los soles basados en sílice según la invención se
ensayaron frente a dos soles basados en sílice, Ref. 1 y Ref. 2,
usados con propósitos comparativos. El Ref. 1 es uno basado en
sílice del tipo descrito en la patente de EE.UU. No. 5.368.833 que
tenía un valor S de alrededor de 25%, contenido de SiO_{2} de 8%,
superficie específica de 72 m^{2}/g de sol acuoso y contenía
partículas de sílice con una superficie específica de alrededor de
900 m^{2}/g de SiO_{2} que se modificaron en superficie con
aluminio hasta un grado del 5%. El Ref. 2 es un gel de sílice con
un valor S de 36%, contenido de SiO_{2} de 10,0%, relación molar
de SiO_{2} a Na_{2}O de 10:1, superficie específica de 88
m^{2}/g de sol acuoso y que contiene partículas de sílice con una
superficie específica de 880 m^{2}/g de SiO_{2}.
La pasta papelera se agitó en un recipiente con
deflector a una velocidad de 1500 rpm a lo largo del ensayo y las
adiciones de compuestos químicos a la pasta papelera se realizaron
como sigue:
(i) adición de polímero catiónico seguida de
agitación durante 30 segundos,
(ii) adición de partículas basadas en sílice
seguida de agitación durante 15 segundos,
(iii) drenaje de la pasta papelera mientras se
registra automáticamente el tiempo de drenaje.
La Tabla I muestra los resultados obtenidos
cuando se usan dosis variables (kg/tonelada, calculadas como
SiO_{2} y basadas en el sistema de la pasta papelera seca) de sol
basado en sílice. Sin la adición de los compuestos químicos, la
pasta papelera mostró un tiempo de drenaje de 20 segundos y una
turbidez de 490 NTU. Con la adición de almidón catiónico solo, 12
kg/tonelada, calculada como almidón seco en el sistema de la pasta
papelera seca, la pasta papelera mostró un tiempo de drenaje de 15
segundos y una turbidez de 70 NTU.
| Sol basado en sílice | Tiempo de drenaje (s)/Turbidez (NTU) a una dosis de SiO_{2} de | ||
| 0,25 kg/t | 0,5 kg/t | 1,0 kg/g | |
| Ref. 1 | 12,20/43 | 10,40/40 | 8,76/37 |
| Ref. 2 | 11,60/45 | 9,83/44 | 8,28/37 |
| Ejemplo 1 | 9,11/38 | 7,19/30 | 5,74/28 |
| Ejemplo 2 | 8,65/38 | 6,79/35 | 5,76/- |
| Ejemplo 3 | 9,34/40 | 7,30/34 | 6,30/28 |
| Ejemplo 4 | 8,82/39 | 6,97/36 | 5,86/31 |
| Ejemplo 5 | -/- | 7,74/37 | -/- |
| Ejemplo 6 | -/- | 8,98/38 | -/- |
| Ejemplo 7 | 10,3/42 | 8,77/37 | 6,66/33 |
| Ejemplo 8 | 10,3/42 | 8,31/36 | 7,02/33 |
| Ejemplo 9 | 9,90/- | 8,80/- | 7,90/- |
| Ejemplo 10 | 10,00/- | 8,21/- | 7,07/- |
| Ejemplo 11 | 10,00/- | 8,04/- | 7,28/- |
| Ejemplo 12 | 9,87/- | 7,97/- | 6,85/- |
| Ejemplo 13 | 9,60/- | 7,85/- | 6,30/- |
| Ejemplo 14 | 10,70/- | 8,80/- | 7,80/- |
| Ejemplo 15 | 10,70/- | 8,80/- | 7,51/- |
| Ejemplo 16 | 10,30/- | 8,13/- | 6,75/- |
| Ejemplo 17 | 10,50/- | 8,80/- | 7,70/- |
| Ejemplo 18 | 10,60/- | 9,20/- | 8,20/- |
En los siguientes ensayos, se evaluó
adicionalmente el rendimiento de drenaje y retención del sol basado
en sílice según el Ejemplo 3. Se siguió el procedimiento según el
Ejemplo 19 excepto que se usó una pasta papelera diferente y
diferentes polímeros catiónicos.
El cargamento estaba basado en el 70% de fibras
celulósicas y el 30% de carga de arcilla. Las fibras consistían en
alrededor del 70% de pasta termomecánica blanqueada, 10% de pasta
de molino de piedra, 10% de pasta de abedul al sulfato blanqueada y
10% de pasta de pino al sulfato blanqueada. La pasta y la carga se
dispersaron en agua hasta una consistencia de 1,5 g/l. En el agua
se incluyeron 25 g/l de agua de blanqueo de una planta de blanqueo
que contenía substancias orgánicas perturbadoras disueltas y
cloruro de calcio (CaCl_{2} 10H_{2}O) en una cantidad para dar
una conductividad de 5 mS/cm.
Los soles basados en sílice se usaron en
combinación con una poliamina altamente catiónica de bajo peso
molecular, que se añadió en una cantidad de 0,5 kg/tonelada,
calculada como polímero seco en un sistema de pasta papelera seca,
y una poliacrilamida catiónica, que se añadió en una cantidad de
1,0 Kg/tonelada, calculada como polímero seco en un sistema de pasta
papelera seca. La poliamina se añadió al sistema de pasta papelera
seguido de agitación durante 15 segundos y a continuación se
añadieron la poliacrilamida catiónica y el sol basado en sílice
según el procedimiento del Ejemplo 19. Los soles basados en sílice
se añadieron en cantidades de 0,25, 0,5 y 1,0 Kg/tonelada calculada
como sílice seca en el sistema de pasta papelera seca.
La Tabla II muestra los resultados obtenidos
cuando se usan dosis variables (kg/tonelada, calculadas como
SiO_{2} y basadas en el sistema de pasta papelera seca) de sol
basado en sílice. Sin la adición de los compuestos químicos, la
pasta papelera mostró un tiempo de drenaje de 22 segundos y una
turbidez de 100 NTU. Con la adición de únicamente 1 kg/tonelada de
poliacrilamida catiónica, calculada como polímero seco en el sistema
de pasta papelera seca, la pasta papelera mostró un tiempo de
drenaje de 16 segundos y una turbidez de 55 NTU. Con la adición de
0,5 kg/tonelada de poliamina catiónica y 1 kg/tonelada de
poliacrilamida catiónica, calculados como polímeros secos en el
sistema de pasta papelera seca, la pasta papelera mostró un tiempo
de drenaje de 11 segundos y una turbidez de 50 NTU.
| Sol basado en sílice | Tiempo de drenaje (s)/Turbidez (NTU) a una dosis de SiO_{2} de | ||
| 0,25 kg/t | 0,5 kg/t | 1,0 kg/g | |
| Ref. 1 | 12,20/48 | 11,00/47 | 9,90/45 |
| Ref. 2 | 12,30/47 | 10,70/43 | 9,18/41 |
| Ejemplo 3 | 10,10/40 | 8,08/39 | 6,27/40 |
Ejemplo 21 Vidrio soluble de sodio con una
relación de SiO_{2} a Na_{2}O de 3,4:1 se diluyó hasta
alrededor de 6% de SiO_{2} y se trató con una resina de
intercambio iónico catiónica saturada con iones hidrógeno. El ácido
polisilícico obtenido tenía un pH de 2,5, contenido de SiO_{2} de
5,6%, y contenía partículas de sílice con una superficie específica
de 1300 m^{2}/g de SiO_{2}.
A 5000 g de este ácido polisilícico se añadieron
353,5 g de una disolución al 34% de hidróxido de colina con
agitación durante 5 segundos, dando como resultado un sol basado en
sílice alcalino estabilizado con amina con un pH de 10,8, contenido
de SiO_{2} de 5,26% y relación molar de SiO_{2} a N de 4,6.
Este sol se concentró por evaporación a vacío hasta un sol basado en
sílice estable que tenía un contenido de SiO_{2} de 13,9% en
peso, valor S de 30% y una superficie específica de 169 m^{2}/g de
sol acuoso (medida después de 40 días) y contenía partículas de
sílice con una superficie específica de 1215 m^{2}/g de SiO_{2}
(medida después de 40 días). La viscosidad era esencialmente
constante durante estos 40 días; inicialmente 11,8 cP y 11,0 cP
después de 40 días.
A 5000 g del ácido polisilícico según el Ejemplo
21 se añadieron 347,2 g de una disolución al 35% de hidróxido de
tetraetilamonio con agitación durante 5 segundos. El sol de sílice
alcalino estabilizado con amina resultante tenía un pH de 10,8,
contenido de SiO_{2} de 5,26% y relación molar de SiO_{2} a N de
5,7:1. Este sol se concentró por evaporación a vacío hasta un sol
estable basado en sílice que tenía un contenido de SiO_{2} de
20,0%, viscosidad de 9,9 cP y superficie específica de 250
m^{2}/g de sol acuoso, y contenía partículas basadas en sílice con
una superficie específica de 1250 m^{2}/g de SiO_{2}. Después
de un almacenamiento de 40 días, el sol mostró una viscosidad de 8,2
cP, valor S de 43% y áreas específicas de 239 m^{2}/g de sol
acuoso y 1195 m^{2}/g de SiO_{2}.
A 5000 g de ácido polisilícico que tiene un
contenido de SiO_{2} de 5,1% preparado de una manera similar al
Ejemplo 21 se añadieron 114 g de dipropilamina con agitación
durante 5 segundos. El sol basado en sílice alcalino estabilizado
con amina obtenido tenía un pH de 10,8, contenido de SiO_{2} de
5,0% y relación molar de SiO_{2} a N de 3,8:1. Este sol se
concentró por ultrafiltración hasta un sol basado en sílice estable
que tenía un contenido de SiO_{2} de 14,8%, superficie específica
de 196 m^{2}/g de sol acuoso y contenía partículas de sílice con
una superficie específica de 1320 m^{2}/g de SiO_{2}.
A 5000 g de ácido polisilícico que tiene un
contenido de SiO_{2} de 5,5% preparado de una manera similar al
Ejemplo 21 se añadieron 229,8 g de aminoetiletanolamina con
agitación durante 5 segundos, dando como resultado un sol de sílice
alcalino estabilizado con amina con un pH de 10,3, contenido de
SiO_{2} de 5,2% y relación molar de SiO_{2} a N de 2:1. Este sol
se concentró por evaporación hasta un sol basado en sílice estable
con un contenido de SiO_{2} de 13,6% y superficies específicas de
170 m^{2}/g de sol acuoso y 1255 m^{2}/g de SiO_{2}.
Un sol de sílice estabilizado con hidróxido de
sodio que tiene un contenido de SiO_{2} de 15% en peso, valor S
de alrededor de 50% y que contiene partículas de sílice con una
superficie específica de 500 m^{2}/g de SiO_{2} se desionizó de
la misma manera que en el ejemplo 1, dando como resultado un sol de
sílice ácido que exhibe un pH de 2,9, contenido de SiO_{2} de
14,8% en peso y superficie específica de 490 m^{2}/g de
SiO_{2}.
A 4000 g de este sol ácido se añadieron 414,5 g
de una disolución al 35% de hidróxido de tetraetilamonio con
agitación durante 5 segundos, dando como resultado un sol basado en
sílice alcalino estabilizado con amina con un pH de 12,1, contenido
de SiO_{2} de 13,4% y relación molar de SiO_{2} a N de 10:1.
Este sol se concentró por evaporación a vacío hasta un sol basado en
sílice estable que exhibe un contenido de SiO_{2} de 40%,
superficies específicas de 224 m^{2}/g de sol acuoso y 560
m^{2}/g de SiO_{2}.
El rendimiento de drenaje (desecado) y retención
de los soles basados en sílice según los Ejemplos
21-24 se investigó de una manera similar al Ejemplo
19. Los resultados se presentan en la Tabla III.
| Sol basado en sílice | Tiempo de drenaje (s)/Turbidez (NTU) a una dosis de SiO_{2} de | ||
| 0,25 kg/t | 0,5 kg/t | 1,0 kg/g | |
| Ref. 1 | 12,1/49 | 11,2/43 | 9,1/43 |
| Ref. 2 | 11,8/50 | 10,2/50 | 9,0/42 |
| Ejemplo 21 | 9,3/36 | 7,4/34 | 6,9/34 |
| Ejemplo 22 | 10,3/45 | 9,3/42 | 8,8/41 |
| Ejemplo 23 | 10,8/44 | 8,8/42 | 8,1/37 |
| Ejemplo 24 | 10,0/44 | 8,7/40 | 7,9/38 |
A 1024 g de ácido polisilícico que tiene un pH de
2,7 y contenido de SiO_{2} de 5,48% en peso, preparado de una
manera similar al Ejemplo 21, se añadieron 37,1 g de una disolución
al 75% en peso de cloruro de colina con agitación, dando como
resultado una relación molar de SiO_{2} a N de 5,0. A esta mezcla
se añadieron 99,6 g de NaOH 3M con agitación. El sol basado en
sílice obtenido tenía un pH de 11,0, contenido de SiO_{2} de 5,1%
en peso, y contenía partículas de sílice con una superficie
específica de 1010 m^{2}/g de SiO_{2}.
A 1068 g de ácido polisilícico según el Ejemplo
27 se añadió una mezcla de 39 g de una disolución al 75% de cloruro
de colina y 99,6 g de NaOH 3M con agitación. El sol basado en
sílice obtenido tenía un pH de 11,0, una relación molar de
SiO_{2} a N de 5,0, contenido de SiO_{2} de 5,2% en peso y
contenía partículas basadas en sílice con una superficie específica
de 1175 m^{2}/g de SiO_{2}.
A 50 g de ácido polisilícico según el Ejemplo 27
se añadieron 0,9 g de una disolución al 75% de cloruro de colina
con agitación, dando como resultado una relación molar de SiO_{2}
a N de 10,0. La mezcla obtenida se añadió a 9,5 g de NaOH 3M con
agitación. El sol basado en sílice obtenido tenía un pH de 10,0.
50 g de ácido polisilícico según el Ejemplo 27 se
añadieron a una mezcla de 0,9 g de una disolución al 75% de cloruro
de colina y 9,5 g de NaOH 3M con agitación. El sol basado en sílice
obtenido tenía un pH de 10,1, relación molar de SiO_{2} a N de
10,0 y contenido de SiO_{2} de 4,8% en peso.
A 50 g de ácido polisilícico según el Ejemplo 27
se añadieron 0,9 g de una disolución al 75% de cloruro de colina
con agitación, dando como resultado una relación molar de SiO_{2}
a N de 10,0. A esta mezcla se añadieron 20,0 g de una disolución de
vidrio soluble que contiene 9,2% en peso SiO_{2} con agitación,
dando como resultado un sol basado en sílice con un pH de 10,1 y
contenido de SiO_{2} de 6,6% en peso.
El rendimiento de drenaje (desecado) y retención
de los soles basados en sílice según los Ejemplos
27-31 se investigó de una manera similar al Ejemplo
19, excepto que se añadió cloruro de calcio a la pasta papelera para
incrementar la conductividad a 2,0 mS/cm y que se añadió el almidón
catiónico en una cantidad de 10 kg/tonelada, calculada como almidón
seco en el sistema de pasta papelera seca. Los resultados se
presentan en la Tabla IV
| Sol basado en sílice | Tiempo de drenaje (s)/Turbidez (NTU) a una dosis de SiO_{2} | |
| 0,5 kg/t | 1,0 kg/t | |
| Ref. 1 | 25,5/120 | 21,4/104 |
| Ejemplo 27 | 23,4/116 | 16,1/83 |
| Ejemplo 28 | 23,1/115 | 14,5/91 |
| Ejemplo 29 | 22,3/102 | 16,2/85 |
| Ejemplo 30 | 20,9/98 | 14,4/78 |
| Ejemplo 31 | 23,0/110 | 17,3/87 |
Claims (27)
1. Un sol acuoso basado en sílice que comprende
un compuesto orgánico que contiene nitrógeno que tiene hasta 25
átomos de carbono y partículas basadas en sílice con una superficie
específica por lo menos de 300 metros cuadrados por gramo de sílice
y que tiene un valor S en el intervalo de 10 a 60%.
2. Un sol acuoso basado en sílice según la
reivindicación 1, caracterizado porque tiene una superficie
específica por lo menos de 100 metros cuadrados por gramo de sol
acuoso.
3. Un sol acuoso basado en sílice según las
reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque contiene
partículas basadas en sílice con una superficie específica de 550 a
1700 metros cuadrados por gramo de sílice.
4. Un sol acuoso basado en sílice según una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque el compuesto orgánico que contiene
nitrógeno se selecciona de aminas primarias, aminas secundarias,
aminas terciarias y aminas cuaternarias.
5. Un sol acuoso basado en sílice según una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque tiene un valor S en el intervalo de 15 a 40%.
6. Un sol acuoso basado en sílice según una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque tiene una superficie específica en el intervalo de 150 a 250
metros cuadrados por gramo de sol acuoso.
7. Un sol acuoso basado en sílice según una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque tiene un contenido de sílice en el intervalo de 10 a 60% en
peso.
8. Un sol acuoso basado en sílice según una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque tiene un pH de 8 a 13.
9. Un sol acuoso basado en sílice según una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque el compuesto orgánico que contiene
nitrógeno es una amina que contiene de 2 a 12 átomos de carbono.
10. Un sol acuoso basado en sílice según una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque el compuesto orgánico que contiene nitrógeno contiene por lo
menos un átomo de oxígeno.
11. Un sol acuoso basado en sílice según una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque el compuesto orgánico que contiene nitrógeno es hidróxido de
colina.
12. Un sol acuoso basado en sílice según una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque también contiene aluminio.
13. Un sol acuoso basado en sílice según una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque tiene una relación molar de SiO_{2} a Al_{2}O_{3}
dentro del intervalo de 15:1 a 500:1.
14. Un sol acuoso basado en sílice según una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque tiene una relación molar de SiO_{2} a N de 2,5:1 a
25:1.
15. Un sol acuoso basado en sílice según una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque el compuesto orgánico que contiene nitrógeno es diamina.
16. Un procedimiento para la producción de un sol
acuoso basado en sílice que comprende un compuesto orgánico que
contiene nitrógeno que comprende incorporar un compuesto orgánico
que contiene nitrógeno que tiene hasta 25 átomos de carbono en un
sol basado en sílice que contiene partículas basadas en sílice con
una superficie específica por lo menos de 300 metros cuadrados por
gramo de sílice para conseguir un valor S en el intervalo de 10
a
60%.
60%.
17. Un procedimiento según la reivindicación 16,
caracterizado porque el sol acuoso basado en sílice obtenido
se concentra hasta una superficie específica por lo menos de 100
metros cuadrados por gramo de sol acuoso.
18. Un procedimiento según la reivindicación 16 o
17, caracterizado porque el compuesto orgánico que contiene
nitrógeno se selecciona de aminas primarias, aminas secundarias,
aminas terciarias y aminas cuaternarias.
19. Un procedimiento según la reivindicación 16,
17 o 18, caracterizado porque el sol acuoso basado en sílice
contiene partículas basadas en sílice con una superficie específica
de 550 a 1700 metros cuadrados por gramo de sílice.
20. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 16 a 19, caracterizado porque el sol acuoso
basado en sílice obtenido se concentra hasta una superficie
específica en el intervalo de 150 a 250 metros cuadrados por gramo
de sol acuoso.
21. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 16 a 20, caracterizado porque el compuesto
orgánico que contiene nitrógeno es una amina que contiene de 2 a 12
átomos de carbono.
22. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 16 a 21, caracterizado porque el compuesto
orgánico que contiene nitrógeno contiene por lo menos un átomo de
oxígeno.
23. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 16 a 22, caracterizado porque el compuesto
orgánico que contiene nitrógeno es hidróxido de colina.
24. El uso de un sol acuoso basado en sílice
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15 como ayuda de
drenaje y retención en la producción de pasta y papel.
25. Un procedimiento para la producción de papel
de una suspensión que contiene fibras celulósicas, y cargas
opcionales, que comprende añadir a la suspensión un sol acuoso
basado en sílice y por lo menos un polímero orgánico cargado,
formar y drenar la suspensión sobre una tela metálica,
caracterizado porque el sol es un sol acuoso basado en sílice
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15.
26. Un procedimiento según la reivindicación 24,
caracterizado porque el polímero orgánico cargado comprende
un almidón catiónico y/o poliacrilamida catiónica.
27. Un procedimiento según la reivindicación 25 o
26, caracterizado porque el sol acuoso basado en sílice se
añade en una cantidad por lo menos de 0,005% en peso, calculado
como SiO_{2} y basado en la substancia de la pasta papelera
seca.
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