ES2289042T3 - Produccion de papel usando borosilicato coloidal. - Google Patents

Produccion de papel usando borosilicato coloidal. Download PDF

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ES2289042T3 ES02025710T ES02025710T ES2289042T3 ES 2289042 T3 ES2289042 T3 ES 2289042T3 ES 02025710 T ES02025710 T ES 02025710T ES 02025710 T ES02025710 T ES 02025710T ES 2289042 T3 ES2289042 T3 ES 2289042T3
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Bruce A. Keiser
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Abstract

Un método para la fabricación de una hoja de celulosa, que comprende: a) formar una composición de fabricación de celulosa que contiene de 0, 01 a 1, 5% en peso de fibra de celulosa; b) agregar a la composición de fabricación: (i) de 0, 00005 a 1, 25% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en la composición de fabricación, de un borosilicato, que tiene una relación molar de boro a silicio de 1:1000 a 100:1, una relación molar de metal alcalino a silicio de 6:1000 a 1, 04:1, un tamaño de partícula de 1 a 2000 nm; y un área de superficie de 15 a 3000 m2/g; y (ii) de 0, 01 a 0, 5% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en la composición de fabricación, de un floculante polímero sustancialmente hidrosoluble, que tiene un peso molecular mayor que 500.000 daltons; y, a continuación, c) deshidratar dicha composición de fabricación para obtener una hoja de celulosa.

Description

Producción de papel usando borosilicato coloidal.
Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método para la fabricación de una hoja de celulosa usando un borosilicato. Los materiales de borosilicato son, preferentemente, una suspensión acuosa de borosilicato coloidal.
2. Antecedentes de la invención
En la fabricación de papel, una suspensión acuosa de celulosa o composición de fabricación ("fumish") se transforma en una hoja de papel. La suspensión de fibra de celulosa se diluye, generalmente, hasta una consistencia (peso seco porcentual de sólidos en el las composición de fabricación), con un contenido en fibra de aproximadamente 4 por ciento en peso de fibras o menos, y por lo general de aproximadamente 1,5% o menor y, a menudo, menor que 1,0% en la parte delantera de la máquina de papel, en tanto que la hoja terminada tiene, típicamente, menos de 6 por ciento en peso de agua. Por lo tanto, los aspectos de deshidratación y retención en la fabricación de papel son extremadamente importantes para el eficiencia y el coste de la fabricación.
La deshidratación por gravedad es el método preferido de drenaje debido a su coste relativamente bajo. Después de la deshidratación por gravedad, se utilizan otros métodos más costosos de deshidratación, por ejemplo vacío, compresión, secado por manta de fieltro y compresión, evaporación, y similares. En la práctica actual, se emplea una combinación de estos métodos para deshidratar, o secar, la hoja hasta el contenido en agua deseado. Dado que la deshidratación por gravedad es, a la vez, el primer método de deshidratación empleado y el más económico, una mejora en la eficiencia de este procedimiento de drenaje reducirá la cantidad de agua que se deba eliminar por otros métodos y, por consiguiente, mejorará la eficiencia global de la deshidratación y rebajará su coste.
Otro aspecto de la fabricación de papel que es extremadamente importante para la eficiencia y el coste es la retención de los componentes de las composición de fabricación sobre y en el interior de la esterilla de fibras. Las composición de fabricación para fabricar papel representan un sistema que contiene cantidades significativas de pequeñas partículas, estabilizadas por fuerzas coloidales. Las composición de fabricación para la fabricación de papel contienen, por lo general, además de fibras de celulosa, cargas minerales (usadas para incrementar la opacidad, brillo y otras características del papel), y otras pequeñas partículas que, en general, sin la inclusión de una o más ayudas de retención, pasarían en grado significativo a través de los espacios (poros) existentes en la esterilla formada por las fibras de celulosa en la máquina de papel.
Una mayor retención de finos, cargas y otros componentes de las composición de fabricación, permite, para una categoría determinada de papel, una reducción del contenido en fibras de celulosa de dicho papel. Dado que se emplean pastas de menor calidad para reducir los costes de la fabricación de papel, el aspecto de la retención en la fabricación de papel adquiere mayor importancia, porque el contenido en finos de estas pastas de menor calidad es, por lo general, mayor. Una mayor retención disminuye también la cantidad de sustancias que se pierden en las aguas blancas y reduce, por lo tanto, la cantidad de residuos materiales, el coste de eliminación de residuos, y los efectos medioambientales adversos derivados de ésta. En general, resulta deseable reducir la cantidad de materiales empleados en el procedimiento de fabricación de papel para un propósito determinado, sin disminuir el resultado buscado. Estas reducciones adicionales pueden dar lugar tanto a ahorros en el coste de materiales como a beneficios en términos de manipulación y procesamiento.
Otra característica importante de un procedimiento de fabricación de papel determinado es la formación de la hoja de papel producida. La formación puede estar determinada por la variación de la trasmisión de la luz dentro de la hoja de papel, y una elevada variación es indicadora de una escasa formación. A medida que la retención aumenta a un nivel alto, por ejemplo, un nivel de retención de 80 ó 90%, el parámetro de formación suele disminuir.
Se han utilizado diversos aditivos químicos en un intento de incrementar la velocidad a la que el agua drena de la hoja formada, y aumentar la cantidad de finos y carga retenida en la hoja. El uso de polímeros hidrosolubles de alto peso molecular fue una mejora importante en la fabricación de papel. Estos polímeros de alto peso molecular actúan como floculantes, formando grandes copos que se depositan en la hoja. Ayudan también a la deshidratación de la hoja. Para ser eficaces, los programas de retención y drenaje de polímeros únicos y dobles convencionales requieren la incorporación de un componente de mayor peso molecular como parte del programa. En estos programas convencionales, el componente de alto peso molecular se agrega después de un punto de alto cizallamiento en el sistema de flujo de stock que conduce a la parte de la máquina de fabricación de papel que distribuye de manera más uniforme la pasta que recibe de la refinadora ("headbox"). Esto es necesario, dado que los copos se forman principalmente por el mecanismo de formación de puentes y su degradación es, en gran medida, irreversible y no se vuelven a formar en grado significativo. Por este motivo, la mayor parte del rendimiento de retención y drenaje de un floculante se pierde al alimentarlo antes del punto de alto cizallamiento. En su detrimento, la alimentación de polímeros de alto peso molecular después del punto de alto cizallamiento da lugar, a menudo, a problemas de formación. Los requisitos de alimentación de polímeros y copolímeros de alto peso molecular, que ofrecen una mejora de la retención, conducen, con frecuencia, a un compromiso entre retención y formación.
Aun siendo eficaces, los programas de floculantes de alto peso molecular se han mejorado mediante la adición de las llamadas "micropartículas" inorgánicas.
Los programas de polímeros/micropartículas han alcanzado éxito comercial al sustituir en muchas papeleras el uso de programas de retención y drenaje basados únicamente en polímeros. Los programas que contienen micropartículas se definen no sólo por el uso de un componente constituido por micropartículas, sino también, a menudo, por los puntos de adición de elementos químicos en relación con el cizallamiento. En la mayoría de los programas de retención que contienen micropartículas, se agregan polímeros de alto peso molecular ya sea antes como después de al menos un punto de alto cizallamiento. El material microparticulado inorgánico se agrega, entonces, habitualmente a las composición de fabricación después de haber floculado el stock con el componente de alto peso molecular, y haberlo sometido a cizallamiento para degradar esos copos. La adición de micropartículas re-flocula las composición de fabricación, lo que tiene como consecuencia una retención y drenaje que son, al menos, tan buenos como los alcanzados con el uso del componente de alto peso molecular en el procedimiento convencional (tras el cizallamiento), sin ningún impacto perjudicial sobre la formación.
Uno de estos programas empleado para ofrecer una combinación mejorada de retención y deshidratación se describe en las Patentes de EE.UU. N^{os} 4.753.710 y 4.913.775, asignadas a Langley et al.
En el método descrito en Langley et al., se agrega un polímero catiónico lineal, de alto peso molecular, a la suspensión acuosa de celulosa para fabricar papel, antes de aplicar cizallamiento a la suspensión, seguido de la adición de bentonita tras la aplicación de cizallamiento. El cizallamiento es proporcionado generalmente por una o más de las etapas de limpieza, mezclado y bombeo del procedimiento de fabricación de papel, y el cizallamiento degrada los grandes copos formados por el polímero de alto peso molecular, dando lugar a microcopos. A continuación, con la adición de las partículas de arcilla de bentonita, se produce una aglomeración adicional.
Otros programas de micropartículas de este tipo se basan en el uso de sílice coloidal como micropartícula, en combinación con almidón catiónico, tal como se describe en las Patentes de EE.UU. N^{os} 4.388.150 y 4.385.961, o en el uso de una combinación de almidón catiónico, floculante y sol de sílice tal como se describe en las Patentes de EE.UU. N^{os} 5.098.520 y 5.185.062. La Patente de EE.UU. Nº 4.643.801 reivindica un método para la preparación de papel que utiliza un polímero aniónico, hidrosoluble y de alto peso molecular, una sílice dispersa y un almidón catiónico.
Aun cuando, tal como se ha descrito anteriormente, la micropartícula se agrega típicamente a las composición de fabricación después del floculante y después de al menos una zona de cizallamiento, el efecto de la micropartícula se puede observar también si ésta se agrega antes del floculante y de la zona de cizallamiento (por ejemplo, en donde la micropartícula se agrega antes de la pantalla y el floculante después de la zona de cizallamiento).
En un programa auxiliar de retención y drenaje con un único polímero/micropartícula, un floculante, típicamente un polímero catiónico, es el único material polímero que se agrega junto con la micropartícula. Otro método para mejorar la floculación de los finos de celulosa, cargas minerales y otros componentes de las composición de fabricación en la esterilla de fibras, utilizando una micropartícula, consiste en una combinación con un programa de doble polímero que usa, además de la micropartícula, un sistema coagulante y floculante. En un sistema de este tipo, se agrega, en primer lugar, un coagulante, por ejemplo, un polímero catiónico sintético, de bajo peso molecular, o almidón catiónico. El coagulante puede ser también un coagulante inorgánico tal como cloruros de alúmina o polialuminio. Esta adición puede tener lugar en uno o múltiples puntos dentro del sistema de formación de las composición de fabricación, incluido, pero sin estar limitado a ellos, el stock grueso, el sistema de aguas blancas, o el stock delgado de una máquina. Por lo general, este coagulante reduce las cargas negativas de superficie presentes en las partículas de las composición de fabricación, en particular los finos de celulosa y las cargas minerales, y consigue, de esta forma, un grado de aglomeración de estas partículas. El tratamiento con coagulante va seguido de la adición de un floculante. El floculante, en este caso, es generalmente un polímero sintético de alto peso molecular, que genera puentes entre las partículas y/o aglomerados, desde una a otra superficie, enlazando las partículas para formar aglomerados de mayor tamaño. La presencia de estos grandes aglomerados en las composición de fabricación, a medida que se forma la esterilla de fibras de la hoja de papel, aumenta la retención. Los aglomerados se separan por filtración del agua sobre la red de fibras, en tanto que las partículas no aglomeradas atravesarían, en gran medida, la red de papel. En este tipo de programa, se puede invertir con éxito el orden de adición de la micropartícula y del floculante.
La presente invención se aparta de las descripciones de estas patentes en el sentido de que se utiliza un borosilicato, preferentemente un borosilicato coloidal, como micropartícula. Sorprendentemente, los presentes inventores han encontrado que los borosilicatos proporcionan una mejora del rendimiento con respecto a otros programas de micropartículas y, en especial, los que utilizan como micropartícula soles de sílice coloidal. Las micropartículas de borosilicato permiten la producción de papel y cartón con mejores niveles de retención, formación, porosidad uniforme, y deshidratación global.
Resumen de la invención
Los borosilicatos, preferentemente soluciones acuosas de partículas coloidales de borosilicato, útiles en esta invención tienen una relación molar de boro a silicio de 1:1000 hasta 100:1 y, por lo general, de 1:100 a 2:5. Preferentemente, la relación molar de sodio a silicio en los materiales de borosilicato de esta invención se encuentra en el intervalo de 0,006 a 1,04 e, incluso, más preferentemente, en el intervalo entre 0,01 a 0,7. La invención ofrece un método para la fabricación de una hoja de celulosa, tal como se define en la reivindicación 1 anexa a este documento. Se agrega un floculante polímero no iónico, catiónico o aniónico a las composición de fabricación, ya sea antes o después de la adición del borosilicato, en una cantidad de aproximadamente 0,001 a aproximadamente 0,50% en peso, sobre la base del peso seco de fibra en las composición de fabricación. Una alternativa es la adición de almidón catiónico o goma guar además del floculante polímero a las composición de fabricación antes o después de la adición del borosilicato, en una cantidad de aproximadamente 0,005 a aproximadamente 5,0% en peso, sobre la base del peso seco de fibras en las composición de fabricación. Otra alternativa consiste en la adición de un coagulante a las composición de fabricación, en una cantidad dentro del intervalo de 0,005 a 1,25% en peso, con respecto al peso seco de la fibra en las composición de fabricación. La floculación de los componentes de las materias primas especiales para la fabricación de papel aumenta cuando el borosilicato se agrega solo o en combinación con un floculante polímero convencional, solo o en combinación con un coagulante.
A través de la adición de partículas de borosilicato a las composición de fabricación para fabricar papel o a la suspensión previa a la formación de la hoja, es posible obtener una mejora de las propiedades de la hoja. Tal como se usa en este documento, la expresión composición de fabricación ("fumish") o suspensión indica una suspensión de fibras de celulosa usada para formar una hoja de celulosa. La hoja puede ser un papel fino (que, tal como se usa en este documento, incluye materiales basados tanto en fibras vírgenes como en fibras recicladas), cartón (que, tal como se usa en este documento, incluye "test liners" basados en fibras recicladas y medio corrugado, así como materiales basados en fibras vírgenes), y papel de periódico (que, tal como se usa en este documento, incluye composición de fabricación para revistas, así como basado en fibras vírgenes y en fibras recicladas), u otro material de celulosa. La hoja final puede contener, además de una esterilla de fibras de celulosa, cargas, pigmentos, abrillantadores, agentes de encolado, y otros materiales usados en la producción de las numerosas categorías de esterillas de celulosa a las que se denomina, normalmente, papel o cartón.
Descripción detallada de la invención
En el presente documento se describe una composición auxiliar de retención y drenaje que comprende un borosilicato (preferentemente, un borosilicato coloidal), que tiene una relación molar de boro a silicio de aproximadamente 1:100 hasta aproximadamente 2:5. Preferentemente, el borosilicato se caracteriza por tener una relación molar de sodio a silicio dentro del intervalo de aproximadamente 6:1000 a 1,04:1. La ayuda para la retención de micropartículas es, preferentemente, un coloide de borosilicato que tiene una química similar a la del vidrio de borosilicato. El borosilicato se utiliza, preferentemente, en forma de un coloide acuoso. Por lo general, este coloide se prepara haciendo reaccionar una sal de metal alcalino de un compuesto que contiene boro con ácido silícico, bajo condiciones resultantes en la formación de un coloide. Las partículas de borosilicato de utilidad en esta invención pueden tener un tamaño de partícula dentro de un amplio intervalo, por ejemplo, desde 1 nm (nanómetro) hasta 2 micrómetros (200 nm) y, preferentemente, desde 1 nm a 1 micrómetro. Cuando se usa un borosilicato coloidal, el tamaño de partícula estará, generalmente, comprendido dentro de un intervalo de 1 nm a 200 nm y, preferentemente, de 1 a 80 nm y, de forma especialmente preferida, de 20-80 nm. De manera similar, el área de superficie de las partículas de borosilicato útiles en esta invención puede variar dentro de un amplio intervalo. Por lo general, a medida que disminuye el tamaño de partícula, aumentará el área de superficie. El área de superficie debe encontrarse en el intervalo de 15 a 3000 m^{2}/g y, preferentemente, de 50 a 3000 m^{2}/g. Cuando se utilizan las partículas de borosilicato coloidal preferidas de la invención, el área de superficie estará, generalmente, dentro del intervalo de 250 a 3000 m^{2}/g y, preferentemente, será de 700 a 3000 m^{2}/g.
Los materiales de borosilicato coloidal preferidos que se utilizan en esta invención se preparan, por lo general, mediante la preparación inicial de ácido silícico. Esto se puede lograr de forma conveniente poniendo en contacto una solución de silicato de metal alcalino, preferentemente una solución diluida del silicato de metal alcalino, con una resina de intercambio catiónico comercial, preferentemente una denominada resina de ácido fuerte, en forma hidrógeno, de donde se recupera una solución diluida de ácido silícico. A continuación, el ácido silícico se puede agregar, con agitación, a un borato de metal alcalino a un pH de 6-14, recuperándose un producto de borosilicato coloidal suspendido en agua. De manera alternativa, se pueden agregar simultáneamente el borato de metal alcalino y el ácido silícico para preparar materiales apropiados.
Habitualmente, la concentración de la solución de ácido silícico usada es, por lo general, de 3 a 8 por ciento en peso de SiO_{2} y, preferentemente, 5 a 7 por ciento en peso de SiO_{2}. El porcentaje en peso de la solución de borato usada es generalmente de 0,01 a 30 y, preferentemente, 0,4 a 20 por ciento en peso, en forma de B_{2}O_{3}. La sal borato utilizada puede encontrarse dentro de un extenso intervalo de compuestos. Materiales preferidos son bórax comercial, tetraborato sódico decahidrato, o tetraborato sódico pentahidrato debido a su fácil disponibilidad y bajo coste. Se pueden usar otros materiales de borato hidrosolubles. Los presentes inventores consideran que se puede emplear cualquier sal borato de metal alcalino soluble. La preparación del material de borosilicato coloidal se puede lograr con o sin ajuste de pH. En ocasiones, es recomendable llevar a cabo la reacción a un pH de 7,5 a 10,5, mediante la adición de un hidróxido de metal alcalino apropiado, preferentemente hidróxido sódico, a la mezcla de reacción. Se han obtenido los mejores resultados en el intervalo de pH de 8 a 9,5, aunque tal como se apreciará, los procedimientos de síntesis de las composiciones de borosilicato se encuentran todavía en proceso de optimización. Los presentes inventores estiman que la agitación, velocidad de adición y otros parámetros no son críticos para la formación de las composiciones de borosilicato coloidal. También se pueden usar otros métodos para preparar los borosilicatos coloidales. Dichos métodos incluirían la preparación del borosilicato coloidal de la forma anteriormente descrita, y secar las partículas por secado de pulverización, seguido de trituración, u otros métodos que proporcionarían un material de borosilicato que satisfaga los parámetros establecidos más arriba.
Se describe en este documento un método para mejorar la producción de papel que comprende la etapa de agregar a las composición de fabricación de papeleras desde aproximadamente 0,00005 hasta aproximadamente 1,25% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en la suspensión o en las composición de fabricación, de un borosilicato, preferentemente un borosilicato coloidal. En un método alternativo, se puede agregar un floculante polímero no iónico, catiónico o aniónico a las composición de fabricación, antes o después de la adición del borosilicato, en una cantidad de aproximadamente 0,001 a aproximadamente 0,5% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en las composición de fabricación. De manera alternativa, se puede agregar un almidón catiónico a las composición de fabricación en lugar de, o además del floculante polímero sintético, en una cantidad de aproximadamente 0,005 a aproximadamente 5,0% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en las composición de fabricación. Más preferentemente, el almidón se agrega en una cantidad de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 1,5% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en las composición de fabricación. En todavía otra realización, se puede agregar un coagulante a las composición de fabricación en lugar, o además del floculante y/o el almidón, en una cantidad de aproximadamente 0,005 a aproximadamente 1,25% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en las composición de fabricación para fabricar papel. Preferentemente, el coagulante se agrega en una cantidad de aproximadamente 0,025 a aproximadamente 0,5% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en las composición de fabricación.
En este documento se describe también un método para aumentar la retención y drenaje de composición de fabricación para la fabricación de papel en una máquina para fabricar papel, que comprende las etapas de agregar a las composición de fabricación para la fabricación de papel de aproximadamente 0,00005 a aproximadamente 1,25% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en las composición de fabricación, de una partícula de borosilicato, preferentemente un borosilicato coloidal. El borosilicato se puede agregar a las composición de fabricación para la fabricación de papel junto con un floculante polímero no iónico, catiónico o aniónico. El floculante se puede agregar antes o después del borosilicato, en una cantidad de aproximadamente 0,001 a aproximadamente 0,5% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en las composición de fabricación. Alternativamente, se puede agregar almidón a las composición de fabricación en lugar de, o además del floculante, en una cantidad de aproximadamente 0,005 a aproximadamente 5,0% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en las composición de fabricación. Si se utiliza almidón, se prefiere un almidón catiónico. Cuando se le usa, el almidón se agrega, preferentemente, en una cantidad de aproximadamente 0,05 a 1,5% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en las composición de fabricación. En todavía otra alternativa, se puede agregar un coagulante a las composición de fabricación en lugar de, o además del floculante y/o el almidón, en una cantidad de aproximadamente 0,005 a aproximadamente 1,25% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en las composición de fabricación. Preferentemente, el coagulante se agrega en una cantidad de aproximadamente 0,025 a aproximadamente 0,5% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en las composición de fabricación.
La dosificación del floculante polímero en cualquiera de las realizaciones anteriores es, preferentemente, de 0,005 a aproximadamente 0,2 por ciento en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en las composición de fabricación. La dosificación del borosilicato es, preferentemente, de aproximadamente 0,005 a aproximadamente 0,25 por ciento en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en las composición de fabricación y, de forma especialmente preferida, de aproximadamente 0,005 a aproximadamente 0,15% en peso de fibra en las composición de fabricación.
Se debe señalar que dado que esta invención es aplicable a un amplio intervalo de categorías de papel y composición de fabricación, los porcentajes indicados anteriormente pueden variar ocasionalmente. Se encuentra dentro del espíritu e intención de la invención que puedan realizarse estas variaciones con respecto a los porcentajes anteriormente indicados sin apartarse de la invención, y estos valores porcentuales se ofrecen sólo como orientación para los expertos en la técnica.
En cualquiera de las anteriores realizaciones, se pueden agregar también bentonita, talco, arcillas sintéticas, hectorita, caolín, o mezclas de los mismos en cualquier punto del sistema de fabricación de papel, antes de la formación de la hoja. El punto de adición preferido es el de la pasta de stock grueso antes de la dilución con aguas blancas. Esta aplicación tiene como resultado una mayor limpieza de la operación de fabricación de papel que, de lo contrario, experimenta depósitos hidrófobos que afectan tanto a la productividad como a la calidad del papel.
Adicionalmente, cualquiera de las realizaciones anteriores se puede aplicar a las composición de fabricación para la fabricación de papel, seleccionadas del grupo consistente en papel fino (que, tal como se usa en este documento, incluye materiales basados en fibras vírgenes así como en fibras recicladas), cartón (que, tal como se usa en este documento, incluye "test liners" basados en fibras recicladas y medio corrugado, así como materiales basados en fibras vírgenes), y papel de periódico (que, tal como se usa en este documento, incluye composición de fabricación para revistas así como material basado tanto en fibras vírgenes como en fibras recicladas), u otros materiales de celulosa. Estas composición de fabricación incluyen aquéllas que contienen madera, libres de madera, vírgenes, recicladas blanqueadas, recicladas sin blanquear, y sus mezclas.
Por lo general, el papel o el cartón se fabrica a partir de una suspensión o mezcla de composición de fabricación de material de celulosa en un medio acuoso, en donde dicha mezcla de composición de fabricación se somete a una o múltiples etapas de cizallamiento, en las que dichas etapas son, generalmente, una etapa de limpieza, una etapa de mezclado y una etapa de bombeo y, a continuación, la suspensión se somete a drenaje para formar una hoja, la cual se seca entonces hasta la concentración de agua deseada, generalmente baja. Los materiales de borosilicato descritos en este documento se pueden agregar a las composición de fabricación antes o después de una etapa de cizallamiento.
Además de las aplicaciones auxiliares de retención y drenaje descritas anteriormente, los materiales de borosilicato se pueden usar junto con resinas de catiónicas de resistencia en húmedo convencionales para mejorar la resistencia en húmedo de la hoja de celulosa tratada de esta forma. Cuando se le utiliza de esta forma, el borosilicato se agrega a las composición de fabricación antes de la colocación de las composición de fabricación, que contienen la resina de resistencia en húmedo, en la máquina de fabricar papel. Por lo general, el borosilicato se usa en los niveles expuestos anteriormente.
Se ha observado que el borosilicato descrito en este documento potencia significativamente el rendimiento de los floculantes y de las ayudas de retención polímeros sintéticos, así como del almidón en el proceso de fabricación de papel. Adicionalmente, se cree que los materiales de borosilicato son útiles como aditivos en procedimientos de separación de sólidos/líquidos tales como pretratamiento con agua, y en las aplicaciones de tratamiento de aguas residuales. Los borosilicatos, además de potenciar el drenaje y la retención en el papel de periódico, papel fino, cartón y otras categorías de papel, pueden tener utilidad también en el control de depósitos indeseables en las pastas de papel ("pitch") y grumos ("stickles") en la fabricación de papel, deshidratación de la pasta en la producción de pasta "dry-lap", aplicaciones de conservación global y de clarificación en pasta y papeleras, clarificación de agua, flotación por aire disuelto y deshidratación del fango. Las composiciones descritas en este documento pueden ser de utilidad también en la separación de sólidos/líquidos o en la rotura de emulsiones. Ejemplos de estas aplicaciones son la deshidratación del fango municipal, clarificación y deshidratación de suspensiones minerales acuosas, rotura de emulsiones de refinado, y similares. El rendimiento superior que se registra con el uso de las partículas de borosilicato en combinación con polímeros sintéticos y/o almidón incluye una mayor retención, mejora del drenaje y mejora de la separación de sólidos/líquidos y, a menudo, una reducción de la cantidad de polímero o almidón usado para lograr el efecto deseado.
Los programas de retención de micropartículas se basan en la restauración de los copos formados originalmente, degradados por l cizallamiento. En tales aplicaciones, el floculante se agrega antes al menos de un punto de alto cizallamiento, seguido de la adición de micropartículas inmediatamente antes de la parte de la máquina de fabricación de papel que distribuye de manera más uniforme la pasta que recibe de la refinadora ("headbox"). De forma típica, se agregará un floculante antes de las pantallas de presión, seguido de la adición de micropartículas después de las pantallas. Sin embargo, en este documento se contempla un método en el que este orden se puede invertir. Los copos secundarios formados por la adición de micropartículas dan como resultado una mayor retención y drenaje, sin afectar negativamente a la formación de la hoja. Esto permite un mayor contenido de cargas en la hoja, elimina la condición de doble cara de la hoja, e incrementa el drenaje y la velocidad de la máquina en la fabricación de papel.
El uso de un ligero exceso de floculante polímero y/o coagulante se considera necesario para garantizar que los subsiguientes resultados del cizallamiento tengan como consecuencia la formación de microcopos que contienen o son portadores de suficiente polímero para hacer que al menos partes de sus superficies estén cargadas positivamente, aun cuando no es necesario que la totalidad de la composición de fabricación esté cargada positivamente. De esta forma, el potencial zeta de la composición de fabricación, tras la adición del polímero y después de la etapa de cizallamiento, puede ser catiónico o aniónico.
El cizallamiento se puede proporcionar por medio de un dispositivo en el aparato usado con otros fines, tal como una bomba de mezcla, bomba de ventilación o depurador "centriscreen", o se puede insertar en el aparato una mezclador de cizallamiento u otra etapa de cizallamiento con el fin de proporcionar cizallamiento y, preferentemente, un alto grado de cizallamiento, subsiguiente a la adición del polímero.
Los floculantes utilizados en la aplicación de esta invención son polímeros solubles o dispersables en agua, de alto peso molecular, que pueden tener una carga catiónica o aniónica. También se pueden usar polímeros de alto peso molecular no iónicos. Estos polímeros pueden ser completamente solubles en el sistema de fabricación de papel o, de manera alternativa, pueden ser fácilmente dispersables. Pueden tener una estructura ramificada o reticulada, con la condición de que no formen "ojos de pescado" objetables, los llamados grumos de polímero no disuelto en el papel terminado. Los polímeros de este tipo se encuentran disponibles en múltiples fuentes comerciales. Están disponibles como sólidos secos, soluciones acuosas, emulsiones de agua en aceite que, cuando se agregan al agua permiten que el polímero contenido en las mismas se disuelva rápidamente, o como dispersiones del polímero soluble o dispersable en agua en soluciones acuosas de salmuera. La forma del floculante de alto peso molecular utilizado en este documento no se considera crítica en tanto en cuanto el polímero sea soluble o dispersable en la composición de fabricación.
Tal como se ha establecido anteriormente, los polímeros pueden ser catiónicos, aniónicos o no iónicos. Los floculantes polímeros catiónicos de utilidad en este documento son, por lo general, polímeros de adición de vinilo, de alto peso molecular, que incorporan un grupo catiónico funcional. Estos polímeros son, generalmente, homopolímeros de monómeros de vinilo, hidrosolubles, o pueden ser copolímeros de un monómero de vinilo catiónico hidrosoluble con un monómero no iónico tal como acrilamida o metacrilamida. Los polímeros pueden contener sólo un monómero de vinilo catiónico, o pueden contener más de un monómero de vinilo catiónico. De manera alternativa, ciertos polímeros pueden estar modificados o derivatizados tras la polimerización, tal como la poliacrilamida por la reacción de Mannich para producir un polímero de vinilo catiónico de utilidad en esta invención. Los polímeros pueden estar preparados a partir desde un mínimo de 1 por ciento en moles de monómero catiónico hasta 100 por ciento en moles de monómero catiónico, o a partir de un grupo funcional modificado catiónicamente en un polímero modificado después de la polimerización. Muy a menudo, los floculantes catiónicos tendrán al menos 5 por ciento en moles de monómero o grupo funcional de vinilo catiónico y, de forma especialmente preferida, al menos 10 por ciento en peso de monómero o grupo funcional de vinilo catiónico.
Monómeros de vinilo catiónico adecuados, que son de utilidad en la preparación de copolímeros y homopolímeros de adición de vinilo, cargados catiónicamente, son bien conocidos por los expertos en la técnica. Estos materiales incluyen: metacrilato de dimetilamino-etilo (DMAEM), acrilato de dimetilamino-etilo (DMAEA), acrilato de dietilamino-etilo (DEAEA), metacrilato de dietilamino-etilo (DEAEM), o sus formas de amonio cuaternario preparadas con sulfato dimetílico o cloruro metílico, poliacrilamidas modificadas por la reacción de Mannich, hidrocloruro de dialil-ciclohexilamina (DACHA HCl), cloruro de dialil-dimetilamonio (DADMAC), cloruro de metacrilamido-propil-trimetilamonio (MAPTAC) y alil amina (ALA). En este documento también se puede usar almidón cationizado como floculante. El floculante seleccionado puede ser una mezcla de los indicados anteriormente, o una mezcla de los indicados anteriormente con un almidón catiónico. Los expertos en la técnica de programas de retención basados en polímeros catiónicos apreciarán fácilmente que la selección de un polímero determinado depende de la composición de fabricación, la carga, la categoría y la calidad del agua.
Los floculantes aniónicos de alto peso molecular que pueden ser útiles en esta invención son, preferentemente, polímeros de vinilo solubles o dispersables en agua, que contienen 1 por ciento en moles o más de un monómero que tiene una carga aniónica. En consecuencia, estos polímeros pueden ser homopolímeros o monómeros de vinilo hidrosolubles, cargados aniónicamente, o copolímeros de estos monómeros con, por ejemplo, monómeros no iónicos tales como acrilamida o metacrilamida. Ejemplos de monómeros aniónicos apropiados incluyen ácido acrílico, metacrilamida, sulfonato de 2-acrilamida-2-metilpropano (AMPS) y sus mezclas, así como sus correspondientes sales de metal alcalino y amonio, solubles o dispersables en agua. Los polímeros aniónicos de alto peso molecular útiles en esta invención pueden ser también polímeros de acrilamida hidrolizada o copolímeros de acrilamida, o sus homólogos tales como metacrilamida, con ácido acrílico o sus homólogos tales como ácido metacrílico, o con polímeros de tales monómeros de vinilo como ácido maleico, ácido itacónico, ácido vinilsulfónico, u otros monómeros que contienen sulfonato. Los polímeros aniónicos pueden contener grupos funcionales sulfonato o fosfonato, o mezclas de los mismos, y se pueden preparar por derivatización de polímeros o copolímeros de poliacrilamida o polimetacrilamida. Los floculantes aniónicos de alto peso molecular más preferidos son copolímeros de ácido acrílico/acrilamida, y polímeros que contienen sulfonatos tales como los preparados por la polimerización de monómeros tales como sulfonato de 2-acrilamida-2-metilpropano, sulfonato de acrilamido metano, sulfonato de acrilamido etano y sulfonato de 2-hidroxi-3-acrilamida propano con acrilamida u otro monómero de vinilo no iónico. Cuando se utilizan en este documento, los polímeros y copolímeros de monómero de vinilo aniónico pueden contener desde un mínimo de 1 por ciento en moles del monómero cargado aniónicamente y, preferentemente, al menos 10 por ciento en moles del monómero aniónico. Una vez más, la elección para usar un polímero aniónico en particular dependerá de la composición de fabricación, carga, calidad del agua, categoría de papel, y similares.
En tanto que la mayor parte de los programas de micropartículas tienen un buen rendimiento sólo con un floculante catiónico de alto peso molecular, los presentes inventores han observado efectos sorprendentes con el uso de las partículas de borosilicato descritas en este documento con floculantes aniónicos e hidrosolubles, de alto peso molecular, con la adición de un coagulante catiónico.
Floculantes no iónicos útiles en esta invención se pueden seleccionar del grupo consistente en óxido de polietileno y poli(met)acrilamida. Además de lo anterior, puede ser conveniente utilizar en determinados casos los llamados polímeros anfóteros hidrosolubles. Estos polímeros portan en la misma cadena polímera un carga tanto catiónica como aniónica.
Los floculantes polímeros de vinilo no iónicos, catiónicos y aniónicos útiles en este documento tendrán, por lo general, un peso molecular de al menos 500.000 daltons y, preferentemente, pesos moleculares de 1.000.000 daltons y superiores. Los floculantes solubles y/o dispersables en agua de utilidad en este documento pueden tener un peso molecular de 5.000.000 o mayor, por ejemplo, en el intervalo de 10 a 30 millones, o mayor. Los polímeros según la invención pueden ser completamente hidrosolubles cuando se aplican en el sistema, o pueden ser ligeramente ramificados (bidimensionales) o ligeramente reticulados (tridimensionales), con la condición de que los polímeros sean dispersables en agua. Se prefiere el empleo de polímeros que sean completamente hidrosolubles, pero se pueden utilizar polímeros dispersables tales como los descritos en el documento WO 97/16598. Los polímeros de utilidad pueden ser sustancialmente lineales, tal como se define este término en Langley et al., Patente de EE.UU. Nº 4.753.710. El límite superior del peso molecular está determinado por la solubilidad o dispersabilidad del producto resultante en la composición de fabricación para papel.
En la Patente de EE.UU. Nº 4.385.961 se describen, en general, almidones catiónicos o anfóteros útiles en la aplicación de esta invención.
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Los materiales de almidón catiónico se seleccionan, por lo general, del grupo consistente en polímeros de origen natural basados en carbohidratos tales como goma guar y almidón. Los materiales de almidón catiónico que se consideran más útiles en la práctica de esta invención incluyen materiales de almidón derivados del trigo, patata y arroz. A su vez, estos materiales se pueden hacer reaccionar para sustituir los grupos amonio en la estructura básica del almidón, o cationizarlos de acuerdo con el procedimiento indicado por Dondeyne et al., en el documento WO 96/30591. En general, los almidones útiles en esta invención tienen un grado de sustitución (g.s.) de grupos amonio en la molécula de almidón entre aproximadamente 0,01 y 0,05. El g.s. se obtiene haciendo reaccionar el almidón base con cloruro de 3-cloro-2-hidroxipropil-trimetilamonio o cloruro de 2,3-epoxipropil-trimetilamonio para obtener el almidón cationizado. Como se apreciará, está más allá del alcance e intención de esta memoria describir los medios para cationizar los materiales de almidón, y estos materiales de almidón modificado son bien conocidos y se encuentran disponibles fácilmente en diversas fuentes comerciales.
El rendimiento de un floculante en una aplicación determinada puede estar afectado por diversas características de la composición de fabricación de celulosa tales como pH, dureza, potencia iónica y demanda catiónica. La elección del floculante implica tomar en consideración el tipo de carga, densidad de carga, peso molecular y tipo de monómeros, y depende especialmente de la química del agua de la composición de fabricación bajo tratamiento.
En la composición de fabricación de celulosa se pueden cargar otros aditivos, sin interferir de manera sustancial con la actividad de la presente invención. Estos otros aditivos incluyen, por ejemplo, agentes de encolado tales como alumbre y colofonia, agentes de control de los depósitos indeseables de las pastas de papel ("pitch"), extensores, biocidas y similares. La composición de fabricación de celulosa a la que se añade el programa auxiliar de retención que se describe en este documento puede contener también pigmentos y/o cargas tales como dióxido de titanio, carbonato de calcio precipitado y/o triturado, u otras cargas minerales u orgánicas. Puede ser posible, y así lo expresa el espíritu de la invención, que la presente invención se combine con otros así llamados programas de micropartículas tales como bentonita, caolín y soles de sílice. Sin embargo, los datos puestos de manifiesto en este documento demuestran que las partículas de borosilicato superan en rendimiento a estos materiales y su combinación puede proporcionar un nivel de rendimiento menor que el de cada material por separado. No obstante, cuando las papeleras modifican las categorías o las composiciones de fabricación, es posible que, en determinadas situaciones, resulte práctica y deseable la combinación de materiales de borosilicato según la invención con otros micropartículas.
Las micropartículas de borosilicato se pueden utilizar también en combinación con un coagulante, de acuerdo con las enseñanzas de Sofia et al., Patente de EE.UU. Nº 4.795.531.
Sofia describe un programa de micropartículas en el que se utiliza una micropartícula en presencia de un coagulante catiónico y un floculante cargado, de alto peso molecular.
Los materiales de coagulante catiónico que tendrán aplicación en este aspecto de la invención incluyen polialquilen-poliaminas hidrosolubles, de peso molecular bajo a medio, disponibles comercialmente, que incluyen las preparadas por la reacción de una alquileno poliamina con un haluro alquílico difuncional. Los materiales de este tipo incluyen polímeros de condensación preparados a partir de la reacción de dicloruro de etileno y amoniaco, dicloruro de etileno, amoniaco y una amina secundaria tal como dimetilamina, epiclorhidrina-dimetilamina-amoniaco, polietilen-iminas, y similares. También resultarán útiles los polímeros y copolímeros de solución de bajo peso molecular de monómeros de vinilo tales como haluros de dialil-dimetilamonio, en especial cloruro de dialil-dimetilamonio, dialquilamino-acrilatos de alquilo, dialquilamino-acrilatos de alquilo cuaternarios, y similares, en donde "alquilo" representa un grupo que tiene 1-4, preferentemente 1-2 átomos de carbono. Preferentemente, "alquilo" es metilo. Estos monómeros están ejemplificados por materiales tales como acrilato de dimetil-aminoetilo, metacrilato de dimetil-aminoetilo, y sus sales de amonio cuaternario solubles en agua. En determinados casos, se puede emplear almidón catiónico como coagulante. También se pueden usar en esta invención coagulantes inorgánicos, por ejemplo, alumbre y cloruro de polialuminio. La velocidad de uso de coagulantes inorgánicos es, típicamente, de 0,05 a 2 por ciento en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en la composición de fabricación. El uso de un coagulante con las micropartículas de borosilicato es opcional.
El presente método es aplicable a todas las categorías y tipos de productos de papel que contengan las cargas descritas en este documento, y es aplicable, adicionalmente, al uso en todos los tipos de pasta, incluidas, sin limitación, pastas químicas, incluidas pastas de sulfato y sulfito de madera tanto blanda como dura, pastas termomecánicas, pastas mecánicas y pastas de muela ("groundwood").
La cantidad de cualquier carga mineral usada en el procedimiento de fabricación de papel, empleado generalmente en un stock de fabricación de papel, es de aproximadamente 10 a aproximadamente 30 partes en peso de la carga por cada cien partes en peso de fibra seca en la composición de fabricación, pero la cantidad de dicha carga puede ser, en ocasiones, del orden de 5, o incluso 0 partes en peso, y llegar hasta aproximadamente 40, o incluso 50 partes en peso, sobre la misma base.
Los siguientes ejemplos se ofrecen para describir realizaciones y utilidades preferidas de la invención, y no pretenden limitar la invención, a menos que se indique lo contrario, en las reivindicaciones adjuntas a este documento.
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Ejemplo 1-23
Cada uno de los Ejemplos que se muestran en la siguiente Tabla I se preparó usando los siguientes procedimientos generales y variando las cantidades relativas de reactivos.
El ácido silícico se preparó de acuerdo con la enseñanza general de Bechtold et al., documento U.S. 2.574.902. Se diluyó con agua desionizada un silicato sódico disponible comercialmente de OxyChem, Dallas, Tejas, con un contenido en dióxido de silicio de aproximadamente 29% en peso, y un contenido en óxido sódico de aproximadamente 9% en peso, hasta una concentración en dióxido de silicio de 8-9% en peso. Una resina de intercambio catiónico tal como Dowex HGR-W2H o Monosphere 650C, ambas disponibles en Dow Chemical Company, Midland, Michigan, se regeneró hasta la forma H a través del tratamiento con un ácido mineral, según procedimientos bien establecidos. Después de la regeneración, la resina se lavó con agua desionizada para garantizar la eliminación total de un exceso de regenerador. La solución diluida de silicato se hizo pasar, entonces, a través de una columna de la resina regenerada y lavada. Se recolectó el ácido silícico resultante.
Simultáneamente, se combinó una cantidad apropiada de solución de bórax (tetraborato sódico decahidrato de categoría reactivo) con una cantidad adecuada de hidróxido sódico acuoso para formar un "talón" para la reacción. Opcionalmente, se puede agregar agua al talón para garantizar un volumen adecuado durante las primeras etapas de formación.
A continuación, se agregó ácido silícico recién preparado al "talón", con agitación a temperatura ambiente. La agitación se continuó durante 60 minutos después de finalizar la adición de ácido silícico. El borosilicato coloidal resultante se puede utilizar de inmediato, o almacenar para un uso posterior. La tabla siguiente indica las cantidades de ácido silícico, hidróxido sódico y tetraborato sódico decahidrato (bórax), así como el pH.
TABLA I
1
Los compuestos disponibles comercialmente que se definen en la siguiente Tabla II se utilizan en todos los Ejemplos siguientes. Salvo que se indique lo contrario, todos ellos están disponibles en Nalco Chemical Company, One Nalco Center, Naperville, Illinois 60563-1198.
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TABLA II
2 
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A continuación, se describe la preparación del Ejemplo 9 que figura en la Tabla I. A efectos de comparación se preparó un control. Esto equivale a llevar a cabo la reacción sin bórax en el "talón". Se preparó una sílice coloidal tomando 9,68 g de un silicato sódico comercial , que se diluyó con 22 g de agua. La mezcla se agitó con una varilla magnética y se llevó a temperatura ambiente, es decir, 25ºC. Seguidamente, se agregó ácido silícico, 249 g, con una densidad específica de 1,047, durante un período de 40 minutos. Una vez agregada la totalidad del ácido silícico a la mezcla de reacción, se prosiguió la agitación durante una hora adicional. La sílice coloidal formada contuvo 8,26% en peso de SiO_{2}.
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TABLA III
3 
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Ejemplo 24 Mezcla de sol de sílice coloidal y bórax
Se preparó un control de "mezcla simple" mezclando una sílice coloidal, disponible comercialmente, con bórax. Se preparó una mezcla a temperatura ambiente, consistente en 50 g de solución 0,1M de bórax, 92,3 g de agua, y 82 g de Nalco 8671. El pH de la solución se ajustó con ácido clorhídrico concentrado a 9,5. La relación molar de boro a silicio fue de 0,098, en tanto que la relación molar de sodio a silicio fue de 0,049.
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Ejemplo 25
(Ejemplo 3 de la Patente de EE.UU. Nº 4.954.220)
Se analizó un microgel de polisilicato aniónico, según se describe en la Patente de EE.UU. Nº 4.954.220 de Rushmere, Ejemplo 3. El propósito del ejemplo en la citada patente fue demostrar que ciertas sales iónicas inducen la formación de un microgel de ácido polisilícico. Estas sales se seleccionan de forma que el pH de una solución de silicato sódico se ajusta en el intervalo del pH inestable. Se preparó una solución al 5% en peso de bórax a partir de 5 g de ortoborato sódico decahidrato y 95 g de agua. Se preparó una solución de silicato sódico al 3,75% a partir de 12,5 g de un silicato sódico disponible comercialmente, que contuvo 29,3% como dióxido de silicio y 9,0% como óxido sódico, y 87,5 g de agua. Siguiendo las instrucciones de la patente mencionada, se mezclaron 60 g de la solución de bórax al 5% con 40 g de la solución diluida de silicato sódico. La mezcla se dejó reposar durante 8 minutos, tiempo tras el cual se diluyó adicionalmente a 0,125% en peso como dióxido de silicio. Se confirmó repetidamente en el laboratorio de los presentes inventores que la solución de dióxido de silicio al 1,5% de microgel de ácido polisilícico gelificó tras reposar durante 23 minutos. La relación molar de boro a silicio fue de 1,24. De forma similar, la relación molar de sodio a silicio fue de 1,2. Los sólidos del producto final fueron activos de 0,125% en peso.
Ejemplo 26 Solución de Bórax
Se preparó una solución en blanco, exenta de sílice, para el estudio, utilizando 100 ml de una solución 0,1M de bórax, 48,6 ml de solución 1M de NaOH, y 300 ml de agua. El pH de la solución fue 13.
Se utilizaron los siguientes protocolos de ensayo para llevar a cabo los experimentos que se exponen a continuación.
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Preparación de Composiciones de Fabricación Estándares Sintéticas
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Composición de Fabricación Alcalina - La composición de fabricación alcalina tiene un pH de 8,1 y está compuesta por 70% en peso de fibra de celulosa y 30% en peso de carga, diluida hasta una consistencia global de 0,5% en peso, usando agua de formulación sintética. La fibra de celulosa consiste en 60% en peso de Craft de madera dura blanqueada y 40% en peso de Craft de madera blanda blanqueada. Éstas se preparan a partir de "dry lap" golpedas por separado hasta un valor de Ausencia Estándar Canadiense (CSF) en el intervalo de 340 a 380 CSF. La carga fue un carbonato de calcio triturado, comercial, aportado en forma anhidra. El agua de formulación contuvo 200 cpm de dureza cálcica (agregada como CaCl_{2}), 152 ppm de dureza de magnesio (agregada como MgSO_{4}), y 110 ppm de alcalinidad de bicarbonato (agregado como NaHCO_{3}).
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Composición de Fabricación Ácida - La composición de fabricación ácida consistió en la misma relación ponderal de Craft blanqueado de madera dura/madera blanda, es decir, 60/40. El total de sólidos de la composición de fabricación comprendió 92,5% en peso de fibra de celulosa y 7,5% en peso de carga. La carga fue una combinación de 2,5% en peso de dióxido de titanio y 5,0% en peso de arcilla de caolín. Aditivos adicionales incluyeron alumbre, dosificado a 9,1 kg de activos por tonelada de sólidos secos. El pH de la composición de fabricación se ajustó con 50% de ácido sulfúrico, de modo que el pH de la composición de fabricación fue de 4,8 después de la adición de alumbre.
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Ensayo de la Jarra de Britt
El ensayo de la Jarra de Britt utilizó un dispositivo de Drenaje Dinámico Britt CF, desarrollado por K. W. Britt, de la Universidad de Nueva York, que consiste, por lo general, en una cámara superior con una capacidad de aproximadamente 1 litro, y una cámara de drenaje inferior, donde las cámaras están separadas por una pantalla de soporte y una pantalla de drenaje. Debajo de la cámara de drenaje hay un tubo flexible, que se extiende hacia abajo, equipado con pinzas para su cierre. La cámara superior dispone de una hélice de 3 palas, de 5 cm para crear condiciones de cizallamiento controlado en la cámara superior. El ensayo se realizó de acuerdo con la siguiente secuencia:
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TABLA IV
4
TABLA V
5
En todos los casos anteriores, el almidón usado fue Solvitose N, un almidón de patata catiónico, disponible comercialmente en Nalco. En el caso de la composición de fabricación alcalina, el almidón catiónico se introdujo a 4,54 kg/ton en peso seco de sólidos de la composición de fabricación o 0,50 partes en peso por cada 100 partes de sólidos secos de stock, en tanto que el floculante se agregó al ritmo de 2,72 kg/ton en peso seco de sólidos de la composición de fabricación, o 0,30 partes en peso por cada 100 partes de sólidos secos de stock. En el caso de la composición de fabricación ácida, las dosificaciones de adición fueron: 9,07 kg/ton en peso seco de sólidos de la composición de fabricación de alumbre activo (es decir, 1,00 partes en peso por cada 100 partes de sólidos secos de stock), 4,54 kg/ton de peso seco de sólidos de la composición de fabricación, o 0,50 partes en peso por cada 100 partes de sólidos secos de stock de almidón catiónico, y el floculante se agregó a un ritmo de 2,72 kg/ton de peso seco de sólidos de la composición de fabricación, o 0,30 partes en peso por cada 100 partes de sólidos secos de stock.
El material drenado de esta forma de la Jarra de Britt (el "filtrado") se recoge y se diluye con agua para proporcionar una turbidez que se puede medir de manera sencilla. Se determina, entonces, la turbidez de este filtrado diluido, medida en Unidades de Turbidez Nefelométricas o NTU. La turbidez de estos filtrados en inversamente proporcional al rendimiento de retención de la fabricación de papel; cuanto más bajo es el valor de turbidez, mayor es la retención de cargas y/o finos. Los valores de turbidez se determinaron usando un turbidímetro Hach. En algunos casos, en lugar de medir la turbidez, se determinó la Transmitancia % (%T) de la muestra, usando un fotómetro DigiDisc. La transmitancia es directamente proporcional al rendimiento de retención de la fabricación de papel: cuanto más alto es el valor de transmitancia, mayor es el valor de retención.
SLM (Microscopia Láser de Barrido)
La Microscopia Láser de Barrido empleada en los siguientes ejemplos se describe en la Patente de EE.UU. Nº 4.871.251, emitida a Preikschat, F.K. y E (1989), y consiste, generalmente, en una fuente láser, elementos ópticos para trasmitir la luz incidental y recoger la luz dispersa de la composición de fabricación, un fotodiodo, y hardware de análisis de la señal. Instrumentos comerciales están disponibles en Lasentec®, Redmont, Washington.
El experimento consiste en tomar 300 ml de suspensión que contienen fibras de celulosa y depositarlos en un matraz de mezclado apropiado. Se proporciona el cizallamiento a la composición de fabricación a través del motor y hélice de velocidad variable. La hélice se sitúa a una distancia fija de la ventana de la muestra para garantizar el movimiento de la suspensión a través de dicha ventana. A continuación, se muestra una secuencia típica de dosificación.
TABLA VI
6
La variación de la longitud media de la cuerda de los copos presentes en la composición de fabricación se relaciona con el rendimiento de retención de la fabricación de papel: cuanto mayor es la variación inducida por el tratamiento, mayor es el valor de retención.
Medición de Área de Superficie
El área de superficie de la que se informa en este documento se obtiene midiendo la adsorción de base en la superficie de las partículas de sol. El método está descrito por Sears en Analytical Chemistry, 18(12), 1981-1983 (1956). Tal como indica Iler ("The Chemistry of Silica", John Wiley & Sons, 1979, 353), es el "valor para comparar áreas de superficie relativas de tamaños de partícula en un sistema determinado, que se puede estandarizar". En pocas palabras, el método comprende la titulación de los grupos silanol superficiales con una solución estándar de hidróxido sódico, de una cantidad conocida de sílice (es decir, gramos), en una solución saturada de cloruro sódico. El volumen resultante de titulador se convierte en área de superficie.
Determinación del Valor S
Otra característica de los coloides en general es la cantidad de espacio ocupado por la fase dispersa. R. Iler y R. Dalton desarrollaron por primera vez un método para determinarlo, que publicaron en J. Phys. Chem., 60 (1956), 955-957. En sistemas de sílice coloidal, los autores demostraron que el valor S está relacionado con el grado de agregación formado en el interior del producto. Un valor S bajo indica que un volumen mayor está ocupado por el mismo peso de sílice coloidal.
Medición del Tamaño de Partícula DLS
La Dispersión Dinámica de la Luz (DLS) o Espectroscopia de Correlación Fotónica (PCS) se ha utilizado para medir el tamaño de partícula en la categoría de sub-micrómetros desde el año 1984. En la publicación "Modern Methods of Particle Size Analysis", H. Barth, editor, Wiley, Nueva York, 1984 se lleva a cabo un primer enfoque sobre este tema. El método consiste en filtrar un pequeño volumen de la muestra a través de un filtro de membrana de 0,45 micrómetros para eliminar la contaminación ocasional tal como polvo o suciedad. A continuación, la muestra se deposita en una cubeta que, a su vez, se coloca en el camino de un rayo láser enfocado. La luz dispersa se recoge a 90º con respecto al rayo incidental y se analiza para dar el tamaño de partícula medio. En el trabajo presente se utilizó una unidad Coulter® N4, disponible comercialmente en Coulter Corporation, Scientific Instruments.
Los siguientes ejemplos muestran los resultados de una comparación entre las composiciones de borosilicato coloidal según la invención y la técnica anterior en distintas composiciones de fabricación para papel.
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Resultados de la Jarra de Britt Composición de Fabricación Alcalina
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Resultados de la Jarra de Britt Composición de Fabricación Alcalina
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Resultados de la Jarra de Britt Composición de Fabricación Ácida
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Resultados de la Jarra de Britt Composición de Fabricación Ácida
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Resultados de la Jarra de Britt Composición de Fabricación Ácida
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Resultados de la Jarra de Britt Composición de Fabricación Ácida
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Datos SLM Composición de Fabricación Ácida
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Datos SLM Composición de Fabricación Alcalina
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Ejemplo 27
El trabajo siguiente se llevó a cabo sobre un papel fino alcalino, comercial, compuesto por fibras vírgenes de madera dura, blanqueado al 100%. El contenido en cenizas fue de 8% a través de carbonato de calcio precipitado. La consistencia se estableció en 1%. La composición de fabricación contuvo también recortes reciclados.
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Datos SLM Papel Fino Alcalino Comercial
16 
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Datos SLM Composición de Fabricación Alcalina
17 
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Datos SLM Composición de Fabricación Alcalina
18 
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Ejemplo 28
Los datos siguientes se recopilaron usando una composición de fabricación alcalina, preparada usando pasta "dry-lap" de madera dura y blanda europeas. La preparación es conforme a la anteriormente descrita como composición de fabricación alcalina "estándar". La composición de fabricación alcalina tiene un pH de 8,1 y está compuesta por 70% en peso de fibras de celulosa y 30% en peso de carga, diluidas hasta una consistencia global de 0,5% en peso, usando agua de formulación sintética. La fibra de celulosa consiste en 60% en peso de Craft de madera dura europea, blanqueada, y 40% en peso de Craft de madera blanda europea, blanqueada. Éstas se preparan a partir de pasta "dry-lap" golpeada por separado hasta un valor de Ausencia Estándar Canadiense en el intervalo de 340 a 380 CSF. La carga fue un carbonato de calcio triturado, comercial, suministrado en forma anhidra. El agua de formulación contuvo 200 ppm de dureza de calcio (agregada como CaCl_{2}), 152 ppm de dureza de magnesio (agregada como MgSO_{4}), y 110 ppm de alcalinidad de bicarbonato (agregado como NaHCO_{3}).
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Resultados de la Jarra de Britt Composición de Fabricación Alcalina Europea
19 
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Resultados de la Jarra de Britt Composición de Fabricación Alcalina Europea
20 
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Datos SLM Composición de Fabricación Alcalina Europea
21 
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Ejemplo 29
La siguiente composición de fabricación, una composición de fabricación europea comercial, se utiliza para preparar papel fino alcalino recubierto. La composición de fabricación consiste en 50% de fibras de celulosa, es decir, fibra Craft blanqueada al 100%, y 50% de carga. La carga es carbonato de calcio triturado. La composición de fabricación tiene un pH de 7,4 y una consistencia global de 1,5%. Los protocolos de ensayo de la Jarra de Britt y SLM consistieron en las secuencias siguientes:
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Composición de Fabricación Alcalina Europea Comercial
22 
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Resultados de la Jarra de Britt Composición de Fabricación Alcalina Europea
23 
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Datos SLM Composición de Fabricación Alcalina Europea
24 
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Ejemplo 30
La siguiente composición de fabricación, una composición de fabricación europea comercial, es una composición de fabricación ácida compuesta por 40% de fibra TMP consiste en blanqueada con sulfito y no blanqueada, 40% es fibra Craft y, el resto, recortes. La carga es arcilla de caolín. El producto final es una categoría LWC (es decir, Recubierto de Peso Ligero). En particular, el pH de la composición de fabricación fue de 4,8, con una consistencia de 0,71%. Los protocolos de ensayo de la Jarra de Britt y SLM consistieron en las secuencias siguientes:
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Composición de Fabricación TMP Ácida Europea Comercial
26 
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Resultados de la Jarra de Britt Composición de Fabricación TMP Ácida Europea
27 
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Datos SLM Composición de Fabricación TMP Ácida Europea
28
La secuencia es la misma, sin embargo, variaron las dosificaciones de polímeros. Se agregó alumbre a 6,7 kg/t, almidón catiónico a 5,0 kg/t, el coagulante se agregó a 5,0 kg/t, el floculante se agregó a 0,66 kg/t inmediatamente antes de agregar la micropartícula a 2,0 kg/t.
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Ejemplo 31
La siguiente composición de fabricación, una composición de fabricación europea comercial, es una composición de fabricación alcalina. La composición de fabricación alcalina consiste en 32% de fibra Craft, 48% de recortes y 20% de cenizas. La fibra Craft consiste en 63% de pasta Craft de madera dura y 37% de madera blanda. El 20% de cenizas está compuesto por componentes iguales de carbonato de calcio precipitado y triturado. El pH de la composición de fabricación fue de 8,25, con una consistencia de 1,2%. El protocolo de ensayo de SLM consistió en la secuencia siguiente: a los 30 segundos, se agregó el coagulante, Polímero "C", a 1,0 kg/t; a continuación, 30 segundos después de agregó el floculante, Polímero "F", a 0,5 kg/t; y el último aditivo fue la micropartícula a los 90 segundos y a
1,0 kg/t.
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Datos SLM Composición de Fabricación Alcalina Europea
29
Ejemplo 32
La siguiente composición de fabricación, una composición de fabricación europea comercial, se utiliza para preparar una hoja neutra, recubierta y que contiene madera. La composición de fabricación consistió en CTMP, recortes y algo de pasta Craft. El pH de la composición de fabricación fue de 7,5, con una consistencia de 0,7%. De ésta, alrededor de 20% es ceniza. El protocolo de ensayo SLM consistió en la siguientes secuencia: inicio con almidón catiónico a 8 kg/t; a los 60 segundos, el coagulante, Polímero "C", agregado a 4,8 kg/t; a continuación, 30 segundos más tarde, se agregó el floculante, Polímero "E", a 0,9 kg/t; y el último aditivo fue la micropartícula a los 120 segundos y a 2,0 kg/t.
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Datos SLM Composición de Fabricación CTMP Europea
30 
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Se pueden efectuar cambios en la composición, operación y disposición del método de la presente invención descrita en este documento, sin apartarse del concepto y alcance de la invención, según se define en las reivindicaciones siguientes.

Claims (9)

1. Un método para la fabricación de una hoja de celulosa, que comprende:
a)
formar una composición de fabricación de celulosa que contiene de 0,01 a 1,5% en peso de fibra de celulosa;
b)
agregar a la composición de fabricación:
(i)
de 0,00005 a 1,25% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en la composición de fabricación, de un borosilicato, que tiene una relación molar de boro a silicio de 1:1000 a 100:1, una relación molar de metal alcalino a silicio de 6:1000 a 1,04:1, un tamaño de partícula de 1 a 2000 nm; y un área de superficie de 15 a 3000 m^{2}/g; y
(ii)
de 0,01 a 0,5% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en la composición de fabricación, de un floculante polímero sustancialmente hidrosoluble, que tiene un peso molecular mayor que 500.000 daltons; y, a continuación,
c)
deshidratar dicha composición de fabricación para obtener una hoja de celulosa.
2. El método según la reivindicación 1, en el que el borosilicato es borosilicato coloidal.
3. El método según la reivindicación 2, en el que el borosilicato tiene:
a.
una relación molar de boro a silicio de 1:100 a 2:5;
b.
una relación molar de metal alcalino a silicio de 6:1000 a 1,04:1;
c.
un tamaño de partícula de 1 nm a 200 nm; y
d.
un área de superficie de 250-3000 m^{2}/g.
4. El método según la reivindicación 2, en el que el borosilicato tiene:
a.
una relación molar de boro a silicio de 1:100 a 2:5;
b.
una relación molar de metal alcalino a silicio de 6:1000 a 1,04:1;
c.
un tamaño de partícula de 20-80 nm; y
d.
un área de superficie de 700-3000 m^{2}/g.
5. El método según la reivindicación 4, en el que la hoja de celulosa se selecciona del grupo consistente en papel fino, cartón, y papel de periódico.
6. El método según la reivindicación 4, en el que el borosilicato coloidal se agrega después del floculante.
7. El método según la reivindicación 4, que comprende, adicionalmente, la etapa adicional de agregar un coagulante catiónico a la composición de fabricación antes de agregar el floculante a la composición de fabricación.
8. El método según la reivindicación 3, en el que el borosilicato coloidal se agrega después del floculante.
9. El método según la reivindicación 4, que comprende, adicionalmente, la adición de un material seleccionado del grupo consistente en bentonita, caolín, hectorita, talco, y mezclas de los mismos.
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