NO793033L - Blanding for flokkulering av fyllstoffer for papirfremstilling - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører blandinger for anvendelse ved fremstilling av papir og som inneholder mineralske fyllstoffer som leire, litopon, bariumsulfat, titanpigmenter, talkum, kalsiumsulfat og kalsiumkarbonat, f.eks. i form av kritt-fyllstoff. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen slike blandinger som også inneholder en stivelse.

Slike mineralske fyllstoffer inkluderes i utrustningen for fremstilling av forskjellige typer av papir. Ettersom an-delen av fyllstoff i forhold til cellulose øker, øker også opasiteten av papirproduktet, men styrkeegenskapene vil gjerne bli dårligere og fyllstoffene vil videre ha tendens til å gå tapt i det vann som renner fra den våt-dannede papirbane, slik at det er vanlig å tilsette såkalte retensjons-hjelpemidler. Disse er vanligvis polymerer med høy molekyl-vekt, spesielt organiske polyelektrolytter, som har tendens til å flokkulere fyllstoffpartiklene og cellulosefibrene sammen.

Det er tidligere foreslått å tilveiebringe en forhåndsflokkulert fyllstoffblanding, dvs. en blanding hvori fyllstoffet i vandig suspensjon følges av et flokkuleringsmiddel som modifiserer tilstanden av og i enkelte tilfeller den effektive partikkelstørrelse av fyllstoffet før blandingen innføres i papirutrustningen. En slik forhåndsflokkulert fyllstoffblanding har en forbedret evne til å flokkulere på fibrene, muliggjør at det kan oppnås høyere innhold av, fyllstoff eller pigment i papiret mens god styrke, optiske og andre papiregenskaper samtidig bibeholdes.

Det er også kjent å tilsette såkalte for-gelatiniserte stivelser ved våtenden av maskinen for å forbedre styrken av papiret, men disse konvensjonelle pre-gelatinerte stivelser kan bare finne begrenset anvendelse i papir-industrien på grunn av deres dårlige retensjonsegenskaper,

og de medfølgende biologiske oksygene behov-problemer i

avvannsstrømmen• Disse stivelser kan imidlertid fåes til forholdsvis lav pris.

Det er et formål for den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en forbedret vandig fyllstoffblanding av den forhåndsflokkulerte type, som fremviser forbedret retensjon i den våtdannede papirbane mens de ønskede egenskaper i det tørkede ark opprettholdes. Det er et ytterligere formål for oppfinnelsen å tilveiebringe en flokkuleringsmiddel-blanding, inneholdende en organisk polyelektrolytt for anvendelse ved fremstillingen av den ovennevnte forbedrede fyllstoffblanding.

Oppfinnelsen tilveiebringer de ovennevnte fordeler generelt ved inkludering av en stivelse, spesielt en kaldtvanns-oppløselig stivelse, i den flokkuleringsmiddel-blanding som anvendes ved fremstillingen av fyllstoffet. Innblandingen av stivelse i vandige suspensjoner inneholdende organiske polyelektrolytter medfører vanskeligheter som stort sett kan omtales som et fortykningsfenomen, men det er funnet at midler som er i stand til å begrense dette fenomen kan anvendes med god virkning. Det er videre funnet at en blanding inneholdende et slikt middel, en stivelse og en organisk polyelektrolytt muliggjør anvendelse av en ny teknikk for fremstilling av det forhåndsflokkulerte fyll-stoffsystem.

Hittil er forhåndsflokkulerte systemer oppnådd ved separat oppløseliggjøring av den flokkulerende polymer, som f.eks. en organisk polyelektrolytt med flokkuleringsmiddel-egenskaper, i vann og som så tilsettes til fyllstoffet i disper-sjonsform. Det er funnet at når stivelse bringes i kontakt i vandig suspensjon méd en organisk polyelektrolytt, som f.eks. et polyakrylamid-flokkuleringsmiddel eller retensjons-hjelpemidler, vil det opptre en samvirkning med polyelektrolytten, slik at det vil oppnås viskoelastiske egenskaper som

ville være vanskelige å håndtere hvis en slik suspensjon skulle anvendes i papirfremstillings-målestokk. Oppfinnelsen kan imidlertid anvendes for den separate opp-løseliggjørings-teknikk med forhåndsflokkulering.

Det er videre funnet en polymerblanding inneholdende stivelse og som kan tilsettes i tørr form direkte til fyllstoff-dispersjonen, som sterkt forenkler forhårids-flokkuleringsprosessen og letter betjeningen av store papirmaskiner med forhåndsflokkulert fyllstoff. Ved en slik direkte tilsetningsprosess opptrer oppløseliggjøring og flokkulering samtidig, og dette ville uten den foreliggende oppfinnelse innføre betraktelige praktiske vanskeligheter. Dette er på grunn av at ved konkurransen om vannet, mellom det vann som kreves for oppløseliggjøring

av polymeren og det vann som fikseres (immobiliseres) som et resultat av strukturiseringen ved flokkuleringen. Dette foregår ikke i samme målestokk ved den separate oppløselig-gjøringsteknikk på grunn av at vann er lett tilgjengelig for oppløseliggjøring.

De fortykningsfenomener som er nevnt ovenfor skyldes typisk to forhold: a) viskositetsøkning ved oppløseliggjøringen av stivelsen; b) strukturisering indusert ved flokkuleringen av fyllstoff partiklene.

Disse fenomener er mer nøyaktig generalisert som tap av mobilitet i den vandige suspensjon.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører således en blanding for flokkulering av fyllstoff i vandig suspensjon bestemt for bruk i papirfremstillings-utrustninger, og det særegne ved blandingen i henhold til oppfinnelsen er at den omfatter: a) en stivelse, som kan være anionisk, kationisk eller ikke-ionisk, og spesielt en kaldtvannsoppløselig pre-gelatinisert type av stivelse, eller en blanding av slike stivelser, b) en organisk polyelektrolytt som er istand til å flokkulere mineralske fyllstoffpartikler i vandig suspensjon, og c) et middel som er istand til å regulere mobiliteten av en dispersjon.

Oppfinnelsen vedrører videre en fyllstoffblanding for bruk

i en papirfremstillings-utrustning og omfatter da den foregående blanding av a)>, b) og c) i en vandig suspensjon av fyllstoffet.

Ved et aspekt for oppfinnelsen spesielt i forbindelse med

den ovennevnte direkte tilsetningsmetode, er midlet en substans som er effektiv til å moderere flokkuleringen av det suspenderte fyllstoff og derved opprettholde mobiliteten av dispersjonen. Ved et annet aspekt av oppfinnelsen er midlet en substans, spesielt en uorganisk elektrolytt, effektiv til å opprettholde mobiliteten av polymerdispersjonen ved å moderere dens viskositet. Foretrukket inkluderer blandingene i henhold til oppfinnelsen både et middel for å moderere flokkulering og et middel for å moderere viskositeten.

I foretrukne blandinger i henhold til oppfinnelsen er stivelsen en anionisk stivelse og mer foretrukket en ikke-ionisk kaldtvanns-oppløselig stivelse og den organiske polyelektrolytt er et kationisk flokkuleringsmiddel eller retensjonshjelpemiddel.

Eksempler på ikke-ioniske oppløselige stivelser er "Stadex" 601, 604, 608 og 609 (Starch Products), "Cellocol S" og "Cellocol LZ" (Tunnel Avebe). Anioniske stivelser som kan anvendes omfatter "Stadex" 7410 (Starch Products) og "Reta-bond AP" (Tunnel Avebe).

Kationiske polyelektrolytter som er interessante i denne forbindelse omfatter polyakrylamid-derivatene "Percol"

140, 292 og 455, såvel som "DSR 1256", "DSR 341" (Allied Colloids) og "Reten 210" (Hercules).

Det forutsettes at de resulterende fyllstoffblandinger

kan være anvendelige for papirmasseblandinger inneholdende mekanisk masse såvel som kjemiske masser.

Som allerede antydet kan komponentene i den endelige fyllstoff blanding bringes sammen på forskjellige måter. Ved en utførelsesform av oppfinnelsen tilsettes en flokkulerings-middelblanding inneholdende stivelsen, polyelektrolytten og en substans som er effektiv til å moderere flokkuleringen av det suspenderte fyllstoff i tørr form direkte til en vandig oppslemning av fyllstoffet som anvendt ved papirfremstilling. Direkte tilsetning av tørr polymer til fyllstoff oppslemningen tillater et høyt endelig fyllstoff-faststoffinnhold i den forhåndsflokkulerte fyllstoffblanding enn ellers kunne være mulig, f.eks. med en økning på opptil 50 vektprosent, dvs. fra 30 vektprosent faststoffer til 4 5 vektprosent faststoffer. Denne økning er meget nyttig ved at den tillater at store papirmaskiner kan få sin tilførsel ved hjelp av utstyr med rimelig størrelse.

Ved en annen utførelsesform oppløseliggjøres flokkulerings-middelblandingen inneholdende stivelse og den organiske polyelektrolytt i vann, dvs. bringes i en tilstand av homo-gen molekylær dispersjon i vann, i nærvær av en substans som er effektiv til å moderere viskositeten av dispersjonen, før innblandingen av dispersjonen i den vandige fyllstoffblanding. Ved denne utførelsesform kan en substans som er effektiv til å moderere flokkuleringen også innblandes fra begynnelsen eller kan tilsettes i et senere trinn under inn-føringen av den oppløseliggjorte dispersjon i fyllstoff-suspensjonen.

Midlet for å regulere mobiliteten av dispersjonen inneholdende fyllstoffet ved moderering av flokkuleringen kan f.eks. være natriumpolyfosfat. Andre eksempler på slike midler er alkalimetall-polyakrylater, polyvinylpyrrolidon, dicyandiamid og visse av de gummityper og harpikser som klassifiseres som tørrstyrke-harpikser.

Viskositeten av oppløsningen inneholdende stivelse og polyelektrolytt kan modereres for å redusere den viskoelastiske tendens ved å innblande en uorganisk elektrolytt, foretrukket en syrégiver. Dette har fordel med å forhindre den såkalte Weissenberg-effekt som påtreffes ved omrøring av disse oppløsninger, hvorved fortykket material stiger opp langs stammen på et anvendt røreverk. Passende uorganiske elektrolytter omfatter aluminiumsulfat (vanlig papirfremstillings-alun).

Bruken av den uorganiske elektrolytt, spesielt aluminiumsulfat, forbedrer ikke bare retensjonen, men reduserer også det biologiske oksygenbehov i systemet avvannsutstrømning,

og kan redusere mengden av organisk polyelektrolytt, spesielt kationisk polyelektrolytt, nødvendig for å bevirke flokkuleringen.

Oppfinnelsen frembyr ikke bare fordelen med at høyere fyll-stoffinnhold kan oppnås enn tidligere, men også den fordel at suspensjonene kan fremstilles ved hjelp av relativt enkelt og lett tilgjengelig utstyr.

Ved et ytterligere trekk ved oppfinnelsen kan et fornettings-middel for stivelsen, som f.eks. glyoksal, eller en epoksy-harpiks, tilsettes.

I henhold til et ytterligere trekk ved oppfinnelsen kan

det i blandingen inkluderes et tørrstyrke-tilsetningsmiddel for papir, hvorved det oppnås en økning i tørrstyrken sammen

med den forbedrede retensjon. Slik tilsetning kan være fordelaktig, spesielt når blandingen skal tilfredsstille de krav som er forbundet med en papirmasse inneholdende mekanisk masse, som er mer krevende med hensyn til binde-middelbehov enn kjemiske masser.

Som tørrstyrke-tilsetningsmidler kan anvendes hvilke som helst av de midler som er kjent for fremstilling av papir. Midlene omfatter naturlige substanser, i første rekke gummi-ar ter som f.eks. mannogalaktaner som xantan-gummi, såvel som syntetiske harpikser, f.eks. "Accostrength" (American Cyanamid) som er en akrylsyre/akrylamidharpiks, videre "Bubond 65" (Buckman Laboratories) som er en kopolymer av et polyakrylat og en kvaternær ammoniumforbindelse, og modifiserte polyakrylamid tørrstyrke-harpikser (Allied Colloids). I enkelte tilfeller kan tørrstyrke-tilsetnings-midlene tjene den dobbelte rolle som bindemiddel og flokkuleringsmiddel.

Fyllstoffblandingene tenkes anvendt som sådanne ved papirfremstilling, dvs. at bestanddelene i blandingen, som kan inkludere alun som beskrevet ovenfor, bringes sammen som en dispersjon i vann før de innføres i papirfibermassen. Organiske polymerer retensjons-hjelpemidler kan også inkluderes eller tilsettes separat fra de andre bestanddeler generelt så sent som mulig på maskinen før dannelsen av papirbanen. Blandingene tilsettes normalt til papirfrem-stillingssystemet etter tilsetning av limstoff-kjemikaliene, f.eks. ved tilførselspumpen.

Med betegnelsen "kaldtvanns-oppløselig" menes her at stivelsen skal være istand til å løse seg i vann ved 20°C i løpet av 30 minutter til å gi en 5 vektprosent løsning.

Fyllstoffet, polymere bestanddeler og andre komponenter i fyllstoffblandingen innblandes deri i den tilstand, f.eks. med hensyn til partikkelstørrelse, og en måte som er normal for den kjente teknikk forbundet med papirfremstilling, med mindre annet er angitt heri. De fire vesent-lige og eventuelle andre bestanddeler i fyllstoffblandingen tilføres papirfremstillings-utrustningen som et forhåndsflokkulert fyllstoff i mengde til å gi det ønskede fyllstoff-innhold i papiret.

De blandinger som tilveiebringes ved hjelp av oppfinnelsen gir utmerket retensjon av stivelsen og kan anvendes ikke bare i forbindelse med konvensjonelle harpiks-limsystemer som anvender alun, men kan også finne anvendelse i alkaliske og nøytrale limsystemer (f.eks. "Aquapel" eller "Fibran").

Fyllstoffet kan være hvilket som helst av de pigment-komponenter som er nevnt ovenfor. En ytterligere fordel ved oppfinnelsen ligger i de tilfeller når fyllstoffet inkluderer et krittfyllstoff er at det muliggjør at fyllstoffet kan anvendes i sure systemer som hittil ikke har vært mulig på grunn av fyllstoffets følsomhet overfor angrep av syre, som et resultat av at det anvendes aluminiumsulfat som resulterer i tap av limstoff og i andre uønskede bi-virkninger.

I den etterfølgende beskrivelse og i utførelseseksemplene

er mengdene av bestanddeler uttrykt som prosentandeler basert på vekten av fyllstoffet i den endelige blanding.

Generelt er mengden av stivelse eller blanding av stivelser som anvendes fra 0,5 - 10%, vanligvis fra 2-7%. Mengdene av organisk polyelektrolytt som f.eks. polyakrylamid, og av midler for regulering av mobiliteten, såvel som av for-nettingsmidler, vil hver generelt utgjøre opptil omtrent 1%, idet den foretrukne mengde av polyakrylamid er fra 0,10% til 0,3 0% og den foretrukne mengde av hver av de andre midler er fra 0,05 - 0,50%.

De følgende eksempler gis for å illustrere oppfinnelsen.

Deri substans "Snowcal 8SW" som omhandles i eksemplene er

et krittpigment som fåes fra Blue Circle Industries Limited, og er i henhold til British Whiting Federation gitt kvali-tetsgraderingenBWF42. Et alternativt hvitt fyllstoff er "Snowcal 4ML" med kvalitetsgradering BWF 30.

I de etterfølgende eksempler er prosentandelene på vektbasis i forhold til fyllstoff-faststoffene, slik at hver blanding gir totalt 4 vektprosent av fyllstoffet regnet på suspen-sjonen av fyllstoff. A) Blandinger for dispersjon i vann før innblanding i en fyllstoffsuspensjon:

EKSEMPEL 1.

EKSEMPEL 2.

EKSEMPEL 3.

EKSEMPEL 4. B) Tørrblandinger for direkte tilsetning til en oppslemning av fyllstoff:

EKSEMPEL 5.

EKSEMPEL 6..

EKSEMPEL 7.

Manuelt fremstilte laboratorieark ble fremstilt under anvendelse av de ovennévnte blandinger i en dispersjon av "Snowcal 8SW" og sammenlignet med tilsvarende fremstilte ark inneholdende omtrent den samme mengde fyllstoff, dvs. 12,0 vektprosent kalsiumkarbonat basert på vekten av papiret, under anvendelse av et limstoffsystem bestående av "Bumal"/ alun.

Følgende resultater ble oppnådd.

Polymerblandingen fra eksempel 7 ble anvendt på en miniatyr-papirmaskin under betingelser som mer tilsvarer dem som fore-kommer i en papirmaskin av full størrelse. I dette tilfelle var vektmengden av krittpigment basert på vekten av papiret 10% og det ble anvendt det nøytrale limstoffsystem "Aquapel 3 60". Følgende resultater ble oppnådd.

EKSEMPEL 8.

Det ble manuelt fremstilt ark under anvendelse av den ovennevnte blanding i en oppslemning av "Snowcal 8SW" krittpigment og sammenlignet med manuelt fremstilte ark inne holdende omtrent den samme mengde kalsiumkarbonat, dvs. 12%, under anvendelse av et limstoff-system av typen "Bumal"/alun. Følgende resultater ble oppnådd.

De tester som er referert i de foregående eksempler er TAPPI-tester, nemlig: bruddstyrke T403/76; bruddlengde T404/76;

og Cobb-liming T441/77.

Claims (18)

1. Blanding for flokkulering av fyllstoff i vandig suspensjon for bruk i en papirfremstillings-utrustning, om-fattende :

   a) i det minste en stivelse, b) en organisk polyelektrolytt som er istand til å flokkulere mineralske fyllstoffpartikler i vandig suspensjon, og c) i det minste et middel som er istand til å regulere mobiliteten av en dispersjon.
2. 2. Blanding som angitt i krav 1,karakterisert vedat den som middel c) inneholder en substans effektiv til å moderere flokkuleringen av et suspendert fyllstoff og dermed opprettholde mobiliteten av en dispersjon av fyllstoff.
3. 3. Blanding som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert vedat den som middel c) inneholder en substans effektiv til å opprettholde mobiliteten av polymerdispersjonen ved å moderere dens viskositet.
4. 4. Blanding som angitt i krav 3, karakterisert vedat den ér oppløselig-gjort i vann.
5. 5. Blanding som angitt i krav 2,karakterisert vedat den har form av en tørr faststoffblanding.
6. 6. Blanding som angitt i krav 1-4,karakterisert vedat den ytterligere omfatter d) et mineralsk fyllstoff i vandig suspensjon.
7. 7. Blanding som angitt i krav 6, karakterisert vedat det mineralske fyllstoff er kalsiumkarbonat.
8. 8. Blanding som angitt i krav 7, karakterisert vedat fyllstoffet er krittpigment.
9. 9. Blanding som angitt i krav 1 - 8,karakterisert vedat stivelsen er en anionisk kaldtvanns-oppløselig stivelse og at den organiske polyelektrolytt er kationisk.
10. 10. Blanding som angitt i krav 1-8,karakterisert vedat stivelsen er en ikke-ionisk kaldvanns-oppløselig stivelse og åt den organiske polyelektrolytt er kationisk.
11. 11. Blanding som angitt i krav 2 - 10, karakterisert vedat den som substans effektiv til å moderere flokkulering inneholder et natriumpolyfosfat, et alkalimetall-polyakrylat, polyvinyl pyrrolidon, dicyandiamid eller xantan-gummi.
12. 12. Blanding som angitt i krav 3 - 11,karakterisert vedat den som substans effektiv til å moderere viskositeten inneholder en uorganisk elektrolytt.
13. 13. Blanding som angitt i krav 12, karakterisert vedat den uorganiske elektrolytt er alun.
14. 14. Blanding som angitt i krav 1-13,karakterisert vedat den ytterligere inneholder et fornettende middel for stivelsen.
15. 15. Blanding som angitt i krav 1-14,karakterisert vedat den ytterligere om-, fatter et tørrstyrke-tilsetningsmiddel for papir.
16. 16. Fremgangsmåte for fremstilling av et forhåndsflokkulert fyllstoff for bruk i en papirfremstillings-utrustning,karakterisert vedat en blanding som angitt i krav 5 innføres i en vandig oppslemning av fyllstoff.
17. 17. Fremgangsmåte for fremstilling av papir,karakterisert vedat det i en papirfremstillings-utrustning innlemmes et forhåndsflokkulert fyllstoff fremstilt i henhold til fremgangsmåten angitt i krav 16.
18. 18. Fremgangsmåte for fremstilling av papir,karakterisert vedat det i en papir-f remstillings-utrustning innlemmes et f orhåndsf lokkulert fyllstoff fremstilt ved å behandle et mineralsk fyllstoff i vandig suspensjon ved en blanding som angitt i krav 1-5.