-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Füllen mit
teilchenförmigen
Füllstoff-Komplexen,
und insbesondere auf Erhöhen
der Abscheidung und Zurückhaltung
dieser Füllstoff-Komplexe
auf Fasern für
die Herstellung von Papier- oder Pappeprodukten.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Anorganisches
Material, wie präzipitiertes
Calciumcarbonat (PCC), gemahlenes Calciumcarbonat (GCC), Tonerde
und Talkum, werden umfangreich als Füllstoffe in dem Papierherstellungsprozess
verwendet. Füllstoff-Füllgehalte
von 12–25
% sind typisch in der gegenwärtigen
Papierherstellungsstrategie, um optische Eigenschaften des Papiers,
wie Helligkeit und Opazität
zu verbessern. In einigen Fällen
verleiht der wirtschaftliche Aspekt des Ersetzens teurer Faser mit
preisgünstigem
Füllstoff
zusätzlichen
Anreiz.
-
Um
sicherzustellen, dass die Füllstoffe
am Fasernetz und schließlich
am Papierprodukt bleiben, werden Rückhaltehilfen verwendet. Normalerweise
sind Rückhaltehilfen
langkettige polymere Verbindungen, die den Faserstoff zur Ausflockung
bringen und die Füllstoff-Faser-„Anlagerung" verbessern. Jedoch
führen
hohe Ausflockungsniveaus zu einer Ungleichförmigkeit im Netz und zu einer
schlechten Papierbildung.
-
Um
dies zu umgehen, wurde ein Verfahren zum Anlagern des Füllstoffes
direkt auf die Faseroberflächen
im französischen
Patent 2689530 und US-Patent Nr. 5,731,080 & 5,824,364 für Cousin et al. beschrieben.
In diesen Patenten wird ein Aufschwämmungsstrom von Halbstofffaserstoff
auf einen niedrigen Mahlgrad (<70
Canadian standard freeness [csf] vs. 450 csf, typischerweise) fein
gemahlen und dann behandelt, um einen hochgefüllten Füllstoff-Faser-Komplex zu erzeugen.
Wenn diese Komplexe mit nicht behandeltem Halbstoff rekombiniert
werden, kann ein beliebiger erwünschter
Füllstoffgehalt
erzielt werden.
-
Ein
alternativer Ansatz ist im US-Patent Nr. 5,679,220 für Matthew
et al. und US-Patent
Nr. 5,665,205 für
Srivatsa et al. beschrieben. In sowohl Srivatsa als auch Matthew
wird der gesamte Faserstoff auf nominale Füllstofffüllungen behandelt, ohne den
Halbstoff hohen Feinmahlstärken
zu unterziehen (niedriger Mahlgrad). Jedoch führt diese Prozedur zu Zunahmen
in den Kapital- und Betriebskosten aufgrund der Behandlung größerer Halbstoffvolumina.
Dem gemäß gibt es
eine Notwendigkeit in der Technik, Füllstoff-Faser-Komplexe einfach
und kostengünstig
zu erzeugen, wie durch die Erfindung bereitgestellt.
-
Es
ist in der Technik bekannt, Faser-Füllstoff-Komplexe zu erzeugen
durch in Kontakt bringen einer Faseraufschlämmung mit Löschkalk und Kohlendioxidgas,
um Calciumcarbonat (PCC) zu präzipitieren.
Derartige Prozesse werden in den Patenten von Cousin et al., Srivatsa
und Matthew et al. beschrieben. Die Patente von Cousin et al. beschreiben
ein Verfahren zum Erhalten eines auf Fasern basierenden Verbundstoffes, der
durch Präzipitieren
von Calciumcarbonat in situ in einer wässrigen Suspension von Fasern
einer erweiterten Oberfläche
mit Mikrofibrillen auf ihrer Oberfläche erzeugt wird. Die Kristalle
aus präzipitiertem
Calciumcarbonat (PCC) sind im Wesentlichen in Clustern aus Granalien
organisiert, die direkt auf die Mikrofibrillen gepfropft sind, ohne
irgendwelche Bindemittel oder Rückhaltehilfen,
so dass die Kristalle die Mikrofibrillen durch ein zuverlässiges und
nicht labiles Binden einfangen. Srivatsa et al. beschreiben eine
in-situ-Präzipitation
auf sekundärem
Faserstoff. Hingegen beschreibt die Patente von Cousin et al. einen
diskontinuierlichen Reaktionsprozess, Matthew et al. beschreiben
einen kontinuierlichen Prozess zum Binden von Faser-Füllstoff-Komplexen.
-
Man
glaubt, dass der Komplexierungsprozess auf anionische Ladungen angewiesen
ist, die auf den Faseroberflächen
angeordnet sind und welche als Nukleationsstellen wirken, um den
Calciumcarbonatkristall auf der Faser zu verankern. Das präzipitierende
Calciumcarbonat bindet physikalisch an die Faser an diesen Stellen.
Typischerweise wird, wenn man den Halbstoff fein mahlt, mehr Oberfläche erzeugt
und zusätzliche Verankerungsstellen
werden auf der Faser geschaffen.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt eine Quelle einer Faser mit einer hohen
Oberfläche
(Verankerungsstellen) bereit, ohne die Notwendigkeit für ein zusätzliches
Feinmahlen, indem sie von Prozessströmen innerhalb des Papierherstellungsprozesses
erhalten werden. Die Erfindung identifiziert Quellen von Faserstoff,
die für
Faser-Füllstoff-Komplexe
geeignet sind und stellt Verfahren bereit, um sie zu verwenden,
um den wirtschaftlichen Aspekt des Prozesses und die Qualität des Produktes
zu verbessern. Sie zielt auch auf Verbesserungen in Papiermaschinenbetriebsarten,
Stromabwärts-Verarbeitung
von Papiermühlenabflüssen und
Papierprodukteigenschaften ab.
-
Füllstoff-
und Feinstteilchen-Wiedergewinnung aus dem Papiermaschinenrückwasser
und anderen „Abfall"-Strömen sind
in der Technik bekannt. US-Patent Nr. 5,558,782, 5,733,461, 5,830,364
und 6,004,467 für
Bleakley et al. offenbaren Behandlungen von „Rückwasser"- oder Abfallströmen, in denen ein Erdalkalimetallcarbonat
präzipitiert
wird, um teilchenförmiges
Material, das im Abwasser vorhanden ist, einzuschließen. Verfahren,
um die Feinstteilchen und das Füllstoffmaterial
zu nutzen, die dem Papierherstellungsprozess in Papiermühlen entkommen,
sind auch in den Artikeln beschrieben, mit den Titeln „A New
Waste Conversion and Recycling Process" von Olavi Toivonen (82nd Annual
Meeting, Technical Section, CPPA, Seiten A101–107, 1996) und „The re-use
of mineral and fines from papier mill waste streams" von RSE Martin und
Dr. RD Cowling (1998 Seiten 227–237).
-
Die
PCT-Veröffentlichung
WO 99/42657, die am 26. August 1999 veröffentlicht wurde, beschreibt
einen Prozess, in dem „Rückwasser" von einem Papierherstellungsbetrieb
in zwei Komponenten getrennt wird – „laden water" und „clear
water" – von denen
jede Komponente jeweils in getrennte Zusammensetzungen eingebaut
wird, die Calciumbicarbonat und Calciumhydroxid enthalten. Diese
zwei Zusammensetzungen werden kombiniert, um Calciumcarbonat auf
bestimmten Fasern zu präzipitieren.
-
US-Patent
Nr. 5,262,006 für
Anderson offenbart einen Prozess der Herstellung von Papier aus
einem Halbstofffaserstoffbrei, der Calciumsulfat enthält, wobei
Calciumcarbonat in situ durch die Zugabe von löslichem Calciumsalz und Kohlendioxid
präzipitiert
wird. US-Patent Nr. 3,639,206 für
Spruill offenbart ein Verfahren zum Behandeln von Abwasser aus einem
alkalischen Halbstoff-Aufschließ-Betrieb,
durch dazu Zugeben von Calciumoxid oder Calciumhydroxid gefolgt
von Kohlendioxid, um ein Präzipitat
zu bilden, das vermutlich in sich faserförmige Abfallmaterialien in
der Suspension einschließt.
Die Letzteren werden aus der Suspension entfernt und schließlich entsorgt.
-
EP 0604095 und
EP 1052227 betreffen einen Prozess
für die
Behandlung wässriger
Suspensionen bestimmten Abfallmaterials, der aus derart Präzipitieren
eines Erdalkalimetallcarbonats in der wässrigen Suspension besteht,
dass das teilchenförmige
Material, das in der zu behandelnden wässrigen Suspension vorhanden
ist, in das Erdalkalimetallcarbonatpräzipitat getragen wird.
-
EP 658606 offenbart einen
Prozess für
die Aggregation von Abfallfeststoffen in Abwasser aus einer Papierherstellungsfabrik,
bei dem das Abwasserwiedergewinnungssystem mindestens einen Schritt
umfasst, bei dem ein Erdalkalimetallcarbonat in der wässrigen
Suspension, die das Abwasser bildet, präzipitiert wird, um ein gemischtes
Aggregatmaterial zu bilden.
-
WO
99/03928, veröffentlicht
am 20. Januar 1999, beschreibt einen Prozess zum Präzipitieren
von Kristallen einer unlöslichen
Verbindung eines weißen
Pigmentes in einem wässrigen
Medium, das dispergierte Teilchen von feinem teilchenförmigen Material
und Fasern enthält,
um ein zusammengesetztes Pigmentmaterial zu bilden, das eine zusammengesetzte
Fasermatrix, präzipitierte
Pigmentkristalle und feine Teilchen in der Matrix verteilt und gebunden
umfasst.
-
WO
00/39029, veröffentlicht
am 6. Juli 2000, offenbart einen Prozess zum Erhöhen der Feststoffkonzentration
einer verdünnten
wässrigen
Suspension eines teilchenförmigen
Carbonats, insbesondere Calciumcarbonat, um eine konzentrierte Suspension
zu bilden, die fluid genug ist, um zu ermöglichen, dass sie durch Röhren oder
Schläuche
gepumpt und geliefert wird, aber viskos genug ist, um die Bildung
eines Sediments der dichteren vorhandenen Teilchen zu verhindern.
-
Aus
dem erwähnten
Stand der Technik ist ersichtlich, dass Prozesse für Füllstoff-und Feinstteilchen-Wiedergewinnung
bekannt sind, jedoch stellt der Stand der Technik kein Verfahren
bereit zum Kombinieren getrennter Prozessströme, die Feinstteilchen und/oder
Füllstoff
enthalten, mit langen Fasern. Man würde verstehen, dass man einen
Vorteil über
bekannte Anwendungen erhielte, durch Bereitstellen eines Verfahrens zur
Herstellung von gefüllten
Papier- oder Pappeprodukten, umfassend Abtrennen mindestens eines
Prozessstromes aus dem Papierherstellungsprozess; wobei der Prozessstrom
Feinstteilchen enthält;
Kombinieren des Prozessstromes mit langen Fasern und Verdicken,
um einen Rückstand
zu bilden; und Behandeln des Rückstands,
um Faser-Füllstoff-Komplexe
zu bilden. Diese Faser-Füllstoff-Komplexe
werden dann im Papierherstellungsprozess zur Bildung des Papiers
verwendet.
-
Dem
gemäß ist es
eine weitreichende Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen
zum Herstellen von Faser-Füllstoff-Komplexen
und Verbessern der Abscheidung und Zurückhaltung dieser Komplexe auf
Fasern für
die Herstellung von Papier- oder Pappeprodukten.
-
Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Quelle für eine Faser mit einer hohen
Oberfläche
bereitzustellen, ohne die Notwendigkeit zum Feinmahlen.
-
Eine
speziellere Aufgabe der Erfindung ist es, Prozessströme von verschiedenen
Punkten innerhalb des Papierherstellungsprozesses zu trennen, um
primäre
und/oder sekundäre
Feinstteilchen für
eine nachfolgende Behandlung zum Bilden von Faser-Füllstoff-Komplexen,
die in dem Papierherstellungsprozess zum Bilden von Papier verwendet
werden, zu erhalten.
-
Eine
spezielle Aufgabe der Erfindung ist es, Papier bereitzustellen,
das verbesserte Steifigkeitseigenschaften, verbesserte Füllstoffzurückhaltung
und gleichförmige
z- und Querschnitts-Füllstoffprofile
besitzt.
-
Eine
speziellere Aufgabe der Erfindung ist es, Ziel-Füllstoffgehalte im Papier bereitzustellen,
die mindestens 5 % und bevorzugt mehr als 20 % betragen.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Im
Allgemeinen stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von
gefüllten
Papier- oder Pappeprodukten bereit, umfassend die Schritte Abtrennen
mindestens eines Prozessstroms aus dem Papierherstellungsprozess,
wobei der Prozessstrom Feinstteilchen enthält. Kombinieren des Prozessstroms
mit langen Fasern und Verdicken unter Bildung eines Rückstandes.
Behandeln des Rückstandes
unter Bildung von Faser-Füllstoff-Komplexen
und Verwenden der Faser-Füllstoff-Komplexe
in dem Papierherstellungsprozess zur Bildung von Papier.
-
Die
im erfindungsgemäßen Prozess
verwendeten Prozessströme
können
von jedem Punkt entlang des Papierherstellungsprozesses abgetrennt
werden, einschließlich
Punkten vor der Papiermaschine, von der Papiermaschine oder nach
der Papiermaschine. Die abgetrennten Prozessströme können primäre oder sekundäre Feinstteilchen
enthalten und können
abhängig
von dem abgetrennten Strom ferner Füllstoffteilchen enthalten.
-
Der
Prozessstrom wird mit langen Fasern, typischerweise mit einer Länge größer als
0,1 mm, kombiniert. Die langen Fasern stammen von einer beliebigen
Quelle und können
natürlich
oder synthetisch sein. In alternativen Ausführungsformen werden die langen
Fasern feingemahlen, um eine größere Faseroberfläche zu erzeugen.
-
Nach
der Kombination der langen Fasern mit dem Prozessstrom wird das
Material verdickt, um einen nassen Rückstand zu bilden. Dieser Rückstand
wird bevorzugt mit Calcium- und Carbonationen behandelt, um eine
Kristallisation des Calciumcarbonats in situ zu bewirken. Die Kristalle
des Calciumcarbonats binden an die Feinstteilchen, langen Fasern
und/oder Füllstoffe,
die in dem Rückstand
vorhanden sein können.
Die Kristalle des Calciumcarbonats, CaCO3 (PCC)
sind im Wesentlichen in Clustern aus Granalien organisiert, die
direkt auf die/den in dem Rückstand
vorhandenen Feinstteilchen, Füllstoff
und/oder Faser gepfropft sind, und zwar ohne an der Grenzfläche zwischen
den PCC-Kristallen und den Feinstteilchen, dem Füllstoff und/oder der Faser
vorhandene Bindemittel oder Rückhaltehilfen,
so dass der Hauptteil der PCC-Kristalle die Feinstteilchen, den
Füllstoff
und/oder die Faser durch zuverlässige
und nicht labile Bindung zur Bildung des Faser-Füllstoff-Komplexes einschließt.
-
In
einer alternativen Ausführungsform
wird der gebildete Rückstand
mit teilchenförmigem
Füllstoffmaterial
behandelt, um die Faser-Füllstoff-Komplexe
zu bilden. Das verwendete teilchenförmige Füllstoffmaterial kann aus der
Gruppe ausgewählt
werden, die aus anorganischen Pigmenten, organischen Pigmenten,
organischen Gittern und Hohlsphären
besteht. Insbesondere werden die Pigmente aus der Gruppe ausgewählt, die aus
Talkum, Tonerde, TiO2, Calciumcarbonat,
Pigmenten auf Silica-Basis und Pigmenten auf Aluminium-Basis besteht.
-
Das
resultierende gebildete Papier hat verbesserte Steifigkeitseigenschaften,
eine verbesserte Füllstoffzurückhaltung
und gleichförmige
z- und Querschnittsfüllstoffprofile.
-
Andere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich, wenn die detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen betrachtet wird,
die in einem beispielhaften und nicht beschränkenden Sinn wie folgt aufgefasst
werden sollten: Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 veranschaulicht
ein Verfahren zur Herstellung von Papier unter Verwenden von Faser-Füllstoff-Komplexen
gemäß des Prozesses
der Erfindung;
-
2 veranschaulicht
ein Verfahren zur Herstellung von Papier unter Verwenden von Faser-Füllstoff-Komplexen
gemäß einer
anderen Ausführungsform
des Prozesses der Erfindung;
-
3A veranschaulicht
Prozesse des Stands der Technik wie beschrieben in Cousin et al.,
bei dem unbehandelter Halbstoff feingemahlen wird, um Feinstteilchen
zu erzeugen, die dann einer Behandlung unterzogen werden, um die
Präzipitation
von Calciumcarbonat in situ zu verursachen;
-
3B veranschaulicht
den Prozess der Erfindung, bei dem ein Prozessstrom mit einer Quelle
von natürlichen
langen Fasern (unbehandelter Halbstoff) kombiniert wird; verdickt
wird; und an einen Reaktor zur Behandlung zum Bilden von Faser-Füllstoff-Komplexen
gesandt wird; und die Faser-Füllstoff-Komplexe
zum Bilden des Papiers verwendet werden;
-
4 ist
eine detailliertere Veranschaulichung des Prozesses der Erfindung
und zeigt die Kombination des Prozessstroms, der Feinstteilchen
und/oder Füllstoff
enthält,
mit langen Fasern;
-
5 ist
eine schematische Veranschaulichung des Prozesses der Erfindung;
-
6 veranschaulicht
den Prozess der Erfindung als ein „geschlossenes" System, das „Prozess"-Wasser und Elemente
innerhalb der Papiermühle
nutzt, im Gegensatz zu der Verwendung des Stands der Technik von „industriellem" Abfall, der Mühlenwasserabfluss
ist.
-
7 veranschaulicht
ein Verfahren zum Herstellen von Papier unter Verwenden von Faser-Füllstoff-Komplexen
gemäß einer
anderen Ausführungsform
des Prozesses der Erfindung; und
-
8 ist
eine grafische Veranschaulichung der Steifigkeitscharakteristika
des Papiers, das gemäß des Prozesses
der Erfindung unter Verwenden von Faser-Füllstoff-Komplexen erzeugt ist,
im Vergleich zu einem Rohpapier, das mit einem herkömmlichen
Füllstoff
erzeugt ist.
-
Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von gefüllten Papier-
oder Pappeprodukten bereitgestellt, umfassend Abtrennen mindestens
eines Prozessstroms aus dem Papierherstellungsprozess; wobei der
Prozessstrom Feinstteilchen enthält;
Kombinieren des Prozessstroms mit langen Fasern und Verdicken unter
Bildung eines Rückstandes;
Behandeln des Rückstandes
unter Bildung von Faser-Füllstoff-Komplexen;
und Verwenden der Faser-Füllstoff-Komplexe im Papierherstellungsprozess
zur Bildung des Papiers.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
stellt die Erfindung ein Verfahren zum Füllen mit Füllstoffmaterial zur Herstellung
von Papier- oder Pappeprodukten bereit, umfassend Abtrennen mindestens
eines Prozessstromes aus dem Papierherstellungsprozess; wobei der
Prozessstrom Feinstteilchen enthält; Kombinieren
des Prozessstroms mit langen Fasern und Verdicken unter Bildung
eines Rückstandes;
Behandeln des Rückstandes
mit Calcium- und Carbonationen unter Bewirken einer Kristallisation
des Calciumcarbonats in situ zur Bildung von Faser-Füllstoff-Komplexen;
und Verwenden der Faser-Füllstoff-Komplexe
im Papierherstellungsprozess zur Bildung des Papiers.
-
Die
Kristalle des Calciumcarbonats, CaCO3 (PCC),
die gebildet werden, sind im Wesentlichen in Clustern aus Granalien
organisiert, die direkt auf die/den in dem Rückstand vorhandenen Feinstteilchen,
Füllstoff und/oder
Faser gepfropft sind, und zwar ohne an der Grenzfläche zwischen
den PCC-Kristallen und den Feinstteilchen, dem Füllstoff und/oder der Faser
vorhandene Bindemittel oder Rückhaltehilfen,
so dass der Hauptteil der PCC-Kristalle die Feinstteilchen, den
Füllstoff
und/oder die Faser durch zuverlässige
und nicht labile Bindung zur Bildung der Faser-Füllstoff-Komplexe einschließen.
-
Im
Allgemeinen stellt die Erfindung ein verbessertes Verfahren zum
Erhöhen
der Abscheidung und Zurückhaltung
von teilchenförmigen
Füllstoff-Komplexen
auf Fasern für
die Herstellung von Papier- oder Pappeprodukten bereit.
-
Die
Faser-Füllstoff-Komplexe
der Erfindung können
gemäß des Prozesses
und der Parameter wie beschrieben in US-Patenten Nr. 5,731,080 und
5,824,364 für
Cousin et al.; 5,665,205 für
Srivatsa et al. und 5,679,220 für
Matthew et al. bereitgestellt werden, die alle Prozesse offenbaren,
die eine in-situ-Anlagerung von präzipitierten Calciumcarbonat
(PCC) beinhalten. Jedoch stellt die vorliegende Erfindung eine Verbesserung über diese
Prozesse bereit, die in den in 1 und 2 gezeigten
Ausführungsformen
veranschaulicht ist.
-
Wie
in 1 veranschaulicht ist, beinhaltet das Verfahren
der Erfindung das Nutzen von Prozessströmen aus dem Papierherstellungsprozess.
Die Prozessströme
können
nach dem Siebschritt 4 oder an verschiedenen Punkten entlang
der Papiermaschine 5 abgetrennt werden. Die Prozessströme werden
zu einem Verdicker 6 übertragen
zur Bildung eines Rückstandes.
-
Der
abgetrennte Prozessstrom enthält
Faserfeinstteilchen und kann auch Füllstoffmaterial und Rückhaltechemikalien
enthalten. Der Prozessstrom wird mit den Halbstofffasern kombiniert,
um die Faseroberfläche
zu erweitern, und verdickt zur Bildung eines Rückstands. Dieses Material wird
behandelt, um präzipitiertes Calciumcarbonat
(PCC) in situ auf den Fasern 8 abzuscheiden. Die PCC-Behandlung wird auf
die verdickten Rückwasserfeststoffe
nach der Kombination mit unbehandelten Fasern angewandt. Die erweiterte
Oberfläche der
Faserfeinstteilchen führt
zu einer hohen PCC -Füllung.
-
In
einer anderen Ausführungsform,
wie in 2 veranschaulicht, wird ein Verfahren zum Erhalten
eines Faserfeinstteilchenstroms entweder vor dem Feinmahlen 1' (primäre Feinstteilchen)
oder nach dem Feinmahlen (sekundäre
Feinstteilchen) bereitgestellt. Prozessströme, die Faserfeinstteilchen
enthalten und an anderen Stationen während des Papierherstellungsprozesses
erhalten werden, sind vom erfindungsgemäßen Verfahren umfasst. Allgemein
werden die Prozessströme
durch Abtrennprozeduren abgetrennt, die Siebe und/oder Reiniger
enthalten, obwohl andere Abtrennverfahren verwendet werden können und
von der Erfindung umfasst sind. In jedem Fall werden, sobald die
Prozessströme,
die die Faserfeinstteilchen enthalten, abgetrennt sind, sie einer
Behandlung unterzogen, um Faser-Füllstoff-Komplexe zu erzeugen, die verwendet werden,
um mit Füllstoff
gefüllte
Papier- oder Pappeprodukte zu erzeugen.
-
Bevorzugt
werden die Faser-Feinstteilchen-Komplexe durch die Verfahren gebildet,
die in Cousin et al. und Matthew beschrieben sind, durch Zugeben
von Kalk (CaO) und Kohlendioxidgas in den Reaktor zur Bildung von
präzipitierten
Calciumcarbonat (PCC). Jedoch kann anderes teilchenförmiges Füllstoffmaterial, wie
Talkum, Tonerde, etc., zu den Faserfeinstteilchen gegeben werden
und im Papierherstellungsprozess zur Bildung des Papiers verwendet
werden.
-
3A veranschaulicht
den Prozess des Standes der Technik wie beschrieben in den Patenten
von Cousin et al., bei dem unbehandelter Halbstoff feingemahlen
wird, um Feinstteilchen zu erzeugen, die dann einer Behandlung unterzogen
werden, um die Präzipitation
von Calciumcarbonat in situ zu verursachen. Die gebildeten Faser-Füllstoff-Komplexe werden zyklisch
in die Papierherstellungsmaschine überführt, um ein gefülltes Papier
zu erzeugen.
-
Wie
in 3B veranschaulicht, stellt die Erfindung eine
Vergrößerung der
Faseroberfläche
des Halbstoff-„Ausgangs"-Material bereit,
ohne die Notwendigkeit, die unbehandelten Halbstofffasern fein zu
mahlen, durch Konzentrieren der Prozessströme, die Feinstteilchen und/oder
Füllstoff
enthalten, aus dem Papierherstellungsprozess und Kombinieren des
verdickten Rückstands
mit unbehandelten Halbstofffasern. Der Rückwasser-Prozessstrom 40,
der ein Nebenprodukt der Papiermaschine ist und „Feinstteilchen und Füllstoff" enthält, wird
mit den langen Fasern kombiniert 41, verdickt 42 und
an einen Reaktor gesandt 43 zur Behandlung, um eine Faser-Füllstoff-Komplex-Aufschlämmung zu
bilden. Die behandelte Halbstoffaufschlämmung wird zyklisch in den
Papierherstellungsprozess überführt, um
ein gefülltes
Papier zu erzeugen.
-
4 ist
eine detailliertere Veranschaulichung des Prozesses der Erfindung,
die eine Kombination des Prozessstroms, der die Faserfeinstteilchen
und/oder den Füllstoff 51 enthält, mit
langen Fasern (unbehandelter Halbstoff) 50 zeigt. Die Mischung
wird dann verdickt – wobei
ein nasser, „fester" Kuchen gebildet
wird (Halbstoffaufschlämmungssuspension
von 6 % Feststoffen).
-
Annähernd 20
% wird an den Füllstoffreaktor
zur Behandlung gesandt und die behandelte Halbstoffaufschlämmung wird
im Papierherstellungsprozess verwendet, um ein gefülltes Papier
zu erzeugen. Die kombinierte Mischung langer Fasern, Feinstteilchen
und Füllstoff
ist im Wesentlichen das „Ausgangs"-Material für die Prozesse,
die in den Patenten von Cousin et al. beschrieben sind, die präzipitiertes
Calciumcarbonat (PCC) in situ auf den Fasern abscheiden. Das Ausgangsfasermaterial
und die Quelle von Faserfeinstteilchen kann von unbehandeltem, recyceltem,
gebleichtem oder ungebleichtem, natürlichem oder synthetischem
Halbstoff stammen. Die Faserfeinstteilchen, die in dem erfindungsgemäßen Prozess
genutzt werden, können
primäre oder
sekundäre
Feinstteilchen sein. Typischerweise treten primäre Feinstteilchen mit dem Halbstoff
natürlich auf
und werden vor dem Feinmahlschritt abgetrennt. Sekundäre Fasern
werden allgemein auf jene Feinstteilchen bezogen, die erzeugt werden – eine Quelle
von sekundären
Faserfeinstteilchen ist der Feinmahlschritt und andere Verarbeitungsschritte.
Nominal fein gemahlener Halbstoff (Laubholz, Nadelholz oder ein
Gemisch von Papierherstellungsfasern) kann durch eine Größenklassifikationsvorrichtung
verarbeitet werden, wie ein Druckschirm. Die Quelle von Feinstteilchen
könnte
auch von nassem oder trockenem Papierausschuss, recycelt durch die
Papiermaschine, oder von recyceltem Papier sein (Abfallpapier vor
oder nach dem Konsumenten) stammen.
-
Die
verbleibenden 80 % werden in den Papierherstellungsprozess recycled
(siehe 4 und 5). Wie in 6 veranschaulicht,
ist der erfindungsgemäße Prozess
ein „geschlossenes" System, das „Prozess"-Wasser und Elemente
innerhalb der Papiermühle
nutzt, was den Abfall minimiert, im Gegensatz zum Nutzen des Mühlenwasserabflusses,
der als ein industrieller Abfall betrachtet wird.
-
Eine
bevorzugte Prozessausführungsform
gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in 7 veranschaulicht. Das verwendete Ausgangsmaterial
war Halbstoff (verdickter Rückstand),
der sowohl Feinstteilchen als auch Laubholzfaser enthielt. Die Feinstteilchen
enthalten Papierherstellungsfeinstteilchen und andere Inhaltsstoffe
(einschließlich
Füllstoff/Mineralteilchen),
die nicht auf dem Papiernetz eingefangen wurden und ihren Weg durch
das Sieb der Papiermaschine fanden. Verdünnungswasser und Kalk wurden
sequentiell in diese Leitung gegeben, wobei das Verhältnis von
Kalk zu Halbstoff variierte, um auf erwünschte Calciumcarbonatfüllungen
abzuzielen. Der Halbstoff wurde mit (gefiltertem) Löschkalk 72 und
Mühlenwasser
(frisches Kühlwasser) 73 auf
eine Konsistenz von 1,0 bis 3,5 % gemischt. Das Mischen wird in
der Leitung ausgeführt.
-
Die
Aufschlämmung
des Halbstoffs, des Verdünnungswassers
und des Kalks durchläuft
einen statischen Mischer 74, in dem die Inhaltsstoffe vermischt
werden. Gasförmiges
Kohlendioxid 75 wird in die Leitung injiziert. Die Aufschlämmung trat
in einen anderen statischen Mixer 74 ein, in dem all die
Inhaltsstoffe wieder vermischt werden. Die Aufschlämmung durchläuft den
Reaktor 77 bei Temperaturen zwischen 15–60 °C (60 bis 140 °F). Der pH
des Auslassstroms wurde überwacht
und in den Bereich von 6,5 bis 7 reguliert durch Einstellen des
Kohlendioxidflusses in den Reaktor. Der Faser-Füllstoff-Komplex, der den Reaktor
verlässt,
wird in einem Tank gelagert und dann an die Papiermaschine nach
einer weiteren Verdünnung
auf 0,5 bis 0,8 % Konsistenz gesandt.
-
Der
Papierherstellungsprozess erzeugt sowohl primäre als auch sekundäre Feinstteilchen.
Die Erfindung stellt einen Prozess bereit, um diese Feinstteilchen
stromaufwärts
von dem/der Papierherstellungsprozess/Papiermaschine abzusondern.
Im Allgemeinen liegt die Größe der getrennten
Feinstteilchen im Bereich von 0 bis 100 μm. Ein Klassifizierer wird verwendet,
um die Feinstteilchen abzutrennen, die gesammelt und dann in dem „Faser-Füllstoff-Komplexier"-Reaktor behandelt
werden. Die Komplexe werden dann zu dem Faserstoff zurückgebracht
und dem Papiermaschinenauflaufkasten oder anderen Punkten im Papierherstellungsprozess
zum Erzeugen des Papiers zugeführt.
-
In
einer anderen Ausführungsform
werden eine Reihe von Sieben verwendet (um die Faser zu klassifizieren)
und Refiner werden verwendet, um nur die Fraktion der langen Faser
fein zu mahlen. Jedes Sieb liefert einen Feinstteilchen-reichen
Strom, der in einen Reaktor zur Bildung der Faser/Füllstoff-Komplexe
zugeführt
würde.
Ein Sieb, das vor dem ersten Refiner angeordnet ist, würde die
Feinstteilchen aus dem Aufschließ- und Bleichprozess (primäre Feinstteilchen)
abtrennen, während
Siebe, die zwischen den Refinern oder nach dem letzten Refiner angeordnet
sind, die sekundären
Feinstteilchen, die in dem Feinmahlprozess erzeugt werden, abtrennen
würden.
-
Zusätzlich könnte eine
Pumpe verwendet werden, um die Konsistenz ähnlich der POM-Pumpe einzustellen
und den Halbstoff direkt aus dem letzten Waschholländer oder
dem Hochdichtekasten zu sieben und fein zu mahlen, welcher in einer
höheren
Konsistenz vorliegt als der dicke Faserstoffbrei. Diese Ausführungsform
würde den
Prozess rationalisieren durch Umgehen der Hoch- oder Niedrigdichtekästen.
-
Die
Faser/Füllstoff-Komplexe
werden bevorzugt gemäß der Prozessbedingungen
und -parameter, wie sie in den Patenten von Cousin et al. und Matthew
et al. beschrieben sind, gebildet, obwohl andere Verfahren zum Herstellen
derartiger Komplexe von dem erfindungsgemäßen Prozess umfasst sind. Die
Kalk- und Feinstteilchenaufschlämmung
kann eine Konsistenz so hoch wie 10 %, aber bevorzugt unter 5 %
besitzen. Der Prozess von Cousin et al. beschreibt einen diskontinuierlichen
Reaktionsprozess und Matthew et al. beschreibt den kontinuierlichen
Ansatz zum Bilden der Komplexe. Prozesstemperaturen können zwischen
0,6 – 93
% (33 bis 200 °F)
variieren. Der Druck in dem Reaktor kann zwischen 1 (14,6 psia)
und mehreren Atmosphären
oberhalb der Umgebung variieren. Die Molverhältnisse Kohlendioxidgas zu
Kalk können
zwischen 0,1 bis 10, bevorzugt um 1 bis 1,5 variieren. Die Reaktor/Reaktionsparameter
können
gesteuert und variiert werden, um eine vollständige Reaktion und ein optimales)
Kristallwachstum und Morphologie zu ergeben. Das Kohlendioxidgas, das
in der Reaktion verwendet wird, könnte rein sein oder von einer
Quelle, wie Rauchgas. Auch kann, wie beschrieben in Matthew et al.,
eine vorherige Ansäuerung
des Feinstteilchenstromes vor der Kalkzugabe und eine andere schrittweise
Einbringung von Kalk und Kohlendioxidgas in dem erfindungsgemäßen Prozess
verwendet werden.
-
Das
Ausgangsfasermaterial und die Quelle von Faserfeinstteilchen kann
von unbehandeltem, recyceltem, gebleichtem oder ungebleichtem, natürlichem
oder synthetischem Halbstoff stammen. Die Faserfeinstteilchen, die
in dem erfindungsgemäßen Prozess
genutzt werden, können
primäre
oder sekundäre
Feinstteilchen sein. Typischerweise treten primäre Feinstteilchen natürlich mit
dem Halbstoff auf und werden vor dem Feinmahlschritt abgetrennt.
Sekundäre
Fasern werden allgemein auf jene Feinstoffe bezogen, die erzeugt werden – eine Quelle
von sekundären
Faserfeinstteilchen ist der Feinmahlschritt oder andere Verarbeitungsschritte.
Nominal feingemahlener Halbstoff (Laubholz, Nadelholz oder ein Gemisch
von Papierherstellungsfasern) kann durch eine Größenklassifikationsvorrichtung
verarbeitet werden, wie ein Drucksieb. Die Quelle von Feinstteilchen
könnte
auch von nassem oder trockenem Papierausschuss stammen, der durch
die Papiermaschine recycelt wird.
-
Wie
im Abschnitt des Hintergrunds diskutiert, sind Feinstteilchen, die
aus dem Papiermaschinenrückwasser
und anderen „Abfall"-Strömen wiedergewonnen
werden, in der Technik bekannt. Jedoch variieren typischerweise
die Abfall-Faserfeinstteilchen
zwischen 0,5 und 4 % der gesamten Faserproduktion der Mühle. Falls
die Füllstoffbefüllung mit
dem typischen Gehalt von 1:3 (Faser:Füllstoff) ausgeführt wird,
beträgt
der maximale resultierende Füllstoffgehalt
in dem Blatt nur 12 %. Daher kann es durch Verwenden von Rückwasserfeinstteilchen
und Abfallströmen
allein nicht möglich
sein, all die gegenwärtigen „herkömmlichen" PCC (bis zu 23 %)
mit Füllstoff-Faser-Komplexen
zu ersetzen. Der erfindungsgemäße Prozess
stellt Zielfüllstoffgehalte
in dem Papier mit Gehalten bereit, die mindestens 5 % und bevorzugt
höher als
20 % betragen.
-
Die
folgenden Beispiele veranschaulichen verschiedene Aspekte der Erfindung,
sind aber nicht als sie beschränkend
zu interpretieren. Diese Beispiele sind lediglich repräsentativ
und schließen
nicht alle der möglichen
Ausführungsformen
der Erfindung ein.
-
BEISPIEL 1
-
HALBSTOFFSIEB/FRAKTIONIERUNGSVERSUCH
-
Ein
Halbstoffstrom enthält
typischerweise lange und kurze Fasern. Drucksiebe können den
Halbstoff (Zufuhr) in lange (Zurückweisung)
und kurze (Annahme) Faserströme
trennen. Halbstofffeinstteilchen existieren in jedem Faserstrom.
Einige sind lediglich kurze Faser/Fibrillen, die in dem Faserstoffbrei
vorhanden sind. Die meisten anderen werden erzeugt, wenn Faserstoffe
durch Koch- und Bleichprozesse laufen. In der Papiermaschinenfläche erzeugt
der Feinmahlschritt eine beträchtliche
Menge von Feinstteilchen, deshalb kann der Halbstoff entweder vor
oder nach dem Refiner gesiebt werden. In diesem Beispiel wird der
Halbstoff stromaufwärts
von dem Refiner gesiebt. Die optimalen Prozessbedingungen, wie Halbstoffkonsistenz,
Zuführgeschwindigkeit,
Zurückweisung/Annahmeaufteilungsverhältnisse,
etc., wie auch die Hardware, d.h. das Sieb, die Rotorkonfiguration, Öffnungs-/Schlitzgröße, etc.
wurden bestimmt.
-
Das
Sieben von fein gemahlenem Halbstoff wird im erfindungsgemäßen Prozess
bevorzugt verwendet zum Herstellen der Füllstoff-Faser-Komplexe, jedoch
kann auch nicht feingemahlener Halbstoff verwendet werden.
-
Prozedur
-
Gebleichtes,
nicht feingemahlenes südliches
Nadelholz wurde verwendet. Mehrere Kombinationen von Siebkästen, Rotoren
und Siebparameterkonfigurationen wurden verwendet und Zufuhr-, Annahme- (Feinstteilchen)
und Zurückweisungs-
(lange Fasern) Fraktionen wurden gesammelt. Diese wurden auf Faserlänge analysiert.
Die Rohdaten wurden verwendet, um die arithmetisch gewichtete Länge, die
Längengewichtete
Länge,
die Gewicht-gewichtete Länge,
die Längen-gewichteten
Feinstteilchen in Prozent und die arithmetisch gewichteten Feinstteilchen
in Prozent zu berechnen (alle von diesen sind Standardberichteinheiten
für Faserlänge).
-
Ergebnisse
-
In
den folgenden Tabellen werden die Ergebnisse der Faserlängenanalysen
zusammengefasst unter Verwenden dreier verschiedener Siebvorrichtungen.
Eine Differenz (Anstieg) in den Längenwerten zwischen den Zufuhr-
und Lang(Zurückweisungs)-Faser-Fraktionen
zeigt an, dass das Sieb beim Trennen der Feinstteilchen von der
Zufuhr wirksam war. Die Siebvorrichtung #1 war eine Entwässerungspresse;
die Siebvorrichtung #2 waren Kästen
mit 0,05" großen glatten
Löchern;
und die Siebvorrichtung #3 waren Kästen mit 0,018" groß geschlitzten
Löchern.
-
TABELLE
1 SIEBVORRICHTUNG
#1
-
TABELLE
2 SIEBVORRICHTUNG
#2
-
TABELLE
3 SIEBVORRICHTUNG
#3
-
BEISPIEL 2
-
Prüfblätter wurden
unter Verwenden der folgenden Füllstoffmaterialien
erzeugt:
- 1. Kontrolle: Kommerziell erhältliches
gemahlenes Calciumcarbonat (GCC);
- 2. Vergleich: Faser-Füllstoff-Komplexe
erzeugt gemäß der Patente
von Cousin et al. und Matthew. Der verwendete Ausgangshalbstoff
war hoch fibrillierter Halbstoff, nach unten feingemahlen auf ~
50 Canadian standard freeness (4C); und
- 3. Faser-Füllstoff-Komplexe
hergestellt gemäß des erfindungsgemäßen Prozesses
(C*).
-
Tabelle
4 unten fasst einen Vergleich der physikalischen Charakteristika
der gebildeten Blätter
unter Verwenden jedes der oben genannten Füllstoffmaterialien zusammen.
-
-
Ein
Vergleich der Steifigkeitscharakteristika von Papier unter Verwenden
des Kontroll(GCC)-Füllstoffes
und der erfindungsgemäßen Faser-Füllstoff-Komplexe
ist grafisch in 8 abgebildet. Es ist gezeigt,
dass der erfindungsgemäße Prozess
eine 4 bis 5 %-igen Füllstoff-Zunahme
für dieselbe
Produktsteifigkeit bereitstellt. Der erfindungsgemäße Prozess
ergibt bessere physikalische Eigenschaften bei niedrigeren Kapital-
und Betriebskosten.
-
BEISPIEL 3
-
Die
drei Füllstoffmaterialien
von Beispiel 2 wurden verwendet, um Papier auf einer Papierherstellungsmaschine
zu erzeugen. Ein Vergleich der optischen Eigenschaften, der Steifigkeit,
der Füllstoffzurückhaltung und
der Betriebskosten sind in Tabelle 5 aufgelistet.
-
-
Es
wurde gesehen, dass sich unter Verwenden des erfindungsgemäßen Prozesses
die Aschezurückhaltung
des ersten Durchgangs auf der Maschine von 76 auf 82 % verbesserte;
die Verwendung einer Rückhaltehilfe
wurde um bis zu 50 % verringert; das Querschnittsaschenprofil verbesserte
sich von +/–1,0
auf +/–0,3;
und das Blatt wurde weniger zweiseitig. Elektronenmikroskopische
Scanaufnahmen der Unter- und Schönseiten-Oberflächen zeigten
eine gleichförmigere
Füllstoffbedeckung
mit dem Faser-Füllstoff-Komplex der
Erfindung als mit herkömmlichem
präzipitierten
Calciumcarbonat (PCC).
-
Schließlich sind
Variationen von den Beispielen, die hier gegeben sind, angesichts
der oben gegeben Offenbarung möglich.
Die vorstehende Beschreibung verschiedener und bevorzugter Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wurde nur für Zwecke der Veranschaulichung
bereitgestellt, und es wird verstanden, dass zahlreiche Modifikationen,
Variationen und Änderungen
durchgeführt
werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen dargelegt,
abzuweichen.