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Pulpe d'amidon, procédé pour sa préparation et son application dans la fabrication de-papier et de carton.
La présente invention concerne une pulpe d'amidon propre à être utilisée en particulier dans la fabrication de papier et de carton, ainsi qu'un procédé pour sa préparation.
Par l'expression"pulpe d'amidon"utilisée dans cette description, on entend un produit consistant en des paillettes ou fibrilles d'amidon dont la plus grande dimension est généralement inférieure à 1 mm. Des paillettes de ce type sont différentes de produits à morphologie fibreuse en ce que, sous le microscope, elles ressemblent à de petits fragments de pellicule qui peuvent être enroulés dans une mesure plus ou moins grande selon les conditions de traitement utilisées et le type d'amidon utilisé. En raison des petites dimensions de ces paillettes, elles peuvent également être mélangées d'une manière simple à n'importe quel type de mélange de papier et de cellulose.
Il est connu que, si une dispersion colloïdale aqueuse d'amidon en une concentration comprise entre 5 et 40% en poids de matière solide anhydre est amenée en contact avec une solution saline, par exemple du sulfate d'ammonium, elle coagule, formant des paillettes de gel.
Le brevet US nO 4 205 025 décrit un procédé pour la production de fibrilles utilisées comme pulpe de papier en utilisant des polymères filmogènes, notamment des amidons en substance hydrosolubles. Le polymère filmogène est dissous dans de l'eau pour former une solution qui est alors injectée dans un agent de précipitation, de préférence un non-solvant organique, comme un alcool ou une cétone, sous application d'une contrainte de cisaillement pour obtenir la formation des fibrilles qui sont alors rendues plus hydrophobes par un traitement ultérieur au moyen d'un agent insolubilisant.
Le brevet US nO 4 139 699 décrit un procédé pour l'élaboration d'un produit à morphologie de fibres d'amidon
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par extrusion d'une dispersion colloïdale d'amidon à haute teneur en amylopectine dans un agent de coagulation. Lorsqu'on utilise des amidons à teneur en amylopectine inférieure à approximativement 95%, l'amidon doit être modifié chimiquement pour assurer sa dispersion colloïdale dans le système aqueux ou, en variante, l'amidon doit être dissous en présence d'hydroxydes alcalins.
L'application industrielle du procédé décrit est difficile à cause de l'utilisation d'hydroxydes alcalins, en particulier d'hydroxyde de sodium, car le stade de coagulation réalisé au moyen de sulfate d'ammonium entraîne la production d'ammoniac et la formation de grandes quantités de sulfate de sodium, empêchant la coagulation et créant des problèmes d'évacuation de déchets.
Le brevet US nO 4 243 480 décrit un procédé qui utilise le produit obtenu par le procédé du brevet US nO 4 139 699 pour la production de papier et de carton selon la technique de fabrication de papier classique. Ce produit a une morphologie de fibres courtes, les fibres ayant un diamètre compris entre 10 et 500 jumel une longueur comprise entre 0,1 et 3 mm, et est obtenu en extrudant la dispersion d'amidon par une filière dans un bain de coagulation en mouvement.
Le brevet US nO 4 340 442 décrit un procédé pour la formation de fibrilles qui, afin d'améliorer les propriétés hydrophobes des fibrilles, fait appel à des amidons hydrosolubles à haute teneur en amylose (50 à 80% en poids). Un tel amidon, qui est en substance insoluble dans l'eau, exige un stade au cours duquel il est dissous dans une solution alcaline qui, dans ce cas-ci également, suscite des difficultés lors du stade de coagulation et des problèmes pour l'évacuation des sulfatas formés à ce stade.
Le brevet US nO 4 853 168 décrit un procédé du type décrit dans le brevet US nO 4 139 699, dans lequel la dispersion colloïdale d'amidon se prêtant à l'extrusion est obtenue par cuisson d'une suspension aqueuse d'amidon contenant la solution saline coagulante.
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Une autre difficulté rencontrée lors de l'application industrielle des procédés connus réside dans la filtration du produit de coagulation, qu'il soit sous forme de fibres ou de fibrilles, car ce produit est à l'état de gel et obstrue les ouvertures des toiles filtrantes. Ce produit, qui ne présente plus la structure granulaire de l'amidon, conserve l'état de gel même lorsqu'il est soumis à un traitement ultérieur consistant en un lavage à l'eau.
L'invention a pour premier but de procurer un procédé pour la production de pulpe d'amidon propre à être utilisée en une forte concentration dans du papier, en plus de la cellulose, en utilisant des amidons d'origine naturelle largement disponibles sur le marché.
L'invention a également pour but de procurer un procédé dans lequel l'amidon ne doive pas être dissous dans un alcali et qui permette d'obtenir un produit pouvant être filtré d'une manière simple.
L'invention a encore pour but de procurer un produit de pulpe d'amidon qui, grâce à ses caractéristiques morphologiques et dimensionnelles, puisse être utilisé comme pulpe à papier, en plus de la cellulose et permettant également d'améliorer les propriétés mécaniques du papier.
Pour atteindre ces différents buts, l'invention a trait à un procédé pour la production de pulpe d'amidon, comprenant un stade pour la coagulation d'un flux d'une dispersion aqueuse d'amidon dans un flux d'une solution aqueuse de sel servant de coagulant, caractérisé en ce que : - on prépare cette dispersion aqueuse de manière continue en cuisant au jet une suspension d'amidon dans de l'eau d'une concentration comprise entre 5 et 40% en poids, à une température comprise entre 90 et 180 C ; - on injecte la suspension d'amidon obtenue de cette façon, en tant que flux secondaire, dans un flux primaire d'un agent de coagulation, à une température comprise entre 20 et 100 C, le rapport des vitesses du flux primaire et du flux secondaire étant supérieur à 1 :
30, afin d'obtenir la formation de cette pulpe, et
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- on soumet la pulpe obtenue de cette façon à une maturation dans ses propres liqueurs mères pendant une période de 1 à 4 heures à une température comprise entre 20 et 400C.
L'invention a trait en second lieu à une pulpe d'amidon, caractérisée en ce qu'elle est formée par des paillettes dont au moins 90% en poids ont des dimensions inférieures à 50 mesh (0,297 mm) (déterminées par le classificateur de fibres de Bauer McNett (méthode standard TAPPI T 233)).
La pulpe d'amidon est de préférence formée de paillettes satisfaisant à la distribution dimensionnelle suivante, déterminée par la méthode précitée :
EMI4.1
<tb>
<tb> Fraction <SEP> % <SEP> en <SEP> poids
<tb> < 28 <SEP> mesh <SEP> (0,59 <SEP> mm) <SEP> 98-100
<tb> < 50 <SEP> mesh <SEP> (0,297 <SEP> mm) <SEP> 90-100
<tb> < 100 <SEP> mesh <SEP> (0,149 <SEP> mm) <SEP> 70-90
<tb> < 200 <SEP> mesh <SEP> (0,074 <SEP> mm) <SEP> 20-40
<tb>
D'autres avantages et particularités du produit et du procédé conformes à l'invention seront illustrés plus en détail avec référence au dessin annexé qui montre, sous une forme schématique, une installation permettant de réaliser le procédé.
Comme le montre le dessin, le chiffre de référence 1 désigne un disperseur à agitation pour la préparation d'une suspension d'amidon dans de l'eau d'une concentration sur base sèche comprise entre 5 et 40% en poids, de préférence entre 10 et 20% en poids. L'amidon utilisé pour la préparation de la suspension est de préférence un amidon d'origine naturelle, par exemple un amidon de maïs, un amidon de riz, un amidon de tapioca ou un amidon de pomme de terre, ayant une teneur en amylopectine comprise entre 45 et 100%. L'amidon de maïs, qui est largement disponible sur le marché, est particulièrement préférable, ayant une teneur en
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amylopectine typique comprise entre 64 et 80% en poids.
Cependant, il est également possible, sans sortir du cadre de l'invention, d'utiliser des amidons à haute teneur en amylose, par exemple de l'amylomaïs.
La suspension, maintenue sous agitation à température ambiante dans le disperseur, est alors pompée par l'intermédiaire d'une pompe à engrenage 2 dans un cuiseur à jet, désigné dans l'ensemble par le chiffre 3, où elle est mélangée dans un écoulement à cocourant avec de la vapeur de manière à atteindre la température de cuisson souhaitée. Le processus de cuisson à jet est connu en soi et implique le chauffage instantané de la suspension aqueuse par de la vapeur de traitement, puis le maintien du liquide chauffé à une température choisie pendant une période prédéterminée. La température de cuisson est généralement comprise entre 90 et 180 C et est choisie en fonction de l'amidon spécifique utilisé au cours du processus.
En particulier, il faut veiller à éviter une température excessive qui dégraderait la matière amylacée, tout en garantissant que la température, la contrainte de cisaillement appliquée et le temps de séjour soient tels qu'il soit possible d'obtenir une dispersion proche d'une solubilité complète au niveau moléculaire.
A la sortie du cuiseur à jet, la suspension d'amidon soumise à la cuisson est recueillie sous agitation dans un réacteur chemisé 4, de l'eau circulant à une température d'environ 100 C dans la chemise intérieure de ce réacteur. Une évaporation instantanée est effectuée dans le réacteur chemisé afin de libérer l'excès de vapeur et de ramener les concentrations d'amidon et d'eau à des valeurs proches des concentrations initiales.
L'amidon est pompé à partir du réacteur 4 par l'intermédiaire d'une pompe 5 dans un échangeur de chaleur 6, où il est amené à une température comprise entre 20 et 100 C, de préférence entre 40 et 700C. L'amidon est amené de l'échangeur de chaleur 6 à un éjecteur 7 dans lequel un flux de solution saline coagulante es également injecté.
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Les sels qui peuvent être utilisés dans le cadre de l'invention comprennent le sulfate d'ammonium, le sulfate de magnésium, le sulfate d'aluminium, le phosphate d'ammonium, le chlorure de potassium, le sulfate de sodium, le carbonate de sodium, le bicarbonate de sodium et le chlorure d'ammonium.
La solution saline préférée est une solution saturée de sulfate d'ammonium, mais il n'est pas nécessaire d'atteindre des niveaux de saturation des sels précités et il est également possible d'utiliser des concentrations inférieures aux niveaux de saturation.
L'éjecteur est conçu de façon telle que le flux principal formé par la solution saline soit accéléré dans une section convergente afin d'obtenir la vitesse souhaitée.
La section convergente est généralement suivie d'une section de diamètre constant, puis d'un diffuseur pour réduire la vitesse. La dispersion d'amidon provenant de l'échangeur 6 est canalisée ou pompée dans l'éjecteur au voisinage de la zone de vitesse maximale de la solution saline, de manière à maximaliser le rapport de tirage, défini comme étant le rapport de la vitesse du flux primaire formé par la solution saline et de la vitesse du flux secondaire de la dispersion d'amidon, au point d'intersection.
La dispersion d'amidon pénètre dans l'éjecteur par des cuvertures de dimensions comprises entre 0,5 et 2 mm, de préférence entre 0,6 et 1,2 mm. Ces ouvertures peuvent être ménagées dans la paroi de l'éjecteur ou sur l'axe de cet éjecteur, avec des angles de contact différents entre les deux flux. On a constaté que les dimensions des ouvertures d'entrée sont importantes pour le fonctionnement correct de l'appareil et pour l'obtention d'un produit adéquat. En particulier, des ouvertures de petites dimensions ( < 0,6 mm) donnent de plus petites paillettes ou fibrilles, mais déterminent une productivité faible et tendent à s'encrasser et à s'obstruer plus facilement.
L'angle de contact entre les deux flux peut varier entre 0 et 600 sans variations significatives quelconques des
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dimensions et de la structure du produit.
On a constaté qu'un rapport de tirage compris entre 30 et 100, de préférence entre 40 et 70, donne des paillettes ou des fibrilles de dimensions appropriées à utiliser avantageusement dans une pulpe à papier.
La solution saline coagulante peut être mélangée avec de l'air avant d'être amenée en contact avec la solution d'amidon. Dans ce cas, les paillettes ont de plus grandes dimensions et présentent un aspect plus filiforme, ce qui facilite la filtration.
Les paillettes d'amidon formées de cette manière sont recueillies dans un réacteur à agitation 8 pour une maturation pendant une période de 1 à 4 heures, suivie d'une décantation. Dès que la décantation est terminée, la substance clarifiée est recyclée au moyen d'une pompe 9 et est mélangée avec du sulfate saturé avant d'être réutilisée pour le tirage de l'amidon.
La substance clarifiée qui circule dans l'installation en tant qu'agent coagulant contient la solution saline et les paillettes plus fines qui, suite à leurs petites dimensions, ne subissent pas de décantation dans le récipient collecteur. Il est clair que les fines paillettes en circulation n'affectent pas les phases de coagulation ultérieures du reste de l'amidon, mais au contraire, lors d'un contact ultérieur avec la solution d'amidon, augmentent leurs propres dimensions et deviennent des paillettes qui sont décantées dans l'opération de décantation suivante.
La masse de fibres provenant du réacteur 8 est pompée au moyen d'une pompe 10 vers un filtre 11. Les paillettes sont recueillies dans un récipient 12, tandis que le filtrat est transféré dans un récipient 13 où il est mélangé avec la substance clarifiée provenant de la pompe 9, avec une addition ultérieure de sulfate saturé pour recycler la solution saline propre à être introduite dans l'éjecteur 7.
En utilisant un nombre approprié de réacteurs 8
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pour la maturation et la décantation, il est possible d'exécuter le processus en continu et d'obtenir ainsi la pulpe d'amidon qui peut être lavée directement sur le filtre ou simplement filtrée et lavée dans un second stade.
EXEMPLE 1. -
L'installation décrite plus haut a été utilisée pour produire une pulpe d'amidon de maïs, en travaillant dans les conditions suivantes : - concentration d'amidon dans le disperseur : 15% en poids (amidon anhydre) - température de cuisson maximale dans le cuiseur à jet : 1600C - température de l'amidon à l'entrée de l'éjecteur : 500C - solution saline : sulfate d'ammonium à 41% en poids - température de la solution saline à l'entrée de l'éjecteur : 180C - vitesse maximale de la solution saline dans l'éjecteur :
31,4 mètres/seconde - vitesse de l'amidon à l'entrée de l'éjecteur :
0,66 mètre/seconde - rapport de tirage :
1/47 - éjecteur comportant 8 ouvertures d'entrée d'amidon dans sa paroi, chacune ayant un diamètre de 1 mm et étant inclinée à 450 par rapport à l'axe de l'éjecteur - temps de décantation moyen des paillettes d'amidon :
90 minutes - temps de maturation moyen avant filtration : 2,5 heures.
Le procédé a été exécuté conformément aux indications qui précèdent et l'on a obtenu des paillettes d'amidon présentant la distribution dimensionnelle suivante, mesurée à l'aide de l'appareil de Bauer McNett et exprimée en pourcentages en poids :
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EMI9.1
<tb>
<tb> 28 <SEP> mesh <SEP> (0,59 <SEP> mm) <SEP> % <SEP> : <SEP> 0,1
<tb> 50 <SEP> mesh <SEP> (0,297 <SEP> mm) <SEP> % <SEP> : <SEP> 2,8
<tb> 100 <SEP> mesh <SEP> (0,149 <SEP> mm) <SEP> % <SEP> : <SEP> 11, <SEP> 5
<tb> 200 <SEP> mesh <SEP> (0,074 <SEP> mm) <SEP> % <SEP> : <SEP> 49,0
<tb> > 200 <SEP> mesh <SEP> (0,074 <SEP> mm) <SEP> % <SEP> : <SEP> 36,6
<tb>
La distribution qui précède est optimale pour l'utilisation de la pulpe d'amidon dans le processus de fabrication de papier, conjointement avec des fibres de cellulose.
En particulier, cette pulpe peut être utilisée dans du papier en une concentration allant jusqu'à 50% en poids.
EXEMPLE 2.-
Le procédé décrit plus haut a été exécuté conformément aux conditions de travail décrites dans l'exemple 1, en modifiant le rapport de tirage, et l'on a obtenu des paillettes d'amidon présentant une distribution dimensionnelle différente indiquée dans le tableau 1, dans lequel les éprouvettes 3 et 4 sont des éprouvettes de comparaison.
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TABLEAU 1
EMI10.1
<tb>
<tb> Eprouvette <SEP> n <SEP> 1 <SEP> 2.
<SEP> 3 <SEP> 4
<tb> Rapport <SEP> de <SEP> tirage <SEP> 1/47 <SEP> 1/40 <SEP> 1/23 <SEP> 1/18
<tb>
Distribution dimensionnelle de Bauer McNett
EMI10.2
<tb>
<tb> 28 <SEP> mesh <SEP> (0,59 <SEP> mm) <SEP> 0,1 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 14,5 <SEP> 26,0
<tb> 50 <SEP> mesh <SEP> (0,297 <SEP> mm) <SEP> 2,8 <SEP> 4,7 <SEP> 37,5 <SEP> 39,3
<tb> 100 <SEP> mesh <SEP> (0,149 <SEP> mm) <SEP> 11,5 <SEP> 18,3 <SEP> 14,9 <SEP> 12,8
<tb> 200 <SEP> mesh <SEP> (0,074 <SEP> mm) <SEP> 49,0 <SEP> 52,6 <SEP> 16,4 <SEP> 17,4
<tb> > 200 <SEP> mesh <SEP> (0,074 <SEP> mm) <SEP> 36,6 <SEP> 23,9 <SEP> 16,7 <SEP> 4,5
<tb>
Ces paillettes d'amidon ont été ajoutées à des fibres de cellulose et différents échantillons de papier ont été produits, conformément aux procédés de préparation habituels.
Les propriétés physicomécaniques de ces échantillons ont été mesurées et l'on a obtenu les résultats cités dans le tableau 2.
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TABLEAU 2
EMI11.1
<tb>
<tb> Blanc <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4
<tb> Amidon <SEP> % <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> 25
<tb> Longues <SEP> fibres <SEP> % <SEP> 20 <SEP> 15 <SEP> 15 <SEP> 15 <SEP> 15
<tb> Courtes <SEP> fibres <SEP> % <SEP> 80 <SEP> 60 <SEP> 60 <SEP> 60 <SEP> 60
<tb> 28 <SEP> mesh <SEP> 47,9 <SEP> 0,1 <SEP> 0,5 <SEP> 14,5 <SEP> 26,0
<tb> (0,59 <SEP> mm) <SEP> %
<tb> 50 <SEP> mesh <SEP> 20,1 <SEP> 2,8 <SEP> 4, <SEP> 7 <SEP> 37,5 <SEP> 39,3
<tb> (0,297 <SEP> mm)
<tb> 100 <SEP> mesh <SEP> 7,7 <SEP> 11,5 <SEP> 18, <SEP> 3 <SEP> 14,9 <SEP> 12,8
<tb> (0,149 <SEP> mm) <SEP> %
<tb> 200 <SEP> mesh <SEP> 5,1 <SEP> 49,0 <SEP> 52,6 <SEP> 16,4 <SEP> 17,4
<tb> (0,074 <SEP> mm) <SEP> %
<tb> > 200 <SEP> mesh <SEP> 19, <SEP> 2 <SEP> 36,6 <SEP> 23,9 <SEP> 16,7 <SEP> 4,5
<tb> (0,074 <SEP> mm) <SEP> %
<tb> Masse <SEP> volumique
<tb> apparente <SEP> (kg/m2)
<tb> UNI <SEP> 6442 <SEP> 630 <SEP> 740 <SEP> 718 <SEP> 691 <SEP> 663
<tb> Indice <SEP> de <SEP> traction
<tb> (Nm/g)
<tb> UNI <SEP> 6438/2 <SEP> 44,7 <SEP> 52,4 <SEP> 49,3 <SEP> 41,4 <SEP> 37,8
<tb> Allongement <SEP> %
<tb> UNI <SEP> 6438/2 <SEP> 2,4 <SEP> 3,2 <SEP> 2,7 <SEP> 2,4 <SEP> 2,1
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> la
<tb> rupture <SEP> (J/kg)
<tb> UNI <SEP> 6438/2 <SEP> 742 <SEP> 1135 <SEP> 1156 <SEP> 690 <SEP> 535
<tb> Scott <SEP> Bond <SEP> (J/m2)
<tb> UNI <SEP> 9439 <SEP> 209 <SEP> 464 <SEP> 428 <SEP> 308 <SEP> 244
<tb> Garley <SEP> (sec.)
<tb> UNI <SEP> 762914 <SEP> 5 <SEP> 65 <SEP> 61 <SEP> 35 <SEP> 17
<tb> Flexion <SEP> (N.)
<tb> UNI <SEP> 9072 <SEP> 155 <SEP> 227 <SEP> 217 <SEP> 113 <SEP> 63
<tb> Douceur <SEP> d'écoulement
<tb> (ml/min.)
<tb> UNI <SEP> 7626/1/2 <SEP> 1120 <SEP> 1000 <SEP> 1063 <SEP> 1365 <SEP> 1645
<tb> Substance <SEP> (g/m) <SEP> 61,
<SEP> 6 <SEP> 65, <SEP> 6 <SEP> 64, <SEP> 8 <SEP> 62, <SEP> 7 <SEP> 65, <SEP> 8
<tb>
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Comme on peut le noter, les produits contenant de faibles pourcentages de paillettes de dimensions supérieures à 50 mesh (0,297 mm) améliorent considérablement toutes les propriétés mécaniques du papier par rapport aux valeurs standard. D'autre part, les produits contenant de hauts pourcentages de paillettes de dimensions supérieures à 50 mesh (0,297 mm), en dépit du fait que la distribution est semblable à celle des fibres de cellulose, ont un effet défavorable sur les propriétés mécaniques du papier.