CN101432483A - 向纤维悬浮液中添加填料的方法 - Google Patents
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Abstract
一种向纤维悬浮液中添加填料的方法，在该方法中将至少一种铝盐溶解到该纤维悬浮液中，并借助于该纤维悬浮液的pH条件使充当填料的氢氧化铝沉淀到该纤维的表面上。
Description
本发明涉及按照所附权利要求1的前序部分、用于将填料添加到纤维悬浮液中的方法。
除了含有纤维素的纤维外，某些特定纸级的组合物的一个重要部分由其中所用填料组成。该填料对该纸的外观和技术性能有影响。该填料通常是无机的，而且是基于矿物质的，它们由适合于该纸的纤维网络空间的较小微粒组成。填料可以选自各种各样无机矿物质，它们在该纸中的含量可以是相当高的。
按照惯例，可购自填料供应商的填料符合某些质量要求而且有适用的粒度分布，将其与其它浆粕成分混合，此后，将有适当稠度的浆粕从流浆箱(网头箱)引导到成型段，在此，开始浆粕悬浮液脱水和纸成形为一种粘结纤维网。造纸的一个目标是达到良好保留；换言之，尽可能大量的，进入纸机网的浆粕应当留在该纸机网上形成的纸纤维网中。
然而，与该纸浆粕混合的填料是在该纸机的循环水中不断循环的，在此它们引起了问题。当填料在纸机的水循环中循环时，有机材料就在其表面上积累，引起该填料变色，从而影响最终产品的光学性能。进而，留在水循环中的填料妨碍纸厂废水的处理，因为该填料是不燃烧的，或在生物废水处理中不降解。
本发明的一个目的是公开一种将填料添加到纤维悬浮液中的方法，导致最终产品光学性能和填料保留率的改善，从而导致该方法的固体物质排放量减少。为了达到这个目的，按照本发明的方法的主要特征在于将至少一种铝盐溶解到该纤维悬浮液中，和借助于该纤维悬浮液的pH条件使作为填料使用的氢氧化铝沉淀到该纤维的表面上。
按照本发明的方法是以如下思想为基础的：该纤维悬浮液用一种铝盐处理，以形成该造纸方法用填料。在该方法中，可以使起到填料作用的氢氧化铝沉淀到该纤维的表面上。这样，该填料可以附着到纤维上，而不再留在该纸机的水循环中循环。与让现成填料与纸浆粕混合的惯常方法相比，本发明的不同在于让填料的起始原料与该纤维悬浮液混合，然后在该纤维悬浮液中形成该填料并直接沉淀到该纤维的表面上。
在这一范畴内，纤维悬浮液这一术语系指一种含有纤维材料且其稠度可以各异的水性悬浮液。因此，该纤维悬浮液也系指一种含有大部分水但也含有少量短纤维的清澈滤液。铝盐这一术语用于一种可以溶解到水相中的化合物，其中铝离子释放到该溶液中。在这一范畴内，铝盐系指诸如硫酸铝，即最常用的铝盐。
用按照本发明的方法制备的纤维悬浮液可以用来作为纸或纸板的原材料。
按照本发明的方法的最显著优点是最终产品光学性能改善。氢氧化铝在该纤维表面上的沉淀改善了光学性能，这是由于该氢氧化铝的亮度和如下事实的缘故：填料不在纸机的水循环中循环，从而不引起其变色。进而，按照本发明的方法有不透明性改善效果。
沉淀性氢氧化铝也用于使其它填料粘结到该纤维的表面上，例如高岭土、GCC(研磨碳酸钙)、二氧化钛、及其它有阴离子表面电荷或已转化成阴离子的可能填料。作为结果，纸机水循环中其它填料的含量也会降低，而它们以前在此是引起问题的。进而，该填料与该纤维的更好结合便利了纸厂废水的处理，因为该填料在生物污水处理中是不降解的。因此，本发明要提到的一个优点是，与惯常使用的方法相比更好的填料保留率，因而该方法的固形物排放量减少。按照本发明的方法的又另一个优点是运输成本降低，因为该方法使得有可能在纸厂从原材料原位制备该填料。
以下，参照所附的、由扫描电子显微镜拍摄的照片(SEM)更详细地描述本发明，其中：
图1显示在一种清澈滤液中沉淀到纤维表面上的氢氧化铝，
图2显示在一种清澈滤液中完全覆盖了氢氧化铝的纤维，
图3显示沉淀到未漂白精制纤维的表面上的氢氧化铝微粒，
图4显示沉淀到未漂白精制纤维的表面上的氢氧化铝层，
图5显示沉淀到未漂白精制纤维的表面上的单个氢氧化铝微粒，和
图6显示与氢氧化铝一起沉淀到纤维表面上的高岭土微粒。
铝离子及其所生成的成分强烈依赖于液相的pH。因此，当使该铝盐沉淀为氢氧化铝时利用了该液相pH的变化。在6.5～8的pH范围内，铝在水中主要是作为氢氧化铝存在的。在这一范围内，铝也可以部分地以其它形式存在。
以下，我们将使用硫酸铝作为反应物更详细地讨论水相中氢氧化铝的沉淀。首先，将硫酸铝(Al2(SO4)3)溶解到该水相中，在这种情况下溶解到一种纤维悬浮液中，其中三价铝离子和硫酸根离子是在该溶液中产生的。因此，该溶液的pH在酸性侧。氢氧化铝Al(OH)3的沉淀可以通过提高该溶液的pH进行，因为铝在pH范围为6.5～8.0的水相中是以氢氧化铝的形式存在的。因此，该溶液的pH是用碱性溶液例如氢氧化钠(NaOH)提高的，其中铝沉淀成氢氧化铝。氢氧化铝沉淀的最佳pH是7.5。
图1～6显示由扫描电子显微镜(SEM)拍摄的氢氧化铝向纤维表面上的沉淀。将100mL相对密度为11.80Be(波美度)即1088Kg/m3的硫酸铝添加到2种不同样品即200mL清澈滤液和未漂白TMP(热机械法浆粕)中。这些样品的纤维含量是100mg/L。硫酸铝添加之后，该清澈滤液的pH从约5降到3.1。然后添加氢氧化钠使该溶液的pH升到7.5，其中该铝沉淀成氢氧化铝。按照这些附图，氢氧化铝看来沉淀成主要为菱形的微粒。图1和2显示清澈溶液中的纤维，而图3～6显示从TMP样品拍摄的单一未漂白精制纤维。
图1、3和5显示部分地呈单一微粒形式(图5)的、沉淀在纤维表面上的氢氧化铝。当硫酸铝的局部浓度提高时，氢氧化铝沉淀，在纤维表面上形成厚层，如图2中所示。图4也显示在未漂白精制纤维的表面上成层的的沉淀氢氧化铝。进而，当沉淀时，氢氧化铝将其它填料粘结到该纤维的表面上，如图6中所示，其中高岭土微粒(平整大微粒)附着到该纤维的表面上。
在实施中，沉淀是通过将铝盐溶解到纤维悬浮液中进行的，然后该沉淀可以按照2种不同原理发生：
-在添加时，该纤维悬浮液已经有能导致氢氧化铝沉淀这样的pH条件，或
-添加之后，使该纤维悬浮液的pH条件改变得使氢氧化铝能沉淀。
在第一替代方案中，该铝盐添加后不需要任何单独pH调整。在后一种替代方案中，该纤维悬浮液的pH条件可以为了使氢氧化铝沉淀之目的而改变，或者它们变得适合于正常纸浆处理方法。有利于沉淀的pH条件是诸如通过使一种碱性溶液与该纤维悬浮液混合得到的。该添加的含量取决于当时该纤维悬浮液的pH条件。生成氢氧化铝的沉淀发生于6.5～8.0的pH范围内。
铝盐溶解于纤维悬浮液中和生成氢氧化铝的沉淀是尽可能靠近高位调浆箱的纸机或纸板机的短循环中进行的。因此，氢氧化铝的沉淀与浆粕上浆到网段上之间的延迟是尽可能短的，至多约15s。这样，填料对成型纸或纸板纤维网的良好粘合是在该网段上达到的，因而纸厂水循环中的填料含量可以降低。
该铝盐可以投加和溶解到也在侧流或在单独水循环中的水相中，然后使含有铝盐的水溶液与该纤维悬浮液混合，其中氢氧化铝是要么由于改变该纤维悬浮液的pH条件要么该纤维悬浮液已经具有有利于该沉淀的pH条件而沉淀的。向该纤维悬浮液中的(铝盐)投加和生成氢氧化铝的沉淀发生于尽可能靠近高位调浆箱的短循环中，如以上所表述的。
一种替代方法是在该水性纤维悬浮液形成之前使铝盐与机械浆粕直接混合。此后，生成氢氧化铝的沉淀可以通过用以上所述方法改变该条件以有利于该沉淀而在尽可能靠近高位调浆箱的地方进行。
该方法没有对氢氧化铝沉淀可以发生的浆粕稠度设定任何限制。氢氧化铝沉淀可以诸如在大部分由水组成但也含有短纤维的清澈滤液中发生。在这种情况下，该铝离子中一些会生成不附着到该纤维表面上的氢氧化铝。然而，碱性变色的风险比该沉淀在高稠度浆粕中发生时小，因为当pH上升到6以上时该浆粕的亮度会降低。
要溶解到该浆粕中的铝盐的含量可以用来调整沉淀到该纤维表面上的氢氧化铝的含量。通常，让过量铝盐与该纤维悬浮液混合以提供充分的沉淀。
正在沉淀的氢氧化铝也可粘结其它填料，从而改善该填料的保留率。这样的填料包括例如高岭土、GCC、二氧化钛、及其它有阴离子表面电荷或者已经转变成阴离子型的可能填料。氢氧化铝与其它填料之间的粘结据推测是作为化学键合发生的。
按照本发明的方法，与惯常使用的、让成品填料与浆粕混合的方法相比，因所使用的填料而异，可以使填料保留率提高20～60％。填料保留率取决于进行该氢氧化铝沉淀时浆粕的稠度。与诸如在清澈滤液中相比，在高稠度浆粕中得到更好的填料保留率，因为在高稠度浆粕中该氢氧化铝大多数附着到该纤维上。
纸浆的光学性能是借助于该氢氧化铝的亮度改善的，因为氢氧化铝的ISO亮度是98。光学性能的改善也是如下事实的结果：当氢氧化铝生成时，它附着到纤维表面上而且不会留在循环水中循环而引起填料变色。进而，按照本发明的方法对最终产品还有不透明性改善效果。
按照本发明的方法适用于各种各样的浆粕，包括化学浆、机械浆、化学机械浆、或热机械浆、以及再循环浆、或这些浆的混合物。
将用铝盐处理的按照本发明的纤维悬浮液形成的纸浆导入纸机或纸板机的成型段，纸或纸板就是通过让它经由一种水可渗透的成型介质渗滤而由它以连续纤维网的形式制成的。因此，按照本发明的纤维悬浮液可以用来作为纸、纸板、或另一种由纤维材料制成的相应纤维网或纸浆产品的原材料。
作为上述方法的一种替代，我们也可以提到水中氢氧化铝的直接沉淀，其中该填料可以在纸厂原位制造。氢氧化铝是通过将诸如硫酸铝添加到水例如循环水中或通过将该水的pH调整得适合于沉淀例如通过使用氢氧化钠而沉淀的。所生成的盐可以研磨到所希望的粒度和形状。此后，该氢氧化铝可以按照惯例与各浆粕成分混合。用这种方法，达到了经济效益，因为原位氢氧化铝制备与当它从化学品供应商购买时相比是经济上更可行的。然而，用这种替代方案，填料保留率无法得到改善，但最终产品的光学性能可以得改善。
本发明不仅局限于以上表述的造纸方法的某些实施方案或部分，而且本发明也意在在所附权利要求书中定义的本发明思想的范围内得到广泛应用。
Claims (12)
1.纤维悬浮液中填料的添加方法，其特征在于将至少一种铝盐溶解到该纤维悬浮液中，并借助于该纤维悬浮液的pH条件使起填料作用的氢氧化铝沉淀到该纤维的表面上。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于在铝盐添加后，调整该纤维悬浮液的pH条件，使得该氢氧化铝沉淀到该纤维的表面上。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于该纤维悬浮液的pH条件是通过使一种碱性物质与该纤维悬浮液混合而改变的。
4.按照权利要求3的方法，其特征在于引起该沉淀的碱性物质是氢氧化钠。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于在该添加时，该纤维悬浮液已经有能使氢氧化铝沉淀的pH条件。
6.按照以上任何一项权利要求的方法，其特征在于该沉淀发生于6.5～8的pH范围内。
7.按照以上任何一项权利要求的方法，其特征在于该铝盐是硫酸铝。
8.按照以上任何一项权利要求的方法，其特征在于该氢氧化铝也用于使其它填料粘结到该纤维的表面上。
9.按照权利要求8的方法，其特征在于与氢氧化铝粘结的填料是诸如下列之一：高岭土，GCC，二氧化钛，或者有阴离子型表面电荷或已经变成阴离子的另一种填料。
10.按照以上任何一项权利要求的方法，其特征在于氢氧化铝在纤维上的沉淀是在纸机或纸板机的短循环中进行的。
11.按照以上任何一项权利要求的方法，其特征在于将由该纤维悬浮液形成的纸浆粕导入纸机或纸板机的成型段，且纸或纸板是通过让该纸浆粕经由一种水可渗透的成型介质渗滤而由其以连续纤维网的形式制成的。
12.用按照以上权利要求1～10中任何一项的方法制造的纤维悬浮液作为纸或纸板的原材料的用途。
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