DE102004045089A1

DE102004045089A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Beladen einer Faserstoffsuspension

Info

Publication number: DE102004045089A1
Application number: DE102004045089A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Dölle
Original assignee: Voith Paper Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2006-03-23
Also published as: CA2580697A1; BRPI0514926A; CN101014740A; EP1792008A1; US20070151681A1; WO2006032333A1

Abstract

Ein Verfahren zum Beladen einer Faserstoffsuspension von Zellulosefasern mit Calciumcarbonat ist durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet: DOLLAR A - Einbringen von Calciumhydroxid in flüssiger oder trockener Form oder von Calciumoxid in die Faserstoffsuspension, DOLLAR A - Einbringen von Kohlendioxid in die Faserstoffsuspension, DOLLAR A - Ausfällen von Calciumcarbonat aus dem Calciumhydroxid durch das Kohlendioxid in einem unter Druck stehenden Druckbehälter (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beladen einer Faserstoffsuspension mit Calciumcarbonat.

Es sind bereits mehrere Verfahren zum Beladen von Zellstofffasern mit Calciumcarbonat bekannt. In der US 6,413,365 B1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem Fasermaterial zusammen mit in der Suspension vorhandenem Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid über eine Zuleitung transportiert wird. Aus dieser wird die Faserstoffsuspension in eine rotierende Verteilungseinrichtung weitergeleitet. Kohlendioxid wird als Reaktionsgas ringförmig in die Faserstoffsuspension eingeleitet; dadurch werden Calciumcarbonat-Kristalle in der Faserstoffsuspension gebildet. Über die rotierende Verteileinrichtung werden die Calciumcarbonat-Kristalle in der Faserstoffsuspension verteilt. Dieser Vorgang wird als Fiber Loading-Prozess bezeichnet.

Aus der DE 101 07 448 A1 ist ein Verfahren zum Beladen einer Faserstoffsuspension mit Calciumcarbonat bekannt, bei dem die Faserstoffsuspension einem Kristallisator zugeführt und in diesem durch Scherkräfte beaufschlagt wird, um größere Faseragglomerate in kleinere oder sogar in Individualfasern aufzubrechen, und bei dem der Kristallisator gleichzeitig als Reaktor für die chemische Fällungsreaktion verwendet wird.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art weiter zu vereinfachen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten:

– Einbringen von Calciumhydroxid in flüssiger oder trockener Form oder von Calciumoxid in die Faserstoffsuspension,
– Einbringen von Kohlendioxid in die Faserstoffsuspension,
– Ausfällen von Calciumcarbonat aus dem Calciumhydroxid durch das Kohlendioxid in einem unter Druck stehenden Druckbehälter.

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren, um mit Fasern beladenes, gefälltes Calciumcarbonat (Fiber Loaded Precipitated Calcium Carbonate (FLPCC)) herzustellen, wobei der zu beladende Faserrohstoff aus Recycling-Papier, DIP-(= Deinked Paper)-Papier, Sekundärfaserstoff, gebleichtem oder ungebleichtem Zellstoff, Holzstoff, gebleichtem oder ungebleichtem Sulfatzellstoff, Fertigungsstoffausschuss, Leinen, Baumwolle, und/oder Hanffasern (vorwiegend Zigarettenpapier) und/oder jeglichem Papierrohstoff bestehen kann, der auf einer Papiermaschine Verwendung findet.

Mit dem gemäß dieser Erfindung geschaffenen Verfahren wird das gegenwärtig benutzte Füllstoffmaterial durch das mit der Fiber Loading-(= Faserbeladungs-)-Prozesstechnologie hergestellte Füllstoffmaterial ersetzt, ergänzt oder aktiviert. Unter der Aktivierung ist zu verstehen, dass schon vorhandene Füllstoffpartikel durch den Fiber Loading-Prozess überlagert werden oder als Kristallisationskeime dienen und somit bessere optische Eigenschaften entstehen.

Insbesondere ist das Verfahren auch geeignet, wenn mit FlexoInk (wasserbasierte Druckfarbe) bedrucktes Papier, insbesondere Zeitungspapier, für die Gewinnung des Faserrohstoffs zum Einsatz kommt. Die aus FlexoInk bestehenden Druckpartikel lassen sich durch einen Flotationsprozess nicht oder nur schwer ausscheiden. Durch die Erfindung ist es nun möglich, Füllstoffe und Fremdstoffe wie Druckfarbe, Verunreinigungen, Stickies, und dergleichen, welche zwangsweise in DIP-Papieren vorhanden sind, in den Fiber Loading-(=Faserbeladungs-)-Kristallisationsprozess einzubinden, wobei schon vorhandene Füllstoffpartikel durch den Faserbeladungsprozess überlagert werden oder als Kristallisationskeime dienen.

Das Verfahren ist unabhängig davon, ob der Faserrohstoff Füllstoff enthält, der durch einen Fällungsprozess in Batchreaktoren oder durch einen Mahlungsprozess hergestellt wurde, oder ob Talk, Titandioxid (TiO₂), Silicium, etc. zum Einsatz kommen. Der Mahlprozess wird auch als GCC-Verfahren (GCC = ground calcium carbonate = gemahlenes Calciumcarbonat) bezeichnet.

Wenn eine Faserstoffsuspension mit der Fiber-Loading-Technologie behandelt wird, resultiert ein vollkommen neues Produkt für den Anwendungsbereich der Papierherstellung mit neuen und verbesserten Eigenschaften gegenüber einem Produkt nach dem Stand der Technik. Die Fiber-Loading-Techologie erlaubt, direkt in der Stoffaufbereitung einer Papierfabrik Füllstoff, insbesondere Calciumcarbonat, auszufällen, das an, in und zwischen den Papierfasern gleichmäßig verteilt und angelagert ist.

Das Anwendungsgebiet des mit der Fiber-Loading-Prozesstechnologie hergestellten Füllstoffs erstreckt sich auf die Anwendungsgebiete der Papierherstellung aller Papiersorten einschließlich der Zigarettenpapiersorten, Filterpapiersorten, Sackkraftpapiersorten und Pappe- und Verpackungspapiersorten, einschließlich solchen, bei denen Recycling-Papiersorten und DIP-Papiere eingesetzt werden. Derartige Verpackungspapiere können einen Füllstoffgehalt zwischen 1 und 60 % besitzen und/oder eine weiße Deckschicht mit einem Füllstoffgehalt zwischen 1 und 60 % aufweisen. Die beladenen und hergestellten Papiersorten können aus einem Recycling-Papier, aus Deinked Paper (DIP), Sekundärfaserstoff, aus gebleichtem oder ungebleichtem Zellstoff, Holzstoff, gebleichtem oder ungebleichtem Sulfatzellstoff, Fertigungsstoffausschuss, Leinen, Baumwolle und/oder Hanffasern (vorwiegend für Zigarettenpapier) und/oder jeglichem Papierrohstoff auf einer Papiermaschine hergestellt werden, unabhängig davon, ob das Endprodukt Füllstoff enthält.

Mit der Fiber-Loading-Kombinationsprozesstechnologie hergestellter Faserstoff hat im allgemeinen eine höhere Entwässerungsfähigkeit als nach anderen Verfahren hergestellter Faserstoff; die Entwässerungsfähigkeit liegt bei 5 bis 100 ml CSF oder 0,2 bis 15 °SR in Abhängigkeit vom geforderten Mahlgrad. Zusätzlich besitzt der nach dem Fiber-Loading-Verfahren hergestellte Stoff oder die Pulpe ein niedrigeres Wasserrückhaltevermögen von 2 bis 25 % in Abhängigkeit von dem Rohstoff, der zur Herstellung eingesetzt wird. Dies ermöglicht eine effektivere Herstellung verschiedener Papiersorten wie beispielsweise FL (FL = fiber loaded)-Kopier- und Druckpapier aller Art, FL-Streichpapier aller Art, FL-Zeitungsdruckpapier aller Art und FL-Zigarettenpapier aller Art, FL-B&P-Papier aller Art, FL-Sackkraftpapier aller Art und FL-Filterpapier, weil das vorhandene Wasser der Stoffsuspension schneller entfernt werden kann. Entsprechend schneller trocknet auch der Stoff.

Wenn eine Faserstoffsuspension bei der Papierherstellung mit der Fiber Loading-Technologie behandelt wird, resultiert ein vollkommen neues Produkt, welches neue und verbesserte Eigenschaften gegenüber den am Markt verfügbaren Papieren aufweist. Der nachstehend beschriebene Fiber Loading-Prozess erlaubt es, direkt in der Stoffaufbereitung einer Papierfabrik Füllstoff, insbesondere Calciumcarbonat, auszufällen, das ausschließlich an und in den Papierfasern gleichmäßig verteilt und angelagert wird.

Durch eine Kombination oder durch eine Einzelanwendung der nachstehend beschriebenen Maßnahmen gemäß der Erfindung wird erreicht, dass ausschließlich gefälltes Calciumcarbonat für den Fiber Loading-Prozess hergestellt und bereits vorhandenes Füllstoffmaterial aktiviert wird.

Durch den Einsatz der Fiber Loading-Technologie im Stofflöser oder im Batch-Behälter können die optischen Eigenschaften der Papiersuspension und des Rohstoffes um 0,5 bis 30 Helligkeitspunkte, vorzugsweise um 1 bis 25 Helligkeitspunkte, verbessert werden, hauptsächlich durch die Maskierung der Verunreinigungen wie Farbpartikel oder Schmutz. Darüber hinaus erfolgt eine Um andlung nicht aktivierter Faserstoffbestandteile, welche im recycelten Papierrohstoff oder in der DIP-Pulpe eingelagert sind, beispielsweise nicht umgewandeltes Calciumhydroxid, PCC (precipitated calcium carbonate = gefälltes Calciumcarbonat), GCC (ground calcium carbonate = gemahlenes Calciumcarbonat), Kalkbestandteile, etc.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung.

Gemäß einer Ausführungsform wird als Ausgangsmaterial wässriger Faserrohstoff, insbesondere wässriger Papierrohstoff, mit einer Konsistenz von zwischen 1 und 20 % an Faserstoffanteil in den Druckbehälter eingebracht, wobei bei einem Anteil zwischen 1 und 6 % LC-Faserstoffmaterial (low consistency), bei einem Anteil zwischen 6 und 10 % MC-Faserstoffmaterial (medium consistency) und bei einem Anteil zwischen 10 und 20 % HC-Faserstoffmaterial (high consistency) eingesetzt.

Mit Vorteil wird der wässrige Faserrohstoff mit Verdünnungswasser zu einer Faserstoffsuspension mit einer Konsistenz zwischen 0,1 und 20 % aufgelöst wird, insbesondere mit einer Konsistenz zwischen 2 und 18 %, verdünnt.

In einer geeigneten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Druckbehälter nach dem Einbringen des wässrigen Faserstoffmaterials und/oder des Verdünnungswassers durch eine Schleuse geschlossen.

Von Vorteil ist es, wenn das Calciumhydroxid oder das Calciumoxid in den wässrigen Faserstoff in einem Bereich zwischen 0,1 und 60 % des vorhandenen Feststoffanteils der Masse des trockenen Faserstoffs eingemischt wird.

Bevorzugt beträgt der pH-Wert zwischen 6 und 11, insbesondere zwischen 6,5 und 10,5.

Die Reaktionszeit liegt zwischen 0,0005 und 30 Minuten, insbesondere im Bereich zwischen 0,05 bis 10 Minuten.

Mit Vorteil lässt sich das Calciumcarbonat durch Einmischung des Kohlendioxids in einem Druckbereich zwischen 0 und 15 bar, insbesondere zwischen 0 und 6 bar, ausfällen.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Faserstoffsuspension und/oder das Kohlendioxid durch Prozesswasser oder Verdünnungswasser oder Wasserdampf während seiner Auflösung in der Faserstoffsuspension oder durch den Faserbeladungsprozess oder durch Zuführung von Wärmeenergie von außen, insbesondere durch Dampfenergie oder elektrische Energie, erwärmt wird.

Das Kohlendioxid kann vor, während oder nach der Zugabe des Kohlendioxids oder des Calciumhydroxids oder des Calciumoxids zugeführt werden.

Hierbei kann vorteilhafterweise der Druckbehälter durch ein Ventil oder eine Schleuse vor der Reaktion der Faserbeladung geschlossen und nach der Reaktion geöffnet werden.

Der Energieaufwand für die Ausfällung der beladenen Fasern liegt zwischen 0,3 und 8 kWh/t, insbesondere zwischen 0,5 und 4 kWh/t, wenn keine Vorrichtung zum Mahlen des Faserstoffs zum Einsatz kommt. Eine Mahlmaschine kann dem Behälter auch vorgeschaltet sein, wenn die Faserpulpe bereits genügend aufgelöst ist. Die Mahlmaschine kann in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung dem Druckbehälter auch nachgeschaltet sein.

Vorzugsweise liegt die Prozesstemperatur zwischen –15 und 120 °C, insbesondere zwischen 20 und 90 °C.

Durch das Faserbeladungsverfahren werden rhomboedrische, skalenohedrische und kugelförmige Kristalle erzeugt.

Durch dieses Verfahren lassen sich bevorzugt Kristalle mit Abmessungen zwischen 0,05 und 5 μm, insbesondere zwischen 0,3 und 2,5 μm, erzeugen.

Es lassen sich statische und/oder bewegliche, insbesondere rotierende, Mischelemente zum Durchmischen der Faserstoffsuspension einsetzen.

Mit Vorteil wird auch vorgesehen, dass das Verfahren in einem Druckbereich zwischen 0 und 15 bar, insbesondere zwischen 0 und 6 bar, durchgeführt wird.

Gemäß der Erfindung ist es in einer bevorzugten Ausgestaltung auch möglich, innerhalb des Druckbehälters gleichzeitig während des Ausfällungsprozesses einer Mahlbehandlung zu unterziehen.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Fasenohstoff und einen Druckbehälter umfasst.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Druckbehälter eine Schleuse oder ein Ventil umfasst, über die bzw. das der Faserrohstoff zur Herstellung der Faserstoffsuspension mit beladenen Fasern zugeführt wird. Mit Vorteil weist der Druckbehälter Einlässe für Verdünnungs- oder Pressenwasser, für Calciumoxid oder Calciumhydroxid und für Kohlendioxid auf.

Zusätzlich umfasst der Druckbehälter einen Rotor zum Durchmischen der Faserstoffsuspension.

Nachstehend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand der einzigen Figur näher beschrieben. Diese zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Beladen einer Faserstoffsuspension.
Ein Faserrohstoff wird über ein Zuflussrohr 1 (Figur) einem Druckbehälter 2 zugeführt. Um die Zuflussmenge festlegen und begrenzen zu können, ist zwischen dem Zuflussrohr 1 und dem Druckbehälter 2 eine Schleuse 3 vorhanden, die über einen motorisch betriebenen Verschlussmechanismus geöffnet und verschlossen wird.
Über weitere Zuleitungsanschlüsse 4, 5, 6 werden Verdünnungswasser, Calciumhydroxid in flüssiger oder fester Form oder Calciumoxid bzw. Chemikalien zugeführt, so dass sich, wenn zunächst der Faserrohstoff zugeführt wurde, bis dieser einen Füllstand 7 erreicht hat, oberhalb dieses Füllstandes 7 eine Befüllung des Druckbehälters 2 mit dem für die Faserstoffbeladung dienenden Calciumhydroxid zusammen mit dem Wasser und/oder dem Verdünnungswasser, in dem es gelöst ist, bildet.
Zum Vermischen des Faserrohstoffs mit dem Calciumhydroxid, damit dieses in die Fasern eindringt, dient ein Rotor 8, der entweder auf dem Grund des Druckbehälters 2 und/oder weiter oberhalb ein Propellerrad oder dergleichen aufweist. Der Rotor 8 wird über einen Motor 9 angetrieben.
Vorzugsweise im unteren Bereich des Druckbehälters 2 ist wenigstens ein Einlass 10 für Kohlendioxid vorhanden, durch das das Calciumhydroxid zu Calciumcarbonat reagiert. Nachdem der Faserrohstoff aufgelöst ist und mit Calciumcarbonat beladen ist, wird er über ein mit einem Ventil 11 versehenes Abflussrohr 12 zu einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn abgeleitet.
An dem Druckbehälter 2 ist vorzugsweise auch eine Messstelle 13 zur Messung der chemischen Zusammensetzung des Inhalts des Druckbehälters 2, insbesondere zur Messung des pH-Werts, angeordnet.

1: Zuflussrohr
2: Druckbehälter
3: Schleuse
4: Zuleitungsanschluss
5: Zuleitungsanschluss
6: Zuleitungsanschluss
7: Füllstand
8: Rotor
9: Motor
10: Einlass für Kohlendioxid
11: Abflussrohr
12: Ventil
13: Messstelle

Claims

Verfahren zum Beladen einer Faserstoffsuspension von Zellulosefasern mit Calciumcarbonat mit den folgenden Verfahrensschritten: – Einbringen von Calciumhydroxid in flüssiger oder trockener Form oder von Calciumoxid in die Faserstoffsuspension, – Einbringen von Kohlendioxid in die Faserstoffsuspension, – Ausfällen von Calciumcarbonat aus dem Calciumhydroxid durch das Kohlendioxid in einem unter Druck stehenden Druckbehälter (2).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial wässriger Faserrohstoff, insbesondere wässriger Papierrohstoff, mit einer Konsistenz von zwischen 1 und 20 % Faserstoffanteil in den Druckbehälter eingebracht wird, wobei bei einem Anteil zwischen 1 und 6 % LC-Faserstoffmaterial, bei einem Anteil zwischen 6 und 10 % MC-Faserstoffmaterial und bei einem Anteil zwischen 10 und 20 % HC-Faserstoffmaterial eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wässrige Faserrohstoff mit Verdünnungswasser zu einer Faserstoffsuspension mit einer Konsistenz zwischen 0,1 und 20 % aufgelöst wird, insbesondere mit einer Konsistenz zwischen 2 und 18 %, verdünnt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (2) nach dem Einbringen des wässrigen Faserstoffmaterials und/oder des Verdünnungswassers durch eine Schleuse (3) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Calciumhydroxid oder das Calciumoxid in den wässrigen Faserstoff in einem Bereich zwischen 0,1 und 60 % des vorhandenen Feststoffanteils der Masse des trockenen Faserstoffs eingemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einem pH-Wert zwischen 6 und 11, insbesondere zwischen 6,5 und 10,5, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktivität des Calciumhydroxids zwischen 0,0005 und 30 Minuten, insbesondere im Bereich zwischen 0,05 bis 10 Minuten, liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Calciumcarbonat durch Einmischung des Kohlendioxids in einem Druckbereich zwischen 0 und 15 bar, insbesondere zwischen 0 und 6 bar, ausgefällt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstoffsuspension und/oder das Kohlendioxid durch Prozesswasser oder Verdünnungswasser oder Wasserdampf während seiner Auf lösung in der Faserstoffsuspension oder durch den Faserbeladungsprozess oder durch Zuführung von Wärmeenergie von außen, insbesondere durch Dampfenergie oder elektrische Energie, erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid vor, während oder nach der Zugabe des Kohlendioxids oder des Calciumhydroxids oder des Calciumoxids zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (2) durch ein Ventil oder eine Schleuse (3) vor der Reaktion der Faserbeladung geschlossen und nach der Reaktion geöffnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieaufwand für die Ausfällung der beladenen Fasern zwischen 0,3 und 8 kWh/t, insbesondere zwischen 0,5 und 4 kWh/t liegt, wenn keine Vorrichtung zum Mahlen des Faserstoffs zum Einsatz kommt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserstoff innerhalb des Druckbehälters (3) während des Ausfällungsprozesses einer Mahlbehandlung unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesstemperatur zwischen –15 und 120 °C, insbesondere zwischen 20 und 90 °C, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass rhomboedrische, skalenohedrische und kugelförmige Kristalle erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristalle mit Abmessungen zwischen 0,05 und 5 μm, insbesondere zwischen 0,3 und 2,5 μm, erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass statische und/oder bewegliche, insbesondere rotierende, Mischelemente (8) zum Durchmischen der Faserstoffsuspension eingesetzt werden.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Zuführeinrichtung (1) zum Zuführen von Faserrohstoff und einen Druckbehälter (2) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter eine Schleuse oder ein Ventil umfasst, über die bzw. das der Faserrohstoff zur Herstellung der Faserstoffsuspension mit beladenen Fasern zuführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (2) Einlässe (4, 5, 10) für Verdünnungs- oder Pressenwasser, für Calciumoxid oder Calciumhydroxid und für Kohlendioxid umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (2) einen Rotor (8) zum Durchmischen der Faserstoffsuspension umfasst.