DE112004001313T5

DE112004001313T5 - Verfahren zur Herstellung von Papier und Papier

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Publication number: DE112004001313T5
Application number: DE112004001313T
Authority: DE
Inventors: Matti SIPILÄ; Päivi SOLISMAA; Mikko Maijala; Roope Maijala; Björn LAX
Original assignee: UPM Kymmene Oy; FP Pigments Oy
Current assignee: UPM Kymmene Oy; FP Pigments Oy
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2006-10-19
Also published as: JP4897481B2; US20070131360A1; GB2420793B8; GB2420793B; FI20040147A; WO2005005726A1; FI120463B; FI20040147A0; JP2007528947A; GB2420793A8; GB0601626D0; GB2420793A

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Papier, wobei in dem Verfahren ein Füllstoffe enthaltender Papierfaserbrei mit einer vorgegebenen Konsistenz in einen Formbereich einer Papiermaschine eingespeist wird, dem Papierfaserbrei Wasser dadurch entzogen wird, dass der Papierfaserbrei durch eine wasserdurchlässige Basis, beispielsweise ein Langgitter, abtropfen gelassen wird und eine derart hergestellte Papierbahn getrocknet und fertig gestellt wird um ein fertiges Papierprodukt herzustellen,
dadurch gekennzeichnet, dass der Papierfaserbrei folgendermaßen hergestellt ist:
(a) das die als Rohmaterial für den Papierfaserbrei benutzten Fasern enthaltende Fasermaterial wird in den Ausfällungsreaktor eingespeist;
(b) ein reaktives Mineralmaterial, beispielsweise Kalziumhydroxid (Ca(OH)₂), wird in den Ausfällungsreaktor eingespeist;
(c) das reaktive Mineralmaterial und das Fasermaterial werden kombiniert, um in dem Ausfällungsreaktor und/oder vor dem Einspeisen dieser Materialien in den Ausfällungsreaktor eine Fasersuspension zu bilden;
(d) die Fasersuspension wird in dem Ausfällungsreaktor mit einem Fällungsmittel des reaktiven Mineralmaterials in Kontakt gebracht, um zumindest teilweise das reaktive Mineralmaterial in der...

Description

Die Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Papier nach den im Folgenden vorgestellten unabhängigen Patentansprüchen. Ferner betrifft die Erfindung Papier.
Mineralstoffe enthaltende Füllmaterialien, beispielsweise natürliches, fein gemahlenes Kalziumkarbonat, ausgefälltes Kalziumkarbonat (PCC), Kaolin und Talk werden in der Papierherstellung verwendet, um verschiedene Papiereigenschaften zu verbessern, beispielsweise optische Eigenschaften und Druckeigenschaften. Ferner ermöglicht das Hinzufügen von Füllmaterialien die Verwendung geringerer Mengen von Fasermaterialien in der Papierherstellung. Die dadurch erreichten Kosteneinsparungen übertreffen klar die Kosten des Füllmaterials.
Es wird daher gemeinhin als wünschenswert erachtet, so viel Füllmaterial wie möglich in die Fasersuspension zu geben, die in der Papierherstellung verwendet wird. Aufgrund von Faktoren, die die Stärkeeigenschaften des Papiers betreffen, kann jedoch die Menge des hinzu gegebenen Füllmaterials, beispielsweise des Kalziumkarbonats, üblicherweise 20–25% nicht überschreiten.
Um die Menge des Kalziumkarbonats zu erhöhen, wurde vorgeschlagen, ein Kalzium-basiertes Füllmaterial in der Form von Kalziumhydroxid zu der Fasersuspension zu geben und das darin enthaltene Kalzium in ausgefälltes Kalziumkarbonat umzuwandeln, und zwar durch die Zugabe von Kohlendioxidgas. Dieses veranlasst das Kalziumkarbonat zum Ausfallen und dazu, sowohl unmittelbar an den Fasern als auch in den Fasern zu haften, so dass dem Papier mehr Karbonat hinzugefügt werden kann.
Schwächen dieser Lösung nach dem Stand der Technik können im Folgenden gesehen werden:

– die Durchführung der Ausfällungsreaktionen benötigt eine verhältnismäßig lange Zeit,
– die Ausfällungsreaktionen sind teilweise unvollständig,
– die Verfahren verlaufen nicht stetig oder
– die verwendeten Geräte können nicht in einer einfachen Weise in das Papierherstellungsverfahren integriert werden.

Das U.S.-Patent No. 6, 471, 825 schlägt das Ausfällen von zu der Fasersuspension gegebenem Kalziumhydroxid direkt auf die Fasern in der Form von Kalziumkarbonat vor. In diesem Fall wird vorgeschlagen, dass die Fasern und Kalziumhydroxid enthaltende Suspension zunächst in einem Apparat von der Art eines Scheibenverfeinerers behandelt wird, um die alle Faserbündel zu verteilen, bevor das Kohlendioxidgas in die Suspension eingeleitet wird.
In Apparaten von der Art eines Scheibenverfeinerers wird die Suspension einer rauen Behandlung ausgesetzt, die einen schwächenden Effekt auf das Fasermaterial hat. Nach dem Einleiten des Kohlendioxids in die Fasersuspension wird die Suspension in einem Gewindemischer gemischt. Jedenfalls ist es mit konventionellen Ausfällungsreaktoren, die mit Schaufel- oder Schlangenmischern ausgestattet sind, schwierig, ein schnelles und effizientes Mischen des Kohlendioxids und des Kalziumkarbonats sicherzustellen und dadurch eine Reaktion zu gewährleisten, die so vollständig wie nur möglich ist. In diesen Reaktoren ist es zudem schwierig, eine Bindung des ausgefällten Kalziumskarbonats mit den Fasern zu erreichen.
Das U.S.-Patent No. 5,679,220 offenbart wiederum ein Verfahren, in dem zu der Fasersuspension gegebenes Kalziumhydroxid mit der Hilfe von Kohlendioxidgas in der Form von Kalziumkarbonat auf die Fasern ausgefällt wird, während die Fasersuspension durch einen lange, mit zwei Abteilungen ausgestatteten, röhrenartigen Reaktor mit glatten Innenwänden fließt. Die Kalziumhydroxid enthaltende Suspension wird etwa in der Mitte der ersten Abteilung des röhrenartigen Reaktors in die Fasersuspension eingeleitet. Kohlendioxidgas wird sowohl vor als auch nach dem Einleiten der das Kalziumhydroxid enthaltenden Suspension in die Fasersuspension in diese eingeleitet. Das Kohlendioxidgas wird durch einen Einlass eingeleitet, der zu dem Zweck in der Wand des Reaktors eingebracht ist, die Absorption des Gases in die vorbei fließende Suspension zu bedingen. Die Verweildauer der Fasersuspension in dem vergleichsweise langen Mischungsreaktor, der mehr als 2 Meter lang ist, beträgt mehr als 1 Minute.
Ferner sind Verfahren zur Papierherstellung bekannt, in welchen Fasermaterial mit Füllstoffen versetzt wird, beispielsweise aus der EP Anmeldung 969141. Es ist charakteristisch für dieses Verfahren, dass das Papier nach der Bahnbildung geglättet wird. Die Vorbehandlung des Fasermaterials, in der die Fasern mit Kalziumkarbonat ausgestattet werden, ist in dieser Veröffentlichung nicht detailliert beschrieben.
Infolgedessen zielt die Erfindung darauf ab, ein Papierherstellungsverfahren zu kreieren, das den bisherigen Verfahren überlegen ist. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, ein überlegenes Papier bereitzustellen.
Das Ziel ist es, ein Verfahren bereitzustellen, in dem die oben genannten Probleme im Stand der Technik minimiert werden.
Ein Ziel ist es demnach als erstes, ein Verfahren bereitzustellen, das sicher stellt, dass die Fasern und der Mineralstoff, beispielsweise Kalziumhydroxid oder Kalziumoxid, und das chemische Fällungsmittel, beispielsweise Kohlendioxidgas, während des Ausfällungsprozesses sehr gut gemischt werden und die Herstellung von Papier aus derartig vorbehandeltem Fasermaterial zu ermöglichen.
Ein Ziel ist es demnach ferner, ein Verfahren bereitzustellen, das es ermöglicht, die Ausfällung des Kalziumkarbonats auf oder in die Fasern innerhalb einer möglichst kurzen Zeit und so vollständig wie möglich zu beginnen und durchzuführen.
Ein Ziel ist es ferner, ein Verfahren bereitzustellen, dass es ermöglicht, einen Füllmittelgehalt im Vergleich zu dem nach der bekannten Praxis Erreichten zu erhöhen.
Ein Ziel ist es ferner, ein Verfahren bereitzustellen, dass es ermöglicht, die Eigenschaften, typischerweise die optischen und die eine Stärke betreffenden Eigenschaften, von Papier, Pappe oder anderen entsprechenden Produkten in einer gewünschten Weise zu beeinflussen.
Ein Ziel ist es zudem, ein Verfahren bereitzustellen, das zur Verwendung beim Ausfällen von Mineralstoffen auf Fasern in sehr verschiedenen Fasersuspensionen und auf andere Feststoffe, die in den genannten Fasersuspension enthalten sind, geeignet ist.
Ein weiteres Ziel ist es, ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Papier, Pappe oder ähnlichen Produkten in der Form von Bahnen zu gewinnen.
Um die oben genannten Ziele zu erreichen, sind das Verfahren und das Papier gemäß der vorliegenden Erfindung durch dasjenige gekennzeichnet, was in der detaillierten, im Folgenden Beschreibung der Erfindung und in den unabhängigen Patentansprüchen dargelegt ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Papier, das im Wesentlichen die Folgenden Schritte enthält:

(a) Einspeisen des als Rohmaterial für den Papierfaserbrei benutzten Fasermaterials in den Ausfällungsreaktor;
(b) Einspeisen eines reaktiver Mineralstoff, beispielsweise Kalziumhydroxid (Ca(OH)₂), in den Ausfällungsreaktor;
(c) der reaktive Mineralstoff und das Fasermaterial werden kombiniert, um in dem Ausfällungsreaktor und/oder vor dem einspeisen dieser Materialien in den Ausfällungsreaktor eine Fasersuspension zu bilden;
(d) die Fasersuspension wird in dem Ausfällungsreaktor mit einem Fällungsmittel des reaktiven Mineralstoffs in Kontakt gebracht, um zumindest teilweise das reaktive Mineralmaterial in der Suspension auszufällen, um dadurch zumindest einen Teil des so gebildeten ausgefällten Mineralmaterials auf die Fasern in der Fasersuspension auszufällen, in einer solchen Weise, dass (d1) ein Gas in den Ausfällungsreaktor eingeleitet wird, welches ein Fällungsmittel zum Ausfällen des Mineralstoffs, beispielsweise Kohlendioxid, enthält, um innerhalb des Ausfällungsreaktors einen Gasraum, der das Fällungsmittel enthält zu bilden und (d2) die in den Ausfällungsreaktor eingespeiste und/oder darin gebildete Fasersuspension in den Gasraum in kleinen Teilen, beispielsweise in Tropfen und/oder Teilchen, die Feststoffe und/oder Flüssigkeit enthalten, verteilt oder zerstreut wird;
(e) die behandelte Fasersuspension wird aus dem Ausfällungsreaktor ausgelassen;

Typischerweise wird ein gasförmiges Fällungsmittel in einem kontinuierlichen Gasstrom in den Ausfällungsreaktor eingespeist, um den gewünschten Gasraum im Reaktor zu erhalten. Die Menge des Fällungsmittels im Gas kann beträchtlich variieren, beispielsweise abhängig von der Quelle des gasförmigen Fällungsmittels, von seiner Qualität und/oder von den gewünschten Papiereigenschaften. Das in den Ausfällungsreaktor eingeleitete Gas enthält üblicherweise ein Fällungsmittel wie Kohlendioxid, >5%, typischerweise >10% oder wenn gewünscht sogar 100%. Das Gas, welches das Fällungsmittel enthält, kann daher reines oder beinahe reines Kohlendioxid, Abgas oder ein anderes geeignetes Gas oder eine Kohlendioxid enthaltende Gasmischung sein. Wenn gewünscht, können natürlich andere Fällungsmittel als Kohlendioxid gewählt werden, die zum Ausfällen des gewählten reaktiven Mineralmaterials geeignet sind. Das Gas wird typischerweise derart in den Ausfällungsreaktor eingeleitet, dass ein Überdruck im Ausfällungsreaktor entsteht.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zielt darauf ab, die Fasersuspension, mit ihren flüssigen und festen Phasen, zerstäubt in extrem kleine Teilchen, in der Form von Teilchen oder Partikeln, in den Gasraum einzuleiten. Die Fasersuspension wird in diesem Fall gemäß einem bekannten oder neuen Verfahren in reine Flüssigkeitströpfchen, Flüssigkeitströpfchen, die Feststoffe wie Fasern und Mineralstoffe enthalten, Feststoffpartikel und/oder von Flüssigkeit umgebene Feststoffpartikel zerstäubt. Das Fasermaterial in der Fasersuspension wird daher, zumindest teilweise, in getrennte Fasern zerstäubt. Die flüssige Phase der Fasersuspension wird andererseits in Flüssigkeitströpfchen zerstäubt, hauptsächlich <10 mm, typischerweise <1 mm. Die kleinen Flüssigkeitströpfchen, Fasern und andere Feststoffpartikel verteilen sich in dem Gasraum und bilden eine beinahe nebelartige Gassuspension, die eine deutlich höhere Volumenflussrate hat als die Fasersuspension, die in den Reaktor eingespeist wird. Dies erzeugt eine große Kontaktfläche zwischen den Tröpfchen und/oder Partikeln und dem umgebenden Gas, was extrem schnelle und vollständige Ausfällungsreaktionen zwischen dem reaktiven Mineralmaterial, das ausgefällt werden soll, und dem Fällungsmittel im Gas ermöglicht.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ferner davon ausgegangen werden, dass im Prinzip beinahe jede einzelne Faser von einer Gashülle umgeben ist, wodurch eine schnelle und effiziente Ausfällungsreaktion des Mineralstoffs aus der umgebenden Flüssigkeit auf die Oberfläche der Fasern und in die Faser bedingt wird. Bisher war es im Gegensatz dazu das Ziel, Gas in kleinen Bläschen in eine mehr oder weniger viskose Fasersuspension einzuspeisen, wobei in solchen Verfahren der Ausfällungsprozess nicht so schnell oder so effizient ist wie nach der vorliegenden Erfindung.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden auf den Fasern extrem aktive Bereiche von ausgefälltem Material gebildet, wobei durch diese Bereiche die Fasern wahrscheinlich Bindungen zwischen den Fasern bilden, während die Ausfällungsreaktionen in diesen Bereichen fortgesetzt werden. Diese Bindungen verbessern die Festigkeitseigenschaften des hergestellten Papiers.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wurde vor oder im Ausfällungsreaktor ein Aktivierungsbereich gebildet, vorzugsweise in seinem Startpunkt bezüglich des Flusses des Fasermaterials. In der Aktivierungszone wird die Fasersuspension Kräften ausgesetzt, welche die Fasern, beispielsweise tribomechanisch oder tribochemisch, aktivieren, und zwar in einer Weise, die die Fähigkeit der Fasern, aneinander zu binden oder mit dem ausfallenden oder dem ausgefällten Mineralstoff zu binden, verbessert. Die Aktivierung der Fasern hat eine positive Wirkung auf die Festigkeitseigenschaften des hergestellten Papiers.
In der Aktivierungszone des bevorzugten Ausführungsbeispiels kann die Fasersuspension sowohl in kleine Tröpfchen oder Partikel zerstäubt werden als auch aktiviert werden. Die Aktivierung wird vorzugsweise unter alkalischen Bedingungen ausgeführt, wenn die Fasern, beispielsweise durch die Zugabe von Ca(OH)₂, hinreichend aufgequollen sind.
In der Aktivierungszone kann die Fasersuspension beispielsweise wiederholten Stößen, gegenläufigen Stößen, Scherkräften, Turbulenzen, Über- und Unterdruckpulsen oder ähnlichen Kräften ausgesetzt werden, welche die Fasern mechanisch aktivieren, und zwar insbesondere ihre Oberflächen, beispielsweise durch Zerspleißen oder Mahlen der Fasern, oder durch das Öffnen der inneren Bereiche (Lumen) der Fasern für den Mineralstoff. Andererseits können die Fasern, insbesondere die Oberflächen der Fasern, chemisch aktiviert werden, beispielsweise durch das Bilden von aktiven OH-Gruppen auf der Oberfläche der Fasern.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Aktivierung beispielsweise in einem Ausfällungsreaktor mit einer Aktivierungszone eingeleitet werden, die mit einem Durchflussmixer ausgestattet ist, der nach dem so genannten Mehrfachkäfig-Stoßmühlenprinzip arbeitet und mehrere, typischerweise 3–8, am typischsten 4–6, konzentrische Käfige aufweist, die mit Schaufeln oder Ähnlichem ausgestattet sind. Zumindest jeder zweite der Käfige wirkt als Rotor und die benachbarten Käfige wirken als Statoren oder Rotoren, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in unterschiedliche Richtungen bewegen. Die Geschwindigkeit der Rotoren kann zwischen 2 und 250 m/s variieren. Der er Geschwindigkeitsunterschied zwischen den benachbarten Käfigen beträgt 10–500 m/s, typischerweise 50– 200 m/s. Mühlen oder Mischer, die nach diesem Prinzip arbeiten, wurden bereits vorgestellt, beispielsweise in den finnischen Patentveröffentlichungen 105669B, 105112B und in der Veröffentlichung WO-96/18454.
In einem nach dem Stoßmühlenprinzip wirkenden Durchflussmixer wird die Fasersuspension üblicherweise von den Käfigzentren radial nach außen durch den Mixer geführt, was den an den Käfigen angeordneten Schaufeln oder Ähnlichem ermöglicht, Stöße und Gegenstöße zu erzeugen, die auf die nach außen fließende Fasersuspension wirken und dadurch Scherkräfte, Turbulenzen, Unter- und Überdrückpulse zu erzeugen, die eine aktivierende Wirkung auf die Fasern haben. Ein nach dem Stoßmühlenprinzip arbeitender Reaktor kann effizient Fasersuspension sowohl mit hohem Feststoffgehalt als auch mit geringem Feststoffgehalt verarbeiten, und sie dadurch für die Ausfällungsphase vorbereiten. In einem Ausfällungsreaktor gemäß der vorliegenden Erfindung ist es daher möglich, Mineralstoffe mit stark veränderlichem Feststoffgehalt auszufällen, beispielsweise 0,1–40%, typischerweise 1–15%, am typischsten 3–7%. Beschränkungen ergeben sich hauptsächlich aus der Pumpbarkeit der Fasersuspension in den Einlass- und Auslassröhren.
Die benachbarten Käfige, Rotoren, Schaufeln oder entsprechenden Teile des Durchflussmixers bewegen sich üblicherweise in entgegengesetzte Richtungen, was effektive, aufeinander folgende Stöße in entgegengesetzte Richtungen ermöglicht, das heißt, dass Stöße und Gegenstöße erzeugt werden, die in entgegengesetzten Richtungen auf die durch den Reaktor fließende Fasersuspension wirken. Wenn andererseits stationäre Käfige, oder Statoren, zwischen denjenigen Käfigen angeordnet sind, die sich in die gleiche Richtung bewegen, das heißt zwischen den Rotoren, ist es möglich, die von den Rotorschaufeln erzeugten Stöße und vom Auftreffen auf die Statorschaufeln erzeugten Gegenstöße auf die den Reaktor durchfließende Fasersuspension wirken zu lassen. Ein ähnliches Ergebnis kann mit Rotoren, die mit stark unterschiedlicher Geschwindigkeit in die gleiche Richtung drehen, erreicht werden.
Die Schaufeln oder Ähnliches der Rotoren und Statoren im Durchflussmixer können zudem die Fasersuspension von den Käfigzentren radial nach außen weiterleiten. Da die Rotor- und Statorkäfige von ihren Zentren nach außen in der Größe anwachsen, wird eine Druckdifferenz zwischen dem Einlass des Durchflussmixers bzw. dem Zentrum und dem Auslass oder dem äußeren Käfig erzeugt. Der Druck fällt bei einer Bewegung vom Zentrum aus nach außen ab. Die entsprechende Druckdifferenz unterstützt den Durchfluss der Fasersuspension durch den Durchflussmixer.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung tritt beispielsweise dann eine mechanische Aktivierung ein, wenn die Oberflächen der Fasern in der Art behandelt werden, dass freie, reaktive Faseroberflächen freigelegt werden, an welchen die ausfallenden Mineralstoffe leicht anhaften können, oder in einer Art, die Fibrillen auf den Faseroberflächen erzeugt, so dass der sich niederschlagende Mineralstoff an den Fibrillen anhaften kann. Die Ausbildung der Fibrillen erhöht die spezifische Fläche der Oberfläche der Fasern und ermöglicht der Faser das Binden einer erhöhten Menge des sich niederschlagenden Mineralstoffs. Einige der gebildeten Fibrillen können sich von den Fasern lösen und dadurch die Menge von Feinstoffen in der Fasersuspension erhöhen, was in manchen Fällen wünschenswert ist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung tritt mechanische Aktivierung auch dann ein, wenn die Fasern mit Über- und Unterdruckpulsen behandelt werden, und zwar in der Art, dass sich die Fasern öffnen, reißen oder Ähnliches, so dass Löcher in ihnen gebildet werden, die es einer größeren Menge von reaktivem Mineralmaterial aus der Fasersuspension ermöglichen, in die Faser einzudringen und sich dort abzulagern.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung findet eine chemische Aktivierung beispielsweise statt, wenn die Faseroberflächen in einer Weise aktiviert werden, dass aktive chemische Gruppen, die dazu in der Lage sind, ausfallendes oder ausgefälltes mineralisches Material zu binden, auf den Faseroberflächen gebildet werden.
Nach einem typischen Verfahren dieser Erfindung werden das Fasermaterial und das reaktive Mineralmaterial, beispielsweise eine Milch aus Kalk, Ca(OH)₂, vorzugsweise in einer Fasersuspension zusammengeführt, bevor diese Materialien in den Ausfällungsreaktor eingeleitet werden. Die Fasersuspension, die das Fasermaterial und das reaktive Mineralmaterial enthält, wird üblicherweise durch das Hinzufügen des auszufällenden reaktiven Mineralmaterials in Form eines Schlamms oder einer Suspension zu der Suspension des Fasermaterials gebildet. Der Schlamm oder die Suspension können schnell und gleichmäßig mit der Fasersuspension vermischt werden. Andererseits kann das auszufällende Mineralmaterial auch in fester Form zu der Suspension des Fasermaterials gegeben werden, beispielsweise in der Form von Pulver. Wenn das reaktive Mineralmaterial der Suspension mit dem Fasermaterial vor dem Einleiten der Suspension in den Ausfällungsreaktor beigemischt wird, haben die Fasern einige Minuten, um das reaktive Mineralmaterial zu absorbieren, wenn dies erwünscht ist, und falls das reaktive Mineralmaterial alkalisch ist, trägt es zum Aufquellen der Fasern zu einer vorteilhaften Form hinsichtlich der Aktivierung und/oder der Karbonisierung bei. In diesem Fall kann das Mineralmaterial zu Beginn des Ausfällungsvorgangs einfacher auf den und in den Fasern abgelagert werden. Falls gewünscht, können das Fasermaterial und das reaktive Mineralmaterial natürlich auch getrennt in den Ausfällungsreaktor gegeben werden, so dass sie sich nur innerhalb des Ausfällungsreaktors mischen können.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Ausfällungsbedingungen des Mineralmaterials, beispielsweise das Rohmaterial, das Zuführungsverhältnis des Rohmaterials, pH-Wert, Druck und Temperatur passend zu dem betreffenden Prozess gewählt werden. Die in diesem Patent vorgeschlagenen Lösungen schränken diese Bedingungen nicht ein.
Diese Beschreibung nimmt, falls nichts anderes gesagt ist, Bezug auf:

– eine Suspension von Fasermaterial, das heißt eine flüssigkeitsbasierte Suspension die wenigstens Fasermaterial enthält,
– eine Fasersuspension, das heißt eine flüssigkeitsbasierte Suspension, die wenigstens Fasermaterial und ein reaktives Mineralmaterial, das zum Ausfällen benötigt wird, enthält,
– eine Gassuspension, das heißt eine Suspension, die aus Fasermaterial, einem reaktive Mineralmaterial und einem gasförmigen Fällungsmittel, in welchem das Fasermaterial und das reaktive Mineralmaterial fein verteilt sind, gebildet ist,
– die behandelte Fasersuspension, das heißt eine flüssigkeitsbasierte Suspension, die wenigstens Fasermaterial und ausgefällte Mineralmaterialteilchen enthält.

Die oben genannten Suspensionen können natürlich zudem weitere Materialien wie ausgefällte Mineralteilchen oder nicht ausgefälltes Mineralmaterial enthalten.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend kann das verwendete reaktive Mineralmaterial Kalziumhydroxid (Ca(OH)₂), das heißt Kalkmilch, oder eine andere Ca²⁺-Ionenquelle sein, wobei so genanntes ausgefälltes Kalziumkarbonat (PCC) sich auf die und/oder in den Fasern absetzen kann. Die vorliegenden Erfindung ermöglicht ferner die Verwendung anderer reaktiver Mineralmaterialien, beispielsweise Kalziumoxid oder Kalziumsulfat, das mit Hilfe eines gasförmigen Fällungsmittels auf den Fasern abgelagert und an die Fasern gebunden werden kann.
Das zum Ausfällen verwendete reaktive Mineralmaterial ist in Abhängigkeit von denjenigen Eigenschaften der Fasern, des hergestellten Papiers und des Herstellungsprozesses ausgewählt, die verbessert werden sollen. Ein Mineralmaterial, das in der Fasersuspension ausgefällt werden soll, insbesondere in die Fasern, kann dazu beitragen, die Papiereigenschaften, beispielsweise den Weißgrad, die Brillanz, die Opazität, den Glanz, das spezifische Volumen, das Druckbild, die Bedruckbarkeit, die Abtropfbarkeit, das Trocknen etc. verbessern.
Ein gasförmiges Fällungsmittel wird vorzugsweise als die ausfällende Chemikalie verwendet. Zum Beispiel kann Kohlendioxid als ein gasförmiges Fällungsmittel für Kalziumhydroxid verwendet werden. Daher kann ein kohlendioxidhaltiges Gas in den Ausfällungsreaktor eingeleitet werden. Andere geeignete Fällungsmittel neben Kohlendioxid können ebenfalls verwendet werden.
Die Erfindung ermöglicht es, ausfällbare reaktive Substanzen in der Fasersuspension abzulagern, und zwar nicht nur auf die Fasern sondern auch auf die Oberflächen von anderen, nicht-organischen oder organischen Partikeln in der Suspension. Diese Partikel können beispielsweise Mineralmaterialpartikel enthalten. Solche Partikel können beispielsweise Titanoxidpartikel, Partikel von Verunreinigungen oder Feinstoffe der Fasern sein. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in diesem Fall auch dazu verwendet werden, Tintenreste, die auf unvollständig entfärbten Fasern verblieben sind, mit ausgefälltem Kalziumkarbonat oder einer entsprechenden Substanz zu bedecken. Reaktive Substanzen, die auf nicht-organische Partikel ausgefällt wurden, haben die Fähigkeit, die Partikel an Fasern zu binden, so dass die Partikel mit den Fasern im Papier gehalten werden. Andererseits hat das auf diesen Fasern abgelagerte Mineralmaterial die Fähigkeit, die Fasern aneinander zu binden, wodurch die Stärke des herzustellenden Papiers erhöht wird.
Zusätzlich zu dem Fasermaterial und dem reaktiven Mineralmaterial, das ausgefällt werden soll, kann die in den Ausfällungsreaktor eingeleitete Fasersuspension weitere, in der Papierherstellung oder Ähnlichem verwendete Feststoffe enthalten, als da wären

– ein weiteres Mineralmaterial, beispielsweise Kalziumoxid, Kalziumsulfat, Kalziumkarbonat, Talk, Kaolin oder Titanoxid,
– faserbasierte Feinstoffe, andere Feinstoffe oder Verunreinigungen, beispielsweise Verunreinigungen, die sich bei der Tintenentfernung von den Fasern gelöst haben, verschiedene Prozessrückstände und/oder
– Substanzen zur Verbesserung der Haltbarkeit, beispielsweise Stärke oder Biozide.

Viele der oben genannten Substanzen können nach der Reaktorphase in den PCC enthaltenden Papierfaserbrei eingeleitet werden, bevor der Papierfaserbrei aus dem Stoffauflaufkasten auf eine sich bewegende Formbasis (Langgitter) oder zwischen zwei sich bewegende Formbasen (Langgitter) den Formbereich eingeleitet wird.
Die vorgestellte Erfindung ist zur Verwendung in der Herstellung von Papier, Pappe oder anderen entsprechenden breiförmigen oder bahnförmigen Produkten geeignet, die aus faserartigem Material hergestellt werden. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung geeignet zur Verwendung in

– der Herstellung verschiedener bahnförmiger Produkte wie Zeitungspapier, Feinpapier, Kraftpapier, Seidenpapier, Spezialpapier oder Pappe;
– der Herstellung von Produkten aus verschiedenen Arten von Brei, wie chemischem, mechanischem, chemimechanischem, thermochemischem oder semimechanischem Brei, recyceltem Faserbrei oder einer Mischung von letzterem;
– der Herstellung von Papier aus verschiedenen Arten von Fasern wie Primärfasern, chemischen oder mechanischen Fasern, gebleichten oder ungebleichten Fasern, gemahlenen oder ungemahlenen Fasern, getrockneten oder ungetrockneten, mit Tinte oder von der Tinte befreite recycelten Fasern oder Fasern aus Maschinenabrieb oder in der Herstellung von Papier aus einer Mischung der Letzteren.

Füllmaterial (beispielsweise PCC) enthaltender Papierfaserbrei, der in der Papierherstellung nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, wird mit einer geeigneten Konsistenz aus dem Stoffauflaufkasten in den Formbereich der Papiermaschine gegeben, der ein ein- oder zwei-Langgitter-Former (mit einer oder zwei beweglichen Formbasen, die wasserdurchlässig sind) sein kann. In diesem Formbereich wird die zusammenhängende, stetige Papierbahn aus den Inhaltsstoffen des Papierfaserbreis, wie Wasser und den Materialien, gebildet, wenn das Wasser und im Wasser gelöste Feinstoffe durch die oben erwähnten ein oder zwei Formbasen abtropft. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Produktionsprozess ein alkalineutraler Papierherstellungsprozess, was bedeutet, dass der pH der Fasersuspension zwischen 6,5 und 9 liegt. Die PCC enthaltende Fasersuspension, die durch die Vorbehandlung erreicht wird, kann vom Reaktor aus unmittelbar in den Breibehälter eingeleitet werden, von wo aus er durch eine Rückwasserverdünnung (beispielsweise einen Langgitterschacht) zu Breiverarbeitungsapparaten geleitet werden kann (Entlüftung, Sortierer etc.), die vor dem Stoffauflaufkasten angeordnet sind. Vor dem Stoffauflaufkasten können andere Substanzen, wie zum Beispiel Substanzen, welche die Struktur des Papiers beeinflussen, beispielsweise Nassbereichs-Beleimungshilfen (wie ASA, AKD), die mit dem alkalineutralen Herstellungsverfahren verträglich sind, und/oder Hilfssubstanzen, beispielsweise haltbarkeitsverbessernde Substanzen, in die behandelte, PCC enthaltende Fasersuspension eingemischt werden.
Es ist zudem möglich, dass die PCC enthaltende Fasersuspension einen Teil des endgültigen, die Zusammensetzung der Papierbahn bestimmenden Papierfaserbreis bildet, wobei dieser Brei durch ein Mischen der oben genannten, behandelten Fasersuspension mit einer oder mehreren Breianteilen, die andere Fasern enthalten, gewonnen wurde.
Wenn während der Vorbehandlung das Fasermaterial des Papierfaserbreis, die Fasern und das reaktive Mineralmaterial in Form einer feinen Fasersuspension in das gasförmige Fällungsmittel eingeleitet werden, also in der zu den bisher bekannten Methoden umgekehrten Weise, können das reaktive Mineralmaterial, das Fasermaterial und das gasförmige Fällungsmittel mit beträchtlicher Einfachheit und Effizienz bezüglich der Ausfällungsreaktion vermischt werden.
Die Ausfällungsreaktionen können unmittelbar beginnen und die Reaktionen treten auf den beträchtlich großen Kontaktflächen zwischen den kleinen Tröpfchen der Fasersuspension und dem Gas schnell auf. Eine Ablagerung kann leicht erreicht werden, und zwar sowohl auf die Oberflächen des Fasermaterials als auch in die Fasern hinein. Durch eine Anpassung der Zusammensetzung des Fasermaterials, des reaktiven Mineralmaterials und/oder des gasförmigen Fällungsmittels, der Methode und der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Papiereigenschaften, die erreichbar sind, wie beispielsweise die Stärke oder die optischen Eigenschaften, zu bestimmen.
Man kann davon ausgehen, dass die Reaktionen umso schneller und effektiver sind, je feiner die Fasersuspension verteilt ist.
Ein Durchflussmixer, der nach dem Stoßmühlenprinzip arbeitet, ermöglicht die Zerstäubung der Fasersuspension in ein gasförmiges Fällungsmittel zur Bildung einer nebelartigen Gassuspension, wobei das Gas, die Fasern, und das reaktive Mineralmaterial, das ausgefällt werden soll, extrem effizient veremischt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Mikrohomogenisierung der Komponenten des Ausfällungsprozesses zur Bildung einer Gassuspension, wodurch die verschiedenen Komponenten unmittelbar miteinander reagieren können. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn zum Beispiel eine aktivierte Faser die Tendenz hat, in einen nicht aktivierten Zustand zurückzufallen, d. h. wenn die auf der Faser gebildeten Fibrillen oder Löcher die Tendenz haben, sich zu schließen. Das Mineralmaterial in der Fasersuspension hat zumindest teilweise die Tendenz, ein Zurückfallen der Fibrillen zu verhindern. Falls nötig kann die Fasersuspension einmal oder mehrere Male reaktiviert werden.
Durch das Aktivieren des Fasermaterials vor der Ausfällungsphase und/oder während der Ausfällungsphase in der Art, dass die Fähigkeit der Fasern verbessert wird, eine Bindung miteinander und eine Bindung mit dem ausgefällten Mineralmaterial einzugehen, ist es möglich, eine effizientere Ausfällungsphase und verbesserte Papiereigenschaften zu erreichen.
Im Folgenden wird eine kurze Beschreibung der begleitenden Zeichnungen gegeben, auf die Bezug genommen wird, wobei
1 schematisch und beispielhaft einen vertikalen Querschnitt eines Ausfällungsreaktors illustriert, der dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung entspricht;
2 schematisch und beispielhaft einen horizontalen Querschnitt eines Ausfällungsreaktors illustriert, der dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung entspricht;
3 schematisch und beispielhaft einen vertikalen Querschnitt eines zweiten Ausfällungsreaktors illustriert, der dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung entspricht;
4 schematisch und beispielhaft einen horizontalen Querschnitt eines Zerstäubungs- und Aktivierungsapparats in einem Ausfällungsreaktor wie dem in 3 Dargestellten illustriert;
5 schematisch und beispielhaft einen vertikalen Querschnitt einer Ausfällungsreaktorgruppe illustriert, die dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung entspricht;
6 schematisch und beispielhaft einen vertikalen Querschnitt einer zweiten Ausfällungsreaktorgruppe illustriert, die dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung entspricht;
7 schematisch und beispielhaft einen vertikalen Querschnitt einer dritten Ausfällungsreaktorgruppe illustriert, die dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung entspricht, und
8 schematisch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Papiers illustriert.
1 zeigt einen kontinuierlich arbeitenden Ausfällungsreaktor 10 gemäß der Erfindung, der einen Ausfällungskessel 12, eine Zerstäubungs- und Ausfällungsvorrichtung 14, die im Ausfällungskessel angeordnet ist, ein Fasersuspensionseinlassrohr 18 und ein Auslassrohr 20 für die behandelte Fasersuspension umfasst. Zudem umfasst die Vorrichtung einen Antrieb 22 und eine Lager- und Dichtungseinheit 24, die zwischen dem Antrieb 22 und der Ausfällungsvorrichtung 14 angeordnet ist.
Die Zerstäubungs- und Ausfällungsvorrichtung 14, von der in 2 ein horizontaler Querschnitt dargestellt ist, ist ein so genannter Durchflussmixer, der sechs konzentrische Käfige 26, 26', 26'', 28, 28', 28'' umfasst, die mit Schaufeln 26a, 26'a, 26''a, 28a, 28'a, 28''a ausgestattet sind. In der Vorrichtung 14 wird die Fasersuspension in kleine Partikel, Flüssigkeitströpfchen und/oder Feststoffteilchen zerstäubt. Die gleiche Vorrichtung 14 wird zur Aktivierung der Fasern der Fasersuspension verwendet, und zwar in der Art, dass die Fähigkeit der Fasern, aneinander zu binden und ausgefälltes Mineralmaterial zu binden, verbessert wird. Die Verweildauer in der Zerstäubungs- und Ausfällungsvorrichtung 14 ist kurz, <10s, typischerweise <2s, am typischsten weniger als 1s.
Wie die Pfeile in 2 zeigen, dienen die ersten Käfige 26, 26', 26'' der Zerstäubungsvorrichtung als Rotoren, die sich in dem in der Zeichnung dargestellten Fall entgegen dem Uhrzeigersinn bewegen. Die den ersten Käfigen benachbarten anderen Käfige 28, 28', 28'' wirken ebenfalls als Rotoren, die sich aber in dem in der Zeichnung dargestellten Fall im Uhrzeigersinn drehen. Die Käfige 26, 26', 26'', 28, 28', 28'' wurden mit Schaufeln 26a, 26'a, 26''a, 28a, 28'a, 28''a versehen, die mit der sich radial nach außen durch die Vorrichtung bewegenden Fasersuspension kollidieren und diese wiederholten Stößen und Gegenstößen aussetzen. Gleichzeitig bildet sich zwischen den benachbarten Rotorschaufeln ein Überdruck aus, wenn diese sich aufeinander zu bewegen und ein Unterdruck bildet sich aus, wenn die Rotorschaufeln sich voneinander fort bewegen. Die Druckunterschiede erzeugen sehr schnelle Über- und Unterdruckpulse. Gleichzeitig werden durch die Vorrichtung 14 in der Fasersuspension Scherkräfte und Turbulenzen erzeugt.
Die Fasersuspension oder der Faserbrei, der Fasermaterial und reaktives Mineralmaterial enthält, wird durch das Einleitungsrohr 16 in die Mitte 30 der Zerstäubungs- und Verteilungsvorrichtung eingeleitet, von wo aus die Fasersuspension sich, angeregt durch die Rotorschaufeln und die Druckdifferenz zwischen dem mittleren und dem äußeren Käfig, radial nach außen in Richtung der offenen Außenkante 32 des äußersten Käfigs 20'' bewegt. Wenn nötig kann die Fasersuspension auch zwischen den Käfigen in die Vorrichtung 14 eingeleitet werden. Falls dies erwünscht ist, können das Fasermaterial und das reaktive Mineralmaterial durch verschiedene Rohre in die Zerstäubungs- und Aktivierungsvorrichtung 14 eingeleitet werden, wobei in diesem Fall die Fasermaterial und Mineralmaterial enthaltende Fasersuspension nicht vor diesem Schritt gebildet wird.
Die Stöße und Gegenstöße, Scherkräfte und Turbulenzen sowie die Über- und Unterdruckpulse, die von den Rotorschaufeln erzeugt sind, zerstäuben die Fasersuspension in extrem kleine Teilchen, Flüssigkeitströpfchen und Feststoffpartikel und aktivieren gleichzeitig die Fasern, beispielsweise durch Fibrillierung. Die Aktivierung ist unter anderem dank der kraftvollen Stöße und der großen Scherkräfte, die auf die Fasersuspension ausgeübt werden, so effektiv. Dem Verfahren der vorliegenden Erfindung entsprechend kann sich die Fasersuspension jedoch entlang eines vergleichsweise offenen Wegs durch die Käfige bewegen und ist daher nicht solchen Mahl- und Faserbrechenden Kräften ausgesetzt wie Fasern, die durch Verfahren nach der Art der Scheiben- oder Kegelverfeinerung behandelt werden. Der Lösung nach der vorliegenden Erfindung entsprechend berühren die Fasern die Oberflächen der Rotorschaufeln, wenn überhaupt, nur in kurzen Momenten.
In der in den 1 und 2 dargestellten Vorbehandlungsphase wird das gasförmige Fällungsmittel, dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend, mittels eines Rohrs 18 in die Mitte 30 der Käfige der Zerstäubungs- und Aktivierungsvorrichtung eingeleitet. Von diesem zentralen Punkt aus fließt das Gas radial nach außen und bildet einen Gasraum 34, der das gasförmige Fällungsmittel enthält, und zwar sowohl innerhalb der Zerstäubungsvorrichtung als auch in dem diese umgebenden Raum innerhalb des Ausfällungskessels 12. Das Gas wird durch ein Rohr 21 aus einem oberen Teil des Ausfällungsreaktors abgeführt. Falls es erwünscht ist, kann das gasförmige Fällungsmittel auch in und/oder zwischen dem Käfigen der Zerstäubungs- und Aktivierungsvorrichtung eingeleitet werden. Die Ausfällungsreaktion kann bereits im Gasraum der Zerstäubungs- und Aktivierungsvorrichtung beginnen.
Während sie in der Zerstäubungs- und Aktivierungsvorrichtung 14 behandelt wird, bildet die Fasersuspension extrem feine Tröpfchen und Teilchen, die von der Vorrichtung 14 aus in den inneren Teil 34' des sie umgebenden Gasraums verteilt sind. Die feinen Tröpfchen und Teilchen werden in einem nebelartigen Fluss 36 hauptsächlich aus dem gesamtem Bereich des äußersten Käfigs aus der Zerstäubungs- und Aktivierungsvorrichtung heraus getrieben. Außerhalb der Zerstäubungs- und Aktivierungsvorrichtung können die Ausfällungsreaktionen für verhältnismäßig lange Zeit fortgesetzt werden, wenn sich die Tröpfchen und Teilchen über einen großen Bereich des Ausfällungskessels verteilen. Die behandelte Fasersuspension schlägt sich in einem am Boden des Ausfällungsreaktors angeordneten Becken nieder und wird durch eine Röhre 20 aus dem Kessel abgeleitet.
Die Größe, Form, Breite und Höhe des Ausfällungskessels kann so gewählt werden, dass die aus der Zerstäubungs- und Aktivierungsvorrichtung heraus getragenen Tröpfchen und Partikel eine optimale Verweildauer im Gasraum 34' des Ausfällungsreaktors haben. Die Verweildauer der Fasersuspension kann beispielsweise dadurch verlängert werden, dass die Höhe des Ausfällungskessels 12 vergrößert wird, so dass er turmartig gemacht wird.
Die in dem Ausfällungsreaktor 10 stattfindenden Prozesse können auch dadurch kontrolliert werden, dass beispielsweise die Anzahl der Käfige, der Abstand zwischen den Käfigen, der Abstand zwischen den Schaufeln in jedem Käfig oder die Schaufeldimension und -anordnung angepasst werden.
Die Fasersuspension, die vom Boden des Ausfällungskessels 12 abgelassen wird, kann in den gleichen Ausfällungsreaktor zurückgeführt oder in einen anderen Ausfällungsreaktor eingeleitet werden, um die Behandlung zu vervollständigen.
In 3 und 4, die eine andere Vorbehandlungsphase illustrieren, sind der Ausfällungsreaktor und seine dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechende Zerstäubungs- und Aktivierungsvorrichtung an den geeigneten Stellen mit den gleichen Bezugszeichen versehen, die in den 1 und 2 verwendet wurden. Der zweite Ausfällungsreaktor 10 nach der vorliegenden Erfindung, der in 3 dargestellt ist, unterscheidet sich von den in den 1 und 2 dargestellten hauptsächlich dadurch, dass der Reaktor eine Zerstäubungs- und Aktivierungsvorrichtung 14 umfasst, die mit einem eingeschlossenen äußeren Käfig 32 ausgestattet ist, und dadurch, dass der Ausfällungsreaktor keinen separaten Ausfällungsraum umfasst, der sich über die Zerstäubungs- und Aktivierungsvorrichtung hinaus erstreckt. Ein den 3 und 4 entsprechendes Verfahren ist beispielsweise dann in geeigneter Weise verwendbar, wenn davon ausgegangen werden kann, dass die Ausfällungsreaktionen genügend Zeit haben, in der gewünschten Weise bereits im Gasraum der Zerstäubungs- und Aktivierungsvorrichtung einzutreten.
In einer Zerstäubungsvorrichtung wie derjenigen aus den 3 und 4 umgibt ein Gehäuse 40 den äußersten Käfig 28'', das den Käfig umschließt. Ein Auslass 42 zum Ablassen der behandelten Fasersuspension aus der Vorrichtung wurde in das Gehäuse eingebracht. Die behandelte Fasersuspension kann durch den Auslass 42 zu einer weiteren Behandlung oder zu einem weiteren Verfahren geleitet werden.
Der Reaktor nach 3 ist zur Verwendung in der Aktivierung auch in solchen Fällen geeignet, in denen die Ausfällungsreaktion nicht in der Vorrichtung stattfindet. Sowohl der Ausfällungsreaktor in 1 als auch der Reaktor in 3 können in der Form einer Reihe von zwei oder mehr Reaktoren angeordnet werden. 5 zeigt eine Gruppe von drei Ausfällungsreaktoren wie denjenigen aus 3. In dieser Zeichnung werden, da wo es passend ist, die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in den vorhergehenden Figuren.
5 zeigt drei Ausfällungsreaktoren 10, 10' und 10'', wobei die Ca(OH)₂ enthaltende Fasersuspension mit CO₂-Gas behandelt wird, um die Ca²⁺-Ionen zu karbonisieren, d. h. um das CaCO₃auszufällen. Die Reaktoren sind in einer solchen Weise in Reihe geschaltet, dass die teilweise behandelte Fasersuspension, die Fasern, ausgefälltes Karbonat und unausgefälltes Kalziumhydroxid enthält, aus dem ersten Reaktor 10 aus dem Auslass 20 in den Einlass 16'' des zweiten Reaktors 10' geleitet wird. Vom zweiten Reaktor 10' aus wird die behandelte Fasersuspension jeweils aus dem Auslass 20 zu dem Einlass 16'' des dritten Reaktors 10'' geleitet.
Kohlendioxidhaltiges Gas wird über Rohre 18, 18' und 18'' in jeden der Reaktoren eingeleitet. Durch den Einlass 18, wird kohlendioxidhaltiges Gas in den ersten Reaktor eingeführt, um die Ausfällungsreaktion (Karbonisierung) und die Bildung von aktivem Kohlenstoff auf den Fasern bereits in der Zerstäubungs- und Aktivierungsvorrichtung 14 zu beginnen. Das ausgefällte Kalziumkarbonat schlägt sich sowohl auf den Fasern als auch auf anderen Teilchen in der Fasersuspension nieder. Karbonat fällt auch als separate Partikel in der Fasersuspension aus. Das gleiche oder anderes kohlendioxidhaltiges Gas kann durch die Rohre 18' und 18'' in den zweiten und dritten Ausfällungsreaktor 10' und 10'' eingeleitet werden, um die Ausfällungsreaktion (Karbonisierung) zu vollenden. Das Gas wird durch die Auslässe 21, 21' und 21'' aus den Reaktoren ausgeleitet.
Die in den Ausfällungsreaktor 10 eingeleitete Fasersuspension kann vor dem Einleiten in den Reaktor in einem separaten, vor dem Ausfällungsreaktor angeschlossenen Aktivierungsapparat aktiviert werden. Der Aktivierungsapparat ist vorzugsweise ein Durchflussmixer vom Stoßmühlentyp.
6 zeigt einen zweite Ausfällungsreaktorgruppe, die zwei in Reihe verbundenen Ausfällungsreaktoren 10 und 10' nach 1 umfasst. Vor dem ersten Ausfällungsreaktor 10 gibt es einen Aktivierungsapparat 44 von der Art eines Durchflussmixers, der im Wesentlichen wie in 3 dargestellt strukturiert ist. In diesem Aktivierungsapparat wird das in den Ausfällungsreaktor eingeleitete Fasermaterial aktiviert. Gasförmiges Fällungsmittel wird jedoch nicht in den Aktivierungsapparat eingeleitet.
Das Fasermaterial wird durch das Rohr 46 von oben in den Aktivierungsapparat 44 geleitet. Das aktivierte Fasermaterial wird durch einen Zwischentank 48 in den ersten Ausfällungsreaktor 10 geleitet. Ein ausfallendes Mineralmaterial, Kalziumhydroxid, kann durch ein Rohr 50 vor dem Aktivierungsapparat 44 oder durch ein Rohr 55 nach dem Aktivierungsapparat 44 zu der Suspension gegeben werden. Im Zwischentank aus kann das Fasermaterial über einen vorgegebenen Zeitraum unter alkalischen Bedingungen quellen.
Vom Zwischentank wird die Fasersuspension, die Fasermaterial und auszufällendes Mineralmaterial enthält, durch ein Rohr 16 von unten in die Zerstäubungs- und Aktivierungsvorrichtung 14 eingeleitet. Das gasförmige Fällungsmittel, normalerweise Kohlendioxid, wird zusammen mit der Fasersuspension im die Vorrichtung 14 eingeleitet. Gas wird durch das Rohr 21 aus dem oberen Teil des Ausfällungsreaktors abgelassen, wobei das Gas typischerweise Dampf und Kohlendioxid enthält. Das Gas wird zur Weiterverarbeitung in den Gaswasch- und Kühlapparat 54 geleitet. Das kohlendioxidhaltige Gas, das in dem Apparat 54 verarbeitet wird, wird durch das Rohr 18 in den Ausfällungsreaktor 10 zurückgeführt. Die behandelte Fasersuspension, die sich im unteren Teil des Ausfällungsreaktors sammelt, wird von dort durch das Auslassrohr 20 abgeleitet.
Der zweite Ausfällungsreaktor 10' in 6 arbeitet im Wesentlichen wie der erste Ausfällungsreaktor 10. Die aus dem unteren Bereich des ersten Ausfällungsreaktors 10 in durch das Rohr 20 abgeleitete Fasersuspension, die normalerweise die Fasersuspension, Kalziumhydroxid und ferner das ausgefällte Kalziumkarbonat enthält, wird durch das Rohr 16' von unten in die Zerstäubungs- und Aktivierungsvorrichtung 14' des zweiten Reaktors 10' eingeleitet. Aus dem Wasch- und Kühlapparat 54 wird kohlendioxidhaltiges Gas in den zweiten Reaktor 10' geleitet. Aus dem Bodenbereich des zweiten Reaktors 10' wird eine Fasersuspension, die im Wesentlichen bereits vollständig behandelt ist und in der sich die gewünschte Menge Kalziumkarbonat auf den Fasern abgesetzt hat, durch das Rohr 20' abgelassen. Aus dem oberen Bereich des zweiten Reaktors 10' wird Gas abgelassen und zur Rückführung in den Gaswasch- und Kühlapparat 54 geleitet.
7 zeigt eine dritte Gruppe von Ausfällungsreaktoren, die aus drei Ausfällungsreaktoren 10, 10' und 10'' besteht, die in einer Reihe verbunden sind. Die Reaktoren sind einer über dem anderen montiert und die Fasersuspension wird von oben in die Reaktoren eingeleitet. Der erste Reaktor 10 ist oben und der dritte Reaktor 10'' ist unten, so dass sich die durch die Reaktoren fließende Fasersuspension hauptsächlich abwärts bewegt. Vor dem dritten Ausfällungsreaktor wurden ein separater Voraktivierungsapparat 44 gemäß 6 und ein Zwischentank 48 angeordnet.
Die Vorteile dieser Erfindung umfassen das Folgende:

– Die Fasersuspension kann zur Ausfällung gleichzeitig aktiviert und zerstäubt werden,
– die Ausfällungsreaktionen verlaufen extrem schnell, effektiv und vollständig und gute Resultate können bereits mit einem Durchlauf durch den Ausfällungsreaktor erreicht werden;
– der Aktivierungsprozess ermöglichet eine starkes und effektive Behandlung der Fasern, ohne die Fasern jedoch insbesondere zu zerbrechen oder in einer anderen Weise zu beschädigen;
– der Aktivierungsprozess kann reguliert werden;
– es wird eine extrem effektive Durchmischung der Fasersuspension, des Mineralmaterials und des Gases erreicht, wodurch jede kleine Volumeneinheit der Fasersuspension behandelt wird und wodurch in jeder Volumeneinheit eine Ausfällungsreaktion stattfindet;
– es kann zudem ein Niederschlag in die Fasern hinein beeinflusst werden;
– die Ausfällungsreaktionen verbinden die Fasern miteinander und es kann davon ausgegangen werden, dass die Stärke des Papiers verbessert wird;
– die Ausfällungsreaktion kann Tintenreste bedecken, die nach einer Tintenentfernung auf den Fasern verblieben sind;
– die Ausfällungsreaktionen können anorganische und organische Partikel an die Fasern binden und diese im Papier festhalten und
– die Ausfällung ermöglicht es Qualitätsmerkmale des Papiers wie Brillanz, Stärke und Opazität besser als bisher zu optimieren;
– die Vorbehandlung kann zudem in einen kontinuierlichen Papierherstellungsprozess integriert werden, in dem Papierfaserbrei aus der PCC-haltigen Fasersuspension, die aus der Vorbehandlung gewonnen wurde, gebildet wird, wobei die Suspension aus dem Stoffauflaufkasten in den Formbereich geleitet wird.

8 zeigt schematisch ein Papierherstellungsverfahren. Aus dem Breibehälter M, in welchen die Fasersuspension nach dem oben beschriebenen Vorbehandlungsverfahren geleitet wird, wird das Fasermaterial über eine Verdünnung (beispielsweise den Langgitterschacht P) zu einem Breiaufbereitungszubehör geleitet, von wo aus der Papierfaserbrei in den Stoffauflaufkasten H und in den Formbereich F eingespeist wird, wo die kontinuierliche, fortlaufende Papierbahn gebildet wird.
Der Zweck der im Folgenden Beispiel dargestellten Tests ist es, die Karbonisierung des Faser/PCC-Produkts gemäß der Erfindung mit anderen dargestellten Verfahren zu vergleichen. Der Zweck ist es, die Erfindung zu illustrieren, nicht aber, ihren Anwendungsbereich einzuschränken.
Die in diesen Testes verwendeten Materialien waren die gleiche Art von maschinengemahlenen Pinienfasern zur Papierherstellung mit einer Konzentration von 3,5%, Ca(OH)₂-Schlick mit einem Feststoffgehalt von 17% und CO₂-haltiges Gas mit einer ähnlichen Zusammensetzung.
(K1) Nach einem Verfahren gemäß der Erfindung wurde ein Faser/PCC-Produkt durch das Mischen von Pinienfasern enthaltendem Faserbrei mit Ca(OH)₂-Schlick gebildet, so dass ein Faser/PCC-Verhältnis von 70/30 nach der Ausfällung erreicht wurde, woraufhin die Faser/Ca(OH)₂-Suspension zwei mal durch den Ausfällungsreaktor gemäß 1 gepumpt wurde. Die Faser/Ca(OH)₂-Suspension wurde dann gemäß dem der Erfindung entsprechenden Verfahren in der Form einer feinen Suspension in das CO₂-haltige Gas gepumpt. Ein Überschuss von CO₂-haltigem Gas wurde dann in die Vorrichtung eingeleitet. Nach dieser Behandlung betrug der pH-Wert des Faser/PCC-Produkts 7.
(V1) Zum Vergleich wurde ein Faser/PCC-Produkt mit einem verflüssigenden chemischem Mixer gebildet, und zwar indem die Faser/Ca(OH)₂-Suspension sechsmal durch den Mixer gepumpt wurde. Ferner wurde überschüssiges CO₂-haltiges Gas in den Mixer eingeleitet. Unmittelbar nach dieser Behandlung betrug der pH-Wert des Faser/PCC-Produkts 7.
(V2) Zum weiteren Vergleich wurde eine ähnliche Ausfällungsreaktion wie im Test (V1) durchgeführt, außer, dass dem chemischen Mixer erlaubt wurde, sich zu verflüssigen, und nur überschüssiges CO₂-haltiges Gas in den Mixer eingeleitet wurde. Die Faser/Ca(OH)₂-Suspension wurde achtmal durch den chemischen Mixer gepumpt. Unmittelbar nach dieser Behandlung betrug der pH-Wert des Faser/PCC-Produkts 7.
(K1) Der pH-Wert des gemäß dieser Erfindung hergestellten Produkts betrug 7, und zwar selbst 24h nach der Herstellung, was beweist, dass die Karbonisierung vollständig war.
(V1) Der pH-Wert des nach diesem Beispiel hergestellten Produkts betrug 24 Stunden nach der Herstellung 10, was beweist, dass die Karbonisierung nicht vollständig war, sondern dass die Karbonisierung des Produkts einige Minuten lang weiterlief, um die Karbonisierungsreaktionen zu vervollständigen.
(V2) Der pH-Wert des nach diesem Beispiel hergestellten Produkts betrug 24 Stunden nach der Herstellung 11, was beweist, dass die Karbonisierung nicht vollständig war, sondern dass die Karbonisierung des Produkts einige Minuten lang weiterlief, um die Karbonisierungsreaktionen zu vervollständigen.
In all diesen Tests war die zur Karbonisierung nötige Zeit kurz, aber nur nach dem erfindungsgemäßen Verfahren war die Karbonisierung nach extrem kurzer Zeit vollständig, und es wurde keine weitere Karbonisierung benötigt.
Durch die oben angegebenen Beschreibungen und als Beispiele angegebenen Beispiele soll der Anwendungsbereich dieser Erfindung nicht eingeschränkt werden, sondern die Erfindung soll vielmehr innerhalb des Schutzbereichs der im Folgenden angegebenen Patentansprüche in vielfältiger Weise angewandt werden. Das Verfahren nach dieser Erfindung kann daher verwendet werden in Herstellungsverfahren für Papier, Pappe oder Ähnliches, in jeder anderen Vorbehandlung von Fasermaterial, das als Rohmaterial zur Herstellung von Papier, Pappe oder Ähnlichem verwendet wird, um die Fasern oder ihre Oberflächen zu aktivieren, beispielsweise in der Art, dass sich ihre Fähigkeit zur mechanischen oder chemischen Bindung verbessert, sich ihre Fähigkeit zur mechanischen oder chemischen Bindung von Mineralmaterial verbessert, aktive OH-Gruppen auf ihren Oberflächen gebildet werden und/oder dass ihr Inneres (Lumen) geöffnet wird, um unter anderem das Absetzen von Mineralmaterial in den Fasern zu ermöglichen. Das Fasermaterial wird dann in einem Durchflussmixer vorbehandelt, der nach dem Stoßmühlenprinzip arbeitet, und der

– mehrere, typischerweise 3–8, am typischsten 4–6, konzentrische Käfige umfasst, die mit Schaufeln ausgestattet sind, wobei von den Käfigen wenigstens jeder zweite als Rotor wirkt, wobei die diesen Käfigen benachbarten Käfige als Statoren oder Rotoren wirken und wobei der Geschwindigkeitsunterschied zwischen den benachbarten Käfigen 10–500 m/s, vorzugsweise 50–200 m/s, beträgt, der
– eine Einleitungsvorrichtung zum Einleiten der Fasersuspension vorwiegend in das Zentrum der gesagten Käfige umfasst und der
– einen offenen äußeren Käfig umfasst, der es der Fasersuspension ermöglicht, radial nach außen durch die Käfige zu fließen, um den Käfig in verschiedenen Richtungen zu verlassen oder der einen äußeren Käfig umfasst, der mit einem oder mehreren Auslässen zum Ablassen der von den Käfigen aus radial nach außen fließenden Fasersuspension ausgestattet ist.

Die Vorbehandlung wird vorzugsweise dann ausgeführt, dann die Fasern aufgequollen sind, beispielsweise durch die Zugabe von Ca(OH)₂. Die Vorbehandlung der Fasern gemäß dieser Erfindung ist vor allem zur Aktivierung von Fasermaterial geeignet, bevor das Fasermaterial in Kontakt mit reaktivem Mineralmaterial gebracht wird, wobei dieses reaktive Mineralmaterial auf die Fasern ausgefällt werden soll. Die Vorbehandlung gemäß dieser Erfindung ist dennoch auch zur Verwendung in anderen Verfahren geeignet, deren Ziel es ist, das Fasermaterial vorzubehandeln, um ähnliche benötigte Eigenschaften des Fasermaterials zu erreichen.
In einem nach der Erfindung hergestellten Papier ist das Füllmaterial PCC im Inneren des Fasergeflechts und im Inneren der Lumen „versteckt", und zwar in der Art, dass es die Ausbildung von Bindungen oder die Blattbildung nicht beeinflusst. Diese Art von Papier hat bessere Stärkeeigenschaften als ein Papier, in dem das PCC von einem Mineral stammt, das dem Papierfaserbrei als solchem zugegeben wurde.
Das erfindungsgemäße 80 g/m²-Papier wurde mit einem PCC/Faser-Verhältnis von 30/70 hergestellt und das Referenzpapier war ein Papier, welchem das PCC als normales Additiv zugegeben wurde. Das nach der Erfindung hergestellte Papier hatte einen besseren Zugstärkeindex (19,3 -> 30,9) und Reißfestigkeitsindex (7,0 -> 9,0). Die Faltstärke stieg von 6 auf 31.
Das Papier hat zudem eine geringere Porosität (das Blatt ist dichter), und eine verbesserte Opazität und Formation als das Referenzpapier. Die Brillanz des Blatts ist im Vergleich zu Papier, das die gleiche Menge von normalem Füllmaterial enthält, ebenfalls reduziert, da ein Teil des Füllmaterials „versteckt" ist.
Die Faser in dem Papier, die mit PCC versehen ist und wie oben beschrieben vorbehandelt wurde, enthält vorzugsweise wenigstens 20% im Gewicht PCC im Trockengewicht der behandelten Fasern, vorzugsweise 20–50% im Gewicht. Vorzugsweise enthält die Faser 20% im Gewicht PCC, beispielsweise 25%–50% im Gewicht, das in der oben beschriebenen Weise auf die Fasern gebracht wurde. Der Papierfaserbrei kann andere Fasern umfassen, wobei in diesem Fall der Anteil des in der oben beschriebenen Weise eingebrachten PCC am Gesamtgewicht des Papierfaserbreis entsprechend verringert ist. Bevorzugt ist ein Papierprodukt, in dem alle Faserrohmaterialien in der oben beschriebenen Weise vorbehandelt sind, in dem wenigstens 20% im Gewicht PCC, vorzugsweise 20% im Gewicht – 50% im Gewicht, am besten wenigstens 25% im Gewicht, beispielsweise 25% im Gewicht – 50% im Gewicht, enthalten sind.
Das PCC in dem gemäß der Erfindung hergestellten Papier, das nach dem oben beschriebenen Verfahren auf die Fasern aufgebracht ist, ist nanoskaliges, ausgefälltes Kalziumkarbonat das typischerweise Teilchengrößen unter 100nm hat. Durch die Wahl der Ausfällungsbedingungen ist es möglich, die mittlere Größe der Teilchen und ihre Größenverteilung zu beeinflussen.
Es ist zudem möglich, das nanoskalige Füllmaterial in den vorbehandelten Fasern durch das Hinzugeben von anderen Füllmaterialien zu ergänzen. Das zusätzliche Füllmaterial kann beispielsweise normalgroßes Füllmaterial, beispielsweise separat ausgefälltes PCC, oder ein chemisch unterschiedliches Füllmaterial sein.
Das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Papier kann nach dem Trocknen der Papierbahn auf der Papiermaschine entweder online oder in einem getrennten Endbearbeitungsprozess fertig gestellt werden. Um die Oberfläche fertig zu stellen, kann die Papierbahn beispielsweise geglättet werden. Eine gemäß dem oben beschriebenen Verfahren hergestellte Papierbahn kann, nach dem möglichen Glätten, als Druckpapier (beispielsweise SC-Papier) verwende werden, oder das Papier kann, nach dem möglichen Glätten, online oder in einer getrennten Beschichtungsmaschine beschichtet werden (beispielsweise LWC- Papier), wobei in diesem Fall die Beschichtung als Druckoberfläche dient. Wenn das Fasermaterial, auf welches in der Vorbehandlung das PCC aufgebracht wurde, ein chemischer Brei ist, kann das hauptsächlich oder allein aus diesem Brei gebildete Papier ein unbeschichtetes Feinpapier, beispielsweise WFU, oder ein beschichtetes Feinpapier, beispielsweise WFC, oder ein Kopierpapier sein. Diese Erfindung ist nichtsdestotrotz nicht auf Druckpapier beschränkt, sondern kann auf alle Papierprodukte angewandt werden. In den Patentansprüchen bezieht sich der Begriff „Papier" auf alle elastischen, faserbasierten Produkte, die ursprünglich in Form einer Bahn hergestellt werden, unabhängig von ihrem Grammgewicht, und zwar auch auf Pappe.
Zusammenfassung
Verfahren zur Herstellung von Papier und Papier
Ein in der Papierherstellung verwendeter Papierfaserbrei wird wie folgt hergestellt: (a) das die als Rohmaterial für den Papierfaserbrei benutzten Fasern enthaltende Fasermaterial wird in den Ausfällungsreaktor eingespeist; (b) ein reaktives Mineralmaterial, beispielsweise Kalziumhydroxid (Ca(OH)₂), wird in den Ausfällungsreaktor eingespeist; (c) das reaktive Mineralmaterial und das Fasermaterial werden kombiniert, um in dem Ausfällungsreaktor und/oder vor dem Einspeisen dieser Materialien in den Ausfällungsreaktor eine Fasersuspension zu bilden; (d1) ein Gas in den Ausfällungsreaktor eingeleitet wird, welches ein Fällungsmittel zum Ausfällen des Mineralmaterials, beispielsweise Kohlendioxid, enthält, um innerhalb des Ausfällungsreaktors einen Gasraum, der das Fällungsmittel enthält, zu bilden und (d2) die in den Ausfällungsreaktor eingespeiste und/oder darin gebildete Fasersuspension in den Gasraum in kleinen Teilen, beispielsweise in Tropfen und/oder Teilchen, die Feststoffe und/oder Flüssigkeit enthalten, verteilt oder zerstreut wird, wobei das ausgefällte Mineralmaterial ein Füllungsmittel auf den Fasern bildet; (e) die behandelte Fasersuspension wird aus dem Ausfällungsreaktor ausgelassen, der von der Fasersuspension gebildete Papierfaserbrei wird mit einer vorgegebenen Konsistenz in den Formbereich der Papiermaschine eingespeist, dem Papierfaserbrei wird dadurch Wasser entzogen, dass der Brei durch eine wasserdurchlässige Basis, beispielsweise ein Langgitter, abtropfen gelassen wird und die resultierende Papierbahn wird getrocknet und einer Endbearbeitung unterzogen, um das fertige Papierprodukt herzustellen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Papier, wobei in dem Verfahren ein Füllstoffe enthaltender Papierfaserbrei mit einer vorgegebenen Konsistenz in einen Formbereich einer Papiermaschine eingespeist wird, dem Papierfaserbrei Wasser dadurch entzogen wird, dass der Papierfaserbrei durch eine wasserdurchlässige Basis, beispielsweise ein Langgitter, abtropfen gelassen wird und eine derart hergestellte Papierbahn getrocknet und fertig gestellt wird um ein fertiges Papierprodukt herzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Papierfaserbrei folgendermaßen hergestellt ist: (a) das die als Rohmaterial für den Papierfaserbrei benutzten Fasern enthaltende Fasermaterial wird in den Ausfällungsreaktor eingespeist; (b) ein reaktives Mineralmaterial, beispielsweise Kalziumhydroxid (Ca(OH)₂), wird in den Ausfällungsreaktor eingespeist; (c) das reaktive Mineralmaterial und das Fasermaterial werden kombiniert, um in dem Ausfällungsreaktor und/oder vor dem Einspeisen dieser Materialien in den Ausfällungsreaktor eine Fasersuspension zu bilden; (d) die Fasersuspension wird in dem Ausfällungsreaktor mit einem Fällungsmittel des reaktiven Mineralmaterials in Kontakt gebracht, um zumindest teilweise das reaktive Mineralmaterial in der Suspension auszufällen um dadurch zumindest einen Teil des so gebildeten ausgefällten Mineralmaterials auf den Fasern in der Fasersuspension abzulagern, in einer solchen Weise, dass (d1) ein Gas in den Ausfällungsreaktor eingeleitet wird, welches ein Fällungsmittel zum Ausfällen des Mineralmaterials, beispielsweise Kohlendioxid, enthält, um innerhalb des Ausfällungsreaktors einen Gasraum, der das Fällungsmittel enthält, zu bilden und (d2) die in den Ausfällungsreaktor eingespeiste und/oder darin gebildete Fasersuspension in den Gasraum in kleinen Teilchen, beispielsweise in Tropfen und/oder Partikeln, die Feststoffe und/oder Flüssigkeit enthalten, verteilt oder zerstreut wird; (e) die behandelte Fasersuspension wird aus dem Ausfällungsreaktor ausgelassen; woraufhin der von der Fasersuspension gebildete Papierfaserbrei in den Formbereich der Papiermaschine eingespeist wird und Papier dadurch hergestellt wird, dass der Brei durch eine wasserdurchlässige Basis abtropfen gelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Phase (d2) die flüssige Phase der Fasersuspension in Flüssigkeitströpfchen in den Gasraum verteilt wird, die hauptsächlich <10 mm, typischerweise < 1 mm sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer vor dem Ausfällungsreaktor angeordneten Aktivierungszone oder am Startpunkt des Ausfällungsreaktors bezüglich der Flussrichtung der Fasern Kräfte auf die Fasersuspension ausgeübt werden, wobei diese Kräfte die Fasern in einer Weise aktivieren, dass sie die Fähigkeit der Fasern, aneinander zu binden und den ausfallenden und/oder den ausgefällten Mineralstoff zu binden, verbessern.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass, um die Fasersuspension zu aktivieren, Kräfte wie wiederholte Stöße, gegenläufige Stöße, Scherkräfte, Turbulenz, Über- und Unterdruckpulse oder ähnliche Kräfte auf sie ausgeübt werden, wobei diese Kräfte – die Fasern, insbesondere die Oberflächen der Fasern, mechanisch aktivieren, beispielsweise durch Zerspleißen oder Mahlen der Fasern, oder durch das Öffnen der inneren Bereiche (Lumen) der Fasern für das Mineralmaterial, und/oder – die Oberfläche der Fasern chemisch aktivieren, beispielsweise durch das Bilden von aktiven OH-Gruppen auf der Oberfläche der Fasern.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasersuspension, die durch die Aktivierungszone fließt, wiederholten kräftigen Stößen oder Gegenstößen ausgesetzt ist, die im Fluss der Fasersuspension durch Schaufeln oder Ähnliches erzeugt werden, die sich mit 5–250 m/s bewegen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aktivierungszone des Ausfällungsreaktors ein schlagmühlenartiger Durchflussmixer ist, der mehrere, typischerweise 3–8, am typischsten 4–6, konzentrische Käfige hat, die mit Schaufeln ausgestattet sind, wobei von den Käfigen wenigstens jeder zweite als Rotor wirkt, wobei die diesen Käfigen benachbarten Käfige als Statoren oder Rotoren wirken und wobei der Geschwindigkeitsunterschied zwischen den benachbarten Käfigen 10–500 m/s, typischerweise 50–200 m/s, beträgt, wobei – die Fasersuspension durch den Durchflussmixer und von den Zentren der Käfige radial nach außen geleitet wird, wobei die an den Käfigen vorhandenen Schaufeln wiederholte Stöße, Gegenstöße, Scherkräfte, Turbulenzen und/oder Über- und Unterdruckpulse erzeugen, die auf die auswärts fließende Fasersuspension wirken.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des Gases, welches in den Ausfällungsreaktor eingeleitet werden soll und welches das Fällungsmittel zum Ausfällen des Mineralmaterials enthält, durch die Aktivierungszone in den Reaktor eingeleitet wird, um den Fasern, die in der Aktivierungszone aktiviert werden, zu erlauben, unmittelbar während der Aktivierung oder direkt danach mit dem Fällungsmittel in Kontakt zu treten.
Verfahren nach den Ansprüchen 3–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweildauer der das Fasermaterial und das reaktive Mineralmaterial enthaltenden Suspension in der Aktivierungszone kurz ist, <10 Sekunden, typischerweise <2 Sekunden, am typischsten <1 Sekunde.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gas mit >5%, typischerweise >10% des Fällungsmittels, beispielsweise Kohlendioxid, in den Ausfällungsreaktor eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Gas, welches das Fällungsmittel enthält, reines oder beinahe reines Kohlendioxid, Abgas oder ein anderes Kohlendioxidhaltiges Gas ist, ein anderes zum Ausfällen des Mineralmaterials geeignetes Gas enthält oder eine Mischung dieser Gase ist und dass – das Gas, welches das Fällungsmittel enthält, in einer solchen Weise in den Ausfällungsreaktor eingeleitet wird, dass es einen Überdruck im Reaktor erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Fasersuspension durch zwei zu einer Reihe verbundene Ausfällungsreaktoren geleitet wird, wobei in den Ausfällungsreaktoren Gasräume unterschiedliche Zusammensetzungen haben können, beispielsweise in einer solchen Weise, dass – das Gas, welches das Fällungsmittel enthält, im ersten Ausfällungsreaktor reines oder beinahe reines Kohlendioxid ist und in dem folgenden Ausfällungsreaktor Abgas oder weniger kohlendioxidhaltiges Gas ist oder in einer solchen Weise, dass – das Gas, welches das Fällungsmittel enthält, im ersten Reaktor weniger kohlendioxidhaltiges Gas ist und im folgenden Ausfällungsreaktor oder in den folgenden Ausfällungsreaktoren reines oder beinahe reines Kohlendioxid ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass – das reaktive Mineralmaterial Kalziumhydroxid, Kalziumsulfat, Kalziumoxid, ein anderes für diesen Zweck geeignetes reaktives Material, das mit dem Fällungsmittel ausfällbar ist, und/oder eine Mischung dieser Stoffe enthält, und dass – das reaktive Mineralmaterial abhängig von einer gewünschten Qualität des Produkts ausgewählt ist, beispielsweise in Abhängigkeit von den gewünschten optischen Eigenschaften.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial enthält: – Primärfasern, die durch chemische, chemimechanische, thermochemische, semichemische oder andere entsprechende Prozesse gewonnen sind; – entfärbte oder nicht entfärbte Fasern, die aus Zeitungsdruckpapier, Kraftpapier, Seidenpapier, Spezialpapier, Karton gewonnen sind oder entsprechende Fasern, – gebleichte oder nicht gebleichte Fasern, gemahlene oder nicht gemahlene Fasern, getrocknete oder nicht getrocknete Fasern, oder eine Mischung aus diesen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial zusätzlich zu den Feinstoffen, beispielsweise den Faserbasierten Feinstoffen, Unreinheiten und/oder Mineralmaterialien enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial mit einer Konsistenz von 0.1–40%, typischerweise 1–15%, am typischsten 3–7% in den Ausfällungsreaktor eingeleitet wird.
Verfahren zur Herstellung von Papier, wobei ein Füllstoffe enthaltender Papierfaserbrei mit einer vorgegebenen Konsistenz in einen Formbereich einer Papiermaschine eingespeist wird, dem Papierfaserbrei Wasser dadurch entzogen wird, dass der Papierfaserbrei durch eine wasserdurchlässige Basis, beispielsweise ein Langgitter, abtropfen gelassen wird und eine derart hergestellte Papierbahn getrocknet und fertig gestellt wird, um ein fertiges Papierprodukt herzustellen, wobei das als Rohmaterial für den Papierfaserbrei verwendete Fasermaterial vorbereitet wird, um die Fasern oder die Oberflächen der Fasern zu aktivieren, beispielsweise in der Art, dass ihre Fähigkeit, mechanisch oder chemisch aneinander zu binden oder mit dem Fällungsmittel oder dem ausgefällten Mineralstoff zu binden, verbessert wird, dass ihre Fähigkeit, mechanisch oder chemisch an Mineralstoffe zu binden, verbessert wird, dass aktive OH-Gruppen auf ihren Oberflächen gebildet werden und/oder dass ihr innerer Bereich (Lumen) geöffnet wird, um unter anderem dem Mineralstoff zu ermöglichen sich in dem inneren Bereich der Fasern abzulagern, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Vorbehandlung des Fasermaterials in einem nach dem Schlagmühlenprinzip arbeitenden Durchflussmixer umfasst, in dem vorgesehen sind: – mehrere, typischerweise 3–8, am typischsten 4–6, konzentrische Käfige, die mit Schaufeln ausgestattet sind, wobei von den Käfigen wenigstens jeder zweite als Rotor wirkt, wobei die diesen Käfigen benachbarten Käfige als Statoren oder Rotoren wirken und wobei der Geschwindigkeitsunterschied zwischen den benachbarten Käfigen 10–500 m/s, typischerweise 50–200 m/s, beträgt, – eine Einleitungsvorrichtung zum Einleiten des Fasermaterials vorwiegend in das Zentrum dieser Käfige und – ein offener äußerer Käfig, welcher es der Fasersuspension ermöglicht, radial nach außen durch die Käfige zu fließen, in verschiedenen Richtungen aus den Käfigen auszutreten oder ein äußerer Käfig, der mit mehreren Auslässen ausgestattet ist, um ein Austreten der radial auswärts fließenden Fasersuspension aus den Käfigen zu ermöglichen, woraufhin der Mineralstoff dadurch auf die Oberfläche der Fasern ausgefällt wird, dass die Fasersuspension mit einem den Mineralstoff ausfällenden Fällungsmittel in Kontakt gebracht wird indem der die Fasersuspension enthaltende Papierfaserbrei in den Formbereich der Papiermaschine eingeleitet wird, um dem Faserbrei ein Abtropfen durch eine wasserdurchlässige Basis zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung durchgeführt wird, während die Fasern hinreichend aufgequollen sind, beispielsweise durch das Hinzufügen von Ca(OH)₂.
Papier, das unter der Verwendung von Fasern hergestellt ist, die zumindest teilweise durch eines der in den Ansprüchen 1–17 beschriebenen Verfahren zur Vorbehandlung im Papierfaserbrei vorbehandelt sind, wobei der Papierfaserbrei wenigstens einen Gewichtsanteil von 20% bezüglich des Gesamtgewichts der vorbehandelten Fasern von nano-skaligen Füllstoffpartikeln, insbesondere PCC, enthält.
Papier nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserrohmaterial vollständig aus den oben genannten vorbehandelten Fasern besteht.
Papier nach den Ansprüchen 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass es in einer nassen Endbeleimung beleimt ist.
Papier nach einem der Ansprüchen 18, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass es geglättetes und/oder beschichtetes Papier ist.