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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß der Präambel des angefügten Anspruches
1 zum Zugeben eines Füllstoffes
zu einer Fasersuspension.
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Bei
der Zugabe von Fasern, die Cellulose enthalten, besteht ein wichtiger
Teil der Zusammensetzung von insbesondere bestimmten Papiergraden aus
Füllstoffen,
die darin verwendet werden. Die Füllstoffe beeinflussen das Aussehen
und technischen Eigenschaften des Papiers. Die Füllstoffe sind normalerweise
anorganisch und basieren auf Mineralien, und sie bestehen aus kleineren
Teilchen, die in die Leerräume
des Fasernetzwerkes des Papiers passen. Füllstoffe können aus einer Reihe von anorganischen
Mineralien ausgewählt
werden, und ihr Gehalt in im Papier kann ziemlich hoch sein.
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Üblicherweise
erfüllt
ein Füllstoff,
der von einem Füllstoffzulieferer
verfügbar
ist, bestimmte Qualitätserfordernisse
und besitzt eine geeignete Teilchengrößenverteilung und wird mit
anderen Pulpekomponenten beigemischt und hierauf folgend wird die
Pulpe mit einer geeigneten Konsistenz aus dem Stoffeinlauf zum Bildungsabschnitt
geführt,
worin eine Entwässerung
der Pulpesuspension und die Bildung von Papier in ein zusammenhängendes
Fasernetz begonnen werden. Eine Aufgabe der Papierherstellung ist
es, ein gutes Zurückhaltevermögen zu erreichen;
mit anderen Worten, es sollte eine so groß wie mögliche Menge der Papierpulpe,
die in das Papiermaschinensieb eindringt, in dem Papiernetz verbleiben,
das sich auf dem Papiermaschinensieb bildet.
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Jedoch
bleiben mit der Papierpulpe vermischte Füllstoffe zirkulierend in dem
Umlaufwasser der Papiermaschine zurück, worin durch diese Probleme
verursacht werden. Wenn die Füllstoffe
in dem Wasserumlauf der Papiermaschinen zirkulieren, wird organisches
Material auf ihrer Oberfläche
akkumuliert, was eine Entfärbung
der Füllstoffe
verursacht und hierdurch die optischen Eigenschaften des Endproduktes
beeinflusst. Darüber
hinaus hindern Füllstoffe,
die in dem Wasserumlauf zurückbleiben,
die Behandlung von Ausflüssen
aus der Papiermühle,
da die Füllstoffe
nicht verbrannt oder bei der biologischen Abwasserreinigung abgebaut
werden.
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Es
ist ein erfindungsgemäßes Ziel,
ein Verfahren zum Zugeben eines Füllstoffes zu einer Faserdispersion
zu offenbaren, das zu einer Verbesserung der optischen Eigenschaften
des Endproduktes und des Füllstoffzurückhaltevermögens führt, und
wodurch eine Verringerung der Feststoffabfälle aus den Verfahren resultiert.
Um dieses Ziel zu erreichen, ist das erfindungsgemäße Verfahren
hauptsächlich
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Aluminiumsalz in der
Fasersuspension aufgelöst
wird, und Aluminiumhydroxid, das als Füllstoff verwendet wird, auf
der Oberfläche
der Faser mittels pH-Wertbedingungen der Fasersuspension ausgefällt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
basiert auf der Idee, dass die Fasersuspension mit einem Aluminiumsalz
behandelt wird, um einen Füllstoff
für das
Papierherstellungsverfahren zu bilden. In dem Verfahren kann Aluminiumhydroxid,
das als ein Füllstoff
wirkt, auf die Oberfläche
der Faser ausgefällt werden.
Auf diese Weise kann der Füllstoff
auf die Faser aufgebracht werden und zirkuliert nicht länger in
dem Wasserumlauf der Papiermaschine. Verglichen mit dem herkömmlichen
Verfahren, worin fertiger Füllstoff
mit Papierpulpe vermischt wird, unterscheidet sich die vorliegende
Erfindung dadurch, dass ein Ausgangsmaterial für den Füllstoff mit der Fasersuspension
vermischt wird, wonach der Füllstoff
gebildet wird und direkt auf die Oberfläche der Fasern in der Fasersuspension
ausgefällt
wird.
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In
diesem Zusammenhang bezeichnet der Ausdruck "Fasersuspension" eine wässrige Suspension, die Fasermaterial
enthält
und deren Konsistenz variieren kann. So bezeichnet die Fasersuspension auch
ein klares Filtrat, das hauptsächlich
Wasser, aber auch eine kleine Menge an kurzer Faser, enthält. Der
Ausdruck "Aluminiumsalz" wird für eine Verbindung
verwendet, die in eine wässrige
Phase aufgelöst
werden kann, wobei Aluminiumionen in die Lösung freigesetzt werden. In
diesem Zusammenhang bezeichnet "Aluminiumsalz" z. B. Aluminiumsulfat, das
das gebräuchlichste
Aluminiumsalz ist.
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Die
Fasersuspension, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird,
kann als ein Rohmaterial für
Papier oder Karton verwendet werden.
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Der
bedeutendste Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Verbesserung
der optischen Eigenschaften des Endproduktes. Die Ausfällung von
Aluminiumhydroxid auf die Oberfläche
der Faser verbessert die optischen Eigenschaften mittels der Helligkeit
des Aluminiunhydroxids und als Folge der Tatsache, dass die Füllstoffe
nicht in dem Wasserumlauf der Papiermaschine zirkulieren, was ihre Entfärbung hervorruft.
Darüber
hinaus besitzt das erfindungsgemäße Verfahren
einen Lichtundurchlässigkeitsverbesserungseffekt.
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Das
ausfallende Aluminiumhydroxid wirkt auch durch Binden anderer Füllstoffe
an die Oberfläche
der Faser, z. B. Kaolin, GCC (gemahlenes Calciumcarbonat), Titandioxid,
und anderer möglicher Füllstoffe,
die eine anionische Oberflächenladung besitzen
oder die anionisch umgewandelt worden sind. Folglich kann der Gehalt
der anderen Füllstoffe in
dem Wasserumlauf der Papiermaschine auch verringert werden, worin
sie zuvor Probleme hervorgerufen haben. Darüber hinaus erleichtert das
bessere Binden der Füllstoffe
an die Fasern die Behandlung von Ausflüssen aus der Papiermühle, da
die Füllstoffe
nicht in der biologischen Abwasserbehandlung abgebaut werden. So
ist ein zu erwähnender
erfindungsgemäßer Vorteil
das bessere Füllstoffzurückhaltevermögen, verglichen
mit herkömmlicherweise verwendeten
Verfahren, und hierdurch die Verringerung von Feststoffabfällen aus
dem Verfahren. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
die Verringerung der Transportkosten, da es das Verfahren ermöglicht,
den Füllstoff
aus den Ausgangsmaterialien in situ bei der Papiermühle herzustellen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung detaillierter anhand der beigefügten Bilder
beschrieben, die durch ein Abtastelektronenmikroskop (SEM) aufgenommen
wurden und worin
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1 Aluminiumhydroxid
zeigt, das auf der Oberfläche
einer Faser in einem klaren Filtrat ausgefällt wurde,
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2 eine
Faser in einem klaren Filtrat zeigt, das insgesamt mit Aluminiumhydroxid
bedeckt ist,
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3 Aluminiumhydroxidteilchen
zeigt, die auf der Oberfläche
einer ungebleichten, raffinierten Faser ausgefällt wurden,
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4 eine
Aluminiumhydroxidschicht zeigt, die auf der Oberfläche einer
ungebleichten, raffinierten Faser ausgefällt ist,
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5 einzelne
Aluminiumhydroxidteilchen zeigt, die auf die Oberfläche einer
ungebleichten, raffinierten Faser ausgefällt wurden, und
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6 Kaolinteilchen
zeigt, die zusammen mit Aluminiumhydroxid auf die Oberfläche einer
Faser ausgefällt
wurden.
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Das
Aluminiumion und die Komponenten, die durch dieses gebildet werden,
sind stark von dem pH-Wert der flüssigen Phase abhängig. Demgemäß werden Änderungen
des pH-Wertes der flüssigen Phase
verwendet, wenn das Aluminiumsalz in Aluminiumhydroxid ausgefällt wird.
Aluminium ist als Aluminiumhydroxid in Wasser hauptsächlich in
dem pH-Wertbereich
von 6,5 bis 8 vorhanden. Teilweise kann in diesem Bereich Aluminium
auch in anderen Formen vorhanden sein.
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Im
Folgenden wird die Ausfällung
von Aluminiumhydroxid in wässriger
Phase detaillierter diskutiert, wobei Aluminiumsulfat als Reaktant
verwendet wird. Zunächst
wird Aluminiumsulfat (Al2(SO4)3) in der wässrigen Phase aufgelöst, in diesem
Fall eine Fasersuspension, worin ein dreiwertiges Aluminiumion und
ein Sulfation in der Lösung
hergestellt werden. So ist der pH-Wert der Lösung auf der sauren Seite. Die
Ausfällung
von Aluminiumhydroxid Al(OH)3 ist durch
Erhöhen
des pH-Wertes der Lösung
möglich, da
Aluminium in der Form von Aluminiumhydroxid in wässriger Phase in dem pH-Wertbereich von 6,5
bis 8,0 vorhanden ist. Daher wird der pH-Wert der Lösung mit einer alkalischen
Lösung,
z. B. Natriumhydroxid (NaOH) erhöht,
wobei Aluminium als Aluminiumhydroxid ausgefällt wird. Der optimalste pH-Wert zur
Ausfällung
von Aluminiumhydroxid ist 7,5.
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1 bis 6 zeigen
die Ausfällung
von Aluminiumhydroxid auf der Oberfläche der Fasern, die durch ein
Abtastelektronenmikroskop (SEM) aufgenommen wurden. 100 ml Aluminiumsulfat,
dessen relative Dichte 11,8°Be
(Grad Baume), d. h. ungefähr 1088
kg/m3, war, wurde zu zwei verschiedenen
Proben, 200 ml klares Filtrat und ungebleichtes TMP (Thermo Mechanical
Pulpe, thermomechanische Pulpe) gegeben. Der Fasergehalt der Proben
betrug 100 mg/l. Nach Zugabe von Aluminiumsulfat fiel der pH-Wert
des klaren Filtrats von ungefähr
5 auf 3,1. Der pH-Wert der Lösung
wurde dann auf 7,5 durch Zugabe von Natriumhydroxid erhöht, wobei
das Aluminium als Aluminiumhydroxid ausgefällt wurde. Gemäß den beigefügten Figuren
scheint Aluminiumhydroxid als Teilchen mit hauptsächlich rhombohedrischer
Form auszufallen. 1 und 2 zeigen eine
Faser in einer klaren Lösung,
und 3 bis 6 zeigen eine einzelne ungebleichte
raffinierte Faser, die aus einer TMP-Probe aufgenommen wurde.
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1, 3 und 5 zeigen
Alumiumhydroxid, das auf der Oberfläche einer Faser ausgefällt wurde,
teilweise in der Form von einzelnen Teilchen (5).
Wenn die lokalen Konzentrationen von Aluminiumsulfat zunehmen, wird
Aluminiumhydroxid unter Bildung von dicken Schichten auf der Oberfläche der
Faser ausgefällt,
wie in 2 gezeigt. 4 zeigt
auch ausgefallenes Aluminiumhydroxid, das eine Schicht auf der Oberfläche einer
ungebleichten, raffinierten Faser bildet. Darüber hinaus bindet, wenn ausgefallen,
Aluminiumhydroxid andere Füllstoffe
an die Oberfläche
der Faser, wie in 6 gezeigt, worin Kaolinteilchen
(flache große
Teilchen) auf die Oberfläche
der Faser angebracht sind.
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In
der Praxis wird die Ausfällung
durch Auflösen
von Aluminiumsalz in der Fasersuspension durchgeführt, wonach
die Ausfällung
durch zwei verschiedene Prinzipien stattfindet:
- – bereits
zur Zeit der Zugabe besitzt die Fasersuspension solche pH-Wertbedingungen,
dass eine Ausfällung
von Aluminiumhydroxid resultiert, oder
- – nach
der Zugabe werden die pH-Wertbedingungen der Fasersuspension so
geändert,
dass Aluminiumhydroxid ausfallen wird.
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Bei
der ersteren Alternative wird keine separate pH-Werteinstellung nach der Zugabe des
Aluminiumsalzes notwendig sein. Bei der letzteren Alternative können die
pH-Wertbedingungen
in der Fasersuspension absichtlich zum Ausfällen von Aluminiumhydroxid
geändert
werden, oder sie werden in Verbindung mit dem normalen Behandlungsverfahren
der Papierpulpe geeignet werden. Die pH-Wertbedingungen, die zur
Ausfällung
günstig
sind, werden z. B. durch Zumischen einer alkalischen Lösung zu
der Fasersuspension erhalten. Der Gehalt der Zugabe hängt von
den pH-Wertbedingungen der Suspension zu der Zeit ab. Die Ausfällung zur
Erzeugung von Aluminiumhydroxid findet in dem pH-Wertbereich von
6,5 bis 8,0 statt.
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Die
Auflösung
des Aluminiumsalzes in der Fasersuspension und die Ausfällung zur
Erzeugung von Aluminiumhydroxid werden in dem kurzen Umlauf einer
Papier- oder Kartonmaschine, so nahe an dem Stoffeinlauf wie möglich, durchgeführt. So
ist die Verzögerung
zwischen de Ausfällung
des Aluminiumhydroxids und der Verteilung der Pulpe auf den Papiermaschinensiebabschnitt
so kurz wie möglich, höchstens
ungefähr
15 s. Auf diese Weise wird eine gute Adhäsion der Füllstoffe auf das sich bildende Papier-
oder Kartonnetz in dem Papiermaschinensiebabschnitt erreicht, und
hierdurch kann der Füllstoffgehalt
in dem Wasserumlauf der Papiermühle
verringert werden.
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Das
Aluminiumsalz kann in der wässrigen Phase
auch in einem Nebenstrom oder in einem separaten Wasserumlauf dosiert
und aufgelöst
werden, wonach die wässrige
Lösung,
die Aluminiumsalz enthält,
mit der Fasersuspension vermischt wird, worin Aluminiumhydroxid
entweder durch Änderungen
der pH-Wertbedingungen der Fasersuspension, ausgefällt wird
oder die Fasersuspension bereits pH-Wertbedingungen besitzt, die zur
Ausfällung
günstig
sind. Die Dosierung in die Fasersuspension und die Ausfällung zur
Erzeugung von Aluminiumhydroxid finden in dem kurzen Umlauf so nahe
wie möglich
an dem Stoffeinlauf statt, wie vorstehend dargestellt.
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Ein
alternatives Verfahren ist es, Aluminiumsalz direkt mit mechanischer
Pulpe zu vermischen, bevor die wässrige
Fasersuspension erzeugt wird. Danach kann die Ausfällung zur
Erzeugung von Aluminiumhydroxid so nahe an dem Stoffeinlauf wie möglich durchgeführt werden,
indem die Bedingungen, die für
die Ausfällung
günstig
sind, durch die vorstehend beschriebenen Verfahren geändert werden.
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Das
Verfahren stellt keine Beschränkungen bezüglich der
Konsistenz bzw. Stoffdichte der Pulpe auf, bei welcher die Ausfällung des
Aluminiumhydroxids stattfindet. Die Ausfällung von Aluminiumhydroxid
kann z. B. in einem klaren Filtrat stattfinden, das hauptsächlich aus
Wasser besteht, aber auch kurze Fasern enthält. In diesem Fall werden einige
der Aluminiumionen Aluminiumhydroxid bilden, das nicht auf die Oberfläche der
Faser aufgebracht ist. Jedoch ist das Risiko einer alkalischen Entfärbung kleiner
als wenn die Ausfällung
in einer Pulpe mit hoher Stoffdichte stattfindet, da die Helligkeit
der Pulpe abnehmen wird, wenn der pH-Wert über 6 ansteigt.
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Der
Gehalt des in der Pulpe aufzulösenden Aluminiumsalzes
kann zur Einstellung des Gehalts von Aluminiumhydroxid, das auf
die Oberfläche
der Fasern ausfällt,
verwendet werden. Normalerweise werden überschüssige Mengen von Aluminiumsalz mit
der Fasersuspension vermischt, um eine ausreichende Ausfällung bereitzustellen.
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Das
ausfallende Aluminiumhydroxid kann auch andere Füllstoffe binden, was so das
Zurückhaltevermögen der
Fasern verbessert. Solche Füllstoffe schließen z. B.
Kaolin, GCC, Titandioxid, und andere mögliche Füllstoffe, die eine anionische
Oberflächenladung
besitzen oder die anionisch umgewandelt worden sind, ein. Es wird
angenommen, dass die Bindung zwischen Aluminiumhydroxid und anderen Füllstoffen
als chemische Bindung stattfindet.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren kann
das Füllstoffzurückhaltevermögen um 20
bis 60 abhängig
von den verwendeten Füllstoffen,
verglichen mit dem herkömmlicherweise
verwendeten Verfahren, worin fertig gestellter Füllstoff mit der Pulpe vermischt
wird, verbessert werden. Das Füllstoffzurückhaltevermögen wird
von der Pulpestoffdichte abhängen,
bei welcher die Ausfällung
des Aluminiumhydroxids durchgeführt
worden ist. Ein besseres Zurückhaltevermögen wird
in Pulpen mit höherer
Stoffdichte erhalten als z. B. in einem klaren Filtrat, da in Pulpen
mit hoher Stoffdichte das meiste Aluminiumhydroxid auf die Faser
aufgebracht wird.
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Die
optischen Eigenschaften der Papierpulpe werden mittels der Helligkeit
des Aluminiumhydroxids verbessert, da die ISO-Helligkeit des Aluminiumhydroxids 98
beträgt.
Die Verbesserung der optischen Eigenschaften ist auch ein Ergebnis
aus der Tatsache, dass bei der Bildung von Aluminiumhydroxid dieses
auf die Oberfläche
der Faser angebracht wird und nicht in dem Umlaufwasser zirkulierend
zurückbleibt,
was eine Entfärbung
der Füllstoffe
hervorruft. Darüber
hinaus besitzt das erfindungsgemäße Verfahren
einen Lichtundurchlässigkeitsverbesserungseffekt
auf das Endprodukt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist für
eine Reihe von Pulpen, einschließlich chemischer, mechanischer,
chemischmechanischer oder thermomechanischer Pulpen, genauso wie
wiederverwerteter bzw. Recycling-Pulpe, oder Mischungen dieser Pulpen
geeignet.
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Die
durch die erfindungsgemäße Fasersuspension
gebildete Papierpulpe, die mit Aluminiumsalz behandelt wurde, wird
in den Bildungsabschnitt einer Papier- oder Kartonmaschine geführt, und
Papier oder Karton wird aus dieser in de Form eines kontinuierlichen
Netzes hergestellt, indem diese durch ein Bildungsmedium, das für Wasser
durchlässig
ist, infiltriert wird. Die erfindungsgemäße Fasersuspension kann so
als ein Rohmaterial viel Papier, Papierkarton oder ein anderes entsprechendes
Netz- oder Pulpeprodukt aus Fasermaterial verwendet werden.
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Als
eine Alternative zu den vorstehend beschriebenen Verfahren kann
auch die direkte Ausfällung
von Aluminiumhydroxid in Wasser, worin der Füllstoff in situ an der Papiermühle hergestellt
werden kann, erwähnt
werden. Aluminiumhydroxid wird durch Zugabe z. B. von Aluminiumsulfat
in Wasser, z. B. Umlaufwasser, und durch Einstellen des pH-Wertes des Wassers,
um zur Ausfällung
geeignet zu sein, z. B. unter Verwendung von Natriumhydroxid, ausgefällt. Danach
kann das Aluminiumhydroxid mit den Pulpekomponenten gemäß üblicher
Praxis vermischt werden. Durch diese Verfahren werden ökonomische Vorteile
erreicht, da die Herstellung von Aluminiumhydroxid in situ ökonomisch
realisierbarer ist, wenn er von einem chemischen Zulieferer gekauft
wird. Mit dieser Alternative kann jedoch das Füllstoffzurückhaltevermögen nicht verbessert werden,
aber die optischen Eigenschaften des Endproduktes können verbessert
werden.
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Die
Erfindung ist nicht allein auf bestimmte Ausführungsformen oder Abschnitte
in dem Papierherstellungsverfahren, das vorstehend vorgestellt wurde,
begrenzt, sondern die Erfindung soll breit innerhalb des erfindungsgemäßen Umfanges,
wie sie in den angefügten
Ansprüchen
definiert ist, verstanden werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Verfahren
zur Zugabe eines Füllstoffes
zu einer Fasersuspension, worin mindestens ein Aluminiumsalz in
die Fasersuspension aufgelöst
wird, und Aluminiumhydroxid, das als Füllstoff wirkt, auf die Oberfläche der
Faser mittels der pH-Wertbedingungen der Fasersuspension ausgefällt wird.