DE1546280C3 - Verfahren zum Füllen von Papier - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zum Füllen von Papier mit anorganischen Füllstoffen.

In modernen Papiermaschinen wird Papier dadurch hergestellt, daß sich Faserstoffe auf dem Sieb einer Papiermaschine absetzen. Dies wird durch Herstellen eines Eintrags durchgeführt, der aus Cellulosefasern, Wasser mit Rückhaltehilfsstoffen, Farbstoffen, ausflockenden Stoffen, Bindemittel und anderen, bei der Papierherstellung gebräuchlichen Zusätzen besteht.

Der Eintrag besteht anfänglich aus 95 bis 99% Wasser. Nachdem der Eintrag so vorbereitet ist, daß die richtige Abstimmung erreicht ist, wird er auf das Sieb der Papiermaschine geführt. Die Cellulosefasern lagern sich auf dem Sieb ab infolge ihres Gewichts und des angewandten Unterdrucks, der das Wasser durch das Sieb abzieht, wodurch die Fasern gleichförmig auf der Oberfläche des Siebs abgelagert werden.

Langsiebmaschinen benützen Stützrollen, Saugkästen, Saugrollen, um das Wasser zu entfernen. Wenn an einer dieser Stelle die Saugwirkung zunimmt, nimmt auch die Wasserentziehung zu, und man erhält ein kompaktes Band.

Bei Zylindermaschinen mit Saugwirkung werden die Fasern abgelagert durch ihr Gewicht oder indem sie angesaugt werden, wobei dies durch die Differenz des Flüssigkeitsniveaus innerhalb und außerhalb des Zylinders hervorgerufen wird.

Allgemein wird gefülltes oder farbiges Papier auf einer Langsiebmaschine hergestellt. Zu Beginn des Laufs auf der Langsiebmaschine entsteht ein kurzes Intervall, währenddessen die fein geteilte Masse aus Füllstoffen, Fasern und Zusätzen praktisch ungehindert durch das Sieb läuft. Kurz danach beginnt sich auf dem Sieb eine Matte zu bilden, und das Wasser muß durch diese Matte hindurch entzogen werden.

Die Filterwirkung dieser Matte hängt unter anderem ab von ihrer Dicke, der Art der Faserstoffe und der Siebgeschwindigkeit. Durch zu große Saugwirkung oder zu großen Unterdruck an den Stützrollen, den Saugkasten und den Saugrollen können einige der feinen Partikeln der Füllstoffe und Fasern, die sich auf dem Band abgesetzt haben, losgesaugt werden, wodurch sich eine Lage ergibt, die unter der Benennung Zweiseitigkeit bekannt ist.

Die Rückhaltung der feinen, kolloidalen oder nahezu kolloidalen Masse, wie sie anorganische Füllstoffe darstellen, ist ein Problem, weil sie kleiner als die Poren in der nassen Fasermatte sind. Dies ist ein wirtschaftlich sehr wichtiges Problem, weil meistens die Färb- und Füllstoffe den teuersten Teil des Papiereintrags ausmachen. In der Regel werden anorganische Füllstoffe in der Rührvorrichtung oder der Flügelpumpe dem Eintrag beigefügt und von dort zusammen mit dem Eintrag zum Hauptkasten geführt. Von hier fließt der Eintrag auf das Sieb, um das Band zu bilden.

Diese Art der Papierherstellung zerstört funktionell Stoffe in Farbstoffen mit niederem Lichtbrechungsindex und vermindert damit die Wirksamkeit, optische Eigenschaften zu entwickeln und schafft Probleme, die Füllstoffe ebenso wie die feinen Fasern zurückzuhalten, und es kann Zweiseitigkeit oder ungleicher Glanz zwischen der Sieb- und der Füllseite des Bandes auftreten. Dieser Prozeß erfordert auch beträchtliche Zeit, um das System ins Gleichgewicht zu bringen, wodurch Füllstoffverluste am Beginn und Ende eines Laufs entstehen.

Bei einem anderen Prozeß wurden Versuche gemacht, diese Probleme zu eliminieren, indem die Füllstoffe direkt dem Gewebeband zugefügt wurden. Dies wurde so durchgeführt, daß der Füllstoff auf die Überlaufkante des Hauptkastens oder der Stauvorrichtung oder weiter stromabwärts auf eine Leitfläche mit einer Lippe aufgesprüht wurde. Durch diesen Vorgang kommt der Füllstoff mit dem Band in Berührung und setzt sich im allgemeinen auf dessen Oberfläche ab. Das Wasser wird dem Band unter der Fläche auf der Siebseite entzogen, wodurch der Füllstoff nicht gestört wird. Durch die ungleiche Verteilung des Füllstoffes ergibt sich natürlich eine extreme Zweiseitigkeit.

Ein Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, um Papier mit anorganischen, farbigen Füllstoffen wirtschaftlich und wirksam zu füllen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, gefülltes Papier mit einem minimalen Zweiseiteneffekt herzustellen. Außerdem ist ein Verfahren Ziel der Erfindung, bei dem das fertige Papier eine gleichmäßige Verteilung der Füllstoffe aufweist.

Noch ein Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, Papier mit anorganischen Farbstoffen zu füllen, wobei eine optimale Größe der feinen Farbpartikeln mit niederem Lichtbrechungsindex beibehalten wird.

Andere Ziele und Vorzüge der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung an Hand der Zeichnung deutlich.

F i g. 1 ist eine schematische Darstellung eines typischen Sprühverteilungssystems, das gemäß einer beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung benutzt wird;

F i g. 2 zeigt die Ansicht einer Sprühdüse einer Papiermaschine;

F i g. 3 zeigt die Ansicht des Sprühsystems;

F i g. 4 zeigt eine aufgebrochene Ansicht der Sprühlinie.

Es wurde gefunden, daß ein wäßriger Brei eines Papierfüllstoffes, wobei dieser aus Farbstoffen bestehen kann, an einer besonderen Stelle der Anlage und unter speziellen Bedingungen auf das sich bewegende Band gesprüht werden kann, wobei eine gleichmäßige Verteilung des Farbstoffes über die ganze Papierbahn gewährleistet ist. Dies ergibt außerdem die gewünschte minimale Zweiseitigkeit und eine unmittelbare hohe Farbstoffrückhaltung.

Mit Bezug auf die einzelnen Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen in allen Figuren gleiche Teile bezeichnen, ist 1 ein Vorratsbehälter für Füllstoffe, in dem ein wäßriger Brei von Papierfüllstoffen gelagert ist. Ein Breiförderrohr 2 verläuft aus dem Behälter 1 über ein Ventil 3 zu einer Sprühförderpumpe 4. Füllstoff brei wird durch die Sprühförderpumpe 4 durch ihr Auslaßförderrohr 5 in ein Gitterfilter 6 gepumpt.

' Der Auslaß aus dem Gitterfilter 6 wird durch ein Ventil 7 gesteuert, und der Füllstoffbrei läuft aus dem Ventil 7 durch ein Rohr 8 zu einem konzentrischen Reduzierstück 9. Ein horizontal angeordnetes Sprührohr 10 ist über dem Sieb einer Papiermaschine angeordnet und verläuft senkrecht zur Bewegungsrichtung des Siebes.

Die Sprühröhre 10 hat einen an ihr befestigten Druckregler 11 und weiter eine Vielzahl von nach unten gerichteten Sprühdüsen 12, die mit ihr verbunden sind. Ein exzentrisches Reduzierstück 13 ist am Ende der Röhre 10 gegenüber dem konzentrischen Reduzierstück 9 befestigt und hat ein Umlaufrohr 14, das von dort zu einem Drosselventil 15 läuft. Aus dem Drosselventil 15 erstreckt sich ein Abflußrohr 16, das so angeordnet ist, daß der Abfluß wahlweise in den Behälter 1 oder in den Abflußkanal fließen kann. Ein Spülwasserrohr 17 verläuft von einem Druckwasserreservoir· über ein Ventil 18 zu dem Rohr 2 zwischen dem Ventil 3 und der Pumpe 4. Das durch das Spülwasserrohr 17 herangeführte Spülwasser wird be- f nötigt, wenn die Papierherstellung beendet ist und der Füllstoffbrei aus den Rohren entfernt werden muß.

Wie in F i g. 2 deutlich zu sehen, wird der Füllstoffbrei aus den Sprühdüsen 12 auf das sich bewegende Band 20 aus einer Entfernung von etwa 15 bis 120 cm über dem Band 20 aufgesprüht, abhängig von der Geschwindigkeit des Siebes 21 und dem Druck in der Düse. Die Düse kann ein Hohlkegel sein, wie in F i g. 1 bei 19 gezeigt, und kann als repräsentativer Düsentyp gelten, wenn mit niederen Drücken von ungefähr 0,2 bis 1,4 kg/cm² gefahren wird. Die Sprühdüsen 12 sind so im Abstand auf der Sprühverteilerröhre 10 angeordnet, daß die Sprühstrahlen aus jeder der Düsen 12 die benachbarten Sprühstrahlen überschneiden und damit das Sprühmuster 19 bilden, das beschrieben werden kann als eine erste Reihe von Kreisen in tangentialer Beziehung, denen eine zweite Reihe von tangentialen Kreisen derselben Größe überlagert ist, wobei die Mittelpunkte dieser Kreise auf dem Berührungspunkt der Kreise der ersten Reihe liegen.

Die Sprühdüsen 12 erstrecken sich quer über die gesamte Breite des Siebes 21. Das Sprühmittel ist auf das Band 20 gerichtet, an einer Stelle, die ungefähr 1 bis 4 m stromaufwärts von dem ersten Saugkasten 22 liegt. Bei üblichen Maschinen ist dies gewöhnlich die vierte bis sechzehnte Stützrolle 23, abhängig von der Geschwindigkeit des Siebes 21 und ebenso von der Stelle, an der die Konsistenz des Bandes derart ist, daß optimale Füllstoffrückhaltung und optimale optische Eigenschaften des Papiers erzielt werden.

Durch diesen Prozeß prallt der Füllstoff auf das Band auf und wird in dieses hineingezogen, wo er in

ίο Kontakt mit den Fasern und Fäden des Papiers kommt und sich dort mit diesen physikalisch und/oder chemisch verbindet.

Die Füllstoffpartikeln, die gemäß der Erfindung benutzt werden, sind sehr viel kleiner als der Zwischenraum zwischen den Papierfasern, und normalerweise könnte erwartet werden, daß diese durch einen Prozeß gemäß der Erfindung vollständig durch das Band hindurchgezogen werden. Da dies bei Anwendung des beschriebenen Prozesses jedoch nicht geschieht, wird angenommen, daß zwischen dem Füllstoff und den Cellulosefäden und -fasern eine Oberflächenanziehungskraft entsteht.

Um extreme Zweiseitigkeit und übergroßen Füllstoffverlust zu vermeiden, muß der Füllstoff dann mit dem Band in Berührung kommen, wenn der Feststoffanteil (Feststoffinhalt) des Bandes derart ist, daß der Füllstoff durch Saugwirkung in das Band hineingezogen und gleichmäßig verteilt werden kann. Kommt der Füllstoff zu nahe am Hauptkasten mit dem Band in Berührung, so wird er vollständig durch dieses hindurchgezogen, und es entsteht ein sehr großer Füllstoffverlust. Wird der Füllstoff zu weit stromabwärts auf das Band aufgesprüht, so ist das Band zu trocken, und der Füllstoff überzieht nur die äußerste Oberfläche des Bandes. Ein Teil des Füllstoffes aus der äußersten Oberfläche geht, wenn das Papier trocken ist, durch Zerstäuben verloren. Sprühhöhen von 15 bis 120 cm und Sprühdrücke von 0,2 bis 1,4 kp/cm² ergeben gute Resultate, wenn das Aufsprühen ungefahr 1 bis 4 m stromaufwärts vom ersten Saugkasten erfolgt. Der Füllstoffbrei sollte eine solche Konzentration besitzen, daß er durch die Sprühdüse zerstäubt werden kann. Die beste Füllstoff konzentration beträgt 0,05 bis 0,2 kg/dm³ oder 5 bis 20% Feststoffe. Die Siebgeschwindigkeit bestimmt sowohl die spezifische Höhe und die Sprühdrücke der Düsen als auch ihre Lage. Innerhalb bestimmter Grenzen sind Maschinengeschwindigkeiten von 300 bis 900 m/Min, möglich. Die in diesem Verfahren benutzten farbigen Füllstoffe sind anorganische, siliciumhaltige Farbstoffe aus sehr feinen Partikeln, die im allgemeinen in einem Bereich von 0,01 bis 0,6 μ liegen. Die siliciumhaltigen Farbstoffe mit Silanolgruppen an ihren Oberflächen sind am vorteilhaftesten zu verwenden, da sie die Neigung haben, sich sowohl chemisch als auch physikalisch mit den Cellulosefasern zu verbinden und dadurch bei hoher Rückhaltung eine gleichmäßige Verteilung über das gesamte Papier gewährleisten. Es sind amorphe, siliciumhaltige Farbstoffe mit wenigstens 50% SiO₂ und wenigstens 3,5% gebundenem Wasser. Sie können hergestellt werden, indem SiO₂ aus Natriumsilikat mit Hilfe von Säuren ausgeschieden wird oder in der, in den USA.-Patenten 30 34 913 und 30 34 914 beschriebenen Weise, in der Natriumsilikat teilweise durch eine Säure neutralisiert wird und danach Kieselsäure durch ein Salz, z. B. Calciumchlorid oder Alaun, daraus ausgeschieden wird.

Andere geeignete siliciumhaltige Füllstoffe werden hergestellt, indem Kieselsäure aus Calciumsilikat durch eine Säure ausgefällt wird entsprechend der im USA.-Patent 3110 606 beschriebenen Art.

Ein weiterer geeigneter siliciumhaltiger Füllstoff ist Calciumsilikat, das hydrothermisch unter Druck aus Kalk und Kieselgur hergestellt wurde.

Weitere bevorzugte Füllstoffe sind die synthetischen Natriumaluminiumsilikat-Farbstoffe, die in den USA.-Patenten 27 39 073 und 28 48 346 beschrieben werden. Diese Füllstoffe werden hergestellt, indem wäßrige Lösungen eines Alkalimetallsilikats und eines wasserlöslichen Aluminiumsalzes, z. B. Aluminiumsulfat, Aluminiumchlorid, Aluminiumnitrat oder Ammoniumalaun, geeignet gemischt werden und miteinander reagieren.

Andere übliche Füllstoffe für Zeitungspapier oder anderes leichtes Papier können gemäß der Erfindung benutzt werden, z. B. Lehm oder Calciumcarbonat. Kombinationen von siliciumhaltigen Füllstoffen sind ebenso geeignet, z. B. Mischungen aus Kieselsäure und Natriumaluminiumsilikat.

Der pH-Wert des Reaktionsmediums und der des ausgefällten Stoffes, außerdem die Art des verwendeten Silikats gehören zu den Faktoren, die das produzierte spezifische Natriumaluminiumsilikat bestimmen. Eine Variation dieser Faktoren bestimmt die molaren Verhältnisse der Oxyde von Natriumaluminium und Silicium und außerdem die Partikelgröße, das spezifische Gewicht und die Größe der Oberfläche des Pigments. Pigmente mit Molverhältnissen über 0,8 Mol Na₃O/ Mol Al₂O₃ und über 4 Mol SiO₂/Mol Na₂O mit einem Partikeldurchmesser unter 0,14 μ, einem spezifischen Gewicht von 2,1 bis 2,26 und einer Oberfläche von mehr als 20 m^z/g sind gemäß der Erfindung besonders geeignet.

Im folgenden werden, zusammen mit einigen Tabellen, einige erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele beschrieben, auf die jedoch die Erfindung nicht beschränkt ist.

Beispiel 1

Benutzt wurde eine Langsieb-Papiermaschine mit einer Geschwindigkeit von 600 m/Min. Es wurden Pigmente aus Natriumaluminiumsilikat bei einem Druck von 0,5 atü und einer Höhe von 60 cm auf das sich bewegende Band aufgesprüht. Es wurde eine ausreichende Menge von Pigmenten gebraucht, um etwa 3 % Asche zu erhalten.

Es wurden verschiedene Versuche an verschiedenen Stellen des Bandes vorgenommen. Eine Aufgabestelle war beim ersten Saugkasten. Ein zweiter Punkt war bei der sechsten und der dritte Punkt bei der sechzehnten Stützrolle. Die Ergebnisse sind in Tabelle I dargestellt.

Beispiel 2

Hier wurde dieselbe Maschine benutzt und bei derselben Geschwindigkeit gefahren. Es wurde ein Füllstoff aus Natriumaluminiumsilikat verwendet und bei der ersten Stützrolle unter einem Druck von 0,7 atü und bei der zweiten, vierten, sechsten und zwölften Stützrolle unter einem Druck von 1,05 atü aufgegeben. Die Ergebnisse sind in Tabelle II dargestellt.

Beispiel 3

Hier wurde Natriumaluminiumsilikat-Füllstoff auf ein auf einer Langsiebpapiermaschine gebildetes Band bei einer Siebgeschwindigkeit von etwa 700 m/Min, und bei einem Druck von 0,63 atü aufgesprüht. Die Sprühhöhe war 54 cm. Der Aufgabepunkt wurde bei den verschiedenen Versuchen variiert. Der Füllstoff wurde nacheinander bei der vierten, sechsten und achten Stützrolle aufgegeben. Die Ergebnisse sind in Tabelle III dargestellt.

Tabelle I

Nr. 32-Standard-Zeitungspapier

Aufgabepunkt	Druck	Aufgabe	Ge	Rück	Glätte	Glanz	%	58/58,3	Deck	Larocque	in%	Druck
			bunden	haltung	W/F	W/F		61,8/59,1	fähigkeit	Durchschlag	12,0	fähigkeit
							96,5	62,0/59,4		in % bei	9,8
							77,5	62,2/59,2		2,0 g/m3 aufge	8,6
							98,5	61,9/59,2		nommener Tiefe	9,0
	kg/cm»	%	%	%			89,0	62/59,5	%		9,8	%
Ungefüllt	—	—	—	—	105/92	58,2/58,0	72,2	90,7	12	8,5	84,3
1. Saugkasten	0,5	3,26	1,88	57,7		61,0/58,5		91,5	9,7	85,0
6. Stützrolle	0,5	3,26	2,52	77,2	92/85	61,6/59,4	92,8	8,5	84,5
16. Stützrolle	0,5	3,26	3,15	96,6	87/79	62,5/59,6	92,9	7,7	84,3
Tabelle II
Nr. 33-Offset-Zeitungspapier
Aufgabepunkt	Druck	Aufgabe Ge-	Rück-	Glanz	Deck	Larocque	Druck
			bunden haltung W/F	fähigkeit Durchschlag	fähigkeit
	kg/cm1	1 %	%	%	%
Ungefüllt				90,5	84,5
1. Stützrolle	0,7	2,38	2,30	92,3	85,0
2. Stützrolle	1,05	3,08	2,39	92,1	84,5
4. Stützrolle	1,05	3,08	3,03	91,8	84,2
6. Stützrolle	1,05	3,08	2,74	92,0	84,7
12. Stützrolle	1,05	3,08	2,22	91,6	84,5

Die Daten in Tabelle I und II zeigen, daß, wenn die Füllstoff pigmente auf das sich bewegende Band aufgesprüht werden, sie effektiv das Papier füllen und die optimalen Bedingungen für das Aufsprühen bei Beispiel 1 von der sechsten bis zur 16. Stützrolle und bei Beispiel 2 von der vierten bis zur sechsten Stützrolle gegeben sind. In ähnlicher Weise kann der optimale Aufgabepunkt für jede Maschine bestimmt werden.

Tabelle III	Asche	Beschickung	% Glanz	Deck	Berst	% Larocque	ANPA
Aufgabepunkt			W/F	fähigkeit	fähigkeit	Durchschlag	Druck
					nach	bei g/m*	fähigkeit
					Mullen	aufgenom	W/F
						mener Tinte
						W/F
	%	%		%	kp/cm2
	0,52		57,6/58,0	90,5	0,4	13,0/11,0	85,7/84,6
Ungefüllt	2,48	2,10	60,1/59,1	93,3	0,5	9,1/7,5	85,5/84,5
4. Stützrolle	3,06	2,78	60,5/59,5	93,0	0,4	9,2/7,4	85,1/84,3
6. Stützrolle	2,40	2,03	59,1/59,0	92,9	0,6	10,5/7,5	85,5/84,3
8. Stützrolle	2,50	2,11	59,0/59,4	91,5	0,5	8,7/7,0	85,0/84,2
Innenfüllung
(Hauptkasten)

Die Daten zeigen an, daß das Papier vorteilhafte Eigenschaften erhält, wenn das Füllstoffpigment auf das bewegte Band aufgesprüht wird. Bei der bei Beispiel 3 benutzten Maschine zeigen die Daten, daß der optimale Aufgabepunkt bei oder nahe bei der sechsten Stützrolle liegt, wobei diese ungefähr 1,80 bis 2,10 m stromaufwärts vom ersten Vakuumkasten angeordnet ist. Die Daten zeigen weiter, daß die optischen Eigenschäften von Papier mit Innenfüllung etwas schlechter sind als bei Papier, das gemäß der Erfindung gefüllt

wurde, wogegen die Druckeigenschaften bei beiden gleichwertig sind.

Die Beispiele zeigen weiter die Durchführbarkeit des Verfahrens und die Vorzüge, die das Papier bezüglich Glanz, Deckfähigkeit, Druckfähigkeit und Pigmentzurückhaltung hat. Das erfindungsgemäße Verfahren kann an äquivalenten Maschinen und unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt werden und soll durch die angeführten Beispiele nicht eingeschränkt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

609612/357

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Zusetzen von Füllstoffpigmenten zu Papier, dadurch gekennzeichnet, daß durch Sprühdüsen ein dünnflüssiger, wäßriger Brei aus Füllstoff zerstäubt und auf das sich bewegende Band (20) im Siebbereich einer Papiermaschine aufgesprüht wird, wobei die Sprühdüsen (12) so angeordnet sind, daß sich die Sprühstrahlen überlappen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wäßrige Brei aus Sprühdüsen (12), die wenigstens 15 cm über dem bewegten Band angeordnet und auf Punkte wenigstens 90 cm stromaufwärts vom ersten Saugkasten der Papiermaschine gerichtet sind, aufgesprüht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß so aufgesprüht wird, daß das Sprühmuster eine hohle, konische Form hat.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufsprühen der Druck in den Düsen (12) wenigstens 0,2 atü und die Geschwindigkeit des bewegten Bandes (20) wenigstens 300 m/Min, beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllstoff ein anorganisches, siliciumhaltiges Pigment eingesetzt wird, das wenigstens 50% SiO₂ enthält und dessen durchschnittliehe Partikelgröße kleiner als 0,6 μ ist.