DE60009302T2

DE60009302T2 - Herstellung von satin weiss

Info

Publication number: DE60009302T2
Application number: DE60009302T
Authority: DE
Inventors: Johannes Alois AARTS; Johannes Jürgen BROEKMAN; Maria Jan THEWISSEN; Geert Dijkstra
Original assignee: Ankerpoort NV
Current assignee: Ankerpoort NV
Priority date: 1999-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2020-07-15
Also published as: US6994746B2; DE60009302D1; JP2003504482A; AU6029500A; US20030070586A1; ATE262566T1; NL1012597C2; KR20020042617A; EP1198522A1; EP1198522B1; WO2001004219A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Satinweiß.
Satinweiß ist ein reines weißes Material, das hauptsächlich als Beschichtungspigment für spezielle beschichtete Papier- und Kartontypen verwendet wird. Die Strukturformel des Materials lautet 3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O.
Im industriellen Maßstab wird Satinweiß in einer synthetischen Fällung hergestellt. Eine vorbestimmte Menge einer Löschkalksuspension (Ca(OH)₂) wird unter kräftigem Mischen mit einer entsprechend eingestellten Menge einer Lösung von Alaun (Al₂(SO₄)₃) zusammengebracht. Dies geschieht in einem kontinuierlichen Verfahren mit Hilfe von Dosierpumpen. Die so erhaltene Satinweißpaste wird in einer Reaktionsschnecke transportiert. In dieser Reaktionsschnecke beträgt die Verweilzeit etwa 20 Minuten. Anschließend wird die Paste mit einem Natriumpolyacrylat dispergiert und durch Mahlen auf die richtige Qualität eingestellt.
Obwohl ein großer Vorteil dieses bekannten Verfahrens darin besteht, dass es das Arbeiten mit sehr hohen Feststoffgehalten erlaubt, so dass eine hohe Effizienz erreicht wird, sind mit der beschriebenen Herstellung mehrere Nachteile verbunden.
Das bei der obigen Herstellung erhaltene Satinweiß hat eine grobe Teilchenstruktur, in der viele unregelmäßige Agglomerate vorhanden sind. Infolgedessen hat Papier, in das Satinweiß als Pigment eingebaut ist, keinen optimalen Glanz und keine optimale Bedruckbarkeit.
Das US-Patent 5,904,761 offenbart ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Satinweiß, bei dem Kalkmilch mit einem Gemisch von Aluminiumsulfat und Zinksulfat umgesetzt wird. Das US-Patent 3,876,443 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Papierbeschichtungspigments durch Mischen von Satinweiß mit Kaolinit.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Satinweiß bereitzustellen, das es einerseits erlaubt, mit hohen Feststoffgehalten zu arbeiten, wie es bei den herkömmlichen kontinuierlichen Verfahren bekannt ist, und das andererseits die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Es ist insbesondere ein Ziel der Erfindung, dass das als Pigment in Papier hergestellte Satinweiß zu einem verbesserten Glanz und zu verbesserter Bedruckbarkeit führt und außerdem eine sehr homogene Qualität hat.
Überraschenderweise hat sich jetzt gezeigt, dass die genannten Ziele erreicht werden, indem man die Ausgangsstoffe zusammenbringt, während man mit einer speziellen Apparatur sehr hohe Scherkräfte anwendet und die Herstellung diskontinuierlich durchführt. Dementsprechend bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung von Satinweiß, bei dem Aluminiumsulfat und Calciumhydroxid diskontinuierlich in einem Planetenknetmischer zusammengebracht und unter Bildung von Satinweiß miteinander umgesetzt werden.
Gemäß dem Verfahren der Erfindung wird ein Satinweiß erhalten, das sehr gute Eigenschaften hat. Es hat sich gezeigt, dass wenigstens 95%, vorzugsweise wenigstens 97%, der hergestellten Satinweißteilchen eine Größe von nicht mehr als 2 μm haben. Dank dieser Eigenschaft verleiht das Satinweiß einem Papier, in dem es als Pigment verwendet wird, einen sehr hohen Glanz und gute Bedruckbarkeit. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass das Produkt eine sehr homogene Qualität hat und sehr stabil ist.
Es hat sich bei einem Verfahren gemäß der Erfindung als möglich erwiesen, während der Herstellung mit Feststoffgehalten von mehr als 35 Gew.-% zu arbeiten, bezogen auf das Gewicht des Reaktionsgemischs, so dass ein ökonomisch in hohem Maße profitables Verfahren bereitgestellt wird. Vorzugsweise wird mit einem Feststoffgehalt zwischen 45 und 55 Gew.-% gearbeitet, bezogen auf das Reaktionsgemisch. Diese Feststoffgehalte führen zu einem Optimum an Rentabilität und Eigenschaften des Produkts.
Das Verfahren gemäß der Erfindung beginnt mit Aluminiumsulfat und Calciumhydroxid. Beide werden vorzugsweise in Form von wässrigen Systemen verwendet. Das Aluminiumsulfat wird vorzugsweise in Form einer wässrigen Lösung verwendet, deren Konzentration zwischen 20 und 28% als Al₂(SO₄)₃ variieren kann. Das Calciumhydroxid wird vorzugsweise in Form einer Aufschlämmung verwendet. Diese Aufschlämmung enthält gewöhnlich zwischen 30 und 40% Calciumhydroxid.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die erwähnten Recktanten in einem Planetenknetmischer zusammengegeben werden. Obwohl die bisher verwendete Reaktionsschnecke keine unbeträchtlichen Scherkräfte auf das Reaktionsgemisch ausübt, sind gemäß der Erfindung noch höhere Scherkräfte erforderlich. Die erforderlichen höheren Scherkräfte werden erreicht, indem man einen Planetenknetmischer verwendet, der effizient Energie auf das Reaktionsgemisch übertragen kann. Während der Reaktion wird die Geschwindigkeit des Planetenknetmischers vorzugsweise zwischen 15 und 200 U/min gehalten.
Vorzugsweise werden in diesen Apparaturen zusätzliche Vorkehrungen getroffen, um die Scherkräfte noch weiter zu erhöhen. Zu berücksichtigen ist hier zum Beispiel die Anordnung von Partitionen im Planetenknetmischer. So wird ein besseres Mischen erhalten, während die Scherkräfte gleichzeitig erhöht werden.
Gemäß der Erfindung werden die Recktanten in einem Planetenknetmischer zusammengegeben, wo sie gemischt werden, während sehr hohe Scherkräfte angewendet werden. Während des Mischens der Recktanten findet eine Reaktion statt, wodurch das gewünschte Satinweiß gebildet wird. Die Reaktionszeit liegt typischerweise zwischen 10 und 45 Minuten, vorzugsweise weniger als 30 Minuten, ganz besonders bevorzugt zwischen 15 und 25 Minuten. Während der Reaktion wird die Temperatur vorzugsweise zwischen 15 und 45°C gehalten.
Der pH-Wert während der Reaktion hängt von den Mengen der Recktanten im Reaktionsgemisch ab.
Das vorliegende Verfahren wird diskontinuierlich durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass dies zu einem äußerst guten Produkt führt, während bei der Herstellung mit Feststoffgehalten von etwa 50 Gew.-% gearbeitet werden kann.
Nach Beendigung der Reaktion wird vorzugsweise ein Dispergiermittel hinzugefügt. Dies geschieht insbesondere dann, wenn das Verfahren diskontinuierlich durchgeführt wird, so dass das Produkt in einfacher Weise aus der verwendeten Apparatur entfernt werden kann. Geeignete Dispergiermittel werden in einer solchen Menge verwendet, dass eine Aufschlämmung mit einer Viskosität zwischen 20 und –50 mPa·s erhalten wird (gemessen gemäß Brookfield LV mit einer Spindelgeschwindigkeit von 60 U/min bei 25°C), im Wesentlichen ohne dass dies die Eigenschaften des hergestellten Satinweiß beeinträchtigt.
Beispiele für geeignete Dispergiermittel sind Gummi arabicum, Sojaprotein, Casein, Hydroxyethylstärke, Carboxymethylcellulose, Polyacrylate, Citrate, Sulfonate und Copolymere von Maleinsäureanhydrid und Styrol oder ein langkettiger aliphatischer Kohlenwasserstoff. Diese können in einer Menge von 1 bis 8 Gew.-% hinzugefügt werden, bezogen auf das Reaktionsgemisch.
Wie erwähnt, besitzt das gemäß der Erfindung hergestellte Satinweiß überlegene Eigenschaften. Dies ist großenteils auf die günstige Teilchengröße und Teilchengrößeverteilung des Produkts zurückzuführen. Vorzugsweise haben wenigstens 95%, besonders bevorzugt wenigstens 97%, der gebildeten Satinweißteilchen eine Größe von weniger als 2 μm. Dadurch ist das Satinweiß für die Verwendung als Pigment in Papier hervorragend geeignet. Bei dieser Anwendung verleiht das Satinweiß dem Papier einen ausgezeichneten Glanz und ausgezeichnete Bedruckbarkeit.
Die Erfindung wird nun in und anhand der folgenden Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1
Eine Kalkaufschlämmung mit einem Feststoffgehalt von 37,9% wird mittels einer Dosierpumpe gleichzeitig mit Al₂(SO₄)₃ mit einem Gehalt von 8,10% Al₂O₃ über eine Dosierpumpe kontinuierlich in eine Reaktionsmaschine gepumpt. Die Kalkaufschlämmung wird mit einer Geschwindigkeit von 788 kg/h und das Al₂(SO₄)₃ mit einer Geschwindigkeit von 710 kg/h zudosiert. Das gewünschte Stoffmengenverhältnis des gebildeten Satinweiß beträgt dann 7,1 zu 1, und der Feststoffgehalt beträgt 50% bei 30°C. Die Geschwindigkeit der Reaktionsmaschine (Supratone) beträgt 900 U/min. Das Satinweiß wird (mit einer Schnecke) kontinuierlich über die Reaktionsmaschine in einen Kolbenstromreaktor transportiert. Die Schnecke mischt und transportiert das Produkt. Die Geschwindigkeit der Schnecke beträgt 31 U/min. Die Verweilzeit bei einer Kapazität von 1500 kg/h beträgt etwa 20 min.
Dann wird das gebildete Supreme Satin White bei einer Temperatur von 50°C mit etwa 2–3% Dispergiermittel dispergiert. Über einen Zwischenspeichertrog wird das Supreme mit einer Kugelmühle desagglomeriert und als Endprodukt hergestellt. Nach einer Reifezeit von 4–6 Wochen und kleinen Viskositätskorrekturen mit dem Dispergiermittel kann das Produkt verwendet werden. Eine elektronenmikroskopische Aufnahme des Produkts ist in 1 dargestellt. Die analytischen Daten des Produkts sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Beispiel 2
In einen Planetenknetmischer (Netsch, PMH90) werden pro Charge 15,38 Liter Wasser gepumpt, und dazu werden 9,52 kg Löschkalk gegeben und 2 min lang bei 600 U/min dispergiert.
Dann werden in 20 Sekunden bei 100 U/min des Rührers (Butterfly) 22,47 kg Al₂(SO₄)₃ hinzugefügt. Diese Substanzen reagieren (werden geknetet) 20 min lang in dem doppelwandigen Knet-und-Mischgefäß, während die Temperatur durch Kühlen auf etwa 30 °C gehalten wird.
Das gewünschte und vorbestimmte Stoffmengenverhältnis von CaO/Al₂O₃ beträgt 7,10. Der Feststoffgehalt beträgt 50%. Das gebildete Satinweiß wird im Knetmischer 5 Minuten lang mit 600 U/min mit 2–3% Dispergiermittel (Dispex N40, Ciba Specialty Chemicals) dispergiert und über einen Zwischenspeicher mit einer Mühle auf die endgültige Qualität eingestellt. Während der Reifezeit des DVP-S-Satinweiß kann die Viskosität mit kleinen Mengen Dispergiermittel eingestellt werden.
Eine elektronenmikroskopische Aufnahme des Produkts ist in 2 dargestellt. Es ist deutlich zu sehen, dass die Homogenität der Struktur des Produkts erheblich besser ist als die des in Beispiel 1 erhaltenen Produkts (1).
Die analytischen Daten der Produkte sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Feststoffgehalte (bei 30°C, 105°C bzw. 850°C) wurden gemäß ISO 787/2 gemessen. Die Hercules-Viskosität wurde gemäß Tappi T-648 bestimmt. Der Siebrückstand wurde unter Verwendung von Nat 7 gemessen. Die Teilchengröße (D-50%) wurde mittels eines Sedigraphen gemessen, während das Stoffmengenverhältnis komplexometrisch gemessen wurde. Die angegebenen Weißgradwerte wurden schließlich gemäß Tappi T-452 bzw. Elrepho 3000 (Y-Wert bzw. Cielab L) bestimmt.
Tabelle 1
Beispiel 3
Die in Beispiel 1 und 2 erhaltenen Produkte werden anschließend in Bezug auf ihre Eigenschaften in einem Beschichtungsgemisch für Offsetpapier getestet. Um ein richtiges Bild von den Unterschieden in den Eigenschaften zwischen dem Produkt gemäß Beispiel 1 und Beispiel 2 zu erhalten, werden diese Beschichtungsgemische mit 7,5 und 15 Teilen Satinweiß in der Zubereitung getestet.
Auf diese Weise werden vier verschiedene Gemische erhalten, die miteinander in Bezug auf ihre Glanzentwicklung und Bedruckbarkeit verglichen werden.
Zu diesem Zweck wurde das folgende Verfahren befolgt: Zuerst wurde die benötigte Menge (60 Gew.-%) an Aufschlämmung von Calciumcarbonat (Hydrocarb 90; Omya Plüss Stauffer) am Anfang bereitgestellt. Dann wurden unter ständigem Rühren 32,5 Gew.-% bzw. 25 Gew.-% Kaolinaufschlämmung (Amazon 88, Kaolin International) hinzugefügt. Danach wird 0,5 Gew.-% trockenes Natriumpolyacrylat (Dispex N40, Ciba Specialty Chemicals) hinzugefügt. Diese 0,5 Gew.-% sind bezogen auf das Gesamttrockenpigment berechnet. Als letztes Pigment werden schließlich 7,5 Gew.-% oder 15 Gew.-% des Satinweiß hinzugefügt. Dieses Gemisch wird 10 Minuten lang gut gerührt.
Danach werden unter Rühren 12 Gew.-% Latexbindemittel (Synthomer 72H10, Synthomer) hinzugefügt. Dann wurden 0,5 Gew.-% Polyvinylalkohol (Mowiol 4/98, Clariant), 0,5 Gew.-% Carboxymethylcellulose (Finnfix 5, Metsa Specialty Chemicals), 0,75 Gew.-% Calciumstearat (RG50, EKA Nobel), 1,0 Gew.-% optischer Aufheller (Tinopal ABP, Ciba Specialty Chemicals) und schließlich 0,5 Gew.-% Vernetzungsmittel (Bacote 20, MEL) hinzugefügt. Das auf diese Weise erhaltene Gemisch wird noch 10 Minuten lang gerührt.
Die unterschiedlichen Zusammensetzungen sind in Tabelle 2 dargestellt.
Tabelle 2
Dann wird das erhaltene Beschichtungsgemisch mit einer sogenannten Puddelblatt-Beschichtungseinheit mit einer Geschwindigkeit von 50 Meter pro Minute aufgetragen. Die Einstellungswerte für das Beschichtungsgewicht betragen 9,5 bzw. 11,5 g/m². Das Beschichtungsgemisch wird auf ein holzfreies unbeschichtetes 70-Gramm-Papier aufgetragen. Das Papier wird bei einer Temperatur von 55°C und einem Druck von 125 kN/m kalandriert (4 Walzenspalte, weich). Außerdem wird das Papier in einem Gasofen bei 125°C und einem Dampfofen bei 60°C getrocknet.
Die auf diese Weise erhaltenen beschichteten Papiere werden anschließend satinisiert und hinsichtlich der in Tabelle 3 aufgeführten Eigenschaften miteinander verglichen.
Tabelle 3

Claims

Verfahren zur Herstellung von Satinweiß, dadurch gekennzeichnet, dass Aluminiumsulfat und Calciumhydroxid diskontinuierlich in einem Planetenknetmischer zusammengebracht und zur Reaktion gebracht werden, um Satinweiß herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumsulfat in Form einer wässrigen Lösung mit einer Konzentration von 20 bis 28% zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Calciumhydroxid in Form eines Schlamms mit einem Calciumhydroxidgehalt von 30 bis 40% zugegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffgehalt während der Reaktion mindestens 35%, bezogen auf das Reaktionsgemisch, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Satinweiß mit einem Dispergiermittel versetzt wird.
Verwendung eines Planetenknetmischers zur Herstellung von Satinweiß aus Aluminiumsulfat und Calciumhydroxid in einem diskontinuierlichen Verfahren mit einem Feststoffgehalt von mindestens 35%, dadurch gekennzeichnet, dass das Satinweiß mindestens 95% Teilchen aufweist, die kleiner als 2 μm sind.