DE60106253T2

DE60106253T2 - Verfahren zur papierherstellung mittels faser- und füllstoff-komplexen

Info

Publication number: DE60106253T2
Application number: DE60106253T
Authority: DE
Inventors: A. Alexander KOUKOULAS; E. Thomas ALTMAN; C. M. Matthew; E. Thomas AMIDON; Fernand Mora
Original assignee: International Paper Co
Current assignee: International Paper Co
Priority date: 2000-06-27
Filing date: 2001-06-25
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2021-06-26
Also published as: AU2001271424A1; US6592712B2; EP1297220A4; EP1297220B1; JP2004502048A; EP1297220A1; DE60106253D1; US20020096272A1; CA2413709C; JP3846631B2; WO2002000999A1; CA2413709A1; ATE278838T1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Füllen mit teilchenförmigen Füllstoff-Komplexen, und insbesondere auf Erhöhen der Abscheidung und Zurückhaltung dieser Füllstoff-Komplexe auf Fasern für die Herstellung von Papier- oder Pappeprodukten.
Hintergrund der Erfindung
Anorganisches Material, wie präzipitiertes Calciumcarbonat (PCC), gemahlenes Calciumcarbonat (GCC), Tonerde und Talkum, werden umfangreich als Füllstoffe in dem Papierherstellungsprozess verwendet. Füllstoff-Füllgehalte von 12–25 % sind typisch in der gegenwärtigen Papierherstellungsstrategie, um optische Eigenschaften des Papiers, wie Helligkeit und Opazität zu verbessern. In einigen Fällen verleiht der wirtschaftliche Aspekt des Ersetzens teurer Faser mit preisgünstigem Füllstoff zusätzlichen Anreiz.
Um sicherzustellen, dass die Füllstoffe am Fasernetz und schließlich am Papierprodukt bleiben, werden Rückhaltehilfen verwendet. Normalerweise sind Rückhaltehilfen langkettige polymere Verbindungen, die den Faserstoff zur Ausflockung bringen und die Füllstoff-Faser-„Anlagerung" verbessern. Jedoch führen hohe Ausflockungsniveaus zu einer Ungleichförmigkeit im Netz und zu einer schlechten Papierbildung.
Um dies zu umgehen, wurde ein Verfahren zum Anlagern des Füllstoffes direkt auf die Faseroberflächen im französischen Patent 2689530 und US-Patent Nr. 5,731,080 & 5,824,364 für Cousin et al. beschrieben. In diesen Patenten wird ein Aufschwämmungsstrom von Halbstofffaserstoff auf einen niedrigen Mahlgrad (<70 Canadian standard freeness [csf] vs. 450 csf, typischerweise) fein gemahlen und dann behandelt, um einen hochgefüllten Füllstoff-Faser-Komplex zu erzeugen. Wenn diese Komplexe mit nicht behandeltem Halbstoff rekombiniert werden, kann ein beliebiger erwünschter Füllstoffgehalt erzielt werden.
Ein alternativer Ansatz ist im US-Patent Nr. 5,679,220 für Matthew et al. und US-Patent Nr. 5,665,205 für Srivatsa et al. beschrieben. In sowohl Srivatsa als auch Matthew wird der gesamte Faserstoff auf nominale Füllstofffüllungen behandelt, ohne den Halbstoff hohen Feinmahlstärken zu unterziehen (niedriger Mahlgrad). Jedoch führt diese Prozedur zu Zunahmen in den Kapital- und Betriebskosten aufgrund der Behandlung größerer Halbstoffvolumina. Dem gemäß gibt es eine Notwendigkeit in der Technik, Füllstoff-Faser-Komplexe einfach und kostengünstig zu erzeugen, wie durch die Erfindung bereitgestellt.
Es ist in der Technik bekannt, Faser-Füllstoff-Komplexe zu erzeugen durch in Kontakt bringen einer Faseraufschlämmung mit Löschkalk und Kohlendioxidgas, um Calciumcarbonat (PCC) zu präzipitieren. Derartige Prozesse werden in den Patenten von Cousin et al., Srivatsa und Matthew et al. beschrieben. Die Patente von Cousin et al. beschreiben ein Verfahren zum Erhalten eines auf Fasern basierenden Verbundstoffes, der durch Präzipitieren von Calciumcarbonat in situ in einer wässrigen Suspension von Fasern einer erweiterten Oberfläche mit Mikrofibrillen auf ihrer Oberfläche erzeugt wird. Die Kristalle aus präzipitiertem Calciumcarbonat (PCC) sind im Wesentlichen in Clustern aus Granalien organisiert, die direkt auf die Mikrofibrillen gepfropft sind, ohne irgendwelche Bindemittel oder Rückhaltehilfen, so dass die Kristalle die Mikrofibrillen durch ein zuverlässiges und nicht labiles Binden einfangen. Srivatsa et al. beschreiben eine in-situ-Präzipitation auf sekundärem Faserstoff. Hingegen beschreibt die Patente von Cousin et al. einen diskontinuierlichen Reaktionsprozess, Matthew et al. beschreiben einen kontinuierlichen Prozess zum Binden von Faser-Füllstoff-Komplexen.
Man glaubt, dass der Komplexierungsprozess auf anionische Ladungen angewiesen ist, die auf den Faseroberflächen angeordnet sind und welche als Nukleationsstellen wirken, um den Calciumcarbonatkristall auf der Faser zu verankern. Das präzipitierende Calciumcarbonat bindet physikalisch an die Faser an diesen Stellen. Typischerweise wird, wenn man den Halbstoff fein mahlt, mehr Oberfläche erzeugt und zusätzliche Verankerungsstellen werden auf der Faser geschaffen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Quelle einer Faser mit einer hohen Oberfläche (Verankerungsstellen) bereit, ohne die Notwendigkeit für ein zusätzliches Feinmahlen, indem sie von Prozessströmen innerhalb des Papierherstellungsprozesses erhalten werden. Die Erfindung identifiziert Quellen von Faserstoff, die für Faser-Füllstoff-Komplexe geeignet sind und stellt Verfahren bereit, um sie zu verwenden, um den wirtschaftlichen Aspekt des Prozesses und die Qualität des Produktes zu verbessern. Sie zielt auch auf Verbesserungen in Papiermaschinenbetriebsarten, Stromabwärts-Verarbeitung von Papiermühlenabflüssen und Papierprodukteigenschaften ab.
Füllstoff- und Feinstteilchen-Wiedergewinnung aus dem Papiermaschinenrückwasser und anderen „Abfall"-Strömen sind in der Technik bekannt. US-Patent Nr. 5,558,782, 5,733,461, 5,830,364 und 6,004,467 für Bleakley et al. offenbaren Behandlungen von „Rückwasser"- oder Abfallströmen, in denen ein Erdalkalimetallcarbonat präzipitiert wird, um teilchenförmiges Material, das im Abwasser vorhanden ist, einzuschließen. Verfahren, um die Feinstteilchen und das Füllstoffmaterial zu nutzen, die dem Papierherstellungsprozess in Papiermühlen entkommen, sind auch in den Artikeln beschrieben, mit den Titeln „A New Waste Conversion and Recycling Process" von Olavi Toivonen (82^nd Annual Meeting, Technical Section, CPPA, Seiten A101–107, 1996) und „The re-use of mineral and fines from papier mill waste streams" von RSE Martin und Dr. RD Cowling (1998 Seiten 227–237).
Die PCT-Veröffentlichung WO 99/42657, die am 26. August 1999 veröffentlicht wurde, beschreibt einen Prozess, in dem „Rückwasser" von einem Papierherstellungsbetrieb in zwei Komponenten getrennt wird – „laden water" und „clear water" – von denen jede Komponente jeweils in getrennte Zusammensetzungen eingebaut wird, die Calciumbicarbonat und Calciumhydroxid enthalten. Diese zwei Zusammensetzungen werden kombiniert, um Calciumcarbonat auf bestimmten Fasern zu präzipitieren.
US-Patent Nr. 5,262,006 für Anderson offenbart einen Prozess der Herstellung von Papier aus einem Halbstofffaserstoffbrei, der Calciumsulfat enthält, wobei Calciumcarbonat in situ durch die Zugabe von löslichem Calciumsalz und Kohlendioxid präzipitiert wird. US-Patent Nr. 3,639,206 für Spruill offenbart ein Verfahren zum Behandeln von Abwasser aus einem alkalischen Halbstoff-Aufschließ-Betrieb, durch dazu Zugeben von Calciumoxid oder Calciumhydroxid gefolgt von Kohlendioxid, um ein Präzipitat zu bilden, das vermutlich in sich faserförmige Abfallmaterialien in der Suspension einschließt. Die Letzteren werden aus der Suspension entfernt und schließlich entsorgt.
EP 0604095 und EP 1052227 betreffen einen Prozess für die Behandlung wässriger Suspensionen bestimmten Abfallmaterials, der aus derart Präzipitieren eines Erdalkalimetallcarbonats in der wässrigen Suspension besteht, dass das teilchenförmige Material, das in der zu behandelnden wässrigen Suspension vorhanden ist, in das Erdalkalimetallcarbonatpräzipitat getragen wird.
EP 658606 offenbart einen Prozess für die Aggregation von Abfallfeststoffen in Abwasser aus einer Papierherstellungsfabrik, bei dem das Abwasserwiedergewinnungssystem mindestens einen Schritt umfasst, bei dem ein Erdalkalimetallcarbonat in der wässrigen Suspension, die das Abwasser bildet, präzipitiert wird, um ein gemischtes Aggregatmaterial zu bilden.
WO 99/03928, veröffentlicht am 20. Januar 1999, beschreibt einen Prozess zum Präzipitieren von Kristallen einer unlöslichen Verbindung eines weißen Pigmentes in einem wässrigen Medium, das dispergierte Teilchen von feinem teilchenförmigen Material und Fasern enthält, um ein zusammengesetztes Pigmentmaterial zu bilden, das eine zusammengesetzte Fasermatrix, präzipitierte Pigmentkristalle und feine Teilchen in der Matrix verteilt und gebunden umfasst.
WO 00/39029, veröffentlicht am 6. Juli 2000, offenbart einen Prozess zum Erhöhen der Feststoffkonzentration einer verdünnten wässrigen Suspension eines teilchenförmigen Carbonats, insbesondere Calciumcarbonat, um eine konzentrierte Suspension zu bilden, die fluid genug ist, um zu ermöglichen, dass sie durch Röhren oder Schläuche gepumpt und geliefert wird, aber viskos genug ist, um die Bildung eines Sediments der dichteren vorhandenen Teilchen zu verhindern.
Aus dem erwähnten Stand der Technik ist ersichtlich, dass Prozesse für Füllstoff-und Feinstteilchen-Wiedergewinnung bekannt sind, jedoch stellt der Stand der Technik kein Verfahren bereit zum Kombinieren getrennter Prozessströme, die Feinstteilchen und/oder Füllstoff enthalten, mit langen Fasern. Man würde verstehen, dass man einen Vorteil über bekannte Anwendungen erhielte, durch Bereitstellen eines Verfahrens zur Herstellung von gefüllten Papier- oder Pappeprodukten, umfassend Abtrennen mindestens eines Prozessstromes aus dem Papierherstellungsprozess; wobei der Prozessstrom Feinstteilchen enthält; Kombinieren des Prozessstromes mit langen Fasern und Verdicken, um einen Rückstand zu bilden; und Behandeln des Rückstands, um Faser-Füllstoff-Komplexe zu bilden. Diese Faser-Füllstoff-Komplexe werden dann im Papierherstellungsprozess zur Bildung des Papiers verwendet.
Dem gemäß ist es eine weitreichende Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen zum Herstellen von Faser-Füllstoff-Komplexen und Verbessern der Abscheidung und Zurückhaltung dieser Komplexe auf Fasern für die Herstellung von Papier- oder Pappeprodukten.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Quelle für eine Faser mit einer hohen Oberfläche bereitzustellen, ohne die Notwendigkeit zum Feinmahlen.
Eine speziellere Aufgabe der Erfindung ist es, Prozessströme von verschiedenen Punkten innerhalb des Papierherstellungsprozesses zu trennen, um primäre und/oder sekundäre Feinstteilchen für eine nachfolgende Behandlung zum Bilden von Faser-Füllstoff-Komplexen, die in dem Papierherstellungsprozess zum Bilden von Papier verwendet werden, zu erhalten.
Eine spezielle Aufgabe der Erfindung ist es, Papier bereitzustellen, das verbesserte Steifigkeitseigenschaften, verbesserte Füllstoffzurückhaltung und gleichförmige z- und Querschnitts-Füllstoffprofile besitzt.
Eine speziellere Aufgabe der Erfindung ist es, Ziel-Füllstoffgehalte im Papier bereitzustellen, die mindestens 5 % und bevorzugt mehr als 20 % betragen.
Zusammenfassung der Erfindung
Im Allgemeinen stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von gefüllten Papier- oder Pappeprodukten bereit, umfassend die Schritte Abtrennen mindestens eines Prozessstroms aus dem Papierherstellungsprozess, wobei der Prozessstrom Feinstteilchen enthält. Kombinieren des Prozessstroms mit langen Fasern und Verdicken unter Bildung eines Rückstandes. Behandeln des Rückstandes unter Bildung von Faser-Füllstoff-Komplexen und Verwenden der Faser-Füllstoff-Komplexe in dem Papierherstellungsprozess zur Bildung von Papier.
Die im erfindungsgemäßen Prozess verwendeten Prozessströme können von jedem Punkt entlang des Papierherstellungsprozesses abgetrennt werden, einschließlich Punkten vor der Papiermaschine, von der Papiermaschine oder nach der Papiermaschine. Die abgetrennten Prozessströme können primäre oder sekundäre Feinstteilchen enthalten und können abhängig von dem abgetrennten Strom ferner Füllstoffteilchen enthalten.
Der Prozessstrom wird mit langen Fasern, typischerweise mit einer Länge größer als 0,1 mm, kombiniert. Die langen Fasern stammen von einer beliebigen Quelle und können natürlich oder synthetisch sein. In alternativen Ausführungsformen werden die langen Fasern feingemahlen, um eine größere Faseroberfläche zu erzeugen.
Nach der Kombination der langen Fasern mit dem Prozessstrom wird das Material verdickt, um einen nassen Rückstand zu bilden. Dieser Rückstand wird bevorzugt mit Calcium- und Carbonationen behandelt, um eine Kristallisation des Calciumcarbonats in situ zu bewirken. Die Kristalle des Calciumcarbonats binden an die Feinstteilchen, langen Fasern und/oder Füllstoffe, die in dem Rückstand vorhanden sein können. Die Kristalle des Calciumcarbonats, CaCO₃ (PCC) sind im Wesentlichen in Clustern aus Granalien organisiert, die direkt auf die/den in dem Rückstand vorhandenen Feinstteilchen, Füllstoff und/oder Faser gepfropft sind, und zwar ohne an der Grenzfläche zwischen den PCC-Kristallen und den Feinstteilchen, dem Füllstoff und/oder der Faser vorhandene Bindemittel oder Rückhaltehilfen, so dass der Hauptteil der PCC-Kristalle die Feinstteilchen, den Füllstoff und/oder die Faser durch zuverlässige und nicht labile Bindung zur Bildung des Faser-Füllstoff-Komplexes einschließt.
In einer alternativen Ausführungsform wird der gebildete Rückstand mit teilchenförmigem Füllstoffmaterial behandelt, um die Faser-Füllstoff-Komplexe zu bilden. Das verwendete teilchenförmige Füllstoffmaterial kann aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus anorganischen Pigmenten, organischen Pigmenten, organischen Gittern und Hohlsphären besteht. Insbesondere werden die Pigmente aus der Gruppe ausgewählt, die aus Talkum, Tonerde, TiO₂, Calciumcarbonat, Pigmenten auf Silica-Basis und Pigmenten auf Aluminium-Basis besteht.
Das resultierende gebildete Papier hat verbesserte Steifigkeitseigenschaften, eine verbesserte Füllstoffzurückhaltung und gleichförmige z- und Querschnittsfüllstoffprofile.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich, wenn die detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen betrachtet wird, die in einem beispielhaften und nicht beschränkenden Sinn wie folgt aufgefasst werden sollten: Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung von Papier unter Verwenden von Faser-Füllstoff-Komplexen gemäß des Prozesses der Erfindung;
2 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung von Papier unter Verwenden von Faser-Füllstoff-Komplexen gemäß einer anderen Ausführungsform des Prozesses der Erfindung;
3A veranschaulicht Prozesse des Stands der Technik wie beschrieben in Cousin et al., bei dem unbehandelter Halbstoff feingemahlen wird, um Feinstteilchen zu erzeugen, die dann einer Behandlung unterzogen werden, um die Präzipitation von Calciumcarbonat in situ zu verursachen;
3B veranschaulicht den Prozess der Erfindung, bei dem ein Prozessstrom mit einer Quelle von natürlichen langen Fasern (unbehandelter Halbstoff) kombiniert wird; verdickt wird; und an einen Reaktor zur Behandlung zum Bilden von Faser-Füllstoff-Komplexen gesandt wird; und die Faser-Füllstoff-Komplexe zum Bilden des Papiers verwendet werden;
4 ist eine detailliertere Veranschaulichung des Prozesses der Erfindung und zeigt die Kombination des Prozessstroms, der Feinstteilchen und/oder Füllstoff enthält, mit langen Fasern;
5 ist eine schematische Veranschaulichung des Prozesses der Erfindung;
6 veranschaulicht den Prozess der Erfindung als ein „geschlossenes" System, das „Prozess"-Wasser und Elemente innerhalb der Papiermühle nutzt, im Gegensatz zu der Verwendung des Stands der Technik von „industriellem" Abfall, der Mühlenwasserabfluss ist.
7 veranschaulicht ein Verfahren zum Herstellen von Papier unter Verwenden von Faser-Füllstoff-Komplexen gemäß einer anderen Ausführungsform des Prozesses der Erfindung; und
8 ist eine grafische Veranschaulichung der Steifigkeitscharakteristika des Papiers, das gemäß des Prozesses der Erfindung unter Verwenden von Faser-Füllstoff-Komplexen erzeugt ist, im Vergleich zu einem Rohpapier, das mit einem herkömmlichen Füllstoff erzeugt ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von gefüllten Papier- oder Pappeprodukten bereitgestellt, umfassend Abtrennen mindestens eines Prozessstroms aus dem Papierherstellungsprozess; wobei der Prozessstrom Feinstteilchen enthält; Kombinieren des Prozessstroms mit langen Fasern und Verdicken unter Bildung eines Rückstandes; Behandeln des Rückstandes unter Bildung von Faser-Füllstoff-Komplexen; und Verwenden der Faser-Füllstoff-Komplexe im Papierherstellungsprozess zur Bildung des Papiers.
In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Füllen mit Füllstoffmaterial zur Herstellung von Papier- oder Pappeprodukten bereit, umfassend Abtrennen mindestens eines Prozessstromes aus dem Papierherstellungsprozess; wobei der Prozessstrom Feinstteilchen enthält; Kombinieren des Prozessstroms mit langen Fasern und Verdicken unter Bildung eines Rückstandes; Behandeln des Rückstandes mit Calcium- und Carbonationen unter Bewirken einer Kristallisation des Calciumcarbonats in situ zur Bildung von Faser-Füllstoff-Komplexen; und Verwenden der Faser-Füllstoff-Komplexe im Papierherstellungsprozess zur Bildung des Papiers.
Die Kristalle des Calciumcarbonats, CaCO₃ (PCC), die gebildet werden, sind im Wesentlichen in Clustern aus Granalien organisiert, die direkt auf die/den in dem Rückstand vorhandenen Feinstteilchen, Füllstoff und/oder Faser gepfropft sind, und zwar ohne an der Grenzfläche zwischen den PCC-Kristallen und den Feinstteilchen, dem Füllstoff und/oder der Faser vorhandene Bindemittel oder Rückhaltehilfen, so dass der Hauptteil der PCC-Kristalle die Feinstteilchen, den Füllstoff und/oder die Faser durch zuverlässige und nicht labile Bindung zur Bildung der Faser-Füllstoff-Komplexe einschließen.
Im Allgemeinen stellt die Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Erhöhen der Abscheidung und Zurückhaltung von teilchenförmigen Füllstoff-Komplexen auf Fasern für die Herstellung von Papier- oder Pappeprodukten bereit.
Die Faser-Füllstoff-Komplexe der Erfindung können gemäß des Prozesses und der Parameter wie beschrieben in US-Patenten Nr. 5,731,080 und 5,824,364 für Cousin et al.; 5,665,205 für Srivatsa et al. und 5,679,220 für Matthew et al. bereitgestellt werden, die alle Prozesse offenbaren, die eine in-situ-Anlagerung von präzipitierten Calciumcarbonat (PCC) beinhalten. Jedoch stellt die vorliegende Erfindung eine Verbesserung über diese Prozesse bereit, die in den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen veranschaulicht ist.
Wie in 1 veranschaulicht ist, beinhaltet das Verfahren der Erfindung das Nutzen von Prozessströmen aus dem Papierherstellungsprozess. Die Prozessströme können nach dem Siebschritt 4 oder an verschiedenen Punkten entlang der Papiermaschine 5 abgetrennt werden. Die Prozessströme werden zu einem Verdicker 6 übertragen zur Bildung eines Rückstandes.
Der abgetrennte Prozessstrom enthält Faserfeinstteilchen und kann auch Füllstoffmaterial und Rückhaltechemikalien enthalten. Der Prozessstrom wird mit den Halbstofffasern kombiniert, um die Faseroberfläche zu erweitern, und verdickt zur Bildung eines Rückstands. Dieses Material wird behandelt, um präzipitiertes Calciumcarbonat (PCC) in situ auf den Fasern 8 abzuscheiden. Die PCC-Behandlung wird auf die verdickten Rückwasserfeststoffe nach der Kombination mit unbehandelten Fasern angewandt. Die erweiterte Oberfläche der Faserfeinstteilchen führt zu einer hohen PCC -Füllung.
In einer anderen Ausführungsform, wie in 2 veranschaulicht, wird ein Verfahren zum Erhalten eines Faserfeinstteilchenstroms entweder vor dem Feinmahlen 1' (primäre Feinstteilchen) oder nach dem Feinmahlen (sekundäre Feinstteilchen) bereitgestellt. Prozessströme, die Faserfeinstteilchen enthalten und an anderen Stationen während des Papierherstellungsprozesses erhalten werden, sind vom erfindungsgemäßen Verfahren umfasst. Allgemein werden die Prozessströme durch Abtrennprozeduren abgetrennt, die Siebe und/oder Reiniger enthalten, obwohl andere Abtrennverfahren verwendet werden können und von der Erfindung umfasst sind. In jedem Fall werden, sobald die Prozessströme, die die Faserfeinstteilchen enthalten, abgetrennt sind, sie einer Behandlung unterzogen, um Faser-Füllstoff-Komplexe zu erzeugen, die verwendet werden, um mit Füllstoff gefüllte Papier- oder Pappeprodukte zu erzeugen.
Bevorzugt werden die Faser-Feinstteilchen-Komplexe durch die Verfahren gebildet, die in Cousin et al. und Matthew beschrieben sind, durch Zugeben von Kalk (CaO) und Kohlendioxidgas in den Reaktor zur Bildung von präzipitierten Calciumcarbonat (PCC). Jedoch kann anderes teilchenförmiges Füllstoffmaterial, wie Talkum, Tonerde, etc., zu den Faserfeinstteilchen gegeben werden und im Papierherstellungsprozess zur Bildung des Papiers verwendet werden.
3A veranschaulicht den Prozess des Standes der Technik wie beschrieben in den Patenten von Cousin et al., bei dem unbehandelter Halbstoff feingemahlen wird, um Feinstteilchen zu erzeugen, die dann einer Behandlung unterzogen werden, um die Präzipitation von Calciumcarbonat in situ zu verursachen. Die gebildeten Faser-Füllstoff-Komplexe werden zyklisch in die Papierherstellungsmaschine überführt, um ein gefülltes Papier zu erzeugen.
Wie in 3B veranschaulicht, stellt die Erfindung eine Vergrößerung der Faseroberfläche des Halbstoff-„Ausgangs"-Material bereit, ohne die Notwendigkeit, die unbehandelten Halbstofffasern fein zu mahlen, durch Konzentrieren der Prozessströme, die Feinstteilchen und/oder Füllstoff enthalten, aus dem Papierherstellungsprozess und Kombinieren des verdickten Rückstands mit unbehandelten Halbstofffasern. Der Rückwasser-Prozessstrom 40, der ein Nebenprodukt der Papiermaschine ist und „Feinstteilchen und Füllstoff" enthält, wird mit den langen Fasern kombiniert 41, verdickt 42 und an einen Reaktor gesandt 43 zur Behandlung, um eine Faser-Füllstoff-Komplex-Aufschlämmung zu bilden. Die behandelte Halbstoffaufschlämmung wird zyklisch in den Papierherstellungsprozess überführt, um ein gefülltes Papier zu erzeugen.
4 ist eine detailliertere Veranschaulichung des Prozesses der Erfindung, die eine Kombination des Prozessstroms, der die Faserfeinstteilchen und/oder den Füllstoff 51 enthält, mit langen Fasern (unbehandelter Halbstoff) 50 zeigt. Die Mischung wird dann verdickt – wobei ein nasser, „fester" Kuchen gebildet wird (Halbstoffaufschlämmungssuspension von 6 % Feststoffen).
Annähernd 20 % wird an den Füllstoffreaktor zur Behandlung gesandt und die behandelte Halbstoffaufschlämmung wird im Papierherstellungsprozess verwendet, um ein gefülltes Papier zu erzeugen. Die kombinierte Mischung langer Fasern, Feinstteilchen und Füllstoff ist im Wesentlichen das „Ausgangs"-Material für die Prozesse, die in den Patenten von Cousin et al. beschrieben sind, die präzipitiertes Calciumcarbonat (PCC) in situ auf den Fasern abscheiden. Das Ausgangsfasermaterial und die Quelle von Faserfeinstteilchen kann von unbehandeltem, recyceltem, gebleichtem oder ungebleichtem, natürlichem oder synthetischem Halbstoff stammen. Die Faserfeinstteilchen, die in dem erfindungsgemäßen Prozess genutzt werden, können primäre oder sekundäre Feinstteilchen sein. Typischerweise treten primäre Feinstteilchen mit dem Halbstoff natürlich auf und werden vor dem Feinmahlschritt abgetrennt. Sekundäre Fasern werden allgemein auf jene Feinstteilchen bezogen, die erzeugt werden – eine Quelle von sekundären Faserfeinstteilchen ist der Feinmahlschritt und andere Verarbeitungsschritte. Nominal fein gemahlener Halbstoff (Laubholz, Nadelholz oder ein Gemisch von Papierherstellungsfasern) kann durch eine Größenklassifikationsvorrichtung verarbeitet werden, wie ein Druckschirm. Die Quelle von Feinstteilchen könnte auch von nassem oder trockenem Papierausschuss, recycelt durch die Papiermaschine, oder von recyceltem Papier sein (Abfallpapier vor oder nach dem Konsumenten) stammen.
Die verbleibenden 80 % werden in den Papierherstellungsprozess recycled (siehe 4 und 5). Wie in 6 veranschaulicht, ist der erfindungsgemäße Prozess ein „geschlossenes" System, das „Prozess"-Wasser und Elemente innerhalb der Papiermühle nutzt, was den Abfall minimiert, im Gegensatz zum Nutzen des Mühlenwasserabflusses, der als ein industrieller Abfall betrachtet wird.
Eine bevorzugte Prozessausführungsform gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 7 veranschaulicht. Das verwendete Ausgangsmaterial war Halbstoff (verdickter Rückstand), der sowohl Feinstteilchen als auch Laubholzfaser enthielt. Die Feinstteilchen enthalten Papierherstellungsfeinstteilchen und andere Inhaltsstoffe (einschließlich Füllstoff/Mineralteilchen), die nicht auf dem Papiernetz eingefangen wurden und ihren Weg durch das Sieb der Papiermaschine fanden. Verdünnungswasser und Kalk wurden sequentiell in diese Leitung gegeben, wobei das Verhältnis von Kalk zu Halbstoff variierte, um auf erwünschte Calciumcarbonatfüllungen abzuzielen. Der Halbstoff wurde mit (gefiltertem) Löschkalk 72 und Mühlenwasser (frisches Kühlwasser) 73 auf eine Konsistenz von 1,0 bis 3,5 % gemischt. Das Mischen wird in der Leitung ausgeführt.
Die Aufschlämmung des Halbstoffs, des Verdünnungswassers und des Kalks durchläuft einen statischen Mischer 74, in dem die Inhaltsstoffe vermischt werden. Gasförmiges Kohlendioxid 75 wird in die Leitung injiziert. Die Aufschlämmung trat in einen anderen statischen Mixer 74 ein, in dem all die Inhaltsstoffe wieder vermischt werden. Die Aufschlämmung durchläuft den Reaktor 77 bei Temperaturen zwischen 15–60 °C (60 bis 140 °F). Der pH des Auslassstroms wurde überwacht und in den Bereich von 6,5 bis 7 reguliert durch Einstellen des Kohlendioxidflusses in den Reaktor. Der Faser-Füllstoff-Komplex, der den Reaktor verlässt, wird in einem Tank gelagert und dann an die Papiermaschine nach einer weiteren Verdünnung auf 0,5 bis 0,8 % Konsistenz gesandt.
Der Papierherstellungsprozess erzeugt sowohl primäre als auch sekundäre Feinstteilchen. Die Erfindung stellt einen Prozess bereit, um diese Feinstteilchen stromaufwärts von dem/der Papierherstellungsprozess/Papiermaschine abzusondern. Im Allgemeinen liegt die Größe der getrennten Feinstteilchen im Bereich von 0 bis 100 μm. Ein Klassifizierer wird verwendet, um die Feinstteilchen abzutrennen, die gesammelt und dann in dem „Faser-Füllstoff-Komplexier"-Reaktor behandelt werden. Die Komplexe werden dann zu dem Faserstoff zurückgebracht und dem Papiermaschinenauflaufkasten oder anderen Punkten im Papierherstellungsprozess zum Erzeugen des Papiers zugeführt.
In einer anderen Ausführungsform werden eine Reihe von Sieben verwendet (um die Faser zu klassifizieren) und Refiner werden verwendet, um nur die Fraktion der langen Faser fein zu mahlen. Jedes Sieb liefert einen Feinstteilchen-reichen Strom, der in einen Reaktor zur Bildung der Faser/Füllstoff-Komplexe zugeführt würde. Ein Sieb, das vor dem ersten Refiner angeordnet ist, würde die Feinstteilchen aus dem Aufschließ- und Bleichprozess (primäre Feinstteilchen) abtrennen, während Siebe, die zwischen den Refinern oder nach dem letzten Refiner angeordnet sind, die sekundären Feinstteilchen, die in dem Feinmahlprozess erzeugt werden, abtrennen würden.
Zusätzlich könnte eine Pumpe verwendet werden, um die Konsistenz ähnlich der POM-Pumpe einzustellen und den Halbstoff direkt aus dem letzten Waschholländer oder dem Hochdichtekasten zu sieben und fein zu mahlen, welcher in einer höheren Konsistenz vorliegt als der dicke Faserstoffbrei. Diese Ausführungsform würde den Prozess rationalisieren durch Umgehen der Hoch- oder Niedrigdichtekästen.
Die Faser/Füllstoff-Komplexe werden bevorzugt gemäß der Prozessbedingungen und -parameter, wie sie in den Patenten von Cousin et al. und Matthew et al. beschrieben sind, gebildet, obwohl andere Verfahren zum Herstellen derartiger Komplexe von dem erfindungsgemäßen Prozess umfasst sind. Die Kalk- und Feinstteilchenaufschlämmung kann eine Konsistenz so hoch wie 10 %, aber bevorzugt unter 5 % besitzen. Der Prozess von Cousin et al. beschreibt einen diskontinuierlichen Reaktionsprozess und Matthew et al. beschreibt den kontinuierlichen Ansatz zum Bilden der Komplexe. Prozesstemperaturen können zwischen 0,6 – 93 % (33 bis 200 °F) variieren. Der Druck in dem Reaktor kann zwischen 1 (14,6 psia) und mehreren Atmosphären oberhalb der Umgebung variieren. Die Molverhältnisse Kohlendioxidgas zu Kalk können zwischen 0,1 bis 10, bevorzugt um 1 bis 1,5 variieren. Die Reaktor/Reaktionsparameter können gesteuert und variiert werden, um eine vollständige Reaktion und ein optimales) Kristallwachstum und Morphologie zu ergeben. Das Kohlendioxidgas, das in der Reaktion verwendet wird, könnte rein sein oder von einer Quelle, wie Rauchgas. Auch kann, wie beschrieben in Matthew et al., eine vorherige Ansäuerung des Feinstteilchenstromes vor der Kalkzugabe und eine andere schrittweise Einbringung von Kalk und Kohlendioxidgas in dem erfindungsgemäßen Prozess verwendet werden.
Das Ausgangsfasermaterial und die Quelle von Faserfeinstteilchen kann von unbehandeltem, recyceltem, gebleichtem oder ungebleichtem, natürlichem oder synthetischem Halbstoff stammen. Die Faserfeinstteilchen, die in dem erfindungsgemäßen Prozess genutzt werden, können primäre oder sekundäre Feinstteilchen sein. Typischerweise treten primäre Feinstteilchen natürlich mit dem Halbstoff auf und werden vor dem Feinmahlschritt abgetrennt. Sekundäre Fasern werden allgemein auf jene Feinstoffe bezogen, die erzeugt werden – eine Quelle von sekundären Faserfeinstteilchen ist der Feinmahlschritt oder andere Verarbeitungsschritte. Nominal feingemahlener Halbstoff (Laubholz, Nadelholz oder ein Gemisch von Papierherstellungsfasern) kann durch eine Größenklassifikationsvorrichtung verarbeitet werden, wie ein Drucksieb. Die Quelle von Feinstteilchen könnte auch von nassem oder trockenem Papierausschuss stammen, der durch die Papiermaschine recycelt wird.
Wie im Abschnitt des Hintergrunds diskutiert, sind Feinstteilchen, die aus dem Papiermaschinenrückwasser und anderen „Abfall"-Strömen wiedergewonnen werden, in der Technik bekannt. Jedoch variieren typischerweise die Abfall-Faserfeinstteilchen zwischen 0,5 und 4 % der gesamten Faserproduktion der Mühle. Falls die Füllstoffbefüllung mit dem typischen Gehalt von 1:3 (Faser:Füllstoff) ausgeführt wird, beträgt der maximale resultierende Füllstoffgehalt in dem Blatt nur 12 %. Daher kann es durch Verwenden von Rückwasserfeinstteilchen und Abfallströmen allein nicht möglich sein, all die gegenwärtigen „herkömmlichen" PCC (bis zu 23 %) mit Füllstoff-Faser-Komplexen zu ersetzen. Der erfindungsgemäße Prozess stellt Zielfüllstoffgehalte in dem Papier mit Gehalten bereit, die mindestens 5 % und bevorzugt höher als 20 % betragen.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen verschiedene Aspekte der Erfindung, sind aber nicht als sie beschränkend zu interpretieren. Diese Beispiele sind lediglich repräsentativ und schließen nicht alle der möglichen Ausführungsformen der Erfindung ein.
BEISPIEL 1
HALBSTOFFSIEB/FRAKTIONIERUNGSVERSUCH
Ein Halbstoffstrom enthält typischerweise lange und kurze Fasern. Drucksiebe können den Halbstoff (Zufuhr) in lange (Zurückweisung) und kurze (Annahme) Faserströme trennen. Halbstofffeinstteilchen existieren in jedem Faserstrom. Einige sind lediglich kurze Faser/Fibrillen, die in dem Faserstoffbrei vorhanden sind. Die meisten anderen werden erzeugt, wenn Faserstoffe durch Koch- und Bleichprozesse laufen. In der Papiermaschinenfläche erzeugt der Feinmahlschritt eine beträchtliche Menge von Feinstteilchen, deshalb kann der Halbstoff entweder vor oder nach dem Refiner gesiebt werden. In diesem Beispiel wird der Halbstoff stromaufwärts von dem Refiner gesiebt. Die optimalen Prozessbedingungen, wie Halbstoffkonsistenz, Zuführgeschwindigkeit, Zurückweisung/Annahmeaufteilungsverhältnisse, etc., wie auch die Hardware, d.h. das Sieb, die Rotorkonfiguration, Öffnungs-/Schlitzgröße, etc. wurden bestimmt.
Das Sieben von fein gemahlenem Halbstoff wird im erfindungsgemäßen Prozess bevorzugt verwendet zum Herstellen der Füllstoff-Faser-Komplexe, jedoch kann auch nicht feingemahlener Halbstoff verwendet werden.
Prozedur
Gebleichtes, nicht feingemahlenes südliches Nadelholz wurde verwendet. Mehrere Kombinationen von Siebkästen, Rotoren und Siebparameterkonfigurationen wurden verwendet und Zufuhr-, Annahme- (Feinstteilchen) und Zurückweisungs- (lange Fasern) Fraktionen wurden gesammelt. Diese wurden auf Faserlänge analysiert. Die Rohdaten wurden verwendet, um die arithmetisch gewichtete Länge, die Längengewichtete Länge, die Gewicht-gewichtete Länge, die Längen-gewichteten Feinstteilchen in Prozent und die arithmetisch gewichteten Feinstteilchen in Prozent zu berechnen (alle von diesen sind Standardberichteinheiten für Faserlänge).
Ergebnisse
In den folgenden Tabellen werden die Ergebnisse der Faserlängenanalysen zusammengefasst unter Verwenden dreier verschiedener Siebvorrichtungen. Eine Differenz (Anstieg) in den Längenwerten zwischen den Zufuhr- und Lang(Zurückweisungs)-Faser-Fraktionen zeigt an, dass das Sieb beim Trennen der Feinstteilchen von der Zufuhr wirksam war. Die Siebvorrichtung #1 war eine Entwässerungspresse; die Siebvorrichtung #2 waren Kästen mit 0,05" großen glatten Löchern; und die Siebvorrichtung #3 waren Kästen mit 0,018" groß geschlitzten Löchern.
TABELLE 1 SIEBVORRICHTUNG #1
TABELLE 2 SIEBVORRICHTUNG #2
TABELLE 3 SIEBVORRICHTUNG #3
BEISPIEL 2
Prüfblätter wurden unter Verwenden der folgenden Füllstoffmaterialien erzeugt:

1. Kontrolle: Kommerziell erhältliches gemahlenes Calciumcarbonat (GCC);
2. Vergleich: Faser-Füllstoff-Komplexe erzeugt gemäß der Patente von Cousin et al. und Matthew. Der verwendete Ausgangshalbstoff war hoch fibrillierter Halbstoff, nach unten feingemahlen auf ~ 50 Canadian standard freeness (4C); und
3. Faser-Füllstoff-Komplexe hergestellt gemäß des erfindungsgemäßen Prozesses (C*).

Tabelle 4 unten fasst einen Vergleich der physikalischen Charakteristika der gebildeten Blätter unter Verwenden jedes der oben genannten Füllstoffmaterialien zusammen.
TABELLE 4
Ein Vergleich der Steifigkeitscharakteristika von Papier unter Verwenden des Kontroll(GCC)-Füllstoffes und der erfindungsgemäßen Faser-Füllstoff-Komplexe ist grafisch in 8 abgebildet. Es ist gezeigt, dass der erfindungsgemäße Prozess eine 4 bis 5 %-igen Füllstoff-Zunahme für dieselbe Produktsteifigkeit bereitstellt. Der erfindungsgemäße Prozess ergibt bessere physikalische Eigenschaften bei niedrigeren Kapital- und Betriebskosten.
BEISPIEL 3
Die drei Füllstoffmaterialien von Beispiel 2 wurden verwendet, um Papier auf einer Papierherstellungsmaschine zu erzeugen. Ein Vergleich der optischen Eigenschaften, der Steifigkeit, der Füllstoffzurückhaltung und der Betriebskosten sind in Tabelle 5 aufgelistet.
TABELLE 5
Es wurde gesehen, dass sich unter Verwenden des erfindungsgemäßen Prozesses die Aschezurückhaltung des ersten Durchgangs auf der Maschine von 76 auf 82 % verbesserte; die Verwendung einer Rückhaltehilfe wurde um bis zu 50 % verringert; das Querschnittsaschenprofil verbesserte sich von +/–1,0 auf +/–0,3; und das Blatt wurde weniger zweiseitig. Elektronenmikroskopische Scanaufnahmen der Unter- und Schönseiten-Oberflächen zeigten eine gleichförmigere Füllstoffbedeckung mit dem Faser-Füllstoff-Komplex der Erfindung als mit herkömmlichem präzipitierten Calciumcarbonat (PCC).
Schließlich sind Variationen von den Beispielen, die hier gegeben sind, angesichts der oben gegeben Offenbarung möglich. Die vorstehende Beschreibung verschiedener und bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde nur für Zwecke der Veranschaulichung bereitgestellt, und es wird verstanden, dass zahlreiche Modifikationen, Variationen und Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen dargelegt, abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Papier- oder Pappeprodukten, bei dem mindestens ein Prozessstrom aus dem Papierherstellungsprozess abgetrennt wird, wobei der Prozessstrom Feinstteilchen enthält, der Prozessstrom mit langen Fasern kombiniert und unter Bildung eines Rückstandes verdickt wird, der Rückstand unter Bildung von Faser-Füllstoff-Komplexen behandelt wird und die Faser-Füllstoff-Komplexe in einen Papierherstellungsprozess zur Bildung von Papier verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Prozessstrom ferner Füllstoffe enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die langen Fasern eine Länge von mehr als 0,1 mm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die langen Fasern natürlich oder synthetisch sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die langen Fasern verfeinert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Prozessstrom aus der Papiermaschine stammt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Prozessstrom vor der Papiermaschine gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Prozessstrom primäre und/oder sekundäre Feinstteilchen enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Rückstand zur Auskristallisation von Calciumcarbonat mit Calcium- und Carbonat-Ionen behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Auskristallisation von Calciumcarbonat in situ erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Calciumcarbonat-Kristalle an die in dem Rückstand vorhandenen Feinstteilchen binden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Calciumcarbonatkristalle an die in dem Rückstand vorhandenen langen Fasern binden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Calciumcarbonat-Kristalle mechanisch an die in dem Rückstand vorhandenen Füllstoffe binden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder Anspruch 21, wobei die Calciumcarbonat-Kristalle, CaCO₃ (PCC), im wesentlichen in Clustern aus Granalien organisiert sind, die direkt auf die in dem Rückstand vorhandenen Feinstteilchen, Füllstoffe und/oder Fasern gepfropft sind, und zwar ohne an der Grenzfläche zwischen den PCC-Kristallen und den Feinstteilchen, Füllstoffen und/oder Fasern vorhandene Bindemittel oder Rückhaltehilfen, so dass der Hauptteil der PCC-Kristalle die Feinstteilchen, Füllstoffe und/oder Fasern durch zuverlässige und nicht labile Bindung zur Bildung des Faser-Füllstoff-Komplexes einschließen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Rückstand zur Bildung der Faser-Füllstoff-Komplexe mit einem teilchenförmigen Füllstoffmaterial behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das teilchenförmige Füllstoffmaterial unter anorganischen Pigmenten, organischen Pigmenten, organischen Gittern und Hohlsphären ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Pigmente unter Talkum, Tonerde, TiO₂, Calciumcarbonat, Pigmenten auf Silica-Basis und Pigmenten auf Aluminium-Basis ausgewählt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Papier verbesserte Steifigkeitseigenschaften hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Papier eine verbesserte Füllstoffzurückhaltung hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Papier gleichförmige Z- und Querschnittsfüllstoffprofile hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Behandlungsschritt umfasst, dass der Rückstand mit Calcium- und Carbonat-Ionen zur Auskristallisation von Calciumcarbonat in situ zur Bildung von Faser-Füllstoff-Komplexen behandelt wird.