DE60131924T2 - Verfahren zur Herstellung von gefällten Kalziumcarbonatzusammensetzungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von gefällten Kalziumcarbonatzusammensetzungen Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft die Herstellung von ausgefällten Kalziumkarbonat (PCC) Zusammensetzungen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Herstellung von ausgefällten Kalziumkarbonat (PCC) Zusammensetzungen, mit einer verringerten Hochscherviskosität in der Form einer wässrigen Aufschlämmung, und enthaltend PCC-Teilchen mit einer engen Teilchengrößenverteilung, während die Anforderungen für relativ teure Herstellungsschritte, wie auf Verdampfung basierende Dehydrationsverfahren verringert werden. Die ausgefällten Kalziumkarbonatzusammensetzungsprodukte, welche durch das Verfahren der Erfindung hergestellt werden, sind neben anderen Dingen insbesondere als Papierbeschichtungspigment und Füllstoff geeignet.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Ausgefälltes Kalziumkarbonat ist ein ausgesprochen vielfältiges Beschichtungshilfsmittel, Füllstoff und Pigment, welches in einer breiten Vielzahl von kommerziellen Erzeugnissen eingesetzt wird, einschließlich Papier, Farben, Kunststoffen, Gummi, Textilien und Drucktinten. Ausgefälltes Kalziumkarbonat (PCC) wird in einem großen Maßstab als Papierfüllung und in Beschichtungsanwendungen eingesetzt. PCC wird neben anderen Dingen verwendet, um die Deckkraft und die Helligkeit des Papiers zu erhöhen. Zusätzlich zu der Erhöhung der Deckkraft und der Aufhellungseigenschaften des Papiers, verleiht PCC dem Papier auch eine hohe Beständigkeit gegen Vergilben und Altem. PCC bietet gegenüber anderen herkömmlichen Zusatzstoffen, die verwendet werden, um die Deckkraft und die Helligkeit des Papiers zu erhöhen, wie kalzinierter Ton oder Titandioxid, Kostenvorteile.
  • In der Praxis werden viele derzeitige Papierbeschichtungsgeräte mit hohen Betriebsgeschwindigkeiten betrieben, wobei die Papierbeschichtungszusammensetzung auf eine Seite eines laufenden Basispapierbestandes unter Verwendung eines Bladebeschichters aufgebracht wird. Als eine Folge wird die Papierbeschichtungszusammensetzung während solch eines Bladebeschichtens hohen Scherkräften ausgesetzt, wodurch es wünschenswert wird, eine Papierbeschichtungszusammensetzung zu besitzen, welche eine niedrige Hochscherviskosität zeigt, so dass sie ausreichend fließfähig ist, um eine dünne gleichmäßige Beschichtung zu bilden, wenn sie auf den Papierbasisstock aufgebracht wird. Ein Hindernis solch eine Hochgeschwindigkeitsfließfähigkeit zu erzielen, ist, dass die Papierbeschichtungszusammensetzungen relativ hohe Feststoffgehalte einsetzen müssen, um die Anforderungen an die Trocknung der Beschichtung gering zu halten, wodurch im Allgemeinen die Viskosität erhöht wird. Zum Beispiel können Papierbeschichtungszusammensetzungen, welche aus wässrigen Aufschlämmungen bestehen, die PCC enthalten, insgesamt 70 Gew.% oder mehr an Feststoffgehalt aufweisen. Sobald sie jedoch auf ein Basispapier aufgebracht ist, muss eine Papierbeschichtungszusammensetzung relativ unbeweglich sein, so dass sie nicht läuft oder kleckst, um die gleichförmig aufgebrachte Beschichtung zu konservieren. Daher ist es auch wünschenswert, dass die Papierbeschichtungszusammensetzung in der Lage ist, unmittelbar nach dem Austreten aus den Bedingungen einer hohen Scherbeanspruchung, welche mit dem Bladebeschichten verbunden sind, das Verhalten einer relativ höheren Viskosität beizubehalten. Es besteht daher eine Herausforderung einer Papierbeschichtungsaufschlämmungszusammensetzung eine stabile, pseudoplastischartige rheologische Eigenschaft zu verleihen, im Gegensatz zu einem Dilatanzverhalten, da solche Bedingungen normalerweise für Nicht-Newton-Fluids definiert sind. Und zwar verringert sich die scheinbare Viskosität eines pseudoplastischen Fluidmaterials mit der zunehmenden Scherbeanspruchungsrate, was dem rheologischen Verhalten eines Dilatanzfluidmaterials entgegengesetzt ist, welches eine scheinbare Viskosität aufweist, die mit zunehmender Scherbeanspruchungsrate zunimmt. Des weiteren kann das Streben nach der gewünschten pseudoplastischen rheologischen Eigenschaft für Papierbeschichtungszusammensetzungen nicht auf Kosten der Lichtstreuungseigenschaften erfolgen, die von dem PCC gefordert werden. Idealerweise würden die Steigerungen der optischen Leistungseigenschaften des PCC zusammen mit den gewünschten rheologischen Verbesserungen in einer einzigen PCC-haltigen Zusammensetzung bereitgestellt.
  • Im Stand der Technik wurde vorgeschlagen, die Herstellungsverfahren, welche verwendet werden, um PCC-Aufschlämmungen herzustellen, zu beeinflussen, um die endgültigen Eigenschaften der resultierenden PCC-Zusammensetzung zu verbessem, welche bei Papierbeschichtungsanwendungen eingesetzt wird. Zum Beispiel beschreibt das US Patent Nr. 5,833,747 von Bleakley et al. ein Verfahrensschema zur Herstellung von Papierbeschichtungspigmenten, wobei eine Aufschlämmung aus PCC-Partikelaggregaten, hergestellt durch das Karbonieren von Kalkmilch, den folgenden Schritten unterworfen wird, teilweises Entwässern unter Verwendung eines Rohrdruckfilters zusammen mit einem getrennten Zerkleinerungsschritt unter Verwendung einer Abriebsmahlmühle mit einem einzelnen Durchgang, ausgestattet mit einem 250 PS (186 kW)-Motor und enthaltend Siliziumdioxidsand als Mahlmedium, so dass wenigstens 100 kW/h an Energie je trockener Tonne an PCC in der PCC-Aufschlämmung zerteilt wird (wobei die Abfolge der teilweisen Entwässerungs- und Zerkleinerungsschritte ggf. gewechselt werden können). Beakley et al. beschreiben ein PCC-Produkt, bereitgestellt mit einer Partikelgrößenverteilung, so dass 70% der Teilchen einen gleichen kugelförmigen Durchmesser von weniger als 1 μm aufweisen und wenigstens 50% der Teilchen einen äquivalenten kugelförmigen Durchmesser von weniger als 0,5 μm aufweisen.
  • US Patent Nr. 5,879,442 von Nishiguchi et al. lehrt ein Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Aufschlämmung aus PCC, geeignet für Papierbeschichtungszusammensetzungen, wobei eine PCC-Aufschlämmung einer primären Dispersion in Anwesenheit eines die Viskosität verringernden Mittels unterworfen wird, unter Verwendung eines Mischers, wie einem Mischer vom „Cowles"-Typ und rührendem Dispergern; und anschließend wird gemahlenes Kalziumkarbonat zugegeben und die resultierende Aufschlämmung wird erneut einem Mischen mit den Mischern vom „Cowles"-Typ und den rührenden Dispergern unterworfen, als eine zweite Dispergierbehandlung; gefolgt von einer dritten Dispergierbehandlung, wobei die Kalziumkarbonataufschlämmung einer Sandmahlbehandlung unterworfen wird, vorzugsweise unter Verwendung von zwei bis vier Durchgängen durch die Sandmahlbehandlung und unter Zugabe eines die Viskosität verringernden Mittels. Das in dem US Patent Nr. 5,879,442 beschriebene Verfahren wird verwendet, um eine wässrige Aufschlämmung aus Kalziumkarbonatpartikeln (insgesamt 70 bis 85 Gew.% Kalziumkarbonat) mit einer mittleren Teilchengröße von 0,2 bis 2,0 μm und einer spezifischen Oberfläche in dem Bereich von 5 bis 25 m2/g bereitzustellen, und die Aufschlämmung weist eine Viskosität auf, welche 1.000 cP bei 25°C nicht überschreitet und eine Viskosität bei hoher Scherbeanspruchung, welche 200 cP bei 25°C nicht überschreitet.
  • Eine Notwendigkeit besteht wässrige Aufschlämmungen aus PCC mit noch höherer Qualität zu entwickeln, welche für Papierbeschichtungsanwendungen geeignet sind, und welche auf eine kosteneffektive Weise hergestellt werden können.
  • US 5,292,365 offenbart Mineralmaterialien enthaltend Karbonat mit einer rhomboedrischen oder primär runden Partikelform, einer Steifigkeit von zwischen 1,1 und 1,4 und einem mittleren statistischen Partikeldurchmesser von zwischen 0,4 und 1,5 μm.
  • EP 0 850 880 A1 offenbart eine wässrige Aufschlämmung mit ausgefälltem Kalziumkarbonat und gemahlenem Kalziumkarbonat in Kombination.
  • EP 0 768 344 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von PCC zur Verwendung als ein Pigment für Papierbeschichtungszusammensetzungen.
  • US 4,118,246 offenbart ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von stabilen, stark konzentrierten dispergierten wässrigen Suspensionen aus kalziniertem Ton.
  • US 5,873,935 offenbart eine Beschichtungsfarbe hergestellt durch nasses Mahlen von karbonathaltigem Pigment.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung erzielt das obige und andere Gegenstände, indem eine einzigartige Annäherung zur Herstellung von PCC-Zusammensetzungen bereitgestellt wird, so dass die resultierenden PCC-Zusammensetzungen mit verringerter Viskosität bei hoher Scherbeanspruchung in wässrigen Aufschlämmungsformen mit hohem Feststoffgehalt bereitgestellt werden und welche PCC-Teilchen mit einer engen Teilchengrößenverteilung enthalten. Als ein anderer Gegenstand der Erfindung können die zusätzlichen Kosten, die sonst mit der Verwendung auf Verdampfung basierten Dehydrationsverfahren zusammenhängen, um den PCC-Feststoffgehalt in einer PCC-Aufschlämmung zu erhöhen, oder mit der Zugabe von trockenem Ca zu CO3-Pigment verbunden sind, um Aufschlämmungsfeststoffe aufzubauen, reduziert oder sogar eliminiert werden, durch eine einfache erfindungsgemäße Modifikation, die durch ein Dekantierverfahren durchgeführt wird, innerhalb des Verfahrensablaufes gemäß dieser Erfindung.
  • Demzufolge stellt die vorliegende Erfindung das Verfahren bereit, wie in Anspruch 1 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 2 bis 15 definiert.
  • Die vorliegende Erfindung ist besonders gut geeignet, um PCC-Aufschlämmungen bereitzustellen, welche für Papierbeschichtungsanwendungen geeignet sind, einschließlich holzfreie Papierbeschichtungen, mit mittlerem und niedrigem Beschichtungsgewicht, obwohl sie eine breitere Anwendbarkeit aufweist und auf keinen Fall darauf beschränkt ist.
  • Eine allgemeine Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer ausgefällten Kalziumkarbonat (PCC) Zusammensetzung, umfassend den Schritt des Mahlens einer wässrigen Aufschlämmung aus PCC, hergestellt durch das Karbonieren von Kalkmilch in einer Nassmahlmühle mit nassem Mahlkörpern, wobei das Mahlen mit einem geringen Feststoffgehalt in einer Vielzahl von getrennten Mahlschritten durchgeführt wird, im wesentlichen ohne Anwesenheit eines organischen Dispersionsmittels. Nach dem mehrstufigen Nassmahlschritt wird die gemahlene PCC-Aufschlämmung teilweise in Anwesenheit eines organischen Dispersionsmittels in einer Vollmantelzentrifuge entwässert. Anschließend wird die teilweise entwässerte PCC-Aufschlämmung in Anwesenheit eines organischen Dispersionsmittels Fluidscherkräften unterworfen, erzeugt in einem Mischer vom Rotor-/Statortyp. Während diese drei Schritte vorteilhafterweise für eine optimale Wirkung zusammen innerhalb eines einzelnen PCC-Verfahrensablaufes verwendet werden, können die einzelnen Schritte auch einzeln oder in einer geringeren Kombination dieser in unterschiedliche PCC-Herstellungsschemata eingebaut werden, um eine günstige Wirkung zu erzielen.
  • In einem Gegenstand der Erfindung werden PCC-Teilchen in einer groben, synthetisierten PCC-Aufschlämmung mit relativ niedrigem Feststoffgehalt (z. B. 15 bis 25 Gew.% PCC) einem mehrstufigen Nassmahlen mit Mahlkörpern unterworfen (einschließlich einem mehrfachen Durchgang durch eine einzelne Mühle oder durch das Durchführen der Aufschlämmung durch eine Reihe von separaten Mühlen). Es wurde entdeckt, dass es möglich ist, die PCC-Teilchen auf diese Weise mit einem relativ niedrigem Verhältniswert an Ausgangs-PCC-Teilchen relativ zu der Anzahl der Mahlkörperteilchen (d. h. das „P/M-Teilchenverhältnis"), das in den Mahldurchläufen vorhanden ist, zu mahlen, während kein organisches Dispersionsmittel vorhanden ist oder kaum vorhanden ist, um so eine deutlich gesteigerte (enge) Teilchengrößenverteilung (d. h. reduzierte Neigung) zu erzielen, im Vergleich mit PCC-Teilchen, welche einem Zerkleinern in einem einzelnen Mahlschritt mit hoher Energie unterworfen werden und/oder Umgebungen mit hohem Feststoffgehalt (z. B. > 50 Gew.% Feststoff) in Anwesenheit eines organischen Dispersionsmittels. Die Verwendung von mehrstufigem Mahlen dient dazu, die längere Verweildauer zu kompensieren, die sonst mit dem Mahlen bei dem zuvor genannten niedrigen Verhältniswert von PCC-teilchen/Mahlkörperteilchen gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung verbunden ist. Die zuvor genannten Mahlbedingungen dieser Ausführungsform der Erfindung stellen eine Zerkleinerung bereit, wobei Agglomerate aus primären PCC-Teilchen, welche normalerweise während der frühen Synthese von PCC auftreten, wirksam aufgebrochen werden, ohne die befreiten primären Teilchen zu mahlen, um so eine Menge Feinstoffen und Ultrafeinstoffen zu bilden, die unerwünschterweise die Teilchengrößenverteilung verbreitern würde. Die engere Teilchengrößenverteilung, die durch diese Ausführungsform der Erfindung erzielt wird, überträgt sich auf eine verbesserte Helligkeitswirkung und Deckkraft für Papierbeschichtungsanwendungen, aufgrund der weniger wirksamen Pigmentteilchendichte, die durch die allgemeine Abwesenheit von feinen Teilchen erhalten wird. Der Ausdruck „im wesentlichen frei" bedeutete, dass wenn das organische Dispersionsmittel zum Zeitpunkt des Mahlens vorhanden ist, es nur in solchen geringen Mengen vorhanden ist, dass der 75/25-Neigungswert, der hier definiert wird, immer noch auf unter 1,8 durch das erfindungsgemäße Verarbeiten gesenkt werden kann. In keinem Fall ist kein Anteil des organischen Dispersionsmittels während des Nassmahlschrittes mit Mahlkörpern vorhanden, welcher 0,01 Gew.% oder mehr entspricht, bezogen auf das Trockengewicht von Kalziumkarbonat in der Aufschlämmung zu diesem Zeitpunkt. Die mittlere Teilchengröße der PCC-Teilchen der PCC-Aufschlämmungen mit hohem Feststoffanteil, erhalten durch das Verarbeiten gemäß dieser Erfindung liegen im Allgemeinen in dem Bereich von ungefähr 0,25 bis 2,0 μm, und noch typischerweise zwischen ungefähr 0,5 bis 1,0 μm, und in einer relativ engen Größenverteilung, definiert durch eine Neigung (Steilheitsfaktor) von weniger als ungefähr 1,8 und noch bevorzugter weniger als ungefähr 1,75. Die „Neigung", da dieser Ausdruck in der Erfindung verwendet wird, bedeutet der Quotientwert des Durchmesserwertes, bei welchem 75% der Teilchen weniger beträgt als (als Zähler), geteilt durch den Durchmesserwert, bei welchem 25% der Teilchen geringer sind als (als der Nenner), wobei die Teilchengrößen durch einen Sedigraph-Teilchengrößenanalysator gemessen werden. Tatsächlich sind sogar geringere Neigungswert zwischen 1,6 bis 1,7 durch die vorliegende Erfindung routinemäßig erzielbar. Die PCC-Aufschlämmung, die dem erfindungsgemäßen mehrstufigen Nassmahlverfahren mit Mahlkörpern unterworfen werden, können frisch hergestellte ausgefällte PCC-Aufschlämmungen sein, oder nicht behandelte (d. h. nicht dispergierte, nicht zerkleinerte, nicht entwässerte) Ausgangs-PCC-Aufschlämmungen, die zuvor hergestellt wurden, gelagert und zugeführt, wie geeignete kommerziell erhältliche PCC-Aufschlämmungen mit grober Güte.
  • In einem weiteren Gegenstand der Erfindung wurde herausgefunden, dass PCC-Aufschlämmungen, welche dem Vollmantelzentrifugierschritt in einem dispergierten Zustand gemäß einem anderen Schritt der Erfindung unterworfen werden, solch eine übermäßige Entwässerung erzielen, dass die resultierenden hohen Feststoffgehalte der teilweise entwässerten PCC-Aufschlämmung (z. B. bis zu ungefähr 70 Gew.% Feststoffe) eine Verringe rung der Forderung nach getrennten teueren verdampfenden Dehydrierungsverfahren in dem Verfahrensablauf reduzieren, sofern sie diese nicht vollständig eliminieren.
  • In noch einem anderen Gegenstand der Erfindung wurde herausgefunden, dass PCC-Aufschlämmungen mit hohem Feststoffgehalt, wie solche mit mehr als 70 Gew.% Feststoffen, einem Mischschritt mit starker Scherung, durchgeführt unter Verwendung eines Rotor- und Statormischers, unterworfen werden können, um so eine reduzierte Hochscherviskositätseigenschaft zu verleihen, ohne die vorteilhaften Eigenschaften der Teilchenverteilung und mittleren Teilchengröße der behandelten PCC-Teilchen (wie solche, die in einem vorangegangenen mehrstufigen Mahlschritt gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung verliehen wurden) zu opfem. Zum Beispiel kann eine PCC-Aufschlämmung mit hohem Feststoffgehalt, welche einem Mischen mit starker Scherung über einen Rotor- und Statormischer gemäß dieses Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens unterworfen wurde, eine Herkules-Scherviskosität von 18+ Dyn bei 9,35 Umdrehungen je Minute (A-bob @ 1100 Umdrehungen/min) erzielt werden, was ein Indiz für ein hohes Fließvermögen bei Scherbeanspruchung ist.
  • Demzufolge sind die wässrigen PCC-Aufschlämmungen, welche gemäß des Verfahrens der Erfindung hergestellt wurden, besonders geeignet für Papierbeschichtungsanwendungen, da sie zu einer Beschichtungsfarbe für Papier führen, welche ein ausgezeichnetes Fließvermögen bei hoher Scherbeanspruchung durch eine Aufbringschneide zeigen, um zu gestatten, dass gleichförmige Beschichtungen auf schnelllaufende Papierbahnen aufgebracht werden und zusätzlich eine reduzierte Mobilität zeigen, nachdem sie beschichtet wurden, so dass sie nicht laufen oder verschmieren. Ein ausgefälltes Kalziumkarbonat mit feiner Teilchengröße wird (d. h. eine mittlere Teilchengröße < 2 μm) mit einer enger Teilchengrößenverteilung (d. h. eine Neigung < 1,8) bereitgestellt. Die PCC-Aufschlämmungen mit viel Feststoff, hergestellt durch das Verfahren dieser Erfindung, zeigen ein deutlich reduziertes dilatantes rheologisches Verhalten im Vergleich mit PCC-Beschichtungspigmentaufschlämmungen, die durch herkömmliche Einrichtungen verarbeitet wurden. Des weiteren wurde beobachtet, dass die PCC-Aufschlämmungen, welche durch das Verfahren der Erfindung hergestellt wurden und die Papierbeschichtungszusammensetzungen, welche die gleichen einsetzen, über einen Zeitraum rheologisch stabil sind.
  • PCC-Aufschlämmungen, welche kalzitische Kristallstrukturen von PCC umfassen und vorzugsweise eine rhomboedrisch geformte Teilchenform, werden vorzugsweise, obwohl nicht ausschließlich, durch diese Erfindung verarbeitet, um PCC-Aufschlämmungen mit hoher Qualität bereitzustellen, welche zur Verwendung bei Papierbeschichtungsanwendungen gut geeignet sind. Um die rheologische Stabilität am besten sicherzustellen, weisen die PCC-Teilchen, welche gemäß der Erfindung verarbeitet werden, vorzugsweise eine rhomboedrisch geformte kalzitische Kristallform auf.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt ein Verfahrensflussdiagramm einer vergleichenden Herstellung einer PCC-Aufschlämmung und des Verarbeitungsschematas.
  • 2 zeigt ein Verfahrensflussdiagramm einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellung der PCC-Aufschlämmung und ein Verarbeitungsschemata.
  • 3a bis 3c sind repräsentative Darstellungen unterschiedlicher Ansichten der Stator- und Rotorinlinemischeinrichtungen mit hoher Scherbeanspruchung, welche gemäß des Verfahrens der Erfindung benutzt werden.
  • 4 zeigt eine Darstellung eines Mischers vom „Cowles"-Typ zu Vergleichszwecken.
  • 5a bis 5b zeigen die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) (MPS) eines PCC-Beschichtungspigments in μm, dargestellt als Höhenlinienkurven gegen Gew.% Feststoffe der PCC-Aufschlämmung, welche gemahlen wird, gegenüber der Verweildauer in der Mühle (je Durchgang) in Sekunden, bei Nassmahluntersuchungen, die bei Mahlrotorgeschwindigkeiten von 1.500 FPM (5a) und 2.000 FPM (5b) durchgeführt wurden.
  • 6a bis 6b zeigen die 75/25-Neigungswertes eines PCC-Beschichtungspigments, dargestellt als Höhenlinienkurven gegen Gew.% Feststoffe der PCC-Einsatzmaterialaufschlämmung, welche der Mühle zugeführt wird, gegenüber der Verweildauer in der Mühle (je Durchgang) in Sekunden, bei Nassmahluntersuchungen, welche bei Mahlrotorgeschwindigkeiten von 1.500 FPM (6a) und 2.000 FPM (6b) durchgeführt wurden.
  • 7a bis 7c zeigen eine Reihe von Höhenlinienkurven, wobei die resultierenden mittleren Teilchengrößen (Sedigraph) (in μm) (7a), der 75/25-Neigungswert (7b) und die Anzahl der Durchgänge durch die Mühle (7c) jeweils Höhenlinien gegenüber der Mahlrotorgeschwindigkeit (in FPM) dargestellt sind, gegenüber der Verweildauer in der Müh le (je Durchgang) in Sekunden, bei PCC-Nassmahluntersuchungen, welche mit den PCC-Aufschlämmungen mit 20 Gew.% Feststoffen durchgeführt wurden.
  • 8 zeigt schematisch ein Flussdiagramm einer Anordnung einer Inline-Mischeinrichtung mit hoher Scherung vom Rotor- und Statortyp mit einem Verdunster gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Gemäß der vorangehenden Zusammenfassung richtet sich die vorliegende Erfindung auf einen Verfahrensablauf zur Herstellung wässriger PCC-Zusammensetzungen, welche drei ergänzende Verfahrensschritte enthält, die zur Behandlung von ausgefälltem Kalziumkarbonat geeignet sind, welche einzeln oder in Kombination miteinander in einem PCC-Verarbeitungsschemata eingesetzt werden können, um das PCC-Produkt und die Verfahrensleistung zu steigern.
  • 1 ist ein typisches Beispiel eines verallgemeinerten Typs eines herkömmlichen Verfahrensablaufes 100 zur Herstellung von PCC in der Form einer wässrigen Aufschlämmung mit hohem Feststoffgehalt. Kalk 1 wird in einen Kalklöscher 2 zugeführt, welcher mit einem groben Sieb an dem Auslass ausgestattet ist, um eine wässrige Suspension aus Kalziumhydroxid 2' zu bilden, d. h. Milch des Kalks „MOL" oder Kalkmilch in Kürze. Die MOL 2' wird einem PCC-Reaktor 3 zugeführt, z. B. einem Haltebehälter, welcher mit Ablenkplatten ausgestattet ist und mit einem Rührer mit herkömmlichen Design für diesen Zweck (nicht dargestellt). Kohlenstoffdioxidgas 2'' oder eine andere geeignete Quelle zur Karbonierung wird in den PCC-Reaktor 3 geführt und mit dem MOL 2' unter PCC-bildenden Reaktionsbedingungen vermischt, wie Temperatur, pH-Wert und Zeitbedingungen, geeignet gesteuert, um die gewünschten PCC-Kristallformen und Teilchenarten zu formen. Wie allgemein anerkannt wird, wird bei der herkömmlichen PCC-bildenden Chemie verbrannter Kalk (Kalziumoxid) zunächst durch die Zugabe von Wasser gelöscht, um eine wässrige Aufschlämmung aus Kalziumhydroxid zu bilden. Dieses Kalziumhydroxid wird anschließend mit Kohlenstoffdioxid reagiert, um Kalziumkarbonat mit ungefähr 16 bis 22% Feststoffen auszufällen. Weiter unter Bezugnahme auf 1 wird die ausgefällte Kalziumkarbonataufschlämmung 3' aus dem Reaktor 3 entnommen und durch ein feines Sieb 4 geführt, welches so abgemessen ist, dass Kies entfernt wird, wodurch ungefähr 18 bis 20 Gew.% PCC-Aufschlämmung 4' bereitgestellt wird, welche für die Nachbearbeitung bereit ist. Das Entwässern wird in einem De kanter 5 durchgeführt, wie einem in einem nassen Zentrifugalsortierer, oder alternativ mit einem Vakuumfilter, oder einer anderen herkömmlichen Dehydriervorrichtung, welche für diesen Zweck verwendet wird, um ungefähr eine 50 Gew.% PCC-Aufschlämmung 5' bereitzustellen. In der herkömmlichen Ausübung wird das herkömmlich ausgefällte Kalziumkarbonat ohne die Verwendung eines organischen Dispersionsmittels entwässert, wenn ein Vollmanteldekanter verwendet wird (d. h. eine Dekantierzentrifuge), um ungefähr 50% Feststoffe bereitzustellen. Die teilweise entwässerte Aufschlämmung 5', wird wiederum in einen Disperger 6 eingeführt, in welchem eine wirksame Menge eines organischen Dispersionsmittels 7, wie Natriumpolyacrylat 7, unter Mischen hinzugefügt wird. Zum Beispiel wird das Natriumpolyacrylat-Dispersionsmittel zu der PCC-Aufschlämmung mit 50% Feststoffen zugegeben, wonach die dispergierte PCC-Aufschlämmung 6' in den Behältern 8 gelagert wird, wenn notwendig oder gewünscht, und wird anschließend in eine nasse Mahlvorrichtung 9 mit feinen Mahlkörpern eingeführt, um ein feines Nassmahlen (Deagglomerieren) der dispergierten PCC-Aufschlämmung durchzuführen. In dem es durch eine horizontale Draiskugelmühle oder einem Äquivalent 9 geleitet wird, wird das herkömmliche PCC-Erzeugnis normalerweise auf eine mittlere Teilchengröße von 0,5 bis 0,8 μm mit einem 75/25-Neigungsverhältnis von 1,75 bis 2,0 oder darüber gemahlen. An diesem Punkt wird die gemahlene PCC-Aufschlämmung 9' mit ungefähr 50 Gew.% Feststoff als Fluid zu einem Verdampfer 10 befördert, um das benötigte weitere Entwässern zu bewirken, um einen Feststoffgehalt in dem PCC-Aufschlämmungsprodukt 11 von ungefähr 72 bis 74 Gew.% zu erzielen.
  • Im Gegensatz zeigt 2 ein typisches Beispiel einer erläuternden, nicht begrenzenden Ausführungsform des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes 200, welcher zur Herstellung eines Beschichtungs-PCCs in der Form einer wässrigen Aufschlämmung mit hohem Feststoffgehalt verwendet wird. Kalk 20 wird in einen Kalklöscher 21 eingeführt, weicher mit einem groben Sieb an dem Auslass ausgestattet ist, um eine wässrige Suspension aus Kalziumhydroxid 21' zu bilden, d. h. die MOL oder Kalkmilch. Die MOL 21' wird einem PCC-Reaktor 22 zugeführt, welcher eine ähnliche grundlegende Struktur aufweisen kann, wie die in 1 beschriebene. Kohlenstoffdioxid 21'' wird in den PCC-Reaktor 22 eingeführt und mit der MOL 21' unter PCC-bildenden Reaktionsbedingungen vermischt, wie Temperatur, pH-Wert und Zeitbedingungen, welche geeignet gesteuert sind, um den gewünschten PCC-Kristall und Teilchenarten zu bilden.
  • Die grobe, frisch reagierte PCC-Aufschlämmung 22' (2), welche, unter Verwendung der neuen Verfahren nachverarbeitet wird, welche hier beschrieben sind, kann gemäß der herkömmlichen Reaktionschemie hergestellt werden, wie der oben beschriebene. Eine breite Vielzahl von Kalziumkarbonatmorphologien und Teilchengrößen können chemisch über die Ausfällungsreaktion erzeugt werden, indem die Verfahrensbedingungen geeignet manipuliert werden. Kalziumkarbonat wird normalerweise in der Form von Kalzit, Aragonit oder Vaterit-Kristallformen ausgefällt. Kalzitkristalle sind normalerweise rhomboedrisch, prismatisch oder scalenohedral in der Form, wohingegen die Aragonitkristallform nadelförmig oder nadelkristallförmig ist. Die PCC-Kristalle können in größeren Teilchen zusammengehäuft werden oder aggregieren im wesentlichen nicht, abhängig von den Ausfällungsreaktionsbedingungen und der mechanischen Nachbearbeitung der PCC-Teilchen. In dieser Erfindung sind Kristalle vom Kalzittyp bevorzugt, und insbesondere mit rhomboedrischer Form, obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist und auch die Erzeugung von scalenohedralen Formen des Kalzits oder Aragonitkristalle aus PCC umfassen kann. Im Allgemeinen wird die Verwendung von Kristallstrukturen mit rhomboedrischem Charakter des PCC häufig für Papierbeschichtungsanwendungen bevorzugt, da wässrige PCC-Aufschlämmungen, welche gemäß der Erfindung hergestellt werden, sehr gute rheologische und Stabilitätseigenschaften aufweisen.
  • Auf jeden Fall wird, unter Berücksichtigung dieser Abwägung, die ausgefällte Kalziumkarbonataufschlämmung 22 aus dem Reaktor 22 abgezogen und durch ein feines Sieb 23 geführt, welches so abgemessen ist, dass grobe Produktteilchen (z. B. > 325 μm) entfernt werden, um ungefähr 15 bis 25 Gew.%, noch üblicher ungefähr 18 bis 20 Gew.% PCC-Aufschlämmung 23' bereitzustellen, welche für die Nachbearbeitung gemäß der Erfindung bereit ist. Alternativ kann die frisch reagierte grobe PCC-Aufschlämmung 22' stattdessen durch ein grobes PCC ersetzt werden, welches von einem kommerziellen Anbieter erhalten wurde, entweder in einer aufgeschlämmten Form oder als trockene Teilchen, welche zur Verwendung dieser Erfindung aufgeschlämmt werden können. Ohne das ein organisches Dispersionsmittel zugegeben wird, wird die nichtdispergierte PCC-Aufschlämmung 23' mit wenig Feststoffen in eine mehrstufige Nassmahlstation 24 mit feinem Mahlkörpern eingeführt. Die mehrstufige Nassmahlstation 24 mit Mahlkörpern umfasst in einer Ausführungsform wenigstens zwei oder mehr getrennte Mühlen 24a, 24b. Die Energiemenge, die der PCC-Aufschlämmung in jeder Mühlenstufe 24a und 24b zugeführt wird, oder bei jedem Durchgang durch eine einzelne Mühle bei einer Ausführungsform mit mehreren Durchgän gen eines mehrstufigen Mahlens) wird im Allgemeinen ungefähr gleich gehalten. Die Anzahl der seperaten Mahlstufen können zwei oder mehr betragen.
  • Alternativ kann die mehrstufige Nassmahlstation 24 mit Mahlkörpern eine einzelne Mühle 24a umfassen, in welcher das PCC-Aufschlämmungseinsatzmaterial 23' durch die einzelne Mühle 24a in mehreren Durchgängen unter Verwendung der Rezirkulation 24c geführt wird (wie durch die gestrichelte Linie in 2 dargestellt) bevor die resultierende gemahlene Aufschlämmung 24' (angegeben durch die gestrichelten Linien in 2) dieses mahlvorganges dem Disperser 25 geführt wird.
  • Die nassen Mahlmahlarten mit Mahlkörpern, die als Mühle 24a oder Mühlen 24a und 24b verwendet werden, die oben in der mehrstufigen Mahlstation 24 beschrieben wurden, können unabhängig Kugelmühlen, Nassvertikalmühlen mit Mahlkörpern, Nasshorizontalmühlen mit Mahlkörpern oder dergleichen sein. Eine bevorzugte Art der in der Praxis dieser Erfindung verwendeten Nassmahlmühle mit Mahlkörperen ist eine Draismühle, hergestellt von Draiswerke, Inc. Mahway, NJ. Die Draismühle ist eine horizontale Mühle.
  • Überraschenderweise wurde herausgefunden und durch Untersuchungen bestätigt, dass die Eigenschaften der 75/25-Neigung (Teilchengrößenverteilung) von PCC deutlich verbessert werden kann (d. h. eine engere Teilchengrößenverteilung erzielt werden), wenn die PCC-Aufschlämmung in mehreren Stufen mit geringem Feststoffgehalt (z. B. 15 bis 25 Gew.%) nass gemahlen wird und mit einem relativ niedrigem Verhältniswert der Ausgangs-PCC-Teilchen zu der Anzahl der Mahlkörperteilchen (d. h. das „P/M-Teilchenverhältnis"), welche in der Mühle vorhanden sind, wobei das Mahlen ohne Anwesenheit eines organischen Dispersionsmittels durchgeführt wird, im Gegensatz zu der Verwendung eines einzelnen Mahlens mit hohem Energiedurchsatz und/oder einer organisch dispergierten Aufschlämmung aus PCC mit hohem Feststoffgehalt (z. B. 50 Gew.% Feststoffe oder mehr). Die Verwendung von mehrstufigem Mahlen dient dazu, die längere Verweildauer zu kompensieren, welche sonst mit dem Mahlen bei dem zuvor genannten niedrigen Verhältniswert der PCC-Teilchen/Medienteilchen gemäß der Ausführungsform der Erfindung verbunden ist. Die zuvor genannten Mahlbedingungen dieser Ausführungsform der Erfindung bricht wirksam die Agglomerate der primären PCC-Teilchen auf, die normalerweise während der vorangehenden Synthese von PCC auftreten, jedoch ohne die primären Teilchen zu mahlen, um eine Menge an Feinstoffen und ultrafeinen Stoffen zu bilden, welche unerwünschterweise die Teilchengrößenverteilung erweitern würden. Des weiteren wird diese Verbesserung der Neigung erzielt, indem das nicht dispergierte, mehrstufige Nassmahlen mit Mahlkörpern verwendet wird, ohne unerwünschterweise eine Zunahme der Hochscherviskositätseigenschaft der PCC-Aufschlämmung zu verursachen, wenn diese in Kombination mit anderen erfindungsgemäßen Verfahrensschritten eingesetzt wird. Daher führt dieses Nassmahlen mit Mahlkörpern mit wenig Feststoffen, die nicht dispergiert sind, und mit mehreren Durchgängen oder in mehreren Stufen zu feinen PCC-Produkten mit Beschichtungsgüte mit verbesserter Teilchengrößenverteilung (d. h. enger) gemessen durch den 75/25-Neigungswert.
  • Die Teilchengrößenverteilung oder „Neigung" für den Zweck dieser Offenbarung wird definiert als der Quotient des Durchmesserwertes, für welchen 75% der Teilchen geringer als sind (als der Zähler), geteilt durch den Durchmesserwert, für welchen 25% der Teilchen geringer sind als (als der Nenner), und mit den Teilchengrößen gemessen durch einen Mikromeritics Sedigraph 5100 Rontgensedimentationsvorrichtung, welche das Stokesche Gesetz verwendet, um die äquivalenten kugelförmigen Teilchendurchmesser zu bestimmen. Daher würde ein PCC-Beschichtungspigment, bei welchem 75% der Teilchen kleiner 0,85 μm sind und 25% der Teilchen kleiner 0,50 μm einen 75/25-Neigungswert von 0,85/0,50 = 1,7 aufweisen.
  • Für eine verbesserte Papierbeschichtungsleistung ist eine Neigung von weniger als 1,8 und noch bevorzugter von weniger als 1,75 erwünscht. Neigungswerte von so wenig wie 1,6 bis 1,7 werden durch die vorliegende Erfindung erzielbar. Das heißt die Neigung wird von ungefähr 1,8 bis 2,0, unter Verwendung eines Mahlschrittes mit einfachem Durchgang auf ungefähr 1,7 oder weniger unter Verwendung des erfindungsgemäßen nicht dispergierenden, mehrstufigen Nassmahlverfahrens mit Mahlkörperns verringert. Es ist notwendig, dass die erwünschten Neigungsverbesserungen nicht mit Nachteilen bezüglich der Hochscherviskosität der Aufschlämmung verbunden sind, und die vorliegende Erfindung erzielt diesen Gegenstand. Das Verarbeitungsverfahren erzeugt so ein überragendes PCC-Beschichtungsprodukt, welches für den Kunden wertvoller ist.
  • Während man zur Zeit nicht an eine bestimmte Theorie gebunden sein möchte, wird unabhängig davon jedoch angenommen, dass die enge Teilchengrößenverteilung, die durch die Verarbeitung gemäß eines Gegenstandes der Erfindung erzielt wird, sich direkt in eine erhöhte Papierhelligkeit überträgt. Insbesondere nimmt man an, dass die engere Teilchengrößenverteilung (d. h. die geringere Neigung) dem PCC, durch das nichtdispergierende mehrstufige Nassmahlen mit Mahlkörpern gemäß der Erfindung verliehen wird, welches die Dich te der Partikelpackung verringert, die auf einem beschichteten Papier erzielt wird, welche wirksam die Mikrohohlräume erhöht, die zwischen den Partikeln vorhanden sind. Diese Bedingung reduziert die Möglichkeiten, dass sich kleinere Teilchen in die Hohlräume zwischen relativ großen Teilchen füllen, was auftritt, wenn eine breitere Partikelgrößenverteilung vorhanden ist. Man nimmt an, dass die Lichtzerstreuungseigenschaft des beschichteten Papiers erhöht wird, indem die Anzahl von Mikrohohlräumen zwischen den Partikeln erhöht wird. Es ist Fachleuten auf dem Gebiet gut bekannt, dass die Anwesenheit solcher Mikrohohlräume dazu dient, die Lichtstreuung zu erhöhen, was zu einer Deckkraft führt.
  • Zurückkommend auf 2 wird die gemahlene PCC-Aufschlämmung 24' in einen herkömmlichen Disperger 25 eingeführt, in welchem eine geringer Menge eines organischen Dispersionsmittels unter Mischen hinzugefügt wird. Die gemahlene und anschließend dispergierte Aufschlämmung 25' wird in eine Vollmantelzentrifuge 27 eingeführt, vorzugsweise eine Bird-Vollmantelzentrifuge. Eine andere überraschende Entdeckung dieser Erfindung ist, dass es das Entwässern der dispergierten gemahlenen PCC-Aufschlämmung ermöglicht, dass sehr hohe Feststoffgehalte, von soviel wie 75% Gew.% oder mehr, erzielt werden. Diese Feststoffgehalte sind hoch genug, dass die Anforderungen, die PCC-Aufschlämmung einer seperaten Verdampfung unter Verwendung eines teuren Verdampfers unterworfen wird, reduziert oder sogar vermieden werden kann.
  • Das organische Dispersionsmittel oder das Dispergiermittel, welches in das PCC-Aufschlämmungsmaterial für die Zentrifuge mit festem Behälter eingeführt wird, kann in einer Menge von 0,01 bis 2,0 Gew.% und insbesondere von 0,6 bis 1,0 Gew.% vorhanden sein, bezogen auf das Trockengewicht des vorhandenen PCC. Das organische Dispersionsmittel kann ausgewählt werden aus organischen Dispersionsmitteln und Dispersionshilfsmitteln, die im Allgemeinen auf dem Gebiet bekannt sind, um Kalziumkarbonat zu dispergieren. Das Dispersionsmittel kann z. B. ein Polykarboxylat enthalten, welches homopolymer oder copolymer sein kann, welches eine Monomereinheit enthält, umfassend eine Vinyl- oder Olefingruppe, oder eine wasserlösliche dieser (z. B. Natriumpolyacrylat). Beispiele geeigneter Monomere umfassen Acrylsäure, Methacrylsäure, Itaconsäure, Maleinsäure, Fumarinsäure, Tonsäure, Maleinanhydrid, Hydroxyacrylsäure und so weiter. Das zahlengemittelte Molekulargewicht des Polykarboxylats liegt normalerweise in dem Bereich von ungefähr 500 bis 12.000, gemessen durch eine Gelpermeationschromatographie. Das Dispersionsmittel kann ein Natriumpolyacrylat sein, wie kommerziell erhältlich als COLLOID 211, hergestellt von Vinings Industries Inc., Marietta, Georgia, oder ACUMER 9300 hergestellt von Rohm & Haas, Philadelphia, Pennsylvania, oder DISPEX 2695 Dispergiermittel, erhältlich von Allied Colloids, Suffolk, Virginia (z. B. zugegeben auf einer 0,8% aktiven Gewichtsbasis).
  • Untersuchungen haben gezeigt, dass wenn eine agglomerierte und dispergierte PCC-Aufschlämmung mit 15 bis 25 Gew.% typischerweise mit 18 bis 20 Gew.% Feststoffen in eine Vollmantelzentrifuge eingeführt wird, ein Entwässern auf 70 bis 80% Feststoffe erzielt werden kann. In Abwesenheit eines chemischen Dispergiermittels, kann die gleiche PCC-Aufschlämmung mit 18 bis 20 Gew.% Feststoffen nur auf ungefähr 50% Feststoffe entwässert werden. Die Verwendung eines Dispergiermittels um starker entwässerte Feststoffe zu erhalten ist unerwartet, da das herkömmliche Wissen gelehrt hat, dass bessere Entwässerungsraten normalerweise in einer Dekantierzentrifuge und höheren resultierenden Feststoffgehalten erzielt werden, wenn pigmentartige Produkte in die Zentrifuge in einer ausgeflockten, nicht dispergierten Form zugeführt werden. In der vorliegenden Erfindung erscheint es, dass die Verwendung eines Dispersionsmittels die Freigabe von Wasser unterstützt, welches mit dem PCC-Produkt verbunden ist, insbesondere in dem Fall von rhomboedrsch geformten PCC, so dass mehr freies Wasser in dem Überfluss bzw. Abfluss der Zentrifuge existiert und ein PCC-Produkt mit mehr Feststoffen daher in dem Unterfluss existiert. Während man nicht zu diesem Zeitpunkt an eine bestimmte Theorie gebunden sein möchte, nimmt man unabhängig davon an, dass PCC-Aggregate, umfassend die rhomboedrisch geformten PCC-Kristalle, eine erhöhte Porosität aufweisen und daher eine erhöhte Wasserretention. Die Anwesenheit des Dispergiermittels während des Dekantierens, gemäß der vorliegenden Erfindung, soll die Freigabe des Wassers unterstützen, welches in den Zwischenräumen zwischen den rhomboedrisch geformten Kristallen gehalten wird. Daher nimmt man an, dass sich dieses Austreiben des ansonsten von dem PCC festgehaltenen Wassers in einem erhöhten Feststoffgehalt in der dekantierten PCC-Aufschlämmung übersetzt, wie bis zu 75% Feststoffen oder sogar mehr. Dieser neue „dispergierte" Entwässerungsschritt eliminiert dann die Notwendigkeit des Verdampfungsschrittes in den jetzigen Verfahrensabläufen. Das heißt, die Fähigkeit solch hohe Feststoffgehalte in der Dekantierstufe des Verfahrens zu erzielen, ermöglicht es, auf die Notwendigkeit einer seperaten Verdampfungsbehandlung zu verzichten. Da die Verdampfungsbehandlung, die herkömmlicherweise benötigt wird, um den Feststoffgehalt der PCC-Aufschlämmung zu erhöhen, sowohl im Bezug auf die Kapitalkosten als auch die Betriebskosten teuer ist, stellt das neuartige Verfahren die Aufschlämmung gemäß der vorliegenden Erfindung zu zentrifugieren, einen bedeutenden Vorteil auf dem Gebiet dar, entweder in Alleinstellung oder integriert in einen Verfahrensablauf unter Verwendung des einzigartigen Verfahrens zur Behandlung von PCC, wie hier beschrieben. Die Verwendung einer Vollmantelzentrifuge zum Entwässern ist sehr viel wirtschaftlicher als der jetzige Verdampfungsschritt. Das zentrifugierende Entwässern weist niedrigere Betriebskosten und Kapitalkosten als die Verdampfung auf.
  • Wahlweise kann die dispergierte, gemahlene PCC-Aufschlämmung 25' vor dem Dekantieren einem magnetischen Trennungsverfahren 26 unterworfen werden, obwohl dieses nicht notwendig ist, um alle magnetisierbare schwarzgefärbten Verunreinigungen aus der PCC-Aufschlämmung zu entfernen. Eine bekannte Art eines magnetischen Separators ist ein magnetischer Teilchenseparator mit kontinuierlichem Fluss der Art, welche in dem US Patent Nr. 3,983,309 von Allen et al. beschrieben ist. Der magnetische Separator kann in einen Behälter eingefüllte Stahlwolle sein, und die Stahlwolle wird magnetisiert, wenn eine PCC-Aufschlämmung durch den Behälter gepumpt wird. Ein bevorzugter magnetischer Separator ist ein High Gradiant Magnetic Separator (HGMS), erhältlich von Eriez Magnetics, Inc., Erie, PA; Pacific Electric Motors, Inc. (PEM), Oakland, CA; Carpco, Jacksonville, FL; und andere). Dieser magnetische Separator mit hoher Intensität ist, wenn er verwendet wird, sehr wirksam um feine Verunreinigungen in Mikrometergröße mit einer paramagnetischen Eigenschaft abzutrennen, wie auch die starker magnetischen ferromagnetischen Partikel. Der Schritt der magnetischen Trennung könnte auch in anderen Stufen der Herstellung und Verarbeitung des PCCs stattfinden.
  • In jedem Fall neigt die Form und Konsistenz der PCC-Feststoffe, die nach dem nichtdispergierten Mahlen mit Mahlkörpern und dispergiertem Entwässern mit einer Dekantierzentrifuge erhalten werden, dazu einem dicken Schlamm oder Matsch ähnlich zu sein und manchmal einem halbfesten „bröckeligem" Material. Nach dem Dekantieren muss das entwässerte PCC-Material etwas mit einer wässrigen Lösung verdünnt werden, welche ein organisches Dispergiermittel enthält, wie solche, welche bereits oben beschrieben wurden (z. B. Natriumpolyacrylat). Die Menge des für diesen Schritt zugegebenen organischen Dispergiermittels beträgt ungefähr 0,01 bis 2,0 Gew.%, bezogen auf das Trockengewicht des PCC, welches in der Aufschlämmung vorhanden ist, wie benötigt, um ein Minimum der Aufschlämmungsviskosität zu erzielen. Daher wird unmittelbar vor einem Inline-Rotor/Statormischverfahren mit hoher Scherung, welches beschrieben werden wird, das entwässerte PCC-Produkt flui disiert und erneut durch eine geringe Zugabe von wässriger Dispersionsmittellösung, welche wirksam das Material mit hohem Feststoffgehalt von ungefähr 75% Feststoffen auf ungefähr 72 bis 74% Feststoffen nach unten verdünnt, redispergiert, worauf die pumpbare Aufschlämmung einem Inline-Rotor/Statormischverfahren mit großer Scherbung unterworfen werden kann. Zu diesem Zeitpunkt wird die resultierende PCC-Aufschlämmung 27'' mit ungefähr 72 bis 74 Gew.% Feststoffgehalt durch eine Inline-Rotor/Stator-Mischer mit großer Scherung geführt, wie in 2 dargestellt ist.
  • Die herkömmliche Annahme war, dass axiale Durchflussmischer, wie Saugrohre, bestehend aus einem zylindrischen Gehäuse um ein axiales Flügelrad, wie rotierende Flügelräder vom „Cowles"-Typ, wie in 4 dargestellt, flache Plattenflügelräder mit Sägezahnkanten umfassen, die gut geeignet waren, um Aufschlämmungen und Suspensionen aus Feststoffen zu handhaben. Die Inline-Rotor/Statormischer 29 mit großer Scherung und ummantelten Turbinen, bestehend aus einem Rotor 31 und einem Stator 30, wie in den 3a bis 3c dargestellt, stellen jedoch ein hohes Maß an radialem Fluss und Scherwirkung sicher, und keinen axialen Fluss.
  • Bezugnehmend auf die 3a bis 3c ist der Rotor 31 in einer Hochgeschwindigkeitsrotation um die Welle 35 angebracht, wohingegen der stationäre Stator 30 der Rotor 31 ringsum bzw. peripher umgibt. Die Aufschlämmung wird in einen Eintrittsbereich 32 eingeführt, und wird von dort durch Rotorschlitze 34 in die Spalte 36 zwischen dem Stator und dem Rotor 31 eingeführt. Die Aufschlämmung wird einer starken radialen Scherströmung in der Spalte 36 unterworfen und läuft dann durch die Statorschlitze 37 zu einem Auslassbereich 33, wo die gescherte Aufschlämmung für die weitere Verarbeitung gesammelt wird. Zu Vergleichszwecken zeigt 4 den Aufbau eines herkömmlichen Flügelrades 40 vom „Cowles"-Typ, welches unter anderem zur Rührung einer PCC-Aufschlämmung verwendet wurde. „Cowles"-Mischer 40 richten sich mehr darauf, dass Fluid einer axialen Flussmischung zu unterwerfen, wohingegen die Rotor- und Statormischer mit hoher Scherbeanspruchung funktionieren, indem das Fluid der Wirkung einer radialen Scherströmung unterworfen wird.
  • Das heißt, der Hochgeschwindigkeitsrotor 31 beschleunigt das Aufschlämmungsmaterial und stößt es mit einer hohen Geschwindigkeit durch den Stator 30. Die enge Spalte 36 in der radialen Richtung wird zwischen dem stationären Stator 30 und dem Rotor 31 definiert, welche innerhalb dem vertikal und konzentrisch umgebend den Stator 30 rotiert, und die zu bearbeitende Aufschlämmung wird unter Druck durch die enge Spalte oder den Abstand 36 geführt, welcher zwischen den Flügeln bzw. Blättern des Rotors 31 bereitgestellt ist und der inneren konkaven Oberfläche des Stators 30. Die Aufschlämmung wird einer Hochgeschwindigkeitsscherströmung unterworfen, indem sie durch die enge Spalte 36 in der radialen Richtung zwischen dem Rotor 31 und dem Stator 30 durchgeführt wird. Das heißt, die engen Abstände zwischen dem Rotor 31 und dem Stator 30, kombiniert mit der hohen Gegeschwindigkeit verleiht dem Material hohe Scherraten während es über und durch die Flächen des Rotors und Stators geführt wird. Die Spalteneinstellung für die Spalte 36 zwischen dem Rotor und dem Stator 30 liegt typischerweise zwischen 0,25 bis 1,5 mm für die Handhabung und die Verarbeitung der PCC-Aufschlämmungen gemäß dieser Erfindung.
  • Bemerkenswerterweise führt der Inlinemischer 29 mit hoher Scherung basierend auf der Wirkung des Rotors und Stators zu einer PCC-Aufschlämmung 29' mit ungefähr 72 bis 74 Gew.% Feststoffen, welche eine Qualität mit Beschichtungsgüte aufweist. Das heißt, es hat sich herausgestellt, dass der Inline-Rotor- und Statormischer 29 die Hochscherviskosität der PCC-Aufschlämmung verbessert hat (d. h. reduziert hat) ohne die PCC-Teilchenstrukturen zu verschlechtern. Das heißt die Hochscherviskositätseigenschaft (Herkules) der PCC-Aufschlämmung 27'' wurde reduziert, wenn sie der Wirkung des Inline-Rotor- und Statormischers 29 unterworfen wurde, ohne die Neigung (Teilchengrößenverteilung) unerwünschterweise zu erhöhen und/oder die mittlere Teilchengröße des aufgeschlämmten PCC auf irgendeine Weise zu erhöhen. Das heißt, es hat sich herausgestellt, dass das Inline-Mischen mit großer Scherung unter Verwendung eines Rotor/Statorflügelradaufbaus die Rheologie des PCCs mit hohem Feststoffgehalt nach dem Dekantieren gemäß dieser Erfindung verbessert, oder nach einem herkömmlichen Verdampfungsverfahren, ohne eine strukturelle Beschädigung bei dem kristallinen PCC-Produkt zu erzeugen. Das heißt, es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass das Rotor/Statormischen die Herkules-Hochscherviskosität einer PCC-Aufschlämmung mit hohem Feststoffgehalt reduziert, während die PCC-Eingangsgrößenverteilung (Neigung) sichergestellt wird und ohne die mittlere Teilchengröße zu reduzieren. Kommerziell erhältliche Inline-Rotor/Statormischer zur Ausübung dieser Erfindung in dieser Beziehung sind erhältlich, z. B. von IKA Works Inc., Wilmington, North Carolina 28405 und von Charles Ross and Son Company, Hauppage, NY 11788, einschließlich der Modelle ME-410/420X und 450X.
  • Während man zur Zeit nicht an eine bestimmte Theorie gebunden sein möchte, wird unabhängig davon postuliert, dass die Inline-Rotor/Statormischer mit großer Scherbung sehr wirksam sind, beim Einbinden und Dispergieren organischer Dispergiermittel auf den Oberflächen der PCC-Teilchen, ohne eine strukturelle Beschädigung der PCC-Teilchen zu bewirken. Indem die Menge und Gleichförmigkeit des Dispergiermittels erhöht wird, welches von den Oberflächen des rhomboedrischen PCCs aufgenommen wird, nimmt man an, dass der Inline-Rotor/Statormischer mit großer Scherung wirksam zu der beobachteten Verringerung der Herkules-Scherviskosität führt, ohne die PCC-Teilchenstruktur zu verschlechtern.
  • Die Hauptvorteile der Verringerung der Herkulesviskosität einer PCC-Aufschlämmung mit Beschichtungsgüte ist, dass die wässrige Zusammensetzung eine verbesserte Pumpbarkeit aufweist und höhere Feststoffgehalte erzielt werden können, wodurch die Beschichtungsimmobilisierung bei dem Aufbringen der Beschichtung auf ein Papiersubstrat vereinfacht wird, und wodurch auch eine verbesserte Beschichtungsverdruckbarkeit in Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsvorrichtungen erzielt wird (d. h. Kratzer in der Beschichtung werden reduziert). Für eine verbesserte Papierbeschichtungsverdruckbarkeit und Aufschlämmungspumpbarkeit wird eine geringe Herkules-Hochscherviskosität, d. h. zum Beispiel weniger als 18+ Dyn bei 700 Umdrehungen je Minute gewünscht, ein Ziel, das durch diese Erfindung erzielt wird. Für den Zweck dieser Offenbarung, es sei denn es ist anders angegeben, sind die her beschriebenen und beanspruchten Herkules-Hochscherviskositätswerte Werte, gemessen bei ungefähr 25°C unter Verwendung eines Herkules-Vochscherviskosimeters Modell DV-10, hergestellt von Kaltec Scientific Company, Novi, Michigan 48375, mit einem A-Bob, welcher mit 1.100 Umdrehungen je Minute rotiert (maximal).
  • In einem alternativen Aufbau der vorliegenden Erfindung kann der Inline-Mischschritt mit großer Scherung in einen herkömmlichen Verfahrensablauf für PCC integriert werden, wie: (1) nach einem herkömmlichen Verdampfungsverfahren, oder (2) zusammen mit einem Aufschlämmungsverdampfungsverfahren, oder (3) kann zusammen mit dem Verdampfungsverfahren eingesetzt werden, wenn die PCC-Aufschlämmung, welche verarbeitet wird, durch einen Verdampfer rezirkuliert wird, oder (4) auf jede dispergierte PCC-Aufschlämmung mit hohem Feststoffgehalt, welche durch andere Entwässerungseinrichtungen hergestellt ist. Wenn er verwendet wird, ist der Typ des Verdampfers nicht besonders beschränkt, solang es sich um jede geeignete Dehydriervorrichtung oder -system handelt, welches geeignet ist, wässrige Aufschlämmungen mit hohem Feststoffgehalt zu entwässern. Geeignete Aufschlämmungsentwässerungssystem in diesem Zusammenhang umfassen solche, die kommerziell für diese Verwendung bekannt sind oder bekannt waren, wie herkömmlich bekannte Sprühtrocknungsverfahren für diesen Zweck, bekannte Entwässerungssysteme für Mineralaufschlämmungen unter Verwendung von indirekten Wärmeaustauschmitteln in Systemen auf der Basis von Verdampfern, oder ein Wasserextraktionssystem, wie das in dem US Patent Nr. 3,486,740 beschriebene, deren Lehren hier durch Bezugnahme aufgenommen sind. Eine andere geeignete Entwässerungsanordnung ist hier in den Beispielen beschrieben.
  • Experimentelle Stabilitäts-/Alterungsuntersuchungen wurden auch an den mit Rotor/Stator verarbeiteten hochscherkonditionierten PCC-Aufschlämmungen, welche durch diese Erfindung hergestellt wurden, durchgeführt, und man hat herausgefunden, dass die Vorteile der hohen Scherrheologie echt waren und nicht temporär hinsichtlich der Dauer. Die Verwendung der Inline-Rotor/Statormischer mit großer Scherung lösen auch Verfahrensprobleme, die sonst mit der Verwendung eines Verdampfers verbunden sind, wie die Pumpbarkeit der Aufschlämmung und den Fluss der Aufschlämmung durch die Wärmeaustauscher, und führt zu einem überragenden PCC-Beschichtungsprodukt.
  • Die mittlere Teilchengröße der PCC-Teilchen der PCC-Aufschlämmungen mit hohem Feststoffgehalt, welche durch die Verarbeitung gemäß dieser Erfindung erhaltbar sind, liegt im Allgemeinen in dem Bereich von ungefähr 0,25 bis 2,0 μm, und noch typischer zwischen 0,5 bis 1,0 μm, und innerhalb einer relativ engen Größenverteilung, definiert durch eine Neigung von weniger als ungefähr 1,8 und noch bevorzugter weniger als ungefähr 1,75 und mit einer TAPPT Helligkeit von mehr als 96, noch typischer mehr als 97. Zum Zweck dieser Erfindung wird die Teilchengröße des PCC-Pigments durch einen Sedigraph-Teilchengrößenanalysator (Modell 5100, hergestellt von Micromeritics Instruments Corp., Norcross, GA) gemessen. DIE TAPPT Helligkeit wird für das trockene Pigment unter Verwendung eines TechnidyneTechnibrite-Micro-TB-1C Helligkeitsmessers gemessen, hergestellt von der Technidyne Corporation, New Albany, Indiana.
  • Die gemäß der oben beschriebenen Verfahrensabläufe hergestellten PCC-Aufschlämmungen sind besonders geeignet als Beschichtungspigmente in Papierbeschichtungszusammensetzungen verwendet zu werden. Wenn sie auf diese Weise verwendet werden, wird die PCC-Aufschlämmung zusammen mit einem Bindemittel verwendet, wie jedes bekannte Papierbeschichtungsbindemittel, wie Latizes, Proteine, Stärke, Kasein, Acrylpolymere, Styrolbutadiengummi und so weiter. Die Bindemittel werden in einer Menge von im Allgemeinen ungefähr zwischen 1 bis 20 Gewichtsteile bezogen auf das gesamte Trockengewicht aller Pigmente, die in der Beschichtung vorhanden sind, verwendet. Die Pigmentaufschlämmung enthält wenigstens 65 Gew.% PCC, wie oben angegeben, und noch bevorzugter zwischen 70 und 80 Gew.% PCC, vor der Zugabe des Bindemittels und anderer möglicher Papierbeschichtungsbestandteile, die hier beschrieben sind. Die möglichen Papierbeschichtungsbestandteile umfassen einen Verdicker, z. B. Natriumkarboxylmethylzellulose oder synthetische Acrylverdicker, die auf dem Gebiet der Papierbeschichtung bekannt sind. Der Verdicker, sofern er verwendet wird, wird in einer Menge von nicht mehr als ungefähr 2 Gewichtsteile bezogen auf das gesamte Trockengewicht aller vorhandenen Pigmente zugegeben. Des weiteren können andere Pigmente neben PCC, wie Kaolinton, gemahlenes Kalziumkarbonat, Titandioxid, kalzinierter Ton, Talk, Kalziumsulfat und so weiter in Kombination mit dem PCC in der Papierbeschichtungszusammensetzung verwendet werden. Diese anderen Pigmente können in Mengen von ungefähr 20 bis 80 Gewichtsprozent bezogen auf das Gesamtgewicht des trockenen Pigments in der Beschichtung verwendet werden.
  • Die folgenden nicht beschränkenden Beispiele sollen lediglich bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutern und sollen die Erfindung nicht beschränken, deren Umfang durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Alle Teile, Mengen, Gewichte, Prozentangaben und Verhältnisse, die in den Beispielen beschrieben sind, beziehen sich auf das Gewicht, es sei denn, es ist anders angegeben.
  • Beispiel 1
  • Um die Wirkung der Verwendung eines mehrstufigen Nassmahlens mit Mahlkörpern mit geringem Feststoffgehalt zu untersuchen, um eine grobe PCC-Aufschlämmung zu zerkleinern, wurden Proben aus rhomboedrischen PCC-Pigment mit einer mittleren Teilchengröße von ungefähr 1,5 μm (Sedigraph), nomineller 7 m2/g BET Oberfläche, und einem 75/25-Neigungswert von 1,55, einer mehrstufigen Mahluntersuchung unterworfen.
  • In einem anfänglichen Versuch wurden insgesamt 340,65 l (90 Gallonen) PCC-Aufschlämmung in mehreren Durchgängen in einer einzelnen 15 l Premier Horizontalmühle mit Mahlkörpern nass gemahlen, mit einer Kugelbeladung von 80 Vol.% 0,8 bis 1,0 mm Zirkoniumsiliziumdioxid-Kugeln, mit 900 Umdrehungen je Minute und mit einem nichtdispergierten Aufschlämmungseinsatzmaterial mit 20 Gew.% Feststoffen und einer 1,2 GPM-Zuführrate. Nach vier Durchgängen durch die Mühle führte das Mahlverfahren zu einer mittleren Teilchengröße (Sedigraph) von 0,69 μm mit einem 75/25-Neigungswert von 1,96. Bei dem Betrieb mit diesem niedrigen Feststoffwerten zeigen die experimentellen Ergebnisse, dass ein einzelner Durchgang durch die Harizontalmühle mit Mahlkörpern ein ausreichendes Mahlen bereitstellt, um das PCC-Beschichtungsprodukt mit der gewünschten mittleren Teilchengröße und dem Neigungswert herzustellen. Bei den angegebenen mehrfachen Durchgängen mit geringem Feststoffgehalt (wobei alle anderen Bedingungen gleich gehalten wurden, führt das Verfahren zu dem PCC-Beschichtungsprodukt mit der gewünschten mittleren Teilchengröße und einem sehr geringen Neigungswert. Im direkten Vergleich führte ein Durchlauf mit nassem Mahlen des gleichen PCC-Materials, welches auf 50% Feststoffe konzentriert wurde, und anschließend mit 0,8% aktiven Dispex 2695 Dispersionsmittel vor dem Einführen in die Mühle mit Mahlkörpern dispergiert wurde, zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen. Bei einem einzelnen Durchgang mit hoher Energie, welcher einen spezifischen Energieeinsatz von ungefähr 40 kW-h/t einsetzte, wurde ein PCC-Produkt bereitgestellt, das eine mittlere Teilchengröße (Sedigraph) von ungefähr 0,65 μm mit einem 75/25-Neigungswert von 1,89 zeigte. Die festgestellte Zunahme des Neigungswertes von 1,69 auf 1,89 als eine Funktion des eingesetzten Mahlverfahrens (d. h. ein Mahlverfahren mit mehreren Durchgängen mit geringem Feststoffgehalt, nicht dispergiert, gegenüber einem Mahlen in einem einzelnen Durchgang mit viel Feststoffen, dispergiert) stellt eine deutlich unerwünschte Verbreiterung der PCC-Teilchengrößenverteilung dar, welche sich in einem Verlust der Papierbeschichtungsleistung überträgt.
  • In einer weiteren Reihe von Untersuchungen unter Verwendung einer 1,5 l horizontalen Premier-Kugelmühle wurde die relative Bedeutung der unterschiedlichen Mahl- und Verfahrensparameter in Bezug auf die Mahlwirksamkeit und die Qualität des resultierenden Produktes beim Durchführen eines Mahlens von nichtdispergierten PCC mit wenig Feststoffen weiter untersucht, durch die Verwendung von experimentellen Aufbau- und Analyseverfahren. Beim Durchführen dieses DOE (Design of Experiments) Programms wurde das gleiche PCC-Einsatzmaterial, wie oben beschrieben, mit einer BET Oberfläche von 7 m2/gm, eingesetzt. Die erste Mahluntersuchung (Durchlauf 1) setzte den 1,5 l Premier Mahldurchgang mit 70 Vol.% Kugelbeladung unter Verwendung von 1,6 bis 2,5 mm Zirkoniumsiliziumdioxid Kugeln ein. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 1.500 Umdrehungen je Minute mit einer Verweildauer von 30 Sekunden und mit einer nichtdispergierten Einsatzaufschlämmung mit 20% Feststoffen betrieben. Bei dem 9. Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,75 μm, mit einem Neigungswert von 1,67. Es wurde entschieden, dass diese Mahlung zu langsam ist, um praktisch zu sein, und die Untersuchung wurde abgebrochen.
  • Die nächste Untersuchung (Durchlauf 2) setzte den Mahldurchgang mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit den 1,6 bis 2,5 mm Zirkoniumsiliziumdioxid Kugeln ein. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 2.000 Umdrehungen je Minute, mit einer Verweildauer von 45 Sekunden betrieben und mit einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 20% Feststoffen. Bei dem sechsten Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,63 μm mit einem Neigungswert von 1,85.
  • Das nächste Experiment (Durchlauf 3) war eine Wiederholung von Durchlauf 2. Bei dem siebten Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,61 μm, mit einem Neigungswert von 1,86.
  • Die nächste Untersuchung (Durchlauf 4) setzte einen Mahldurchgang mit 70 Vol.% Kugelbeladung ein, unter Verwendung von 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxid Kugeln. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 2.000 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 30 Sekunden und einer nichtdispergierten Einsatzaufschlämmung mit 20 Gew.% Feststoffen. Bei dem siebten Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,63 μm, mit einem Neigungswert von 1,70.
  • Die nächste Untersuchung (Durchlauf 5) setzte die Mühle mit 70 Vol.% Kugelbeladung ein, mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxid Kugeln. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 1.500 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 45 Sekunden, und einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung von 20 Gew.% Feststoffen. Bei dem fünften Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,63 μm mit einem Neigungswert von 1,70.
  • Die nächste Untersuchung (Durchlauf 6) setzte die Mühle mit 80 Vol.% Kugelbeladung ein, mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxid Kugeln. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 1.500 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 30 Sekunden, und einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 20 Gew.% Feststoffen. Bei dem fünften Durchlauf durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,61 μm, mit einem Neigungswert von 1,64.
  • Die nächste Untersuchung (Durchlauf 7) war eine Wiederholung des Durchlaufs 6. Bei dem fünften Durchlauf durch die Mühle, betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,62 μm mit einem Neigungswert von 1,66.
  • Die nächste Untersuchung (Durchlauf 8) setzte die Mühle mit 80 Vol.% Kugelbeladung ein, mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxid Kugeln. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 2.000 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 45 Sekunden und einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 30 Gew.% Feststoffen. Bei dem dritten Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,58 μm, mit einem Neigungswert von 1,72.
  • Die nächste Untersuchung (Durchlauf 9) verwendete die Mühle mit 70 Vol.% Kugelbeladung, mit 0,6 bis 0,8 Zirkoniumsiliziumdioxid Kugeln. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 1.500 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 30 Sekunden und einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 30 Gew.% Feststoffen. Bei dem vierzehnten Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,57 μm, mit einem Neigungswert von 1,59.
  • Die nächste Untersuchung (Durchlauf 10) war eine Wiederholung des Durchlaufs 9. Bei dem vierzehnten Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,63 μm, mit einem Neigungswert von 1,62. Tabelle 1
    Durch lauf % Feststoffe der PCC-Aufschlämmung % Kugelbeladung (%Vol) FPM Verweildauer, Sekunden Endgültige mittlere Teilchengröße, μm Anzahl an Durchläufen 75/25-Neigung Kugelgröße, mm
    1 20 70 1.500 30 0,74 9 1,67 1,6–2,5
    2 20 80 2.000 45 0,63 6 1,62 1,6–2,5
    3 20 80 2.000 45 0,61 7 1,86 1,6–2,5
    4 20 70 2.000 30 0,63 7 1,70 0,6–0,8
    5 20 70 1.500 45 0,63 5 1,70 0,6–0,8
    6 20 80 1.500 30 0,61 5 1,64 0,6–0,8
    7 20 80 1.500 30 0,62 5 1,66 0,6–0,8
    8 30 80 2.000 45 0,58 3 1,72 0,6–0,8
    9 30 70 1.500 30 0,57 14 1,59 0,6–0,8
    10 30 70 1.500 30 0,63 14 1,62 0,6–0,8
  • Es wird festgehalten, dass die „% Kugelladung (Vol.%)" Werte, die in Tabelle 1 angegeben sind, wie auch in Tabelle 2, berechnet wurden, wobei das tatsächliche Volumen der Kugeln plus die Leerräume zwischen den Kugeln mit eingeschlossen wurde (d. h. das Leervolumen zwischen den Mahlkörper). Daher betreffen die angegebenen Kugelvolumen in Beispiel 1 eher einen Schüttgutdichtewert als einen Dichtewert.
  • Des weiteren kann das anfängliche P/M-Teilchenverhältnis (d. h. die Anzahl der Ausgangs-PCC-Teilchen relativ zu der Anzahl der Mahlkörperteilchen, welche in den Mahldurchläufen vorhanden sind) bei dem Durchlauf 3 (80%Kugelladung, 20 Gew.% Feststoffe, mittlere Größe 0,6 bis 0,8 mm, anfängliche Teilchengröße des PCC-Einsatzmateriais von 1,5 μm) als ungefähr 9 Millionen berechnet werden. Im Gegensatz dazu umfasst eine PCC-Aufschlämmung, die gemäß des Schematas in 1 unter Verwendung von 50 Gew.% PCC-Feststoffen in der PCC-Einsatzaufschlämmung (mittlere Größe 0,6 bis 1,0 mm, Kugelbeladung 80 bis 85 Vol.%, anfängliche Teilchengröße 1,5 μm) gemahlen wurde, einen anfänglichen P/M-Verhältniswert von ungefähr 50.000.000. Dieser Unterschied der P/M-Verhältniswerte zwischen dem Mahlen, welches gemäß dieser Erfindung durchgeführt wurde, gegenüber einem herkömmlichen Schemata, ist ein Hinweis auf die einzigartigen Mahlbedingungen, die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, und welche gezeigt haben, dass sie die Ausbeute einer relativ engen Teilchengrößenverteilung in dem gemahlenen Produkt unterstützen. Das heißt, die erfindungsgemäßen Mahlbedingungen haben sich als wirksam erwiesen, um das PCC-Agglomeratprodukt, welches aus dem PCC-Synthesereaktionsschritt stammt, in primären PCC-Bestandteilteilchen aufzubrechen, ohne die befreiten primären Teilchen zu mahlen, um eine Menge an feinen und ultrafeinen Teilchen zu erzeugen, welche unerwünschterweise die Teilchengrößenverteilung in dem Produkt verbreitern würden.
  • Die folgenden zusätzlichen PCC-Mahluntersuchungen wurden in einer 1,5 l Premier Mühle durchgeführt, um den Umfang der erhältlichen DOE-Werte auszudehnen, um so die Wirkungen der Prozentanteile Feststoffgehalt des Einsatzmaterials, die Kugelbeladung, die Rotorgeschwindigkeit und die Verweildauer in der Mühle weiter zu ermitteln.
  • Die nächste Mahluntersuchung (Durchlauf 11) umfasste die Mühle, welche mit einer 75 Vol.% Kugelbeladung betrieben wurde, unter Verwendung von 1,0 bis 1,25 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 1.750 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 37,5 Sekunden und einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 25 Gew.% Feststoffen. Nach dem 13. Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,63 μm mit einem Neigungswert von 1,67.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 12) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung aus 1,0 bis 1,25 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 1.750 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 30 Sekunden und einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 30 Gew.% Feststoffen. Nach dem achten Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,64 μm mit einem Neigungswert von 1,65.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 13) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxid Kugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 2.000 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 30 Sekunden und mit einer Einsatzaufschlämmung mit 30 Gew.% Feststoffen. Nachdem vierten Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,61 μm, mit einem Neigungswert von 1,62.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 14) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 1.500 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 30 Sekunden und einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 30 Gew.% Feststoffen. Nachdem fünften Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,62 μm, mit einem Neigungswert von 1,63.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 15) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 1.500 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 45 Sekunden und mit einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 30 Gew.% Feststoffen. Nach dem vierten Durchgang durch die Mühle war betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,60 μm, mit einem Neigungswert von 1,63.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 16) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 2.000 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 45 Sekunden und einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 20 Gew.% Feststoffen. Nach dem dritten Durchgang durch die Mühle, betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,57 μm, mit einem Neigungswert von 1,76.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 17) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 2.000 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 37,5 Sekunden und mit einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 20 Gew.% Feststoffen. Nach dem dritten Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,60 μm, mit einem Neigungswert von 1,71.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 18) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 1.500 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 45 Sekunden und mit einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 20 Gew.% Feststoffen. Nach dem vierten Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,59 μm, mit einem Neigungswert von 1,70.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 19) wurde die Mühle mit einer 85 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 2.000 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 30 Sekunden und mit einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 30 Gew.% Feststoffen. Nach dem dritten Durchgang durch die Mühle war betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,56 μm, mit einem Neigungswert von 1,69. Nach 24 Stunden veränderten sich diese Werte auf eine mittlere Teilchengröße (Sedigraph) von 0,58 μm, mit einer Neigung von 1,66.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 20) wurde die Mühle mit einer 85 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 2.000 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 30 Sekunden und mit einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 20 Gew.% Feststoffen. Nach dem dritten Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,55 μm, mit einem Neigungswert von 1,80. Diese Untersuchung wurde anschließend wiederholt (als Durchgang 21) und nach dem dritten Durchgang war betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,56 μm, mit einem Neigungswert von 1,80.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 22) wurde die Mühle mit einer 85 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 2.000 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 30 Sekunden und mit einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 20 Gew.% Feststoffen. Nach dem dritten Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,56 μm, mit einem Neigungswert von 1,80.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 23) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 1.500 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 45 Se kunden und mit einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 24 Gew.% Feststoffen. Nach dem dritten Durchgang durch die betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,62 μm, mit einem Neigungswert von 1,66.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 24) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 1.500 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 45 Sekunden und mit einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 20 Gew.% Feststoffen. Nach dem vierten Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,60 μm, mit einem Neigungswert von 1,75.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 25) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 2.000 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 30 Sekunden und mit einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 20 Gew.% Feststoffen. Nach dem vierten Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,59 μm, mit einem Neigungswert von 1,77.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 26) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 2.000 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 37,5 Sekunden und mit einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 20 Gew.% Feststoffen. Nach dem vierten Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,57 μm, mit einem Neigungswert von 1,78.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 27) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 1.750 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 30 Sekunden und mit einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 20 Gew.% Feststoffen. Nach dem vierten Durchgang durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,62 μm, mit einem Neigungswert von 1,72.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 28) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 2.000 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 30 Sekunden und mit einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 20 Gew.% Fest stoffen. Nach dem vierten Durchlauf durch die Mühle war betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,58 μm, mit einem Neigungswert von 1,72.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 29) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 1.750 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 37,5 Sekunden und mit einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 20 Gew.% Feststoffen. Nach dem vierten Durchlauf durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,59 μm, mit einem Neigungswert von 1,74.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 30) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 1.750 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 30 Sekunden und mit einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 20 Gew.% Feststoffen. Nach dem vierten Durchlauf durch die betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,62 μm, mit einem Neigungswert von 1,70.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 31) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 2.000 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 37,5 Sekunden und mit einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 20 Gew.% Feststoffen. Nach dem dritten Durchlauf durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,59 μm, mit einem Neigungswert von 1,73.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 32) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 1.500 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 45 Sekunden und einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 20 Gew.% Feststoffen. Nach dem vierten Durchlauf durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,61 μm, mit einem Neigungswert von 1,69.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 33) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 1.500 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 30 Sekunden und einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 20 Gew.% Feststof fen. Nach dem vierten Durchlauf durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,61 μm, mit einem Neigungswert von 1,65.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 34) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 2.000 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 30 Sekunden und mit einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 25 Gew.% Feststoffen. Nach dem vierten Durchlauf durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,61 μm, mit einem Neigungswert von 1,71.
  • Bei der nächsten Untersuchung (Durchlauf 35) wurde die Mühle mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidkugeln betrieben. Die Mühle wurde mit einer Rotorgeschwindigkeit von 1.750 FPM betrieben, mit einer Verweildauer von 37,5 Sekunden und mit einer nichtdispergierten Einsatzmaterialaufschlämmung mit 25 Gew.% Feststoffen. Nach dem vierten Durchlauf durch die Mühle betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,61 μm, mit einem Neigungswert von 1,67. Tabelle 2
    Durchl auf % PCC-Aufschlämmungsfeststoffe % Kugelbeladung (Vol.%) FPM Verweildauer, Sekunden Endgültige mittlere Teilchengröße, μm Anzahl an Durchlaufen 75/25-Neigung Kugelgröße, mm
    11 25 75 1.750 37,5 0,63 13 1,67 1,0–1,25
    12 30 80 1.750 30 0,64 8 1,65 1,0–1,25
    13 30 80 2.000 30 0,61 4 1,62 0,6–0,8
    14 30 80 1.500 30 0,62 5 1,63 0,6–0,8
    15 30 80 1.500 45 0,60 4 1,63 0,6–0,8
    16 20 80 2.000 45 0,57 3 1,76 0,6–0,8
    17 20 80 2.000 37,5 0,60 3 1,71 0,6–0,8
    18 20 80 1.500 45 0,59 4 1,70 0,6–0,8
    19 30 85 2.000 30 0,56 3 1,69 0,6–0,8
    20 20 85 2.000 30 0,55 3 1,80 0,6–0,8
    21 20 85 2.000 30 0,56 3 1,80 0,6–0,8
    22 20 85 2.000 30 0,56 3 1,80 0,6–0,8
    23 24 80 1.500 45 0,62 3 1,66 0,6–0,8
    24 20 80 1.500 45 0,60 4 1,75 0,6–0,8
    24 20 80 2.000 30 0,59 4 1,77 0,6–0,8
    26 20 80 2.000 37,5 0,57 4 1,78 0,6–0,8
    27 20 80 1.750 30 0,62 4 1,72 0,6–0,8
    28 20 80 2.000 30 0,58 4 1,72 0,6–0,8
    29 20 80 1.750 37,5 0,59 4 1,74 0,6–0,8
    30 20 80 1.750 30 0,62 4 1,70 0,6–0,8
    31 20 80 1.750 30 0,62 4 1,70 0,6–0,8
    32 20 80 1.500 45 0,61 4 1,69 0,6–0,8
    33 20 80 1.500 30 0,61 5 1,65 0,6–0,8
    34 25 80 2.000 30 0,61 4 1,71 0,6–0,8
    35 25 80 1.750 37,5 0,61 4 1,67 0,6–0,8
  • Die experimentellen Ergebnisse aus der DOE-Mahluntersuchung zeigten, dass die Verwendung einer nichtdispergierten PCC-Aufschlämmung und das Einsetzen von Mahlbedingungen mit Mahlkörpern und mit wenig Feststoffen (20 bis 30 Gew.%), mit einer Vielzahl von Durchläufen, so dass eine mittlere Teilchengröße (Sedigraph) von ungefähr 0,61 μm, mit einem 75/25-Neigungswert von ungefähr 1,61 bis 1,64 einfach aus einem rhomboedrischen PCC-Reaktionsprodukt mit einer ursprünglichen BET-Oberfläche von 7 m2/gm erzielt werden kann. Diese Zielteilchenwerte erfordern grob drei bis fünf Durchläufe durch eine Mühle mit Mahlkörpern unter Verwendung einer Verweildauer von 35 Sekunden mit einer Rotorgeschwindigkeit der Mühle von 1.500 FPM, mit einer 80 Vol.% Kugelbeladung mit 0,6 bis 0,8 mm Zirkoniumsiliziumdioxidmahlkörpern. Um die Vorteile des erfindungsgemäßen Mahlverfahrens zu zeigen, sollten die festgehaltenen Teilchenwerte mit Ergebnissen eines intensiven Mahlens mit einem Durchlauf, verglichen werden, welche (einer MPS = 0,65 μm und Neigung = 1,89) an dem analogen PCC-Reaktorprodukt erzielt wurde, welches in die Mühle in dispergierter Form mit hohem Feststoffgehalt (d. h. 50 Gew.%) eingeführt wurde.
  • Die Ergebnisse, die aus den DOE-Mahluntersuchungen erhalten wurden, sind grafisch in den 5a und 5b dargestellt und zeigen, dass die minimale mittlere Teilchengröße (Sedigraph) am besten erzielt wird, indem ein geringer (ungefähr 20 Gew.%) Feststoffgehalt in dem PCC-Aufschlämmungseinsatzmaterial, höhere Rotorgeschwindigkeiten und längere Verweildauern verwendet werden. Um jedoch den besten 75/25-Neigungswert zu erzielen, zeigen Bereiche höherer Feststoffgehalte (30 Gew.%) etwas bessere Ergebnisse als 20 Gew.% (siehe 6a und 6b), während bei einem gegebenen PCC-Feststoffgehalt ein besserer 75/25-Neigungswert bei einer bestimmten mittleren Teilchengröße erhalten wurde, wenn geringere Verweildauern und niedrigere Rotorgeschwindigkeiten eingesetzt wurden (siehe 7a und b und 7c für Testwerte, die bei 20% Feststoffen erhalten wurden). Die Anzahl an Durchläufen, die notwendig sind, um die gewünschte mittlere Teilchengröße von ungefähr 0,6 μm zu erzielen, wurde nicht beträchtlich durch die Feststoffe der Einsatzmaterialaufschlämmung bei niedrigen Verweildauern beeinflusst, wenn die Verweildauer jedoch zunimmt, weisen die Feststoffe des Einsatzmaterials eine zunehmende Wirkung auf. Im Allgemeinen, und wie in 7c deutlich wird, ist, je höher die Rotorgeschwindigkeit ist, desto niedriger die Anzahl an Durchläufen, die notwendig ist, um die gewünschte mittlere Teilchengröße zu erzielen. Bei einer festen Kugelbeladung, Mahlart und Rotorgeschwindigkeit der Mühle, reduziert eine erhöhte Verweildauer die Anzahl an Durchläufen durch die Mühle, die notwendig sind, um die gewünschte mittlere Sedigraphteilchengröße zu erzielen. Die obigen Verfahrensrichtungen werden aus den Darstellungen, die in den 5 bis 7 gezeigt sind, deutlich, welche alle aus experimentellen Testwerten der Tabelle 1 und Tabelle 2 bestimmt wurden, unter Verwendung der „Experimentation by DesignTM" Software, kommerziell erhältlich von ECHIP, Inc., 724 Yorklyn Road, Hockessin, Delaware, 19707 USA.
  • Beispiel 2
  • Die Wirkung eines organischen Dispersionsmittels, verwendet zusammen mit einer Vollmantelzentrifuge beim Entwässern einer vorgemahlenen PCC-Aufschlämmung mit niedrigem Feststoffgehalt wurde untersucht. Das PCC-Aufschlämmungsmaterial, das für diese Experimente untersucht wurde, war eines mit 20 Gew.% Feststoffen und die PCC-Teilchen wiesen eine BET-Oberfläche von 7,0 m2/g auf, eine mittlere Seidigraphteilchengröße von ungefähr 1,5 μm und eine Teilchengrößenverteilungsneigung von 1,55. Ein Teil dieses Materials mit 20 Gew.% Feststoffen wurde in eine 15 l Premier-Mühle eingeführt, unter Verwendung von 80 Vol.% Kugelbeladung (0,8 bis 1,0 mm Zirkoniumsiliziumdioxidmedien), 900 Umdrehungen je Minute und einer Zufuhrrate von 1,2 GPM. Nach drei Durchgängen betrug die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) 0,73 μm (Neigung von 1,69) und die Zufuhrrate wurde auf 1,5 GPM angehoben. Nach dem vierten Durchgang wurden 10 Gallonen des Materials mit 0,69 μm mittlerer Teilchengröße (Sedigraph), mit einer Neigung von 1,69, entnommen. Der Rest des Materials wurde anschließend noch dreimal durch die Premier-Mühle geleitet, um zu einer mittleren Teilchengröße (Sedigraph) von 0,61 μm zu führen, mit einer Teilchengrößenverteilungsneigung von 1,71.
  • Das oben beschriebene PCC-Aufschlämmungsmaterial, welches siebenmal gemahlen wurde, wurde anschließend mit 20 Gew.% Feststoffen in eine Bird-Vollmantelzentrifuge (Modell 4900, 6'' × 12'' kontinuierliche Vollmantelzentrifuge, kommerziell erhältlich von Bird Machine Co., South Walpole, Massachusetts) eingeführt, wobei 1,0% (aktive Basis) Colloid 211 Dispersionsmittel damit, nach dem Nassmahlverfahren und bevor es in die Solid-Bowl-Zentrifuge eingeführt wurde, vorgemischt wurde. Die Zentrifuge wurde mit 2.750 G betrieben, mit einer 0,25 GPM Zufuhr. Ein kleiner Anteil an Wasser enthaltend zusätzliches Dispersionsmittel wurde in die Zentrifuge eingeführt, um den Abfluss des Unterflusses zu erleichtern. Unter diesen Bedingungen dauerte es neun Minuten bevor ein Unterfluss aus der Zentrifuge abgelassen wurde. Der Überfluss betrug weniger als 1% Feststoffe und der Un terfluss betrug 78,89 Gew.% Feststoffe, mit einer mittleren Teilchengröße (Sedigraph) von 0,60 μm und einer Neigung von 1,76. Eine Zunahme der Zufuhrrate auf 0,5 GPM führte zu einem Überfluss von 7,60 Gew.%, mit einem Unterfluss von 80,71 Gew.% Feststoffen. Die mittlere Teilchengröße (Sedigraph) des Unterflusses betrug 0,61 μm und die Neigung betrug 1,73. Ein Anheben der Zufuhrrate auf 0,75 GPM führte zu einem Überfluss von 12,25 Gew.% Feststoffen. Der Unterfluss betrug 80,24 Gew.% Feststoffe mit einer mittleren Teilchengröße (Sedigraph) von 0,61 μm, mit einer Neigung von 1,71.
  • In einer getrennten Untersuchung wurde durch das Verringern der Einsatzmaterialfeststoffe auf 10 Gew.% und das Betreiben der Zentrifuge mit 2.750 G, mit einer Zufuhrrate von 0,5 GPM (und Fortsetzen der Dosierung von 1,0% (aktive Basis) Colloid 211 Dispersionsmittel), gezeigt, dass der Überfluss weniger als 1 Gew.% betrug. Der Unterfluss betrug 87,19 Gew.% Feststoffe, mit einer mittleren Teilchengröße (Sedigraph) von 0,60 μm und einer Neigung von 1,73. Ein Verringern der Zufuhrrate auf 0,25 GPM führte zu einem Unterfluss von 78,81 Gew.% Feststoffen, mit einer mittleren Teilchengröße (Sedigraph) von 0,58 μm, mit einer Neigung von 1,80.
  • Diese Ergebnisse zeigen, dass entwässerte PCC-Aufschlämmungen mit sehr hohen Feststoffgehalten, von soviel wie ungefähr 75 bis 80 Gew.% Feststoffen erhalten werden konnten, indem die vorgemahlene PCC-Aufschlämmung mit niedrigem Feststoffgehalt in einem organischen Dispersionsmittel in einer Vollmantelzentrifuge vordispergiert wurde, ohne die verbesserte Neigung aufzugeben, die in einem vorangehenden mehrstufigen Mahlverfahren erzielt wurde, durchgeführt gemäß eines weiteren Gegenstandes der Erfindung.
  • Beispiel 3
  • Eine Reihe von Untersuchungen wurden durchgeführt, um die Wirkung eines Inline-Rotor/Stator-Mischers mit Scherung auf die Hochscherviskosität eines sonst fertigen rhomboedrisches PCC-Aufschlämmungsprodukt mit hohem Feststoffgehalt zu untersuchen. Untersuchungen wurden unter Verwendung eines Inline-Rotor/Stator-Mischers, Ross Mischermodell Nr. Me-410X, erhalten von Charles Ross and Company, Happage, New York, durchgeführt, verwendet in Kombination mit einem einstufigen, Rezirkulationsverdampfer unter Verwendung eines PCC-Aufschlämmungsprodukt-Rezirkulationskreislaufes, wobei die Feststoffgehalte der Aufschlämmung kontinuierlich angehoben wurden. Das heißt, in dem Verdampferbetrieb wurde ein bestimmter Prozentanteil des PCC- Aufschlämmungsproduktstromes mit höherem Feststoffgehalt, welcher in den Verdampfer eintrat, zurück in den Eingangsstrom in den Verdampfer zurückgeführt, bis eine Steady-State Betriebsbedingung erzielt wurde, insofern die Feststoffgehalte der PCC-Aufschlämmung betroffen sind. In diesem Zusammenhang wurde herausgefunden, dass ein Rotor/Stator-Mischer einfach in den Rezirkulationskreislauf eingeführt werden konnte, um Verbesserungen der Hochscherviskosität in Aufschlämmungen mit hohem Feststoffgehalt zu bewirken.
  • Insbesondere war die Anordnung des Rotor/Stator-Mischers und des Verdampfers, verwendet in diesem Zusammenhang, wie folgt. Wie schematisch in 8 dargestellt, wurde ein integriertes Verdampfer und Rotor/Stator-Mischsystem 800 bereitgestellt, welches einen Entsalzungsentspanner (flash tank) 801 umfasste, welcher ungefähr 4ft oberhalb des Bodens getragen wurde (nicht dargestellt). Der Entsalzungsentspanner 801 wies eine Größe auf, um ein Flüssigkeitsmaß aufzunehmen, welches ungefähr 2,4384 m (8ft) oberhalb des Bodens erreichte. Von dem Boden des Entsalzungsentspanners 801 führte ein 3 inch PVC-Rohr einen PCC-Aufschlämmungsstrom 802 von dem Bodenbereich des Entsalzungsentspanners 801 zu einer 3 inch luftbetriebenen Diaphragmapumpe 803, welche auf dem Boden angeordnet war. Die Pumpe 803 könnte stattdessen auch eine Pumpe vom Zentrifugaltyp sein, wenn größere Durchsätze umfasst sind. Der Ausfluss 806 aus der Diaphragmapumpe 803 wurde zu einem Wärmetauscher 804 vom Platten- und Rahmentyp befördert, unmittelbar benachbart den Trägern (nicht dargestellt) für den Entsalzungsentspanner 801. Der Wärmetauscher 804 wurde mit einem Niederdruckdampf 805 (bis zu 1475,667 kPa (bis zu 200 psig)) unter manueller Steuerung erwärmt. Die erwärmte PCC-Aufschlämmung 807 trat aus dem Wärmetauscher 804 aus und stieg über ein Rückdruckventil 808 (welches verwendet wurde, um das Sieden in dem Wärmetauscher 804 zu unterdrücken) zu einem tangentialen Eintritt an dem Entsalzungsentspanner 801. Das PCC-Aufschlämmungseinsatzmaterial 811 (d. h. gemahlene synthetisierte PCC-Aufschlämmung) wurde in das System 800 über eine Verbindung eingeführt, welche zwischen dem Entsalzungsentspanner 801 und der Pumpenansaugseite an der Diaphragmapumpe 803 hergestellt wurde, obwohl die Einführung eines gegebenen Chargen-Volumens der PCC-Aufschlämmung, welche in dem System 800 verarbeitet werden sollte, an jeder geeigneten Position in dem System zu diesem Zweck eingeführt werden kann. Ein Ventil 817 wurde verwendet, um die Charge des PCC-Aufschlämmungseinsatzmaterials 811 in das System 800 zu steuern. Eine flüssige Ringvakuumpumpe 809 extrahiert Wasserdampf 810 von dem Oberteil des Entsalzungsentspanners 801 (und dient auch dazu, den Wasserdampf in der Pumpe zu kondensieren, das verdampfte Wasser aus dem System zu extrahierten).
  • Beim Betreiben des Systems 800 wurde der Verdampfer-Entsalzungsentspanner 801 auf ein angegebenes Maß angefüllt, und ohne anfänglich ein Teil der PCC-Aufschlämmung in einen Rotor/Stator-Mischer 813 abzuleiten, wurde das System 800 chargenweise betrieben, mit dem Aufschlämmungsstrom 802, welcher durch den Wärmetauscher 804 zurück zu dem Entsalzungsentspanner 801 zurück zirkuliert wurde, bis die Zielaufschlämmungsfeststoffgehalte von 65 Gew.% oder mehr in der Aufschlämmung in dem Produktstrom 802 erzielt wurde. Der Verdampfer wurde bei 65 bis 75°C betrieben, mit ungefähr 25 inch Vakuum in dem Entsalzungsentspanner 801. Die PCC-Aufschlämmung 802, welche aus dem Entsalzungsentspanner 801 austrat, wies über den Zeitraum einen höheren Feststoffgehalt auf, da Wasserdampfanteile 810 kumulativ aus dem erwärmten PCC-Aufschlämmungseinsatzmaterial 807 abgetrennt wurden (verdampften), während der Produktstrom 802 kontinuierlich durch den Wärmetauscher 804 rezykliert wurde und als die erwärmte Einsatzmaterialaufschlämmung 807 zurück in den Entsalzungsentspanner 801 geführt wurde.
  • Wenn der Feststoffgehalt in dem PCC-Produktstrom 802 das gewünschte Maß erzielte, wie 65 Gew.% oder mehr, war es dieser Zeitpunkt, das ein Teil der PCC-Aufschlämmung, welche in dem System 800 rezykliert wurde, durch den Rotor/Stator-Mischer 813 zur Behandlung abgetrennt wurde, während das System 800 Weiterbetrieben wurde. Um dieses durchzuführen, wurde ein Teil (im Allgemeinen ungefähr 20 bis 70 Vol.%, typischer ungefähr 40 bis 50 Vol.%) des konzentrierten Aufschlämmungsproduktes 802 entnommen und aus der Leitung 802' zwischen dem Pumpenauslass der Pumpe 803 und dem Einlass des Wärmetauschers 804 abgeteilt. Ein Ventil 814 wurde verwendet, um den Anteil der PCC-Aufschlämmung in der Leitung 802' zu steuern, welcher als ein Strom 815 abgeteilt wurde, und zu dem Rotor/Stator-Mischer 813 geführt wurde, während der Rest 806 des Stromes 802 weiter zu dem Wärmetauscher 804 geleitet wurde und zurück in den Entsalzungsspanner 801 rezykliert wurde. Daher wurde, während die konzentrierte Aufschlämmung 802 durch das Verdampfersystem 800 rezykliert wurde, ein abgespaltener Strom 815 aus dem Ablass der Rezirkulationspumpe der Pumpe 803 entnommen, und durch einen getrennten Kreislauf geführt, welcher durch den Rotor/Stator-Mischer 813, bevor er zurück in die Pumpenansaugseite der Pumpe 803 zusammen mit dem Strom 802 geführt wurde. Nachdem chargenweisen Verarbeiten der PCC-Aufschlämmung in dem System 800 auf diese Weise, wurde das PCC-Aufschlämmungsprodukt aus dem System 800 unter Verwendung einer Ablass/Ausflussauslassleitung 816 entfernt, welche manuell über ein Ventil 818 geöffnet und geschlossen werden konnte.
  • Das System 800 kann wirksam verwendet werden, um eine PCC-Aufschlämmung, mit anfänglichem Feststoffgehalten im Allgemeinen in dem Bereich von ungefähr 50 Gew.% oder mehr, zu entwässern, um ein Produkt einer entwässerten Aufschlämmung bereitzustellen, mit einem Feststoffgehalt, welcher ungefähr 65 Gew.% Feststoffe überschreitet und vorzugsweise ungefähr 72 Gew.% oder mehr. Ein niedrigerer Ausgangsfeststoffgehalt könnte verwendet werden, dass System 800 müsste jedoch intensiver auf die Einsatzmaterialaufschlämmung angewendet werden, um mehr Wasser zu entfernen und schließlich die gewünschten hohen Feststoffgehalte bereitzustellen. Daher ist das hier beschriebene Dekantieren nur eine Möglichkeit, ungefähr 50 Gew.% oder mehr Einsatzaufschlämmung bereitzustellen, welche für die weitere Behandlung in dem System 800 bereitsteht. Des weiteren kann es von einem praktischen Gesichtspunkt aus und abhängig von der Wahl der eingesetzten Geräte problematisch sein, das System 800 lang genug zu betreiben, um einen Feststoffgehalt in der PCC-Produktaufschlämmung zu erzeugen, von mehr als ungefähr 76 Gew.%, da es sehr schwer werden kann, die Aufschlämmungen mit sehr hohem Feststoffgehalt durch den Wärmetauscher vom Platten- und Rahmentyp zu führen. Andere Arten von Wärmetauschern, wie Wärmetauscher vom Hüllen- und Rohrtyp, könnten sogar noch höhere Feststoffgehalte aufnehmen, es ist jedoch so, dass sie im Allgemeinen nicht thermisch wirksame Einheiten sind.
  • Obwohl diese Untersuchungen das Verdampfersystem 800 auf eine chargenweise verwendete, sollte verstanden werden, dass das System auch kontinuierlich betrieben werden könnte. Bei solch einer kontinuierlichen Betriebsweise wird das System 800 mit der PCC-Aufschlämmung mit ungefähr 50 bis 65 Gew.% Feststoffen angefüllt, z. B., und anschließend würde das Ventil 817 zeitweise geschlossen und dann würde das System auf eine chargenartige Weise betrieben, bis der Feststoffgehalt in der Aufschlämmung einen relativ hohen Feststoffgehalt erreichte (z. B. 65 Gew.% oder mehr) zu welchem Zeitpunkt das Einlasszufuhrventil 811 und das Ablassproduktventil 816 geöffnet werden könnte, um das System auf die kontinuierliche Weise zu betreiben. Der Rotor/Stator-Mischer 813 würde vorzugsweise nicht verwendet, bis der relativ hohe Feststoffgehalt (d. h. ungefähr 65 Gew.% oder mehr) in dem System erreicht ist.
  • Während die PCC-Einsatzmaterialaufschlämmung 811 in den tatsächlichen Experimenten, welche hier berichtet wurden, verwendet wurde, wurden zwei getrennte Chargen dekantierter und gemahlene rhomboedrische PCC-Produkte mit 50 Gew.% Feststoffen hergestellt und gemäß eines Verfahrensflusses, wie im Allgemeinen in 1 dargestellt, erhalten. Eine Charge wurde mit einem Energiemaß von 60 kW-h/t unter Verwendung einer Drais-Mühle gemahlen und die andere Charge wurde mit 40 kW-h/t unter Verwendung der Drais-Mühle gemahlen. In beiden Untersuchungen wurde ein Mahlen mit einfachem Durchgang mit 50 Gew.% Feststoffen eingesetzt, wobei das rhomboedrische PCC-Einsatzmaterial in die Drais-Mühle mit Dispex 2695 mit einer aktiven Dosierung von 0,8 Gew.% dispergiert wurde.
  • Wie in Tabelle 3A zusammengefasst, war der Durchlauf 37 eine Probe eines gemahlenen PCC-Aufschlämmungsmaterials mit vielen Feststoffen (ungefähr 50 Gew.% Feststoffen), welches hergestellt wurde, unter Verwendung eines Energieeinsatzes von ungefähr 60 kW-h/t. Ein experimenteller Durchlauf 38 war eine Kontrolluntersuchung umfassend das Verdampfen des 60 kW-h/t Aufschlämmungsmaterials, jedoch ohne die Verwendung des Rotor/Stator-Inline-Mischers 813. Die Herkules A-Bop Viskosität bei 1.100 Umdrehungen je Minute betrug 18+ Dyn bei 90 Umdrehungen je Minute. In den Testdurchläufen 39 bis 45 wurde der Rotor/Stator-Mischer zusammen mit dem Verdampfer verwendet. Bei dem Durchlauf 39 wurde ein geringer Anteil des Testmaterials, welches von dem Durchlauf 38 erhalten wurden, anschließend auf 74% Feststoffe geschnitten, um den Einfluss der stufenweisen Feststoffverdünnung auf die resultierende Herkules-Scherviskosität zu ermitteln. Die Herkules-Scherviskosität der Aufschlämmung bei 74 Gew.% Feststoffen verbesserte sich von 18+ Dyn bei 90 Umdrehungen je Minute auf nur 18+ Dyn bei 200 Umdrehungen je Minute. Bei dem Durchlauf 40 wurde ein Maß an verdampften Feststoffen von 74,5 Gew.% erzielt, bevor sich die Pumpe des Verdampfers auf einen nahen Stopp verlangsamte. Aus diesem Standard Verdampfungsdurchlauf wurde festgehalten, dass die mittlere Teilchengröße (durch Sedigraph) des PCC von 0,57 μm (Durchlauf 37) auf 0,50 μm (Durchlauf 40) reduziert wurde, nachdem das Produkt auf 74,5% der Feststoffe verdampft wurde. Der 75/25-Neigungswert änderte sich dementsprechend von 1,93 auf 1,89.
  • Das ursprünglich verdampfte Material mit 74,5 Gew.% Feststoffen wurde verwendet, um die Durchlaufbedingungen für den Rotor/Stator-Mischer zu bestimmen. Die Menge der Scherbeanspruchung durch den Rotor/Stator-Mischer war variabel aufgrund der drei Parameter der Rotorgeschwindigkeit, der Anzahl an Distanzscheiben (Abstand zwischen Rotor und Stator) und der Aufschlämmungsflussrate durch die Einheit. Je größer die Anzahl der verwendeten Distanzscheiben war, desto größer war die Verringerung des Abstandes zwischen dem Rotor und dem Stator, wodurch die Menge der auf das Produkt ausgeübten Scherung erhöht wurde. Die erste gewählte Bedingung betrug 30 Hz, drei Distanzscheiben und 0,25 GPM. Die Verwendung von drei Distanzscheiben entsprach einer Spalte von 0,0762 cm (0,030 in). Diese Bedingung reduzierte die Herkules-Viskosität von 18+ Dyn bei 90 Umdrehungen je Minute auf 2,8 Dyn bei 1.100 Umdrehungen je Minute. In Tabelle 3A sind die Betriebsbedingungen und die resultierenden Viskositäten für alle verschiedenen Durchläufe unter Verwendung des 60 kW-h/t-Zufuhrmaterials zusammengefasst. Andere Bedingungen wurden untersucht, bis eine Bedingung von 60 Hz, ohne Distanzscheiben und 0,55 GPM gewählt wurde. Die Verwendung von keinen Distanzscheiben entsprach einer Spalte von 0,1524 cm (0,060 in). Aus diesen experimentellen Untersuchungen wurde bestimmt, dass die Durchflussrate durch die Anzahl der verwendeten Distanzscheiben begrenzt wurde. Die untersuchten Betriebsbedingungen zeigten, dass bei einer oberen Geschwindigkeit (60 Hz), ohne Verwendung von Distanzscheiben und mit einer sehr hohen Durchflussrate, eine geeignete Herkulesscherviskosität erzielt werden kann. Aus Tabelle 3A wird deutlich, dass die mittlere Teilchengröße (durch Sedigraph) vernachlässigbar reduziert wurde, von 0,53 μm auf ungefähr 0,50 μm bei allen Rotor/Statorbedingungen, welche in den hier berichteten Untersuchung eingesetzt wurden. Der 75/25-Neigungswert verbesserte sich etwas, von ungefähr 1,95 auf 1,86 bis 1,91. Anschließend wurde der Rotor/Stator-Inline-Mischer mit dem Verdampfersystem zur Prüfung verbunden, aufgrund der Rohrbehinderungen konnte jedoch nicht die ganze rezirkulierte Aufschlämmung durch den Rotor/Stator-Mischer geführt werden. Ein Rückdruckventil wurde eingestellt, um einen bestimmten Anteil der rezirkluierten Aufschlämmung durch den Rotor/Stator-Mischer (ungefähr 20 bis 70 Vol.%, typischerweise ungefähr 40 bis 50 Vol.%) abzuleiten, während der Rest in die Verdampferkammer eingeführt wurde. Dies ermöglichte, dass ein Vakuum beibehalten wurde, während gleichzeitig nicht gestattet wurde, dass die Aufschlämmung in dem Wärmetauscher trocknete. Die 60 kW-h/t Aufschlämmung wurde anschließend durch den Verdampfer zirkuliert, ein Feststoffgehalt von 65 Gew.% erzielt wurde. Anschließend wurde ein Teil der rezirkulierten Aufschlämmung zu dem Rotor/Stator-Mischer mit 80 Hz, ohne Distanzscheiben, mit einer Zu fuhrrate von 0,55 GPM abgeteilt. Die Herkules-Viskosität dieses Materials mit 75,31% Feststoffen wurde auf 18 Dyn bei 935 Umdrehungen je Minute reduziert. Zum Vergleich mit einer vorangehenden Probe wurde dieses Material anschließend auf 74% Feststoffe verdünnt. Ohne Verwendung des Rotor/Stator-Mischers betrug die Herkules-Viskosität bei 74% Feststoffen (Durchlauf 39) 18+ Dyn bei 200 Umdrehungen je Minute. Unter Verwendung des Rotor/Stator-Mischers wurde die Herkules-Viskosität auf 5,9 Dyn bei 1.100 Umdrehungen je Minute reduziert. Die Teilchengröße dieses Testmaterials (Durchlauf 45) betrug 0,52 μm mit einem Neigungswert von 1,92, im Vergleich mit 0,53 μm bei einem Neigungswert von 1,95 für die verdampfte Kontrollaufschlämmung ohne Rotor/Stator-Mischer. Es scheint daher, dass unter geeigneten Betriebsbedingungen der Rotor/Stator-Mischer beträchtliche Verbesserungen der Herkules-Hochscherviskosität bereitstellen kann, während er im wesentlichen keine schädliche Wirkung auf die Verringerung der mittleren Teilchengröße oder eine Erhöhung der Eigenschaft der 75/25-Neigung der verarbeiteten PCC-Aufschlämmung relativ zu dem Standard verdampften Produkt hat.
  • Es wird hervorgehoben, dass die Messungen der Herkules-Hochscherviskositätswerte, welche hier angegeben sind, einen möglichen Bereich von 1 bis 18 Dyn für die verwendete Herkules-Viskosimetereinrichtung umfasste. Für die hier berichteten Herkules-Hochscherviskositätsmessungswerte von 18 Dyn oder weniger ist der Wert der absolute Wert, aufgenommen bei 1.100 Umdrehungen je Minute (die maximalen Umdrehungen je Minute, welche mit der eingesetzten Herkules-Viskosimetereinrichtung möglich sind, unter angegebener Verwendung des A-Bops). Auf der anderen Seite bedeuten die hier berichteten Herkules-Hochscherviskositätsmessungswerte von „18+" Dyn, dass die Messung insofern außerhalb de Skala lag, insofern als der Dyn-Wert und daher der gleichzeitig berichtete „Umdrehungen je Minute"-Wert bedeutend ist, da er angibt, bei welcher Umdrehungen-je-Minute-Einstellung der Messung zu einem Festfressen der Aufschlämmungsprobe führen würde, welche bezüglich der Herkules-Scherviskosität überprüft wurde. Daher gibt es für die hier dargestellten „18+" Dyn-Messerwerte eine umgekehrte Beziehung mit dem Wert der Umdrehungen je Minute und dem relativ Hochscherviskositätswert. Zum Beispiel ist je höher der berichtete Umdrehungen-je-Minute-Wert ist, desto relativ niedriger die Hochscherviskosität der bestimmten PCC-Aufschlämmungsprobe, im Vergleich mit einer anderen PCC-Aufschlämmungsprobe, welche auch eine 18+ Dyn Herkules-Ablesung, jedoch einen niedrigeren Wert der Umdrehungen je Minute aufweist. Tabelle 3A 60 kW-h/t Verdampfungsuntersuchungen
    Beispiel: (Beschreibung)/Durchlauf Nr. Feststoffe Gew.% Sedigraph MPS (μm) 75/25-Neigung Brook fieldViskosität bei 20 Upm, cps Brookfield-Viskosität bei 100 Upm, cps Herkules-Viskos. A Bob bei 1100 Upm, Dyn
    PCC-Einsatzmaterialaufschlämmung
    Durchlauf 37 49,88 0,57 1,98 - - -
    (Verdampfte Kontroll74% Feststoffe, kein Rotor/Stator-Mischer)
    Durchlauf 38 74,5 0,53 1,95 1.280 574 18+ bei 90 Upm
    (Verdampfte Kontrolle-Durchlauf 38 mit auf 74% reduzierten Feststoffen)
    Durchlauf 39 73,93 0,53 1,95 1.196 520 18 + bei 200 Upm
    (Verdampfte Kontrolle bei 74,5% Feststoffen anschließend durch Rotor/Stator-Mischer geleitet)
    (Rotor/Stator-Mischerbedingungen 30 Hz, 3 Distanzscheiben, 0,25 gpm)
    Durchlauf 40 74,5 0,50 1,89 780 460 2,8 bei 1.100 Upm
    (Verdampfte Kontrolle bei 74,5% Feststoffen anschließend durch Rotor/Stator-M ischer geleitet)
    (Rotor/Stator-Mischer-Bedingungen: 45 Hz, 3 Distanzscheiben, 0,25 gpm)
    Durchlauf 41 74,5 0,50 1,86 1.074 500 2,8 bei 1.100 Upm
    (Verdampfte Kontrolle bei 74,5% Feststöffen anschließend durch Rotor/Stator-Mischer geleitet)
    Rotor/Stator-Mischer Bedingungen: 60 Hz, 3 Trennscheiben, 375 gpm)
    Durchlauf 42 74,5 0,49 1,91 1.100 505 2,9 bei 1.100 Upm
    (Verdampfte Kontrolle bei 74,5% Feststoffen anschließend durch Rotor/Stator-Mischer geleitet)
    Rotor/Stator-Mischer Bedinugungen: 60 Hz, keine Distanzscheiben, 0,55 gpm)
    Durchlauf 43 74,5 0,50 1,89 1.040 540 6,0 bei 1.100 Upm
    (60 kw-h/t verdampftes Einsatzmaterial, welches verdampfte, mit einem In-Line Rotor/Stator während des Verdampfens
    (Rotor/Stator- Mischer-Bedingungen: 60 Hz, keine Distanzscheiben, 0,55 gpm)
    Durchlauf 44 75,31 0,52 1,92 974 362 18 + bei 935 Upm
    (Durchlauf 44 mit auf 74,0% reduzierten Feststoffen zum Vergleich mit Durchlauf 39)
    Durchlauf 45 73,90 0,52 1,92 832 349 5,9 bei 1.100 Upm
  • Anschließend wurde ein 40 kW-h/t gemahlenes PCC-Material als das Einsatzmaterial in das Rotor/Stator-Mischer- und Verdampfersystem 800 verwendet. Tabelle 3B führt die Betriebsbedingungen an und die resultierenden Brooks- und Herkules-Viskositäten für die 40 kW-h/t Untersuchungen. Die Kontrollprobe, Durchlauf 47, ohne Verwendung des Rotor/Stator-Mischers konnte nur auf 73,8 Gew.% Feststoffe angehoben werden, bevor die Verdampferrezirkulationspumpe versagte. Die Herkules-Viskosität unter Verwendung des A-Bops bei 73,8 Gew.% Feststoffen betrug 18+ Dyn bei 110 Umdrehungen je Minute. Der Feststoffgehalt eines Teils dieses Materials wurde auf 73 Gew.% geschnitten, für einen späteren Vergleich. Die Herkules-Viskosität dieses Materials betrug 18+ Dyn bei 150 Umdrehungen je Minute. Das 40 kW-h/t-Material wurde anschließend unter Verwendung des Rotor/Stator-Mischers verdampft. Der Aufschlämmungsdurchfluss wurde erneut nicht durch den Mischer abgeleitet, bis die verdampften Feststoffe in etwa 75 Gew.% erzielten. Der Rotor/Stator wurde erneut auf 60 Hz eingestellt, ohne Distanzscheiben mit 0,55 gpm. Die Aufschlämmung erreichte ein Feststoffmaß von 73,7 Gew.%, bevor die Verdampferrezirkulationspumpe erneut versagte. Die Herkules-Viskosität dieses Materials betrug 18+ Dyn bei 135 Umdrehungen je Minute. Diese Probe wurde anschließend auf 73 Gew.% Feststoffe verdünnt, zum Vergleich mit dem Durchlauf 48, die Herkules-Viskosität verbesserte sich jedoch nur von 18+ Dyn bei 150 Umdrehungen je Minute auf 18+ Dyn bei 275 Umdrehungen je Minute. Man nimmt an, dass die Aufschlämmung nicht lang genug durch den Rotor/Stator-Mischer zirkuliert wurde, um die Hochscherviskosität zu beeinflussen. Aus diesem Grund wurde die Aufschlämmung, welche auf 73 Gew.% Feststoffe geschnitten wurde, anschließend erneut nur durch den Rotor/Stator-Mischer geführt, bei 60 Hz, ohne Distanzscheiben und mit einer Flussrate von 0,55 gpm. Dieses reduzierte nachfolgend die Herkules-Viskosität auf 2,9 Dyn bei 1.100 Umdrehungen je Minute. Bei der Verarbeitung des PCC-Aufschlämmungseinsatzmaterials, welches mit Medien gemahlen wurde, unter Bedingungen einer niedrigen Energie (d. h. bei 40 kW-h/t im Gegensatz zu 60 kW-h/t), reduzierte der Rotor/Stator-Mischer die mittlere Teilchengröße des PCC gering, verbesserte jedoch tatsächlich die resultierende 75/25-Neigung etwas. Tabelle 3B 40 kW-h/t Verdampfungsuntersuchungen
    Beispiel: (Beschreibung)/ Durchlauf Nr. Feststoffe Gew.% Sedigraph MPS (μm) 75/25-Neigung Brookfield-Viskosität bei 20 Upm, cps Brookfield-Viskosität bei 100 Upm, cps Herkules-Viskos. A Bob bei 1100 Upm, Dyn
    PCC-Einsatzmaterialaufschlämmung
    Durchlauf 46 49,27 0,59 1,95 - - -
    Verdampfte Kontroll-, kein Rotor/Stator-Mischer
    Durchlauf 47 73,8 0,57 1,90 1.684 665 18 + bei 100 Upm
    Verdampfte Kontrolle-Durchlauf mit auf 73% reduzierten Feststoffen
    Durchlauf 48 72,99 0,53 1,95 1.268 518 18 + bei 150 Upm
    40 kW-h/t Material Verdampfung mit In-Line Rotor/Stator während der Verdampfung
    (Rotor/Stator-Mischerbedingungen: 60 Hz, keine Distanzscheiben, 0,55 gpm)
    Durchlauf 49 73,7 0,55 1,92 1.228 470 18 + bei 1.100 Upm
    Durchlauf 49 mit auf 73,0% reduzierten Feststoffen als Vergleich mit Durchlauf 48
    Durchlauf 50 72,91 0,55 1,92 1.080 396 18 + bei 275 Upm
    Durchlauf 50 anschließend erneut durch den Rotor/Stator geleitet
    (Rotor/Stator-Mischer-Bedingungen: 60 Hz, 3 Trennscheiben, 375 gpm)
    Durchlauf 42 74,5 0,49 1,91 1.100 505 2,9 bei 1.100 Upm
    (Verdampfte Kontrolle bei 74,5% Feststoffen anschließ durch Rotor/Stator-Mischer geleitet)
    (Rotor/Stator-Mischer-Bedingungen: 60 Hz, keine Distanzscheiben, 0,55 gpm)
    Durchlauf 51 73,03 0,52 1,86 680 259 2,9 bei 1.100 Upm
  • Zusammenfassend zeigte der Rotor/Stator-Hochscher-Inlinemischer einige deutliche Verbesserungen der Herkules-Hochscherviskosität der PCC-Aufschlämmung mit Beschichtungsgüte, während schlimmstenfalls nur eine geringe Verringerung der mittleren Teilchengröße des Produktes erzielt wurde. Zum Beispiel wenn die 60 kW-h/t-PCC-Aufschlämmung verwendet wurde, betrug die praktische Aufschlämmungsfeststoffgrenze gegenüber der normalen Verdampfung ungefähr 74 Gew.% Feststoffe mit einer begleitenden Herkules-Viskosität von 18+ bei 200 Umdrehungen je Minute (A-Bop/1.100). Im Vergleich wurde der Feststoffgehalt der Aufschlämmung für das gleiche PCC-Einsatzmaterial auf 75,3% angehoben, unter Verwendung des Rotor/Stator-Mischers Inline während der Verdampfung und die resultierenden Herkulesviskositäten bei den höheren Feststoffgehalten betrugen 18+ bei 935 Umdrehungen je Minute (A-Bop/1.100). Diese Überprüfung zeigt, dass der Inline-Rotor/Stator-Mischer verwendet werden könnte, um die Hochscherrheologie der Beschichtungs-PCC-Aufschlämmungen deutlich zu verbessern, entweder in Abwesenheit eines Verdampfers oder zusammen mit diesem, während eine schädliche Wirkung auf die Eigenschaften der Teilchengröße minimiert wird.
  • Zusätzliche experimentelle Untersuchungen:
    Um die rheologische Stabilität der PCC-Aufschlämmungen zu untersuchen, welche unter Verwendung des Inline-Rotor/Stator-Mischers gemäß dieses Gegenstandes der Erfindung konditioniert wurden, wurden zusätzliche experimentelle Untersuchungen wie folgt durchgeführt. Das PCC-Beschichtungsaufschlämmungsprodukt, welches für diese Untersuchungen verwendet wurde, wurde hergestellt und unter Verwendung von Mahlkörpern mit 60 kW-h/t gemahlen, einer der Chargen, welche oben in diesem Beispiel beschrieben sind. Sie wurde verdampft, während der Rotor/Stator-Inline-Mischer während des Verdampferschritts angewandt wurde, auf die Weise und mit dem Schemata wie oben beschrieben.
  • Die anfänglichen PCC-Aufschlämmungsviskositäten bei 75,31 Gew.% Feststoffen waren:
    BF Viskosität (20 Umdrehungen je Minute) = 974 cps; Herkules-Viskosität (A-Bop) = 18+/935 Umdrehungen je Minute
  • Beim Altem zeigten die Viskositäten für die gleiche PCC-Aufschlämmungsprobe (gealtert vollständig statisch – kein Vermischen) für 4 Wochen in einem abgedichteten Behälter die folgenden Werte bei 75,31 Gew.% Feststoffen:
    BF Viskosität (20 Umdrehungen je Minute) = 980 cps; Herkules-Viskosität (A-Bop) = 18+/660 Umdrehungen je Minute
  • Als ein Vergleichsbeispiel konnte die ursprüngliche PCC-Kontrollaufschlämmung, welche der Rotor/Stator-Mischung während der Verdampfung nicht unterworfen wurde, nur auf 74,5 Gew.% der Feststoffe verdampft werden und wies die folgenden anfänglichen Viskositäten auf:
    BF Viskosität (20 Umdrehungen je Minute) = 1280 cps; Herkules-Viskosität (A-Bop) = 18+/90 Umdrehungen je Minute
  • Die Herkules-Hochscherviskosität konnte vorteilhaft aus der durch den Rotor/Stator-Mischer behandelte PCC-Aufschlämmung abgeleitet werden, und waren gleichmäßig und schienen sich nur nominell bei einem Langzeitstehen zu verschlechtern. Die resultierenden Viskositäten, gemessen nach vier Wochen, waren etwas besser als die der unbehandelten Kontroll-PCC-Aufschlämmung, d. h. kein Rotor/Stator-Mischen. Im wesentlichen keine Änderung der Brookfield-Viskosität wurde über den Zeitraum von vier Wochen für die PCC-Aufschlämmung beobachtet, welche mit dem Rotor/Stator-Mischer gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitet wurden.
  • Um die Ergebnisse dieser vorläufigen Alterungsstudien zu untersuchen, wurden zusätzliche Untersuchungen bezüglich der rheologischen Stabilität der PCC-Aufschlämmung durchgeführt, welche konditioniert wurden unter Verwendung des Inline-Rotor/Stator-Mischers gemäß dieses Gegenstandes der Erfindung. Die Produkte der PCC-Beschichtungsaufschlämmung (72,5 Gew.% Feststoffe), welche für diese Untersuchungen verwendet wurden, wurden hergestellt und gemahlen unter Verwendung von einem Mahlen mit Medium bei 60 kW-h/t auf eine ähnliche Weise, wie die oben in diesem Beispiel beschriebene. Die Viskositätseigenschaften der hochschergemischten PCC-Aufschlämmungen wurden nach einer Woche gemessen, nach zwei Wochen und nach einem Monat. Die Testaufschlämmungen wurden hergestellt indem der Rotor/Stator-Inline-Mischer während des Verdampferschrittes eingesetzt wurde, auf die oben beschriebene Weise. Die Untersuchungen und Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 4 zusammengefasst. Tabelle 4
    Durchlauf 52 Kontrolle (Dauer = 0) (Dauer = 1 Woche) (Dauer = 2 Wochen) (Dauer = 1 Monat)
    Brookfield 20 Upm 776 cps 812 840 910
    Brookfield 100 Upm 286 cps 300 306 338
    Herkules @ 1100 Upm 18+ @ 440 Upm 18 + @ 245 Upm 18 + @ 495 Upm 18+ @ 330 Upm
    pH-Wert der Aufschlämmung 9,1 9,1 9,15 9,2
    Feststoffe (oven solids) 72,65% 72,57 72,53 72,89
    Sedigraph M.P.S. 0,45 μm - - -
    Sedigraph 75/25 Neigung 1,64 - - -
    Durchlauf 53: Rotor/Stator Mischer bei ¼ gpm, 50 Hz (Dauer = 0) (Dauer = 1 Woche) (Dauer = 2 Wochen) (Dauer = 1 Monat)
    Brookfield 20 Upm 716 cps 780 846 868
    Brookfield 100 Upm 248 cps 271 299 308
    Herkules @ 1100 Upm 22,11 @ 1100 Upm 2,04 @ 1100 Upm 2,07 @ 1100 Upm 2,18 @ 1100 Upm
    pH-Wert der Aufschlämmung 9,3 9,3 9,2 9,2
    Feststoffe (oven solids) 72,97% 72,87 72,98 72,89
    Sedigraph M.P.S. 0,42 μm
    Sedigraph 75/25 Neigung 1,68 - - -
    Durchlauf 54: Rotor/Stator Mischer bei ¼ gpm; 60 Hz (Dauer = 0) (Dauer = 1 Woche) (Dauer = 2 Wochen) (Dauer = 1 Monat)
    Brookfield 20 Upm 652 cps 708 740 800
    Brookfield 100 Upm 226 cps 246 258 276
    Herkules @ 1100 Upm 18 + @ 1100 Upm 1,94 @ 1100 Upm 1,89 @ 1100 Upm 2,18 @ 1100 Upm
    pH-Wert der Aufschlämmung 9,3 9,3 9,3 9,3
    Feststoffe (oven solids) 72,58% 72,59 72,56 72,71
    Sedigraph M.P.S. 0,42 μm
    Sedigraph 75/25 Neigung 1,68 - - -
    Durchlauf 55 Rotor/Stator Mischer bei ¼ gpm 80 Hz, 2 Durchläufe (Dauer = 0) (Dauer = 1 Woche) (Dauer = 2 Wochen) (Dauer = 1 Monat)
    Brookfield 20 Upm 712 cps 768 780 848
    Brookfield 100 Upm 243 cps 262 270 296
    Herkules @ 1100 Upm 12,02 @ 1100 Upm 1,92 @ 1100 Upm 1,89 @ 1100 Upm 2,09 @ 1100 Upm
    pH-Wert der Aufschlämmung 9,3 9,3 9,3 9,3
    Feststoffe (oven solids) 72,73% 72,67 72,74 72,82
    Sedigraph M.P.S. 0,42 μm
    Sedigraph 75/25 Neigung 1,68 - - -
    Durchlauf 56 Rotor/Stator Mischer bei % gpm, 80 Hz (Dauer = 0) (Dauer = 1 Woche) (Dauer = 2 Wochen) (Dauer = 1 Monat)
    Brookfield 20 Upm 660 cps 712 748 800
    Brookfield 100 Upm 232 cps 249 258 286
    Herkules @ 1100 Upm 1,97 @ 1100 Upm 1,97 @ 1100 Upm 1,96 @ 110 Upm 2,13 @ 1100 Upm
    pH-Wert der Aufschlämmung 9,3 9,3 9,3 9,3
    Feststoffe (oven solids) 72,63% 72,61 72,62 72,74
    Sedigraph M.P.S. 0,43 μm
    Sedigraph 75/25 Neigung 1,62 - - -
    Durchlauf 57 Rotor/Stator Mischer bei ¼ gpm, 60 Hz (Dauer = 0) (Dauer = 1 Woche) (Dauer = 2 Wochen) (Dauer = 1 Monat)
    Brookfield 20 Upm 664 cps 720 752 810
    Brookfield 100 Upm 234 cps 250 258 285
    Herkules @ 1100 Upm 1,94 @ 1100 Upm 1,91 @ 1100 Upm 1,96 @ 1100 Upm 2,03 @ 1100 Upm
    pH-Wert der Aufschlämmung 9,3 9,3 9,3 9,3
    Feststoffe (oven solids) 72,63% 72,54 72,61 72,73
    Sedigraph M.P.S. 0,43 μm
    Sedigraph 75/25 Neigung 1,67 - - -
  • In einer weiteren Reihe von seperaten Untersuchungen wurde der Mischer vom Rotor/Stator Typ separat verwendet und nicht in Verbindung mit einem entwässerenden Verdampfer, an einem PCC Aufschlämmungserzeugnis mit viel Feststoffen, entsprechend einem PCC Beschichtungserzeugnis 11, wie durch die PCC Verarbeitungsvorrichtung nach 1 hergestellt, um zu bestimmen, ob die Herkules-Viskosität dieses PCC Aufschlämmungserzeug nisses reduziert werden konnte und so verbessert werden konnte, wobei die anderen Parameter konstant gehalten wurden. Die Hochscherviskosität wurde bei den auf diese Weise verarbeiteten Aufschlämmungen verbessert. Alternativ, obwohl nicht in den hier beschriebenen Untersuchungen durchgeführt, könnten die letzteren Untersuchungen auch durchgeführt werden, so dass der Rotor/Stator Mischer inline mit der Auslaßseite der Verdampfereinheit in dem Verarbeitungsschemata, das in 1 dargestellt ist, verbunden ist, ohne den gescherten Aufschlämmungsteil zurück in den Verdampfer zu führen gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach 8, dass die normale (Standart) Aufschlämmungsverdampfung modifiziert werden kann, indem der Mischschritt mit großer Scherung gemäß dieser Erfindung als ein kontinuierliches Durchflußverfahren eingesetzt wird, im Gegensatz zu dem in 8 dargestellten chargenweisen Betrieb.
  • Beispiel 4
  • Im Gegensatz zu der Verwendung eines ultrafeinen, rhomboedrischen PCC Beschichtungspigment bei der Verdampfung der Aufschlämmung und Rotor/Stator Hochscherkonditionieruntersuchungen der Beispiel 3, untersuchte dieses Beispiel die Vorteile der nachbearbeitung eines ultrafeinen, scalenohedrischen PCC Beschichtungspigmenten, d. h. ein kommerzielles PCC-Erzeugnis „CS-40", erzeugt von J.M. Huber Corporation in Hermalle, Belgien. Die Eigenschaften der Teilchengröße und der BET Oberfläche des CS-40 Kontrollerzeugnisses sind nachfolgend in Tabelle 5 zusammengefasst. Eine Aufschlämmung mit 72,34 Gew.-% Feststoffen aus CS-40 wurde durch ein herkömmliches PCC Aufschlämmungsverfahren, wie zuvor beschreiben, gemäß 1 hergestellt. Die Brookfield-Viskosität und die Herkules-Viskosität dieser fertig gestellten Aufschlämmung wurden bestimmt und in Tabelle 5 als Durchlauf 58 zusammengefasst. In den Untersuchungen diese Beispiels 4 wurde die Herkules-Hochscherviskosität nicht nur unter Verwendung des Standart A-Bob bei 1100 Upm gemessen, sonder auch unter Verwendung des alternativen E-Bobs bei 4400 Upm. Die E-Bob/4400 Upm Messung führte zu Viskositätsinformationen die einen sehr viel höheren Maß angelegter Scherung entsprachen als die A-Bob/1100 upm Messungen entsprachen (45,848 s–1 versus 4554 s–1, bei ihren maximalen Scherrate). Die CS-40 Kontrollaufschlämmung wurde anschließend durch den inline Rotor/Stator Mischer mit großer Scherung geführt 8 dergleiche, der in Beispiel 3 genannt wurde) mit Aufschlämmungzufuhrraten von 0,25 gpm (Durchlauf 59) und 0,5 gpm (Durchlauf 60) unter Verwendung von drei Distanzscheiben (entsprechend einer Spaltenöffnung von 0,0762 cm (0,030 inch)). Bei beiden Aufschlämmungszufuhrraten wurden deutliche Verbesserungen der Herkules-Viskosität (A- oder E-Bob) erzielt, wobei fast vernachlässigbare Wirkungen auf die mittlere Teilchengröße des scalenohedrischen PCC, die 75/25 Neigung und die BET Oberfläche beobachtet wurden. Diese Werte in Kombination mit den vorangehenden Werten aus Beispiel 3 zeigt deutlich, dass die rheologischen Vorteile der Verwendung des in-line Rotor/Stator Mischers mit großer Scherung nicht auf einen bestimmen morphologischen PCC Teilchentyp beschränkt sind. Tabelle 5 Untersuchung des Rotor/Stator für scalenohedrisches PCC: CS-40
    Rotor/Stator Mischer Untersuchung Rotor/Stator Spalte Sedigraph M.P.S. μm 75/25 Neigung BET m2/g
    CS-40 Kon 0,5 2,44 12,01
    trolle
    CS-40 0,5 GPM 0,0762 cm (0,030'') 0,48 2,47 11,96
    Proben ID Rotor/Stator Spalte % Motorbelandung % Feststoffe BF Bei 20 Upm, cps BF bei 100 Upm, cps Herkules bei 1100 Upm, Dyn Herkules bei 4400 Upm, Dyn
    CS-40 Kontrolle (Durchlauf 58) 72,34 317 194 5,1 72/1775
    CS-40 0,25 gpm (Durchlauf 59) 0,030'' 70 72,21 370 370 212 2,5
    CS-40 0,25 gpm (Durchlauf 60) 0,030'' 101 72,24 372 220 2,4 40
  • Beispiel 5
  • In diesem Beispiel wurden die Verarbeitungsvorteile durch den Einsatz des rotor/Stator inline Mischers auf eine rhomboedrische PCC Beschichtungspigmentaufschlämmung mit einer gröberen mittleren Teilchengröße (ungefähr 0,8 μm) überprüft. Der Rotor/Stator Mischer, welcher für die in Beispiel 3 beschriebenen Untersuchungen verwendet wurde, wurde auch in diesen zusätzlichen Untersuchungen verwendet. Dieses rhomboedrische PCC Beschichtungsaufschlämmungserzeugnis wurde als ein kommerziell verkauftes Erzeugnis unter dem namen „CR-80" erhalten, hergestellt von J.M. Huber Corporation in Hermalle, Belgien. Die Teilchengröße und die BET Oberfläche der CR-80 Kontrolle sind in der nachfolgenden Tabelle 6 zusammengefasst. Im Vergleich wiesen die mit dem Rotor/Stator in Beispiel 3 zuvor untersuchten ultrafeinen rhomboedrischen PCC Beschichtungspigmente eine mittlere Teilchengröße von ungefähr 0,55 μm auf.
  • Eine Aufschlämmung mit 72,23 Gew.-% Feststoffen aus CR-80 wurde unter Verwendung eines herkömmlichen PCC Aufschlämmungsverfahrens, wie in Bezug auf 1 beschrieben, hergestellt. Die Herkules und Brookfield Viskositäten dieser fertig gestellten Aufschlämmung wurden bestimmt und in Tabelle 6 als Durchlauf 61 angeführt. Die Herkules-Hochscherviskosität wurde erneut nicht nur unter Verwendung des Standart A-Bob bei 1100 upm sondern auch mit dem E-Bob bei 4400 Upm gemessen. Die CR-80 Kontrollaufschlämmung wurde anschließend durch den Rotor/Stator inline Mischer mit großer Scherung mit Aufschlämmungsraten von 0,25 gpm (Durchlauf 62) und 0,50 gpm (Durchlauf 63) unter Verwendung von 3 Distanzscheiben (entsprechend einer Spaltenöffnung von 0,0762 cm (0,030'') durchgeführt. Bei beiden Aufschlämmungszufuhrraten wurden deutliche Verbesserungen der Herkules Viskosität (A- oder E-Bob) erzielt, wobei fast vernachlässigbare Wirkungen auf die mittlere Teilchengröße des rhomboedrischen PCC, die 75/25 Neigung und die BET Oberfläche beobachtet wurden. Diese Werte in Kombination mit den vorangehenden Werten aus Beispiel 3 zeigt deutlich, dass die rheologischen Vorteile der Verwendung des in-line Rotor/Stator Mischers mit großer Scherung nicht auf eine bestimme rhomboedrische PCC Teilchengröße beschränkt sind. Tabelle 6 Untersuchung des Rotor/Stator für rhomboedrisches PCC: CS-40
    Rotor/Stator Mischer Untersuchung Rotor/Stator Spalte Sedigraph M.P.S. μm 75/25 Neigung BET m2/g
    CR-80 Kontrolle 0,83 2,00 6,89
    CR-80 0,5 GPM 0,0762 cm (0,030'') 0,80 1,96 6,97
    Proben ID Rotor/Stator Spalte % Motorbelandung % Feststoffe BF Bei 20 Upm, cps BF bei 100 Upm, cps Herkules bei 1100 Upm, Dyn Herkules bei 4400 Upm, Dyn
    CR-80 Kontrolle (Durchlauf 61) 72,23 243 194 905 72 + @ 850 Upm
    CR-80 0,25 gpm (Durchlauf 62) 0,030'' 64 72,12 160 370 1,5 248
    CR-80 0,25 gpm (Durchlauf 563) 0,030'' 94 72,24 230 220 2,3 72 + @ 2300 Upm
  • Die vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden, ohne sich von den beigefügten Ansprüchen zu entfernen.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung einer ausgefällten Kalziumkarbonat (PCC) Zusammensetzung, umfassend die Schritte des Nassmahlens einer wässrigen Aufschlämmung aus PCC, wobei das Mahlen in einer Vielzahl von einzelnen Mahlstufen durchgeführt wird; teilweises Entwässern der gemahlenen PCC-Aufschlämmung in Anwesenheit eines organischen Dispersionsmittels in einer Vollmantelzentrifuge (solid bowl centrifuge); und Unterwerfen der zentrifugierten PCC-Aufschlämmung in Anwesenheit eines organischen Dispersionsmittels Fluidscherkräften in einem Rotor- und Statormischer.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung einer wässrigen Aufschlämmung aus ausgefälltem Kalziumkarbonat (PCC), welches für Papierbeschichtungszusammensetzungen geeignet ist, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen einer PCC-Aufschlämmung umfassend eine wässrige Suspension aus ausgefälltem Kalziumkarbonat, geformt durch die Karbonierung von Kalkmilch; (b) Nassmahlen der PCC-Aufschlämmung in einer Vielzahl von einzelnen Mahlstufen und im wesentlichen ohne die Anwesenheit eines wirksamen organischen Dispersionsmittels, um eine Neigung von ungefähr 1,8 oder weniger und eine mittlere Teilchengröße von zwischen ungefähr 0,5 bis 2,0 μm bereitzustellen; wobei die Neigung der Quotientwert des Durchmesserwertes, bei welchem 75% der Partikel weniger betragen als, geteilt durch den Durchmesserwert, bei welchem 25% der Teilchen weniger betragen als sind, wobei die Teilchengrößen durch einen Sedigraph-Teilchengrößenanalysator gemessen werden (c) Zugeben eines organischen Dispersionsmittels zur der gemahlenen PCC-Aufschlämmung; (d) Zentrifugieren der gemahlenen, dispergierten PCC-Aufschlämmung in einer Vollmantelzentrifuge, welche wirksam ist, um die PCC-Aufschlämmung teilweise zu entwässern, um so eine filtrierte PCC-Aufschlämmung zu erhalten, mit einem Feststoffanteil von wenigstens ungefähr 65 Gew.%; (e) Zugeben eines organischen Dispersionsmittels zu der teilweise entwässerten PCC-Aufschlämmung; und (f) Unterwerfen der PCC-Aufschlämmung Fluidscherkräften in einem Inline-Mischer, umfassend einen Rotor- und Statormischer, welche wirksam sind um die Scherviskosität der PCC-Aufschlämmung zu reduzieren.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung einer wässrigen Aufschlämmung aus ausgefälltem Kaziumkarbonat (PCC), welches für Papierbeschichtungszusammensetzungen geeignet ist, umfassend die Schritte: (a) Ausfällen von Kalziumkarbonat durch das Karbonieren einer wässrigen Aufschlämmung aus Kalziumhydroxid um eine PCC-Aufschlämmung herzustellen, umfassend eine wässrige Suspension aus PCC hauptsächlich in der Kalzit-Kristallform; (b) Nassmahlen der PCC-Aufschlämmung in einer Vielzahl von einzelnen Mahlstufen bei niedriger Energie und im wesentlichen ohne die Anwesenheit von wirksamen organischen Dispersionsmitteln, um eine Neigung von ungefähr 1,8 oder weniger und eine mittlere Teilchengröße von zwischen ungefähr 0,25 bis 2,0 μm bereitzustellen; Wobei die Neigung der Quotientwerte des Durchmesserwertes, bei welchem 75% der Teilchen weniger betragen als, geteilt durch den Durchmesserwert, bei welchem 25% der Teilchen weniger betragen als, ist, wobei die Teilchengrößen durch einen Sedigraph-Teilchengrößenanalysator gemessen werden, (c) Zugeben eines organischen Dispersionsmittels unter Mischen der gemahlenen PCC-Aufschlämmung, wobei die gemahlene PCC-Aufschlämmung einen Feststoffgehalt von weniger als ungefähr 25 Gew.% aufweist; (d) Zentrifugieren der gemahlenen PCC-Aufschlämmung in einer Vollmantelzentrifuge, welche wirksam ist, um die Aufschlämmung teilweise zu entwässern, um eine filtrierte PCC-Aufschlämmung zu erhalten, mit einem Feststoffanteil von wenigstens ungefähr 65 Gew.%. (e) Zugeben eines organischen Dispersionsmittels unter Mischen der teilweise entwässerten Aufschlämmung; und (f) Unterwerfen der PCC-Aufschlämmung Fluidscherkräften in einem Inline-Rotor- und Statormischer, welcher wirksam ist, um die Herkules-Scherviskosität der Aufschlämmung zu reduzieren, während die Neigung des PCC innerhalb von 5% der Neigung gehalten wird, die bei Vervollständigung des Schrittes (b) vorhanden ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das PCC, welches in Schritt (a) bereitgestellt wird, eine Neigung > 2,0 aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das PCC, welches hauptsächlich in der Kalzit-Kristallform vorliegt, als Aggregate auf den PCC-Kristallen gebildet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, des weiteren umfassend die zusätzlichen Schritte: (g) Zugeben der gescherten PCC-Aufschlämmung zu einer Papierbeschichtungszusammensetzung; und (h) Beschichten wenigstens einer Seite eines Papierbasisgrundes mit der Papierbeschichtungszusammensetzung
  7. Verfahren nach Anspruch 6, des weiteren umfassend den zusätzlichen Schritts des Verwendens der gescherten PCC-Aufschlämmung in einer Papierbeschichtungszusammensetzung, unter der Voraussetzung, dass unmittelbar nach dem Schritt (d) und bis zu dem Papierbeschichtungsschritt, die PCC-Aufschlämmung so gehalten wird, dass der gesamte Verdampfungsverlust an Wasser aus der PCC-Aufschlämmung weniger als 5 Gew.% des Wassers beträgt, welches in der PCC-Aufschlämmung nach Vervollständigung des Schrittes (d) vorhanden ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die teilweise entwässerte PCC-Aufschlämmung welche aus Schritt (d) erhalten wird, einen Feststoffgehalt von zwischen ungefähr 72 bis ungefähr 80 Gew.% aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die gemahlene PCC-Aufschlämmung einen Feststoffgehalt von ungefähr 16 bis 22 Gew.% besitzt.
  10. Verfahren nach Anspruch 3, wobei Schritt (f) das Unterwerfen des PCC als eine pumpbare Aufschlämmung Hochgeschwindigkeitsfluidscherkräften in dem Rotor- und Statormischer unterworfen wird, indem die PCC-Aufschlämmung durch eine enge Spalte geleitet wird, über welcher ein Druckdifferenzial beibehalten wird, wobei die enge Spalte zwischen dem Rotor und dem eng beabstandeten und stationären Stator definiert wird, welcher den Rotor vertikal umgibt, der Rotor mit einer hohen Geschwindigkeit, in Bezug auf den stationären Stator rotiert wird, und die PCC-Aufschlämmung wenigstens in dem schmalen Spalt zwischen dem Stator und Rotor Scherkräften unterworfen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Kalzit-Kristallform hauptsächlich rhomboedrische Form oder scalenohedrische Form aufweist.
  12. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die gemahlene PCC-Aufschlämmung, welche in Schritt (b) erhalten wurde, eine Neigung von ungefähr 1,75 oder weniger aufweist.
  13. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die in Schritt (d) verwendete Zentrifuge eine Bird-Vollmantelzentrifuge umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Nassmahlen in Schritt (b) durch das häufige Durchführen der PCC-Aufschlämmung durch eine Horizontalmühle mit Mahlkörpern durchgeführt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Nassmahlen in Schritt (b) durch das mehrfache Durchführen der PCC-Aufschlämmung durch eine Vertikalmühle mit Mahlkörpern durchgeführt wird.
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