DE60318562T2

DE60318562T2 - Faservlies und dessen herstellung

Info

Publication number: DE60318562T2
Application number: DE60318562T
Authority: DE
Inventors: Lars GRÖNROOS; Vesa Helanti
Original assignee: Timson Oy
Current assignee: Timson Oy
Priority date: 2002-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: FI118092B; WO2003080932A1; CA2479597A1; EP1490550A1; FI20020566A; JP2005520949A; CA2479597C; US20050116010A1; AU2003216948A1; KR100994849B1; CN1643218A; KR20050002908A; EP1490550B1; ATE383469T1; DE60318562D1; BR0308757A; FI20020566A0; EA200401257A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Füllstoff und dessen Verwendung bei der Herstellung eines Faserstoffs. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein einen Füllstoff enthaltendes Faservlies/Fasergewebe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf das Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 12 zum Herstellen des den Füllstoff enthaltenden Faservlieses/Fasergewebes und das Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 17 zum Verbessern der Feuerbeständigkeitseigenschaften des Faservlieses/Fasergewebe, das eine gute Zugfestigkeit aufweist.
Die Papierherstellung ist mit mehreren, sich teilweise widersprechenden Zielen verbunden. Danach sollten die Endprodukte unter anderem bestmögliche optische Eigenschaften wie Helligkeit, Glattheit, Stabilität, Glanz und Opazität aufweisen. Füllstoffe werden verwendet, um diese Eigenschaften zu verbessern. Da die meisten Füllstoffe preiswerter als die in Papier verwendeten rohen Faserstoffe sind, können außerdem die Kosten der Rohstoffe reduziert werden, indem Füllstoffe verwendet werden.
Die herkömmlichen Füllmaterialien oder Füllstoffe sind pulvrige, feinkörnige Pulver. Sie werden aus natürlichen Mineralien oder durch synthetische Mittel hergestellt. Im Allgemeinen werden Füllstoffe in mineralische Füllstoffe, Spezialpigmente und andere Füllstoffe eingeteilt. Die gebräuchlichsten mineralischen Füllstoffe sind Kaolin, Talk und Calciumcarbonat. Spezialpigmente schließen strukturierten Kaolin, synthetische Silikate, Titandioxid, Aluminiumhydroxid und einige organische Pigmente ein. Andere Füllstoffe umfassen z. B. Gips, Satinweiß und Barium- und Zinksulfate.
Die WO 01/79606 beschreibt Pigmente in Kornform, die eine im wesentlichen rotationssymmetrische Gestalt und einen Innen- und einen Krusten-Teil aufweisen, wobei die Dichte des Innenteils geringer als die des Krusten-Teils ist.
Die US 5,248,556 beschreibt ein Pigmentmaterial, das einen Kern-Grundbestandteil, eine erste Schicht und eine zweite Schicht umfaßt.
Die GB 1,271,463 beschreibt pigmentierte Mikrokapseln, die im wesentlichen feste, kontinuierliche organische Polymerwände aufweisen und anorganische Pigmentpartikel enthalten.
Die US 3,129,134 beschreibt Pigmentpartikel in Form einer optisch dichten Außenhülle und eines optisch weniger dichten Inneren.
In der Papiererzeugungsindustrie sind die allgemeinsten Voraussetzungen für das Erhöhen der Füllstoffmenge der Preis des Füllstoffs, welcher geringer als der von Cellulose ist, und bessere Nichttransparenz bzw. Opazität. Das Ziel ist es, das Faservlies (z. B. Papier) mittels einer dünnestmöglichen Beschichtungsschicht so nichttransparent oder opak wie möglich zu machen. Das Papier muß auch gute mechanische Eigenschaften wie gute Glattheit und Trockenfestigkeit oder Naßfestigkeiten aufweisen.
Es gibt jedoch auch Nachteile, die mit dem Verwenden von Füllstoffen verbunden sind. Der Füllstoff, der verwendet wird, verursacht eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Endprodukts, insbesondere der Festigkeit. Gemäß einer in der Papiertechnik allgemein akzeptierten Regel verringert sich die Papierfestigkeit im etwa das zwei- oder dreifache der Menge an zugegebenem Füllstoff, wenn die Cellulose im Papier durch Füllstoff ersetzt wird, d. h., nach Zugabe von 10% Füllstoff zu dem Papier ist dessen Festigkeit 20–30% geringer als die von einem Papier mit einem entsprechenden Gewicht, das nur chemischen Zellstoff enthält. Die Partikelgröße und die Gestalt des Füllstoffs beeinflussen die Verringerung bezüglich der Festigkeit; eine große Partikelgröße verringert die Festigkeit nicht so stark wie eine geringe Partikelgröße.
Die Verschlechterung der Festigkeitseigenschaften ist nicht nur eine Folge der Verringerung bezüglich der Cellulosemenge. Die Füllstoffzugabe reduziert die Cellulosemenge um 10%, also wäre die daraus resultierende Verringerung bezüglich der Festigkeit nur 10%. Die anderen 10 bis 20% der Festigkeit gehen hauptsächlich aufgrund der ungünstigen Wirkung des Füllstoffs auf die Bindungen zwischen den Cellulosefasern verloren. Die Füllstoffpartikel lagern sich teilweise zwischen den Fasern ab, wodurch die Bindung der Fasern zueinander, zum Beispiel mittels Wasserstoffbrückenbindungen, abnimmt. Dies trägt zur Verschlechterung der Festigkeitseigenschaften bei.
Es sollte auch erwähnt werden, dass, wenn massive Partikel als Füllstoff verwendet werden, das besondere Problem auftritt, dass das Gewicht des gefüllten oder beschichteten Produkts sich aufgrund der hohen Dichte der massiven Partikel erhöht. Diese Tatsache könnte eine ungünstige Wirkung auf die Verwendung oder die Wirtschaftlichkeit des Produkts haben. Wenn es möglich wäre, unter Verwendung eines Pigments von geringerer Dichte die gleichen Eigenschaften bereitzustellen, wäre dies von großem wirtschaftlichen Nutzen.
Der Zweck dieser Erfindung ist, die Nachteile, die mit der Verschlechterung der Festigkeitseigenschaften zusammenhängen, zu beseitigen.
Die Erfindung basiert auf der Idee, dass zusätzlich oder anstatt herkömmlicher pulvriger Füllstoffe ein Verbundprodukt verwendet wird, das Pigmentpartikel und ein Bindemittel, das diese verbindet, umfaßt. Die verbundenen Pigmentpartikel bilden ein Pigment-Bindemittel-Strukturkorn. Dieses Korn weist eine rotationssymmetrische Gestalt auf und es weist einen Innenteil und einen Krusten-Teil auf, wobei die Dichte des Innenteils geringer als die der Kruste ist. Zusätzlich zum Bindemittel und den Pigmenten schließt die Struktur möglicherweise auch Additive ein. Wir haben überraschend festgestellt, dass ein derartiges Verbundprodukt sich in den Plätzen zwischen den Fasern des Faservlieses ablagert, so dass die Bindungen zwischen den Fasern nicht gestört werden und die der Struktur inhärente Festigkeit erhalten bleibt.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil, nicht weniger als 3 Gew.-% der Füllstoffmenge, bei der Herstellung des Faservlieses durch derartige Partikelkörner ersetzt wird.
Um genauer zu sein, wird das erfindungsgemäße Faservlies durch das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dargestellt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen des Faservlieses, das eine gute Zugfestigkeit aufweist, wird durch das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil von Anspruch 12 dargestellt ist, und das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbessern der Feuerbeständigkeitseigenschaften des Faservlieses wird durch das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil von Anspruch 17 dargestellt ist.
Die Erfindung stellt erhebliche Vorteile bereit. Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Füllstoffs können die Rohmaterialkosten verringert werden, ohne die Festigkeitseigenschaften zu verschlechtern, und sogar die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts verbessern. Ein anderer durch die Erfindung bereitgestellter erheblicher Vorteil ist, dass das Gewicht des Endprodukts nicht auf einen unangemessenen Umfang ansteigt, da die Dichte des erfindungsgemäßen Korns geringer als die der normalerweise verwendeten massiven Partikel ist.
Die anderen Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung und dem entsprechenden Anwendungsbeispiel dargestellt.
1 ist eine graphische Darstellung einer Veränderung bezüglich der Zugfestigkeitsindizes als Funktion der Füllstoffmenge.
2 ist eine graphische Darstellung einer Veränderung bezüglich der Bersfestigkeits-Indizes als Funktion der Füllstoffmenge.
3 ist eine graphische Darstellung einer Veränderung bezüglich der Bindekraft als Funktion der Füllstoffmenge.
4, 5 und 6 sind Mikroskopbilder der Oberfläche eines mit dem körnigen Füllstoff gefüllten Papiers, wobei die Vergrößerungen etwa 75X, 1175X und 300X betragen. Das Papier in den Figuren enthält 54 Gew.-% des Korns.
7 ist eine graphische Darstellung der PPS1000 Werte von mit Körnern gefüllten Laborbögen, die mit Laborbögen und kommerziellen Papierbögen verglichen werden, die keinen Füllstoff enthalten.
Im Allgemeinen beträgt die Größe der erfindungsgemäßen Partikelkörner 1–200 μm, bevorzugt 1–100 μm, und am meisten bevorzugt etwa 5–20 μm. Bei dem Herstellungsprozeß kann die Größe der Körner innerhalb der zulässigen Grenzen des Verfahrens eingestellt werden.
Das Füllelement, das den Gegenstand der Erfindung darstellt, besteht aus den folgenden Bestandteilen:

– Pigment
– Füllstoff, insbesondere ein synthetischer Füllstoff in Form einer Emulsion,
– Wasser
– funktionelle Additive, die das Verfahren erleichtern oder spezielle Eigenschaften bereitstellen.

In der Erfindung können praktisch alle bekannten, gewöhnlich verwendeten Pigmente und deren Mischungen verwendet werden. Die gebräuchlichen Pigmente schließen z. B. mineralische Pigmente ein. Die mineralischen Pigmente schließen z. B.
Kaolin, gemahlene oder gefällte Calciumcarbonate, Titandioxid und Silikat-basierte Pigmente ein. Mindestens 60% des verwendeten Pigments weist bevorzugt eine Partikelgröße von weniger als 20 μm auf.
Verschiedene synthetische Bindemittel in Form einer Emulsion, wie Styrol-Butadien-Latex oder Polyvinylacetat/Polyacrylatbasierte Latizes können bevorzugt als Bindemittel verwendet werden; sie sind jedoch nicht nur auf die hier genannten Beispiele beschränkt.
Die möglichen Additive können zum Beispiel die Rheologie der Mischung verbessern oder deren Oberflächenspannung verändern, oder das Endprodukt mit speziellen Eigenschaften wie Oberflächenfestigkeit, elektrische Leitfähigkeit bereitstellen oder die Absorption von Ruß beeinflussen. Die Verwendung von Additiven ist nicht nur auf die genannten Beispiele begrenzt, sondern irgendwelche gewöhnlich verwendeten funktionellen Additive können in diesem Verfahren verwendet werden.
Sphärische oder anderweitig rotationssymmetrische Partikelkörner werden mittels Trocknen eines wäßrigen Breis, welcher aus dem Bindemittel, einem Pigment und möglichen Additiven besteht, hergestellt. In diesem Fall werden die oben genannten Bestandteile zuerst mittels effektiven Mischens miteinander vermischt, um eine so homogen wie mögliche Mischung oder Suspension/Dispersion bereitzustellen.
Was die Trocknungstechniken betrifft, so ist Sprühtrocknung für die Herstellung der erfindungsgemäßen Körner besonders gut geeignet, aber die Trocknungsverfahren sind – wie es für Fachleute offensichtlich ist – nicht nur auf das Sprühtrocknen begrenzt, sondern es können auch andere Trocknungstechniken in Erwägung gezogen werden, solange sie verwendet werden können, um die besagten Körner herzustellen. Es ist wichtig, dass beim Trocknen sehr fein körnige Tropfen gebildet werden können, die getrennt voneinander trocknen. Die Größe der Tropfen sollte mit derjenigen der erwünschten Pigmentkörner übereinstimmen. Im Allgemeinen beträgt die Größe der Tropfen demnach etwa das 1,1 bis 5-fache von derjenigen der Körner; normalerweise beträgt die Größe des Tropfens maximal etwa 1 bis 300 μm, bevorzugt 5 bis 100 μm und am meisten bevorzugt 50 μm.
Die in der Erfindung verwendeten Ausgangsmaterial-Pigmente bestehen aus Produkten, die unterschiedliche Partikelgrößen aufweisen. Daher findet innerhalb der während des Trocknens gebildeten Partikelkörner Segregation von Pigmenten statt. Es werden ein Innenteil und ein umgebender Krusten-Teil gebildet. Im Allgemeinen beträgt die Dicke des Krusten-Teils in Richtung des Radius der Kugelstruktur etwa 0,1 bis 50%, bevorzugt 0,1 bis 10%, typischerweise 0,5 bis 2% des Radius des Korns.
Da der Innenteil eine größere Anzahl rauher Partikel als der Krusten-Teil enthält, ist die Dichte der Pigment-Bindemittel-Struktur geringer als im Krusten-Teil. Im Allgemeinen beträgt die Dichte des Innenteils etwa 10 bis 90%, bevorzugt etwa 40 bis 80% der Dichte des Krusten-Teils. Dementsprechend könnte man beispielsweise sagen, dass, wenn das Partikelkorn aus Pigmentpartikeln mit einer Dichte von etwa 2400 bis 3100 kg/m³ besteht, die Dichte des Innenteils etwa 1100 bis 1500 kg/m³ und die des Krusten-Teils etwa 1700 bis 2000 kg/m³ beträgt. Die am häufigsten verwendeten Pigmente weisen Dichten von 1500 bis 7000 kg/m³ auf, wobei die Gesamtdichte des Korns 450 bis 6300 kg/m³ beträgt, die Dichte des Innenteils 50 bis 5700 kg/m³ beträgt und die des Krusten-Teils 600 bis 6300 kg/m³ beträgt. Normalerweise enthält der Innenteil der Pigment-Bindemittel- Struktur dann in Bezug auf den Krusten-Teil rauhere Pigmentpartikel. Die Porosität des Innenteils ist ebenfalls höher als die des Krusten-Teils, dessen Porenvolumen üblicherweise etwa 15 bis 70% an Volumen, bevorzugt etwa 30 bis 60% beträgt.
Der Innenteil des Partikelkorns enthält eine geringere Menge Bindemittel als der Oberflächenteil. Im Allgemeinen befindet sich etwa 55 bis 95 Gew.-% der Gesamtmenge an Bindemittel des Partikelkorns im Krusten- oder Oberflächenteil des Korns.
Das Partikelkorn enthält etwa 1 bis 30 Gewichtsanteile, bevorzugt etwa 2 bis 20 Gewichtsanteile an Bindemittel pro 100 Gewichtsanteilen an Pigmentpartikeln. In diesem Fall enthält der Krusten-Teil feinkörnige Pigmentpartikel wie Metallsilikat-, Metallsulfat- oder Metallcarbonat-Partikel, die mittels eines vernetzten Bindemittels aneinander gebunden sind, wodurch sie eine feine und flexible Beschichtung bilden, die den Innenteil bedeckt.
Die Begriffe "Pigment-Bindemittel-Struktur" und "Partikelkorn" werden in der vorliegenden Erfindung als Synonyme verwendet, und sie beziehen sich auf eine Kombination oder ein Aggregat, das durch die Partikel, das Bindemittel und mögliche Additive gebildet wird, einige miteinander verknüpfte Partikel enthaltend. Allerdings sind nicht unbedingt all die Partikel in der Struktur miteinander verknüpft, jedoch weist der Innenteil der Struktur, der arm an Bindemittel ist, fast gar keine sehr hohe mechanische Festigkeit auf.
Die Herstellung des erfindungsgemäßer Faservlieses wird begonnen, indem die Fasern und Additive in Wasser gemischt und verdünnt werden, um eine geeignete Konsistenz zu schaffen.
Das Faservlies/Fasergewebe kann beispielsweise ein Papier- oder Pappvlies sein. Der verwendete Faserstoff kann entweder Weichholz- oder Hartholz-Cellulose oder mechanischer Zellstoff sein. Der Faservlies kann ausschließlich aus mechanischem oder chemischem Zellstoff bestehen, gewöhnlich werden jedoch beide Zellstoffsorten im Papier verwendet, und die Verwendung des Papiers bestimmt die Zellstoffstruktur. Der erfindungsgemäße körnige Füllstoff wird, entweder allein oder kombiniert mit anderen Füllstoffen, als Füllstoff verwendet. Die Menge an erfindungsgemäßem körnigem Füllstoff, die verwendet wird, beträgt 10 bis 100 Gew.-%, bevorzugt 50 bis 100 Gew.-% und weiter bevorzugt 80 bis 100 Gew.-% der Gesamtmenge an Füllstoff. Die anderen Füllstoffe in diesem Zusammenhang betreffen hauptsächlich mineralische Füllstoffe wie Kaolin, Calciumcarbonat und Talk. Das Korn enthält bevorzugt den gleichen Füllstoff wie den, der in irgendeinem Fall in dem Faservlies verwendet werden würde.
Der durch Mischen der Rohmaterialien erhaltene Zellstoff wird Faserzellstoff genannt, und dessen Konsistenz variiert entsprechend dem Faserprodukt, das hergestellt wird. Typischerweise enthält der Faserzellstoff 95% Wasser, und die Mengen an Faser und Additiv sind im gleichen Verhältnis wie im fertigen Faserprodukt. Daher ist 40 bis 90% der Menge an Feststoffen Faserstoff, und 10 bis 60% sind Additive und Hilfssubstanzen (die Füllstoffe enthalten).
Die Mischung wird auf einem sich bewegenden, Wasserdurchlassenden Plastikgewebe, d. h. einem Sieb, ausgebreitet, wobei das Faservlies gebildet wird, wenn das Wasser abgeht. Das Wasser wird von dem Faserzellstoff und dem Faservlies mittels Absaugen, Komprimierung und Verdampfen entfernt. Absaugen stellt einen Trockengehalt von etwa 20 Prozent bereit. Ein Trockengehalt von etwa 45 Prozent wird erreicht, wenn das nasse Papiervlies zwischen den Maschinenfilz und die Walzen gepreßt wird. Endtrocknen auf einen Trockengehalt von 90 bis 95% wird erreicht, wenn mittels heißer Zylinder und Trocknungsfilzen Wasser aus dem Vlies entfernt wird.
Falls gewünscht, können die Qualität und die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Faservlieses entweder mittels eines Kalanders und/oder einer mit der Papiermaschine verbundenen Beschichtungseinheit oder einem separaten Kalander geändert werden (glätten), wobei ein Beschichtungsüberzug auf die Oberfläche des Papiers gesprüht wird. Das Papier kann auch mehrfach beschichtet werden. Nach dem Beschichten wird das Papiervlies getrocknet. Das fertige Vlies wird auf eine Papierrolle gewickelt, die in schmalere Rollen oder Bögen geschnitten wird, die für die weitere Verarbeitung geeignet sind.
Das erfindungsgemäße Faservlies kann auch ein nicht-gewebtes Faserprodukt sein. Das nicht-gewebte Faserprodukt bezieht sich auf Platten-, Lagen- oder Vlies-Strukturen, die sich bilden, wenn Fasern oder Filamente mittels mechanischer, thermischer oder chemischer Sondierung miteinander verknüpft sind.
Im Zusammenhang mit einem Testprogramm, das die erfindungsgemäßen Körner als Füllstoff von Papier testet, wurde eine überraschende Beobachtung gemacht. Das Zugeben des körnigen Füllstoffs zu einem Cellulosebogen in Labortests gemäß den SCALA-Standards bewirkte sowohl für die Zugfestigkeit als auch die Berstfestigkeit (1–3) viel höhere Festigkeitswerte als erwartet. In den Figuren ist der Bogen über der 100%-Linie stärker als das, was der chemische Zellstoff erwarten ließe, den er enthält. Die Festigkeit der Bindungen zwischen den Cellulosefasern unter der Linie ist verringert; in der Figur sind die 75%- und 50%-Grenzen gekennzeichnet.
Im Allgemeinen verringerte sich die Festigkeit höchstens im gleichen Ausmaß wie die Verringerung bezüglich der Menge an erforderlichem chemischem Zellstoff, aber zusätzlich gab es einen offensichtlichen Beweis der Festigkeit, die sogar über diesem Niveau beibehalten wird. Die Graphen zeigen, dass der körnige Füllstoff die Bindungen zwischen den Cellulosefasern nicht schwächt. An den Punkten über der 100% Linie des Zugfestigkeitsindex und des Berstfestiakeitsindex beteiligte sich das Korn tatsächlich daran, den Bogen fester zu machen, d. h. die Wirkung ist so ziemlich das Gegenteil von der Verwendung herkömmlicher Füllstoffe.
Die Erfindung schließt eine Ausführungsform ein, gemäß der 3 bis 30 Gew.-% des Füllstoffs in einer körnigen Gestalt zu dem Faservlies zugegeben werden. In diesem Fall ist die Bondierungsfestigkeit des Faservlieses im Wesentlichen die gleiche wie die eines entsprechenden Faservlieses, das keinen Füllstoff enthält. Die Beobachtung, dass die Bondierungsfestigkeit bis zu einem Füllgrad von 30% gleich hoch bleibt, ist ebenfalls überraschend; es ist tatsächlich die Bondierungsfestigkeit, welche verglichen mit dem Stand der Technik die größten Unterschiede zeigt. Mit anderen Worten, es wurde herausgefunden, dass der körnige Füllstoff in der Lage war, das Papier zu festigen. Daher umfaßt die Erfindung die Verwendung des Korns als Füllstoff des Faservlieses, um ein Produkt herzustellen, das eine gute Bondierungsfestigkeit aufweist.
Die Erfindung umfaßt auch eine Ausführungsform, bei der das Faservlies über 30 Gew.-%, besonders mindestens 35 Gew.-% an Füllstoff in körniger Gestalt enthält. Wie in den obigen Beispielen gezeigt, waren wir in der Lage nachzuweisen, dass die Erfindung mit diesen Füllstoffgehalten ein Faservlies wie ein Papier- oder ein Pappvlies bereitstellt, dessen Glattheit ohne Beschichtungsfilm der Glattheit eines beschichteten Faservlieses, das herkömmliche Füllstoffe enthält, entspricht. Der Glattheitsgrad beträgt beim Messen mittels des PPS1000-Tests 2,5 bis 3,5. Die so erhaltenen Oberfläche weist eine Glattheit auf, die ähnlich zu der eine Papiers oder einer Pappe ist, die typischerweise mit 10 g Beschichtung pro Seite beschichtet ist. Daher ist es aufgrund der Erfindung möglich, die Beschichtungsmenge erheblich zu reduzieren. Daher stellt die Erfindung eine neue Verwendung bereit, worin das offenbarte Korn in einer Menge von über 30 Gew.-% zum Füllen des Faservlieses verwendet wird, um eine glatte Druckoberfläche herzustellen.
Wenn sowohl körnige Füllstoffe als auch herkömmliche Füllstoffe verwendet werden, hängt die Papierfestigkeit auch von den verwendeten Bindemitteln ab. Mittels herkömmlicher Füllstoffe erhaltene Vergleichsergebnisse sind ziemlich normal und deren Verhalten ist logisch, was zeigt, dass die Laborarbeit von guter Qualität ist und die Ergebnisse reproduzierbar sind. Wenn ein herkömmlicher Füllstoff wie kalzinierter Kaolin als Vergleichsmaterial verwendet wird, verringert eine Zugabe von 10% die Zugfestigkeit eines Laborbogens wie erwartet um etwa 20 bis 30% entsprechend der Partikelgröße des Füllstoffs. Wenn der Bogen eine entsprechende Menge körnigen Füllstoffs als den Füllstoff enthält, beträgt die Verringerung bezüglich der Festigkeit nur 5 bis 10%.
Die gemessenen Festigkeitswerte zeigen, dass der erfindungsgemäße Füllstoff mit einem Gehalt der gleichen Größenordnung wie bei herkömmlichen Techniken verwendet werden kann, und es kann eine erheblich bessere Festigkeit erreicht werden. Alternativ kann die erfindungsgemäße Füllstoffmenge verglichen mit herkömmlicher Technik das Dreifache betragen, während die Festigkeit die Gleiche bleibt.
Die vorteilhafte Wirkung des körnigen Füllstoffs auf die Festigkeit kann hauptsächlich auf zwei Faktoren zurückgeführt werden. Die Partikelgröße des körnigen Füllstoffs (∅ 1 bis 100 μm) und die rotationssymmetrische Gestalt haben zur Folge, dass es nicht wahrscheinlich ist, dass das Korn zwischen den Kontaktoberflächen zweier Cellulosefasern bleibt, wodurch die Bindungen zwischen den Cellulosefasern nicht gestört werden. Ein anderer Faktor ist, dass die Füllstoffkörner an die umgebenden Fasern gebunden sind und über die Kontaktpunkte Belastungen zwischen den Fasern übertragen können.
Zusätzlich zu den guten Zugfestigkeitswerten wurde beobachtet, dass mit dem körnigen Füllstoff gefülltes Papier eine Oberfläche aufwies, die der eines leicht beschichteten Papiers nach Kalandrieren ähnelte (4–6). Wenn thermoplastisches Bindemittel verwendet wird, wird das Korn unter der kombinierten Wirkung von Wärme und Druck plastisch verformt. Die Körner in der Oberflächenschicht des Papiers werden entsprechend der Papieroberfläche zu einer plattenähnlichen Gestalt verformt. Entsprechend erzeugt Papier, das mit einem höheren Anteil an körnigem Füllstoff vermischt wurde, ein Rohpapier mit einer höherwertigen Oberfläche, beispielsweise zur Beschichtung, und das Erfordernis zum Beschichten nimmt ab. Mit einem so geringen Füllstoffgehalt wie über 20% wird die Oberflächenqualität des Papiers verbessert, so dass das Erfordernis zum Beschichten abnimmt.
Die Menge an körnigem Füllstoff, die in diesen Tests zugegeben wurde, betrug höchstens annähernd 60 Gew.-% und das Verringern der Menge um 5 bis 10 Prozent oder sogar 20 Prozent schien keine Probleme zu verursachen. Wenn ein herkömmliches Vergleichspigment verwendet wurde, wurde die Herstellung des Bogens nach Erreichen eines Füllstoffgehalts von 30 Gewichtsprozent sehr schwierig.
Wenn der erfindungsgemäße Füllstoff in körniger Gestalt als Füllstoff verwendet wird, werden bessere Feuerbeständigkeitseigenschaften erreicht als bei Verwenden herkömmlicher Füllstoffe. Diese Eigenschaft basiert auf der Tatsache, dass, wenn Calciumcarbonat-basierte Körner verwendet werden, sich das Carbonat zersetzt, während die Temperatur über 600°C steigt, Kohlendioxid freisetzend und erheblich Wärme bindend, was beides feuerverhindernde Eigenschaften sind. In der Regel erschweren mineralische Füllstoffe die Verbrennung, und die Möglichkeit, eine größere Menge an körnigem Füllstoff als herkömmliche Füllstoffe in das Material einzuschließen, verbessert die Feuerbeständigkeit.
Die folgenden Beispiele beschreiben das Herstellen und die Verwendung des körnigen Füllstoffs und die Herstellung von Vergleichsproben.
Beispiel 1: Herstellung des körnigen Füllstoffs
Das zu körnende Pigment wurde aufgeschlämmt, um einen Brei mit einem Trockengehalt von 50 Gew.-% zu erzeugen, und beim Aufschlämmen wurde 0,2 Gew.-% Dispex N40 genanntes Dispersionsmittel verwendet.
Als Pigment kann irgendein anorganisches Pulver mit einer Partikelgröße von höchstens einigen Mikrometern verwendet werden. In dem Beispiel wurde ein feinkörniges PCC verwendet, das kommerziell unter anderem unter dem Handelsnamen Multifex-MM, Ultra-Pflex, Super-Pflex, Opacarb F40, Jetcoat und Albafil erhältlich ist, die alle von SMI hergestellt werden, oder die Opti-Cal-Beschichtungs-PCCs, die von Omya hergestellt wird.
Acrylat-Latex wurde mit dem Pigmentbrei vermischt, um als Bindemittel zu dienen. In dem Beispiel beträgt der Anteil an Latex im Trockengehalt des Korns 7 Gew.-%.
Der das Pigment und das Bindemittel enthaltende Brei wird sprühgetrocknet. In dem Beispiel wird ein Laborsprühtrockner vom Mobile Minor-Typ verwendet, der von Niro hergestellt wird und folgende Betriebsparameter aufweist:

Brei-Zufuhrgeschwindigkeit 50 ml/min,
Rotationsgeschwindigkeit des Atomisierers etwa 25000 Umdrehungen pro Minute,
Trocknungsluft-Temperatur 200 bis 250°C und Temperatur von austretender Luft und Körnern etwa 110°C.

Beispiel 2. Verwendung des körnigen Füllstoffs als Füllstoff
Eine 100% Eukalyptus-Cellulose wurde 30 min in einem Valley-Mahlholländer nach SCALA-C 25:76 eingeweicht und gemahlen. Die nach der Länge gewichtete durchschnittliche Länge der gemahlenen Faser betrug etwa 0,84 mm, und die Menge an Feinstgut im chemischen Zellstoff, die auf der Gewichtung durch die Länge basiert, betrug gemäß einer FiberLab-Messung 2,1%.
Die Körner wurden in Wasser aufgeschlämmt, um einen Trockengehalt von 10 Gew.-% bereitzustellen, und es wurden weder Dispersionsmittel noch Additive verwendet.
Gemahlene Cellulose und Füllstoffbrei wurden mit Wasser gemischt, so dass für den Zellstoff ein Trockengehalt von etwa 2,4 g/l erhalten wurde, wenn das Grundgewicht des herzustellenden Bogens 80 g/m² betrug, und der gewünschte Korngehalt in durch eine Frischwasser-Bogenmaschine hergestellten Bögen betrug 20%. In diesem Fall betrug der Füllstoffgehalt des Zellstoffs etwa 26%, wobei die Füllstoffretention etwa 70% betrug. Die Mengen an Verbindungen für die verschiedenen Füllstoffgehalte und einzelnen Bogendicken wurden entsprechend geändert. Zum Vergleich wurde auch aus jeder chemischen Zellstoffcharge eine Reihe von reinen chemischen Zellstoffbögen hergestellt.
Ein Zweikomponenten-Retentionsmittel wurde mit dem Zellstoff vermischt. Zuerst wurde kationische Stärke in einer 2% Lösung in einer Menge von 0,5% der Trockenmasse zugegeben. Nach sorgfältigem Mischen wurde 0,05% Kieselsol zugegeben, um als Vernetzungsmittel zu dienen. Dieses Retentionssystem ist in der Papierindustrie übliche Praxis.
Aus dem Zellstoff wurden mittels einer Ausrüstung gemäß SCALA-C 26, den Arbeitsmethoden gemäß SCALA-C 26:76 und SCALA-M 5:76 Bögen hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Bögen durch Trommel-Trocknen getrocknet wurden. Trommel-Trocknen war notwendig, da die Bögen kalandriert wurden.
Die getrockneten Bögen wurden 24 h bei einer Temperatur von 25°C konditioniert; die relative Feuchtigkeit betrug 50%. Die konditionierten Bögen wurden leicht kalandriert; die Kalandrierungstemperatur betrug etwa 65°C, wonach sie wieder konditioniert wurden.
Die Zugfestigkeit der Bögen wurde mittels einer Lorentzen&Wettre Tensile Tester-Vorrichtung und die Berstfestigkeit mittels einer Lorentzen-Wettre Berstfestigkeits-Vorrichtung gemessen und die Bondierungsfestigkeit wurde durch eine Scott Internal Bond Model B Testapparatur gemessen, wobei jede Vorrichtung gemäß normaler Arbeitsmethoden und den Anleitungen der Vorrichtungen verwendet wurde.
Die Festigkeits- und Berstfestigkeits-Indizes wurden durch Teilen der Meßergebnisse durch das entsprechende Grundgewicht des Bogens berechnet.
In jeder Meßreihe zeigt der Vergleichsgraph eine Abweichung des Indexwerts von einem chemischen Zellstoff-Bogen. Der Wert der Abweichung wird wie folgt erhalten: Abweichung = (Xfn – Xps)/Xps × 100%,wobei

X_fn: der zu prüfende gemessene Indexwert der Füllstoffenthaltenden Probe ist, und
X_ps: ein Bogen ist, das der zu prüfenden Probe entspricht und aus reinem chemischem Zellstoff hergestellt ist.

Beispiel 3. Als Vergleich verwendete Füllstoffe

Es wurden Bögen aus kommerziellen Füllstoffen mittels des gleichen Verfahrens wie die aus dem körnigen Füllstoff hergestellten Bögen hergestellt, die zum Vergleich verwendet wurden. Die Vergleichsfüllstoffe sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1.

Füllstoff	Beschreibung
Omyacarb 2 GU	Rauhe GCC, Partikelgröße d₅₀ etwa 2,5 μm
F-PCC	Skalenoedrischer PCC Füllstoff, Partikelgröße d₅₀ etwa 2,4 μm
Alphatex	Kalzinierter Kaolin d₅₀, etwa 0,7–0,9 μm
Opacarb A40	PCC d₅₀ Beschichtung etwa 0,4 μm

Der PCC-Füllstoff war schon zu einem Brei von etwa 18 Gew.-% aufgeschlämmt, das GCC und kalziniertes Kaolin waren ohne Additive in einem Brei von 10 Gew.-% aufgeschlämmt. Opacarb war ebenfalls schon aufgeschlämmt. Beim Erstellen der Vergleichsproben wurden die gleichen Retentionsmittel und Arbeitsmethoden wie bei Verwendung des körnigen Füllstoffs verwendet.
Die mechanischen Eigenschaften der Vergleichsproben wurden mit denselben Instrumenten gemessen und die Ergebnisse wurden auf die gleiche Weise wie bei Verwendung der körnigen Füllstoffe behandelt.
Beispiel 4. Oberflächenrauhigkeitsmessungen
Die Oberflächenrauhigkeit von Bögen, die den körnigen Füllstoff enthielten und mittels einer Laborbogen-Form hergestellt wurden, wurden unter Verwendung einer Parker Print Surf Vorrichtung der Handelsmarke Messmer Büchel gemessen, wobei die Vorrichtungsart M590 war. Der Füllstoffgehalt der gemessenen Bögen lag zwischen 5% bis etwa 61%, die Grundgewichte lagen im Bereich von 63 bis 90 g/m². Zum Vergleich wurden auch die entsprechenden chemischen Zellstoff-Bögen ohne Füllstoff und verschiedene kommerzielle Papierqualitäten gemessen.
Die gemessenen Laborbögen wurden aus 100% chemischem Birkenzellstoff hergestellt. Alle Laborbögen wurden durch einen linearen Druck von etwa 60 kN/m kalandriert; die Walzentemperatur betrug etwa 60°C. Die Oberflächen der Laborbögen, die am Sieb waren, befanden sich beim Kalandrieren an der glatten Metallwalze.
Die Rauhigkeitsmessungen wurden unter Verwendung eines Drucks von 1 MPa zum Messen (PPS1000) und unter Verwendung eines weichen Hintergrunds durchgeführt.
Die Ergebnisse der Messungen sind in 7 gezeigt. Die Ergebnisse der Kopierpapierbögen und der Bögen, die nichts außer dem chemischen Zellstoff enthielten, werden in Form von Schwankungsbereichen gezeigt; die Werte des beschichteten Papiers zeigten weniger Schwankung, daher wird ein typischer Wert von ihnen dargestellt. Bezüglich der Kopierpapierbögen wurden beide Seiten berücksichtigt, und bei den einseitig beschichteten Bögen wurden nur die beschichteten Seiten berücksichtigt. Was die Laborbögen betrifft, so werden die gemessenen Werte der Seite, die beim Kalandrieren an der Metallwalze war, gezeigt.
Nach diesen Messungen wird der PPS1000-Standard von beschichtetem Papier durch eine Füllstoffzugabe von etwa 35 bis 40% erreicht, wenn der körnige Füllstoff verwendet wird. Die durch die verwendeten Körner gebildete Oberfläche weist eine Mikrostruktur auf, die ähnlich zu der von beschichtetem Papier ist; daher zeigt der PPS1000 bei Zugabe des Füllstoffs keine erhebliche Veränderung.

Claims

Faservlies, das einen Füllstoff enthält, der eine Substanz in körniger Form ist, die eine rotationssymmetrische Gestalt und einen Innenteil und einen Krusten-Teil aufweist, und wobei die Dichte des Innenteils etwa 10 bis 90% derjenigen des Krusten-Teils beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Füllstoff mehr als 30% und bis zu 60% der Menge an Feststoffen beträgt.
Faservlies gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Innenteils des Füllstoffkorns etwa 40 bis 80% von der des Krusten-Teils beträgt,
Faservlies gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstoffkorn aus Pigmentpartikeln und einem Bindemittel besteht.
Faservlies gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Pigmentpartikel 1500 bis 7000 kg/m³, bevorzugt etwa 2000 bis 3100 kg/m³ beträgt.
Faservlies gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Füllstoffkorns 400 bis 6300 kg/m³, bevorzugt 600 bis 2800 kg/m³ beträgt, wobei die Dichte des Innenteils etwa 50 bis 5700 kg/m³, bevorzugt 700 bis 1500 kg/m³ beträgt, und die Dichte des Krusten-Teils etwa 600 bis 6300 kg/m³, bevorzugt 1700 bis 2000 kg/m³ beträgt.
Faservlies gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenteil des Füllstoffkorns im Vergleich zum Krusten-Teil rauere Pigmentpartikel enthält.
Faservlies gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass. die Porösität des Innenteils des Füllstoffkorns höher als die des Krusten-Teils ist, wobei das Porenvolumen des Innenteils 10 bis 70 Vol.-% bevorzugt etwa 30 bis 60 Vol.-% beträgt.
Faservlies gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Krusten-Teil des Füllstoffkorns Metallsilikat-, Metallsulfat- oder Metallcarbonatpartikel umfasst, die mittels eines vernetzten Bindemittels miteinander verbunden sind, wodurch sie eine dichte Schicht bilden, die den Innenteil umgibt.
Faservlies gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffpartikel irgendeine anorganische Substanz, zum Beispiel Kaoline oder gemahlene oder gefällte Calciumcarbonate, umfasst.
Faservlies gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelgröße (∅) des körnigen Füllstoffs 1 bis 100 μm, bevorzugt 5 bis 50 μm beträgt.
Faservlies gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz in körniger Form unter der Einwirkung von Druck und/oder Temperatur plastisch verformbar ist.
Verfahren zum Herstellen eines Faservlieses wie Pappe, Papier oder nicht-gewebtem Gewebe, das einen Füllstoff enthält und eine gute Zugfestigkeit aufweist, wobei das Verfahren den Einschluss des Füllstoffs in das Faservlies umfasst, wobei der Füllstoff eine Substanz in körniger Form ist und eine rotationssymmetrische Gestalt und einen Innenteil und einen Krusten-Teil aufweist, und wobei die Dichte des Innenteils etwa 10 bis 90% derjenigen des Krusten-Teils beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an verwendetem Füllstoff über 30% und bis zu 60% der Menge an Feststoffen beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein körniger Füllstoff verwendet wird, dessen Partikelgröße (∅) 1 bis 100 μm, bevorzugt 5 bis 50 μm beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das den Füllstoff enthaltende Faservliese mit einer Beschichtungszusammensetzung beschichtet wird.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an verwendetem Beschichtungspigment 30% geringer als beim Bereitstellen eines entsprechenden Grads an Opazität mit einem Faservlies, das pulvrige mineralische Pigmente enthält, ist, um einen festgelegten Grad an Opazität zu erhalten.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz in körniger Form unter der Einwirkung von Druck und/oder Temperatur plastisch verformbar ist.
Verfahren zum Verbessern der Feuerbeständigkeitseigenschaften eines Faservlieses, das einen Füllstoff enthält und gute Zugfestigkeit aufweist, wobei der Füllstoff eine massive Substanz in körniger Form ist, die eine rotationssymmetrische Gestalt und einen Innenteil und einen Krusten-Teil aufweist, und wobei die Dichte des Innenteils etwa 10 bis 90% derjenigen des Krusten-Teils beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte und die Menge an verwendetem Füllstoff mehr als 30% und bis zu 60% der Menge an Trockensubstanz beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz in körniger Form unter der Einwirkung von Druck und/oder Temperatur plastisch verformbar ist.