DE69430255T3

DE69430255T3 - Behandlung von anorganischen pigmenten mit carboxymethylcelluloseverbindungen

Info

Publication number: DE69430255T3
Application number: DE69430255T
Authority: DE
Inventors: H. George FAIRCHILD
Original assignee: Minerals Technologies Inc
Current assignee: Akzo Nobel NV
Priority date: 1993-11-10
Filing date: 1994-11-01
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2014-11-02
Also published as: NO961848L; US5492560A; NO961848D0; DE69430255D1; MY131717A; DE69430255T2; FI121120B; WO1995013324A1; WO1995013325A1; PL314293A1; TW353124B; EP0731826B1; ATE215116T1; PT731826E; FI961974A; EP0731826B2; RU2142483C1; EP0731826A4; FI961974A0; JP3582659B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Füllstoffe aus anorganischem Material werden gewöhnlich während der alkalischen Papierherstellung zu Cellulosefasern hinzugefügt, um die Helligkeit, die Lichtundurchlässigkeit, die Papierglätte und/oder die Bedruckbarkeit zu verbessern. Die in den alkalischen Papierherstellungsverfahren eingesetzten Füllstoffe sind gewöhnlich anorganische Materialien. So viel Füllstoff wie möglich wird bei der Herstellung von alkalischem Papier eingesetzt, da zunehmende Mengen des Füllstoffs in der alkalischen Papierherstellung die Herstellungskosten reduziert. Zusätzlich bewirkt der Füllstoff verbesserte Eigenschaften des alkalischen Papiers, wie Lichtundurchlässigkeit und Helligkeit.
Die Helligkeit ist eine Funktion des Grades der Lichtreflexion. Anorganische Materialien wie Kreide, Talk und Töne stellen eine niedrige Helligkeit bereit. Es ist bekannt, daß die durch Tonfüllstoffe bewirkte Helligkeit mittels Kalzinieren verbessert werden kann. Jedoch ist kalzinierter Ton unerwünscht rau.
Die Helligkeit von alkalischem Papier, welches anorganische Füllstoffe mit einer niedrigen Helligkeit beinhaltet, kann auch durch Hinzufügen fluoreszierender Aufhellmittel oder optischer Aufheller verbessert werden. Jedoch sind diese Chemikalien teuer und bereiten umweltbedingte Sorgen.
Der Stand der Technik kennt verschiedene Füllstoffmaterialien und Verfahren zur Papierherstellung. Das US-Patent 2,795,509 offenbart stabile Dispersionen aus Siliziumdioxid in Lösungen von Celluloseethern, welche als Schlichtemittelzusammensetzungen nützlich sind.
Das US-Patent 3,730,830 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Papier mit guter Festigkeit, bei dem eine Aufschlämmung von Rohstofffasern, Carboxymethylcellulose und einem anorganischen Pigment gebildet und anschließend Cellulosefasern zugesetzt werden.
Das US-Patent 4,310,360 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Schlichtemittelzusammensetzung umfassend das Erwärmen eines Pigments in der Anwesenheit eines Polysaccharids.
Das US-Patent 4,210,488 offenbart ein Verfahren zur Verbesserung des Effekts optischer Aufheller durch Absorption von auf Carboxymethylcellulose adsorbierter Polypeperidinhalogenide.
Carboxymethylcellulose ist ein naßseitiges Papieradditiv, welches die Trockenfestigkeit des Papiers verbessert. Lösungen von Carboxymethylcellulose können auch auf die Oberfläche von Papier aufgebracht werden, um die Oberflächenfestigkeit, Glätte sowie Öl- oder Fettabweisung zu verbessern.
Keines der oben angegebenen Patente spricht das Problem der Verbesserung der Helligkeit von alkalischen Papierprodukten, welche an organische pigmentartige Füllstoffe beinhalten, erfolgreich an. Entsprechend existiert ein Bedarf für ein anorganisches Füllstoffmaterial, welches eine erhöhte Helligkeit in alkalischen Papierprodukten bewirkt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die offenbarte Erfindung bezieht sich auf die Verwendung gemäß Anspruch 1.
Bevorzugterweise hat die Natriumcarboxymethylcellulose ("CMC") einen Substitutionsgrad von ca. 0,7 und eine mit einem Brookfiled Viskosimeter gemessene Viskosität zwischen ca. 25 cps und ca. 50 cps. Natriumcarboxymethylcellulose mit diesem Grad der Substitution ist von der Firma Aqualon Co. aus Wilmington, Delaware (DE) erhältlich.
Die Behandlung des Kalziumkarbonats umfaßt das Hinzufügen von Natriumcarboxymethylcellulose ("CMC"), wie trockenem CMC oder CMC in Gestalt einer wässrigen Lösung, bevorzugterweise trockenem CMC zu dem Kalziumkarbonat. Der Behandlungsschritt umfaßt Mischen des Kalziumkarbonats und CMCs über eine Zeitdauer zwischen 1 Minute und 6 Stunden, bevorzugterweise zwischen ca. 15 Minuten und 3 Stunden bei 5°C bis 95°C, bevorzugterweise bei 20°C bis 60°C.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Ganz allgemein wird das behandelte Kalziumkarbonat durch Vermischung fein verteilten Kalziumkarbonats mit Natriumcarboxymethylcellulose erhalten. Die Natriumcarboxymethylcellulose ist bevorzugterweise eine Carboxymethylethercellulose, die einen Natriumsubstituenten besitzt, d. h. CMC. Die CMC besitzt eine Viskosität in der Größenordnung von 25 bis 50 cps in einer zweiprozentigen wässrigen Lösung und kann als Substitutionsgrad (durchschnittliche Zahl der Natriumcarboxymethylgruppen pro Anhydroglukoseeinheit) von ca. 0,7 aufweisen.
Das Kalziumkarbonat ist um gefälltes Kalziumkarbonat.
Die mittlere Teilchengröße des in der Erfindung einsetzbaren Kalziumkarbonats liegt zwischen ca. 0,1 und 5 μ, bevorzugterweise zwischen ca. 0,2 und 3,0 μ. Die mittlere Teilchengröße wird definiert als der äquivalente sphärische Durchmesser, der mittels eines von der Fa. Micrometrics Co. hergestellten Sedigraph 5100 gemessen wird.
Die Zubereitung von in der Erfindung einsetzbarem mit CMC behandelten Kalziumkarbonat kann durch jedes der Verfahren (A), (B), (C) oder (D) durchgeführt werden. Im Verfahren (A) wird trockenes Pulver con CMC, zu einer wässrigen Aufschlämmung hinzugefügt, welche ca. 5 Gew.-% bis 75 Gew.-%, bevorzugterweise ca. 10 Gew.-% bis ca. 30 Gew.-% Kalziumkarbonatfeststoffe beinhaltet. Die Aufschlämmung und das CMC Pulver werden über eine Zeitraum von ca. 1 Minute bis etwa 6 Stunden, bevorzugterweise zwischen ca. 15 Minuten und ca. 3 Stunden vermischt. Die Temperatur während der CMC Addition liegt typischerweise im Bereich zwischen ca. 5°C und 95°C, bevorzugterweise ca. zwischen 20°C und ca. 60°C, insbesondere besonders bevorzugt bei 25°C.
Im Verfahren (B) wird eine wässrige Lösung von CMC zu einer wässrigen Aufschlämmung von Kalziumkarbonat hinzugefügt, welche eine Konzentration von ca. 5 Gew.-% bis ca. 75 Gew.-%, bevorzugterweise ca. 10 Gew.-% bis ca., 30 Gew.-% besitzt. Die Kalziumkarbonataufschlämmung und die CMC Lösung werden über einen Zeitraum zwischen ca. 1 Minute und ca. 6 Stunden, bevorzugterweise zwischen ca. 15 Minuten und ca. 3 Stunden gemischt. Die Temperatur während des Zufügens der CMC Lösung liegt typischerweise zwischen 5°C und 95 °C, bevorzugterweise zwischen ca. 20°C und ca. 60°C, noch bevorzugter bei ca. 25°C.
Im Verfahren (C) wird fein verteiltes trockenes Kalziumkarbonat zu einer wässrigen Lösung von CMC, hinzugefügt. Das Kalziumkarbonat und die Lösung von CMC werden über einen Zeitraum von ca. 1 Minute bis ca. 6 Stunden, bevorzugterweise zwischen ca. 15 Minuten und ca. 3 Stunden vermischt. Die Temperatur während des Mischens beträgt gewöhnlich zwischen ca. 5°C und 95°C, bevorzugterweise zwischen ca. 20°C und ca. 60°C, noch bevorzugter 25°C.
Im Verfahren (D) wird das Kalziumkarbonat mit CMC mittels Hinzufügen trockener Pulver jeweils des CMC und des fein verteilten Kalziumkarbonats zu Wasser behandelt. Bei diesem Verfahren werden die CMC, das Kalziumkarbonat und das Wasser über einen Zeitraum zwischen ca. 1 Minute und ca. 6 Stunden, bevorzugterweise zwischen ca. 15 Minuten und ca. 3 Stunden vermischt. Die Temperatur während des Mischens kann zwischen 5°C und 95°C, bevorzugterweise zwischen ca. 20°C und ca. 60°C, noch bevorzugter bei ca. 25°C liegen.
Die Menge der in jedem der obigen Verfahren hinzugefügten CMC ist ausreichend, um ein Kalziumkarbonat mit ca. 0,2 Gew.-% bis 5 Gew.-%, bevorzugterweise zwischen 0,2 Gew.-% und 0,5 Gew.-% aufgebrachter CMC bereitzustellen. Einsetzbare wässrige Lösungen von CMC haben ca. 0,1 Gew.-% bis 5 Gew.-% CMC in der wässrigen Phase, bevorzugterweise zwischen ca. 0,5 Gew.-% und 1,5 Gew.-%, noch bevorzugter ungefähr 1 Gew.-% CMC basierend auf dem Gewicht der wässrigen Phase.
In der vorliegenden Erfindung kann die Helligkeit alkalischen Papiers erstaunlicherweise während der alkalischen Papierherstellung durch Hinzufügen fein verteilten Kalziumkarbonats, welches mit Natriumcar boxymethylcellulose behandelt wurde, zu Cellulosefasern verbessert werden.
Das alkalische Papier umfaßt cellulosische Fasern und ein Füllstoffmaterial eines Kalziumkarbonats, welches mit Natriumcarboxymethylcellulose behandelt wurde. Das behandelte Kalziumkarbonat kann in einer Menge von ca. 5 bis 45 Gew.-% basierend auf dem Gewicht des Papiers vorhanden sein.
Die vorangehenden Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus den nachfolgenden, nicht limitierenden Beispielen der vorliegenden Erfindung hervorgehen.
Beispiele 1A–1H
Beispiele 1A–1F zeigen die Auswirkungen auf die Helligkeit aufgrund des Einsatzes eines PCC Füllstoffes, der mit unterschiedlichen Dosierungen von Natriumcarboxymethylcellulose modifiziert wurde. Zum Vergleich zeigen Beispiele 1G und 1H die Auswirkung des Einsatzes unbehandelten PCC Füllstoffes auf die Helligkeit.
In Beispielen 1A–1F wird eine wässrige Aufschlämmung von 20% PCC Feststoffe mit einer 1%igen wässrigen Lösung von Natriumcarboxymethylcellulose wie in Verfahren (B) behandelt. Das PCC besitzt eine scalenoedrische Morphologie, eine mittlere Teilchengröße von 1,4 Micron und eine spezifische Oberfläche von 12,3 m²/g. Die Menge der zur Behandlung des PCC in den Beispielen 1A–1B eingesetzten Natriumcarboxymethylcellulose beträgt 0,1, 0,2 und 0,3% basierend auf dem Trockengewicht der PCC. Die Menge der in den Beispielen 1C–1D zur Behandlung des PCC eingesetzten Natriumcarboxymethylcellulose beträgt 0,2% basierend auf dem Trockengewicht des PCC. Die Menge der zur Behandlung des PCC in den Beispielen 1E–1F eingesetzten Natriumcarboxymethylcellulose beträgt 0,3% basierend auf dem Tro ckengewicht des PCC. In den Beispielen 1G und 1H wird unbehandeltes PCC als Füllstoff eingesetzt.
In Beispielen 1A–1H wird ein Formax Blattformer (Noble und Wood Art, hergestellt von Adirondack Machine Corp.) zur Herstellung von Handblättern aus Papier (60 g/m²) aus einer Zubereitung von 75% gebleichtem Hartholz- und 25% gebleichten Weichholzkraftzellstoff, welche bei einem pH von 7 in destilliertem Wasser auf 400 Canadian Standard Freeness (CSF) zerschlagen wurden, eingesetzt. Die Zellstoffzusammensetzung beträgt 0,3125%. Ein Retentionshilfsmittel (Kationisches Polyacrylamid hoher Dichte) wird dem Zellstoff in einer Größenordnung von 0,05% (1 lb./Tonne Papier) hinzugefügt. Ein synthetisches Schlichtemittel (Alkylketendimer) wird dem Zellstoff in einer Größenordnung von 0,25% (5 lb./Tonne Papier) zugesetzt. Füllstoff wird der Zellstoffzubereitung hinzugefügt, um eine Zielfüllstoffzusatzhöhe zu erreichen.
Die Blätter werden bei 50% relativer Luftfeuchtigkeit und 23°C für ein Minimum von 24 Stunden vor dem Testen konditioniert.
Die Helligkeit der resultierenden Papiere wird mittels der TAPPT Testmethode T452-OM92 untersucht. Die Resultate dieses Tests sind in Tabelle 1 dargestellt. Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, wird die Helligkeit von Papier mittels Einsatz von PCC Füllstoffen verbessert, welche zunehmenden Behandlungsmengen von CMC ausgesetzt waren. TABELLE 1

Beispiel Nr. Füllstoff Helligkeit

1A 14.42¹ 85.36

1B 29.39¹ 87.93

1C 15.7² 85.9

1D 29.32² 88.1

1E 15.32³ 86.13

1F 30.02³ 88.33

1G 14.86⁴ 85.43

1H 30.13⁴ 87.65

1. PCC mit Behandlungshöhe von 0,1% CMC
2. PCC mit Behandlungshöhe von 0,2% CMC
3. PCC mit Behandlungshöhe von 0,3% CMC
4. Unbehandeltes PCC

Beispiele 2A–2F
In Beispielen 2A–2F wird die Auswirkung des Einsatzes von mit Natriumcarboxymethylcellulose behandeltem PCC auf die Helligkeit mit der Auswirkung des einzelnen Hinzufügens unbehandelten PCCs zu einer Zellstoffaufbereitung, welche CMC beinhaltet, die Helligkeit verglichen.
In den Beispielen 2A–2F besitzt das eingesetzte PCC eine scalenoedrische Morphologie, eine mittlere Teilchengröße von 1,3 Micron und eine spezifische Oberfläche von 12,1 m²/g. In den Beispielen 2A und 2B wird eine wässrige 20%ige Feststoffaufschlämmung von PCC mit einer 1%igen wässrigen Lösung von Natriumcarboxymethylcellulose nach Verfahren (B) behandelt, um eine Behandlungsmenge von 0,5 Gew.-% CMC basierend auf PCC bereitzustellen. In Beispiel 2C und 2D wird die Auswirkung des separaten Hinzufügens einer PCC Aufschlämmung und einer Natriumcarboxymethylcelluloselösung zu der Zellstoffaufbereitung nach Verfahren (D) bestimmt. Die Mengen des hinzugefügten PCCs sind in den Beispielen 2C und 2D in Tabelle 2 dargestellt. Die Menge der in den Beispielen 2C und 2D hinzugefügten Carboxymethylcellulose ist ausreichend, um eine Behandlungshöhe mit Natriumcarboxymethylcellulose zu erreichen, welche der des in den Beispielen 2A und 2B eingesetzten mit CMC behandelten PCCs entspricht. Zum Vergleich wird unbehandeltes PCC, wie in den Beispielen 2E und 2F dargestellt, zu der Zellstoffaufbereitung hinzugefügt, welche keine CMC beinhaltet.
Die behandelten und unbehandelten PCC Füllstoffe werden in einer Zellstoffzubereitung zur Herstellung von Handblättern, wie in Beispiel 1A beschrieben, eingesetzt. Die Helligkeit der resultierenden Handblätter wird mittels TAPPT Testverfahren T452-OM92 evaluiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. TABELLE 2

Beispiel Nr. % Füllstoff Helligkeit

2A 14.63 86.03

2B 24.02 87.7

2C 14.68 85.53

2D 24.75 87.06

2E 14.72 85.40

2F 24.02 87.03
Beispiele 3A–3H
In Beispielen 3A–3H wird der Einfluß der Morphologie des PCC Füllstoffs auf die Helligkeit evaluiert. Die eingesetzten PCCs besitzen entweder eine prismatische oder rhomboedrische Morphologie.
PCC mit einer prismatischen Morphologie besitzt eine mittlere Teilchengröße von 2,2 Micron und eine spezifische Oberfläche von 3,6 m²/g. PCC mit einer rhomboedrischen Morphologie besitzt eine Teilchengröße von 3,3 Micron und eine spezifische Oberfläche von 2,5 m²/g.
In Beispielen 3A, 3B, 3E und 3F werden wässrige Aufschlämmungen von 20% jeder Art von PCC Feststoff mit einer 1%igen wässrigen Lösung von Natriumcarboxymethylcellulose nach Verfahren (B) behandelt, um eine Behandlungshöhe von 0,5 Gew.-% CMC basierend auf dem Trockengewicht des PCC Füllstoffs bereitzustellen. Zum Vergleich werden in Beispielen 3C, 3D, 3G und 3H wässrige Aufschlämmungen von 20% unbehandeltem PCC Feststoff evaluiert. Die PCC Füllstoffe werden zu der Zellstoffaufbereitung hinzugefügt und wie im Beispiel 1 zu Papier geformt.
Die Helligkeitsstufen der gebildeten Papierblätter sind in Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3
Die Ergebnisse in Tabelle 3 zeigen das unterschiedliche PCC Morphologien mittels CMC zum Erreichen von Papier mit verbesserter Helligkeit behandelt werden können.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben wurde, sollte es zur Kenntnis genommen werden, daß diese Beschreibung nur beispielhaft ist und keinesfalls als limitierend ausgelegt werden sollte. Der Umfang der Erfindung wird nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche begrenzt.

Claims

Verwendung einer Zusammensetzung als Papierherstellungsfüllstoff, wobei die Zusammensetzung eine wässrige Aufschlämmung umfasst, die im Wesentlichen aus Wasser und 5 bis 75 Gew.-% gefälltem Kalziumkarbonat basierend auf dem Gewicht des Wassers und des Kalziumskarbonats besteht, wobei das Kalziumkarbonat skalenoedrisch, rhomboedrisch oder prismatisch mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,1 bis 5 μ ist und daran 0,2 bis 5 Gew.-% eines Cellulosederivats basierend auf dem Gewicht trockenen Kalziumkarbonats enthält, wobei das Cellulosederivat eine Kalziumcarboxymethylcellulose ist.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei die Celluloseverbindung ein Cellulosesalz ist.
Verwendung nach Anspruch 2, wobei das Salz Natriumcarboxymethylcellulose ist.
Verwendung nach Anspruch 3, wobei die Celluloseverbindung Natriumcarboxymethylcellulose mit einem Substitutionsgrad von ca. 0,7 ist.