DE69919703T2

DE69919703T2 - Verwendung von kolloidalem ausgefälltem kalziumkarbonat als füllstoff bei der herstellung von papier

Info

Publication number: DE69919703T2
Application number: DE69919703T
Authority: DE
Inventors: Akilles Klaus LUNDEN; Ib Attrup; Toftelund Jens MADSEN
Original assignee: J M Huber Denmark ApS
Current assignee: J M Huber Denmark ApS
Priority date: 1998-05-27
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: DE69919703D1; ES2228045T3; NO20005871D0; AU4030199A; US7267719B2; ATE274616T1; WO1999061703A8; CA2333113A1; NO330049B1; CA2333113C; WO1999061703A1; EP1084297B1; US20050098066A1; EP1084297A1; US6887351B1; NO20005871L

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft die Verwendung von kolloidalem PCC (präzipitiertes Calciumcarbonat) als ein Füllstoff bei der Herstellung von Papier mit dem Zweck der Regulierung der Porosität und der Druckeigenschaften des Papiers.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Zusammenhang mit der Herstellung von Papier ist es besonders wichtig, dass man in der Lage ist, die Porosität des Papiers zu regulieren. Zum Beispiel wird ein Papier mit niedriger Porosität benötigt, um ein annehmbares Ergebnis z. B. beim Tintenstrahldruck und Rotationstiefdruck zu erhalten. Wenn das Papier zu porös ist, wird es während des Druckens wie Löschpapier funktionieren und der erhaltene Druck kann verschwommen erscheinen, wobei der Kontrast zwischen bedruckten und unbedruckten Bereichen oder zwischen verschiedenfarbigen Bereichen nicht scharf wiedergegeben wird. Gleichermaßen kann man auf einem Papier, das eine ungleichmäßige Porosität aufweist, sehen, dass die Intensität der Farbgebung variiert („Melierung"), was sicher unerwünscht ist, da die gefärbte Oberfläche bunt oder meliert erscheint. Andererseits kann die Porosität von Papier auch zu niedrig sein, da es für ein sehr dichtes Papier schwierig ist, die Druckfarbe zu absorbieren, was unter anderem zum Verschmieren („Abschmutzen") zwischen den bedruckten Seiten führt. Dieses Phänomen kann die Druckergebnisse, die Druckgeschwindigkeit und das verwendete Druckverfahren auf negative Weise beeinflussen.
Die Papierindustrie verwendet derzeit mehrere verschiedene Wege zur Regulierung der Porosität von Papier. Unter anderem macht man sich die Tatsache zu nutze, dass bestimmte Mineralien in der Form von Plättchen, z. B. Talk und Kaolin, aufgrund ihrer Form in der Lage sind, die Porosität zu verringern, da die einzelnen Teilchen sich wie die Schuppen auf einem Fisch ablagern und dadurch die Oberfläche versiegeln. Feine Silikate können im Zusammenhang mit Pigmentierung verwendet werden, um die Porosität des Papiers zu verringern. Wenn sie in oder auf das Papier gelangen, verschließen diese feinen Teilchen die Poren, die zur Porosität des Papiers beitragen.
Um die Eigenschaften von Papier zu regulieren, wird häufig eine Kombination von einem oder mehreren Füllstoffen und eine Vielzahl anderer Zusätze verwendet. Innerhalb der Gruppe der Zusätze gibt es Alkylketen-Dimere (AKD), Alkenylbernsteinsäureanhydrid (ASA), Stärke und Retentionsmittel. Retentionsmittel werden zugegeben, um die Herstellung des Papiers zu erleichtern, während AKD, ASA und Stärke zugegeben werden, um die Qualität des Papiers (Festigkeit, Druckeigenschaften, etc.) sicherzustellen.
Ungeachtet dessen, welches der derzeit bekannten Verfahren verwendet wird, weisen alle Nachteile auf. Kaolin und Talk in der Form von Plättchen beeinflussen die Helligkeit des Papiers negativ, verglichen mit weißeren Füllstoffen, wie gemahlenem Calciumcarbonat oder PCC (präzipitiertes Calciumcarbonat).
Die feinen Silikatprodukte, die zur Pigmentierung verwendet werden, weisen relativ gute technische Eigenschaften auf. Jedoch haben die Silikatprodukte den Nachteil, dass sie viel teurer als die Füllstoffe sind, die normalerweise in der Papierherstellung verwendet werden. Das Gleiche gilt für andere Zusätze, die normalerweise im Zusammenhang mit der Papierherstellung verwendet werden. Diese sind häufig vielfach so teuer wie ein Calciumcarbonat-Füllstoff.
Über die Jahre wurden mehrere Versuche unternommen, um die Papierzusammensetzungen genau zum Zwecke der Verbesserung der Porosität und der Druckeigenschaften des Papiers zu optimieren. Das Problem bestand jedoch darin, dass keiner dieser Versuche für eine Lösung ideal gewesen ist, da sie entweder einen negativen Einfluss auf die anderen Eigenschaften des Papiers (unter anderem die Helligkeit) hatten oder relativ teuer in der Verwendung waren (Silikatprodukte).
Die Verwendung von kolloidalem PCC als solches in Papier ist bekannt. Zum Beispiel offenbart US 4,892,590 die Verwendung eines Zwei-Komponenten-Bindemittelsystems als ein Retentionsmittel zur Papierherstellung, wobei das Bindemittel kolloidales PCC mit einer hohen spezifischen Oberfläche zusammen mit einer kationischen Stärke umfasst. Das verwendete PCC weist eine Oberfläche von 10 bis 200 m²/g auf, und das Gewichtsverhältnis zwischen PCC und der kationischen Stärke beträgt 2:1 bis 1:20.
US 4,460,637 offenbart Tintendruckerpapier (beschichtetes Papier) mit zwei verschiedenen Spitzen der Porengrößenverteilung in der Schicht oder den Schichten, die die Tinte aufnehmen. Die gewünschte Porengrößenverteilung kann unter anderem mittels Agglomeraten mit einem mittleren Durchmesser von 1-50 μm erreicht werden, wobei die einzelnen Teilchen in den Agglomeraten eine Größe von höchstens 0,20 μm aufweisen, z. B. kolloidale Teilchen von höchstens 0,01 μm; derartige kolloidale Teilchen können kolloidale Calciumcarbonat-Teilchen sein.
US 4,892,590 offenbart die Verwendung einer Kombination von kolloidalem PCC und einer kationischen Stärke als ein Retentionsmittel in einem Papierherstellungsverfahren.
WO 96/29369 offenbart ein Tintenstrahl-Tinte aufnehmendes Papier mit mindestens einer mit einer Beschichtungszusammensetzung beschichteten Seite, das thermisch gealtertes und/oder gemahlenes PCC und ein Bindemittel umfasst.
WO 97/30220 offenbart die Herstellung von gefüllten Papieren unter Verwendung einer Cellulosesuspension, die eine Aufschlämmung aus PCC und einem kationischen Polymer umfasst.
EP 0 521 737-A1 offenbart ein Verfahren zur Erhöhung des Feststoffgehalts einer PCC-Aufschlämmung zur Verwendung in der Papierherstellung durch Zugabe eines pulverisierten oder granulierten Pigments zu der Aufschlämmung.
Es wird nicht angenommen, dass kolloidales PCC als ein Füllstoff in Papier zu dem Zweck der Regulierung der Porosität und der Druckeigenschaften des Papiers früher beschrieben oder verwendet worden ist.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wurde nun gefunden, dass die Verwendung von kolloidalem PCC mit großer Oberfläche als ein Füllstoff es ermöglicht, einen Teil der vorstehend erwähnten Pigmente zu ersetzen, während auch die Möglichkeit zur Regulierung der Porosität und der Eigenschaften der Bedruckbarkeit des Papiers bereitgestellt wird. Verglichen mit den vorstehend beschriebenen Verfahren, weist die Verwendung von kolloidalem PCC zahlreiche Vorteile auf. Es ist preisgünstig, produziert wenig Verschleiß, es kann höhere Helligkeit als Kaolin- und Talk-Plättchen liefern und das Produkt ist besser an einzelne Papiertypen anpassbar.
In ihrem breitesten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von kolloidalem PCC als ein Füllstoff, um die Porosität und die Druckeigenschaften von Papier zu regulieren, insbesondere um die Porosität relativ zu der Porosität zu verringern, die auf andere Weise mit anderen Typen von Füllstoffen und Pigmenten, die üblicherweise in der Papierherstellung verwendet werden, erreicht werden kann.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft infolgedessen ein Verfahren zur Regulierung der Porosität und der Druckeigenschaften von Papier, wobei eine ausreichende Menge an kolloidalem PCC mit einer BET-Oberfläche von 10-100 m²/g als ein Füllstoff verwendet wird, um eine gewünschte Porosität des Papiers zu erreichen.
In einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung Papier, das kolloidales PCC als einen Füllstoff enthält.
In einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Pigmentgemisch, das zur Papierherstellung geeignet ist und das kolloidales PCC enthält.
Andere Aspekte und bevorzugte Ausführungsformen werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung ersichtlich werden.
Wie in der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet, bezeichnet der Begriff „kolloidales PCC" (chemische Formel: CaCO₃) ein PCC-Produkt in der Form von Aggregaten/Agglomeraten von einzelnen PCC-Teilchen, in denen die Aggregate/Agglomerate eine Oberfläche von mindestens 10 m²/g aufweisen, wie durch das BET-Verfahren (Brunauer, Emmet, Teler, DIN 66131) bestimmt. Die Aggregate/Agglomerate weisen bevorzugt eine äquivalente, kugelförmige Teilchengröße (mittlere Teilchengröße, MPS) im Bereich von etwa 0,1-5,0 μm auf, z. B. etwa 0,2-4 μm, typischerweise etwa 0,5-3,0 μm, wie zum Beispiel durch Sedimentation in einem Sedigraph 5100 von Micromeritics bestimmt. Die BET-Oberfläche der Aggregate/Agglomerate wird typischerweise bis etwa 100 m²/g, typischer bis etwa 80 m²/g, z. B. bis etwa 50 m²/g, z. B. bis etwa 30 m²/g und typischerweise mindestens etwa 15 m²/g, z. B. mindestens etwa 20 m²/g betragen. Die Aggregate/Agglomerate bestehen aus einer größeren oder kleineren Anzahl von einzelnen Kristallen mit einer äquivalenten, kugelförmigen Teilchengröße von typischerweise etwa 0,01 bis 0,50 μm.
Für einen Fachmann wird es offensichtlich sein, dass kolloidales PCC auch als Aggregat mit einer Oberfläche von weniger als 10 m²/g vorkommen kann, jedoch sollte der Ausdruck „kolloidales PCC", wie vorstehend erwähnt, im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung als PCC mit einer festgesetzten Oberfläche von mindestens 10 m²/g verstanden werden. Demgemäß kann, gemäß der vorliegenden Erfindung, ein PCC-Gemisch verwendet werden, in dem ein Teil des Gemischs kolloidales PCC mit einer Oberfläche von mindestens 10 m²/g ist und ein Teil des Gemischs „nicht-kolloidales PCC" ist, wobei „nicht-kolloidales PCC" als PCC mit einer Oberfläche von weniger als 10 m²/g definiert wird.
Ein Beispiel für einen kolloidales PCC-Produkt gemäß der Erfindung ist in der nachstehenden Tabelle angegeben:
Die Teilchengrößenverteilung dieses PCC-Produkts ist in 1 gezeigt, während 2 ein SEM-Bild der typischen Aggregate zeigt.
Das kolloidale PCC kann, wenn gewünscht, allein, d. h. als einziger Füllstoff oder als einziges Pigment, in der Papierherstellung verwendet werden, wird jedoch vermutlich normalerweise mit mindestens einem weiteren Füllstoff oder Pigment verwendet. Diese weiteren Füllstoffe und Pigmente können sowohl aus nicht-kolloidalem PCC oder anderen Typen von Füllstoffen ausgewählt sein. Es gibt einen weiten Bereich an Typen von PCC mit verschiedenen Kristallformen, die als ein Füllstoff geeignet sind, z. B. scalenoedrisches PCC, rhomboedrisches PCC, nadelförmiges PCC (Aragonit) und kugelförmiges PCC (Vaterit). Unter anderen Typen von Füllstoffen und Pigmenten, die zur Inkorporation in Papier geeignet sind, können die Folgenden genannt werden: Kaolin, kalziniertes Kaolin, Talk, Gips, gemahlenes Calciumcarbonat, Aluminiumsilikat, Calciumsilikat, Magnesiumsilikat und andere Silikat-enthaltende Mineralien, Calciumsulfat, Bariumsulfat, Titandioxid, Zinkoxid, Zinkcarbonat, Calciumsulfoaluminate (Glanzweiß), Aluminiumhydroxid, Diatomeenerde, Kunststoffteilchen und organische Pigmente. Papier, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, kann zusätzlich zu dem kolloidalen PCC geeigneter Weise einen oder mehrere derartige PCC- oder nicht-PCC-Füllstoffe oder -Pigmente enthalten, um die gewünschten Papiereigenschaften zu erhalten. Bevorzugte weitere Füllstoffe sind nicht-kolloidales PCC, Kaolin, kalziniertes Kaolin, Talk, Gips, Kalk, gemahlenes Calciumcarbonat, Silikat-enthaltende Mineralien und Calciumsulfoaluminate. Nicht-kolloidales PCC, Kaolin, kalziniertes Kaolin, Kalk und gemahlenes Calciumcarbonat sind besonders bevorzugt.
Die Entdeckung, die die Grundlage der Erfindung bildet, nämlich die Tatsache, dass die Porosität von Papier mit Hilfe von kolloidalem PCC genau reguliert werden kann, bietet jedoch den Vorteil, dass die relative Menge an kolloidalem PCC relativ zu anderen Füllstoffen und/oder Pigmenten, ebenso wie die Eigenschaften des kolloidalen PCC (insbesondere die Oberfläche) in jedem einzelnen Fall eingestellt werden kann, um die Eigenschaften, die für das besagte Papier erwünscht sind, zu erreichen. Infolgedessen ist es verständlich, dass die Menge an kolloidalem PCC, das verwendet werden soll, vom Papiertyp, der hergestellt werden soll, und vom Typ und der Menge der jeweils anderen Füllstoffe abhängt. Die Menge an kolloidalem PCC, die verwendet wird, kann deshalb stark variieren, d. h. von etwa 1 Gew.-% des Gesamtfüllstoffs bis zu 100% des Gesamtfüllstoffs. Das kolloidale PCC wird normalerweise in einer Menge von mirdestens 10 Gew.-%, stärker typisch mindestens 20 Gew.-%, z. B. mindestens etwa 50 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Gesamtfüllstoffs, verwendet werden. Die genaue Menge an kolloidalem PCC, die verwendet werden muss, um die gewünschten Eigenschaften für ein gegebenes Papier, einschließlich einer bestimmten Porosität, zu erreichen, wird von einem Fachmann leicht bestimmt werden, z. B. einfach durch Herstellen einer Reihe von Papierproben, in denen unterschiedliche Mengen an kolloidalem PCC relativ zu anderen Füllstoffen verwendet werden.
Typischerweise wird die Menge an kolloidalem PCC, die gemäß der Erfindung verwendet wird, mindestens etwa 1 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Papiers, betragen, stärker typisch mindestens etwa 2 Gew.-%, z. B. mindestens etwa 3 Gew.-%, wie mindestens etwa 4 Gew.-% oder 5 Gew.-%. Abhängig von Gesamtgewicht des Füllstoffs in dem Papier und dem Anteil des Füllstoffs, der sich aus dem kolloidalen PCC zusammensetzt, kann das kolloidale PCC natürlich trotzdem in wesentlich höheren Mengen vorhanden sein.
Gemäß der Erfindung kann das kolloidale PCC als ein Füllstoff verwendet werden, um die Porosität und die Druckeigenschaften eines jeglichen Papiertyps, einschließlich z. B. holzhaltigen Papiers, wie satiniertem (SC)-Papier/Zeitungspapier, und holzfreien Papiers, wie Feinpapier, zu regulieren. Die Erfindung ist insbesondere zur Regulierung der Porosität und der Druckeigenschaften von unbeschichtetem Papier, insbesondere unbeschichtetem holzhaltigem Papier, geeignet, da diese Eigenschaften in derartigem Papier schwierig zu regulieren sein können, verglichen mit beschichtetem Papier, bei dem die Porosität durch die Beschichtungsschicht gesteuert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung von kolloidalem PCC in der Herstellung von SC-Papier.
Einem Fachmann in der Papierherstellung wird bekannt sein, dass die Begriffe „holzhaltig" und „holzfrei" sich darauf beziehen, ob die Ligninkomponente der Lignocellulose-Holzfasern entfernt worden ist oder nicht. Diese Begriffe werden hierin in Übereinstimmung mit ihrer herkömmlichen Bedeutung auf dem Fachgebiet verwendet, d. h. „holzfrei" bezieht sich auf Cellulosefasern, in denen im Wesentlichen das gesamte Lignin oder zumindest der Großteil des Lignins entfernt worden ist, wohingegen „holzhaltig" sich auf Lignocellulosefasern bezieht, in denen die Ligninkomponente nicht entfernt worden ist. Da die spezifische Menge an Lignin, die in holzfreier Pulpe vorhanden sein kann, von Land zu Land variieren kann, ist diese Menge relativ klein. Zum Beispiel ist in Finnland holzfreies Papier als Papier definiert, in dem weniger als 10 Gew.-% der Pulpe Holzschliff oder andere ligninhaltige Pulpe ist. In dem vorliegenden Zusammenhang bezieht sich „holzhaltiges Papier" infolgedessen auf Papier, in dem die Fasern eine beträchtliche Ligninkomponente umfassen, wobei typischerweise mindestens etwa 5 Gew.-% der Pulpe ligninhaltige Pulpe ist, stärker typisch mindestens etwa 10 Gew.-%, wie mindestens etwa 15 oder 20 Gew.-%.
Die Entfernung von Lignin, um zu holzfreien Fasern zu gelangen, kann mit Hilfe von verschiedenen, wohlbekannten Verfahren durchgeführt werden, zum Beispiel unter Verwendung des Kraft-Verfahrens oder des Sulfitaufschlusses. Derartige Verfahren, die Lignin aus den Holzfasern entfernen, führen zu höherer Qualität, jedoch auch zu teureren Fasern.
Im Falle von SC-Papier, insbesondere von SC-A-Papier, das kolloidales PCC gemäß der Erfindung enthält, kann die Porosität z. B. auf einen Wert von höchstens etwa 0,30 μm/Pas, z. B. höchstens etwa 0,28 μm/Pas, z. B. höchstens etwa 0,26 μm/Pas, z. B. höchstens etwa 0,24 μm/Pas, z. B. höchstens etwa 0,22 μm/Pas, reduziert werden. Mit anderen Worten kann die Porosität des Papiers auf einen Wert um oder möglicherweise auch auf einen Wert kleiner als der Wert der Porosität eines äquivalenten Papiers reduziert werden, das auf der Basis von Kaolin hergestellt wurde; dies ist in Beispiel 1 veranschaulicht.
Die vorliegende Erfindung erlaubt auch verbesserte Porositätswerte in SC-B-Papier. Infolgedessen kann SC-B-Papier, das kolloidales PCC gemäß der Erfindung enthält, eine Porosität von höchstens etwa 0,60 μm/Pas, z. B. höchstens etwa 0,50 μm/Pas, z. B. höchstens etwa 0,40 μm/Pas, z. B. höchstens etwa 0,35 μm/Pas, aufweisen.
Einem Fachmann wird bekannt sein, dass SC-Papier in eine von mehreren Unterkategorien, bezogen auf Eigenschaften der Helligkeit, des Füllstoffgehalts, der Rauhigkeit, dem Blattglanz und der Porosität, eingestuft werden kann. Die Spitzenqualität von SC-Papier ist infolgedessen SC-A+. SC-A-Papier unterscheidet sich typischerweise von SC-A+ darin, dass es eine etwas niedrigere Helligkeit aufweist, während SC-B sich typischerweise von SC-A darin unterscheidet, dass es ein oder mehrere Merkmale, wie niedrigere Helligkeit, niedrigerer Füllstoffgehalt, niedrigerer Blattglanz und höhere Porosität, aufweist.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen sind die SC-Papierqualitäten SC-A, SC-A+ und SC-B wie folgt definiert.
SC-A

Helligkeit ≥ 64%
Füllstoffgehalt ≥ 30%
Rauhigkeit (0,5 bar) ≤ 2,0 μm
Rauhigkeit (1 bar) ≤ 1,5 μm
Porosität ≤ 0,3 μm/Pas

SC-A+

Wie SC-A vorstehend, jedoch Helligkeit ≥ 70%

SC-B

SC-Papiere, die nicht die Anforderungen für SC-A erfüllen, die jedoch die folgenden Anforderungen erfüllen:
Helligkeit ≥ 60%
Füllstoffgehalt ≥ 15%
Rauhigkeit (0,5 bar) ≤ 3,0 μm
Rauhigkeit (1 bar) ≤ 2,5 μm
Porosität ≤ 0,6 μm/Pas

Im Falle von Zeitungspapier wird die Verwendung von kolloidalem PCC gemäß der Erfindung es ermöglichen, die Porosität des Papiers auf einen Wert von höchstens etwa 20 μm/Pas, z. B. höchstens etwa 18 μm/Pas, z. B. höchstens etwa 16 μm/Pas, zu verringern; dies wird in Beispiel 2 veranschaulicht. Für SC-Papier, Zeitungspapier und andere Typen von Papier wird die Porosität, die im jeweiligen Fall erreicht wird, unter anderem von der verwendeten Pulpe und der Menge und den Eigenschaften des kolloidalen PCC und allen anderen verwendeten Füllstoffen abhängen. Die vorstehend erwähnten Porositätswerte für SC-Papier beziehungsweise Zeitungspapier sind infolgedessen nur als Beispiele zu nehmen, das bedeutende Merkmal der Erfindung besteht in der Möglichkeit zur Regulierung (Verringerung) der Porosität relativ zu der Porosität, die für ein gegebenes Papier unter Verwendung eines Füllstoff gemäß dem Stand der Technik auf andere Weise erreichbar wäre.
Kolloidales PCC kann auf bekannte Weise durch Carbonisieren von Kalkmilch (Calciumhydroxid-Aufschlämmung) unter geeigneten Bedingungen hergestellt werden. Die folgenden Bedingungen sollen als nichtbegrenzendes Beispiel für die Herstellung von kolloidalem PCC betrachtet werden:
Gebrannter Kalk mit einer Reaktivität (DIN T₆₀) zwischen 10 Sekunden und 5 Minuten wird in 40 °C warmem Wasser unter Verwendung eines Wasser/Kalk-Verhältnisses von 4:1 gelöscht. Die so erhaltene Kalkmilch wird auf 40% Trockengehalt verdünnt, wonach sie durch ein 500 μm Sieb gesiebt wird.
Nach dem Sieben wird die Kalkmilch auf 20 °C abgekühlt und in einem geeigneten Gasstromreaktor unter Verwendung von Rauchgas oder eines CO₂-Luft-Gemischs, das typischerweise 20% CO₂ enthält, carbonisiert. Die Carbonisierung wird fortgesetzt, bis der pH-Wert auf unter 8 gefallen ist.
Mit einem Gasstrom von 2,5 m³ Rauchgas pro m³ Reaktorvolumen läuft die Umsetzung über einen Zeitraum von etwa 3 Stunden ab. Nachdem die Carbonisierung abgeschlossen ist, wird das kolloidale PCC durch ein 45 μm Sieb gesiebt.
Die Erfindung wird ferner durch die folgenden nichtbegrenzenden Beispiele veranschaulicht.
In den nachstehenden Beispielen werden zur Bestimmung der Papiereigenschaften die folgenden Standards verwendet:

Grammgewicht: Scan-P 6:75

Stärke: Scan-P 7:96

Dichte: Scan-P 7:96

Glanz: Tappi T480 om-92

Helligkeit: ISO 2470

Opazität: ISO 2471

Rauhigkeit: Scan-P 76:95

Porosität: PPS-Verfahren
Alle Mengen sind auf das Gewicht bezogen, solange nicht anders angegeben.
BEISPIEL 1: REGULIERUNG DER POROSITÄT IN SC-PAPIER
Die folgenden Pigmente wurden in SC-Papier getestet:
Der Test wurde auf einer Pilot-Papiermaschine mit Füllstoffgehalten von 27, 30 und 33% durchgeführt.
Die Fasern waren skandinavischem Ursprungs und bestanden aus:

TMP (Thermomechanische Pulpe) und GW (Holzschliff) 85%

Kraft (Cellulosefasern, hergestellt durch das „Kraft"-Verfahren) 15%
Die folgenden Chemikalien wurden in dem Herstellungsverfahren verwendet:

Retentionsmittel keine

Andere keine
Der pH-Wert wurde durch Zugabe von H₃PO₄ auf 7,3 eingestellt.
Zu Vergleichszwecken sind die Ergebnisse für Papier nach dem Satinieren auf 30% Füllstoff interpoliert. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle gezeigt.
Es kann aus der vorstehenden Tabelle erkannt werden, dass kolloidales PCC überraschenderweise in der Lage ist, die Porosität des Papiers von 0,32 μm/Pas unter Verwendung von Standard-PCC auf 0,21 μm/Pas mit kolloidalem PCC zu verringern, was der Kaolin-Referenz entspricht.
BEISPIEL 2: VERRINGERUNG DER POROSITÄT VON ZEITUNGSPAPIER UNTER VERWENDUNG VON KOLLOIDALEM PCC ALS FÜLLSTOFF
Die folgenden Pigmente wurden in dem Zeitungspapier getestet:
Der Test wurde auf einer Pilot-Papiermaschine mit Füllstoffgehalten von 2-10% durchgeführt.
Die Fasern bestanden aus:

Ungebleichtem TMP (thermomechanische Pulpe) 95%

Gebleichte Cellulose, hergestellt durch das Sulfatverfahren 5%
Die folgenden Chemikalien wurden in der Zubereitung verwendet:

Retentionsmittel Percol 230L (kationisches Polyacrylamid von Allied Colloids)

Andere keine
Der pH-Wert wurde durch Zugabe von H₂SO₄ auf 7,3 eingestellt.
Zu Vergleichszwecken sind die Ergebnisse für Papier auf 4% Füllstoff interpoliert. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle gezeigt, das Grammgewicht der Papiere betrug 46 g/m².
Es kann aus der vorstehenden Tabelle erkannt werden, dass kolloidales PCC überraschenderweise in der Lage ist, die Porosität des Papiers von 21 μm/Pas mit Standard- PCC auf 15 μm/Pas mit kolloidalem PCC zu verrigern, was niedriger als die Kaolin-Referenz bei 4% Füllstoffgehalt ist.
Schlussfolgerung
Unter Verwendung von kolloidalem PCC als ein Füllstoff wird die Porosität des Papiers wesentlich verringert. Die Menge an kolloidalem PCC in dem Papier kann dadurch, wie erforderlich, so variiert werden, dass die Porosität und dadurch auch die Druckeigenschaften genau geregelt werden können. Das kolloidale PCC kann infolgedessen, wie erforderlich, anstelle von oder in Kombination mit anderen herkömmlichen Füllstoffen und Pigmenten verwendet werden, um die gewünschte Porosität zu erreichen.
BEISPIEL 3
Ein Pigmentgemisch, bestehend aus 50 Teilen (Gewichtsteilen) feinem scalenoedrischem PCC, 30 Teilen feinem rhomboedrischem PCC und 20 Teilen kolloidalem PCC, wurde im Produktionsmaßstab als ein Füllstoff in SC-A Qualitätspapier in einer handelsüblichen Papierfabrik getestet. Das PCC-Pigmentgemisch wurde durch Zugabe einer geringen Menge Phosphorsäure pH-stabilisiert, um die Notwendigkeit der Säurezugabe in die Papiermaschine zur pH-Wert-Regulierung zu vermeiden. Die Eigenschaften des PCC-Gemischs und die des in dem Versuch verwendeten Referenz-Füllstoffs aus Tonerde sind in der nachstehenden Tabelle aufgelistet.
Die Eintragszusammensetzung der Pulpe bestand aus 50 Teilen entfärbter Pulpe (DIP), 40-45 Teilen Holzschliff (GW) und 5-10 Teilen Kraft-Pulpe.
Das Versuchs-PCC-Gemisch wurde bei einem konstanten Gesamtfillstoffgehalt mit zwei PCC-Zugabemengen getestet. Der Differenzbetrag, um die Gesamtmenge an Füllstoff zu ergeben, bestand aus Referenz-Tonerde und Füllstoff, der mit der DIP (recyceltes Papier) eingebracht wurde.
Die Eigenschaften der aus dem Versuch erhaltenen Papiere sind in der nachstehenden Tabelle aufgelistet.

TS: = Oberseite;
WS: = Drahtseite;
MD: = Maschinenrichtung
PPS: = Parker-Print-Surf-Methode

Das Laufverhalten der Papiermaschine blieb während der zweitägigen Versuchsdauer gut und es war möglich, die Produktionskapazität um 1,5% zu erhöhen. Das Hydrocol^TM Zwei-Komponenten-Rückhaltesystem wurde in der Papiermaschine verwendet. Die Menge an kationischem Polymer konnte während des Versuchs verringert werden, da das PCC-Pigmentgemisch leichter festgehalten wurde, als die Referenz-Tonerde. Der pH-Wert in dem Stoffauflaufkasten der Papiermaschine betrug vor dem Versuch 7,4 und er erhöhte sich während des Versuchs nur geringfügig (auf 7,6).
Das während des Versuchs hergestellte Papier zeigte ausgezeichnete Ergebnisse beim Drucken in einer kommerziellen Großanlage. Es ist bemerkenswert, dass die Helligkeit des Papiers um 6 Prozentpunkte gesteigert wurde, ohne jeglichen Verlust in der Opazität. Die so erhaltene Helligkeit von 72% liegt nahe an der obersten SC-A+-Qualität.
BEISPIEL 4
Ein Pigmentgemisch, bestehend aus 80 Teilen (Gewichtsteilen) feinem rhomboedrischem PCC und 20 Teilen kolloidalem PCC, wurde im Produktionsmaßstab als ein Füllstoff in SC-B Qualitätspapier in einer handelsüblichen Papierfabrik getestet. Das rhomboedrische PCC und das kolloidale PCC wiesen eine BET-Oberfläche von etwa 7 beziehungsweise 20 m²/g auf, um ein Gemisch mit einer Gesamt-BET-Oberfläche von 9,1 m²/g bereitzustellen, wie nachstehend angezeigt. Das PCC-Pigmentgemisch wurde durch Zugabe einer geringen Menge Phosphorsäure pH-stabilisiert, um die Notwendigkeit der Säurezugabe in die Papiermaschine zur pH-Wert-Regulierung zu vermeiden. Die Eigenschaften des PCC-Gemischs und der Referenz-Füllstoffe, die in dem Versuch verwendet wurden, sind in der nachstehenden Tabelle aufgelistet.
Die Eintragszusammensetzung der Pulpe bestand aus 30-35 Teilen entfärbter Pulpe (DIP), 10-15 Teilen chemothermomechanischer Pulpe (CTMP) und Holzschliff (GW), der auf insgesamt 100 Teile zugegeben wurde.
Das Versuchs-PCC-Gemisch wurde bei einem konstanten Gesamtfüllstoffgehalt mit zwei PCC-Zugabemengen getestet. Der Differenzbetrag, um die Gesamtmenge an Füllstoff zu ergeben, bestand aus Referenz-Tonerde und Füllstoff, der mit der DIP (recyceltes Papier) eingebracht wurde.
Die Eigenschaften der aus dem Versuch erhaltenen Papiere sind in der nachstehenden Tabelle aufgelistet.

TS: = Oberseite;
WS: = Drahtseite;
MD: = Maschinenrichtung.

Das Laufverhalten der Papiermaschine blieb während der zweitägigen Versuchsdauer gut und es war möglich, die Produktionskapazität um 1,3% zu erhöhen. Das Hydrocol^TM Zwei-Komponenten-Rückhaltesystem wurde in der Papiermaschine verwendet. Die Menge an kationischem Polymer konnte während des Versuchs verringert werden, da das PCC-Pigmentgemisch leichter festgehalten wurde als die Referenz-Tonerde. Die Menge an blauer und gelber Farbe konnte ebenfalls verringert werden. Der pH-Wert in dem Stoffauflaufkasten der Papiermaschine betrug vor dem Versuch 7,3 und er blieb während des Versuchs stabil bei 7,2 ± 0,1.
Das während des Versuchs hergestellte Papier zeigte ausgezeichnete Ergebnisse beim Drucken in einer kommerziellen Großanlage. Das Bleichen der Pulpe wurde verringert, um die Papierhelligkeit innerhalb der Herstellungsspezifikationen einzuhalten. Die verringerte Menge an Bleichchemikalien ist eine vorteilhafte Kostenersparnis für die Papierfabrik und vorteilhaft für die Umwelt.
BEISPIEL 5
Ein Pigmentgemisch, bestehend aus 80 Teilen (Gewichtsteilen) feinem rhomboedrischem PCC und 20 Teilen kolloidalem PCC, wurde im Produktionsmaßstab als ein Füllstoff in SC-A Qualitätspapier in einer handelsüblichen Papierfabrik getestet. Das PCC-Pigmentgemisch wurde durch Zugabe einer geringen Menge Phosphorsäure pH-stabilisiert, um die Notwendigkeit der Säurezugabe in die Papiermaschine zur pH-Wert-Regulierung zu vermeiden. Die Eigenschaften des PCC-Gemischs und der Referenz-Tonerde-Füllstoffe, die in dem Versuch verwendet wurden, sind in der nachstehenden Tabelle aufgelistet. In der Papierfabrik wurde bei der normalen Produktion zwischen der Verwendung zweier Tonerden abgewechselt.
Die Eintragszusammensetzung der Pulpe bestand aus 75 Teilen entfärbter Pulpe (DIP), 20 Teilen Holzschliff (GW) und 5 Teilen Kraft-Pulpe.
Das Versuchs-PCC-Gemisch wurde bei einem konstanten Gesamtfüllstoffgehalt getestet, wobei sämtlicher frisch zugegebener Füllstoff PCC war. Der Differenzbetrag, um die Gesamtmenge an Füllstoff zu ergeben, bestand aus Füllstoff, der mit der DIP (recyceltes Papier) eingebracht wurde. Papier wurde in drei Grammgewichten hergestellt: 48, 52 und 56 g/m². Zur Vereinfachung sind nur die Ergebnisse für 56 g/m² gezeigt. Die Ergebnisse bei den anderen Grammgewichten waren ähnlich.
Die Eigenschaften der aus dem Versuch erhaltenen Papiere sind in der nachstehenden Tabelle aufgelistet.

TS: = Oberseite;
WS: = Drahtseite;
MD: = Maschinenrichtung.

Das Laufverhalten der Papiermaschine blieb während der zweitägigen Versuchsdauer gut und es war möglich, die Produktionskapazität um 1,2% zu erhöhen. Das HydrocolTM Zwei-Komponenten-Rückhaltesystem wurde in der Papiermaschine verwendet. Die Menge an kationischem Polymer konnte während des Versuchs um etwa 20% verringert werden, da das PCC-Pigmentgemisch leichter festgehalten wurde als die Referenz-Tonerde. Der pH-Wert in dem Stoffauflaufkasten der Papiermaschine betrug vor dem Versuch 7,6 und er stieg während des Versuchs nur leicht (auf 7,7) an.
Das während des Versuchs hergestellte Papier zeigte ausgezeichnete Ergebnisse beim Drucken in einer kommerziellen Großanlage. Es ist bemerkenswert, dass in der Papierfabrik das Bleichen der DIP vollständig gestoppt werden musste, um die Helligkeit innerhalb der Herstellungsspezifikationen einzuhalten. Dies ist ein großer ökonomischer Vorteil und ebenso vorteilhaft für die Umwelt.
BEISPIEL 6
Mehrere Füllstoffe und Füllstoffgemische wurden in einem dynamischen Blattformungsversuch getestet.
Die Füllstoffe waren drei PCCs von Faxe Paper Pigments A/S, Dänemark (ein feines rhomboedrisches PCC, ein feines scalenoedrisches PCC und ein kolloidales PCC) und eine Kaolin-Tonerde von Dorfner. Die Eigenschaften der in dem Versuch verwendeten Füllstoffe sind in der nachstehenden Tabelle aufgelistet.
Laborblätter wurden in einem dynamischen Blattformer von Fibertech AB hergestellt. Die Eintragszusammensetzung der Pulpe bestand aus 50 Teilen Holzschliff, 30 Teilen DIP und 20 Teilen Kraft-Pulpe. Der angestrebte Füllstoffgehalt betrug 35 Gew.-% des Gesamtgewichts des Papiers. Die Ergebnisse sind nachstehend aufgelistet. Das angestrebte Grammgewicht der Laborblätter betrug 56 g/m² (die aktuellen Grammgewichte variierten zwischen 53,2 und 58,1 g/m²). Die Laborblätter wurden mit drei angestrebten Füllstoffgehalten hergestellt, die 30 Gew.-%, 33 Gew.-% und 36 Gew.-% Füllstoff, bezogen auf das Gesamtgewicht des Papiers, betrugen. Die Papierqualitätsparameter wurden auf 35% Füllstoffgehalt interpoliert und die Ergebnisse sind nachstehend aufgelistet.

TS: = Oberseite;
WS: = Drahtseite;
MD: = Maschinenrichtung.

Claims

Verfahren zur Regulierung der Porosität und Druckeigenschaften von unbeschichtetem, holzhaltigem Papier, wobei das Verfahren die Verwendung einer ausreichenden Menge an kolloidalem PCC mit einer BET-Oberfläche von 10 bis 100 m²/g als Füllstoff umfaßt, um eine gewünschte Porosität des Papiers zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Papier SC-Papier, insbesondere SC-A-Papier, ist und wobei das kolloidale PCC in einer Menge verwendet wird, die ausreichend ist, um eine Porosität von höchstens 0,30 μm/Pas, z.B. höchstens 0,28 μn/Pas, z.B. höchstens 0,26 μm/Pas, z.B. höchstens 0,24 μm/Pas, z.B. höchstens 0,22 μm/Pas, zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Papier SC-B-Papier ist, und wobei das kolloidale PCC in einer Menge verwendet wird, die ausreichend ist, um eine Porosität von höchstens 0,60 μm/Pas, z.B. höchstens 0,50 μm/Pas, z.B. höchstens 0,40 μm/Pas, z.B. höchstens 0,35 μm/Pas, zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Papier Zeitungspapier ist, und wobei das kolloidale PCC in einer Menge verwendet wird, die ausreichend ist, um eine Porosität von höchstens 20 μm/Pas, z.B. höchstens 18 μm/Pas, z.B. höchstens 16 μm/Pas, zu erhalten.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das kolloidale PCC eine BET-Oberfläche von 15 bis 50 m²/g aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das kolloidale PCC eine BET-Oberfläche von 20 bis 30 m²/g aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das kolloidale PCC in das Papier in einer Menge von mindestens etwa 1 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Papiers, inkorporiert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei das kolloidale PCC in das Papier in einer Menge von mindestens etwa 2 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Papiers, inkorporiert ist.
Unbeschichtetes, holzhaltiges Papier, enthaltend kolloidales PCC, wobei das kolloidale PCC eine BET-Oberfläche von mindestens 10 m²/g aufweist.
Papier gemäß Anspruch 9, enthaltend kolloidales PCC mit einer BET-Oberfläche von 10 bis 100 m²/g als Füllstoff.
Papier gemäß Anspruch 10, umfassend mindestens einen weiteren Füllstoff ausgewählt aus nicht-kolloidalem PCC, Kaolin, kalziniertem Kaolin, Gips, Kalk, gemahlenem Calciumcarbonat, Silikat-enthaltenden Mineralien, Sulfat-enthaltenden Mineralien, Oxid-enthaltenden Mineralien, Carbonat-enthaltenden Mineralien, Hydroxidenthaltenden Mineralien, Calcium-Sulfoaluminaten, Kunststoffteilchen und organischen Pigmenten.
Papier gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei das kolloidale PCC eine BET-Oberfläche von 15 bis 50 m²/g, z.B. 20 bis 30 m²/g, aufweist.
Papier gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das kolloidale PCC in einer Menge von mindestens etwa 1 Gew.%, z.B. mindestens etwa 2 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Papiers, vorhanden ist.
SC-Papier, enthaltend kolloidales PCC und mit einer Porosität von höchstens 0,30 μm/Pas, z.B. höchstens 0,28 μm/Pas, z.B. höchstens 0,26 μm/Pas, z.B. höchstens 0,24 μm/Pas, z.B. höchstens 0,22 μm/Pas.
SC-Papier gemäß Anspruch 14, wobei das Papier ein SC-A-Papier ist.
SC-B-Papier, enthaltend kolloidales PCC und mit einer Porosität von höchstens 0,60 μm/Pas, z.B. höchstens 0,50 μm/Pas, z.B. höchstens 0,40 μm/Pas, z.B. höchstens 0,35 μm/Pas.
Zeitungspapier, enthaltend kolloidales PCC und mit einer Porosität von höchstens 20 μm/Pas, z.B. höchstens 18 μm/Pas, z.B. höchstens 16 μm/Pas.
Papier gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, umfassend mindestens einen weiteren Füllstoff ausgewählt aus nicht-kolloidalem PCC, Kaolin, kalziniertem Kaolin, Gips, Kalk, gemahlenem Calciumcarbonat, Silikat-enthaltenden Mineralien, Sulfatenthaltenden Mineralien, Oxid-enthaltenden Mineralien, Carbonat-enthaltenden Mineralien, Hydroxid-enthaltenden Mineralien, Calcium-Sulfoaluminaten, Kunststoffteilchen und organischen Pigmenten.
Papier gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei das kolloidale PCC eine BET-Oberfläche von 10 bis 100 m²/g, z.B. 15 bis 50 m²/g, z.B. 20 bis 30 m²/g, aufweist.
Füllstoffpigmentgemisch, geeignet zur Papierherstellung und umfassend kolloidales PCC mit einer BET-Oberfläche von 10 bis 100 m²/g, wobei das kolloidale PCC Aggregate/Agglomerate mit einer äquivalenten, kugelförmigen Teilchengröße im Bereich von 0,1 bis 5,0 μm umfaßt, wobei die Aggregate/Agglomerate aus einzelnen Kristallen mit einer äquivalenten, kugelförmigen Teilchengröße von etwa 0,01 bis 0,5 μm bestehen, in Kombination mit mindestens einem Füllstoff ausgewählt aus den folgenden Pigmenten: Kaolin, kalziniertem Kaolin, Gips, Kalk, gemahlenem Calciumcarbonat, Silikat-enthaltenden Mineralien, Sulfat-enthaltenden Mineralien, Oxid-enthaltenden Mineralien, Carbonat-enthaltenden Mineralien, Hydroxidenthaltenden Mineralien, Calcium-Sulfoaluminaten, Kunststoffteilchen und organischen Pigmenten.
Pigmentgemisch gemäß Anspruch 20, wobei das kolloidale PCC Aggregate/Agglomerate umfaßt, welche eine äquivalente, kugelförmigen Teilchengröße im Bereich von 0,2 bis 4,0 μm aufweist.