EP0542159A1 - Process for treating an aqueous pigment suspension with an aqueous binder agent - Google Patents

Process for treating an aqueous pigment suspension with an aqueous binder agent Download PDF

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EP0542159A1
EP0542159A1 EP92119071A EP92119071A EP0542159A1 EP 0542159 A1 EP0542159 A1 EP 0542159A1 EP 92119071 A EP92119071 A EP 92119071A EP 92119071 A EP92119071 A EP 92119071A EP 0542159 A1 EP0542159 A1 EP 0542159A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
binder
pigment
aqueous
weight
paper
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP92119071A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Guido Prof. Dr. Dessauer
Hans Dr. Bössler
Günter Dr. Schmitt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Roehm GmbH Darmstadt
Original Assignee
Roehm GmbH Darmstadt
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Roehm GmbH Darmstadt filed Critical Roehm GmbH Darmstadt
Publication of EP0542159A1 publication Critical patent/EP0542159A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • DTEXTILES; PAPER
    • D21PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21HPULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H17/00Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its constitution; Paper-impregnating material characterised by its constitution
    • D21H17/63Inorganic compounds
    • D21H17/67Water-insoluble compounds, e.g. fillers, pigments
    • D21H17/69Water-insoluble compounds, e.g. fillers, pigments modified, e.g. by association with other compositions prior to incorporation in the pulp or paper
    • DTEXTILES; PAPER
    • D21PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21HPULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H17/00Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its constitution; Paper-impregnating material characterised by its constitution
    • D21H17/20Macromolecular organic compounds
    • D21H17/33Synthetic macromolecular compounds
    • D21H17/34Synthetic macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D21H17/41Synthetic macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds containing ionic groups

Definitions

  • the invention relates to a method for treating a pigment suspended in water for the paper industry with an aqueous binder.
  • the invention further relates to a method for producing pigment-containing paper with increased tear strength or with an increased pigment content.
  • the coated papers are also referred to as art paper, art paper or chromo paper and in the highest quality level as enamel paper.
  • the purpose of the stroke is to form a layer for printing, which consists exclusively of pigments and a binder. This layer is usually compacted by satin and brought to shine. It enables the reproduction of the finest screen dots.
  • Coating is a costly process, which is usually carried out in a separate coating system behind the paper machine. Since printing on pigments or pigment layers leads to significantly better printing results than printing on a pure nonwoven fabric, efforts have been made for decades to introduce more pigments into the paper directly on the paper machine without reducing its tear strength. This could avoid the complex coating process.
  • Wood-containing, highly filled and highly satinized gravure papers with pigment contents between 17 and 30% by weight are widely used. They are called SC papers (super calendered).
  • SC papers super calendered
  • the pigments usually kaolin or talc, are bound in the nonwoven fabric by adsorption and filtration.
  • binders have also been used, e.g. modified starch, carboxymethyl cellulose, alginates, mannogalactans (Meyproid), gelatin and skin glue. They are used as colloidal solutions in the material input and are adsorptively bound to the pigment and the fiber by electrokinetic forces. This bond is never complete. Part of the binder used is therefore found in the circulating water and in the waste water of the paper mills, which is lost as a result and makes a waste water treatment necessary.
  • EP-A 50 316 describes a paper production process in which, in a first process step, an aqueous suspension of an inorganic pigment is mixed with a classic organic paper binder, such as dextrin, starch, carboxymethyl cellulose, polyvinyl alcohol or plastic dispersions, and the binder precipitates using a cationic flocculant.
  • a classic organic paper binder such as dextrin, starch, carboxymethyl cellulose, polyvinyl alcohol or plastic dispersions
  • a cationic flocculant are polycationic compounds, such as polyethyleneimine, cationically modified polyacrylamides, polyaluminium chloride and cationic starch.
  • the pigment suspension used can optionally contain conventional dispersants, such as polyphosphates or sodium polyacrylate; such dispersants do not act as binders.
  • the pigment pretreated in this way is added to an aqueous paper stock and the sheet formation is then carried out. Excellent pigment retention is achieved during sheet formation and paper with improved tear strength is obtained.
  • mineral fillers for the paper industry are provided with a coating of an organic polymer, which is primarily intended to suppress the decomposition of calcium carbonate in the acidic range.
  • the coating can e.g. be formed from an aqueous solution of a neutralized acrylic acid polymer by precipitation using aluminum sulfate.
  • the aluminum ions have the effect of imparting a positive charge to the filler or pigment and thereby increasing their affinity for the cellulose fibers.
  • the aim of the invention is a process for the treatment of a pigment suspended in water for the paper industry with a binder and subsequent fixing of the binder to form a pigment suspension which is suitable for the production of high pigment paper by sheet formation from an aqueous paper stock.
  • the binder should be so firmly bound to the pigment that it is does not come off again and that the aqueous phase of the suspension contains less than 5% by weight of the binder and that the content of the binder in the aqueous phase does not increase even after intensive shear treatment.
  • the amphoteric polymer apparently reaches a solubility minimum in the neutral range, ie at a pH of about 5.5 to 7.5, preferably from 6 to 7. It is assumed that the polymer molecules are strongly solvated in the alkaline and acidic range and are therefore readily soluble. This state appears due to the clarity and relatively high viscosity of the pure polymer solution. In the neutral range, the solvation decreases, so that the polymer molecules clump together, which can be seen from a slight clouding of the solution and a decrease in its viscosity. The binding capacity of the amphoteric polymer is highest in this state. It is able to attach to the pigment particles and, if necessary, to the fibers, so that it is almost completely retained when the leaves form. If the neutral range is exceeded, the solubility of the polymer increases again. In the acidic range, there is at most a partial bond to the pigment.
  • the aqueous phase of the pigment suspension contains less than 5% by weight, usually even less than 1% by weight, of the binder originally used.
  • Common detection methods such as the COD measurement, can often no longer find organic substance levels in the supernatant aqueous phase that go beyond zero. This applies even more to the white water of sheet formation when the pigment suspension treated according to the invention is added to a fibrous material for the production of a pigment-containing paper.
  • the adhesion of the binder to the pigment proves to be shear stable. Even if the pigments treated according to the invention are exposed to high shear forces for a prolonged period, the binder is not detached from the pigment particles again and the aqueous phase remains free of the binder used.
  • the content of the binder in the aqueous phase in a shear treatment with an intensive mixer according to Prof. Wilms (“Ultraturrax” (R) , manufactured by Janke & Kunkel) increases to not more than 5 within 3 minutes at 4000 rpm % By weight, based on the total binder content of the suspension.
  • a complete solvation of the polymer is not absolutely necessary at the beginning of the process.
  • a limited solvation is often sufficient, which allows at least one colloidal solution state.
  • the binder solution is neutralized, the carboxylate groups originally present are converted into non-neutralized carboxyl groups or a betaine structure is formed in which the carboxylate groups are countered by the cationic groups of the amphoteric polymer.
  • the insoluble coacervate which has deposited on the surface of the pigment particles, still contains enough water to develop a high binding force. Only when the sheet formed dries does the binder change to a solid state and develop its binding and strengthening effect.
  • the pigment suspension should not be added to the solution of the acidifying agent.
  • the acidifying agent is preferably added with stirring, with as uniform a distribution as possible, at a rate which keeps pace with the reaction with the polymer. In order to avoid uneconomically long coacervation times, stirring as intensely as possible is advantageous.
  • the coacervate can be solvated again or even brought into solution. This is important for the processing of waste paper.
  • the pigment suspension treated according to the invention is suitable for the production of papers with a high pigment content on the paper machine.
  • the highest strength values are achieved when the treated suspension is incorporated into the fiber.
  • the procedure can also be such that the pigment, the binder and the fibrous material are mixed in the central unit of the paper machine and the coacervation is effected by adding the acidifying agent to this mixture. You can also work the binder into the alkaline fiber, then add the pigment and then perform the coacervation. Thereafter, the sheet is formed on the screen in accordance with customary methods.
  • the paper is then preferably satinized.
  • the pigment suspension treated according to the invention can optionally also be used to coat papers.
  • the binder is the binder
  • Amphoteric polymers suitable for the process of the invention can be available as clear to colloidal solutions.
  • the amphoteric character is based on the presence of anionic and cationic monomer units of the polymer molecules.
  • the equivalence ratio of anionic to cationic groups is preferably in the range from 5: 1 to 1: 5.
  • the additional presence of nonionic, in particular hydrophobic, comonomer units has proven to be advantageous.
  • the anionic monomer units are preferably derived from ethylenically unsaturated, free-radically polymerizable mono- or dicarboxylic acids, such as, for example, acrylic, methacrylic, itaconic or / and maleic acid.
  • Suitable cationic monomer units contain an ethylenically unsaturated, free-radically polymerizable group and an amino or ammonium group covalently linked to it.
  • Preferred amphoteric polymers are 6 to 80, preferably 10 to 80% by weight of units of unsaturated carboxylic acids and 10 to 90% by weight, preferably 20 to 50% by weight of units of a nitrogen-containing cationic monomer and optionally up to 84% by weight made up of nonionic monomer units.
  • Typical examples of the cationic monomers are: 2-dimethylaminoethyl acrylate and methacrylate 3- (N, N-dimethylamino) propyl acrylate and methacrylate, 4- (N, N-dimethylamino) butyl acrylate and methacrylate, 3- (N, N-dimethylamino) propyl acrylamide and methacrylamide, triethanolamine monoacrylate and monomethacrylate, 2- (dimethylaminoethyloxy) ethyl acrylate and methacrylate, 2-imidazolyl ethyl acrylate and methacrylate, 2-piperazinyl ethyl acrylate and methacrylate, 2-piperazinyl-ethyl-acrylamide and -methacrylamide, N, N-dimethylamino-neopentyl acrylate and methacrylate, N, N-dimethylamino-neopentyl acryl
  • amphoteric polymer definitely contains a sufficient proportion of acidic monomer units to be soluble at least in the alkaline range (pH ⁇ 8).
  • the carboxylate content required for sufficient solvation depends on the hydrophilicity of the entire polymer. It is largely determined by the units of the nitrogen-containing cationic monomers.
  • the solvation can be further enhanced by the incorporation of nonionic, highly hydrophilic monomer units, such as acrylamide and methacrylamide or hydroxyalkyl esters of acrylic and / or methacrylic acid, but must not be so high that the Content of such groups at the neutral point is sufficient for complete solvation. This would make the deposition of the polymer more difficult.
  • the content of nonionic hydrophilic monomer units is therefore preferably not more than 60% by weight.
  • slightly or poorly water-soluble ethylenically unsaturated, free-radically polymerizable monomers can be involved in the structure of the polymer.
  • Styrene, ethylene and alkyl esters of acrylic and / or methacrylic acid have an advantageous effect, in particular with 1 to 4 carbon atoms in the alkyl radical.
  • Their proportion is preferably 20 to 90% by weight, particularly preferably 20 to 80% by weight.
  • Other comonomers that can be used are e.g. Acrylonitrile or vinyl acetate.
  • crosslinking comonomers with two or more ethylenically unsaturated, free-radically polymerizable groups in the molecule can be involved in the synthesis of the polymer.
  • their proportion must be low enough to permit adequate solvation, for example up to 3, preferably up to 1, in particular up to 0.1% by weight.
  • any base containing monovalent cations is suitable for the alkaline setting of the binder solution.
  • Aqueous alkali especially sodium hydroxide solution, is preferred for economic reasons.
  • the binder solution preferably has a pH of 8 to 12, in particular 9 to 11.
  • a satisfactory effect as a binder requires a sufficient molecular weight of the polymer. It should generally be at least 20,000, preferably 50,000 to 1 million, each determined as the weight average. Even higher molecular weights lead to high viscosities which make it difficult to use them on the paper machine without being beneficial for the binder effect.
  • Preferred binders in the form of an aqueous solution adjusted to pH 9 with sodium hydroxide solution at a concentration of 200 g / l and 20 ° C. have a viscosity of more than 100, in particular more than 1000 mPa s. This viscosity is achieved by very high molecular weight binders at a concentration of around 30 g / l.
  • the binder is expediently used in an amount of 1 to 11, preferably 2 to 5,% by weight, calculated as a pure, non-neutralized polymer.
  • the process of the invention can be carried out with all pigments customary in the paper industry.
  • pigment includes all fillers commonly used in the paper industry.
  • Inorganic, especially acid-resistant, pigments are preferred. These include kaolin, talc, calcium carbonate, calcium sulfate, silica, barium sulfate, titanium dioxide, and their mixtures. Kaolin and talc are particularly preferred.
  • particle size is from at least 50% by weight of the pigment particles between 0.1 and 10, preferably between 0.3 and 5 micrometers. Most of the pigments in aqueous slurries have a negative zeta potential, ie they are in the anionic state.
  • the acidulant is the acidulant
  • agents of sufficient acidic action with which the pH of the binder solution can be reduced from the initial value of 8 to 11 to values of about 5.5 to 7.5 are low molecular weight, in particular inorganic, acidic compounds. These include mineral acids such as Sulfuric acid. It is preferred to use acidic salts, such as alkali hydrogen sulfates or, in particular, aluminum sulfate, which is mostly referred to as alum in the paper industry.
  • the amount of acidifier is critical to achieve the minimum solubility at which the desired state of coacervation is achieved.
  • the optimal pH of the treated suspension depends on the polymer composition. If a mineral acid is used as the acidifying agent, the amount of acid equivalent used is less than the equivalent amount of the carboxylate groups of the polymer. When using aluminum sulfate, which reacts acidly due to hydrolysis, a stoichiometric calculation of the need for acidifying agents is hardly possible.
  • the inorganic pigment is suspended in water in a concentration of 2 to 30% by weight, preferably 2 to 20% by weight.
  • Common dispersants such as polyphosphates, can be used as long as they do not interfere with coacervation.
  • the pH of the suspension is adjusted to the pH of the binder solution. With stirring, the binder is stirred into the suspension in the form of an aqueous solution and distributed evenly. Then an aqueous solution of the acidifying agent is gradually stirred in, avoiding local acidification, which triggers the coacervation.
  • the suspension is added to the fiber before or after coacervation.
  • All of the fibrous materials commonly used in papermaking can be used, such as ground wood pulp, cellulose, semi-cellulose, high-yield materials, waste paper.
  • the fibrous material preferably has a solids content of 3 to 4% by weight and is diluted to 0.1 to 1% by weight with circulating water before sheet formation.
  • the mixture is expediently prepared directly in the central unit of a paper machine.
  • Common additives such as defoamers, dispersants, thickeners, retention aids, optical brighteners, dyes, fungicides, bactericides, lubricants, can also be used in customary amounts. All of the process steps mentioned can be carried out at the temperatures customary in paper production.
  • the mass is then formed into a sheet in the usual way and can then be satinized.
  • Papers with a basis weight of 32 to 170 g / m 2 are preferably produced. They have the quality of known SC papers or even surpass them. They are particularly suitable as printing papers.
  • a 5% suspension of kaolin in water is adjusted to pH 11 with sodium hydroxide solution. Then an alkaline solution of the binder is added with stirring. It consists of a copolymer of approximately 50% by weight of trimethylammoniumethyl methacrylate hydrochloride, 30% by weight of styrene and 20% by weight of acrylic acid. So much aluminum sulfate is added until a pH of 5.5 is reached. This mixture is mixed in the pulp center of a paper machine with the fibrous material, consisting of spruce pulp and wood pulp in a ratio of 1: 1, so that a solids content of 0.5% by weight results. The mass is then shaped into a sheet in the usual way and then satinized. The tear length is measured on the finished paper.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Paper (AREA)
  • Pigments, Carbon Blacks, Or Wood Stains (AREA)

Abstract

An aqueous binder, consisting of an alkaline solution of an amphoteric high molecular-weight polymer, is added to an aqueous pigment suspension for the paper industry and gradually neutralised with an acidifying agent, whereby the binder is precipitated on the pigment suspended in water.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines in Wasser suspendierten Pigments für die Papierindustrie mit einem wäßrigen Bindemittel. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von pigmenthaltigem Papier mit erhöhter Reißfestigkeit oder mit erhöhtem Pigmentgehalt.The invention relates to a method for treating a pigment suspended in water for the paper industry with an aqueous binder. The invention further relates to a method for producing pigment-containing paper with increased tear strength or with an increased pigment content.

Stand der TechnikState of the art

Bei der Herstellung von Druckpapieren ist es seit über einem Jahrhundert üblich, die Oberfläche zu streichen, um ein gutes Druckbild zu erhalten. Die gestrichenen Papiere werden auch als Kunstdruckpapier, Bilderdruckpapier oder Chromopapier und in der höchsten Qualitätsstufe als Emaille-Papier bezeichnet. Der Zweck des Striches besteht darin, eine Schicht für den Druck zu bilden, die ausschließlich aus Pigmenten und einem Bindemittel besteht. Diese Schicht wird meistens noch durch Satinage verdichtet und zu Glanz gebracht. Sie ermöglicht die Wiedergabe feinster Rasterpunkte.In the manufacture of printing papers, it has been common for over a century to paint the surface in order to obtain a good printed image. The coated papers are also referred to as art paper, art paper or chromo paper and in the highest quality level as enamel paper. The purpose of the stroke is to form a layer for printing, which consists exclusively of pigments and a binder. This layer is usually compacted by satin and brought to shine. It enables the reproduction of the finest screen dots.

Das Streichen ist ein kostenaufwendiger Prozess, der meist in einer separaten Streichanlage hinter der Papiermaschine durchgeführt wird. Da der Druck auf Pigmente oder Pigmentschichten zu wesentlich besseren Druckergebnissen als der Druck auf ein reines Faservlies führt, gibt es seit Jahrzehnten Bemühungen, direkt auf der Papiermaschine mehr Pigmente in das Papier einzubringen, ohne seine Reißfestigkeit zu vermindern. Dadurch könnte der aufwendige Streichprozeß vermieden werden.Coating is a costly process, which is usually carried out in a separate coating system behind the paper machine. Since printing on pigments or pigment layers leads to significantly better printing results than printing on a pure nonwoven fabric, efforts have been made for decades to introduce more pigments into the paper directly on the paper machine without reducing its tear strength. This could avoid the complex coating process.

Große Verbreitung haben holzhaltige, hochgefüllte und hochsatinierte Tiefdruckpapiere mit Pigmentgehalten zwischen 17 und 30 Gew.-%. Sie werden als SC-Papiere (super calendered) bezeichnet. Bei ihrer Herstellung werden die Pigmente, meist Kaolin oder Talkum, adsorptiv und filtrativ in dem Faservlies gebunden.Wood-containing, highly filled and highly satinized gravure papers with pigment contents between 17 and 30% by weight are widely used. They are called SC papers (super calendered). During their manufacture, the pigments, usually kaolin or talc, are bound in the nonwoven fabric by adsorption and filtration.

Zur besseren Bindung des Pigments sind auch schon Bindemittel mitverwendet worden, z.B. modifizierte Stärke, Carboxymethyl-Cellulose, Alginate, Mannogalactane (Meyproid), Gelatine und Hautleim. Sie kommen als kolloidale Lösungen im Stoffeintrag zum Einsatz und werden durch elektrokinetische Kräfte adsorptiv an das Pigment und die Faser gebunden. Diese Bindung ist nie vollständig. Man findet daher im Kreislaufwasser und im Abwasser der Papierfabriken einen Teil des eingesetzten Bindemittels, das dadurch verlorengeht und eine Abwasserklärung notwendig macht.To better bind the pigment, binders have also been used, e.g. modified starch, carboxymethyl cellulose, alginates, mannogalactans (Meyproid), gelatin and skin glue. They are used as colloidal solutions in the material input and are adsorptively bound to the pigment and the fiber by electrokinetic forces. This bond is never complete. Part of the binder used is therefore found in the circulating water and in the waste water of the paper mills, which is lost as a result and makes a waste water treatment necessary.

EP-A 50 316 beschreibt ein Papierherstellungsverfahren, bei dem man in einer ersten Verfahrensstufe eine wäßrige Suspension eines anorganischen Pigments mit einem klassischen organischen Papierbindemittel, wie Dextrin, Stärke, Carboxymethylcellulose, Polyvinylalkohol oder Kunststoffdispersionen, versetzt und das Bindemittel mittels eines kationischen Flockungsmittels ausfällt. Als Flockungsmittel kommen polykationische Verbindungen, wie Polyethylenimin, kationisch modifizierte Polyacrylamide, Polyaluminiumchlorid und kationische Stärke in Betracht. Die eingesetzte Pigmentsuspension kann gegebenenfalls übliche Dispergiermittel, wie Polyphosphate oder Natriumpolyacrylat enthalten; solche Dispergiermittel wirken nicht als Bindemittel.EP-A 50 316 describes a paper production process in which, in a first process step, an aqueous suspension of an inorganic pigment is mixed with a classic organic paper binder, such as dextrin, starch, carboxymethyl cellulose, polyvinyl alcohol or plastic dispersions, and the binder precipitates using a cationic flocculant. Possible flocculants are polycationic compounds, such as polyethyleneimine, cationically modified polyacrylamides, polyaluminium chloride and cationic starch. The pigment suspension used can optionally contain conventional dispersants, such as polyphosphates or sodium polyacrylate; such dispersants do not act as binders.

In der zweiten Verfahrensstufe wird das so vorbehandelte Pigment einem wäßrigen Papierstoff zugesetzt und anschließend die Blattbildung durchgeführt. Man erreicht eine hervorragende Retention des Pigments bei der Blattbildung und erhält ein Papier mit verbesserter Reißfestigkeit.In the second stage of the process, the pigment pretreated in this way is added to an aqueous paper stock and the sheet formation is then carried out. Excellent pigment retention is achieved during sheet formation and paper with improved tear strength is obtained.

Bei einem in DE-A 2 115 409 beschriebenen Verfahren werden mineralische Füllstoffe für die Papierindustrie, vor allem Calciumcarbonat, mit einem Überzug aus einem organischen Polymeren versehen, wodurch vor allem die Zersetzung des Calciumcabonats im sauren Bereich unterdrückt werden soll. Der Überzug kann z.B. aus einer wäßrigen Lösung eines neutralisierten Acrylsäurepolymerisats durch Ausfällung mittels Aluminiumsulfat gebildet werden. Die Aluminiumionen haben die Wirkung, dem Füllstoff bzw. Pigment eine positive Ladung zu verleihen und dadurch deren Affinität zu den Cellulosefasern zu verstärken.In one of the processes described in DE-A 2 115 409, mineral fillers for the paper industry, especially calcium carbonate, are provided with a coating of an organic polymer, which is primarily intended to suppress the decomposition of calcium carbonate in the acidic range. The coating can e.g. be formed from an aqueous solution of a neutralized acrylic acid polymer by precipitation using aluminum sulfate. The aluminum ions have the effect of imparting a positive charge to the filler or pigment and thereby increasing their affinity for the cellulose fibers.

Aufgabe und LösungTask and solution

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Behandlung eines in Wasser suspendierten Pigments für die Papierindustrie mit einem Bindemittel und anschließende Fixierung des Bindemittels unter Bildung einer Pigmentsuspension, die zur Herstellung von hoch pigmenthaltigem Papier durch Blattbildung aus einem wäßrigen Papierstoff geeignet ist. Das Bindemittel soll dabei so fest an das Pigment gebunden werden, daß es sich davon nicht wieder ablöst und daß die wäßrige Phase der Suspension weniger als 5 Gew.-% des Bindemittels enthält und der Gehalt des Bindemittels in der wäßrigen Phase auch bei einer intensiven Scherbehandlung nicht ansteigt.The aim of the invention is a process for the treatment of a pigment suspended in water for the paper industry with a binder and subsequent fixing of the binder to form a pigment suspension which is suitable for the production of high pigment paper by sheet formation from an aqueous paper stock. The binder should be so firmly bound to the pigment that it is does not come off again and that the aqueous phase of the suspension contains less than 5% by weight of the binder and that the content of the binder in the aqueous phase does not increase even after intensive shear treatment.

Es wurde gefunden, daß dieses Ziel erreicht wird, wenn als Bindemittel eine alkalische Lösung eines amphoteren hochmolekularen Polymerisats eingesetzt wird und die mit dem Bindemittel versetzte Pigmentsuspension allmählich mit einem Absäuerungsmittel neutralisiert wird.It has been found that this goal is achieved if an alkaline solution of an amphoteric high molecular weight polymer is used as the binder and the pigment suspension mixed with the binder is gradually neutralized with an acidifying agent.

Offenbar erreicht das amphotere Polymerisat im Neutralbereich, d.h. bei einem pH-Wert von etwa 5,5 bis 7,5, vorzugsweise von 6 bis 7, ein Löslichkeitsminimum. Es wird angenommen, daß die Polymerisatmoleküle im alkalischen und sauren Bereich stark solvatisiert und infolgedessen gut löslich sind. Dieser Zustand tritt durch Klarheit und verhältnismäßig hohe Viskosität der reinen Polymerlösung in Erscheinung. Im Neutralbereich nimmt die Solvatation ab, so daß sich die Polymermoleküle zusammenknäulen, was sich durch eine leichte Trübung der Lösung und Absinken ihrer Viskosität zu erkennen gibt. In diesem Zustand ist die Bindefähigkeit des amphoteren Polymerisats am höchsten. Es vermag sich an die Pigmentteilchen und gegebenenfalls an die Fasern anzulagern, so daß es bei der Blattbildung nahezu vollkommen retendiert wird. Wird der Neutralbereich überschritten, so nimmt die Löslichkeit des Polymerisats wieder zu. Im sauren Bereich tritt höchstens eine teilweise Bindung an das Pigment ein.The amphoteric polymer apparently reaches a solubility minimum in the neutral range, ie at a pH of about 5.5 to 7.5, preferably from 6 to 7. It is assumed that the polymer molecules are strongly solvated in the alkaline and acidic range and are therefore readily soluble. This state appears due to the clarity and relatively high viscosity of the pure polymer solution. In the neutral range, the solvation decreases, so that the polymer molecules clump together, which can be seen from a slight clouding of the solution and a decrease in its viscosity. The binding capacity of the amphoteric polymer is highest in this state. It is able to attach to the pigment particles and, if necessary, to the fibers, so that it is almost completely retained when the leaves form. If the neutral range is exceeded, the solubility of the polymer increases again. In the acidic range, there is at most a partial bond to the pigment.

Die Anlagerung des Bindemittels an die Pigment- bzw. Faseroberfläche scheint durch einen Synergismus von elektrokinetischen und koazervativen Wechselwirkungen bewirkt zu werden. Löslichkeitseffekte dürften eine wesentliche Rolle spielen, so daß die Abscheidung des Bindemittels als Koazervation anzusehen ist. Man versteht darunter (nach Römpps Lexikon der Chemie, 9.Aufl, S.2770) den Übergang des ursprünglich als gelöstes Kolloid vorliegenden Bindemittels aus dem Solzustand in ein Präzipitat. Dabei wird ein Zwischenzustand durchlaufen, bei dem sich das vorher gleichmäßig verteilte Polymer in einer eigenen, noch flüssigen, wasserhaltigen Phase abscheidet. Offenbar verbindet sich diese Phase mit der Oberfläche der Pigmentpartikel und geht unter zunehmender Entwässerung in einen unlöslichen Zustand über.The attachment of the binder to the pigment or fiber surface seems to be brought about by a synergism of electrokinetic and coacervative interactions. Solubility effects are likely to play an important role, so that the deposition of the binder can be regarded as coacervation. This means (according to Römpps Lexikon der Chemie, 9th edition, p.2770) the transition of the binder originally present as a dissolved colloid from the sol state into a precipitate. An intermediate state is run through in which the previously evenly distributed polymer separates out in a separate, still liquid, water-containing phase. Apparently, this phase connects to the surface of the pigment particles and changes into an insoluble state with increasing drainage.

Läßt man nach der Koazervation die behandelte Pigmentsuspension sedimentieren, so ist das überstehende Wasser völlig klar und zeigt keinen Tyndalleffekt. Daher findet man in der wäßrigen Phase der Pigmentsuspension nach Abschluß der Koazervation praktisch keine Anteile des Bindemittels mehr. Auf jeden Fall ist in der wäßrigen Phase weniger als 5 Gew.-%, meistens sogar weniger als 1 Gew.-% des ursprünglich eingesetzten Bindemittels enthalten. Oft lassen sich mit gebräuchlichen Nachweismethoden, z.B. der CSB-Messung, keine über den Nullwert hinausgehenden Gehalte an organischer Substanz in der überstehenden wäßrigen Phase mehr finden. Das gilt noch mehr für das Siebwasser der Blattbildung, wenn die erfindungsgemäß behandelte Pigmentsuspension einem Faserstoff für die Herstellung eines pigmenthaltigen Papieres zugesetzt wird.If the treated pigment suspension is sedimented after the coacervation, the supernatant water is completely clear and shows no Tyndall effect. Therefore, in the aqueous phase of the pigment suspension, practically no more of the binder is found after the coacervation is complete. In any case, the aqueous phase contains less than 5% by weight, usually even less than 1% by weight, of the binder originally used. Common detection methods, such as the COD measurement, can often no longer find organic substance levels in the supernatant aqueous phase that go beyond zero. This applies even more to the white water of sheet formation when the pigment suspension treated according to the invention is added to a fibrous material for the production of a pigment-containing paper.

Überraschenderweise erweist sich die Haftung des Bindemittels an dem Pigment als scherstabil. Selbst wenn man die erfindungsgemäß behandelten Pigmente über längere Zeit hohen Scherkräften aussetzt, wird das Bindemittel nicht wieder von den Pigmentteilchen abgelöst und die wäßrige Phase bleibt frei von dem eingesetzten Bindemittel. In der Regel steigt der Gehalt des Bindemittels in der wäßrigen Phase bei einer Scherbehandlung mit einem Intensivmischer nach Prof. Wilms ("Ultraturrax"(R), Herst. Fa. Janke & Kunkel) innerhalb von 3 min bei 4000 UpM auf nicht mehr als 5 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Bindemittelgehalt der Suspension, an.Surprisingly, the adhesion of the binder to the pigment proves to be shear stable. Even if the pigments treated according to the invention are exposed to high shear forces for a prolonged period, the binder is not detached from the pigment particles again and the aqueous phase remains free of the binder used. As a rule, the content of the binder in the aqueous phase in a shear treatment with an intensive mixer according to Prof. Wilms ("Ultraturrax" (R) , manufactured by Janke & Kunkel) increases to not more than 5 within 3 minutes at 4000 rpm % By weight, based on the total binder content of the suspension.

Eine vollständige Solvatation des Polymers ist zu Beginn des Verfahrens nicht zwingend erforderlich. Oft genügt eine begrenzte Solvatation, die wenigstens einen kolloidalen Lösungszustand zuläßt. Bei der Neutralisation der Bindemittellösung gehen die ursprünglich vorliegenden Carboxylatgruppen in nicht neutralisierte Carboxylgruppen über oder es bildet sich eine Betainstruktur aus, in der den Carboxylatgruppen die kationischen Gruppen des amphoteren Polymerisats als Gegenionen gegenüberstehen. Das unlösliche Koazervat, das sich an der Oberfläche der Pigmentteilchen niedergeschlagen hat, enthält noch genügend Wasser, um eine hohe Bindekraft zu entfalten. Erst beim Trocknen des gebildeten Blattes geht das Bindemittel in einen festen Zustand über und entfaltet seine einbindende und verfestigende Wirkung.A complete solvation of the polymer is not absolutely necessary at the beginning of the process. A limited solvation is often sufficient, which allows at least one colloidal solution state. When the binder solution is neutralized, the carboxylate groups originally present are converted into non-neutralized carboxyl groups or a betaine structure is formed in which the carboxylate groups are countered by the cationic groups of the amphoteric polymer. The insoluble coacervate, which has deposited on the surface of the pigment particles, still contains enough water to develop a high binding force. Only when the sheet formed dries does the binder change to a solid state and develop its binding and strengthening effect.

Während der Neutralisation ist eine lokale Übersäuerung möglichst zu vermeiden. Jedenfalls soll die Pigmentsuspension nicht zu der Lösung des Absäuerungsmittels hinzugegeben werden. Das Absäuerungsmittel wird vorzugsweise unter Rühren unter möglichst gleichmäßiger Verteilung mit einer Geschwindigkeit zugesetzt, die mit der Umsetzung mit dem Polymer schritt hält. Um unwirtschaftlich lange Koazervationszeiten zu vermeiden, ist eine möglichst intensive Rührung vorteilhaft.Local acidification should be avoided if possible during neutralization. In any case, the pigment suspension should not be added to the solution of the acidifying agent. The acidifying agent is preferably added with stirring, with as uniform a distribution as possible, at a rate which keeps pace with the reaction with the polymer. In order to avoid uneconomically long coacervation times, stirring as intensely as possible is advantageous.

Durch Alkalischmachen kann das Koazervat wieder solvatisiert oder sogar in Lösung gebracht werden. Das ist für die Aufarbeitung von Altpapier von Bedeutung.By making alkaline, the coacervate can be solvated again or even brought into solution. This is important for the processing of waste paper.

Anwendung der behandelten PigmentsuspensionApplication of the treated pigment suspension

Die erfindungsgemäß behandelte Pigmentsuspension eignet sich zur Herstellung von Papieren mit hohem Pigmentgehalt auf der Papiermaschine. Die höchsten Festigkeitswerte werden erreicht, wenn die behandelte Suspension in den Faserstoff eingearbeitet wird. Man kann gegebenenfalls auch so vorgehen, daß man in der Stoffzentrale der Papiermaschine das Pigment, das Bindemittel und den Faserstoff vermischt und die Koazervation durch Zusatz des Absäuerungsmittels zu diesem Gemisch bewirkt. Ebenso kann man das Bindemittel in den alkalisch eingestellten Faserstoff einarbeiten, dann das Pigment zumischen und anschließend die Koazervation durchführen. Danach erfolgt jeweils nach üblichen Methoden die Blattbildung auf dem Sieb. Vorzugsweise wird das Papier anschließend satiniert.The pigment suspension treated according to the invention is suitable for the production of papers with a high pigment content on the paper machine. The highest strength values are achieved when the treated suspension is incorporated into the fiber. If appropriate, the procedure can also be such that the pigment, the binder and the fibrous material are mixed in the central unit of the paper machine and the coacervation is effected by adding the acidifying agent to this mixture. You can also work the binder into the alkaline fiber, then add the pigment and then perform the coacervation. Thereafter, the sheet is formed on the screen in accordance with customary methods. The paper is then preferably satinized.

Man erhält auf diese Weise Papiere mit einem Gesamtgehalt an Pigment bis zu 45 Gew.-%, vorzugsweise 17 bis 35 Gew.-%. Im Extremfall läßt läßt sich der Pigmentgehalt noch weiter steigern; selbst Gehalte von 60 Gew.-% sind erreichbar. Im Verhältnis zu dem hohen Pigmentgehalt ist die Reißlänge des Papieres - als charakteristische Meßgröße seiner Festigkeit - erstaunlich hoch. Die Erfindung gestattet somit, Papiere mit üblichen hohen Pigmentgehalten und gesteigerter Reißlänge oder Papiere mit üblicher Reißlänge und deutlich erhöhtem Pigmentgehalt herzustellen. Letzteres bedeutet eine Kostenminderung, da die Pigmente in der Regel billiger als die Faserstoffe sind, und gleichzeitig eine Qualitätsverbesserung der Druckeigenschaften durch den hohen Pigmentgehalt.In this way, papers with a total pigment content of up to 45% by weight, preferably 17 to 35% by weight, are obtained. In extreme cases, the pigment content can be increased even further; even contents of 60% by weight can be achieved. In relation to the high pigment content, the tear length of the paper - as a characteristic measure of its strength - is surprisingly high. The invention thus makes it possible to produce papers with the usual high pigment contents and increased tear length or papers with the usual tear length and significantly increased pigment content. The latter means a reduction in costs, since the pigments are generally cheaper than the fibers, and at the same time an improvement in the quality of the printing properties due to the high pigment content.

Die erfindungsgemäß behandelte Pigmentsuspension kann gegebenenfalls auch zum Streichen von Papieren verwendet werden.The pigment suspension treated according to the invention can optionally also be used to coat papers.

Das BindemittelThe binder

Für das Verfahren der Erfindung geeignete amphotere Polymerisate können als klare bis kolloidale Lösungen zur Verfügung stehen. Der amphotere Charakter beruht auf der Anwesenheit von anionischen und kationischen Monomereinheiten der Polymermoleküle. Das Äquivalenzverhältnis von anionischen zu kationischen Gruppen liegt vorzugsweise im Bereich von 5 : 1 bis 1 : 5. Die zusätzliche Anwesenheit von nichtionischen, insbesondere hydrophoben Comonomereinheiten hat sich als vorteilhaft erwiesen.Amphoteric polymers suitable for the process of the invention can be available as clear to colloidal solutions. The amphoteric character is based on the presence of anionic and cationic monomer units of the polymer molecules. The equivalence ratio of anionic to cationic groups is preferably in the range from 5: 1 to 1: 5. The additional presence of nonionic, in particular hydrophobic, comonomer units has proven to be advantageous.

Die anionischen Monomerienheiten leiten sich vorzugsweise von äthylenisch ungesättigten, radikalisch polymerisierbaren Mono- oder Dicarbonsäuren ab, wie z.B. Acryl-, Methacryl-, Itakon- oder/und Maleinsäure. Geeignete kationische Monomereinheiten enthalten eine äthylenisch ungesättigte, radikalisch polymerisierbare Gruppe und eine kovalent damit verbundene Amino- oder Ammoniumgruppe. Bevorzugte amphotere Polymerisate sind zu 6 bis 80, vorzugsweise zu 10 bis 80 Gew.-% aus Einheiten von ungesättigten Carbonsäuren und zu 10 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise zu 20 bis 50 Gern.-% aus Einheiten eines stickstoffhaltigen kationischen Monomeren und gegebenenfalls bis zu 84 Gew-% aus nichtionischen Monomereinheiten aufgebaut. Typische Beispiele der kationischen Monomeren sind:
   2-Dimethylamino-ethyl-acrylat und -methacrylat
   3-(N,N-Dimethylamino)-propyl-acrylat und -methacrylat,
   4-(N,N-Dimethylamino)-butyl-acrylat und -methacrylat,
   3-(N,N-Dimethylamino)-propyl-acrylamid und -methacrylamid, Triethanolamin-monoacrylat und -monomethacrylat,
   2-(Dimethylaminoethyloxy)-ethyl-acrylat und -methacrylat,
   2-Imidazolyl-ethyl-acrylat und -methacrylat,
   2-Piperazinyl-ethyl-acrylat und -methacrylat,
   2-Piperazinyl-ethyl-acrylamid und -methacrylamid,
   N,N-Dimethylamino-neopentyl-acrylat und -methacrylat,
   N,N-Dimethylamino-neopentyl-acrylamid und -methacrylamid,
   (1,2,2,6,6-Pentamethyl-piperidyl-4)-acrylat und -methacrylat
   3-Morpholino-propyl-acrylamid und -methacrylamid,
   2-Morpholino-ethyl-acrylat und -methacrylat,
   2-(N,N-Dibutylamino)-ethyl-acrylat und -methacrylat,
   4-Diethylamino-1-methyl-butyl-acrylamid und -methacrylamid,
Vorzugsweise enthält das amphotere Polymerisat Einheiten von kationischen Monomeren mit quartären Ammoniumgruppen. Die entsprechenden Monomeren gehen aus den oben aufgelisteten Aminoalkyl-Monomeren durch Umsetzung mit Quaternisierungsmitteln, wie Methylchlorid oder Dimethylsulfat, hervor.
The anionic monomer units are preferably derived from ethylenically unsaturated, free-radically polymerizable mono- or dicarboxylic acids, such as, for example, acrylic, methacrylic, itaconic or / and maleic acid. Suitable cationic monomer units contain an ethylenically unsaturated, free-radically polymerizable group and an amino or ammonium group covalently linked to it. Preferred amphoteric polymers are 6 to 80, preferably 10 to 80% by weight of units of unsaturated carboxylic acids and 10 to 90% by weight, preferably 20 to 50% by weight of units of a nitrogen-containing cationic monomer and optionally up to 84% by weight made up of nonionic monomer units. Typical examples of the cationic monomers are:
2-dimethylaminoethyl acrylate and methacrylate
3- (N, N-dimethylamino) propyl acrylate and methacrylate,
4- (N, N-dimethylamino) butyl acrylate and methacrylate,
3- (N, N-dimethylamino) propyl acrylamide and methacrylamide, triethanolamine monoacrylate and monomethacrylate,
2- (dimethylaminoethyloxy) ethyl acrylate and methacrylate,
2-imidazolyl ethyl acrylate and methacrylate,
2-piperazinyl ethyl acrylate and methacrylate,
2-piperazinyl-ethyl-acrylamide and -methacrylamide,
N, N-dimethylamino-neopentyl acrylate and methacrylate,
N, N-dimethylamino-neopentyl acrylamide and methacrylamide,
(1,2,2,6,6-pentamethyl-piperidyl-4) acrylate and methacrylate
3-morpholino-propyl-acrylamide and methacrylamide,
2-morpholino-ethyl acrylate and methacrylate,
2- (N, N-dibutylamino) ethyl acrylate and methacrylate,
4-diethylamino-1-methyl-butyl-acrylamide and methacrylamide,
The amphoteric polymer preferably contains units of cationic monomers with quaternary ammonium groups. The corresponding monomers are derived from the aminoalkyl monomers listed above by reaction with quaternizing agents, such as methyl chloride or dimethyl sulfate.

Das amphotere Polymerisat enthält auf jeden Fall einen ausreichenden Anteil an sauren Monomereinheiten, um wenigstens im alkalischen Bereich (pH ≧ 8) löslich zu sein.The amphoteric polymer definitely contains a sufficient proportion of acidic monomer units to be soluble at least in the alkaline range (pH ≧ 8).

Der für eine ausreichende Solvatisierung erforderliche Carboxylatgehalt hängt von der Hydrophilie des gesamten Polymerisats ab. Sie wird durch die Einheiten der stickstoffhaltigen kationischen Monomeren wesentlich mitbestimmt. Die Solvatisierung kann weiterhin durch den Einbau von nichtionischen stark hydrophilen Monomereinheiten, wie Acrylamid und Methacrylamid oder Hydroxyalkylestern der Acryl- und/oder Methacrylsäure, verstärkt werden, darf aber nicht so hoch sein, daß der Gehalt an solchen Gruppen auch am Neutralpunkt zur vollständigen Solvatation ausreicht. Dies würde die Abscheidung des Polymerisats erschweren. Der Gehalt an nichtionischen hydrophilen Monomereinheiten liegt deshalb vorzugsweise nicht über 60 Gew.-%.The carboxylate content required for sufficient solvation depends on the hydrophilicity of the entire polymer. It is largely determined by the units of the nitrogen-containing cationic monomers. The solvation can be further enhanced by the incorporation of nonionic, highly hydrophilic monomer units, such as acrylamide and methacrylamide or hydroxyalkyl esters of acrylic and / or methacrylic acid, but must not be so high that the Content of such groups at the neutral point is sufficient for complete solvation. This would make the deposition of the polymer more difficult. The content of nonionic hydrophilic monomer units is therefore preferably not more than 60% by weight.

Als weitere Comonomere können wenig oder schwer wasserlösliche äthylenisch ungesättigte, radikalisch polymerisierbare Monomere am Aufbau des Polymerisats beteiligt sein. Eine vorteilhafte Wirkung haben Styrol, Ethylen und Alkylester der Acryl- und/oder Methacrylsäure, insbesondere mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen im Alkylrest. Ihr Anteil beträgt vorzugsweise 20 bis 90 Gew.-%, besonders bevorzugt 20 bis 80 Gew.-%. Andere verwendbare Comonomere sind z.B. Acrylnitril oder Vinylacetat. Schließlich können auch geringe Anteile von vernetzenden Comonomeren mit zwei oder mehr äthylenisch ungesättigten, radikalisch polymerisierbaren Gruppen im Molekül, wie Ethylenglykol-diacrylat und -dimethacrylat, Allylacrylat und -methacrylat, am Aufbau des Polymerisats beteiligt sein. Ihr Anteil muß jedoch niedrig genug sein, um noch eine ausreichende Solvatisierung zu gestatten, beispielsweise bis zu 3, vorzugsweise bis zu 1, insbesondere bis zu 0,1 Gew.-%.As other comonomers, slightly or poorly water-soluble ethylenically unsaturated, free-radically polymerizable monomers can be involved in the structure of the polymer. Styrene, ethylene and alkyl esters of acrylic and / or methacrylic acid have an advantageous effect, in particular with 1 to 4 carbon atoms in the alkyl radical. Their proportion is preferably 20 to 90% by weight, particularly preferably 20 to 80% by weight. Other comonomers that can be used are e.g. Acrylonitrile or vinyl acetate. Finally, even small amounts of crosslinking comonomers with two or more ethylenically unsaturated, free-radically polymerizable groups in the molecule, such as ethylene glycol diacrylate and dimethacrylate, allyl acrylate and methacrylate, can be involved in the synthesis of the polymer. However, their proportion must be low enough to permit adequate solvation, for example up to 3, preferably up to 1, in particular up to 0.1% by weight.

Zur alkalischen Einstellung der Bindemittellösung ist im Prinzip jede Base geeignet, die einwertige Kationen enthält. Wäßriges Alkali, insbesondere Natronlauge, ist aus wirtschaftlichen Gründen bevorzugt. Vorzugsweise hat die Bindemittellösung einen pH-Wert von 8 bis 12, insbesondere von 9 bis 11.In principle, any base containing monovalent cations is suitable for the alkaline setting of the binder solution. Aqueous alkali, especially sodium hydroxide solution, is preferred for economic reasons. The binder solution preferably has a pH of 8 to 12, in particular 9 to 11.

Eine befriedigende Wirkung als Bindemittel setzt ein ausreichendes Molekulargewicht des Polymerisats voraus. Es soll im allgemeinen wenigstens 20 000, vorzugsweise 50 000 bis 1 Million betragen, jeweils als Gewichtsmittelwert bestimmt. Noch höhere Molekulargewichte führen zu hohen Viskositäten, die den Einsatz auf der Papiermaschine erschweren, ohne für die Binderwirkung förderlich zu sein. Bevorzugte Bindemittel haben in Form einer mit Natronlauge auf pH 9 eingestellten wäßrigen Lösung bei einer Konzentration von 200 g/l und 20°C eine Viskosität von mehr als 100, insbesondere mehr als 1000 mPa s. Diese Viskosität wird von sehr hochmolekularen Bindemitteln schon bei einer Konzentration von etwa 30 g/l erreicht.A satisfactory effect as a binder requires a sufficient molecular weight of the polymer. It should generally be at least 20,000, preferably 50,000 to 1 million, each determined as the weight average. Even higher molecular weights lead to high viscosities which make it difficult to use them on the paper machine without being beneficial for the binder effect. Preferred binders in the form of an aqueous solution adjusted to pH 9 with sodium hydroxide solution at a concentration of 200 g / l and 20 ° C. have a viscosity of more than 100, in particular more than 1000 mPa s. This viscosity is achieved by very high molecular weight binders at a concentration of around 30 g / l.

Bezogen auf das Gewicht des trockenen Pigments wird das Bindemittel zweckmäßig in einer Menge von 1 bis 11, vorzugsweise von 2 bis 5 Gew.-%, berechnet als reines, nicht neutralisiertes Polymerisat, eingesetzt.Based on the weight of the dry pigment, the binder is expediently used in an amount of 1 to 11, preferably 2 to 5,% by weight, calculated as a pure, non-neutralized polymer.

Das PigmentThe pigment

Das Verfahren der Erfindung ist mit allen in der Papierindustrie gebräuchlichen Pigmenten durchführbar. Der Begriff "Pigment" schließt alle in der Papierindustrie gebräuchlichen Füllstoffe ein. Anorganische, insbesondere säurebeständige Pigmente sind bevorzugt. Dazu gehören Kaolin, Talkum, Calciumcarbonat, Calciumsulfat, Kieselsäure, Bariumsulfat, Titandioxid, und deren Gemische. Kaolin und Talkum sind besonders bevorzugt. In der Regel liegt die Teilchengröße von wenigstens 50 Gew.-% der Pigmentpartikel zwischen 0,1 und 10, vorzugsweise zwischen 0,3 und 5 Mikrometer. Die Mehrzahl der Pigmente hat in wäßriger Aufschlämmung ein negatives Zeta-Potential, liegt also im anionischen Zustand vor.The process of the invention can be carried out with all pigments customary in the paper industry. The term "pigment" includes all fillers commonly used in the paper industry. Inorganic, especially acid-resistant, pigments are preferred. These include kaolin, talc, calcium carbonate, calcium sulfate, silica, barium sulfate, titanium dioxide, and their mixtures. Kaolin and talc are particularly preferred. Usually the particle size is from at least 50% by weight of the pigment particles between 0.1 and 10, preferably between 0.3 and 5 micrometers. Most of the pigments in aqueous slurries have a negative zeta potential, ie they are in the anionic state.

Das AbsäuerungsmittelThe acidulant

Darunter sind alle Mittel von ausreichend saurer Wirkung zu verstehen, mit denen der pH-Wert der Bindemittellösung von dem bei 8 bis 11 liegenden Ausgangswert auf Werte von etwa 5,5 bis 7,5 vermindert werden kann. In der Regel sind es niedermolekulare, insbesondere anorganische saure Verbindungen. Dazu gehören Mineralsäuren, wie z.B. Schwefelsäure. Bevorzugt setzt man sauer reagierende Salze ein, wie Alkalihydrogensulfate oder insbesondere Aluminiumsulfat, das in der Papierindustrie meistens als Alaun bezeichnet wird.These are understood to mean all agents of sufficient acidic action with which the pH of the binder solution can be reduced from the initial value of 8 to 11 to values of about 5.5 to 7.5. As a rule, they are low molecular weight, in particular inorganic, acidic compounds. These include mineral acids such as Sulfuric acid. It is preferred to use acidic salts, such as alkali hydrogen sulfates or, in particular, aluminum sulfate, which is mostly referred to as alum in the paper industry.

Die Menge des Absäuerungsmittels ist kritisch, um das Löslichkeitsminimum zu erreichen, bei dem der erwünschte Koazervationszustand erreicht wird. Der optimale pH-Wert der behandelten Suspension hängt von der Polymerisatzusammensetzung ab. Wird eine Mineralsäure als Absäuerungsmittel verwendet, so liegt die eingesetzte Säureäquivalentmenge unter der Äquivalentmenge der Carboxylatgruppen des Polymers. Bei Verwendung von Aluminiumsulfat, das infolge von Hydrolyse sauer reagiert, ist eine stöchiometrische Berechnung des Bedarfs an Absäuerungsmittel kaum möglich.The amount of acidifier is critical to achieve the minimum solubility at which the desired state of coacervation is achieved. The optimal pH of the treated suspension depends on the polymer composition. If a mineral acid is used as the acidifying agent, the amount of acid equivalent used is less than the equivalent amount of the carboxylate groups of the polymer. When using aluminum sulfate, which reacts acidly due to hydrolysis, a stoichiometric calculation of the need for acidifying agents is hardly possible.

Bevorzugte ArbeitsweisePreferred way of working

Das anorganische Pigment wird in einer Konzentration von 2 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 2 bis 20 Gew.-%, in Wasser suspendiert. Übliche Dispergiermittel, wie Polyphosphate, können verwendet werden, sofern sie die Koazervation nicht stören. Der pH-Wert der Suspension wird auf den pH-Wert der Bindemittellösung eingestellt. Unter Rühren wird das Bindemittel in Form einer wäßrigen Lösung in die Suspension eingerührt und gleichmäßig verteilt. Danach wird eine wäßrige Lösung des Absäuerungsmittels allmählich unter Vermeidung ortlicher Übersäuerungen eingerührt, wodurch die Koazervation ausgelöst wird.The inorganic pigment is suspended in water in a concentration of 2 to 30% by weight, preferably 2 to 20% by weight. Common dispersants, such as polyphosphates, can be used as long as they do not interfere with coacervation. The pH of the suspension is adjusted to the pH of the binder solution. With stirring, the binder is stirred into the suspension in the form of an aqueous solution and distributed evenly. Then an aqueous solution of the acidifying agent is gradually stirred in, avoiding local acidification, which triggers the coacervation.

Vor oder nach der Koazervation wird die Suspension dem Faserstoff zugesetzt. Alle zur Papierherstellung gebräuchlichen Faserstoffe können verwendet werden, wie Holzschliff, Zellstoff, Halbzellstoff, Hochausbeutestoffe, Altpapier. Der Faserstoff hat beim Zumischen der Pigmentsuspension vorzugsweise einen Feststoffgehalt von 3 bis 4 Gew.-% und wird vor der Blattbildung mit Kreislaufwasser auf 0,1 bis 1 Gew.-% verdünnt. Zweckmäßig wird die Mischung unmittelbar in der Stoffzentrale einer Papiermaschine bereitet. Gebräuchliche Zusätze, wie Entschäumer, Dispergiermittel, Verdickungsmittel, Retentionsmittel, optische Aufheller, Farbstoffe, Fungizide, Bakterizide, Gleitmittel, können in üblichen Mengen mitverwendet werden. Alle erwähnten Verfahrensschritte können bei den in der Papierherstellung üblichen Temperaturen durchgeführt werden. Die Masse wird anschließend in üblicher Weise zu einem Blatt geformt und kann danach satiniert werden.The suspension is added to the fiber before or after coacervation. All of the fibrous materials commonly used in papermaking can be used, such as ground wood pulp, cellulose, semi-cellulose, high-yield materials, waste paper. When the pigment suspension is mixed in, the fibrous material preferably has a solids content of 3 to 4% by weight and is diluted to 0.1 to 1% by weight with circulating water before sheet formation. The mixture is expediently prepared directly in the central unit of a paper machine. Common additives, such as defoamers, dispersants, thickeners, retention aids, optical brighteners, dyes, fungicides, bactericides, lubricants, can also be used in customary amounts. All of the process steps mentioned can be carried out at the temperatures customary in paper production. The mass is then formed into a sheet in the usual way and can then be satinized.

Beim Einsatz säureempfindlicher Pigmente, wie Calciumcarbonat, kann es vorteilhaft sein, die Koazervation in Abwesenheit des Pigments einzuleiten, das entstehende Koazervat, gegebenenfalls unter gelindem Erwärmen, fein zu emulgieren und erst dann das Pigment und den Faserstoff einzumischen.When using acid-sensitive pigments, such as calcium carbonate, it may be advantageous to initiate the coacervation in the absence of the pigment, to finely emulsify the resulting coacervate, if necessary with gentle heating, and only then to mix in the pigment and the fiber.

Vorzugsweise werden Papiere mit einem Flächengewicht von 32 bis 170 g/m² hergestellt. Sie haben die Qualität bekannter SC-Papiere oder übertreffen diese sogar. Sie eignen sich besonders als Druckpapiere.Papers with a basis weight of 32 to 170 g / m 2 are preferably produced. They have the quality of known SC papers or even surpass them. They are particularly suitable as printing papers.

BEISPIELEEXAMPLES

Eine 5-%ige Suspension von Kaolin in Wasser wird mit Natronlauge auf pH 11 eingestellt. Dann wird eine alkalische Lösung des Bindemittels unter Rühren zugefügt. Es besteht aus einem Mischpolymerisat von etwa 50 Gew.-% Trimethylammoniumethyl-methacrylat-hydrochlorid, 30 Gew.-% Styrol und 20 Gew.-% Acrylsäure. Es wird soviel Aluminiumsulfat zugesetzt, bis ein pH-Wert von 5,5 erreicht ist. Diese Mischung wird in der Stoffzentrale einer Papiermaschine mit dem Faserstoff, bestehend aus Fichtenzellstoff und Holzschliff im Verhältnis 1:1, vermischt, so daß sich ein Feststoffgehalt von 0,5 Gew.-% ergibt. Danach wird die Masse in üblicher Weise zu einem Blatt geformt und anschließend satiniert. An dem fertigen Papier wird die Reißlänge gemessen. Ergebnis-Tabelle Pigment-Faser-Verhältn. Bindereinsatz G% bez. Pigment Flächen gewicht g/m² Reißlänge m Retention Füllstoffgehalt % Faser % Asche % 50 / 50 0 166 1050 66,4 37,4 20,2 1 168 1090 73,4 52,8 36,0 4 166 1520 76,1 53,4 35,1 60 / 40 1 170 852 60,3 49,9 43,8 4 165 1273 67,0 47,2 42,3 68 / 32 0 168 655 51,7 30,7 40,2 1 178 590 62,1 46,0 50,1 4 177 1130 64,5 47,9 50,2 A 5% suspension of kaolin in water is adjusted to pH 11 with sodium hydroxide solution. Then an alkaline solution of the binder is added with stirring. It consists of a copolymer of approximately 50% by weight of trimethylammoniumethyl methacrylate hydrochloride, 30% by weight of styrene and 20% by weight of acrylic acid. So much aluminum sulfate is added until a pH of 5.5 is reached. This mixture is mixed in the pulp center of a paper machine with the fibrous material, consisting of spruce pulp and wood pulp in a ratio of 1: 1, so that a solids content of 0.5% by weight results. The mass is then shaped into a sheet in the usual way and then satinized. The tear length is measured on the finished paper. Results table Pigment-fiber ratios Binder insert G% related pigment Weight g / m² Tear length m Retention Filler content% Fiber% Ash% 50/50 0 166 1050 66.4 37.4 20.2 1 168 1090 73.4 52.8 36.0 4th 166 1520 76.1 53.4 35.1 60/40 1 170 852 60.3 49.9 43.8 4th 165 1273 67.0 47.2 42.3 68/32 0 168 655 51.7 30.7 40.2 1 178 590 62.1 46.0 50.1 4th 177 1130 64.5 47.9 50.2

Claims (10)

Verfahren zur Behandlung eines in Wasser suspendierten Pigments für die Papierindustrie mit einem wäßrigen Bindemittel durch Ausfällung des Bindemittels auf dem Pigment
   dadurch gekennzeichnet,
daß als Bindemittel eine alkalische Lösung eines amphoteren hochmolekularen Polymerisats eingesetzt wird und daß die mit dem Bindemittel versetzte Pigmentsuspension allmählich mit einem Absäuerungsmittel neutralisiert wird.
Process for treating a pigment suspended in water for the paper industry with an aqueous binder by precipitation of the binder on the pigment
characterized,
that an alkaline solution of an amphoteric high molecular weight polymer is used as the binder and that the pigment suspension mixed with the binder is gradually neutralized with an acidifying agent.
Verfahren zur Herstellung von füllstoffhaltigem Papier durch Blattbildung aus einem wäßrigen Papierstoff, dadurch gekennzeichnet, daß dieser ein gemäß Anspruch 1 behandeltes Pigment enthält.Process for the production of filler-containing paper by sheet formation from an aqueous paper stock, characterized in that it contains a pigment treated according to claim 1. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als anorganischer Füllstoff Kaolin, Calciumsulfat, Talkum oder Titandioxid eingesetzt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that kaolin, calcium sulfate, talc or titanium dioxide is used as the inorganic filler. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel ein amphoteres Polymerisat mit einem Molekulargewicht Mw >20 000, vorzugsweise >50 000 eingesetzt wird.Process according to Claim 1 or 2, characterized in that an amphoteric polymer having a molecular weight M w > 20,000, preferably> 50,000, is used as the binder. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel ein amphoteres Polymerisat eingesetzt wird, das 6 bis 80, vorzugsweise 10 bis 80 Gew.-% Einheiten der Acryl-, Methacryl- oder/und Maleinsäure und 10 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 80 Gew.-% Einheiten eines stickstoffhaltigen kationischen Monomeren und gegebenenfalls bis zu 84 Gew.-% Einheiten eines nichtionischen Monomeren enthält.A method according to claim 4, characterized in that an amphoteric polymer is used as the binder, the 6 to 80, preferably 10 to 80 wt .-% units of acrylic, methacrylic or / and maleic acid and 10 to 90 wt .-%, preferably contains 20 to 80 wt .-% units of a nitrogen-containing cationic monomer and optionally up to 84 wt .-% units of a nonionic monomer. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das kationische Monomer eine quartäre Ammoniumgruppe enthält.A method according to claim 5, characterized in that the cationic monomer contains a quaternary ammonium group. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Absäuerungsmittel ein sauer reagierendes Salz eines mehrwertigen Metallkations eingesetzt wird.Method according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that an acidic salt of a polyvalent metal cation is used as the acidifying agent. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminiumsulfat eingesetzt wird.A method according to claim 7, characterized in that aluminum sulfate is used. Wäßrige Suspension nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der wäßrigen Phase weniger als 5 Gew.-% des Bindemittels enthalten ist.Aqueous suspension according to claim 8, characterized in that the aqueous phase contains less than 5% by weight of the binder. Wäßrige Suspension nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt des Bindemittels in der wäßrigen Phase nach einer intensiven Scherbehandlung von 3 min mittels eines Hochgeschwindigkeitsrührers bei 4000 Upm nicht mehr als 10 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Bindemittelgehalt der Suspension, beträgt.Aqueous suspension according to Claim 9, characterized in that the content of the binder in the aqueous phase after an intensive shear treatment of 3 min using a high-speed stirrer at 4000 rpm is not more than 10% by weight, based on the total binder content of the suspension.
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EP0279313A1 (en) * 1987-02-10 1988-08-24 Institut für Papier-,Zellstoff-und Fasertechnik der Technischen Universität Graz Process for preparing a pigmentary agent suited for use in the paper-making industry, said agent improving the printability of paper or board, the agent and its use
WO1991018148A1 (en) * 1990-05-12 1991-11-28 Röhm Gmbh Method of treating an aqueous suspension of a pigment, and a paper-manufacturing process

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