EP1082492A1 - Procede de fabrication de papier utilisant un systeme de retention comprenant de la bentonite et un galactomannane cationique - Google Patents

Procede de fabrication de papier utilisant un systeme de retention comprenant de la bentonite et un galactomannane cationique

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EP1082492A1
EP1082492A1 EP99915825A EP99915825A EP1082492A1 EP 1082492 A1 EP1082492 A1 EP 1082492A1 EP 99915825 A EP99915825 A EP 99915825A EP 99915825 A EP99915825 A EP 99915825A EP 1082492 A1 EP1082492 A1 EP 1082492A1
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EP
European Patent Office
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paper
bentonite
retention system
retention
galactomannan
Prior art date
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EP99915825A
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EP1082492B1 (fr
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Herbert Hruschka
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Rhodia Chimie SAS
Original Assignee
Rhodia Chimie SAS
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Publication date
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Publication of EP1082492B1 publication Critical patent/EP1082492B1/fr
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    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP 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
    • D21H21/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its function, form or properties; Paper-impregnating or coating material, characterised by its function, form or properties
    • D21H21/06—Paper forming aids
    • D21H21/10—Retention agents or drainage improvers
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    • D21H17/20—Macromolecular organic compounds
    • D21H17/21—Macromolecular organic compounds of natural origin; Derivatives thereof
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    • D21H17/31—Gums
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    • D—TEXTILES; PAPER
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    • D21H17/63—Inorganic compounds
    • D21H17/67—Water-insoluble compounds, e.g. fillers, pigments
    • D21H17/68—Water-insoluble compounds, e.g. fillers, pigments siliceous, e.g. clays

Definitions

  • the present invention relates to a new method for manufacturing paper based on cellulose fiber in sheet form, in which a new retention system comprising bentonite and a cationic galactomannan is used to improve in particular the retention of the incorporated mineral fillers.
  • the present invention also relates to a process for making paper using a retention system which appreciably improves drainage (or drainage), that is to say the speed with which water flows from the suspension of fibers.
  • the mechanical properties of the paper obtained according to the process of the invention are improved, for example the rigidity and the tear resistance as well as other properties such as whiteness.
  • the retention system according to the invention can have advantages with regard to the quality and recyclability of white water from the paper manufacturing process as well as paper broken during the manufacturing process.
  • Paper making poses many problems.
  • One of the permanent concerns is to decrease the cost of paper by decreasing the quantity of cellulose fibers in the composition of the pulp.
  • Another approach consists in reducing the concentration of aqueous discharges due to the increasingly severe environmental constraints. Papermakers have proposed various ways to reduce the cost of paper and try to improve its properties.
  • One of the approaches used is the addition of inexpensive mineral fillers in the papermaking process to replace the fiber.
  • certain mineral fillers are specifically used to improve certain properties of the paper.
  • titanium oxide is used in its anatase and / or rutile forms to improve the opacity of the papers, in particular in the case of laminated papers.
  • EP 490 425 A1 proposes a dual system with - 2 - WO 99/55963 PCT / FR99 / 00969
  • the cationic polymer being either a cationic starch or a cationic galactomannan
  • retention agents or retention systems such as those containing an aluminum-modified carbohydrate polymer, are complex and expensive products, which therefore does not allow their use for products of ordinary quality.
  • the Applicant has developed a new process for manufacturing paper using a new retention system which considerably increases the retention of mineral fillers, fibers and other materials in the paper sheet.
  • Another object of the invention is to provide a retention system and a process for manufacturing paper in which the properties of the paper obtained, including for example the opacity yield of mineral fillers, the tear strengths, the whiteness and other necessary properties are improved, by optimizing the use of mineral fillers Of course, optimization is done according to the type of filler used
  • Another object of the invention is to provide a paper having a high concentration of mineral fillers which has a tear resistance and other acceptable characteristics.
  • Another object of the invention is to propose an alternative of an economically viable retention system which does not require the use of complex and expensive products.
  • the present invention is based on the development of a retention system and of the process for manufacturing paper using it which markedly increases the retention of mineral fillers and other characteristics of the paper and which allows the optimization of the action. of mineral fillers present in the paper pulp
  • the increase in the retention of the mineral filler and of fines in the context of our papermaking process mitigates the problems of contamination of white water
  • the present invention therefore relates to a process for manufacturing paper by forming and drying an aqueous paper pulp containing cellulose pulp and mineral fillers in which a system is incorporated into the mother pulp before the formation of the sheet.
  • retention system comprising a cationic galactomannan containing at least two vicinal groups and a bentonite suspension - 3 - WO 99/55963 PCT / FR99 / 00969
  • the amount of solids in the retention system is generally 0.02 to 5% by weight, preferably 0.1 to 1% by weight, based on the weight of the paper pulp or mother pulp.
  • the ratio of bentonite / galactomannan must be between 1 and 10 by weight, and preferably, this ratio is between 2 and 6, the latter depending in particular on the degree of substitution of galactomannan.
  • a bentonite suspension is understood to consist of any type of commercial product designated as bentonite or as bentonite-type clay, that is to say, the anionic swelling clays such as sepialite, attapulgite or , preferably, montmorillinite.
  • the bentonites described in the document U.S. 4,305,781 are suitable for their use in the context of the invention.
  • Suitable montmorillonite clays include Wyoming bentonites or soapy soils.
  • the clays may or may not be chemically modified, for example, by alkaline treatment to exchange the calcium from the bentonite to the alkali metal.
  • the swelling clays are usually metal silicates comprising a metal chosen from aluminum and magnesium, and optionally other metals, and the ratio of silica atoms / metal atoms at the surface of the clay particles, and generally within their structure, is from 5/1 to 1/1.
  • the ratio is relatively low, the metal being practically or completely aluminum but with a little magnesium and sometimes with, for example a little iron.
  • all or part of the aluminum is replaced by magnesium and the ratio can be very low, for example around 1.5 for sepialite.
  • the use of silicates in which part of the aluminum has been replaced by iron seems particularly desirable.
  • the aqueous suspension is generally prepared by dispersing the bentonite powder in water.
  • the quantity of bentonite contained in said suspension is chosen such that the final percentage by weight of bentonite relative to the weight of the paper pulp will be between approximately 0.1 and 5%.
  • the viscosity of the bentonite suspension is generally less than 500 mPa.s (measured with the Brookfield viscometer at 100 revolutions / minute).
  • the sizes of the bentonite particles are preferably such that at least 90% are less than 100 microns, and preferably at least 60% are less than 50 microns (dry particle size).
  • the surface of the bentonite before swelling is preferably at least 30 and generally at least 50, typically from 60 to 90 m 2 / g and the surface after swelling is preferably from 400 to 800 m 2 / g.
  • Bentonite advantageously swells at least 15 to 20 times.
  • the size of at least 90% of the particles after swelling is preferably less than 2 microns.
  • the cationic galactomannan according to the invention does not need to be modified with aluminum; it is preferably selected from galactomannans comprising at least two vicinal hydroxyl groups, in particular, cationic guars. With regard to the guars, it has been observed that their reactive centers are particularly accessible, which makes it possible to use small quantities of them to achieve a satisfactory effect.
  • the basic guar in cationic guar is of the natural type. Natural guar is extracted from the albumen of certain plant seeds, for example Cyamopsis Tetragonalobus.
  • the guar macromolecule consists of a linear main chain constructed from bD-mannose monomeric sugars linked together by bonds (1-4), and aD-galactose side units linked to bD-mannoses by bonds (1-4) 6).
  • cationic guars are formed by reaction between hydroxyl groups of the polygalactomannan and reactive quaternary ammonium compounds.
  • the degree of substitution of the cationic groups of guar is generally at least 0.01 and preferably at least 0.05 and can range up to 1.0. In the context of the invention, an appropriate range extends from 0.08 to 0.5. It is assumed that the molecular weight of guar gum ranges from 50,000 to 3,000,000 and, generally, it is around 2,000,000.
  • the retention system When the retention system is used with cationic guar as one of the components, the mineral fillers are retained to a significant degree in the final product and the paper produced has improved resistance compared to a paper obtained from 'a process without a retention system.
  • non-limiting examples are the products of the MEPROBROND 110, MEPROBOND 9806, MEPROBOND 109, JAGUAR C-13-S, JAGUAR C-14-S, JAGUAR C-15, JAGUAR C-17 series, JAGUAR C-162 from MEYHALL and RHODIA Chimie, GUAR CAT 10 products from CESALPINIA.
  • these will be formulated in the form of aqueous solutions.
  • the mineral fillers used in the process are varied in nature and are chosen in particular according to the type of paper manufactured and its future use.
  • the mineral filler material that can be used includes any common mineral filler whose surface is at least partially anionic in character.
  • mineral fillers non-limiting mention will be made of kaolin, clay, chalk, calcium carbonate, titanium dioxide, bentonite, and their mixture.
  • the mineral fillers are normally added in the form of an aqueous dispersion at the appropriate concentrations specific to the type of paper manufactured.
  • ECC calcium carbonate Omyafill from OMYA and Calopake from RHODIA Chimie, titanium dioxide Finntitan from KEMIRA and Rhoditan from RHODIA Chimie.
  • the mechanical properties of paper including the modulus of elasticity, the tensile index, the absorption of tensile energy, etc., have values equal to or even greater than those previously achieved with papers. obtained from conventional paper pulps in which a retention agent of the prior art is optionally used.
  • the sheet after drying, has greatly improved resistance characteristics when the method according to the invention is used. It has also been found that when mineral fillers such as those mentioned above and the like are used in the paste, these mineral fillers are effectively retained in the sheet and moreover do not have a negative effect on the strength of the sheet, this in contrast to the sheets obtained by a manufacturing process without gelling system according to the invention.
  • the manufacture of the paper sheet necessarily passes through a draining step which can profoundly modify the structure of the colloids as well as their distribution. Changes in the structure of aggregates of draining charges affect the retention rate of these as well as the opacity of the paper obtained.
  • a flocculate is formed within the cellulosic network which traps the charges to preserve during this critical stage the properties that the particles have in suspension.
  • the components of the retention system are added within the papermaking device as a mixture or separately.
  • the optimal results are obtained when the retention system based on bentonite and galactomannan is formed in situ in the paper pulp.
  • this can be carried out by first adding galactomannan in the form of an aqueous solution and separately adding to the paste the aqueous bentonite solution in a mixing tank or at a point in the device where there is stirring. suitable, so that the two components are dispersed with the paper forming components and thus act simultaneously with each other and with the paper forming components.
  • the pH of the mother pulp is not excessively critical and is generally less than 11, and preferably between 5 to 9 .
  • the quantity of retention system to be used varies according to the desired effect and the characteristics of the particular components which are chosen in the preparation of said system. For example, for a bentonite with the characteristics given in a retention system, if the latter contains cationic guar gum with a DS of 0.03 instead of a DS of 0.07, more retention systems will be required .
  • the use of the retention system according to the present invention is notably compared to the uses of guar alone, of a bentonite + starch system, and of a bentonite + polyacrylamide system.
  • Retention performance is mainly measured by two parameters:
  • This method consists in measuring the chemical retention of the charges, avoiding the formation of the fibrous mattress responsible for a mechanical retention by filtration effect.
  • 1000 ml of the fiber dispersion is kept maintained with stirring at 500 rp m , firstly the dissolved cationic guar, then the bentonite suspension is then added secondly, the first 200 ml are drawn off through a sieve
  • the global retention values fibers + fillers
  • This retention measurement method is described by K Bntt and JE Unbehend in Research Report 75, 1/10 1981, published by Empire State Paper Research Institute ESPRA, Syracuse, NY 13210, USA
  • a filtration bowl was used fitted with an opening grid of 125 P with openings of 75 ⁇ m Method called "Shopper-Riegler"
  • the cationic guar used has a D S equal to 0 1 and the bentonite used is the product Opazil from the company Sud Chemie
  • This example shows the chemical retention obtained by applying the BRITT bowl test
  • the fiber mixture consists of 60% by weight of chemical pulp E'Eucalyptus and 40% by weight of chemical pulp of long sulfated fiber. This mixture is obtained by refining in a Rieth Hollander apparatus up to 24 SR to obtain a pulp having a density of 3% This pulp is then diluted to 0 5% with a pH of the order of 7
  • 1000 ml of the prepared suspension mixture are taken. These 1000 ml are introduced into the BRITT bowl with stirring with a pale propeller type and fitted with a 125 P grid of 75 ⁇ m.
  • the stirring speed is around 500 r p m
  • This example shows the drainage calculated using the modified Shopper Riegler method.
  • the 1000 ml are then transferred to the tank of the Shopper Riegler device.
  • the time required to drain 600 ml of solution is calculated. in Calculations and results.
  • the time measured in seconds is that of the degree of drainage. For results, see Table 2.
  • Example 3 Comparison with polyacrylamide and cationic starch. i) Composition of the mother suspension and dilution:

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Description

PROCEDE DE FABRICATION DE PAPIER UTILISANT UN SYSTEME DE RETENTION COMPRENANT DE LA BENTONITE ET UN GALACTOMANNANE
CATIONIQUE
La présente invention concerne un nouveau procédé de fabrication de papier à base de fibre de cellulose sous forme de feuille, dans lequel un nouveau système de rétention comprenant de la bentonite et un galactomannane cationique est utilisé pour améliorer notamment la rétention des charges minérales incorporées. La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication du papier avec utilisation d'un système de rétention qui améliore sensiblement le drainage (ou égouttage), c'est-à-dire la rapidité avec laquelle l'eau s'écoule de la suspension de fibres.
En outre, les propriétés mécaniques du papier obtenu selon le procédé de l'invention sont améliorées, par exemple la rigidité et la résistance à la déchirure ainsi que d'autres propriétés telles que la blancheur. De plus, le système de rétention selon l'invention peut présenter des avantages en ce qui concerne la qualité et la recyclabilité des eaux blanches issues du procédé de fabrication du papier ainsi que des papiers cassés au cours du procédé de fabrication. La fabrication du papier pose de nombreux problèmes. Une des préoccupations permanentes est de diminuer le coût du papier en diminuant la quantité de fibres cellulosiques dans la composition de la pâte à papier. Une autre démarche consiste à diminuer la concentration des rejets aqueux en raison des contraintes environnementales de plus en plus sévères. Les papetiers ont proposé divers moyens pour réduire le coût des papiers et essayer d'en améliorer les propriétés. Une des approches utilisées consiste en l'addition de charges minérales peu onéreuses dans le procédé de fabrication du papier pour remplacer la fibre. D'autre part, certaines charges minérales sont spécifiquement utilisées pour améliorer certaines propriétés du papier. C'est ainsi, par exemple, qu'on utilise de l'oxyde de titane sous ses formes anatase et/ou rutile pour améliorer l'opacité des papiers, en particulier dans le cas des papiers lamifiés.
Malheureusement, l'addition de charges minérales qui sont des particules micrométriques se heurte au problème de la rétention : lors de la formation de la feuille sur la toile de la machine à papier, les particules minérales ont tendance à passer à travers cette toile, ce qui génère des circuits d'eaux blanches chargées. Cela pose des problèmes au niveau du traitement des rejets mais aussi de la qualité de feuille.
A ce jour, l'art antérieur propose l'utilisation d'agents de rétention pour réduire le problème du manque de rétention. Par exemple, EP 490 425 A1 propose un système dual à - 2 - WO 99/55963 PCT/FR99/00969
base de particules inorganiques anioniques et d'un polymère carbohydrate cationique modifié avec de l'aluminium, le polymère cationique étant soit un amidon cationique ou soit un galactomannane cationique
Toutefois, de nombreuses solutions proposées à ce jour ne sont pas viables économiquement pour permettre leur utilisation pour la préparation de tout type de papier
En effet, certains agents de rétention ou systèmes de rétention, tels que ceux contenant un polymère carbohydrate modifié à l'aluminium, sont des produits complexes et coûteux, ce qui ne permet donc pas leur utilisation pour des produits de qualité ordinaire
A présent, la Demanderesse a mis au point un nouveau procédé de fabrication de papier utilisant un nouveau système de rétention qui augmente considérablement la rétention des charges minérales, des fibres et autres matières dans la feuille de papier
Un autre objet de l'invention est de proposer un système de rétention et un procédé de fabrication de papier dans lequel les propriétés du papier obtenu, dont par exemple le rendement d'opacité des charges minérales, les résistances à la déchirure, la blancheur et d'autres propriétés nécessaires sont améliorées, en optimisant l'utilisation des charges minérales Bien entendu, l'optimisation se fait en fonction du type de charge utilisé
Un autre objet de l'invention est de proposer un papier ayant une concentration élevée en charges minérales qui ait une résistance à la déchirure et d'autres caractéristiques acceptables
Un autre objet de l'invention est de proposer une alternative de système de rétention viable économiquement qui ne nécessite pas l'utilisation de produits complexes et coûteux
D'autres objets et avantages de l'invention suivront à la lecture de la description ci- dessous et notamment dans les tests, les tableaux et figures illustrant diverses caractéristiques de l'invention
La présente invention repose sur la mise au point d'un système de rétention et du procédé de fabrication de papier l'utilisant qui augmente nettement la rétention des charges minérales et d'autres caractéristiques du papier et qui permet l'optimisation de l'action des charges minérales présentes au sein de la pâte à papier L'augmentation de la rétention de la charge minérale et des fines dans le cadre de notre procède de fabrication du papier atténue les problèmes de contamination des eaux blanches
La présente invention a donc trait à un procédé de fabrication de papier par formation et séchage d'une pâte à papier aqueuse contenant de la pâte cellulosique et des charges minérales dans lequel on incorpore dans la pâte-mère avant la formation de la feuille un système de rétention comprenant un galactomannane cationique contenant au moins deux groupes vicinaux et une suspension de bentonite - 3 - WO 99/55963 PCT/FR99/00969
La quantité de solides du système de rétention est généralement de 0,02 à 5 % en poids, de préférence de 0,1 à 1% en poids, par rapport au poids de la pâte à papier ou pâte- mère. Le rapport de la bentonite/galactomannane doit être compris entre 1 et 10 en poids, et de préférence, ce rapport est compris entre 2 et 6, celui-ci dépendant notamment du degré de substitution du galactomannane.
En ce qui concerne la suspension de bentonite, on entend une suspension de bentonite constituée par tout type de produits commerciaux désignés comme bentonite ou comme argile de type bentonite , c'est-à-dire, les argiles anioniques gonflantes telles que sepialite, attapulgite ou, de préférence, montmorillinite. A titre d'exemples, les bentonites, décrites dans le document U.S. 4,305,781 sont adaptées pour leur utilisation dans le cadre de l'invention.
Les argiles montmorillonites adaptées incluent les bentonites de Wyoming ou les terres savonneuses. Les argiles peuvent être ou ne pas être modifiées chimiquement, par exemple, par traitement alcalin pour échanger le calcium de la bentonite en métal alcalin.
Les argiles gonflantes sont habituellement des silicates de métaux comprenant un métal choisi parmi l'aluminium et le magnésium, et en option d'autres métaux, et le rapport atomes de silice / atomes de métaux à la surface des particules d'argiles, et généralement au sein de leur structure, est de 5/1 à 1/1. Pour la plupart des montmorillonites, le rapport est relativement bas, le métal étant pratiquement ou complètement l'aluminium mais avec un peu de magnésium et parfois avec, par exemple un peu de fer. Toutefois, dans d'autres argiles gonflantes, tout ou partie de l'aluminium est remplacée par du magnésium et le rapport peut être très bas, par exemple environ 1.5 pour la sepialite. L'utilisation de silicates dans lesquels une partie de l'aluminium a été remplacée par du fer semble particulièrement désirable.
La suspension aqueuse est généralement préparée par dispersion de la poudre de bentonite dans l'eau. La quantité de bentonite contenue dans ladite suspension est choisie tel que le pourcentage final en poids de bentonite par rapport au poids de la pâte à papier sera compris entre environ 0,1 et 5 %. La viscosité de la suspension de bentonite est en général inférieure à 500 mPa.s (mesurée au viscosimètre Brookfield à 100 tours/minute).
Les tailles des particules de bentonite sont de préférence telles qu'au moins 90% sont inférieures à 100 microns, et de préférence au moins 60% sont inférieures à 50 microns (taille des particules sèches). La surface de la bentonite avant gonflement est de préférence d'au moins 30 et généralement d'au moins 50, typiquement de 60 à 90 m2/g et la surface après gonflement est de préférence de 400 à 800 m2/g. La bentonite avantageusement gonfle d'au moins 15 à 20 fois. La taille d'au moins 90% des particules après gonflement est de préférence inférieure à 2 microns.
Comme produits commerciaux, on citera à titre d'exemples non limitatifs les produits Opazil AF et Opazil ADV de la société Sϋdchemie.
Le galactomannane cationique selon l'invention ne nécessite pas d'être modifié avec de l'aluminium ; il est, de préférence, sélectionné parmi les galactomannanes comprenant au moins deux groupements hydroxyles vicinaux, en particulier, les guars cationiques. En ce qui concerne les guars, on a remarqué que leurs centres réactifs sont particulièrement accessibles, ce qui permet d'en utiliser de faibles quantités pour atteindre un effet satisfaisant.
Le guar de base dans le guar cationique est de type naturel. Le guar naturel est extrait de l'albumen de certaines graines de plantes, par exemple Cyamopsis Tetragonalobus. La macromolécule de guar est constituée par une chaîne principale linéaire construite à partir de sucres monomères b-D-mannoses liés entre eux par des liaisons (1-4), et des unités latérales a-D-galactoses liées aux b-D-mannoses par des liaisons (1-6).
La préparation des guars cationiques est connue en soi. A titre d'exemple, les guars cationiques sont formés par réaction entre des groupes hydroxyles du polygalactomannane et des composés d'ammonium quaternaire réactifs.
Le degré de substitution des groupes cationiques du guar est généralement d'au moins 0,01 et, de préférence, d'au moins 0,05 et peut aller jusqu'à 1 ,0. Dans le cadre de l'invention, une gamme appropriée s'étend de 0,08 à 0,5. On suppose que le poids moléculaire de la gomme guar varie de 50.000 à 3.000.000 et, généralement qu'il est d'environ 2.000.000.
Lorsqu'on utilise le système de rétention avec du guar cationique comme l'un des composants, les charges minérales sont retenues à un degré important dans le produit final et le papier produit a une résistance améliorée en comparaison d'un papier obtenu à partir d'un procédé sans système de rétention.
Comme produits commerciaux, on citera à titre d'exemples non limitatifs les produits des séries MEPROBROND 110, MEPROBOND 9806, MEPROBOND 109, JAGUAR C-13-S, JAGUAR C-14-S, JAGUAR C-15, JAGUAR C-17, JAGUAR C-162 de la société MEYHALL et de la société RHODIA Chimie, les produits GUAR CAT 10 de la société CESALPINIA. Selon les cas et/ou la/les nature(s) des galactomannanes, ceux-ci seront formulés sous forme de solutions aqueuses.
Les charges minérales utilisées dans le procédé sont de nature variée et sont notamment choisies en fonction du type de papier fabriqué et de son utilisation future. La matière de charge minérale pouvant être utilisée comprend toute charge minérale courante dont la surface est de caractère au moins partiellement anionique.
Parmi les charges minérales, on citera, à titre non limitatif, le kaolin, l'argile, la craie, le carbonate de calcium, le dioxyde de titane, la bentonite, et leur mélange. Les charges minérales sont normalement ajoutées sous la forme d'une dispersion aqueuse aux concentrations adéquates propres au type de papier fabriqué.
De nombreux produits commerciaux peuvent être utilisés comme charges minérales pour la fabrication du papier. A titre d'exemples non limitatifs, on citera le kaolin de la société
ECC, le carbonate de calcium Omyafill de la société OMYA et Calopake de la société RHODIA Chimie, le dioxyde de titane Finntitan de la société KEMIRA et Rhoditan de la société RHODIA Chimie.
La possibilité d'addition de charges minérales aux pâtes à papier est limitée par des facteurs tels que la rétention des charges sur la toile, la déshydratation de la pâte à papier sur la toile, la résistance au mouillé et à sec du papier obtenu. A présent, en accord avec notre invention, les problèmes cités ci-dessus dus à l'addition de ces charges peuvent être palliés ou éliminés de manière conséquente par utilisation de notre système de rétention qui permet également d'ajouter des proportions de ces charges plus élevées que les normales pour obtenir des propriétés spéciales dans le papier produit. Ainsi donc, en utilisant le système de rétention de l'invention, il est devenu possible de produire un papier qui contient plus de charges tout en conservant ses propriétés mécaniques. Par ce biais donc, les propriétés mécaniques du papier, dont le module d'élasticité, l'indice de traction, l'absorption d'énergie de traction, etc., ont des valeurs égales ou même supérieures à celles atteintes antérieurement avec des papiers obtenus à partir de pâtes à papier classiques dans lesquelles est utilisé éventuellement un agent de rétention de l'art antérieur.
La feuille, après séchage, possède des caractéristiques de résistance fortement améliorées lorsqu'on utilise le procédé selon l'invention. On a également trouvé que lorsqu'on utilise dans la pâte des charges minérales telles que celles précédemment citées et analogues, ces charges minérales sont efficacement retenues dans la feuille et de plus n'ont pas sur la résistance de la feuille un effet négatif, ceci en opposition avec les feuilles obtenues par un procédé de fabrication sans système gélifiant selon l'invention.
Bien que le mécanisme qui se produit au sein de la pâte-mère pendant la formation et le séchage du papier en présence du système de rétention ne soit pas totalement maîtrisé, on pense que le système de rétention forme une association avec les fibres et avec les charges pour former une matrice floculante complexe.
En effet, la fabrication de la feuille de papier passe nécessairement par une étape d'égouttage qui peut modifier profondément la structure des colloïdes ainsi que leur répartition. Les changements de structure des agrégats de charges à l'égouttage affectent le taux de rétention de celles-ci ainsi que l'opacité du papier obtenu. Ainsi, en présence du système de rétention de l'invention, au cours de l'égouttage, il se forme un floculât au sein du réseau cellulosique qui emprisonne les charges pour préserver pendant ce stade critique les propriétés que les particules possèdent en suspension.
Les composants du système de rétention sont ajoutés au sein du dispositif de fabrication du papier en mélange ou séparément. Toutefois, selon une variante préférée de mise en œuvre de l'invention, les résultats optimaux sont obtenus lorsque le système de rétention à base de bentonite et de galactomannane est formé in situ dans la pâte à papier.
Avantageusement, ceci peut être effectué par addition dans un premier temps du galactomannane sous la forme d'une solution aqueuse et addition séparément à la pâte de la solution aqueuse de bentonite dans une cuve de mélange ou en un point du dispositif où il existe une agitation appropriée, de telle sorte que les deux composants sont dispersés avec les composants formant le papier et ainsi agissent simultanément l'un avec l'autre et avec les composants de formation du papier.
On a trouvé que, dans un procédé de fabrication du papier utilisant le système gélifiant décrit dans l'invention, le pH de la pâte-mère n'est pas excessivement critique et est en général inférieur à 11 , et de préférence entre 5 à 9.
D'autres additifs chimiques pour le papier peuvent être mélangés au sein de la pâte- mère, tels que antimousses, agents de collage, etc.. . A ce sujet, il est important de veiller à ce que la teneur de ces autres agents ne gêne pas la formation de la matrice floculante et que la teneur de(s) agent(s) dans l'eau blanche recyclée n'augmente pas trop jusqu'à gêner la formation de la matrice floculante. Donc, on préférera ajouter le(s) agent(s) en un point du système après la formation de la matrice floculante.
Les améliorations dues au système de rétention sont observées avec un effet du même ordre aussi bien avec des pâtes chimiques que des pâtes mécaniques et thermomécaniques. A partir des recherches et travaux effectués, il apparaît que les principes de la présente invention sont applicables à la fabrication de tout type et qualité de papier. On citera, par exemple, les papiers impression écriture, les papiers d'emballage, les papiers lamifiés. Parmi une des possibilités de préparation de type de papier, le papier impression écriture est une des voies donnant des résultats très positifs, c'est-à-dire, phénomène de rétention des charges augmenté et qualités mécaniques du papier améliorées. Dans ce cas, la majorité des charges utilisée est du carbonate de calcium.
La quantité de système de rétention à utiliser varie selon l'effet désiré et les caractéristiques des composants particuliers qui sont choisis dans la préparation dudit système. Par exemple, pour une bentonite aux caractéristiques données dans un système de rétention, si celui-ci contient de la gomme guar cationique avec un D.S. de 0,03 au lieu d'un D.S. de 0,07, il faudra davantage de système de rétention.
Les exemples et tests de laboratoire ci-dessous illustrent, à titre non limitatif, des avantages et propriétés liés à l'utilisation du système de rétention selon l'invention pour la préparation de papier. De bons résultats sont obtenus avec le système de rétention selon l'invention, bien que le galactomannane ne soit pas modifié avec de l'aluminium.
L'utilisation du système de rétention selon la présente invention est notamment comparée aux utilisations du guar seul, d'un système bentonite + amidon, et d'un système bentonite + polyacrylamide.
Tests
Les performances en rétention sont mesurées essentiellement par deux paramètres :
- la rétention : quantité de charges retenues sur la feuille de papier, ou pour la rétention totale, quantité totale de fines particules retenues sur la feuille.
- le drainage : qui caractérise la rapidité avec laquelle l'eau s'écoule de la suspension fibreuse.
Ces deux caractéristiques peuvent être mesurées à l'aide de différentes méthodes : - Méthode "Bol BRITT Jar" : elle permet de mesurer la rétention chimique (totale et charges).
Méthode "Shopper-Riegler" : elle permet de mesurer la rétention chimique et le drainage.
D'autres paramètres peuvent être mesurés par les méthodes suivantes : Méthode "Rapid Kothen" elle permet de donner une mesure relative a la formation de la feuille (norme DIN 54358)
Mesure de la résistance à la déchirure avec l'appareil "Strengh Tester LLOYD 500"
Méthode dite du "bol BRITT"
Cette méthode consiste à mesurer la rétention chimique des charges en évitant la formation du matelas fibreux responsable d'une rétention mécanique par effet de filtration Dans le cadre de nos tests, on ajoute à 1000 ml de la dispersion fibres maintenue sous agitation à 500 r.p m , dans un premier temps le guar cationique dissous puis on ajoute dans un second temps la suspension de bentonite Puis, on soutire les 200 premiers ml a travers un tamis En déterminant les quantités respectives de fibres et de charges passées dans le filtrat, on atteint par calcul les valeurs de rétention globales (fibres+charges) et de rétention en charges Cette méthode de mesure de la rétention est décrite par K Bntt et J E Unbehend dans Research Report 75, 1/10 1981 , publié par Empire State Paper Research Institute ESPRA, Syracuse, N Y 13210, EUA
Pour les mesures, on a utilisé un bol de filtration équipé d'une grille d'ouverture de 125 P avec des ouvertures de 75 μm Méthode dite de "Shopper-Riegler"
Cette méthode Shopper-Riegler est utilisée selon la norme NFQ 50-003
Le guar cationique utilisé a un D S égale à 0 1 et la bentonite utilisé est le produit Opazil de la société Sud Chemie
Exemple 1 : Rétention.
Cet exemple montre la rétention chimique obtenue en appliquant le test du bol BRITT
Différentes formulations avec des pourcentages variables en guar cationique et en bentonite ont été préparées (voir tableau 1 ci-dessous) Les pourcentages sont en poids par rapport au poids de la pâte à papier
i) Préparation de la suspension-mère et dilution
Le mélange de fibre est constitué de 60% en poids de pulpe chimique ά'Eucalyptus et 40% en poids de pulpe chimique de longue fibre sulfatée Ce mélange est obtenu par raffinage dans un appareil Rieth Hollander jusqu'à 24 SR pour obtenir une pulpe ayant une densité de 3% Cette pulpe est ensuite diluée à 0 5% avec un pH de l'ordre de 7
Avant dilution de la pulpe, on ajoute à ce mélange sous agitation 40% en poids de CaC03 comme charge et 3% en poids de chlorure de polyaluminium L'agitation est maintenue tout le temps des manipulations afin d'assurer, lors du prélèvement, une parfaite homogénéité
n Test du bol BRITT
On prélève 1000 ml du mélange en suspension préparée Ces 1000 ml sont introduits dans le bol BRITT sous agitation avec une pâle de type hélice et muni d'une grille 125 P de 75 μm
La vitesse d'agitation est de l'ordre de 500 r p m
Le guar est ajouté suivi d'une agitation pendant 60 secondes On introduit alors la bentonite (dans les tests comprenant ce produit) Puis on agite pendant 15 secondes On soutire 200 ml du mélange par gravité
m) Filtration
Les 200 ml prélevés sont ensuite filtrés sur BUCHNER avec des filtres WHATMANN n°42 (filtres sans cendre, préalablement séchés 1 h à 105°C puis pesés à ± 0,0001g) Le résidu de filtration est ensuite enlevé avec précaution, séché 1 heure à 105°C puis refroidi au dessiccateur et pesé (± 0,0001 ) Ceci permet le calcul du taux de rétention global
Le résidu ainsi séché sur filtre est ensuite calciné (selon la Norme Taux de cendres n° NFQ 03-047) pour donner le taux de rétention en charges du mélange
iv) Calculs et Résultats
Le calcul de la rétention globale est effectué à l'aide de la formule suivante
• Rétention globale = (P1-P2)) x100
P1 P1 = Poids du mélange (charges+fibres) dans le prélèvement initial
P2 = Poids du résidu du prélèvement de 200 ml filtré et séché
Les résultats sont données dans le tableau 1 Tableau 1
Formulations % de Guar % de Bentonite Gain de Rétention des charges en %
A 0.05 0 10
B 0.075 0 15
C 0.1 0 21
D 0.2 0 27
A' 0.05 0.25 29
B' 0.075 0.25 31
C 0.1 0.25 33
D' 0.2 0.25 35
Exemple 2 : Drainage.
Cette exemple montre le drainage calculé selon la méthode de Shopper Riegler modifié .
Différentes formulations avec des pourcentages variables en guar cationique et en bentonite ont été préparées (voir tableau 2 ci-dessous). Les pourcentages sont en poids par rapport au poids de la pâte à papier.
0 Test modifié de Shopper-Riegler. La suspension de mélange de fibre utilisée est identique à celle de l'exemple 1.
L'ajout et le mélange de GUAR et de bentonite sont effectués dans le bol BRITT contenant 1000 ml du mélange en suspension préparée de façon identique à celle de l'exemple 1.
Les 1000 ml sont ensuite transvasés dans la cuve de l'appareil Shopper Riegler. On calcule le temps nécessaire au drainage de 600 ml de solution. in Calculs et résultats.
Le temps mesuré en secondes est celui du degré de drainage. Pour les résultats, voir tableau 2.
Tableau 2
% de Guar % de Bentonite Gain de Drainage
Formulations en %
A 0.05 0 - 4
B 0.075 0 - 8
C 0.1 0 - 8
D 0.2 0 - 5
A' 0.05 0.25 8
B' 0.075 0.25 16
C 0.1 0.25 23
D' 0.2 0.25 36
Exemple 3 : Comparaison avec polyacrylamide et amidon cationique. i) Composition de la suspension mère et dilution :
La suspension de fibre est un mélange à 30% de fibres longues, 30% de fibres courtes, 30% de papier cassé couché (= 'coated broke') et 10 % de CaCθ3, son pH est de 7 . Ce mélange provient d'un système haute densité (3,5%) d'une machine à papier.
ii) Produits utilisés :
- 0.075% de guar cationique of D.S. = 0,1 (Meprobond 9806).
- 0.050% de polyacrylamide de haut poids moléculaire (Percoll 292 de la société Allied Colloids).
- 0.500% d'amidon cationique de D.S. = 0.045. (Hicat de la société Roquette).
- 0.300% de bentonite (Opazil).
iii) L'ordre d'addition des produits est identique à celui de l'exemple 1. iv) Les méthodes de mesures sont identiques à celles des exemples 1 et 2 (Britt Jar et Shopper Riegler). En outre, la résistance à la déchirure (= 'tensile strength') est mesurée.
v) Résultats : voir table 3.
Table 3
Change Guar Guar Polyacrylamide Amidon
% + Bentonite + Bentonite cat.+ Bentonite
Rétention + 31 + 58 + 62 + 46
Drainage - 10 + 33 + 35 25
Résistance à la + 10 + 13 + 2 + 15 déchirure

Claims

REVENDICATIONS
Procède de fabrication de papier par formation et séchage d'une pâte à papier aqueuse contenant de la pâte cellulosique et des charges minérales, caractérisé en ce que l'on incorpore dans la pâte-mère avant la formation de la feuille un système de rétention comprenant un galactomannane cationique contenant au moins deux groupes vicinaux et une suspension de bentonite
2. Procède selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la quantité de solides du système de rétention est de 0,1 à 5 % en poids par rapport au poids de la pâte a papier
3. Procède de fabrication de papier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le galactomannane a un degré de substitution d'au moins 0,01 et de préférence, d'au moins 0,05 et pouvant aller jusqu'à 1 ,0
4. Procédé de fabrication de papier selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les charges minérales sont choisies parmi le groupe constitué de kaolin, argile, craie, carbonate de calcium, oxyde de titane, bentonite et leur mélange
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pH de la pâte-mère est maintenu entre 5 et 9
6 Procède selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la quantité de solides dans le système de rétention est de 0,02 à 5% en poids, par rapport au poids de la pâte-mère
7. Procède selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport bentonite / galactomannane doit être compris entre 1 et 10 en poids , et de préférence, ce rapport est compris entre 2 et 6, celui-ci dépendant du degré de substitution du galactomannane
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de rétention, à base de bentonite et de galactomannane, est formé m situ dans la pâte à papier
9. Procédé de fabrication de papier selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la formation in situ du système de rétention est effectuée par addition dans un premier temps du galactomannane sous la forme d'une solution aqueuse et addition dans un deuxième temps à la pâte à papier de ia solution aqueuse de bentonite dans une cuve de mélange ou en un point du dispositif où il existe une agitation appropriée.
10. Papier susceptible d'être obtenu à partir du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.
11. Utilisation du papier selon la revendication 10 comme papier lamifié, papier impression d'écriture ou papier d'emballage.
12. Utilisation du papier selon la revendication 11 comme papier impression écriture.
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