ES2161670T5 - Preparacion de nanocompuestos anionicos y su uso como coadyuvantes de retencion y drenaje en la fabricacion de papel. - Google Patents

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Abstract

Un método de producir un nanomaterial compuesto para empleo como adyuvante de retención y drenaje en la fabricación de papel, que comprende las etapas de: a) proporcionar una solución de silicato de sodio; b) añadir un polielectrólito aniónico a la solución de silicato de sodio; y c) combinar la solución de silicato de sodio que contiene el polielectrólito aniónico con ácido silícico.

Description

Preparación de nanocompuestos aniónicos y su uso como coadyuvantes de retención y drenaje en la fabricación de papel.
Campo de la invención
Esta invención se refiere generalmente al campo de la fabricación de papel y, más particularmente, a la preparación de nanocompuestos aniónicos y a su uso como adyuvantes de retención y drenaje.
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Antecedentes de la invención
En la fabricación de papel, una suspensión acuosa de fibras celulósicas se transforma en una hoja de papel. Generalmente la suspensión se diluye a una consistencia (porcentaje en peso seco de sólidos de la suspensión) inferior a 1% y frecuentemente por debajo de 0,5%, antes de la máquina de papel, mientras que la hoja acabada debe tener menos de 6 por ciento en peso de agua. Por lo tanto, en la fabricación de papel el desgotado es un aspecto extremadamente importante para la eficiencia y coste de fabricación.
El método menos costoso de desgotado es el drenaje y, después, se usan métodos más costosos, incluidos prensado bajo vacío, secado y prensado sobre un fieltro, evaporación, etc., y cualquier combinación de dichos métodos. Como el drenaje es el primer método de desgotado empleado y el menos costoso, una mejora en la eficiencia del drenaje disminuirá la cantidad de agua que se ha de eliminar por otros métodos y mejorará la eficiencia total del desgotado, con lo que se reduce su coste.
Otro aspecto de la fabricación de papel que es extremadamente importante para la eficiencia y coste de fabricación es la retención de componentes de la suspensión de fabricación sobre y en la banda continua que se está formando. La suspensión de fabricación de papel representa un sistema que contiene cantidades significativas de partículas pequeñas estabilizadas por fuerzas coloidales. Una composición de fabricación de papel contiene generalmente, además de fibras celulósicas, partículas cuyo tamaño varía de aproximadamente 5 a aproximadamente 1.000 nanómetros y que consisten, por ejemplo, en finos celulósicos, cargas minerales (empleadas para incrementar la opacidad, blancura y otras características del papel) y otras partículas pequeñas que, sin la inclusión de uno o más adyuvantes de retención, pasarían generalmente a través de los espacios (poros) existentes entre las fibras celulósicas de la banda continua que se está formando.
Para una calidad dada de papel, una mayor retención de finos, cargas y otros componentes de la suspensión permite una reducción del contenido de fibras celulósicas de dicho papel. Cuando se emplean pastas de menor calidad para reducir costes de fabricación, la retención es un aspecto aún más importante en la fabricación de papel porque el contenido de finos de dichas pastas de menor calidad es generalmente mayor que el de pastas de mejor calidad. Una retención mayor disminuye también la cantidad de dichas sustancias perdidas en las aguas blancas y, por lo tanto, reduce la cantidad de pérdida de material, el coste de evacuación de agua y los efectos medioambientales negativos. Generalmente es deseable reducir la cantidad de material empleado en un proceso de fabricación de papel para una finalidad dada, sin disminuir el resultado buscado. Dichas reducciones pueden conseguir ahorros en costes de materiales y beneficios de manipulación y procesamiento.
Otra característica importante de un proceso dado de fabricación de papel es la formación de la hoja producida de papel. La formación puede ser determinada por la variación de la transmisión de luz en una hoja de papel, indicando una variación grande una mala formación de la hoja. Cuando se incrementa la retención a un nivel alto, por ejemplo, a un nivel de 80 ó 90%, generalmente disminuye el parámetro de la formación.
Se han utilizado diversos aditivos químicos para incrementar la velocidad a la que drena agua de la hoja formada y para incrementar la cantidad de finos y carga retenida en la hoja. El uso de polímeros solubles en agua de peso molecular alto fue una mejora importante en la fabricación de papel. Estos polímeros de peso molecular alto actúan como floculantes, formando flóculos grandes que se depositan sobre la hoja. También ayudan en el desgotado de la hoja. Para que sean eficaces, los programas de retención y drenaje con polímeros simples y dobles convencionales requieren la incorporación de un componente de peso molecular mayor como parte del programa. En estos programas convencionales, el componente de peso molecular alto se añade después de un punto de cizalladura alta en el sistema de circulación de la pasta que llega a la caja de entrada de la máquina de papel. Esto es necesario porque los flóculos se forman principalmente por mecanismos de formación de puentes y su rotura es en gran parte irreversible y no se vuelven a formar en una extensión significativa. Por esta razón, la mayor parte de las características funcionales de retención y drenaje de un floculante se pierde cuando éste se alimenta antes de un punto de cizalladura alta. Por otro lado, alimentar polímeros de peso molecular alto después de un punto de cizalladura alta origina frecuentemente problemas de formación. Así, los requisitos de alimentación de polímeros y copolímeros de peso molecular alto que proporcionan mejor retención llevan frecuentemente a un compromiso entre retención y formación. En consecuencia, se han desarrollado "micropartículas" inorgánicas que se añaden a programas con floculantes de peso molecular alto para mejorar su comportamiento.
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En muchas fábricas los programas con polímeros/micropartículas han tenido éxito comercial reemplazando el uso de programas de retención y drenaje con sólo polímeros. Los programas que contienen micropartículas se definen no sólo por el uso de un componente en micropartículas sino también frecuentemente por los puntos de adición de productos químicos en relación con la cizalladura. En la mayoría de los programas de retención que contienen micropartículas, se añaden polímeros de peso molecular alto antes o después de por lo menos un punto de cizalladura alta. Usualmente el material inorgánico en micropartículas se añade a la composición de fabricación después de que ésta ha floculado con el componente de peso molecular alto y se ha cizallado para romper estos flóculos. La adición de micropartículas vuelve a flocular la composición de fabricación, originando una retención y drenaje que son por lo menos tan buenos como los conseguidos usando de manera convencional (después de la cizalladura) el componente de peso molecular alto, sin ningún efecto negativo sobre la formación.
Uno de dichos programas empleados para proporcionar una combinación mejorada de retención y desgotado se describe en las patentes US-A-4.753.710 y 4.913.775. De acuerdo con estas patentes, se añade un polímero catiónico lineal de peso molecular alto a la suspensión acuosa de fibras celulósicas antes de aplicar cizalladura a la suspensión, seguido de la adición de bentonita después de la aplicación de cizalladura. La cizalladura se consigue generalmente por una o más de las etapas de depuración, mezclado y bombeo del proceso de fabricación de papel y la cizalladura rompe en microflóculos los flóculos grandes formados por el polímero de peso molecular alto. La adición de partículas de bentonita origina más aglomeración.
Otro de dichos programas con micropartículas se basa en el uso, como material en micropartículas, de sílice coloidal combinada con almidón catiónico, como se describe en las patentes US-A-4.388.150 y 4.385.961, o en el uso de una combinación de almidón catiónico, floculante y sol de sílice, como se describe en las patentes US-A-5.098.520 y 5.185.062. La patente US-A-4.643.801 describe un método para la preparación de papel usando un polímero aniónico soluble en agua de peso molecular alto, una sílice dispersa y un almidón catiónico.
Aunque, como se ha descrito anteriormente, el material en micropartículas se añade típicamente a la composición de fabricación después del floculante y después de por lo menos una zona de cizalladura, también se puede observar el efecto de las micropartículas si se añaden antes del floculante y de la zona de cizalladura (por ejemplo, si se añaden las micropartículas después de la depuración y el floculante después de la zona de cizalladura).
En un programa de retención y drenaje con un solo polímero/micropartículas, el floculante, típicamente un polímero catiónico, es el único polímero añadido junto con las micropartículas. Otro método de mejorar la floculación, sobre la banda continua, de finos celulósicos, cargas minerales y otros componentes de la composición de fabricación usando un material en micropartículas es en combinación con un programa con dos polímeros que usa, además del material en micropartículas, un sistema de coagulante y floculante. En dicho sistema, se añade primero un coagulante, por ejemplo, un polímero catiónico sintético de peso molecular bajo o un almidón catiónico. El coagulante también puede ser un coagulante inorgánico, como alúmina o poli(cloruros de aluminio). Esta adición puede tener lugar en uno o varios puntos dentro del sistema de formación de la composición de fabricación, incluidos, pero sin carácter limitativo, la pasta densa, el sistema de aguas blancas o la pasta diluida. Este coagulante reduce generalmente las cargas negativas presentes en la superficie de las partículas de la composición de fabricación, particularmente finos celulósicos y cargas minerales, con lo que se consigue cierto grado de aglomeración de dichas partículas. El tratamiento con el coagulante va seguido de la adición de un floculante. Dicho floculante es generalmente un polímero sintético de peso molecular alto que forma puentes con las partículas y/o aglomerados, de una superficie a otra, uniendo las partículas en aglomerados mayores. La presencia de dichos aglomerados grandes en la composición de fabricación, cuando se está formando la banda continua de papel, incrementa la retención. Los aglomerados se separan del agua de la banda continua por filtración mientras que las partículas no aglomeradas pasan, en mayor extensión, a través de dicha banda continua de papel. En dicho programa, se puede invertir, con éxito, el orden de adición del material en micropartículas y el floculante.
La patente US-A-3.597.253 se refiere a la producción de sílices y silicatos de metales alcalinos y alcalinotérreos, finamente divididos y modificados orgánicamente, mediante precipitación en húmedo de dichos silicatos y sílices a partir de soluciones de silicatos de metales alcalinos con soluciones acuosas de ácidos o sales de metales alcalinos o alcalinotérreos, preferiblemente a temperaturas entre aproximadamente 10 y 90ºC, en presencia de materiales poliméricos reactivos orgánicos solubles en agua, por ejemplo, polímeros que contienen grupos reactivos amino, hidroxilo, carboxilo, amido o ceto.
La presente invención se diferencia de las descripciones de las patentes antes citadas porque, como material en micropartículas, se utiliza un nanocompuesto aniónico. En la presente memoria, "nanocompuesto" significa la incorporación de un polielectrolito aniónico en la síntesis de una sílice coloidal. Se conocen y se han usado nanocompuestos en otros campos y aplicaciones, como productos cerámicos, semiconductores y plásticos reforzados.
Sorprendentemente se ha descubierto que los nanocompuestos aniónicos obtenidos por el método de la presente invención proporcionan un comportamiento mejorado con respecto a otros programas con micropartículas, especialmente los que usan, como micropartículas, soles de sílice coloidal. Los nanocompuestos aniónicos obtenidos por la presente invención tienen mejor comportamiento de retención y drenaje en sistemas de fabricación de papel.
Resumen de la invención
Los nanocompuestos aniónicos obtenidos por el método de la presente invención se preparan añadiendo un polielectrolito aniónico a una solución de silicato sódico y combinando después la solución de silicato sódico y polielectrolito con ácido silícico, como se define en la reivindicación 1.
Los nanocompuestos aniónicos resultantes tienen mejor comportamiento de retención y drenaje en sistemas de fabricación de papel de acuerdo con el método de la reivindicación 8.
Descripción detallada de la invención
La presente invención se refiere a un método de producir nanocompuestos aniónicos para su uso como adyuvantes de retención y drenaje en la fabricación de papel. De acuerdo con esta invención, se añade un polielectrolito aniónico a una solución de silicato sódico y después se combina la solución de silicato sódico y polielectrolito con ácido silícico, como se define en la reivindicación 1.
Los polielectrolitos aniónicos que se pueden usar en la práctica de esta invención incluyen polisulfonatos, poliacrilatos y polifosfonatos. El polielectrolito preferido es un condensado de naftalenosulfonato-formaldehído (NSF). El polielectrolito aniónico tiene un peso molecular en el intervalo de aproximadamente 500 a aproximadamente 1.000.000. Más preferiblemente, el peso molecular del polielectrolito aniónico debe ser de aproximadamente 500 a aproximadamente 300.000, lo más preferiblemente de aproximadamente 500 a aproximadamente 120.000. También se prefiere que el polielectrolito tenga una densidad de carga en el intervalo de aproximadamente 1 a aproximadamente 13 miliequivalentes/gramo y más preferiblemente en el intervalo de aproximadamente 1 a aproximadamente 5 miliequivalentes/gramo. El polielectrolito aniónico se añade a la solución de silicato sódico en una cantidad de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 15% en peso, basado en la concentración total final de sílice.
La solución de silicato sódico que contiene el polielectrolito aniónico se combina después con ácido silícico. Esto se puede hacer bombeando el ácido silícico a la solución de silicato sódico/polielectrolito en un tiempo de aproximadamente 0,5 a 2,0 horas y manteniendo la temperatura de reacción en aproximadamente 30ºC. Preferiblemente, la relación de polielectrolito aniónico a sílice total es de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 15%. Preferiblemente el ácido silícico se prepara poniendo en contacto una solución diluida de silicato de un metal alcalino con una resina comercial de intercambio de cationes, preferiblemente con una denominada "resina ácida fuerte", en forma hidrogenada y recuperando una solución diluida de ácido silícico.
Para producir un nanocompuesto, en lugar de añadir ácido silícico a una solución de silicato sódico que contiene un polilelectrolito, también se puede usar un procedimiento alternativo. Este procedimiento alternativo implica añadir una solución de silicato sódico, que también contiene un polielectrolito aniónico (o se pueden añadir los dos por separado), a una resina ácida débil de intercambio iónico en forma hidrogenada (o neutralizada parcialmente con hidróxido sódico) para generar el nanocompuesto directamente sin necesidad de una etapa adicional de concentración por ultrafiltración o evaporación. En este caso, el ácido silícico se genera in situ en lugar preformarlo como en la síntesis anterior. El pH inicial, después de añadir la solución de silicato sódico/polielectrolito a la resina, está en el intervalo de aproximadamente 10,8 a 11,3 y disminuye con el tiempo. También se pueden recoger productos con 12% de sólidos y buenas características funcionales en un intervalo de pH de aproximadamente 9,5 a 10,0. En este caso, la relación de polielectrolito aniónico a sílice total es preferiblemente de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 10%.
Los nanocompuestos aniónicos resultantes pueden tener un tamaño de partículas dentro de un amplio intervalo, a saber, de aproximadamente 10^{-9} m (1 nanómetro) (1 nm) a aproximadamente 10^{-6} m (1 micrómetro) (1.000 nm) y preferiblemente de aproximadamente 1 nm a aproximadamente 500 nm. La superficie específica del nanocompuesto también puede variar dentro de un amplio intervalo. La superficie específica debe estar en el intervalo de aproximada-
mente 15 a aproximadamente 3.000 m^{2}/g y preferiblemente de aproximadamente 50 a aproximadamente 3.000 m^{2}/g.
La presente invención se refiere también a un método de incrementar la retención y drenaje en la fabricación de papel, método que comprende formar una suspensión acuosa de una composición celulósica de fabricación de papel, añadir un polímero y un nanocompuesto a la suspensión, drenar la suspensión para formar una hoja y secar después la hoja, como se define en la reivindicación 8.
Primero se forma la suspensión acuosa de la composición celulósica de fabricación de papel por cualquier medio convencional conocido generalmente por los expertos en la técnica. Después se añade el polímero a la suspensión.
Los polímeros que se pueden añadir a la suspensión incluyen floculantes catiónicos, aniónicos, no iónicos y anfóteros. Estos floculantes de peso molecular alto pueden ser totalmente solubles o fácilmente dispersables en la suspensión de la composición de fabricación de papel. Los floculantes pueden tener estructura ramificada o reticulada, siempre que no formen "ojos de pez" objetables, esto es, gotas de polímero no disuelto sobre el papel acabado. Los floculantes se pueden conseguir fácilmente de diversos suministradores en forma de sólidos, soluciones acuosas, emulsiones agua en aceite y dispersiones del polímero soluble o dispersable en agua en soluciones salinas acuosas. La forma del floculante de peso molecular alto usado en la presente invención no es crítica, siempre que el polímero sea soluble o dispersable en la suspensión. La dosis de floculante debe estar en el intervalo de aproximadamente 0,005 a aproximadamente 0,2 por ciento en peso, basado en el peso seco de fibras de la suspensión.
También se añade a la suspensión de la composición de fabricación de papel un nanocompuesto aniónico obtenido por el método de la invención. El nanocompuesto puede ser añadido antes, simultáneamente o después de la adición del floculante. El punto de adición depende del tipo de pasta papelera usada, por ejemplo, pasta kraft, mecánica, etc., así como de la cantidad de otros aditivos químicos presentes en el sistema, como almidón, alúmina, coagulantes, etc. El nanocompuesto aniónico se prepara de acuerdo con el procedimiento antes descrito. La cantidad de nanocompuesto aniónico añadido a la suspensión es preferiblemente de aproximadamente 0,0025 a aproximadamente 1% en peso, basado en el peso de fibras secas de la suspensión, y lo más preferiblemente de aproximadamente 0,0025 a aproximadamente 0,1%.
A continuación la suspensión de la composición celulósica de fabricación de papel se drena para formar una hoja y después se seca. Las etapas de drenaje y secado se pueden realizar de cualquier manera convencional conocida generalmente por los expertos en la técnica.
Se pueden añadir a la suspensión otros aditivos, como adyuvantes de los nanocompuestos aniónicos, aunque se debe recalcar que el nanocompuesto aniónico no requiere adyuvantes para conseguir su actividad eficaz de retención y drenaje. Dichos otros aditivos incluyen, por ejemplo, almidones catiónicos y anfóteros, coagulantes convencionales [como alúmina, poli(cloruro de aluminio) y polímeros orgánicos catiónicos de peso molecular bajo], agentes de encolado (como colofonia, dímero de alquilceteno y anhídrido alquenilsuccínico), agentes de control de resina y biocidas. La suspensión de la composición celulósica de fabricación de papel también puede contener pigmentos y/o cargas, como dióxido de titanio, carbonato cálcico precipitado y/o molido u otras cargas minerales u orgánicas.
La presente invención también es aplicable a todas las calidades y tipos de papel, incluidos papeles finos, cartón y papel prensa, así como a todos los tipos de pastas, incluidas pastas químicas, pastas termomecánicas, pastas mecánicas y pastas mecánicas de desfibrador.
Los presentes inventores han descubierto que los nanocompuestos aniónicos obtenidos por el método de esta invención tienen mejores características funcionales de retención y drenaje y pueden mejorar las características funcionales de floculantes poliméricos en sistemas de fabricación de papel.
Ejemplos
Los ejemplos siguientes son ilustrativos de la presente invención y enseñan a los expertos cómo hacer y usar la invención. Estos ejemplos no se deben considerar en modo alguno como limitativos de la invención ni de su alcance.
Los nanocompuestos aniónicos de los ejemplos 1-14 indicados en la tabla 1 se prepararon usando el siguiente procedimiento general y variando las cantidades relativas de los reactivos.
El ácido silícico se preparó siguiendo la descripción general de la patente US-A-2.574.902. Se diluyó con agua desionizada un silicato sódico disponible comercialmente de OxyChem, Dallas, Texas, que tenía un contenido de dióxido de silicio de aproximadamente 29% en peso y un contenido de óxido sódico de aproximadamente 9% en peso, hasta una concentración de dióxido de silicio de 8-9% en peso. Se regeneró a la forma hidrogenada una resina de intercambio catiónico, como Dowex HGR-W2H o Monosphere 650C, disponibles ambas de Dow Chemical Company, Midland, Michigan, mediante tratamiento con un ácido mineral siguiendo procedimientos ya establecidos. Después de la regeneración con agua desionizada, la resina se lavó para asegurar la eliminación completa del exceso de regenerante. La solución diluida de silicato se pasó después a través de una columna de la resina regenerada lavada. Se recogió el ácido silícico resultante.
Simultáneamente, se combinaron una cantidad apropiada de silicato sódico, agua desionizada y un polielectrolito aniónico, para formar una "composición primaria" para la reacción. Con fines comparativos, en algunos casos se omitió el polielectrolito aniónico en esta "composición primaria".
En la preparación de los nanocompuestos aniónicos se utilizaron los siguientes polielectrolitos:
1. Condensado de naftalenosulfonato sódico-formaldehído (NSF). Este polímero lo suministran comercialmente diversas compañías químicas, incluidas Rohn & Haas, Hampshire Chemical Corp. y Borden & Remington Corp. El polímero tiene una distribución del peso molecular muy ancha, que incluye dímero, trímero, tetrámero, etc. y oligómeros y tiene un peso molecular medio numérico, dependiendo del suministrador, de 8.000-35.000. Su viscosidad intrínseca varía de 0,036 a 0,057 dl/g y su carga aniónica es 4,1 meq/g.
2. Copolímero 8677 Plus (B5S189B). Copolímero de acrilamida/ácido acrílico (AcAm/AA; 1/99% en moles). Su viscosidad intrínseca es 1,2 dl/g, que corresponde a un peso molecular de 249.925 g/mol (250.000 Da). El polímero, cuando está neutralizado totalmente, tiene una carga de 13,74 meq/g.
3. Poli(ácido acrilamidometilpropanosulfónico) (poliAMPS), sal sódica. Este homopolímero tiene una viscosidad intrínseca de 0,51 dl/g y una carga aniónica de 4,35 meq/g.
4. Poli(acrilamida/AMPS) 50/50% en moles, sal sódica. Este copolímero tiene una viscosidad intrínseca de 0,80 dl/g y una carga aniónica de 3,33 meq/g.
Después se añadió ácido silícico recién preparado a la "composición primaria", agitando a 30ºC. Se continuó agitando durante 60 minutos después de haberse completado la adición del ácido silícico. El nanocompuesto aniónico resultante se puede usar inmediatamente o se puede almacenar hasta su uso posterior.
Después de la preparación del nanocompuesto aniónico, frecuentemente es ventajoso concentrar el producto hasta un nivel mayor de sílice. En la presente invención, esto se hizo usando una membrana semipermeable de ultrafiltración que permite el paso de agua y de electrolitos de peso molecular bajo a través de la membrana pero retiene la sílice coloidal y el polímero de peso molecular mayor. En consecuencia, compuestos con concentraciones de sílice de 5-7% en peso se pueden concentrar hasta un contenido de sílice de 10-14% en peso o más.
En los ejemplos 15 y 16, se empleó el procedimiento de síntesis alternativo y no se necesitó ninguna etapa adicional de concentración.
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TABLA 1 Nanocompuestos aniónicos
1
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Preparación de composiciones de fabricación estándar sintéticas Composición de fabricación alcalina
La composición de fabricación alcalina tenía un pH de 8,1 y estaba compuesta de 70 por ciento en peso de fibras celulósicas y 30 por ciento en peso de carga y se diluyó hasta una consistencia total de 0,5% en peso usando agua de formulación sintética. Las fibras celulósicas consistían en 60% en peso de pasta kraft blanqueada de frondosas y 40% en peso de pasta kraft blanqueada de coníferas. Esta composición de fibras celulósicas se preparó a partir de hojas secas de pasta, refinadas por separado a un grado de desgote estándar canadiense (CSF) de 340 a 380. La carga fue un carbonato cálcico molido comercial suministrado en forma seca. El agua de formulación contenía 200 ppm de dureza cálcica (añadida como CaCl_{2}), 152 ppm de dureza magnésica (añadida como MgSO_{4}) y 110 ppm de alcalinidad de bicarbonato (añadida como NaHCO_{3}).
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Composición de fabricación ácida
La composición de fabricación ácida consistía en pasta blanqueada de frondosas/coníferas con la misma relación en peso, esto es, 60/40. Los sólidos totales de la composición comprendían 92,5% en peso de fibras celulósicas y 7,5% en peso de carga. La carga fue una combinación de 2,5% en peso de dióxido de titanio y 5,0% en peso de caolín. Otros aditivos incluían alúmina, dosificada en una proporción de 44 kg (20 libras) de sustancia activa por tonelada de sólidos secos. El pH de la composición de fabricación se ajustó con ácido sulfúrico del 50% de modo que el pH de la composición de fabricación fue 4,8 después de la adición de alúmina.
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Ensayo de la jarra Britt
El ensayo de la jarra Britt usó una jarra de drenaje dinámico Britt CF desarrollada por K.W. Britt, de la Universidad de Nueva York, que consta generalmente de una cámara superior de aproximadamente 1 litro de capacidad y una cámara inferior de drenaje, estando separadas ambas cámaras por un tamiz de soporte y un tamiz de drenaje. Debajo de la cámara de drenaje hay un tubo flexible que se extiende hacia abajo, equipado con una abrazadera de cierre. La cámara inferior está provista de un agitador de 5 cm y 3 paletas para crear condiciones controladas de cizalladura en la cámara superior. El ensayo se realizó siguiendo la siguiente secuencia:
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TABLA 2 Composición de fabricación alcalina Protocolo de ensayo
2
TABLA 3 Composición de fabricación ácida Protocolo de ensayo
3
En todos los casos, el almidón usado fue Solvitose N, un almidón catiónico de patata, disponible comercialmente de Nalco Chemical Company. En el caso de la composición de fabricación alcalina, el almidón catiónico se introdujo en una proporción de 24,44 kg/tonelada métrica de sólidos secos de la composición de fabricación (10 libras/tonelada) o 0,50 partes en peso por cien partes de sólidos secos de la composición de fabricación, mientras que el floculante se añadió en una proporción de 14,66 kg de producto/tonelada métrica de sólidos secos de la composición de fabricación (6 libras/tonelada) o 0,30 partes por cien partes de sólidos secos de la composición de fabricación. En el caso de la composición de fabricación ácida, la dosificación de los aditivos fue: 48,88 kg de alúmina activa/tonelada métrica de sólidos secos de la composición de fabricación (20 libras/tonelada) (esto es, 1,00 parte en peso por cien partes de sólidos secos de la composición de fabricación), 24,44 kg de almidón catiónico/tonelada métrica de sólidos secos de la composición de fabricación (10 libras/tonelada) o 0,50 partes en peso por cien partes en peso de sólidos secos de la composición de fabricación, y 14,66 kg de floculante por tonelada métrica de sólidos secos de la composición de fabricación
(6 libras/tonelada) o 0,30 partes en peso por cien partes en peso de sólidos secos de la composición de fabricación.
El material drenado de la jarra Britt ("el filtrado") se recogió y diluyó con agua para proporcionar una turbiedad que pudiera ser medida convenientemente. Después se determinó la turbiedad de dicho filtrado diluido, medida en unidades nefelométricas de turbiedad (NTU). La turbiedad de dicho filtrado es inversamente proporcionar al comportamiento de retención en la fabricación de papel, esto es, cuanto menor sea la turbiedad, mayor será la retención de la carga y/o finos. La turbiedad se determinó usando un turbidímetro Hach. En algunos casos, en lugar de medir la turbiedad, se determinó la transmitancia (%) de la muestra usando un fotómetro DigiDisc. La transmitancia es directamente proporcional al comportamiento de retención en la fabricación de papel, esto es, cuanto mayor sea la transmitancia, mayor será la retención.
La retención de cenizas en la primera pasada (FPAR) es una medida del grado de incorporación de la carga en la hoja formada. Se calcula a partir de la concentración de la carga en la suspensión inicial de la composición de fabricación o en la suspensión de la jarra Britt (C_{1}) y de la concentración de la carga en las aguas blancas resultantes de la fabricación de la hoja o en el filtrado de la jarra Britt (C_{2}):
FPAR (%) = [(C_{1} - C_{2})/C_{1}] x 100
Microscopía láser de barrido
La microscopía láser de barrido (SLM) empleada en los siguientes ejemplos se detalla en la patente de los Estados Unidos número 4.871.251 y consiste generalmente en una fuente de rayos láser, sistemas ópticos para aportar la luz incidente y recoger la luz dispersada de la composición de fabricación, un fotodiodo y un programa de análisis de las señales. Hay disponibles instrumentos comerciales de Lasentec®, Redmond, Washington.
El experimento consiste en tomar 300 ml de la suspensión que contiene las fibras de celulosa y colocarlos en un vaso mezclador apropiado. Se proporciona cizalladura a la composición mediante un agitador y un motor de velocidad variable. El agitador se coloca a una distancia fija de la ventana de la sonda para asegurar movimiento de la suspensión a través de la ventana. A continuación se indica una secuencia típica de dosificación.
TABLA 4 Microscopía láser de barrido Protocolo de ensayo
4
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El cambio de la longitud media de los flóculos presentes en la composición de fabricación está relacionado con el comportamiento de retención en la fabricación de papel, esto es, cuanto mayor sea el cambio inducido por el tratamiento, mayor será la retención. La longitud media es proporcional al tamaño de los flóculos formados y su velocidad de disminución está relacionada con la resistencia del flóculo. En todos los casos discutidos en la presente memoria, el floculante fue una poliacrilamida catiónica del 10% en moles, dosificada a una concentración de 3,78 kg/tonelada métrica (1,56 libras/tonelada) (referido a composición de fabricación absolutamente seca).
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Medición de la superficie específica
La superficie específica mencionada en la presente memoria se obtiene midiendo la adsorción de una base sobre la superficie de partículas de un sol. El método se describe en Sears, Analytical Chemistry, 28 (12), 1.981-1.983 (1956). Como indica Iler ("The Chemistry of Silica", John Wiley & Sons, 353, 1979), es "el valor para comparar superficies específicas relativas de tamaños de partículas en un sistema dado que puede ser normalizado". Simplemente, el método implica la valoración de grupos silanol de la superficie con una solución estándar de hidróxido sódico, de una cantidad conocida (esto es, gramos) de sílice, en una solución saturada de cloruro sódico. El volumen resultante de la base de valoración se convierte a superficie específica.
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Determinación del índice "S"
Otra característica de coloides en general es la cantidad de espacio ocupado por la fase dispersa. Un método para su determinación fue desarrollado primero por R. Iler y R. Dalton y se detalla en J. Phys. Chem., 60 (1956), 955-957. En sistemas de sílices coloidales, se demostró que el índice S está relacionado con el grado de agregación formada en el producto. Un índice S bajo indica que un volumen mayor está ocupado por el mismo peso de sílice coloidal.
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Medición del tamaño de partículas por DLS
Desde 1984 se ha usado la difusión dinámica de la luz (DLS) o la espectroscopia de correlación de fotones (PCS) para medir tamaños de partículas submicrométricas. Un primer estudio de esta técnica se encuentra en "Modern Methods of Particle Size Analysis", Wiley, Nueva York (1984). El método consiste en filtrar un volumen pequeño de la muestra a través de un filtro de membrana de 0,45 micrómetros para eliminar contaminación dispersa, como suciedad o polvo. La muestra se coloca después en una cubeta que, a su vez, se coloca en el recorrido de un haz de rayos láser dirigido hacia un foco. La luz dispersada se recoge a 90º con respecto al haz incidente y se analiza para dar el tamaño medio de partículas. En el trabajo presente se usó una unidad Coulter® N4, disponible comercialmente de Coulter Corporation, Miami, Florida.
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Ejemplo 1
Se añadió ácido silícico (6,55% de sílice), cuya preparación se ha descrito anteriormente, en una cantidad de 130,1 gramos a 18,81 gramos de una "composición primaria" formada por una solución que contenía silicato sódico (10,90% en peso de SiO_{2}) y un polímero de condensado de naftalenosulfonato sódico-formaldehído (NSF) (4,35% en peso). Se realizó esta adición en un tiempo de media hora y a 30\pm0,5ºC, agitando constantemente la mezcla de reacción. La solución final contenía sílice coloidal (7,1% en peso de SiO_{2}) y polímero NSF (0,549% en peso). La relación SiO_{2}/Na_{2}O fue 17,2 y la relación NSF/SiO_{2} fue 0,077.
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Ejemplo 2
Se siguió el procedimiento del ejemplo 1 excepto que la "composición primaria" contenía 2,175% de polímero NSF. En este caso, la relación NSF/SiO_{2} fue 0,0385.
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Ejemplo 3
Se siguió el procedimiento del ejemplo 1 excepto que, en este caso, la "composición primaria" no contenía polímero NSF. Esta muestra se usó como reacción "en blanco" para comparar el efecto del polímero NSF.
Los nanocompuestos aniónicos de los ejemplos 1-3 se compararon con una sílice coloidal estándar comercial, Nalco® 8671, comercializada por Nalco Chemical Company, midiendo retenciones con el ensayo de la jarra de drenaje dinámico Britt (ensayo DDJ). La actividad se determinó por el nivel de turbiedad del filtrado del ensayo DDJ y los resultados se indican en la tabla 5. Como se ilustra en la tabla 5, a una dosis de 1,1 kg de sílice/tonelada métrica, los nanocompuestos fueron más eficaces que la sílice comercial un 130, 68 y 0 por ciento en los ejemplos 1, 2 y 3, respectivamente. Igualmente, a una dosis de 2,2 kg de sílice/tonelada métrica, las mejoras respectivas fueron 69, 54 y 22 por ciento. También, los ejemplos 1 y 2 fueron más eficaces a una dosis de 2,2 kg/tonelada métrica que el producto comercial a una dosis de 4,4 kg/tonelada métrica. Así, los productos preparados que contenían un polielectrolito (ejemplos 1 y 2) demostraron mejoras mayores con respecto al producto que no contenía polielectrolito (ejemplo 3). Además, se puede ver que el nanocompuesto del ejemplo 1, que contenía una cantidad mayor de polielectrolito, fue más eficaz que el nanocompuesto del ejemplo 2.
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(Tabla pasa a página siguiente)
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Ejemplo 4
Se siguió el procedimiento del ejemplo 1 excepto que, en este caso, el producto de la reacción se concentró a 10 y 12,0% en peso de SiO_{2} usando una membrana de ultrafiltración en un dispositivo de celda agitada. La membrana empleada tenía un corte del peso molecular de 100.000 (Amicon Y-100). Como resultado de este intervalo de corte, hubo una pérdida de 23,1% en peso de polímero NSF a través de la membrana y la relación final NSF/SiO_{2} fue 0,065 para 10% en peso de sílice y 0,060 para 12% en peso de sílice.
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Ejemplo 5
Se siguió el procedimiento del ejemplo 3 excepto que, en este caso, el producto de la reacción se concentró a 14,1% en peso de SiO_{2} usando una membrana de ultrafiltración en un dispositivo de celda agitada. La membrana empleada tenía un corte del peso molecular de 100.000 (Amicon Y-100).
Se compararon los productos de los ejemplos 4 y 5 con una sílice coloidal estándar comercial, Nalco® 8671, midiendo retenciones con el ensayo DDJ. La actividad se determinó por el nivel de turbiedad del filtrado del ensayo DDJ y los resultados se indican en la tabla 6. La determinación del contenido de cenizas de carbonato cálcico en la composición del ensayo DDJ y en el filtrado permitió también calcular el valor de la retención de cenizas en la primera pasada (FPAR). Estos datos son proporcionales a los valores de la turbiedad y se muestran en la tabla 7.
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(Tabla pasa a página siguiente)
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TABLA 7
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Ejemplo 6
Se siguió el procedimiento del ejemplo 1 añadiendo 1.621 gramos de ácido silícico a 229 gramos de una solución acuosa que contenía silicato sódico (10,89% en peso de SiO_{2}) y un polímero de condensado de naftalenosulfonato sódico-formaldehído (NSF) (4,46% en peso). Se realizó esta adición en un tiempo de una hora y a una temperatura de 30\pm0,5ºC, agitando constantemente la mezcla de reacción. La solución del producto final contenía 7,1% en peso de sílice coloidal y 0,557% en peso de polímero NSF. La relación SiO_{2}/Na_{2}O fue 17,6 y la relación NSF/SiO_{2} fue 0,0785.
El producto de la reacción anterior se concentró después a 12,0% en peso de SiO_{2} usando una membrana de ultrafiltración en un dispositivo de celda agitada. La membrana empleada tenía un corte del peso molecular de 100.000 (Amicon Y-100). Como resultado de este intervalo de corte, hubo una pérdida de 23,1% en peso de polímero NSF a través de la membrana y la relación final NSF/SiO_{2} fue 0,06.
Se determinó la superficie específica del producto, antes y después de la ultrafiltración, empleando el procedimiento de valoración de G.W. Sears, Analytical Chemistry, 28 (1956), pág. 1.981. Las superficies específicas obtenidas fueron 822 y 776 m^{2}/g, respectivamente.
Se comparó el producto del ejemplo 6 con una sílice coloidal estándar comercial, Nalco® 8671, midiendo retenciones con el ensayo DDJ. La actividad se determinó por el nivel de turbiedad del filtrado del ensayo DDJ y los resultados se indican en la tabla 8.
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(Tabla pasa a página siguiente)
8
Ejemplo 7
En una preparación a más escala, similar a la del ejemplo 6, se añadieron 1.490 kg de ácido silícico (5,91% de SiO_{2}) a 190 kg de una solución acuosa que contenía silicato sódico (10,89% como SiO_{2}) y polímero NSF (4,49% en peso). La solución del producto final contenía 6,47% en peso de sílice coloidal (como SiO_{2}) y 0,508% en peso de polímero NSF. La relación SiO_{2}/Na_{2}O fue 17,6 y la relación NSF/SiO_{2} fue 0,0785.
El producto de la reacción anterior se concentró después a 11,0% en peso de SiO_{2} usando una membrana de ultrafiltración en un dispositivo de circulación tubular. La membrana empleada tenía un corte del peso molecular de 10.000. Como resultado de este intervalo de corte, hubo una pérdida de 6,5% en peso de polímero NSF a través de la membrana y la relación final NSF/SiO_{2} fue 0,072.
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Ejemplo 8
En este caso, se incrementó la relación de ácido silícico a silicato sódico para dar una relación SiO_{2}/Na_{2}O de 19,7. Se añadieron 1.509 gramos de ácido silícico (6,59% en peso como SiO_{2}) a 169,4 gramos de una solución acuosa que contenía silicato sódico (12,04% en peso como SiO_{2}) y polímero NSF (4,60% en peso). Se realizó esta adición en un período de una hora y a 30\pm0,5ºC, agitando constantemente la mezcla de reacción. La solución del producto final contenía 7,14% en peso de sílice coloidal (como SiO_{2}) y 0,465% en peso de polímero NSF. La relación SiO_{2}/Na_{2}O fue 19,7 y la relación NSF/SiO_{2} fue 0,065.
El producto de la reacción anterior se concentró después a 12,0% en peso de SiO_{2} usando una membrana de ultrafiltración en un dispositivo de celda agitada. La membrana empleada tenía un corte del peso molecular de 10.000. Como resultado de este intervalo de corte, hubo una pérdida de 7,2% en peso de polímero NSF a través de la membrana y la relación final NSF/SiO_{2} fue 0,061.
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Ejemplo 9
En este caso, se hizo un incremento adicional de la relación SiO_{2}/Na_{2}O a 22,0. Se añadieron 1.546 gramos de ácido silícico (6,55% en peso como SiO_{2}) a 135,7 gramos de una solución acuosa que contenía silicato sódico (13,4% en peso como SiO_{2}) y polímero NSF (5,77% en peso). Se realizó esta adición en un tiempo de una hora y a 30\pm0,5ºC, agitando constantemente la mezcla de reacción. La solución del producto final contenía 7,10% en peso de sílice coloidal (como SiO_{2}) y 0,465% en peso de polímero NSF. La relación SiO_{2}/Na_{2}O fue 22,0 y la relación NSF/SiO_{2} fue 0,0655.
El producto de la reacción anterior se concentró después a 11,0 y 12,0% en peso de SiO_{2} usando una membrana de ultrafiltración en un dispositivo de celda agitada. La membrana empleada tenía un corte del peso molecular de 10.000. Como resultado de este intervalo de corte, hubo una pérdida de 7,2% en peso de polímero NSF a través de la membrana y la relación final NSF/SiO_{2} fue 0,066 en los dos casos.
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TABLA 9 Resultados de la microscopía láser de barrido Composición de fabricación ácida
9
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Los datos de la tabla 9 se obtuvieron midiendo el incremento del tamaño relativo (longitud media) de los flóculos tras la adición de los nanocompuestos de cada uno de los ejemplos después de la adición de un floculante catiónico. En el experimento, se dejó un tiempo suficiente (45 segundos a dos minutos) para que el flóculo formado por el polímero catiónico se degradara por la acción de cizalladura del agitador de mezclado. En ese tiempo, se añadió el nanocompuesto del ejemplo a la composición de fabricación y se observó un incremento adicional del tamaño de los flóculos. El cambio máximo del tamaño de los flóculos, antes de que ocurriera la degradación de la estructura de los flóculos inducida por el material en micropartículas debido a la agitación (indicado como "Delta máxima"), se midió en función de la concentración de la sílice comercial y de la bentonita así como de los nanocompuestos de los ejemplos. Cuanto mayor sea este incremento de la longitud media, más eficiente será el material en micropartículas de retener los componentes de la composición de fabricación en un proceso de fabricación de papel.
La mejora en porcentaje con respecto a la sílice Nalco® 8671 se calculó con la fórmula siguiente:
(A - B)/B
A = cambio de la longitud media de los flóculos (producto)
B = cambio de la longitud media de los flóculos (Nalco® 8671)
Como se indica en la tabla 9, las muestras de nanocompuestos fueron 136 a 272% más eficaces que la sílice comercial bajo estas condiciones de composición de fabricación ácida. También fueron más activas que la muestra de bentonita, que también se usó como material en micropartículas.
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Ejemplo 10
En este ejemplo, se usó la sal sódica de un homopolímero de ácido acrilamidometilpropanosulfónico (AMPS; polielectrolito 3) para formar un nanocompuesto con sílice coloidal.
Se preparó una solución de 6,55% en peso de ácido silícico como se ha descrito anteriormente. Se añadieron 130 gramos de esta solución a 16,56 gramos de una solución acuosa que contenía silicato sódico (12,41% en peso como SiO_{2}) y polímero AMPS (4,98% en peso). Se realizó la adición en un tiempo de media hora y a 30\pm0,5ºC, agitando constantemente la mezcla de reacción. La solución del producto final contenía 7,2% en peso de sílice coloidal (como SiO_{2}) y 0,563% en peso de polímero AMPS. La relación (poliAMPS)/SiO_{2} fue 0,0780.
El producto de la reacción anterior se concentró después a 12,09% en peso de SiO_{2} usando una membrana de ultrafiltración en un dispositivo de celda agitada.
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Ejemplo 11
Se empleó un copolímero de AMPS sódico y acrilamida (50/50% en moles) (polielectrolito 4) para formar un nanocompuesto con sílice coloidal siguiendo el mismo procedimiento descrito en el ejemplo 10.
Se ensayaron los productos de los ejemplos 10 y 11 en una composición de fabricación estándar alcalina midiendo retenciones con el ensayo DDJ. La actividad se determinó por el nivel de turbiedad del filtrado del ensayo DDJ y los resultados se indican en la tabla 10.
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(Tabla pasa a página siguiente)
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Ejemplo 12
Se añadieron 122,4 de ácido silícico (4,90% como sílice), cuya preparación se ha descrito anteriormente, a 7,25 gramos de una "composición primaria" formada por una solución acuosa que contenía silicato sódico (19,25% en peso como SiO_{2}) y 2,7% en peso de un copolímero de acrilamida/ácido acrílico (1/99% en moles) (sal sódica) (polielectrolito 2). Se realizó esta adición en un tiempo de media hora y a 30\pm0,5ºC, agitando constantemente la mezcla de reacción. La solución del producto final contenía 5,7% en peso de sílice coloidal (como SiO_{2}) y 0,151% en peso del polielectrolito 2. La relación SiO_{2}/Na_{2}O fue 17,6 y la relación (polielectrolito 2)/SiO_{2} fue 0,0264.
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Ejemplo 13
Se siguió el procedimiento del ejemplo 12 excepto que, en este caso, la "composición primaria" contenía 3,67% en peso de polielectrolito 2. La relación (polielectrolito 2)/SiO_{2} fue 0,0519.
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Ejemplo 14
Se siguió el procedimiento del ejemplo 12 excepto que, en este caso, la "composición primaria" no contenía polielectrolito 2. Se usó esta muestra como reacción "en blanco" para comparar el efecto del polielectrolito 2.
Se compararon los productos de los ejemplos 12-14 con una sílice coloidal estándar comercial, Nalco® 8671, midiendo retenciones con el ensayo DDJ. La actividad se determinó por el nivel de turbiedad del filtrado del ensayo DDJ y estos resultados se indican en la tabla 11.
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(Tabla pasa a página siguiente)
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A continuación se describen ejemplos de un procedimiento alternativo de síntesis que emplea una resina ácida débil de intercambio iónico, junto con datos de comportamiento de los productos finales.
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Ejemplo 15
Primero se convirtió una resina ácida débil de intercambio iónico (IRC 84, de Rohm & Haas) en forma hidrogenada a su forma sódica y después se añadió una solución de ácido clorhídrico del 5% para convertir un 75% de la resina a su forma hidrogenada (quedando el 25% restante en forma sódica). Después se añadió un volumen dado (470 ml) de la resina húmeda, que contenía 1.137 miliequivalentes en forma hidrogenada, a un matraz de resina de 2 litros. El matraz estaba equipado con agitador, pantallas deflectoras y un electrodo de pH para seguir el cambio de la concentración de ion sodio. Se añadieron después al matraz la resina IRC 84 y 447 gramos de agua desionizada. Se añadieron al matraz de resina, en un tiempo de 13 minutos, una mezcla de silicato sódico (1.197 meq; 120,9 gramos como SiO_{2}) y un polianión (polielectrolito 1) (4,23 gramos) en forma de solución de silicato del 20% (604,4 gramos en total). La concentración total de SiO_{2} fue aproximadamente 11,5% en el matraz y el pH de la solución que contenía la resina se incrementó de 7,5 a 11,1 después de la adición de la solución de silicato/NSF. Se siguió después el cambio del pH con el tiempo. Después de dos horas, el pH disminuyó de 11,1 a 9,8 y la solución se separó de la resina por filtración.
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Ejemplo 16
Se siguió el mismo procedimiento usado en el ejemplo 16 excepto que se terminó la reacción a un pH de 10,0 después de 80 minutos de reacción.
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TABLA 12 Resultados de la microscopía láser de barrido Composición de fabricación alcalina
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Los resultados de la tabla 12 se obtuvieron usando microscopía láser de barrido (SLM) y se analizaron de la misma manera descrita anteriormente en el ejemplo 9. Los nanocompuestos producidos por el proceso alternativo de sílice mostraron mejor comportamiento que los nanocompuestos del ejemplo 9.
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Ejemplo comparativo
Además de los resultados indicados anteriormente para la preparación de sílice coloidal en presencia de polielectrolitos, el comportamiento de una sílice coloidal preformada también puede ser mejorado por adición de un polielectrolito a la sílice después de su síntesis.
A 87,47 gramos de una sílice coloidal comercial (Nalco® 8671) se añadieron 9,72 gramos de agua desionizada y 2,82 gramos de una solución del polielectrolito 1 que contenía 1,01 gramos del polímero NSF. La mezcla resultante contenía 13,0% en peso de sílice y tenía una relación polielectrolito/sílice de 0,077.
Se realizó después el ensayo DDJ con una composición de fabricación alcalina comparando el producto mezclado, la sílice no mezclada, y un experimento en el que la sílice y el polielectrolito NSF se añadieron por separado pero simultáneamente a la DDJ. El producto mezclado fue más eficiente en su comportamiento de retención que la sílice comercial y que los componentes añadidos por separado.
13
Los datos de la tabla 13 ilustran la mejora observada cuando se usa una mezcla preformada de sílice coloidal y polielectrolito 1 frente a sílice sola o frente la adición por separado de sílice y polielectrolito. Esta es una evidencia adicional de que se forma un complejo o compuesto entre el polielectrolito y la sílice y de que el efecto observado no es simplemente un efecto aditivo entre los dos componentes.

Claims (11)

1. Un método de producir un nanocompuesto aniónico para su uso como adyuvante de retención y drenaje en la fabricación de papel, método que comprende las etapas de:
(a)
proporcionar una solución de silicato sódico,
(b)
añadir un polielectrolito aniónico a la solución de silicato sódico, en el que el polielectrolito aniónico tiene un peso molecular de 500 a 1.000.000, y
(c)
combinar con ácido silícico la solución de silicato sódico que contiene el polielectrolito aniónico, en el que el ácido silícico se combina con la solución de silicato sódico que contiene el polielectrolito aniónico añadiendo el ácido silícico a la solución o en el que el ácido silícico se combina con la solución que contiene el polielectrolito aniónico generando in situ el ácido silícico añadiendo una solución de silicato sódico, que también contiene un polielectrolito aniónico, o los dos se pueden añadir por separado, a una resina ácida débil de intercambio iónico en forma hidrogenada.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el polielectrolito aniónico se selecciona del grupo que consiste en polisulfonatos, poliacrilatos y polifosfonatos.
3. El método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el polielectrolito aniónico es un condensado de naftalenosulfonato-formaldehído.
4. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el polielectrolito aniónico tiene una densidad de carga de 1 a 13 miliequivalentes/gramo.
5. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el polielectrolito aniónico se añade a la solución de silicato sódico en una cantidad de 0,5 a 15% en peso, basado en la concentración total final de sílice.
6. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la relación de polielectrolito a sílice total es 0,5 a 15%.
7. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la relación de polielectrolito aniónico a sílice total es 0,5 a 10%.
8. Un método de incrementar la retención y drenaje en la fabricación de papel, método que comprende las etapas de:
(a)
formar una suspensión acuosa de una composición celulósica de fabricación de papel,
(b)
añadir a la suspensión un polímero seleccionado del grupo que consiste en floculantes catiónicos, aniónicos, no iónicos y anfóteros,
(c)
añadir a la suspensión un nanocompuesto aniónico obtenido por el método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7,
(d)
drenar la suspensión para formar una hoja y
(e)
secar la hoja.
9. El método de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el nanocompuesto aniónico se añade a la suspensión en una cantidad de 0,0025 a 1%.
10. El método de acuerdo con la reivindicación 9, en el que se añade a la suspensión por lo menos un coagulante.
11. El método de acuerdo con la reivindicación 9, en el que se añade a la suspensión por lo menos un almidón.
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Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DK1621518T3 (da) 1997-06-09 2010-11-22 Akzo Nobel Nv Polysilicatmikrogeler
ATE366844T1 (de) * 1997-09-30 2007-08-15 Nalco Chemical Co Herstellung von papier mit kolloidalen borosilikaten
BR0016539B1 (pt) * 1999-12-20 2013-06-04 sols baseados em sÍlica.
US6846384B2 (en) 2000-08-07 2005-01-25 Akzo Nobel N.V. Process for sizing paper
FR2819245B1 (fr) * 2001-01-09 2004-11-26 Clariant Nouvelles suspensions aqueuses de silice colloidale anionique de ph neutre et leur procede de preparation, et leurs applications
US7189776B2 (en) * 2001-06-12 2007-03-13 Akzo Nobel N.V. Aqueous composition
US7156955B2 (en) * 2001-12-21 2007-01-02 Akzo Nobel N.V. Papermaking process using a specified NSF to silica-based particle ratio
US20040053037A1 (en) * 2002-09-16 2004-03-18 Koch Carol A. Layer by layer assembled nanocomposite barrier coatings
US20040157047A1 (en) * 2003-02-06 2004-08-12 Ali Mehrabi Continuous process for manufacturing electrostatically self-assembled coatings
DE102004020112A1 (de) * 2003-07-04 2005-01-20 Bayer Chemicals Ag Papierherstellung mit modifizierten Kieselsolen als Mikropartikel
DE10346750A1 (de) * 2003-10-06 2005-04-21 Basf Ag Verfahren zur Herstellung von Papier, Pappe und Karton
US7482310B1 (en) 2003-11-12 2009-01-27 Kroff Chemical Company, Inc. Method of fracturing subterranean formations utilizing emulsions comprising acrylamide copolymers
US7531600B1 (en) 2003-11-12 2009-05-12 Kroff Chemical Company Water-in-oil polymer emulsion containing microparticles
US7629392B2 (en) * 2004-04-07 2009-12-08 Akzo Nobel N.V. Silica-based sols and their production and use
US7732495B2 (en) * 2004-04-07 2010-06-08 Akzo Nobel N.V. Silica-based sols and their production and use
US7955473B2 (en) 2004-12-22 2011-06-07 Akzo Nobel N.V. Process for the production of paper
CN101163837A (zh) * 2005-05-16 2008-04-16 阿克佐诺贝尔公司 生产纸张的方法
US20060254464A1 (en) 2005-05-16 2006-11-16 Akzo Nobel N.V. Process for the production of paper
PT1969183E (pt) 2005-12-30 2015-03-06 Akzo Nobel Nv Processo para a produção de papel
US9017649B2 (en) * 2006-03-27 2015-04-28 Nalco Company Method of stabilizing silica-containing anionic microparticles in hard water
US20100330366A1 (en) * 2009-06-30 2010-12-30 Keiser Bruce A Silica-based particle composition
US20110046240A1 (en) * 2009-08-24 2011-02-24 Keizer Timothy S Calcium-based carrier particles
US20110046238A1 (en) * 2009-08-24 2011-02-24 Keiser Bruce A Calcium based carrier particles
US20110046239A1 (en) * 2009-08-24 2011-02-24 Keiser Bruce A Calcium based carrier particles
US20110046241A1 (en) * 2009-08-24 2011-02-24 Keizer Timothy S Calcium based carrier particles
US9481797B2 (en) 2011-08-09 2016-11-01 Cristal Usa Inc. Pigment for paper and paper laminate
CN103145133B (zh) * 2013-03-17 2015-12-02 上虞市佳和化工有限公司 一种硅溶胶的制备方法

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2574902A (en) * 1948-12-15 1951-11-13 Du Pont Chemical processes and composition
US3374180A (en) * 1964-12-28 1968-03-19 Monsanto Co Process for preparing silica aquasols
DE1667443C2 (de) * 1966-06-18 1982-10-21 Degussa Ag, 6000 Frankfurt Verfahren zur Herstellung feinteiliger Papierfüllstoffe auf Basis von organisch modifizierten Silikaten
DE1567459B1 (de) * 1966-06-18 1970-10-29 Degussa Verfahren zur Herstellung feinteiliger,organisch modifizierter Kieselsaeuren
US3920578A (en) * 1968-06-12 1975-11-18 Du Pont Colloidal silica-based binder vehicles and gels
US4385961A (en) * 1981-02-26 1983-05-31 Eka Aktiebolag Papermaking
SE432951B (sv) * 1980-05-28 1984-04-30 Eka Ab Pappersprodukt innehallande cellulosafibrer och ett bindemedelssystem som omfattar kolloidal kiselsyra och katjonisk sterkelse samt forfarande for framstellning av pappersprodukten
SE8403062L (sv) * 1984-06-07 1985-12-08 Eka Ab Forfarande vid papperstillverkning
JPH0663197B2 (ja) * 1985-11-07 1994-08-17 三菱製紙株式会社 中性紙の製紙方法
GB8529970D0 (en) * 1985-12-05 1986-01-15 Unilever Plc Spheroidal silica
US4913775A (en) * 1986-01-29 1990-04-03 Allied Colloids Ltd. Production of paper and paper board
GB8602121D0 (en) * 1986-01-29 1986-03-05 Allied Colloids Ltd Paper & paper board
US4643801A (en) * 1986-02-24 1987-02-17 Nalco Chemical Company Papermaking aid
US4871251A (en) * 1987-04-27 1989-10-03 Preikschat F K Apparatus and method for particle analysis
US4795531A (en) * 1987-09-22 1989-01-03 Nalco Chemical Company Method for dewatering paper
FR2627176B1 (fr) * 1988-02-11 1990-06-15 Rhone Poulenc Chimie Suspension aqueuse stable de silice de precipitation
DE68905208T3 (de) * 1988-03-28 2001-02-15 Allied Colloids Ltd., Bradford Herstellung von Papier und Pappe.
US5185206A (en) * 1988-09-16 1993-02-09 E. I. Du Pont De Nemours And Company Polysilicate microgels as retention/drainage aids in papermaking
SE500367C2 (sv) * 1989-11-09 1994-06-13 Eka Nobel Ab Silikasoler och förfarande för framställning av papper
SE500387C2 (sv) * 1989-11-09 1994-06-13 Eka Nobel Ab Silikasoler, förfarande för framställning av silikasoler samt användning av solerna i pappersframställning
SE8903752D0 (sv) * 1989-11-09 1989-11-09 Eka Nobel Ab Foerfarande foer framstaellning av papper
US5185062A (en) * 1991-01-25 1993-02-09 Nalco Chemical Company Papermaking process with improved retention and drainage
US5098520A (en) * 1991-01-25 1992-03-24 Nalco Chemcial Company Papermaking process with improved retention and drainage
US5503820A (en) * 1992-05-26 1996-04-02 E. I. Du Pont De Nemours And Company Method for preparing low-concentration polysilicate microgels
SE501216C2 (sv) * 1992-08-31 1994-12-12 Eka Nobel Ab Vattenhaltig, stabil suspension av kolloidala partiklar samt framställning och användning av densamma
US5477604A (en) * 1993-11-01 1995-12-26 Smith; Daniel Process for manufacturing taper point surgical needles
US5482693A (en) * 1994-03-14 1996-01-09 E. I. Du Pont De Nemours And Company Process for preparing water soluble polyaluminosilicates
US5595629A (en) * 1995-09-22 1997-01-21 Nalco Chemical Company Papermaking process
DK1621518T3 (da) * 1997-06-09 2010-11-22 Akzo Nobel Nv Polysilicatmikrogeler

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