ES2200298T3

ES2200298T3 - Uso de vidrio en un revestimiento de papel.

Info

Publication number: ES2200298T3
Application number: ES98660034T
Authority: ES
Inventors: Janne Lehtimaki
Original assignee: M Real Oyj
Current assignee: Metsa Board Oyj
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1998-04-20
Publication date: 2004-03-01
Anticipated expiration: 2018-04-20
Also published as: EP0875537A1; DE69814733D1; EP0875537B1; FI971841A0; FI102199B1; FI102199B; DE69814733T2

Abstract

LA INVENCION TRATA DE UN PROCEDIMIENTO PARA PRODUCIR UN RECUBRIMIENTO DE PAPEL AÑADIENDOLE UN PIGMENTO QUE CONTIENE CALCIO. SEGUN LA INVENCION, SE AÑADE VIDRIO SOLUBLE A LA MEZCLA DE RECUBRIMIENTO DE PAPEL, EVITANDO ASI LA SOLIDIFICACION DEL RECUBRIMIENTO INDUCIDO POR EL CALCIO, Y CONSERVANDO LA VISCOSIDAD DE LA MEZCLA EN UN VALOR BAJO. ADEMAS, LA INVENCION TRATA DE UN RECUBRIMIENTO RELEVANTE.

Description

Uso de vidrio en un revestimiento de papel.

La presente invención se refiere al uso de vidrio soluble en una mezcla de revestimiento de papel.

El revestimiento, normalmente una pasta de revestimiento, consiste en una dispersión que contiene material sólido finamente en polvo, tal como caolín, carbonato de calcio o un pigmento similar, tal como se conoce generalmente en la técnica; un agente de blanqueado, es decir un blanqueante óptico, un agente dispersante, por ejemplo, NaPAA (poliacrilato sódico) y otros aditivos. La viscosidad de la dispersión se ajusta expresamente utilizando agentes dispersantes y ajustando la cantidad de sólidos.

En la fabricación de un revestimiento de papel, especialmente cuando se añade un pigmento que contiene calcio al revestimiento, el calcio produce solidificación del revestimiento, es decir, se produce el denominado impacto de calcio. El revestimiento se solidifica cuando la concentración de iones calcio disueltos alcanza un nivel de concentración denominado de coagulación crítica. Como consecuencia de la precipitación, coagulación, se inhibe la actividad del agente dispersante en la mezcla de revestimiento y la mezcla se vuelve sumamente viscosa, casi una mezcla sólida en lugar de una dispersión.

Se han llevado a cabo investigaciones para dilucidar el efecto de distintos productos químicos sobre el impacto de calcio que se produce en los revestimientos de papel. Se conoce que ciertos blanqueantes ópticos, tales como los derivados del distilbeno (dietilestilbestrol), reducen la viscosidad de los revestimientos a base de calcio, formando enlaces con los iones calcio y evitando o paliando el impacto de calcio.

Además, se conoce que un polímero hidrófilo, por ejemplo, almidón, un derivado de almidón o un derivado de celulosa, por ejemplo carboxietilcelulosa, puede retrasar la disolución del yeso. Cuando se retrasa la disolución del yeso, se reduce la cantidad de iones calcio libres en la solución y se evita parcial o completamente el impacto de calcio. En este caso, sin embargo, además de un polímero hidrófilo, se debe añadir una zeolita a la solución. La función de la zeolita es, por ejemplo, cambiar los restantes iones de calcio libres por medio de una reacción de intercambio de iones por iones amonio o iones de metal alcalino, que son inofensivos para el agente dispersante. De esta manera, se obtiene una suspensión de yeso que tiene una viscosidad hasta el 50% inferior que en una suspensión de yeso normal. Si no se añade polímero hidrófilo, la cantidad de zeolita necesaria es tan grande que tiene un efecto sobre el empaquetamiento de las partículas de yeso y aumenta así la viscosidad de la solución.

El documento EP 356406 describe un procedimiento para la preparación de un revestimiento resistente al ácido sobre partículas de carga mezclando partículas de carbonato de calcio en suspensión simultáneamente con una solución de un compuesto de zinc y una solución de una sustancia que contiene sílice.

El documento DE 2344082 describe decoraciones de techo y paredes a base de asbestos incombustibles, tales como por ejemplo, papel pintado.

El documento JP 55146736 describe la producción de materiales laminados que tienen un diseño superficial en relieve mediante el revestimiento de un sustrato, por ejemplo papel, con un material que forma un diseño en relieve.

El documento JP 4327297 describe una composición de agente antideslizante para cajas de cartón que contiene monocristales de sulfato de calcio y opcionalmente sílice coloidal, vidrio soluble y emulsión de resina.

El documento SU 2055821 describe una composición de revestimiento protector y decorativo que tiene una resistencia química y una biorresistencia mejoradas para las superficies internas y externas de edificios.

El documento EP 282151 describe una solución acuosa que comprende un material inorgánico ligeramente soluble en agua, material polimérico hidrófilo, zeolita natural o sintética y agente dispersante. La solución se puede utilizar en una composición de revestimiento de papel.

El documento GB 1513047 describe un procedimiento para la producción de papeles revestidos donde la composición de revestimiento contiene pigmento (por ejemplo, caolín), aglutinante (por ejemplo, almidón y látex) y aditivos químicos tales como agentes dispersantes y estearato de calcio y un producto amorfo sintético que consiste en sílice y/o un vidrio soluble y aluminio y/o calcio.

Un problema de los métodos de la técnica anterior es que no tienen efectos lo suficientemente fuertes sobre el impacto de calcio o que necesitan el uso de varios productos químicos para ser eficaces.

El objeto de la presente invención es eliminar los inconvenientes mencionados anteriormente.

Un objeto específico de la presente invención es describir un método por el cual se pueda evitar la solidificación perjudicial de una carga, es decir, el impacto de calcio.

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Un objeto adicional de la presente invención es describir un método por el cual se pueda evitar el impacto de calcio en una mezcla de revestimiento sin producir efectos perjudiciales sobre el revestimiento y sobre las cualidades que le da al papel.

El uso de la invención se caracteriza por lo que se presenta en las reivindicaciones.

En investigaciones anteriores a la invención, se estableció que el impacto de calcio es el resultado de dos fenómenos. Generalmente, la función del agentes dispersante es expresamente ser absorbido por las superficies de borde de la carga, normalmente caolín. Sin embargo, una elevada concentración de ión calcio tiene el efecto de que el agente dispersante, por ejemplo NaPAA (ácido poliacrílico sódico), es absorbido también por las superficies de la base del caolín, cuya proporción es mucho mayor que la proporción de superficies de borde. Por consiguiente, se necesitaría una cantidad desproporcionadamente grande de agente dispersante. Además, los iones calcio forman complejos de baja solubilidad o insolubles con el agente dispersante (NaPAA), y estos complejos precipitan de la solución. En consecuencia, disminuye la concentración de agente dispersante activo y aumenta bruscamente la viscosidad del revestimiento, es decir, se solidifican el calcio y el revestimiento; se produce un impacto de calcio.

En investigaciones relativas al mecanismo del impacto de calcio, se solidificó una parte de la dispersión de caolín utilizando una pequeña cantidad de calcio, mientras que la viscosidad de la parte restante permaneció prácticamente sin cambios. Para estas dos partes, se obtuvieron los mismos valores de contenido en sólidos y porcentaje de cenizas en las medidas. Cuando se añadió calcio a la parte no solidificada de la dispersión de caolín, también se solidificó esta parte. En otro experimento, se prepararon dos suspensiones de caolín con un contenido en sólidos del 45%. La primera suspensión se preparó añadiendo algo de agua a una suspensión comercial que contenía un agente dispersante, es decir, la suspensión contenía 0,27 pph de NaPPA. La segunda suspensión se preparó a partir de los mismos componentes que la primera suspensión pero sin un agente dispersante. La primera suspensión tenía una viscosidad muy baja, mientras que la segunda suspensión tenía una viscosidad muy elevada. Cuando se añadió calcio en forma de cloruro de calcio a ambas suspensiones, la viscosidad de la primera suspensión aumentó hasta el mismo nivel que la viscosidad de la segunda suspensión, mientras que no pasó nada en la segunda suspensión.

A partir de estos experimentos se puede sacar la conclusión de que el agente dispersante se inactiva en un impacto de calcio.

En el uso de la presente invención, se añade vidrio soluble a la mezcla de revestimiento que contiene calcio, especialmente yeso, para evitar o paliar el impacto de calcio.

Se estableció que el efecto de reducción de la viscosidad del vidrio soluble se basaba en el hecho de que cuando se añade vidrio soluble a la mezcla de revestimiento que contiene iones calcio, los iones Ca^{2+} disueltos se cambian por iones Na^{+}, de modo que parte de los iones calcio en la solución se intercambian y disminuye la concentración del ión calcio por debajo del nivel de concentración de coagulación crítica. Por tanto, se inhibió la formación de complejos de calcio y el agente dispersante pudo ser activo.

La cantidad de vidrio soluble añadido a la mezcla de revestimiento es adecuadamente de 0,01 - 2 pph, preferiblemente de 0,02 - 1 pph, más preferiblemente de 0,05 - 0,9 pph (partes por cien = 1 parte de vidrio soluble : 100 partes de materia seca de pigmento).

Se estableció además que un vidrio soluble con un valor bajo de x en la relación Na_{2}O : x · SiO_{2} es más eficaz como inhibidor del impacto de calcio y como reductor de la viscosidad en una mezcla de revestimiento que un vidrio soluble que tiene un valor superior de x. Según la invención, x = 0,1 - 10, adecuadamente x < 3,5, preferiblemente
x < 2,5. En una realización preferida, el valor de x en la relación Na_{2}O: x · SiO_{2} para la cantidad de vidrio soluble que se va a añadir es x < 3,5, preferiblemente x < 2,5, más preferiblemente 1 o menos.

El vidrio soluble se puede añadir a la mezcla de revestimiento en cualquier fase de mezclado porque se ha encontrado que la reacción de formación de un complejo de calcio es, al menos parcialmente, reversible. Por consiguiente, la adición de vidrio soluble se puede utilizar también para paliar un impacto de calcio que ya ha tenido lugar. El vidrio soluble se añade preferiblemente antes de la adición del pigmento que contiene calcio, tal como yeso o similar. Además, el vidrio soluble se añade preferiblemente en una etapa de mezclado tan pronto como sea posible para obtener una mezcla de revestimiento de baja viscosidad sin que se produzca la solidificación del pigmento en ella.

En una realización de la invención, se añade vidrio soluble antes de la adición del blanqueante óptico, por ejemplo un derivado del distilbeno, o agente de blanqueado, porque una cantidad excesiva de iones Ca^{2+} en la pasta antes de la adición del blanqueante óptico puede debilitar o inhibir el efecto del blanqueante óptico.

A continuación, se describirá la invención mediante la ayuda de unos cuantos ejemplos de sus realizaciones refiriéndose a los dibujos adjuntos, en los que

la figura 1 es un gráfico que representa el efecto de la adición de calcio y vidrio soluble sobre la viscosidad de una mezcla de revestimiento que contiene caolín,

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la figura 2 es un gráfico que representa el efecto de la adición de vidrio soluble sobre la reducción de la viscosidad de una mezcla de revestimiento que contiene calcio,

la figura 3 es un gráfico que representa el efecto del orden de adición de vidrio soluble sobre la viscosidad de una mezcla de revestimiento que contiene calcio, medido utilizando un viscosímetro Hércules de alta cizalladura y un viscosímetro capilar de alta presión, a diferentes velocidades de cizalladura, y

la figura 4 es un gráfico que representa el efecto del orden de adición del vidrio soluble sobre la viscosidad de una mezcla de revestimiento que contiene calcio, medido utilizando un viscosímetro Brookfield a diferentes velocidades de cizalladura.

Ejemplo 1

Este experimento se llevó a cabo para estudiar el efecto del vidrio soluble sobre la precipitación del calcio en una mezcla de revestimiento y, además, sobre la viscosidad de la mezcla. En el experimento, se utilizó una suspensión de caolín (Amazon 88) que tenía un contenido en sólidos del 38%. En primer lugar, se añadió a la mezcla una suspensión de yeso (CoCoat-T) y luego vidrio soluble (Zeopol 25). Las cantidades de vidrio soluble añadido fueron de 0,05, 0,11, 0,16 y 0,26 pph. Como se puede observar a partir de la figura 1, la adición de calcio produjo un aumento brusco de la viscosidad, un impacto de calcio. La adición de vidrio soluble tuvo un efecto inmediato sobre la mezcla, devolviendo su viscosidad al nivel original, es decir, se eliminó el impacto de calcio. A niveles bajos de contenido de yeso, el vidrio soluble podía evitar el impacto de calcio totalmente.

Ejemplo 2

En este experimento, se compararon los efectos de dos compuestos de vidrio soluble comerciales sobre una suspensión. La suspensión se preparó a partir de caolín y se había impactado utilizando una suspensión de pigmento de yeso. Se añadió vidrio soluble (Zeopol 25 y Zeopol 33) en cantidades de 0,05, 0,11, 0,16 y 0,26 pph a las muestras en investigación. La figura 2 ilustra la reducción de la viscosidad de la suspensión como una función de la cantidad de vidrio soluble añadido. Tal como se muestra en la figura 2, la viscosidad de la suspensión se redujo significativamente como resultado de la adición de vidrio soluble. El vidrio soluble (Zeopol 25), que tenía una relación mayor de Na_{2}O : SiO_{2}, parecía tener un efecto algo más fuerte sobre la viscosidad de la suspensión que el vidrio soluble (Zeopol 33). En este gráfico, una reducción de la viscosidad del 100% significa el mismo nivel de viscosidad que en una suspensión no impactada.

Ejemplo 3

Para probar y comparar los efectos de impacto producidos por diferentes tipos de ión, se añadieron distintas sales a una suspensión de caolín al 74% en peso y se compararon los cambios en la viscosidad producidos por ellas. El agente dispersante utilizado fue NaPAA (Polysaltz S). Se añadieron las sales que se iban a probar a la suspensión de modo que en cada experimento las sales que se iban a probar tenían la misma fuerza iónica en la suspensión. Se calcularon los cambios en la viscosidad agitando las mezclas con una cuchara, sin utilizar ningún dispositivo de medida de la viscosidad.

Se utilizaron las siguientes sales en la prueba:

Carbonato de sodio

Sulfato de sodio

Cloruro de sodio

Cloruro de calcio

Cloruro de bario

Cloruro de aluminio

En suspensiones de caolín con elevada concentraciones de estas sales, se percibió un aumento de la viscosidad de la suspensión, es decir, se había producido solidificación en la mezcla. La suspensión de caolín se formaba cuando los iones sodio monovalentes que se estaban probando tenían una viscosidad que permitía que se agitase la mezcla. Tras la adición de iones calcio o aluminio multivalentes, el efecto de impacto producido en la suspensión era tan fuerte que la suspensión se volvía casi un material sólido.

Ejemplo 4

Se probó la capacidad del vidrio soluble para influir en la viscosidad de una suspensión mediante la comparación de su efecto sobre diferentes revestimientos. Además, se estudió el efecto del orden de adición del vidrio soluble sobre la viscosidad del revestimiento. El revestimiento de referencia seleccionado para las comparaciones fue una mezcla, que contenía almidón, de yeso y caolín, que tenía buenas propiedades de procesamiento como material de revestimiento de papel.

La composición del revestimiento de referencia en el orden de adición era como sigue:

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 Suspensión de pigmento de yeso \+ (Cocoat-T)\cr 
Agente dispersante \+ (NaPAA)\cr  Blanqueante óptico \+ (Derivado
del distilbeno)\cr  Látex \+ (Estireno-butadieno)\cr
 Almidón \+ (Oxidado)\cr  Caolín \+ (Brasileño)\cr  Estearato \+
(Estearato de calcio)\cr  Otros aditivos \+
(Glioxal)\cr}

Tanto el caolín como el yeso se recibieron en la forma de una suspensión ya preparada (Metsä-Serla, Kirkniemi). El almidón se calentó en un horno microondas manteniendo la mezcla de agua-almidón a una temperatura de 95ºC durante 20 minutos.

Se ajustó el pH del revestimiento a un valor de aproximadamente 7,5 utilizando una solución de NaOH al 10%. Los revestimientos se prepararon de la misma manera; la suspensión de yeso se colocó en el recipiente de mezclado antes de que empezara el mezclado; se añadió la primera sustancia tras 1 minuto de mezclado y las demás sustancias se añadieron a intervalos de 2 minutos. La programación exacta permitió una buena repetibilidad y facilitó la interpretación de las curvas de potencia de la mezcladora. Al mismo tiempo, se obtuvieron valores comparables del consumo total de energía. Tras el mezclado, se dejó reposar el revestimiento durante 2 horas antes del filtrado y los análisis reológicos.

Las pruebas reales se llevaron a cabo utilizando vidrio soluble disponible comercialmente (Zeopol 25, Na_{2}O : 2,5 SiO_{2}) , cuyo contenido en sólidos era del 43%. El vidrio soluble se mezcló con la solución de NaOH, de modo que su relación molar era 1 : 1,5 y el contenido en sólidos final 28 - 28%. La solución de NaOH se añadió para evitar la formación de cristales de vidrio soluble y para facilitar el filtrado de la mezcla de revestimiento final.

En cada prueba, la cantidad de vidrio soluble añadido a la mezcla de revestimiento fue de 0,43 pph por materia seca de pigmento. El vidrio soluble se añadió a la mezcla de revestimiento en diferentes fases del mezclado y el número de pruebas indica el orden de adición del vidrio soluble; por tanto, por ejemplo la prueba VG3 significa que el vidrio soluble fue la tercera sustancia añadida a la mezcla de revestimiento y, en consecuencia, VG9 significa que el vidrio soluble fue la novena sustancia añadida a la mezcla de revestimiento.

Tras 2 h de reposo, se filtró el revestimiento. Tras el filtrado, se midió la viscosidad de la mezcla de revestimiento utilizando un dispositivo Brookfield y Hércules de alta cizalladura a diferentes velocidades de cizalladura.

En las pruebas, aumentó considerablemente el consumo de energía en el mezclado de los revestimientos de referencia preparados sin vidrio soluble (120 W) tras la adición del caolín, lo que indica un aumento brusco de la viscosidad. Algunos minutos después de la adición del caolín, se redujo el consumo de energía hasta el valor de 60 W, al que permaneció hasta que se detuvo la mezcladora.

Para las pruebas en las que se había añadido vidrio soluble a la mezcla de revestimiento, las curvas de consumo de energía indican que el consumo de energía no aumentó tras la adición del caolín, si se añadía vidrio soluble antes del caolín. El consumo de energía se mantuvo a un nivel normal y fue de aproximadamente 60 W.

La figura 3 ilustra el efecto del momento de la adición del vidrio soluble sobre la viscosidad a diferentes velocidades de cizalladura. Tal como se muestra en la figura 3, medido con un viscosímetro Hércules de alta cizalladura a una velocidad de cizalladura SR = 25500 s^{-1}, la disminución de la viscosidad fue mayor cuanto más pronto se añadió el vidrio soluble a la mezcla de revestimiento. Este efecto se observó primero en la prueba VG3, en la que el vidrio soluble se añadió en tercer lugar a la mezcla. En la prueba VG3, la viscosidad de la mezcla fue un 20% inferior que en la prueba de referencia. La figura 3 muestra que a velocidades de cizalladura elevadas (SR = 800.000 s^{-1}, medido con un viscosímetro capilar de alta presión) la adición del vidrio soluble y su posición en el orden de adición no tenía ningún efecto. A una velocidad de cizalladura de SR = 200.000 s^{-1}, la posición del vidrio soluble en el orden de adición todavía tenía efecto, es decir, el vidrio soluble reducía la viscosidad de la mezcla hasta la prueba VG3.

La figura 4 ilustra el efecto del orden de adición sobre la viscosidad de la mezcla de revestimiento, medido (Brookfield) a velocidades de mezclado de 50 y 100 rpm. A partir de la figura 4 se puede observar que, en las mezclas de revestimiento de las pruebas VG3 - VG6, la viscosidad fue aproximadamente la misma o algo inferior que en el revestimiento de referencia. A velocidades de revestimiento bajas, la adición de vidrio soluble realizada tras la adición del caolín dio como resultado un aumento significativo de la viscosidad de la mezcla, mostrando la prueba VG9 un valor de viscosidad casi cuatro veces mayor comparado con la prueba de referencia.

Ejemplo 5

Se estudió el efecto de la cantidad de vidrio soluble añadido sobre la prevención del impacto de calcio añadiendo 0 - 0,9 pph de vidrio soluble (Zeopol 25) a una mezcla de revestimiento, como en el ejemplo 4, a intervalos de 0,1 pph. La adición se realizó como en la prueba VG6, es decir, se añadió el vidrio soluble en sexto lugar a la mezcla de revestimiento.

Ejemplo 6

En este experimento, se probó el efecto de la adición de vidrio soluble sobre el papel que se va a producir y sus propiedades de impresión. Se llevaron a cabo una prueba de revestimiento de papel y una prueba de impresión sobre el papel producido. El material de revestimiento básico utilizado fue un revestimiento preparado a partir de una mezcla de suspensión de pigmento de yeso y caolín, a la que se añadieron 6 pph de almidón y 0,43 pph de vidrio soluble modificado con NaOH. Se preparó un revestimiento de referencia sin vidrio soluble. El revestimiento del papel se realizó utilizando una máquina de revestimiento en películas. El papel base utilizado fue un papel base de pasta mecánica, 35 gm^{-2}.

En papel calandrado sin ninguna impresión sobre él, no se detectaron diferencias sustanciales en comparación con el papel producido con el revestimiento de referencia. La única diferencia en el papel impreso fue que su brillo fue un 3% inferior en la superficie de una sola tinta (brillo del 71% para el papel con un revestimiento que contenía vidrio soluble, 74% para el papel de referencia); en la superficie del agua no se pudieron detectar diferencias; "superficie del agua" significa en el presente documento un área en el papel, que se ha impreso mediante un rodillo de impresión por offset, que tiene agua en lugar de tinta de impresión, es decir, que no produce transferencia de tinta.

A partir de la tabla 1 se puede observar que los valores de rugosidad Bendtsen y PPS son algo mayores para el revestimiento que contiene vidrio soluble que para el revestimiento de referencia, lo que explica la reducción del brillo. El motivo de la diferencia en rugosidad no está claro.

TABLA 1

Rugosidad del papel

Rugosidad	Vidrio soluble añadido	Sin vidrio soluble
Rugosidad PPS una sola tinta, negro	1,9 \mum	1,7 \mum
Rugosidad Bendtsen una sola tinta, negro	44 ml/min	34 ml/min
Rugosidad Bendtsen dos tintas, negro	40 ml/min	35 ml/min

La invención no se restringe a los ejemplos de sus realizaciones descritas anteriormente, sino que son posibles muchas variaciones dentro del alcance de la idea inventiva definida por las reivindicaciones.

Claims

1. Uso de vidrio soluble para la prevención del impacto de calcio en una mezcla de revestimiento de papel que contiene un pigmento a base de calcio que se reviste sobre una base de papel.

2. Uso de vidrio soluble según se define en la reivindicación 1, caracterizado porque la cantidad de vidrio soluble utilizado es de 0,01 - 2 pph, preferiblemente de 0,2 - 1 pph, más preferiblemente de 0,05 - 0,09 pph, calculada en base al contenido en materia seca del pigmento.

3. Uso de vidrio soluble según se define en la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque se añade vidrio soluble a la mezcla de revestimiento de modo que el valor de x en la relación Na_{2}O : x · SiO_{2} es x = 0,1 - 10, adecuadamente x < 3,5, preferiblemente x < 2,5.

4. Uso de vidrio soluble según se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 3, caracterizado porque el revestimiento contiene un agente dispersante.

5. Uso de vidrio soluble según se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 4, caracterizado porque el revestimiento contiene yeso.

6. Uso de vidrio soluble según se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 5, caracterizado porque se añade el vidrio soluble antes de la adición del pigmento a base de calcio.

7. Uso de vidrio soluble según se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 6, caracterizado porque el revestimiento contiene un blanqueante óptico, que se añade tras la adición del vidrio soluble.

8. Uso de vidrio soluble según se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 7, caracterizado porque el revestimiento contiene caolín.