ES2641064T9 - Composiciones - Google Patents

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Description

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DESCRIPCION
Composiciones Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a composiciones, tales como papeles cargados y revestidos, que comprenden celulosa microfibrilada y material inorganico en partfculas.
Antecedentes de la invencion
Los materiales inorganicos en partfculas, por ejemplo un carbonato de metal alcalinoterreo (p. ej., carbonato de calcio) o caolm, se usan ampliamente en una serie de aplicaciones. Estas incluyen la produccion de composiciones que contienen minerales que se pueden usar en la fabricacion de papel, revestimiento de papel o produccion de materiales compuestos polimericos. En los productos de papel y polimericos dichas cargas se anaden tipicamente para sustituir una parte de otros componentes mas caros del producto de papel o polimerico. Las cargas tambien se pueden anadir con el objetivo de modificar los requisitos ffsicos, mecanicos y/u opticos de los productos de papel y polimericos. Claramente, cuanto mayor es la cantidad de carga que se puede incluir, mayor es el potencial de ahorro de costes. Sin embargo, la cantidad de carga anadida y el ahorro de coste asociado deben estar equilibrados frente a los requisitos ffsicos, mecanicos y opticos del producto de papel o polimerico final. Por lo tanto, hay una necesidad continua de desarrollo de cargas para papel o polfmeros que se puedan usar con un nivel de carga alto, sin afectar de forma adversa a los requisitos ffsicos, mecanicos y/u opticos de los productos de papel o polimericos finales. Por lo tanto se necesita continuamente el desarrollo de cargas para papel o polfmeros que se puedan usar con un nivel de carga alto sin afectar de forma adversa a los requisitos ffsicos, mecanicos y/u opticos de los productos de papel. Tambien se necesita el desarrollo de metodos de preparacion de dichas cargas de forma economica.
La presente invencion busca proporcionar cargas alternativas y/o mejoradas para productos de papel o polimericos que se puedan incorporar en el producto de papel o polimerico en niveles de carga relativamente altos manteniendo a la vez, o incluso mejorando, las propiedades ffsicas, mecanicas y/u opticas del producto de papel o polimerico. La presente invencion tambien busca proporcionar un metodo economico para preparar dichas cargas. Asf pues, los autores de la presente invencion han encontrado sorprendentemente que se puede preparar por metodos economicos una carga que comprende celulosa microfibrilada y un material inorganico en partfculas y se puede cargar en productos de papel o polimericos en niveles relativamente altos a la vez que se mantienen o incluso mejoran las propiedades ffsicas, mecanicas y/u opticas del producto de papel o polimerico final.
Ademas, la presente invencion busca abordar el problema de preparar celulosa microfibrilada de forma economica a una escala industrial. Los metodos actuales de microfibrilacion de material celulosico requieren cantidades relativamente altas de energfa debido en parte a la viscosidad relativamente alta del material de partida y el producto microfibrilado, y hasta ahora ha resultado diffcil conseguir un procedimiento comercialmente viable para preparar celulosa microfibrilada en una escala industrial.
En el documento de la tecnica anterior EP2236664A1, se describe la fabricacion de celulosa nanofibrilar, que se prepara rompiendo fibras de celulosa en fibrillas primarias.
Resumen de la invencion
De acuerdo con un primer aspecto, la presente invencion se dirige a un artfculo que comprende un producto de papel que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas y uno o mas revestimientos funcionales sobre el producto de papel, en donde la celulosa microfibrilada tiene un sesgo de la fibra de 20 a 50.
El documento de la tecnica anterior mencionado antes EP2236664A1 no describe, ni siquiera se refiere a la preparacion de una celulosa microfibrilada coprocesada, sin hablar de celulosa microfibrilada que tenga un sesgo de la fibra de 20 a 50.
De acuerdo con un segundo aspecto, la presente invencion se dirige a un producto de papel que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, en donde el producto de papel tiene: i) una primera resistencia a la traccion mayor que una segunda resistencia a la traccion del producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas; ii) una primera resistencia al desgarro mayor que una segunda resistencia al desgarro del producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas; y/o iii) una primera resistencia al estallido mayor que una segunda resistencia al estallido del producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas; y/o iv) un primer coeficiente de dispersion de la luz de la hoja mayor que un segundo coeficiente de dispersion de la luz de la hoja del producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas; y/o v) una primera porosidad menor que una segunda porosidad del producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas; y/o vi) una primera resistencia en la direccion z (enlace interno) que una segunda resistencia en la direccion z (enlace interno) del
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producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas; en donde la celulosa microfibrilada tiene un sesgo de la fibra de 20 a 50.
De acuerdo con un tercer aspecto, la presente invencion se dirige a un producto de papel revestido, en donde el revestimiento comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, y en donde el producto de papel revestido tiene:
i. un primer brillo mayor que un segundo brillo del producto de papel revestido que comprende una composicion de revestimiento desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas; y/o ii. una primera rigidez que es mayor que una rigidez del producto de papel revestido que comprende una composicion de revestimiento desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas; y/o iii. una primera propiedad de barrera que es mejor comparada con una segunda propiedad de barrera del producto de papel revestido que comprende una composicion de revestimiento desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, en donde la celulosa microfibrilada tiene un sesgo de la fibra de 20 a 50.
De acuerdo con un cuarto aspecto, la presente invencion se dirige a una composicion de polfmero que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, en donde la celulosa microfibrilada tiene un sesgo de la fibra de 20 a 50.
De acuerdo con un quinto aspecto, la presente invencion se dirige a una composicion para la fabricacion de papel que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, en donde la composicion para la fabricacion de papel tiene una primera demanda cationica menor que una segunda demanda cationica de la composicion para la fabricacion de papel desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, en donde la celulosa microfibrilada tiene un sesgo de la fibra de 20 a 50.
De acuerdo con un sexto aspecto, la presente invencion se dirige a una composicion para la fabricacion de papel que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, en donde la composicion para la fabricacion de papel esta sustancialmente desprovista de auxiliares de retencion, y en donde la celulosa microfibrilada tiene un sesgo de la fibra de 20 a 50.
De acuerdo con un septimo aspecto, la presente invencion se dirige a un producto de papel que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, en donde el producto de papel tiene un primer mdice de formacion menor que un segundo mdice de formacion del producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas, y en donde la celulosa microfibrilada tiene un sesgo de la fibra de 20 a 50.
Descripcion detallada de la invencion
Como se usa en la presente memoria, “composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas” se refiere a composiciones producidas por los procedimientos para la microfibrilacion de sustratos fibrosos que comprenden celulosa en presencia de un material inorganico en partmulas como se describe en la presente memoria.
Salvo que se exponga otra cosa, “revestimiento funcional” se refiere a un revestimiento o revestimientos aplicados a la superficie de un producto de papel para modificar, potenciar, mejorar y/u optimizar una o mas propiedades no graficas de dicho producto de papel (es decir, propiedades no relacionadas principalmente con las propiedades graficas del papel). En realizaciones, el revestimiento funcional no es aquel que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas. Por ejemplo, el revestimiento funcional puede ser un polfmero, un metal, una composicion acuosa, una capa de barrera lfquida o una capa de electronica impresa.
Productos de papel
En algunas realizaciones, los productos de papel comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas incorporada en la pasta del papel (p. ej., en la base de papel como una composicion de carga). Por ejemplo, los productos de papel pueden comprender al menos aproximadamente 0,5% en peso, al menos aproximadamente 5% en peso, al menos aproximadamente 10% en peso, al menos aproximadamente 15% en peso, al menos aproximadamente 20% en peso, al menos aproximadamente 25% en peso, al menos aproximadamente 30% en peso, o al menos aproximadamente 35% en peso de una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas, basado en el peso total del producto de papel. En general, los productos de papel comprenderan como maximo aproximadamente 50% en peso, por ejemplo, como maximo aproximadamente 45% en peso, o como maximo aproximadamente 40% en peso de una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas. En una realizacion particular, el producto de papel comprende de aproximadamente 25% a aproximadamente 35% en peso de una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas. El contenido de fibra de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas puede ser al menos
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aproximadamente 2% en peso, al menos aproximadamente 3% en peso, al menos aproximadamente 4% en peso, al menos aproximadamente 5% en peso, al menos aproximadamente 6% en peso, al menos aproximadamente 7% en peso, al menos aproximadamente 8% en peso, al menos aproximadamente 10% en peso, al menos aproximadamente 11% en peso, al menos aproximadamente 12% en peso, al menos aproximadamente 13% en peso, al menos aproximadamente 14% en peso o al menos aproximadamente 15% en peso. En general, el contenido de fibra de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas sera menos de aproximadamente 25%, por ejemplo, menos de aproximadamente 20% en peso.
Despues del coprocesamiento para formar la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, se puede anadir material inorganico en partfculas adicional (p. ej., mediante combinacion o mezcla) para reducir el contenido de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas.
En realizaciones particulares, los productos de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas tienen una porosidad menor comparados con los productos de papel sin (es decir, desprovistos de) la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas. Por ejemplo, la porosidad de los productos de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas puede tener una porosidad aproximadamente 10% menos porosa, aproximadamente 20% menos porosa, aproximadamente 30% menos porosa, aproximadamente 40% menos porosa o aproximadamente 50% menos porosa que una porosidad de los productos de papel desprovistos de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas. Dicha reduccion en la porosidad puede proporcionar un mejor aguante del revestimiento para los productos de papel revestidos que comprenden celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas. Dicha reduccion en la porosidad puede permitir una reduccion en el peso del revestimiento para los productos de papel revestidos que comprenden celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, sin comprometer las propiedades ffsicas y/o mecanicas del producto de papel revestido.
En una realizacion la porosidad se determina usando el medidor de porosidad Bendtsen Modelo 5 de acuerdo con SCAN P21, SCAN P60, BS 4420 y Tappi UM 535.
En otras realizaciones, los productos de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas tienen una resistencia a la traccion aproximadamente 2% mayor, aproximadamente 5% mayor, aproximadamente 10% mayor, aproximadamente 15% mayor, aproximadamente 20% mayor, o aproximadamente 25% mayor que la resistencia a la traccion de los productos de papel desprovistos de una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas (es decir, el producto de papel tiene la misma cantidad de carga).
En realizaciones adicionales, los productos de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas tienen una resistencia al desgarro aproximadamente 2% mayor, aproximadamente 5% mayor, aproximadamente 10% mayor, aproximadamente 15% mayor, aproximadamente 20% mayor, o aproximadamente 25% mayor que la resistencia al desgarro de los productos de papel desprovistos de una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas (p. ej., el producto de papel tiene la misma cantidad de carga). Dichos productos de papel fuertes de baja porosidad pueden comprender papeles funcionales tales como juntas, papeles a prueba de grasa, carton para revestidos para carton yeso, papel igmfugo, papeles pintados, laminados u otros productos de papel funcionales.
En una realizacion, la resistencia a la traccion se determina usando el medidor de traccion Testometrics de acuerdo con SCAN P16.
En realizaciones adicionales, los productos de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas tienen una resistencia en la direccion z (enlace interno) aproximadamente 2% mayor, aproximadamente 5% mayor, aproximadamente 10% mayor, aproximadamente 15% mayor, aproximadamente 20% mayor, o aproximadamente 25% mayor que la resistencia en la direccion z (enlace interno) de los productos de papel desprovistos de una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas (p. ej., el producto de papel tiene la misma cantidad de carga).
En una realizacion, la resistencia en la direccion z (enlace interno) se determina usando un medidor de union Scott de acuerdo con TAPPI T569.
En algunas realizaciones, los productos de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas se pueden revestir. Realizaciones particulares de los productos de papel revestido que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, pueden tener un mayor brillo comparado con el producto de papel revestido desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas. Por ejemplo, los productos de papel revestidos que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas pueden tener un brillo aproximadamente 5% mayor, aproximadamente 10% mayor, o aproximadamente 20% mayor, que los productos de papel revestido desprovistos de la composicion de celulosa
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microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas.
En una realizacion, el brillo se determina de acuerdo con el metodo TAPPI T 480 om-05 (brillo especular del papel y carton a 75 grados).
En otras realizaciones, los productos de papel revestidos que comprenden una composicion de celulosa
microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas, pueden tener mejores propiedades de impresion tales como brillo de impresion, rotura, densidad de impresion, velocidad de repelado o porcentaje de puntos perdidos.
En otras realizaciones, los productos de papel revestidos que comprenden una composicion de celulosa
microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas pueden tener una velocidad de transmision de vapor humedo inferior (MVTR, ensayado de acuerdo con una version modificada de TAPPI T448 usando gel de sflice como el desecante y una humedad relativa de 50%) comparado con el producto de papel revestido desprovisto de una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas. Por ejemplo, los productos de papel revestidos que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas pueden tener una MVTR aproximadamente 2% menor, aproximadamente 4% menor, aproximadamente 6% menor, aproximadamente 8% menor, aproximadamente 10% menor, aproximadamente 12% menor, aproximadamente 15% menor, o aproximadamente 20% que los productos de papel revestidos desprovistos de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas (p. ej., el producto de papel tiene la misma cantidad de carga).
En algunas realizaciones, los productos de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas, pueden servir como una base para los revestimientos funcionales tales como revestimientos para envasado de lfquidos, revestimientos de barrera y revestimientos para electronica impresa. Los productos de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas proporcionan una superficie lisa para aplicar sobre la misma los revestimientos funcionales. Por ejemplo, los productos de papel pueden incluir un revestimiento de barrera que comprende un polfmero, un metal, una composicion acuosa (p. ej., una capa de barrera basada en agua), o una combinacion de los mismos.
La composicion acuosa puede comprender uno o mas materiales inorganicos en partmulas descritos en la presente memoria. Por ejemplo, la composicion acuosa puede comprender caolm, tal como caolm laminado o caolm hiperlaminado. Por caolm “laminado” se entiende un producto de caolm que tiene un factor de forma alto. Un caolm laminado tiene un factor de forma de aproximadamente 20 a menos de aproximadamente 60. Un caolm hiperlaminado tiene un factor de forma de aproximadamente 60 a 100 o incluso mayor de 100. El “factor de forma”, como se usa en la presente memoria, es una medida de la relacion del diametro de la partmula al grosor de la partmula para una poblacion de partmulas de tamano y forma variable cuando se mide usando metodos, aparatos y ecuaciones de conductividad electrica, descritos en la patente de EE.UU. n° 5.576.617. Como se describe con mas detalle la tecnica para determinar el factor de forma en la patente 617, la conductividad electrica de una composicion de una suspension acuosa de partmulas orientadas que se ensaya, se mide cuando la composicion fluye por un recipiente. Las mediciones de la conductividad electrica se toman a lo largo de una direccion del recipiente y a lo largo de otra direccion del recipiente transversal a la primera direccion. Usando la diferencia entre las dos mediciones de conductividad, se determina el factor de forma del material en partmulas que se esta ensayando.
En algunas realizaciones, los productos de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas proporcionan una superficie de permeabilidad baja para la aplicacion del revestimiento funcional en el producto de papel. Por lo tanto, se pueden usar revestimientos funcionales mas finos, menos cantidad y/o no polimericos para lograr una funcion deseada (p. ej., funcion de barrera). En algunas realizaciones, los productos de papel revestidos que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas pueden tener una mejor resistencia al aceite (medida usando una solucion basada en aceite de Rojo Sudan IV en ftalato de dibutilo usando una unidad de impresion IGT) comparado con el producto de papel revestido desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas. Por ejemplo, los productos de papel revestidos que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas pueden tener una resistencia al aceite que es aproximadamente 2% mayor, aproximadamente 4% mayor, aproximadamente 6% mayor, aproximadamente 8% mayor, o aproximadamente 10% mayor que los productos de papel revestidos desprovistos de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas (p. ej., el producto de papel revestido tiene la misma cantidad de carga).
Propiedades de la fabricacion de papel y de la hoja mejoradas
En algunas realizaciones, los productos de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas permiten un procesamiento mejorado para la fabricacion de dichos productos de papel. Por ejemplo, al incluir una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas en la pasta de papel, el procesamiento final en humedo de la base del papel puede no requerir pretratamiento (p. ej., adicion de polfmeros cationicos). Ademas, comparado con una pasta de papel que incluye celulosa microfibrilada, una pasta de papel que incluye una composicion de celulosa microfibrilada
coprocesada y material inorganico en partreulas tiene menor cambio o no cambia la demanda cationica, tiene retencion mejorada y formacion mejorada. En algunas realizaciones, en las que se mejora la retencion mediante la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partreulas usada en el producto de papel, se puede reducir o eliminar el uso de auxiliares de retencion y se puede evitar el dano de los productos de 5 papel que resulta de los auxiliares de retencion.
La demanda cationica de una muestra de pasta de papel para la fabricacion de papel esta indicada por la cantidad de polfmero cationico altamente cargado necesario para neutralizar su superficie. Se puede usar un ensayo de corriente que fluye para determinar la demanda cationica, basado en la cantidad de agente de valoracion cationico (p. ej., poli-DADMAC) necesario para alcanzar una senal cero. Otra forma de determinar el punto final es evaluando 10 el potencial zeta despues de cada adicion incremental de agente de valoracion. Otra estrategia para determinar la demanda cationica es mezclar la muestra con un exceso conocido de agente de valoracion cationico, filtrar para separar los solidos, y despues volver a valorar hasta un punto final de color (valoracion coloidal). En realizaciones, la demanda cationica de una pasta de papel para la fabricacion de papel que comprende la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partreulas composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y 15 material inorganico en partreulas, es comparable a o menor que la demanda cationica de una pasta de papel para la fabricacion de papel desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partreulas (p. ej., la pasta de papel tiene la misma cantidad de carga).
En una realizacion, la demanda cationica (llamada tambien “carga anionica”) se mide usando el dispositivo Mutek PCD 03 Titrator de acuerdo con el metodo descrito mas adelante en los “Ejemplos”.
20 La retencion es un termino general para el procedimiento de mantener las partreulas finas y fibras finas dentro de la red de papel cuando se esta formando. La retencion al primer paso da una indicacion practica de la eficacia mediante la cual son retenidos estos materiales finos en la red de papel cuando se esta formando. En algunas realizaciones, la retencion al primer paso de una pasta de papel que comprende la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partreulas, es mayor, por ejemplo, aproximadamente 2% mayor, 25 aproximadamente 5% mayor, o aproximadamente 10% mayor que una pasta de papel desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partreulas (p. ej., la pasta de papel tiene la misma cantidad de carga).
En una realizacion, la retencion al primer paso se determina basandose en la medicion de solidos en la caja de entrada (HB) y en la bandeja de las aguas blancas (WW) y se calcula de acuerdo con la siguiente formula:
30 Retencion = [(HBs6lidos-WWs6lidos)/HBs6lidos] x 100
La retencion de cenizas (determinada por incineracion) durante la formacion de papel se puede mejorar en los productos de papel formados a partir de la pasta de papel que comprende la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partreulas, comparada con una pasta de papel desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partreulas (p. ej., la pasta de papel tiene la misma 35 cantidad de carga). En realizaciones, la retencion durante la formacion de papel formado a partir de una pasta de papel que comprende la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partreulas, es al menos aproximadamente 5%, al menos aproximadamente 10%, al menos aproximadamente 15%, al menos aproximadamente 20%, o al menos aproximadamente 25% mayor, que una pasta de papel desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partreulas (p. ej., la pasta de papel 40 tiene la misma cantidad de carga).
En una realizacion, la retencion de cenizas se determina siguiendo los mismos principios que la retencion al primer paso, pero basandose en el peso del componente de cenizas en la caja de entrada (HB) y en la bandeja de aguas blancas (WW), y se calcula de acuerdo con la siguiente formula:
Retencion de cenizas = [(HBcenizas-WWcenizas)/HBcenizas] x 100
45 La formacion de papel es la distribucion no uniforme resultante de fibras, fragmentos de fibras, cargas minerales y aditivos qmmicos en la red que forma el papel. La formacion se puede caracterizar por la variacion del peso base a pequena escala en el plano de la hoja de papel. Otra forma de describir la formacion es la variabilidad del peso base del papel. La estructura no uniforme del papel se puede ver a simple vista en escalas de longitud que van de fracciones de un milfmetro a unos centimetres. En algunas realizaciones, el rndice de formacion (PTS) de una pasta 50 de papel que comprende la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partreulas es al menos aproximadamente 5% menor, aproximadamente 10% menor, aproximadamente 15% menor, aproximadamente 20%, o aproximadamente 25% menor que una pasta de papel desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partreulas (p. ej., la pasta de papel tiene la misma cantidad de carga).
55 En una realizacion, el rndice de formacion (PTS) se determina usando el programa informatico DOMAS desarrollado por PTS de acuerdo con el metodo de medicion descrito en la seccion 10-1 de su manual. “'DOMAS 2.4 User Guide”.
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En otras realizaciones, un producto de carton que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas puede tener mejor plegabilidad y/o resistencia al agrietamiento.
Los productos de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas tambien pueden tener una combinacion de propiedades de la hoja mejoradas. Por ejemplo, las hojas de productos de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas tienen mejores propiedades de resistencia y mejor formacion. Sin estar limitados por una teona particular, dicha combinacion es sorprendente porque se cree que el refinado o fibrilacion adicional dana de forma indeseable la formacion del papel debido a la estabilidad reducida que conduce a una propension a flocular, pero puede aumentar la resistencia de la hoja de papel.
En otras realizaciones, las hojas de producto de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, tienen mejor resistencia a la traccion, resistencia al desgarro y resistencia en la direccion z (enlace interno). Esto es sorprendente porque normalmente en el refinado de la pasta, al aumentar la resistencia a la traccion disminuiran la resistencia al desgarro y/o la resistencia en la direccion z. Por ejemplo, las hojas de producto de papel que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, puede tener una resistencia a la traccion que es al menos aproximadamente 2% mayor, al menos aproximadamente 3% mayor, al menos aproximadamente 4% mayor, al menos aproximadamente 5% mayor, al menos aproximadamente 6% mayor, al menos aproximadamente 7% mayor, al menos aproximadamente 8% mayor, al menos aproximadamente 9%, al menos aproximadamente 10% mayor, al menos aproximadamente 12% mayor, al menos aproximadamente 15% mayor, o al menos aproximadamente 20% mayor que las hojas de producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas (p. ej., la hoja de producto de papel tiene la misma cantidad de carga). En otras realizaciones, las hojas de producto de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, pueden tener una resistencia al desgarro que es al menos aproximadamente 5% mayor, al menos aproximadamente 10% mayor, al menos aproximadamente 15% mayor, al menos aproximadamente 20% mayor, o al menos aproximadamente 25% mayor que las hojas de producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas (p. ej., la hoja de producto de papel tiene la misma cantidad de carga). En otras realizaciones, las hojas de producto de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, tienen una combinacion de mejor resistencia a la traccion y mejor resistencia al desgarro. Por ejemplo, las hojas de producto de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, pueden tener una resistencia a la traccion que es de aproximadamente 2% a aproximadamente 10% mayor que las hojas de producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, y una resistencia al desgarro de aproximadamente 5% a aproximadamente 25% mayor que las hojas de producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas.
En una realizacion, la resistencia al desgarro se determina de acuerdo con el metodo TAPPI T414 om-04 (Resistencia al desgarro interna del papel (metodo de tipo Elmendorf)).
En otras realizaciones, las hojas de producto de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, tienen mejor resistencia a la traccion y mejores propiedades de dispersion (es decir, opticas), p. ej., dispersion de la luz de la hoja y absorcion de la luz de la hoja. De nuevo esto es sorprendente, puesto que normalmente al aumentar la resistencia a la traccion disminuye la dispersion de la luz de la hoja. En algunas realizaciones, las hojas de producto de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, pueden tener un coeficiente de dispersion de la luz de la hoja (en m2.kg"1, medido usando filtros 8 y 10) que es al menos aproximadamente 2% mayor, al menos aproximadamente 3% mayor, al menos aproximadamente 4% mayor, al menos aproximadamente 5% mayor, al menos aproximadamente 6% mayor, al menos aproximadamente 7% mayor, al menos aproximadamente 8% mayor, al menos aproximadamente 9% mayor, o al menos aproximadamente 10% mayor que las hojas de producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas (p. ej., la hoja de producto de papel tiene la misma cantidad de carga). En otras realizaciones, las hojas de producto de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, tienen una combinacion de mejor resistencia a la traccion y/o mejor resistencia al desgarro, y mejor dispersion de la luz. Por ejemplo, las hojas de producto de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, pueden tener una resistencia a la traccion que es de aproximadamente 2% a aproximadamente 10% mayor que las hojas de producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, y/o una resistencia al desgarro de aproximadamente 5% a aproximadamente 25% mayor que las hojas de producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, y un coeficiente de dispersion de la luz de la hoja (en m2.kg"1, medido usando filtros 8 y 10) que es de aproximadamente 2% a aproximadamente 10% mayor, por ejemplo, de aproximadamente 2% a aproximadamente 5% mayor que las hojas de producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas (p. ej., la hoja de producto de papel tiene la misma cantidad de carga).
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En una realizacion, los coeficientes de dispersion y absorcion de la luz de la hoja se miden usando los datos de reflectancia de un instrumento Elrepho: R inf = reflectancia de una pila de 10 hojas, Ro = reflectancia de 1 hoja sobre una copa negra, y estos valores y la sustancia (g.m-2) de la hoja se introducen en la ecuacion de Kubelka - Munk descrita en "Paper Optics" de Nils Pauler, (publicado por Lorentzen y Wettre, ISBN 91-971-765-6-7), pag. 29-36.
La resistencia al estallido se usa ampliamente como una medida de la resistencia a la rotura en muchos tipos de papel. En algunas realizaciones, las hojas de producto de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, pueden tener una resistencia al estallido que es al menos aproximadamente 5% mayor, al menos aproximadamente 10% mayor, al menos aproximadamente 15% mayor, al menos aproximadamente 20% mayor, o al menos aproximadamente 25% mayor que las hojas de producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas (p. ej., la hoja de producto de papel tiene la misma cantidad de carga).
En una realizacion, la resistencia al estallido se determina usando el dispositivo Messemer Buchnel burst tester de acuerdo con SCAN P24.
En algunas realizaciones, dichas propiedades mejoradas de las hojas de producto de papel se pueden lograr en hojas de producto de papel que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, que incluye celulosa microfibrilada que tiene un dso en el intervalo de aproximadamente 25 pm a aproximadamente 250 pm, mas preferiblemente de aproximadamente 30 pm a aproximadamente 150 pm, incluso mas preferiblemente de aproximadamente 50 pm a aproximadamente 140 pm, todavfa mas preferiblemente de aproximadamente 70 pm a aproximadamente 130 pm, y lo mas preferiblemente de aproximadamente 50 pm a aproximadamente 120 pm. En realizaciones particulares, la celulosa microfibrilada de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas tiene un sesgo alto (como se define mas adelante) dirigido hacia un d50 deseado. En una realizacion, una distribucion de tamano de partfculas sesgada de la celulosa microfibrilada se puede producir por microfibrilacion del sustrato fibroso que comprende celulosa en presencia de un material inorganico en partfculas en un procedimiento discontinuo en el que la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas que tiene la inclinacion de la celulosa microfibrilada deseada se puede arrastrar por lavado del aparato de microfibrilacion con agua o cualquier otro lfquido.
En algunas realizaciones la celulosa microfibrilada de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas tiene una distribucion de tamano de partfculas monomodal. En otras realizaciones la celulosa microfibrilada de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas tiene una distribucion de tamano de partfculas multimodal producida, por ejemplo, por microfibrilacion menor o parcial del sustrato fibroso que comprende celulosa en presencia del material inorganico en partfculas.
Revestimientos
En algunas realizaciones, los revestimientos pueden comprender una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas. Los revestimientos que comprenden una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas tambien se pueden usar como papel funcional tal como el usado para el envasado de lfquidos, revestimientos de barrera o aplicaciones de electronica impresa. Por ejemplo, el revestimiento funcional puede ser una capa de barrera, p. ej., una capa de barrera de lfquidos, o el revestimiento funcional puede ser una capa de electronica impresa.
El revestimiento que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas se puede aplicar a un producto de papel para producir un revestimiento de producto de papel o de papel que tenga mayores propiedades de resistencia (p. ej., resistencia a la traccion, resistencia al rasgado y rigidez), mayor brillo y/o mejores propiedades de impresion (p. ej., brillo de impresion, rotura, densidad de impresion, o porcentaje de puntos perdidos). Por ejemplo, el producto de papel revestido con un revestimiento que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas puede tener una resistencia a la traccion aproximadamente 5% mayor, aproximadamente 10% mayor, o aproximadamente 20% mayor que la resistencia a la traccion de un producto de papel revestido con un revestimiento desprovisto de una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas. En algunas realizaciones, el producto de papel revestido con un revestimiento que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas puede tener una resistencia al rasgado aproximadamente 5% mayor, aproximadamente 10% mayor, o aproximadamente 20% mayor que la resistencia al rasgado de un producto de papel revestido con un revestimiento desprovisto de una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas. En algunas realizaciones, el producto de papel revestido con un revestimiento que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas puede tener una rigidez aproximadamente 5% mayor, aproximadamente 10% mayor, o aproximadamente 20% mayor que una rigidez del producto de papel revestido con un revestimiento desprovisto de una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas. En algunas realizaciones, el producto de papel revestido con un revestimiento que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas puede tener un brillo aproximadamente 5% mayor, aproximadamente 10% mayor, o aproximadamente 20% mayor que el brillo de un producto de papel revestido con un revestimiento desprovisto de una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas. En algunas
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realizaciones, el producto de papel revestido con un revestimiento que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas puede tener una propiedad de barrera que es mejor que la propiedad de barrera del producto de papel revestido con un revestimiento desprovisto de una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas. La propiedad de barrera se puede seleccionar de la velocidad a la que uno o mas de oxfgeno, humedad, grasa y aromas pasan (es decir, son transmitidos) a traves del producto de papel revestido. El revestimiento que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas puede, por lo tanto, ralentizar o mejorar (es decir, disminuir) la velocidad a la que uno o mas de oxfgeno, humedad, grasa y aromas pasan a traves del producto de papel revestido.
En algunas realizaciones, la resistencia a la traccion, resistencia al rasgado y brillo se determinan de acuerdo con los metodos descritos antes.
En realizaciones, la rigidez (es decir, el modulo elastico) se determina de acuerdo con el metodo de medicion de rigidez descrito en J.C. Husband, L.F. Gate, N. Norouzi, y D. Blair, "The lnfluence of kaolin Shape Factor on the Stiffness of Coated Papers", TAPPI Journal, Junio 2009, pag. 12-17 (vease en particular la seccion titulada “Metodos experimentales”); y J.C. Husband, J.S. Preston, L.F. Gate, A. Storer, y P. Creaton, "The lnfluence of Pigment Particle Shape on the ln-Plane tensile Strength Properties of Kaolin-based Coating Layers", TAPPI Journal, Diciembre 2006, pag. 3-8 (vease en particular la seccion titulada “Metodos experimentales”).
En una realizacion, el material inorganico en partfculas es caolm. Ventajosamente, el caolm es un caolm laminado o un caolm hiperlaminado.
Composiciones dispersables
En algunas realizaciones, la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas puede estar en forma de una composicion seca o sustancialmente seca redispersable, producida por los procedimientos descritos en la presente memoria o por cualquier otro procedimiento de secado conocido en la tecnica (p. ej., liofilizado). La composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas secada se puede dispersar facilmente en un medio acuoso o no acuoso (p. ej., polfmeros).
Por lo tanto, de acuerdo con un tercer aspecto de la presente invencion, se proporciona una composicion de polfmero que comprende la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas descrita en la presente memoria.
La composicion de polfmero puede comprender al menos aproximadamente 0,5% en peso, al menos aproximadamente 5% en peso, al menos aproximadamente 10% en peso, al menos aproximadamente 15% en peso, al menos aproximadamente 20% en peso, al menos aproximadamente 25% en peso, al menos aproximadamente 30% en peso, o al menos aproximadamente 35% en peso de una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas, basado en el peso total de la composicion de polfmero. En general, el polfmero comprendera como maximo aproximadamente 50% en peso, por ejemplo, como maximo aproximadamente 45% en peso, o como maximo aproximadamente 40% en peso de una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas. En una realizacion particular, la composicion de polfmero comprende de aproximadamente 25% a aproximadamente 35% de una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas. El contenido de fibra de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas puede ser al menos aproximadamente 2% en peso, al menos aproximadamente 3% en peso, al menos aproximadamente 4% en peso, al menos aproximadamente 5% en peso, al menos aproximadamente 6% en peso, al menos aproximadamente 7% en peso, al menos aproximadamente 8% en peso, al menos aproximadamente 10% en peso, al menos aproximadamente 11% en peso, al menos aproximadamente 12% en peso, al menos aproximadamente 13% en peso, al menos aproximadamente 14% en peso o al menos aproximadamente 15% en peso. En general, el contenido de fibra de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas sera menor de aproximadamente 25% en peso, por ejemplo, menor de aproximadamente 20% en peso.
El polfmero puede comprender cualquier polfmero natural o sintetico o una mezcla de los mismos. El polfmero puede ser, por ejemplo, termoplastico o termoendurecible. El termino "polfmero” usado en la presente memoria incluye homopolfmeros y/o copolfmeros, asf como polfmeros reticulados y/o enredados.
Los polfmeros, que incluyen homopolfmeros y/o copolfmeros, comprendidos en la composicion de polfmero de la presente invencion se pueden preparar a partir de uno o mas de los siguientes monomeros: acido acnlico, acido metacnlico, metacrilato de metilo y acrilatos de alquilo que tienen 1-18 atomos de carbono en el grupo alquilo, estireno, estirenos sustituidos, divinilbenceno, ftalato de dialilo, butadieno, acetato de vinilo, acrilonitrilo, metacrilonitrilo, anhndrido maleico, esteres de acido maleico o acido fumarico, acido o anhndrido tetrahidroftalico, acido o anhndrido itaconico, y esteres de acido itaconico, con o sin un dfmero, tnmero o tetramero de reticulacion, acido crotonico, neopentilglicol, propilenglicol, butanodioles, etilenglicol, dietilenglicol, dipropilenglicol, glicerol, ciclohexanodimetano, 1,6-hexanodiol, trimetilolpropano, pentaeritritol, anhidrido ftalico, acido isoftalico, acido tereftalico, anhidrido hexahidroftalico, acido adfpico o acidos succmicos, acido azelaico y acidos grasos dfmeros,
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tolueno-diisocianato y difenilmetano-diisocianato. Se prefieren copoUmeros que comprenden monomeros metacrilato de metilo y estireno.
El polfmero se puede seleccionar de uno o mas de poli(metacrilato de metilo) (PMMA), poliacetal, policarbonato, poliacrilonitrilo, polibutadieno, poliestireno, poliacrilato, polipropileno, polfmeros epoxi, poliesteres insaturados, poliuretanos, policiclopentadienos y copoKmeros de los mismos. Los polfmeros adecuados tambien incluyen cauchos Uquidos, tales como siliconas.
La preparacion de composiciones de polfmeros de la presente invencion se puede llevar a cabo por cualquier metodo de mezcla adecuado conocido en la tecnica, como sera facilmente evidente para un experto en la tecnica.
Dichos metodos incluyen la combinacion de los componentes individuales o sus precursores y el posterior procesamiento de una forma convencional. Algunos de los ingredientes se pueden, si se desea, mezclar previamente antes de la adicion a la mezcla de composicion.
En el caso de composiciones de polfmeros termoplasticos, dicho procesamiento puede comprender la mezcla en estado fundido, sea directamente en una extrusora para hacer un artfculo a partir de la composicion, o la premezcla en un aparato de mezcla separado. Las mezclas en seco de los componentes individuales, alternativamente, se pueden moldear por inyeccion directamente sin premezcla en estado fundido.
La composicion de polfmero se puede preparar mezclando los componentes de la misma mtimamente entre sf. Dicha composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas despues se puede mezclar adecuadamente con el polfmero y cualesquiera componentes adicionales deseados, antes de procesar como se ha descrito antes.
Para la preparacion de composiciones de polfmero reticuladas o curadas, la mezcla de los componentes no curados o sus precursores, y, si se desea, la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas y cualquier componente o componentes no perlita deseados, se pondran en contacto en condiciones adecuadas de calor, presion y/o luz, con una cantidad eficaz de cualquier agente de reticulacion o sistema de curado, de acuerdo con la naturaleza y la cantidad del polfmero usado, con el fin de reticular y/o curar el polfmero.
Para la preparacion de las composiciones de polfmero donde estan presentes in situ la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas y cualquier otro u otros componentes deseados en el momento de la polimerizacion, la combinacion del o de los monomeros y cualesquiera otros precursores de polfmero deseados, la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas y cualquier otro u otros componentes deseados, se pondra en contacto en las condiciones adecuadas de calor, presion y/o luz, de acuerdo con la naturaleza y cantidad del o de los monomeros usados, con el fin de polimerizar el o los monomeros con la perlita y cualquier otro u otros componentes in situ.
El sustrato fibroso que comprende celulosa
El sustrato fibroso que comprende celulosa se puede obtener de cualquier fuente adecuada tal como madera, hierbas (p. ej., cana de azucar, bambu) o trapos (p. ej., residuos textiles, algodon, canamo o lino). El sustrato fibroso que comprende celulosa puede estar en forma de una pasta (es decir, una suspension de fibras de celulosa en agua), que se puede preparar por cualquier tratamiento qrnmico o mecanico adecuado, o combinacion de los mismos. Por ejemplo, la pasta puede ser una pasta qrnmica, o una pasta quimiotermomecanica, o una pasta mecanica o una pasta reciclada, o un desecho de papelera, o una corriente residual de papelera, o residuos de una papelera o una combinacion de los mismos. La pasta de celulosa se puede batir (por ejemplo, en una batidora Valley) y/o refinar de otra forma (por ejemplo, por procesamiento en un refinador conico o de placa) a cualquier grado de refinado predeterminado, descrito en la tecnica como el grado de refinado canadiense (CSF) en cm3. El CSF significa un valor para el refinado o tasa de drenaje de la pasta medido por la velocidad a la que se puede drenar una suspension de pasta. Por ejemplo, la pasta de celulosa puede tener un grado de refinado canadiense de aproximadamente 10 cm3 o mayor antes de ser microfibrilada. La pasta de celulosa puede tener un CSF de aproximadamente 700 cm3o menos, por ejemplo, igual o menor de aproximadamente 650 cm3, o igual o menos de aproximadamente 600 cm3, o igual o menos de aproximadamente 550 cm3, o igual o menos de aproximadamente 500 cm3, o igual o menos de aproximadamente 450 cm3, o igual o menos de aproximadamente 400 cm3, o igual o menos de aproximadamente 350 cm3, o igual o menos de aproximadamente 300 cm3, o igual o menos de aproximadamente 250 cm3, o igual o menos de aproximadamente 200 cm3, o igual o menos de aproximadamente 150 cm3, o igual o menos de aproximadamente 100 cm3, o igual o menos de aproximadamente 50 cm3. Despues se puede eliminar el agua de la pasta de celulosa por metodos bien conocidos en la tecnica, por ejemplo, la pasta se puede filtrar a traves de un tamiz con el fin de obtener una hoja humeda que comprende al menos aproximadamente 10% de solidos, por ejemplo, al menos aproximadamente 15% de solidos, o al menos aproximadamente 20% de solidos, o al menos aproximadamente 30% de solidos, o al menos aproximadamente 40% de solidos. La pasta se puede usar en un estado no refinado, es decir sin batir o sin eliminar el agua, o de lo contrario refinada.
El sustrato fibroso que comprende celulosa se puede anadir a un recipiente de trituracion u homogeneizador en un estado seco. Por ejemplo, se puede anadir un desecho de papelera seco directamente en el recipiente del triturador. El entorno acuoso en el recipiente del triturador despues facilitara la formacion de una pasta.
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El material inorganico en partfculas
El material inorganico en partfculas puede ser, por ejemplo, un carbonato o sulfato de metal alcalinoterreo, tal como carbonato de calcio, carbonato de magnesio, dolomita, yeso, una arcilla kandita hidratada tal como caolm, haloisita o arcilla de bola, una arcilla kandita anhidra (calcinada) tal como metacaolm o caolm completamente calcinado, talco, mica, huntita, hidromagnesita, vidrio triturado, perlita o tierra de diatomeas, o hidroxido magnesico o aluminio trihidrato, o combinaciones de los mismos.
Un material inorganico en partmulas preferido para usar en el metodo de acuerdo con el primer aspecto de la presente invencion es el carbonato de calcio. En lo sucesivo, se tendera a describir la invencion en terminos de carbonado de calcio, y en relacion con aspectos donde el carbonato de calcio es procesado y/o tratado. No debe considerarse que la invencion esta limitada por dichas realizaciones.
El carbonato de calcio en partmulas usado en la presente invencion se puede obtener de una fuente natural por trituracion. El carbonato de calcio triturado (GCC) se obtiene tfpicamente por rotura y despues trituracion de una fuente mineral tal como yeso, marmol o caliza, a lo que le puede seguir una etapa de clasificacion por tamano de partmulas, con el fin de obtener un producto que tenga el grado de finura deseado. Tambien se pueden usar otras tecnicas tales como blanqueado, separacion por flotacion y magnetica para obtener un producto que tenga el grado deseado de finura y/o color. El material solido en partfculas se puede triturar de forma autogena, es decir, por desgaste entre las propias partfculas del material solido, o, alternativamente, en presencia de un medio de trituracion en partmulas que comprende partmulas de un material diferente del carbonato de calcio que se va a triturar. Estos procedimientos se pueden llevar a cabo con o sin la presencia de un dispersante y biocidas, que se pueden anadir en cualquier etapa del procedimiento.
Se puede usar carbonato de calcio precipitado (PCC) como la fuente del carbonato de calcio en partmulas en la presente invencion, y se puede producir por cualquiera de los metodos conocidos disponibles en la tecnica. TAPPI Monograph Series No 30, "Paper Coating Pigments", paginas 34-35 describe los tres procedimientos comerciales principales para preparar carbonato de calcio precipitado que es adecuado para usar en la preparacion de productos para usar en la industria papelera, pero tambien se puede usar en la practica de la presente invencion. En los tres procedimientos, un material alimentado de carbonato de calcio, tal como caliza, se calcina primero para producir cal viva, y despues la cal viva se apaga en agua para dar hidroxido de calcio o lechada de cal. En el primer procedimiento, la lechada de cal se carbonata directamente con dioxido de carbono gaseoso. Este procedimiento tiene la ventaja de que no se forman subproductos, y es relativamente facil controlar las propiedades y pureza del producto de carbonato de calcio. En el segundo procedimiento la lechada de cal se pone en contacto con carbonato de sodio anhidro para producir, por doble descomposicion, un precipitado de carbonato de calcio y una solucion de hidroxido de sodio. El hidroxido de sodio se puede separar sustancialmente de forma completa del carbonato de calcio, si se usa este procedimiento comercialmente. En el tercer procedimiento comercial principal, la lechada de cal se pone en contacto primero con cloruro amonico para dar una solucion de cloruro de calcio y amoniaco gaseoso. La solucion de cloruro de calcio despues se pone en contacto con carbonato de sodio anhidro para producir, por doble descomposicion, carbonato de calcio precipitado y una solucion de cloruro de sodio. Los cristales se pueden producir en una variedad de formas y tamanos diferentes, dependiendo del procedimiento de reaccion espedfico que se use. Las tres formas principales de cristales de PCC son aragonita, romboedrico y escalenoedrico (p. ej., calcita), todas las cuales son adecuadas para usar en la presente invencion, incluyendo sus mezclas.
La trituracion en humedo del carbonato de calcio implica la formacion de una suspension acuosa de carbonato de calcio que despues se puede triturar, opcionalmente en presencia de un agente de dispersion adecuado. Se puede hacer referencia, por ejemplo, al documento, EP-A-614948 para mas informacion en relacion con la trituracion en humedo del carbonato de calcio.
En algunas circunstancias, se pueden incluir cantidades minoritarias de otros minerales, por ejemplo, tambien podnan estar presentes uno o mas de caolm, caolm calcinado, wollastonita, bauxita, talco o mica.
Cuando el material inorganico en partmulas de la presente invencion se obtiene de fuentes que se encuentran de forma natural, puede darse que algunas impurezas minerales contaminen el material triturado. Por ejemplo, el carbonato de calcio que se encuentra de forma natural puede estar presente asociado con otros minerales. Por lo tanto, en algunas realizaciones, el material inorganico en partmulas incluye una cantidad de impurezas. Sin embargo, en general, el material inorganico en partmulas usado en la invencion contendra menos de aproximadamente 5% en peso, preferiblemente menos de aproximadamente 1% en peso de otras impurezas minerales.
El material inorganico en partmulas usado durante la etapa de microfibrilacion del metodo de la presente invencion, preferiblemente tendra una distribucion del tamano de partmulas en la que al menos 10% en peso de las partmulas tienen un e.s.d. (diametro esferico equivalente) menor de 2 pm, por ejemplo, al menos aproximadamente 20% en peso, o al menos aproximadamente 30% en peso, o al menos aproximadamente 40% en peso, o al menos aproximadamente 50% en peso, o al menos aproximadamente 60% en peso, o al menos aproximadamente 70% en peso, o al menos aproximadamente 80% en peso, o al menos aproximadamente 90% en peso, o al menos aproximadamente 95% en peso, o aproximadamente 100% de las partmulas tiene un e.s.d of menor de 2 pm.
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Salvo que se indique otra cosa, las propiedades del tamano de partmulas citado en la presente memoria para los materiales inorganicos en partmulas, se miden de una forma conocida por sedimentacion del material en partmulas en condiciones completamente dispersas en un medio acuoso usando una maquina Sedigraph 5100 suministrada por Micromeritics lnstruments Corporation, Norcross, Georgia, EE.UU. (telefono: +1 770 662 3620; sitio web:
www.micromeritics.com), denominado en la presente memoria "unidad Sedigraph 5100 de Micromeritics ". Dicha maquina proporciona mediciones y una grafica del porcentaje acumulado en peso de partmulas que tienen un tamano, denominado en la tecnica el “diametro esferico equivalente” (e.s.d.), menor que valores de e.s.d. dados. El tamano medio de partmulas d50 es el valor determinado de esta forma del e.s.d. de la partmula en el que hay 50% en peso de las partmulas que tienen un diametro esferico equivalente menor que ese valor de d50.
Alternativamente, cuando se indique, las propiedades del tamano de partmulas citadas en la presente memoria para los materiales inorganicos en partmulas, se miden por el metodo convencional bien conocido usado en la tecnica de dispersion de luz laser, usando una maquina Malvern Mastersizer suministrada por Malvern lnstruments Ltd (o por otros metodos que dan esencialmente el mismo resultado). En la tecnica de la dispersion de luz laser, se puede medir el tamano de partmulas en polvo, suspensiones y emulsiones usando la difraccion de un haz laser, basado en una aplicacion de la teona de Mie. Dicha maquina proporciona mediciones y una grafica del porcentaje en volumen acumulado de partmulas que tienen un tamano, denominado en la tecnica el “diametro esferico equivalente” (e.s.d.), menor que valores de e.s.d. dados. El tamano medio de partmulas d50 es el valor determinado de esta forma del e.s.d. de la partmula en el que hay 50% en volumen de las partmulas que tienen un diametro esferico equivalente menor que ese valor de d50.
En otra realizacion, el material inorganico en partmulas usado durante la etapa de microfibrilacion del metodo de la presente invencion, preferiblemente tendra una distribucion del tamano de partmulas, medido usando la maquina Malvern Mastersizer, en el que al menos aproximadamente 10% en volumen de las partmulas tienen un e.s.d. menor que 2 pm, por ejemplo, al menos aproximadamente 20% en volumen, o al menos aproximadamente 30% en volumen, o al menos aproximadamente 40% en volumen, o al menos aproximadamente 50% en volumen, o al menos aproximadamente 60% en volumen, o al menos aproximadamente 70% en volumen, o al menos aproximadamente 80% en volumen, o al menos aproximadamente 90% en volumen, o al menos aproximadamente 95% en volumen, o aproximadamente 100% en volumen de las partmulas tienen un e.s.d of menor de 2 pm.
Salvo que se indique otra cosa, las propiedades del tamano de partmulas de los materiales de celulosa microfibrilados son como se miden por el metodo convencional bien conocido usado en la tecnica de dispersion de luz laser, usando una maquina Malvern Mastersizer suministrada por Malvern lnstruments Ltd (o por otros metodos que dan esencialmente el mismo resultado).
Se proporcionan mas adelante detalles del procedimiento usado para caracterizar las distribuciones del tamano de partmulas de mezclas del material inorganico en partmulas y la celulosa microfibrilada usando una maquina Malvern Mastersizer S.
Otro material inorganico en partmulas preferido para usar en el metodo de acuerdo con el primer aspecto de la presente invencion es la arcilla caolm. En lo sucesivo, se puede tender a describir esta seccion de la memoria descriptiva en terminos del caolm, y en relacion a aspectos donde el caolm es procesado y/o tratado. No debe considerarse que la invencion este limitada por dichas realizaciones. Por lo tanto, en algunas realizaciones, se usa caolm en una forma no procesada.
La arcilla caolm usada en esta invencion puede ser un material procesado derivado de una fuente natural, en concreto mineral arcilloso de caolm natural bruto. La arcilla caolm procesada puede contener tfpicamente al menos aproximadamente 50% en peso de caolinita. Por ejemplo, la mayona de las arcillas caolm procesadas en el comercio contienen mas de aproximadamente 75% en peso de caolinita y pueden contener mas de aproximadamente 90%, en algunos casos mas de aproximadamente 95% en peso de caolinita.
La arcilla caolm usada en la presente invencion se puede preparar a partir del mineral arcilloso de caolm natural en bruto mediante uno o mas de otros procedimientos que son bien conocidos para el experto en la tecnica, por ejemplo, por etapas de refinado o enriquecimiento.
Por ejemplo, el mineral arcilloso se puede blanquear con un agente de blanqueo reductor, tal como hidrosulfito sodico. Si se usa hidrosulfito sodico, opcionalmente se puede extraer el agua del mineral arcilloso blanqueado, y opcionalmente lavar y de nuevo opcionalmente extraer el agua, despues de la etapa de blanqueo con hidrosulfito sodico.
El mineral arcilloso se puede tratar para eliminar las impurezas, p. ej., por tecnicas de floculacion, flotacion o separacion magnetica, bien conocidas en la tecnica. Alternativamente, el mineral arcilloso usado en el primer aspecto de la invencion puede no estar tratado en forma de un solido o como una suspension acuosa.
El procedimiento para preparar la arcilla caolm en partmulas usado en la presente invencion tambien puede incluir una o mas etapas de fragmentacion, p. ej., trituracion o molienda. Se usa la fragmentacion ligera de un caolm grueso para producir su deslaminacion adecuada. La fragmentacion se puede llevar a cabo usando perlas o granulos de un plastico (p. ej., nailon), arena o auxiliar de trituracion o molienda ceramico. El caolm grueso se puede refinar para
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separar las impurezas y mejorar las propiedades ffsicas usando procedimientos bien conocidos. La arcilla caolm se puede tratar por un procedimiento de clasificacion de tamano de partfculas conocido, p. ej., cribado y centrifugacion (o ambos), para obtener partfculas que tienen un valor deseado de d50 o distribucion de tamano de partfculas.
El procedimiento de microfibrilacion
De acuerdo con el primer aspecto de la invencion, se proporciona un metodo de preparacion de una composicion para usar como una carga en papel o como un revestimiento de papel, que comprende una etapa de microfibrilacion de un sustrato fibroso que comprende celulosa en presencia de un material inorganico en partfculas. De acuerdo con realizaciones particulares de los presentes metodos, la etapa de microfibrilacion se lleva a cabo en presencia de un material inorganico en partfculas que actua como agente de microfibrilacion.
Por microfibrilacion se entiende un procedimiento en el que microfibrillas de celulosa son liberadas o parcialmente liberadas como especies individuales o como agregados mas pequenos, comparado con las fibras de la pasta antes de microfibrilacion. Las fibras de celulosa tfpicas (es decir, la pasta antes de microfibrilacion) adecuada para usar en la fabricacion de papel incluye agregados mas grandes de cientos o miles de microfibrillas de celulosa individuales. Mediante la microfibrilacion de la celulosa, se imparten caractensticas y propiedades particulares, que incluyen pero no se limitan a las caractensticas y propiedades descritas en la presente memoria, a la celulosa microfibrilada y las composiciones que incluyen la celulosa microfibrilada.
La etapa de microfibrilacion se puede llevar a cabo en cualquier aparato adecuado, que incluye, pero no se limita a un refinador. En una realizacion, la etapa de microfibrilacion se lleva a cabo en un recipiente de trituracion en condiciones de trituracion en humedo. En otra realizacion, la etapa de microfibrilacion se lleva a cabo en un homogeneizador. Cada una de estas realizaciones se describe con mas detalle a continuacion.
Trituracion en humedo
La trituracion se lleva a cabo adecuadamente de una forma convencional. La trituracion puede ser un procedimiento de trituracion por desgaste en presencia de un medio de trituracion en partfculas, o puede ser un procedimiento de trituracion autogeno, es decir, uno en ausencia de un medio de trituracion. Por medio de trituracion se entiende un medio distinto del material inorganico en partfculas que es cotriturado con el sustrato fibroso que comprende celulosa.
El medio de trituracion en partfculas, cuando esta presente, puede ser un material natural o sintetico. El medio de trituracion puede comprender, por ejemplo, bolas, perlas o pelets de cualquier mineral, material ceramico o metalico duro. Dichos materiales pueden incluir, por ejemplo, alumina, circonia, silicato de circonio, silicato de aluminio o el material rico en mullita que es producido por calcinacion de la arcilla caolimtica a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 1300°C a aproximadamente 1800°C. Por ejemplo, en algunas realizaciones, se prefiere un medio de trituracion Carbolite®. Alternativamente, se pueden usar partfculas de arena natural de un tamano de partfculas adecuado.
En general, el tipo y el tamano de las partfculas del medio de trituracion que se selecciona para usar en la invencion, puede depender de propiedades tales como, p. ej., el tamano de partfculas y la composicion qrnmica, la suspension de alimentacion del material que se va a triturar. Preferiblemente, el medio de trituracion en partfculas comprende partfculas que tienen un diametro medio en el intervalo de aproximadamente 0,1 mm a aproximadamente 6,0 mm y mas preferiblemente en el intervalo de aproximadamente 0,2 mm a aproximadamente 4,0 mm. El medio (o medios) de trituracion puede estar presente en una cantidad de hasta aproximadamente 70% en volumen de la carga. El medio de trituracion puede estar presente en una cantidad de al menos aproximadamente 10% en volumen de la carga, por ejemplo, al menos aproximadamente 20% en volumen de la carga, o al menos aproximadamente 30% en volumen de la carga, o al menos aproximadamente 40% en volumen de la carga, o al menos aproximadamente 50% en volumen de la carga, o al menos aproximadamente 60% en volumen de la carga.
La trituracion se puede llevar a cabo en una o mas etapas. Por ejemplo, un material inorganico en partfculas grueso se puede triturar en el recipiente del triturador a una distribucion de tamano de partfculas predeterminado, despues de lo cual se anade el material fibroso que comprende celulosa y se continua la trituracion hasta obtener el nivel de microfibrilacion deseado. El material inorganico en partfculas grueso usado de acuerdo con el primer aspecto de esta invencion, inicialmente puede tener una distribucion de tamano de partfculas en la que menos de aproximadamente 20% en peso de las partfculas tiene un e.s.d. menor que 2 pm, por ejemplo, menos de aproximadamente 15% en peso, o menos de aproximadamente 10% en peso de las partfculas tiene un e.s.d. menor que 2 pm. En otra realizacion el material inorganico en partfculas grueso usado de acuerdo con el primer aspecto de esta invencion, inicialmente puede tener una distribucion de tamano de partfculas, medido con una maquina Malvern Mastersizer S, en la que menos de aproximadamente 20% en peso de las partfculas tiene un e.s.d. menor que 2 pm, por ejemplo, menos de aproximadamente 15% en volumen, o menos de aproximadamente 10% en volumen de las partfculas tiene un e.s.d. menor que 2 pm.
El material inorganico en partfculas grueso se puede triturar en humedo o en seco, en ausencia o presencia de un medio de trituracion. En el caso de una etapa de trituracion en humedo, el material inorganico en partfculas grueso preferiblemente se tritura en una suspension acuosa en presencia de un medio de trituracion. En dicha suspension,
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el material inorganico en partfculas grueso puede estar presente preferiblemente en una cantidad de aproximadamente 5% a aproximadamente 85% en peso de la suspension, mas preferiblemente en una cantidad de aproximadamente 20% a aproximadamente 80% en peso de la suspension. Lo mas preferiblemente, el material inorganico en partfculas grueso puede estar presente en una cantidad de aproximadamente 30% a aproximadamente 75% en peso de la suspension. Como se ha descrito antes, el material inorganico en partfculas grueso se puede triturar a una distribucion de tamano de partfculas tal que al menos aproximadamente 10% en peso de las partfculas tiene un e.s.d. menor que 2 pm, por ejemplo, al menos aproximadamente 20% en peso, o al menos aproximadamente 30% en peso, o al menos aproximadamente 40% en peso, o al menos aproximadamente 50% en peso, o al menos aproximadamente 60% en peso, o al menos aproximadamente 70% en peso, o al menos aproximadamente 80% en peso, o al menos aproximadamente 90% en peso, o al menos aproximadamente 95% en peso, o aproximadamente 100% en peso de las partfculas tienen un e.s.d menor de 2 pm, despues de lo cual se anade la pasta de celulosa y los dos componentes se cotrituran para microfibrilar las fibras de la pasta de celulosa. En otra realizacion, el material inorganico en partfculas grueso se tritura a una distribucion de tamano de partfculas, medida usando la maquina Malvern Mastersizer S, tal que al menos aproximadamente 10% en volumen de las partfculas tienen un e.s.d de menos de 2 pm, por ejemplo, al menos aproximadamente 20% en volumen, o al menos aproximadamente 30% en volumen, o al menos aproximadamente 40% en volumen, o al menos aproximadamente 50% en volumen, o al menos aproximadamente 60% en volumen, o al menos aproximadamente 70% en volumen, o al menos aproximadamente 80% en volumen, o al menos aproximadamente 90% en volumen, o al menos aproximadamente 95% en volumen, o aproximadamente 100% en volumen de las partfculas tienen un e.s.d de menos de 2 pm, despues de lo cual se anade la pasta de celulosa y los dos componentes se cotrituran para microfibrilar las fibras de la pasta de celulosa.
En una realizacion, el tamano medio de partfculas (d50) del material inorganico en partfculas se reduce durante el procedimiento de cotrituracion. Por ejemplo el d50 del material inorganico en partfculas se puede reducir en al menos aproximadamente 10% (medido por una maquina Malvern Mastersizer S), por ejemplo, el d50 del material inorganico en partfculas se puede reducir en al menos aproximadamente 20%, o reducir en al menos aproximadamente 30%, o reducir en al menos aproximadamente 50%, o reducir en al menos aproximadamente 50%, o reducir en al menos aproximadamente 60%, o reducir en al menos aproximadamente 70%, o reducir en al menos aproximadamente 80%, o reducir en al menos aproximadamente 90%. Por ejemplo, un material inorganico en partfculas que tiene un d50 de 2,5 pm antes de la cotrituracion y un d50 de 1,5 pm despues de cotrituracion, se habra sometido a una reduccion de 40% del tamano de partfculas. En algunas realizaciones, el tamano medio de partfculas del material inorganico en partfculas no se reduce significativamente durante el procedimiento de cotrituracion. Por "no se reduce significativamente" se entiende que el d50 del material inorganico en partfculas se reduce en menos de
aproximadamente 10%, por ejemplo, el d50 del material inorganico en partfculas se reduce en menos de
aproximadamente 5%.
El sustrato fibroso que comprende celulosa se puede microfibrilar en presencia de un material inorganico en
partfculas para obtener celulosa microfibrilada que tenga un d50 en el intervalo de aproximadamente 5 pm a
aproximadamente 500 pm, medido por dispersion de la luz laser. El sustrato fibroso que comprende celulosa se puede microfibrilar en presencia de un material inorganico en partfculas para obtener celulosa microfibrilada que tiene un d50 igual a o menor de aproximadamente 400 pm, por ejemplo, igual a o menor de aproximadamente 300 pm, o igual a o menor de aproximadamente 200 pm, o igual a o menor de aproximadamente 150 pm, o igual a o menor de aproximadamente 125 pm, o igual a o menor de aproximadamente 100 pm, o igual a o menor de aproximadamente 90 pm, o igual a o menor de aproximadamente 80 pm, o igual a o menor de aproximadamente 70 pm, o igual a o menor de aproximadamente 60 pm, o igual a o menor de aproximadamente 50 pm, o igual a o menor de aproximadamente 40 pm, o igual a o menor de aproximadamente 30 pm, o igual a o menor de aproximadamente 20 pm, o igual a o menor de aproximadamente 10 pm.
El sustrato fibroso que comprende celulosa se puede microfibrilar en presencia de un material inorganico en partfculas para obtener celulosa microfibrilada que tiene un tamano de partfculas de fibra modal en el intervalo de aproximadamente 0,1-500 pm y un tamano de partfculas del material inorganico en partfculas modal en el intervalo de 0,25-20 pm. El sustrato fibroso que comprende celulosa se puede microfibrilar en presencia de un material inorganico en partfculas para obtener celulosa microfibrilada que tiene un tamano de partfculas de fibra modal de al menos aproximadamente 0,5 pm, por ejemplo, al menos aproximadamente 10 pm, o al menos aproximadamente 50 pm, o al menos aproximadamente 100 pm, o al menos aproximadamente 150 pm, o al menos aproximadamente 200 pm, o al menos aproximadamente 300 pm, o al menos aproximadamente 400 pm.
El sustrato fibroso que comprende celulosa se puede microfibrilar en presencia de un material inorganico en partfculas para obtener celulosa microfibrilada que tiene un sesgo de la fibra de 20 a 50, medida por Malvern. El sesgo de la fibra (es decir, el sesgo de la distribucion del tamano de partfculas de las fibras) se determina mediante la siguiente formula:
Sesgo = 100 x (d30/d70)
Mas en particular, la celulosa microfibrilada puede tener un sesgo de la fibra de aproximadamente 25 a aproximadamente 40, o de aproximadamente 25 a aproximadamente 35, o de aproximadamente 30 a
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La trituracion se lleva a cabo adecuadamente en un recipiente de trituracion tal como un molino de tambor (p. ej., de barras, bolas y autogeno), un molino agitado (p. ej., SAM o IsaMill), un molino de torre, un Stirred Media Detritor (SMD), o un recipiente de trituracion que comprende placas de trituracion paralelas rotatorias entre las que se alimenta la alimentacion que se va a triturar.
En una realizacion, el recipiente de trituracion es un molino de torre. El molino de torre puede comprender una zona estatica encima de una o mas zonas de trituracion. Una zona estatica es una region situada hacia la parte superior del interior del molino de torre en la que tiene lugar una trituracion minima o no hay trituracion y comprende celulosa microfibrilada y material inorganico en partfculas. La zona estatica es una region en la que partfculas del medio de trituracion sedimentan en una o mas zonas de trituracion del molino de torre.
El molino de torre puede comprender un clasificador encima de una o mas zonas de trituracion. En una realizacion, el clasificador esta montado en la parte superior situado adyacente a una zona estatica. El clasificador puede ser un hidrociclon.
El molino de torre puede comprender un tamiz encima de una o mas zonas de trituracion. En una realizacion, el tamiz esta situado adyacente a una zona estatica y/o un clasificador. El tamiz puede estar disenado para separar el medio de trituracion de la suspension acuosa de producto que comprende celulosa microfibrilada y material inorganico en partfculas y para potenciar la sedimentacion del medio de trituracion.
En una realizacion, la trituracion se lleva a cabo en condiciones de flujo piston. En condiciones de flujo piston, el flujo a traves de la torre es tal que hay mezcla limitada de los materiales de trituracion a traves de la torre. Esto significa que en diferentes puntos a lo largo de la longitud del molino de torre, la viscosidad del entorno acuoso variara al aumentar la finura de la celulosa microfibrilada. Por lo tanto, en efecto, la region de trituracion en el molino de torre se puede considerar que comprende una o mas zonas de trituracion que tienen una viscosidad caractenstica. Un experto en la tecnica entendera que no hay lfmites marcados entre zonas adyacentes con respecto a la viscosidad.
En una realizacion, se anade agua a la parte superior del molino proxima a la zona estatica o el clasificador o el tamiz encima de una o mas zonas de trituracion para reducir la viscosidad de la suspension acuosa que comprende celulosa microfibrilada y material inorganico en partfculas. Mediante la dilucion del producto de celulosa microfibrilada y material inorganico en partfculas en este punto en el molino, se ha encontrado que mejora la prevencion del arrastre del medio de trituracion a la zona estatica y/o el clasificador y/o el tamiz. Ademas, el mezclamiento limitado a lo largo de la torre permite el procesamiento de mayor contenido de solidos mas abajo de la torre y diluido en la parte superior con flujo de retorno limitado del agua de dilucion de vuelta hacia abajo de la torre en una o mas zonas de trituracion. Se puede anadir cualquier cantidad de agua adecuada que sea eficaz para diluir la viscosidad de la suspension acuosa del producto que comprende la celulosa microfibrilada y el material inorganico en partfculas. El agua se puede anadir continuamente durante el procedimiento de trituracion, o a intervalos regulares o a intervalos irregulares.
En otra realizacion, se puede anadir agua a una o mas zonas de trituracion por uno o mas puntos de inyeccion del agua situados a lo largo de la longitud del molino de torre, cada punto de inyeccion de agua esta situado en una posicion que corresponde a una o mas zonas de trituracion. Ventajosamente, la capacidad de anadir agua en diferentes puntosa lo largo de la torre permite el mayor ajuste de las condiciones de trituracion en cualquiera o todas las posiciones a lo largo del molino.
El molino de torre puede comprender un eje impulsor equipado con una serie de discos rotores impulsores a lo largo de su longitud. La accion de los discos rotores impulsores crea una serie de zonas de trituracion discretas a lo largo del molino.
En una realizacion, la trituracion se lleva a cabo en un triturador de cribado, preferiblemente un Stirred media detritor. El triturador de cribado puede comprender uno o mas tamices que tienen un tamano de aberturas nominal de al menos aproximadamente 250 pm, por ejemplo, el uno o mas tamices pueden tener un tamano de aberturas nominal de al menos aproximadamente 300 pm, o al menos aproximadamente 350pm, o al menos aproximadamente 400 pm, o al menos aproximadamente 450 pm, o al menos aproximadamente 500 pm, o al menos aproximadamente
550 pm, o al menos aproximadamente 600 pm, o al menos aproximadamente 650 pm, o al menos aproximadamente
700 pm, o al menos aproximadamente 750 pm, o al menos aproximadamente 800 pm, o al menos aproximadamente
850 pm, o al menos aproximadamente 900 pm, o al menos aproximadamente 1000 pm.
Los tamanos de los tamices indicados inmediatamente antes se pueden aplicar a las realizaciones del molino de torre descritas antes.
Como se ha indicado antes, la trituracion se puede llevar a cabo en presencia de un medio de trituracion. En una realizacion, el medio de trituracion es un medio grueso que comprende partfculas que tienen un diametro medio en el intervalo de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 6 mm, por ejemplo aproximadamente 2 mm, o aproximadamente 3 mm, o aproximadamente 4 mm, o aproximadamente 5 mm.
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En otra realizacion, el medio de trituracion tiene una gravedad espedfica de al menos aproximadamente 2,5, por ejemplo, al menos aproximadamente 3, o al menos aproximadamente 3,5, o al menos aproximadamente 4,0, o al menos aproximadamente 4,5, o al menos aproximadamente 5,0, o al menos aproximadamente 5,5, o al menos aproximadamente 6,0.
En otra realizacion, el medio de trituracion comprende pardculas que tienen un diametro medio en el intervalo de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 6 mm y tiene una gravedad espedfica de al menos aproximadamente 2,5.
En otra realizacion, el medio de trituracion comprende pardculas que tiene un diametro medio de aproximadamente 3 mm y gravedad espedfica de aproximadamente 2,7.
Como se ha descrito antes, el medio (o medios) de trituracion pueden estar presentes en una cantidad de hasta aproximadamente 70% en volumen de la carga. El medio de trituracion puede estar presente en una cantidad de al menos aproximadamente 10% en volumen de la carga, por ejemplo, al menos aproximadamente 20% en volumen de la carga, o al menos aproximadamente 30% en volumen de la carga, o al menos aproximadamente 40% en volumen de la carga, o al menos aproximadamente 50% en volumen de la carga, o al menos aproximadamente 60% en volumen de la carga
En una realizacion, el medio de trituracion esta presente en una cantidad de aproximadamente 50% en volumen de la carga.
Por “carga” se entiende la composicion que es la alimentacion alimentada al recipiente de trituracion. La carga incluye agua, medio de trituracion, sustrato fibroso que comprende celulosa y material inorganico en partfculas, y cualesquiera otros aditivos opcionales descritos en la presente memoria. El uso de un medio relativamente grueso y/o denso tiene la ventaja de mejores tasas de sedimentacion (es decir, mas rapido) y menor medio arrastrado a traves de la zona estatica y/o clasificador y/o tamiz (tamices).
Una ventaja adicional de usar medios de trituracion relativamente gruesos es que el tamano medio de partfculas (d50) del material inorganico en partfculas puede no haberse reducido significativamente durante el procedimiento de trituracion de modo que la energfa impartida al medio de trituracion se gasta principalmente en la microfibrilacion del sustrato fibroso que comprende celulosa.
Una ventaja adicional de usar tamices relativamente gruesos es que se puede usar un medio de trituracion relativamente grueso o denso en la etapa de microfibrilacion. Ademas, el uso de tamices relativamente gruesos (es decir, que tienen una abertura nominal de al menos aproximadamente 250 pm) permite procesar y retirar del triturador un producto con contenido de solidos relativamente alto, lo que permite que una alimentacion con contenido relativamente alto de solidos (que comprende sustrato fibroso que comprende celulosa y material inorganico en partfculas) sea procesada en un procedimiento economicamente viable. Como se ha discutido antes, se ha encontrado que una alimentacion que tiene un contenido de solidos inicial alto es conveniente en terminos de suficiencia energetica. Ademas, tambien se ha encontrado que el producto producido (a una energfa dada) con contenido de solidos mas bajo tiene una distribucion del tamano de partfculas mas grueso.
Como se ha descrito en la seccion de “Antecedentes” anterior, la presente invencion busca abordar el problema de preparar celulosa microfibrilada de forma economica a una escala industrial.
Por lo tanto, de acuerdo con una realizacion, el sustrato fibroso que comprende celulosa y material inorganico en partfculas esta presente en el entorno acuoso con un contenido de solidos inicial de al menos aproximadamente 4% en peso, del cual al menos aproximadamente 2% en peso es sustrato fibroso que comprende celulosa. El contenido de solidos inicial puede ser al menos aproximadamente 10% en peso, o al menos aproximadamente 20% en peso, o al menos aproximadamente 30% en peso, o al menos aproximadamente al menos 40% en peso. Al menos aproximadamente 5% en peso del contenido de solidos inicial puede ser sustrato fibroso que comprende celulosa, por ejemplo, al menos aproximadamente 10%, o al menos aproximadamente 15%, o al menos aproximadamente 20% en peso del contenido de solidos inicial puede ser sustrato fibroso que comprende celulosa.
En otra realizacion, la trituracion se lleva a cabo en una cascada de recipientes de trituracion, uno o mas de los cuales puede comprender una o mas zonas de trituracion. Por ejemplo, el sustrato fibroso que comprende celulosa y el material inorganico en partfculas se pueden triturar en una cascada de dos o mas recipientes de trituracion, por ejemplo, una cascada de tres o mas recipientes de trituracion, o una cascada de cuatro o mas recipientes de trituracion, o una cascada de cinco o mas recipientes de trituracion, o una cascada de seis o mas recipientes de trituracion, o una cascada de siete o mas recipientes de trituracion, o una cascada de ocho o mas recipientes de trituracion, o una cascada de nueve o mas recipientes de trituracion, o una cascada que comprende hasta diez recipientes de trituracion. La cascada de recipientes de trituracion puede estar operativamente unida en serie o paralelo o una combinacion de serie y paralelo. La salida de y/o la entrada a uno o mas de los recipientes de trituracion en la cascada puede estar sujeto a una o mas etapas de cribado y/o una o mas etapas de clasificacion.
La energfa total gastada en un procedimiento de microfibrilacion puede estar distribuida igualmente a lo largo de los recipientes de trituracion en cascada. Alternativamente, el aporte de energfa puede variar entre algunos o todos los
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recipientes de trituracion en la cascada.
Un experto en la tecnica entendera que la energfa gastada por recipiente puede variar entre recipientes en la cascada dependiendo de la cantidad de sustrato fibroso que se microfibrila en cada recipiente, y opcionalmente la velocidad de trituracion en cada recipiente, la duracion de la trituracion en cada recipiente, el tipo de medio de trituracion en cada recipiente y el tipo y cantidad de material inorganico en partfculas. Las condiciones de trituracion se pueden variar en cada recipiente en la cascada con el fin de controlar la distribucion del tamano de partfculas tanto de la celulosa microfibrilada como del material inorganico en partfculas. Por ejemplo, el tamano de los medios de trituracion se puede variar entre recipientes sucesivos en la cascada con el fin de reducir la trituracion del material inorganico en partfculas y dirigir la trituracion del sustrato fibroso que comprende celulosa.
En una realizacion, la trituracion se lleva a cabo en un circuito cerrado. En otra realizacion, la trituracion se lleva a cabo en un circuito abierto. La trituracion se puede realizar en un modo discontinuo. La trituracion se puede llevar a cabo en un modo discontinuo de recirculacion.
Como se ha descrito antes, el circuito de trituracion puede incluir una etapa de pretrituracion en la que las partfculas inorganicas gruesas son trituradas en un recipiente de trituracion a una distribucion de tamano de partfculas predeterminada, despues de lo cual el material fibroso que comprende celulosa se combina con el material inorganico en partfculas pretriturado y la trituracion continua en el mismo o diferente recipiente de trituracion hasta que se ha obtenido el nivel deseado de microfibrilacion.
Puesto que la suspension de material que se va a triturar puede ser de una viscosidad relativamente alta, se puede anadir preferiblemente un agente de dispersion adecuado a la suspension antes de la trituracion. El agente de dispersion puede ser, por ejemplo, un fosfato condensado soluble en agua, poli(acido silfcico) o una sal del mismo, o un polielectrolito, por ejemplo una sal soluble en agua de un poli(acido acnlico) o de un poli(acido metacnlico) que tiene un peso molecular medio en numero no superior a 80.000. La cantidad de agente dispersante usada en general estana en el intervalo de 0,1 a 2,0% en peso, basado en el peso del material solido inorganico en partfculas seco. La suspension se puede triturar adecuadamente a una temperatura en el intervalo de 4°C a 100°C.
Otros aditivos que se pueden incluir durante la etapa de microfibrilacion incluyen, carboximetilcelulosa, carboximetilcelulosa anfotera, agentes oxidantes, 2,2,6,6-tetrametilpiperidina-1-oxilo (TEMPO), derivados de TEMPO y enzimas que degradan la madera.
El pH de la suspension de material que se va a triturar puede ser aproximadamente 7 o mayor que aproximadamente 7 (es decir, basico), por ejemplo, el pH de la suspension puede ser aproximadamente 8, o aproximadamente 9, o aproximadamente 10, o aproximadamente 11. El pH de la suspension del material que se va a triturar puede ser menor de aproximadamente 7 (es decir, acido), por ejemplo, el pH de la suspension puede ser aproximadamente 6, o aproximadamente 5, o aproximadamente 4, o aproximadamente 3. El pH de la suspension de material que se va a triturar se puede ajustar por adicion de una cantidad adecuada de acido o base. Las bases adecuadas incluyen hidroxidos de metales alcalinos, tales como, por ejemplo NaOH. Otras bases adecuadas son carbonato sodico y amoniaco. Los acidos adecuados incluyen acidos inorganicos, tales como acido clortndrico, acido sulfurico o acidos organicos. Un acido ilustrativo es el acido ortofosforico.
La cantidad del material inorganico en partfculas y la pasta de celulosa en la mezcla que se va a cotriturar puede variar en una relacion de aproximadamente 99,5:0,5 a aproximadamente 0,5:99,5, basado en el peso seco del material inorganico en partfculas y la cantidad de fibra seca en la pasta, por ejemplo, una relacion de aproximadamente 99,5:0,5 a aproximadamente 50:50 basado en el peso seco del material inorganico en partfculas y la cantidad de fibra seca en la pasta. Por ejemplo, la relacion de la cantidad de material inorganico en partfculas y fibra seca puede ser de aproximadamente 99,5:0,5 a aproximadamente 70:30. En una realizacion, la relacion del material inorganico en partfculas a la fibra seca es aproximadamente 80:20, o por ejemplo, aproximadamente 85:15, o aproximadamente 90:10, o aproximadamente 91:9, o aproximadamente 92:8, o aproximadamente 93:7, o aproximadamente 94:6, o aproximadamente 95:5, o aproximadamente 96:4, o aproximadamente 97:3, o aproximadamente 98:2, o aproximadamente 99:1. En una realizacion preferida, la relacion en peso del material inorganico en partfculas a la fibra seca es aproximadamente 95:5. En otra realizacion preferida, la relacion del material inorganico en partfculas a la fibra seca es aproximadamente 90:10. En otra realizacion preferida, la relacion en peso del material inorganico en partfculas a la fibra seca es aproximadamente 85:15. En otra realizacion preferida, la relacion en peso del material inorganico en partfculas a la fibra seca es aproximadamente 80:20.
El aporte energetico total en un procedimiento de trituracion tfpico para obtener la composicion de suspension acuosa deseada puede ser tfpicamente entre aproximadamente 100 y 1500 kWht"1 basado en el peso seco total de la carga inorganica en partfculas. El aporte energetico total puede ser menor que aproximadamente 1000 kWht"1, por ejemplo, menor que aproximadamente 800 kWht"1, menor que aproximadamente 600 kWht"1, menor que aproximadamente 500 kWht"1, menor que aproximadamente 400 kWht"1, menor que aproximadamente 300 kWht, o menor que aproximadamente 200 kWht"1. Asf pues, los autores de la presente invencion han encontrado sorprendentemente que una pasta de celulosa se puede microfibrilar con un aporte energetico relativamente bajo cuando se cotritura en presencia del material inorganico en partfculas. Como sera evidente, el aporte energetico total por tonelada de fibra seca en el sustrato fibroso que comprende celulosa sera menor que aproximadamente 10.000
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kWht-1, por ejemplo, menor que aproximadamente 9000 kWht-1, o menor que aproximadamente 8000 kWht-1, o menor que aproximadamente 7000 kWht-1, o menor que aproximadamente 6000 kWht-1, o menor que aproximadamente 5000 kWht-1 , por ejemplo menor que aproximadamente 4000 kWht-1, menor que aproximadamente 3000 kWht-1, menor que aproximadamente 2000 kWht-1, menor que aproximadamente 1500 kWht- 1, menor que aproximadamente 1200 kWht-1, menor que aproximadamente 1000 kWht-1, o menor que aproximadamente 800 kWht-1. El aporte total de energfa vana dependiendo de la cantidad de fibra seca en el sustrato fibroso que se microfibrila, y opcionalmente la velocidad de trituracion y la duracion de la trituracion.
- Homogeneizacion
La microfibrilacion del sustrato fibroso que comprende celulosa se puede realizar en condiciones humedas en presencia del material inorganico en partmulas por un metodo en el que la mezcla de pasta de celulosa y material inorganico en partmulas se presuriza (por ejemplo, a una presion de aproximadamente 500 bar) y despues se pasa a una zona de menor presion. La velocidad a la que la mezcla se pasa a la zona de presion baja es suficientemente alta y la presion de la zona de presion baja es suficientemente baja para producir la microfibrilacion de las fibras de celulosa. Por ejemplo, la bajada de presion se puede realizar forzando la mezcla a traves de una abertura anular que tiene un orificio de entrada estrecho con un orificio de salida mucho mayor. La disminucion drastica de presion cuando la mezcla se acelera en un volumen mayor (es decir, una zona de menor presion) induce cavitacion lo que produce microfibrilacion. En una realizacion, la microfibrilacion del sustrato fibroso que comprende celulosa se puede realizar en un homogeneizador en condiciones humedas en presencia del material inorganico en partmulas. En el homogeneizador, la mezcla de pasta de celulosa-material inorganico en partmulas se presuriza (por ejemplo, a una presion de aproximadamente 500 bar), y se fuerza a traves de una boquilla u orificio pequeno. La mezcla se puede presurizar a una presion de aproximadamente 100 a aproximadamente 1000 bar, por ejemplo a una presion igual o mayor que 300 bar, o igual o mayor que aproximadamente 500, o igual o mayor que aproximadamente 200 bar, o igual o mayor que aproximadamente 700 bar. La homogeneizacion somete las fibras a fuerzas de cizalladura altas de modo que cuando la pasta de celulosa presurizada sale de la boquilla u orificio, la cavitacion produce microfibrilacion de las fibras de celulosa en la pasta. Se puede anadir agua adicional para mejorar la fluidez de la suspension a traves del homogeneizador. La suspension acuosa resultante que comprende celulosa microfibrilada y material inorganico en partmulas se puede volver a alimentar a la entrada del homogeneizador para multiples pasos a traves del homogeneizador. En una realizacion preferida, el material inorganico en partmulas es un mineral de estructura laminar, tal como el caolm. Por lo tanto, la homogeneizacion no solo facilita la microfibrilacion de la pasta de celulosa, sino tambien facilita la deslaminacion del material en partmulas de estructura laminado.
Un material en partmulas laminado, tal como el caolm, se entiende que tiene un factor de forma de al menos aproximadamente 10, por ejemplo, al menos aproximadamente 15, o al menos aproximadamente 20, o al menos aproximadamente 30, o al menos aproximadamente 40, o al menos aproximadamente 50, o al menos
aproximadamente 60, o al menos aproximadamente 70, o al menos aproximadamente 80, o al menos
aproximadamente 90, o al menos aproximadamente 100. El factor de forma, como se usa en la presente memoria,
es una medida de la relacion del diametro de partmula al grosor de partmula para una poblacion de partmulas de tamano y forma que vanan, medido usando metodos, aparatos y ecuaciones de conductividad electrica, descritos en la patente de EE.UU. n° 5.576.617.
Una suspension de un material inorganico en partmulas laminado, tal como el caolm, se puede tratar en el homogeneizador a una distribucion del tamano de partmulas predeterminado en ausencia del sustrato fibroso que comprende celulosa, despues de lo cual el material fibroso que comprende celulosa se anade a la suspension acuosa del material inorganico en partmulas y la suspension combinada se procesa en el homogeneizador como se ha descrito antes. El procedimiento de homogeneizacion se continua, incluyendo uno o mas pasos a traves del homogeneizador, hasta que se ha obtenido el nivel de microfibrilacion deseado. Igualmente, el material inorganico en partmulas laminado se puede tratar en un triturador hasta una distribucion del tamano de partmulas predeterminada y despues combinar con el material fibroso que comprende celulosa seguido de procesamiento en el homogeneizador.
Un homogeneizador de ejemplo es un homogeneizador Manten Gaulin (APV).
Despues de llevarse a cabo la etapa de microfibrilacion, la suspension acuosa que comprende celulosa microfibrilada y material inorganico en partmulas se puede cribar para separar la fibra por encima de un determinado tamano y separar cualquier medio de trituracion. Por ejemplo, la suspension se puede someter a cribado usando un tamiz que tiene un tamano de aberturas nominal seleccionado con el fin de separar fibras que no pasan a traves del tamiz. El tamano de aberturas nominal significa la separacion central nominal de lados opuestos de una abertura cuadrada o el diametro nominal de una abertura redonda. El tamiz puede ser un tamiz BSS (de acuerdo con BS 1796) que tiene un tamano de aberturas nominal de 150 pm, por ejemplo, un tamano de aberturas nominal de 125 pm, o 106 pm, o 90 pm, o 74 pm, o 63 pm, o 53 pm, 45 pm, o 38 pm. En una realizacion, la suspension acuosa se criba usando un tamiz que tiene una abertura nominal de 125 pm. Despues opcionalmente se puede eliminar el agua de la suspension acuosa.
La suspension acuosa
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Las suspensiones acuosas de esta invencion producidas de acuerdo con los metodos descritos antes son adecuadas para usar en un metodo para hacer papel o papel revestido.
As^ pues, la presente invencion se dirige a una suspension acuosa que comprende, consiste en, o consiste esencialmente en celulosa microfibrilada y un material inorganico en partmulas y otros aditivos opcionales. La suspension acuosa es adecuada para usar en un metodo para hacer papel o papel revestido. Los otros aditivos opcionales incluyen dispersante, biocida, auxiliares de suspension, sal(es) y otros aditivos, por ejemplo, almidon o carboximetilcelulosa o polfmeros, que pueden facilitar la interaccion de las partfculas de mineral y fibras durante o despues de la trituracion.
El material inorganico en partmulas puede tener una distribucion del tamano de partmulas tal que al menos aproximadamente 10% en peso, por ejemplo al menos aproximadamente 20% en peso, por ejemplo al menos
aproximadamente 30% en peso, por ejemplo al menos aproximadamente 40% en peso, por ejemplo al menos
aproximadamente 50% en peso, por ejemplo al menos aproximadamente 60% en peso, por ejemplo al menos
aproximadamente 70% en peso, por ejemplo al menos aproximadamente 80% en peso, por ejemplo al menos
aproximadamente 90% en peso, por ejemplo al menos aproximadamente 95% en peso, o por ejemplo aproximadamente 100% de las partmulas tienen un e.s.d. menor que 2 pm.
En otra realizacion, el material inorganico en partmulas puede tener una distribucion del tamano de partmulas, medido por una maquina Malvern Mastersizer S, de modo que al menos aproximadamente 10% en volumen, por ejemplo al menos aproximadamente 20% en volumen, por ejemplo al menos aproximadamente 30% en volumen, por ejemplo al menos aproximadamente 40% en volumen, por ejemplo al menos aproximadamente 50% en volumen, por ejemplo al menos aproximadamente 60% en volumen, por ejemplo al menos aproximadamente 70% en volumen, por ejemplo al menos aproximadamente 80% en volumen, por ejemplo al menos aproximadamente 90% en volumen, por ejemplo al menos aproximadamente 95% en volumen, o por ejemplo aproximadamente 100% en volumen de las partmulas tienen un e.s.d menor que 2 pm.
La cantidad de material inorganico en partmulas y pasta de celulosa en la mezcla que se va a cotriturar puede variar en una relacion de aproximadamente 99,5:0,5 a aproximadamente 0,5:99,5, basado en el peso seco del material inorganico en partmulas y la cantidad de fibra seca en la pasta, por ejemplo, una relacion de aproximadamente 99,5:0,5 a aproximadamente 50:50 basado en el peso seco del material inorganico en partmulas y la cantidad de fibra seca en la pasta. Por ejemplo, la relacion de la cantidad de material inorganico en partmulas y fibra seca puede ser de aproximadamente 99,5:0,5 a aproximadamente 70:30. En una realizacion, la relacion del material inorganico en partmulas a la fibra seca es aproximadamente 80:20, o por ejemplo, aproximadamente 85:15, o aproximadamente 90:10, o aproximadamente 91:9, o aproximadamente 92:8, o aproximadamente 93:7, o aproximadamente 94:6, o aproximadamente 95:5, o aproximadamente 96:4, o aproximadamente 97:3, o aproximadamente 98:2, o aproximadamente 99:1. En una realizacion preferida, la relacion en peso del material inorganico en partmulas a la fibra seca es aproximadamente 95:5. En otra realizacion preferida, la relacion en peso del material inorganico en partmulas a la fibra seca es aproximadamente 90:10. En otra realizacion preferida, la relacion en peso del material inorganico en partmulas a la fibra seca es aproximadamente 85:15. En otra realizacion preferida, la relacion en peso del material inorganico en partmulas a la fibra seca es aproximadamente 80:20.
En una realizacion, la composicion no incluye fibras demasiado grandes para pasar a traves de un tamiz BSS (de acuerdo con BS 1796) que tiene un tamano de aberturas nominal de 150 pm, por ejemplo, un tamano de aberturas nominal de 125 pm, 106 pm, o 90 pm, o 74 pm, o 63 pm, o 53 pm, 45 pm, o 38 pm. En una realizacion, la suspension acuosa se criba usando un tamiz BBS que tiene una abertura nominal de 125 pm.
Por lo tanto, se entendera que la cantidad (es decir, el % en peso) de celulosa microfibrilada en la suspension acuosa despues de trituracion u homogeneizacion puede ser menor que la cantidad de fibra seca en la pasta si la suspension triturada u homogeneizada se trata para separar las fibras por encima de un tamano seleccionado. Por lo tanto, las cantidades relativas de pasta y material inorganico en partmulas alimentadas al triturador u homogeneizador se pueden ajustar dependiendo de la cantidad de celulosa microfibrilada que se requiere en la suspension acuosa despues de separar las fibras por encima de un tamano seleccionado.
En una realizacion, el material inorganico en partmulas es un carbonato de metal alcalinoterreo, por ejemplo, carbonato de calcio. El material inorganico en partmulas puede ser carbonato de calcio triturado (GCC) o carbonato de calcio precipitado (PCC), o una mezcla de GCC y PC. En otra realizacion, el material inorganico en partmulas es un mineral laminado de forma natural, por ejemplo, caolm. El material inorganico en partmulas puede ser una mezcla de caolm y carbonato de calcio, por ejemplo, una mezcla de caolm y GCC, o una mezcla de caolm y PCC, o una mezcla de caolm, GCC y PCC.
En otra realizacion, la suspension acuosa se trata para separar al menos una parte o sustancialmente toda el agua para formar un producto parcialmente seco o esencialmente completamente seco. Por ejemplo, se puede separar al menos aproximadamente 10% en volumen de agua en la suspension acuosa de la suspension acuosa, por ejemplo, se puede separar al menos aproximadamente 20% en volumen, o al menos aproximadamente 30% en volumen, o al menos aproximadamente 40% en volumen, o al menos aproximadamente 50% en volumen, o al menos aproximadamente 60% en volumen, o al menos aproximadamente 70% en volumen o al menos aproximadamente
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80% en volumen o al menos aproximadamente 90% en volumen, o al menos aproximadamente 100% en volumen de agua en la suspension acuosa. Se puede usar cualquier tecnica adecuada para separar el agua de la suspension acuosa, incluyendo, por ejemplo, por gravedad, drenaje asistido por vado, con o sin presion o evaporacion, o por filtracion, o por una combinacion de estas tecnicas. El producto parcialmente secado o esencialmente completamente secado comprendera celulosa microfibrilada y material inorganico en partfculas y cualesquiera otros aditivos opcionales que se pueden anadir a la suspension acuosa antes del secado. El producto parcialmente seco o esencialmente completamente seco se puede almacenar o envasar para vender. El producto parcialmente seco o esencialmente completamente seco opcionalmente se puede rehidratar e incorporar en composiciones para la fabricacion de papel y otros productos de papel, como se describe en la presente memoria.
Productos de papel y procedimientos para prepararlos
La suspension acuosa que comprende celulosa microfibrilada y material inorganico en partfculas se puede incorporar en composiciones para la fabricacion de papel. La expresion producto de papel, usado en relacion con la presente invencion, debe entenderse que significa todas las formas de papel, incluyendo carton, tales como, por ejemplo, carton revestido de blanco, carton para revestimiento, cartulina, carton revestido, y similares. Hay numerosos tipos de papel, revestido o no revestido, que se pueden hacer de acuerdo con la presente invencion, que incluyen papel adecuado para libros, revistas, periodicos, y similares, y papeles para oficina. El papel puede ser calandrado o supercalandrado segun sea adecuado; por ejemplo, el papel para revistas supercalandrado para rotograbado e impresion offset se puede hacer de acuerdo con los presentes metodos. El papel adecuado para revestimiento de peso ligero (LWC), revestimiento de peso medio (MWC) o maquina de pigmentacion de acabado (MFP) tambien se puede hacer de acuerdo con los presentes metodos. El papel y carton revestidos que tienen propiedades de barrera adecuadas para el envasado de alimentos y similares, tambien se pueden hacer de acuerdo con los presentes metodos.
En un procedimiento de fabricacion de papel tfpico, se prepara una pasta que contiene celulosa por cualquier tratamiento qmmico o mecanico adecuado, o combinaciones de los mismos, que son todos bien conocidos en la tecnica. La pasta puede proceder de cualquier fuente adecuada tal como madera, hierbas (p. ej., cana de azucar, bambu) o trapos (p. ej., residuos textiles, algodon, canamo o lino). La pasta se puede blanquear de acuerdo con procedimientos que son bien conocidos para los expertos en la tecnica y los procedimientos adecuados para usar en la presente invencion seran facilmente evidentes. La pasta de celulosa blanqueada se puede batir, refinar o ambos, hasta un refinado de la pasta papelera predeterminado (descrito en la tecnica como el grado de refinado canadiense (CSF) en cm3). Despues se prepara una pasta papelera adecuada a partir de la pasta batida y blanqueada.
La composicion para la fabricacion de papel de la presente invencion tipicamente comprende, ademas de la suspension acuosa de celulosa microfibrilada y material inorganico en partfculas, pasta papelera y otros aditivos convencionales conocidos en la tecnica. La composicion para la fabricacion de papel de la presente invencion puede comprender hasta aproximadamente 50% en peso de material inorganico en partfculas procedente de la suspension acuosa que comprende celulosa microfibrilada y material inorganico en partfculas basado en el contenido seco total de la composicion para la fabricacion de papel. Por ejemplo, la composicion para la fabricacion de papel puede comprender al menos aproximadamente 2% en peso, o al menos aproximadamente 5% en peso, o al menos aproximadamente 10% en peso, o al menos aproximadamente 15% en peso, o al menos aproximadamente 20% en peso, o al menos aproximadamente 25% en peso, o al menos aproximadamente 30% en peso, o al menos aproximadamente 35% en peso, o al menos aproximadamente 40% en peso, o al menos aproximadamente 45% en peso, o al menos aproximadamente 50% en peso, o al menos aproximadamente 60% en peso, o al menos aproximadamente 70% en peso, o al menos aproximadamente 80% en peso de material inorganico en partfculas procedente de la suspension acuosa que comprende celulosa microfibrilada y material inorganico en partfculas basado en el contenido seco total de la composicion para la fabricacion de papel. El material de celulosa microfibrilada se caracteriza por un sesgo de la fibra de 20 a 50, o de aproximadamente 25 a aproximadamente 40, o de aproximadamente 25 a 35, o de aproximadamente 30 a aproximadamente 40. La composicion para la fabricacion de papel tambien puede contener un auxiliar de retencion no ionico, cationico o anionico o sistema de retencion de micropartfculas en una cantidad en el intervalo de aproximadamente 0,1 a 2% en peso, basado en el peso seco de la suspension acuosa que comprende celulosa microfibrilada y material inorganico en partfculas. Tambien puede contener un agente de encolado que puede ser, por ejemplo, un dfmero de alquilcetena de cadena larga, una emulsion de cera o un derivado de acido succmico. La composicion tambien puede contener colorante y/o un agente de brillo optico. La composicion tambien puede comprender auxiliares de resistencia en seco y mojado, tales como, por ejemplo, almidon o copolfmeros de epiclorhidrina.
De acuerdo con el octavo aspecto descrito antes, la presente invencion se dirige a un procedimiento para hacer un producto de papel que comprende: (i) obtener o preparar un sustrato fibroso que comprende celulosa en forma de una pasta adecuada para hacer un producto de papel; (ii) preparar una composicion para la fabricacion de papel a partir de la pasta de la etapa (i), comprendiendo la suspension acuosa de esta invencion celulosa microfibrilada y material inorganico en partfculas, y otros aditivos opcionales (tales como, por ejemplo, un auxiliar de retencion y otros aditivos tales como los descritos antes); y (iii) formar un producto de papel a partir de dicha composicion para la fabricacion de papel. Como se ha indicado antes, la etapa de formacion de una pasta puede tener lugar en el recipiente de trituracion o el homogeneizador por adicion del sustrato fibroso que comprende celulosa en un estado seco, por ejemplo, en forma de un desecho o residuo de papelera seco directamente en el recipiente del triturador.
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El entorno acuoso en el recipiente del triturador despues facilitara la formacion de una pasta.
En una realizacion, se puede anadir un componente de carga adicional (es decir, un componente de carga distinto del material inorganico en partfculas que se cotritura con el sustrato fibroso que comprende celulosa) a la composicion para la fabricacion de papel en la etapa (ii). Los componentes de carga de ejemplo son PCC, GCC, caolm o mezclas de los mismos. Un ejemplo de PCC es PCC escalenoedrico. En una realizacion, la relacion en peso del material inorganico en partfculas al componente de carga adicional en la composicion de fabricacion de papel es de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1:30, por ejemplo, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1:20, por ejemplo, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1:15, por ejemplo de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1:10, por ejemplo de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1:7, por ejemplo, de aproximadamente 1:3 a aproximadamente 1:6, o aproximadamente 1:1, o aproximadamente 1:2, o aproximadamente 1:3, o aproximadamente 1:4, o aproximadamente 1:5. Los productos de papel hechos a partir de dichas composiciones de fabricacion de papel pueden presentar una mayor resistencia comparados con los productos de papel que comprenden solo material inorganico en partfculas, tal como por ejemplo, PCC, como carga. Los productos de papel hechos a partir de dichas composiciones para la fabricacion de papel pueden presentar mayor resistencia comparados con un producto de papel en el que se preparan el material inorganico en partfculas y un sustrato fibroso que comprende celulosa (p. ej., se trituran) por separado y se mezclan para formar una composicion para la fabricacion de papel. Igualmente, los productos de papel preparados a partir de una composicion para la fabricacion de papel de acuerdo con la presente invencion, pueden presentar una resistencia que es comparable a los productos de papel que comprenden menos material inorganico en partfculas. En otras palabras, los productos de papel se pueden preparar a partir de una composicion para la fabricacion de papel de acuerdo con la presente con cantidades de carga mayores sin perdida de resistencia.
Las etapas en la formacion de un producto de papel final a partir de una composicion para la fabricacion de papel son convencionales y bien conocidas en la tecnica, y en general comprenden la formacion de hojas de papel que tienen un peso base objetivo, dependiendo del tipo de papel que se esta haciendo.
Se pueden lograr beneficios economicos adicionales por los metodos de la presente invencion, en cuanto que el sustrato de celulosa para hacer la suspension acuosa se puede obtener de la misma pasta de celulosa formada para hacer la composicion para la fabricacion de papel y el producto de papel final. Asf pues, y de acuerdo con el noveno aspecto descrito antes, la presente invencion se dirige a un procedimiento integrado para hacer un producto de papel que comprende: (i) obtener o preparar un sustrato fibroso que comprende celulosa en forma de una pasta adecuada para hacer un producto de papel; (ii) microfibrilar una parte de dicho sustrato fibroso que comprende celulosa de acuerdo con el primer aspecto de la invencion para preparar una suspension acuosa que comprende celulosa microfibrilada y material inorganico en partfculas; (iii) preparar una composicion para la fabricacion de papel a partir de la pasta en la etapa (i), la suspension acuosa preparada en la etapa (ii), y otros aditivos opcionales; y (iv) formar un producto de papel a partir de dicha composicion para la fabricacion de papel.
Por lo tanto, puesto que el sustrato de celulosa para preparar la suspension acuosa ya se ha preparado para el fin de hacer las composiciones para la fabricacion de papel, la etapa de formar la suspension acuosa no requiere necesariamente una etapa separada de preparacion del sustrato fibroso que comprende celulosa.
Se ha encontrado sorprendentemente que los productos de papel preparados usando la suspension acuosa de la presente invencion presentan propiedades ffsicas y mecanicas mejoradas mientras que al mismo tiempo permiten incorporar el material inorganico en partfculas en niveles de carga relativamente altos. Por lo tanto, se puede preparar papel mejorado con coste relativamente menor. Por ejemplo, se ha encontrado sorprendentemente que los productos de papel preparados a partir de las composiciones para la fabricacion de papel que comprenden la suspension acuosa de la presente invencion presentan mejor retencion de la carga de material inorganico en partfculas comparados con los productos de papel que no contienen ninguna celulosa microfibrilada. Tambien se ha encontrado sorprendentemente, que los productos de papel preparados a partir de las composiciones para la fabricacion de papel que comprenden la suspension acuosa de la presente invencion, presentan mejor resistencia al estallido y resistencia a la traccion. Ademas, se ha encontrado que la incorporacion de la celulosa microfibrilada reduce la porosidad comparado con el papel que comprende la misma cantidad de carga pero no celulosa microfibrilada. Esto es ventajoso puesto que niveles de carga altos en general estan asociados con valores relativamente altos de porosidad y son perjudiciales para la imprimibilidad.
Composicion de revestimiento de papel y procedimiento de revestimiento
La suspension acuosa de la presente invencion se puede usar como una composicion de revestimiento sin la adicion de aditivos adicionales. Sin embargo, opcionalmente, se puede anadir una pequena cantidad de espesante tal como carboximetilcelulosa o espesantes acnlicos que se hinchan en agua o espesantes asociados.
La composicion de revestimiento de acuerdo con la presente invencion puede contener uno o mas componentes adicionales opcionales, si se desea. Dichos componentes adicionales, cuando estan presentes, se seleccionan adecuadamente de aditivos conocidos para las composiciones de revestimiento de papel. Algunos de estos aditivos opcionales pueden proporcionar mas de una funcion en la composicion de revestimiento. Los ejemplos de clases conocidas de aditivos opcionales son como sigue:
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(a) uno o mas pigmentos adicionales: las composiciones descritas en la presente memoria se puede usar como pigmentos solos en las composiciones de revestimiento de papel, o se pueden usar conjuntamente unas con otras o con otros pigmentos conocidos, tales como, por ejemplo, sulfato de calcio, blanco saten y el llamado “pigmento plastico”. Cuando se usa una mezcla de pigmentos, el contenido total de solidos de pigmento esta presente preferiblemente en la composicion en una cantidad de al menos aproximadamente 75% en peso del peso total de los componentes secos de la composicion de revestimiento;
(b) uno o mas agentes aglutinantes o coaglutinantes: por ejemplo, latex, que opcionalmente puede estar carboxilado, que incluye: un latex de caucho de estirenobutadieno; un latex de polfmero acnlico; un latex de poli(acetato de vinilo); o un latex de copolfmero de estireno-acnlico, derivados de almidon, carboximetilcelulosa sodica, poli(alcohol vimlico) y protemas;
(c) uno o mas agentes de reticulacion; por ejemplo, en niveles de hasta aproximadamente 5% en peso; p. ej., glioxales, resinas de melamina-formaldelmdo; carbonatos de amonio y circonio; uno o mas aditivos de mejora de repelado en seco o humedo: p. ej., en niveles de hasta aproximadamente 2% en peso, p. ej., resina de melamina, emulsiones de polietileno, urea-formaldelmdo, melamina-formaldel'ndo, poliamida, estearato calcico, estireno- antndrido maleico y otros; uno o mas aditivos de resistencia a la abrasion y mejora por friccion en seco o humedo: p. ej., en niveles de hasta aproximadamente 2% en peso, p. ej., resinas basadas en glioxal, polietilenos oxidados, resinas de melamina, urea-formaldelmdo, melamina-formaldetndo, cera de polietileno, estearato de calcio y otros; uno o mas aditivos de resistencia al agua; p. ej., en niveles de hasta aproximadamente 2% en peso, p. ej., polietilenos oxidados, resina de cetona, latex anionico, poliuretano, SMA, glioxal, resina de melamina, urea- formaldel'ndo, melamina-formaldel'ndo, poliamida, glioxales, estearatos y otros materiales disponibles en el comercio para esta funcion;
(d) uno o mas auxiliares de retencion de agua: por ejemplo, en niveles de hasta aproximadamente 2% en peso, p. ej., carboximetilcelulosa sodica, hidroxietilcelulosa, PVOH (poli(alcohol vimlico), almidones, protemas, poliacrilatos, gomas, alginatos, poliacrilamida-bentonita, y otros productos disponibles en el mercado vendidos para dichas aplicaciones;
(e) uno o mas modificadores de la viscosidad y/o espesantes: por ejemplo, en niveles de hasta aproximadamente 2% en peso, p. ej., espesantes asociativos acnlicos, poliacrilatos, copolfmeros en emulsion, dicianamidas, trioles, eter polioxietilenico, urea, aceite de ricino sulfatado, polivinilpirrolidona, CMC (carboximetilcelulosas, por ejemplo, carboximetilcelulosa sodica), alginato sodico, goma xantana, silicato sodico, copolfmeros de acido acnlico, HMC (hidroximetilcelulosas), HEC (hidroxietilcelulosas) y otros;
(f) uno o mas ayudantes de lubricidad/calandrado: por ejemplo, en niveles de hasta aproximadamente 2% en peso, p. ej., estearato de calcio, estearato de amonio, estearato de cinc, emulsiones de cera, ceras, dfmeros de alquil- cetena, glicoles; uno o mas aditivos de mantenimiento de tintas brillantes; p. ej., en niveles de hasta aproximadamente 2% en peso, p. ej., polietilenos oxidados, emulsiones de polietileno, ceras, casema, goma guar, CMC, HMC, estearato de calcio, estearato de amonio, alginato sodico y otros;
(g) uno o mas dispersantes: el dispersante es un aditivo qmmico capaz, cuando esta presente en suficiente cantidad, de actuar sobre las partmulas del material inorganico en partmulas para prevenir o limitar eficazmente la floculacion o aglomeracion de las partmulas en una medida deseada, de acuerdo con los requisitos de procesamiento normales. El dispersante puede estar presente en niveles de hasta aproximadamente 1% en peso, e incluye, por ejemplo, polielectrolitos, tales como poliacrilatos y copolfmeros que contienen especies de poliacrilato, en especial sales de poliacrilato (p. ej., sodio y aluminio opcionalmente con un fosfato sodico condensado con el grupo II), tensioactivos no ionicos, alcanolamina y otros reactivos usados habitualmente para esta funcion. El dispersante se puede seleccionar, por ejemplo, de materiales dispersantes convencionales usados habitualmente en el procesamiento y trituracion de materiales inorganicos en partmulas. Dichos dispersantes seran reconocidos por los expertos en la tecnica. En general son sales solubles en agua capaces de suministrar especies anionicas que en sus cantidades eficaces se pueden adsorber sobre la superficie de las partmulas inorganicas y de esta forma inhibir la agregacion de las partmulas. Las sales no solvatadas incluyen adecuadamente cationes de metales alcalinos tales como sodio. Se puede ayudar a la solvatacion en algunos casos haciendo la suspension acuosa ligeramente alcalina. Los ejemplos de dispersantes adecuados incluyen: fosfatos condensados solubles en agua, p. ej., sales de polimetafosfato [forma general de sales de sodio (NaPO3)x] tales como metafosfato de tetrasodio o el llamado “hexametafosfato sodico” (sal de Graham); sales de poli(acido silfcico) solubles en agua; polielectrolitos; sales de homopolfmeros o copolfmeros de acido acnlico o acido metacnlico, o sales de polfmeros de otros derivados de acido acnlico, que tienen adecuadamente un peso molecular medio ponderado menor de aproximadamente 20.000. Se prefieren en especial de hexametafosfato sodico y el poli(acrilato sodico), este ultimo con un peso molecular medio ponderado en el intervalo de aproximadamente 1.500 a aproximadamente 10.000;
(h) uno o mas antiespumantes: por ejemplo, en niveles de hasta aproximadamente 1% en peso, p. ej., mezclas de tensioactivos, fosfato de tributilo, esteres grasos polioxietilenicos mas alcoholes grasos, jabones de acidos grasos, emulsiones de silicona y otras composiciones que contienen silicona, cera y materiales inorganicos en partmulas en aceite mineral, mezclas de hidrocarburos emulsionados y otros compuestos vendidos en el mercado para llevar a cabo esta funcion;
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(i) uno o mas agentes de abrillantamiento optico (OBA) y agentes de blanqueamiento fluorescentes (FWA): por ejemplo, en niveles de hasta aproximadamente 1% en peso, p. ej., derivados de estilbeno;
(j) uno o mas colorantes: por ejemplo, en niveles de hasta aproximadamente 0,5% en peso;
(k) uno o mas agentes biocidas/de control de la descomposicion: por ejemplo, en niveles de hasta aproximadamente 1% en peso, p. ej., biocidas oxidantes tales como cloro gaseoso, dioxido de cloro gaseoso, hipoclorito sodico, hipobromito sodico, hidrogeno, peroxido, oxido peracetico, bromuro amonico/hipoclorito sodico, o biocidas no oxidantes tales como GLUT (Glutaraldehfdo, CAS N° 90045-36-6), ISO (CIT/MIT) (Isotiazolinona, CAS N° 55956-849 y 96118-96-6), ISO (BIT/MIT) (Isotiazolinona), ISO (BIT) (Isotiazolinona, CAS N° 2634-33-5), DBNPA, BNPD (Bronopol), NaOPP, carbamato, tiona (Dazomet), EDdM - dimetanol (O-formial), HT - Triazina (N-formial), THPS - tetrakis(O-formial), TMAD - diurea (N-formial), metaborato, dodecilbencenosulfonato sodico, tiocianato, organosulfuro, benzoato sodico y otros compuestos vendidos en el mercado para esta funcion, p. ej., la variedad de polfmeros biocidas vendidos por Nalco;
(l) uno o mas auxiliares de nivelado e igualado: por ejemplo, en niveles de hasta aproximadamente 2% en peso, p. ej., poliol no ionico, emulsiones de polietileno, acido graso, derivados de esteres y alcoholes, alcohol/oxido de etileno, estearato de calcio y otros compuestos vendidos en el mercado para esta funcion;
(m) uno o mas aditivos de resistencia a la grasa y aceite: por ejemplo, en niveles de hasta aproximadamente 2% en peso, p. ej., polietilenos oxidados, latex, SMA (estireno-anhfdrido maleico), poliamida, ceras, alginato, protema, CMC, y HMC.
Cualquiera de los aditivos anteriores y tipos de aditivos se pueden usar solos o mezclados entre sf y con otros aditivos, si se desea.
Para todos los aditivos anteriores, los porcentajes en peso indicados se basan en el peso seco del material inorganico en partfculas (100%) presente en la composicion. Cuando el aditivo esta presente en una cantidad minima, la cantidad minima puede ser aproximadamente 0,01% en peso, basado en el peso seco de pigmento
El procedimiento de revestimiento se lleva a cabo usando tecnicas convencionales que son bien conocidas para el experto en la tecnica. El procedimiento de revestimiento tambien puede implicar el calandrado o supercalandrado del producto revestido.
Los metodos de revestimiento de papel y otros materiales de hojas, y los aparatos para llevar a cabo los metodos, estan ampliamente publicados y son bien conocidos. Dichos metodos y aparatos conocidos se pueden usar de forma conveniente para preparar papel revestido. Por ejemplo, hay una revision de dichos metodos publicada en Pulp and Paper International, Mayo 1994, pagina 18 y siguientes. Las hojas se pueden revestir en la maquina de formacion de hojas, es decir, “en la maquina” o “fuera de la maquina” en una revestidora o maquina de revestimiento. Es deseable el uso de composiciones con alto contenido de solidos en el metodo de revestimiento porque deja que posteriormente se evapore menos agua. Sin embargo, como se conoce bien en la tecnica, el nivel de solidos no debe ser tan alto que se introduzcan problemas de alta viscosidad y nivelado. Los metodos de revestimiento se pueden realizar usando un aparato que comprende (i) una aplicacion para aplicar la composicion de revestimiento al material que se va a revestir, y (ii) un dispositivo dosificador para asegurar que se aplica un nivel correcto de composicion de revestimiento, el dispositivo dosificador esta corriente abajo del mismo. Alternativamente, se puede aplicar la cantidad correcta de la composicion de revestimiento al aplicador mediante el dispositivo dosificador, p. ej., como una prensa de pelfcula. En los puntos de aplicacion y dosificacion del revestimiento, el soporte del papel continuo vana de un rodillo de apoyo, p. ej., mediante uno o dos aplicadores, a nada (es decir, solo tension). El tiempo que el revestimiento esta en contacto con el papel antes de que se retire finalmente el exceso es el tiempo de parada, y este puede ser corto, largo o variable.
El revestimiento habitualmente se anade mediante una cabeza de revestimiento en una estacion de revestimiento. De acuerdo con la calidad deseada, los grados de papel son no revestido, un solo revestimiento, doble revestimiento e incluso triple revestimiento. Cuando se proporciona mas de un revestimiento, el revestimiento inicial (prerrevestimiento) puede tener una formulacion mas barata y opcionalmente pigmento mas grueso en la composicion de revestimiento. Un dispositivo de revestimiento que aplica el revestimiento en cada lado del papel tendra dos o cuatro cabezas de revestimiento, dependiendo del numero de capas de revestimiento aplicadas en cada lado. La mayona de las cabezas de revestimiento aplican revestimiento solo en un lado cada vez, pero algunos revestidores de rodillo (p. ej., prensas de pelfcula, rodillos de compuerta, y prensas de encolado) revisten ambos lados en una pasada.
Los ejemplos de revestidoras conocidas que se pueden usar incluyen, sin limitacion, revestidoras de cuchilla neumatica, revestidoras de paletas, revestidoras barra con rodillos, revestidoras de barras, revestidoras de multiples cabezas, revestidora de rodillos, revestidora de rodillos o paletas, revestidoras de alto brillo, revestidoras de laboratorio, revestidoras de grabado, revestidoras recubridoras, sistemas de aplicacion lfquidos, revestidoras de rodillos inversos, revestidoras de cortina, revestidoras de pulverizacion y revestidoras de extrusion.
Se puede anadir agua a los solidos que comprenden la composicion de revestimiento para dar una concentracion de
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solidos que preferiblemente es tal que, cuando la composicion se aplica sobre una hoja con un peso de revestimiento objetivo deseado, la composicion tiene una reologfa que es adecuada para permitir que la composicion se aplique con una presion (es decir, una presion de paleta) de entre 1 y 1,5 bar.
El calandrado es un procedimiento bien conocido en el que se mejora la lisura y brillo del papel y se reduce el abultamiento pasando una hoja de papel revestido entre rodillos o laminadores una o mas veces. Normalmente, se usan laminadores recubiertos de elastomero para dar presion a las composiciones de alto contenido de solidos. Se puede aplicar una temperatura elevada. Se puede aplicar uno o mas pasos (p. ej., hasta aproximadamente 12, o a veces superior) a traves de los rodillos.
Los productos de papel revestido preparados de acuerdo con la presente invencion y que contienen agente de abrillantamiento optico en el revestimiento, pueden presentar un brillo medio de acuerdo con la norma ISO 11475 que es al menos 2 unidades mayor, por ejemplo, al menos 3 unidades mayor, comparado con un producto de papel revestido que no comprende la celulosa microfibrilada, que se ha preparado de acuerdo con la presente invencion. Los productos de papel revestido de acuerdo con la presente invencion pueden presentar una lisura Parker Print Surf medida de acuerdo con la norma ISO 8971-4 (1992) que es al menos 0,5 pm mas lisa, por ejemplo al menos aproximadamente 0,6 pm mas lisa, o al menos aproximadamente 0,7 pm mas lisa, comparados con un producto de papel revestido que no comprende celulosa microfibrilada que se ha preparado de acuerdo con la presente invencion.
Para evitar dudas, la presente solicitud se dirige a la materia descrita en los siguientes parrafos numerados:
1. Un producto de papel que comprende una composicion de revestimiento de papel que incluye una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, en donde el producto de papel tiene:
i) una primera resistencia a la traccion mayor que una segunda resistencia a la traccion del producto de papel que comprende la composicion de revestimiento de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas;
ii) una primera resistencia al desgarro mayor que una segunda resistencia al desgarro del producto de papel que comprende la composicion de revestimiento de papel desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas; y/o
iii) un primer brillo mayor que un segundo brillo del producto de papel que comprende la composicion de revestimiento de papel desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, y/o
iv) una primera resistencia al estallido mayor que una segunda resistencia al estallido del producto de papel que comprende la composicion de revestimiento de papel desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas; y/o
v) un primer coeficiente de dispersion de la luz de la hoja mayor que un segundo coeficiente de dispersion de la luz de la hoja del producto de papel que comprende la composicion de revestimiento de papel desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas; y/o
vi) una primera porosidad menor que una segunda porosidad del producto de papel que comprende la composicion de revestimiento de papel desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas.
2. El producto de papel del parrafo 1, en donde la composicion de revestimiento de papel comprende un revestimiento funcional para el envasado de lfquidos, revestimientos de barrera o aplicaciones de electronica impresa.
3. El producto de papel del parrafo 1 o 2, que ademas comprende un segundo revestimiento que comprende un polfmero, un metal, una composicion acuosa, o una combinacion de los mismos.
4. El producto de papel de los parrafos 1, 2 o 3, que ademas tiene una primera velocidad de transmision de vapor humedo (MVTR) mayor que una segunda MVTR del producto de papel que comprende la composicion de revestimiento de papel desprovista de una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas.
5. El producto de papel de cualquiera de los parrafos 1-4, en donde el papel comprende de aproximadamente 25% en peso a aproximadamente 35% en peso de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas.
Microfibrilacion en ausencia del material inorganico en partfculas triturable
En otro aspecto, la presente invencion se dirige a un metodo para preparar una suspension acuosa que comprende celulosa microfibrilada, comprendiendo el metodo una etapa de microfibrilacion de un sustrato fibroso que
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comprende celulosa en un entorno acuoso, por trituracion en presencia de un medio de trituracion que se va a separar despues de completarse la trituracion, en donde la trituracion se lleva a cabo en un molino de torre o un triturador de cribado, y en donde la trituracion se lleva a cabo en ausencia del material inorganico en partfculas triturable.
Un material inorganico en partfculas triturable es un material que se triturana en presencia del medio de trituracion.
El medio de trituracion en partfculas puede ser de un material natural o sintetico. El medio de trituracion puede comprender, por ejemplo, bolas, perlas o pelets de cualquier mineral, material ceramico o metalico duro. Dichos materiales pueden incluir, por ejemplo, alumina, circonia, silicato de circonio, silicato de aluminio o el material rico en mullita que es producido por calcinacion de la arcilla caolimtica a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 1300°C a aproximadamente 1800°C. Por ejemplo, en algunas realizaciones, se prefiere un medio de trituracion Carbolite®. Alternativamente, se pueden usar partfculas de arena natural de un tamano de partfculas adecuado.
En general, el tipo de y el tamano de las partfculas del medio de trituracion que se selecciona para usar en la invencion, puede depender de propiedades tales como, p. ej., el tamano de partfculas y la composicion qrnmica, la suspension de alimentacion del material que se va a triturar. Preferiblemente, el medio de trituracion en partfculas comprende partfculas que tienen un diametro medio en el intervalo de aproximadamente 0,5 mm a aproximadamente 6 mm. En una realizacion, las partfculas tienen un diametro medio de al menos aproximadamente 3 mm.
El medio de trituracion puede comprender partfculas que tienen una gravedad espedfica de al menos aproximadamente 2,5. El medio de trituracion puede comprender partfculas que tienen una gravedad espedfica de al menos aproximadamente 3, o al menos aproximadamente 4 o al menos aproximadamente 5, o al menos aproximadamente 6.
El medio (o medios) de trituracion puede estar presente en una cantidad de hasta aproximadamente 70% en volumen de la carga. El medio de trituracion puede estar presente en una cantidad de al menos aproximadamente 10% en volumen de la carga, por ejemplo, al menos aproximadamente 20% en volumen de la carga, o al menos aproximadamente 30% en volumen de la carga, o al menos aproximadamente 40% en volumen de la carga, o al menos aproximadamente 50% en volumen de la carga, o al menos aproximadamente 60% en volumen de la carga.
El sustrato fibroso que comprende celulosa se puede microfibrilar para obtener celulosa microfibrilada que tenga un d50 en el intervalo de aproximadamente 5 pm a aproximadamente 500 pm, medido por dispersion de la luz laser. El sustrato fibroso que comprende celulosa se puede microfibrilar para obtener celulosa microfibrilada que tiene un d50 igual a o menor de aproximadamente 400 pm, por ejemplo, por ejemplo igual a o menor de aproximadamente 300 pm, o igual a o menor de aproximadamente 200 pm, o igual a o menor de aproximadamente 150 pm, o igual a o menor de aproximadamente 125 pm, o igual a o menor de aproximadamente 100 pm, o igual a o menor de aproximadamente 90 pm, o igual a o menor de aproximadamente 80 pm, o igual a o menor de aproximadamente 70 pm, o igual a o menor de aproximadamente 60 pm, o igual a o menor de aproximadamente 50 pm, o igual a o menor de aproximadamente 40 pm, o igual a o menor de aproximadamente 30 pm, o igual a o menor de aproximadamente 20 pm, o igual a o menor de aproximadamente 10 pm.
El sustrato fibroso que comprende celulosa se puede microfibrilar para obtener celulosa microfibrilada que tiene un tamano de partfculas de fibra modal en el intervalo de aproximadamente 0,1-500 pm, medido por dispersion de la luz laser. El sustrato fibroso que comprende celulosa se puede microfibrilar en presencia para obtener celulosa microfibrilada que tiene un tamano de partfculas de fibra modal de al menos aproximadamente 0,5 pm, por ejemplo, al menos aproximadamente 10 pm, o al menos aproximadamente 50 pm, o al menos aproximadamente 100 pm, o al menos aproximadamente 150 pm, o al menos aproximadamente 200 pm, o al menos aproximadamente 300 pm, o al menos aproximadamente 400 pm.
El sustrato fibroso que comprende celulosa se puede microfibrilar para obtener celulosa microfibrilada que tiene un sesgo de la fibra de 10 a 50, medida por Malvern (dispersion de la luz laser.). El sesgo de la fibra (es decir, el sesgo de la distribucion de tamano de partfculas de las fibras) se determina mediante la siguiente formula:
Sesgo = 100 x (d30/d70)
Mas en particular, la celulosa microfibrilada puede tener un sesgo de la fibra de aproximadamente 25 a aproximadamente 40, o de aproximadamente 25 a aproximadamente 35, o de aproximadamente 30 a aproximadamente 40.
En una realizacion, el recipiente de trituracion es un molino de torre. El molino de torre puede comprender una zona estatica encima de una o mas zonas de trituracion. Una zona estatica es una region situada hacia la parte superior del interior del molino de torre en la que tiene lugar una trituracion minima o no hay trituracion y comprende celulosa microfibrilada y material inorganico en partfculas. La zona estatica es una region en la que partfculas del medio de trituracion sedimentan en una o mas zonas de trituracion del molino de torre.
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El molino de torre puede comprender un clasificador encima de una o mas zonas de trituracion. En una realizacion, el clasificador esta montado en la parte superior y situado adyacente a una zona estatica. El clasificador puede ser un hidrociclon.
El molino de torre puede comprender un tamiz encima de una o mas zonas de trituracion. En una realizacion, el tamiz esta situado adyacente a una zona estatica y/o un clasificador. El tamiz puede estar disenado para separar el medio de trituracion de la suspension acuosa de producto que comprende celulosa microfibrilada y para potenciar la sedimentacion del medio de trituracion.
En una realizacion, la trituracion se lleva a cabo en condiciones de flujo piston. En condiciones de flujo piston, el flujo a traves de la torre es tal que hay mezcla limitada de los materiales de trituracion a traves de la torre. Esto significa que en diferentes puntos a lo largo de la longitud del molino de torre, la viscosidad del entorno acuoso variara al aumentar la finura de la celulosa microfibrilada. Por lo tanto, en efecto, la region de trituracion en el molino de torre se puede considerar que comprende una o mas zonas de trituracion que tienen una viscosidad caractenstica. Un experto en la tecnica entendera que no hay lfmites marcados entre zonas adyacentes con respecto a la viscosidad.
En una realizacion, se anade agua a la parte superior del molino proxima a la zona estatica o el clasificador o el tamiz encima de una o mas zonas de trituracion para reducir la viscosidad de la suspension acuosa que comprende celulosa microfibrilada en estas zonas en el molino. Mediante la dilucion del producto de celulosa microfibrilada en este punto en el molino, se ha encontrado que mejora la prevencion del arrastre del medio de trituracion a la zona estatica y/o el clasificador y/o el tamiz. Ademas, el mezclamiento limitado a lo largo de la torre permite el procesamiento de mayor contenido de solidos mas abajo de la torre y diluido en la parte superior con flujo de retorno limitado del agua de dilucion de vuelta hacia abajo de la torre en una o mas zonas de trituracion. Se puede anadir cualquier cantidad de agua adecuada que sea eficaz para diluir la viscosidad de la suspension acuosa del producto que comprende la celulosa microfibrilada y el material inorganico en partfculas. El agua se puede anadir continuamente durante el procedimiento de trituracion, o a intervalos regulares o a intervalos irregulares.
En otra realizacion, se puede anadir agua a una o mas zonas de trituracion por uno o mas puntos de inyeccion del agua situados a lo largo de la longitud del molino de torre, estando el punto o cada punto de inyeccion de agua situado en una posicion que corresponde a una o mas zonas de trituracion. Ventajosamente, la capacidad de anadir agua en diferentes puntos a lo largo de la torre permite el mayor ajuste de las condiciones de trituracion en cualquier o todas las posiciones a lo largo del molino.
El molino de torre puede comprender un eje impulsor vertical equipado con una serie de discos rotores impulsores a lo largo de su longitud. La accion de los discos rotores impulsores crea una serie de zonas de trituracion discretas a lo largo del molino.
En otra realizacion, la trituracion se lleva a cabo en un triturador de cribado, preferiblemente un Stirred media detritor. El triturador de cribado puede comprender uno o mas tamices que tienen un tamano de aberturas nominal de al menos aproximadamente 250 pm, por ejemplo, el uno o mas tamices pueden tener un tamano de aberturas nominal de al menos aproximadamente 300 pm, o al menos aproximadamente 350pm, o al menos aproximadamente 400 pm, o al menos aproximadamente 450 pm, o al menos aproximadamente 500 pm, o al menos aproximadamente
550 pm, o al menos aproximadamente 600 pm, o al menos aproximadamente 650 pm, o al menos aproximadamente
700 pm, o al menos aproximadamente 750 pm, o al menos aproximadamente 800 pm, o al menos aproximadamente
850 pm, o al menos aproximadamente 900 pm, o al menos aproximadamente 1000 pm.
Los tamanos de los tamices indicados inmediatamente antes se pueden aplicar a las realizaciones del molino de torre descritas antes.
Como se ha indicado antes, la trituracion se puede llevar a cabo en presencia de un medio de trituracion. En una realizacion, el medio de trituracion es un medio grueso que comprende partfculas que tienen un diametro medio en el intervalo de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 6 mm, por ejemplo aproximadamente 2 mm, o aproximadamente 3 mm, o aproximadamente 4 mm, o aproximadamente 5 mm.
En otra realizacion, el medio de trituracion tiene una gravedad espedfica de al menos aproximadamente 2,5, por ejemplo, al menos aproximadamente 3, o al menos aproximadamente 3,5, o al menos aproximadamente 4,0, o al menos aproximadamente 4,5, o al menos aproximadamente 5,0, o al menos aproximadamente 5,5, o al menos aproximadamente 6,0.
Como se ha descrito antes, el medio (o medios) de trituracion pueden estar presentes en una cantidad de hasta aproximadamente 70% en volumen de la carga. El medio de trituracion puede estar presente en una cantidad de al menos aproximadamente 10% en volumen de la carga, por ejemplo, al menos aproximadamente 20% en volumen de la carga, o al menos aproximadamente 30% en volumen de la carga, o al menos aproximadamente 40% en volumen de la carga, o al menos aproximadamente 50% en volumen de la carga, o al menos aproximadamente 60% en volumen de la carga
En una realizacion, el medio de trituracion esta presente en una cantidad de aproximadamente 50% en volumen de la carga.
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Por “carga” se entiende la composicion que es la alimentacion alimentada al recipiente de trituracion. La carga incluye agua, medio de trituracion, sustrato fibroso que comprende celulosa, y cualesquiera otros aditivos opcionales (distintos de los descritos en la presente memoria).
El uso de un medio relativamente grueso y/o denso tiene la ventaja de mejores tasas de sedimentacion (es decir, mas rapida) y menor medio arrastrado a lo largo de la zona estatica y/o clasificador y/o tamiz(tamices).
Una ventaja adicional de usar tamices relativamente gruesos es que se puede usar un medio de trituracion relativamente grueso o denso en la etapa de microfibrilacion. Ademas, el uso de tamices relativamente gruesos (es decir, que tiene una abertura nominal de al menos aproximadamente 250 pm) permite procesar y retirar del triturador un producto con contenido de solidos relativamente alto, que permite que una alimentacion con contenido relativamente alto de solidos (que comprende sustrato fibroso que comprende celulosa y material inorganico en partfculas) sea procesada en un procedimiento economicamente viable. Como se ha discutido antes, se ha encontrado que una alimentacion que tiene un contenido de solidos inicial alto es conveniente en terminos de suficiencia energetica. Ademas, tambien se ha encontrado que el producto producido (a una energfa dada) con contenido de solidos mas bajo tiene una distribucion del tamano de partfculas mas grueso.
Como se ha descrito en la seccion de “Antecedentes” anterior, la presente invencion busca abordar el problema de preparar celulosa microfibrilada de forma economica a una escala industrial.
Por lo tanto, de acuerdo con una realizacion, el sustrato fibroso que comprende celulosa esta presente en el entorno acuoso con un contenido de solidos inicial de al menos aproximadamente 1% en peso. El sustrato fibroso que comprende celulosa puede estar presente en el entorno acuoso con un contenido de solidos inicial de al menos aproximadamente 2% en peso, por ejemplo, al menos aproximadamente 3% en peso, o al menos aproximadamente 4% en peso. Tfpicamente, el contenido de solidos inicial sera como maximo aproximadamente 10% en peso.
En otra realizacion, la trituracion se lleva a cabo en una cascada de recipiente de trituracion, uno o mas de los cuales puede comprender una o mas zonas de trituracion. Por ejemplo, el sustrato fibroso que comprende celulosa se pueden triturar en una cascada de dos o mas recipientes de trituracion, por ejemplo, una cascada de tres o mas recipientes de trituracion, o una cascada de cuatro o mas recipientes de trituracion, o una cascada de cinco o mas recipientes de trituracion, o una cascada de seis o mas recipientes de trituracion, o una cascada de siete o mas recipientes de trituracion, o una cascada de ocho o mas recipientes de trituracion, o una cascada de nueve o mas recipientes de trituracion, o una cascada que comprende hasta diez recipientes de trituracion. La cascada de recipientes de trituracion puede estar operativamente unida en serie o paralelo o una combinacion de serie y paralelo. La salida de y/o la entrada a uno o mas de los recipientes de trituracion en la cascada puede estar sujeto a una o mas etapas de cribado y/o una o mas etapas de clasificacion.
La energfa total gastada en un procedimiento de microfibrilacion puede estar distribuida igualmente a lo largo de los recipientes de trituracion en cascada. Alternativamente, el aporte de energfa puede variar entre algunos o todos los recipientes de trituracion en la cascada.
Un experto en la tecnica entendera que la energfa gastada por recipiente puede variar entre recipientes en la cascada dependiendo de la cantidad de sustrato fibroso que se microfibrila en cada recipiente, y opcionalmente la velocidad de trituracion en cada recipiente, la duracion de la trituracion en cada recipiente, el tipo de medio de trituracion en cada recipiente. Las condiciones de trituracion se pueden variar en cada recipiente en la cascada con el fin de controlar la distribucion del tamano de partfculas de la celulosa microfibrilada.
En una realizacion, la trituracion se lleva a cabo en un circuito cerrado. En otra realizacion, la trituracion se lleva a cabo en un circuito abierto.
Puesto que la suspension de material que se va a triturar puede ser de una viscosidad relativamente alta, se puede anadir preferiblemente un agente de dispersion adecuado a la suspension antes de la trituracion. El agente de dispersion puede ser, por ejemplo, un fosfato condensado soluble en agua, poli(acido silfcico) o una sal del mismo, o un polielectrolito, por ejemplo una sal soluble en agua de un poli(acido acnlico) o de un poli(acido metacnlico) que tiene un peso molecular medio en numero no superior a 80.000. La cantidad de agente dispersante usada en general estana en el intervalo de 0,1 a 2,0% en peso, basado en el peso del material solido inorganico en partfculas seco. La suspension se puede triturar adecuadamente a una temperatura en el intervalo de 4°C a 100°C.
Otros aditivos que se pueden incluir durante la etapa de microfibrilacion incluyen: carboximetilcelulosa, carboximetilcelulosa anfotera, agentes oxidantes, 2,2,6,6-tetrametilpiperidina-1-oxilo (TEMPO), derivados de TEMPO y enzimas que degradan la madera.
El pH de la suspension de material que se va a triturar puede ser aproximadamente 7 o mayor que aproximadamente 7 (es decir, basico), por ejemplo, el pH de la suspension puede ser aproximadamente 8, o aproximadamente 9, o aproximadamente 10, o aproximadamente 11. El pH de la suspension del material que se va a triturar puede ser menor de aproximadamente 7 (es decir, acido), por ejemplo, el pH de la suspension puede ser aproximadamente 6, o aproximadamente 5, o aproximadamente 4, o aproximadamente 3. El pH de la suspension de material que se va a triturar se puede ajustar por adicion de una cantidad adecuada de acido o base. Las bases
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adecuadas incluyen hidroxidos de metales alcalinos, tales como, por ejemplo NaOH. Otras bases adecuadas son carbonato sodico y amoniaco. Los acidos adecuados incluyen acidos inorganicos, tales como acido clorhndrico, acido sulfurico o acidos organicos. Un acido ilustrativo es el acido ortofosforico.
El aporte energetico total en un procedimiento de trituracion tfpico para obtener la composicion de suspension acuosa deseada puede estar tipicamente entre aproximadamente 100 y 1500 kWht"1 basado en el peso seco total de la carga inorganica en partmulas. El aporte energetico total puede ser menor que aproximadamente 1000 kWht"1 , por ejemplo, menor que aproximadamente 800 kWht"1, menor que aproximadamente 600 kWht"1, menor que aproximadamente 500 kWht"1, menor que aproximadamente 400 kWht"1, menor que aproximadamente 300 kWht, o menor que aproximadamente 200 kWht"1. Asf pues, los autores de la presente invencion han encontrado sorprendentemente que una pasta de celulosa se puede microfibrilar con un aporte energetico relativamente bajo cuando se cotritura en presencia del material inorganico en partmulas. Como sera evidente, el aporte energetico total por tonelada de fibra seca en el sustrato fibroso que comprende celulosa sera menor que aproximadamente 10.000 kWht"1, por ejemplo, menor que aproximadamente 9000 kWht"1, o menor que aproximadamente 8000 kWht"1, o menor que aproximadamente 7000 kWht"1, o menor que aproximadamente 6000 kWht"1, o menor que
aproximadamente 5000 kWht"1, por ejemplo, menor que aproximadamente 4000 kWht"1, menor que
aproximadamente 3000 kWht"1, menor que aproximadamente 2000 kWht"1, menor que aproximadamente 1500 kWht" 1, menor que aproximadamente 1200 kWht"1, menor que aproximadamente 1000 kWht"1 o menor que
aproximadamente 800 kWht"1. El aporte total de energfa vana dependiendo de la cantidad de fibra seca en el
sustrato fibroso que se microfibrila, y opcionalmente la velocidad de trituracion y la duracion de la trituracion.
El siguiente procedimiento se puede usar para caracterizar las distribuciones de tamano de partmulas de mezclas de minerales (GCC o caolm) y fibras de pasta de celulosa microfibrilada.
"Carbonato de calcio
Se pesa una muestra de suspension cotriturada suficiente para dar 3 g de material seco en un vaso de precipitados, se diluye hasta 60 g con agua desionizada, y se mezcla con 5 cm3 de una disolucion de poli(acrilato sodico) de 1,5% en p/v activo. Se anade mas agua desionizada con agitacion hasta un peso final de suspension de 80 g.
" Caolm
Se pesa una muestra de suspension cotriturada suficiente para dar 5 g de material seco en un vaso de precipitados, se diluye hasta 60 g con agua desionizada, y se mezcla con 5 cm3 de una disolucion de carbonato sodico al 1,0% en peso y hexametafosfato sodico al 0,5% en peso. Se anade mas agua desionizada con agitacion hasta un peso final de suspension de 80 g.
Despues la suspension se anade en partes almuotas de 1 cm3 a agua en la unidad de preparacion de muestra unida al Mastersizer S hasta que presenta el nivel optimo de oscurecimiento (normalmente 10"15%). Despues se lleva a cabo el procedimiento de analisis por dispersion de luz. El intervalo del instrumento era 300RF: 0,05"900, y la longitud del haz se ajusto a 2,4 mm.
Para las muestras cotrituradas que contienen carbonato de calcio y fibra, se usa el mdice de refraccion para el
carbonato de calcio (1,596). Para las muestras cotrituradas de caolm y fibra se usa el IR del caolm (1,5295).
La distribucion del tamano de partmulas se calcula a partir de la teona de Mie y da el resultado como una
distribucion basada en el volumen diferencial. La presencia de dos picos distintos se interpreta que proceden del
mineral (pico mas fino) y fibra (pico mas grueso).
El pico del mineral mas fino se ajusta a los puntos de datos medidos y se resta matematicamente de la distribucion para dar el pico de fibra, lo que se convierte en una distribucion acumulada. De forma similar, el pico de fibra se resta matematicamente de la distribucion original para dejar el pico del mineral, lo que se convierte tambien en una distribucion acumulada. Despues, ambas curvas acumuladas se pueden usar para calcular el tamano medio de partmulas (d50) y el sesgo de la distribucion (d30/d70 x 100). La curva diferencial se puede usar para encontrar el tamano de partmulas modal tanto para la fraccion mineral como de fibra.
Ejemplos
Salvo que se especifique de otra forma, se midieron las propiedades del papel de acuerdo con los siguientes metodos:
" Resistencia al estallido: Medidor de estallido Messemer Buchnel de acuerdo con SCAN P24.
" Resistencia a la traccion: Medidor de traccion Testometrics de acuerdo con SCAN P16.
" Porosidad Bendtsen: Medida usando un medidor de porosidad Bendtsen Modelo 5 de acuerdo con SCAN P21, SCAN P60, BS 4420 y Tappi UM535.
" Densidad en masa: Esto es el redproco de la densidad aparente medida de acuerdo con SCAN P7.
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- Brillo ISO: El brillo ISO de hojas de papel hechas a mano se midio por medio de un medidor de brillo Elrepho Datacolour 3300 equipado con un filtro N°8 (longitud de onda 457 nm), de acuerdo con ISO 2470: 1999E.
- Opacidad: La opacidad de una muestra de papel se mide mediante un espectrofotometro Elrepho Datacolor 3300
usando una longitud de onda adecuada para medir la opacidad. El metodo de ensayo estandar es ISO 2471.
Primero, se hace una medicion del porcentaje de luz incidente reflejada con una pila de al menos diez hojas de
papel frente a una cavidad negra (Rinfinito). Despues, la pila de hojas se sustituye por una sola hoja de papel, y se
hace una segunda medicion del porcentaje de reflectancia de la hoja individual sobre la cubierta negra (R). Despues, se calcula el porcentaje de opacidad a partir de la formula: Porcentaje de opacidad = 100 x R/Rinfinito.
- Resistencia al desgarro: Metodo TAPPI T 414 om-04 (resistencia interna al desgarro del papel (metodo de tipo Elmendorf)).
- Resistencia interna (direccion z) usando un medidor de union Scott de acuerdo con TAPPI T569.
- Brillo: Se puede usar el metodo TAPPI T 480 om-05 (brillo especular del papel y carton a 75 grados).
- Rigidez: El metodo de medicion de la rigidez descrito en J.C. Husband, L.F. Gate, N. Norouzi, y D. Blair, "The lnfluence of kaolin Shape Factor on the Stiffness of Coated Papers", TAPPI Journal, Junio 2009, pag. 12-17 (vease en particular la seccion titulada 'Experimental Methods'); y J.C. Husband, J.S. Preston, L.F. Gate, A. Storer, y P. Creaton, "The lnfluence of Pigment Particle Shape on the ln-Plane tensile Strength Properties of Kaolin-based Coating Layers", TAPPI Journal, Diciembre 2006, pag. 3-8 (vease en particular la seccion titulada 'Experimental Methods').
- Resistencia al plegamiento L&W (fuerza necesaria para doblar una hoja por un angulo dado en mN): medido de acuerdo con ScAn-P29:84.
- Demanda cationica (o carga anionica): medida en Mutek PCD 03; las muestras se valoraron con Polydadmac (peso molecular medio de aproximadamente 60000) con conc. 1 mEq/l (adquirido en PTE AB/Selcuk D0len). La mezcla de pasta se filtro antes de la determinacion pero no las muestras de aguas blancas. Antes de ensayar la muestra se lleva a cabo un ensayo de calibracion para comprobar el consumo aproximado de polielectrolito. En el ensayo de la muestra, los polielectrolitos se dosifican en lotes (aproximadamente 10 veces) con intervalos de 30 s.
- Los coeficientes de absorcion y dispersion de la luz de la hoja se miden usando datos de reflectancia del instrumento Elrepho: Rinf = reflectancia de una pila de 10 hojas. Ro = reflectancia de 1 hoja frente a una copa negra. Estos valores y la sustancia (g.m-2) de la hoja se introducen en las ecuaciones de Kubelka - Munk descritas en "Paper Optics" de Nils Pauler, (publicado por Lorentzen y Wettre, ISBN 91-971-765-6-7), pag. 29-36.
- La retencion al primer paso se determina basandose en la medicion de solidos en la caja de entrada (HD) y en la bandeja de las aguas blancas (WW) y se calcula de acuerdo con la siguiente formula: Retencion = [(HBsolidos- WWsolidos)/HBs6lidos] x 100
- La retencion de cenizas se determina siguiendo los mismos principios que en la retencion al primer paso, pero basado en el peso del componente de cenizas en la caja de entrada (HB) y en la bandeja de aguas blancas (WW), y se calcula de acuerdo con la siguiente formula: Retencion de cenizas = [(HBcenizas-WWcenizas)/HBcenizas] x 100
- El mdice de formacion (PTS) se determina usando el software DOMAS desarrollado por PTS de acuerdo con el metodo de medicion descrito en la seccion 10-1 de su manual, “DOMAS 2.4 User Guide”
Ejemplo 1
Preparacion de carga coprocesada
- Composicion 1
Los materiales de partida para el trabajo de trituracion consistfan en una suspension de pasta (de pino kraft blanqueada Northern) y una carga de carbonado de calcio triturado (GGC), Intracarb 60™, que comprende aproximadamente 60% en volumen de partfculas menores que 2 pm. La pasta se mezclo en un mezclador Cellier con el GCC para dar una adicion nominal de 6% en peso de la pasta. Esta suspension, que tema 26,5% de solidos despues se alimento a un molino de medio agitado a 180 kW que contema medio de trituracion ceramico (King, 3 mm) con una concentracion de medio en volumen de 50%. La mezcla se trituro hasta gastarse un aporte de energfa de entre 2000 y 3000 kWht-1 (expresado en pasta sola) y despues la mezcla de pasta/mineral se separo del medio usando un tamiz de 1 mm. El producto tema un contenido de fibra (por cenizas) de 6,5% en peso, y un tamano medio de fibra (D50) de 129 pm medido usando un dispositivo Malvern Mastersizer S™. El sesgo psd de la fibra (D30/D70 x 100) era 31,7.
- Composicion 2
La preparacion de esta carga segrna el procedimiento indicado en la composicion 1. La pasta se mezclo en un
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mezclador Cellier con el Incarb 60 para dar una adicion de 20% de pasta. Esta suspension, que tema 10-11% de solidos, despues se alimento a un molino de medio agitado a 180 kW que contema medio de trituracion ceramico (King, 3 mm) con una concentracion de medio en volumen de 50%. La mezcla se trituro hasta gastarse un aporte de ene^a de entre 2500 y 4000 kWht"1(expresado en pasta sola) y despues la mezcla de pasta/mineral se separo del medio usando un tamiz de 1 mm. El producto tema un contenido de fibra (por cenizas) de 19,7% en peso, y un tamano medio de fibra (D50) de 79,7 pm medido usando un dispositivo Malvern Mastersizer S™. El sesgo psd de la fibra (D30/D70 x 100) era 29,3. Antes de la adicion a la maquina de papel el contenido de fibra se redujo a 11.4% en peso, mezclando en una relacion de aproximadamente 50/50 con el gGc (Intracarb 60™).
Ejemplo 2
Preparacion de papel base
Se preparo una mezcla de 80% en peso de pasta de eucalipto (Sodra Tofte) refinada a 27° SR con 4,5% de solidos y 20% en peso de pasta kraft de madera blanda (Sodra Monsteras) refinada a 26° SR con 3,5% de solidos, en un equipo de escala piloto. Esta mezcla de pastas se uso para hacer una bobina de papel usando una maquina de papel continuo de escala piloto que funcionaba a 800 m.min"1. La pasta papelera se alimento al laminador de doble alambre por una rendija de 13 mm de una caja de entrada UMV10. El gramaje objetivo del papel era 75 g.m-2 y las cargas y nivel de carga se exponen en la tabla 1.
Tabla 1. Propiedades del papel base sin revestir antes de calandrado
Carga
IC60 control Comp. 1 Comp. 2
Carga, % en peso
19,9 27,8 27,9 28,5
Gramaje, g.m-2
74,5 74,1 77,8 71,9
Resistencia a la traccion N.m.g'1
34,0 26,5 26,9 29,4
Porosidad Bendtsen, cm3.min''
735 749 367 296
Se uso un sistema auxiliar de retencion de 2 componentes que consistfa en una poliacrilamida cationica, Percal 47NS™, (BASF) con una dosis de 300 - 380 g.t"1 y una bentonita en micropartfculas, Hydrocol SH™ con 2 kg.t-1. La seccion de prensado consiste en una prensa de doble rodillo forrados con fieltro, funcionando con una carga lineal de 10 kN.m-1, seguido de dos prensas Metso SymBelt con la longitud de zapata de 250 mm funcionando a 600 y 800 kN.m-1, respectivamente. Los rodillos en las dos prensas de zapatas estan invertidos uno con respecto a otro.
El papel se seco usando cilindros calentados.
Aplicacion de un revestimiento de barrera
Se aplico un revestimiento a cada uno de los papeles base. La formulacion consistfa en 100 partes de un caolm de factor de forma alto (Barrisurf HX™) y 100 partes de un latex de copolfmero de estireno-butadieno (DL930™, Styron). El contenido de solidos era 50,1% en peso y la viscosidad Brookfield a 100 rpm era 80 mPa.s. Los revestimientos se aplicaron de forma manual usando una varilla de alambre bobinado para dar un peso de revestimiento de 13 -14 g.m-2. El secado se llevo a cabo usando un secador de aire caliente.
Ejemplo 3
Despues se ensayo en los papeles revestidos del ejemplo 2 la velocidad de transmision de vapor humedo (MVTR) a lo largo de 2 dfas. El metodo se basada en TAPPI T448 pero usaba gel de sflice como desecante y una humedad relativa de 50%. La cantidad de humedad transferida a traves del papel se midio a lo largo del primero y segundo dfas y despues se promedio. Los resultados se resumen en la tabla 2.
Tambien se ensayo en los papeles la resistencia al aceite usando una disolucion basada en aceite de rojo Sudan IV en ftalato de dibutilo usando una unidad de impresion IGT. Se aplico un volumen controlado del fluido (5,8 pI) al papel usando una jeringa y se paso por el rodillo de impresion a una presion de 5 kgf y una velocidad de 0,5 m.s-1. El area cubierta por el tinte fluido se midio usando analisis de imagenes y se uso como una indicacion de la capacidad del revestimiento para resistir la penetracion de fluidos basados en aceite. Los resultados se resumen en la tabla 2.
Tabla 2. Propiedades del papel base revestido
Carga
control IC60 Comp. 1 Comp. 2
Carga, % en peso
19,9 27,8 27,9 28,5
MVTR, g.m'2/dia
44,1 40,4 40,4 36,3
Area tenida, pfxeles
62592 70855 73749 75672
Estos resultados muestran que el papel que contema carga cotriturada con el nivel de fibra mas alto (composicion 2) tiene una menor velocidad de transmision de vapor humedo que el control. Los papeles revestidos tanto con la composicion 1 como 2 tienen zonas de tincion mayores indicando mejor resistencia del fluido.
5 Ejemplo 4
Preparacion de carga coprocesada
- Composicion 3
Los materiales de partida para el trabajo de trituracion consistfan en una suspension de pasta (de pino Botnia) y una carga de carbonado de calcio triturado, Intracarb 60™. La pasta se mezclo en un mezclador Cellier con el Intracarb 10 para dar una adicion nominal de 20% en peso de la pasta. Esta suspension, que tema 10-11% de solidos despues se alimento a un molino de medio agitado a 180 kW que contema medio de trituracion ceramico (King, 3 mm) con una concentracion de medio en volumen de 50%. La mezcla se trituro hasta consumirse un aporte de energfa de entre 2500 y 4000 kWht-1y despues la mezcla de pasta/mineral se separo del medio usando un tamiz de 1 mm. El producto tema un contenido de fibra (por cenizas) de 19,7% en peso, y un tamano medio de fibra (D50) de 79,7 pm 15 medido usando un dispositivo Malvern Mastersizer S™. El sesgo psd de la fibra (D30/D70 x 100) era 29,3. Antes de la adicion a la maquina de papel (vease el ejemplo 5 a continuacion) el contenido de fibra se redujo mezclando 9 partes en peso de la composicion que contema 19,7% en peso de fibra con 23 partes de Intracarb 60 de nueva aportacion para dar un contenido de fibra, medido por las cenizas, de 5,8% en peso.
- Composicion 4
20 Se preparo una segunda composicion de carga mezclando 50 partes en peso de la composicion 3, que contema 19,7% en peso de fibra, con 50 partes de Intracarb 60 de nueva aportacion para dar un contenido de fibra, medido por las cenizas, de 11,4% en peso.
Ejemplo 5
Preparacion de papel
25 Se preparo una mezcla de 80% en peso de pasta de eucalipto (Sodra Tofte) refinada a 27° SR con 4,5% de solidos y 20% en peso de pasta kraft de madera blanda (Sodra Monsteras) refinada a 26° SR con 3,5% de solidos, en un equipo de escala piloto. Esta mezcla de pastas se uso para hacer una bobina de papel continuo usando una maquina de papel de escala piloto que funcionaba a 800 m.min-1. La pasta papelera se alimento al laminador de doble alambre por una rendija de 13 mm de una caja de entrada UMV10. El gramaje objetivo del papel era 75 g.m-2 y 30 las cargas y nivel de carga se exponen en la tabla 1. Se uso un sistema auxiliar de retencion de 2 componentes que consistfa en una poliacrilamida cationica, Percal 47NS™, (BASF) con una dosis de 300 - 380 g.t-1 y una bentonita en micropartfculas, Hydrocol SH™ con 2 kg.t-1. La seccion de prensado consiste en una prensa de doble rodillo forrados con fieltro, funcionando con una carga lineal de 10 kN.m-1, seguido de dos prensas Metso SymBelt con la longitud de zapata de 250 mm funcionando a 600 y 800 kN.m-1, respectivamente. Los rodillos en las dos prensas de zapatas 35 estan invertidos uno con respecto a otro.
El papel se seco usando cilindros calentados.
La tabla 3 a continuacion indica las mediciones finales en humedo hechas durante la etapa de fabricacion del papel. Las propiedades del papel se resumen en la tabla 4.
Estos datos muestran que las cargas cotrituradas no contribuyen significativamente a los restos anionicos en la 40 recirculacion de las aguas blancas, y no tiene un efecto perjudicial en la retencion total, mientras que mejorar la retencion de cenizas. Finalmente, la formacion de papel mejora por la adicion de carga cotriturada.
Tabla 3. Parametros de la maquina de papel
control IC60 Comp. 3 Comp. 4
Carga, % en peso
19,9 27,8 27,4 28,5
Dosis de auxiliar de retencion, g.t-1
300 380 380 380
Demanda cationica de aguas blancas, peq.g-1
0,0225 0,0195 0,0195 0,0210
Retencion al 1er paso total, % en peso
72,4 73,9 74,1 70,8
Retencion de cenizas, % en peso
43,7 35,1 51,1 44,7
indice de formacion, PTS
842 800 636 668
Tabla 4. Propiedades del papel
control IC60 Comp. 3 Comp. 4
Carga, % en peso
19,9 27,8 27,4 28,5
Gramaje, g.m-2
74,5 74,1 77,3 71,9
indice de resistencia al estallido, N.m.g-1
19,3 15,5 18,1 19,8
indice de resistencia a la traccion, N.m.g-1
34,0 26,5 27,4 29,4
indice de resistencia al desgarro, N.m.g-1
4,12 3,41 3,83 4,12
Resistencia de union Scott, J.m-2
136,6 122,2 134,2 131,8
Coeficiente de dispersion de luz de la hoja, m2kg-1, filtros 8 y 10
61,5 (F8) 68,0 (F8) 69,9 (F8) 71,3 (F8)
58,0 (F10)
63,8 (F10) 65,4 (F10) 66,2 (F10)
Coeficiente de absorcion de luz de la hoja, 0 1 J m2kg, filtros 8 y 10
0,381 (F8) 0,385 (F8) 0,407 (F8) 0,419 (F8)
0,136 (F10)
0,143 (F10) 0,160 (F10) 0,170 (F10)
Los resultados muestran que los papeles que contienen carga cotriturada (composiciones 3 y 4) tienen una 5 combinacion inusual de propiedades de resistencia. Normalmente en el refinado de la pasta, si aumenta la resistencia a la traccion, disminuye al desgarro. En estos ejemplos, tanto la resistencia a la traccion como al desgarro aumentan al mismo tiempo. Tambien mejora la resistencia interna de union de Scott.
Normalmente, si la resistencia a la traccion aumenta, disminuye la dispersion de luz de la hoja. En este caso aumentan ambos.
10 Ejemplo 6
Preparacion de carga cotriturada
Los materiales de partida para el trabajo de trituracion consistfan en una suspension de pasta (de pino Botnia) y una carga de carbonado de calcio triturado, Intracarb 60™. La pasta se mezclo en un mezclador Cellier con el GCC para dar una adicion de 20% en peso de la pasta. Esta suspension, que tema 8,8% de solidos despues se alimento a un 15 molino de medio agitado a 180 kW que contema medio de trituracion ceramico (King, 3 mm) con una concentracion de medio en volumen de 50%. La mezcla se trituro hasta consumirse un aporte de energfa de entre 2500 kWht-1 y despues la mezcla de pasta/mineral se separo del medio usando un tamiz de 1 mm. El producto tema un contenido de fibra (por cenizas) de 19,0% en peso, y un tamano medio de fibra (d50) de 79 pm medido usando un dispositivo Malvern Mastersizer S™. El sesgo psd de la fibra (d30/d70 x 100) era 30,7.
20 Ejemplo 7
Preparacion de papel base
Se preparo una mezcla de 56% en peso de pasta de eucalipto Fibria refinada a 33 SR (100 kWh/t), 14% de pasta kraft de madera blanda Botnia RMA 90 batida a 31 SR, y 30% en peso de desechos sin pasta mecanica revestidos que contema 50% en peso de GCC (Royal Web Silk), con 3% de solidos en agua usando un hidrodisgregador de
pasta de madera a escala piloto
La mezcla de pastas se uso para hacer una bobina de papel continuo usando una maquina Fourdrinier a escala piloto funcionando a 12 m.min-1. El gramaje objetivo del papel era 73-82 g.m-2 y las cargas y los niveles de carga se exponen en la tabla 1. Se anadio un auxiliar de retencion polimerico cationico (Percal E622, BASF) con una dosis de 5 200 g.t-1 (10% de carga) o 300 g.t-1 (15 - 20% de carga). El papel se seco usando cilindros calentados
El papel base se calandro por 1 rodillo en la maquina usando una calandria de rodillo de acero a 20 kN de presion. Las propiedades del papel despues de calandrado se resumen en la tabla 5.
Estos resultados muestran que el papel que contiene carga cotriturada tiene mayor resistencia al estallido y a la traccion que el control. La resistencia al plegamiento tambien aumenta. Sin embargo, la porosidad se reduce mucho. 10 Las hojas que contienen la mayor cantidad de carga cotriturada tienen mejor lisura de la superficie respecto a las que contienen yeso de control.
Tabla 5. Propiedades del papel base sin pasta mecanica no revestido despues de calandrado
Control Base 1 Base 2 Base 3
5% carga de desechos 5% carga de desechos 5% carga de desechos 5% carga de desechos
10% de IC60* 10% de ej. 6 15% de ej. 6 20% de ej. 6
Carga, % en peso
15,1 15,8 19,7 23,4
Gramaje, g.m-2
72,8 74,4 77,6 82,2
Resistencia a la traccion, media geometrica, N.m.g-1
33,3 35,0 31,4 33,8
Resistencia al estallido, N.m.g-1
19,9 22,2 21,2 21,4
Fuerza de plegamiento, media geometrica, L&W, mN
3,22 3,41 4,15 4,2
Porosidad Bendtsen, cm3.min-1
1202 842 592 577
Lisura Bendtsen, cara inferior, cm3.min-1
350 340 342 286
Brillo ISO
76,7 76,6 77,5 78,0
Opacidad, %
80,6 80,6 84,4 85,9
*Intracarb 60"VI
Ejemplo 8
15 Se preparo una mezcla de revestimiento de acuerdo con la siguiente formulacion:
- 85 partes de carbonato de calcio triturado ultrafino (Carbital 95TM) que comprende aproximadamente 95% en volumen de partfculas menores de 2 pm
-15 partes de caolm de alto brillo (Hydragloss 90™ KaMin)
-11 partes por cien de latex de estireno-butadieno-acrilonitrilo (DL920™, Styron)
20 - 0,3 partes por cien de CMC (Finnfix, CP Kelco)
-1 parte por cien de estearato de calcio (Nopcote C104).
El pH se ajusto a 8,0 con NaOH y el contenido de solidos a 65,5% en peso. La viscosidad medida usando un viscosfmetro Brookfield a 100 rpm era 270 mPa.s. Esto se aplico a muestras del papel base en la tabla 5 usando una revestidora de laboratorio (Heli-Coater™) a una velocidad de 600 m.min-1. Se aplicaron pesos de revestimiento de 25 entre 7,0 y 12,0 g.m-2 y se ajusto por control del desplazamiento de la pala.
Despues de acondicionamiento a 23°C y 50% de HR, todas las muestras de papel revestidas producidas despues se supercalandraron durante 10 rodillos usando una calandria de laboratorio Perkins. La presion era 50 bar a una temperatura de los rodillos de 65°C y una velocidad de 40 m.min-1.
Se ensayo en las tiras revestidas y calandradas, la lisura (Parker Print Surf, ISO 8971-4), brillo a 75° TAPPI (T480), y cubrimiento usando un procedimiento de quemado seguido de analisis de la imagen del nivel de gris. El procedimiento implica tratar el papel con una disolucion alcoholica de cloruro amonico, seguido de calentamiento a 200°C durante l0 minutos para carbonizar las fibras del papel base. El nivel de gris del papel es una medida de la 5 capacidad de la capa de revestimiento para cubrir las fibras ennegrecidas. Valores de nivel de gris cercanos a 0 indican poco cubrimiento (negro) mientras que valores mas altos indican mayor blancura y por lo tanto mejor cubrimiento.
Los resultados para un peso de revestimiento de 12 g.m-2 se resumen en la tabla 6.
Tambien se ensayo en las muestras de papel revestido las propiedades de impresion. Se imprimieron papeles 10 usando una unidad de impresion IGT a una velocidad de 0,5 m.s'1 y una presion de 500 N. Se uso una tinta offset magenta con alimentacion de hojas, aplicando un volumen de 0,1 cm3. Se midio el brillo de la capa de tinta impresa usando un medidor de brillo a 75 ° Hunterlab de acuerdo con la referencia TAPPI T480. La densidad de la tinta se midio usando un densitometro Gretag Spectroeye™. La velocidad de repelado del revestimiento se midio con la Unidad de impresion IGT en modo de aceleracion usando un aceite de viscosidad baja de referencia. La velocidad 15 de impresion se acelero de 0-6 m.s"1 y se midio la distancia sobre la tira revestida cuando se produjo el primer dano y se expreso como una velocidad de impresion. Valores mas altos significa que el revestimiento es mas fuerte.
Tabla 6. Propiedades del papel revestido
Base
Carga, % en peso Brillo a 75° TAPPI Lisura PPS pm, 1000 Pa Quemado, nivel de gris medio Brillo de impresion, 75° Densidad de impresion Velocidad de repelado en seco -1 cm.s
Control
15,1 64 1,29 111,6 70 1,50 183
Base 1
15,8 63 1,21 114,6 70 1,51 194
Base 2
19,7 71 1,17 140,9 77 1,53 191
Base 3
23,4 68 1,30 129,9 75 1,46 198
Los resultados muestran que sustituir una carga GCC estandar por una carga cotriturada que contiene celulosa 20 microfibrilada produce mejoras en la calidad de la hoja revestida cuando el papel se reviste posteriormente. La superficie del papel revestido tiene mayor brillo, mejor lisura y la capa de revestimiento tiene mejor cubrimiento de acuerdo con el ensayo de quemado (valores de nivel de gris mayores). Las propiedades de impresion tambien mejoran con la capa de tinta que tiene mayor brillo. Tambien se encontro que la resistencia al repelado en seco aumentaba cuando se usaba en la base carga que contema celulosa microfibrilada.
25 Ejemplo 9
Preparacion de la carga cotriturada
Los materiales de partida para el trabajo de trituracion consistfan en una suspension de pasta (de pino Botnia) y una carga de carbonato de calcio triturado, Polcarb 60™, que comprendfa aproximadamente 60% en volumen de partfculas menores de 2 pm. La pasta se mezclo en un mezclador Cellier con el Polcarb para dar una adicion de 30 20% en peso de la pasta. Esta suspension, que tema 8,7% de solidos despues se alimento a un molino de medio
agitado a 180 kW que contema medio de trituracion ceramico (King, 3 mm) con una concentracion de medio en volumen de 50%. La mezcla se trituro hasta consumirse un aporte de energfa de entre 2500 kWht-1 y despues la mezcla de pasta/mineral se separo del medio usando un tamiz de 1 mm. El producto tema un contenido de fibra (por calcinacion) de 20,7% en peso, y un tamano medio de fibra (d50) de 79 pm medido usando un dispositivo Malvern 35 Mastersizer S™. El sesgo psd de la fibra (d30/d70x 100) era 29,5.
Ejemplo 10
Preparacion de papel base
Se preparo una mezcla de 40% en peso de pasta de madera triturada presurizada, 40% de pasta kraft de madera blanda Botnia RMA 90 batida a 31 SR, y 20% en peso de desechos LWC revestidos la fabricacion de que contema 40 GCC/caolm 50/50, con 3% de solidos en agua usando un hidrodisgregador de pasta de madera a escala piloto
La mezcla de pasta se uso para hacer una bobina de papel continuo usando una maquina Fourdrinier a escala piloto funcionando a 16 m.min-1. El gramaje objetivo del papel era 38-43 g.m-2 y las cargas y los niveles de carga se exponen en la tabla 7. Se anadio un auxiliar de retencion polimerico cationico (Percol 230L, BASF) con una dosis de 200 g.t-1 (10% de carga) o 300 g.t-1 (15 - 20% de carga). El papel se seco usando cilindros calentados
5
10
15
20
25
El papel base se calandro por 1 rodillo en la maquina usando una calandria de rodillo de acero a 20 kN de presion. Las propiedades del papel despues de calandrado se resumen en la tabla 7.
Estos resultados muestran que el papel que contiene carga cotriturada tiene mayor resistencia al estallido y a la traccion que el control. La resistencia al plegamiento tambien aumenta. Sin embargo, la porosidad se reduce mucho. Las hojas que contienen la mayor cantidad de carga cotriturada tienen mejor lisura de la superficie respecto a las que contienen yeso de control.
Tabla 7. Propiedades del papel base no revestido despues de calandrado
Control Base 1 Base 2 Base 3
5% carga de desechos 5% carga de desechos 5% carga de desechos 5% carga de desechos
6% de Polcarb 60 5% de ej. 9 10% de ej. 9 14% de ej. 9
Carga, % en peso
11,2 10,1 15,4 18,8
Gramaje, g.m-2
38,2 38,2 42,0 43,0
Resistencia a la traccion, media geometrica, N.m.g-1
26,8 32,4 30,4 28,4
Resistencia al estallido, N.m.g'1
14,8 17,4 16,0 15,4
Fuerza de plegamiento, media geometrica, L&W, mN
3,22 3,41 4,15 4,2
Porosidad Bendtsen, cm3.min''
1202 842 592 577
Lisura Bendtsen, cara inferior, cm^min'1
350 340 342 286
Brillo ISO
76,7 76,6 77,5 78,0
Opacidad, %
80,6 80,6 84,4 85,9
Ejemplo 11
Se preparo una mezcla de revestimiento de acuerdo con la siguiente formulacion:
- 60 partes de carbonato de calcio triturado fino (Carbital 90TM) que comprende aproximadamente 90% en volumen de parttculas menores de 2 pm
- 40 partes de caolm brasileno fino (Capim DG™)
- 8 partes por cien de latex de estireno-butadieno-acrilonitrilo (DL920™, Styron)
- 4 partes por cien de almidon (Cargill C* pelfcula)
-1 parte por cien de estearato de calcio (Nopcote C104).
El pH se ajusto a 8,0 con NaOH y el contenido de solidos a 67,5% en peso. La viscosidad medida usando un viscosfmetro Brookfield a 100 rpm era 270 mPa.s. Esto se aplico a muestras del papel base en la tabla 7 usando un revestimiento de laboratorio (Heli-Coater™) a una velocidad de 600 m.min'1. Se aplicaron pesos de revestimiento de entre 7,0 y 12,0 g.m-2 y se ajusto por control del desplazamiento de la pala.
Despues de acondicionamiento a 23°C y 50% de HR, todas las muestras de papel revestido producidas en los ejemplos 3 y 4 despues se supercalandraron durante 10 rodillos usando una calandria de laboratorio Perkins. La presion era 50 bar a una temperatura de los rodillos de 65°C y una velocidad de 40 m.min'1.
Se ensayo en las tiras revestidas y calandradas, la lisura (Parker Print Surf, ISO 8971-4), brillo a 75° TAPPI (T480), y cubrimiento de acuerdo con el ejemplo 8 anterior.
Tambien se ensayaron en las muestras de papel revestido las propiedades de impresion de acuerdo con el ejemplo 8 anterior.
Los resultados interpolados a un peso de revestimiento de 10 g.m-2 se resumen en la tabla 8.
5
10
15
20
25
Tabla 8. Propiedades del papel revestido
Base
Carga, % en peso Brillo a 75° TAPPI Lisura PPS pm, 1000 Pa Quemado, nivel de gris medio Brillo de impresion, 75°
Control
11,2 48 1,36 142,3 62
Base 1
10,1 50 1,35 135,9 62
Base 2
15,4 54 1,17 161,0 66
Base 3
18,8 52 1,20 148,5 65
Los resultados muestran que sustituir una carga de yeso estandar por una carga cotriturada que contiene celulosa microfibrilada produce mejoras en la calidad de la hoja revestida cuando el papel se reviste posteriormente. La superficie del papel revestido tiene mayor brillo, mejor lisura y la capa de revestimiento tiene mejor cubrimiento de acuerdo con el ensayo de quemado (valores de nivel de gris mayores). Las propiedades de impresion tambien mejoran con la capa de tinta que tiene mayor brillo.
Ejemplo 11
400 g de pasta kraft de madera blanda blanqueada no refinada (pino Botnia RM90) se sumergieron en 20 litros de agua durante 6 horas, despues se aplasto en un mezclador mecanico. La pasta papelera asf obtenida despues se vertio en una batidora Valley de laboratorio y se refino bajo carga durante 28 min para obtener una muestra de pasta refinada batida de 525 cm3 de grado de refinado canadiense (CSF).
Despues se elimino el agua de la pasta usando un medidor de consistencia (Testing Machines lnc.) para obtener un bloque de pasta humeda con 23,0-24,0% en peso de solidos. Este despues se uso en experimentos de cotrituracion como se detalla a continuacion:
Se pesaron 143 g de una suspension de Carbital 60HS™ (77,7% en peso de solidos; aproximadamente 60% en volumen de partfculas menores de 2 pm) en un recipiente de trituracion. Despues se anadieron 51,0 g de pasta humeda y se mezclaron con el carbonato. Despues se anadieron 1485 g de medio de trituracion King de 3 mm seguido de 423 g de agua para dar una concentracion de medio en volumen de 50%. La mezcla se trituro junta a 1000 rpm hasta consumirse un aporte de energfa de 5.000 - 12.500 kWh/ton (expresado en fibra). El producto se separo del medio usando un tamiz de 600 pm BSS. El contenido de solidos de la suspension resultante era entre 22,0 - 25,0% en peso y una viscosidad Brookfield (100 rpm) de 1400 - 2930 mPa.s. El contenido de fibra del producto se analizo por calcinacion a 450°C y el tamano de las fracciones de mineral y pasta se midieron usando un Malvern Mastersizer.
Se prepararon muestras adicionales basadas en el mismo GCC y pasta usando condiciones similares pero con niveles de adicion de pasta mayores. Las propiedades de las muestras se indican en la tabla 9.
Tabla 9. Condiciones y propiedades de cotrituracion de suspensiones de MFC-GCC
Muestra
% en peso MFC en el mineral Energfa kWh/t MFC MFC D50, pm, (Malvern) % en peso de solidos Viscosidad Brookfield, 100 rpm, mPa.s
1
11,1 7500 41,6 22,0 2930
2
10,9 10.000 16,5 23,9 1685
3
10,9 12.500 12,5 25,0 1405
4
17,2 5.000 43 14,9 1815
5
15,7 10.000 16,4 17,4 1030
6
15,3 12.500 12,3 18,4 960
7
24,1 12.500 11,7 13,5 1055
Ejemplo 12
Se pesaron 131 g de una suspension de Barrisurf HX™ (53,0% en peso de solidos; factor de forma = 100) en un recipiente de trituracion. Despues se anadieron 33,0 g de pasta humeda al 22,5% en peso de solidos y se mezclaron con el caolm. Despues se anadieron 1485 g de medio de trituracion King de 3 mm seguido de 429 g de agua para 5 dar una concentracion de medio en volumen de 50%. La mezcla se trituro junta a 1000 rpm hasta consumirse un aporte de energfa entre 5.000 y 12.500 kWh/ton (expresado en fibra). Los productos se separaron del medio usando un tamiz de 600 pm BSS. El contenido de solidos de las suspensiones resultantes era entre 13,5 -15,9% en peso y valores de viscosidad Brookfield (100 rpm) de 1940 y 2600 mPa.s. El contenido de fibra del producto se analizo por calcinacion a 450°C y el tamano de las fracciones de mineral y pasta se midieron usando un Malvern Mastersizer.
10 Se prepararon muestras adicionales basadas en el mismo caolm y pasta usando condiciones similares pero con niveles de adicion de pasta mayores. Las propiedades de las muestras se indican en la tabla 10.
Tabla 10. Condiciones y propiedades de suspensiones de MFC-caolm cotrituradas
Muestra
% en peso MFC en el mineral Energfa kWh/t MFC MFC D50, pm, (Malvern) % en peso de solidos Viscosidad Brookfield, 100 rpm, mPa.s
8
12,6 5000 52,2 13,5 2632
9
13,0 7500 34,3 14,3 2184
10
12,5 10.000 23 14,6 1940
11
13,4 12.500 18,2 15,9 2280
12
18,6 5000 42,5 14,1 4190
13
16,6 7500 24,8 16,2 4190
14
15,9 10.000 17 16,0 3156
15
16,4 12.500 13,6 16,1 2332
16
22,5 5000 41,9 14,3 6020
17
21,2 7500 28,2 14,4 5220
18
21,4 10.000 16,5 14,8 3740
19
20,0 12.500 11,9 18,1 4550
20
27,7 7500 31,4 13,6 4750
21
28,4 10.000 21,4 15,6 5050
22
32,3 12.500 13,6 17,4 6490
Ejemplo 13
15 Porciones de las suspensiones anteriores se aplicaron sobre una pelmula de poli(tereftalato de etileno) (Terinex Ltd.) usando una varilla de alambre bobinado de pelmula de 150 pm de espesor (Sheen lnstruments Ud, Kingston, Reino Unido). Los revestimientos se secaron por aplicacion de una pistola de aire caliente. Los revestimientos secos se retiraron de la pelmula de PET y se cortaron en formas de barra de pesas de 4 mm de ancho usando un cuter disenado para el ensayo de caucho. Se midieron las propiedades de traccion de los revestimientos usando un 20 medidor de traccion (Testometric 350., Rochdale, Reino Unido). El procedimiento se describe en el artmulo de J.C. Husband, J.S. Preston, L.F. Gate, A. Storer y P. Creaton, “The Influence of Pigment Particle Shape on the In-Plane tensile Strength Properties of Kaolin-based Coating Layers”: TAPPI Journal, Disiembre 2006, pag. 3-8 (vease en particular la seccion titulada “'Experimental Methods”). La resistencia a la traccion de las pelmulas revestidas se calculo a partir de la carga de rotura y el modulo elastico a partir de la pendiente inicial de la curva de tension frente 25 a alargamiento. El procedimiento se describe en el artmulo de J.C. Husband, L.F. Gate, N. Norouzi, y D. Blair, "The lnfluence of kaolin Shape Factor on the Stiffness of Coated Papers”: TAPPI Journal, Junio 2009, pag. 12-17 (vease en particular la seccion titulada “'Experimental Methods”).
Los resultados de las propiedades mecanicas se resumen en las tablas 11 y 12.
Tabla 11. Propiedades mecanicas de los revestimientos de MFC - CCG cotriturados
Muestra
% en peso MFC en el mineral Energfa kWh/t MFC Resistencia a la traccion, MPa Modulo elastico, GPa
1
11,1 7500 0,78 0,44
2
10,9 10.000 0,90 0,68
3
10,9 12.500 0,74 0,65
4
17,2 5.000 0,68 0,35
5
15,7 10.000 1,33 0,75
6
15,3 12.500 1,36 0,83
7
24,1 12.500
Estos resultados muestran que una combinacion de MFC y caolm con una relacion de dimensiones alta puede producir valores de resistencia y modulo elastico. El modulo elastico se traducina directamente en rigidez del papel 5 revestido mejorada, por ejemplo.
Tabla 12. Condiciones y propiedades del revestimiento de MFC-Barrisurf HX cotriturados
Muestra
% en peso MFC en el mineral Energfa kWh/t MFC Resistencia a la traccion, MPa Modulo elastico, GPa
8
12,6 5000 1,93 1,29
9
13,0 7500 2,96 1,68
10
12,5 10.000 2,55 1,66
11
13,4 12.500 2,41 1,69
12
18,6 5000 2,25 1,45
13
16,6 7500 3,27 2,14
14
15,9 10.000 4,31 2,64
15
16,4 12.500 2,98 2,16
16
22,5 5000 2,91 2,11
17
21,2 7500 5,71 2,94
18
21,4 10.000 5,95 2,91
19
20,0 12.500 3,26 2,53
20
27,7 7500 6,62 2,86
21
28,4 10.000 5,53 2,54
22
32,3 12.500 5,33 2,67

Claims (15)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    REIVINDICACIONES
    1. Un artfculo que comprende:
    i) un producto de papel que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas; y
    ii) uno o mas revestimientos funcionales sobre el producto de papel; en donde la celulosa microfibrilada tiene un sesgo de la fibra de 20 a 50.
  2. 2. El artfculo de la reivindicacion 1, en donde el revestimiento funcional es un polfmero, un metal, una composicion acuosa o una combinacion de los mismos.
  3. 3. El artfculo de la reivindicacion 1 o reivindicacion 2, en donde el revestimiento funcional es una composicion acuosa que comprende un caolm laminado o hiperlaminado.
  4. 4. El artfculo de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende un material de envasado.
  5. 5. El artfculo de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el revestimiento funcional es una capa de barrera de lfquidos, por ejemplo, una capa de barrera de lfquidos basada en agua.
  6. 6. El artfculo de una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en donde el revestimiento funcional es una capa de electronica impresa.
  7. 7. El artfculo de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el producto de papel comprende de aproximadamente 0,5% en peso a aproximadamente 50% en peso de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, por ejemplo, de aproximadamente 25% en peso a aproximadamente 35% en peso de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas.
  8. 8. Un producto de papel que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas, en donde el producto de papel tiene:
    i) una primera resistencia a la traccion mayor que una segunda resistencia a la traccion del producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas; y/o
    ii) una primera resistencia al desgarro mayor que una segunda resistencia al desgarro del producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas; y/o
    iii) una primera resistencia al estallido mayor que una segunda resistencia al estallido del producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas; y/o
    iv) un primer coeficiente de dispersion de la luz de la hoja mayor que un segundo coeficiente de dispersion de la luz de la hoja del producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas; y/o
    v) una primera porosidad menor que una segunda porosidad del producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas; y/o
    vi) una primera resistencia en la direccion z (enlace interno) que una segunda resistencia en la direccion z (enlace interno) del producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partfculas; y/o
    vii) un primer mdice de formacion menor que un segundo mdice de formacion del producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas; y
    en donde el producto de papel comprende ademas una composicion de revestimiento de papel que comprende un revestimiento funcional para el envasado de lfquidos, revestimientos de barrera, aplicaciones de electronica impresa, o una composicion de revestimiento que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas, opcionalmente en donde la celulosa microfibrilada tiene un sesgo de la fibra de 20 a 50.
  9. 9. El producto de papel de la reivindicacion 8, que ademas comprende un segundo revestimiento que comprende un polfmero, un metal, una composicion acuosa o una combinacion de los mismos, que ademas tiene opcionalmente una primera velocidad de transmision de vapor humedo (MVTR) menor que una segunda MVTR del producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas.
  10. 10. El producto de papel de cualquiera de las reivindicaciones 8-9, en donde el papel comprende de aproximadamente 0,5% en peso a aproximadamente 50% en peso de la composicion de celulosa microfibrilada
    39
    5
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    coprocesada y material inorganico en partmulas, por ejemplo, de aproximadamente 25% en peso a aproximadamente 35% en peso de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas.
  11. 11. Un producto de papel segun la reivindicacion 8, que tiene un primer brillo mayor que un segundo brillo del producto de papel desprovisto de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas.
  12. 12. Un producto de papel revestido, en donde el revestimiento comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas, y en donde el producto de papel revestido tiene:
    i. un primer brillo mayor que un segundo brillo del producto de papel revestido que comprende una composicion de revestimiento desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas; y/o
    ii. una primera rigidez mayor que una segunda rigidez del producto de papel revestido que comprende una composicion de revestimiento desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas; y/o
    iii. una primera propiedad de barrera que es mejor comparada con una segunda propiedad de barrera del producto de papel revestido que comprende una composicion de revestimiento desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas;
    en donde la celulosa microfibrilada tiene un sesgo de la fibra de 20 a 50,
    opcionalmente en donde la partmula inorganica es caolm, por ejemplo, caolm hiperlaminado.
  13. 13. Una composicion polimerica que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas, en donde la celulosa microfibrilada tiene un sesgo de la fibra de 20 a 50, opcionalmente en donde la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas esta sustancialmente dispersa homogeneamente en la composicion polimerica.
  14. 14. Una composicion para la fabricacion de papel que comprende una composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas, en donde (A) la composicion para la fabricacion de papel tiene:
    (i) una primera demanda cationica menor que una segunda demanda cationica de la composicion para la fabricacion de papel desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas; y/o
    (ii) una primera retencion al primera paso mayor que una segunda retencion al primera paso de la composicion para la fabricacion de papel desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas; y/o
    (iii) una primera retencion de cenizas mayor que una segunda retencion de cenizas de la composicion para la fabricacion de papel desprovista de la composicion de celulosa microfibrilada coprocesada y material inorganico en partmulas; y
    en donde la celulosa microfibrilada tiene un sesgo de la fibra de 20 a 50,
    o en donde (B) la composicion para la fabricacion de papel esta sustancialmente desprovista de auxiliares de retencion y en donde la celulosa microfibrilada tiene un sesgo de la fibra de 20 a 50.
  15. 15. El artmulo, producto de papel, composicion polimerica o composicion para la fabricacion de papel de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde:
    (i) el material inorganico en partmulas comprende un carbonato o sulfato de metal alcalinoterreo, tal como carbonato de calcio, carbonato de magnesio, dolomita, yeso, una arcilla kandita hidratada tal como caolm, haloisita o arcilla de bola, una arcilla kandita anhidra (calcinada) tal como metacaolm o caolm completamente calcinado, talco, mica, huntita, hidromagnesita, vidrio triturado, perlita o tierra de diatomeas, o combinaciones de los mismos; y/o
    (ii) la celulosa microfibrilada tiene un d50 en el intervalo de aproximadamente 25 pm a aproximadamente 250 pm, mas preferiblemente de aproximadamente 30 pm a aproximadamente 150 pm, incluso mas preferiblemente de aproximadamente 50 pm a aproximadamente 140 pm, todavfa mas preferiblemente de aproximadamente 70 pm a aproximadamente 130 pm, y lo mas preferiblemente de aproximadamente 50 pm a aproximadamente 120 pm; y/o
    (iii) la celulosa microfibrilada tiene una distribucion del tamano de partmulas monomodal o una distribucion del tamano de partmulas multimodal.
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