FI121999B - Menetelmä rainan valmistamiseksi ja raina - Google Patents

Description

MENETELMÄ. RAINAN VALMISTAMISEKSI JA RAINA KEKSINNÖN ALA

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 5 johdanto-osassa määritelty menetelmä ja patenttivaatimuksen 11 johdanto-osassa määritelty raina.

KEKSINNÖN TAUSTA

Entuudestaan tunnetaan erilaisia menetelmiä 10 rainan ja paperin valmistamiseksi massasta. Lisäksi tunnetaan erilaisia menetelmiä paperin ominaisuuksien parantamiseksi. Paperinvalmistuksessa pyritään tiettyjen tuotteiden osalta mahdollisimman alhaiseen neliö-painoon mutta kuitenkin samanaikaisesti tiettyyn kor-15 keaan lujuuteen, mikä on ollut ongelmallista toteuttaa. Paperinvalmistuksessa tavanomaisena tavoitteena on tuottaa vahvaa ja vaaditut ominaisuudet täyttävää paperia minimaalisella kuitujen käytöllä. Aiemmin tunnettua on paperin lujuuden lisääminen oikeiden kuitu-20 jen valinnalla, kuitujen oikeatyyppisellä jauhatuksella, kuivauksen ohjauksella ja lujuutta lisäävien lisäaineiden käytöllä. Paperin lujuus on yleensä kolmen asian funktio: itse kuitujen lujuus, kuitupituus ja kuitujen välinen sidoslujuus. Vahvoilla kuiduilla si-25 doslujuus on usein rajoittava tekijä. Paperin tiheys vaikuttaa myös paperin lujuuteen. Käytännössä raja pa-o perin vetoindeksille on ollut noin 100 Nm/g, kun pape- pq rin tiheys on maksimaalisesti ollut noin 700 kg/m3.

o

00 30 KEKSINNÖN TARKOITUS

CC

“ Keksinnön tarkoituksena on ratkaista edellä mainitut ongelmat ja tuoda esiin uudentyyppinen mene-o telmä rainan valmistamiseksi ja sen ominaisuuksien pa-o o rantamiseksi. Lisäksi keksinnön tarkoituksena on tuoda

CM

2 esiin uudentyyppinen raina, esim. paperiraina, jolla on parannetut ominaisuudet, erityisesti lujuus.

KEKSINNÖN YHTEENVETO

5 Keksinnön mukaiselle menetelmälle ja rainalle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksissa .

Keksintö perustuu menetelmään rainan valmistamiseksi kuitupohjaisesta massasta siten, että muo-10 dostetaan kuitupohjainen massa ja muodostetaan kuitu-pohjaisesta massasta raina rainauksen avulla. Keksinnön mukaisesti kuitupohjaisen massan kuituja, esim. selluloosakuituja, käsitellään kahdella vastakkaisesti varautuneella polyelektrolyytillä, joista ensimmäinen on 15 kationinen ja toinen on anioninen, olennaisesti kuitupohj aisen massan valmistuksen yhteydessä.

Lisäksi keksintö perustuu rainaan, joka on muodostettu kuitupohjaisesta massasta rainauksen avulla. Keksinnön mukaisesti kuitupohjaisen massan kuituja on 20 käsitelty kahdella vastakkaisesti varautuneella poly elektrolyytillä, joista ensimmäinen on kationinen ja toinen on anioninen, olennaisesti kuitupohjaisen massan valmistuksen yhteydessä.

Keksintö perustuu nimenomaan kuitumassan kui- 25 tujen polyelektrolyyttiseen monikerrospäällystämiseen kuitujen sidoskyvyn lisäämiseksi ja/tai polyelektro- ^ lyyttikompleksien muodostumiseen kuitumassassa lisää- o maan muodostettavan rainan lujuutta. Kuitujen päällys- p) tämisessa vastakkaisesti varautuneet polymeerikerrok- o ' 30 set absorboidaan kuitujen pintaan, jolloin aikaansaa- 00 daan erilainen pintavaraus ja sidoskyky verrattuna ta- x £ vanomaisiin kuituihin. Modifioimalla kuitujen sidoslu- in juutta aikaansaadaan vahvempi raina ja siten paperi en § tuote, en o 35 Keksinnön eräässä sovelluksessa muodostetaan ^ kuitupohjaisen massan kuitujen pintaan monikerrospääl- 3 lyste, joka sisältää kahta vastakkaisesti varautunutta polyelektrolyyttiä.

Keksinnön eräässä sovelluksessa käsitellään kuitupohjaista massaa siten, että muodostetaan massaan 5 polyelektrolyyttikomplekseja, jotka sisältävät kahta vastakkaisesti varautunutta polyelektrolyyttiä, olennaisesti kuitupohjaisen massan valmistuksen yhteydessä. Eräässä sovelluksessa muodostetaan polyelektrolyyttikomplekse ja kuitupohjaiseen massaan olennaisesti kuitu- 10 jen käsittelyn yhteydessä, esim. käsittelyn sivureaktio na.

Kuitupohjaisella massalla tarkoitetaan tässä yhteydessä mitä tahansa kuitupohjaista massaa tai kuitu-massaa, joka on voitu muodostaa kemiallisesta massasta, 15 mekaanisesta massasta, kemimekaanisesta massasta, uusio massasta, kasviperäisestä massasta, synteettisten kuitujen massasta ja niiden seoksista tai johdannaisista. Kuitupohjainen massa voi sisältää erilaisia täyte- ja lisäaineita.

20 Rainalla tarkoitetaan tässä yhteydessä mitä ta hansa kuitupohjaista rainaa, kuiturainaa, paperirainaa tai vastaavaa rainaa. Raina on voitu muodostaa mistä tahansa kuitupohjaisesta massasta tai kuitumassasta. Raina voi sisältää erilaisia täyte- ja lisäaineita.

25 Rainauksella tarkoitetaan tässä yhteydessä mitä tahansa alalla sinänsä tunnettua rainan muodostamistapaa .

^ Keksinnön eräässä sovelluksessa kuitupohjaisen ^ massan vetolujuusindeksi on yli 60 Nm/g, edullisesti yli co 30 80 Nm/g, ennen kuitujen käsittelemistä. Eräässä sovel- cö luksessa kuitupohjaisen massan tiheys on yli 700 kg/m3 a. ennen kuitujen käsittelemistä. Kyseiset kuitupohjaisen

CL

massan ominaisuudet voidaan saavuttaa esim. oikeatyyp-o pisellä jauhatuksella tai nanokuitujen lisäyksellä.

CD

§ 35 Keksinnön eräässä sovelluksessa tehdään kuitu- o cm pohjaisen massan kuitujen käsitteleminen kaksivaiheises- 4 ti, jossa ensimmäisessä vaiheessa käsitellään kuituja kationisesti ja toisessa vaiheessa anionisesti.

Keksinnön eräässä sovelluksessa ensimmäinen ka-tioninen polyelektrolyytti on kationinen tärkkelys.

5 Keksinnön eräässä sovelluksessa toinen anioni- nen polyelektrolyytti on karboksimetyyliselluloosa.

Keksinnön eräässä sovelluksessa lisätään kui-tupohjaiseen massaan nanokuituja, esim. mikrotibrilli-selluloosaa. Nanokuiduilla voidaan lisätä muodostetta-10 van rainan lujuutta ja vetoindeksiarvoja. Nanokuidut voidaan lisätä kuitupohjaiseen massaan ennen kuitujen käsittelyä, so. päällystämistä. Vaihtoehtoisesti kuitupohj aisen massan kuidut sekä nanokuidut voidaan käsitellä kationisella polyelektrolyytillä ennen niiden 15 sekoittamista yhteen, ja muodostunut yhteismassa voidaan käsitellä anionisella polyelektrolyytillä. Eräässä toisessa vaihtoehtoisessa sovelluksessa nanokuidut voidaan lisätä anionisen polyelektrolyytin yhteydessä esim. siten, että anioninen polyelektrolyytti sisältää 20 nanokuituja.

Nanokuiduilla tarkoitetaan tässä yhteydessä kuituja, jotka ovat kooltaan pääosin nanokokoluokan kuituja. Nanokuidut voivat sisältää myös mikrokokoluo-kan kuituja.

25 Termillä "mikrotibrilliselluloosa" tarkoite taan eristettyjen selluloosamikrofibrillien joukkoa tai mikrotibrillikimppuja, jotka on johdettu selluloosia saraaka-aineesta. Mikrotibrillien muotosuhde on tyy- pillisesti suuri: niiden pituus voi olla yli yhden co ? 30 mikrometrin ja lukukeskimääräinen halkaisija on tyy- oo pillisesti alle 200 nm. Mikrotibrillikimppujen halit kaisija voi myös olla suurempi, mutta yleensä alle 1

CL

ym. Pienimmät mikrotibrillit ovat samantapaisia kuin o niin sanotut alkeisfibrillit, joiden halkaisija on co g 35 tyypillisesti 2-12 nm. Fibrillien tai fibrillikimppu- o cm jen mitat riippuvat raaka-aineesta ja hajotusmenetel- mästä. Mikrotibrilliselluloosalle on monia laajalti 5 käytettyjä synonyymejä, esimerkiksi: nanoselluloosa, nanofibrilloitu selluloosa (nanofibrillated cellulose, NFC), nanofibrilliselluloosa (nanofibrillar cellulose) , selluloosananokuitu (cellulose nanofiber), nano-5 luokan fibrilloitu selluloosa (nano-scale fibrillated cellulose), mikrofibrilloitu selluloosa (microfibrillated cellulose, MFC) tai selluloosamikrofibrillit (cellulose microfibrils).

Keksinnön eräässä sovelluksessa rainalla on 10 vetoindeksi yli 100 Nm/g, edullisesti yli 120 Nm/g, ainakin yhdessä rainan tason suunnassa, esim. kone-suunnassa. Eräässä sovelluksessa rainan vetoindeksi on yli 100 Nm/g, edullisesti yli 120 Nm/g, kun se määritetään menetelmällä IS05269-1:2005 tehdystä arkista.

15 Eräässä sovelluksessa polyelektrolyytit sekoi tetaan kuitupohjaiseen massaan ja annetaan vaikuttaa siellä määrätyn ajan absorboitumisen aikaansaamiseksi kuitujen pintaan. Ensimmäisen polyelektrolyytin määrän on oltava riittävän korkea aikaansaamaan kuitujen vara-20 uksen muutos kationiseen tilaan. Tämä voidaan huomioida mittaamalla zeta-potentiaalia. Toisen polyelektrolyytin määrän on oltava riittävä palauttamaan kuituvaraus takaisin anioniseen tilaan. Pesuvaihetta ei tarvita käsittelyjen välissä. Vaihtoehtoisesti pesuvaihetta voidaan 25 käyttää.

Eräässä edullisessa sovelluksessa polyelektro- lyyttien sekoitus kuitupohjaiseen massaan tehdään lähel- ^ lä rainanvalmistuksen so. rainauksen perälaatikkoa.

CM

, Keksrnnön eräässä sovelluksessa käytetään mene- oo ? 30 telmää rainan lujuuden parantamisessa.

oo Keksinnön eräässä sovelluksessa käytetään rai- ir naa paperituotteen muodostamisessa.

CL

_ Keksinnön mukaista menetelmää voidaan käyttää

LO J

o erilaisten rainojen ja paperituotteiden valmistukses-

CO

§ 35 sa. Menetelmää voidaan hyödyntää tavanomaisten paperi en cm laatujen valmrstuksessa, esim. lujien hienopapereiden valmistuksessa, tai vaihtoehtoisesti erikoispaperilaa- 6 tujen valmistuksessa, esim. ohuiden ja vahvojen glas-siinipapereiden kuten irrokepapereiden, valmistuksessa .

Keksinnön mukaisella menetelmällä ja rainalla 5 saavutetaan merkittäviä etuja tunnettuun tekniikkaan verrattuna.

Keksinnön ansiosta aikaansaadaan raina ja paperituote, jolla on 20 - 30 % paremmat lujuusominaisuudet kuin normaalia käsittelemätöntä kuitumassaa si-10 sältävillä rainoilla ja papereilla, kun neliöpaino pysyy samalla tasolla.

Keksinnöllä saavutetaan teollisesti sovellettavissa oleva helppo, nopea ja käyttökelpoinen tapa hyvän lujuuden omaavan rainan ja paperituotteen val-15 mistamiseksi.

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN SELOSTUS

Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtaisen sovellusesimerkin avulla.

20

Esimerkki 1 Tässä kokeessa valmistettiin paperirainoja (60 g/m2) kuitupohjaisesta massasta.

25 Kuitupohjaisen massan kuidut käsiteltiin kah della polyelektrolyytillä ennen rainan muodostusta. Kuitupohjaisena massana käytettiin paalattua mäntymas-o saa, joka oli jauhettu arvoon SR 35 Valley-jauhimella.

cö Käsittelemättömän massan vetoindeksi oli 91 Nm/g. Ka- o ' 30 tionisena polyelektrolyyttinä käytettiin kationista 00 tärkkelystä, Raisamyl 150, ja anionisena polyelektro- x £ lyyttinä käytettiin karboksimetyyliselluloosaa (CMC), LO Finnfix WRM. Polyelektrolyyttikäsittelyiden aikana ei § käytetty pesuvaihetta, millä simuloitiin todellisen CT) § 35 paperin valmistusta.

^ Kokeissa kuitumassa käsiteltiin sekä kationi- sella tärkkelyksellä että kationisella tärkkelyksellä 7 ja karboksimetyyliselluloosalla. Karboksimetyylisellu-loosan määrä oli puolet kationisen tärkkelyksen määrästä. Kokeissa käytettiin seuraavia kationinen tärkkelys /CMC -määriä (mg polyelektrolyyttiä/g kuitumas-5 saa): 10/5, 20/10, 30/15 ja 50/25.

Käsittely tehtiin niin, että ensin lisättiin huoneenlämpötilassa kationinen tärkkelys massaan ja sekoitettiin noin 10 min ja sitten lisättiin huoneenlämpötilassa karboksimetyyliselluloosa massaan ja se-10 koitettiin jälleen noin 10 min. Massan sakeus ennen kemikaalilisäystä oli 2 g/1. Käsin tehdyt koearkit muodostettiin menetelmän ISO 5269-1:2005 mukaisesti. Arkit kuivattiin.

Kokeissa havaittiin, että kuitujen pintaan 15 aikaansaatiin tuplapäällystys, kun kuituja käsiteltiin kationisella tärkkelyksellä ja karboksimetyyliselluloosalla. Kokeissa havaittiin, että ilman välipesuvai-heita adsorboitumattomat kemikaalit saattavat muodostaa kuitumassaan polyelektrolyyttikomplekseja, joilla 20 on lisävaikutus muodostuvan tuotteen lujuuteen.

Kokeissa havaittiin, että kuitujen käsittelyllä kationisella tärkkelyksellä ja karboksimetyyliselluloosalla aikaansaatiin rainalle parempia vetoin-deksiarvoja kuin käytettäessä kuitujen käsittelyssä 25 pelkkää kationista tärkkelystä. Kokeissa aikaansaatiin

paperirainatuotteita, jotka oli muodostettu tuplapääl-lystyskäsitellyistä kuiduista ja joiden vetoindeksit ^ olivat välillä 120 - 130 Nm/g (ISO 5269-1:2005 ja ISO

^ 1924-2:2008) ja tiheydet olivat välillä 700 - 800 S5 3 0 kg/m3.

co Kokeet toistettiin vastaavalla tavalla. Toisit tokokeissa saatiin vastaavat tulokset. Lisäksi likai- Q_ siä paperikoneolosuhteita simuloitiin kohonneen säh-o könjohtokyvyn avulla. Havaittiin, ettei sillä ollut

CD

§ 35 vaikutuksia tuloksiin, o cm Kokeissa havaittiin, että keksinnön mukainen menetelmä paperirainan valmistamiseksi aikaansaa noin 8 30 % lisäyksen paperirainan lujuudessa verrattuna tavanomaisella tavalla muodostettuun referenssirainaan, joka oli muodostettu käsittelemättömästä mäntykuitu-massasta.

5

Keksinnön mukainen menetelmä soveltuu erilaisina sovelluksina käytettäväksi mitä erilaisimpien rainojen valmistukseen.

Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitet-10 tyjä esimerkkejä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia pysyttäessä patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

δ

CM

00 o cö

X

cc

CL

LO

CM

O

CO

CD

O

O

CM

Claims (17)

1. Menetelmä rainan valmistamiseksi kuitupoh-jaisesta massasta siten, että muodostetaan kuitupoh- 5 jäinen massa, käsitellään kuitupohjaisen massan kuituja kahdella vastakkaisesti varautuneella polyelektrolyytil-lä, joista ensimmäinen on kationinen ja toinen on anio-ninen, olennaisesti kuitupohjaisen massan valmistuksen yhteydessä ja muodostetaan kuitupohjaisesta massasta 10 raina rainauksen avulla, tunnettu siitä, että järjestetään kuitupohjaisen massan vetolujuusindeksiksi yli 60 Nm/g ennen kuitujen käsittelemistä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muodostetaan kuitupohjaisen 15 massan kuitujen pintaan monikerrospäällyste, joka sisältää kahta vastakkaisesti varautunutta polyelektrolyyt-tiä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käsitellään kuitupoh- 20 jäistä massaa siten, että muodostetaan massaan poly- elektrolyyttikomplekseja olennaisesti kuitupohjaisen massan valmistuksen yhteydessä.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tehdään kuitupoh- 25 jäisen massan kuitujen käsitteleminen kaksivaiheisesti, jossa ensimmäisessä vaiheessa käsitellään kuituja ka- tionisesti ja toisessa vaiheessa anionisesti.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen ^ menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäinen ka- o ' 30 tioninen polyelektrolyytti on kationinen tärkkelys.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen x £ menetelmä, tunnettu siitä, että toinen anioninen io polyelektrolyytti on karboksimetyyliselluloosa. (M

§ 7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen σ> o 35 menetelmä, tunnettu siitä, että lisätään kuitu- pohjaiseen massaan nanokuituja.

8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että järjestetään rai-nan vetoindeksiksi yli 100 Nm/g.

9. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukainen 5 menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään menetelmää rainan lujuuden parantamisessa.

10. Raina, joka on muodostettu kuitupohjaisesta massasta rainauksen avulla siten, että kuitupohjaisen massan kuituja on käsitelty kahdella vastakkaisesti va- 10 rautuneella polyelektrolyytillä, joista ensimmäinen on kationinen ja toinen on anioninen, olennaisesti kuitupohj aisen massan valmistuksen yhteydessä, tunnettu siitä, että kuitupohjaisen massan vetolujuusindeksi on yli 60 Nm/g ennen kuitujen käsittelemistä.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen raina, tunnettu siitä, että kuitupohjaisen massan kuitujen pintaan on muodostettu monikerrospäällyste, joka sisältää kahta vastakkaisesti varautunutta polyelektro-lyyttiä.

12. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen rai na, tunnettu siitä, että kuitupohjaista massaa on käsitelty siten, että massaan on muodostettu polyelekt-rolyyttikomplekseja olennaisesti kuitupohjaisen massan valmistuksen yhteydessä.

13. Jonkin patenttivaatimuksista 10 - 12 mukai nen raina, tunnettu siitä, että ensimmäinen kationinen polyelektrolyytti on kationinen tärkkelys.

^ 14. Jonkin patenttivaatimuksista 10 - 13 mukai- nen raina, tunnettu siitä, että toinen anioninen oo ? 30 polyelektrolyytti on karboksimetyyliselluloosa. cö

15. Jonkin patenttivaatimuksista 10 - 14 mukai- nen raina, tunnettu siitä, että kuitupohj aiseen CL massaan on lisätty nanokuituja.

16. Jonkin patenttivaatimuksista 10 - 15 mukai- co g 35 nen raina, tunnettu siitä, että rainalla on ve- ° toindeksi yli 100 Nm/g.

17. Jonkin patenttivaatimuksista 10 - 16 mukainen raina, tunnettu siitä, että käytetään rainaa paperituotteen muodostamisessa. 5 δ (M oo cp δ X cc Q- m CM O CD O) o o CM