FI20096050A - Menetelmä kalsiumkarbonaatin ja ksylaanin saostamiseksi, menetelmällä valmistettu tuote ja sen käyttö - Google Patents

Description

Menetelmä kalsiumkarbonaatin ja ksyiaanin saostamiseksi, menetelmällä valmistettu tuote ja sen käyttö

Keksinnön kohde

Keksinnön kohteena on menetelmä kalsiumkarbonaatin ja ksyiaanin saostamiseksi. Keksinnön kohteena on myös menetelmällä valmistettu PCG-ksy-laanikomposiitti ja sitä sisältävä tuote sekä PCC-ksylaanikomposiitin käyttö.

Keksinnön taustaa PCC on kemiallisesti saostettua kalsiumkarbonaattia CaCOs. Sitä valmistetaan esimerkiksi poltetusta kaikista, CaO, joka sammutetaan antamalla sen reagoida veden kanssa. Kun sammutusreaktion kautta saadun kalsium-hydroksidin, Ca(OH)2, annetaan reagoida seostavan aineen kuten hiilidioksidin kanssa syntyy saostettua kalsiumkarbonaattia, PCC:tä {Precipitated Cal-cium Carbonate). Prosessiolosuhteita vaihtelemalla voidaan muuttaa esimerkiksi PCC:n kide-ja raemuotoa.

Kalsiumkarbonaatin saostaminen suoritetaan yleensä eräprosessina johtamana hiilidioksidia kalsiumhydroksidi-vesilietteen eli kalkkimaiden joukkoon kalsiumkarbonaatin saostamiseksi. Reaktio kestää tavanomaisesti noin 1-4 h. Saostettua kalsiumkarbonaattia (PCC) voidaan valmistaa myös jatkuva-toimisesti kuitu- tai vesivirtauksessa johtamalla virtaukseen kalkkimaitoa ja hiilidioksidia.

PCC:tä käytetään yleisesti paperin valmistuksessa sekä täyteaineena että pääiäystyspigmenttinä, mm. paperin monien ominaisuuksien, kuten optisten ominaisuuksien ja painatusominaisuuksien, parantamiseksi. Täyteaineen iisäys mahdollistaa myös pienemmän kuituainesmäärän käytön paperinvalmistuksessa. Näin saadut kustannussäästöt ovat yleensä selvästi suuremmat kuin täyteaineiisäyksen aiheuttamat kustannukset. Yleisenä pyrkimyksenä onkin siksi fisätä mahdollisimman paljon täyteainetta paperin valmistuksessa käytettävään kuitususpensioon. Täyteainepitoisuuden nosto aiheuttaa kuitenkin mm. paperin lujuusominaisuuksien heikkenemistä.

Menetelmiä kalsiumkarbonaatin saostamiseksi paperin kuituraaka-aineen joukkoon on esitetty mm. USA:laisissa patenteissa US-5879220 ja US-5731080 sekä eurooppalaisessa patentissa EP-1297220,

Keksinnön Ivhvt yhteenveto

Nyt esitettävän keksinnön tarkoituksena on esittää uusi menetelmä kalsium-karbonaatin saostamiseksi siten, että samalla saadaan saostettua ksylaania kalsiumkarbonaatin joukkoon, jolloin menetelmä mahdollistaa kalsiumkarbonaatin ja ksylaanin saostamisen nopeasti ja yksinkertaisella prosessi-järjestelyllä. Keksinnön mukaisen menetelmän tarkoituksena on näin ollen valmistaa uudentyyppinen PCC-ksylaanikomposiitti, jota voidaan käyttää mm, paperinvalmistuksessa täyteaineena siten, että se mahdollistaa täyte-ainepitoisuuden nostamisen paperissa ilman että paperin lujuusominaisuudet heikkenevät. Nyt on myös havaittu, että keksinnön mukaista PCG-ksyiaani-komposisitia voidaan käyttää myös lisäaineena muissa tuotteissa sen aikaansaamien yllättävien ominaisuuksien, kuten veden pidätyskyvyn, ansiosta.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle kalsiumkarbonaatin ja ksylaanin saostamiseksi on pääasiassa tunnusomaista se, että menetelmässä; kalsiumhydroksidin vesiliuokseen lisätään koivusellua, jonka kuitujen ominaispinta-alaa on suurennettu ksylaanin annetaan liueta kuiduista kalsiumhydroksidin vesiliuokseen, ja kalsiumhydroksidin vesiliuos saatetaan tämän jälkeen kontaktiin hiilidioksidin kanssa kalsiumkarbonaatin ja ksylaanin saostamiseksi.

Keksinnön mukaiselle PCC-ksyiaanikomposiitiile on puolestaan tunnusomaista se, että se on valmistettu patenttivaatimuksien 1-8 mukaisella menetelmällä.

Keksinnön mukaiselle paperille ja tuotteelle on taas tunnusomaista se, että ne sisältävät PCC-ksylaanikomposlittia joko täyteaineena, päällystys-pigmenttinä tai muuna lisäaineena.

Keksintö perustuu siihen, että valmistettaessa saostettua kaisiumkarbonaat-tia, saadaan samanaikaisesti kalsiumkarbonaatin lisäksi saostettua myös ksylaania, jonka on havaittu muodostavan yhdessä seostetun kalsium-karbonaatin (PCC) kanssa nk. komposiittirakenteen. Keksinnön mukaisessa menetelmässä pitkälle jauhettua koivusellua lisätään kalkkimaidon (kalsium-hydroksidi-vesilietteen) joukkoon ennen kuin kalkkimaidon annetaan reagoida hiilidioksidin kanssa kalsiumkarbonaatin saostamiseksi. Koivusellun lisääminen kalkkimaidon joukkoon saa aikaan ksylaanin liukenemisen kuiduista kalkkimaidon joukkoon. Tästä johtuen hiilidioksidi saostaa keksinnön mukaisessa menetelmässä kalsiumkarbonaatin lisäksi myös ksylaania, joka muodostaa saostuessaan harsomaisen/kalvomaisen rakenteen PCC partik-keleiden ympärille ja näin ollen sitoo PCC partikkeleita toisiinsa, iluodostu-nutta yhdistettä kutsutaan tässä hakemuksessa PCC-ksylaanikomposiitiksi.

Kalkkimaidon joukkoon lisätään kuituja, joiden ominaispinta-alaa on suurennettu iähföseilun kuituihin nähden. Kaikkimaitoon lisätään tavanomaisesta koivusellusta pitkille jauhettua koivusellua, edullisimmin koivusellusta valmistettua nanoseliuloosaa (NFC, nanofibrillated celiulose).

Keksinnön kannalta oleellista on nimenomaan ominaispinta-alaltaan suuren koivusellun lisääminen kalkkimaidon joukkoon ja sen riittävä viipymäaika kalkkimaidossa ennen seostamista hiilidioksidilla, joita ksylaania saadaan liukenemaan riittävästi kalkkimaidon joukkoon. Ksylaanin liukeneminen kuiduista kalkkimaidon joukkoon perustuu siihen, että kalkkimaidon pH (pH noin 11-12} on sopiva ksylaanin liuottamiseksi. Kun kalkkimaidon joukkoon johdetaan hiilidioksidia, pH laskee ja liuennut ksylaani saadaan saostumaan.

Siihen kuinka helposti ksylaania liukenee kuiduista kalkkimaidon joukkoon vaikuttaa oleellisesti kuitujen jauhautuneisuusaste. Kuitujen ominaispinta-ala tulee olla sellainen, että ksylaania liukenee kuiduista riittävästi kalkkimaidon joukkoon Huotusvaiheen aikana, tai kuitujen viipymäaika kalkkimaidossa ennen saostamista tulee olla riittävän pitkä, jotta ksylaania liukenee tarvit-tava/riittävä määrä. Viive kuitujen kaikkimaitoon lisäämisen ja hiilidioksidina saostamisen välillä riippuu näin ollen oleellisesti kuitujen jauhatusasteesta. Edullisimmin keksinnön mukaisessa menetelmässä käytetään nanodimen-sionaalisia sellulöosafibrillejä, koska niiden suuri ominaispinta-ala mahdollis taa ksyiaanin liukenemisen helposti ja nopeasti kuiduista kalkkimaiden joukkoon, Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää myös pitkälle jauhettua koivusellua, joka ei välttämättä ole nanodimensionaalista.

Kalsiumkarbonaatin ja ksyiaanin saostumiseen vaikuttaa oleellisesti myös hiilidioksidin sekoittuminen kalsiumhydroksidin vesiliuokseen, jonka tulee tapahtua nopeasti ja tehokkaasti, Edullisesti aineet sekoitetaan toisiinsa injektoimalla siten, että voimakas sekoitus mahdollistaa lähes täydellisen sekoituksen muutamassa sekunnissa.

Keksinnön mukaisella menetelmällä PCC-ksylaanikomposiittia voidaan valmistaa joko jatkuvatoimisesti tai eräprosessina. Edullisesti seostaminen suoritetaan jatkuvatoimisesti. Jatkuvatoimisessa saostamisprosessissa vesi- tai kuituvirtaukseen Injektoidaan voimakkaalla sekoituksella a) hiilidioksidia ja b) kalkkimaitoa, jonka joukkoon on lisätty koivusellua, jolloin saostuminen tapahtuu jatkuvassa virtauksessa. Säestettäessä kaisiumkarbonaatti ja ksy-lääni vesivirtauksessa voidaan valmistaa kalsiumkarbonaattia-ja ksylaania sisältävää komposiittia Säestettäessä kaisiumkarbonaatti ja ksylaani kuitu-virtauksessa paperinvalmistusprosessissa, saadaan muodostuva PCC-ksy-laanikomposiitti samalla saostumaan kuitujen pinnalle, joka osaltaan parantaa täyteaineen retentäota sekä valmistettavan paperin lujuutta.

Keksinnön mukaisella menetelmällä valmistetun PCC-ksylaanikomposiitin käyttö paperinvalmistuksessa täyteaineena ja/tai päällystyspigmenttinä, parantaa paperin ominaisuuksia. Esimerkiksi paperin lujuusominaisuuksia saadaan parannettua. Lisäksi paperin täyteainepitoisuutta saadaan nostettua ilman että paperin lujuus laskee. Lisäksi lisäämällä keksinnön mukaisella menetelmällä valmistettua PCC-ksylaanikomposiittia paperin joukkoon, saadaan valmistettavasta paperista lähes ilmaa läpäisemätöntä riippuen ksyiaanin määrästä.

Keksinnön mukaista PCC-ksylaanikomposiittia voidaan näin olien käyttää paperin -ja kartongin valmistuksessa täyteaineena ja/tai päällystyspigment-tinä. Keksinnön mukaisen PCC-ksylaanikomposiitin lisäämisellä saavutettavat hyvät lujuusominaisuudet ja vaikutukset paperin tiiveyteen mahdollistavat sen käytön hyvin monenlaisissa tuotesovellutuksissa.

Keksinnön mukaisen PCC-ksylaanikomposiitin ominaisuuksia voidaan hyödyntää myös muissa tuotesovellutuksissa kuin paperissa ja kartongissa. Sitä voidaan hyödyntää esimerkiksi monenlaisten tuotteiden lisäaineena, jotta tuotteeseen saadaan muodostettua tiivis kerros tai kerroksia. Esimerkiksi tätä voidaan hyödyntää pakkausteollisuuden tuotteiden pinnoitteissa ja erilaisissa hygienia-ja kangastuotteissa.

Keksinnön mukaisen menetelmän etuna on sen yksinkertaisuus. Menetelmä on mahdollista toteuttaa olemassa olevilla prosessilaitteilla eikä menetelmässä ole esimerkiksi tarpeen käyttää mitään ylimääräisiä kemikaaleja esimerkiksi pH:n säätöön, jotta ksyiaani saadaan liukenemaan kuiduista kaikki-maidon joukkoon. Näin ollen keksinnön mukainen menetelmä voidaan helposti integroida esimerkiksi paperinvalmistusprosessiin. Lisäksi menetelmän yksinkertaisuudesta johtuen menetelmässä ei ole tarpeen käyttää mitään aineita tai kemikaaleja, jotka eivät päädy muodostuvaan lopputuotteeseen eli PCC-ksylaanikomposiittiin, Näin olien PCC-ksylaanikomposiitin väimisiami-seksi ei myöskään tästä syystä tarvita mitään ylimääräisiä kemikaalikiertoja valmistusprosessissa.

Piirustusten kuvaus

Seuraavassa keksintöä selostetaan tarkemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa

Kuva 1 esittää kaaviokuvana esimerkissä 1 referenssinä käytetyn jatkuvatoimisen kalsiumkarbonaatin saostamisprosessin,

Kuva 2 esittää kaaviokuvana esimerkissä 1 käytetyn erään keksinnön mukaisen jatkuvatoimisen saostamisprosessin,

Kuva 3 esittää referenssimenetelmällä (kuva 1) saostettuja kaisiumkarbonaattipartikkeleita,

Kuva 4 esittää keksinnön mukaisella menetelmällä seostettua PCC-ksylaanikomposiittia, PCC.NFC-suhde 4:1,

Kuva 5 esittää keksinnön mukaisella menetelmällä seostettua PCC-ksylaanikomposiittia, PCC:NFC~suhde 2:1,

Kuva 6 esittää eri täyteaineita sisältävien arkkien vetoindeksit,

Kuva 7 esittää eri täyteaineita sisältävien arkkien repäisyindeksit,

Kuva 8 esittää sidoslujuuksia mitattuna eri täyteaineita sisäitävistä arkeista,

Kuva 9 esittää eri täyteaineita sisältävistä arkeista mitattuja liman-läpäisevyyksiä, ja

Kuva 10 esittää veden poistumisaikoja eri täyteaineita sisältävistä arkeista.

Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus

Keksinnön mukainen kalsiumkarbonaatin ja ksyiaanin seostaminen PCC~ ksylaanikomposiitin muodostamiseksi voidaan suorittaa joko eräprosessina tai jatkuvatoimisesti. Eräprosessissa Ca{OH}2:n vesiliuosta eli kalkkimaitoa sisältävään reaktoriin lisätään ensiksi koivusellua, jotta kuiduissa oleva ksy-laani liukenee kalkkimaidon joukkoon. Tietyn ajan kuluttua reaktoriin johdetaan hiilidioksidia kalsiumkarbonaatin ja ksyiaanin saostamiseksi. Hiilidioksidia johdetaan reaktoriin niin kauan, että kaikki kalkkimaäto ja ksylaani on saostunut PCC-ksyiaani-komposiitiksi.

Vaihtoehtoisesti kalsiumkarbonaatin ja ksyiaanin säestäminen suoritetaan jatkuvatoimisesti, ns. putkireaktorissa. Kalsiumkarbonaatti ja ksylaani saadaan säästettyä virtauksessa injektoimalla virtauksen joukkoon hiilidioksidia ja kalkkimaitoa, johon on liuotettu ksyiaania. Hiilidioksidi voidaan injektoida virtaukseen joko ennen tai jälkeen kalkkimaitolisäyksen tai molemmat voidaan injektoida samanaikaisesti. Injektoinnissa on oleellista, että sen avulla saadaan aikaiseksi voimakas sekoitus joka mahdollistaa hiilidioksidin ja kalkkimaiden lähes täydellisen sekoittumisen muutamassa sekunnissa, jonka seurauksena saostuminen ja PCC-ksylaanikomposiitin muodostuminen tapahtuu muutamassa sekunnissa. Edullisesti sekoittuminen tapahtuu alle 5 sekunnissa.

Kalsiumkarbonaatin ja ksyiaanin jatkuvatoiminen seostaminen voidaan suorittaa joko kuituvärtauksessa (PCC-ksyiaani-komposiitti sekoittuu samalla kuitumassan joukkoon) tai vesivirtauksessa (saadaan PCC-ksylaani-kompo-siittia, jota voidaan käyttää myöhemmin). Saostaminen voidaan suorittaa esimerkiksi erillisessä sivuvirtauksessa paperikoneella. Sivuvirtaus voi olla paperinvalmistukseen menevästä päämassavirtauksesta erotettu sivuvirtaus tai fraktioitua massaa sisältävä virtaus, joka yhdistetään myöhemmin pää-massavirtaukseen. Fraktioitu massa voi olla lyhytkuitufraktio tai pitkäkuitu-fraktio. Itse asiassa PCC-ksylaani-komposiitti voidaan saostaa edellä kuva-tulia tavalla mihin tahansa massavirtaukseen, joka päätyy myöhemmin paperikoneen muodostusosaile ja muodostaa ainakin osan paperin raaka-aineista.

Keksinnössä käytetään koivusellua, koska ksylaania esiintyy runsaimmin lehtipuissa. Kalkkimaiden joukkoon voidaan sekoittaa ennen seostamista pitkälle jauhettua koivusellua (freeness-arvo CSF alle 80 ml, edullisesti, noin 80 ml), ja edullisimmin koivusellusta valmistettua nanoselluioosaa,

Nanoseliuloosalla tarkoitetaan selluloosananofibriilejä, jotka on valmistettu selluloosakuiduista. Nanoselluioosaa valmistetaan seliuloosakuiduista yhdistämällä kemiallinen tai entsymaattinen käsittely mekaaniseen jauhatukseen, Nanoseiluloosasta voidaan käyttää myös nimityksiä nanofibriiloitu selluloosa (nanofibrillated cellulose, MFC), seliuloosananofibrilHt (ceHuiose nanofibrils, CNF) tai mikrofibriΠoltu selluloosa (microfibriilated cellulose, MFC).

Oleellista keksinnön mukaisen saostamisreaktion kannalta on, että koivusellun viipymäaika kalkkimaidossa on riittävä ksylaanin liukenemiselle ennen kuin kalkkimaiden annetaan reagoida hiilidioksidin kanssa. Riittävä viipymäaika ksylaanin liukenemiselle riippuu koivusellun jauhatusasteesta. Pitkälle jauhetun koivusellun seiiukuitujen ominaispinta-ala on suurempi kuin tavanomaisten sellukuitujen. Erityisesti nanoseliuloosakuitujen ominaispinta~a!a on huomattavasti suurempi kuin tavanomaisten sellukuitujen, joten nanosellua käytettäessä ksylaania saadaan nopeammin ja helpommin liuotettua kalkki-maidon joukkoon. Esimerkiksi nanoseliuloosan tapauksessa nanoselfuloosa lisätään kalkkimaidon joukkoon noin 0,5-1 h ennen seostamista hiilidioksidina, mutta jo lyhempikin viipymäaika, esimerkiksi vain 5 min, riittää liuottamaan ksylaania. Viipymäaika vaikuttaa myös liukenevan ksylaanin määrään ja näin ollen saostuvan ksylaanin määrään.

Kalkkimaiden pH on noin 11-12, joka on riittävä ksyiaarsin liukenemiselle kuiduista. Näin ollen kaikkimaitoon ei ole tarpeen lisätä muita kemikaaleja esimerkiksi pH:n säätämiseksi.

Reaktiivisena mineraaiiaineksena käytetään keksinnön mukaisessa menetelmässä kaisiumhydroksidia (Ca(OH)2), jolloin saadaan saostumaan ns. saostunutta kaisiumkarbonaattia (PCC).

Säestävänä kemikaalina käytetään hiilidioksidia. Saostamisreaktoriin tai virtaukseen syötetään siten hiilidioksidipitoista kaasua, kuten puhdasta tai lähes puhdasta hiilidioksidia (C02) tai savukaasua tai muuta tarkoitukseen sopivaa kaasua.

Seuraavissa esimerkeissä esitetään keksinnön mukaisen menetelmän koeajoja ja keksinnön mukaisella menetelmällä valmistetun PCC:n käyttöä täyteaineena paperiarkeissa ja näistä arkeista tehtyjä testituloksia.

Esimerkki 1

Koeajot suoritettiin jatkuvatoimisessa putkireaktorissa. Kuvassa 1 on kuvattu tässä esimerkissä referenssinä käytetyn saostetun kalsiumkarbonaatin valmistusmenetelmä putkireaktorissa. Putkireaktorissa vesivirtauksen joukkoon on ensiksi injektoitu hiilidioksidia ja tämän jälkeen kaisiumhydroksidi-vesi-liuosta. Kuvassa 2 on havainnollistettu keksinnön mukaista menetelmää, jossa putkireaktorissa vesivirtaukseen on ensiksi Injektoitu hiilidioksidia ja tämän jälkeen kalkkimaitoa, johon oli aiemmin lisätty nanoseiluioosaa (nano-fibrillated cellulose, NFC). Hiilidioksidi ja kalkkimaito injektoitiin virtaukseen siten, että aikaan saatiin aineiden lähes täydellinen sekoitus muutamassa sekunnissa. Kuvissa 1NJ1 tarkoittaa hiilidioksidin injektointia virtaukseen ja INJ2 kalkkimaidon tai kalkkimaiden ja nanoseliuloosan seoksen injektointia. Viive t injektointivaiheiden välillä voi olla muutamien sekuntien luokkaa, esim. alle 5 s. Kalkkimaidon ja koivuseilukuitujen seos ja hiilidioksidi saatetaan kosketuksiin keskenään injektiosekoitukseila, jossa virtaukseen yhdistetään toinen virtaus joka saa aikaan virtauksien nopean sekoittumisen.

Koeajoissa käytettiin nanoselluloosaa (NFC), joka valmistettiin kuivaamatto-masta koivusellusta Masuko-jauhimella. Sellua syötettiin jauhimeen 2-5 %:n sakeudessa ja jauhaminen toistettiin 5 kertaa, NFC lisättiin kalkkimaidon joukkoon ja saatua seosta injektoitiin vesävsrtauk-seen noin neijä sekuntia sen jälkeen kun virtaukseen oli injektoitu hiilidioksidia. Viive NFC:n kaikkimaitoon lisäämisen ja seoksen snjektoinnin välillä oli koeajoissa noin 0,5-1 tuntia.

Kalkkimaidon määrä oli laskettu sellaiseksi, että PCC:NFC -suhde lopullisessa tuotteessa oli noin 4:1 tai 2:1.

Putkireaktorissa tehtyjen koeajojen annostelumäärät on esitetty seuraavassa taulukossa.

Pääprosessivirtauksen (vesivirtaus) virtausnopeus putkireaktorissa oli noin 2 l/s. Paine reaktorissa oli noin 5,6 bar, lämpötila noin 42,5 °C ja lopullisen tuotteen pH oli 6,8 - 7.

Vielä lopuksi näytteisiin lisättiin hiilidioksidia (1 kg/h 2 min/ 60 I) karbonointi-reaktion loppuun saattamiseksi. Tämän jälkeen 120 I näytettä jätettiin seisomaan yön yli. Seuraavana päivänä, kun täyteaine oli laskeutunut astian pohjalle, ylimääräinen vesi dekantoitiin pois.

Dekantoituja näytteitä käytettiin täyteaineena laboratorioarkkeissa. Arkeissa käytettiin havupuumassaa 30 % ja lehtipuumassaa 70 %. Valmistettavien arkkien naliömassatavoite oli 80 g/m2 ja tuhkapitoisuus 30 %. Kaikissa valmistettavissa arkeissa käytettiin retention parannusainetta, Percol 63, jota lisättiin 300 g/t. Lisäksi iaboratorioarkit kaianteroitiin, Täyteaineena arkeissa käytettiin: 1. Kymi SPCC, kaupallinen täyteaine 2. Veiaearb ÄPCC, kaupallinen täyteaine 3. Continuous PCC, jatkuvatoimisessa putkireaktorissa valmistettu PCC (kuvan 1 mukainen menetelmä) 4. Continuous PCC:NFC 4:1, keksinnön mukaisella menetelmällä jatkuvatoimisessa putkireaktorissa valmistettu PCC-ksylaanl· komposiitti, PCC:NFC~suhde 4:1 5. Continuous PCC:NFC 2:1, keksinnön mukaisella menetelmällä jatkuvatoimisessa putkireaktorissa valmistettu PCC-ksyiaani-komposiitti, PCC:NFC-suhde 2:1 6 PCC:NFC 2,5:1 (Iab), laboratoriossa erävalmistuksena valmistettu PCC, PCC:NFC-suhde 2,5:1 7. Continuous PCC+NFC 2:1(iab), jatkuvatoimisessa putkireaktorissa valmistetun PCC:n joukkoon sekoitettiin NFC:tä, PCC:NFC-suhde2:1 8, Continuous PCC-ftärkkelys, jatkuvatoimisessa putkireaktorissa valmistettu PCC, virtaukseen lisätty kationista tärkkelystä (Amylo-fax, pitoisuus noin 5 %),

Referensseinä keksinnön mukaiseen PCC-ksyiaanikomposiittiin käytettiin kahta kaupallista kalsiumkarbonaattia (Kymi SPCC ja Veiaearb APCC), jät-kuvatoimisesti seostettua PCC:tä ilman MFC lisäystä (Continuous PCC), PCC:tä, jonka joukkoon sekoitettiin nanoseliuioosaa saostusreaktion jälkeen (Continuous PCC+NFC 2:1 (iab)) sekä PCC:n ja tärkkelyksen yhdistelmää (Continuous PCC-Rärkkelys).

Kohdan 6 täyteaine (PCC:NFC 2,5:1 (Iab)) on valmistettu laboratoriossa era-valmistuksena siten, että reaktoriin on lisätty kalkkimaitoa ja nanoseliuioosaa ja heti tämän jälkeen (ilman viivettä) reaktoriin on aloitettu hiilidioksidin syöttö. Tässä tapauksessa ksylaania ei ehtinyt liueta nanoselluloosakuiduista kalkkimaiden joukkoon. Tämä johtuu siitä, että hiilidioksidi laskee liuoksen pH:ta, joten ksylaania ei liukene enää hiilidioksidin lisäämisen jälkeen.

Tulokset

Kuvissa 3 - 5 on esitetty pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) kuvattuna saostettuja kaisiumkarbonaattipartikkeleita sekä keksinnön mukaista PCC-ksylaanikomposiittia. Kuva 3 esittää tavanomaisia kaisiumkarbonaattipartik-keleiia, jotka on valmistettu kuvan 1 mukaisella menetelmällä. Kuten kuvasta nähdään reaktorissa saostuu yksittäisiä PCG partikkeleita.

Kuvissa 4 ja 5 on esitetty keksinnön mukaisella menetelmällä jatkuvassa virtauksessa saostettuja kalsiumkarbonaattipartikkeleita. Kuten kuvista nähdään kalsiumkarbonaatin lisäksi reaktorissa saostuu myös ksyiaania, joka muodostaa harsomaisen rakenteen PCC-partlkkeieiden ympärille. Saostuneen ksylaanikalvon lisäksi PCC partikkeleiden joukossa on myös nano-katuverkosto, joka osaltaan sitoo PCC partikkeleita toisiinsa.

Kuvassa 8 on esitetty eri täyteaineita sisältävistä arkeista mitatut vetoindek-sit, sekä kalanteroiduista että kalanteroimattomista arkeista. Keksinnön mukaisella menetelmänä valmistettua PCC-ksylaanikomposiittia sisältävien arkkien vetolujuus on huomattavasti parempi kuin muiden arkkien.

Kuvassa 7 on esitetty mitattuja repäisyiujuuksia eri arkeista. Kuten kuvasta huomataan keksinnön mukainen PCC-ksylaanikomposiitti parantaa myös jonkin verran repäisylujuutta, mutta huomattavasti enemmän keksinnön mukainen PCC-ksylaanikomposiitti paransi sidoslujuutta, kuten huomataan kuvasta 8.

Kuvassa 9 on esitetty eri arkeista mitatut iimanläpäisevyydet, josta voidaan huomata, että keksinnön mukainen PCC-ksylaanikomposiitti tekee arkista lähes ilmaa läpäisemättömän. Lisäksi eri arkkien vedenpoistoajat (kuva 10) mitattiin ja huomattiin, että keksinnön mukaisella menetelmällä valmistettua komposiittia sisältävien arkkien veden poistumisajat ovat huomattavasti pidempiä kuin muiden arkkien. PCC-ksylaanikomposiittia ei väittämättä tarvitse lisätä täyteaineena tuotteeseen kuten tässä esimerkissä on tehty, vaan sitä voidaan käyttää päällystysaineena tai muuna lisäaineena esimerkiksi vettä pidättävä kerroksen tai kerroksien muodostamiseksi.

Esimerkki 2

Koejärjestelyt olivat samat kuin MFCillä suoritetuissa kokeissa. Koivusellua (alkufreeness 595) jauhettiin Voiih-Sulzer -laboratoriojauhimella loppu-freeness-arvoon 60 ml (CSF), ja näin saatuun pitkälle jaettuun koivuselluun säestettiin kaisiumkarbonaattia sen jälkeen, kun kalkkimaiden oli annettu vaikuttaa siihen samalla viipymäajalla kuin NFG:ilä tehdyissä kokeissa. Put-kireaktorissa tehtyjen koeajojen annosteiumäärät on esitetty seuraavassa taulukossa: (birch = pitkälle jauhettu koivusellu, freeness 60).

Pitkälle jauhetusta koivusellusta valmistetuista näytteistä voitiin havaita myös ksylaaanikalvoa, joka ei kuitenkaan ollut niin selvä kuin MFC:Ha, ja sitä oii havaittavissa vain paikoittain. Kokeet osoittivat, että ksylaania voidaan kuitenkin liuottaa myös pitkälle jauhetusta koivusellusta kalkkimaitökäsitteiyilä ja saostaa samalla kun kaisiumkarbonaattia säestetään hiilidioksidilla.

Laboratorioarkeilla, joihin oli käytetty pitkälle jauhettua koivusellua niin että kalsiumkarbonaattitäyteainepitoisuudeksi tuli sama kuin MFCillä, saatiin vedenpoistoaika huomattavasti lyhyemmäksi kuin MFCillä (kuva 10), luokkaa 7-8s (täyteaine esimerkin 2 PCC:birch 4:1), mutta vetoindeksi oli kuitenkin korkeampi kuin referensseillä (kuva 6), luokkaa 30 Nm/g. Sopivanlaatuiseila ksylaani-PCC-komposiitilia ja sopivansuuruisella annostelulla voidaankin suorittaa optimointi paperinvalmistusprosessin vaatiman lyhyen vedenpoistoajan ja valmistetun paperin lujuuden suhteen.

Claims (8)

1. Menetelmä kalsiumkarbonaatin ja ksylaanin saosfamiseksi, jossa menetelmässä lisätään kalsiumhydroksidin vesiliuokseen lehtipuuseliua, edullisesti koivusellua, jonka lehtipuusellun kuitujen ominaispinta-alaa on suurennettu, annetaan ksylaanin liueta kuiduista kalsiumhydroksidin vesiliuokseen, ja saatetaan kalsiumhydroksidin vesiliuos tämän jälkeen kontaktiin hiilidioksidin kanssa kalsiumkarbonaatin ja ksylaanin saostamiseksi kuitu- tai vesivirtauksessa injektoimalla mainittuun kuitu- tai vesivirtaukseen hiilidioksidia, ja kalsiumhydroksidin vesiliuosta, johon on lisätty lehtipuuseliua.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lehti-puusellu, eduilisestl koivusellu, lisätään kalsiumhydroksidin vesiliuokseen ennen seostamista hiilidioksidilla,

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hiilidioksidi ja lehtipuuseliua, edullisesti koivusellua, sisältävä kalsiumhydroksidin vesiliuos injektoidaan virtaukseen siten, että ne sekoittuvat virtaukseen lähes täydellisesti muutamassa sekunnissa,

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kalsiumhydroksidin vesiliuokseen lisätään pitkälle jauhettua lehti-puuselSua, edullisesti koivusellua, jonka freeness arvo on alle 80 ml, ja edullisimmin koivusellusta valmistettua nanoselluioosaa.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että säestäminen suoritetaan paperikoneella erillisessä sivuvirtauksessa,

8. Saostunutta kalsiumkarbonaattia ja ksylaania käsittävän komposiittimateriaalin käyttö tiiviin kerroksen tai tiiviiden kerroksien muodostamiseksi tuotteeseen.

7, Paperi, joka käsittää jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukaisena menetelmällä valmistettua PCC-ksylaanikomposiittia.

8. Tuote, joka käsittää jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukaisella menetelmällä valmistettua PCC-ksylaanikomposiittia.