FI71379C

FI71379C - Metod vid pappersframstaellning

Info

Publication number: FI71379C
Application number: FI831400A
Authority: FI
Inventors: Lars Johnny Yrjans; Lars Harald Petander
Original assignee: Kemira Oy
Priority date: 1983-04-25
Filing date: 1983-04-25
Publication date: 1986-12-19
Also published as: CA1232713A; SE8402176D0; FI831400A0; SE460730B; FI831400L; DE3412535A1; NO163871B; FI71379B; SE8402176L; NO841616L

Description

1 71379

Paperinvalmistusmenetelmä

Keksintö koskee paperinvalmistusmenetelmää, jossa kuivalujuusomi-naisuuksien parantamiseksi tai paperin halventamiseksi käytetään polysakkaridityyppistä lisäainetta yhdessä synteettisen retentioaineen kanssa.

Paperin ja kartongin valmistuksen pääraaka-aine on puusta joko kemiallisin tai mekaanisin menetelmin valmistettu massa. Valmistusmenetelmää vastaavasti puhutaan joko kemiallisesta tai mekaanisesta massasta. Muina raaka-ainekomponentteina käytetään täyteaineita (kaoliini, talkki, CaCO^ jne.) ja erilaisia lisäaineita. Täyteaineita käytetään toisaalta halventamaan raaka-ainekustannuksia ja toisaalta parantamaan tuotteen painatusominaisuuksia. Lisäaineilla pyritään antamaan tuotteelle tiettyjä erityisominaisuuksia, parantamaan täyteainereten-tiota tai lisäämään tuotteen lujuutta.

Kaikissa paperin ja kartongin käyttökohteissa siltä vaaditaan tiettyä lujuutta. Vaadittava lujuustaso vaikuttaa raaka-aine-komponenttien valintaan. Yleisesti ottaen voidaan sanoa, että mitä paremman lujuuden tietty massakomponentti antaa sitä kalliimpaa se on. Mikäli massavalinnalla ei päästä riittävään lujuuteen, voidaan sitä lisätä käyttämällä ns. lujuuslisä-aineita. Tällaisia ovat esim. tärkkelys, kasvilimat ja poly-akryyliamidi. Nykyisillä tunnetuilla lujuuslisäaineilla ei yleensä pystytä olennaisessa määrin halventamaan raaka-ainekustannuksia, sillä lujuuslisäaineista aiheutuva lisäkustannus on suurin piirtein sama kuin saatava raaka-ainekustannusten lasku. Lujuusvaatimusten saavuttamiseksi näitä lisäaineita joudutaan kuitenkin yleisesti käyttämään.

Lujuuslisäaineiden käyttömäärät ovat polysakkaridityyppisillä kuivalujaliimoilla yleensä 0,5-2 %, kasvilimoilla ja poly-akryyliamideilla 0,2-1 % kuivaksi lasketun massan painosta.

2 71379

Aikaisempina vuosina täyteaineretentio on saatu aikaan alunan avulla. Paperikoneiden nopeuden noustessa ei enää alunan teho riittänyt ja siirryttiin käyttämään synteettisiä polymeerejä, lähinnä polyakryyliamideja. Viime aikoina on toisaalta kustannussyistä ja toisaalta paremman painatustulok-sen saavuttamiseksi siirrytty käyttämään yhä suurempia määriä täyteainetta. Tällöin on joissakin tehtaissa jouduttu vaikeuksiin paperin lujuuksien kanssa ja tämän takia lisätty massan joukkoon lujuuslisäainetta. Tämä tunnettu yhteiskäyttö ei ole johtanut mihinkään yllättävään lujuuksien kasvuun. Todennäköinen syy on ollut se, että täyteaine on muita massa-komponentteja voimakkaammin adsorboinut lisätyn retentio-aineen.

Kationisen tärkkelyksen ja anionisen polyakryyliamidityyppisen retentioaineen yhteiskäyttö tunnetaan myöskin niinsanottujen supertäytettyjen paperilaatujen valmistuksessa. Tällaisia kaksi tai kolme kertaa tavallista osuutta suurempia täyteaine-pitoisuuksia sisältäviä paperilaatuja ehdotetaan nimittäin valmistettavaksi mainitun lisäaineyhdistelmän avulla (STFI-kontakt n:o 3, 1982, s. 3-4). Esimerkiksi 50 % kaoliinia sisältävän paperin valmistuksessa voidaan käyttää 5 % kationista tärkkelystä ja 0,3 % anionista polyakryyliamidia. Tällainen kationisen tärkkelyksen käyttö yhdessä anionisen polymeerin kanssa perustuu julkaisun mukaan siihen, että kationista ja anionista komponenttia annostellaan varauksen puolesta samassa suhteessa, jolloin tärkkelys saadaan saostumaan ja jäämään paperiin massan adsorptiokykyä suurempia määriä. Täyte-ainepitoisuudella O % saatu parannus on yllättävän pieni. Vastaava tulos pitäisi saada annostelemalla pelkkää tärkkelystä noin 2 %.

Kationisen tärkkelyksen ja anionisen polyakryyliamidin on laboratoriotutkimuksessa (TAPPI 5j) (1976); 6, 120-122) havaittu myös toimivan kaksikomponenttisena retentioaineyhdistelmänä. Kokeissa ei ole tutkittu lujuusvaikutusta. Näissäkin kokeissa käytettiin täyteainetta, 5-10 % T1O2, lisäaineannostelu tapahtui varausoptimoinnin perusteella.

li 3 71379

Akryyliamidia, jonka molekyylipaino on optimaalisesti välillä 100 000-500 000, voidaan käyttää paperissa kuivalujaliimana. Tällaisen anionisen akryyliamidin ja kationisen tärkkelyksen tai kasviliman yhdistelmiä on kokeiltu kuivalujaliimana ilman mainittavaa positiivista tulosta (J.P. Casey: Pulp and Paper Chemistry and Chemical Technology, 3. ed., voi. Ill, Wiley &

Sons 1981, s. 1456). Syynä huonoon tulokseen lienee se, että olosuhteita ei osattu valita oikein.

Nyt on siis yllättäen havaittu, että polysakkaridityyppisen lisäaineen ja synteettisen polymeerisen retentioaineen käyttö on mahdollista järjestää niin, että voidaan saavuttaa aikaisemmin tunnettuun nähden odottamattoman suuri parantuminen paperin tai kartongin kuivalujuusominaisuuksissa entistä pienemmillä lisäysmäärillä.

Keksinnön pääasialliset tunnusmerkit ilmenevät oheisista patenttivaatimuksista .

Polysakkaridityyppisellä lisäaineella tarkoitetaan tässä niitä paperimassaan lisättäviksi tarkoitettuja polysakkarideja ja niiden johdannaisia tai seoksia, jotka pääasiassa tunnetaan kuivalujalisäaineina ja joita lähemmin kuvataan aiemmin mainitussa teoksessa (J.P. Casey s. 1475-1514). Näillä aineilla voidaan kuivalujuuden lisäksi vaikuttaa veden erottumiseen rainasta paperikoneella, paperirainan optimaaliseen muodostukseen, ja varsinkin johdannaisten kyseessä ollen retentioon ja märkälujuuteenkin. Mainituilla aineilla on kyky muodostaa vetysidoksia selluloosan kanssa ja siten lisätä lujuutta paperissa. Hintatekijöistä johtuen eniten käytettyjä näistä polysakkaridi tyyppisistä lisäaineista ovat tärkkelykset ja niiden johdannaiset. Hyvien retentio-ominaisuuksien takia edullisesti käytettäviä ovat kationoidut tärkkelyslaadut. Muita keksinnön mukaisia polysakkaridityyppisiä lisäaineita ovat kasvilimat (esim. guar gum johdannaisineen), alginaatti sekä selluloosa-johdannaiset, kuten karboksimetyyliselluloosa, metyyliselluloo-sa ja hydroksietyyliselluloosa.

4 71379

Keksinnön mukaiset synteettiset retentioaineet ovat suurimo-lekyylipainoisia, pitkäketjuisia polymeerejä, kuten polyety-leenioksidi taikka polyakryyliamidit, jälkimmäiset joko sellaisinaan taikka osittain tai kokonaan hydrolysoituina taikka substituoituina tai kopolymeroituina. Polyetyleenioksidi on nonioninen ja sen molekyylipaino on edullisesti yli 1 000 000. Jälkimmäiset voivat olla anionisia, kationisia tai nonionisia ja niiden molekyylipainot ovat yli 200 000, edullisesti yli 1 000 000. Aineiden käyttö yhdistelmänä tai seoksena on myös mahdollista.

Olennaisen täyteainevapailla paperi- tai kartonkilaaduilla tarkoitetaan tässä sellaisia, joiden valmistuksessa ei ole käytetty täyteaineita ollenkaan tai vain vähäisiä määriä, enintään 10 % ja yleensä alle 5 %.

Kationisen tärkkelyksen retentio keksinnön mukaisilla käyttömäärillä on 90-100 % (Casey, s. 1492, 1495). Keksinnön mukaisesti aikaansaatu lujuuden lisäys ei siten voine perustua siihen, että retentioaineen avulla saataisiin polysakkaridi-lisäaineen retention parantumisen täyttä oleellista lujuuspa-rannusta syntymään (päinvastoin kuin tunnetuissa menetelmissä, joissa lujuutta lisätään saostamalla polysakkaridityyppinen lisäaine vastakkaismerkkisesti varautuneella polymeerillä niin, että lujuuslisäys tapahtuu sen vuoksi).

Toisaalta ei keksinnön mukaisella retentioapuaineella yksistään ole mainittavaa lujuuden lisäysvaikutusta, kun käyttömäärä jää keksinnön mukaiselle tasolle eli suuruusluokalleen normaalia retentioainekäyttöä vastaavaksi. Näin ollen keksinnön mukaisen yllättävän vaikutuksen täytynee perustua käytettyjen aineiden voimakkaaseen synergistiseen vaikutukseen.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä retentioaine valitaan tapauskohtaisesti käyttäen tunnettuja menetelmiä kuten esimerkiksi laboratoriomittaisia retentiotestejä niin, että saadaan optimaalinen retentiotulos. Olosuhteista (massan, veden, liimauksen ym. vaikutus) riippuu saadaanko paras tulos anionisella, 5 71379 kationisella vai nonionisella retentioaineella. Tunnetusta menetelmästä poiketaan siis siten, että polysakkaridityyppi-sen lisäaineen ja retentioaineen varausten ei tarvitse kumota toisiaan, ei edes olla vastakkaismerkkisiä.

Keksinnön mukaista menetelmää voidaan edullisesti käyttää hyväksi valmistettaessa mineraalisista täyteaineista vapaita tai lähes vapaita paperi- ja kartonkilaatuja, kuten voimapaperia, sanomalehtipaperia ja kartonkia. Keksinnön hyväksikäyttö ei kuitenkaan rajoitu näiden valmistukseen. Täyteainepi-toisia laatuja valmistettaessa tulee kuitenkin ottaa huomioon retentioapuaineiden taipumus adsorboitua yleensä ensisijaisesti täyteainehiukkasten pintoihin. Retentioaineannostelua lisättäessä yli täyteaineiden adsorboiman määrän niin, että retentioaine voi toimia keksinnön edellyttämällä tavalla ja kiinnittyä kuituihin, joudutaan helposti käyttämään epätaloudellisen suuria lisäysmääriä. Tämän vuoksi on edullista suorittaa keksinnön mukainen täyteainepitoisen paperin valmistus siten, että täyteaine käsitellään erikseen sille sopivaksi todetulla retentioaineella (joka voi olla sama kuin keksinnön mukainen retentioaine) ja tämän jälkeen lisätään täyteaine keksinnön mukaan käsiteltyyn massaan. Toinen tapa on esi-käsitellä täyteaine jollakin sinänsä tunnetulla tavalla (esim. aikaisemmin mainitussa STFI-kontakt-julkaisussa kerrotulla menetelmällä: täyteainepintaan saadaan kationista tärkkelystä, kun täyteaine on ensin dispergoitu anionisesti). Näin täyte-ainepinnan luonne kokonaan muuttuu,jolloin se mahdollisesti voidaan sekoittaa massaan jo ennen retentioainetta, ilman että menetetään keksinnön mukaisen polymeerisysteemin avulla saavutettava lujuusetu. Täyteaineen esikäsittely voidaan luonnollisesti järjestää myös massan läsnäollessa tapahtuvaksi.

Keksinnön joitain toteutusmuotoja kuvataan seuraavissa esimerkeissä.

6 71379

Esimerkki 1

Massaseos oli 50 % kemiallinen massa, 50 % mekaaninen massa. Massa otettiin perälaatikosta ja siihen oli konekyypissä lisätty 0,7 % kationista tärkkelystä "Posamyl B" (Avebe, Hollanti) sekä halutun liimausasteen saavuttamiseksi 0,125 % hartsiliimaa "T-liima" (Hercules, USA) ja 0,4 % alunaa. Massaan lisättiin eri määrät massan kanssa parhaiten käytettäväksi todettua anionista polyakryyliamidia sekä toisessa koesarjassa ensin 0,4 % kationista tärkkelystä ja sen jälkeen eri 2 määrät polymeeriä. Massasta valmistettiin 60 g/m arkkeja ja ne testattiin. Tulokset olivat seuraavat:

Polyakryyli- Massa (sisältää 0,7 % kat. Massa (sisältää 0,7 % amidi tärkkelystä) kat.tärkk.) +0,4 % kationinen _tärkkelys_ % Palst.luj. Vetolujuus Palst.luj. Vetolujuus J/irr kN/m J/rrr kN/m 0 (tunnettu) 185 2,55 190 2,80 0,01 185 2,80 265 3,05 0,02 230 3,0 300 3,05 0,03 240 3,0 360 3,3 0,04 250 3,0 530 3,32

Tuloksista nähdään, että jopa 0,01 % polyakryyliamidilisäyk-sellä saatiin arkkien lujuutta parannetuksi. Tekniikan tason mukaan näin pienien polyakryyliamidilisäysten ei pitäisi mainittavasti vaikuttaa massan lujuuteen.

Esimerkki 2

Kuten esimerkki 1, paitsi massa otettiin ennen konekyyppiä eli siinä ei ollut mitään lisäaineita. Liimausaineet lisättiin massaan ensimmäiseksi, sitten polyakryyliamidi ja viimeisenä 0,4 % kationista tärkkelystä. Tulokset olivat: 7 71379

Polyakryyliamidi, % O 0,01 0,02 0,03 o

Palstautumislujuus, J/m 110 125 125 135

Palstautumislujuus oli pienempi kuin esimerkissä 1, koska kationista tärkkelystä oli 0,7 % vähemmän. Tulokset osoittavat kuitenkin polyakryyliamidilisäyksen vaikuttavan lujuuksia parantavasti .

Esimerkki 3

Kuten esimerkki 2, mutta tärkkelys lisättiin ennen polyakryyli-amidia ja myös sen määrää vaihdeltiin. Tulokset olivat seuraa-vat:

Kationinen tärkkelys, %

Polyakryy— _Q/4_ _0,6_ __0/8_ liamidi, Palst.luj. Vetoluj. Palst.luj. Vetoluj. Palst.luj. Vetoluj.

% J/m2 kN/m J/m2 kN/m J/m2 kN/m 0 105 1,48 105 1,70 115 1,65 0,01 120 1,70 120 1,82 . 120 1,85 0,02 135 1,98 135 2,10 140 2,20 0,03 155 2,30 220 2,35 (koe lope- - tettu )

Useissa paperiteollisuuteen liittyvissä tutkimuksissa on käynyt siten, että laboratoriomitassa saadut lupaavat tulokset eivät olekaan päteneet, kun on siirrytty tuotantokoneelle. Tämän takia keksinnön mukaista kemikaalisysteemiä kokeiltiin eräällä kartonkikoneella. Kone on ns. Invertorm-tyyppinen. Pinta- ja taustakerros valmistetaan puhtaasta kemiallisesta massasta ja keskikerrokseen käytetään noin 50 % mekaanista massaa. Mekaanisen massan lisäkäyttöä rajoittaa valmiin kartongin 2 palstautumislujuus. Se on normaalisti 85-90 J/m ja tällöin lisätään keskikerroksen massaan 0,8 % kationista tärkkelystä.

Myös suurempia määriä, jopa 2 %, on kokeiltu, mutta ilman tulosta.

8 71379

Esimerkki 4

Suoritettiin tehdaskoeajo. Kationista tärkkelystä annosteltiin koko ajan konekyyppiin. Sen määrä vaihteli 0,6-1,2 %.

2 Tällöin palstautumislujuus oli noin 90 J/m : Polyakryyliamidi lisättiin sihtien jälkeen ja sen annostusta alettiin vähitellen nostaa. Annostuksen noustessa 0,042 % nousi palstau- 2 tumislujuus 120 J/m :iin.

Esimerkki 5

Tehtiin toinen tehdaskoeajo. Tässä kokeessa annosteltiin koko ajan 1,2 % kationista tärkkelystä konekyyppiin. Polyak-ryyliamidin annostelumäärää ja -paikkaa vaihdeltiin sekä lisäksi muutamissa koepisteissä annosteltiin lisämäärä tärkkelystä polyakryyliamidin jälkeen. Kussakin tapauksessa parhaat tulokset ja siihen tarvittavat polyakryyliamidi-määrät olivat seuraavat:

Lisääineannostelu Palstautumislujuus J/m2 85-90 0,045 % polyakryyliamidia sihtien jälkeen 125 0,025 % polyakryyliamidia ennen 170 sihtejä + 0,6 % kationista tärkkelystä sihtien jälkeen 0,025 % polyakryyliamidia ennen 150 sekoituspumppuja +0,6 % kationista tärkkelystä sihtien jälkeen

Esimerkki 6

Tekemällä kokeita laboratorioarkkimuotilla tutkittiin erilaisten polyakryyliamidityyppisten retentioaineiden paperin kuiva-lujuuteen vaikutusta. Massa sisälsi 45 % sellua ja 55 % hioketta. Massa otettiin tasauslaatikosta ja se sisälsi 1,2 % 2 kationista tärkkelystä. Massasta valmistettiin 60 g/m arkkeja kiertovesiarkkimuotilla ja massaan lisättiin 0,02 % polyakryyliamidia juuri ennen kuin massa kaadettiin arkkimuottiin. Tulokset olivat: 9 71379

Polyakryyliamidityyppinen Palsjtautumislu juus, retentioaineen ionisuus J/iti (ilman retentioainetta) 332 kationinen 389 nonioninen 357 anioninen 388

Havaitaan, että paras tulos saavutetaan käyttämällä joko kationista tai anionista retentioainetta eli sekä kationinen että anioninen polyakryyliamidi antavan hyvän lujuuden yhdessä kationisen tärkkelyksen kanssa.

Esimerkki 7

Esimerkin 6 mukainen koe toistettiin paitsi että massana käytettiin 23 % jäteselluloosaa ja 77 % hioketta sisältävää massaa, kationisen tärkkelyksen määrä oli 0,7 % ja polyak- 2 ryyliamidiannostus oli 0,03 % ja arkit tehtiin 100 J/m ilman kiertovettä. Tulokset olivat:

Polyakryyliamidityyppisen Palstautumis- Vetoindeksi retentioaineen ionisuus lujuus Nm/g J/m (ilman retentioainetta) 102 17,5 kationinen 133 18,5 lievästi anioninen 124 18,7 voimakkaasti anioninen 137 18,0

Taas havaitaan, että edullinen yhteysvaikutus saavutetaan kationisen tärkkelyksen kanssa sekä anionisella että katio-nisella polyakryyliamidilla.

Esimerkki 8

Laboratorioarkkimuotilla valmistettiin 25 % hioketta ja 75 % 2 taivekartonkihylkyä sisältävästä massasta 60 J/m kiertovesi-arkkeja. Massaan lisättiin hyvissä ajoin (väh. 0,5 h) ennen arkinvalmistusta joko natiivia guar-gum-kasvilimaa tai amfo- 10 71 379 teeristä guar-gum-kasvilimaa. Kummankin määrä oli 1,2 %.

Juuri ennen massan kaatoa arkkimuottiin lisättiin siihen 0,03 % erilaisia polyakryyliamidityyppisiä retentioaineita. Tulokset olivat:

Palstautumi^- lujuus, J/m nolla-koe (= ei kasvilimaa eikä retentioainetta) 177

Guar-gum, natiivi 270

Guar-gum, amfoteerinen 248

Havaitaan, että samanlainen edullinen yhteisvaikutus kuin saatiin kationisilla tärkkelys-retentioaineyhdistelmillä on saatavissa myös kasvilima-retentioaineyhdistelmillä.

Claims

11 71379

1. Menetelmä paperin tai kartongin valmistamiseksi lisäämällä kuitumassasuspensioon paperin tai kartongin kuivaiujuuden parantamiseksi polysakkaridityyppistä lisäainetta ja synteettistä retentioainetta sekä mahdollisesti täyteainetta, tunnettu siitä, että kuitumassasuspensioon lisätään massan kuivapainosta laskettuna 0,2-3 % polysakkaridityyppistä lisäainetta ja 0,005-0,1 % synteettistä retentioainetta, jolloin: A) lisäys suoritetaan kuitumassasuspensioon, joka on olennaisen vapaa täyteaineesta, B) ainakin osa retentioaineesta lisätään kuitumassasuspensioon ennen täyteainelisäystä, tai C) kuitumassaan lisätään esikäsiteltyä täyteainetta.

2. Förfarande enligt patentkrav 1,kännetecknat av att till fibermassasuspensionen tillsättes, räknat av massans torrsubstansvikt, 0,8-1,5 % tillsatsmedel av polysacka-ridtyp.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuitumassasuspensioon lisätään massan kuivapainosta laskettuna 0,8-1,5 % polysakkaridityyppistä lisäainetta .

3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e -tecknat av att som tillsatsmedel av polysackaridtyp används stärkelse eller dess derivat, lämpligen katjonisk stärkelse.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että polysakkaridityyppisenä lisäaineena käytetään tärkkelystä tai sen johdannaista, edullisesti kationoitua tärkkelystä.

4. Förfarande enligt nägot av ovanstäende patentkrav, kännetecknat av att till fibermassasuspensionen tillsättes, räknat av massans torrsubstansvikt, 0,02-0,05 % syntetiska retentionsmedel.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuitumassasuspensioon lisätään massan kuivapainosta laskettuna 0,02-0,05 % synteettistä retentioainetta.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että synteettisenä retentioaineena käytetään polyakryyliamidia tai sen johdannaista tai kopoly-meeriä, polyetyleenioksidia tai näiden yhdistelmää.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin osa polysakkaridityyp-pisestä lisäaineesta lisätään kuitumassasuspensioon ennen synteettistä retentioainetta. 12 71 379 1 .0 Förfarande för tillverkning av papper eller kartong ge-nom att för att förbättra papprets eller kartongens torr-hällfasthet tillsätta till fibermassasuspensionen tillsats-medel av polysackaridtyp och syntetiska retentionsmedel samt möjligen fyllmedel, kännetecknat av att till fi-berraassasuspensionen tillsättes, räknat av massans torrsubstansvikt, 0,2-3 % tillsatsmedel av polysackaridtvp och 0,005-0,1 % svntetiskt retentionsmedel, varvid: A) tillsatsen utförs till fibermassasuspensionen, som Mr väsentligen fri frän fyllmedel, B) atminstone en del av retentionsmedlet tillsättes till fibermassasuspensionen före fyllmedelstillsatsen, eller C) till fibermassan tillsättes förbehandlat fyllmedel.

5. Förfarande enligt nägot av ovanstäende patentkrav, kännetecknat av att som syntetiska retentionsmedel används polyakrylamid eller dess derivat eller ko-polymerer eller polyetylenoxid eller dessas sammansätt-ningar.