FR3012149A1 - COMPOSITE PARTICLES, METHOD OF PREPARATION AND USE IN THE MANUFACTURE OF PAPER - Google Patents

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Abstract

Procédé de préparation de particules composites, comprenant les étapes suivantes : - copolymérisation d'au moins un monomère vinylique comprenant une fonction acide carboxylique en présence d'au moins un polysaccharide hémicellulosique et/ou d'amidon dépolymérisé ; - addition d'au moins un type de charge minérale ; - précipitation, en présence de ladite charge minérale, du copolymère ainsi formé ; - obtention de particules composites constituées de la charge minérale enrobée dudit copolymère.Process for the preparation of composite particles, comprising the following steps: copolymerization of at least one vinyl monomer comprising a carboxylic acid function in the presence of at least one hemicellulosic polysaccharide and / or depolymerized starch; - addition of at least one type of mineral filler; precipitation, in the presence of said inorganic filler, of the copolymer thus formed; obtaining composite particles consisting of the mineral filler coated with said copolymer.

Description

PARTICULES COMPOSITES, PROCEDE DE PREPARATION ET UTILISATION DANS LA FABRICATION DU PAPIER DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne la préparation de particules composites par enrobage de charges minérales au moyen d'un copolymère à base de polysaccharide hémicellulosique. Le domaine d'utilisation de la présente invention concerne particulièrement l'industrie papetière. ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE Les procédés de fabrication du papier mettent en oeuvre une pâte suspendue en milieu aqueux et son dépôt sur une toile. Une fois la pâte déposée sur la toile, l'eau est éliminée, notamment par égouttage, de manière à former une feuille de papier qui est ensuite séchée.The invention relates to the preparation of composite particles by coating mineral fillers by means of a copolymer based on hemicellulosic polysaccharide. The field of use of the present invention particularly relates to the paper industry. STATE OF THE PRIOR ART The papermaking processes use a paste suspended in an aqueous medium and its deposit on a fabric. Once the paste is deposited on the fabric, the water is removed, in particular by draining, so as to form a sheet of paper which is then dried.

Afin de modifier les propriétés de la feuille de papier, des charges peuvent être introduites dans la pâte, généralement préalablement à la formation de la feuille. Par exemple, l'incorporation de charges minérales peut notamment permettre d'améliorer les propriétés optiques du papier.In order to modify the properties of the paper sheet, fillers can be introduced into the dough, generally prior to the formation of the sheet. For example, the incorporation of mineral fillers may in particular make it possible to improve the optical properties of the paper.

Des problèmes récurrents liés aux charges minérales concernent l'altération des propriétés mécaniques de la feuille de papier lorsqu'elle contient une grande quantité de charges minérales. D'autre part, leur rétention au sein de la feuille de papier est limitée. A cet égard, un agent de rétention, typiquement un composé polymérique, peut être utilisé. Il peut s'agir de composés appartenant à la famille des polyacrylamides par exemple. D'autres procédés ont été mis en oeuvre afin de retenir les charges minérales dans la feuille de papier, et plus particulièrement l'enrobage des charges avec des polymères organiques.35 Par exemple, Shen a décrit l'enrobage de particules minérales avec de l'amidon ou du polyacrylamide (Shen J., Song Z., Qian X., Liu W. « Modification of papermaking grade fillers: A brief review. » Bioresources, 2009, 4, 1190-1209).Recurring problems related to mineral fillers concern the alteration of the mechanical properties of the paper sheet when it contains a large amount of mineral fillers. On the other hand, their retention within the sheet of paper is limited. In this regard, a retention agent, typically a polymeric compound, may be used. It may be compounds belonging to the family of polyacrylamides for example. Other methods have been implemented to retain the inorganic fillers in the paper sheet, and more particularly the coating of the fillers with organic polymers. For example, Shen has described the coating of mineral particles with water. starch or polyacrylamide (Shen J., Song Z., Qian X., Liu W., "Modification of papermaking grade fillers: A brief review." Bioresources, 2009, 4, 1190-1209).

L'enrobage de particules de carbonate de calcium au moyen d'amidon peut être réalisé par formation d'un gel après cuisson (Zhao Y., Hu Z., Ragauskas A., Deng Y. « Improvement of paper properties using starch-modified precipitated calcium carbonate filer. » Tappi J., 2005 4, 3-7.).The coating of calcium carbonate particles with starch can be achieved by forming a gel after cooking (Zhao Y., Hu Z., A. Ragauskas, Deng Y. precipitated calcium carbonate spin. "Tappi J., 2005 4, 3-7.).

Le procédé d'enrobage de particules de kaolin au moyen d'amidon peut comprendre la modification préalable de l'amidon avec des acides à chaîne grasse (Cao S., Song D., Deng., Y., Ragauskas A. « Preparation of starch-fatty acid modified clay and its application in packaging papers. » Ind. Eng. Chem. Res, 2011, 50, 5628-5633.) Le document WO 2006/297571 décrit l'enrobage de charges minérales avec un polysaccharide (cellulose ou chitine) insoluble dans l'eau mais soluble dans un liquide ionique. Quand bien même certains des procédés de l'art antérieur sont relativement satisfaisants en termes de rétention de charges minérales et de maintien des propriétés mécaniques de la feuille de papier, il existe néanmoins un besoin de développer des alternatives. Le Demandeur a ainsi mis au point un procédé facile à mettre en oeuvre pour enrober des particules minérales avec un copolymère organique. Les particules composites ainsi obtenues sont mieux retenues dans la feuille de papier par rapport aux particules non traitées. En outre, et de manière générale, elles peuvent notamment permettre d'améliorer les propriétés optiques et mécaniques du papier.The method of coating starch-containing kaolin particles may include pre-modifying the starch with fatty-chain acids (Cao S., Song D., Deng., Y., Ragauskas A. "Preparation of starch-fatty acid modified clay and its application in packaging papers. »Ind. Eng Chem Res, 2011, 50, 5628-5633.) The document WO 2006/297571 describes the coating of mineral fillers with a polysaccharide (cellulose or chitin) insoluble in water but soluble in ionic liquid. Even though some of the processes of the prior art are relatively satisfactory in terms of retaining mineral fillers and maintaining the mechanical properties of the paper sheet, there is nevertheless a need to develop alternatives. The Applicant has thus developed a method easy to implement for coating inorganic particles with an organic copolymer. The composite particles thus obtained are better retained in the paper sheet compared to the untreated particles. In addition, and in general, they can notably improve the optical and mechanical properties of paper.

EXPOSE DE L'INVENTION Le Demandeur a développé un procédé de préparation de particules composites de type coeur/coquille, dont le coeur est réalisé en matériau inorganique et la coquille en polymère organique. Eu égard aux propriétés de la coquille, le taux de rétention de ces particules dans une feuille de papier est amélioré par rapport aux particules non enrobées. En outre, ces particules permettent d'améliorer les propriétés mécaniques de la feuille de papier par rapport aux particules non traitées.SUMMARY OF THE INVENTION The Applicant has developed a process for preparing composite particles of the core / shell type, the core of which is made of inorganic material and the shell of organic polymer. In view of the properties of the shell, the retention rate of these particles in a sheet of paper is improved compared to uncoated particles. In addition, these particles make it possible to improve the mechanical properties of the paper sheet relative to the untreated particles.

Les particules selon l'invention sont obtenues par gélification d'un polysaccharide par copolymérisation avec un monomère en présence de charges minérales. Plus précisément, la présente invention concerne un procédé de préparation de particules composites, comprenant les étapes suivantes : - copolymérisation d'au moins un monomère vinylique comprenant une fonction acide carboxylique en présence d'au moins un polysaccharide hémicellulosique ; - addition d'au moins un type de charge minérale ; - précipitation, en présence de ladite charge minérale, du copolymère ainsi formé ; - obtention de particules composites constituées de la charge minérale enrobée dudit copolymère. Selon un mode de réalisation particulier, la copolymérisation d'au moins un monomère vinylique comprenant une fonction acide carboxylique est réalisée en présence d'au moins un polysaccharide hémicellulosique et/ou d'amidon dépolymérisé. Les particules ainsi obtenues sont de type coeur/coquille, le coeur étant une charge minérale, et la coquille un copolymère obtenu par polymérisation d'au moins un monomère vinylique comprenant une fonction acide carboxylique en présence d'au moins un polysaccharide hémicellulosique. Ce procédé permet donc d'enrober des charges minérales avec un copolymère organique.The particles according to the invention are obtained by gelling a polysaccharide by copolymerization with a monomer in the presence of mineral fillers. More specifically, the present invention relates to a process for preparing composite particles, comprising the following steps: copolymerization of at least one vinyl monomer comprising a carboxylic acid function in the presence of at least one hemicellulosic polysaccharide; - addition of at least one type of mineral filler; precipitation, in the presence of said inorganic filler, of the copolymer thus formed; obtaining composite particles consisting of the mineral filler coated with said copolymer. According to a particular embodiment, the copolymerization of at least one vinyl monomer comprising a carboxylic acid function is carried out in the presence of at least one hemicellulosic polysaccharide and / or depolymerized starch. The particles thus obtained are of core / shell type, the core being a mineral filler, and the shell is a copolymer obtained by polymerization of at least one vinyl monomer comprising a carboxylic acid function in the presence of at least one hemicellulosic polysaccharide. This process therefore makes it possible to coat inorganic fillers with an organic copolymer.

De manière générale, tout polysaccharide hémicellulosique soluble dans l'eau (ou partiellement soluble) comportant des OH libres peut être ainsi modifié. Cependant, et de manière avantageuse, ce procédé concerne particulièrement les polysaccharides de masses molaires peu élevées qui ne peuvent pas former de gels à forte concentration ou à haute température.In general, any water-soluble (or partially soluble) hemicellulose polysaccharide having free OHs can be so modified. However, and advantageously, this method particularly relates to polysaccharides of low molar masses which can not form gels at high concentration or at high temperature.

Ainsi, le polysaccharide hémicellulosique présente un degré de polymérisation moyen en nombre avantageusement inférieur ou égal à 200, plus avantageusement encore compris entre 100 et 200.Thus, the hemicellulosic polysaccharide has a number average degree of polymerization advantageously less than or equal to 200, more advantageously still between 100 and 200.

Le polysaccharide hémicellulosique est avantageusement issu de bois ou de plantes annuelles.The hemicellulose polysaccharide is advantageously derived from wood or annual plants.

Il peut notamment s'agir d'un composé choisi dans le groupe comprenant le xylane, le glucuronoxylane, l'arabinoxylane, le glucomannane, le galactomannane, le galactoglucomannane, le xyloglucane, et leurs mélanges, Cependant, et selon un mode de réalisation particulier, il peut également s'agir d'amidon dépolymérisé. Selon un mode de réalisation préféré, le polysaccharide hémicellulosique est le xylane.It can especially be a compound selected from the group comprising xylan, glucuronoxylan, arabinoxylan, glucomannan, galactomannan, galactoglucomannan, xyloglucan, and mixtures thereof, however, and according to a particular embodiment it may also be depolymerized starch. According to a preferred embodiment, the hemicellulosic polysaccharide is xylan.

Il peut notamment s'agir de xylane issu de bois de bouleau ou de hêtre par exemple. Selon un mode de réalisation particulier, le polysaccharide hémicellulosique peut être modifié avant l'étape de greffage.It can especially be xylan from birch wood or beech for example. According to a particular embodiment, the hemicellulosic polysaccharide may be modified before the grafting step.

Il peut notamment s'agir d'une étape de blanchiment de l'hémicellulose (au peroxyde d'hydrogène par exemple) et/ou de l'introduction de fonctions acide carboxylique sur la chaîne principale du polysaccharide hémicellulosique. L'introduction de fonctions acide carboxylique peut être réalisée par succinylation, en faisant réagir de l'anhydride succinique avec le polysaccharide hémicellulosique. Sans émettre une quelconque théorie, le Demandeur considère que cette modification améliore la solubilité, et donc la réactivité du polysaccharide hémicellulosique en milieu aqueux. Plus précisément, elle permet l'expansion du polysaccharide, le xylane par exemple ayant tendance à former des agrégats dans l'eau. Le Demandeur a ainsi observé que la surface spécifique d'un copolymère de type xylane succinylé /PAA est largement supérieure à un copolymère xylane/PAA (PAA = poly acide acrylique). L'agrégation du xylane est due aux interactions entre les chaines hydroxylées (formation de liaisons hydrogène). La présence de groupements chargés négativement permet une répulsion entre les chaines et une meilleure solubilisation. Ainsi, et de manière avantageuse, 0,1 à 1 substitutions sont réalisées par unité de sucre du polysaccharide hémicellulosique, plus avantageusement encore 0,3 à 0,4 substitutions.35 Selon un mode de réalisation préféré, le polysaccharide hémicellulosique est du xylane traité avec de l'anhydride succinique, préalablement à la copolymérisation. La quantité d'anhydride succinique est avantageusement de l'ordre de 2 équivalents molaire d'anhydride succinique par unité xylose. Elle est plus avantageusement égale à 2 équivalents molaires. Dans l'étape du procédé concernant la copolymérisation, la chaine principale du polysaccharide hémicellulosique est greffée avec le monomère vinylique et/ou son polymère (polymère résultant de la polymérisation du ou des monomères vinyliques comprenant une fonction acide carboxylique). Ce greffage correspond à la formation de ramifications sur la chaîne principale du polysaccharide hémicellulosique. Le greffage permet ainsi d'augmenter la viscosité du polysaccharide hémicellulosique, mais également son aptitude à former un gel.It may especially be a bleaching step hemicellulose (hydrogen peroxide for example) and / or the introduction of carboxylic acid functions on the main chain of hemicellulosic polysaccharide. The introduction of carboxylic acid functions can be carried out by succinylation, by reacting succinic anhydride with the hemicellulosic polysaccharide. Without issuing any theory, the Applicant considers that this modification improves the solubility, and therefore the reactivity of the hemicellulosic polysaccharide in an aqueous medium. More specifically, it allows the expansion of the polysaccharide, xylan for example having a tendency to form aggregates in water. The Applicant has thus observed that the specific surface of a succinylated xylan / PAA type copolymer is much greater than a xylan / PAA (PAA = acrylic acid poly) copolymer. The aggregation of xylan is due to the interactions between the hydroxyl chains (formation of hydrogen bonds). The presence of negatively charged groups allows a repulsion between the chains and a better solubilization. Thus, and advantageously, 0.1 to 1 substitutions are made per unit sugar of the hemicellulose polysaccharide, more preferably 0.3 to 0.4 substitutions. According to a preferred embodiment, the hemicellulose polysaccharide is treated xylan. with succinic anhydride, prior to the copolymerization. The amount of succinic anhydride is advantageously of the order of 2 molar equivalents of succinic anhydride per xylose unit. It is more advantageously equal to 2 molar equivalents. In the process step relating to the copolymerization, the main chain of the hemicellulosic polysaccharide is grafted with the vinyl monomer and / or its polymer (polymer resulting from the polymerization of the vinyl monomer or monomers comprising a carboxylic acid function). This grafting corresponds to the formation of branches on the main chain of the hemicellulosic polysaccharide. The grafting thus makes it possible to increase the viscosity of the hemicellulosic polysaccharide, but also its ability to form a gel.

Une fois le greffage effectué, le milieu (de copolymérisation) peut être neutralisé, par exemple, par addition d'un agent réducteur. La neutralisation peut consister à éliminer, le cas échéant, les traces de l'initiateur ayant amorcé la copolymérisation.Once the grafting has been carried out, the (copolymerization) medium can be neutralized, for example by the addition of a reducing agent. The neutralization may consist in eliminating, if appropriate, the traces of the initiator having initiated the copolymerization.

De manière générale, l'agent réducteur est ajouté en solution jusqu'à disparition de la coloration de l'initiateur. La réduction de l'initiateur (passage CeIV à CeIII par exemple) permet surtout une décoloration du milieu. Elle facilite son élimination par lavage à l'eau, bien que des traces puissent subsister.In general, the reducing agent is added in solution until disappearance of the coloration of the initiator. The reduction of the initiator (passage CeIV to CeIII for example) allows above all a discoloration of the medium. It facilitates its removal by washing with water, although traces may remain.

Les charges minérales sont ensuite ajoutées, et enrobées par précipitation du copolymère. La précipitation peut notamment être obtenue par addition d'un liquide non-solvant du copolymère, tel que l'acétone. La charge minérale peut notamment être choisie dans le groupe comprenant le carbonate de calcium, le kaolin, le dioxyde de titane, et le talc. Comme déjà indiqué, le monomère vinylique comprend une fonction acide carboxylique. Par fonction acide carboxylique, on entend également les sels de cette fonction acide carboxylique. Par sel, on entend les sels d'alcalins, d'alcalino-terreux ou d'ammonium (quaternaire notamment). La formation des sels est avantageusement réalisée après polymérisation et avant précipitation, notamment par addition d'une base telle que la soude par exemple.The mineral fillers are then added and coated by precipitation of the copolymer. The precipitation may especially be obtained by adding a non-solvent liquid of the copolymer, such as acetone. The inorganic filler may especially be chosen from the group comprising calcium carbonate, kaolin, titanium dioxide, and talc. As already indicated, the vinyl monomer comprises a carboxylic acid function. By carboxylic acid function is also meant the salts of this carboxylic acid function. By salt is meant salts of alkaline, alkaline earth or ammonium (quaternary in particular). The formation of the salts is advantageously carried out after polymerization and before precipitation, in particular by adding a base such as sodium hydroxide for example.

De manière générale, le monomère vinylique mis en oeuvre comprend une fonction acide carboxylique mais, selon un mode de réalisation particulier, il peut en comprendre plusieurs.In general, the vinyl monomer used comprises a carboxylic acid function but, according to a particular embodiment, it may comprise several.

Le monomère vinylique peut notamment être choisi dans le groupe comprenant l'acide acrylique, l'acide méthacrylique, l'acide éthylacrylique, l'acide itaconique, et les sels de ces acides. De manière avantageuse, il s'agit de l'acide acrylique et/ou un sel d'acide acrylique. Il peut s'agir de l'acide itaconique et/ou un sel d'acide itaconique. L'acide acrylique est particulièrement adapté eu égard à sa capacité à former des hydrogels. Ainsi, selon un mode de réalisation préféré, le copolymère obtenu est un copolymère xylane acide poly acrylique (ou poly acide acrylique, PAA).The vinyl monomer may especially be chosen from the group comprising acrylic acid, methacrylic acid, ethylacrylic acid, itaconic acid, and the salts of these acids. Advantageously, it is acrylic acid and / or an acrylic acid salt. It may be itaconic acid and / or an itaconic acid salt. Acrylic acid is particularly suitable in view of its ability to form hydrogels. Thus, according to a preferred embodiment, the copolymer obtained is a polyacrylic acid xylan copolymer (or poly acrylic acid, PAA).

Sans émettre une quelconque théorie, le Demandeur estime que les fonctions acide carboxylique issues du monomère vinylique polymérisé, augmentent le pouvoir gonflant du copolymère. Elles permettant ainsi de former un réseau pour enrober la charge minérale. C'est le copolymère qui s'adsorbe sur la charge minérale. L'affinité entre le copolymère et les fibres cellulosiques est certainement due à la présence de 1 'hémicellulose. Comme déjà indiqué, les particules composites selon l'invention sont de type coeur/coquille. Elles comprennent un coeur en matériau inorganique et une coquille en copolymère à base d'au moins un polysaccharide hémicellulosique et d'au moins un monomère vinylique comprenant des fonctions acide carboxylique. Selon un mode de réalisation avantageux, les particules composites coeur/coquille selon l'invention comprennent : - 1 à 50 % en poids de copolymère à base de polysaccharide hémicellulosique, plus avantageusement 15 à 30 % en poids ; - 99 à 50 % en poids de charge minérale, plus avantageusement 85 à 70 % en poids. La copolymérisation d'au moins un monomère vinylique et du polysaccharide hémicellulosique peut être réalisée selon les techniques classiques faisant partie des connaissances de l'homme du métier. Il s'agit d'une polymérisation radicalaire en solution homogène. Elle est avantageusement réalisée en solution aqueuse. Comme déjà indiqué, elle peut mettre en oeuvre un initiateur tel que, de préférence, le nitrate de cérium et d'ammonium (CAN). Selon un autre mode de réalisation, il peut s'agir du persulfate de potassium.Without issuing any theory, the Applicant believes that the carboxylic acid functions from the polymerized vinyl monomer, increase the swelling capacity of the copolymer. They thus make it possible to form a network for coating the mineral filler. It is the copolymer that adsorbs on the mineral filler. The affinity between the copolymer and the cellulosic fibers is certainly due to the presence of hemicellulose. As already indicated, the composite particles according to the invention are of the core / shell type. They comprise a core of inorganic material and a copolymer shell based on at least one hemicellulosic polysaccharide and at least one vinyl monomer comprising carboxylic acid functions. According to an advantageous embodiment, the core / shell composite particles according to the invention comprise: 1 to 50% by weight of copolymer based on hemicellulosic polysaccharide, more advantageously 15 to 30% by weight; 99 to 50% by weight of mineral filler, more preferably 85 to 70% by weight. The copolymerization of at least one vinylic monomer and hemicellulosic polysaccharide can be carried out according to conventional techniques that are within the knowledge of a person skilled in the art. It is a radical polymerization in homogeneous solution. It is advantageously carried out in aqueous solution. As already indicated, it can implement an initiator such as, preferably, cerium and ammonium nitrate (CAN). According to another embodiment, it may be potassium persulfate.

La présente invention concerne également des particules composites susceptibles d'être obtenues selon le procédé décrit ci-dessus, mais aussi leur utilisation dans un procédé de fabrication du papier. Les particules composites coeur/coquille sont avantageusement insolubles dans l'eau.The present invention also relates to composite particles obtainable by the process described above, but also their use in a papermaking process. The core / shell composite particles are advantageously insoluble in water.

En effet, après formation, les particules composites sont avantageusement lavées à l'eau et centrifugées (en général, 3 à 4 cycles de lavage /centrifugation). Toutes les entités solubles dans l'eau sont éliminées avec les eaux de lavage. La caractérisation et la détermination du taux de greffage des particules composites sont réalisées après lavage. Le copolymère forme la coquille des particules composites, il n'est pas resolubilisé dans les conditions d'utilisation des particules composites. De manière générale, la taille des particules de charge minérale (TiO2 par exemple) seul est comprise entre 50 et 250 nanomètres. Par taille, on entend la dimension la plus grande des particules, c'est-à-dire son diamètre lorsqu'elle est de forme sphérique. La coquille des particules composite, c'est-à-dire la couche de copolymère, présente une épaisseur pouvant être de l'ordre de 15 nanomètres. L'épaisseur de la coquille présente généralement une épaisseur pouvant être comprise entre 10 et 20 nanomètres.Indeed, after formation, the composite particles are advantageously washed with water and centrifuged (in general, 3 to 4 cycles of washing / centrifugation). All water-soluble entities are removed with the wash water. Characterization and determination of the grafting rate of the composite particles are carried out after washing. The copolymer forms the shell of the composite particles, it is not resolubilized under the conditions of use of the composite particles. In general, the size of the inorganic filler particles (TiO2 for example) alone is between 50 and 250 nanometers. By size, we mean the largest dimension of the particles, that is to say its diameter when it is spherical. The shell of the composite particles, that is to say the copolymer layer, has a thickness which may be of the order of 15 nanometers. The thickness of the shell generally has a thickness that can be between 10 and 20 nanometers.

En outre, lorsque le taux de copolymère est élevé, un réseau comprenant plusieurs particules de charge minérale peut être formé. Les dimensions de ce réseau sont alors supérieures à celles de la particule composite.In addition, when the copolymer content is high, a network comprising a plurality of mineral filler particles can be formed. The dimensions of this network are then greater than those of the composite particle.

De manière générale, le procédé de fabrication du papier mettant en oeuvre les particules composites selon l'invention, est réalisé sur une machine à papier, et comprend les étapes suivantes : mise en suspension aqueuse de la pâte à papier; addition des particules composites dans la suspension aqueuse de pâte à papier; formation d'une feuille de papier sur la toile de la machine à papier ; pressage de la feuille ; séchage de la feuille.In general, the papermaking process using the composite particles according to the invention is carried out on a paper machine, and comprises the following steps: suspending the pulp in an aqueous suspension; addition of the composite particles in the aqueous suspension of pulp; forming a sheet of paper on the web of the paper machine; pressing of the sheet; drying the leaf.

La pâte à papier est obtenue par remise en suspension de feuilles de pâte sèche, de papiers de récupération, ou directement issue d'une usine de mise en pâte, selon les procédés conventionnels de fabrication du papier faisant partie des connaissances de l'homme du métier. Elle comprend notamment des fibres cellulosiques.The paper pulp is obtained by resuspending dry pulp sheets, waste paper, or directly from a pulping plant, according to conventional papermaking processes forming part of the human knowledge of the pulp. job. It includes in particular cellulosic fibers.

L'homme du métier saura ajuster la quantité de particules composites selon l'invention à ajouter dans la pâte lors de la fabrication de papier. Cette quantité pourra éventuellement varier en fonction de l'addition optionnelle d'un agent de rétention. Elle est généralement comprise entre 0.1 et 2 tonne par tonne de pâte sèche, plus avantageusement entre 0.5 et 1 tonne par tonne de pâte sèche. Comme déjà indiqué, et contrairement aux procédés de l'art antérieur, la présente invention permet notamment d'améliorer la rétention de charges minérales sans nécessiter l'ajout d'un agent de rétention. L'enrobage des particules avec le copolymère polysaccharide hémicellulosique/monomère vinylique permet d'obtenir un compromis entre les propriétés optiques et les propriétés mécaniques de la feuille de papier. En effet, alors que les charges minérales de l'art antérieur dégradent significativement les propriétés mécaniques de la feuille de papier, les charges selon l'invention permettent de les stabiliser.Those skilled in the art will be able to adjust the amount of composite particles according to the invention to be added to the dough during the manufacture of paper. This amount may possibly vary depending on the optional addition of a retention agent. It is generally between 0.1 and 2 tons per ton of dry pulp, more preferably between 0.5 and 1 ton per ton of dry pulp. As already indicated, and contrary to the processes of the prior art, the present invention makes it possible in particular to improve the retention of mineral fillers without requiring the addition of a retention agent. Coating the particles with the hemicellulosic polysaccharide / vinyl monomer copolymer makes it possible to obtain a compromise between the optical properties and the mechanical properties of the paper sheet. Indeed, while the mineral fillers of the prior art significantly degrade the mechanical properties of the paper sheet, the charges according to the invention make it possible to stabilize them.

L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des figures et exemples suivants donnés afin d'illustrer l'invention et non de manière limitative. DESCRIPTION DES FIGURES La figure 1 illustre les étapes d'un mode de réalisation particulier du procédé de préparation de particules composites selon l'invention. La figure 2 correspond au graphe du pourcentage de charges retenues dans une feuille de papier en fonction de la variation de l'indice d'éclatement, pour des charges selon l'invention et des charges selon l'art antérieur. La figure 3 correspond au graphe du pourcentage de charges retenues dans une feuille de papier en fonction de la variation de l'indice de traction, pour des charges selon l'invention et des charges selon l'art antérieur. La figure 4 correspond au graphe du pourcentage de charges retenues dans une feuille de papier en fonction de la blancheur, pour des charges selon l'invention et des charges selon l'art antérieur.The invention and the advantages thereof will appear more clearly from the following figures and examples given to illustrate the invention and not in a limiting manner. DESCRIPTION OF THE FIGURES FIG. 1 illustrates the steps of a particular embodiment of the process for preparing composite particles according to the invention. FIG. 2 corresponds to the graph of the percentage of charges retained in a sheet of paper as a function of the variation of the burst index, for charges according to the invention and charges according to the prior art. FIG. 3 corresponds to the graph of the percentage of charges retained in a sheet of paper as a function of the variation of the tensile index, for charges according to the invention and charges according to the prior art. FIG. 4 corresponds to the graph of the percentage of charges retained in a sheet of paper as a function of whiteness, for charges according to the invention and charges according to the prior art.

La figure 5 correspond au graphe du pourcentage de charges retenues dans une feuille de papier en fonction de l'opacité, pour des charges selon l'invention et des charges selon l'art antérieur. La figure 6 illustre le taux de charges retenues dans une feuille de papier, pour des charges selon l'invention et des charges selon l'art antérieur. EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION Exemple 1 : Synthèse de particules composite Ti02/PAA/xylane (figure 1) La réaction est réalisée sous atmosphère inerte dans un ballon tricol de 100 ml équipé d'un réfrigérant. Du xylane issu de bois de bouleau (1g, 7,58 mmol, de chez Aldrich), et préalablement blanchi avec du peroxyde d'hydrogène et estérifié par l'anhydride succinique (0,3 substitution par unité xylose), est solubilisé dans 50 ml d'eau déminéralisée. La solution de xylane ainsi obtenue est agitée pendant 10 minutes à 40 °C, sous flux d'azote.FIG. 5 corresponds to the graph of the percentage of charges retained in a sheet of paper as a function of opacity, for charges according to the invention and charges according to the prior art. FIG. 6 illustrates the rate of charges retained in a sheet of paper, for charges according to the invention and charges according to the prior art. EXAMPLES OF CARRYING OUT THE INVENTION Example 1 Synthesis of TiO 2 / PAA / xylan Composite Particles (FIG. 1) The reaction is carried out under an inert atmosphere in a 100 ml three-necked flask equipped with a refrigerant. Xylan obtained from birch wood (1 g, 7.58 mmol, from Aldrich), and previously bleached with hydrogen peroxide and esterified with succinic anhydride (0.3 substitution per xylose unit), is solubilized in 50 ml of demineralised water. The xylan solution thus obtained is stirred for 10 minutes at 40 ° C. under a stream of nitrogen.

Un initiateur nitrate de cérium et d'ammonium (0,54 g, 1 mmol) est ensuite ajouté, suivi de l'addition de lg d'acide acrylique. Après 3 heures de réaction (40 °C), la solution est neutralisée par addition d'une solution d'hydroxyde de sodium (1N). Quelques gouttes d'une solution saturée d'hydrosulfite de sodium sont également ajoutées, jusqu'à disparition de la coloration jaune de l'initiateur, afin de réduire l'excès du nitrate de cérium.A cerium ammonium nitrate initiator (0.54 g, 1 mmol) is then added, followed by the addition of 1 g of acrylic acid. After 3 hours of reaction (40 ° C.), the solution is neutralized by addition of a solution of sodium hydroxide (1N). A few drops of a saturated solution of sodium hydrosulphite are also added, until disappearance of the yellow color of the initiator, in order to reduce the excess of cerium nitrate.

Le TiO2 est ensuite introduit dans le milieu sous agitation, et le copolymère (xylanepolyacide acrylique) est précipité par addition d'acétone afin d'enrober la charge minérale.TiO 2 is then introduced into the medium with stirring, and the copolymer (acrylic xylanpolyacid) is precipitated by addition of acetone in order to coat the inorganic filler.

Le composite est récupéré par centrifugation, avant d'être abondamment lavé avec de l'eau. Il est ainsi soumis à des cycles de lavage/centrifugation.The composite is recovered by centrifugation, before being thoroughly washed with water. It is thus subjected to washing / centrifugation cycles.

Des composites Ti02/PAA/xylane avec deux taux d'inorganique/organique : 85/15 % et 70/30 % (w/w) ont été préparés (PAA = poly acide acrylique). Caractérisation du composite ainsi obtenu : La morphologie des particules de Ti02/PAA/xylane a été étudiée par microscopie électronique en transmission. Par exemple, pour le composite (85/15%), on note la présence d'une couche de polymère d'environ 15 nanomètres qui enrobe les charges de dioxyde de titane. Exemple 2 : Fabrication de papier en présence de charges minérales (figures 2-6) Des feuilles ont été formées à partir d'une pâte Kraft blanchie issue de bois feuillus (mélange Bouleau, Hêtre, Eucalyptus en proportion égale), raffinée à 34°SR. Cette pâte est désintégrée à l'aide d'un désintégrateur de laboratoire Lhomargy® (10000 tours, norme 1505263) puis diluée à 3 g/L.TiO 2 / PAA / xylan composites with two levels of inorganic / organic: 85/15% and 70/30% (w / w) were prepared (PAA = polyacrylic acid). Characterization of the composite thus obtained: The morphology of TiO 2 / PAA / xylan particles was studied by transmission electron microscopy. For example, for the composite (85/15%), there is the presence of a polymer layer of about 15 nanometers which coats the titanium dioxide charges. Example 2: Manufacture of paper in the presence of mineral fillers (FIGS. 2-6) Sheets were formed from a bleached Kraft pulp made from hardwood (Birch mixture, Beech, Eucalyptus in equal proportion), refined at 34 ° C. SR. This paste is disintegrated using a Lhomargy® laboratory disintegrator (10000 turns, standard 1505263) and then diluted to 3 g / L.

Le protocole utilisé pour la préparation des feuilles sur une formette de rétention « FRET » est le suivant : 710 ml de pâte à 3 g/L sont introduits dans le bol de la FRET (Techpap, Grenoble, France) et agités mécaniquement pendant 1 min à 1000 tr/min. Dans ce cas, contrairement à la procédure classique, et afin d'évaluer l'auto-rétention de la charge composite, aucun agent de rétention n'a été utilisé.The protocol used for the preparation of the sheets on a "FRET" retention tablet is as follows: 710 ml of 3 g / L paste are introduced into the FRET bowl (Techpap, Grenoble, France) and stirred mechanically for 1 min. at 1000 rpm. In this case, unlike the conventional procedure, and in order to evaluate the self-retention of the composite charge, no retention agent was used.

A la fin du cycle d'agitation, la suspension est laissée au repos pendant 2 secondes, puis elle est égouttée sous un vide de 400 mbar et les fibres retenues se répartissent sur la toile pour former une feuille.At the end of the stirring cycle, the suspension is left standing for 2 seconds, then it is drained under a vacuum of 400 mbar and the retained fibers are distributed on the fabric to form a sheet.

Cette feuille est récupérée sur un buvard, pressée puis séchée sous vide pendant 7 min. Elle est ensuite stockée en conditions standard de température et d'humidité (23°C, 50%HR). Les feuilles obtenues ont un diamètre de 19 cm et un grammage de 75 g/m2.35 Pour les formettes contenant des charges composites, celles-ci sont ajoutées dans la pâte diluée à différents taux sous forme de slurry, avant introduction dans le bol de la FRET.This sheet is recovered on a blotter, pressed and then dried under vacuum for 7 min. It is then stored under standard conditions of temperature and humidity (23 ° C, 50% RH). The sheets obtained have a diameter of 19 cm and a basis weight of 75 g / m.sup.2. For the tablets containing composite fillers, these are added to the dough diluted at different rates in the form of slurry, before introduction into the bowl. FRET.

Cette technique est couramment utilisée dans l'industrie du papier afin de reproduire les étapes de la fabrication du papier à plus grande échelle sur une machine industrielle. Les figures 2 et 3 montrent que l'utilisation de charges minérales modifiées selon l'invention (TiO2 enrobé du copolymère xylane-PAA) permet de limiter la dégradation des propriétés mécaniques du papier par rapport à des particules de TiO2 non traitées. D'autre part, la solidité du papier augmente davantage quand le taux du copolymère dans la charge composite augmente de 15 à 30%.This technique is commonly used in the paper industry to replicate the steps of paper making on a larger scale on an industrial machine. FIGS. 2 and 3 show that the use of modified mineral fillers according to the invention (TiO 2 coated with the xylan-PAA copolymer) makes it possible to limit the degradation of the mechanical properties of the paper relative to untreated TiO 2 particles. On the other hand, the strength of the paper increases further as the copolymer content in the composite filler increases by 15 to 30%.

Un gain respectif d'environ 5 % et 15% des indices d'éclatement et de traction, est observé pour les charges comprenant 30% en poids de copolymère xylane-PAA, par rapport à l'absence de charges minérales.A respective gain of about 5% and 15% of the burst and tensile indices is observed for the fillers comprising 30% by weight of xylan-PAA copolymer, relative to the absence of mineral fillers.

La figure 4 montre que les feuilles contenant des charges composites selon l'invention présentent des propriétés de blancheur inférieures à celles d'une feuille comprenant du dioxyde de titane non traité. Ceci est dû à la couleur initiale du xylane. Un traitement de blanchiment adapté aux hémicelluloses de bois permet d'améliorer le degré de blancheur. Finalement, les feuilles de papier comprenant les charges composites selon l'invention possèdent une bonne opacité comparable à celle d'une feuille de papier contenant du TiO2 non traité (91 vs 93%).Figure 4 shows that the sheets containing composite fillers according to the invention have lower whiteness properties than a sheet comprising untreated titanium dioxide. This is due to the initial color of xylan. A whitening treatment adapted to wood hemicelluloses makes it possible to improve the degree of whiteness. Finally, the sheets of paper comprising the composite fillers according to the invention have a good opacity comparable to that of a sheet of paper containing untreated TiO 2 (91 vs. 93%).

Rétention des charges composites : De manière générale, les charges minérales ne sont pas facilement retenues dans la pâte. Il est donc courant d'introduire dans la pâte des polyélectrolytes, un polyacrylamide cationique par exemple, afin d'améliorer leur rétention.Retention of composite fillers: In general, the mineral fillers are not easily retained in the dough. It is therefore common to introduce into the dough polyelectrolytes, a cationic polyacrylamide for example, to improve their retention.

Les charges composites étudiées ont été introduites sans addition d'agent de rétention. Le pourcentage des charges retenues a été déterminé par incinération des formettes à 600 °C.The composite fillers studied were introduced without addition of retention agent. The percentage of the charges retained was determined by incineration of the sheets at 600 ° C.

La figure 6 montre que le pourcentage de rétention de charges augmente avec le pourcentage de copolymère organique. En d'autres termes, la rétention de charges TiO2 est moins importante que celle des charges Ti02/PAA-xylane (85/15), qui est elle-même moins importante que celle des charges Ti02/PAA-xylane (70/30). L'enrobage du TiO2 avec une couche de copolymère xylane-PAA améliore sa rétention d'environ 30 points.Figure 6 shows that the percentage of charge retention increases with the percentage of organic copolymer. In other words, the TiO2 charge retention is less than that of the TiO 2 / PAA-xylane (85/15) charges, which is itself less important than the TiO 2 / PAA-xylane (70/30) charges. . Coating TiO 2 with a layer of xylan-PAA copolymer improves its retention by about 30 points.

En résumé, les charges minérales (particules composites) selon l'invention permettent d'améliorer simultanément les propriétés mécaniques et les propriétés optiques du papier sans pour autant influencer la blancheur. D'autre part, la rétention des charges sur les éléments de la suspension est largement supérieure à celle du TiO2 de référence. Comme déjà indiqué, ce procédé de préparation de particules composites n'est pas spécifique au TiO2. Il est peut être appliqué à d'autres charges minérales, le carbonate de calcium par exemple.25In summary, the mineral fillers (composite particles) according to the invention make it possible simultaneously to improve the mechanical properties and the optical properties of the paper without influencing the whiteness. On the other hand, the retention of the charges on the elements of the suspension is much greater than that of the reference TiO 2. As already indicated, this process for preparing composite particles is not specific to TiO 2. It can be applied to other mineral fillers, for example calcium carbonate.25

Claims (2)

REVENDICATIONS1. Procédé de préparation de particules composites, comprenant les étapes suivantes : copolymérisation d'au moins un monomère vinylique comprenant une fonction acide carboxylique en présence d'au moins un polysaccharide hémicellulosique et/ou d'amidon dépolymérisé ; addition d'au moins un type de charge minérale ; précipitation, en présence de ladite charge minérale, du copolymère ainsi formé ; obtention de particules composites constituées de la charge minérale enrobée dudit copolymère. Procédé de préparation de particules composites selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polysaccharide hémicellulosique est choisi dans le groupe comprenant le xylane, le glucuronoxylane, l'arabinoxylane, le glucomannane, le galactomannane, le galactoglucomannane, le xyloglucane, et leurs mélanges. Procédé de préparation de particules composites selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le polysaccharide hémicellulosique est traité avec de l'anhydride succinique, préalablement à l'étape de copolymérisation. Procédé de préparation de particules composites selon la revendication 3, caractérisé en ce que le polysaccharide hémicellulosique est le xylane. Procédé de préparation de particules composites selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la charge minérale est choisie dans le groupe comprenant le carbonate de calcium, le kaolin, le dioxyde de titane, et le talc. Procédé de préparation de particules composites selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le monomère vinylique est l'acide acrylique, l'acide itaconique, ou un sel de ces acides. 10REVENDICATIONS1. A process for the preparation of composite particles, comprising the steps of: copolymerizing at least one vinyl monomer comprising a carboxylic acid function in the presence of at least one hemicellulosic polysaccharide and / or depolymerized starch; addition of at least one type of mineral filler; precipitating, in the presence of said inorganic filler, the copolymer thus formed; obtaining composite particles consisting of the mineral filler coated with said copolymer. Process for the preparation of composite particles according to Claim 1, characterized in that the hemicellulosic polysaccharide is chosen from the group comprising xylan, glucuronoxylan, arabinoxylan, glucomannan, galactomannan, galactoglucomannan and xyloglucan, and mixtures thereof. Process for the preparation of composite particles according to claim 1 or 2, characterized in that the hemicellulosic polysaccharide is treated with succinic anhydride prior to the copolymerization step. Process for the preparation of composite particles according to Claim 3, characterized in that the hemicellulosic polysaccharide is xylan. Process for the preparation of composite particles according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the mineral filler is chosen from the group comprising calcium carbonate, kaolin, titanium dioxide and talc. Process for the preparation of composite particles according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the vinyl monomer is acrylic acid, itaconic acid or a salt of these acids. 10 2. 15 203. 4. 25 5. 30 6. 7. Procédé de préparation de particules composites selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les particules composites comprennent : - 1 à 50 % en poids de copolymère à base de polysaccharide hémicellulosique, avantageusement de 15 à 30% ; - 99 à 50% en poids de charge minérale, avantageusement de 85 à 70%. 8. Procédé de préparation de particules composites selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la copolymérisation est réalisée en solution aqueuse. 9. Particules composites susceptibles d'être obtenues selon le procédé objet de l'une des revendications 1 à 8, caractérisées en ce qu'elles comprennent un coeur en matériau inorganique et une coquille en copolymère à base d'au moins un polysaccharide hémicellulosique et d'au moins un monomère vinylique comprenant une fonction acide carboxylique. 10. Utilisation des particules composites objet de la revendication 9, pour la fabrication du papier. 11. Procédé de fabrication du papier sur une machine à papier, comprenant les étapes suivantes : - mise en suspension aqueuse de pâte à papier ; - addition de particules composites selon la revendication 9, dans la suspension aqueuse de pâte à papier ; - formation d'une feuille de papier sur la toile de la machine à papier ; - pressage de la feuille ; - séchage de la feuille.2. Process of preparing composite particles according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the composite particles comprise: 1 to 50% by weight of copolymer with hemicellulose polysaccharide base, advantageously from 15 to 30%; - 99 to 50% by weight of mineral filler, preferably 85 to 70%. 8. Process for preparing composite particles according to one of claims 1 to 7, characterized in that the copolymerization is carried out in aqueous solution. 9. Composite particles obtainable by the method according to one of claims 1 to 8, characterized in that they comprise a core of inorganic material and a copolymer shell based on at least one hemicellulose polysaccharide and at least one vinyl monomer comprising a carboxylic acid function. 10. Use of the composite particles of claim 9 for the manufacture of paper. 11. A process for producing paper on a paper machine, comprising the following steps: - aqueous suspension of pulp; - addition of composite particles according to claim 9 in the aqueous suspension of pulp; - forming a sheet of paper on the canvas of the paper machine; - pressing the sheet; - drying of the sheet.
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