ITMI941838A1 - Processo per la produzione di carta e cartone ad elevata resistenza meccanica - Google Patents

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Description

La presente invenzione si riferisce ad un processo per la produzione di carta e cartone ad elevata resistenza meccanica.
E' noto che, durante la produzione di carta e cartone, l'aggiunta di amidi all'impasto di cellulosa migliora le proprietà meccaniche del prodotto finito (in particolare la resistenza a secco ed allo scoppio). L'aggiunta di amidi risulta pertanto particolarmente vantaggiosa nel caso in cui si impieghi come materia prima cellulosa parzialmente degradata, quale quella derivante da prodotti cartacei riciclati. Come è noto, l'amido naturale di per sé presenta scarsa affinità per le fibre di cellulosa e per le cariche contenute negli impasti. Ne risulta una cattiva ritenzione e quindi un arricchimento di amido nei circuiti di macchina, oltre ad un certo peggioramento nel drenaggio, un cattivo funzionamento degli apparecchi di recupero ed un aumento del Chemical Oxygen Demand (COD) e del Biological Oxygen Demand (BOD) degli effluenti dopo un utilizzo prolungato.
Per questi motivi, i produttori di carta si sono orientati verso l'utilizzo di amido modificato, in particolare amido cationico. Questo viene preparato facendo reagire l'amido naturale in ambiente basico con un opportuno agente cationizzate, ad esempio animine o sali di ammonio, quali (dietil-2-cloroetil)ammonio cloruro o (epossipropiltrimetil)ammonio cloruro. L'impiego di amido cationico porta in genere a buoni risultati, ma comporta un notevole aumento dei costi di produzione.
Nel brevetto US-4.818.341,si descrive un processo per la fabbricazione di carta e cartone, in cui si impiega come rinforzante e legante una miscela costituita da amido naturale di patata e da un particolare polimero cationico comprendente unità di (a) diallildimetilammonio cloruro; (b) N-vinilammina; oppure (c) una N-vinilimidazolina. Anche in questo caso, l'impiego di particolari polimeri cationici rende il processo economicamente svantaggioso, soprattutto per produzione su larga scala e/o a partire da materie prime cellulosiche di scarsa qualità (ad esempio carta riciclata).
La Richiedente ha ora sorprendentemente trovato che la ritenzione dell'amido naturale sulle fibre di cellulosa può essere considerevolmente aumentata, fino a livelli comparabili a quelli ottenibili con un amido cationico, se all'impasto di cellulosa viene aggiunto un sale di ferro e/o di alluminio. Si è inoltre trovato che la ritenzione risulta considerevolmente superiore se l'amido naturale viene preventivamente miscelato con il sale di alluminio e/o ferro, e la miscela risultante viene quindi aggiunta all'impasto di cellulosa.
Costituisce pertanto oggetto della presente invenzione un processo per la produzione di carta e cartone, che comprende aggiungere all'impasto di cellulosa un amido naturale ed un sale di alluminio e/o ferro. L'impasto di cellulosa così ottenuto viene quindi sottoposto a drenaggio e successiva calandratura secondo tecniche convenzionali.
Con amido naturale si intende l'amido direttamente ottenuto da una fonte naturale, quale grano, mais, riso, patata, e simili. In una forma preferita di realizzazione, l'amido naturale viene preventivamente sottoposto a trattamento di pregelatinizzazione, vale a dire cottura di una sospensione acquosa di amido ad una temperatura superiore a quella di gelatinizzazione dell'amido stesso, in modo da rendere quest'ultimo idrosolubile (con formazione della cosiddetta salda d'amido). Con temperatura di gelatinizzazione si intende la temperatura a cui si osserva scomparsa dell'effetto di birifrangenza dei grani di amido (vedi il già citato brevetto US-4.818.341). Essa varia a seconda del tipo di amido considerato ed è generalmente compresa tra 70° e 110°C.
I sali di alluminio e/o ferro possono in particolare essere scelti tra:
(i) policloruro di alluminio, avente formula
oppure formula dove il rapporto molare 0H/3A1 é compreso generalmente tra 0,2 e 0,8, preferibilmente tra 0,35 e 0,6;
(ii) alluminio solfato A12(S04)3;
(iii) cloruro ferrico FeC13;
(iv) clorosolfato ferrico FeC1S04.
Particolarmente preferito è il policloruro di alluminio. Come già accennato in precedenza, in una forma preferita di realizzazione l'amido naturale ed il sale di alluminio e/o ferro vengono utilizzati in miscela, ad esempio secondo la seguente procedura:
(a) preparare a caldo una soluzione acquosa di amido naturale, secondo tecniche note, ottenendo in tal modo la cosiddetta salda d'amido (processo di pre-gelatinizzazione, vedi sopra);
(b) sciogliere nella salda d'amido il sale di alluminio e/o ferro,·
(c) alimentare la miscela così ottenuta nell'impasto di cellulosa utilizzato per la produzione della carta.
La concentrazione della salda d'amido preparata nello stadio (a) è generalmente compresa tra 0,5 e 10% in peso, preferibilmente tra l e 5% in peso. Lo stadio (b) di dissoluzione del sale nella salda d'amido viene generalmente condotto ad una temperatura compresa tra 15° e 160°C, preferibilmente tra 30° e 80°C, per tempi solitamente compresi tra 0,1 e 60 min, preferibilmente tra 1 e 20 min.
Il sale di alluminio e/o ferro, espresso come ossido Me203 (Me = Al, Fe), viene aggiunto all'amido in quantità generalmente comprese tra 5 e 90, preferibilmente tra 10 e 60, parti in peso per 100 parti di amido. Per i policloruri di alluminio, la quantità è preferibilmente compresa tra 10 e 30 parti in peso.
L'amido naturale viene addizionato all'impasto di cellulosa in quantità generalmente comprese tra 0,1 e 10% in peso, preferibilmente tra 0,3 e 6% in peso, più preferibilmente tra 0,5 e 3% in peso, rispetto alla cellulosa secca.
Il processo oggetto della presente può essere impiegato per la produzione di qualunque tipo di carta o cartone, a partire da un'ampia varietà di fibre cellulosiche, per esempio da polpe al solfito od al solfato, sottoposte a processo di sbiancamento o tal quali, da polpe termomeccaniche (TMP) o chemiotermomeccaniche (CTMP), od anche da fibre cellulosiche di riciclo, eventualmente sottoposte a processi di disinchiostrazione, oppure da miscele di fibre vergini e fibre riciclate, ecc.
Vengono qui di seguito riportati alcuni esempi di realizzazione della presente invenzione, il cui scopo è puramente illustrativo ma non limitativo della portata dell'invenzione stessa .
ESEMPIO 1
Preparazione dell'impasto di fibre di cellulosa.
320,5 g di cellulosa al solfito bianchita di conifera e 320,5 g di cellulosa al solfato bianchita di latifoglia sono stati spappolati in un pulper da laboratorio in 121 di acqua per 30 minuti, ottenendo un impasto al 5% in peso di secco. A tale impasto sono stati aggiunti 131 di acqua, così da ottenere un impasto al 2,5% in peso di secco. Tale impasto è stato quindi raffinato in un raffinatore Olandese Valley da laboratorio, fino ad ottenere un grado di raffinazione di 30° SR, misurato tramite apparecchio Shopper Riegler. Dopo la raffinazione, 4 kg di impasto sono stati aggiunti, sotto agitazione, a 161 di acqua, così da ottenere un impasto allo 0,5% in peso di secco, da utilizzarsi nelle lavorazioni successive.
Preparazione dell'amido.
47,5 g di amido naturale di mais sono stati aggiunti, a temperatura ambiente e sotto agitazione, a 952,5 g di acqua. Sempre sotto agitazione, la sospensione di amido è stata portata gradualmente ad una temperatura di 92°-96°C e mantenuta a tale temperatura per 20-30 minuti, fino ad avvenuta cottura dell'amido. Il peso è stato quindi riportato a 1000 g aggiungendo altra acqua. La salda d'amido così ottenuta aveva un concentrazione pari al 4,75% in peso.
Preparazione della miscela amido/PAC.
84,0 g della salda d'amido preparata come sopra, mantenuta a 70°C, è stata addizionata con 2,47 g di policloruro di alluminio (PAC) di tipo B (PAC-B, vedi Tabella 2). Si è quindi aggiunta acqua fino ad ottenere un peso totale di 100 g. Dopo agitazione per 1 min, si è ottenuta una miscela contenente 2,47% in peso di PAC-B e 4,0% in peso di amido, calcolate sul secco.
Addizione della miscela amido/PAC all'impasto di cellulosa.
Ad 1 Kg di impasto cellulosico allo 0,5% preparato come descritto sopra, posto sotto agitazione tramite un apparecchio Jar Test operante a 200 giri/min, sono stati aggiunti 7,5 g della miscela amido/PAC preparata come sopra, in modo da avere una quantità di amido, calcolata sul secco, pari al 6,0% in peso, ed una quantità di PAC-B pari al 3,7% in peso, le percentuali essendo calcolate rispetto alla quantità di cellulosa secca presente nell'impasto. Dopo 3 minuti di agitazione, è stato valutato il grado di ritenzione dell'amido da parte delle fibre cellulosiche tramite misure di COD secondo il seguente metodo.
Sono stati prelevati 400 g dell'impasto e sono stati introdotti in un apparecchio Shopper Riegler. Dopo 5 secondi, il tappo a cono rovesciato è stato sollevato e si è raccolta l'acqua di scolo attraverso il foro laterale non calibrato, dopo avere preventivamente chiuso il foro centrale calibrato e riempito di acqua. Su 25 mi di tale acqua di scolo è stato determinato il COD, tramite ossidazione con bicromato di potassio in ambiente acido e titolazione con solfato ferroso, secondo il metodo descritto da N.W. Hanson in "Officiai, Standardized and Recommended Methods of Analysis" (pag.383, The Society for Analytical Chemistry, 1973). Ovviamente, più basso è il valore di COD misurato, maggiore è la ritenzione dell'anudo da parte delle fibre di cellulosa. I ri.sultati-sono ri--portati in Tabella l, dove viene indicato anche il valore di ΔCOD %, cioè la differenza percentuale del COD delle acque di scolo rispetto alla prova in cui si è impiegato amido naturale senza PAC (Esempio 5). Il valore del COD della salda d'amido alla concentrazione d'impiego (300 ppm) era di 304 mg/1, mentre il COD dell'impasto cellulosico di partenza era di 74 mg/1 .
ESEMPIO 2
L'Esempio 1 è stato ripetuto nelle medesime condizioni, eccetto il fatto che all'impasto cellulosico, invece di aggiungere la miscela amido/PAC preventivamente preparata, sono stati addizionati i due componenti separati, in quantità tali da ottenere la stessa % in peso rispetto alla cellulosa secca: a 995,6 g di impasto sono stati aggiunti prima 6,3 g della salda d'amido al 4,75% in peso, dopo 3 min di agitazione 0,185 g di PAC-B; infine la miscela, costituita da acqua, cellulosa, amido e PAC-B, è stata agitata per altri 3 min in apparecchio Jar Test. I valori di COD misurati sono riportati in Tabella 1.
ESEMPI 3-4
Gli Esempi 1 e 2 sono stati ripetuti nelle medesime condizioni, ma utilizzando una quantità doppia di PAC-B (7,4% in peso sulla cellulosa secca). I risultati sono riportati in Tabella 1.
ESEMPIO 5 (comparativo)
L'Esempio 1 è stato ripetuto nelle medesime condizioni, ma utilizzando solo l'amido senza aggiunta di PAC. I risultati sono riportati in Tabella 1.
ESEMPI 6-15
Gli Esempi 3 e 4 sono stati ripetuti nelle medesime condizioni utilizzando i diversi sali riportati in Tabella 2: PAC-A (Es. 6-7), PAC-C (Es. 8-9), alluminio solfato (AS) (Es.
10-11), cloruro ferrico (CF) (Es. 12-13), e clorosolfato ferrico (CSF) (Es. 14-15). La quantità di sale aggiunta, espressa come % in peso di ossido Me203 (Me = Al, Fe) rispetto al peso della cellulosa secca, è in tutti gli esempi pari a 1,33%, uguale a quella degli Esempi 3-4. Le quantità impiegate ed valori di COD misurati sulle acque di scolo sono riportati in Tabella 3.
ESEMPI 16-18
L'Esempio 3 è stato ripetuto variando la quantità di amido presente nella miscela amido/PAC-B (4,0% in peso nell'Esempio 3). I risultati sono riportati in Tabella 4.
ESEMPI 19-22
L'Esempio 18 è stato ripetuto variando la temperatura a cui è stata effettuata la preparazione della miscela amido/ PAC-B (70°C nell'Esempio 18). I risultati sono riportati in Tabella 4.
ESEMPI 23-27
L'Esempio 18 è stato ripetuto variando il tempo di agitazione per la preparazione della miscela amido/PAC-B (1 min nell'Esempio 18). I risultati sono riportati in Tabella 4.
cessivamente diluito con acqua fino ad ottenere una concentrazione dello 0,5% in peso sul secco. I risultati sono riportati in Tabella 6 .
ESEMPI 49-51
Gli Esempi 3-5 sono stati ripetuti utilizzando, al posto dell'amido naturale di mais, l'amido naturale di patata. I risultati sono riportati in Tabella 7.

Claims (15)

  1. RIVENDICAZIONI Processo per la produzione di carta e cartone a partire da un impasto di cellulosa, che comprende aggiungere a detto impasto un amido naturale ed un sale di alluminio e/o ferro.
  2. Processo secondo la rivendicazione 1, in cui l'amido naturale è un amido direttamente ottenuto da grano, mais, riso, patata, e simili.
  3. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'amido naturale viene preventivamente sottoposto a trattamento di pre-gelatinizzazione.
  4. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i sali di alluminio e/o ferro sono scelti tra: (i) policloruro di alluminio, avente formula oppure formula dove il rapporto molare OH/3A1 è compreso tra 0,2 e 0,8; (ii) alluminio solfato (iii) cloruro ferrico (iv) clorosolfato ferrico.
  5. Processo secondo la rivendicazione 4, in cui il sale di alluminio e/o ferro è policloruro di alluminio (i).
  6. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'amido naturale ed il sale di alluminio e/o ferro vengono addizionati all'impasto di cellulosa in miscela.
  7. 7. Processo secondo la rivendicazione 6, in cui l'amido naturale ed il sale di alluminio e/o ferro vengono addizionati all'impasto di cellulosa secondo la seguente procedura: (a) preparare a caldo una soluzione acquosa di amido naturale, ottenendo una salda d'amido; (b) sciogliere nella salda d'amido il sale di alluminio e/o ferro; (c) alimentare la miscela così ottenuta nell'impasto di cellulosa utilizzato per la produzione della carta.
  8. 8. Processo secondo la rivendicazione 7, in cui la concentrazione della salda d'amido preparata nello stadio (a) è compresa tra 0,5 e 10% in peso.
  9. 9. Processo secondo la rivendicazione 7, in cui lo stadio (b) di dissoluzione del sale nella salda d'amido viene condotto ad una temperatura compresa tra 15° e 160°C, per tempi compresi tra 0,1 e 60 min.
  10. 10. Processo secondo la rivendicazione 7, in cui il sale di alluminio e/o ferro, espresso come ossido Me203 (Me = Al, Fe), viene aggiunto all'amido in quantità comprese tra 5 e 90 parti in peso per 100 parti di amido.
  11. 11. Processo secondo la rivendicazione 7, in cui nello stadio (b) come sale di alluminio viene utilizzato policloruro di alluminio (i) in quantità, espresse come ossido Al203, comprese tra 10 e 30 parti in peso per 100 parti in peso di amido.
  12. 12. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'amido naturale viene addizionato all'impasto di cellulosa in quantità comprese tra 0,1 e 10% in peso, rispetto alla cellulosa secca.
  13. 13. Processo secondo la rivendicazione 12, in cui l'amido naturale viene addizionato all'impasto di cellulosa in quantità comprese tra 0,3 e 6% in peso, rispetto alla cellulosa secca.
  14. 14. Processo secondo la rivendicazione 13, in cui l'amido naturale viene addizionato all'impasto di cellulosa in quantità comprese tra 0,5 e 3% in peso, rispetto alla cellulosa secca.
  15. 15. Processo secondo uan qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'impasto cellulosico è costuito da polpe di cellulosa al solfito od al solfato, da polpe di cellulosa termomeccaniche (TMP) o chemiotermomeccaniche (CTMP), da fibre cellulosiche di riciclo, eventualmente sottoposte a processi di disinchiostrazione, oppure da miscele di fibre vergini e fibre riciclate.
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