ITMI961125A1 - Composizione di materia a base di cemento utile come carica minerale per la produzione di carta. - Google Patents
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Description
Descrizione dell’invenzione industriale avente per titolo: “Composizione di materia a base di cemento utile come carica minerale per la produzione di carta<">,
A. Campo dell’invenzione
La presente invenzione si riferisce ad una composizione di materia a base di cemento utile come filler inorganico per la produzione di carta. In particolare la composizione di materia secondo l’invenzione può essere utilizzata sia nel caso si produca carta con un procedimento di collatura acida che neutra o alcalina.
Nel presente testo:
- con la parola <“>carta” si intende indicare anche il cartone, il cartoncino e prodotti similari che implichino l'utilizzazione di cariche inorganiche.
B. Stato della tecnica
Pigmenti e cariche minerali sono comunemente utilizzati nel settore cartario per aumentare il volume di carta prodotta a parità di quantità di fibre cellulosiche impiegate, per migliorare l'opacità della carta ottenuta, per ottenere particolari caratteristiche superficiali o per conferire migliorate proprietà meccaniche al foglio di carta ottenuto.
L'uso delle cariche minerali è molto diffuso ma non è esente da inconvenienti. Il biossido di titanio è ad esempio un pigmento molto utile per ottenere alcuni degli effetti sopra riportati, ma è molto costoso, mentre un materiale meno costoso, come ad esempio Larghila non sempre permette di ottenere un materiale con le qualità desiderate.
Un altro problema relativo all’uso delle cariche minerali è costituito dalla collatura della carta. La collatura della carta, che permette di ridurre [<‘>assorbimento di acqua da parte delle libre che formano la stessa, viene effettuata con vari metodi, che differiscono sostanzialmente fra loro a seconda che vengano eseguiti in ambiente acido, neutro o alcalino.
In ambiente acido, a valori di pH compresi fra 4.5 e 6.5. gli agenti di collatura (normalmente colofonia o suoi derivati a vari gradi di saponificazione) vengono precipitati sulle fibre mediante aggiunta di un opportuno agente precipitante (solfato di alluminio o policloruro di alluminio).
In ambiente neutro o alcalino, gli agenti di collatura sono sostanze sintetiche (ad esempio i dicheteni) che non necessitano di agenti precipitanti essendo già reattive verso la cellulosa.
In quest’ultimo caso, data la minor capacità fiocculante degli agenti di collatura sintetici rispetto al sistema colofonia o tallolio/sale di alluminio, si aggiungono alla sospensione acquosa di fibre altre sostanze che hanno lo scopo di facilitare la ritenzione degli agenti di collatura nei nastro di carta che si forma sulla tela della macchina continua:
Queste sostanze, che fungono da agenti di ritenzione o coadiuvanti di collatura, sono costituite da amidi modificati, poliammine. poliacrilammidi. polietilenammine e simili, che hanno purtroppo il difetto di un costo elevato.
Il sistema di collatura più utilizzato è quindi senz’altro quello acido a base di colofonia e solfato di alluminio. Purtroppo la reazione fra il sale di alluminio e la colofonia, libera acidità e diventa estremamente difficile utilizzare questo tipo di collatura nel caso si utilizzi carbonato di calcio come carica minerale per la carta.
perchè parte del solfato di alluminio, aggiunto per precipitare la colofonia, reagisce con ϋ carbonato di calcio con un conseguente elevato consumo e la formazione di schiume neirimpianto, dovute alla formazione di anidride carbonica gassosa. Inoltre. le carte fabbricate in ambiente acido sono soggette a rapida degradazione per idrolisi acida della cellulosa, quindi hanno una durata di vita utile molto ridotta rispetto alle carte neutre o alcaline.
E’ evidente che lo stesso problema si presenta nel caso di prepari carta utilizzando una frazione di carta di riciclo che contenga carbonato di calcio. Quando si usa il carbonato di calcio come carica è quindi necessario evitare ['uso di agenti di collatura acidi e questo fatto ha portato a far sì che il carbonato di calcio, pur essendo un prodono a basso costo e pur permettendo di ottenere carta con un grado di bianchezza elevato, viene spesso trascurato come carica in favore di altri prodotti inorganici, come il solfato di calcio o il caolino.
Una delle ragioni della mancata utilizzazione del cemento nei paesi industriali per produrre carta è da ricercarsi nella diversità di composizione e di proprietà che i cementi del passato avevano rispetto a quelli oggi prodotti e normalizzati.
Anche i metodi di fabbricazione della carta hanno avuto un'evoluzione che ha portato all'utiiizzo di processi nuovi con modifiche sostanziali sia del chimismo (ambiente alcalino invece che acido) sia che processo tecnologico.
Nel 1975 (USP 4081286) è stato proposto l'utilizzo di cemento nella formulazione di patine per migliorare esclusivamente le proprietà della carta patinata ma il materiale proposto veniva idratato prima dell’uso e non aggiunto in massa.
Nel brevetto citato non sono riportati dati significativi di resistenza meccanica ma solamente dati classici di lucentezza.
C. Problema tecnico
La carta è una sostanza talmente importante per la nostra civiltà, che qualsiasi miglioramento che si possa introdurre nel procedimento per la sua produzione rappresenta un risultato degno di essere perseguito atraverso una continua ed attenta ricerca.
Fra i vari settori di ricerca in campo canario, particolare rilievo hanno gli studi per variare le cariche aggiunte alla carta, specialmente durante la fase di produzione della stessa, in quanto esse permettono un notevole risparmio di cellulosa a parità di volume di carta ottenuta, ed al tempo stesso conferiscono alla carta particolari proprietà tecniche di alto interesse per gli usi di destinazione.
E' altamente desiderabile disporre di cariche che aumentino in maniera sostanziale una combinazione di proprietà fisico meccaniche che difficilmente le principali cariche attualmente disponibili fornirebbero.
In particolare buoni valori di voluminosità, indice di trazione, lunghezza ed energia di rottura e resistenza alla delaminazione interna (Scot Bondi sono proprietà altamente qualificanti e di non facile ottenimento con cariche tradizionali anche di recente utilizzo come ad esempio il carbonato di calcio precipitato.
D. Descrizione dettagliata dell'invenzione
La Richiedente, che ha un'esperienza secolare nel setore dei cementi, ha trovato che è possibile utilizzare cemento, in forma non ancora idrata, opportunamente scelto fra quelli rispondenti alla norma italiana UNI ENV 197. come additivo o carica minerale per la carta al fine di migliorarne le caratteristiche fisico-meccaniche citate. Si è potuto osservare che le composizioni secondo l'invenzione si legano alle fibre di cellulosa in modo migliore che non le normali cariche minerali dando quindi una maggiore ritenzione della carica stessa, a parità di concentrazione della carica nella sospensione di fibre che viene utilizzata per fare la carta. Un ulteriore vantaggio ottenuto utilizzando le composizioni chimiche a base di cemento secondo la presente invenzione è costituito dai fato che la carta ottenuta, a parità di contenuto di carica minerale, ha carateristiche di resistenza meccanica migliori che non quelle con argilla o carbonato di calcio, senza dar origine ai problemi di quest’ultimo prodoto. Infine, la carateristica capacità di reagire con l’acqua che ha il cemento, riduce la quantità di acqua che deve essere eliminata dal nastro umido che si forma nella macchina per carta e quindi riduce il relativo consumo energetico normalmente utilizzato per evaporarla. Un ulteriore vantaggio che si ha quando si usa un cemento avente una percentuale di Fe203 inferiore a 0.5. preferibilmente a 0,3, e una brillanza superiore all’85%. preferibilmente superiore a! 90%, riguarda il fato che l’aumento delle caratteristiche meccaniche riscontrate non vanno a scapito di altre caratteristiche peculiari per alcuni tipi di carta quali il grado di bianco e l’opacità.
Un altro vantaggio si ha se si utilizzano degli additivi organici ritardanti che permetono di utilizzare agenti per la collatura della carta anche in ambiente acido e assicurano in maniera totale che in un impianto per carta le particelle di cemento sospese nell’acqua non facciano presa in alcun modo nelle tubazioni, nei serbatoi, nelle pompe o sulla rete della macchina continua creando ostruzioni e disservizi di difficile soluzione.
Costituisce pertanto oggetto dell'invenzione l'uso di un cemento non idratato come additivo o carica minerale per la produzione di carta avente carateristiche meccaniche migliorate caratterizzato dal fato che le particelle hanno dimensioni inferiori a 50 m. preferibilmente a 30 m e che deto cemento sia conforme alla norma UNI ENV 197.1. Oggeto preferito dell'invenzione è una composizione di cemento come descritta sopra ulteriormente caratterizzata dal fatto che il contenuto di ossido ferrico sia inferiore al 0.5%, preferibilmente al 0.3%. e che abbia brillanza superiore all’85%, preferibilmente superiore al 90%.
In un altro aspetto preferito dell'invenzione la composizione di cemento avente le particelle inferiori a 50 m contiene da 0.1% a 5% in peso di una sostanza organica scelta nel gruppo costituito da ligninsolfonato, acidi idrossicarbossilici aventi da 3 a.
20 atomi di carbonio e loro sali alcalini o alcalino-terrosi. amine alifatiche ed aromatiche aventi un numero di atomi di carbonio da 3 a 12. carboidrati sia mono che poli saccaridi ed i relativi prodotti di ossidazione.
Il cemento idraulico che può essere usato nella presente invenzione deve essere un cemento a base di silicato, ad esempio cemento Portland oppure un cemento portland al calcare o un cemento di miscela quale un pozzolanico.
Volendo, si può far uso di miscele di due o più differenti cementi idraulici.
Aspetto caratterizzante è che i cementi soddisfino i requisiti riportati nella normativa italiana UNI ENV 197.1.
La composizione di materia secondo l'invenzione è ulteriormente caratterizzata dal fatto di essere composta da cemento le cui particelle hanno dimensioni inferori a 50 um. inteso come il "99% inferiore a 50 um".
La composizione di materia secondo l'invenzione può essere aggiunta, tipicamente in quantità dallo 0.1 al 40% in peso rispetto alle fibre di cellulosa, in un impasto per caria contenente agenti di collatura sia di tipo acido che di tipo neutro o alcalino.
E' necessario sottolineare che. rispetto all'impiego di cariche convenzionali quali il caolino e il carbonato di calcio, è necessario sottolineare che. con i cementi oggetto dell'invenzione, sorprendentemente, si ottengono dei benefici in termini di caratteristiche fisico-meccaniche della carta sia con bassi tenori di aggiunta, considerando cioè il cemento come un additivo (quantità inferiore al 5% rispetto alle fibre), che con aiti tenori di aggiunta, considerando cioè il cemento come una carica (quantità superiore al 5% rispetto alla fibra).
Sono state condotte delle prove sulle caraneristiche della carta ottenuta utilizzando come additivo o come carica le composizioni cementizie secondo l'invenzione.
Nella tabella 1 sono riportate le proprietà della carta caricata con un cemento bianco Italcementi (Italbianco avente le caratteristiche riportate in tabella 2). Come si osserva con due tipi di paste cartacee e un dosaggio di 0,25% di cemento rispetto alla fibra si osserva un miglioramento di quasi tutte le caratteristiche fisico-meccaniche più rilevanti.
in particolare si osserva oltre ad un aumento delle ceneri un miglioramento della resistenza alla trazione. dell’aliungamento. dell’energia alla rottura e del legame intemo (Scott Bond) a conferma delfaumentata capacità ritentiva del pannello fibroso.
Nella figura 1 si osserva in particolare come in presenza di una percentuale di ceneri compresa fra 0.5 e 1 l’indice di trazione aumenti in maniera significativa.
Questo effetto non risulta presente con l’utilizzo di additivi tradizionali.
Sono state condotte prove anche con fogli con contenuti di cemento superiori al 5%. Per evidenziare le ottime caratteristiche performanti delle aggiunte dell’invenzione i risultati sono stati confrontati con le proprietà che il foglio di carta raggiunge con futi lizzo di una carica tradizionale quale il carbonato di calcio.
1 dati sono raccolti in tabella 3. Le prove sono state condotte su pasta kraft bianchita di betulla in presenza di 1 % di amido cationico.
L’amido aggiunto in tali percentuali ha un effetto ritentivo aiutando la carica a rimanere sul foglio senza influenzarne le caratteristiche.
Si può osservare in generale, come è noto, che le proprietà meccaniche della carta diminuiscono all’aumentare dell’ aggiunta di cariche minerali. Se confrontiamo però le proprietà del foglio di carta caricato con cemento rispetto alle proprietà ottenute per aggiunte di carbonato è possibile osservare un miglioramento di alcune importanti proprietà meccaniche. Per fare un corretto confronto è necessario valutare le aggiunte a parità di ceneri, perchè il tenore delle ceneri influisce sulle caratteristiche fisicomeccaniche della carta. E’ quindi corretto valutare il campione 1 rispetto al campione di confronto 3 e il campione 2 rispetto al campione di confronto 4. Il parametro che aumenta in maniera più rilevante è quello riguardante la voluminosità che nella carta preparata con aggiunte di cemento è superiore non solo ai campioni di confronto ma anche al riferimento senza carica.
Questo parametro è importante perchè a valori maggiori di voluminosità corrisponde una carta più ricercata e quindi di maggiore qualità.
Un altro parametro rilevante è l’indice di lacerazione. Non essendo questo parametro direttamente influenzato dal tipo di carica dà infatti un'idea precisa del maggior legame che esiste fra le fibre in relazione al tipo di aggiunta. Come si nota i valori dell’indice di lacerazione sono maggiori per i fogli di carta trattati con cemento rispetto al carbonato.
In tabella 4 sono riportate le norme di riferimento per la determinazione delle proprietà fisiche, meccaniche e ottiche della carta e del cemento secondo le quali sono state condotte le prove i cui risultati sono riportati nelle tabelle 1 e 3.
E’ evidente che nel caso si desideri produrre una carta di colore bianco, come quella ottenibile con il carbonato di calcio, si utilizzeranno cementi bianchi e idonei additivi che non alterino il colore. Per esempio i ligninsolfonati non dovrebbero essere usati. Se il colore della carta prodotta non riveste particolare importanza per l’uso al quale essa è destinata, il cemento utilizzato per preparare la composizione da aggiungere all’impasto cartario potrà essere anche il normale cemento grigio.
Le sostanze organiche che vengono utilizzate per preparare le composizioni di materia secondo la presente invenzione vengono già utilizzate nel settore dei cementi perchè alcune di esse hanno effetti ritardanti sulla presa del cemento nelle normali condizioni di impiego dello stesso, altre impermeabilizzanti, altre ancora fluidificanti. Le quantità variano in generale da 0.1% a 5% in peso di almeno una sostanza organica scelta nel gruppo costituito da ligninsolfonati. acidi idrossicarbossilici aventi da 3 a 20 atomi di carbonio e loro sali alcalini o alcalino-terrosi. ammine alifatiche ed aromatiche aventi un numero di atomi di carbonio da 3 a 12. carboidrati sia mono che poli-saccaridi ed i relativi prodotti di ossidazione.
Secondo un aspetto preferito della presente invenzione il cemento viene macinato al fine di ottenere le dimensioni delle particelle desiderate e poi viene aggiunto alla pasta di cellulosa in prelievo o in sospensione acquosa prima che abbia inizio il processo di idratazione.
Questo sifnifìca che per aggiungere alla carta la composizione secondo l'invenzione, si prepara una sospensione acquosa del cemento mediante dispersione dello stesso in acqua in quantità tale da avere dallo 0.1 al 30% di solido in sospensione, sotto energica agitazione, che viene continuata per un tempo da 30 minuti a 2 ore, al fine di omogeneizzare in maniera ottimale 1 composizione.
Dopo detto tempo, la sospensione viene mantenuta sotto agitazione, tale da non lasciar decantare il solido sospeso, fino al momento della sua immissione nella sospensione di fibre cellulosiche.
Secondo un altro aspetto tipico della presente invenzione, la composizione di materia uile come carica minerale per la carta viene preparata mediante macinazione a secco del cemento di normale produzione e successiva miscelazione con la sostanza organica prescelta.
La composizione di materia secondo l'invenzione può essere aggiunta alla sospensione di fibre cellulosiche per fare carta preparandola direttamente in forma di sospensione acquosa in prossimità dell’impianto di produzione della carta.
in questa forma di realizzazione dell<’ >invenzione si miscelano il cemento e la sostanza organica prescelta diretamente nel mezzo acquoso e si immette la sospensione in un mulino colloidale per ridurre la dimensione delle particelle di cemento a valori inferiori a 50 m. La sospensione in uscita dal mulino colloidale viene quindi diretamente inviata alla macchina per fare la carta.
Qui di seguito riportiamo alcuni esempi di realizzazione pratica di composizioni secondo l’invenzione e la loro utilizzazione nella preparazione della carta.
ESEMPIO 1
E’ stata preparata una pasta di cellulosa miscelando 300 g di pasta kraft bianchita di pino con 700 g di pasta di legno d'abete.
Le paste chimiche di pino e betulla sono state raffinate in olandese secondo la norma (JN1 8162 rispettivamente fino a circa 22 e 30 SR con un carico di 5.5 kg. Sono state, quindi, addensate, granulate e conservate in frigorifero fino al momento delfuso. La pastalegno presentava, dopo spappolamento secondo la norma UNI 8166, una scolantezza pari a circa 75 SR.
1000 g di cemento Portland di tipo I secondo la norma europea ENV 197.1 (Ita!bianco Italcementi) aventi le caratteristiche chimico-fisico-meccaniche riportate in tabella 2. sono stati immessi in un separatore da laboratorio di tipo Alpine MikroplexR fino a passare completamente attraverso un setaccio da 50 m.
Fabbricazione dei fogli
La pasta è stata spappolata per 10 minuti in uno spappolatore standard da laboratorio secondo la nonna UNI 8166. 1 foglietti sono stati preparati da una sospensione di 5 g/i della fibra in acqua di rete alla quale sono stati aggiunti soto blanda agitazione 2,5 g di cemento preparato come descrito sopra. L'amido canonico con grado di sostituzione di 0.045 mole/mol (AMILOFAX 3300) è stato aggiunto nella misura dell' 1 % sulla fibra al secco stufa. La fabbricazione dei foglietti da circa 60 oppure 80 g/m2 è stata effettuata sul formafogli standard equipaggiato con una tela di 400 NIT secondo il metodo Aticelca MC 217.
I foglietti sono stati asciugati e condizionati a 23°C e 50% U.R. prima delle analisi fisico-meccaniche. 1 risultati sono riportati in tabella 1.
ESEMPIO 2
E’ stata condotta la prova sostanzialmente come descritto nell’esempio 1 con l’unica variante di usare come miscela 200 g di pasta kraft bianchita di pino con 800 g di pasta di legno d’abete raffinata nello stesso modo.
1 risultati relativi ai fogli ottenuti sono descritti in tabella 1.
ESEMPIO 3
E’ stata preparata la pasta di cellulosa sostanzialmente come descritto nell’esempio 1 ma utilizzando solamente pasta kraft di pino raffinata in Valley a 28 SR.
Rispetto all’esempio 1 il cemento è stato utilizzato come carica in quantità rispettivamente del 16.6 e del 28.6% rispetto alla pasta di cellulosa.
Per confronto sono stati preparati fogli di carta utilizzando come aggiunta carbonato di calcio.
1 risultatireiativi ai fogli ottenuti sono descrini in tabella 3.
ESEMPIO 4
Sono state effettuate prove di collatura utilizzando un impasto costituito da pasta kraft bianchita di pino (30%ì raffinata in olandese a 28° SR e da pastalegno d’abete (70%). Al suddetto impasto diluito con acqua di rete allo 0.6% sono stati aggiunti un collante sintetico modificato e successivamente la carica nella misura del 15% sull'impasto al secco stufa.
Sono stati fabbricati campioni di carta da circa 80 g/m2. La carta è stata condizionata a 23 <:>C e 50% di umidità relativa e poi analizzata.
1 risultati relativi ai fogli ottenuti sono descritti in tabella 5.
TABELLA 1: Proprietà delle carte caricate con cemento, Effetto dell'impiego di cemento a bassi dosaggi (additivo)
TABELLA 2: Caratteristiche chimiche e fisico-meccaniche del cemento utilizzato
TABELLA 3: Proprietà fisico-meccaniche delle carte caricate con cemento. Confronto con analoghe carte caricate con carbonato di calcio
—
5
TABELLA 4: Norme di riferimento per la determinazione delle proprietà fisiche, meccaniche e ottiche della carta
Norme di riferimento per la determinazione delle proprietà fisiche e meccaniche del cemento
Feso medio prismi UNI EN 196/1 - 1991 Resist.Compr. dopo 2 giorni N/mm2 UNI EN 196/1 - 1991 Resist.Compr. dopo 28 giorni N/mm2 UNI EN 196/1 - 1991 Resist.Fless. dopo 2 giorni N/mm2 UNI EN 196/1 - 1991 Resisi. Fless. dopo 28 giorni N/mm2 UNI EN 196/1 - 1991 Consistenza malta cementizia UNI 7044 - 1972
Acqua consistenza pasta cementizi % UNI EN 196/3 - 1991 Tempo di inizio presa ore.min UNI EN 196/3 - 1991 Tempo di fine presa ore.min UNI EN 196/3 - 1991 Stabilità di volume (Le Chatelier) mm UNI EN 196/3 - 1991 TABELLA 5 : Proprietà delle carte caricate con cemento eppure carbonato di c
Claims (9)
- RIVENDICAZIONI 1. Uso di cemento definito secondo la normativa UNI ENV 197.1 , come additivo o come carica minerale in forma non idratata per la produzione di carta caratterizzata dal fatto che le particelle di detto cemento hanno dimensioni inferiori a 50 m.
- 2. Uso di cemento secondo la rivendicazione I caratterizzata ulteriormente dal fatto di avere un contenuto di ossido ferrico inferiore al 5% preferibilmente del 3%, e una brillanza superiore o tuttalpiù uguale a 85%. preferibilmente superiore al 90%.
- 3. Composizione di materia a base di cemento e sostanze organiche utile come additivo o carica minerale per la produzione di carta caratterizzata dal fatto che le particelle hanno dimensioni inferiori a 50 m e che contiene da 0,1% a 5% in peso di almeno una sostanza organica scelta nel gruppo costituito da ligninsolfonati, acidi idrossicarbossilici aventi da 3 a 20 atomi di carbonio e loro sali alcalini o alcalino-terrosi. ammine alifatiche ed aromatiche aventi un numero di atomi di carbonio da 3 a 12. carboidrati sia mono- che poli-saccaridi ed i relativi prodotti di ossidazione.
- 4. Composizione di materia a base di cemento secondo la rivendicazione 3 caratterizzata dal fatto che detto cemento ha un contenuto di ossido di ferro inferiore al 5% e una brillanza superiore o tuttalpiù uguale al 90%.
- 5. Carta contenente da 0.1 al 40% in peso rispetto alle fibre di un cemento definito secondo la norma UNI ENV 197.1. Detto cemento avente dimensioni inferiori a 50 m.
- 6. Carta secondo la rivendicazione 5 dove il cemento è ulteriormente caratterizzato dal fatto di avere un contenuto di ossidi ferrici inferiore al 5%. preferibilmente al 3% e brillanza superiore ai 1 <; >85%, preferibilmente al 90%.
- 7. Carta contenente da 0.1 a 30% in peso rispetto alle libre di cellulosa di una composizione di materia a base di cemento e sostanze organiche, avente particelle di dimensioni inferiori a 50 m e contenente almeno da 0,1 a 5% in peso di una sostanza organica scelta nel gruppo costituito da ligninsolfonati, acidi idrossicarbossilici aventi da 3 a 20 atomi di carbonio e loro sali alcalini o alcalinoterrosi, animine alifatiche ed aromatiche aventi un numero di atomi di carbonio da 3 a 12. carboidrati sia mono- che poli-saccaridi ed i relativi prodotti di ossidazione.
- 8. Procedimento per la preparazione di carta da fibre cellulosiche e carica minerale caratterizzato dal fatto di aggiungere alla sospensione di fibre cellulosiche in acqua, prima del suo invio alla macchina per carta, di una sospensione acquosa ottenuta per miscelazione sotto energica agitazione, continuata, di un quantitativo pari da 0, 1 al 40% di una composizione di materia a base di cemento come rivendicato nelle rivendicazioni 1 e 2.
- 9. Procedimento per la preparazione di carta da fibre cellulosiche e cariche minerali caratterizzato dal fatto di aggiungere alla pasta formata da dette fibre cellulosiche cemento in ambiente acquoso prima che sia iniziata la reazione di idratazione.
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