NO174935B - Fremgangsmåte ved fremstilling av papir - Google Patents

Description

Oppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelse angår papirfremstilling

og spesielt en fremgangsmåte hvor en suspensjon av masse og uorganisk fyllstoff i vann spres over en vire eller et nett og hvor vannet fjernes under dannelse av en fiber-bane eller -ark. Oppfinnelsen angår nærmere bestemt tilsetning av anioniske polysilikatmikrogeler sammen med en organisk polymer for flokking av massen og fyllstoffin-stoffer, slik at det under vannfjerningstrinnet blir lettere å fjerne vann og slik at retensjonen av finstoff blir større, hvorved såvel produktiviteten som utbyttet ved papirfremstillingsprosessen øker.

Oppfinnelsens bakgrunn og oppsummering av oppfinnelsen

Flere tilsetningsstoffsystemer for å forbedre våt-partidrenering og finstoffretensjon er blitt beskrevet i teknikkens stand. For systemene anvendes polymerer, kombina-sjoner av polymerer og polymerer kombinert med kolloidalt silika. De sistnevnte systemer er blant de mest effektive som for tiden anvendes, men det foreligger et fortsatt be-

hov for å tilveiebringe tilsetningsstoffer til redusert pris og med forbedret bruksegenskap.

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for å forbedre retensjon og avvanning ved en papirfremstillingsprosess av den type hvor en vandig papirmassesammensetning som inneholder masse formes og tørkes, og fremgangsmåten er særpreget ved at den omfatter det trinn at det til massen tilsettes en vannopp-løselig polysilikatmikrogel dannet ved delvis gelatinering av et alkalimetallsilikat i kombinasjon med minst 0,001 vekt%, basert på papirmassesammensetningens tørrvekt, av en vannopp-løselig kationisk polymer.

Mikrogelene som henvises til som "aktivt" silika i mot-setning til kommersielt kolloidalt silika, består av aggre^-gater av meget små, f.eks. 1 nm, partikler ordnet i tredimensjonale nettverk og kjeder,

Polysilikatmikrogeler kan lettest dannes ved tilsetning av en initiator til en oppløsning av natriumpolysilikat, som i dets mest vanlige form har én del ^ 3- 2° Pr* 3,3 deler Si02, basert på vekt. Initiatoren setter igang gelatineringsprosessen som dersom den får fortsette inntil den er avsluttet, vil føre til en fullstendig stivning av oppløsningen. Gelstivningstiden som er den tid det tar for at fullstendig stivning skal finne sted når den er blitt igangsatt, kan variere fra sekunder til måneder og er avhengig av flere forskjellige variable, innbefattende pH, silikakonsentra-sjon, temperatur og nærvær av nøytrale salter. For kommersielle anvendelser foretrekkes korte gelstivningstider. Straks den er blitt igangsatt, får gelatineringen fortsette

fra 5% til 95% av gelstivningstiden før gelatineringen stanses ved å fortynne polysilikatoppløsningen, fortrinnsvis til ca. 1 vekt% Si02 eller derunder.

Oppløsningen av polysilikatmikrogeler dannet på denne måte har vist seg å utgjøre et utmerket retensjons- og dreneringshjelpemiddel når de kombineres med en vannopp-løselig kationisk polymer, fortrinnsvis kationisk stivelse, kationisk guar eller kationisk polyacrylamid.

Teknikkens stand

I US patent nr. 2217466 beskrives tidlig anvendelse av polykiselsyre eller aktivt silika som et koagulerings-hjelpemiddel ved behandlingen av råvann. I artikkelen "Activated Silica, a New Engineering Tool" av Merrill og Bolton, Chem. Eng. Progress 1, (1947), 27, foreslås anvendelse av aktivt silika som et koaguleringsmiddel for bakvann fra papirfabrikker og som et retensjonshjelpemiddel for fiber og findelt fyllstoff når det tilsettes til en papir-maskins innløpskasse. Intet er nevnt angående samtidig anvendelse av anionisk aktivt silikat sammen med kationiske polymerer. I US patenter 3224927 og 3253978 beskrives samtidig anvendelse av kolloidalt silika og kationisk stivelse som et bindemiddel for uorganiske fibre for å binde ildfaste fibre. De anvendte mengder av kolloidalt silika er betraktelig større enn for papirfremstillingsformål, dvs. 10-20 vekt% av produktet for fiberbindingsanvendelser i forhold til ca. 1 vekt% for papirfremstillingsanvendelser. Ved binding av fibre må betingelser som fører til flokking unngås, mens flokking er et ønsket resultat av tilsetningene

ved fremstilling av papir.

I US patent 438 8150 beskrives en bindemiddelblanding som omfatter kolloidalt silika og kationisk stivelse for tilsetning til papirmasse for å forbedre retensjon av masse-komponenter eller for tilsetning til bakvann for å redusere forurensningsproblemer og for å utvinne verdifulle masse-komponenter. I US patent 4388150 fremsettes den lære at det kolloidale silika kan ha forskjellige former, innbefattende den for polykiselsyre, men at de beste resultater fås ved anvendelse av silika i kolloidal form. I patentet fremsettes den lære at polykiselsyre som sådan er uønsket og at den uten stabilisering nedbrytes ved lagring.

Det har nå vist seg at endel lagring eller aldring av polykiselsyre er ønskelig. Fullstendig gelatinering av vandige oppløsninger av polykiselsyre må unngås fordi opp-løsningene når de er blitt omdannet til en gel, byr på små fordeler for anvendelse som et retensjons- og dreneringsmiddel. Lagring eller aldring av polykiselsyre fører til at det dannes silikamikrogeler som når de kombineres med forskjellige kationiske polymerer, gir retensjons- og drenerings-middelsystemer som i det minste er ekvivalente med og i flere tilfeller overlegne i forhold til dem som fås med kombina-sjonene av kolloidalt silika/kationisk stivelse i henhold til teknikkens stand.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

I sin bok "The Cehmistry of Silica" publisert av

John Wiley & Sons, NY, 1979, beskriver R.K. Ihler på sidene 174-176 og sidene 225-234 polymerisasjonen av polykiselsyre og dannelsen av mikrogeler som omfattes av tredimensjonale aggregater av meget små partikler av polykiselsyre. Slike mikrogeler er også blitt betegnet "aktivt silika" og er forskjellige fra den opprinnelige utverrbundne polykiselsyre og fra kolloidalt silika eller kolloidale kiselsyreoppløsninger som er vanlig forekommende i handelen. Mikrogeler i en sol kan ikke lett oppdages ved hjelp av metoder som normalt anvendes for å oppdage kolloider i en sol, som for eksempel ved hjelp av lysspredning. Likeledes kan mikrogeler ikke lett skilles fra solen ved hjelp av sentrifugering. I henhold til R.K. Ihler i den ovenfor angitte lærebok på side 231 er konsentrasjonen av silikapartikler i det tredimensjonale nettverk av mikrogelen, mikrogelens brytningsindeks og mikrogelens densitet de samme som i den omgivende sol.

Ytterligere metoder for fremstilling av aktivt silika og anvendelse av dette for rensing av vann er omtalt i boken "Soluble Silicates" Vol.II, av James G, Vail, publisert av Reinhold Publishing Co., NY., 1960. Denne kilde og en generell gjennomlesning av publisert litteratur vil gi som forslag at polysilikatmikrogeler kan fremstilles som følger: (1) Vandige oppløsninger av alkalimetallsilikater kan surgjøres ved hjelp av syrebytteharpikser og uorganiske og organiske syrer, som svovel- og eddiksyrer. Efter sur-gjøring av silikatet til en pH av 2-10,5 er en viss lagring eller aldring av oppløsningen vanligvis nødvendig for at polykiselsyremikrogeler skal kunne dannes. Aldringstiden er primært avhengig av pH-verdien og silikakonsentrasjonen. Efter aldringsperioden, som kan være meget kort (noen få minutter eller deromkring) foren oppløsning som inneholder 4-5 vekt% silika ved en pH av 3-4, blir oppløsningen fortynnet til ca. 1 vekt% silika eller derunder for å stabilisere denne ved å forsinke ytterligere vekst av mikrogelene. (2) Vandige oppløsninger av alkalimetallsilikater kan surgjøres med sure salter og gasser, som natriumorthoborat (boraks) ,natriumbisulfitt, kaliumbikromat, natriumbicarbonat, natriumdihydrogenfosfat, carbondioxyd, svoveldioxyd eller klor. Sure salter av svake baser og sterke syrer, som ammoniumsulfat, aluminiumsulfat, ferri- og ferroklorider og lignende sure salter, kan også anvendes. (3) Alkalimetallsalter av amfotere metallsyrer kan tilsettes til vandige oppløsninger av alkalimetallsilikater. Eksempler på slike salter er natriumaluminat, natriumstannat, natriumsinkat, kaliumkromat og kaliumvanadat. Disse salter reduserer ikke silikatoppløsningenes alkalinitet, men setter ikke desto mindre gelatineringsprosessen og dannelsen av silikamikrogeler igang. (4) Visse organiske forbindelser kan tilsettes til vandige oppløsninger av alkalimetallsilikater. De organiske forbindelser bør fortrinnsvis, men ikke nødvendigvis, være oppløselige i vann og istand til å bevirke i det minste en delvis surgjøring av silikatoppløsningen, som regel som et resultat av hydrolyse av den organiske forbindelse. Eksempler på slike forbindelser er organiske anhydrider, amider, estere, lactoner, nitriler og sultoner. Mer spesifikt er de for eksempel henholdsvis ravsyreanhydrid, acetamid, ethylacetat, butyrlacton, propionitril og propansulton.

For de mer stabile organiske forbindelser kan endel oppvarm-ing av blandingen være nødvendig for å bevirke hydrolyse og derav følgende polysilikatmikrogeldannelse.

Alle de ovennevnte metoder er i prinisippet anvendbare for å danne polysilikatmikrogeler som er nyttige ved papirfremstilling. Et stort antall av disse er imidlertid av liten kommersiell betydning når pris, sikkerhet og miljøvern-standarder tas i betraktning. For eksempel er vanadiumsalt kostbare, og det er best å unngå anvendelsen av risikabelt klor. På lignende måte er uttømning av giftige kromsalter i avvann fra papirfabrikker uønsket.

Ut fra et kommersielt standpunkt er de enkleste og mest økonomiske metoder for fremstilling av polysilikatmikrogelene som anvendes i henhold til den foreliggende oppfinnelse surgjøring av natriumpolysilikatoppløsning med en vanlig mineralsyre eller tilsetning av en gelinitiator, som alun, natriumborat eller natriumaluminat, til en natrium-polysilikatoppløsning.

Ved utførelsen av den foreliggende oppfinnelse i praksis er det best å anvende kommersielt tilgjengelige oppløsninger av natriumpolysilikat med et vektforhold av 1 Na20:3,3 SiC^. Disse blir vanligvis levert med et silika-konsentrasjonsinnhold av 28-30 vekt%. For fremstilling av polysilikatmikrogelene må slike kommersielle oppløsninger i alminnelighet først fortynnes til en konsentrasjon som er egnet både for den spesielle valgte fremstillingsmetode for å igangsette mikrogeldannelse og den anvendte konsentrasjon av initiator. For mikrogeldannelse ved surgjøring med en mineralsyre har for eksempel silikakonsentrasjoner av 0,1-6 vekt% vist seg å være de best anvendbare selv om R.K. Ihler på side 2 88 i den ovennevnte lærebok angir at oppløsninger av natriumpolysilikat som inneholder opp til 12 vekt% SiC^, kan surgjøres med godt resultat under anvendelse av svovelsyre. Dersom imidlertid et ikke-surt materiale, som natriumborat, skal anvendes som initiator, kan en hvilken som helst konsentrasjon av silikat anvendes, forutsatt at blandingens gelstivningstid er tilstrekkelig lang til at polysilikatmikrogelen kan fortynnes og stabiliseres før fullstendig gelstivning finner sted. Stabilisering av polysilikatmikrogelene kan oppnås ved fortynning, fortrinnsvis til ca. 1 vekt% Si02 eller derunder.

Det er viktig å understreke at ved fremstillingen av polysilkatmikrogelene må tilstrekkelig tid tillates for dannelse av partikkelkjeder og tredimensjonale nettverk før gelen stabiliseres ved fortynning. Denne tid som vil variere med den spesielle arbeidsmetode, bør være 5-95%, fortrinnsvis 10-90%, av den tid efter hvilken en stiv, vann-uoppløselig masse dannes (gelstivningstid). En øket vis-kositet i selve polysilikatoppløsningen er ikke spesielt begrensende, forutsatt at en homogen vandig oppløsning kan oppnås ved påfølgende fortynning. I praksis bør gelstivningstiden være så kort som mulig. Det er mest tjenlig å blande silikatoppløsningen og en initiator, som fortrinnsvis også er i form av en oppløsning, for derefter å fortynne blandingen i løpet av en så kort holdetid som er nød-vendig for å oppnå en tilstrekkelig mikrogeldannelse.

De på denne måte fremstilte polysilikatmikrogeler har vist seg generelt å være like aktive for retensjons-/ avvanningsanvendelser som de kolloidale silikakvaliteter som nå anvendes for lignende kommersielle formål. I flere tilfeller har polysilikatmikrogelkombinasjonene vist seg å gi vesentlig forbedret resultat ved lavere belastning, hvilket er et ønsket kommersielt mål. Polysilikatmikrogelene kan også by på prisfordeler sammenlignet med kommersielle kolloidale silikakvaliteter fordi de lett kan fremstilles på stedet for en papirfabrikk, hvorved produktskipningsom-

kostninger minimeres.

LXted papirfremstillingsprosessen blir polysilikatmikrogelene ifølge oppfinnelsen anvendt sammen med kationiske polymerer som skriver seg fra naturlige eller syntetiske kilder. De mest nyttige av disse polymerer er kationiske stivelser, kationiske guargummier og kationiske polyacrylamider, og anvendelsen av alle disse ved papirfremstilling er blitt beskrevet i teknikkens stand. Andre kationiske polymerer kan også anvendes i kombinasjon med polysilikatmikrogelene, enten alene eller i tillegg til de kationiske stivelser, kationiske guarer og kationiske polyacrylamider. Eksempler på slike kationiske polymerer er polyethylen-imin, polydiallyldimethylammoniumklorid, kopolymerer av acrylamid med 2-methylacryloxyethyltrimethylammoniumklorid, amin-epiklorhydrinkondensasjonsprodukter og kationiske våt-styrkeharpikser oppnådd med kondensasjon av polyaminer med dicarboxylsyrer og derefter ved ytterligere reaksjon av pre-polymeren med epiklorhydrin. Kationiske stivelser er spesielt nyttige ved at de byr på de fordeler at de har lav pris og at de bibringer papiret tørrstyrke. Dersom papir-styrke ikke er et primært krav, kan anvendelse av de andre polymerer være fordelaktig.

Den kationiske stivelse som anvendes, kan skrive seg fra hvilke som helst av de vanlige stivelsesproduserende materialer, som maisstivelse, potetstivelse, hvetestivelse eller tapiocastivelse, selv om potetstivelsene som regel gir de mest ønskede kationiserte produkter for anvendelse i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Kationisering ut-føres av kommersielle produsenter under anvendelse av reak-tanter, som 3-klor-2-hydroxypropyltrimethylammoniumklorid, for å oppnå kationiske stivelser med nitrogensubstitusjons-grader som varierer mellom 0,001 og 0,2 (dvs. 0,01-2,0 vekt%

[vekt% nitrogen/stivelse]). Hvilke som helst av disse kationiske stivelser kan anvendes i kombinasjon med polysilikatmikrogelene ifølge oppfinnelsen. En kationisk stivelse med en nitrogensubstitusjonsgrad av ca. 0,03 (dvs. 0,25 vekt%) er blitt mest hyppig anvendt.

Ved bruk blir polysilikatmikrogelen anvendt i mengder innen området fra 0,001 til 1,0 vekt% (0,01 til 10 kg/tonn) av papirmassesammensetningens tørrvekt sammen med kationisk polymer i mengder innen området fra 0,001 til 3,0 vekt%

(0,01 til 30 kg/t) av papirmassesammensetningens tørrvekt. Høyere mengder av enhver av disse komponenter kan anvendes, men som regel uten gunstig virkning og på bekostning av øket pris. Foretrukne tilsetningsmengder er 0,05-0,4 vekt%

(0,5-4 kg/t) for polysilikatmikrogelene sammen med 0,5-1,0 vekt% (5-10 kg/t) av kationisk stivelse eller, ved anvendelse av kationiske guarer og kationiske polyacrylamider, 0,001-1,0 vekt% (0,01-10 kg/t).

Polysilikatmikrogel/polymerkombinasjonene kan anvendes

i papirmassesammensetninger i et bredt pH-område av fra 4 til 10 selv om de mer nøytrale og alkaliske massesammensetninger er foretrukne for de beste resultater. Papirmasse-sammensetningen kan utgjøres av flere forskjellige tremasser og uorganiske fyllstoffer. Således kan bleket sulfatmasse, termomekanisk masse, kjemitermomekanisk masse og slipmasse alle anvendes sammen med leirer og felt eller malt kalsiumcarbonat og titandioxyd som uorganiske fyllstoffer. I de eksempler som følger er forskjellige metoder for fremstilling og anvendelse av polysilikatmikrogelene ifølge oppfinnelsen illustrert.

Eksempler

For å påvise anvendbarheten av polysilikatmikrogelene ved papirfremstilling er den primære måling som er blitt gjort, måling av avvanningsevnen ved Canadian Standard Freeness Test. Målinger av bakvannets uklarhet fra freeness-prøvingen har gitt et ledsagende mål på graden av retensjon av masse og findelt fyllstoff ved hjelp av systemet. Måling av finstoffretensjonen i Britt Dynamic Drainage

Jar er også blitt foretatt. For å påvise anvendbarheten sammenlignet med nærliggende teknikkens stand er sammen-ligninger med en prøve av kommersielt kolloidalt silika identifisert som BMA-0 blitt foretatt. Dette produkt omfatter én komponent i retensjons/dreneringsmiddelsystemet Compozil som anvendes for papirfremstilling og markeds-føres i USA av Procomp, Inc., Marietta, Ga. Det kolloidale silika har en partikkeldiameter av ca. 5,5 nm og et overflateareal av 500-550 m 2/g hvilket er beskrevet i US patent 4388150 som et optimalt område for et retensjons/ dreneringsmiddel under anvendelse av kolloidalt silika.

I hvert eksempel ble de samme blandebetingelser og tilsetningsrekkefølge for komponentene opprettholdt. Den foretrukne metode viste seg å være først å tilsette den kationiske polymer til massesammensetningen efterfulgt av polysilikatmikrogelen. Denne rekkefølge viste seg å gi generelt overlegent resultat i forhold til den omvendte tilsetningsmåte selv om denne (med polysilikatmikrogel tilsatt først) kan anvendes, eller selv om tilsetningen av hvert enkelt materiale kan foretas delt. All blanding blir utført i en Britt Jar med agitatoren innstilt på 800 r/min (omløp pr. minutt) og med følgende tidssekvens: (1) Massesammensetningen ble tilsatt til Britt-krukken og omrørt i 15 s. (2) Kationisk polymer ble derefter tilsatt og omrørt i 15 s. (3) Polysilikatmikrogel eller kolloidalt silika ble derefter tilsatt og omrørt i 15 s. (4) Britt-krukken ble derefter drenert for målinger av finstoffretensjonen eller krukkens innhold ble overført til holdekoppen i Canadian Freeness-prøvingsapparatet for målinger av avvanning.

Eksempel 1

I dette eksempel sammenlignes resultatet med en enkel polykiselsyre med resultatet med en polykiselsyremikrogel. En sammenligning med resultatet med det kommersielle kolloidale silika, BMA-O, er også innbefattet.

Den enkle polykiselsyre som ble anvendt i dette eksempel, ble fremstilt ved hurtig satsvis avionisering av natriumpolysilikatoppløsning (1 Na20:3,3 Si02) inneholdende 1 vekt% Si02 med et overskudd av Dowex<®> 50W-X.8[H+] poly-styrensulfonsyreharpiks. Efter at pH hadde sunket til 3,5 ble harpiksen filtrert av og oppløsningen fortynnet til 0,125 vekt% Si02.

Den anvendte polykiselsyremikrogel ble fremstilt ved delvis surgjøring og aldring av en natriumpolysilikatopp-løsning inneholdende 4 vekt% Si02. Således ble 19 ml 1,98 molar svovelsyre i løpet av en periode på 15 s tilsatt til 300 g av natriumpolysilikatoppløsningen under god agitering. Oppløsningens pH avtok til 10,01. Oppløsningen ble satt til side og fikk aldre i 1 time, hvorefter den ble stabilisert ved fortynning til 0,125 vekt% Si02.

For sammenligningsforsøkene ble Canadian Standard Freeness-målinger utført under anvendelse av en alkalisk finpapirmasse med 0,3 vekt% konsistens. De suspenderte faste stoffer omfattet 7 0 vekt% bleket kraftmasse (7 0% løv-ved/30% nåletre) og 30 vekt% felt kalsiumcarbonat. pH var 8,0.

Forsøkene med de forskjellige silikaprodukter ble alle foretatt i kombinasjon med en kationisk stivelse tilsatt til massesammensetningen i en konstant mengde av 10 kg/t basert på massesammensetningens tørrvekt. Den kationiske stivelse var BMB-S190 som er en potetstivelse med en nitrogen-substitus jonsgrad av ca. 0,03 og som selges av Procomp for anvendelse sammen med dets Compozil-system. Resultater er gjengitt i Tabell 1.

Det fremgår av Tabell 1 at den enkle utverrbundne polykiselsyre oppviste liten aktivitet hva gjaldt å forbedre massesammensetningens avvanning. Den mikrogelerte polykiselsyre oppviste imidlertid en samlet aktivitet som var minst like god som det kommersielle kolloidale silikas og endog en noe forsterket aktivitet ved de kommersielt ønskelige lave anvendelsesmengder av 0,5-2,0 kg/t SiC^.

Eksempel 2

Dette eksempel viser anvendelse av papirfremstillings-alun som initiator for dannelse av polysilikatmikrogel.

Til 300 g natriumpolysilikatoppløsning inneholdende

4 vekt% SiC>2 og holdt under sterk agitering i et Waring-blandeapparat ble 75 ml 10 vekt% alun (aluminiumsulfat,

Al2(SO^)3.I4H2O) tilsatt fra en pipette. Blandingen ble blandet i 1 minutt under erholdelse av en melkehvit oppløs-ning med en pH av 9,8 og inneholdende en findelt, hvit ut-felling. En porsjon ble øyeblikkelig fortynnet til 0,125 vekt% SiC>2 (Mikrogel 2A) . En ytterligere porsjon ble fortynnet til 0,125 vekt% Si02 efter henstand i 20 minutter (Mikrogel 2B). Resten av lageroppløsningen ble fullstendig omdannet til en gel efter 30 minutter. De to fortynnede oppløsninger av polysilikatmikrogel ble undersøkt for å fastslå avvanningsresultatet på lignende måte som den under-søkelse som er beskrevet i eksempel 1. Resultater er opp-ført i Tabell 2.

Freeness-verdiene i Tabell 2 viser at awanningen oppnådd med begge mikrogeler var minst like god som med den kommersielle prøve av kolloidalt silika, spesielt innen et vanlig anvendelsesområde av 2-4 kg/t.

Eksempel 3

Dette eksempel viser anvendelse av borax ?.natrium-orthoboratdecahydrat, Na^^O^ . lOl^Osom en initiator for dannelse av en polysilikatmikrogel.

Til 60 g av en 5 vekt% boraxoppløsning ble 40 g natriumpolysilikatoppløsning inneholdende 3,75 vekt% SiG^ tilsatt under god agitering. Efter blanding ble blandingen satt til side for å aldres. Efter 8 minutter ble en porsjon fortynnet til 0,125 vekt% SiG^. Gelstivningstiden for den øvrige ufortynnede porsjon var 23 minutter. Avvannings-målingen ble foretatt med den fortynnede mikrogel i en alkalisk massesammensetning lignende den som er angitt i eksempel 1. Den anvendte kationiske stivelse var imidlertid en prøve på kationisk potetstivelse, Stalok® 400 fra A.E.Staley Mfg. Co., Decatur, IL. Stivelsestilsetningen var igjen

10 kg/t for alle forsøk, og resultatene av disse er gjengitt i Tabell 3.

Ved de kommersielt ønskelige lave tilsetninger av 0,5-2,0 kg/t Si02 utkonkurrerte polysilikatmikrogelen den kolloidale silikasol. Det optimale resultat for polysilikatmikrogelen var ved en tilsetning av 2,0 kg/t i forhold til 4,0 kg/t for kolloidalt silika.

Eksempel 4

Dette eksempel viser to metoder under anvendelse av natriumstannat (Na2Sn04) som initiator for fremstillingen av polysilikatmikrogeler.

Mikrogel 4A; 50 g av en oppløsning inneholdende 5,2 vekt% natriumstannat ble i løpet av ca. 15 s og under god omrøring tilsatt til 50 g natriumpolysilikat som inneholdt 5 vekt% Si02. Blandingen ble satt til side. Efter 4 timer var blandingen blitt noe viskøs og ble derefter fortynnet til 0,125 vekt% Si02 for å bedømme denne som dreneringsmiddel. Mikrogel 4B: 46 g av en oppløsning inneholdende 10 vekt% natriumstannat ble i løpet av ca. 15 s og under god omrøring tilsatt til 64 g natriumpolysilikatoppløsning som inneholdt 5,5 vekt% Si02. Blandingen ble satt til side. Efter ca. 3,5 timer hadde den stivnet til en meget løs gel. Denne løse gel ble overført til et Waring-blandeapparat som inneholdt 350 g vann, og ble blandet ved høy hastighet i ca. 2 minutter under erholdelse av en klar oppløsning. Oppløs-ningen ble derefter ytterligere fortynnet til 0,125 vekt% Si02 for å bedømme avvanningsresultat med denne.

Canadian Standard Freeness-målinger ble foretatt under anvendelse av begge mikrogeler i forskjellige mengder i en alkalisk massesammensetning lignende den som ble anvendt i eksempel 1. Alle forsøk ble utført under anvendelse av BMB S-19 0 kationisk potetstivelse i en mengde av 10 kg/t.

Begge mikrogeler ses å gi betydelig forbedret avvanningsresultat .

Eksempel 5

I dette eksempel anvendes natriumaluminat (NaAlG^)

som initiator for dannelse av polysilikatmikrogel.

7,5 g natriumpolysilikatoppløsning som inneholdt

10 vekt% Si02, ble fortynnet til 30 g med vann. Til denne ble 20 g av en natriumaluminatoppløsning inneholdende 1,0 vekt% Al2C>2 tilsatt langsomt og med god omrøring. Det anvendte natriumaluminat var en fortynnet oppløsning av et kommersielt flytende konsentrat, VSA-45, fra Vinings Industries, Atlanta, GA. Blandingen ble aldret i 5 minutter uten omrøring, og fra denne ble en prøve tatt. Prøven ble fortynnet til 0,125 vekt% Si02 for bedømmelse. Den ufortynnede porsjon ble omdannet til en gel efter 14 minutter. En alkalisk massesammensetning lignende den som ble anvendt i eksempel 1 ble anvendt for å måle freeness for flere kom-binasjoner av polysilikatmikrogelen og 10 kg/t BMB S-190 kationisk stivelse. Resultater er oppført i Tabell 5.

Polysilikatmikrogelen viste et betydelig forbedret resultat sammenlignet med det kolloidale silika.

Eksempel 6

Dette eksempel viser bruk av kaliumdikromat (I^CrO^) som en initiator for dannelse av polysilikatmikrogel.

En kaliumdibromatoppløsning (71,6 g av 5 vekt% K2Cr07) ble under god omrøring tilsatt til 25 g natriumpolysilikat-oppløsning som inneholdt 10 vekt% Si02 og var forhåndsut-spedd til 94,4 g. Blandingen ble satt til side for å aldre. Den gelatinerte i 3,5 minutter. Et annet preparat ble prøvetatt 2,5 minutter efter blanding og utspedd til 0,125 vekt% Si02. Avvanningsforsøk ble igjen foretatt under lignende betegnelser som de som er angitt i eksempel 1, og resultater er rapportert i Tabell 6.

Polysilikatmikrogelen viste en oppførsel som var sammenlignbar med oppførselen til kolloidalt silika.

Eksempel 7

Dette eksempel viser anvendelse av polykiselsyremikrogeler sammen med kationisk guar i sure massesammensetninger ved pH 4,5 og pH 6,0.

En 6 vekt% oppløsning av polykiselsyre ble først fremstilt ved avionisering av en oppløsning av natriumpolysilikat som inneholdt 6 vekt% Si02. Polysilikatoppløsningen ble ledet gjennom en glasskolonne med en diameter på 3,8 cm som var fylt med ca. 35,6 cm Dowex<®> 50W-X8[H+] polystyren-sulfonsyreionebytteharpiks. Strømningshastigheten på ca.

30 ml/min ble regulert for å holde polykiselsyreavløps-strømmens pH på ca. 2,6. Efter at ca. 300 ml produkt var blitt oppsamlet, ble en porsjon utspedd til 1 vekt% Si02 og satt til siden. Resten av produktet ble omvandlet til en gel i løpet av litt over en dag.

Efter henstand i 1 uke ble en porsjon av 1 vekt% SiO,,-oppløsningen ytterligere utspedd til 0,125 vekt% Si02 for å bedømme avvanningsegenskapen i to sure massesammensetninger hvorav den ene hadde en pH av 6 og den annen en pH av 4,5. Overflatearealet til den aldrede polykiselsyremikrogel ble fastslått til 1076 m 2/g under anvendelse av titreringsmetoden i henhold til G.W. Sears, Anal, Chem. 28, (1956), s. 1981. For avvanningsforsøkene hadde den anvendte massesammensetning en konsistens på 0,3 vekt% og besto av 70 vekt% bleket kraftmasse (70% løvtre, 30% nåletre) og 30 vekt% Klondyke<®> leire, regulert til den egnede pH. Klondyke<®> leire er et produkt fra Engelhard Corporation, Edison, NJ. Polykiselsyremikrogelen ble anvendt i forbindelse med Jaguar<®> C13 kationisk guargummi erholdt fra Stein, Hall and Co. Inc., New York, NY. Alle forsøk ble utført med en guarvekt på 2 kg/t, og resultatene er oppført i Tabell 7.

Ved en last på 4 kg/t Si02 kan en betydelig forbedret avvanning for kombinasjonen av kiselsyremikrogel/kationisk guar iakttas i forhold til kombinasjonen BMA-0/kationisk guar. Forbedringen finner sted i massesammensetninger både ved en pH av 4,5 og en pH av 6,0.

Eksempel 8

Dette eksempel angår freeness- og avvannsuklarhets-målinger sammen med finstoffretensjonsmålinger under anvendelse av en prøve av polykiselsyremikrogel.

En forrådsoppløsning av polykiselsyremikrogel ble fremstilt ved satsvis avionisering av 300 g natriumpolysilikat-oppløsning som inneholdt 4 vekt% SiC^ , til en pH av 3 under anvendelse av Dowex<®> 50W-X8[H+] ionebytteharpiks. Poly-kiselsyren ble utspedd til 1 vekt% og satt til side for aldring. Dens overflateareal, i den fremstilte tilstand, ble fastslått å være 1187 m 2/g ved anvendelse av titreringsmetoden i henhold til G. W. Sears-referansen ovenfor. Efter henstand i ca. 18 timer avtok overflatearealet noe til 1151 m 2/g. Mikrogelen ble derefter undersøkt for å fastslå hvorledes den oppførte seg både ved Canadian Standard Freeness- og Britt Jar finstoffretensjonsforsøk.

For forsøkene ble en massetilførsel med lignende sammensetning som den som ble anvendt i eksempel1,anvendt. Den tilførte masses konsistens var 0,3 vekt% for freeness-forsøk og 0,5 vekt% for finstoffretensjonsforsøk. Ved freeness-forsøkene ble det avvannede bakvanns uklarhet også målt som en ytterligere indikasjon på finstoffretensjonen. Alle for-søk ble utført i nærvær av 10 kg/t BMB S190 kationisk stivelse. Resultatene er gjengitt i Tabellene 8 og 8A.

Det fremgår av Tabell 8 at polykiselsyremikrogelen kunne måle seg med den optimale oppførsel til det kommersielle kolloidale silika både for avvanning og finstoffretensjon som bedømt ved hjelp av lave uklarhetsverdier. I tillegg, og det er sterkt ønskelig ut fra et kommersielt synspunkt, nådde mikrogelen dette optimum ved en lavere last av 2 kg/t, dvs. bare halvparten av den last på 4 kg/t som var nødvendig for det kommersielle silika.

Det fremgår at resultatene i Tabell 8A bekrefter resultatene i Tabell 8, nemlig at dert optimale verdi for finstoff retens jon under anvendelse av mikrogelen nås ved en last somerbare halvparten av den last som er nødvendig med det kommersielle kolloidale silika.

Eksempel 9

I dette eksempel sammenlignes finstoffretensjonsmålinger oppnådd under anvendelse av to ytterligere polysilikatmikrogeler, med retensjonsverdier oppnådd under anvendelse av kolloidalt silika.

De anvendte polysilikatmikrogeler ble fremstilt som for den stannatinitierte mikrogel 4A ifølge eksempel 4 og den aluminatinitierte mikrogel ifølge eksempel 5. Det kolloidale sammenligningssilika var MBA-O, og polymeren som ble anvendt i alle tilfeller var BMV S190 kationisk stivelse ved en last på 10 kg/t. Alle forsøk ble utført under anvendelse av et standard Britt Jar apparat og den tidligere angitte metode. Den anvendte masse var alkalisk ved en pH av 8,0 og hadde en lignende sammensetning som den ifølge eksempel 1.

Et forbedret resultat med de to polysilikatmikrogeler sammenlignet med det kolloidale silika fremgår tydelig av de ovenstående data.

Eksempel 10

I dette eksempel vises forbedringen som ble oppnådd

ved den kombinerte anvendelse av en polykiselsyremikrogel sammen med et kationisk polyacrylamid. En massesammensetning av 100% slipt ved ble anvendt.

En massesammensetning med en konsistens på 0,5 vekt% ble fremstilt fra 100% stenslipt ved (50% løvved/50% barved). Til denne ble 0,66 g/l vannfritt natriumsulfat tilsatt for

å simulere elektrolytter. pH var 5,7. Canadian Standard Freeness-målinger ble gjort på porsjoner av massesammensetning, først utspedd til 0,3 vekt% konsistens og efter tilsetning av økende mengder av Hyperfloc<®> CP-905H kationisk polyacrylamid. Dette materiale ble erholdt fra Hychem Inc., Tampa, FL. Det hadde en gjennomsnittlig molekylvekt av 13 millioner og var 20-30 vekt% kationisk. Ved tilsetninger på 0, 0,5, 1, 2 og 3 kg/t av det kationiske polyacrylamid ble freeness-grader på henholdsvis 390, 420, 430, 430 og 485 ml målt.

For å sammenligne resultatene for en polykiselsyremikrogel med kolloidalt silika ble en konstant tilsetning på

4 kg/t Hyperfloc<®> CP-905H ble valgt. Polykiselsyremikrogelen var en 1 vekt% SiG^-oppløsning som var blitt fremstilt seks dager tidligere ved avionisering til pH 3,5 og utspedning av en oppløsning av natriumpolysilikat inneholdende 4 vekt% SiC^. Det kolloidale silika var BMA-O. De oppnådde resultater er gjengitt i Tabell 10. De innbefatter også uklar-hetsmålinger av bakvannsdreneringen fra freeness-forsøkene.

Et forbedret resultat både hva gjaldt freeness og finstoffretensjon (redusert bakvannsuklarhet) fremgår for kombinasjonen polykiselsyremikrogel/kationisk polyacrylamid.

Eksempel 11

I dette eksempel vises anvendelsen av flere organiske forbindelser for dannelse av polysilikatmikrogel.

Mikrogel 11A (7-butyrolacton som initiator):

6 ml (6,72 g) ?-butyrolacton ble tilsatt til 300 g natriumpolysilikat inneholdende 4 vekt% Si02 under omrøring. Blandingen ble satt til side og viste seg å danne en fast gel i løpet av ca. 7 0 minutter. pH var da 10,67. Denne fremstilling ble først gjentatt og prøvetatt og utspedd efter 65 minutters henstand da den hadde dannet en meget løs gel. Den løse gel ble lett oppløst ved omrøring under dannelse av en polysilikatmikrogel som inneholdt 0,125 vekt%

sio2.

Mikrogel 11B (Ethylacetacetat som initiator):

10 ml (10,2 g) ethylacetacetat ble tilsatt til 200 g natriumpolysilikat inneholdende 4 vekt% Si02 under omrøring. Blandingen ble til å begynne med blakket, men klaret i

løpet av under 1 minutt. pH sank fra 11,22 til 10,61. Blandingen ble satt til side og viste seg å danne en fast

gel i løpet av ca. 18 minutter. Et annet lignende preparat fikk henstå i 12 minutter før utspedning til 0,125 vekt%

Si02 slik at en polysilikatmikrogel ble oppnådd for bedømmelse.

Mikrogel 11C (Ravsyreanhydrid som initiator):

Ravsyreanhydrid (2,5 g) ble tilsatt til 200 g av en omrørt natriumpolysilikatoppløsning inneholdende 4 vekt%

Si02. Anhydridet ble oppløst efter ca. 5 minutters omrøring, og pH sank til 10,22. Ved ytterligere henstand dannet blandingen en fast gel i løpet av ca. 75 minutter. Et annet preparat ble utspedd til 0,125 vekt% Si02 efter 45 minutters henstand slik at en polysilikatmikrogeloppløsning ble oppnådd.

Oppløsningene av mikrogelene 11A, 11B og 11C ble bedømt for freeness- og retensjonsresultat som målt ved bakvannsuklarhet i en alkalisk massesammensetning lignende den som er beskrevet i eksempel 1. Alle bedømmelser ble utført i nærvær av 10 kg/t BMB S190 kationisk stivelse. Referanse-prøven for sammenligning med et kommersielt produkt var det kolloidale silika, BMA-O, som er identifisert tidligere.

Det fremgår av resultatene i Tabell 11 at polysilikatmikrogelene generelt ga forbedrede optimale resultater i forhold til det kolloidale silika som tilkjennegitt ved høyere freenessgrader (forbedret avvanning) og lavere uklarhetsverdier for det avvannede bakvann (forbedret retensjon av finstoff).

Eksempel 12

I dette eksempel vises overflatearealene for flere av polysilikatmikrogelene som er blitt illustrert i tidligere eksempler.

Flere av polysilikatmikrogelene beskrevet i de tidligere eksempler ble på ny fremstilt, og bestemmelser av deres overflateareal ble gjort under anvendelse av en modifikasjon av Sears-titreringsmetoden som det er blitt vist til tidligere. Efter fremstillingen ble hver polysilikatmikrogel utspedd til en konsentrasjon ekvivalent med ca. 0,75 vekt% SiO^. En 200 g porsjon ble dernest satsvis avionisert ved værelse-temperatur til en pH av 3,5, overskuddet av harpiks ble filtrert av, og 150 g filtrat ble titrert for å fastslå overflatearealet i henhold til Sears-metoden. For polysilikatmikrogeler som ble dannet under anvendelse av initiatorer, som borater og kromater, som selv danner syrer ved avionisering til en pH av 3,5, var det nødvendig å korrigere for syren dannet fra initiatoren ved å utføre en blindprøve for initiatoren alene.

I tabell 12 er de oppnådde overflatearealer oppført.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for å forbedre retensjon og avvanning ved en papirfremstillingsprosess av den type hv,or en vandig papirmassesammensetning som inneholder masse formes°9 tørkes, karakterisert ved at den omfatter det trinn at det til massen tilsettes en vannoppløselig polysilikatmikrogel dannet ved delvis gelatinering av et alkalimetallsilikat i kombinasjon med minst 0,001 vekt%, basert på papirmassesammensetningens tørrvekt, av en vannoppløselig kationisk polymer.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det som den vannopp-løselige kationiske polymer anvendes en polymer valgt fra gruppen bestående av kationisk stivelse, kationisk guar og kationisk polyacrylimid.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den vannoppløselige polysilikatmikrogel tilsettes til massen i en mengde av 0,001-1,0 vekt%, basert på papirmassesammensetningens tørr-vekt.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at en polysilikatmikrogel tilsettes som omfatter aggregater av partikler i hvilke hver partikkel har et overflateareal av minst 1000 m 2/g.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1-4, karakterisert ved at den vannoppløselige polysilikatmikrogel og den vannoppløselige kationiske polymer tilsettes til massen i rekkefølge.