NO304191B1 - FremgangsmÕte ved fremstilling av en stivelsesoppl°sning, stivelsesl°sning fremstilt derved, samt anvendelse av denne - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte av den art som er angitt i krav l's ingress for å fremstille en stivelsesløsning, en løsning fremstilt ifølge fremgangsmåten, samt anvendelse av en sådan løsning ved papirtilvirkning, som angitt i kravene 3, 4 og 5 henholdsvis.

Kationisk stivelse har stor anvendelse med papirtilvirkning som retensjonsmiddel og som styrkemiddel. Under de senere år er kationisk stivelse i stor utstrekning blitt utnyttet i kombinasjon med anioniske uorganiske materialer, så som bentonitt og forskjellige silisiumoksydbaserte soler, for forbedring av retensjon og/eller avvanning ved papirfrem-stilling. Dette beskrives f.eks. i EP patent 41065 og PCT-ansøkningene WO 86/00100 og WO 89/12661.

I den senere tid er det blitt mulig å fremstille høykatio-nisert stivelse, det vil si med en substitusjonsgrad som overstiger 0,07. Dette kan gjøres ved tørrkationisering med natriumaluminat som katalysator, hvilket f.eks. beskrives i EP patentskriftene 233336 og 303039.

Ved oppløsning av stivelse i vann gjelder generelt at viskositeten først øker for siden å synke til et lavere nivå. Det er således nødvendig å passere viskositetsmaksimum, hvilket ved oppløsning av lavkationisert stivelse bare kan oppnås ved varmebehandling ved en temperatur som overstiger ca. 80°C. Ved konvensjonell oppløsning av lavkationisert stivelse blandes denne med- kaldt vann i en slurrytank og kokes deretter. Når det gjelder høykationi-sert stivelse ifølge ovennevnte patentskrifter, oppgis denne å være oppløselig i kaldt vann. Imidlertid har det ved kaldtvannsoppløsning vist seg å være vanskelig å passere viskositetsmaksimumet innen rimelig tid og erholde en løsning som i alt vesentlig er uten forekomst av usvellede stivelseskorn, hvilket er ønskelig om den skal kunne anvendes med tilfredsstillende resultat ved papirtilvirkning. Således er det ved kaldtvannsoppløsning nødvendig å holde lange oppholdstider samtidig som tørrstoffinnholdet ikke kan være for høyt, og derfor må utrustningen dimensjoneres for store volumer. Oppløsning under oppvarmning ifølge samme metode som er brukbar for lavkationisert stivelse, leder til en kraftig viskositetsøkning i slurrytanken, hvilket vanskeliggjør videre håndtering av løsningen. Denne viskositetsøkning er særlig kraftig hvis stivelsen er fremstilt med natriumaluminat som aktivator og dermed inneholder alumnium. Derfor har det vært nødvendig å holde tørrstoffinnholdet meget lavt, hvilket innebærer at store mengder energi forbrukes ved den påfølgende oppvarmning. Også i dette tilfelle må oppløsningsanordningen inklusive varmeren dessuten dimensjoneres for relativt store volum med høye kostnader som følge. Det er således et ønskemål å kunne minske energi- og investeringskostnadene ved å opplø-se høykationisert stivelse under varmebehandling ved høye tørrstoffinnhold, fortrinnsvis overstigende ca. 2 vekt%.

Dette ønskemål har overraskende vist seg å være mulig å oppfylle ved en fremgangsmåte ifølge patentkrav l's karak-teriserende del, nemlig at partikler inneholdende høykatio-nisert stivelse med en substitusjonsgrad på minst 0,07 blandes med kaldt vann som har en temperatur i området 0 - 35°C i en mengde slik at tørrstoffinnholdet overstiger 2 vekt% og utsettes for skjærkrefter i løpet av 1 min. etter at stivelsespartiklene har kommet i kontakt med vannet, og at eventuelt dannede agglomerater slås opp og hver enkelt partikkel fuktes, hvoretter oppblandingen oppvarmes til minst 6 0°C i løpet av 1 min og holdes i oppvarmet tilstand til oppløsningens viskositetsmaksimum passeres.

Et ytterligere trekk fremgår av krav 2.

Fremgangsmåten kan anvendes for oppløsning av all slags stivelse, men er spesielt fordelaktig ved oppløsning av høykationisert stivelse. Med høykationisert stivelse menes stivelse med en substitusjonsgrad på minst 0,07 og opp til 1. Med oppvarmet tilstand menes en temperatur på minst 60°C, fortrinnsvis minst 80°C, spesielt minst 100C°C. For å unngå altfor omfattende nedbrytning av stivelseskjedene bør temperaturen holdes under 135°C, fortrinnsvis under 130°C. Av samme grunn kan det i visse tilfeller være ønskelig å holde eventuelle skjærekrefter under varmebehandlingen så små som mulig. Det kalde vannet har med fordel en temperatur fra 0 til 35°C, fortrinnsvis fra 0 til 25°C, spesielt fra 0 til 20°C. Den øvre temperaturgrense beror bl.a. på stivelsens substitusjonsgrad. For høy temperatur innebærer i det minste ved høye substitusjonsgrader risiko for altfor rask viskositetetsøkning, hvilket vanskeliggjør fuktingen og videre håndtering av løsningen. Den nedre temperaturgrense er ikke kritisk. Stivelsespartiklene har fortrinnsvis en diameter på mindre enn 1 mm, spesielt under 0,5 mm, mest foretukket under 0,2 mm. Oppløsningen fungerer i prinsipp bedre jo mindre partiklene er, men en lavere grense settes av håndteringstekniske hensyn, f.eks. når det begynner å opptre problemer med støving.

Etter at en stivelsespartikkel er blitt fuktet, begynner den å svelle, hvilket er den fremste grunn til den kraftige viskositetsøkning under oppløsningsprosessen. Hvilken viskositet som er utilfredsstillende av hånderingssyns-punkt, avhenger av den anvendte utrustning. Det foretrekkes at hovedsakelig hele viskositetsøkningen skjer etter at i alt vesentlig hele viskositetsøkningen skjer etter at i alt vesentlig hele mengden av partikler er fuktet, ettersom de ikke fuktede partikler har en tendens til å danne agglomerat som en altfor viskøs væske har vanskelig for å trenge gjennom. I særdeleshet foretrekkes det at i det alt vesentlige hele viskositetsøkningen skjer når blandingen er i oppvarmet tilstand, ettersom det ellers finnes risiko for avleiringer i pumper, munnstykker og lignende. Det foretrekkes til og med at i det alt vesentlige ingen svelling av stivelsespartiklene har skjedd før blandingen utsettes for de skjærekrefter som kreves for å slå i stykker eventu elle agglomerater. Således bør så kort tid som mulig gå fra det tidspunkt at den første til den siste stivelsespartikkel i et væskeelement er fuktet, hvilket oppnås ved å utsette blandingen for sterke skjærekrefter for å slå i stykker agglomerat og klumper under samtidig fukting av partiklene så raskt som mulig etter at de er kommet i kontakt med vannet. Hvor lang kontakttid mellom partiklene og vannet som kan aksepteres innen tilstekkelig fukting er oppnådd, og innen oppvarmet tilstand er oppnådd, avhenger av stivelsens substitusjonsgrad og det kalde vannets temperatur. Jo høyere substitusjonsgrad på stivelsen og jo høyere temperatur på det kalde vannet, desto kortere er den maksimalt tillatte kontakttid. I alminnelighet er det fordelaktig at blandingen utsettes for sterke skjærekrefter innen 5 min, fortrinnsvis innen 1 min, spesielt innen 3 0 s, og i særdeleshet innen 10 s etter at stivelsespartiklene er kommet i kontakt med vannet. Skjærekreftene er da på egnet måte tilstrekkelig sterke for at i alt vesentlig hele mengden stivelsespartikler er fuktet innen 5 min, fortrinnsvis innen 1 min, spesielt innen 30 s, i særdeleshet innen 10 s etter at de er kommet i kontakt med vannet. Det er også passende at blandingen med fuktede partikler brin-ges til oppvarmet tilstand innen 5 min, fortrinnsvis innen1min, spesielt innen 30 s, i særdeleshet innen 10 s.

Fortrinnsvis holdes vannet i oppvarmet tilstand under en tid fra 10 s til 5 min, i særdeleshet fra 30 til 90 s.Oppvarmningen kan f.eks. skje i en jetkoker med et trykk, slik at væsken ikke koker. Etter avsluttet varmebehandling foretekkes det at løsningen fortynnes til et tørrstoffinn-hold fra 0,1 til 2 vekt%.

Fortrinnsvis utsettes blandingen av stivelse og kaldt vann for skjærekrefter i en malingsoppløser, hvor den kontinuerlig ledes gjennom et hus, i hvilket et roterende organ er anordnet, hvilket organs perifere rotasjonshastighet fortrinnsvis er høyere enn stivelsesblandingens transportha- stighet. Derved slås eventuelle agglomerater og klumper effektivt i stykker, samtidig som stivelsespartiklenene fuktes. Fortrinnsvis inneholder væsken som forlater ma-lingsoppløseren vesentlig ingen stivelsespartikler som ikke er fuktet. Det foretrekkes at stivelsespartiklene fuktes. Fortrinnsvis inneholder væsken som forlater malingsoppløse-ren vesentlig ingen stivelsespartikler som ikke er fuktet. Det foretrekkes at stivelsesblandingens gjennomsnittlige oppholdstid i huset er fra 1 til 30 s, i særdeleshet fra 5 til 20 s.

Det er foretrukket at malingsoppløseren med det roterende organ omfatter i det minste en eventuelt skråstilt motor-skive, i hvis sentrale parti en roterende drivaksel er anordnet. Fortrinnsvis er huset innvendig vesentlig sylindrisk og innbefatter et aksielt .innløp og et tangensielt utløp. Utløpet er med fordel dekket av et segment med hull eller slisser, hvis dimensjon bestemmer den maksimale størrelse på partikler som mates ut. Videre foretrekkes det at det roterende organ er utformet således at avstanden mellom dets periferi og husets indre manteloverflate er vesentlig konstant. Om huset er sylindrisk, og det roterende organ utgjøres av en skråstilt vesentlig plan skive, foretrekkes det derfor at skiven har en oval, fortrinnsvis vesentlig elliptisk utstrekning. Ytterligere er det foretrukket at husets indre manteloverflate er utstyrt med rifler i hovedsakelig aksiell retning og/eller hovedsakelig vinkelrett mot aksialretningen, samt at det roterende organs periferi er utstyrt med tenner som passer inn i husets rifler langs rotasjonsretningen. En malingsoppløser ifølge beskrivelsen ovenfor påminner om en sentrifugalpumpe som gir større skjærekrefter og mindre pumpeeffekt. Fortrinnsvis er den plassert før en eventuell pumpe. Anordninger som oppviser ovennevnte kjennetegn og kan anvendes ifølge oppfinnelsen, er kommersielt tilgjengelig under varemerket "Gorator". Også andre anordninger med vesentlig samme effekt kan dog komme på tale, så som en malingsopplø- ser som innbefatter et i alt vesentlig sylindrisk hus med en i alt vesentlig sylindrisk, fortrinnsvis med tenner utstyrt roterende kropp, hvilken type eksempelvis er tilgjengelig under varemerket "Ytron".

En annen egnet malingsoppløser utgjøres av en roterende fortrengningspumpe, f.eks. en tannhjulspumpe, flikrotorpum-pe, eller vingrotorpumpe. Pumpen drives med en høyere rotasjonshastighet enn stivelsesblandingen transporteres i, hvilket kan bevirkes ved å lede inn luft i systemet på pumpens sugeside. I denne utførelsesform kreves i alminnelighet ingen ytterligere pumpe, hvilket reduserer investeringskostnadene .

Det er spesielt foretrukket at stivelsespartiklene blandes med vannet ved at de mates inn i en trakt til hvilken vannet tilføres i tangensiell retning, slik at en virvel oppstår. På denne måte kommer også luft inn i systemet, hvilket er en fordel hvis en malingsoppløser bestående av en roterende fortrengningspumpe anvendes. Deretter tilføres ytterligere vann før blandingen ledes til en malingsopp-løser, og siden via en pumpe videre til en jetkoker. Fortrinnsvis er stivelsens gjennomsnittlige oppholdsstid fra og med trakten til jetkokerens innløp fra 1 til 60 s, i særdeleshet fra 5 til 50 s. Det er dog også mulig å anvende en malingsoppløser i hvilken selve blandingen av stivelsespartikler og vann skjer.

Med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan et tørrstoffinn-hold opptil ca. 5 vekt% holdes ved varmebehandlingen dersom stivelsen har en substitusjonsgrad opptil 0,3 og inneholder fra0,01 til 5 vekt% aluminium i form av aluminat ifølge de tidligere nevnte EP patentskriftene 233336 og 303039. Dersom stivelsen har substitusjonsgrad eller mangler aluminat, kan enda høyere tørrstoffinnhold holdes, f.eks. opptil ca.10 vekt%. Ved høyere substitusjonsgrader, f.eks. fra 3 til 1, bør tørrstoffinnholdet holdes noe lavere. Ved frem gangsmåten ifølge oppfinnelsen kan store mengde energi spares.

Oppfinnelsen vedrører også en anordning egnet for fremstilling av en stivelsesløsning. Anordningen innbefatter middel for blanding av partikler med vann, fortrinnsvis inkluderende en trakt til hvilken partikler kan tilføres aksielt, og væske kan tilføres tangensielt, middel for frembringing av skjærekrefter som er tilstrekkelig store for knusing av eventuelle agglomerater og total fukting av hver enkel partikkel, fortrinnsvis en malingsoppløser som omfatter et hus i hvilket et roterende organ er anordnet, samt middel for oppvarming av blandingen, fortrinnsvis inkluderende en jetkoker. Det er også mulig at midlene for blanding av partikler og vann samt frembringing av skjærekrefter utfø-res av en og samme malingsoppløser.

Videre vedrører oppfinnelsen en stivelsesløsning som i alt vesentlig er fri for usvellede stivelseskorn og fremstilt ifølge ovenfor beskrevne metode, samt anvendelse av en sådan løsning ved tilvirkning av papir eller masseark, først og fremst papir. Med fordel utnyttes stivelsesløs-ningen i kombinasjon med anioniske uorganiske partikler for forbedring av retensjon og/eller avvanning ved fremstillin-gen. Bentonitter som beskrevet i patentsøknad nr. 235893, er egnet. Silisiumoksydbaserte partikler, dvs. partikler som er basert på Si02, som kan utnyttes i foreliggende fremgangsmåte, innbefatter kolloidal silisiumoksyd og kolloidal aluminiummodifisert silisiumoksyd eller alumini-ums il isiumoksyd og forskjellige typer polykiselsyrer. Disse tilsettes til den cellulosefiberinneholdende suspensjon i form av kolloidale dispersjoner, såkalte soler. Egnede silikatsoler er slike som beskrives i ovennevnte EP patent 41056, respektive PCT patentsøknad WO 86/00100. Andre egnede silikatsoler beskrives i SE-patentsøknad 8903753-5. Egnede soler basert på polykiselsyre, hvorved menes at kiselsyremateriale foreligger i form av meget små partik ler, av størrelsesorden 1 nm, med meget høy spesifikk overflate, over 1000 m<2>/g og opp til 1700 m<2>/g og med en viss grad av aggregat elle mikrogeldannelse, beskrives i EP patentsøknad nr. 348366, EP-patentsøknad nr. 359552 og PCT-patentsøknad WO 89/06637. Mengden av anionisk uorganisk materiale som tilsettes til fibersuspensjonen for fremstilling av papir eller masseark, bør være minst 0,1 kg/tonn, regnet som tørt på tørre fibre og eventuelle fyllmidler. Egnede mengder ligger innenfor intervallet 0,1 til 5 kg/tonn. Vektforholdet av den kationiske stivelse til det uorganiske materiale bør være minst 0,01:1 og med fordel minst 0,2:1, Av den kationiske stivelse utnyttes vanligvis mengder på minst 0,1 kg/tonn, beregnet som tørrt på tørre fibre og eventuelle fyllstoffer. Med fordel utnyttes mengder på fra 0,5 til 50 kg/tonn. Andre kationiske polymerer, såsom f.eks. kationiske polyakrylamider, polyetyleniminer og poly(diallyldimetylammoniumklorid) og polyamidoaminer kan også utnyttes sammen med den kationiske stivelse og det uorganiske materiale.

En utførelsesform av oppfinnelsen anskueliggjøres i det følgende i tilknytning til de vedlagte tegninger, av hvilke fig. 1 viser en prinsippskisse av en egnet oppløsningsan-ordning, figur 2 og 3 viser et sidesnitt, respektive et aksielt snitt av en foretrukken malingsoppløser, og figur 4 viser et planriss av en rotorskive med en malingsoppløser ifølge figurene 2 og 3.

Under henvisning til figur 1 vises en silo 1 for stivelsespulver tilknyttet til en skruetransportør 2 som munner ut ovenfor en trakt 3. Traktens 3 øvre del innbefatter et tangensielt innløp 4 for vann, mens den nedre del går sammen med en vannledning 14 som kommer fra en nivåtank 7 innbefattende en flottør 8 for styring av vann-nivået. Vannledningen 14 går via en malingsoppløser 5 og en pumpe 6, fortrinnsvis en ekssenterskruepumpe, til en jetkoker 10 som mates med vanndamp via dampledningen 15. Jetkokerens 10 utløp 11 går sammen med en ledning 12 for fortynningsvann og danner sammen en utløpsledning 13. Dersom malingsopplø-seren 5 utgjøres av en roterende fortrengningspumpe, kan pumpen 6 utelates.

Figur 2, 3 og 4 viser en malingsoppløser 5 som kan anvendes ifølge oppfinnelsen. Et aksielt innløp 21 leder til et hovedsakelig sylindrisk hus 20, hvis indre manteloverflate er utstyrt med langsgående 27 og tverrgående 28 rifler samt et tangensielt utløp 22. I huset er en skråstilt hovedsakelig plan rotorskive 24 anordnet, og i sitt sentrale parti festet ved en drivaksel 25, koblet til en motor. Rotorski-ven 24 strekker seg hovedsakelig over husets hele aksielle lengde, og er i planet hovedsakelig elliptisk utformet, slik at den kan rotere med hovedsakelig konstant avstand mellom skivens 24 periferi og husets 20 manteloverflate. Rotorskivens 24 periferi er videre utstyrt med tenner 29 som passer inn i husets 20 tverrgående rifler 28, dog uten å være i direkte kontakt med husets 20 vegg. Utløpet 22 er utstyrt med et segment 26 med hull eller slisser som hin-drer altfor store klumper i å passere. Av figur 4 fremgår det hvordan den med tenner 2 9 utstyrte rotorskive 24 oppviser en i planet vesentlig elliptisk utstrekning.

Ved fremgangsmåten for oppløsning av stivelsespulver ifølge oppfinnelsen mates dette fra siloen 1 gjennom skruetrans-portøren 2 til trakten 3, hvor de blandes med vann som tilføres tangensielt gjennom innløpet 4, hvorved en virvel dannes. Deretter fortynnes blandingen med ytterligere vann fra nivåtanken 7. Fortrinnsvis kommer fra 15% til 60 % av vannet gjennom trakten, mens resten kommer fra nivåtanken. Deretter ledes blandingen inn i malingsoppløseren 5 gjennom innløpet 21 og utsettes for sterke skjærekrefter i huset 20 med den roterende skive 24, hvorigjennom eventuelle agglomerater slås i stykker, og partiklene fuktes innen de forlater malingsoppløseren via utløpet 22. Malingsoppløse-ren gir et visst bidrag til pumpingen, hvilket dog er betydelig mindre enn bidraget fra pumpen 6 som viderebefor-drer blandingen til jetkokeren 10, hvor den sprayes inn sammen med vanndamp fra dampledningen 15. I jetkokeren 10 råder et trykk som er tilstrekkelig høyt for å forhindre koking ved arbeidstemperaturen, som med fordel er fra 60 til 130°C. Ved utløpet 11 har all stivelse løst seg, og løsningen blandes med fortynningsvann fra ledningen 12 innen det eventuelle overtrykk slippes, hvilket forhindrer at løsningen begynner å koke.

EKSEMPEL 1

En stivelsesløsning ble fremstilt kontinuerlig av høykatio-nisert stivelse med en substitusjonsgrad på 0,18 og inneholdende 2 vekt% natriumaluminat i en anordning ifølge figur 1 - 3. 62,4 kg stivelsespulver og 1,350 m<3>kaldt vann (16-17°C) pr. time ble blandet i trakten 3, ble fortynnet med 0,050 m3 kaldt vann pr. time, og ble pumpet gjennom en malingsoppløser 5 av merket "Goratorn" (omdr. 1435/min) og pumpen 6 til jetkokeren 10, hvor ca. 5 kg damp pr. kg stivelse ble tilført. Temperaturen i kokeren var 87°C, og tørrstoffinnholdet var 3,5 vekt%. Etter å ha passert jetkokeren, ble løsningen fortynnet med 1,4 00 m<3>vann pr. time.Blandingen av stivelse hadde en gjennomsnittlig oppholdstid fra den hadde passert malingsoppløseren på 15 s, frem til jetkokeren på 26 s og i jetkokeren på 90 s. Den fremstilte stivelsesløsning var i alt vesentlig fri for usvellede stivelseskorn.

EKSEMPEL 2

Samme stivelseskvalitet og samme utrustning som i eksempel1ble anvendt, hvorved 52 kg stivelsespulver pr. time ble blandet med 1,350 m3 kaldt vann (2-3°C) pr. time i trakten og ble fortynnet med 0,3 50 m<3>kaldt vann pr. time. Til jetkokeren ble det tilført ca. 5 kg damp pr. kg stivelse, slik at temperaturen ble 110°C, mens tørrstoffinnholdet var2,4 vekt%. Etter å ha passert jetkokeren, ble løsningen fortynnet med 2100 m<3>vann pr. time. Blandingen av stivelse og vann hadde en gjennomsnittlig oppholdstid frem til den hadde passert malingsoppløseren på 13 s frem til jetkokeren på 21 s og i jetkokeren på 80 s. Den fremstilte stivelses-løsning var i alt vesentlig fri for usvellede stivelseskorn.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av en stivelsesoppløs-ning, karakterisert vedat partikler inneholdende høykationisert stivelse med en substitusjonsgrad på minst 0,07 blandes med kaldt vann som har en temperatur i området 0 - 35°C i en mengde slik at tørrstoffinnholdet overstiger 2 vekt% og utsettes for skjærekrefter i løpet av 1 min etter at stivelsespartiklene har kommet i kontakt med vannet, og at eventuelt dannede agglomerater slås opp og hver enkelt partikkel fuktes, hvoretter oppblandingen oppvarmes til minst 60°C i løpet av 1 min og holdes i oppvarmet tilstand til oppløsningens viskositetsmaksimum passeres .

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1.karakterisert vedat blandingen av stivelsespartikler og kaldt vann utsettes for skjærekrefter i en anordning der den kontinuerlig ledes gjennom et hus (20) , i hvilket et roterende organ (24) er anordnet, hvorved eventuelle agglomerater og klumper knuses, samtidig som stivelsepartiklene fuktes.

3. Stivelsesløsning, karakterisert vedat den er i alt vesentlig fri for usvellede stivelseskorn og fremstilt ved fremgangsmåten ifølge et av kravene 1 - 2.

4. Anvendelse av en stivelsesløsning ifølge krav 3 ved tilvirkning av papir eller masseark.

5. Anvendelse ifølge krav 4, karakterisert vedat stivelsesløsningen utnyttes i kombinasjon med anioniske uorganiske partikler.