NO780628L - Fyllstoffer. - Google Patents

Description

Fyllstoff.

Foreliggende oppfinnelse vedrører mineralfyllstoffer og

mere spesielt vedrører den et hvitt leirefyllstoff som er egnet for anvendelse ved fremstilling av papir. e.l..

Ved fremstilling av papir e.l. er det vanlig praksis at

det i massen e.l.. innarbeides et mineralfyllstoff, hvis anvendelse bi.a. reduserer produktets kostnad. Ettmineral-fyllstoff som anvendes for dette formål er kaolin, som er en hvit leire, som også medfører en forbedring av papirets opasitet og trykkegenskaper. Imidlertid vil kaolinfyllstoff vanligvis føre til en reduksjon av papirets styrke-egenskaper.

I henhold til etttrekk ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt ' et fyllstoff for papir e.l. omfattende partikler av en hvit leire som har (a) en partikkelstørrelsefordeling slik at den ikke inneholder mer enn 18 vekt-% partikler som er mindre enn en ekvivalent sfærisk diameter på 2 um, (b)

en abrasjon mindre enn 120 "Valley" og (c) en lyshet (målt som prosent reflektans for lys av bølgelengden 457 nm)

på minst 76%.

I henhold til et annet trekk ved foreliggende oppfinnelse

er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for fremstilling av et fyllstoff for papir e.l. som omfatter å underkaste et hvitt leiremateriale for en partikkelstørrelseklassifi-sering i den hensikt å oppnå et produkt som ikke inneholder mer enn 18 vekt-% partikler som er mindre enn 2 pm ekvivalent sfærisk diameter, om nødvendig underkaste leirematerialet en foredlingsbehandling i den hensikt å redusere antall partikler som har abrasive egenskaper slik at

sluttproduktet utviser en abrasjon på mindre enn 120 "Valley", fjerne eller bleke en tilstrekkelig andel av tilstedeværende jernholdige forurensninger for å sikre at det hvite leirefyllstoff har en lyshet på minst 76% (målt som prosent reflektert lys ved en bølgelengde på 457 nm). 1 henhold til et ytterligere trekk ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt et papir e.l. produkt inneholdende et hvitt leirefyllstoff, hvor papiret inneholder en mengde av det hvite leirefyllstoff slik at papir eller et lignende produkt har en sprengstyrke som er minst 60% av den sprengstyrke som utvises av tilsvarende papir uten leirefyllstoff, og hvor leirefyllstoffet omfatter partikler av en hvit leire som har (å) en partikkelstørrelsefordeling slik at det hvite leirefyllstoffet inneholder mindre enn 18 vekt-% partikler, hvis diameter er mindre enn en tilsvarende sfærisk diameter på

2 um, (b) en abrasjon på mindre.enn 120 "Valley" og (c)

en lyshet (målt som prosent reflektert lys av en bølgelengde på 457 nm) på minst 76%.

I henhold til foreliggende oppfinnelse utføres partikkel-størrelseklassifiseringen fortrinnsvis som en to-trinns gravitasjons- eller sentrifugalsedimentasjonsprosess. Ytterligere kan anrikning av leirefyllstoffet med fordel utføres ved enten å underkaste det for en skumfIotasjonsprosess, vanligvis under anvendelse av et kationisk hjelpemiddel, hvorved kaolinpartiklene bringes til å flyte, mens kvarts og andre abrasive mineralforurensninger synker til bunnen i fIotasjonscellen, eller kaolinet kan underkastes en to-fase-separasjonsprosess av de typer som er beskrevet i de britiske patenter nr. 1.222.508 og 1.475.881. For å oppnå

en hvit leire med den krevde lyshet fjernes jernforurensninger fortrinnsvis ved magnetisk separasjon og/eller ble-

kes ved hjelp av en reduserende blekeprosess.

I henhold til én utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen utføres, følgende trinn:

(i) en suspensjon av råkaolin behandles for å fjerne korn, (ii) den avkornede kaolinsuspensjon deflokkuleres og underkastes en partikkelstørrelseklassifikasjonsprosess ved gravitasjon eller sentrifugalsedimentasjon til å gi fint kaolin av papirbelegningstype og et grovere kaolin, (iii) det grove kaolin underkastes minst en ytterligere partikkelstørrelseklassifikasjonsprosess for å redusere vekt-%-andelen av partiklene hvis størrelse 'tilsvarer en sfærisk diameter på, mindre enn 2 um i det grove kaolin til under 18%, (iv) det grove kaolinprodukt fra trinn (iii) underkastes en foredlingsprosess for å redusere andelen av abrasive partikler, (v) det foredlede, grove kaolin i form av en vandig suspensjon underkastes en behandling slik at misfargende jerninneholdende forurensninger fjernes eller blekes, og (vi) produktet erholdt ifølge trinn (v) avvannes på en slik måte at dannelse av partikler med en størrelse som tilsva~rer en sfærisk diameter på mindre enn 1 um minimaliseres og for å gi et hvitt leirefyllstoff inneholdende mindre enn 25 vekt-% vann.

Før trinn (i) i fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen blir råkaolinsuspensjonen vanligvis fortykket til en spesifikk vekt i området 1,050 til 1,100.

I trinn (i) i henhold til foreliggende fremgangsmåte fjernes partikler større enn 53 um.

I trinn (ii) ifølge foreliggende fremgangsmåte kan den

.avkornede kaolinsuspensjon deflokkuleres eksempelvis ved hjelp av et vannoppløselig kondensert fosfatsalt, et vann-oppløselig salt av apolysilisiumsyre eller et organisk polymert dispergeringsmiddel, såsom et vannoppløselig salt av

en polyakrylsyre med en midlere molekylvekt som ikke overstiger 10 000, eller ved hjelp av ét vannoppløselig kopolymert deflokkuleringsmiddel av den art som er beskrevet i britisk patent nr. 1.414.964.

I trinn (iii) ifølge foreliggende fremgangsmåte utføres par-tikkelstørrelseklassif isering passende ved hjelp av gravitasjon, eller sentrifugalsedimentasjon og fortrinnsvis under betingelser slik at, i alle fall teoretisk, alle partikler med en størrelse som tilsvarer en sfærisk diameter større enn d um, hvor d velges til å ligge i området. 4-12, bør gå over i den grove fraksjon. Det er nødvendig å utføre minst én ytterligere partikkelstørrelseklassifikasjonsprosess fordi når sedimentasjonsprosessen anvendes i praksis kan . partikler med en ekvivlaent sfærisk diameter betydelig mindre enn d um føres inn i grovfraksjonen sammen med de større partikler. Kun én ytterligere partikkelstørrelse-klassif ikas jon er vanligvis nødvendig da dette vanligvis er tilstrékkelig til å redusere vekt-%-andelen av partikler med en ekvivalent partikkelstørrelsediameter mindre enn 2 um til under 18%. Fortrinnsvis utføres klassifika-sjonsprosessen på en slik måte at man reduserer vekt-%-andelen av partikler med en ekvivalent sfærisk diamter mindre enn 1 um til 10% eller mindre.

Mineralanrikningsprosessen ifølge trinn (iv) ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er fortrinnsvis en skumfIotasjonsprosess eller en to-væskefaseseparasjonsprosess. I begge tilfeller anvendes et kationisk oppsamlingsmiddel for å gjøre kaolinpartiklene hydrofobe, slik at de for tilfellet av skumfIotasjon overgår i skummet og for tilfellet av en to-væskefaseseparasjon til grenseflaten mellom det vandige medium og den ikke-polare organiske væske, mens abrasive forurensende partikler forblir i det vandige medium. Abra-sjonen for det foredlede kaolin, målt i henhold til "Valley "-abrasjonsprøven, bør være. mindre enn 120 og fortrinnsvis mindre enn 100. "Valley"-abrasjonsprøven utføres på føl-gende måte: Apparatet som anvendes omfatter en maskin som gnir en suspensjon av materialet som skal undersøkes over overflaten av et rektangulært stykke av en papirmaskinvire, (dvs. en vireduk) og således forårsake slitasje på viren.

De nødvendige bestanddeler av.apparatet er en flat, perforert bæreplate for virestykket og en ramme for å holde viren fast på plass, et sirkulasjonssystem for å tilføre suspensjonen av materialet som skal undersøkes med en konstant tilførsels-hastighet til den øvre overflate av viren, en veid bronseblokk med et perforert underlagsmateriale fremstilt av et syntetisk plastmateriale for å fordele suspensjonen over virens overflate, samt .et egnet motorarrangement som driver sirkulasjonspumpen og som beveger den yeide blokk frem og tilbake over overflaten av viren. Det er den glidende virkning av den veide blokk på viren sammen med suspensjonen av prøvematerialet på grensefalten som forårsaker vireslitasje. Den anvendte papirmaskinvire i denne prøven er en 60 mesh x 60 mesh enkelt vevet fosforbronsevireduk med en.virediameter på 0,17 mm og hvert prøvestykke utskjæres med dimensjonene 241 mm x 121 mm. Blokken har en totalvekt, ikke innbefattende drivarmen, på 8,85 kg og den perforerte base utgjøres av et linforsterket fenol-formaldehydharpiksmateriale som mar-kedsføres under handelsnavnet "TUFNOL", kontaktflaten med viren har dimensjonene 78 mm x 95 mm. Vektblokken føres frem og tilbake ved hjelp av en drivarnv som glir i et langstrakt lager for å sikre nøyaktig rektilineærbevegelse. Drivarmen beveges via en forbindelsesarm ved hjelp av et drivhjul som roteres i horisontalplanet ved hjelp av motorarrange-mentet. Frekvensen for den veide blokk er 95 sykler/min.

og slaglengden er 102 mm, slik at det totale slitearealet på virestykket er 78 mm x 197 mm.

Suspensjonen av forsøksmaterialet fremstilles ved å disper-gere 75 g av forsøksmaterialet. i kaldt vann, sile suspensjonen gjennom en nr. 150 mesh B.S. Sieve (nominell åpning 104 pm) og fortynne volumet av den silte suspensjon til 2400 ml med kaldt vann og justere pH til 5,0 med fortynnet syre eller alkali om nødvendig.

For å utføre "Valley"-abrasjonsprøven vaskes et rektangulært stykke av viren av den ovenfor angitte type og dimensjoner med kaldt vann og eventuelle løse deler fjernes. Viren tør-kes deretter i en ovn ved 80°C i 30 min. og blir deretter avkjølt i en desikkator i 10 min.. Vekten av virestykket bestemmes deretter til det nærmeste mg. Deretter plasseres viren på den perforerte bæreplate og fastspennes ved hjelp av rammen. Suspensjonen sirkuleres gjennom den.perforerte base av den veide blokk, virestykket og den perforerte støtte-plate med en jevn strømningshastighet på 850 ml/min. og den veide blokk settes i bevegelse og får gjennomløpe 6000 sykler. Deretter slås motoren av og vireduken fjernes, vaskes og tørkes som tidligere angitt, og vekten bestemmes til det nærmeste mg. Virestykkets vekttap i mg er mål på prøvemateria-lets abrasjonsgrad, men for.å kompensere for eventuelle variasjoner i egenskapene for virestykkene bestemmes vekttapet for et ytterligere virestykke, som så langt mulig er identisk med det første stykket og under anvendelse av de samme betingelser, men hvor det anvendes en suspensjon inneholdende et standard materiale med kjent "Valley"-abrasjon. "Valley"-abrasjonen for det undersøkte materialet bestem-

mes deretter fra den følgende formel

hvor A er "Valley"-abrasjonen for det undersøkte materialet A s er "Valley"-abrasjonen for standard-materialet

er vekttapet av viren under anvendelse av prøve-materialet

W ser vekttapet av viren under anvendelse av standard-materialet.

I trinn (v) av foreliggende fremgangsmåte elimineres den uønskede effekt av misfargende jerninneholdende forurensninger fortrinnsvis ved hjelp av enten magnetisk separasjon eller kjemisk oppløsning. For tilfellet av magnetisk, separasjon bør den magnetiske feltintensitet fortrinnsvis være minst 1.0 000 gauss for å oppnå en god kombinasjon av høy ekstraksjon av misfargende forurensninger og en tilfredsstil-lende produksjonshastighet. For tilfellet av kjemisk oppløs-ning av jerninneholdende forurensninger utføres dette fortrinnsvis ved å behandle en vandig suspensjon av foredlet kaolin, erholdt ved slutten av trinn (iv) med et reduserende middel såsom natrium- eller sinkditionitt, hvilket reduserer jern til jern(II) og gjør det vannoppløselig. Om nødvendig kan en kombinasjon av magnetisk separasjon og kjemisk oppløs-ning anvendes. Refleksjonen av lys med en bølgelengde på

457 nm av produktet ifølge trinn (v) bør minst være 76,0%

og fortrinnsvis 78,0% når det måles ved hjelp av en "ELREPHO"-lyshetsmåler i henhold til ISO standarder nr. 246, 2470 og 2471.

I trinn (vi) av foreliggende fremgangsmåte avvannes den vandige suspensjonen erholdt ved slutten av trinn (v) ved trykk-filtrering ved et trykk overstigende 7,4 kg/cm 2til å gi et avvannet produkt inneholdende mindre enn 25 vekt-% vann, fortrinnsvis mindre enn 20 vekt-% vann. Et rørtrykkfilter såsom beskrevet i britisk patent nr. 1.240.465 er velegnet for å utføre dette trinn. Et varmetørketrinn kan anvendes etter trykkfiltreringstrinnet forutsatt at svært lite mekanisk arbeide bibringes filterkaken og at overflatetemperaturen av materialet ikke får overstige 120°C. En egnet tørker vil være en båndtørker på hvilken filterkaken avsettes, uten ytterligere mekanisk behandling såsom ekstrudering eller pelletisering, på en bevegelig vireduk og føres gjennom en varmesone hvori temperaturen er slik at overflatetemperaturen for materialet ikke overstiger 120°C.

Produktet erholdt i henhold til foreliggende fremgangsmåte vil når det innarbeides i en mengde på opptil 17 vekt-% gi et papir som har.en sprengstyrke som er minst 60% av sprengstyrken for et tilsvarende papir ikke inneholdende fyllstoffet.

Oppfinnelsen illustreresved hjelp av det følgende eksempel.

Eksempel

Et hvitt leirefyllstoff for papir ble fremstilt på følgende måte:

En vandig suspensjon av råkaolin inneholdende glimmer, kvarts

og feltspat som forurensninger ble fortykket til en spesifikk vekt i området 1,050 - 1,100 og deretter avkomet for i det vesentlige å fjerne alle partikler med en diameter større enn 53 um. Den fortykkede suspensjon av avkomet kaolin ble deflokkulert ved hj.elp av et natriumpolyakrylatdispergerings-middel med en midlere molekylvekt på 1650 og den derved erholdte deflokkulerte suspensjon ble underkastet partikkel-størrelseklassif ikas jon i en "scroll"-type sentrifuge under betingelser slik at i alle fall teoretisk alle partikler med en ekvivalent sfærisk diameter større enn 5 pm skulle gå over i den grove fraksjonen. Ved denne klassifiseringspro-sess ble det i virkeligheten erholdt fint kaolin av papirbe-legningsgrad og et grovt kaolin med egenskaper for et konvensjonelt papirfyllstoff som fremdeles inneholdt ca. 20 vekt-% partikler med en ekvivalent sfærisk diameter mindre enn 1 pm.

Det grove produktet ble underkastet en ytterligere, tilsvarende partikkelstørrelseklassifikasjonstrinn i en andre "scroll"-type sentrifuge og det grove kaolin erholdt som et resultat av denne ytterligere klassifikasjon ble underkastet skum-flotasjon under anvendelse av oktadecylaminacetat som kationisk oppsamlingsmiddel slik at i det vesentlige alt ikke-abrasivt kaolinitt og mika-partikler ble brakt til å flyte opp, mens de abrasive partikler, i det vesentlige kvarts og feltspat sank til bunnen i fIotasjonscellene. Det skum-

mede produkt omfattet ca. 50 vekt-% av den tilførte mengde til skumfIotasjonstrinnet og ble sprøytet med vann for å bryte

ned skummet og den erholdte vandige suspensjon ble under-

kastet magnetisk separasjon i en høyintensitet magnetisk se-parator, som omfattet et"séparasjonskammer pakket med stål-

ull og elektromagnetspoler for å etablere et magnetisk felt på ca. 20000 gauss i separasjonskammeret.

Urenhetene ekstrahert i magnetseparasjonstrinnet var i det vesentlige jerninneholdende glimmerpartikler. Det ikke-magnetiske produkt ble funnet å ha en akseptabel reflektans for fiolett lys, men utviste også en viss gulhet, målt som differansen mellom reflektansen for gult lys med en bølge-lengde på 374 nm og reflektansen for fiolett lys med bølge-lengde på 457 nm. Dette kan trolig tilskrives meget finfor-delte jernforurensninger. Det ikke-magnetiske produkt ble blandet med ca. 25% av sin vekt med det grove produkt fra den andre partikkelstørrelseklassifikasjon og den blandede suspensjon ble behandlet med 3 kg natriumditionitt pr. tonn tørt materiale for å bleke det erholdte kaolin.

Den blandede og blekede vandige suspensjon ble deretter avvannet i et rørtrykkfilter ved et trykk pa 84 kg/cm 2til å gi en filterkake av det ønskede fyllstoff inneholdende 16 vekt-% vann.

Den ovenfor beskrevne fremgangsmåte er vist skjematisk i den vedlagte tegning.

Reflektansen for synlig lys for bølgelengdene 457 nm og

574 nm og partikkelstørrelsefordelingen for materialet i de forskjellige trinn av fremgangsmåten er vist i den etterfølgende tabell 1.

Filterkaken ble funnet å ha en abrasjonsverdi,bestemt ved

den ovenfor beskrevne "Valley"-abrasjonsprøve*på over 73.

En vandig suspensjon inneholdende 2 vekt-% fibere, erholdt

ved behandling og maling av bleket sulfittmasse, ble blandet i en omrørt tank med 1,5 vekt-%, regnet på tørrtenkte fibere med forsterket harpikslim og 3 vekt-%, regnet på tørrtenkte fibere, pulverisert aluminiumsulfat. Den erholdte suspensjon av limte fibere ble fortynnet med vann til 1 vekt-% fibere og en flokkulert suspensjon av hvitt leirefyllstoff, fremstilt ved den ovenfor beskrevne metode ble tilsatt i. forskjellige mengder til å gi forskjellige innhold av fyllstoff i fiber-suspensjonen.

De forskjellige blandinger ble tilført innløpskassen på en Fourdrinier-papirmaskin og for hver leiretilsetning ble det fremstilt en papirhane på viren, som ble avvannet og termisk tørket. Prøver av banen for hver leiretilsetning ble veid tørt og deretter forbrent og vekten av asken ble anvendt for å bestemme vekt-%-andelen av fyllstoff i det tørre papir, under hensyntagen til leirens glødetap.

Andre prøver av hvert papir ble undersøkt med hensyn til sprengstyrke ved fremgangsmåten beskrevet i TAPPI standard T401 os-74. Sprengstyrken er definert som det hydrostatiske trykk i kilonewton/m 2nødvendig for å forårsake sprengning av materialet når trykket forøkes ved en kontrollert konstant hastighet■via en sirkulær gummimembran med en diame-

ter på 30,5 mm. Materialet som undersøkes er opprinnelig flatt og holdes fast ved omkretsen, men kan fritt presses

. opp under prøven.

Bruddstyrkene ble dividert med papirets vekt pr. enhets-

flate til å gi spreigfaktoren og sprengfaktoren for hvert ark papir inneholdende fyllstoff ble deretter uttrykt som prosentandelen av sprengfaktoren for et papirark fremstilt av den samme masse uten fyllstoff.

De ovenfor beskrevne forsøk ble deretter gjentatt under anvendelse av et konvensjonelt kaolinfyllstoff med en partikkel-størrelsefordeling slik at 51 vekt-% bestod av partikler med en ekvivalent sfærisk.diameter mindre enn 2 um og 38 vekt-% bestod av partikler med en ekvivalent sfærisk diameter.mindre enn 1 um. Reflektansen for lys med bølgelengde 457 nm var 81,0 og lys med bølgelengde 574 nm var 86,7%. Resultatene er vist i den etterfølgende tabell.

Det kan sees at fyllstoffet i henhold til foreliggende oppfinnelse gir høyere styrkeverdier for et gitt innhold av fyllstoffet i papiret enn konvensjonelt fyllstoff. Alternativt kan en større mengde fyllstoff ifølge oppfinnelsen innarbeides i papiret for en gitt styrkereduksjon.

Reflektansen for lys ved bølgelengde 457 nm ble bestemt for papirprøvene og det ble funnet at for et gitt fyllstoffinn-hold var reflektansen for papir inneholdende fyllstoffet i henhold til oppfinnelsen den samme, innen grensene for eksperimental.f eil, som for papir inneholdende det konvensjonelle fyllstoff.

Claims (7)

1. Fyllstoff for papir e.l. karakterisert ved at det omfatter partikler av en hvit leire med (a) en partikkelstørrelsefordeling slik at det ikke inneholder mer enn 18 vekt-% partikler med en ekvivalent sfærisk diameter mindre enn 2 pm, (b) en abrasjon mindre enn 120 Valley, og (c) en lyshet (målt som prosent refleksjon for lys ved bølgelengde 457 nm) på minst 76%.

2. Fyllstoff ifølge krav 1, karakterisert ved at den hvite leire har en partikkelstørrelsefordeling slik at det ikke inneholder mer enn 10 vekt-% partikler med en ekvivalent sfærisk diameter mindre.enn 1 pm.

3. Fremgangsmåte ved fremstilling av fyllstoff for papir e.l. ifølge kravene 1 eller 2, karakterisert ved trinnene å underkaste et hvitt leiremateriale for en partikkelstørrelseklassifisering for å oppnå et produkt inneholdende ikke mer enn 18 vekt-% partikler med en ekvivalent sfærisk diameter mindre enn 2 pm, om nødvendig underkaste det hvite leirematerialet en foredlingsprosess for å redusere antall partikler med abrasive egenskaper slik at det erholdte produkt har en abrasjon mindre enn 120 Valley, fjerne eller bleke tilstrekkelig jerninneholdende forurensninger for å sikre at det hvite leirematerialet har en lysthet på minst 76% (målt .som prosentvis refleksjon av lys ved bølgelende 457 nm) .

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at klassifiseringen utføres som en to-trinns gravitasjon eller sentrifugalsedimentasjon.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved trinnene (i) en suspensjon av råkaolin behandles for å fjerne korn, (ii) den avkornede kaolinsuspensjon.deflokkuleres og underkastes en partikkelstørrelseklassifikasjonsprosess ved gravitasjon eller sentrifugalsedimentasjon til å gi fint kaolin av papirbelegningstype og et grovere kaolin, (iii) det grove kaolin underkastes minst en ytterligere par-tikkelstørrelseklassif ikas jonsprosess for å redusere vekt-%-andelen av partiklene hvis størrelse tilsvarer en sfærisk diameter på mindre enn 2 um i det grove kaolin til under 10%, (iv) det grove kaolinprodukt fra trinn (iii) underkastes en foredlingsprosess- for å redusere andelen av abrasive par tikl er til et nivå slik at det grove kaolin har.:.en ahrabr..-sjonsverdi mindre enn 100 Valley, (v) det foredlede, grove kaolin i form av en vandig suspensjon underkastes en behandling slik at misfargende jerninneholdende forurensninger fjernes eller blekes, og (vi) produktet erholdt ifølge trinn (v) avvannes på en slik måte at dannelse av partikler med en størrelse som tilsvarer en sfærisk diameter på mindre enn 1 um minimaliseres og for å gi et hvitt leirefyllstoff inneholdende mindre enn 25 vekt-% vann.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at før trinn (i) fortykkes suspensjonen av råkaolin til en spesifikk vekt i området 1,050 - 1,100.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 5 eller 6, karakterisert ved at i trinn (i) fjernes partikler grovere enn 53 um.