SE534210C2 - Process för tillverkning av ett substrat innehållande kiseldioxidpigment som bildas på ytan av substratet - Google Patents

Description

20 25 30 35 534 210 torrhalten av kompositionen minskas och torrhalten av kompositionen innehållande kiseldioxidpigment är såldes ganska låg, vilket reducerar tillverkningshastigheten och ökar mängden vatten som tillsätts till papperet.

Som en konsekvens måste papperet utsättas för kraftig vännebehandling för att torka.

Vid tillverkning av tryckpapper för bläckstråletryckning är det ofta fördelaktigt att tillsätta katjoniska polymerer till lösningen innehållande kiseldioxidpigment vilken därefter tillsätts till pappersytan. Katjoniska polymerer förhindrar till exempel såkallad blödning av trycket om det utsätts för vatten eller utfiädring eller bläckspridning vilket kan ske längs fibrerna. När de katjoniska polymererna blandas med anjoniska kiseldioxidpigment uppstår dock ofta problem med hög viskositet och utfällningar.

En nackdel med användningen av dagens kiseldioxidpigment är även dess nuvarande kostnadsstruktur. Det är normalt väldigt dyrt att köpa tillverkade kiseldioxidpigment då tillverkningsprocessen och torkning av pigmenten för att göra dem användbara i pappersbruk, är väldigt energikrävande. Det är även ganska komplicerat att förvara och hantera de tillverkade kiseldioxidpigmenten vid pappersbruken. Då kiseldioxidpigmenten är porösa är deras volym ofta ganska stor och de tar således upp ganska mycket plats. Som ett alternativ kan kiseldioxidpigmenten transporteras som en lösning till bruken men detta är också dyrt då torrhalten av en kisellösning behöver vara ganska låg för att lösningen ska vara stabil, dvs en stor mängd vatten måste också transporteras.

Det finns således ett behov för en förbättrad process för tillverkning av ett substrat innehållande kiseldioxidpigment.

Beskrivning av uppfinningen Det är ett syfte med uppfinningen att tillverka ett substrat innehållande kiseldioxidpigment på ett förbättrat sätt.

Ett annat syfte med uppfinningen är att tillverka ett substrat innehållande kiseldioxidpigment på ett kostnadseffektivt sätt.

Dessa samt andra syften uppnås av den föreliggande uppfinningen som beskriver en process för tillverkning av ett substrat varvid processen 10 15 20 25 30 35 534 210 innefattar; att tillhandahålla ett substrat innehållande cellulosafibrer, tillsätta en lösning innehållande vattenlösligt silikat till ytan av substratet och behandla substratet så att det vattenlösliga silikatet polymeriseras varvid kiseldioxidpigment bildas på ytan av substratet och slutligen torka substratet med de bildade kiseldioxidpigmenten på ytan.

Det vattenlösliga silikatet är företrädesvis ett alkalimetallsilikat eller en kiselsyra.

Polymeriseringen och/eller utfällningen av det vattenlösliga silikatet kan ske genom tillsats av ett pH ändrande medium eller med hjälp av jonbyte.

Andra kända metoder för att polymeriseringen och bildande av kiseldioxidpigment, såsom dialys eller elektrodialys, kan också användas. Det är viktigt att polymeriseringen och bildandet av kiseldioxidpigment sker på ytan av substratet. Behandlingen med det vattenlösliga silikatet måste därför ske så att kiseldioxidpigmenten polymeriseras och bildas pâ ytan.

Substratet kan behandlas genom tillsats av ett pH ändrande medium till ytan av substratet för att polymerisera och bilda kiseldioxidpigmenten på substratets yta. Det pH åndrande mediet kan vara ett pH reducerande eller pH höjande medium. Reaktionen vid vilket kiseldioxidpigment bildas är en välkänd reaktion av vattenlösligt silikat, företrädesvis alkalimetallsilikat eller kiselsyra, vid ett reducerat eller förhöjt pH. Det är föredraget att lösningen innehållande alkalimetallsilikat och det pH reducerade mediet tillsättas till ytan av substratet så att kiseldioxidpigment bildas på ytan av substratet. Det är även möjligt att reaktionen vid vilket kiseldioxidpigment bildas är en reaktion av kiselsyra vid ett ökat eller reducerat pH.

Genom att separat tillsätta en lösning innehållande vattenlösligt silikat och ett pH ändrande medium till en yta av substratet är det möjligt att tillverka kiseldioxidpigment direkt på ytan av substratet och således undvika nackdelarna nämnda ovan vid tillverkningen, såsom kompabilitet och körbarhet, transport och lagring av kiseldioxidpigmenten.

Genom att separat tillsätta en lösning innehållande vattenlösligt silikat och ett pH ändrande medium till en yta av substratet sker en reaktion vid vilket kiseldioxidpigment bildas. Reaktionen kommer antingen ske vid tillsatsen av det pH ändrade mediet och lösningen innehållande vattenlösligt silikat till ytan 10 15 20 25 30 35 534 210 eller efter tillsatsen av det pH ändrade mediet och lösningen innehållande vattenlösligt silikat till ytan av substratet.

Det pH reducerande mediet kan vara en oorganisk eller organisk syra såsom svavelsyra, saltsyra eller ättiksyra, sura salter, pigment eller gaser.

Andra exempel på pH reducerande medier är natriumorthoborat (borax), natriumbisulfit, natriumbikarbonat, natriumdihydrogenfosfat, koldioxid eller en kombination av två eller fler av dessa substanser. Sura salter av svaga baser och starka syror såsom ammoniumsulfat, aluminiumsulfat, polyaluminiumklorid (PAC), polyaluminiumnitrat (PAN) och liknande kan också användas själv eller i kombination med något av de substanser nämnda ovan.

The pH höjande mediet kan vara en alkalisklösning, såsom natriumhydroxid eller kalciumhydroxid.

Olika typer at kiseldioxidpigment, såsom kiselgel, utfälld kisel och kolloidal kisel, kan bildas vid reaktionen av vattenlösligt silikat vid ett reducerat eller höjt pH. Typen av kiseldioxidpigment som bildas beror på pH vid reaktionen. Den specifika typen av kisel som bildas på ytan kan således kontrolleras genom mängden och koncentrationen av det tillsatta pH ändrande mediet. pH vid reaktionen vid vilket kisel bildas kan vara basisk, neutral och även sur. Om ett pH reducerande medium tillsätts kommer reaktionen ske när pH är reducerat men det är inte alltid nödvändigt att neutralisera pH av lösningen innehållande vattenlösligt silikat eller att göra det surt, även om det ibland är föredraget. Beroende på det pH ändrade mediet som används bildas olika typer av kiseldioxidpigment. Om till exempel polyaluminiumklorid används, tillverkas ett aluminiumsilikat.

Vilket vattenlösligt silikat som helst kan användas i den föreliggande processen, alkalimetallsilikat såsom natriumsilikat (vattenglas) eller kiselsyra är föredragna.

Lösningen innehållande vattenlösligt silikat kan först tillsättas till ytan av substratet följt av det pH ändrande mediet. Det är även möjligt att först tillsätta den pH ändrande mediet till ytan av substratet följt av lösningen innehåtlande vattenlösligt silikat. Reaktionen vid vilken kisel bildas kommer således ske efter tillsats av lösningama till ytan av substratet. 10 15 20 25 30 35 534 210 Det är även möjligt att det pH ändrande mediet och lösningen innehållande vattenlösligt silikat blandas direkt före tillsats till ytan av substratet. Reaktionen vid vilket kisel bildas kommer således ske under tillsatsen, direkt innan tillsats eller efter tillsats av lösningarna till ytan av substratet. Det är möjligt att reaktionen vid vilket kiseldioxidpigment bildas fördröjs så att även om lösningarna blandas före tillsats kan reaktionen ske på ytan av substratet.

Det är föredraget att den största delen av kiseldioxidpigmenten bildas på ytan av substratet för att erhålla de fördelar nämnda här, speciellt för att erhålla den ökade bindningen av pigmenten till fibrer.

Ett eller flera bindemedel kan tillsättas till det pH ändrande mediet och/eller till lösningen innehållande vattenlösligt silikat för att ge yt- eller intemstyrka alternativt våtstyrka till substratet. Det är också möjligt att tillsätta bindemedel separat, dvs utan att blanda det med det pH ändrande mediet eller lösningen innehållande vattenlösligt silikat. Möjliga bindemedel är stärkelse, natriumkarboxymetylcellulosa, hydroxyetylcellulosa, hartser, nanooellulosa eller mikrofibrillerad cellulosa, protein, polyvinyalkohol- polyvinylacetat, akrylat baserade polymerer, guargummi, polyvinylalkohol (PVOH), polyvinylacetat (PVA), styrenakrylat, styrenbutadien eller blandningar av dessa substanser. Andra bindemedel eller reologimodifierandemedel kan också användas.

Andra tillsatsämnen kan också tillsättas antingen till det pH ändrande mediet och/eller till lösningen innehållande vattenlösligt silikat. Exempel på sådana tillsatsämnen är optiska vitmedel (OBA), kalclumklorid, katjoniska polymerer, organiska eller oorganiska pigment, tvärbindare, fuktgivare, fibrer, primer, hydrofobiska medel, biocider eller smörjmedel.

Appliceringen av lösningen innehållande vattenlösligt silikat och det pH ändrade mediet till ytan av substratet kan ske på ett antal olika sätt. Exempel på olika metoder är; med hjälp av valsar i kombination med eller flera filmpressar, med hjälp av sprutmunstycken positionerade i en eller flera linjer tvärsöver substratet, med sprutmunstycken anpassade för dosering av åtminstone två komponenter, med hjälp av ridåbestrykare eller med en kombination av några av dessa metoder. Om en ridåbestrykare används är det möjligt att två eller fler ridåer härstammar från samma bestrykare om både 10 15 20 25 30 35 534 210 en lösning innehållande vattenlösligt silikat och ett pH ändrande medium tillsätts, så att lösningen innehållande vattenlösligt silikat tillsätts genom en ridå och det pH ändrande mediet genom en annan.

Appliceringen av lösningen innehållande vattenlösligt silikat och det pH ändrande mediet kan dessutom ske med hjälp av en ark eller rullmatat tryckpress eller konverteringsmaskin. En offset, flexografi eller bläckstråle tryckpress kan till exempel först trycka lösningen innehållande vattenlösligt silikat och sedan överföra det pH ändrande mediet till ytan och således bilda ett vått i vått appliceringssteg innan ett tredje skikt appliceras utan eller med mellanliggande torkning.

Det kan även vara möjligt att använda sprejsystem på plats för att dosera lösningen innehållande vattenlösligt silikat och det pH ändrande mediet till ytan av substratet. Behandlingen kan därefter följas av torkning eller alternativt anslags eller anslagslöstryckning.

Om det pH ändrande mediet och lösningen innehållande vattenlösligt silikat blandas direkt innan tillsats till ytan av substratet är det föredraget att blandningen sker i ett sprutmunstycke eller på en vals som därefter för det bildade kislet till substratet.

Det är föredraget att behandla bägge sidoma av substratet med det pH ändrande mediet och/eller lösningen innehållande vattenlösligt silikat, men det är även möjligt att bara behandla en sida av substratet.

Det är föredraget att tillsätta en mängd av 0,1-20 g/m2 av kiseldioxidpigment per sida av substratet. Mängden kiseldioxidpigment på substratet beror på slutanvändningen av den färdiga produkten som tillverkas.

Om den färdiga produkten är ett finpapper som används för tryckning, kan kiselhalten företrädesvis vara mellan 0,1-10 g/m2 per sida. Om det är ett medium för högkvalitativt papper för bläckstråletryckning är kiselhalten företrädesvis högre. Koncentrationen vattenlösligt silikat i lösningen som tillsätts substratet regleras på så sätt att mängden kisel på ytan av substratet är inom den önskande nivån, dvs koncentrationen av vattenlösligt silikati lösningen och mängden lösning som tillätts regleras så att mängden kisel på ytan är inom den önskade nivån. Koncentrationen av det pH ändrande mediet kan också regleras för att anpassa och förbättra vissa funktionella egenskaper 10 15 20 25 30 35 534 210 hos papperet såsom statisk elektricitet, bläcksättningsmekanismer eller avfärgningsförmàga.

En fördel med föreliggande uppfinning är att torrhalten av den tillsatta lösningen kan höjas jämfört med om kiseldioxidpigment tillsätts direkt till ytan av substratet såsom beskrivs i bakgrundstekniken. Då lösningen innehållande vattenlösligt silikat och det pH ändrande mediet tillsätts separat till ytan av substratet, undviks de tidigare beskrivna problemen med en lösning innehållande kiseldioxidpigment och det är således möjligt att höja den totala torrhalten på de tillsatta lösningarna. Följaktligen tillsätts mindre mängd vatten till substratet och torkbehoven minskar.

Då det är föredraget att bildandet av kiseldioxidpigment sker på ytan av substratet kommer kiseldioxidpigmenten binda starkare till flbrerna och mängden bindemedel kan möjligtvis reduceras utan att sänka kvaliteten på substratet. Då lösningen innehållande vattenlösligt silikat tillsätts direkt till ytan av substratet kommer lösningen delvis absorberas av flbrerna på ytan av substratet och det bildade kiseldioxidpigmentet kommer således delvis vara inkorporerat i fiberstrukturen av ytan av substratet vilket ökar bindningen mellan kiseldioxidpigmenten och substratet.

Vid reaktionen av vattenlösligt silikat och det pH ändrande mediet bildas dessutom olika salter. Dessa salter tvättas normalt bort vid tillverkningen av kiseldioxidpigment som ska användas i ett pappersbruk. Vid reaktionen av vattenlösligt silikat på ytan av substratet, i enlighet med uppfinningen, tvättas dock inte de bildade salterna bort. Det har visat sig att närvaro av dessa salter förbättrar egenskaperna av substratet då det kan användas till exempel för att reglera de elektriska egenskaperna hos substratet. Vilka typer av salter som bildas beror på vilka kemikalier som används men salterna kan till exempel vara natrium, aluminium eller kalciumsalter.

Det är även möjligt att tillverka ett substrat innehållande mer än ett skikt av kiseldioxidpigment på ytan. Detta kan till exempel ske genom tillsats av en andra lösning innehållande vattenlösligt silikat och ett andra pH ändrande medium. Det är även möjligt att på samma sätt tillverka mer än två skikt av kisel, såsom tre, fyra, fem eller fler. 10 15 20 25 30 35 534 210 Ytterligare en fördel med processen enligt uppfinningen är att det även är möjligt att tillsätta en katjonisk polymer till ytan av substratet utan de nackdelar nämnda ovan. Då bildandet av anjoniska kiselpartiklar sker på ytan av substratet är det ingen blandning av anjoniska kiselpartiklar och de katjoniska polymererna innan tillsats av komponentema till ytan av substratet.

De anjoniska kiselpartiklarna och de katjoniska polymererna kommer följaktligen inte kunna reagera och bilda nämnda utfällningarna.

De mest användbara katjoniska polymererna är katjoniska stärkelser, katjoniskt gummi och katjoniska polyakrylamider, varvid användning av dessa i papperstillverkning har beskrivits i bakgrundsteknik. Andra katjoniska polymerer kan också användas i kombination med kiseldioxidpigment, antingen själv eller som tillsats till de katjoniska stärkelsema, katjoniska gummit och katjoniska polyakryamider. Exempel på sådana katjoniska polymerer är polyethylenimin, polydiallyldimetylammoniumklorid, sampolymerer av akrylamid med 2-metylakryloxyetyltrimetylammoniumklorid, amin-epiklorohydrin kondensatprodukter och katjoniska våtstyrkehartser erhållna genom att kondensera polyaminer med dikarboxylsyror och sedan ytterligare reagera prepolymeren med epiklorohydrin. Katjoniska stärkelser är särdeles användbara genom att de har fördelen med låg kostnad och av att ge papperet torrstyrka. Katjoniska stärkelsen som används kan komma från något av de vanliga stârkelseproducerande materialen, såsom majsstärkelse, potatisstärkelse, vetestärkelse och tapiokastärkelse, även om potatisstärkelse normalt ger det mest föredragna katjoniserande produkterna.

Genom att använda processen enligt uppfinningen kan nackdelarna nämnda ovan undvikas och tillverkningskostnaden för ett substrat, speciellt ett papper för bläckstråletryckning, kan kraftigt reduceras. Energibehovet för tillverkningen av ett substrat innehållande kiseldioxidpigment enligt uppfinningen reduceras då det inte finns något behov för torkning eller förbehandling av kiseldioxidpigmenten för att göra dem tillräckligt stabila för transport till användningsplatsen (ofta från tillverkaren till kundens bruk).

Energibehovet för tillverkningen av ett substrat enligt uppfinningen minskas dessutom då det är möjligt att höja torrhalten på lösningarna som tillsätts till ytan.

Substratet torkas efter tillsats av det pH ändrande mediet och/eller lösningen innehållande vattenlösligt silikat så att ett torkat substrat bildas. Alla 10 15 20 25 534 210 kända processer för torkning av cellulosasubstrat kan användas. Då temperaturen ökar vid torkningen och då speciellt på ytan av substratet, kan reaktionen vid vilken kiseldioxidpigment bildas påskyndas under torkningen av substratet. Kiseldioxidpigmenten kan således bildas vid torkningen av substratet.

Substratet enligt uppfinningen kommer uppvisa förbättrad bindning mellan fibrerna och de bildade kiseldioxidpigmenten. Substratet innehåller dessutom salter som bildas vid tillverkningen av kiseldioxidpigment. Det är föredraget att substratet är ett trycksubstrat av papper eller kartong som kommer att tryckas i en efterföljande tryckprocess.

När det gäller denna uppfinning, inkluderar substrat ett papper eller kartong innehållande oellulosafibrer, dock utan att begränsas till detta. Andra material lämpliga för tryckning är också inkluderade, såsom plaster, polymerbestruken papper eller kartong, textiler etc. Det kan också vara möjligt att förse substrat som ska användas som flamskydd med kiseldioxidpigment, dvs substrat för flamskydd.

Substratet innehåller oellulosafibrer och med detta, inkluderas inte endast cellulosafibrer utan alla komponenter som härstammar från cellulosafibrer. Exempel på sådana komponenter är mikrofibrillerad cellulosa (nanooellulosa) eller regenererad cellulosa. Cellulosafibrerna kan vara fibrer från barrträ och/eller lövträ.

Claims (1)

10 15 20 25 30 35 40 534 2'l0 10

1. En process för tillverkning av ett substrat varvid processen innefattar stegen; -tillhandahålla ett substrat innehållande cellulosafibrer, -tillsätta en lösning innehållande vattenlösligt silikat till ytan av substratet, - behandla substratet så att det vattenlösliga silikatet polymeriseras varvid kiseldioxidpigment bildas på ytan av substratet, -torka substratet. . Processen enligt krav 1 varvid det vattenlösliga silikatet är alkalimetallsilikat eller kiselsyra. . Processen enligt något av föregående krav varvid substratet behandlas genom tillsats av ett pH ändrande medium till ytan av substratet. . Processen enligt krav 3 varvid det pH ändrande mediet är ett pH reducerande medium. . Processen enligt krav 4 varvid det pH reducerande mediet är en oorganisk eller organisk syra, ett surt metallsalt eller en gas eller en kombination av två eller fler av dessa substanser. . Processen enligt något av kraven 3-5 varvid lösningen innehållande vattenlösligt silikat tillsätts till ytan av substratet följt av tillsats av det pH ändrande mediet. _ Processen enligt något av föregående krav varvid en katjonisk polymer dessutom tillsätts till ytan av substratet. . Ett substrat tillverkat enligt processen beskriven i något av kraven 1-7. . Ett substrat enligt krav 8 varvid substratet är ett trycksubstrat.