SI22624A - Suspenzija oborjenega kalcijevega karbonata specifiäśnih povrĺ inskih lastnosti - Google Patents

Abstract

Predmet izuma je suspenzija oborjenega kalcijevega karbonata (OKK) pridobljena po klasičnem postopku karbonatizacije suspenzije apna Ca(OH)2, s pH v območju od 8,5 do 9,5 ter deležem suhe snovi v suspenziji od 12 do 65%, stabilizirana z minimalno količino komercialno dosegljivega disperganta tako, da izkazuje visoko stabilnost proti aglomeriranju primarnih delcev v večje skupke tudi do 4 tedne; delci OKK, ki sestavljajo proizvod, imajo porazdelitev delcev d50 do 3 mikro metre in imajo specifične površinske lastnosti izražene preko izmerjenih visokih negativnih vrednosti zeta potenciala v območju od -20 do -40 mV. Proizvod izkazuje zaradi specifičnih površinskih lastnosti pri uporabi kot polnilo za izdelavo papirja visoke vrednosti retencije od 90 do 95 %.

Description

Izum spada v področje suspenzij oborjenega kalcijevega karbonata, ki se uporablja kot polnilo, pri proizvodnji papirja in pigmenta v barvah in lakih.

Predmet izuma

Predmet izuma je suspenzija oborjenega kalcijevega karbonata (kratica OKK, angleška kratica PCC - Precipitated Calcium Carbonate), s specifičnimi površinskimi lastnostmi, saj se pri uporabi od OKK zahtevata vsaj dve vrsti funkcionalnosti, oziroma lastnosti:

(i) stabilnost velikosti formiranih osnovnih delcev OKK, in (ii) ustrezne površinske lastnosti, ki omogočajo uporabo OKK, kot polnila za papir in kot polnila ter pigmenta v barvah in lakih.

Predmet izuma je suspenzija delcev OKK skalenoedričnega tipa ustrezne porazdelitve velikosti delcev v vodi in koncentracije suhe snovi med 15 in 65%. Suspenzija ima pH med 7,5 in 11, kar omogoča doseganje dovolj debelih mikroslojev na površini delcev in s tem njihove visoke potenciale merjene z zeta potencialom suspenzije.

Ustrezna višina in vrsta naboja površine je dosežena z dodatkom primernega komercialnega disperzanta v količinah med 1 in 8 g/l, ki omogoča doseganje zeta potenciala suspenzije med -20 in -40 mV.

Izraz »zeta potencial« se nanaša na elektrokinetični potencial med površino delcev in raztopino ali natančneje potencial skozi difuzni sloj ionov, ki obkrožajo nabite delce OKK. Zeta potencial je sorazmeren naboju na površini in njegovi elektroforetski gibljivosti in je v strokovni javnosti poznana veličina.

Tehnični problem

Tehnične probleme, ki jih predmetni izum rešuje je mogoče razdeliti v naslednji dve skupini:

1. Zagotavljanje stabilnost suspenzije delcev OKK v vodi proti aglomeraciji ali združevanju primarnih delcev v večje skupke;

Primarni kalcitni kristali OKK skalenoedričnega tipa velikosti okrog 1-1,5 pm imajo v surovem stanju, to je pri nastajanju z reakcijo: Ca(OH)₂ + CO₂ CaCO₃ + H₂O in pri popolni karbonatizaciji reakcijske suspenzije (pH je cca 8), relativno veliko površino, ki je tako polarizirana, da je ni mogoče dolgoročno stabilizirati; to povzroča tendenco združevanja v večje aglomerate velikosti 8 do 20 pm ali celo več; tako veliki delci niso uporabni kot polnilo za različne namene (papir, barve, itd.) zato je nujna njihova stabilizacija;

2. Zagotavljanje ustrezne površinske lastnosti delcev OKK, da se lahko vključujejo v različne recepture, ki jih sestavljajo uporabniki;

Takšno značilno področje uporabe je polnilo za papir kjer nastopajo v recepturah polnila, celulozna vlakna in kationska veziva; površina delcev OKK mora biti ustrezno nabita, da dosežemo primerno retencijo (vključevanje v strukturo papirja) npr, > od 90 do 95%; podobno je pri barvah in lakih, kjer mora biti zagotovljena kompatibilnost med vezivi, topili, mehčali, pigmenti in polnili ter drugimi dodatki, da je mogoče doseči ustrezno kakovost končnega premaza.

Suspenzija OKK, po predmetnem izumu omogoča uporabnikom doseganje želenih lastnosti v recepturah, proizvod pa je stabilen tekom transporta in skladiščenja.

Stanje tehnike

Po stanju tehnike je znanih veliko različnih izvedb OKK, ki so opisani v patentih kot na primer: US6989142, EP1557442, JP2004204416, KR2003060301 in SI1084297T. Princip uporabe OKK pa opisuje GB2365446.

Patent SI1084297T prikazuje področje uporabe OKK kot polnila pri pripravi papirjev. V zahtevkih ne omenja površinskih lastnosti proizvodov iz OKK, ki so predmet tega izuma. Patent KR2003060301, katerega prevod ali povzetek ni na voljo v naslovu omenja pa pripravo suspenzije OKK in njeno stabilizacijo z poliakrilatnim dispergantom. Patent JP2004204416, opisuje visoko koncentrirano suspenzijo OKK (pribl. 65% ss ali več) stabilizirano z vsaj enim dispergantom izdelano po postopku mokrega mletja s katerim zagotovijo velikost delcev do 1,4 μηη in ne omenja površinskih lastnosti delcev, kot je zeta potencial, ki so predmet pričujočega izuma.

Patent EP1557442 obravnava površinsko obdelani OKK namenjen kot polnilo za različne uporabe. Patent navaja OKK različnih velikosti primarnih delcev v območju pod 1 μιτι ali celo v območju od 1 do 15 nm. Površina takšnih delcev se najprej obdela z enim od dispergantov kot npr.: alkilsulfati, sulfonske kisline, karboksilne kisline in njihove soli ali njihovi estri in podobno oziroma njihove mešanice. Navaja še celo vrsto drugih spojin kot so različni alkoholi maščobnih kislin. Bistvo izuma pa je uporaba še sekundarne snovi za površinsko obdelavo po prvem sloju. Tudi tukaj je opisano mnogo različnih spojin kot so npr. estri ftalne kisline ipd. Opisani so tudi postopki s katerimi se izvajata prva in druga površinska obdelava, na koncu pa so opisani še učinki takšne obdelave, ki se nanašajo na boljšo sposobnost dispergiranja (porazdeljevanja) po masi v kateri nastopa kot polnilo in izkazujejo večjo stabilnost glede nastajanja aglomeratov večjih velikosti kot jih omenjamo v opisu tehničnega problema. Opisani so tudi različni primeri v katerih so z dvojno površinsko obdelavo dosežene omenjene prednosti in različne viskoznosti mešanic, ter nekaterih drugih mehanskih lastnosti. Izum ne navaja ali omenja površinske nabitosti delcev kot značilnega parametra kakovosti.

Naslednji izum opisan v US6989142, opisuje proizvod OKK izdelan na enak način kot predmetni izum vendar z značilno kristalno strukturo dobljenega OKK.

Proizvod vsebuje delce velikosti od 1-4 pm in agregatov od 3-10 pm vendar značilne kubične kristalne strukture, ki izkazuje izrazite abrazivne lastnosti. Drugih površinskih lastnosti proizvoda ne omenja.

Kratek opis slik:

V nadaljevanju bo predmetni izum opisan s pomočjo priloženih slik, ki prikazujejo:

Slika 1: Prikazuje zeta potenciala površine delcev OKK

Slika 2 Prikazuje stabilnosti porazdelitve velikosti delcev v stabilizirani suspenziji

Raziskave so pokazale, da je ustrezno nabitost površine delcev, merjeno z njenim zeta potencialom, mogoče doseči z izbiro ustreznega začetnega pH. Prikaz rezultatov dodajanje komercialno dosegljivega disperzanta sveže pripravljeni suspenziji OKK pri različnih izhodiščnih pH je prikazan na Sliki 1.

Najugodnejše rezultate kažejo izhodiščne vrednosti pH med 8,5 in 9,5. Dodatki omenjenega disperzanta nad 1,5 g/l suspenzije skupaj z ustrezno izbranim izhodiščnim pH omogočajo izdelavo proizvodov - suspenzijo OKK, ki dosegajo zeta potenciale med -20 in -40 mV.

Takšen proizvod izkazuje tudi ustrezno stabilnost glede porazdelitve delcev, kot je prikazano na Sliki 2, kjer sta prikazani dve skupini krivulj porazdelitve delcev merjeni s fotonsko korelacijsko spektroskopijo (laserski merilnik) , kjer prva skupina z leve predstavlja skupino krivulj referenčnega vzorca (15% ss in 40% ss) ter stabilizirane vzorce, ki so bili starani 2 in 4 tedne in pripravljeni znotraj ugodnega območja začetnega pH to je med 8,5 in 9,5. Izmerjene krivulje vzorcev se povsem prekrivajo, kar kaže, da do sprememb v porazdelitvi velikosti delcev ni prišlo. Nasprotno pa kaže desna skupina treh krivulj vzorcev, pripravljenih v neustreznem začetnem območju pH, izrazito spremembo porazdelitve velikosti delcev po staranju.

Predmetni izum izkazuje stabilnost proti aglomeraciji v večje skupke v času več kot 14 dni, ker je dobro razvidno na Sliki 2, kjer so prikazani rezultati meritev stabilnosti porazdelitve velikosti delcev.

V prvi skupini krivulj na sliki 1 z leve so prikazani sveže pripravljeni vzorci OKK (15% ss in 40% ss) in vzorci pripravljeni v ustreznem območju začetnega pH med 8,5 in 9,5, ki stabilizirani z 1,5 g/l komercialnega disperzanta ne kažejo spremembe krivulje po 14 dneh, torej so stabilni. Nasprotno pa vzorci OKK, ki so pripravljeni izven omenjenega območja začetnega pH in so na enak način stabilizirani kažejo spreminjanje - pomik krivulje porazdelitve velikosti delcev k večjim vrednostim. Vse to kaže na težnjo po aglomeraciji v večje skupke, torej suspenzija OKK ni stabilna.

Razen opisanega, proizvod dosega visoke izmerjene negativne vrednosti zeta potenciala v območju od -20 - -40 mV, ki se jih da dosegati z uporabo komercialnih disperzantov v koncentracijah od 1 do 8 g/l. Visok negativen zeta potencial površine delcev OKK, ki sestavljajo suspenzijo OKK in ga prikazuje Slika 1 ter visoka stabilnost suspenzije proti aglomeriranju, prikazan na Sliki 2 sta značilnosti predlaganega izuma, ki izstopata in v stanju tehnike nista opisana.

Primer proizvoda po predmetnem izumu stabiliziranega s komercialnim disperzantom, ki je pogost v papirni industriji je opisan v nadaljevanju.

Suspenzija OKK pridobljena po opisanem postopku karbonatizacije s koncentracijo suhe snovi od 12% do 65%, prednostno 40% s pH med 8,5 in 9,5, prednostno pH=9 in dodanim komercialnim disperzantom v količini 2,5 g/l dosega zeta potencial do -40 mV ter ima porazdelitev delcev d50 do 3 pm.

Dosežena stabilnost proti aglomeriranju primarnih delcev v večje skupke, to je stabilnost porazdelitve delcev, je najmanj 4 tedne.

Pri uporabi kot polnilo pri izdelavi papirja, proizvod dosega retencijo (vključevanje v strukturo papirja) od 90 do 95%.

Claims (7)

1. Suspenzija oborjenega kalcijevega karbonata (OKK) specifičnih površinskih lastnosti, značilna po tem, da ima vrednost zeta potenciala med -20 in -40 mV.

2. Suspenzija po kateremkoli predhodnem zahtevku, značilna po tem, da ima stabilnost proti aglomeriranju primarnih delcev v večje skupke najmanj 4 tedne.

3. Suspenzija po kateremkoli predhodnem zahtevku, značilna po tem, da ima pH vrednost med 8,5 in 9,5.

4. Suspenzija po kateremkoli predhodnem zahtevku, značilna po tem, da dosega nizek zeta potencial delcev od -20 do -40 mV.

5. Suspenzija po kateremkoli predhodnem zahtevku, značilna po tem, da je porazdelitev velikosti delcev OKK v suspenziji d50 3 pm ali manj.

6. Suspenzija po kateremkoli predhodnem zahtevku, značilna po tem, da je koncentracija suhe snovi v suspenziji med 12 in 65 %

7. Suspenzija po kateremkoli predhodnem zahtevku, značilna po tem, da pri uporabi, kot polnilo pri pripravi papirja, dosega retencijo med 90 in 95 %.