способ наполнения карбонатом кальция целлюлозных волокон, наполненная бумага, содержащая массу целлюлозных волокон, и способ ее изготовления
Классы МПК: | D21H17/70 образующие новые соединения в зоне обработки, например внутри массы или бумаги в результате химической реакции с другими веществами, добавляемыми отдельно |
Автор(ы): | Джон Гарольд Клангнесс[US], Даниэль Фрэнсис Колфилд[US], Ирвин Б.Сэчз[US], Маргарит С.Сикс[US], Фрия Тэн[US], Ричард Уолтер Шилтс[US] |
Патентообладатель(и): | Министр сельского хозяйства (US) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1993-09-03 публикация патента:
10.12.1997 |
Использование: изобретение относится к способу наполнения целлюлозного волокна карбонатом кальция и к наполненной бумаге, получаемой с помощью этого способа. Сущность изобретения: способ наполнения карбонатом кальция целлюлозных волокон обеспечивает получение волокнистого целлюлозного материала, который состоит из множества удлиненных целлюлозных волокон, имеющих трубчатые стенки, окружающие внутреннюю полость, которые содержат осажденный карбонат кальция. Наполненная бумага или волокнистый материал имеют такое влагосодержание, что устанавливается уровень влаги в диапазоне 40-95 мас.% волокнистого материала, и вода размещается по существу внутри полости трубчатых стенок целлюлозных волокон и в стенках волокнистой массы целлюлозных волокон. К волокнистой целлюлозной массе добавляют химикат, чтобы химикат разместился в воде, присутствующей в волокнистой целлюлозной массе. Затем волокнистая масса приводится в контактирование с газом, который вступает в реакцию с химикатом, образуя водонерастворимое химическое соединение. Этот способ обеспечивает получение наполненной бумаги, имеющей химическое соединение, размещенное внутри полостей и в стенках волокнистой массы множества целлюлозных волокон. 3 с. и 7 з.п. ф-лы, 1 табл., 7 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9
Формула изобретения
1. Способ наполнения карбонатом кальция целлюлозных волокон, образующих волокнистый материал с множеством удлиненных волокон с внутренней полостью и со стенками, который имеет заданную величину влаги, при этом в волокнистый материал добавляют химикат для вхождения его в соединение с целлюлозными волокнами, причем заданное количество химиката в виде карбоната кальция соединяется с водой и с целлюлозными волокнами и образует целлюлозный волокнистый материал, во внутренней полости которого на его стенках осаждается карбонат кальция, отличающийся тем, что волокнистый материал содержит влажность на уровне, достаточном для получения целлюлозного материала в виде осушенной массы целлюлозной крошки, а химикат выбирают из группы окиси кальция и гидроокиси кальция, после чего целлюлозные волокна вводят во взаимодейстиве с двуокисью углерода. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что химикат добавляют на уровне приблизительно 0,1 50,0% от сухой массы указанного целлюлозного волокнистого материала. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что введение во взаимодействие целлюлозных волокон с двуокисью углерода выполняют в закрытом контейнере с избыточным давлением газообразной двуокиси углерода. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что введение во взаимодействие с двуокисью углерода выполняют тогда, когда целлюлозные волокна перемешивают с высоким сдвигом. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что целлюлозные волокна перемешивают с высоким сдвигом, достаточным для сообщения целлюлозным волокнам энергии приблизительно 10 70 Вт на 1 кг сухой волокнистой массы. 6. Наполненная бумага, содержащая массу целлюлозных волокон, полости и стенки которых заполнены карбонатом кальция, последний сформирован путем добавления химиката, отличающаяся тем, что химикат выбран из группы окиси кальция и гидроокиси кальция при взаимодействии с двуокисью углерода. 7. Бумага по п.6, отличающаяся тем, что химикат добавлен в количестве приблизительно 0,1 прмерно 50,0% от сухой массы целлюлозных волокон для производства бумаги. 8. Бумага по п.6, отличающаяся тем, что химикат добавлен в количестве приблизительно 5 20% от сухой массы целлюлозных волокон для производства бумаги. 9. Способ изготовления наполненной бумаги из волокон целлюлозы, содержащих воду и имеющих трубчатые стенки и полости, которые содержат осажденный карбонат кальция, полученный добавлением химиката к целлюлозным волокнам, отличающийся тем, что химикат выбран из группы из гидроокиси кальция и сухой окиси кальция и целлюлозные волокна взаимодействуют с газообразной двуокисью углерода для проведения реакции с образованием осажденного карбоната кальция внутри волокон и на его стенках, и формируют бумагу из полученных волокон. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что химикат добавляют в количестве приблизительно 0,1 примерно 50,0% от сухой массы целлюлозных волокон.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к способу наполнения карбонатом кальция целлюлозных волокон, к наполненной бумаге и способу изготовления наполненной бумаги из волокон целлюлозы. Известен способ наполнения карбонатом кальция целлюлозных волокон, а именно, волокнистого целлюлозного материала, содержащего множество удлиненных волокон со стенкой волокнистой массы, окружающей внутреннюю полость, при этом волокнистый материал содержит влагу, причем в волокнистую массу добавляют химикат, входящий в соединение с целлюлозой так, что заданное количество химиката в виде карбоната кальция, соединяясь с водой и целлюлозой, образует целлюлозный волокнистый материал, во внутренней полости которого и на его стенках расположен карбонат кальция (патент США 4510020 и патент PCT/ WO 91/01409). Известна наполненная бумага, содержащая массу целлюлозных волокон, полости и стенки которых заполнены карбонатом кальция, полученным при взаимодействии солей кальция с карбонатами в водной среде волокон для повышения прочности бумаги (PCT/WO 91/01409). Известен также способ изготовления наполненной бумаги из волокон целлюлозы, содержащих воду и имеющих трубчатые стенки и полости, в которых расположен карбонат кальция (патент PCT/WO 91/01409). В известном способе наполнения карбонатом кальция целлюлозных волокон наполнитель селективно дозируется в полости волокнистой массы путем массы перемешивания суспензии целлюлозы и наполнителя до тех пор, пока полости волокнистой массы не заполнятся наполнителем. Этот способ требует использования существенно больше порошкового наполнителя, чем может быть загружено в полости волокнистой массы. Соответственно способ требует отделения остаточного суспендированного наполнителя от наполненных волокон путем тщательного промывания целлюлозы до тех пор, пока по существу весь наполнитель на внешних поверхностях волокон не будет удален. Необходимо было получить способ, в котором существенное количество наполнителя может быть диспергировано внутрь полостей и клеточных стенок волокон целлюлозы с помощью простого способа, который был бы пригоден для использования с существующим бумагоделательным оборудованием. Желательно также обеспечить способ наполнения химическим соединением внутренней полости и клеточной стенки волокон волокнистых материалов целлюлозы, который исключает необходимость последующего этапа промывания. В результате было разработано изобретение, которое предусматривает способ наполнения карбонатом кальция целлюлозных волокон, образующих волокнистый материал со множеством удлиненных волокон с внутренней полостью и со стенками, который имеет заданную величину влаги, при этом в волокнистый материал добавляют химикат для вхождения его в соединение с целлюлозными волокнами, причем заданное количество химиката в виде карбоната кальция соединяется с водой и с целлюлозными волокнами и образует целлюлозный волокнистый материал, во внутренней полости которого и на его стенках осаждается карбонат кальция, и отличается тем, что волокнистый материал содержит влагу на уровне, достаточном для получения целлюлозного материала в виде осушенной массы целлюлозной крошки, а химикат выбирают из группы окиси кальция и гидроокиси кальция, после чего целлюлозные волокна вводят во взаимодействие с двуокисью углерода. Предпочтительно, чтобы химикат добавляли на уровне от приблизительно 0,1 до примерно 50 мас. сухого веса указанного целлюлозного волокнистого материала. Желательно введение во взаимодействие целлюлозы с двуокисью углерода выполнить в закрытом контейнере с избыточным давлением газообразной двуокиси углерода. Предпочтительно введение во взаимодействие с двуокисью углерода выполнять тогда, когда целлюлозные волокна перемешивают с высоким сдвигом. Целесообразно также перемешивать целлюлозные волокна с высоким сдвигом, достаточным для сообщения целлюлозной массе энергии величиной от приблизительно 10 до примерно 70 Вт на 1 кг волокнистой массы сухого веса. Изобретение предусматривает также наполненную бумагу, содержащую массу целлюлозных волокон, полости и стенки которых заполнены карбонатом кальция, последний сформирован путем добавления химиката, а химикат выбран из группы окиси кальция и гидроокиси кальция при взаимодействии с двуокисью углерода. Целесообразно, чтобы химикат был добавлен в количестве от приблизительно 0,1 до примерно 50 мас. сухого веса целлюлозы для производства бумаги. Предпочтительно, чтобы химикат был добавлен в количестве от приблизительно 5 до примерно 20 мас. сухого веса целлюлозы для производства бумаги. Изобретение предусматривает также способ изготовления наполненной бумаги из волокон целлюлозы, содержащих воду и имеющих трубчатые стенки и полости, которые содержат осажденный карбонат кальция, полученный добавлением химиката к целлюлозным волокнам, а химикат выбран из группы из гидроокиси кальция и сухой окиси кальция и целлюлозные волокна взаимодействуют с газообразной двуокисью углерода для проведения реакции с образованием осажденного карбоната кальция внутри волокон и на стенках волокнистой массы и формирование бумаги из полученных волокон. Предпочтительно, чтобы химикат добавляли в количестве от приблизительно 0,1 до примерно 50 мас. сухого веса целлюлозных волокон. Изобретение относится к способу наполнения целлюлозных волокон карбонатом натрия, наполненной бумаге и способу ее изготовления. Более конкретно, оно направлено на улучшенный способ производства наполненной целлюлозы для изготовления бумаги, в которой наполнитель формируется по месту вблизи целлюлозы для производства бумаги, и существенная часть наполнителя размещается в полостях и клеточных стенках волокон целлюлозы для производства бумаги и бумаги из этой целлюлозы. Бумага материал, получаемый из гибких целлюлозных волокон, которые, несмотря на то что очень коротки (0,02-0,16 дюйма, или 0,5-4 мм), в 100 раз длиннее своей ширины. Эти волокна имеют сильное притяжение воды и друг друга; при погружении в воду они разбухают в результате поглощения. Когда суспензия большого числа таких волокон фильтруется на проволочной сетке, волокна слабо слипаются друг с другом. При большем удалении воды из мата, образованного на сетке, с помощью всасывания и давления, лист становится прочнее, но еще относительно слаб. Когда лист высушивают, он становится прочнее и получается бумага. В производстве бумаги может быть использован любой волокнистый материал, например, дерево, солома, бамбук, конопля, жом, сизаль, лен, хлопок, джут и китайская крапива. Отделение волокон в таких материалах называют варкой целлюлозы безотносительно к степени очистки, вовлеченной в процесс. Отделенные волокна называют целлюлозой, являются ли они суспензией в воде в виде пульпы или до некоторой степени осушены. Целлюлоза из процесса варки, которая осушена до такой степени, что не является больше суспензией, размельченная на комья, не имеющие свободной воды, называется "осушенной массой целлюлозной крошки". Несмотря на то что осушенная масса целлюлозной крошки выглядят как кусочки частиц, такая целлюлоза может содержать примерно 95 мас. воды. Дерево является основным источником волокнистой массы для варки целлюлозы вследствие своего широкого распространения и высокой плотности по сравнению с другими растениями. Несмотря на то что могут быть использованы многие виды древесины, мягкую древесину предпочитают твердой вследствие большей длины волокон и отсутствия сосудов. Древесина и большинство других волокнистых материалов имеют целлюлозу в качестве основного структурного компонента вместе с гемицеллюлозой, лигнином и большим числом веществ, называемых вместе смолами или экстрактивами. Варка целлюлозы может выполняться с помощью любого из нескольких хорошо известных способов, например, с помощью механической варки целлюлозы, сульфатной варки целлюлозы и сульфитной варки. Существенным свойством бумаги для многих конечных применений является ее непрозрачность. Это особенно важно для бумаги, применяемой для печати, где желательно, чтобы как можно меньше через бумагу был виден отпечаток на обратной стороне или на лежащем ниже листе. Для печати и других применений бумага должна обладать также некоторой степенью белизны (или глянцем, как это известно в бумажной промышленности). Для многих бумажных изделий допустимые уровни этих оптических характеристик могут быть достигнуты с помощью одних волокон целлюлозы. Однако в других изделиях присущие светоотражательные возможности волокон являются недостаточными и не удовлетворяют требованиям потребителей. В этом случае изготовитель бумаги добавляет наполнитель в композицию бумаги. Наполнитель состоит из мелких частиц нерастворимого твердого вещества, обычно минерального происхождения. Вследствие большой величины отношения площади поверхности к весу (и в некоторых случаях большого показателя преломления) частицы придают листу высокое отражение света и посредством этого увеличивают как непрозрачность, так и глянец. Полученное таким образом увеличение оптических характеристик бумаги является основной целью добавления наполнителей в композицию бумаги, хотя бумаге могут быть приданы другие преимущества, например, улучшенная гладкость, улучшенная пригодность для печати и прочность. Увеличивающееся использование щелочных условий в производстве бумаги для печати и письма сделало технически возможным введение высоких дозировок щелочных наполнителей, например, карбоната кальция. Существует экономический стимул увеличивать дозировку этого наполнителя, поскольку, когда бумагу продают на вес (или по количеству листов), более дешевый материал наполнителя эффективно заменяет более дорогую волокнистую массу. В Европе, где волокнистая масса более дорога, качественная бумага для печати и письма обычно содержит 30-50% карбоната кальция; в то время как в США обычно используют дозировку, соответствующую 15-20% При более высоких уровнях дозировки наполнителя для сохранения других желательных характеристик бумаги, например, прочности, необходимо использовать дополнительные дорогие химические добавки. В Европе это увеличивает затраты, оправдываемые вследствие высокой стоимости волокнистой массы. Однако меньшая стоимость волокнистой массы в США делает использование химических добавок для достижения более высокого замещения наполнителя менее экономически эффективным. Тем не менее, поскольку карбонат кальция составляет приблизительно 20-25% стоимости целлюлозного волокна, остается желательным экономичный способ увеличения уровня замещения целлюлозы наполнителем. Однако добавление наполнителя приводит к возникновению некоторых проблем. Одна из проблем, связанная с добавлением наполнителя, заключается в том, что механическая прочность листа меньше, чем можно было ожидать из отношения волокнистой массы, несущей нагрузку к наполнителю, не несущему нагрузку. Обычное объяснение этого в том, что некоторые частицы наполнителя захватываются между волокнами, посредством чего уменьшается прочность соединений волокно-волокно, которые являются первостепенными источниками прочности бумаги. Вторая проблема, связанная с добавлением наполнителей, заключается в том, что значительная часть мелких частиц вымывается водой в процессе образования листа в бумагоделательной машине. Регенерирование и рециркуляция частиц из сточных вод, обычно известных как белая вода, ставит перед изготовителем бумаги трудную задачу. В поиске возможности уменьшения этой проблемы многие исследователи изучали способ, с помощью которого наполнитель удерживался бы листом. Было установлено, что основным механизмом является совместное образование хлопьев, т.е. адгезия частиц пигмента к волокнам. Как результат этого открытия основное усилие в технологии наполнителя было сделано в увеличении адгезивных сил. Эта работа привела к разработке и применению широкого множества растворимых химических добавок, известных как средства удержания. Из этих средств наиболее давно известным и нашедшим наибольшее применение является сульфат алюминия, но в последние годы нашло применение множество соответствующих полимеров. Однако при наличии всех этих средств удержания удержание осуществляется еще далеко не полностью. Дополнительным механизмом удержания является фильтрация частиц пигмента с помощью бумажного полотна. Он приобретает относительную влажность при наличии крупных частиц наполнителя, но его эффект ничтожен для мелких наполнителей. В аспекте продукта изобретение относится к новым волокнистым материалам, содержащим множество удлиненных волокон, имеющих стенку волокна, окружающую внутреннюю полость, и имеющим химическое соединение, загруженное во внутреннюю полость, вовнутрь стенок волокнистой массы волокон и на поверхность волокон. В аспекте способа изобретение относится к способу получения химического соединения по месту вблизи волокон волокнистого материала. В этом способе обеспечивается волокнистый материал, который состоит из множества удлиненных волокон, имеющих стенку волокна, окружающую внутреннюю полость. Волокнистый материал имеет такое содержание влаги, чтобы уровень воды был в диапазоне 40-95 мас. волокнистого материала, и вода находилась по существу внутри внутренней полости волокон и внутри стенок волокнистой массы волокон. К волокнистому материалу добавляют химикат так, чтобы химикат соединялся с водой, представленной в волокнистом материале. Затем волокнистый материал приводят в контактирование с газом, который вступает во взаимодействие с химикатом, образуя водонерастворимое химическое соединение. Способ обеспечивает волокнистый материал, имеющий химическое соединение, загруженное вовнутрь полостей волокон, стенок волокнистой массы волокон и на поверхность волокон. Хотя различные аспекты изобретения будут описаны более конкретно в отношении наполнения целлюлозы для производства бумаги, очевидно, что способ изобретения может быть приспособлен для применения с другими волокнистыми материалами, которые содержат множество удлиненных волокон, имеющих стенку волокнистой массы, окружающую внутреннюю полость, и который приспособлен для использования, когда существенное количество воды диспергировано во внутренней полости и стенках волокнистой массы. Фиг. 1-7 являются графическими зависимостями различных параметров листов бумаги, полученных из целлюлозы, наполненной карбонатом кальция в соответствии с изобретением, в сравнении с листами бумаги прямого наполнения на поверхности карбонатом кальция в соответствии со стандартным способом. На фиг. 1 показаны сравнительные зависимости коэффициента рассеивания (м2/кг) от показателя разрыва (кПа![способ наполнения карбонатом кальция целлюлозных волокон, наполненная бумага, содержащая массу целлюлозных волокон, и способ ее изготовления, патент № 2098534](/images/patents/374/2098007/183.gif)
![способ наполнения карбонатом кальция целлюлозных волокон, наполненная бумага, содержащая массу целлюлозных волокон, и способ ее изготовления, патент № 2098534](/images/patents/374/2098007/183.gif)
![способ наполнения карбонатом кальция целлюлозных волокон, наполненная бумага, содержащая массу целлюлозных волокон, и способ ее изготовления, патент № 2098534](/images/patents/374/2098007/183.gif)
![способ наполнения карбонатом кальция целлюлозных волокон, наполненная бумага, содержащая массу целлюлозных волокон, и способ ее изготовления, патент № 2098534](/images/patents/374/2098007/183.gif)
![способ наполнения карбонатом кальция целлюлозных волокон, наполненная бумага, содержащая массу целлюлозных волокон, и способ ее изготовления, патент № 2098534](/images/patents/374/2098534/2098534-2t.gif)
![способ наполнения карбонатом кальция целлюлозных волокон, наполненная бумага, содержащая массу целлюлозных волокон, и способ ее изготовления, патент № 2098534](/images/patents/374/2098534/2098534-3t.gif)
Предпочтительнее всего, чтобы окись кальция или гидроокись кальция были представлены на уровне от приблизительно 10 до примерно 40% от веса сухого целлюлозного материала. Двуокись углерода добавляют до уровня, достаточно, чтобы вызвать полную реакцию химиката с газом с целью образования водонерастворимого химического соединения. Поскольку дальнейшая реакция не имеет места, может быть избыток газа. Поскольку в этом случае не образуется чуждого химического соединения, как, например, в случае осаждения водонерастворимого химического соединения двумя водорастворимыми солями, нет необходимости промывать целлюлозный материал после обработки двуокисью углерода в соответствии с изобретением для наполнения волокон осажденным карбонатом кальция. В случае целлюлозы для производства бумаги целлюлоза может быть немедленно перемещена на операцию изготовления бумаги, где она преобразуется в суспензию, рафинируется и помещается в машину Фурдинье или другое соответствующее бумагоделательное устройство. С другой стороны, целлюлоза для производства бумаги с загруженным вовнутрь химическим соединением может быть дополнительно осушена и поставляться как предмет коммерции на бумагоделательное предприятие для последующего использования. Было установлено, что на осаждение карбоната кальция в целлюлозные волокна, содержащие от приблизительно 40 до примерно 85% влаги (15-60% волокнистой массы) и наполненные окислом кальция или гидроокисью кальция в диапазоне от приблизительно 10 до примерно 40% просто сказывается воздействие в контейнере с избыточным давлением при небольшом сдвиговом перемешивании. Предпочтительно, чтобы давление двуокиси углерода состояло от приблизительно 5 до примерно 60 psig, и перемешивание с малым сдвигом продолжалось в течение от приблизительно 1 до примерно 60 мин. Также было установлено, что волокна, содержащие от приблизительно 95 до примерно 85% влаги (5-15% волокнистой массы) и подобное наполнение окисью кальция, для полного осаждения карбоната кальция требуют энергичной обработки при высоком сдвиге в течение контактирования с двуокисью углерода. В связи с этим может быть использовано любое смешивающее устройство с высоким сдвигом. Предпочтительно, чтобы обработка при высоком сдвиге была достаточной для передачи от приблизительно 10 до примерно 70 Вт
![способ наполнения карбонатом кальция целлюлозных волокон, наполненная бумага, содержащая массу целлюлозных волокон, и способ ее изготовления, патент № 2098534](/images/patents/374/2098007/183.gif)
Класс D21H17/70 образующие новые соединения в зоне обработки, например внутри массы или бумаги в результате химической реакции с другими веществами, добавляемыми отдельно