способ получения пигмента для изготовления бумаги и картона
Классы МПК: | D21H19/36 покрытия с пигментами D21H19/38 отличающиеся пигментами D21H19/44 отличающиеся другими ингредиентами, например связующим или диспергирующим агентом D21H19/46 низкомолекулярные органические соединения D21H19/54 крахмал D21H19/60 полиалкениловые спирты; простые полиалкениловые эфиры; сложные полиалкениловые эфиры D21H19/64 неорганические соединения D21H17/67 водонерастворимые соединения, например наполнители, пигменты D21H17/69 модифицированные, например связыванием с другими составами перед введением в массу или бумагу D21H17/28 крахмал D21H17/36 полиалкениловые спирты; простые полиалкениловые эфиры; сложные полиалкениловые эфиры C09C1/02 соединения щелочноземельных металлов или магния C09C1/40 соединения алюминия C01F7/02 оксид алюминия; гидроксид алюминия; алюминаты C01F11/02 оксиды или гидроксиды C01F11/18 карбонаты |
Автор(ы): | Мазитов Леонид Асхатович (RU), Бондарев Анатолий Иванович (RU), Тюрин Евгений Тимофеевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт бумаги" (ОАО "ЦНИИБ") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2005-02-15 публикация патента:
20.04.2006 |
Способ касается получения пигмента для изготовления бумаги и картона и может быть использован в целлюлозно-бумажной промышленности при изготовлении бумаги с наполнителем, мелованной бумаги и картона. В воду при интенсивном перемешивании подают порошки гидроксида кальция и карбоната кальция при соотношении указанных компонентов соответственно от 1,0:2,2 до 1,0:23,5. К полученной дисперсии смеси постепенно добавляют сульфат алюминия при соотношении последнего к общей массе гидроксида кальция и карбоната кальция от 1,0:0,9 до 1,0:5,8. Затем температуру смеси повышают до 80-85°С и полученную реакционную смесь выдерживают при перемешивании в течение 90-180 минут с образованием дисперсии пигмента с содержанием в ней сухих веществ 20-35%. Техническим результатом является улучшение качества пигмента, снижение его стоимости и расширение области его применения. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.
Формула изобретения
1. Способ получения пигмента для изготовления бумаги и картона, включающий смешение гидроксида кальция, сульфата алюминия и природного неорганического компонента при диспергировании в воде, отличающийся тем, что в качестве природного неорганического компонента используют карбонат кальция, при этом сначала готовят при перемешивании смесь гидроксида кальция с карбонатом кальция при соотношении указанных компонентов соответственно от 1,0:2,2 до 1,0:23,5, после чего к полученной дисперсии смеси постепенно добавляют сульфат алюминия при соотношении последнего к общей массе гидроксида кальция и карбоната кальция от 1,0:0,9 до 1,0:5,8, затем температуру смеси повышают до 80-85°С и полученную реакционную смесь выдерживают при перемешивании в течение 90-180 мин с образованием дисперсии пигмента с содержанием в ней сухих веществ 20-35%.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в дисперсию гидроксида кальция и карбоната кальция вводят связующее из группы, содержащей крахмал и поливиниловый спирт в количестве 1,0-4,0% от массы сухих веществ пигмента.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь гидроксида кальция и карбоната кальция готовят при их соотношении соответственно от 1,0:3,8 до 1,0:23,5 с последующим высушиванием дисперсии пигмента и получением его порошка.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к производству пигментов, а также к технологии изготовления бумаги с наполнителем, мелованных видов бумаги и картона.
В настоящее время в производстве бумаги и картона большое внимание уделяется разработке пигментов, позволяющих улучшить оптические и механические характеристики бумаги с наполнителем, а также покрытий на мелованных видах бумаги и картона. Разрабатываются также технологии, обеспечивающие возможность централизованного получения пигментов в виде порошка с последующим его использованием на различных предприятиях.
Известен способ получения белого пигмента путем обработки водной суспензии гидроксида кальция сульфатом алюминия при их стехиометрическом соотношении с получением сульфоалюмината кальция - сатинвейса (пат. США №3615768, кл. 106/306, опубл. 1971 г.).
Однако по этому способу может быть получена паста пигмента с концентрацией сухих веществ до 25%, и вследствие высокой вязкости дисперсий сатинвейса его можно использовать в меловальных составах лишь как добавку к другим основным пигментам. Кроме того, пигмент, полученный по этому способу, высушенный и измельченный в порошок, теряет свои полезные свойства.
Ближайшим аналогом предлагаемого способа является способ получения пигмента для изготовления бумаги и картона, который может быть использован при изготовлении меловальной композиции. Этот способ заключается в приготовлении водной суспензии сульфоалюмината кальция путем обработки гидроксида кальция сульфатом алюминия, смешения ее с суспензией природного неорганического компонента - каолина, удаления воды высушиванием, предпочтительно распылением, с образованием порошка пигмента - механической смеси сульфоалюмината кальция и каолина при содержании сульфоалюмината кальция 10-30% по массе смеси. Порошок затем редиспергируют в воде и используют в меловальных составах (см. US, 3876443 А, н.кл. 106-306, МПК С 09 С 1/02, опубл. 08.04.1975).
В известном способе получить порошок пигмента возможно лишь при содержании сатинвейса в его смеси с каолином не более 30%. Кроме того, в нем не предусматривается возможность получения пигмента, модифицированного связующим - крахмалом или поливиниловым спиртом (ПВС).
Положительным результатом от использования настоящего изобретения является снижение стоимости пигмента за счет замены дефицитного каолина дешевым карбонатом кальция (мелом) и, соответственно, стоимости продукции, получаемой с применением пигмента в качестве наполнителя или компонента в меловальных составах, а также придание пигменту нового качества модифицированием его связующим. При использовании способа достигается также повышение белизны пигмента, облегчается измельчение высушенного материала и повышается равномерность гранулометрического состава порошка пигмента.
Модифицирование пигмента связующим расширяет области применения такого пигмента - при введении пигмента не только в покрытие, но и в бумажную массу.
Положительный эффект достигается тем, что в предлагаемом способе получения пигмента для изготовления бумаги и картона, включающем смешение гидроксида кальция, сульфата алюминия и природного неорганического компонента при диспергировании в воде, согласно изобретению в качестве природного неорганического компонента используют карбонат кальция, при этом сначала готовят при перемешивании смесь гидроксида кальция с карбонатом кальция при соотношении указанных компонентов соответственно от 1,0:2,2 до 1,0:23,5, после чего к полученной дисперсии постепенно добавляют сульфат алюминия при соотношении последнего к общей массе гидроксида кальция и карбоната кальция от 1,0:0,9 до 1,0:5,8, затем температуру смеси повышают до 80-85°С и полученную реакционную смесь выдерживают при перемешивании в течение 90-180 мин с образованием дисперсии пигмента, содержащей 20-35% сухих веществ.
В дисперсию гидроксида кальция и карбоната кальция могут вводить связующее из группы, содержащей крахмал и поливиниловый спирт, в количесвте 1,0-4,0% от массы сухих веществ пигмента.
При получении пигмента в виде порошка смесь гидроксида кальция и карбоната кальция готовят при их соотношении соответственно от 1,0:3,8 до 1,0:23,5 с последующим высушиванием дисперсии пигмента и получением его порошка.
Способ осуществляют следующим образом: в реактор-смеситель, снабженный скоростной мешалкой и паровой рубашкой, подают заданное количество воды, в которую при интенсивном перемешивании в заданном количестве постепенно подают порошки гидроксида кальция и карбоната кальция, дисперсию перемешивают 5-10 минут и затем к ней добавляют раствор сульфата алюминия, содержащего заданное количество сульфата алюминия в виде Al2(SO4)3·18Н 2О. После завершения подачи раствора сульфата алюминия температуру смеси в реакторе повышают до 80-85°С и смесь при этой температуре и интенсивном перемешивании выдерживают 90-180 мин.
В результате получают дисперсию пигмента с содержанием сухих веществ 20-35%, которую можно использовать непосредственно, например, в производстве бумаги с наполнителем или при получении меловальных составов. В других случаях дисперсию подвергают высушиванию в слое при температуре до 85°С с последующим измельчением в порошок или высушиванию распылением.
При получении пигментов, модифицированных связующим - крахмалом или ПВС, гидроксид кальция и карбонат кальция диспергируют в воде, содержащей заданное количество связующего, определяемое массой сухих веществ конечного продукта - пигмента.
Поскольку в зависимости от назначения получаемого продукта его паста разбавляется, например, при введении пигмента в бумажную массу в качестве наполнителя, или смешивается в виде пасты или порошка с другими компонентами (диспергаторами, пигментами, связующими, латексами и т.п.) при формировании меловальных композиций с разной суммарной концентрацией сухих веществ и, соответственно, с разными физическими параметрами (например, вязкостными свойствами), в качестве характеристик конечного продукта - пигмента в виде пасты или порошка выбирают устойчивость пасты с содержанием сухих веществ 20% и более, простоту измельчения пигмента, высушенного в слое при 75°С, наличие или отсутствие сцементированных агломеров в измельченном порошке, способность к редиспергированию порошка без потери свойств пигмента, оптическую белизну порошка пигмента.
В качестве характеристики пигментов, модифицированных связующими, используют степень удержания пигментом связующего, которую определяют следующим образом.
Определенное количество полученной дисперсии модифицированного связующим пигмента смешивают на скоростной мешалке с определенным количеством воды. Разбавленную в несколько раз дисперсию выдерживают в покое до расслаивания. Нижний слой - это свободно плавающий осадок, а верхний слой - прозрачная, не содержащая твердой фазы вода. В этом слое определяют содержание связующего. Затем пересчетом на массу сухих веществ пигмента во взятой на разбавление навеске дисперсии определяют количество связующего, как связанного пигментом, так и находящегося в водной фазе пигмента. Степень удержания связующего выражают в % от количества связующего, поданного в систему в процессе изготовления модифицированного пигмента.
Физико-химические процессы при получении пигмента можно представить следующим образом.
При интенсивном перемешивании в водной среде всех компонентов - гидроксида кальция, карбоната кальция, сульфата алюминия - в системе протекают две реакции: реакция взаимодействия сульфата алюминия с гидроксидом кальция, проходящая с очень высокой скоростью и при нормальной температуре (15-20°С), а также медленная реакция взаимодействия сульфата алюминия с карбонатом кальция, скорость которой существенно увеличивается с повышением температуры. Соответственно, гидроксид кальция в предлагаемом способе в самом начале процесса полностью реагирует с сульфатом алюминия с образованием соответствующего количества сульфоалюмината кальция - сатинвейса.
В реакции сульфата алюминия с карбонатом кальция, при избытке последнего в реакционной смеси, сульфат алюминия в конечном итоге расходуется полностью. В результате этой реакции образуется белый пигмент, по некоторым свойствам аналогичный сатинвейсу. Он, например, обладает высокой белизной, высокой устойчивостью в системах с кислыми значениями рН, имеет размеры частиц в дисперсии не более 2 мкм, обладает способностью к модификации связующим. Эти характеристики улучшаются при повышении степени преобразования карбоната кальция в его реакции с сульфатом алюминия.
Кроме того, продукт реакции карбоната кальция с сульфатом алюминия, высушенный, например, в слое, очень легко измельчается в порошок с размерами частиц менее 1 мкм и вновь редиспергируется в воде с получением низковязких дисперсией с концентрацией пигмента до 45%.
При совместном получении сатинвейса и преобразованного карбоната кальция пигмент также достаточно легко измельчается при доле сатинвейса в составе пигмента до 45%. Порошок хорошо редиспергируется с сохранением характеристик пигмента.
Процесс получения пигмента по нашему предложению предпочтительно вести при температуре реакционной смеси 80-85°С. Для получения пигмента с более высокой степенью преобразования карбоната кальция необходим более длительный процесс.
Способность частиц пигмента удерживать в своих гидратных оболочках такие вещества, как крахмал, ПВС, обусловлена, видимо, сильным полярным взаимодействием пигмента с молекулами воды и соответствующим структурированием значительного по объему водного слоя в гидратных оболочках вокруг частиц пигмента в момент их образования. Даже при многократном разбавлении такой системы и интенсивном перемешивании водные структурированные оболочки частиц, содержащие связующее, не размываются.
Условия проведения способа по примерам и характеристики продуктов приведены в таблицах. В таблице 1 даны условия выполнения примеров по предлагаемому способу, в таблице 2 - характеристики образцов по этим примерам.
Для сравнения некоторые характеристики определяют у контрольных образцов, подготовленных по прототипу (таблица 3, примеры 9-12), то есть механическим смешением пасты сульфоалюмината кальция с каолином, а также образцов с карбонатом кальция в смеси вместо каолина при сохранении пропорций (таблица 3, примеры 13-16).
Белизна использованных исходных материалов: каолина - 89,5%, карбоната кальция - 84,5%.
Пигменты высушивают при 75°С в слое, измельчение кусочков проводят в фарфоровой ступке. Простоту измельчения оценивают по наличию или отсутствию в порошке частиц с размером более 10 мкм. Затруднения с измельчением в образцах по примерам 9 и 13 таблицы 3 были связаны с наличием в высушенных пигментах сцементированных, прочных на раздавливание и истирание агломератов.
Как видно из таблиц, предлагаемый способ обеспечивает улучшенные показатели качества пигмента по белизне, способности к измельчению высушенного материала, позволяет осуществить редиспергирование порошка пигмента при сохранении его свойств. Способ дает также возможность расширить область использования пигмента за счет его модификации связующим.
Таблица 2 | |||||||||||
Характеристики образцов пигмента, полученных по предлагаемому изобретению | |||||||||||
№№ примеров | Доля сатинвейса в смеси, % | Концентрация сухих веществ в дисперсии, % | Устойчивость дисперсии в течение 48 ч | Степень преобразования карбоната кальция | Простота измельчения в порошок | Агломераты в порошке | Белизна порошка, % | Возможность редиспергирования порошка | Связующее | Количество связующего, % к массе сухих веществ | Степень удержания связующего, % |
1 | 42 | 20 | Устойчива | 95 | Измельчение затруднено | Отсутствуют | 88,63 | Возможно | Крахмал | 4,0 | 99,8 |
2 | 36 | 25 | -«- | 95 | Без затруднений | -«- | 88,23 | -«- | ПВС | 2,0 | 99,8 |
3 | 26 | 30 | -«- | 30 | -«- | -«- | 86,88 | -«- | - | - | - |
4 | 28 | 35 | -«- | 50 | -«- | -«- | 87,13 | -«- | Крахмал | 1,0 | 99,4 |
5 | 27 | 30 | -«- | 95 | -«- | -«- | 88,11 | -«- | ПВС | 1,0 | 99,6 |
6 | 23 | 35 | -«- | 95 | -«- | -«- | 87,11 | -«- | - | - | - |
7 | 10 | 35 | -«- | 20 | -«- | -«- | 86,75 | -«- | - | - | - |
8 | 12 | 35 | -«- | 95 | -«- | -«- | 87,03 | -«- | - | - | - |
Таблица 3 | ||||||
Характеристики образцов пигментов, полученных по прототипу смешением сатинвейса с каолином (примеры 9-12) и сатинвейса с карбонатом кальция (примеры 13-16) | ||||||
№№ примеров | Доля сатинвейса в смеси, % | Концентрация сухих веществ в дисперсии, % | Простота измельчения в порошок | Агломераты в порошке | Пригодность порошка к редиспергированию | Белизна порошка, % |
9 | 40 | 20 | Измельчение затруднено | Имеются | Не пригоден | 89,6 |
10 | 30 | 30 | Без затруднений | Отсутствуют | Пригоден | 89,57 |
11 | 20 | 30 | -«- | -«- | -«- | 89,35 |
12 | 10 | 35 | -«- | -« | -«- | 89,0 |
13 | 40 | 20 | Измельчение затруднено | Имеются | Не пригоден | 87,40 |
14 | 30 | 30 | Без затруднений | Отсутствуют | Пригоден | 86,95 |
15 | 20 | 30 | -«- | -«- | -«- | 86,30 |
16 | 10 | 35 | -«- | -«- | -«- | 85,6 |
Класс D21H19/36 покрытия с пигментами
Класс D21H19/38 отличающиеся пигментами
Класс D21H19/44 отличающиеся другими ингредиентами, например связующим или диспергирующим агентом
Класс D21H19/46 низкомолекулярные органические соединения
Класс D21H19/60 полиалкениловые спирты; простые полиалкениловые эфиры; сложные полиалкениловые эфиры
Класс D21H19/64 неорганические соединения
Класс D21H17/67 водонерастворимые соединения, например наполнители, пигменты
Класс D21H17/69 модифицированные, например связыванием с другими составами перед введением в массу или бумагу
Класс D21H17/36 полиалкениловые спирты; простые полиалкениловые эфиры; сложные полиалкениловые эфиры
Класс C09C1/02 соединения щелочноземельных металлов или магния
Класс C09C1/40 соединения алюминия
Класс C01F7/02 оксид алюминия; гидроксид алюминия; алюминаты
Класс C01F11/02 оксиды или гидроксиды