Паперовий продукт

Реферат: Цей винахід стосується паперового продукту, що містить целюлозу або деревні волокна, між якими додані структурні частки наповнювача, а також способу виробництва цього продукту, у якому в сушарці з розпилюванням з водного розчину наповнювача отримують краплі наповнювача, причому з крапель при випарюванні води формують частки наповнювача, причому частки приєднують до целюлози або деревних волокон. UA 99643 C2 (12) UA 99643 C2 UA 99643 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Цей винахід стосується пористо-волокнистого продукту, що містить волокна технічної целюлози або деревні волокна та частки наповнювача, а також способу виробництва такого продукту. Зокрема, винахід стосується виробництва мішечного паперу, пакетів з волокон, обгорткового паперу, фільтрувальних матеріалів і пористого паперу для друкування. Звичайно, пористий мішечний папір або папір для господарських пакетів виробляються без наповнювачів. Для мішечного паперу особливо важливі характеристики міцності, проте наповнювачі зменшують міцність. З іншого боку, перевагою використання наповнювачів є зменшення кількості дорогого целюлозного волокна із забезпеченням поліпшених характеристик друкування та працездатності машині для виготовлення картону, оскільки наповнювач не всмоктує такої великої кількості води, як волокна целюлози. Як правило, міцність мішечного паперу досягається шляхом поліпшення структури паперової пульпи, використання волокон целюлози та відповідної орієнтації волокон у сітковій частині. Для мішка з мішечного паперу необхідно мати пористість, так щоб при наповненні мішка зсередини могло би швидко видалятися повітря. Якщо повітря швидко не видаляється, то його наповнення значно вповільнюється. Як правило, мішки виконуються з декількох шарів мішечного паперу, однак також може виникати необхідність пористості для одношарового крафт-паперу. Пористість пакувального матеріалу, головним чином, вимірюється величиною Герлі (Gurley) або, у іншому варіанті, приладом Бендтсена (Bendtsen). Величина Герлі може 3 використовуватися для вимірювання часу, необхідного для проходження 100 см повітря через один квадратний дюйм дослідного зразка під тиском 1,22 кПa. Як правило, величина Герлі мішечного паперу з високою пористістю повинна скласти менше 10 секунд, а в деяких випадках - менше 5 секунд. Взагалі, досить важко досягти бажаних величин Герлі, які вимагаються від мішечного паперу, одношарового крафт-паперу або паперу, з якої виготовляються мішки. Як правило, пористість забезпечується відповідним підбором і поліпшенням структури волокнистої пульпи. Проте, це приводить до зменшення продуктивності машини, оскільки для поліпшення структури у процесі потрібно більше часу та більше витрат енергії. Поліпшення очищення волокнистої пульпи також сповільнює видалення вологи в сітковій частині, а це означає, що паперове полотно подається в пресову частину більш вологою. Пористість також може бути забезпечена за допомогою певних хімічних речовин, таких як утримуючі речовини. У деяких випадках необхідна пористість забезпечується шляхом виконання необхідної кількості мікроканалів у кінцевому мішечному папері перед наповненням мішка. У цьому випадку, мікроканали в мішку виконуються механічним чином. Однак, механічне обробляння може ушкодити мішечний папір. Крім того, це також вимагає додаткової тривалості обробляння та витрат енергії. Як зазначено вище, типовим способом забезпечення необхідної пористості мішечного паперу є високощільне поліпшення структури. Задля, зокрема, міцності на розрив, орієнтація волокон є істотним питанням, яке необхідно брати до уваги в сітковій частині. Звичайно для збільшення міцності паперу використовується крохмаль. У цьому випадку крохмаль дозується в пульпу підвищеної в'язкості. У процесі виробництва паперу існує потреба об'єднати пористість, міцність, придатність для друкування, швидке видалення води в сітковій частині та заміну більше дорогого волокна целюлози дешевшими матеріалами, такими як агломерати наповнювача. Крім того, краще було б одержувати високу пористість без механічного перфорування матеріалу. З рівня техніки найбільш близьким до винаходу є винахід за патентом США №6494991, опубл. 17.12.2002 р., що розкриває паперові продукти, які містять наповнювачі, попередньо флокульовані з використанням гранул крохмалю та/або решіток полімеризованого мінералу. Згідно з цим винаходом паперовий продукт має полімеризовану мінеральну решітку, таку як кварцова/силікатна решітка, навколо, наскрізь та/або поруч з целюлозним матеріалом замість окремих часток наповнювача нанесених на або зв'язаних з целюлозним матеріалом. Згідно з розкритим в документі способом спочатку утворюють суміш з целюлозного матеріалу, першої групи силікату металу і другої групи основи металу або солі, карбонизують суміш для отримання продукту, що має висаджений карбонатний наповнювач і полімеризовану решітку поруч з целюлозним матеріалом, потім формують паперовий продукт. Винахід вирішує задачу впливу концентрації наповнювача на характеристики міцності паперових продуктів. Недоліком цього винаходу є відсутність зв'язків між наповнювачем і целюлозним матеріалом, що впливає на характеристики міцності і обмежує використання таких паперових продуктів, наприклад, як крафт-паперу. Таким чином, цей винахід стосується пористого волокнистого продукту, що містить целюлозу або деревне волокно. 1 UA 99643 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Точніше, продукт за цим винаходом характеризується ознаками відмітної частини пункту 1 формули винаходу. Спосіб за цим винаходом характеризується ознаками відмітної частини пункту 13 формули винаходу, а використання продукту за цим винаходом характеризується ознаками відмітної частини пункту 12 формули винаходу. Цей винахід забезпечує створення волокнистого продукту, переважно паперу або картону, краще - мішечного паперу, що є пористим, має високий рівень міцності та поліпшену жорсткість у порівнянні з продуктами, які виробляються відомими способами. Зокрема продукт, створений за цим винаходом, краще придатний для друкування та фарбування, має високу міцність, гарний профіль вологості та товщину, особливо в машині для виготовлення мішків, гарне значення П.Е.Р. (T.E.A.) (поглинання енергії на розрив) і міцності на розрив, високу жорсткість і пористість. Мішечний папір за цим винаходом може бути виготовлений з одного шару замість звичайних чотирьох шарів. Інакше кажучи, щодо пористості, одержується технічно поліпшений продукт для виготовлення мішків, що є рентабельнішим, ніж відповідні відомі продукти, і пористість якого виконана без механічного перфорування. Далі докладно розкриті інші аспекти та переваги цього винаходу. На фіг. 1 представлене графічне порівняння коефіцієнтів межі міцності трьох різних мішечних паперів, один - з паперу без наповнювача, другий - з використанням каоліну в якості наповнювача, а третій - в якому згідно з винаходом як наповнювач були використані частки метакаоліну; На фіг. 2A і 2B представлені графічні порівняння міцності на розрив різних мішечних паперів; Фіг. 3A-K ілюструють графічні порівняння властивостей різних мішечних паперів; фіг. 3A і 3B - межі міцності паперів, фіг. 3C і 3D - їхньої міцності на розрив, фіг. 3E і 3F - їхнього ступеня поглинання енергії розриву, фіг. 3G і 3H - розтягання, фіг. 3I - пористості, фіг. 3J - величини Герлі паперів і фіг. 3 К - жорсткості паперів; На фіг. 4A і 4B показані вигляди волокнистого продукту за цим винаходом під електронним мікроскопом; 200-кратне збільшення на фіг. 4A і 1000-кратне збільшення на фіг. 4B. Цей винахід стосується пористого волокнистого продукту, що містить целюлозу або деревні волокна, причому структурні частки наповнювача приєднуються між волокнами. Ці частки як збільшують пористість продукту, так і зв'язують волокна одне з одним, завдяки чому міцність залишається незмінною або навіть збільшується в порівнянні зі звичайним волокнистим продуктом, що не містить наповнювача. Волокнистий продукт переважно включає папір або картон, краще - крафт-папір, зокрема, мішечний папір (мікроскопічне зображення на фіг. 4), одношаровий крафт-папір або фільтрувальний папір. Волокна, які використовуються, переважно також включають або целюлозу, що виготовлену сірчанокислим способом, містить лігнін і є особливо придатною, наприклад, для виготовлення крафт-паперу, або волокна деревної пульпи, волокна деревної маси із тріски або рафінерних хіміко-механічних волокон деревної маси. Згідно з кращим варіантом, пористість волокнистого продукту складає нижче 10 секунд /100 мл, одиниць Герлі. Однак, згідно з цим винаходом, можна досягти високої пористості продукту з величиною Герлі нижче 5 секунд/100 мл. Як наповнювачі в частках. можуть використовуватися різні мінеральні наповнювачі, краще метакаолін. Під частками наповнювача в цьому контексті розуміється агломерат, шлак або гранульовані частки, які містять наповнювачі. Вони переважно містять метакаолін і їх можна назвати "агломератами метакаоліну" (MKS). Незалежно від використання часток наповнювача, готовий продукт за цим винаходом, тобто, пористий готовий продукт має високий рівень міцності (Фіг. 1, 2 і 3). Відоме використання метакаоліну як присадки до цементу. В описі до патенту США US 6 027 561, серед іншого, описується композиція, яка містить цемент і метакаолін. Він одержується шляхом термічної обробки каоліну з відділенням його з води та висушуванням суспензії шляхом сушіння розпилюванням, причому діаметр отриманих агломератних кульок становить принаймні 10 мікронів. У патентах США 5 976 241, 5 958 131, 5 626 665,5 122 191 і 5 788 762 також описується використання метакаоліну як присадки до цементу. За винаходом, що заявляється, виробництво часток наповнювачів або пігментів, таких як агломерати, може виконуватися, поряд з іншими, і хімічним шляхом, або нагріванням, або перемішуванням, або їхніми комбінаціями, краще шляхом сушіння розпилюванням і теплом, отриманим таким чином, і зв'язувальною речовиною. 2 UA 99643 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Використання зв'язувальної речовини у подальшому ступені поліпшує міцність часток наповнювача. Поряд з іншими, як зв'язувальна речовина може використовуватися силікат, що має колоїдний розмір. При виборі силікатів істотним є те, щоб деякі розміри силікату знаходилися в колоїдному діапазоні, тобто між 1 мкм і 1 нм. Силікат колоїдного розміру може містити, у тому числі, колоїдний силікат, кремнекислий мікрогель або структурований силікат. Силікат колоїдного розміру може також містити іони заліза, алюмінію, магнію або марганцю. При змішуванні силікату колоїдного розміру з водним розчином наповнювача, відзначаються наступні вдосконалення в готовому продукті, у порівнянні з використанням тільки часток наповнювача: 1 збільшення рівня міцності; 2 поліпшення твердості; 3 підтримується висока пористість. Несподівано було також виявлено, що якщо силікат колоїдного розміру додати до водного розчину наповнювача при одночасному перемішуванні та додаванні кислотного агенту, забезпечуються такі подальші сприятливі зміни: 1 продовжує збільшуватися рівень міцності; 2 продовжує поліпшуватися твердість; 3 досягається високий рівень пористості. Кислотним агентом може бути кислота, сірчанокислий алюміній або інший агент, у якому є сірчанокисла група. Використання альдегіду та галуну у водному розчині наповнювача замість або на додаток до диоксиду кремнію також поліпшує характеристики міцності продукту. Додавання часток наповнювача, краще часток метакаоліну, до волокон целюлози або деревних волокон здійснюють, поки частки перебувають переважно в спеченій або пластичній формі, найкраще - в спеченої формі, при використанні вищезгаданих зв'язувальних речовин, які переважно містять диоксид кремнію, галун або альдегід, найкраще - диоксид кремнію або галун. Кращим альдегідом є гліоксаль. Краща кількість використовуваного диоксиду кремнію складає 0,5-20 мас. %, краще 0,5-5 мас. %, найкраще 1-3 мас. %. Кількість використовуваного галуну, у свою чергу, становить у кращому випадку 0,5-10 мас. %, краще 0,5-3 мас. %. Відповідно, краще, коли кількість використовуваного гліоксалю становить 0,5-20 мас. %, ще краще - 0,5-5 мас. %. Додавання є успішним, тому що фібрили целюлози або деревних волокон є амфолітичними, тобто, вони діють і як кислоти, і як луги. На їхніх кінцях присутні багато негативно заряджених груп OH , які формуються, коли волокна розсіяні у воді, тобто, фібрили є полярними. Разом з полярними молекулами води, ці полярні фібрили таким чином формують бар'єр для потоку води. Частки метакаоліну руйнують у водневі зв'язки, які сформовані водою і групами OH у волокнах і, внаслідок чого утворюються більш відкрита пориста структура та продукт, який легше висушувати. Після введення часток у таку пористу структуру, зв'язувальні речовини, такі як диоксид кремнію, галун та гліоксаль, з'єднують волокна целюлози або деревні волокна щільно один до одного, формуючи тверде паперове полотно і одночасно приєднуючи частки наповнювача до волокон. Таким чином, одержують волокнистий продукт, пористість якого достатня для задоволення вимог, у тому числі, до мішечного паперу. При додаванні диоксиду кремнію, принаймні частково використовується формування нових водневих зв'язків: ∙∙∙ ∙∙∙ H-SiO2-O Як згадано вище, внаслідок амфолітичного аспекту, целюлоза або деревні волокна функціонують як кислоти та як луги. Тому як диоксид кремнію так і галун можуть використовуватися як зв'язувальні речовини, навіть при тому, що вони виконують свої функції в різних діапазонах pH. Диоксид кремнію здійснює зв'язок з кислотної сторони волоконних фібрил, тоді як галун здійснює зв'язок з лужної сторони. Використовуваний диоксид кремнію є переважно мікрогелем диоксиду кремнію або золь диоксиду кремнію. Мікрогель одержують із аморфних часток і кремнієвої кислоти. Він функціонує в межах pH