DE10317722A1

DE10317722A1 - Verfahren zum Beladen einer Faserstoffsuspension mit Kalziumkarbonat und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10317722A1
Application number: DE2003117722
Authority: DE
Inventors: Paul Bezler; Klaus Dr. Dölle
Original assignee: Voith Paper Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2004-11-11

Abstract

Ein Verfahren zum Aufladen einer Faserstoffsuspension mit Zellulosefasern mit Kalziumkarbonat umfasst die folgenden Verfahrensschritte: DOLLAR A - Einbringen von Kalziumhydroxid in flüssiger oder trockener Form oder von Kalziumoxid in die Faserstoffsuspension (Bereich 44), DOLLAR A - Entwässern der Faserstoffsuspension, bis eine nicht mehr flüssige, aber noch feuchte Faserstoffsuspension entsteht (Bereich 46), DOLLAR A - Einbringen von gasförmigem Kohlendioxid (Anschluss 32) in die feuchte Faserstoffsuspension und DOLLAR A - Ausfällen von Kalziumkarbonat durch das Kohlendioxid.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beladen einer Faserstoffsuspension mit Kalziumkarbonat.

Es sind bereits mehrere Verfahren zum Beladen von Zellstofffasern mit Kalziumkarbonat bekannt. In der US 5 223 090 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem Fasermaterial mit langgestreckten Fasern mit einer einen Hohlraum umgebenden Zellwand eingesetzt wird, wobei die Fasern eine Feuchtigkeit haben, die ausreicht, um einen entwässerten Brei einer Pulpe zu bilden. Dabei haben die Fasern einen Feuchtegehalt, der einem Anteil von 40 – 50 % des Gewichts der Fasern entspricht. Das Wasser ist im wesentlichen im Innern der Fasern und innerhalb der Faserwände vorhanden. Anschließend wird alternativ Kalziumoxid oder Kalziumhydroxid zu der Pulpe hinzugefügt, so dass wenigstens ein Teil des eingebrachten Kalziumoxids oder Kalziumhydroxids mit dem in der Pulpe vorhandenen Wasser assoziiert wird. Darauf wird das faserförmige Zellulosematerial mit Kohlendioxid in Verbindung gebracht, wobei es gleichzeitig einem Scher-Mischverfahren unterworfen wird, um ein Fasermaterial mit einer beträchtlichen Menge Kalziumkarbonat in dem hohlen Innern und innerhalb der Faserwände der Zellulosefasern zu erzeugen.

Aus der JP-A-60 297 382 ist es bekannt, Kalziumhydroxid in einer einprozentigen Suspension einer geschlagenen oder ungeschlagenen Pulpe einzubringen. Anschließend wird Kohlendioxid in die Mischung aus der Faserstoffsuspension und dem Kalziumhydroxid eingebracht, um das Kalziumhydroxid in Kalziumkarbonat umzuwandeln.

Für die Herstellung von Zigarettenpapier gilt folgendes: Zigarettenpapier ist ein Papier mit einem Flächengewicht von 16 – 26 g/m². Es wird oft mit Wasserzeichen versetzt und soll sehr dünn, glimmfähig und geschmacklos sein. Außerdem soll es gute optische Werte bezüglich des Weißgrades aufweisen. Die Glimmfähigkeit wird meistens durch Imprägnierungen erreicht, um eine gut aussehende weiße Asche zu hinterlassen. Zigarettenpapier wird meistens aus Leinen oder Hanffasern, Baumwolle, Sulfatzellstoff, Papiermaschinenausschuss sowie aus anderen Faserquellen hergestellt. Der Füllstoffgehalt von Zigarettenpapier beträgt zwischen 5 und 40 %, wobei 30 % als Standardwert angesehen wird.

Der Mahlgrad von Zigarettenpapier variiert zwischen 100 und 25 CSF (Canadian Standard Freeness) oder zwischen 68 und 90 °SR, bezogen auf das hergestellte Endprodukt.

Verpackungspapiere und Pappen lassen sich in drei Hauptklassen unterteilen:
Kistenpappe für Verpackungsanwendungen, Kistenpappe für Anwendungen im Bereich der Konsumentenverpackungen und Spezialpapiere wie Tapeten, Buchrücken, etc.. Verpackungspapiere werden üblicherweise als mehrlagiges Produkt mit Flächengewichten über 150 g/m² hergestellt. Der Mahlgrad variiert von 600 – 50 CSF oder 20 – 80 °SR, bezogen auf das hergestellte Endprodukt.

Sackpapiere benötigen eine hohe Porosität und hohe mechanische Festigkeit, um den hohen Anforderungen gerecht zu werden, die durch die raue Behandlung während des Füllvorgangs und während der Dauer der Verwendung entsteht, wie beispielsweise bei Zementsäcken. Das Papier muss stark genug sein, um Schläge zu absorbieren und dementsprechend eine hohe Energieabsorptionsrate aufweisen. Das Sackpapier muss auch porös und genügend luftdurchlässig sein, um eine einfache Befüllung zu gewährleisten. Sackpapiere werden üblicherweise als ein Produkt mit Flächengewichten zwischen 70 und 80 g/m² aus einem Langfaser-Kraftzellstoff und mit einem Mahlgrad zwischen 600 – 425 CSF oder 20 – 30 °SR hergestellt. Außerdem wird ein mittlerer Mahlgrad, wie oben beschrieben, angestrebt, der meistens durch eine Hochkonsistenzmahlung erreicht wird, während bei konventionellen Papiersorten, beispielsweise bei graphischen Papieren, eine Niedrigkonsistenzmahlung zum Einsatz kommt. Das Ergebnis der Hochkonsistenzmahlung sind gute Verbindungen der Fasern unter einander sowie eine hohe Porosität. Das Sackkraftpapier wird überwiegend aus gebleichten und ungebleichten Fasern hergestellt, wobei ein Füilstoffgehalt von 5 – 15 % im hergestellten Sackpapier vorhanden sein kann.

Filterpapier benötigt eine hohe kontrollierte Porosität und Porenverteilung. Es muss eine genügend hohe mechanische Festigkeit aufweisen, um dem Durchfluss des zu filternden Mediums entgegenzuwirken.

Filterpapier wird mit einem Flächengewicht von 12 – 1200 g/m² produziert. Zum Beispiel beträgt es bei einem Luftfilter zwischen 100 und 200 g/m², bei einem Öl- und Treibstofffilter zwischen 50 und 80 g/m², bei einem Lebensmittelfilter bis zu 1000 g/m2, bei einem Kaffeefilter bis zu 100 g/m², bei einem Teebeutel zwischen 12 und 20 g/m² und bei einem Staubsaugerbeutel zwischen 100 und 150 g/m². Alle Filter werden aus einer Vielzahl von Fasern, wie Zellstofffasern, gebleichten und ungebleichten Fasern, Kraftzellstoff, DIP-(Deinked-)-Papier, recycelten Fasern, TMP-(thermomechanischem)-Papier, etc. hergestellt, wobei ein Mahlgrad von 600 – 350 CSF oder von 20 – 35 °SR angestrebt wird.

Es ist außerdem bekannt, dass der Mahlvorgang einen sehr hohen Einfluss auf die mechanische Festigkeit des herzustellenden Endprodukts, beispielsweise des Filterpapiers, ausübt und dadurch die Entwässerungs- und Trocknungseigenschaften beeinflusst. Deswegen steht die geforderte Entwässerungseigenschaft oft im Gegensatz zu den gewünschten mechanischen Eigenschaften des Endprodukts.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein weiteres Verfahren zum Beladen von Zellstofffasern mit Kalziumkarbonat zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten:

– Einbringen von Kalziumhydroxid in flüssiger oder trockener Form oder von Kalziumoxid in die Faserstoffsuspension,
– Entwässern der Faserstoffsuspension, bis eine nicht mehr flüssige, aber noch feuchte Faserstoffsuspension entsteht,
– Einbringen von gasförmigem Kohlendioxid in die feuchte Faserstoffsuspension und
– Ausfällen von Kalziumkarbonat durch das Kohlendioxid.

Mit diesem Verfahren lassen sich insbesondere Karton- und Verpackungspapiere aller Art, insbesondere Sackkraftpapier, aber auch andere Papiere, wie Zigarettenpapier, herstellen.

Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Papier hat im allgemeinen eine bessere Entwässerungseigenschaft mit Werten von 5 – 100 ml CSF oder von 0,2 – 15 °SR in Abhängigkeit vom geforderten Mahlgrad. Zusätzlich besitzt der beladene Fasern aufweisende Stoff oder die Pulpe ein niedrigeres Wasserrückhaltevermögen. Dieses beträgt in Abhängigkeit von dem für die Herstellung verwendeten Rohstoff zwischen 2 und 25 % des Wasserrückhaltevermögens einer Pulpe mit nicht beladenen Fasern. Dies ermöglicht eine gegenüber dem Stand der Technik effektivere Herstellung von Zigarettenpapieren aller Art, von Karton- und Verpackungspapieren, Sackkraftpapieren und Filterpapieren verschiedener Arten, weil sich das in der Stoffsuspension vorhandene Wasser gegenüber den bekannten anderen Herstellungsverfahren schneller entfernen lässt und der Stoff oder die Pulpe somit schneller trocknet.

Für Papiere mit Füllstoff beladenen Fasern, wie beispielsweise Zigarettenpapier, Karton- und Packpapier sowie Sackkraftpapier, welche keine Füllstoffe benötigen, kann der freie Füllstoff mittels eines zusätzlich eingeschalteten Waschvorgangs vor dem Mahlprozess, nach dem Mahlprozess oder in der Papiermaschine vor der Stoffauflaufbütte oder im Bereich vor der Zuführung zur Papiermaschine entfernt werden. Dies betrifft nur den Füllstoff, der nicht an oder in den Fasern abgelagert ist und dementsprechend ausgewaschen werden kann. Die Fasern selber sind in ihrem Innern als auch auf der Außenseite mit Füllstoff versehen, so dass die durch das Beladen hervorgerufenen positiven Effekte bestehen bleiben.

Die auch als „Fiber Loading" bezeichnete Technologie zum Beladen der Zellstofffasern mit einem Füllstoff kann vor oder nach dem Mahlprozess verwendet werden, je nachdem, welche Anforderungen an das Endprodukt gestellt werden.

Mit der Fiber-Loading-Technologie kann ein höherer Mahlgrad energiegünstig erreicht werden, da bis zu 50 % der Mahlenergie eingespart werden. Dies wirkt sich insbesondere auf die Papiersorten wie Zigarettenpapiere, Karton- oder Verpackungspapiere, Sackkraftpapiere oder Filterpapiere aus, da diese Papiere sehr hohe Mahlgrade aufweisen. Es werden Zigarettenpapiere mit 100 – 25 CSF oder 68 – 90 °SR, Karton- und Verpackungspapiere mit 600 – 50 CSF oder 20 – 80 °SR, Sackkraftpapiere mit 600 – 425 CSF oder 20 – 30 °SR und Filterpapiere mit 600 – 350 CSF oder 20 – 35 °SR hergestellt. Die durch den hohen Mahlgrad erreichten hohen mechanischen Fertigkeiten wirken sich positiv auf die Herstellung von Zigarettenpapieren, von Karton- oder Verpackungspapieren, von Sackkraftpapieren und Filterpapieren aus, da durch prozessbedingte mechanische Belastungen in den verschiedenen Sektionen der Papiermaschine wie der Pressenpartie, der Trockenpartie und im Aufrollbereich der Papiermaschine das hergestellte Zwischenprodukt und das herzustellende Endprodukt durch die Verwendung in Aufroll-, Wickel-, Umroll- und Konvertierungsmaschinen stark belastet wird. Insbesondere bei der Herstellung von Zigarettenpapier entstehen hohe mechanische Belastungen an dem verwendeten Zigarettenpapier, die teilweise durch das niedrige Flächengewicht als auch durch den Einsatz von Wickelmaschinen im Herstellungsprozess bedingt sind.

Durch eine bessere Trocknung, beispielsweise zwischen 1 und 20 %, lässt sich somit die Effizienz der Papierproduktion, insbesondere bei Zigarettenpapieren, Karton- und Verpackungspapieren, Sackkraftpapieren und Filterpapier, erhöhen. Ein höheres Wasserrückhaltevermögen, beispielsweise zwischen 1 und 25 %, hat einen Einfluss auf die Rückbefeuchtung, welche im Herstellungsprozess geringer ist, sowie auf die Bedruckbarkeit der hergestellten Papiere. Ein weiterer Vorteil liegt in dem höheren Weißgrad beim Papier, bei Pappe oder beim Einsatz von Pappe in Verbindung mit einer weißen Decklage, wie sie vorwiegend im Verpackungssektor, z. B. bei Schachteln und Werbeaufdrucken, Anwendung findet.

Insbesondere bei Sackkraftpapieren und Filterpapieren sowie deren Spezialanwendungen, welche eine höhere Porosität erfordern, besteht im Vergleich zu konventionellen Füllstoffen ein weiterer Vorteil darin, dass durch den Einsatz des Fiber Loading ein um bis zu 50 % geringeres Luftrückhaltevermögen erreicht wird. Dies ist beispielsweise wichtig bei der Befüllung von Säcken, bei welchem während des Befüllens Luft durch die von dem Sackkraftpapier gebildete Hülle des Sacks entweicht.

Insbesondere durch das Anlagern von Kalziumkarbonat-Kristallen. im Größenbereich von 0,1 – 10 μm, insbesondere zwischen 0,4 und 5 μm, an, zwischen und in den Fasern wird ein Filterpapier hergestellt, das sehr kleine Partikel entsprechend der Papierdichte und der Dicke des Papiers zurückhält. Die angelagerten Füllstoffpartikel fungieren dabei als Rückhaltekörper. Die Füllstoffpartikel vergrößern auch die zur Verfügung stehende Oberfläche des Filtermediums, wobei insbesondere durch die Füllstoffpartikel Hohlräume zwischen den Fasern geschaffen werden, die so klein sind, dass Partikel zurückgehalten werden, die durch auf konventionellem Wege hergestelltes Filterpapier nicht ausgefiltert werden können.

Insbesondere bei Karton- und Verpackungspapieren besteht ein weiterer Anwendungsvorteil der Fiber-Loading-Technologie bezüglich des Wasserrückhaltevermögens darin, dass gegenüber konventionell hergestellten Karton- und Verpackungspapieren weniger Wachs eingesetzt werden muss, um eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Wasser zu erzielen. Dadurch werden Produktionskosten eingespart. Gleichzeitig wird durch die Verringerung des Wachsanteils die Recycelbarkeit der wasserfesten Karton- und Verpackungspapiere erhöht.

Der Einsatz der Fiber-Loading-Technologie hat auch den zusätzlichen Vorteil einer Verbesserung der optischen Helligkeit um bis zu 15 % bei Zigarettenpapier, Karton- und Verpackungspapier, Sackkraftpapier und bei Filterpapier.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass, sofern eine Kalandrierung des Papiers vorgesehen ist, das so genannte Blackening (Schwarzsatinage) durch die Einlagerung von Kalziumkarbonat-Partikeln in, um und an den Fasern unterdrückt oder eliminiert wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung.

Von Vorteil ist insbesondere ein Verfahren, bei dem die Faserstoffsuspension in einem weiteren Verfahrensschritt anschließend in einer Anordnung mit einem Stator und einem Rotor mit niedriger Scherenergie vermischt wird.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Faserstoffsuspension unter niedrigem Druck vermischt wird. Der Druck kann beispielsweise im Bereich von 0,05 – 10 bar, insbesondere von 0,1 – 5 bar, liegen.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Anordnung zur Durchführung eines der oben aufgeführten Verfahren.

Nachstehend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Beladen von in einer Faserstoffsuspension enthaltenen Fasern mit einem Füllstoff durch eine chemische Fällungsreaktion mit einem Pumpdisperger und
2 eine Ansicht des Pumpdispergers gemäß 1 in Richtung der Pfeile A.
Eine Faserstoffsuspension wird in einer Vorrichtung 10 (1) einem Pumpdisperger, das heißt einem Pumpfluffer 12, zugeführt und in diesem durch Scherkrafte beaufschlagt, um das Fasermaterial in Individualfasern aufzubrechen, das heißt die Oberflächen der Fasern freizulegen und entsprechend die Kontaktfläche zu vergrößern. Dabei wird der Pumpdisperger 12 gleichzeitig als Reaktor für eine chemische Fällungsreaktion benutzt. Er kann insbesondere so ausgeführt sein, dass sich in einem Reaktionskanal 14 eine Reduktion der Fließgeschwindig keit der Faserstoffsuspension ergibt. Im vorliegenden Fall ist er so ausgeführt, dass die Faserstoffsuspension ausgehend von einem zentralen, radial inneren Bereich allgemein radial nach außen transportiert wird.
Der Reaktionskanal 14 des Pumpdispergers 12 ist zumindest teilweise durch strukturierte Oberflächen begrenzt, die beispielsweise durch eine jeweilige Zahn- oder Messergarnitur gebildet sein können. Der Reaktionskanal 14 ist zwischen zwei einander gegenüberliegenden Platten 16 mit strukturierten Oberflächen gebildet, zwischen denen die Faserstoffsuspension radial nach außen transportiert wird.
Dem Pumpdisperger 12 ist eine Pfropfenschnecke 18 vorgeschaltet, um die Faserstoffsuspension unter Bildung eines Pfropfens zu verdichten. Der Pfropfenschnecke 18 ist eine Zuführschnecke 20 vorgeschaltet, die in einem zumindest im wesentlichen zylindrischen Kanal oder Gehäuse 22 angeordnet ist. Der Kanal 22 hat einen Anschluss 24 zum Zuführen eines Gemisches, das beispielsweise zumindest aus der Faserstoffsuspension, Wasser und Kalziumoxid und/oder Kalziumhydroxid besteht.
Die Pfropfenschnecke 18 ist drehbar in einem kegelförmigen Kanal 26 angeordnet, dessen Querschnitt sich in Stoffflussrichtung S verjüngt, um die Faserstoffsuspension unter Bildung eines Pfropfens in einem sich an die Pfropfenschnecke 18 anschließenden, unmittelbar vor dem Pumpdisperger 12 angeordneten Kanal 28 zu verdichten. Dieser unmittelbar vor dem Pumpdisperger 12 angeordnete Kanal 28 ist mit einer Förderschnecke 30 versehen und weist einen Anschluss 32 zum unmittelbaren Einleiten von Kohlendioxid in die nicht mehr flüssige, aber noch feuchte Faserstoffsuspension auf. Die Schnecken 18, 20, 30 besitzen entweder eine gemeinsame Antriebswelle 34, oder sie sind zumindest teilweise getrennt antreibbar. Durch ein im Zentrum der Pfropfenschnecke 18 vorgesehenes Drall kreuz 36 wird der Pfropfen aufgelockert, und entsprechend werden die Oberflächen des Fasermaterials vergrößert. Die einander gegenüberliegenden strukturierten Oberflächen der Platten 16 erzeugen Scherkräfte im Faserstoff, wodurch die Kontaktfläche des mit dem an den Fasern angelagerten Kalziumhydroxid reagierenden Kohlendioxids vergrößert und somit eine schnelle und effiziente Reaktion gewährleistet wird.
Der Pumpdisperger 12 hat einen zumindest im wesentlichen tangential zu den Platten 16 angeordneten Auslauf 38 für die eingedickte beladene Faserstoffsuspension. Optional kann auch in diesem Bereich noch eine Kohlendioxid-Zuführung vorgesehen sein, um den gewünschten pH-Wert einzustellen.
Überdies kann der Pumpdisperger 12 einen zumindest im wesentlichen tangential zu den Platten 16 angeordneten Zulauf 40 zur Verdünnung des beladenen Stoffs mit Wasser und/oder Kalziumhydroxid, insbesondere aus einer vorgeschalteten Stoffeindickung, auf weniger als 6 %, vorzugsweise 3 – 6 %, besitzen. Durch die entsprechende Verdünnung wird der Stoff wieder pumpfähig.
Die Faserstoffsuspension wird beispielsweise durch Auflösen von Zellstoff oder Altpapier mit Zuschlagstoffen in einem Stofflöser 42 erzeugt oder als nicht getrockneter Faserstoff dem Beladungsprozess zugeführt.
Anschließend wird in einem Bereich 44 Kalziumoxid oder Kalziumhydroxid, letzteres in trockener oder flüssiger Form, zugeführt und mit der Faserstoffsuspension durchmischt. In einem Bereich 46 wird die Faserstoffsuspension anschließend durch Entwässern soweit eingedickt, bis ein noch feuchter Brei entsteht. Auf diese Weise entsteht eine nicht mehr flüssige, aber noch feuchte Faserstoffsuspension.
Von dem Bereich 46 wird dann die beladene Faserstoffsuspension in den Pump disperger 12 geleitet, in dem das Kohlendioxid eingebracht wird.

10: Vorrichtung
12: Pumpdisperger, Fluffer
14: Reaktionskanal
16: Platte
18: Pfropfenschnecke
20: Zuführschnecke
22: Zylindrischer Kanal
24: Anschluss
26: Kegelförmiger Kanal
28: Kanal
30: Förderschnecke
32: Anschluss
34: Antriebswelle
36: Drallkreuz
38: Auslauf
40: Zulauf
42: Stofflöser
44: Bereich zum Eindicken
46: Bereich zum Mischen
S: Stofflaufrichtung

Claims

Verfahren zum Aufladen einer Faserstoffsuspension mit Zellulosefasern mit Kalziumkarbonat mit den folgenden Verfahrensschritten: – Einbringen von Kalziumhydroxid in flüssiger oder trockener Form oder von Kalziumoxid in die Faserstoffsuspension (Bereich 44), – Entwässern der Faserstoffsuspension, bis eine nicht mehr flüssige, aber noch feuchte Faserstoffsuspension entsteht (Bereich 46), – Einbringen von gasförmigem Kohlendioxid (Anschluss 32) in die feuchte Faserstoffsuspension und – Ausfällen von Kalziumkarbonat durch das Kohlendioxid.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstoffsuspension anschließend in einer Anordnung (12) mit relativ zueinander drehenden Platten (16), insbesondere mit einem Stator und einem Rotor, mit niedriger Scherenergie vermischt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstoffsuspension unter niedrigem Druck vermischt wird.
Anordnung (10) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3.