FI72558B - Anvaendning av serpentinit som tillsatsaemne. - Google Patents

Description

1 72558

SERPENTINIITIN KÄYTTÖ LISÄAINEENA

Tämä keksintö kohdistuu hienojakoisen serpentiniitin käyttöön paperiteollisuuden lisäaineena, joko paperin ja kartongin lisäaineena, joko paperin ja kartongin täyteaineena tai pihkojen, hartsien uuteaineiden sekä muiden ns. tahmoaineiden poistajana ja nollakuitujen kokoojana sekä itse paperiteollisuudessa että paperiteollisuuden prosessivesissä. Serpentiniittiä voidaan käyttää yksinään näihin tarkoituksiin tai sopivaan aineeseen esim. talkkiin seostettuna.

Täyteaineiden käytöllä paperiteollisuudessa pyritään ensisijaisesti korvaamaan osa kalliista puun kuituaineksesta halvemmalla mineraaliaineksella, mutta täyteaineet vaikuttavat myös moniin paperin ja kartongin ominaisuuksiin joko parantaen tai huonontaen niitä.

Täyteaineet parantavat useita paperin ja kartongin sekä optisia että painettavuut-ta koskevia ominaisuuksia. Täyteaineiden päätarkoituksena on puukuidun säästämisen ohella parantaa opasiteettia, vaaleutta, painomusteen adsorptiota, pinnan siieyttä, painojäljen tasaisuutta, huokoisuutta, paperin tuntua sekä paperin ja kartongin kitkaa, jäykkyyttä ja makaavuutta. Muita vaikutuksia ovat tiheyden lisääntyminen, mittapysyvyyden parantuminen ja paperin pohjan tasoittuminen.

Täyteaineelta edellytetään yleensä myös suurta huokoisuutta lähinnä painatusomi--naisuuksien takia. Painoväri tunkeutuu paremmin huokoiseen materiaaliin, jolla on lisäksi suuri ominaispinta-ala. Täyteaineet lisäävät paperin ja kartongin tulenkes-tävyyttä. Mikäli täyteaine-kuituverkosto on mahdollisimman tiheä ja kestävä, ovat tulenkesto-ominaisuudet hyvät.

Täyteaineet huonontavat yleensä paperin ja kartongin lujuusominaisuuksia sekä iiimauskestävyyttä. Suuret täyteainelisäykset voivat aiheuttaa paperin pölyämistä paperikoneen kuivausosalla, leikkurilla ja kalantereilla. Pölyäminen johtuu täyteaineiden pintalujuutta huonontavasta vaikutuksesta, ja se voidaan estää esim. tärkkelyslisäyksellä tai pintaliimauksella.

Tärkeimmät nykyisin käytössä olevat paperin ja kartongin täyteaineet ovat kaoliini, talkki, kipsi, liitu, kalsiumkarbonaatti, bariumsulfaatti piimää, titaanidioksidi, sinkkisulfidi, alumiinihydroksidi, montmorilloniitti ja synteettiset silikaatit.

2 72558 Täyteaineiden suurimpana heikkoutena voidaan pitää niiden huonoa tarttuvuutta katuverkostoon. Tähän täyteaineiden ns huonoon retentioon on tärkeimpänä syynä se, että useimpien täyteaineiden zetapotentiaali on negatiivinen samoin kuin kuitujenkin. Tämän takia on kuituverkoston täyteainehiukkasia pidättävä suodatusvaikutus tärkein retentioon vaikuttava tekijä. Suodatusvaikutuksen puolestaan määräävät viiralla kulkevan massarainan paksuus, kuituverkon tiheys sekä rainaan kohdistuvan imun suuruus.

Retentioon vaikuttavat toisaalta myös täyteainehiukkasten fysikaaliset ominaisuudet. Suuret hiukkaset suotautuvat paremmin kuin pienet, jotka helposti kulkevat suodatuskerroksen läpi Pitkulainen tai kuitumainen muoto on hiukkaselle tässä suhteessa edullisempi kuin pallomainen. Raskaat hiukkaset suotautuvat huonommin kuin kevyet.

Eräänä paperiteollisuuden ongelmana on puun kuituaineksen mukana prosessiin tuleva pihka, hartsi ja uuteaineet sekä erityisesti uudelleen kiertoon otetun materiaalin, kiertokuidun mukana tulevat tahmoaineet. Tahmoaineet koostuvat erilaisista sulateliimoista, vahoista, teipeistä bitumisista epäpuhtauksista ja pihkasta. Nämä kaikki tahmoaineet aiheuttavat lukuisia haittoja sekä koneella että tuotteessa: Tahmoaineet tarttuvat viiran päällä olevan huovan huokosiin ja estävät siten vähitellen veden suodattumista huovan läpi. Tällöin massaan pyrkii jäämään liikaa vettä. Tahmoaineet tarttuvat ajovaiheessa koneen teloihin, kun lämpötila koneella nousee (max. 130° C). Tahmoaineiden tarttuminen näkyy kuivaussylintereissä ruskeina vyöhykkeinä Tuloksena on, että lopputuotteen ulkonäkö ja kestävyys huononevat.

Tahmoaineiden poistamiseksi on käytetty kemikaaleina mm. alunaa, rikkihapoa, hartsiiiimoja, liimanestoaineita, ureapohjaisia tuotteita, fosfaatti - tai nitraattipi-toisia tuotteita ammoniumsuoloja, krysotiiliä ja talkkia. Esimerkkinä krysotiilin käytöstä voidaan mainita 5U-keksi jän todistus 579 367. jossa myös mainitaan serpentiniitin ja brusiitin käyttö krysotiilin lisäaineena zetapotentiaalin kohottajana. Talkki on tällä hetkellä ehkä käytetyin pihkan ja tahmoaineiden poistokemi-kaali. Syinä tahmoaineiden poistamisvaikeuksiin on mm. se, että tahmoaineet irtoavat kiertokuidun pinnasta suurehkoina levymäisinä palasina. Talkki, jota käytetään uuteaineiden poistoon, ei tehoa niin hyvin suuriin tahmoainepartikkelei-hin. Tahmoaineista poikkeavasti uuteaineet ovat dispergoituneet pieniksi pisaroiksi. jotka mineraaiiaines voi sitoa. Tahmoainepartikkelit ovat ominaispainoltaan 3 72558 hyvin keveitä (tiheys 0,8 - 0,9 g/cm3, kuitua kevyempi), joten ne eivät poistu pyörre-erottimissa. Tahmoaineiden poistamiseksi mineraaliaineksen pitäisi pystyä päällystämään tahmoainepartikkelia joka puolelta hyvin, että sen ominaispaino kasvaisi. Tällöin tahmoainepartikkeli voitaisiin poistaa prosessista pyörre-erotti-messa. Jos tahmoainepartikkelit jäävät vaillinaisesti mineraaliaineksen päällystämiseksi, se "sulavat" helpommin kun lämpötila nousee prosessin edetessä.

Tämän keksinnön mukaisesti voidaan serpentiniittiä käyttää menestyksellisesti paperiteollisuudessa sekä paperin ja kartongin täyteaineena että pihkan, hartsin uuteaineiden ja muiden tahmoaineiden poistajana sekä noliakuitujen kokoojana. Keksinnön olennaiset tunnusmerkit käyvät esille vaatimuksesta 1.

Serpentiniitti on puhtaimmillaan monokliinistä hienokiteistä magnesiumsilikaat-tia. serpentiniiniä [(OH)^Mg3(Si205)] . Hilassa on usein rautaa ja aiumiinia. Metallien, erityisesti raudan määrä hilassa ratkaisee serpentiniitin värin ja siten vaaleusasteen. Serpentiini kuuluu ns. verkkosilikaatteihin ja esiintyy useimmiten himmeänä, pehmeänä ja hienosuomuisena massana. Eräät serpentiniittilaadut ovat pehmeämpiä kuin talkki. Serpentiiniverkko muodostuu yhdestä piitetraedrikerrok-sesta, jonka negatiivinen varaus neutraloidaan ns. brusiittikerroksella. Talkilla kutakin magnesiumionia kohti on hydroksyyli-ioneja kaksi vähemmän, ja brusiitti-kerros saa ylimääräisen positiivisen varauksen, joka on neutraloitu toisella heksa-gonaalisella piitetraedrikerroksella.

Kun serpentiniittiä murskataan ja jauhetaan syntyy serpentiinin pinnoille positiivisia varauksia. Talkki sen sijaan säilyy lähes neutraalina tai menettää varaustaan lietteessä jääden helposti hydrofobiseksi. Talkin tavattoman suuri liukkaus johtuu kahdesta mahdollisesta liukupinnasta. Serpentiini ei ole yhtä liukas johtuen vain yhdestä liukupinnasta. Liukkaus on etu, mikäli paperi kiillotetaan, mutta useissa tapauksissa se on myös haitta, jos paperista valmistetaan monimutkaisempia tuotteita kuten erilaisia pakkaustuotteita. Serpentiniitti ei pehmeytensä vuoksi vaurioita eikä naarmuta koneita kalanteroitaessa tai kuivaussylintereillä.

Paperimassan kuidut ovat zetapotentiaaliltaan negatiivisia. Serpentiinin zetapo-tentiaali sen sijaan on positiivinen (> + 10 mV) ja tämä ominaisuus on hyvin merkityksellinen sekä täyteainekäytön, tahmoaineiden poiston että noliakuitujen känneiltä sillä serpentiini tarttuu hyvin kuituverkostoon. Tällöin serpentiini sitoo osaltaan myös hienoa nollakuitua. Näin ollen kuituverkoston täyteainehiukkasia " 72558 pidättävällä suodatusvaikutuksella ei ole niin suurta merkitystä retentioon. Serpentiinin kidemuoto on myös edullinen retentiota ajatellen. Täyteaineena käytettävä serpentiniitti ei tarvitse iisäkemikaaleja tarttuakseen kuidun pintaan.

Kuitujen pinnalle tarttumista edistää serpentiniitissä sen poikkeuksellisen suuri ominaispinta-aia, joka on tapauksesta riippuen 50 000 - 500 000 cm2/g, sekä sen suuri huokoisuus. Serpentiniitin korkea sulamispiste (noin 1400° C) ja sen muuttuminen kideveden haihtuessa vähitellen sulaan tilaan antaa serpentiniitiliä täytetylle tai päällystetylle paperille hyvät tulenkesto-ominaisuudet. Serpentiniitin huokoisuus sallii lisäksi lämpöä kuluttavien lisäaineiden lisäämisen.

Eräs serpentiniitin etu on sen hydrofiilisyys, josta on seurauksena helppo lietettä-vyys, joka edesauttaa mineraaiiaineksen käsittelyä. Serpentiniitin pehmeydestä taas on etuna, että on mahdollista käyttää suurempaa raekokoa kuin täyteaineilla yleensä ja serpentiniitin suuri raekoko lisää jäykkyyttä ja vähentää siten käpriste-lyä esim kirjekuoripaperissa.

Tahmoaineiden ja tuorepihkan poistoa ajatellen on serpentiniitiliä useita edullisia ominaisuuksia: serpentiinin zetapotentiaali on positiivinen, joten se tarttuu helposti tahmoainepartikkeiien pintaan, se on helposti lietettävä (hydrofiilinen), sillä on suuri ominaispinta-ala ja huokoisuus.

Serpentiniittiä voidaan siis käyttää paperiteollisuudessa sekä tuoreesta puusta lähtevän tuorepihkan ja uuteaineiden poistoon, erityisesti hiokkeen ja termohier-teen valmistuksessa, että kiertokuitujen mukana tulevien tahmoaineiden poistoon. Serpentiniitin lisäys suoritetaan tehdasoiojen mukaan esim. sulputtimeen, jauhi-miin, sopivaan massakyyppiin lähelle koneen perälaatikkoa tai kiertovesipumpun imupuolelle tai pulpperiin, kun on kysymys kiertokuiduista. Tahmoainepartikkelit voidaan "päällystää" niin täysin serpentiniitiliä, että ne voidaan joko poistaa prosessista ennen suotopuristimia ja kuivausosan sylintereitä esim. kaavareiden avulla, tai tahmoainepartikkeli on inertoitu niin täysin serpentiniitiliä, että se voi kulkea koneen läpi haittaamatta prosessia.

Nykyaikaisissa paperitehtaissa on suljetut kiertovesijärjestelmät ja prosessiin tuleva tuorepihka ja tahmoaineet rikastuvat tähän. Tällöin tulee aika ajoin vastaan ns. sulkemisen raja. Serpentiniittiä voidaan käyttää myös näissä kiertove sissä olevan pihkan ja tahmoaineiden erottamiseen. Kun serpentiniitti on adsorboi-

II

72558 tunut tahmoainepartikkelin pintaan- se voidaan erottaa vedestä helposti esim. vaahdottamalla tai laskeuttamalla.

Tahmoaineiden poistossa on serpentiniitin raekoolla tärkeä merkitys, sillä hienoksi jauhettu serpentiniitti pysyy karkeampaa hiukkasta paremmin pinnoittamaan tah-moainepartikkeiin, jolloin se kestää sulamatta pitemmälle paperikoneella kuin partikkeli, jossa tätä suojaavaa kerrosta ei ole.

Tehdyissä kokeissa on todettu, että serpentiniitti lisää paperin kitkaa, eikä huononna sen vetolujuutta kuten täyteaineet yleensä. Tämä johtuu serpentiniitin positiivisesta zetapotentiaalista, jolloin syntyy luja liitos serpentiniittihiukkasen ja negatiivisesti varautuneen kuidun välille. Hyvien kitka ja lujuusominaisuuksiensa vuoksi serpentiniitti on edullinen täyteaine esim. rakennuspapereissa, teolli-suuskääreissä, testlinerissä, aaltopahvissa ja hylsykartongissa.

Serpentiniitin väri asettaa omat rajoituksensa sen käyttöön paperiteollisuuden täyteaineena ja tahmoaineiden poistajana. Serpentiniitti on väriltään yleensä harmaata. Jos paperin värille asetetaan korkeat vaatimukset, voidaan täyteaineena käyttää vaaleata serpentiniittiä. Toinen mahdollisuus on seostaa serpen ti-niittiä tarpeen vaatimissa suhteissa talkin kanssa esim. kaksoiskerrospäällystyksen yhteydessä. Jos paperimassan määrästä osa on kiertokuitua, on tahmoaineiden poisto tärkeää. Tällöin voidaan talkki korvata kokonaan suuremman ominaispinta-alan ja adsorptiokyvyn omaavalla serpentiniitiilä. Kiertokuitua käyttävässä paperiteollisuudessa esim. säkkiteollisuudessa serpentiniitin aikaansaama kitkan lisääntyminen on olennainen etu.

Tahmoainepartikkelien poiston tai inertoimisen lisäksi voidaan serpentiniittiä käyttää väripartikkelien ja painoväritähteiden poistoon paperimassan siistauksen yhteydessä.

Täyteaineen määrä paperissa ja kartongissa vaihtelee huomattavasti riippuen siitä, minkälaisesta paperista on kyse. Offsetpaperissa täyteaineen määrä on 0 -10 % koko massan määrästä. Sen sijaa LWC-paperissa täyteaineen määrä on 35 -40 % ja eräissä tapettipaperilaaduissa jopa 50 %. Kuten edellä on jo todettu, voidaan täyteaineena toisissa tapauksissa käyttää joko kokonaan serpentiniittiä tai käyttää sitä esim. talkkiin seostettuna 72558

Tahmoaineitten poistoon käytetyn aineen määrä on melko pieni koko paperi mas saan verrattuna, yleensä 0,5 - 20 % Sen sijaan serpentiniitin ominaisuudet pihkan, uute- ja tahmoaineiden poistajana ovat tunnettujen poistoaineiden ominaisuuksia paremmat. Näin ollen tunnetut tahmoaineiden poistajat voidaan joko kokonaan tai suurimmaksi osaksi korvata serpentiniitillä. Seostusaineena voidaan käyttää esim. tähän tarkoitukseen käytettyä talkkia.

Esimerkki 1 (ns. vertailuesimerkki)

Vertailuesimerkkinä on käytetty tavallista ruskeaa mäntysulfaattimassaa, joka on valmistettu säkkipaperin tekoa varten. Massan ominaisuuksia kuvaavat seuraavat indeksit: pintapaino 108 g/ir>2j huokoisuus Gurley 90 s/100 ml: vetoindeksi 75 venymä 6,7 % repäisyindeksi 12,0 tuhka 0,4 % palstautunis luj -302 [3/ m 2]

Taber-hankaus 10,7 [mg/1000 g/25 kierr] levykuiv. x tiheys 746 [kg/m^] ja kitkakerroin kiiltävällä puolella 0,39 ja karkealla puolella 0,39.

Esimerkki 2 Paperin kitka (vrt esim. 1)

Paperin kitka lisääntyy merkittävästi käytettäessä serpentiniittiä täyteaineena. Serpentiniittilisäyksen ollessa 10 % nousi kitka paperin karkealla puolella arvoon 0,50. Paperin kiiltävällä puolella kitka nousi arvoon 0,42. Kummassakin tapauksessa paperin kitka kasvoi kiistattomasti.

Esimerkki 3 Paperin jäykkyys

Paperin jäykkyyden voitiin todeta lisääntyvän serpentiniittilisäyksen vaikutuksesta selvästi. Serpentiniitin pehmeys, raemuoto ja tarttuvuus kuituihin mahdollistivat suurempien raekokojen käytön esim. -10^m 40 % ja - 20yum 100 % verrattuna tavanomaisiin täyteaineisiin esim. talkki ja kaoliini - 10^m 90 %.

7 72558

Esimerkki 4 Paperin lujuusominaisuudet (vrt. esim 1)

Seuraavat mitatut indeksit osoittavat paperin lujuusominaisuuksien merkittävää säilymistä täyteaineena käytetyn serpentiniitin lisäyksistä huolimatta. Serpen ti-niitin ominaispinta-ala oli hyvin korkea 46 m^/g. Serpentiniittilisäyksen ollessa 10 % paperin tuhka nousi arvoon 4,3 %.

a) Vetoindeksi

Serpentiniittilisäyksen ollessa 5 % kuidun määrästä ei vetoindeksi ole juuri muuttunut ja on edelleen 74. Kun lisäys on 10 % on lisäyksen vaikutus todettavissa numeerisesti, vetoindeksin arvo on 68. Varsinaisilla ns. kiertokuitumassoilla on vasta lisäyksen ollessa 15 % havaittavissa vetoindeksin muuttumista.

b) Venymä

Serpentiniittilisäyksen ollessa 10 % kuidun määrästä on paperin venymä säilynyt samana kuitu lisäyksellä 0,5 % eli 5,8. Paperin venymä on pienentynyt hieman ja voidaan todeta, että 10 % lisäys ei ole vielä vaikuttanut kielteisesti paperin venymään.

c) Repäisylujuus

Serpentiniittilisäyksen ollessa 10 % kuidun määrästä on paperin repäisylujuus säilynyt samana kuin lisäyksellä 0,5 % eli 12,4. Repäisylujuus on säilynyt käytännössä muuttumattomana. Lisäys 10 % ei ole vaikuttanut repäisylujuutta heikentävästi.

d) Puhkaisulujuus

Serpentiniittilisäyksen ollessa 10 % kuidun määrästä on paperin puhkaisulujuus säilynyt samana, kuin lisäyksellä 0,5 % eli myös puhkaisulujuus on säilynyt muuttumattomana. Lisäys 10 % ei ole vaikuttanut puhkaisulujuutta heikentävästi.

Esimerkki 5 Pihkojen, hartsien, uuteaineiden sekä muiden ns. tahmoaineiden poisto (jäljempänä yleisnimellä tahmopartikkelit)

Serpentiniitin voitiin todeta adsorboituvan tahmopartikkeleiden pinnoille.

Adsorptio todettiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) ja mirkoanalysaattorilla voitiin analysoida tahmopartikkeleiden pinnoille adsorpoitunut serpentiniitti ajamalla esimerkiksi piin (Si) viiva-analyysi tahmopartikkeleiden yli. Tällöin todettiin piin (Si) intensiteettien voimakkaasti kasvavan tahmopartikkelien kohdalla. Koska serpentiini pystyi adsorboitumaan poikkeuksellisten s 72558 pintaominaisuuksiensa (korkea ominaispinta-ala ja hydrofiilisyys) ansiosta tahmopartikkeleiden pinnoille, niiden tarttuvuus ns. puristinhuopiin paperikoneen viira-osalla väheni. Tämä puolestaan merkitsee puristinhuopien vaihtovälien pidentymistä ja siten suoraa kustannussäästöä. Lisäksi tahmopartikkelien adsorptio paperikoneen varsinaisiin osiin kuten kuivaus-sylintereihin väheni, koska tahmopartikkeiit olivat pinnoille adsorboituneen serpentiniitin peittämiä.

Esimerkki 6 Pihkojen, hartsien uuteaineiden sekä muiden ns. tahmoaineiden poisto vaahdottamalla prosessivesistä (jäljempänä yleisnimellä tahmopartikkeiit)

Serpentiniitin kyky adsorboitua tahmopartikkeleiden pinnoille tarjoaa mahdollisuuden tahmopartikkeleiden poistamiseen prosessivesistä suorittamalla pinnoille adsorboituneen serpentiniitin vaahdotus. Serpentiniitti vaahdottuu tunnetusti hyvin helposti laajalla pH-alueella, mutta erityisen helposti lähes neutraalilla alueella. Lisäksi serpentiniitti ei tarvitse vaahdottuakseen mitään varsinaista kokoojaa vaan pelkästään vähäisen määrän vaahdotusöljyä. Suoritetuissa koevaah-dotuksissa todettiin pääosan tahmopartikkeleista poistuvan serpentiniitin mukana vaahdossa. Prosessiveteen jääneet tahmopartikkeiit olivat tarttuneina kokeissa käytettyyn laitteistoon. Myös ilman vaahdotusta laskeuttamalla tehdyt kokeet antoivat vastaavia tuloksia.

Il

Claims (7)

1. 72558
2. 1. Hienojakoisen serpentiniitin, jonka vaikuttavana aineosana on serpentiini [(OH)^Mg3(Si20^)], tunnettu siitä, että hienojakoista serpentiniittiä käytetään lisäaineena paperin tai vastaavan tuotteen valmistuksessa 0,5 - 50 % koko massan määrästä.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että serpentiniittiä on seostettu talkin kanssa eri suhteissa.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että serpentiniittiä käytetään paperin täyteaineena. k. Patenttivaatimuksen 1 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että serpentiniittiä käytetään kartongin täyteaineena.
5. 5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen I - 4 mukainen käyttö tunnettu siitä, että serpentiniittiä käytetään pihkan, hartsin, puusta tulevien uuteaineiden ja muiden tahmoaineiden poistajana.
6. 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että serpentiniittiä käytetään tahmoaineiden poistajana kiertokulua käyttävässä paperiteollisuudessa.
7. 7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että serpentiniittiä käytetään pihkan, hartsin, uute- ja tahmoaineiden poistajana 1,5 -20 p-% koko massan määrästä. 1 Patenttivaatimuksen 1 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että serpentiniittiä käytetään nollakuitujen kokoojana.