SE516810C2 - Fyllmedelskomposition för papper och sätt för framställning - Google Patents

Description

.rpvn 10 20 25 30 35 516 810 Vid den vanligaste metoden för att framställa PCC utgår man från kalksten som upphettas och därvid övergår till bränd kalk. Den brända kalken får reagera med vatten och sålunda bildas kalciumhydroxid. Då sedan koldioxid leds in kalciumhydroxiden så faller kalciumkarbonat QCC) ut som en fällning. Bl.a. genom att välja olika temperatur- förhållanden under den sistnämnda reaktionen kan man erhålla olika partikelformer av PCC av vilka de skalenoedriska och romboediska är de vanligast förekommande, men även andra partikelformer förekommer vid papperstillverkning.

Som ovan nämnts är således fyllmedlets förmåga att öka opaciteten mycket viktig.

Genom en ökad opacitet kan papperets ytvikt minskas, med stora ekonomiska besparingar som följd. En ökad opacitet för ett kopieringspapper eller ett papper avsett för offsettryck medger också att papperets båda sidor kan utnyttjas bättre för tryckning eller kopiering utan att trycket på den ena sidan störs av att den motsatta sidans tryck.

För ett papper avsett för t.ex. kuvert är ju betydelsen av en god opacitet stor.

Av de fyllmedel som idag används för att öka opaciteten, utöver vad som är möjligt att åstadkomma med kalciumkarbonat, är titandioxid det vanligast förekommande fyll- medlet. Dock är användningen starkt begränsad p. g.a. det höga priset för titandioxid kombinerat med dess dåliga fyllmedelsretention. Då de organiska fyllmedlen är ännu dyrare än titandioxid det ännu mer sällsynt att sådana utnyttjas.

I litteraturen finns det vidare ett flertal beskrivningar av hur silikapartiklar, som kan användas vid papperstillverkning, bildas genom surgöming av silikatlösning. Dessa silikapartiklar benämns i litteraturen och patentskrifter bland annat som polykiselsyra, kiselsyrasoler, silikasoler, polymikrosilikatgeler, kolloidal silika, kolloidal kiseldioxid, aktiv kiseldioxid och kiseldioxidmikrogeler.

Framställning av silikapartiklar beskrivs i boken ”Soluble Silicates” volym II, av James G. Vail, publicerad 1960. Silikapartiklar kan framställas på ett flertal olika sätt, varvid ett av dessa sätt är att surgöra vattenhaltiga lösningar av alkalimetallsilikater med hjälp av syror, sura salter eller gaser. Det vanligast förekommande alkalimetallsilikatet är natriumsilikatlösning, ofta benämnt ”vattenglas”, och exempel på surgörande ämnen som kan användas är svavelsyra, järnklorid och koldioxid. Denna metod att framställa silkapartiklar, som dessutom beskrivs i ett flertal patent varav EP 0 359 552 är ett, kan också utnyttjas för att täcka oorganiska partiklar med kiseldioxid. Detta beskrivs bland annat i US 5,340,393 och EP 0941 964, varvid det anges att även partiklar av kalciumkarbonat kan täckas med ett skikt av kiseldioxid. Då dessa metoder för att ;»;.»| 10 15 20 25 30 35 516 810 3 framställa kiseldioxidpartiklar är relativt omständliga och kostsamma förekommer de inte i någon nämnvärd, om ens någon, kommersiell omfattning.

Ytterligare en viktig egenskap hos papperet, som påverkas av fyllmedlet, är dess tryckbarhets-egenskaper. Utöver de redan nämnda egenskaperna, såsom högre och jämnare tryckfärgs-absorption och en bättre bildåtergivning, som hittills gällt vid framför allt offset tryckning, har mer och mer arbete lagts ner för att åstadkomma bättre tryckbarhetsegenskaper vid användande av s.k. bläckstråle(ink jet)skrivare. Ett papper som har goda tryckbarhetsegenskaper för bläckstråleskrivare karaktäriseras främst av följande: Minimal eller obefmtlig bläckutflytning utanför det tryckta objektet så att objektet ej erhåller ojämna och spretiga kanter. Objekten, t.ex. bokstäver om det är text som skrivs ut, upplevs som otydliga och suddiga om denna egenskap ej uppfylls.

Bläckutflytningen mäts med visuella metoder eller med hjälp av ett bildanalys- instrument.

Hög optisk densitet. Egenskapen mäts ofiast med en optisk densitometer.

Minimalt genomtryck. Detta uppnås ej om en alltför kraftig penetration av bläckets pigment eller färgämnen in i papperet resulterar i att färgen syns på baksidan av papperet. Ett högt genomtryck resulterar ofta i låg optisk densitet. Genomtrycket mäts visuellt eller med en optisk densitometer.

Låg eller obefintlig så kallad blödning. Om bläck appliceras på en yta där redan bläck i en annan kulör har applicerats, så kan den ena färgen flyta i den andra. Detta problem, som orsakas av alltför långsam penetration in i papperet, benämns blödning och uppmäts visuellt eller med hjälp av en densitometer.

För att åstadkomma ett papper med goda tryckbarhetsegenskaper för bläckstråleskrivare har den hittills kända tekniken erbjudit speciella, mycket dyra, pigment och vid användning av PCC har man hittills inte uppnått tillfredställande egenskaper i detta hänseende. »niin 10 15 20 25 30 35 516 810 il REDoGöRELsE FOR UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att erbjuda en ny och förbättrad fyllmedels- komposition, medelst vilken ovan nämnda problem elimineras eller begränsas och/eller stora ekonomiska vinster erhålles. Ännu ett syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en ny fyllmedelskomposition vilken ger papperet högre opacitet på ett betydligt kostnadseffektivare sätt än för kända kompositioner.

Ytterligare ett syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en ny och förbättrad fyllmedelskomposition vilken ger papperet högre ljushet och/eller kan reducera behovet av optiskt vitmedel. Ännu ett syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en ny fyllmedelskomposition som förbättrar papperets tryckbarhetsegenskaper vid användande av bläckstråleskrivare.

Ett annat syfte med uppfinningen är att tillhandahålla papper med förbättrade egenskaper.

Enligt uppfinningen uppnås dessa och andra syften genom tillhandahållande av en fyllmedelskomposition för papper eller kartong, i form av en vattenbaserad komposition, innefattande partiklar av kalciumkarbonat och kiseldioxid, där enskilda partiklar i fyllmedelskompositionen innefattar en, företrädesvis helt igenom, amorf blandning av kalciumkarbonat och kiseldioxid. Enligt uppfinningen har vidare denna fyllmedelskomposition framställts genom reaktion av en alkalimetallsilikatlösning innefattande partiklar av kalciumhydroxid, med koldioxid.

Det har överraskande visat sig att man med medelst ovan nämnda komposition erhåller effekter som avsevärt reducerar eller eliminerar många av de brister som kan sammankopplas med den kända tekniken. Bland annat förbättras papperets tryckbarhetsegenskaper, ljushet och opacitet. Mer specifikt förbättras papperets tryckbarhetsegenskaper vid användande av bläckstråleskrivare varvid bläckutflytningen minskar, optiska densiteten ökar, genomtrycket minskar och blödningen minskar eller elimineras.

En teori är att de positiva, överraskande effekterna med uppfinningen beror på att fyllmedelskompositionens enskilda partiklar består av en företrädesvis helt igenom ryan: 10 15 20 25 30 35 516 810 f amorfkombination/blandning av kiseldioxid och kalciumkarbonat, vilket bland annat har som följd att fyllmedelskompositionen har en betydligt högre specifik yta än för fälld kalciumkarbonat eller en fyllmedelskomposition som är framställd enligt US 5,340,393, där kiseldioxiden enbart täcker en i ett tidigare skede bildad käma av enbart kalciumkarbonat. En annan skillnad gentemot US 5,340,3 93 är att det där utnyttjas mineralsyra som surgörande medel.

Den höga specifika ytan hos fyllmedlet enligt uppfinningen bidrar till dess höga brytningsindex som bestämmer fyllmedlets opacitetshöjande förmåga.

Fyllmedelskompositionens höga specifika yta är troligen också orsaken till papperets förbättrade tryckegenskaper vid användande av bläckstråleskrivare då papperets absorption av bläcket förbättras på grund av ökat antal av kapillärer med mindre radie.

Enligt en speciell utföringsform av uppfinningen kan sättet för framställning av den uppfinningsenliga fyllmedelskompositionen vara i huvudsak det samma som beskrivs i US 5,332,654, med den skillnaden att slamman av kalciumhydroxid även innefattar alkalimetallsilikat. Enligt uppfinningen släcks därvid bränd kalk till kalciumhydroxid, i en vattenlösning som innefattar socker. Till den bildade slamman tillsättes alkalimetallsilikat och därefter bringas en koldioxidinnehållande gas att bubbla genom slamman, företrädesvis under omrörning, tills pH sjunker till omkring ett pH av 6-9, företrädesvis 7-8 för karbonatisering under bildande av amorfa partiklar, med hög specifik yta, av helt igenom blandad kalciumkarbonat och kiseldioxid. Förhållandet kiseldioxid till kalciumkarbonat i de framställda partiklarna är lämpligen 11100 - 20: 100. Även andra parametrar för den uppfinningsenliga metoden kan överensstämma med det som visas i US 5,332,654, varvid detta patent inkorporeras häri genom referens.

Partikelformen hos de bildade partiklarna av kalciumkarbonat och kiseldioxid kan varieras genom val av reaktionstemperatur.

Mängden socker som utnyttjas kan vara omkring 0,1-2 vikt-%, företrädesvis 0,1-0,3 vikt-%, räknat på vikten kalciumkarbonat plus kiseldioxid som skall framställas.

Sockret utgöres företrädesvis av en mono- eller disackarid, mer föredraget av sucros.

Sockrets funktion i sammanhanget är att det ger kalciumhydroxiden en något större specifik yta och att det påverkar lösligheten hos kalciumhydroxiden. Det kan också vara »-.|; 10 15 20 25 30 35 516 810 ó fallet att socker ej behövs i samband med uppfinningen, efiersom kiseldioxiden kan ha samma funktion som socker.

Enligt en aspekt av uppflnningen utgöres den koldioxidinnehållande gasen av en rökgas, eller av en gas som innefattar koldioxid som utvunnits ur rökgas, varvid halten av koldioxid i den koldioxidinnehållande gasen är 5-100 %. Alternativt kan koldioxiden tillföras i form av koldioxid i en vätska, EXEIVIPEL 1 Till en 15%-ig kalciumhydroxid-slamma, också innehållande 0,15%-ig sockerlösning, tillsattes en natriumsilikatlösning med ett SiOzfNazO-förhållande på 3,35 (molratio), 28,2 viktsprocent SiOz och 8,7 viktsprocent NazO så att förhållandet Ca(OH)2 till SiO2 blev 8:1. Temperaturen hos blandningen var initialt 35°C. Till denna blandning med högt pH tillsattes koldioxidgas till dess att ca pH 7,5 uppnåddes. Den så erhållna kompositionen sattes till en finpappersmäld så att 22 viktprocent fyllmedelshalt erhölls.

Det, av denna mäld, framställda papperet, uppvisade påtagliga förbättringar då det gäller opacitet, ljushet och tryckbarhetsegenskaper för bläckstråleskrivare, jämfört med ett papper framställt med 22 viktsprocent PCC som producerats utan tillsats av natriumsilikatlösning EXEMPEL 2 I syfie att jämföra uppfinningen med ett från US 5,340,3 93 vidareutvecklat koncept, tillsattes koldioxid till en kalciumhydroxidslamma, också innehållande 0,15%-ig sockerlösning, så att pH sänktes till ca 7,5. Till den så uppkomna slurryn av falld kalciumkarbonat doserades natriumsilikatlösning av samma typ som i exempel 1 så att förhållandet kalciumkarbonat till kiseldioxid blev 15:] varvid pH åter blev högt.

Temperaturen hos blandningen var initialt 35°C. Till denna blandning tillsattes koldioxid så att pH åter sjönk till ca 7,5. Även denna fyllmedelskomposition sattes till en finpappersmäld så att 22 viktsprocent fyllmedelshalt erhölls.

Detta, av denna mäld framställda papperet, uppvisade inga förbättringar då det gäller opacitet, lj ushet och tryckbarhetsegenskaper för bläckstråleskrivare, jämfört med ett papper framställt med 22 viktsprocent PCC som producerats utan tillsats av natriumsilikatlösning.

Claims (11)

1. 0 15 20 25 30 35 516 810 Y PATENTKRAV .

2. Fyllmedelskomposition för papper eller kartong, i form av en vattenbaserad kompo- sition, innefattande partiklar av kalciumkarbonat och kiseldioxid, k ä n n e t e c k - n a d a v att enskilda partiklar i fyllmedelskompositionen innefattar en, företrädes- vis helt igenom, amorf blandning av kalciumkarbonat och kiseldioxid. _ Fyllmedelskomposition för papper eller kartong, i form av en vattenbaserad kompo- sition, innefattande partiklar av kalciumkarbonat och kiseldioxíd, k ä n n e t e c k - n a d a v att den framställts genom reaktion av en alkalimetallsilikatlösning inne- fattande partiklar av kalciumhydroxid, med koldioxid. .

3. Fyllmedelskomposition enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d a v att förhållan- det kiseldioxid till kalciumkarbonat i partiklama är l:l0O - 20: 100. .

4. Sätt att framställa en fyllmedelskomposition för papper eller kartong, i form av en vattenbaserad komposition, innefattande partiklar av kalciumkarbonat och kiseldi- oxid, k ä n n e t e c k n at a v att en alkalimetallsilikatlösning innefattande partik- lar av kalciumhydroxid bringas att reagera med koldioxid.

5. Sätt enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t a v att sagda reaktion med koldioxid drivs till ett pH av 6-9, företrädesvis 7-8 i lösningen. .

6. Sätt enligt något av krav 4-5, k ä n n e t e c k n at a v att den kalciumhydroxidin- nehållande alkalimetallsilikatlösningen kontakteras med koldioxiden genom att en koldioxidinnehållande gas bringas att bubbla genom den kalciumhydroxidinnehål- lande alkalimetallsilikatlösningen, eller genom att en koldioxidinnehållande vätska blandas med den kalciumhydroxidinnehållande alkalimetallsilikatlösningen. .

7. Sätt enligt krav 6, k ä n n e t e c k n at a v att sagda koldioxidinnehållande gas innehåller koldioxid i en mängd av 5-100 vol-%, varvid gasen företrädesvis utgöres av rökgas eller en gas som innefattar koldioxid som utvunnits från rökgas. .

8. Papper eller kartong, k ä n n e t e c k n at a v att det innefattar en fyllmedelskom- position enligt något av kraven 1-3 eller en fyllmedelskomposition som framställts medelst sättet enligt något av kraven 4-7. 10 516 810 ef

9. Användning av en fyllmedelskomposition i form av en vattenbaserad komposition, innefattande partiklar av kalciumkarbonat och kiseldioxid, vari enskilda partiklar i fyllmedelskompositionen innefattar en, företrädesvis helt igenom, amorf blandning av kalciumkarbonat och kiseldioxid, i papper eller kartong for förbättrade pappers- egenskaper, företrädesvis förbättrade tryckbarhetsegenskaper.

10. Användning av en fyllmedelskomposition enligt krav 9, vilken fyllmedelskomposi- tion framställts genom reaktion av en alkalimetallsilikatlösning innefattande partik- lar av kalciumhydroxid, med koldioxid.

11. Användning av en fyllmedelskomposition enligt krav 9 eller 10, vari förhållandet kiseldioxid till kalciumkarbonat i partiklarna är l:100 - 20: 100.