PL171323B1

PL171323B1 - Sposób wypelniania wlókien celulozowych weglanem wapniowym PL PL PL PL PL PL

Info

Publication number: PL171323B1
Application number: PL92300491A
Authority: PL
Inventors: John H Klungness; Daniel F Caulfield; Irving B Sachs; Marguerite S Sykes; Freya Tan; Richard W Shilts
Original assignee: Agriculture
Priority date: 1991-03-06
Filing date: 1992-03-05
Publication date: 1997-04-30
Also published as: UA27109C2; EP0690938A4; ATE158036T1; AU1584592A; FI933789A0; EP0690938A1; HUT67632A; EP0690938B1; AR245965A1; AU650968B2; MX9200975A; SK87293A3; ES2107532T3; KR100213456B1; JPH06507944A; FI933789L; CZ183093A3; CA2103549A1; FI933789A7; DE69222190T2

Abstract

1. Sposób wypelniania wlókien celulozowych weglanem wapniowym, znamienny tym, ze przygotowuje sie celulozowy material wlóknisty obejmujacy wiele wydluzonych wlókien posiadajacych scianki wlókniste otaczajace puste wnetrza, który to material zawiera wilgoc w ilosci wystarczajacej dla przygotowania tego celulozowego materialu wlóknistego w postaci odwodnionej miazgi kruszonej, dodaje sie zwiazek chemiczny wybrany z grupy zlozonej z tlenku wapniowego i wodorotlenku wapniowego do tej miazgi w taki sposób, ze co najmniej pewna ilosc tego zwiazku chemicznego asocjuje z woda zawarta w tej miazdze oraz kontaktuje sie te miazge z dwutlenkiem wegla do przygoto- wania celulozowego m aterialu wlóknistego zawierajacego znaczna ilosc weglanu wapniowego wewnatrz pustego wnetrza i wewnatrz scianek wlóknistych wlókien celulozowych. PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wypełniania włókien celulozowych węglanem wapniowym, znajdujący zastosowanie w procesie wytwarzania masy papierniczej zawierającej napełniacz.

Papier jest materiałem wytwarzanym z elastycznych włókien celulozowych o długości wprawdzie bardzo małej (0,5-4 mm), lecz około 100 razy większej od ich szerokości. Włókna te wywierają silne działanie przyciągające wodę oraz przyciąganie wzajemne; w przypadku sporządzenia z nich zawiesiny wodnej ulegają one pęcznieniu wskutek absorpcji. W przypadku odsączania zawiesiny dużej liczby takich włókien na sicie drucianym, włókna przylegają słabo nawzajem do siebie. Jeśli z maty uformowanej na sicie odciągnie się przez ssanie i przez prasowanie więcej wody, to wytrzymałość arkusza ulega zwiększeniu, lecz wciąż jest stosunkowo mała. Wysuszenie arkusza prowadzi do zwiększenia wytrzymałości i wytworzenia papieru.

Do wytwarzania papieru stosować można dowolny surowiec włóknisty, taki jak drewno, słoma, bambus, konopie, wytłoki trzciny cukrowej, sizal, len, bawełna, juta i ramia. Rozdzielanie włókien w takich materiałach nazywane jest roztwarzaniem, niezależnie od stopnia oczyszczania osiąganego w procesie. Rozdzielone włókna nazywane są miazgą, czy to w postaci zawiesiny w wodzie stanowiącej papkę, czy też odwodnionej w dowolnym stopniu. Miazga z procesu roztwarzania, która została odwodniona do takiego stopnia, że nie stanowi już papki i jest spękana na bryłki, na pozór nie zawierające niezwiązanej wody, określana jest jako odwodniona miazga kruszona. Jakkolwiek odwodniona

171 323 miazga kruszona posiada wygląd odłamków stałych, to miazga taka może zawierać do około 95% wagowych wody.

Drewno jest głównym źródłem włókien do roztwarzania ze względu na jego szerokie rozprzestrzenienie oraz jego wysoką gęstość w porównaniu z innymi roślinami. Jakkolwiek można stosować dowolne gatunki drewna, to drewna miękkie są korzystniejsze od twardych, ze względu na większą długość włókien i nieobecność naczyń. Głównym składnikiem strukturalnym drewna i większości innych materiałów włóknistych jest celuloza, występująca obok hemicelulozy, ligniny i dużej liczby substancji, nazywanych łącznie żywicami lub substancjami ekstrahowanymi.

Roztwarzanie może być przeprowadzane dowolnym z wielu dobrze znanych sposobów, takich jak mechaniczne rozcieranie na miazgę, roztwarzanie metodą siarczanową i roztwarzanie metodą siarczynową. Istotną dla wielu końcowych zastosowań papieru właściwość stanowi jego nieprzezroczystość. Jest ona szczególnie ważna w przypadku papierów drukowych, gdzie jest pożądanym, aby druk na odwrotnej stronie arkusza lub na następnym arkuszu był jak najmniej widoczny poprzez papier. Dla drukowania oraz innych zastosowań, papier musi również posiadać pewien stopień białości lub jasności, które to pojęcie jest znane w przemyśle papierniczym. Dla wielu produktów papierniczych, dopuszczalne poziomy tych właściwości optycznych można osiągać z włókien samej miazgi. Jednakowoż, w innych produktach, naturalne zdolności odbijania światła przez włókna są niewystarczające dla zaspokojenia potrzeb użytkownika. W takich przypadkach, producent papieru dodaje napełniacza do doprowadzanej masy papierniczej.

Napełniacz składa się z drobnych cząstek nierozpuszczalnej stałej substancji, zazwyczaj pochodzenia mineralnego. Dzięki ^s^kiemu stosunkowi pola powierzchni do wagi (oraz w niektórych przypadkach wysokiemu współczynnikowi załamania), cząstki nadają arkuszowi wysoką wartość współczynnika odbicia światła, zwiększając przez to zarówno nieprzezroczystość, jak i jasność. Poprawa właściwości optycznych produkowanego papieru jest głównym celem dodawania napełniaczy do doprowadzanej masy papierniczej, chociaż inne korzystne cechy, takie jak lepsza gładkość, lepsza drukowność i lepsza trwałość mogą być nadawane papierowi.

Coraz częstsze stosowanie warunków alkalicznych do wytwarzania papierów drukowanych i papierów do pisania, uczyniło technicznie wykonalnym wprowadzanie dużych ilości napełniaczy alkalicznych, takich jak węglan wapniowy. Bodźcem ekonomicznym dla zwiększania ilości tego napełniacza jest to, że w przypadku sprzedaży papieru na wagę (albo na arkusze), tańszy materiał napełniacza efektywnie zastępuje bardziej kosztowne włókno. W Europie, gdzie cena włókna jest wyższa, papiery drukowane i piśmienne powszechnie produkowane zawierają 30-50 procent węglanu wapniowego; natomiast w Stanach Zjednoczonych typowa zawartość stosowanego wypełniacza wynosi tylko 15-20 procent. Przy wyższych poziomach obciążenia napełniaczem, dla utrzymania innych pożądanych właściwości papieru, takich jak wytrzymałość, nieodzownym jest stosowanie dodatkowych, kosztownych dodatków chemicznych. W Europie ten dodatkowy koszt uzasadnić można wysoką ceną włókien. Jednakowoż, niższa cena włókien w Stanach Zjednoczonych czyni stosowanie dodatków chemicznych dla osiągnięcia wyższego stopnia zastąpienia włókien wypełniaczem, mniej efektywnym ekonomicznie. Tym nie mniej, ze względu na to, że koszt węglanu wapniowego stanowi około 20-25% kosztu włókien miazgi, ekonomiczny sposób podwyższenia poziomu zastępowania miazgi przez wypełniacz jest wciąż pożądany. Dodawanie wypełniacza stwarza jednak pewne problemy.

Jednym z problemów związanych z dodawaniem napełniacza jest to, że mechaniczna wytrzymałość arkusza jest mniejsza od wartości, jakiej można byłoby oczekiwać na podstawie proporcji między obciążonym włóknem i nieobciążonym wypełniaczem. Zazwyczaj tłumaczy się to tym, że pewna ilość cząstek wypełniacza unieruchomiona jest pomiędzy włóknami, zmniejszając przez to wytrzymałość wiązań pomiędzy włóknami, które w pierwszym rzędzie decydują o wytrzymałości papieru.

171 323

Drugi problem wynikający z dodawania wypełniaczy polega na tym, że znaczna część małych cząstek odprowadzana jest razem z wodą w czasie formowania arkusza na maszynie papierniczej. Odzysk i zawracanie do obiegu cząstek z wody drenażowej ogólnie znanej pod nazwą biała woda, stanowi trudny problem dla producenta papieru. W poszukiwaniu możliwości zmniejszenia tego problemu, wielu badaczy badało sposób zatrzymywania napełniacza przez arkusz. Przyjęte zostało, że głównym mechanizmem jest współ-flokulacja, to znaczy adhezja cząstek pigmentu do włókien. W następstwie tego odkrycia, główny wysiłek w technologii napełniaczy został skierowany na zwiększanie sił adhezji. Praca ta doprowadziła do rozwoju i zastosowania szerokiego asortymentu rozpuszczalnych dodatków chemicznych znanych pod nazwą środków pomocniczych zwiększających retencję. Najstarszym i najczęściej z nich używanym jest siarczan glinowy lecz w ostatnich latach wprowadzonych zostało wiele polimerów firmowych. Przy stosowaniu wszystkich tych środków pomocniczych zwiększających retencję, retencja jest jednak wciąż daleka od całkowitej. Dalszy mechanizm retencji polega na odsączaniu cząstek pigmentu przez tkaninę papierową. Jest to stosunkowo ważne w przypadku gruboziarnistych napełniaczy, lecz jego oddziaływanie jest pomijalne w przypadku napełniaczy drobnoziarnistych.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4,510,020 jest opisany sposób, przy zastosowaniu którego napełniacz ze stałych cząstek, takich jak dwutlenek t^anu, serwatka lub węglan wapniowy wprowadzany jest do prześwitów włókien celulozowych lub masy papierniczej. W sposobie według tego patentu, napełniacz w postaci zawieszonych cząstek stałych jest selektywnie ładowany w obrębie prześwitów włókien przez mieszanie zawiesiny miazgi i napełniacza dopóty, dopóki prześwity włókien nie zostaną załadowane napełniaczem. Sposób wymaga stosowania znacznie większej ilości cząstek stałych napełniacza, niż mogłoby się zmieścić w obrębie prześwitów włókien. Zgodnie z powyższym, sposób wymaga stosowania etapu oddzielania resztkowego napełniacza w postaci zawiesiny od obciążonych włókien przez energiczne przemywanie miazgi, aż do usunięcia zasadniczo wszystkiego napełniacza z zewnętrznych powierzchni włókien. Tak więc, powyższy opis patentowy nie przedstawia rozwiązania omówionego wyżej problemu, ponieważ napełniacz musi być odzyskiwany z białej wody.

Z kolei opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 2,583,548 przedstawia sposób wytwarzania zawierającej pigment miazgi celulozowej przez wytrącanie pigmentu wewnątrz, na powierzchni i wokół włókien. Zgodnie ze sposobem przedstawionym w tym opisie, suche włókna celulozowe dodaje się do roztworu chlorku wapniowego. Zawiesinę poddaje się mechanicznej obróbce, dla spowodowania żelatynizowania się włókien. Proporcje suchego wyjściowego materiału celulozowego do chlorku wapniowego rozpuszczonego w roztworze mogą się zmieniać, lecz zazwyczaj, ilość chlorku wapniowego zawartego w rozcieńczonym roztworze przewyższa kilkakrotnie wagę włókien celulozowych, które są nim traktowane. Drugi reagent, taki jak węglan sodowy, jest następnie dodawany w celu spowodowania wytrącania się drobnych stałych cząstek węglanu wapniowego wewnątrz, na powierzchni i wokół włókien. Włókna są następnie przemywane w celu usunięcia rozpuszczalnego produktu ubocznego, którym w tym przypadku jest chlorek sodowy. Pigmentowane włókna wytworzone sposobem według tego patentu zawierają więcej pigmentu niż celulozy i w przypadku stosowania jako dodatku do papieru są łączone z dodatkową nie poddaną obróbce masą papierniczą. Włóknista postać pigmentowanego dodatku zapewnia dobrą retencję, lecz sposób ten posiada znaczne ograniczenia. Obecność napełniacza na powierzchniach włókien oraz żelatynizujące oddziaływanie na włókna wywierają szkodliwy wpływ na wytrzymałość papieru.

Modyfikacja rozwiązania według powyższego patentu ujawniona jest w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 2,599,091. Według tego patentu sposób polega na tym, że suchy papier wyjściowy zawierający nawet 13% części stałych miazgi poddaje się obróbce przez dodanie stałego chlorku wapniowego do surowca wyjściowego. Stały chlorek wapniowy doprowadza do głębokiej modyfikacji włókien celulozowych po

171 323 kilku minutach mieszania. Włókna nabierają bardziej lub mniej galaretowatego i przezroczystego wyglądu. Po obróbce chlorkiem wapniowym, surowiec traktuje się rozpuszczalną solą węglanową w postaci 10% roztworu, który dodaje się w ilości wystarczającej dla przereagowania z chlorkiem wapniowym i wytrącenia nierozpuszczalnego pigmentu chlorku wapniowego. Uzyskany w rezultacie poddany obróbce i pigmentowany produkt wyjściowy jest w wysokim stopniu uwodniony i posiada małą wytrzymałość lub stosunkowo dużo mniejszą wytrzymałość od materiału wyjściowego niepoddanego obróbce. Pigmentowany materiał wyjściowy łączony jest następnie z papierowym materiałem wyjściowym niepoddanym obróbce, w celu uzyskania pigmentowanego papierowego materiału wyjściowego nadającego się do wytwarzania papieru.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3,029,181 stanowi dalszą modyfikację opartego na wytrącaniu in situ sposobu z omówionych wyżej patentów. W sposobie opisanym w tym opisie patentowym sporządza się najpierw zawiesinę włókien w 10% roztworze chlorku wapniowego. Następnie, włókno sprasowuje się aż do ustalenia zawartości wilgoci 50% i zrasza stężonym roztworem węglanu amonowego, w ilości wystarczającej do wytrącenia wszystkiego wapnia w postaci węglanu. Włókno następnie przemywa się w celu usunięcia chlorku amonowego. Przepłukane włókno jest gotowe do stosowania w maszynie papierniczej i zawiera zazwyczaj około 10% materiału obciążającego. Ujawniony w tym opisie patentowym sposób zapewnia pokrywanie powierzchni wewnętrznej materiałem obciążającym i zwiększa nieprzezroczystość włókien celulozowych z takim wewnętrz.nym obciążaczem.

Japońskie Zgłoszenie Patentowe 60-297382 opisuje sposób wytrącania węglanu wapniowego w zawiesinie miazgi. W procesie przeprowadzanym sposobem według tego zgłoszenia patentowego, opisanym w przykładach, rozprasza się wodorotlenek wapniowy 1% mielonej lub niemielonej miazgi. Przez mieszaninę zawiesiny miazgi i wodorotlenku wapniowego przedmuchuje się następnie gazowy dwutlenek węgla w celu przetworzenia wodorotlenku wapniowego w węglan wapniowy.

Przedstawione opisy patentowe Stanów Zjednoczonych Ameryki ujawniają sposoby wytrącania pigmentu w obecności włókien, przy czym każdy ze sposobów ujawnionych w tych patentach .wymaga stosowania etapu przemywania dla usunięcia niepożądanej soli, to znaczy chlorku sodowego lub chlorku amonowego. Wadę tych sposobów stanowi również wspomniane wyżej obniżenie wytrzymałości papieru na skutek żelatynizującego oddziaływania na włókna. Wadą sposobu ujawnionego w powyższym japońskim zgłoszeniu patentowym jest to, że węglan wapniowy wytrącany jest raczej w fazie wodnej zawiesiny, a nie w kruszonej miazdze i zasadniczo nie jest obecny w prześwitach i ścianach komórkowych włókien miazgi.

W świetle powyższego, wysoce pożądanym byłoby uzyskanie sposobu umożliwiającego rozpraszanie znacznej ilości napełniacza wewnątrz prześwitów i ścian komórkowych włókien celulozowych za pomocą prostej metody nadającej się do zastosowania w powiązaniu z istniejącymi maszynami papierniczymi. Wysoce pożądanym byłoby również dostarczenie sposobu wypełniania związkiem chemicznym pustego wnętrza i ścian komórkowych włókien włóknistych materiałów celulozowych prostym sposobem zapewniającym wyeliminowanie potrzeby stosowania następnego etapu przemywania.

Istotą sposobu wypełniania włókien celulozowych węglanem wapniowym, według wynalazku jest to, że przygotowuje się celulozowy materiał włóknisty obejmujący wiele wydłużonych włókien posiadających ścianki włókniste otaczające puste wnętrza, który to materiał zawiera wilgoć w ilości wystarczającej dla przygotowania tego celulozowego materiału włóknistego w postaci odwodnionej miazgi kruszonej, dodaje się związek chemiczny wybrany z grupy złożonej z tlenku wapniowego i wodorotlenku wapniowego do tej miazgi w taki sposób, że co najmniej pewna ilość tego związku chemicznego asocjuje z wodą zawartą w tej miazdze oraz kontaktuje się tę miazgę z dwutlenkiem węgla do przygotowania celulozowego materiału włóknistego zawierającego znaczną ilość węglanu

171 323 wapniowego wewnątrz pustego wnętrza i wewnątrz ścianek włóknistych włókien celulozowych.

Korzystnie jest, jeżeli zgodnie z wynalazkiem związek chemiczny stosuje się w ilości od około 0,1% do około 50% wagowych w przeliczeniu na ciężar substancji suchej materiału włóknistego, zaś kontaktowanie miazgi z dwutlenkiem węgla prowadzi się pod zwiększonym ciśnieniem utrzymywanym przy pomocy gazowego dwutlenku węgla lub w czasie, gdy miazga ta poddawana jest mieszaniu o wysokiej szybkości ścinania, przy czym w trakcie mieszania o wysokiej szybkości ścinania przekazuje się od około 10 do około 70 watogodzin energii na kilogram włókien, w przeliczeniu na ciężar suchej substancji.

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania związku chemicznego in situ, w pobliżu włókien materiału włóknistego. Dla realizacji sposobu według wynalazku stosuje się materiał włóknisty złożony z dużej liczby wydłużonych włókien posiadających ścianę włókna otaczającą puste wnętrze. Wilgotność materiału włóknistego jest taka, że poziom wody waha się w zakresie od 40- 95% wagi materiału włóknistego i woda rozmieszczona jest w zasadniczo w pustym wnętrzu włókien oraz wewnątrz włóknistych ścian włókien. Do materiału włóknistego dodaje się środek chemiczny w taki sposób, że środek chemiczny asocjuje się z wodą znajdującą się we włóknistym materiale. Materiał włóknisty kontaktuje się następnie z gazem, który posiada zdolność reakcji ze środkiem chemicznym, z wytworzeniem związku chemicznego, który jest nierozpuszczalny w wodzie. Sposób według wynalazku dostarcza materiał włóknisty wypełniony związkiem chemicznym w pustych wnętrzach włókien, we włóknistych ścianach włókien oraz na powierzchni włókien.

Sposób według wynalazku może znajdować zastosowanie dla innych niż masy papiernicze materiałów włóknistych, które obejmują dużą liczbę wydłużonych włókien posiadających ścianę włókna otaczającą puste wnętrze i które są dostosowane do zawierania znacznej ilości wody rozproszonej w pustym wnętrzu i ścianach włókien.

W rozwiązaniu według wynalazku, przy konsystencji 1, to jest przy obciążeniu wody masą włóknistą równym 1%, widoczne jest wyraźne tworzenie zawiesiny. Przy konsystencji 20, zgodnie z wynalazkiem, masa włóknista ma wygląd suchych okruchów bez widocznej wolnej wilgoci. Przy konsystencji 10 charakter masy włóknistej jest nieokreślony, a wolna wilgoć nie jest łatwo widoczna. Ogólnie wynalazek dotyczy wykorzystania masy włóknistej w postaci okruchów, która nie ma widocznej wolnej wilgoci. Najniższa konsystencja, przy której taka odwodniona masa włóknista w postaci okruchów może być wykorzystana w sposobie według wynalazku zależy od rodzaju masy włóknistej i sposobu wytwarzania masy włóknistej.

W szczególności wynalazek dotyczy sposobu wypełniania włókien celulozowych węglanem wapnia, tak, aby znaczna ilość węglanu wapnia została zatrzymana w przestrzeni wewnątrz włókien oraz w ścianach włókien celulozowych. Sposobem tym otrzymuje się celulozowy materiał włóknisty, mający poziom wilgoci wystarczający do uzyskania celulozowego materiału włóknistego w formie odwodnionej masy włóknistej mającej postać okruchów. Następnie do odwodnionej masy włóknistej mającej postać okruchów dodaje się tlenek lub wodorotlenek wapnia. Następnie mieszaninę tlenku wapnia lub wodorotlenku wapnia i celulozowego materiału włóknistego kontaktuje się z dwutlenkiem węgla, uzyskując celulozowy materiał włóknisty, mający znaczną ilość węglanu wapnia zatrzymanego wewnątrz włókien oraz w ściankach włókien celulozowych.

Natomiast japońskie zgłoszenie patentowe nr 60-297382 dotyczy sposobu obróbki zawiesiny papierniczej masy włóknistej prowadzonego tak, aby wytrącić węglan wapnia in situ w zawiesinie. W sposobie tym do wodnej zawiesiny masy włóknistej dodaje się tlenek wapnia (wapno). Następnie poprzez zawiesinę przedmuchuje się CO2 w celu wytrącenia węglanu wapnia in situ.

Przedmiot wynalazku jest dokładniej opisany w przykładach wykonania w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 do 7 przedstawiają wykresy różnych parametrów arkuszy papieru czerpanego ręcznie, wykonanych z celulozy obciążonej węglanem wapnia sposobem według wynalazku, w porównaniu z analogicznymi danymi dla arkuszy papieru czerpanego obciążonych węglanem wapnia bezpośrednio na powierzchni, przy zastosowaniu znanego sposobu.

Struktura i fizyczne właściwości włókien celulozowych stanowią ważny aspekt niniejszego wynalazku. Najpowszechniej stosowane włókna celulozowe do wytwarzania papieru są włóknami pochodzącymi od drewna. W stanie uwolnionym przy pomocy procesu roztwarzania, większość włókien papierniczych ma postać długich pustych rurek, o równomiernym wymiarze na przeważającej długości, lecz przechodzących w stożki na każdym zakończeniu. Wzdłuż długości włókna, ściana włókna perforowana jest małymi otworami (wgłębienia w powierzchni), łączącymi centralną wnękę (prześwit) ze stroną zewnętrzną włókna. Jest powszechnie znanym, że masa papiernicza może wykazywać wysoką zawartość wilgoci wewnątrz ścian komórkowych i centralnej wnęki wewnętrznej lub prześwicie, nie wyglądając przy tym na wilgotną i nie tworząc zawiesiny. Przykładem takiej masy jest odwodniona miazga kruszona. Najwyższy poziom wilgoci, jaka może być obecna w odwodnionej miazdze kruszonej bez dostarczania wolnej wilgoci na powierzchnię miazgi zależny jest od typu drewna użytego do wytworzenia miazgi, procesu roztwarzania użytego do rozwłókniania drewna oraz metody odwadniania. Poziom wilgoci dla jakiejś miazgi przy którym wolna woda pojawia się na powierzchni określany jest jako poziom wilgoci swobodnej. Przy poziomach wilgoci przewyższających poziom wilgoci swobodnej, włókna miazgi ulegają rozproszeniu w wodzie i tworzy się zawiesina. W zależności od rodzaju miazgi, poziom wilgoci swobodnej miazgi może wynosić od 95% do 90% wilgotności, to znaczy od 5% do 10% miazgi. Wszystkie stosowane tutaj wartości procentowe oznaczają procenty wagowe oraz wszystkie wartości temperatury wyrażane są w stopniach Celsjusza, o ile nie jest zaznaczone inaczej.

Przy realizacji sposobu według wynalazku stosuje się odwodnioną miazgę kruszoną zawierającą mniejszą od poziomu wilgoci swobodnej ilość wilgoci. Korzystnie, odwodniona miazga kruszona zawiera od 40% do 95% wagowych wilgoci, w przeliczeniu na całkowitą masę. W ważnej wersji realizacji wynalazku, korzystnie jest stosować odwodnioną miazgę kruszoną o zawartości od 70% do 15% wilgoci, to znaczy, od 85% do 30% włókien celulozowych.

Proces wypełniania włókien sposobem według wynalazku może być stosowany do szerokiego asortymentu włókien papierniczych. Sposobem według wynalazku przerabiać można miazgi pochodzące od wielu gatunków drewna, uzyskane za pomocą dowolnych znanych procesów roztwarzania i bielenia. Miazga może być doprowadzana do przerobu w nigdy-nie-wysuszonej, odwodnionej postaci lub może być ponownie łączona z wodą, aż do osiągnięcia poziomu wilgotności w określonym zakresie, ze stanu wysuszonego.

Stosować można włókna celulozowe o różnym pochodzeniu naturalnym, takie jak włókna z drewna miękkiego, włókna z drewna twardego, włókna bawełniane i włókna z wytłoków trzciny cukrowej, konopi i lnu. Włókna mogą być wytwarzane przez roztwarzanie chemiczne, jednakowoż stosować można również włókna rozcierane mechanicznie na miazgę, takie jak ścier drzewny, miazga otrzymana za pomocą obróbki cieplno-mechanicznej i miazga otrzymana za pomocą obróbki chemiczno-cieplno-mechanicznej. Przed wypełnianiem prześwitów związkiem chemicznym, włókna mogą być poddawane pewnej obróbce mechanicznej, takiej jak rozbijanie lub mielenie masy papierniczej. Włókna syntetyczne, takie jak puste wewnątrz ciągłe włókno z celulozy regenerowanej, posiadające dostępne wewnętrzne puste struktury, mogą być również wypełniane w prześwitach przy zastosowaniu sposobu według wynalazku.

Następnie, sposobem według wynalazku, tlenek wapniowy (wapno palone) lub wodorotlenek wapniowy miesza się z odwodnioną miazgą kruszoną, posiadającą żądaną wilgotność. W związku z tym, tlenek wapniowy może być dodawany do wody stosowanej do odtwarzania suszonych włókien przed dodaniem wody do włókien. Po dodaniu tlenku wapniowego do odwodnionej miazgi kruszonej i zwykłym kilkuminutowym mieszaniu,

171 323 tlenek wapnia (w postaci białego proszku) łączy się z wodą tworząc wodorotlenek wapniowy wewnątrz masy włókien w miazdze. Z uwagi na fakt, że zarówno tlenek wapniowy jak i wodorotlenek wapniowy są stosunkowo mało rozpuszczalne w wodzie (odpowiednio

1,2 i 1,6 grama na litr) oraz, że zasadniczo brak jest wody niezwiązanej na powierzchni włókien, mechanizm wciągania tlenku wapniowego do wody znajdującej się we wnętrzu pustego włókna i ścianek włókna, nie jest w pełni zrozumiały. Tlenek wapniowy, jednakowoż, reaguje energicznie z wodą w reakcji egzotermicznej prowadzącej do powstania wodorotlenku wapniowego, przy czym w reakcji tej energia wydzielona przez 100 gramów wapna niegaszonego wystarcza dla ogrzania 200 gramów wody od temperatury -17°C do temperatury wrzenia. Nie chcąc być związanym jakąkolwiek teorią, przyjmuje się, że tlenek wapniowy reaguje z wodą przy otworach powierzchniowych włókna tworząc wodorotlenek wapniowy oraz, że wodorotlenek wapniowy wciągany jest do ścian komórkowych i pustego wnętrza włókien celulozowych pod działaniem sił hydrostatycznych. Z tej przyczyny, wysoce reaktywne postaci tlenku wapnia (wapno niegaszone) korzystnie jest stosować przy realizacji sposobu według wynalazku. Mniej reaktywne postacie, takie jak wapień dolomityczny i wapień palony są mniej przydatne.

Tlenek wapniowy lub wodorotlenek wapniowy mogą być dodawane w dowolnej ilości, do 50% w stosunku do masy suchego materiału celulozowego. Dolna wartość graniczna dodatku tlenku wapniowego może być tak mała, jak jest to żądane, lecz korzystnym jest, by nie była mniejsza od 0,1%. Najkorzystniej, poziom zawartości tlenku wapniowego lub wodorotlenku wapniowego wynosi od 10% do 40% w stosunku do masy suchego materiału celulozowego. Dwutlenek węgla dodaje się w ilości wystarczającej do całkowitego przereagowania środka chemicznego z gazem i wytworzenia nierozpuszczalnego w wodzie związku chemicznego. Stosować można nadmiar gazu, ponieważ nie zachodzą dalsze reakcje. Ze względu na to, że nie jest wytwarzany żaden pochodzący z zewnątrz materiał chemiczny, jak to miałoby miejsce w przypadku wytrącania nierozpuszczalnego w wodzie związku chemicznego w wyniku reakcji dwóch rozpuszczalnych w wodzie soli, nie ma potrzeby przemywania celulozowego materiału po obróbce dwutlenkiem węgla sposobem według wynalazku w celu wypełniania włókien wytrącanym węglanem wapniowym. W przypadku masy papierniczej, masa papiernicza może być natychmiast przenoszona do procesu papierniczego, gdzie jest przetwarzana na zawiesinę, rozbijana i umieszczana w maszynie Fourdrinier'a lub innym stosownym aparacie papierniczym. Alternatywnie, masa papiernicza wypełniona związkiem chemicznym może być następnie suszona i przesyłana jako produkt handlowy, do urządzenia papierniczego w celu późniejszego wykorzystania.

Stwierdzono, że wytrącenie węglanu wapniowego we włóknach celulozowych zawierających od 40% do 85% wilgoci (15% do 60% włókien) i wypełnionych od 10% do 40% tlenku wapniowego lub wodorotlenku wapniowego jest łatwe do przeprowadzenia w pojemniku ciśnieniowym wyposażonym w mieszalnik o małej szybkości ścinania. Ciśnienie dwutlenku węgla w pojemniku wynosi korzystnie od 34,5 kPa do 413,4 kPa i mieszanie o małej szybkości ścinania kontynuuje się korzystnie w ciągu od 1 minuty do 60 minut.

Stwierdzono również, że dla włókien zawierających od 95% do 85% wilgoci (5% do 15% włókna), o takim samym napełnieniu tlenkiem wapnia, że dla spowodowania całkowitego wytrącenia węglanu wapniowego potrzebna jest obróbka o wysokiej szybkości ścinania w czasie kontaktowania z dwutlenkiem węgla. W związku z tym, stosować można dowolne nadające się do tego celu urządzenie mieszające o wysokiej szybkości ścinania. Korzystnie, obróbka o wysokiej szybkości ścinania wystarczająca jest dla przekazania od 10 do 70 watogodzin energii na kilogram włókna, w przeliczeniu na suchą masę.

Stwierdzono, że prostym sposobem stworzenia kontaktu dwutlenku węgla z masą papierniczą w czasie obróbki o wysokiej szybkości ścinania jest stosowanie ciśnieniowego młyna rozbijającego. Ciśnieniowy młyn rozbijający jest dobrze znanym rodzajem aparatu stosowanego w przemyśle papierniczym i składa się z cylindrycznego leja samowyładowczego, do którego wprowadzana jest masa papiernicza. Cylindryczny lej samowyładowczy jest gazoszczelny i może być napełniony sprężonym gazem. Obrotowy wałek zawierający łapy holendra umieszczony jest w leju samowyładowczym dla uchronienia masy papierniczej od tworzenia maty. Przenośnik śrubowy umieszczony jest pod lejem w celu przenoszenia masy papierniczej do przestrzeni wewnętrznej pomiędzy zestawem dopasowanych krążków. Jeden z krążków jest nieruchomy, natomiast przeciwstawny mu krążek napędzany jest przy pomocy silnika. Krążki są rozmieszczone osobno w odległości dostatecznej dla rozszarpywania na strzępy okruchów miazgi w czasie gdy miazga przechodzi pomiędzy krążkiem stacjonarnym i krążkiem obrotowym. Krążki mogą posiadać powierzchnie rafinerowe. Stwierdzono również, że korzystne jest stosowane płytki szarpaczowej, lub płytki rozwłókniającej. Przed tłoczeniem miazgi do zetknięcia z płytką obrotową, do uszczelnionego leja samowyładowczego wpompowuje się dwutlenek węgla w celu podwyższenia ciśnienia w leju dwutlenkiem węgla, który kontaktuje się z miazgą w czasie, gdy masa papiernicza jest mieszana w leju samowyładowczym i w czasie, gdy miazga przetransportowywana jest przy pomocy przenośnika śrubowego przez krążki rafinerowe.

Stwierdzono również, że nie jest możliwym wywołanie reakcji między tlenkiem wapniowym lub wodorotlenkiem wapniowym i dwutlenkiem węgla przez przedmuchiwanie dwutlenku węgla przez mieszaninę odwodnionej miazgi kruszonej i tlenku wapniowego lub wodorotlenku wapniowego.

Przez badanie arkuszy czerpanych ręcznie wytworzonych sposobem według wynalazku oznaczono, że 50% wytrąconego węglanu wapniowego zatrzymane jest przez włókna miazgi. Pozostałe 50% jest odzyskiwane jako woda sitowa, którą można stosować do wypełniania papieru, zgodnie ze znanymi sposobami wypełniania powierzchniowego. Zatrzymany węglan wapniowy rozdzielony jest w przybliżeniu równomiernie w prześwitach, wewnątrz ścian komórkowych włókien celulozowych oraz na powierzchni włókien celulozowych. Wyższy poziom retencji osiąga się przez wytrącanie węglanu wapniowego w pojemniku ciśnieniowym z małą szybkością ścinania, niż w przypadku stosowania rafinera ciśnieniowego. Jakość arkuszy czerpanych wytworzonych z miazgi, w której wytrącanie dokonywane jest przy zastosowaniu ciśnieniowego rafinera, jest jednakowoż wyższa.

Następujący przykład ilustruje dalsze różne cechy wynalazku, lecz nie ma on na celu ograniczania w żadnej mierze zakresu wynalazku wyłożonego w załączonych zastrzeżeniach.

Przykład . Miazga - Stosowayym i miazgami yyły mieszanina miazgi z drewna drzew iglastych i mieszanina miazgi drewna drzew liściastych, dostarczone przez firmę Consolidated Paper Company i rafinowane w dalszym ciągu w rafinerze jednotarczowym, do osiągnięcia wartości chudości masy 410 i 180 według kanadyjskiego standardu chudości dla drewna iglastego, oraz 395 i 290 dla drewna liściastego.

Wapniowe substraty reakcji - Stosowanym tlenkiem wapniowym było wapno techniczne (Fisher Chemical Company) lub wapno gatunku Continental o wysokiej reaktywności (Marblehead Lime Co.). Stosowany był również wodorotlenek wapniowy, czysty do analizy (Aldrich Chemical). Do bezpośredniego porównywania wypełniania, stosowany był papinmiczy węglan wapniowy (Pfizer).

Wyposażenie

Mieszalnik - Do mieszania wapniowych substratów reakcji z miazgą stosowany był mieszalnik do pasz, model-stołowy, 3-biegowy, Hobart'a, o wykonanej ze stali nierdzewnej czaszy o pojemności 18,9 dnr i płaskim holendrze.

Rafiner - Ciśnieniowy rafiner tarczowy Sprout-Bauer'a stosowany był zarówno w charakterze komory reakcyjnej jak i rafinera, dla wytrącania węglanu wapniowego i wprowadzania go do włókien miazgi.

171 323

Wirówka filtracyjna - Ta dwubiegowa wirówka wyposażona jest w perforowane naczynie wyłożone brezentowym workiem dla filtracji ciągłego strumienia zawiesin o rzadkiej konsystencji.

Analizator Włókien Bauer-McNett'a - Przemysłowa metoda standardowa oznaczania retencji nie-dającego się ługować napełniacza.

Piec muflowy - Do spopielania próbek stosowany był piec Thermodyne.

Hobart - Dla każdego przebiegu roboczego, 1 kg miazgi (w przeliczeniu na masę suchego włókna) mieszano w mieszalniku Hobarta dla zmiennych ilości wapniowego substratu reakcji i wody, nieodzownych dla specyficznego chemicznego obciążenia i konsystencji. Miazgę mieszano w ciągu 15 minut z małą prędkością (około 110 obrotów na minutę) dla równomiernego wprowadzenia wapnia.

Rafiner - Miazga o gęstej konsystencji była następnie ładowana do leja samowyładowczego rafinera, który zamykano i uszczelniano. Do leja wstrzykiwano dwutlenek węgla dla spowodowania reakcji z wodorotlenkiem wapniowym. Dwutlenek węgla przetrzymywany był w zbiorniku pod ciśnieniem 137,8 kPa w ciągu 15 minut. W ciągu tego okresu, węglan wapniowy był wytrącany we włóknach miazgi za pomocą reakcji tlenku wapniowego lub wodorotlenku wapniowego z dwutlenkiem węgla. Miazgę następnie poddaje się rafinacji w atmosferze dwutlenku węgla przy żądanym odstępie płyt i prędkości zasilania, dla zapewnienia dokładnego kontaktu między węglanem i włóknami.

Obciążenie bezpośrednie - Dla porównania, miazgi były wypełniane bezpośrednio węglanem wapniowym bez pomocy ciśnieniowego rafinera. Miazga do bezpośredniego obciążenia była rozwłókniana w Brytyjskiej Spulchniarce Tarczowej według Normy Tappi T-205 dla preparatu arkusza czerpanego ręcznie 60 g/m² i wlewana do zbiornika urządzenia do wytwarzania arkuszy czerpanych. Do zawiesiny miazgi o rzadkiej konsystencji dodawano różne ilości węglanu wapniowego w tym zbiorniku i przed wytwarzaniem arkuszy czerpanych ręcznie mieszano dla zapewnienia równomiernego rozkładu.

Odwirowywanie - Dla umknięcia etapu mieszania przy wysokiej gęstości, z zastosowaniem mieszalnika Hobarta'a, miazgi były niekiedy wypełniane tlenkiem wapniowym lub wodorotlenkiem wapniowym przy rzadkiej konsystencji i następnie odwadniano. Miazgę i wapniowy substrat reakcji mieszano przy konsystencji 2% przy pomocy mieszadła powietrznego w ciągu 15 minut. Zawiesinę miazgi doprowadzano następnie do wirówki filtracyjnej w celu odwodnienia masy do konsystencji około 30%. Miazgę usuwano z worka wirówki, strzępiono i wprowadzano do ciśnieniowego rafinera dla przeprowadzenia reakcji z dwutlenkiem węgla.

Metody badawcze

Skaningowa Mikroskopia Elektronowa (SEM) - Obserwacje SEM oraz mikroanaliza rentgenowska były przeprowadzane na przekrojach poprzecznych włókien miazgi i arkuszy czerpanych. Przekroje były cięte ręcznie przy pomocy ostrza brzytwy. Suche miazgi i paski arkuszy czerpanych (1 cm x 0,3 cm) były przyklejane do prętów aluminiowych i pokrywane przez napylanie katodowe powłoką złota. Próbki były fotografowane w JEOL 940 SEM przy 20 kV napięcia przyspieszającego.

SEM mikroanaliza rentgenowska - Próbki były przygotowywane podobnie, jak do obserwacji SEM, lecz były przyczepiane do węglowych prętów próbkowych i powlekane warstwą przewodzącego węgla. Mikroanaliza rentgenowska była przeprowadzana przy pomocy spektrometru rentgenowskiego z dyspersją energii Tracor Northern T-2000/4000 w kombinacji ze skaningowym mikroskopem elektronowym. Widma mikroanalityczne były rejestrowane w zakresie energii 2,4 • 10’¹⁵ J.

Procedury przygotowywania próbek do analizy rentgenowskiej czynią koniecznym stosowanie kontrolowanych warunków, jeżeli dane rentgenowskie mają być w wiarygodny sposób porównywalne. Próbki miazgi i arkuszy czerpanych były suszone równocześnie, w tych samych warunkach. Eliminuje to wahania wynikające z niezgodności procedur.

171 323

Po wysuszeniu próbki zachowuje się środki ostrożności dla zabezpieczenia jej przed wilgocią. Próbki nie były wystawiane na otaczające powietrze i nie były przechowywane w eksykatorze z chemicznymi środkami osuszającymi, w obawie przed wolnymi zanieczyszczeniami. Wszystkie porównywane dane rentgenowskie uzyskane były przy pomocy tego samego strumienia próbek do biologicznej mikroanalizy rentgenowskiej.

Próba Węglanowa

Próbki miazgi i arkuszy ręcznie czerpanych umieszczano w 1% wodnym roztworze azotanu srebrowego na przeciąg 30 minut, przemywano wodą destylowaną i umieszczano w 5% wodnym roztworze tiosiarczanu sodowego na przeciąg 3 minut i przemywano wodą wodociągową (metoda Van Kossa'y na węglany). Grupy węglanowe (wapń) zabarwiają się na czarno. Przyspieszone analizy kroplowe były przeprowadzane na próbkach dla potwierdzenia obecności węglanów.

Badania Miazgi/Papieru

W momencie wyładowywania każdej wypełnionej próbki miazgi z rafinera, pobierana była próbka losowa dla oznaczenia chudości masy, wartości pH i zawartości popiołu. Zawartość popiołu w miazdze oznaczana była metodą Tappi T-211. Arkusze czerpane ręcznie (60 g/m²) były wytwarzane z masy standardową metodą Tappi T-205. Ponownie, oznaczano zawartość popiołu arkusza czerpanego i procent retencji podawano jako procent wypełniacza w arkuszu czerpanym, w stosunku do procentu wypełniacza w masie (i odejmując małą zawartość popiołu w miazdze określoną przy pomocy ślepej próby). Procent retencji, oznacza więc retencję napełniacza pozostającego w masie przy standardowym formowaniu arkusza czerpanego. Inna próbka masy odebranej z rafinera poddawana była dokładnemu przemywaniu (20 minut) wodą wodociągową w komorze urządzenia Bauer'a-McNett'a do frakcjonowania włókien i zbierana na sicie o numerze 200 mesh. Zawartość popiołu była oznaczana dla tej przemywanej w urządzeniu Bauer'a-McNett'a próbki miazgi i jest ona określana w danych zamieszczonych w tabeli jako % popiołu B/M.

Arkusze czerpane były stosowane do oceny wskaźnika wytrzymałości na przepuklenie i do oceny właściwości optycznych. Wskaźnik przepuklenia, oznaczany metodą Tappi T-403, stanowi dogodną miarę wytrzymałości oraz przyjętą miarę związania włókien. Gęstości arkuszy czerpanych były mierzone metodą Tappi T-220 i wydają się korelować w znaczącej mierze z chudością i wskaźnikiem przepuklenia. Optyczne właściwości jasności i nieprzezroczystości oraz współczynnik rozpraszania były oznaczane na fotometrze Technidyne. Szczegółowe wyniki badań przeprowadzonych dla miazgi i arkuszy czerpanych załączone są w aneksie.

Początkowe doświadczenia z wypełnianiem przy pomocy CaO wskazywały na to, że uzyskiwane były romboedryczne kryształy kalcytu o wymiarze 1 do 3 mikrometrów, co stwierdzono na podstawie badania mikroskopem elektronowym. Skaningowa mikroskopia elektronowa przekrojów poprzecznych włókien miazgi i arkuszy czerpanych wykazała, że węglan wapniowy wytrącany był w postaci ziarnistych kątowych cząstek, to znaczy, kryształów. Krystaliczne skupienia można zauważyć w prześwicie i na powierzchniach. Rozróżnialne widmo wapnia wykrywane jest wewnątrz ściany komórkowej, jak również na powierzchni włókna i w prześwicie komórki. Ta ostatnia informacja wskazuje na to, że część jonów wapnia może również dyfundować do ścianki włókna. Potwierdzona została obecność węglanu wapnia w prześwicie i na powierzchni włókien miazgi i arkusza czerpanego.

Tabela 1 przedstawia porównanie wytrzymałości na przepuklenie i właściwości optycznych (przy tej samej chudości początkowej) arkuszy czerpanych z miazgi przepuszczonej przez rafiner. Dwie liczby podane w nawiasach, takie jak (15,20), określają konsystencję masy i obciążenie wapniowym substratem reakcji, odpowiednio.

Dla porównania, przedstawione są również wartości przepuklenia i właściwości optyczne arkuszy czerpanych, w których wypełnienie napełniaczem osiągane było przez bezpośrednie dodanie, w czasie formowania arkusza czerpanego, węglanu papierniczego (Pfizer). Wyniki zamieszczone w tabeli przedstawione są również na fig. 1-7. Jeśli współczynnik rozpraszania, nieprzezroczystość lub jasność naniesione zostaną na wykres w funkcji wskaźnika przepuklenia, to na fig. 1-7 punkty uzyskane dla arkuszy czerpanych wykonanych z wypełnianych włókien położone są w przybliżeniu na tych samych krzywych, co punkty dla bezpośrednio wypełnianych arkuszy czerpanych. Wykresy te świadczą o występowaniu spodziewanej odwrotnej proporcjonalności właściwości optycznych i wytrzymałości; oznacza to, że ze wzrostem wytrzymałości na przepuklenie, obniżają się pożądane właściwości optyczne. Fakt, że dane zarówno dla arkuszy czerpanych z wypełnianych włókien, jak i arkuszy czerpanych wypełnianych bezpośrednio sposobem według wynalazku, położone są na tych samych krzywych oznacza, że dla jakiegokolwiek określonego zysku we właściwościach optycznych, należy oczekiwać porównywalnej straty właściwości wytrzymałościowych, niezależnie od sposobu wprowadzania napełniacza.

Tabela 1

Porównanie właściwości wytrzymałościowych i optycznych dla włókna obciążanego i bezpośrednio obciążanych arkuszy ręcznych

Typ	Jas- ność (%)	Nieprzeźro- czystość papieru (%)	Współczynnik rozpraszania (m²/kg)	Gęstość (kg.m³)	Wskaźnik przepuk- lenia (KPa.m2/g)	Zawartość popiołu papieru (%)	Popiół (według Bauer McNett) (%)
Próbka kontrolna*	87,7	78, 5	47, 7	717,7	3,14	0,24	-
Włókna** - 46 %	90, 6	87, 2	101, 6	648,4	1,12	16,25	-
-- - 36 %	90, 3	86, 2	93, 0	651,6	1,26	12, 35	0, 35
-- 27 %	89, 6	84, 6	79, 6	671,7	1, 65	8,80	0, 35
- ' - - 16 %	88, 5	81,5	60, 4	676,2	2,03	4,10	-
-- - 12 %	88,1	81,5	58,2	687,2	2,23	3,02	-
-- - 10 %	88, 6	81, 5	60, 3	679,2	2,12	3, 83	-
-- - 5 %	87, 8	79, 5	53,5	696, 0	2,57	1,74	-
Seria #214 (21,20)	89, 0	82,2	64,1	722, 6	1, 70	9, 82	4,19
Seria #233 (21,20)	88, 8	82, 5	63, 9	750, 8	1, 92	10,48	5, 34
Seria #243 (21,20)	88, 7	82,2	62, 6	741,1	1,86	9,38	3, 80
Seria #245 (21,20)	88,7	82,4	64,0	738, 5	1,81	9, 51	3, 30
Seria #275 (21,20)	88, 6	82,2	63,1	737,1	1,78	9,16	3, 34
Seria #265 (21,20)	88,7	83, 0	66, 7	727, 2	1, 71	10,17	3, 77
Seria #213 (18,20)	88,8	82,2	64,3	736,3	1,80	10, 04	3, 59
Seria #217 (18,30)	90, 0	84, 5	78, 9	719,2	1,27	15,39	5,22
Seria #211 (15,20)	88, 8	82,7	65,1	712, 6	2,10	10,58	3, 54
Seria #218 (18,10)	87, 8	79, 8	53,2	720,7	2, 34	5,11	2, 69

* * *

Próbka kontrolna bielonej masy drewna twardego o chudości 395 wypełnionej CaC03 Bezpośrednio wypełnione włókna o podanej zawartości CaCO3

171 323

Figura 4 przedstawia wykres zależności wskaźnika przepuklenia od zawartości popiołu. Wartości dla bezpośrednio wypełnianych arkuszy czerpanych położone są na gładkiej krzywej; ponownie potwierdza się, że ze wzrostem zawartości popiołu, maleje wytrzymałość na przepuklenie. Punkty odpowiadające arkuszom czerpanym z wypełnianych włókien są naniesienie na tym samym rysunku i wszystkie punkty dla arkuszy czerpanych z wypełnianych włókien położone są znacznie powyżej krzywej dla bezpośredniego wypełniania. Oznacza to, że przy porównywalnych zawartościach popiołu, arkusze czerpane z wypełnianych włókien według wynalazku są znacznie wytrzymalsze. Stwierdzenie odwrotne również zachowuje swą prawdziwość, co widoczne jest na fig. 5-7, gdzie właściwości optyczne naniesione są w funkcji od zawartości popiołu. Przy jednakowej zawartości popiołu, bezpośrednio wypełniane arkusze czerpane wykazują lepsze właściwości optyczne od arkuszy czerpanych z włókna wypełnianego według wynalazku.

Wykazano, że wypełnianie włókien węglanem wapniowym może być dokonywane przy pomocy reakcji in situ między tlenkiem wapniowym (lub wodorotlenkiem) i dwutlenkiem węgla w odwodnionych miazgach kruszonych o dużej gęstości. Ciśnieniowy rafiner tarczowy Sprout'a-Bauer'a spełnia adekwatnie rolę zarówno komory reakcyjnej, jak i środka do uzyskiwania dobrej dyspersji napełniacza i włókien. Badanie za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej ujawniło obecność kryształów węglanu wapniowego zarówno na zewnętrznych powierzchniach włókien, jak i wewnątrz prześwitów komórkowych; oraz analiza przeprowadzana przy pomocy rentgenowskiej mikrosondy na obecność wapnia wewnątrz ściany komórkowej. Optymalne warunki dla wypełniania włókien przy zastosowaniu rafinera ciśnieniowego występują przy 18% gęstości dla miazgi z drewna drzew iglastych i 21% dla miazgi z drewna drzew liściastych.

Pod pewnymi względami, właściwości arkuszy czerpanych z miazgi wykonanej z wypełnianych włókien, przewyższyły właściwości arkuszy czerpanych wypełnianych bezpośrednio. Przy porównaniu dla jednakowej zawartości napełniacza i jednakowej chudości, arkusz czerpany z wypełnianych włókien wykazywał większą wytrzymałość na przepuklenie. Świadczy to o tym, że porównywalną wytrzymałość na przepuklenie można osiągać przy wyższej zawartości popiołu dla arkuszy czerpanych wytwarzanych z miazgi z wypełnianymi włóknami, jak dla arkuszy czerpanych wytwarzanych z bezpośrednio wypełnianej miazgi. Również, przy tych samych wytrzymałościach na przepuklenie, osiąga się podobne właściwości optyczne. Pozwala to na zastępowanie tańszym węglanem wapniowym droższych włókien, bez straty na wytrzymałości na przepuklenie lub właściwościach optycznych. Stanowi to potencjalną dużą oszczędność kosztów wytwarzania papieru.

Przy jednakowych zawartościach popiołu, gorsze właściwości optyczne w porównaniu z arkuszami wypełnianymi bezpośrednio dają się częściowo wytłumaczyć tym, że węglan papierniczy był specjalnie dostosowany w kategoriach morfologii kryształów i wielkości ziaren do osiągania maksymalnej zdolności rozpraszania. Co więcej, napełniacz kontaktujący się bezpośrednio z materiałem ściany komórkowej (jak na przykład wewnątrz prześwitu komórki) może w naturalny sposób posiadać mniejszą zdolność rozpraszania, gdyż różnica współczynników załamania światła między napełniaczem i materiałem ściany komórkowej jest mniejsza od różnicy współczynników załamania świiitła między napełniaczem i powietrzem.

171 323

Porównanie między wypełnianiem bezpośrednim i wypełnianiem włókien Nieprzezroczystośó dla druku w funkcji wskaźnika przepuklenia

Nieprzezroczystośó dla druku (%)

FIG.2

Wypełnianie bezpośrednie φ Wypełnianie włókien

171 323

Jasność (%)

φ Wypełnianie włókien

171 323

FIG 4

Porównanie między wypełnianiem bezpośrednim i wypełnianiem włókien Współczynnik przepuklenia w funkcji % popiołu w papierze

Wskaźnik przepuklenia (KPa-m /g)

Ϊ popiołu w papierze Wypełnianie bezpośrednie φ Wypełnianie włókien

171 323

Porównanie miedzy wypełnianiem bezpośrednim i wypełnianiem włókien /

Współczynnik rozpraszania w funkcji % popiołu w papierze

Współczynnik rozpraszania (m /kg)

FIG.5

Popiół w papierze Wypełnianie bezpośrednie ♦ Wypełnianie włókien

171 323

Nieprzezroczystośó dla druku (%)

FIG.6

Porównanie między wypełnianiem bezpośrednim i wypełnianiem włókien Nieprzezroczystśó dla druku w funkcji % popiołu w papierze

Popiół w papierze (%)

Wypełnianie bezpośrednie φ Wypełnianie włókien

171 323

Porównanie miedzy wypełnianiem bezpośrednim i wypełnianiem włókien Jasność w funkcji % popiołu w papierze

Jasność (%)

FIG.7

Popiół w papierze %

Wypełnianie bezpośrednie • Wypełnianie włókien

171 323

Porównanie miedzy wypełnianiem bezpośrednim i wypełnianiem włókien Współczynnik rozpraszania w funkcji wskaźnika przepuklema

Współczynnik rozpraszania (m /kg)

FIG.1

Wskaźnik przepuklenia (KPa-m /g) M Wypełnianie bezpośrednie φ Wypełnianie włókien

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 4,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wypełniania włókien celulozowych węglanem wapniowym, znamienny tym, że przygotowuje się celulozowy materiał włóknisty obejmujący wiele wydłużonych włókien posiadających ścianki włókniste otaczające puste wnętrza, który to materiał zawiera wilgoć w ilości wystarczającej dla przygotowania, tego celulozowego materiału włóknistego w postaci odwodnionej miazgi kruszonej, dodaje się związek chemiczny wybrany z grupy złożonej z tlenku wapniowego i wodorotlenku wapniowego do tej miazgi w taki sposób, że co najmniej pewna ilość tego związku chemicznego asocjuje z wodą zawartą w tej miazdze oraz kontaktuje się tę miazgę z dwutlenkiem węgla do przygotowania celulozowego materiału włóknistego zawierającego znaczną ilość węglanu wapniowego wewnątrz pustego wnętrza i wewnątrz ścianek włóknistych włókien celulozowych.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że związek chemiczny stosuje się w ilości od około 0,1% do około 50% wagowych w przeliczeniu na ciężar substancji suchej materiału włóknistego.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kontaktowanie miazgi z dwutlenkiem węgla prowadzi się pod zwiększonym ciśnieniem utrzymywanym przy pomocy gazowego dwutlenku węgla.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kontaktowanie miazgi z dwutlenkiem węgla prowadzi się w czasie, gdy miazga ta poddawana jest mieszaniu o wysokiej szybkości ścinania.
5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że w trakcie mieszania o wysokiej szybkości ścinania przekazuje się od około 10 do około 70 watogodzin energii na kilogram włókien, w przeliczeniu na ciężar suchej substancji.