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WO2003072875A2 - Verfahren zur herstellung einer faserstoffbahn - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer faserstoffbahn Download PDF

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Publication number
WO2003072875A2
WO2003072875A2 PCT/EP2003/050032 EP0350032W WO03072875A2 WO 2003072875 A2 WO2003072875 A2 WO 2003072875A2 EP 0350032 W EP0350032 W EP 0350032W WO 03072875 A2 WO03072875 A2 WO 03072875A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
paper
production
range
application
filler
Prior art date
Application number
PCT/EP2003/050032
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2003072875A3 (de
Inventor
Klaus Doelle
Ralf Sieberth
Original Assignee
Voith Paper Patent Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voith Paper Patent Gmbh filed Critical Voith Paper Patent Gmbh
Priority to EP03714931A priority Critical patent/EP1481129A2/de
Priority to AU2003219139A priority patent/AU2003219139A1/en
Publication of WO2003072875A2 publication Critical patent/WO2003072875A2/de
Publication of WO2003072875A3 publication Critical patent/WO2003072875A3/de
Priority to US10/927,890 priority patent/US20050121157A1/en

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Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H17/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its constitution; Paper-impregnating material characterised by its constitution
    • D21H17/63—Inorganic compounds
    • D21H17/70—Inorganic compounds forming new compounds in situ, e.g. within the pulp or paper, by chemical reaction with other substances added separately
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H17/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its constitution; Paper-impregnating material characterised by its constitution
    • D21H17/63—Inorganic compounds
    • D21H17/67—Water-insoluble compounds, e.g. fillers, pigments
    • D21H17/675—Oxides, hydroxides or carbonates

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a fibrous web, in particular paper or cardboard web.
  • PCC precipitated calcium carbonate
  • an additive e.g. Filler
  • a chemical precipitation reaction i.e. in particular by means of a so-called "fiber loading” process, as described, inter alia, in US Pat. No. 5,223,090.
  • at least one additive, in particular filler is embedded on the wetted fiber surfaces of the fiber material.
  • the fibers can be loaded with calcium carbonate, for example.
  • calcium oxide and / or calcium hydroxide is added to the moist, disintegrated fiber material in such a way that at least a part thereof is associated with the water present in the fiber material.
  • the fiber material treated in this way is then subjected to carbon dioxide.
  • the aim of the invention is to provide an improved method of the type mentioned in the introduction.
  • a more uniform distribution of the filler particles and better printability should be achieved.
  • This object is achieved according to the invention by a method for producing a fibrous web, in particular paper or cardboard web, in which the fibers are loaded with a precipitation product and thereby crystalline precipitate product particles are produced, the fibers treated in this way in the form of a pumpable fiber Material suspension are fed to a sheet formation process and during this sheet formation process the filler distribution resulting over the web cross section is adjusted or controlled and / or regulated by means of a corresponding vacuum application.
  • crystalline precipitation product particles are of a size in a range from approximately 0.05 to approximately 0.5 ⁇ m, in particular in a range from 0.1 to approximately 2.5 ⁇ m and preferably in a range generated from about 0.3 to about 0.8 microns.
  • crystalline precipitate product particles can be produced in a size in a range from approximately 0.05 to approximately 0.1 ⁇ m and preferably in a range from approximately 0.3 to approximately 0.8 ⁇ m.
  • the precipitation product is calcium carbonate.
  • calcium carbonate (CaCO 3 ) when loading the fibers with filler, calcium carbonate (CaCO 3 ) can be embedded on the wetted fiber surfaces by adding calcium oxide (CaO) and / or calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) to the moist fiber material, at least some of which of which can associate with the water of the amount of fiber.
  • the fiber material treated in this way can then be exposed to carbon dioxide (CO 2 ).
  • dry fiber surfaces can encompass all wetted surfaces of the individual fibers. The case is also included, in particular where the fibers are loaded with calcium carbonate or any other precipitation product both on their outer surface and inside (lumen).
  • the fibers may e.g. are loaded with the filler calcium carbonate, the attachment to the wetted fiber surfaces being carried out by a so-called "fiber loading” process as described as such in US Pat. No. 5,223,090.
  • this "fiber loading” process e.g. the carbon dioxide with the calcium hydroxide to water and calcium carbonate.
  • the specified method is particularly advantageous, for example, for the production of newspaper printing, in particular with an ash content of 5 to 20%, of SCA paper, of paper coated with LWC, of ULWC paper, of wood-free uncoated paper, of wood-free coated paper, of white liner and / or bleached cardboard can be used.
  • the specified process enables the production of a completely new type of paper with even filler distribution over the entire cross-section of the paper and on the surface.
  • the paper manufacturer can thus produce a sheet of paper which results in a more even distribution of the filler content, which leads to savings in the raw material, mainly wood or secondary fibers, as well as improvements on the paper machine side, where fewer chemicals are required for the paper production process. It is now possible to make the same type of paper on a much lighter basis by achieving the same gloss after fillers are more evenly distributed, resulting in overall filler and fiber savings. On the paper product side, improvements in the physical and optical paper properties and thereby an improvement in the paper quality are achieved.
  • Improvements in printing result from the fact that an even distribution of ink particles is made possible especially on the printable surface, since the paper surface has a lower roughness and a higher uniformity. With the specified method, better printability properties result.
  • the process relates to both fabric and paper manufacturing.
  • secondary fibers or primary fibers obtained from waste paper pulp are disintegrated, stripped and cleaned.
  • the mixture is then exposed to CO 2 in a reactor in which the CaCO 3 (PCC) crystals are formed.
  • the size of the crystals can be in a range from approximately 0.05 to approximately 0.5 ⁇ m, in particular in a range from approximately 0.1 to approximately 2.5 ⁇ m and preferably in a range from approximately 0.3 to approximately 0 , 8 ⁇ m.
  • the crystals can be attached to the inside and outside of the fibers and can be provided as free PCC particles, ie as a solid in the water of the pulp.
  • the fiber pulp treated in this way can then be fed to the sheet formation or paper formation process as a pumpable fiber suspension.
  • Various steps such as dewatering, pressing, calendering are required to form a fibrous web or paper sheet.
  • a new paper product can be created by modifying the manufacturing process on the paper machine side.
  • the following machines or devices are generally used to produce a paper web: Fourdrinier machine, hybrid former (DuoFormer TM D), gap former (DuoFormer TM CFD).
  • the filler distribution that results over the cross section also results from the drawing purely by way of example.
  • the use of some type of forming device results in a more or less low ash content on the paper surface side, which can negatively influence the printability of the paper.
  • the coating surface penetrates the openings or gaps but does not cover the paper surface, which makes it difficult to print on the paper.
  • the printing ink must cover the color of the fibers.
  • white light consists of the sum of all complementary rainbow colors, white light radiation as such does not exist. This means that a certain pigment size is only good for one color. Other colors are reflected differently. Transferred to paper, this means that a high filler content is required to produce a higher whiteness if the particles are not evenly distributed.
  • the coating surface adds more white pigments to the paper, making the white surface thicker, so the light beam's runtime is longer, which results in a white color. For example, if you paint a room of brown or black color, four or five layers of white paint are required to cover the base color. The same is true for paper, where more white pigments are required to mask black color to produce high opacity paper. The whiter the paper, the less ink is needed to get the same result.
  • pulp to produce a precipitate loaded into the fibers in conjunction with any of the various formers combined with a low degree (generally minus 1.5m to 4m) or high degree vacuum (generally minus) vacuum 4 m to 7.5 m) and preferably of medium degree (generally minus 2 m to 6 m) and a device for a coating of (very) light weight, a much better filler distribution and a better topographic surface of the paper can be found in the paper sheet, ie a more uniform paper surface can be achieved.
  • the printability of the paper can also be improved, for example, by using a multi-layer headbox with which the filler distribution (PCC) in the paper can be influenced in the direction of the cross profile (X-section).
  • PCC filler distribution
  • X-section the direction of the cross profile
  • Multi-layer headboxes cannot be used for extremely lightweight grades such as Newsprint (40-50 g / m 2 ) and phone book paper (28-40 g / m 2 ). However, it is conceivable to use multi-layer headboxes for basis weights above 50 g / m 2 .
  • the base paper produced in this way has a higher drainage, which can be influenced with a modified drainage (DuoFormer, Fourdrinier, Gap-Former).
  • the higher dewatering results in a higher dry content after the press section. This means, for example, that the paper enters the press with a higher or the same dry content, but leaves the press with a higher dry content (1% higher dry content saves about four drying cylinders).
  • the improved drying range could be, for example, in a range from approximately 0.1 to approximately 5% and preferably from approximately 0.5 to approximately 2%.
  • the advantage is that the filler particles are located on the fiber and not, as with conventional fillers, between the fiber cavities. This improves printability because the printing ink is applied to the filler particles and does not have to cover the fiber first. As a result, the printing ink penetrates less into the fibers.
  • the uniform filler distribution in a given paper sheet is thus achieved by using the so-called “fiber loading” process, by which the filler particles known as precipitated calcium carbonate (PCC) are deposited on, in and between the fibers.
  • the "fiber loading” process is used in the fabric manufacturing facility known as stock preparation.
  • the treated fabric can be refined before or after to prepare it for the paper machine process.
  • the filler content can be, for example, about 50% based on the solid mass weight. Since up to 25% of the total ash content is deposited in and on the fibers, the result is that the sheet already has an ash content in the transverse direction of 25% of the desired total ash content.
  • the filler retention in the paper machines is in a range of about 30 - 60% based on the total filler content. This means that the base ash content in the transverse direction of a "FL" treated sheet is in a range from about 50% to about 85%, compared to which a conventional process reaches values between 30% and 60%.
  • the filler content in the transverse direction can be improved. While the goal in the conventional paper sheet forming process is up to 30 to 70% uniformly distributed filler content in the transverse direction, depending on the paper production process, when using "FL" -treated substance in the paper machine, the filler content evenly distributed in the transverse direction paper sheet produced is around 55% or even 95% based on the paper manufacturing process.
  • a uniform filler distribution leads to better gloss values. Better gloss values mean a higher whiteness of the sheet. Since white light is formed by the sum of all complementary rainbow colors, white light radiation as such does not exist. This means that a pigment size is only good for one color. Other colors are reflected differently. On paper, this means that a high filler content is required to produce a higher whiteness if the particles or particles are not evenly distributed. A uniform distribution of the filler particles can achieve a higher whiteness with a lower filler content, since the Filler particles are evenly spaced across the cross-section of the paper and are evenly distributed on the fibers.
  • the optimal crystal size is in a range from about 0.05 to about 0.1 ⁇ m and preferably in a range from about 0.3 to about 0.8 ⁇ m.
  • the fiber suspension previously mixed with Ca (OH) 2 is in a crystallization unit, for example a fluffer, refiner, diperger or the like, at a consistency or solids concentration in a range from about 5 to about 60%, preferably in a range from about 15 to about 35%.
  • the Ca (OH) 2 can be added in liquid or dry form.
  • the pulp or dry pulp is exposed to CO 2 .
  • the CO 2 can e.g. B. at temperatures in a range between about -15 ° C and about 120 ° C and preferably at temperatures in a range between about 20 ° C and about 90 ° C.
  • the fiber suspension enters the gas zone, where each individual fiber is exposed to a gas atmosphere, followed by the precipitation reaction, which immediately results in the CaCO 3 .
  • the shape of the CaCO 3 crystals can be, for example, rhombohedral, scalenohedral or spherical, the amount of crystal in particular being dependent on the temperature range chosen for the fiber suspension and on the CO 2 and Ca (OH) 2 content in the fiber suspension.
  • the PCC or the pulp suspension with the crystals in the lumen, on the fiber and between the fibers is passed through a rotor and a stator, where the distribution of the crystals in the pulp suspension with mixing is completed with low shear.
  • a shear distribution occurs which brings about a size distribution of the crystals of approximately 0.05 to approximately 0.5 ⁇ m and preferably approximately 0.3 to approximately 1.0 ⁇ m.
  • the shape of the filler particles used is, for example, rhombohedral with a respective cube size in a range from approximately 0.05 to approximately 1 ⁇ m or scalenohedral with a respective length in a range from approximately 0.05 to approximately 1 ⁇ m and a respective diameter in one Range from about 0.01 to about 0.5 ⁇ m, depending on the type of paper to be made.
  • the concentration of the fiber suspension passing the rotor disk is about 0.1% to about 50% and preferably about 35% to about 50%.
  • the pressure acting on the CO 2 supply line is in particular in a range from approximately 0.1 to approximately 6 bar, and preferably in a range from approximately 0.5 to approximately 3 bar, in order to provide a constant CO 2 supply to the gas ring for it - to ensure the desired chemical reaction.
  • the CO 2 supply and thus the precipitation reaction which produces the CaCO 3 can be controlled and / or regulated via the pH value.
  • pH values in a range from 6.0 to approximately 10.0 pH, preferably in a range from approximately 7.0 to approximately 8.5 pH, can be envisaged for the final reaction of the CaCO 3 crystals.
  • the energy used for this process can be in a range between approximately 0.3 kWh / t and about 8 kWh / t and preferably in a range between about 0.5 kWh / t and about 2.5 kWh / t.
  • Dilution water can be added and mixed with the pulp suspension to obtain a final dilution in which the pulp suspension produced with filler has a consistency or solid concentration in a range from, for example, about 0.1% to about 16%, preferably in a range from about 2 % to about 6%.
  • the pulp suspension is then exposed to the atmosphere in a machine, a container or the next process machine.
  • the rotational speed of the rotor disk can be on the outside diameter, in particular in a range from approximately 20 to 100 m / s and preferably in a range from approximately 40 to approximately 60 m / s.
  • the speed through the rotor and the stator is in a range of, for example, about 0.02 m / s to about 0.55 m / s and preferably in a range of about 0.05 m / s and about 0.2 m / s , depending on the filler content and the crystal size.
  • the crystal filler content, the crystal size and the speed are linearly linked.
  • the gap between the rotor and the stator is, for example, approximately 0.5 to approximately 100 mm and preferably approximately 25 to approximately 75 mm.
  • the diameter of the rotor and the stator can in particular be in a range from approximately 5 m to approximately 2 m.
  • the reaction time is, for example, in a range from about 0.01 min to 1 min, preferably in a range from about 0.1 sec to about 10 sec.
  • the method described above enables the production of individual particles that are equally spaced from one another and attached to the fibers, covering the fibers in the required manner.
  • FIG. 10 of the drawing shows the influence of certain factors on the filler distribution in the z direction purely by way of example and schematically.
  • FIG. 11 of the drawing shows, purely by way of example and schematically, a comparison of a total ash distribution in a conventional paper with a possible total ash distribution in a "FL" paper product.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Faserstoffbahn, insbesondere Papier- oder Kartonbahn, werden die Fasern mit einem Fällungsprodukt beladen und dabei kristalline Fällungsproduktteilchen erzeugt, die so behandelten Fasern in Form einer pumpfähigen Faserstoffsuspension einem Blattbildungsprozess zugeführt und während dieses Blattbildungsprozesses die sich über den Bahnquerschnitt ergebende Füllstoffverteilung über eine entsprechende Vakuumbeaufschlagung eingestellt bzw. gesteuert und/oder geregelt.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Faserstoffbahn
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Faserstoffbahn, insbesondere Papier- oder Kartonbahn.
Es ist bekannt, bei der Papierherstellung als Füllstoff gefälltes Calciumcarbonat (PCC = precipitated calcium carbonate) zu verwenden. Eine möglichst gleich- mäßige Verteilung der Füllstoffteilchen durch das gebildete Blatt hindurch zur Erzielung eines konstanten Aschegehalts oder -niveaus sowie einer möglichst guten Bedruckbarkeit ist derzeit technisch jedoch nicht möglich.
Das Beladen mit einem Zusatzstoff, z.B. Füllstoff, kann beispielsweise durch eine chemische Fällungsreaktion, d.h. insbesondere durch einen so genannten "Fiber Loading"-Prozess erfolgen, wie er unter anderem in der US-A-5 223 090 beschrieben ist. Bei einem solchen "Fiber Loading"-Prozess wird an die benetzten Faseroberflächen des Fasermaterials wenigstens ein Zusatzstoff, insbesondere Füllstoff, eingelagert. Dabei können die Fasern beispielsweise mit Calciumcar- bonat beladen werden. Hierzu wird dem feuchten, desintegrierten Fasermaterial Calciumoxid und/oder Calciumhydroxid so zugesetzt, dass zumindest ein Teil davon sich mit dem im Fasermaterial vorhandenen Wasser assoziiert. Das so behandelte Fasermaterial wird anschließend mit Kohlendioxid beaufschlagt.
Ziel der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen. Dabei sollen insbesondere eine gleichmäßigere Verteilung der Füllstoffteilchen sowie eine bessere Bedruckbarkeit erreicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Faserstoffbahn, insbesondere Papier- oder Kartonbahn, bei dem die Fasern mit einem Fällungsprodukt beladen und dabei kristalline Fallungsproduktteilchen erzeugt werden, die so behandelten Fasern in Form einer pumpfähigen Faser- Stoffsuspension einem Blattbildungsprozess zugeführt werden und während dieses Blattbildungsprozesses die sich über den Bahnquerschnitt ergebende Füllstoffverteilung über eine entsprechende Vakuumbeaufschlagung eingestellt bzw. gesteuert und/oder geregelt wird.
Gemäß einer bevorzugten praktischen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden kristalline Fallungsproduktteilchen von einer Größe in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 0,5 μ m, insbesondere in einem Bereich von 0,1 bis etwa 2,5 μ m und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,8 μ m erzeugt.
Vorteilhafterweise können kristalline Fallungsproduktteilchen von einer Größe in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 0,1 μ m und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,8 μ m erzeugt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Fällungsprodukt Calciumcarbonat.
Von Vorteil ist insbesondere auch, wenn zum Beladen der Fasern mit Calciumcar- bonat der Faserstoffsuspension Caiciumoxid und/oder Caiciumhydroxid zugesetzt und die Fällung durch Beaufschlagen der Faserstoffsuspension mit Kohlendioxid ausgelöst wird.
Beim Beladen z.B. der Fasern mit Füllstoff kann also beispielsweise Calciumcar- bonat (CaCO3) an die benetzten Faseroberflächen eingelagert werden, indem dem feuchten Fasermaterial Caiciumoxid (CaO) und/oder Caiciumhydroxid (Ca(OH)2) zugesetzt wird, wobei zumindest ein Teil davon sich mit dem Wasser der Faserstoffmenge assoziieren kann. Das so behandelte Fasermaterial kann dann mit Kohlendioxid (CO2) beaufschlagt werden.
Der Begriff "benetzte Faseroberflächen" kann alle benetzten Oberflächen der einzelnen Fasern umfassen. Dabei ist insbesondere auch der Fall mit erfasst, bei dem die Fasern sowohl an ihrer Außenfläche als auch in ihrem Innern (Lumen) mit Calciumcarbonat bzw. einem beliebigen anderen Fällungsprodukt beladen werden.
Demnach können beispielsweise die Fasern z.B. mit dem Füllstoff Calciumcarbonat beladen werden, wobei die Anlagerung an die benetzten Faseroberflächen durch einen so genannten "Fiber Loading"-Prozess erfolgt, wie er als solcher in der US-A-5 223 090 beschrieben ist. In diesem "Fiber Loading"-Prozess reagiert z.B. das Kohlendioxid mit dem Caiciumhydroxid zu Wasser und Calciumcarbonat.
Mit besonderem Vorteil ist das angegebene Verfahren beispielsweise zur Herstellung von Zeitungsdruck, insbesondere mit einem Aschegehalt von 5 bis 20 %, von SCA-Papier, von mit LWC beschichtetem Papier, von ULWC-Papier, von holzfrei ungestrichenem Papier, von holzfrei gestrichenem Papier, von weiß gedecktem Liner und/oder gebleichten Kartonsorten anwendbar.
Das angegebene Verfahren ermöglicht die Herstellung einer völlig neuen Papiersorte mit gleichmäßiger Füllstoffverteilung über den ganzen Querschnitt des Papiers sowie auf der Oberfläche. Der Papierhersteller kann somit ein Papierblatt herstellen, bei dem sich eine gleichmäßigere Verteilung des Füllstoffgehaltes ergibt, was zu Einsparungen beim Rohmaterial, hauptsächlich Holz- oder Sekundärfasern, sowie zu Verbesserungen auf der Papiermaschinenseite führt, wo für den Papierherstellungsprozess weniger Chemikalien erforderlich sind. Es ist jetzt möglich, die gleiche Papiersorte auf einer wesentlich leichteren Basis herzustellen, indem der gleiche Glanz erreicht wird, nachdem Füllstoffe gleichmäßiger verteilt sind, was insgesamt zu Einsparungen an Füllstoff und Fasern führt. Auf der Seite des Papierprodukts werden Verbesserungen hinsichtlich der physikalischen und optischen Papiereigenschaften und dadurch eine Aufwertung der Papierqualität erreicht. Verbesserungen bezüglich des Bedrückens ergeben sich daraus, dass eine gleichmäßige Verteilung von Druckfarbenteilchen speziell auf der bedruckbaren Oberfläche ermöglicht wird, da die Papieroberfläche eine geringere Rauhigkeit und eine höhere Gleichmäßigkeit besitzt. Mit dem angegebenen Verfahren ergeben sich bessere Bedruckbarkeitseigen- schaften. Das Verfahren bezieht sich sowohl auf die Stoffherstellung als auch auf die Papierherstellung. Bei der Stoffherstellung werden beispielsweise aus Alt- papierstoff gewonnene Sekundärfasern oder Primärfasern desintegriert, entstrippt und gereinigt. Das Füllstoffmaterial in Form gefällten Calciumcarbonats (PCC = precipitated calcium carbonate) wird in diesem die Stoffherstellung betreffenden Teil der Faseraufbereitung so zugesetzt, dass alle Fasern eine gleichmäßiger verteilte PCC-Schicht besitzen. Dies erfolgt dadurch, dass die Holzfasern bzw. Zellstofffasern Ca(OH)2 ausgesetzt und das Ganze vermischt wird. Die Mischung wird dann in einem Reaktor CO2 ausgesetzt, in dem die CaCO3 (PCC)-Kristalle gebildet werden. Die Größe der Kristalle kann in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 0,5 μ m, insbesondere in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 2,5 μ m und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,8 μ m liegen. Die Kristalle können an der Innenseite und der Außenseite der Fasern angelagert sowie als freie PCC-Teilchen vorgesehen sein, d.h. als Feststoff im Wasser des Faserbreis vorhanden sein. Der so behandelte Faserbrei kann dann als pumpfähige Faserstoffsuspension dem Blattbildungs- oder Papierbildungsprozess zugeführt werden. Zur Bildung einer Faserstoffbahn bzw. eines Papierblatts sind verschiedene Schritte wie z.B. ein Entwässern, Pressen, Kalandrieren erforderlich.
Indem der Stoff in der oben angegebenen Weise hergestellt wird, kann ein neues Papierprodukt durch Modifizierung des Herstellungsprozesses auf der Papiermaschinenseite erzeugt werden.
Allgemein werden zur Herstellung einer Papierbahn beispielsweise die folgenden Maschinen oder Einrichtungen eingesetzt: Langsiebmaschine, Hybrid-Former (DuoFormer™ D), Gap-Former (DuoFormer™ CFD). Die sich über dem Querschnitt ergebende Füllstoffverteilung ergibt sich rein beispielhaft auch aus der Zeichnung. Durch die Verwendung irgendeiner Art von Formiereinrichtung ergibt sich ein mehr oder weniger geringer Aschegehalt auf der Papieroberflächenseite, der die Bedruckbarkeit des Papiers negativ beeinflussen kann. Selbst dann, wenn eine Oberflächenbeschichtung von geringem Gewicht nachträglich auf das Papier aufgebraucht wird, liegt auf der Deckfläche selbst vorzugsweise keine Füllstoffverteilung vor. Die Beschichtungsoberfläche dringt in die Öffnungen oder Spalte ein, bedeckt jedoch nicht die Papieroberfläche, was es schwer macht, das Papier zu bedrucken. Die Druckfarbe muss die Farbe der Fasern überdecken. Da weißes Licht aus der Summe aller komplementären Regenbogenfarben besteht, existiert eine Weißlichtstrahlung als solche nicht. Dies bedeutet, dass eine bestimmte Pigmentgröße nur für eine Farbe gut ist. Andere Farben werden unterschiedlich reflektiert. Auf das Papier übertragen bedeutet dies, dass ein hoher Füllstoffgehalt erforderlich ist, um eine höhere Weiße zu erzeugen, wenn die Partikel nicht gleichmäßig verteilt sind. Die Beschichtungsoberfläche fügt dem Papier mehr weiße Pigmente hinzu, wodurch die weiße Oberfläche dicker wird, so dass die Laufzeit des Lichtstrahls länger ist, was eine weiße Farbe mit sich bringt. Streicht man beispielsweise einen Raum brauner oder schwarzer Farbe, so sind als Grundlage vier oder fünf Schichten weißer Farbe erforderlich, um die Basisfarbe zu überdecken. Dasselbe trifft auf Papier zu, wo zum Überdecken schwarzer Farbe mehr weiße Pigmente erforderlich sind, um Papier hoher Opazität zu erzeugen. Je weißer das Papier ist, desto weniger Druckfarbe wird benötigt, um das gleiche Ergebnis zu erhalten. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass dann, wenn die Füllstoffteilchen gleichmäßig beabstandet sind, weniger Druckfarbe benötigt wird und die Farbe auch weniger in das Basispapierblatt in z-Richtung eindringen muss. Durch Einstellen des Vakuums an den Formern kann eine bessere Füllstoffverteilung erreicht werden (vgl. insbesondere auch die blaue bzw. gestrichelte Kurve der Figur 1 der Zeichnung). Mit der Verwendung von Faserstoff, zu dessen Erzeugung die Fasern mit einem Fällungsprodukt beladen wurden, in Verbindung mit irgendeinem der verschiedenen Formereinrichtungen, kombiniert mit einem Vakuum geringen Grades (im allgemeinen minus 1 ,5 m bis 4 m) oder hohen Grades (im allgemeinen minus 4 m bis 7,5 m) und vorzugsweise mittleren Grades (im allgemeinen minus 2 m bis 6 m) sowie einer Einrichtung für eine Beschichtung von (sehr) leichtem Gewicht kann in dem Papierblatt eine wesentlich bessere Füllstoffverteilung sowie eine bessere topographische Oberfläche des Papier, d.h. eine gleichmäßigere Papieroberfläche, erreicht werden. Dies bedeutet insbe- sondere auch eine geringere Füllstofffluktuation, bessere Laufeigenschaften (runnability) der Papiermaschine und einen geringeren Bedarf an Retentions- mitteln und opazitätserhöhenden Mitteln.
Was SC-Papiere betrifft, bei denen die Fasern selbst während des Kalandrierpro- zesses durch Druck und Wärme plastifiziert werden, d.h. die Papieroberfläche geglättet wird, ist ein wesentlich geringerer Kalandrieraufwand erforderlich, um eine bestimmte Qualität des kalandrierten Papiers zu erreichen.
Mit einer besseren Füllstoffverteilung im Papierblatt ist eine geringere Beschichtung und demzufolge ein geringeres Trocknen erforderlich, da die Fasern besser mit Füllstoff und dem betreffenden Belag oder Farbschicht (coating) überdeckt werden.
Die Bedruckbarkeit des Papiers kann überdies beispielsweise auch dadurch verbessert werden, dass ein mehrschichtiger Stoffauflauf verwendet wird, mit dem die Füllstoffverteilung (PCC) im Papier in Richtung Querprofil (X-Section) beein- flusst werden kann. Dies ist allerdings nur möglich für Papiersorten, die Flächengewichte aufweisen, die die Verwendung mehrschichtiger Stoffaufläufe erlauben (> 80 g/m2).
Bei extrem leichtgewichtigen Sorten, wie Newsprint (40-50 g/m2) und Telefonbuchpapier (28-40 g/m2), kann kein Mehrschicht-Stoffauflauf eingesetzt werden. Es ist jedoch denkbar, für Flächengewichte über 50 g/m2 mehrschichtige Stoffauf- laufe einzusetzen.
Durch die "FL"-Technik, d.h. die so genannte "Fiber Loading"-Technik, ob mit modifiziertem (mehrschichtig) oder herkömmlichem (einschichtig) Stoffauflauf, wird das so genannte "Linting" unterbunden. Das "Linting" ist das Herausziehen der Füllstoffe während der Entwässerung, d.h. eine so genannte "First Pass Retention" der Füllstoffe. Verbesserungen im Bereich von 5 bis 50 %, bevorzugt im Bereich von 10 bis 25 %, sind möglich. "FL"-Stoff, d.h. entsprechend der "FL"-Technik behandelter Stoff, hat ungefähr eine 25 - 200 mal höhere "Freeness" als herkömmlich hergestellter Stoff, basierend auf dem Refining-Prozess.
Das so hergestellte Rohpapier hat eine höhere Entwässerung, die mit einer modifizierten Entwässerung (DuoFormer, Fourdrinier, Gap-Former) beeinflusst werden kann.
Durch die höhere Entwässerung wird ein höherer Trockengehalt nach der Pressenpartie erreicht. Dies bedeutet beispielsweise, dass das Papier mit einem höheren oder gleichen Trockengehalt in die Presse einfährt, jedoch mit einem höheren Trockengehalt aus der Presse ausfährt (1 % höherer Trockengehalt spart ungefähr vier Trockenzylinder). Der verbesserte Trockenbereich könnte beispiels- weise in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 5 % und vorzugsweise von etwa 0,5 bis etwa 2 % liegen.
Eine Anwendung der oben beschriebenen "FL"-Technik ist insbesondere für Papiere geeignet, die eine gute Bedruckbarkeit mit gleichzeitig möglichst hohem Füllstoffgrad bei möglichst geringem Faseranteil im Papier erfordern.
Der Vorteil liegt darin, dass die Füllstoffteilchen auf der Faser angesiedelt sind und nicht, wie bei herkömmlichen Füllstoffen zwischen den Faserhohlräumen. Somit wird eine bessere Bedruckbarkeit erreicht, da die Druckfarbe auf den Füllstoffteil- chen aufgebracht wird und nicht erst die Faser überdecken muss. Die Druckfarbe dringt dadurch auch weniger in die Fasern ein.
Die gleichmäßige Füllstoffverteilung in einem gegebenen Papierblatt wird also durch eine Anwendung des so genannten "Fiber Loading"-Prozesses erreicht, durch den die als gefälltes Caiciumkarbonat (PCC) bekannten Füllstoffpartikel auf, in und zwischen die Fasern eingelagert werden. Der "Fiber Loading" - Prozess wird in der Stofferzeugungseinrichtung, bekannt als Stoffaufbereitung, angewandt. Der behandelte Stoff kann vorher oder nachher raffiniert (refined) werden, um ihn für den Papiermaschinenprozess vorzubereiten.
Ist der durch einen "Fiber Loading"-Prozess behandelte Stoff einmal auf ein je- weiliges Blattbildungssieb aufgebracht, so wird ein Papierblatt mit gleichmäßiger Füllstoffverteilung erzeugt. Der Füllstoffgehalt kann beispielsweise etwa 50 % basierend auf dem Feststoff massengewicht betragen. Da etwa bis zu 25 % des Gesamtaschegehalts in und an den Fasern angelagert werden, wird erreicht, dass das Blatt bereits einen Aschegehalt in Querrichtung von 25 % des gewünschten Gesamtaschegehaltes besitzt. Die Füllstoff retention in den Papiermaschinen liegt in einem Bereich von etwa 30 - 60 % bezogen auf den Gesamtfüllstoffgehalt. Dies bedeutet, dass der Basisaschegehalt in Querrichtung eines "FL"-behandelten Blattes in einem Bereich von etwa 50 % bis etwa 85 % liegt, während im Vergleich dazu ein herkömmlicher Prozess Werte zwischen 30 % bis 60 % erreicht. Während des darauf folgenden Press- und Entwässerungsprozesses in der Papiermaschine kann der Füllstoffgehalt in Querrichtung verbessert werden. Während bei dem herkömmlichen Papierblattbildungsprozess das Ziel bei bis zu 30 bis 70 % gleichmäßig verteiltem Füllstoffgehalt in Querrichtung, in Abhängigkeit vom Papierherstellungsprozess, liegt, kann bei einer Verwendung von "FL"-be- handeltem Stoff in der Papiermaschine der in Querrichtung gleichmäßig verteilte Füllstoffgehalt im hergestellten Papierblatt bei etwa 55 % oder sogar bei 95 %, basierend auf dem Papierherstellungsprozess, liegen.
Eine gleichmäßige Füllstoffverteilung führt zu besseren Glanzwerten. Bessere Glanzwerte bedeuten eine höhere Weiße des Blatts. Da weißes Licht durch die Summe aller komplementären Regenbogenfarben gebildet wird, ist eine weiße Lichtstrahlung als solche nicht existent. Dies bedeutet, dass eine Pigmentgröße nur für eine Farbe gut ist. Andere Farben werden unterschiedlich reflektiert. Auf Papier bezogen bedeutet dies, dass ein hoher Füllstoffgehalt erforderlich ist, um eine höhere Weiße zu erzeugen, wenn die Partikel oder Teilchen nicht gleichmäßig verteilt sind. Durch eine gleichmäßige Verteilung der Füllstoffteilchen kann eine höhere Weiße mit einem geringeren Fül Istoff gehalt erreicht werden, da die Füllstoffteilchen über dem Querschnitt des Papiers gleichmäßig beabstandet sowie gleichmäßig auf den Fasern verteilt sind. Die optimale Kristallgröße liegt in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 0,1 μm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,8 μm.
Durch die Verwendung der optimalen Kristallgröße ist weniger Füllstoff erforderlich, da die Füllstoffpigmente zur Erzielung optimaler optischer Eigenschaften gleichmäßig über die Fasern verteilt sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mehr Füllstoff durch den Papiersiebformungsprozess zurückgehalten wird, da kleinere Teilchen eine bessere Penetration innerhalb des Blattes ermöglichen. Dies bedeutet, dass das Blatt selbst von der Innenseite zur Außenseite hin mit Füllstoff aufgefüllt wird, d. h. eine bessere Füllstoffretention über den Blattbildungsprozess erreicht wird, was zu einer gleichmäßigen Verteilung in dem Papier führt, womit eine höhere Papierproduktion erreicht wird, indem der Stoff in der folgenden Weise behandelt wird:
Die zuvor mit Ca(OH)2 gemischte Faserstoffsuspension wird in einer Kristallisationseinheit, z.B. einem Fluffer, Refiner, Diperger oder dergleichen, bei einer Konsistenz oder Feststoffkonzentration in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 60 %, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 15 bis etwa 35 %, gegeben. Das Ca(OH)2 kann in Flüssig- oder in Trockenform zugesetzt werden. Der Faserbrei oder Trockenhalbstoff wird mit CO2 beaufschlagt. Das CO2 kann z. B. bei Temperaturen in einem Bereich zwischen etwa -15 °C und etwa 120 °C und vorzugsweise bei Temperaturen in einem Bereich zwischen etwa 20 °C und etwa 90 °C zugesetzt werden.
Die Faserstoffsuspension gelangt in die Gaszone, wo jede einzelne Faser einer Gasatmosphäre ausgesetzt ist, gefolgt von der Fällungsreaktion, mit der sich unmittelbar das CaCO3 ergibt. Die Form der CaCO3-Kristalle kann z.B. rhom- boedrisch, skalenoedrisch oder kugelförmig sein, wobei insbesondere die Kristallmenge vom gewählten Temperaturbereich für die Faserstoffsuspension und vom CO2- sowie vom Ca(OH)2-Gehalt in der Faserstoffsuspension abhängig ist. Nach- dem die Faserstoffsuspension mit den gebildeten Kristallen die Gaszone passiert hat, wird das gebildete PCC oder die Faserstoffsuspension mit den Kristallen im Lumen, auf der Faser und zwischen den Fasern durch einen Rotor und einen Stator geführt, wo die Verteilung der Kristalle in der Faserstoffsuspension unter Mischen mit geringer Scherung abgeschlossen wird.
Während die Faserstoff/Kristallsuspension den Rotor passiert, tritt eine Scherverteilung auf, die eine Größenverteilung der Kristalle von etwa 0,05 bis etwa 0,5 μ m und vorzugsweise von etwa 0,3 bis etwa 1 ,0 μ m mit sich bringt.
Die Form der verwendeten Füllstoffteilchen ist beispielsweise rhomboedrisch mit einer jeweiligen Würfelgröße in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 1 μ m oder skalenoedrisch mit einer jeweiligen Länge in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 1 μ m und einem jeweiligen Durchmesser in einem Bereich von etwa 0,01 bis etwa 0,5 μ m, abhängig von der herzustellenden Papiersorte.
Je weiter die Faserstoffsuspension auf der Rotorscheibe anzutreffen ist, umso geringer ist die Scherung, abhängig von dem zur Verdünnung zugesetzten H2O. Die Konzentration der die Rotorscheibe passierenden Faserstoffsuspension beträgt etwa 0,1 % bis etwa 50 % und vorzugsweise etwa 35 % bis etwa 50 %.
Der die CO2-Zufuhrleitung beaufschlagende Druck liegt insbesondere in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 6 bar, und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,5 bis etwa 3 bar, um eine konstante CO2-Versorgung zum Gasring für die er- wünschte chemische Reaktion sicher zu stellen. Die CO2-Versorgung und damit die das CaCO3 hervorbringende Fällungsreaktion kann über den pH-Wert gesteuert und/oder geregelt werden.
Es können beispielsweise pH-Werte in einem Bereich von 6,0 bis etwa 10,0 pH, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 7,0 bis etwa 8,5 pH für die abschließende Reaktion der CaCO3-Kristalle ins Auge gefasst werden. Die für diesen Prozess eingesetzte Energie kann insbesondere in einem Bereich zwischen etwa 0,3 kWh/t und etwa 8 kWh/t und vorzugsweise in einem Bereich zwischen etwa 0,5 kWh/t und etwa 2,5 kWh/t liegen. Verdünnungswasser kann zugesetzt und mit der Faserstoffsuspension vermischt werden, um eine abschließende Verdünnung zu erhalten, in der die erzeugte Faserstoffsuspension mit Füllstoff eine Konsistenz oder Feststoffkonzentration in einem Bereich von beispielsweise etwa 0,1 % bis etwa 16 %, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 2 % bis etwa 6 % besitzt. Die Faserstoffsuspension wird dann in einer Maschine, einem Behälter oder der nächsten Prozessmaschine der Atmosphäre ausgesetzt.
Die Rotationsgeschwindigkeit der Rotorscheibe kann am Außendurchmesser, insbesondere in einem Bereich von etwa 20 bis 100 m/s und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 60 m/s liegen.
Die Geschwindigkeit durch den Rotor und den Stator liegt in einem Bereich von beispielsweise etwa 0,02 m/s bis etwa 0,55 m/s und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,05 m/s und etwa 0,2 m/s, in Abhängigkeit von dem Füllstoffgehalt und der Kristallgröße.
Der Kristallfüllstoffgehalt, die Kristallgröße und die Geschwindigkeit sind nach derzeitiger Kenntnis linear miteinander verknüpft.
Der Spalt zwischen Rotor und Stator beträgt beispielsweise etwa 0,5 bis etwa 100 mm und vorzugsweise etwa 25 bis etwa 75 mm.
Der Durchmesser des Rotors und des Stators kann insbesondere in einem Bereich von etwa 5 m bis etwa 2 m liegen.
Die Reaktionszeit liegt beispielsweise in einem Bereich von etwa 0,01 min bis 1 min, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,1 sec bis etwa 10 sec. Das oben beschriebene Verfahren ermöglicht die Herstellung einzelner Teilchen, die gleich voneinander beabstandet und an die Fasern angelagert sind, wobei sie die Fasern in der erforderlichen Art und Weise bedecken.
In den Figuren 1 bis 10 der beigefügten Zeichnung sind rein beispielhaft verschiedene Füllstoff- oder Ascheverteilungen für verschiedene Formerabschnitte schematisch dargestellt.
Figur 10 der Zeichnung zeigt rein beispielhaft und schematisch den Einfluss bestimmter Faktoren auf die Füllstoffverteilung in z-Richtung.
Figur 11 der Zeichnung zeigt rein beispielhaft und schematisch einen Vergleich einer Gesamtascheverteilung bei einem herkömmlichen Papier mit einer möglichen Gesamtascheverteilung bei einem "FL"-Papierprodukt.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Faserstoffbahn
Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung einer Faserstoffbahn, insbesondere Papier- oder Kartonbahn, bei dem die Fasern mit einem Fällungsprodukt beladen und dabei kristalline F llungsproduktteilchen erzeugt werden, die so behan- delten Fasern in Form einer pumpfähigen Faserstoffsuspension einem
Blattbildungsprozess zugeführt werden und während dieses Blattbildungsprozesses die sich über den Bahnquerschnitt ergebenen Füllstoffverteilung über eine entsprechende Vakuumbeaufschlagung eingestellt bzw. gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass kristalline Fallungsproduktteilchen von einer Größe in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 0,5 μm insbesondere in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 2,5 μm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,3 bis 0,8 μm erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass kristalline Fälligungsproduktteilchen von einer Größe in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 0,1 μm und vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 bis etwa 0,1 μm erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fällungsprodukt Calciumcarbonat ist. Verfahren nach eine der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beladen der Fasern mit Calciumcarbonat Caiciumoxid und /oder Caiciumhydroxid zugesetzt und die Fällung durch Beaufschlagen der Faserstoffsuspension mit Kohlendioxid ausgelöst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Caiciumhydroxid der Faserstoffsuspension in Flüssigform zuge- setzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Caiciumhydroxid der Faserstoffsuspension in Trockenform zuge- setzt wird.
Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von Zeitungsdruck.
Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von SCA-Papier.
Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von mit LWC beschichtetem Papier.
Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von ULWC-Papier.
Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von holzfrei ungestrichenem Papier. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von holzfrei gestrichenem Papier.
Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von weiß gedecktem Liner.
Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von gebleichten Kartonsorten.
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