Способ получения пигмента для изготовления бумаги и картона

Способ касается получения пигмента для изготовления бумаги и картона и может быть использован в целлюлозно-бумажной промышленности при изготовлении бумаги с наполнителем, мелованной бумаги и картона. Карбонат кальция обрабатывают сульфатом алюминия в водной среде. Обработку ведут при расходе сульфата алюминия 25-105% от массы абс. сухого карбоната кальция при температуре 80-85°С в течение 90-180 мин с получением суспензии с содержанием сухих веществ в ней 25-35%. При этом используют водную среду, содержащую связующее, выбранное из группы, включающей крахмал и поливиниловый спирт, в количестве 0,5-3,0% от массы абс. сухого пигмента, и/или водорастворимый краситель в количестве 0,1-0,5% от массы абс. сухого пигмента. Суспензию дополнительно высушивают и измельчают. Техническим результатом является улучшение качества пигмента, а также расширение его области применения. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к производству пигментов, а также к технологии приготовления бумаги с наполнителем, мелованных видов бумаги и картона.

В настоящее время в производстве бумаги и картона большое внимание уделяется разработке пигментов, позволяющих улучшить оптические и механические характеристики бумаг с наполнителем, а также покрытий на мелованных видах бумаги и картона. Разрабатываются также технологии, обеспечивающие возможность получения пигментов в виде порошка с последующим их использованием в различных производствах.

Известен способ обработки карбоната кальция гексаметафосфатом натрия и фосфорной кислотой. Цель этого способа - получить карбонат кальция, устойчивый к воздействию кислой среды (US 5043017, Н.кл. 106-494, 1991).

Ближайшим аналогом предлагаемого способа получения пигментов является способ получения устойчивой в кислой среде композиции из карбоната кальция и соли алюминия (US 5599388, Н.кл. 106-464, 162-181.2, 162-181.3, М.кл. С 09 С 1/02, 1997). Этот способ заключается в приготовлении смеси карбоната кальция с солью алюминия в водной среде в количестве последней от 0,5 до 10% по массе сухого карбоната кальция. В качестве соли может быть использован сульфат алюминия, причем карбонат кальция используется в виде дисперсии, а сульфат алюминия - в виде водного раствора.

Однако продукты, получаемые по этим способам, предназначены лишь для использования в качестве наполнителя в производстве нейтральных или слабокислых бумаг. В качестве компонента меловальных или каких-либо других составов предлагаемые продукты использованы быть не могут.

Положительным результатом от использования предлагаемого изобретения является получение устойчивых в кислых средах пигментов, обладающих высокой белизной или окрашенных в любой цвет, модифицированных связующим, выбранным из группы, содержащей крахмал и поливиниловый спирт (ПВС), и пригодных к применению в производствах разных видов бумаги и картона как в качестве наполнителя, так и в качестве компонента в меловальных составах.

Кроме того, эти пигменты, включая модифицированные связующим, можно получать в виде тонкодисперсного порошка, пригодного к редиспергированию без потери свойств пигмента.

Свойства пигментов позволяют использовать их в других производствах, например, в качестве наполнителя полимеров, в лакокрасочных производствах, включая производство красок для живописи, и т.д.

Поставленный положительный эффект достигается тем, что в предлагаемом способе получения пигмента для изготовления бумаги и картона, включающем обработку карбоната кальция сульфатом алюминия в водной среде, согласно изобретению обработку проводят при расходе сульфата алюминия 25-105% от массы абсолютно сухого карбоната кальция при температуре 80-85°С в течение 90-180 минут с получением суспензии с содержанием сухих веществ в ней 25-35%, причем используют водную среду, содержащую связующее, выбранное из группы, содержащей крахмал и поливиниловый спирт (ПВС), в количестве 0,5-3,0% от массы абсолютно сухого пигмента, и/или водорастворимый краситель в количестве 0,1-0,5% от массы абсолютно сухого пигмента.

Полученную суспензию могут дополнительно высушить и получить порошок.

Способ осуществляют следующим образом. В реактор-смеситель, снабженный скоростной мешалкой и паровой рубашкой, подают заданное количество воды, содержащей в растворенном виде заданное количество связующего - крахмала или ПВС и/или красителя. Затем при интенсивном перемешивании в заданном количестве подают порошок карбоната кальция и после завершения его подачи дисперсию перемешивают 5-10 минут. Далее к полученной дисперсии при перемешивании постепенно добавляют раствор сульфата алюминия, содержащего заданное количество сульфата алюминия в виде Al₂(SO₄)₃·18H₂O. После завершения подачи раствора сульфата алюминия температуру смеси в реакторе повышают до 80-85°С и смесь при этой температуре и интенсивном перемешивании выдерживают 90-180 минут. В результате получают дисперсию пигмента, модифицированного связующим и/или красителем, с содержанием сухих веществ 25-35%.

Эту дисперсию можно использовать непосредственно, например, в производстве бумаги с наполнителем или при получении меловальных составов. В других случаях дисперсию подвергают высушиванию в слое при температуре 80-85°С с последующим измельчением в тонкодисперсный порошок или высушиванию распылением.

Физико-химические процессы, протекающие в реакционной смеси, можно представить следующим образом.

В реакции сульфата алюминия с карбонатом кальция, при избытке последнего, в реакционной смеси сульфат алюминия в конечном итоге расходуется полностью. В результате этой реакции образуется пигмент, модифицированный связующим и/или красителем. Пигмент обладает высокой устойчивостью в системах с кислыми значениями рН. Частицы пигмента не крупнее частиц в исходном карбонате кальция. Например, при использовании в качестве сырья химически осажденного карбоната кальция размер частиц пигмента не превышает 2 мкм с основным размером менее 1 мкм. Пигмент, не содержащий красителя, обладает высокой белизной. Пигмент, модифицированный красителем, может иметь любой цвет. Интенсивность окрашивания высокая.

Кроме того, пигменты, включая модифицированные связующим, высушенные, например, в слое, легко измельчаются в порошок с размером частиц порядка 1 мкм и вновь редиспергируются в воде без потери своих свойств с получением дисперсий пигмента с концентрацией 40-45%.

Указанные характеристики улучшаются при повышении степени преобразования карбоната кальция в его реакции с сульфатом алюминия, то есть при повышении расхода сульфата алюминия на единицу массы карбоната кальция вплоть до их стехиометрического соотношения (1,112 вес. части сульфата алюминия на 1 часть карбоната кальция).

Способность частиц пигмента удерживать такие вещества, как крахмал, ПВС, красители, обусловлены, видимо, сильным полярным взаимодействием пигмента с молекулами воды и соответствующим структурированием значительного по объему водного слоя в гидратных оболочках вокруг частиц пигмента при их образовании или при редиспергировании порошка пигмента, модифицированного связующим и/или красителем. Даже при многократном разбавлении такой системы и интенсивном перемешивании водные структурированные оболочки частиц не размываются.

Условия проведения способа по примерам приведены в таблице 1, характеристики продуктов приведены в таблице 2.

Продуктом, который используется в производстве бумаги или картона, может быть дисперсия пигмента, полученная непосредственно в реакции карбоната кальция с сульфатом алюминия в водной среде, содержащей связующее и/или краситель, сухой порошок пигмента, полученный из этой дисперсии, а также суспензия, полученная при редиспергировании порошка пигмента. Продукт разбавляется, например, при введении пигмента в бумажную массу в качестве наполнителя или смешивается с другим компонентом (диспергаторами, пигментами, связующими и т.п.) при формировании меловальных композиций с разными составами и суммарными концентрациями сухих веществ и, соответственно, с разными физическими параметрами (например, вязкостными свойствами). Соответственно, в качестве характеристик продуктов мы выбрали устойчивость дисперсий без добавки стабилизаторов (водоотдача дисперсии в течение 24 часов, выраженная в % к массе дисперсии) при концентрации пигмента 25% и выше, простоту измельчения пигмента, высушенного в слое при 75°С, наличие или отсутствие неизмельчаемых агломератов в измельченном порошке, размер частиц в порошке, возможность редиспергирования порошка без потери свойств пигмента, оптическую белизну порошка, не содержащего красителя, степень удержания пигментом связующего и/или красителя.

Степень удержания определяют следующим образом. Определенное количество полученной дисперсии модифицированного связующим и/или красителем пигмента смешивают на скоростной мешалке с определенным количеством воды. Разбавленную в несколько раз дисперсию выдерживают в покое до расслаивания. Нижний слой - свободно плавающий осадок, а второй - прозрачный, не содержащий взвеси водный слой. В этом слое определяют содержание связующего и/или красителя. Затем пересчетом на массу сухих веществ пигмента во взятой на разбавление навеске дисперсии определяют количества связующего и/или красителя, как связанного с пигментом, так и находящегося в водной фазе пигмента. Степень удержания связующего и/или красителя при многократном разбавлении дисперсии водой выражают в % от количества связующего и/или красителя, поданных в систему в процессе приготовления модифицированного пигмента.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать из карбоната кальция пигменты, модифицированные связующим (крахмалом или ПВС), и/или красители любого цвета. Пигменты можно высушить и легко измельчить в порошок с размерами частиц менее 2 мкм. Порошок можно редиспергировать при сохранении свойств пигмента. Высокая степень удержания пигментом связующего и/или красителя и другие свойства пигментов позволяют использовать их в различных областях.

Таблица 1. Условия проведения способа по примерам.
№№ примеров	Количество карбоната кальция, г	Количество сульфата алюминия (СА) в воде Al2(SO4)3·18 Н2O, г	Отношение массы СА к массе СаСО3, %	Температура процесса, %	Длительность процесса, мин	Степень преобразования СаСО3, %	Выход пигмента по общей массе СА, СаСО3, г	Связующее и его расчетное количество, г	Расчетное количество красителя, г	Концентрация пигмента в дисперсии, %
1	50	12,5	25	80	90	22,5	88,5	ПВС 0,277	-	35
2	50	22,25	44,5	80	100	40	84,20	ПВС 0,456	Прямой голубой 0,055	35
3	50	27,82	55,64	85	120	50	81,45	-	Прямой бордо 0,32	30
4	50	41,73	83,46	85	180	75	76,80	Крахмал 1,4	-	25
5	50	52,50	105,0	85	180	95	75,20	Крахмал 2,31	Прямой оранжевый 0,2	25

Таблица 2. Характеристики образцов пигмента по примерам
№№ примеров	Устойчивость дисперсии в течение 24 час. (водоотдача в % к массе дисперсии	Простота измельчения высушенной дисперсии в порошок	Агломераты в порошке	Размер частиц в порошке, мкм	Возможность редиспергирования порошка	Оптическая белизна белого пигмента, %	Концентрация связующего в сухом пигменте, %	Концентрация красителя в сухом пигменте, %	Степень удержания связующего, %	Степень удержания красителя, %
1	<1	Без затруднений	Отсутствуют	<2	Без затруднений	86,47	ПВС 0,5	-	99,90	-
2	-"-	-"-	-"-	-"-	-"-	-	ПВС 0,75	0,1	99,90	99,8
3	-"-	-"-	-"-	-"-	-"-	-	-	0,5	-	99,4
4	-"-	-"-	-"-	-"-	-"-	88,31	Крахмал 2,0	-	98,4	-
5	-"-	-"-	-"-	-"-	-"-	-	Крахмал 3,0	0,25	97,8	99,7

1. Способ получения пигмента для изготовления бумаги и картона путем обработки карбоната кальция сульфатом алюминия в водной среде при перемешивании, отличающийся тем, что обработку проводят при расходе сульфата алюминия 25-105% от массы абсолютно сухого карбоната кальция при температуре 80-85°С в течение 90-180 мин с получением суспензии с содержанием сухих веществ в ней 25-35%, причем используют водную среду, содержащую связующее, выбранное из группы, содержащей крахмал и поливиниловый спирт в количестве 0,5-3,0% от массы абсолютно сухого пигмента и/или водорастворимый краситель в количестве 0,1-0,5% от массы абсолютно сухого пигмента.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что суспензию дополнительно высушивают и измельчают.