[**]

Модифицированная композиция наполнителя для использования в композитах, таких как бумага и картон, которую производят путем взаимодействия наполнителя со связующим веществом и реагентом. Кроме того, раскрыт способ производства композитов, таких как бумага и картон, содержащих модифицированную композицию наполнителя.

(57) Реферат / Формула:

Модифицированная композиция наполнителя для использования в композитах, таких как бумага и картон, которую производят путем взаимодействия наполнителя со связующим веществом и реагентом. Кроме того, раскрыт способ производства композитов, таких как бумага и картон, содержащих модифицированную композицию наполнителя.

---

Евразийское (21) 201300462 (13) A1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки (51) Int. Cl. D21H17/00 (2006.01)
2013.09.30
(22) Дата подачи заявки
2011.10.11
(54) КОМПОЗИЦИЯ НАПОЛНИТЕЛЯ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
(31) 61/393,373
(32) 2010.10.15
(33) US
(86) PCT/US2011/055759
(87) WO 2012/051175 2012.04.19
(88) 2013.05.10
(71) Заявитель:
СЕРЕАЛУС ХОЛДИНГС ЭлЭлСи; ЮНИВЕРСИТИ ОФ МЭН СИСТЕМ БОАРД ОФ ТРУСТИС (US)
(72) Изобретатель:
Джабар Энтони, Билодо Михаэль, Парадис Марк (US)
(74) Представитель:
Королева С.В. (BY)
(57) Модифицированная композиция наполнителя для использования в композитах, таких как бумага и картон, которую производят путем взаимодействия наполнителя со связующим веществом и реагентом. Кроме того, раскрыт способ производства композитов, таких как бумага и картон, содержащих модифицированную композицию наполнителя.
КОМПОЗИЦИЯ НАПОЛНИТЕЛЯ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ композитных
МАТЕРИАЛОВ
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА "РОДСТВЕННУЮ" ЗАЯВКУ
Данная заявка является безусловной заявкой и притязает на преимущество приоритета предварительной заявки на патент в США тех же изобретателей под номером 61/393373, зарегистрированной 15 октября 2010 г. Полное содержание этой приоритетной заявки включено в данную заявку посредством ссылок.
ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ Область изобретения.
Настоящее изобретение относится к композициям материалов. В частности, данное изобретение относится к наполнителям, комбинируемым с другими материалами для формирования композиций. А именно, изобретение относится к композициям на основе наполнителя и способам изготовления таких материалов для использования в бумажном производстве, хотя не ограничивается ими.
Обзор известного уровня техники.
Наполнители или пигменты часто включают в композиты, такие как бумага, картон или пластмасса, для повышения физических или оптических свойств и/или снижения стоимости материала. Наполнители, и особенно неорганические пигменты, часто добавляют в бумажные составы для улучшения гладкости поверхности, качества печати, непрозрачности и глянца и для замещения более дорогой волокнистой массы и снижения, таким образом, стоимости получения таких продуктов. Однако, известно, что наряду с этим наполнители уменьшают прочность бумаги и едва удерживаются в процессе формования полотна из-за своего малого физического размера по сравнению с обычными волокнами бумажного получения. Эти недостатки часто ограничивают количество наполнителя, которое можно включать в рецептуры бумаги.
Потребовалось значительное усилие для получения наполнителей, которые придают бумаге и картону желательные оптические свойства, снижая при этом до минимума потерю прочности производимых таким образом бумаги или картона. Описывался способ, который
предусматривает получение модифицированных наполнителей для использования в процессе бумажного получения и производимые с помощью него модифицированные наполнители и бумагу. Способ включает в себя создание модифицированного наполнителя путем смешения крахмала с реакционной смесью, содержащей по меньшей мере одну жирную кислоту, кислоту канифоли или сульфат аммония, и смешения иного наполнителя с такой реакционной смесью, формируя таким образом модифицированный наполнитель. Другой способ предусматривает получение содержащей наполнитель бумаги и содержащей наполнитель бумажной продукции путем добавления к бумажной массе водной суспензии по меньшей мере одного высокодисперсного полимер-пигментного гибрида и дренажа бумажной массы для формования листа бумаги. Полимер-пигментный гибрид получают путем размалывания водной суспензии по меньшей мере одного неорганического пигмента в присутствии как минимум одного связующего вещества и, при необходимости, путем сушки получаемой таким образом водной суспензии и повторного диспергирования в воде высушенного полимер-пигментного гибрида. Известно, что полимер-пигментные гибриды можно использовать в качестве наполнителей для получения содержащей наполнитель бумаги или содержащей наполнитель бумажной продукции.
Хотя данные примеры иллюстрируют, что модифицированные наполнители предусмотрены для использования в бумажном производстве, существует постоянная потребность в наполнителях, которые можно использовать для получения бумаги с наполнителем и других типов конечных продуктов, имеющих оптические свойства, необходимые для таких продуктов, и сохраняющих при этом надлежащие характеристики прочности по экономически приемлемой цене. До сих пор наполнители, которые используются в бумаге и других продуктах, вызывают снижение прочности и другие характерные дефекты удержания массы на сетке, что сказывается на качестве, и в результате наполнители и основанные на наполнителе композиции, которые могут в ином случае являться источником снижения стоимости, нельзя внедрить в значительной степени.
Существует необходимость в наполнителе или композиции на основе наполнителя для использования в комбинации с основным конструктивным материалом, которые не понижают требуемые оптические, физические и технологические характеристики основного материала до уровня, который делает конечный продукт, содержащий основной материал, не соответствующим его намеченной цели. Кроме того, существует необходимость в наполнителе и/или композиции на основе наполнителя, которые снижает общую стоимость
конечного продукта или, по крайней мере, не превышает ее. СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью данного изобретения является создание модифицированной композиции наполнителя для использования в комбинации с основным конструктивным материалом, которая не понижает требуемые оптические, физические и технологические характеристики основного материала до уровня, который делает конечный продукт, содержащий основной материал, не соответствующим его намеченной цели. Другой особенностью изобретения является обеспечение такой модифицированной композиции наполнителя, которая снижает общую стоимость конечного продукта или, по крайней мере, не превышает ее. Еще одной особенностью данного изобретения является предоставление одного или более способов получения такой модифицированной композиции, содержащей наполнитель. Кроме того, особенностью изобретения является предложение одного или более видов применения модифицированной композиции наполнителя.
Эти и другие цели данного изобретения достигаются посредством создания модифицированной композиции наполнителя, которую можно использовать для бумажной продукции, других форм основанных на целлюлозе изделий и прочих продуктов, для которых подходит наполнитель, - такой наполнитель, который незначительно снижает требуемые характеристики содержащих его продуктов, который понижает стоимость этих продуктов и/или который может быть включен в существующие процессы получения таких продуктов. Модифицированная композиция наполнителя формируется как устойчивый к условиям эксплуатации компонент продукта. Она включает в себя комбинацию определенного наполнителя со связующим веществом и реагентом и, возможно, одним или более другими компонентами, имеющими нужные характеристики. Например, для бумажного продукта наполнителем может быть волокно, а связующим веществом - крахмал. Реагент модифицирует наполнитель настолько, что последний эффективно соединяется со связующим веществом, основным конструктивным материалом и/или с другим(-и) компонентом(-ами). В результате большая часть наполнителя может использоваться с основным конструктивным материалом, не вызывая неприемлемое ухудшение желательных характеристик основного конструктивного материала, включая, но не ограничиваясь ею, прочность конечного продукта. Изобретение включает в себя ряд технологических стадий процесса получения модифицированной композиции наполнителя, композитов и конечных
""мм
продуктов, содержащих модифицированные композиции наполнителя и/или композиты, содержащие модифицированную композицию наполнителя.
Использование модифицированной композиции наполнителя по данному изобретению позволяет производить устойчивые к условиям эксплуатации конечные продукты по сниженной стоимости. Эти и другие преимущества изобретения станут более очевидными при рассмотрении подробного описания, прилагаемых чертежей и формулы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - диаграмма, отображающая повышение предела прочности при растяжении бумажного продукта, имеющего включение модифицированного наполнителя для первого примера настоящего изобретения, в котором содержание наполнителя по массе в бумажном продукте именуется как зола, причем зола представляет собой или обычный наполнитель карбонат кальция марки Omyafil(R), или модифицированный наполнитель настоящего изобретения, включающий в себя продукт Omyafil(c).
Фиг. 2 - диаграмма, отображающая повышение предела прочности при растяжении бумажного продукта, имеющего включение модифицированного наполнителя для четвертого примера настоящего изобретения, в котором содержание наполнителя по массе в бумажном продукте именуется как зола, причем зола представляет собой или обычный наполнитель каолиновую глину, или модифицированный наполнитель настоящего изобретения, включающий в себя продукт каолиновой глины.
Фиг. 3 - диаграмма, отображающая повышение прочности сцепления бумажного продукта для четвертого примера настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение представляет собой модифицированную композицию наполнителя, содержащую наполнитель, связующее вещество и реагент. Эти три компонента стоят преимущественно дешевле, чем компонент основного конструктивного материала, который они обычно замещают. Композиция позволяет формовать частицы модифицированного наполнителя, которые можно добавлять непосредственно к другим компонентам, чтобы создавать модифицированные композиционные материалы. Примером такого модифицированного композитного материала является жидкая волокнистая масса, которая формирует основу бумажных и картонных изделий.
Связующее вещество выбирают из материалов, соединяющихся с одним или несколькими отдельными компонентами нужного модифицированного композитного материала. Примером главного отдельного компонента для сцепления может служить основной конструктивный материал конечного продукта. В случае с бумагой и картоном в качестве конечного продукта, главным компонентом является, как правило, целлюлозное волокно. Подходящие связующие вещества для продуктов на основе целлюлозы включают в себя, но не ограничены ими, нативные и модифицированные крахмалы, смолы, латекс или производные от целлюлозы продукты. Крахмалы можно выделить из кукурузы, восковой кукурузы, картофеля, тапиоки, пшеницы или риса. Кроме того, крахмал можно модифицировать в окисленный, катионный, анионный, разбавленный кислотой, этилированный и альдегид крахмалы.
Наполнитель представляет собой любой материал, считаемый пригодным в качестве наполнителя для замещения основного конструктивного материала. Наполнитель имеет преимущественно форму частиц, но не ограничен ею. Его выбирают из материалов, включающих в себя, - но не ограниченных ими, - древесное волокно, измельченный карбонат кальция, осажденный карбонат кальция, каолиновую глину, обожженную глину, отмученную глину, двуокись титана, слюду, тальк, сырые гранулы крахмала, сушеную барду, рисовую шелуху, толченую ореховую скорлупу, овсяные отруби или подобные материалы и их смеси. Если в качестве наполнителя выбирают волокно, оно может быть одним или несколькими видами целлюлозного волокна, волокнистой массы, включая древесную массу, древесную целлюлозу или макулатурное сырье.
Реагент - это любой материал, пригодный для химического соединения связующего вещества и наполнителя друг с другом и отобранный таким образом, чтобы он был достаточно совместимым с основным конструктивным материалом и другими материалами конечного продукта с целью сведения к минимуму негатшмого воздействия на желательные характеристики конечного продукта, включающие в себя эти компоненты. В частности, реагент отбирают таким образом, чтобы он взаимодействовал со связующим веществом для инкапсуляции наполнителя и снижал любое неблагоприятное влияние, которое наполнитель может оказывать на основной конструктивный материал конечного продукта, включающего в себя, например, волокна бумажных продуктов. До настоящего изобретения наполнители имели тенденцию к прерыванию процесса соединения волокон и конструктивных материалов друг с другом. Реагент данного изобретения герметизирует или изолирует наполнитель таким
образом, что он не вызывает такого прерывания. Реагент выбирают из материалов, включающих в себя, - но не ограничиваясь ими, - альдегиды, диальдегиды (включая, без ограничения, этандиал, именуемый также как глиоксаль, включая блокированные и прямые или неблокированные понижающие растворимость агенты на основе глиоксаля), алифатические эпоксидные смолы, меламинформальдегидные смолы, аммонийциркониевый карбонат, калийциркониевый карбонат, блокированные изоцианаты и их смеси. Процесс создания модифицированной композиции наполнителя по настоящему изобретению включает в себя нагревание связующего вещества до температуры в пределах 140° F - 320° F. Связующее вещество можно нагревать в варочном котле периодического действия или в котле для непрерывной варки, если связующим веществом является крахмал или другой полисахарид. Связующее вещество комбинируют с частицами наполнителя до, во время или после нагревания связующего вещества до температуры около 180° F. Связующее вещество и наполнитель смешивают друг с другом в пределах соотношений от относительно высокого конечного соотношения 300 частей связующего вещества на одну часть наполнителя до относительно низкого конечного соотношения 0,05 частей связующего вещества на одну часть наполнителя, причем соотношения эти выражены в пересчете на сухое вещество. [0019] На следующем этапе процесса реагент добавляют к комбинации связующего вещества и наполнителя и эти три компонента смешивают вместе при выбираемой температуре в пределах 120° F - 330° F. Комбинацию связка-наполнитель и реагент соединяют вместе в пределах соотношений от относительно высокого конечного соотношения девять частей реагента на 100 частей связующего вещества до относительно низкого конечного соотношения 0,05 частей реагента на 100 частей связующего вещества, причем соотношения эти выражены на основе сухой массы. Затем дисперсию связующего вещества, наполнителя и реагента перемешивают до тех пор, пока полностью не завершится реакция. То, что составляет полностью законченную реакцию комбинации трех компонентов, зависит от отдельных материалов, отобранных для каждого компонента, и выбранной температуры смешивания. Например, и без какого-то ни было ограничения, если эти три компонента представляют собой целлюлозное волокно, крахмал и глиоксаль, соединенных и перемешанных при температуре 180° F, реакция полностью завершается приблизительно через одну минуту. Характеристики модифицированной композиции наполнителя, которые определяют ее на предмет полностью завершенной реакции, включают в себя тот факт, что наполнитель герметизирован или удержан связывающим веществом. Реакцию считают
завершенной, если менее 10 % по массе связующего вещества присутствует в фильтрате после прохождения разбавленного (менее 2% твердых частиц) раствора композиции через стандартную фильтровальную бумагу (например, фильтровальную бумагу Ватмана № 4). В этом контексте, когда композиция гелеобразна или почти гелеобразна, реакция должна быть полностью завершенной, чтобы обеспечить надлежащую герметизацию наполнителя и его готовность к соединению с дополнительными компонентами для формирования конечного продукта.
Пять примеров композиции настоящего изобретения были подготовлены и использованы в изготовлении бумажных продуктов. Произведенные бумажные продукты тестировали и сравнивали с аналогично произведенными бумажными продуктами, которые не содержали модифицированную композицию наполнителя настоящего изобретения. Результаты испытаний показали, что модифицированная композиция наполнителя является эффективным компонентом произведенного продукта и позволяет использовать меньшее количество основного конструктивного компонента продукта без значительного снижения представляющих интерес свойств, включая физические и оптические свойства. Примеры и результаты соответствующих испытаний описаны ниже.
ПРИМЕР I
В первом примере изобретения дисперсию прошедшей тепловую обработку крахмальной кукурузной крупки и дисперсию измельченного карбоната кальция добавляют друг к другу в емкости в равном количестве сухой массы. Комбинированную дисперсию регулируют до 20% содержания твердых частиц путем добавления воды в емкость в объемном соотношении четыре части воды на одну часть двухкомпонентной дисперсионной смеси. Жидкую смесь нагревают до температуры приблизительно 140° F. Глиоксаль-реагент, - такой как Глиоксаль с 40 %-ым содержанием твердого вещества, производимый компанией BASF, - при концентрации три части реагента на 100 частей крахмала сухой массы, добавляют в емкость и периодически перемешивают в течение трех часов, поддерживая при этом температуру около 140° F.
Получаемую в результате модифицированную композицию наполнителя соединяли с основным конструктивным материалом, целлюлозным волокном в случае бумажного продукта, и оценивали. Отмечались улучшенные параметры сцепления и более легкое удержание распределенных по размеру частиц относительно волокнистого материала. Было
также отмечено, что произведенная модифицированная композиция наполнителя может быть использована как жидкий раствор или при желании высушена и представлена как сухой наполнитель, используемый в обработке дополнительных компонентов, содержащих целлюлозное волокно, в последующем повторном диспергировании для получения бумажных и картонных композитов. Таким образом, модифицированная композиция наполнителя по настоящему изобретению может быть представлена в жидкой форме для введения в процесс получения продукта на одном этапе процесса или может быть представлена в сухой твердой форме для введения на ином этапе процесса получения продукта. Например, модифицированную композицию наполнителя можно добавлять в мокрой части процесса получения бумаги в жидкой или сухой форме. В этой форме применения модифицированную композицию наполнителя можно использовать для получения композитов, при котором модифицированную композицию наполнителя диспергируют с другими компонентами и изготавливают композит. Или же, ее можно использовать как составную часть покрытия, и такое модифицированное покрытие можно наносить на поверхность композита или подложки.
Прочность композитного продукта можно увеличить с помощью модифицированной композиции наполнителя, если ее использовать в качестве замены применяемого сейчас традиционного наполнителя. Модификацию вышеописанного примера использовали в процессе получения бумажного продукта, применяя стандартную отливку листа бумаги вручную в соответствии со стандартным методом Т-205 Технической ассоциации целлюлозно-бумажной промышленности (TAPPI) и подвергали испытанию на прочность в соответствии со стандартными методами испытаний Т-569 "Прочность внутреннего сцепления (стойкость к расслаиванию) бумаги" и Т-404 "Сопротивление статическому разрыву при растяжении бумаги" Технической ассоциации целлюлозно-бумажной промышленности (TAPPI). Подлежавшая испытанию бумага была изготовлена с помощью обычного наполнителя, измельченного карбоната кальция, такого как карбонат кальция марки Omyafil (R), поставляемый компанией Отуа, г. Проктор, штат Вермонт, и модифицированной композиции наполнителя, описанной выше. Обычный наполнитель смешивали с целлюлозным волокном и прочими стандартными компонентами бумажного продукта в пропорциях 10 %, 20 % и 30 % от общей массы бумажного продукта. Еще большие количества модифицированной композиции наполнителя по данному изобретению соединяли с целлюлозным волокном и другими стандартными компонентами бумажного
продукта в пропорциях 12,5 %, 22,5 % и 32,5 % от общей массы бумаги. Относительно обычного наполнителя ожидалось, что добавление большего количества наполнителя понизит прочность при растяжении бумаги.
Как показано на Фиг. 1, где содержание наполнителя упоминается как содержание "золы", прочность бумаги с модифицированной композицией наполнителя по настоящему изобретению значительно превышает прочность бумаги с обычным наполнителем. В частности, бумага с 12,5 % модифицированной композиции наполнителя на 20 % прочнее бумаги лишь с 10% обычного наполнителя, бумага с 22,5 % модифицированной композиции наполнителя на 25 % прочнее бумаги лишь с 20% обычного наполнителя, и бумага с 32,5 % модифицированной композиции наполнителя на 20 % прочнее бумаги лишь с 30% обычного наполнителя. Эти результаты демонстрируют со всей очевидностью, что конечный продукт на основе целлюлозы можно создать с еще большим количеством наполнителя, который дешевле одного или более других компонентов конечного продукта и который можно использовать для замещения, не снижая, а фактически повышая прочность конечного продукта.
ПРИМЕР II
Во втором примере модифицированной композиции наполнителя по настоящему изобретению образец промышленного рециклированного волокна (Печатные и писчие сорта рециклированного волокна, производимые компанией "Фибрек" (Fibrek), г.Монреаль, пр.Квебек, Канада) превращали в отливки согласно стандартному методу Т-205 TAPPI и проверяли на прочность в соответствии со стандартными методами испытаний Т-569 TAPPI "Прочность внутреннего сцепления (стойкость к расслаиванию) бумаги" и Т-404 "Сопротивление статическому разрыву при растяжении бумаги". Эти бумаги указаны в Таблице 1 как "Контроль". Точно так же получали и испытывали второй набор отливок с добавлением 10 % обработанного рециклированного волокна. Было подготовлено три варианта обработанного рециклированного волокна, причем каждый из них включал в себя различный реагент модифицированной композиции наполнителя настоящего изобретения. Обработанное волокно получали посредством варки немодифицированного кукурузного крахмала с содержанием 10% сухого вещества при 190° F в течение 30 минут и затем добавления равного количества, в пересчете на сухое вещество, необработанного рециклированного волокна к заваренному крахмальному клейстеру. 3 % реагента (сухая
масса на основе твердых частиц крахмала) добавляли к жидкому раствору при интенсивном перемешивании. Потом этот обработанный жидкий раствор добавляли к опытному образцу необработанного рециклированного волокна при загрузке в 10 % из расчета сухой массы твердого вещества. Результаты испытания представлены в Таблице 1 для композиций прочностных добавок, содержащих три различных реагента. Этими тремя различными реагентами, используемыми в изготовлении различных отливок из обработанного рециклированного волокна, были: А - 40 %-ный твердый глиоксаль, используемый в получении модифицированной композиции наполнителя Примера I; В -аммонийциркониевый карбонат в виде, поставляемом под торговой маркой Bacote 20 компанией Mel Chemicals, г.Флемингтон, штат Нью-Джерси); и С - калийциркониевый карбонат в виде, поставляемом под торговой маркой 2лгте1 1000 компанией Mel Chemicals. Как видно из Таблицы 1, все параметры обработанного волокна показывают значительное повышение прочности при растяжении и стойкости к расслаиванию по сравнению с контрольным образцом.
ПРИМЕР III
В третьем примере модифицированной композиции наполнителя по настоящему изобретению образец промышленной NBSK (отбеленная бумажная масса из древесины мягких пород) целлюлозы (NBSK целлюлоза, производимая компанией Fibrek, г.Монреаль, пр.Квебек, Канада) формовали в отливки в соответствии со стандартным методом Т-205
TAPPI и проверяли на прочность в соответствии со стандартными методами испытаний Т-569 TAPPI "Прочность внутреннего сцепления (стойкость к расслаиванию) бумаги" и Т-404 "Сопротивление статическому разрыву при растяжении бумаги". Эти бумаги указаны в Таблице 2 как "Контроль". Точно так же получали и испытывали второй набор отливок в трех разных вариантах. Первый вариант формовали из 95 % необработанной NBSK и 5% NBSK, обработанной модифицированной композицией наполнителя по настоящему изобретению. Второй вариант включал в себя 90 % необработанной NBSK и 10 % NBSK, обработанной тем же видом модифицированной композиции наполнителя. Третий вариант содержал 80 % NBSK и 20 % NBSK, обработанной таким же видом модифицированной композиции наполнителя. Обработанные волокна NBSK получали посредством варки немодифицированного кукурузного крахмала с содержанием 10% твердого вещества при 190° F в течение 30 минут и затем добавления равного количества, в пересчете на сухое вещество, необработанного волокна NBSK к заваренному крахмальному клейстеру. 3 % реагента (сухая масса на основе твердых частиц крахмала) добавляли к жидкому раствору при интенсивном перемешивании. Реагентом в этом примере был тот же самый 40 %-ный глиоксаль, используемый в Примере I. Затем эту обработанную волокнистую массу добавляли к образцу необработанного волокна NBSK при загрузке в 5 %, 10 % и 20 % из расчета сухой массы твердого вещества. Результаты испытания представлены в Таблице 2. Все параметры обработанного волокна показывают значительное повышение прочности при растяжении и стойкости к расслаиванию по сравнению с контрольным образцом.
ПРИМЕР IV
В четвертом примере модифицированной композиции наполнителя по настоящему изобретению получали волокнистую массу, содержавшую смесь из 25 мас.% целлюлозы NBSK, 45 % древесной массы и 30 % термомеханической массы, и к этой волокнистой массе добавляли перед формованием в отливки в соответствии со стандартным методом Т-205 TAPPI различные количества каолина (как необработанного, так и обработанного с помощью модифицированной композиции наполнителя по настоящему изобретению) и обычно применяемые технологические добавки. К каждой аликвоте массы перед формованием отливок добавляли следующие вспомогательные вещества (Таблица 3).
Необработанный каолин добавляли к волокнистой массе порцией в 100, 200 и 400 фунтов/тонн бумаги и из полученной в результате смеси производили наборы отливок. Обработанный наполнитель получали посредством варки немодифицированного кукурузного крахмала с содержанием 10% твердого вещества при 190° F в течение 30 минут и затем добавляли равное количество, в пересчете на сухое вещество, необработанного каолина к заваренному крахмальному клейстеру. 3 % реагента (сухой вес на основе твердых частиц крахмала) 40 %-ного глиоксаля добавляли к смеси при интенсивном перемешивании. Обработанный наполнитель добавляли к волокнистой массе порцией в 200 фунтов/тонн бумаги вместе с необработанным каолином порцией в 0,100 - 300 фунтов/тонн бумаги в трех разных вариантах пробного продукта. Из полученных смесей изготавливали наборы отливок. Каждый набор отливок испытывали на прочностные свойства в соответствии со стандартными методами испытаний TAPPI Т-569 "Прочность внутреннего сцепления (стойкость к расслаиванию) бумаги", Т-404 Т-404 "Сопротивление статическому разрыву при растяжении бумаги" и Т-211 "Зольность сгорания бумаги при 525° С". Результаты представлены в Таблице 4 и на Фиг. 2 и 3, где все обработанные композиции наполнителя
демонстрируют значительное повышение прочности при растяжении и стойкости к расслаиванию по сравнению с необработанными вариантами наполнителя в продукте.
ПРИМЕР V
В пятом примере модифицированной композиции наполнителя по настоящему изобретению использовали волокнистую массу, включавшую в себя смесь 30 мас.% целлюлозы NBSK и 70 мас.% беленой лиственной крафт-целлюлозы для получения немелованной бумаги номинальной массой 75 граммов (+/- 6 граммов) с помощью экспериментальной бумагоделательной машины в Университете штата Мэн в г. Ороно, штат Мэна. Пигмент Omyafil (R) измельченного карбоната кальция (GCC) добавляли к бумажной массе для регулирования содержания наполнителя от 10 % до 17 % по массе. Эти бумаги идентифицированы в Таблицах 5 и 6 как состояния А, В и С. Следующие добавки добавляли к бумажной массе для содействия получению бумаги: (1) заваренный катионный крахмал (Sta-Lok 160, поставляемый компанией Tate & Lyle г.Декейтер, шт.Иллинойс), (2) катионный коагулянт (Nalco 7607, поставляемый компанией Nalco Chemical Со. г. Нэпервилл,
шт.Иллинойс), (3) удерживающая добавка (Telioform, поставляемый компанией BASF) и (4) дренажная добавка (бентонит, также поставляемый компанией BASF). Перечень добавок и дозировок приведен в Таблице 5.
Пигмент GCC также был модифицирован согласно настоящему изобретению, чтобы создать модифицированную композицию наполнителя. Было изготовлено три варианта пробных бумажных изделий, содержащих обработанный наполнитель GCC и указанных здесь как состояния бумаги D, Е и F в Таблице 5. Обработанный наполнитель, используемый в состоянии D бумаги, получали путем варки этилированного кукурузного крахмала (Ethylex 2026 компании Tate & Lyle) с содержанием 10% твердого вещества при 190° F в течение 30 минут и затем добавления равного количества, в пересчете на сухое вещество, необработанного GCC к заваренному крахмальному клейстеру. 2 мас.% (сухая масса на основе твердых частиц крахмала) реагента 40 %-ного глиоксаля добавляли к смеси при интенсивном перемешивании. Суспензию с обработанным наполнителем добавляли к поверхностям бумажного полотна (3 %, или 60 фунтов/тонн, привеса) в качестве покрытия с помощью обычного меловального станка.
Обработанный наполнитель, используемый в бумаге состояния Е, получали посредством варки смеси из 30 % катионного кукурузного крахмала Sta-Lok 160 и 70% немодифицированного кукурузного крахмала, такого как кукурузный крупа-крахмал,
производимый компанией Tate & Lyle, с содержанием 10% твердого вещества при 190° F в течение 30 минут и затем добавления равного количества, в пересчете на сухое вещество, необработанного GCC к заваренному крахмальному клейстеру. 2 мас.% (сухая масса на основе твердых частиц крахмала) реагента 40 %-ного глиоксаля добавляли к смеси при интенсивном перемешивании. Потом суспензию с обработанным наполнителем добавляли к волокнистой массе дозой в 200 фунтов/тонн бумаги перед формованием жидкого раствора в бумажное полотно.
Обработанный наполнитель, используемый в состоянии F, получали путем варки смеси из 30%о катиоиного кукурузного крахмала Sta-Lok 160 и 70% немодифицированного картофельного крахмала, известного под торговой маркой "Картофельный крахмал" компании Aroostook Starch, г. Форт Фэрфилд, шт. Мэн, с содержанием 10% твердого вещества при 190° F в течение 30 минут и затем добавления в 1,5 раза больше необработанного GCC, в пересчете на сухое вещество, к заваренному крахмальному клейстеру. 2 мас.% (сухая масса на основе твердых частиц крахмала) реагента 40 %-ного глиоксаля добавляли к смеси при интенсивном перемешивании. Потом суспензию с обработанным наполнителем добавляли к волокнистой массе дозой в 300 фунтов/тонн бумаги перед формованием жидкого раствора в бумажное полотно.
Пробы бумаги от каждого состояния испытывали на прочностные свойства в соответствии со стандартными методами испытаний TAPPI Т-569 "Прочность внутреннего сцепления (стойкость к расслаиванию) бумаги", Т-404 Т-404 "Сопротивление статическому разрыву при растяжении бумаги" и Т-211 "Зольность сгорания бумаги при 525° С". Результаты представлены в Таблице 6.
Необработан. GCC 400 фунт/тонна
Состояние D
Необработан. GCC 200 фунт/тонна + Обработан. GCC 60 фунт/тонна в качестве покрытия
74.6
28.9
234
12.6
Состояние Е
Необработан. GCC 200 фунт/тонна + Обработан. GCC 200 фунт/тонна
70.4
31.5
252
13.7
Состояние F
Необработан. GCC 200 фунт/тонна + Обработан. GCC 300 фунт/тонна
83.3
34.7
397
15.3
Все бумажные продукты с обработанным наполнителем (состояния D, Е и F) показывают значительное повышение прочности при растяжении и стойкости к расслаиванию по сравнению с бумажными продуктами с необработанным наполнителем (состояния А, В и С).
Модифицированную композицию наполнителя по настоящему изобретению можно создавать как готовый продукт, этапы получения которого, как это описано выше, были завершены до передачи его для использования в производстве конечного продукта. По желанию можно предусмотреть три основных компонента (наполнитель, связующее вещество и реагент) как три отдельных компонента, а также предоставить инструкции для осуществления описанных здесь этапов получения модифицированной композиции наполнителя. Кроме того, можно смешать наполнитель со связующим веществом для получения описанной здесь композиции наполнитель-связка до добавления реагента и предоставить инструкции для выполнения этапов соединения реагента и композиции наполнитель-связка с целью создания модифицированной композиции наполнителя.
Модифицированную композицию наполнителя можно комбинировать с дополнительными компонентами, используемыми для получения желаемого конечного продукта, такого как бумажный продукт, как часть процесса создания этого конечного продукта. Альтернативный вариант предусматривает комбинирование модифицированной композиции наполнителя с одним или более другими компонентами для получения покрытия. Такое покрытие можно
затем наносить на конечный продукт, такой как бумажный продукт, который был уже произведен. Например, но без всякого намерения ограничить, модифицированную композицию наполнителя можно включить в состав продукта покрытия или она сама может быть продуктом покрытия, который используется в нанесении покрытия клеильным прессом. Кроме того, модифицированную композицию наполнителя по настоящему изобретению можно использовать в комбинации с другими материалами, чтобы повысить эффективность этих материалов в улучшении характеристик других продуктов. Например, модифицированная композиция наполнителя может использоваться в комбинации с материалами, описанными в патентах США № 5928474, 5859128, 6699363, 6048929, полное содержание которых включено в данный документ посредством ссылки, для получения одного или более на основе целлюлозы продуктов, имеющих улучшенные характеристики. Хотя в описании настоящего изобретения было дано несколько примеров модифицированной композиции наполнителя, методов получения таких композиций и их практического использования, специалистам в данной области техники понятно, что могут быть созданы варианты, модификации и изменения в пределах объема изобретения, как оно явным образом раскрыто. В соответствии с этим предпочтительные варианты изобретения, как они изложены выше, имеют не ограничительный, а лишь иллюстративный характер. В изобретение могут быть внесены различные изменения без отступления от его существа и объема.
Формула изобретения
1. Модифицированная композиция наполнителя для использования в производстве одного или более конечных продуктов, состоящая по существу из:
a. наполнителя;
b. связующего вещества; и
c. реагента.
2. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что массовое соотношение связующего вещества и наполнителя колеблется в пределах от 300 частей связующего вещества на одну часть наполнителя до 0,05 частей связующего вещества на одну часть наполнителя.
3. Композиция по п. 2, отличающаяся тем, что массовое соотношение связующего вещества и наполнителя составляет один к одному.
4. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что массовое соотношение реагента и связующего вещества колеблется в пределах от девяти частей реагента на 100 частей связующего вещества до 0,05 частей реагента на 100 частей связующего вещества.
5. Композиция по п. 2, отличающаяся тем, что массовое соотношение реагента и связующего вещества колеблется в пределах от девяти частей реагента на 100 частей связующего вещества до 0,05 частей реагента на 100 частей связующего вещества.
6. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что содержит воду, причем вода составляет около 80 % композиции.
7. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что
a. наполнитель выбирают из группы, состоящей из волокна, измельченного карбоната кальция, осажденного карбоната кальция, каолина, обожженной глины, отмученной глины, двуокиси титана, слюды, талька, сырых гранул крахмала, сушеной барды, рисовой шелухи, дробленой ореховой скорлупы, овсяных отрубей, или подобных материалов и их смесей;
b. связующее вещество выбирают из группы, состоящей из нативных и модифицированных крахмалов, смол, латекса или производных продз'ктов целлюлозы, где нативные и модифицированные крахмалы выбирают из группы, состоящей из крахмалов, выделенных из кукурузы, восковой кукурузы, картофеля, тапиоки, пшеницы или риса, и крахмалов, модифицированных в окисленный, катионный, анионный, разбавленный кислотой, этилированный и альдегидный крахмалы; и
c. реагент выбирают из группы, состоящей из альдегидов, диальдегидов, глиоксалей, заблокированных и прямых или разблокированных на основе глиоксаля понижающих растворимость агентов, алифатических эпоксидных смол, меламинформальдегидных смол, аммонийциркониевых карбонатов, калийциркониевых карбонатов, блокированных изоцианатов и их смесей.
8. Композиция по п. 7, отличающаяся тем, что наполнитель представляет собой целлюлозное волокно, связующее вещество - крахмал и реагент - глиоксаль.
9. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что далее объединена с целлюлозными волокнами для формирования бумажного продукта.
10. Способ производства модифицированной композиции наполнителя, включающий
следующие этапы:
a. совместное диспергирование наполнителя и связующего вещества для формирования композиции наполнитель-связующее вещество;
b. нагревание композиции наполнитель-связующее вещество;
c. добавление реагента к композиции наполнитель-связующее вещество для формирования композиции наполнитель-связующее вещество-реагент; и
d. нагревание композиции наполнитель-связующее вещество-реагент для создания
модифицированной композиции наполнителя.
11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что далее включает этап комбинирования модифицированной композиции наполнителя с одним или более дополнительных компонентов, пригодных для производства конечного продукта на основе целлюлозы.
12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что этап комбинирования включает этап диспергирования модифицированной композиции наполнителя с одним или более дополнительных компонентов до производства конечного продукта на основе целлюлозы.
13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что далее включает этап формирования покрытия, содержащего модифицированную композицию наполнителя, и при котором этап комбинирования включает этап нанесения покрытия на конечный продукт, содержащий один или более дополнительных компонентов.
14. Способ по п. 10, отличающийся тем, что далее включает этап нагревания связующего вещества до совместного диспергирования наполнителя и связующего вещества.
15. Способ по п. 10, отличающийся тем, что далее включает этап добавления воды к композиции наполнитель-связующеее вещество-реагент до второго этапа нагревания.
16. Способ по п. 10, отличающийся тем, что наполнитель представляет собой волокно, связующее вещество - крахмал и реагент - глиоксаль.
17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что этап нагревания композиции наполнитель-связующее вещество и этап нагревания композиции наполнитель-связующеее вещество-реагент осуществляют при температуре около 140°.
18. Бумажный продукт, содержащее:
a. целлюлозное волокно;
b. наполнитель;
c. связующее вещество; и
d. реагент.
19. Бумажный продукт по п. 18, отличающийся тем, что наполнитель представляет собой волокно, связующее вещество - крахмал и реагент - глиоксаль.
20. Бумажный продукт по п. 19, отличающийся тем, что волокно и крахмал присутствуют в соотношении один к одному по массе, а глиоксаль и крахмал - в соотношении три к 100 по массе.
19.
0.0% 2.0% 4.0% 6.0% 8.0% 10.0% 12.0% 14.0%
Зольность, %
Фиг. 2
Связь по Скотту
160
140
120
100
1 80
Необработанна (100,200,400 фунт/тонна)
0.056
4.0"
6.0% 8.0% Зольность, %
10.0%
12.0%
14.0%
Фиг. 3
(19)
180
180
180
180
180
180