ES2210824T3 - Borosilicatos coloidales y su uso en la produccion de papel. - Google Patents
Borosilicatos coloidales y su uso en la produccion de papel.Info
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Abstract
Un procedimiento para la preparación de un borosilicato coloidal que comprende las etapas de: a) poner en contacto una disolución acuosa diluida de un silicato de metal alcalino con una resina de intercambio catiónico para producir un ácido silícico; (b) formar una cuña mezclando una disolución acuosa diluida de un borato de metal alcalino con un hidróxido de metal alcalino para formar una disolución acuosa que contiene de 0,01 a 30 por ciento de B2O3, con un pH de entre 7 y 10,5; (c) añadir el ácido silícico diluido sobre la disolución acuosa en agitación; y entonces, (d) recuperar un borosilicato coloidal acuoso.
Description
Borosilicatos coloidales y su uso en la
producción de papel.
Esta invención se refiere a un procedimiento para
la fabricación de borosilicatos coloidales. Se describe una
composición coadyuvante de retención de borosilicatos y un
procedimiento de uso de la composición coadyuvante de retención de
borosilicatos en la producción de papel.
En la fabricación de papel, se forma una
suspensión de celulosa acuosa o pasta en una hoja de papel.
Generalmente, la pasta de fibra de celulosa se diluye hasta una
consistencia (peso seco porcentual de sólidos en la pasta de papel)
que posea un contenido de fibra de aproximadamente 4 por ciento en
peso de fibra o menos, y generalmente aproximadamente 1,5% o menos,
y con frecuencia por debajo de 1,0% antes de llegar a la máquina de
papel, mientras que la hoja acabada posee típicamente menos de 6%
en peso de agua. Por lo tanto, los aspectos de retención y
deshidratación en la fabricación de papel son extremadamente
importantes para la eficacia y coste de la fabricación.
La deshidratación por gravedad es el
procedimiento preferido de drenaje debido a su coste relativamente
bajo. Además del drenaje por gravedad, se usan otros procedimientos
más caros para la deshidratación, por ejemplo, vacío, presión,
secado y presión de manta de fieltro, evaporación y similares. En la
actualidad, se emplea una combinación de tales procedimientos para
deshidratar o secar la hoja hasta alcanzar el contenido de agua
deseado. Debido a que el drenaje por gravedad es tanto el primer
procedimiento de deshidratación empleado como el menos caro, una
mejora en la eficacia de este procedimiento de drenaje reducirá la
cantidad de agua que se requiere eliminar mediante otros
procedimientos, y por lo tanto mejorará la eficacia global de la
deshidratación y reducirá el coste de ésta.
Otro aspecto de la fabricación del papel que es
extremadamente importante para la eficacia y el coste es la
retención de los componentes de la pasta de papel sobre la estera
fibrosa y dentro de ésta. La pasta para la fabricación de papel
representa un sistema que contiene cantidades significativas de
partículas pequeñas estabilizadas mediante fuerzas coloidales. Una
pasta para la fabricación de papel contiene generalmente, además de
fibras de celulosa, partículas que varían en tamaño desde
aproximadamente 5 hasta aproximadamente 1000 nm, y que están
formadas por, por ejemplo, finos de celulosa, cargas minerales
(empleados para aumentar la opacidad, brillo y otras características
del papel) y otras pequeñas partículas que generalmente, sin la
inclusión de uno o más coadyuvantes de retención, pasarían en una
proporción significativa a través de los espacios (poros) de la
estera formada por las fibras de celulosa sobre la máquina de
papel.
Una mayor retención de finos, cargas y otros
componentes de la pasta de papel permite, para una calidad de papel
determinada, una reducción en el contenido de fibras de celulosa de
dicho papel. Debido al uso de pulpas de calidad inferior para
reducir los costes de la fabricación de papel, el aspecto de
retención en la fabricación de papel se vuelve más importante, ya
que el contenido en finos de tales pulpas de calidad inferior es
generalmente mayor. La retención mayor también desciende la
cantidad de tales sustancias perdidas en las aguas blancas y por lo
tanto, reduce la cantidad de materiales de deshecho, el coste de
eliminación de residuos y los efectos ambientales adversos derivados
de éstos. Generalmente resulta deseable reducir la cantidad de
material empleado en el procedimiento de fabricación de papel para
un propósito determinado, sin disminuir el resultado buscado.
Dichas reducciones adicionales pueden ahorrar costes de materiales
y proporcionar beneficios de manejo y procesado.
Otra importante característica de un
procedimiento de fabricación de papel determinado es la formación de
la hoja de papel producida. La formación puede venir determinada
por la varianza en la transmisión de luz en la hoja de papel, y una
varianza alta es indicativa de una formación pobre. Conforme aumenta
la retención hasta un nivel alto, por ejemplo un nivel de retención
de 80 ó 90%, el parámetro de formación disminuye generalmente.
Se han usado varios aditivos químicos en un
intento por incrementar la velocidad a la que el agua drena de la
hoja formada, y para aumentar la cantidad de finos y de la carga
retenidos en la hoja. El uso de polímeros solubles en agua de alto
peso molecular constituyó una mejoría significativa en la
fabricación de papel. Estos polímeros de alto peso molecular actúan
como floculantes, formando flóculos grandes que se depositan sobre
la hoja. Éstos también ayudan en la deshidratación de la hoja. Para
que sean efectivos, los programas de drenaje y retención de
polímeros convencionales, unitarios o duales, requieren de la
incorporación de un componente de peso molecular mayor como parte
del programa. En estos programas convencionales, el componente de
alto peso molecular se añade después de un punto de alto
cizallamiento en el sistema de flujo de pasta que llega a la cabeza
de la máquina de papel. Esto es necesario ya que los flóculos se
forman principalmente mediante el mecanismo de enlace y su ruptura
es ampliamente irreversible, por lo que no se vuelven a formar en
ningún grado significativo. Por este motivo, la mayor parte de la
retención y drenaje de un floculante se pierde al alimentarlo antes
de un punto de alto cizallamiento. En su detrimento, la
alimentación de polímeros de alto peso molecular después del punto
de alto cizallamiento con frecuencia lleva a la formación de
problemas. Los requerimientos de alimentación de los polímeros y
copolímeros de alto peso molecular que dan lugar a una retención
mejorada con frecuencia llevan a un compromiso entre la retención y
la formación.
Los programas de floculantes de alto peso
molecular satisfactorios se mejoraron mediante la adición de las
así denominadas "micropartículas".
Los programas de polímero/ micropartícula han
logrado el éxito comercial al reemplazar el uso de los programas de
retención de polímero únicamente y de drenaje en muchas fábricas.
Los programas que contienen micropartículas se definen no sólo por
el uso de un componente de micropartícula, sino también
frecuentemente por los puntos de adición de productos químicos en
relación con el cizallamiento. En la mayoría de los programas de
retención que contienen micropartículas, se añaden polímeros de
alto peso molecular tanto antes como después de al menos un punto
de alto cizallamiento. El material de micropartículas inorgánicas
se añade normalmente entonces a la pasta de papel, una vez que la
pasta se ha floculado con el componente de alto peso molecular y
cizallado para que se rompan esos flóculos. La adición de
micropartículas re-flocula la pasta de papel, lo que
resulta en una retención y drenaje que es al menos igual de bueno
que el que se obtiene usando el componente de alto peso molecular
de la manera convencional (después del cizallamiento), sin un
impacto perjudicial en la formación.
Un programa de tales características empleado
para proporcionar una combinación mejorada de la retención y
deshidratación se describe en las Patentes de Estados Unidos Nº
4.753.710 y 4.913.775, de Langley y colaboradores. En el
procedimiento descrito en Langley y colaboradores, se añade un
polímero catiónico lineal de alto peso molecular a la suspensión
acuosa de celulosa para la fabricación de papel antes de que se
aplique el cizallamiento a la suspensión, seguido de la adición de
bentonita tras la aplicación del cizallamiento. El cizallamiento lo
proporcionan generalmente una o más de las etapas de limpieza,
mezclado y bombeo del procedimiento de fabricación de papel, y el
cizallamiento rompe los grandes flóculos formados por el polímero de
alto peso molecular, transformándolos en microflóculos. La
aglomeración adicional tiene lugar entonces con la adición de las
partículas de arcilla bentonita.
Otros programas de micropartículas similares se
basan en el uso de sílice coloidal como micropartícula, combinada
con almidón catiónico como el que se describe en las Patentes de
Estados Unidos Nº 4.388.150 y 4.385.961, o en el uso de una
combinación de almidón catiónico, floculante y sol de sílice, como
el que se describe en las Patentes de Estados Unidos 5.098.520 y
5.185.062. La Patente de Estados Unidos 4.643.801 reivindica un
procedimiento para la preparación de papel que usa un polímero
soluble en agua de alto peso molecular, una sílice dispersada y un
almidón catiónico.
Aunque, según se ha descrito anteriormente, la
micropartícula se añade típicamente a la pasta de papel después del
floculante y después de al menos una zona de cizallamiento, el
efecto de la micropartícula también puede observarse si ésta se
añade antes del floculante y de la zona de cizallamiento (por
ejemplo, en el caso en el que la micropartícula se añada antes del
tamiz y el floculante después de la zona de cizallamiento).
En un programa coadyuvante de retención y drenaje
de polímero/micropartícula unitario, un floculante, típicamente un
polímero catiónico, es el único material polimérico añadido junto
con la micropartícula. Otro procedimiento para mejorar la
floculación de los finos de celulosa, cargas minerales y otros
componentes de la pasta de papel en la estera fibrosa que usa una
micropartícula se encuentra combinado con un programa polimérico
dual que usa, además de la micropartícula, un sistema coagulante y
floculante. En un sistema de tales características, se añade en
primer lugar un coagulante, por ejemplo un polímero catiónico
sintético de bajo peso molecular o un almidón catiónico. El
coagulante también puede ser un coagulante inorgánico la alúmina o
cloruros de polialuminio. Esta adición puede tener lugar en uno o en
varios puntos en el sistema de fabricación de la pasta de papel,
incluyendo sin limitación el de pasta gruesa, sistema de agua
blanca, o pasta fina de una máquina. Este coagulante generalmente
reduce las cargas negativas de superficie presentes sobre las
partículas en la pasta de papel, especialmente en los finos de
celulosa y cargas minerales, y así hace alcanzar un grado de
aglomeración de tales partículas. Al tratamiento coagulante le
sigue la adición de un floculante. Dicho floculante es generalmente
un polímero sintético de alto peso molecular que une las partículas
y/o aglomerados, de una superficie a otra, enlazando a las
partículas hasta llegar a aglomerados más grandes. La presencia de
tales aglomerados grandes en la pasta de papel, al formarse la
estera de fibra de la hoja de papel, aumente la retención. Los
aglomerados se filtran, separándose del agua, sobre la red de
fibra, mientras que las partículas no aglomeradas pasarían, en gran
medida, a través de tal red de papel. En un programa de tales
características, el orden de adición de la micropartícula y el
floculante puede invertirse con éxito.
La presente descripción parte de las
descripciones de estas patentes en cuanto a que un borosilicato,
preferiblemente un borosilicato coloidal, se usa como
micropartícula. Sorprendentemente, se ha encontrado que los
borosilicatos proporcionan una ejecución mejorada respecto a otros
programas de micropartículas, y especialmente aquellos que usan
soles de sílice coloidal como micropartícula. Las micropartículas
de borosilicato permiten que la producción de papel y cartón
muestre unos niveles mejorados de retención, formación, porosidad
uniforme y deshidratación global.
La presente invención proporciona un
procedimiento para la preparación de un borosilicato coloidal que
comprende las etapas de: (a) poner en contacto una disolución
acuosa diluida de un silicato de metal alcalino con una resina de
intercambio catiónico para producir un ácido silícico; (b) formar
una cuña mezclando una disolución acuosa diluida de un borato de
metal alcalino con un hidróxido de metal alcalino para formar una
disolución acuosa que contiene de 0,01 a 30 por ciento de
B_{2}O_{3}, con un pH de entre 7 y 10,5; (c) añadir el ácido
silícico diluido sobre la disolución acuosa en agitación; y
entonces, (d) recuperar un borosilicato coloidal acuoso.
En la presente invención se describe a las
disoluciones acuosas de partículas coloidales de borosilicato como
útiles en una composición coadyuvante de retención de
borosilicatos. Los borosilicatos poseen una proporción molar de
boro a silicio de entre 1:1000 y 100:1, y generalmente entre 1:100 y
2:5. Preferiblemente, la proporción molar de sodio a silicio en los
materiales de borosilicato de esta invención varía entre 0,006 y
1,04, y preferiblemente varía incluso entre 0,01 y 0,7. En la
presente invención también se describe un sistema de fabricación de
papel que comprende las etapas de adición a una pasta para la
fabricación de papel de entre aproximadamente 0,00005 y
aproximadamente 1,25% en peso, respecto al peso de la fibra seca en
la pasta de papel, de un borosilicato. En un sistema alternativo,
se añade a la pasta de papel un floculante polimérico no iónico,
catiónico o aniónico, tanto antes como después de la adición del
borosilicato, en una cantidad de entre aproximadamente 0,001 y
aproximadamente 0,50% en peso respecto al peso en seco de la fibra
en la pasta de papel. Una alternativa es la adición de almidón
catiónico o goma de guar, en lugar de o además de un floculante
polimérico, a la pasta de papel, tanto antes como después de la
adición del borosilicato, en una cantidad de entre aproximadamente
0,005 y aproximadamente 5,0% en peso, respecto al peso en seco de
fibra en la pasta de papel. Otra alternativa es la adición de un
coagulante a la pasta de papel en una cantidad que varía entre
0,005 y 1,25% en peso del peso seco de la fibra en la pasta de
papel. La floculación de componentes de la pasta para la
fabricación de papel aumenta cuando el borosilicato se añade solo o
combinado con un floculante polimérico convencional, solo o
combinado con un coagulante.
Mediante la adición de las partículas de
borosilicato descritas en la presente invención a la pasta para la
fabricación de papel o pasta antes de la formación de la hoja,
pueden obtenerse unas propiedades de hoja mejoradas. Según la
presente invención, el término pasta de papel o pasta se refiere a
una suspensión de fibras de celulosa usada para formar una hoja de
celulosa. La hoja puede ser un papel fino (que, según la presente
invención, incluye materiales basados en fibra virgen así como en
fibra reciclada), cartón (que, según la presente invención, incluye
cubierta mixta basada en fibra reciclada y medio corrugante así como
materiales basados en fibra virgen) y papel periódico (que, según
la presente invención, incluye pastas de papel de revistas así como
materiales basados en fibra virgen y en fibra reciclada), u otros
materiales de celulosa. La hoja final puede contener, además de la
estera de fibra de celulosa, cargas, pigmentos, abrillantadores,
agentes de encolado y otros materiales usados en la producción de
esteras de celulosa de numerosas calidades, comúnmente denominadas
papel o cartón.
La composición coadyuvante de retención y drenaje
aquí descrita comprende un borosilicato (preferiblemente un
borosilicato coloidal) que posee una proporción molar de boro a
silicio que varía entre aproximadamente 1:100 y aproximadamente
2:5. Preferiblemente, el borosilicato se caracteriza por poseer una
proporción molar de sodio a silicio que varía entre aproximadamente
6:1000 y 1,04:1. El coadyuvante de retención de micropartículas es
preferiblemente un borosilicato coloidal que muestra una química
similar a la de los vidrios de borosilicato. El borosilicato se usa
preferiblemente en forma de un coloide acuoso. Este coloide se
prepara generalmente haciendo reaccionar una sal de metal alcalino
de un compuesto que contiene boro con ácido silícico en condiciones
que resultan en la formación de un coloide. Las partículas de
borosilicato útiles en la composición coadyuvante de retención
pueden tener un tamaño de partícula en un intervalo muy amplio, por
ejemplo, entre 1 nm (nanómetro) y 2 micrómetros (2000 nm), y
preferiblemente entre 1 nm y 1 \mum (micrómetro). Cuando se usa
un borosilicato coloidal, el tamaño de partícula se encontrará
generalmente en el intervalo de entre 1 nm y 200 nm, y
preferiblemente entre 1 y 80 nm, y preferentemente
20-80 nm. El área superficial de las partículas de
borosilicato útiles en la composición coadyuvante de retención
pueden del mismo modo variar en un amplio intervalo. Generalmente,
conforme disminuye el tamaño de partícula, el área superficial
aumenta. El área superficial debería encontrarse en el intervalo de
15 a 3000 m^{2}/g, y preferiblemente de 50 a 3000 m^{2}/g.
Cuando se usan las partículas de borosilicato coloidales
preferidas, el área superficial se encontrará generalmente en el
intervalo de 250 a 3000 m^{2}/g y preferiblemente entre 700 y
3000 m^{2}/g.
Los materiales de borosilicato coloidal
preferidos útiles en la composición coadyuvante de retención se
preparan generalmente preparando en primer lugar el ácido silícico.
Esto puede llevarse a cabo ventajosamente poniendo en contacto una
disolución de un silicato de metal alcalino, preferiblemente una
disolución diluida del silicato de metal alcalino, con una resina
de intercambio catiónico comercial, preferiblemente la así
denominada resina ácida fuerte en la forma hidrogenada, y
recuperando una disolución diluida de ácido silícico. Dicha
preparación de ácido silícico se incluye en el procedimiento de la
presente invención. El ácido silícico puede añadirse entonces, en
agitación, sobre una disolución diluida de un borato de metal
alcalino a un pH de entre 6-14, y se recupera un
producto de borosilicato coloidal suspendido en agua.
Alternativamente, el borato de metal alcalino y el ácido silícico
pueden añadirse simultáneamente para preparar los materiales
adecuados. Normalmente, la concentración de la disolución de ácido
silícico usada es generalmente de entre 3 y 8 por ciento en peso de
SiO_{2}, y preferiblemente de 5 a 7 por ciento en peso de
SiO_{2}. El porcentaje en peso de la disolución de borato usada
es generalmente de 0,01 a 30 y preferiblemente de 0,4 a 20 por
ciento en peso en forma de B_{2}O_{3}. La sal de borato usada
puede variar en una amplia variedad de compuestos. El bórax
comercial, el tetraborato sódico decahidratado, o el tetraborato
sódico pentahidratado son los materiales preferidos, debido a su
fácil disponibilidad y bajo coste. Pueden usarse otros materiales
de borato solubles en agua. Se cree que puede usarse cualquier sal
borato de metal alcalino soluble. La preparación del material de
borosilicato coloidal puede llevarse a cabo con o sin ajuste del pH.
En ocasiones es aconsejable llevar a cabo la reacción, tal y como
se hace en el procedimiento de la presente invención, a un pH de 7,0
a 10,5, mediante la adición de un hidróxido de metal alcalino
apropiado, preferiblemente hidróxido sódico, a la mezcla de
reacción. Los mejores resultados se han obtenido en el intervalo de
pH de 8 a 9,5, aunque, según se apreciará, los procedimientos de
síntesis para las composiciones de borosilicato todavía están en
fase de optimización. Se cree que la agitación, velocidad de
adición, y otros parámetros no sin críticos para la formación de
las composiciones de borosilicato coloidales. También pueden usarse
otros procedimientos de preparación de borosilicatos coloidales.
Esos procedimientos podrían comprender la preparación del
borosilicato coloidal del modo anterior y pulverizando en seco las
partículas, seguido de molienda, y otros procedimientos que darían
lugar a un material de borosilicato que cumple con los parámetros
establecidos anteriormente.
Un procedimiento para mejorar la producción de
papel comprende la etapa de adición, a una pasta de fábrica de
papel, de entre aproximadamente 0,00005 y aproximadamente 1,25% en
peso, respecto al peso seco de la fibra en la pasta de papel, de un
borosilicato, preferiblemente un borosilicato coloidal. En un
procedimiento alternativo, puede añadirse un floculante polimérico
no iónico, catiónico o aniónico a la pasta de papel, tanto antes
como después de la adición del borosilicato, en una cantidad de
entre aproximadamente 0,001 y aproximadamente 0,5% en peso respecto
al peso seco de la fibra en la pasta. Alternativamente, puede
añadirse un almidón catiónico a la pasta de papel en lugar de, o
además del floculante polimérico sintético, en una cantidad de entre
aproximadamente 0,005 y aproximadamente 5,0% en peso respecto al
peso seco de la fibra en la pasta de papel. Preferiblemente, el
almidón se añade en una cantidad de entre aproximadamente 0,05 y
aproximadamente 1,5% en peso respecto al peso seco de fibra en la
pasta de papel. En otra alternativa, puede añadirse un coagulante a
la pasta de papel en lugar de, o además del floculante y/o el
almidón, en una cantidad de entre aproximadamente 0,005 y
aproximadamente 1,25% en peso respecto al peso seco de fibra en la
pasta para la fabricación de papel. Preferiblemente, el coagulante
se añade en una cantidad de entre aproximadamente 0,025 y
aproximadamente 0,5% en peso respecto al peso seco de fibra en la
pasta.
Un procedimiento para aumentar la retención y
drenaje de una pasta para la fabricación de papel en una máquina
para la fabricación de papel comprende las etapas de adición a una
pasta para la fabricación de papel, de entre aproximadamente
0,00005 y aproximadamente 1,25% en peso, respecto al peso seco de
la fibra en la pasta de papel, de una partícula de borosilicato,
preferiblemente un borosilicato coloidal. El borosilicato puede
añadirse a la pasta para la fabricación de papel junto con un
floculante polimérico no iónico, catiónico o aniónico. El
floculante puede añadirse tanto antes como después del borosilicato,
en una cantidad de entre aproximadamente 0,001 y aproximadamente
0,5% en peso respecto al peso seco de la fibra en la pasta.
Alternativamente, puede añadirse almidón a la pasta de papel en
lugar de, o además del floculante, en una cantidad de entre
aproximadamente 0,005 y aproximadamente 5,0% en peso respecto al
peso seco de la fibra en la pasta de papel. Si se usa almidón, se
usa preferiblemente un almidón catiónico. Cuando se usa,
preferiblemente, el almidón se añade en una cantidad de entre
aproximadamente 0,05 y aproximadamente 1,5% en peso respecto al peso
seco de fibra en la pasta de papel. En otra alternativa, puede
añadirse un coagulante a la pasta de papel en lugar de, o además del
floculante y/o el almidón, en una cantidad de entre aproximadamente
0,005 y aproximadamente 1,25% en peso respecto al peso seco de
fibra en la pasta para la fabricación de papel. Preferiblemente, el
coagulante se añade en una cantidad de entre aproximadamente 0,025 y
aproximadamente 0,5% en peso respecto al peso seco de fibra en la
pasta.
La dosis del floculante polimérico en cualquiera
de las alternativas anteriores es preferiblemente de entre 0,005 y
aproximadamente 0,2 por ciento en peso respecto al peso seco de
fibra en la pasta de papel. La dosis del borosilicato se encuentra
preferiblemente entre aproximadamente 0,005 y aproximadamente 0,25
por ciento en peso respecto al peso de fibra seca en la pasta de
papel, y preferiblemente entre aproximadamente 0,005 y
aproximadamente 0,15% en peso de fibra en la pasta de papel.
Cabe destacar que, debido a que los
procedimientos son de aplicación en un amplio margen de calidades de
papel y pastas de papel, los porcentajes dados anteriormente pueden
variar ocasionalmente.
Los porcentajes dados anteriormente sirven
únicamente como guía para un experto en la materia.
En cualquiera de las alternativas anteriores,
pueden añadirse también bentonita, talco, arcillas sintéticas,
hectorita, caolín, o mezclas de éstos, en cualquier punto en el
sistema de fabricación de papel antes de la formación de la hoja. El
punto de adición preferido es la pulpa de pasta gruesa antes de la
dilución con agua blanca. Esta aplicación conlleva un aumento en la
limpieza de la operación de fabricación de papel, que de otro modo
experimentaría una deposición hidrófoba que afecta tanto a la
productividad como a la calidad del papel.
Además, cualquiera de las alternativas anteriores
puede aplicarse a la pasta para la fabricación de papel,
seleccionada entre el grupo formado por papel fino (que según la
presente invención incluye materiales basados en fibra virgen, así
como en fibra reciclada), cartón (que, según la presente invención,
incluye cubierta mixta basada en fibra reciclada y medio corrugante
así como materiales basados en fibra virgen) y papel periódico
(que, según la presente invención, incluye pastas de papel de
revistas así como materiales basados en fibra virgen y en fibra
reciclada), u otros materiales de celulosa. Estas pastas de papel
incluyen a aquéllas que contienen madera, exentas de madera,
vírgenes, recicladas blanqueadas, recicladas no blanqueadas y
mezclas de éstas.
El papel o el papel cartón se fabrica
generalmente a partir de una suspensión de pasta de papel o
material de celulosa en un medio acuoso, que se somete a una o más
etapas de cizallamiento, en las que generalmente se incluye una
etapa de limpieza, una etapa de mezclado y una etapa de bombeo, y a
continuación la suspensión se drena para formar una hoja, que se
seca entonces hasta la concentración de agua deseada, que
generalmente es baja. Los materiales de borosilicato pueden
añadirse a la pasta de papel antes o después de una etapa de
cizallamiento.
Además de las aplicaciones coadyuvantes de
retención y drenaje descritas anteriormente, los materiales de
borosilicato pueden usarse junto con resinas catiónicas
convencionales resistentes a la humedad, para mejorar la resistencia
a la humedad de la hoja de celulosa así tratada. Cuando se usa de
esta manera, el borosilicato se añade a la pasta de papel antes de
colocar la pasta de papel, que contiene la resina resistente a la
humedad, en la máquina de papel. El borosilicato se usa
generalmente en los niveles establecidos anteriormente.
Se ha encontrado que el borosilicato potencia
significativamente la ejecución de los floculantes poliméricos
sintéticos y los coadyuvantes de retención, y el almidón en el
procedimiento de fabricación de papel. Además, se cree que los
materiales de borosilicato son útiles como aditivos en
procedimientos de separación de sólidos/líquidos tales como el
pretratamiento de agua, y en aplicaciones de tratamiento de aguas
residuales. Los borosilicatos, además de potenciar el drenaje y
retención en el papel de periódico, papel fino, cartón y otras
calidades de papel, puede ser útiles también en el control de
resinas y grumos en la fabricación de papel, deshidratación de la
pulpa en la producción de pulpa de pliegues secos, aplicaciones de
clarificación y regeneración de fibras a partir de agua blanca en
la pulpa y fábricas de papel, clarificación de agua, flotación en
aire disuelto y deshidratación de lodos. Las composiciones
descritas en la presente invención también pueden ser útiles en la
separación de sólidos/líquidos o en la ruptura de emulsiones. Son
ejemplos de tales aplicaciones la deshidratación de lodos
municipales, la clarificación y deshidratación de pastas minerales
acuosas, degradación de emulsiones de refinerías y similares. La
actuación potenciada apreciada cuando se usan partículas de
borosilicato combinadas con polímeros sintéticos y/o almidón
incluye una mayor retención, drenaje mejorado y separación de
sólidos/líquidos mejorada, y con frecuencia una reducción en la
cantidad de polímero o almidón usado para lograr el efecto
deseado.
Los programas de retención de micropartículas se
basan en la restauración de los flóculos formados originalmente y
rotos por el cizallamiento. En tales aplicaciones, el floculante se
añade antes de al menos un punto de alto cizallamiento, seguido de
la adición de la micropartícula justo antes de la caja de aflujo de
pasta. Típicamente, se añadirá un floculante antes de los tamices
de presión, seguido de la adición de la micropartícula después de
los tamices. No obstante, en la presente invención se contempla un
procedimiento en el que este orden pueda invertirse. Los flóculos
secundarios formados por la adición de micropartículas tienen como
consecuencia una retención y drenaje aumentados, sin que se afecte
negativamente a la formación de la hoja. Esto permite un contenido
de la carga aumentado en la hoja, elimina el acabado diferente por
ambas caras en la hoja, y aumenta el drenaje y velocidad de la
máquina en la fabricación de papel.
El uso de un ligero exceso de floculante
polimérico y/ coagulante se cree que es necesario para asegurar que
el cizallamiento subsiguiente dé lugar a la formación de
microflóculos que contengan o porten suficiente polímero para hacer
que al menos partes de sus superficies tengan cargas positivas,
aunque no es necesario que la pasta de papel completa esté cargada
positivamente. Así, el potencial zeta de la pasta de papel, después
de la adición del polímero y después de la etapa de cizallamiento,
puede ser catiónico o aniónico.
El cizallamiento lo puede proporcionar un
dispositivo en el aparato usado para otros propósitos, por ejemplo
una bomba de mezclado, bomba de alimentación o tamiz central, o
bien puede insertarse en el aparato un mezclador de cizallamiento y
otra etapa de cizallamiento para el propósito de proporcionar
cizallamiento, y preferiblemente un alto grado de cizallamiento,
subsiguiente a la adición del polímero.
Los floculantes usados en los procedimientos
descritos en la presente invención son polímeros solubles o
dispersables en agua de alto peso molecular que pueden poseer una
carga catiónica o aniónica. También pueden usarse polímeros de alto
peso molecular no iónicos. Estos polímeros pueden ser completamente
solubles en el sistema de fabricación de papel, o alternativamente
pueden ser fácilmente dispersables, Pueden poseer una estructura
ramificada o entrecruzada, siempre que no formen "ojos de
pescado" inadmisibles, los así denominados globos de polímero no
disuelto en el papel acabado. Los polímeros de estos tipos se
encuentran disponibles fácilmente en una variedad de fuentes
comerciales. Están disponibles como sólidos secos, disoluciones
acuosas, emulsiones de agua en aceite que cuando se añaden al agua
permiten al polímero contenido en ella solubilizarse rápidamente, o
como dispersiones de polímero soluble o dispersable en agua en
disoluciones de salmuera acuosas. La forma del floculante de alto
peso molecular usado en la presente invención no pretende ser
crítica mientras que el polímero sea soluble o dispersable en la
pasta de papel.
Según se ha establecido anteriormente, los
polímeros pueden ser catiónicos, aniónicos o no iónicos. Los
floculantes poliméricos catiónicos útiles en la presente invención
son generalmente polímeros de adición de vinilo de alto peso
molecular que incorporan un grupo funcional catiónico. Estos
polímeros son generalmente homopolímeros de monómeros vinílicos
catiónicos solubles en agua, o pueden ser copolímeros de un
monómero vinílico catiónico soluble en agua con un monómero no
iónico como la acrilamida o metacrilamida. Los polímeros pueden
contener sólo un monómero vinílico catiónico o más de un monómero
vinílico catiónico. Alternativamente, determinados polímeros pueden
ser modificados o derivatizados después de la polimerización, como
la poliacrilamida, mediante la reacción de Mannich, para producir
un polímero vinílico catiónico útil en la invención. Los polímeros
pueden haberse preparado a partir de una cantidad tan pequeña de
monómero catiónico como 1 por ciento en moles y hasta 100 por cien
en moles de monómero catiónico, o a partir de un grupo funcional
modificado catiónicamente en un polímero modificado después de la
polimerización. La mayor parte de las veces los floculantes
catiónicos poseerán al menos 5 por ciento en moles de monómero
vinílico catiónico o grupo funcional, y preferentemente, al menos
10 por ciento en peso de monómero vinílico catiónico o grupo
funcional.
Los monómeros vinílicos catiónicos adecuados
útiles en la fabricación de copolímeros y homopolímeros de adición
de vinilo cargados catiónicamente serán bien conocidos para los
expertos en la materia. Estos materiales incluyen: metacrilato de
dimetilaminoetilo (DMAEM), acrilato de dimetilaminoetilo (DMAEA),
acrilato de dietilaminoetilo (DEAEA), metacrilato de
dietilaminoetilo (DEAEM) o sus formas amónicas cuaternarias
fabricadas con sulfato de dimetilo o cloruro de metilo,
poliacrilamidas modificadas por la reacción de Mannich, clorhidrato
de dialilciclohexilamina (DACHA HCl), cloruro de dialildimetilamonio
(DADMAC), cloruro de metacrilamidopropiltrimetilamonio (MAPTAC) y
alil amina (ALA). En la presente invención también puede usarse
almidón cationizado como floculante. El floculante seleccionado
puede ser una mezcla de los establecidos anteriormente, o una
mezcla de los establecidos anteriormente con un almidón catiónico.
Los expertos en la materia de los programas de retención basados en
polímeros catiónicos apreciarán fácilmente que la selección de un
polímero en particular depende de la pasta de papel, la carga,
calidad, y calidades del agua.
Los floculantes aniónicos de alto peso molecular
que pueden ser útiles son, preferiblemente, polímeros vinílicos
solubles o dispersables en agua que contienen 1 por ciento en moles
o más de un monómero que posee una carga aniónica. De acuerdo con
esto, estos polímeros pueden ser homopolímeros o monómeros
vinílicos aniónicamente cargados solubles en agua, o copolímeros de
estos monómeros con, por ejemplo, monómeros no iónicos tales como la
acrilamida o metacrilamida. Los ejemplos de monómeros aniónicos
adecuados incluyen ácido acrílico, sulfonato de metacrilamida
2-amilamido-2-metilpropano
(AMPS) y mezclas de éstos, así como sus correspondientes sales de
metal alcalino y amónicas solubles o dispersables en agua. Los
polímeros aniónicos de alto peso molecular útiles en esta invención
pueden ser también polímeros de acrilamida hidrolizados o
copolímeros de acrilamida o sus homólogos, tales como metacrilamida,
con ácido acrílico o sus homólogos, como el ácido metacrílico, o
con polímeros de tales monómeros vinílicos, como el ácido maleico,
ácido itacónico, ácido vinilsulfónico, y otros monómeros que
contengan sulfonato. Loas polímeros aniónicos pueden contener
grupos funcionales sulfonato o fosfonato o mezclas de éstos, y
pueden prepararse derivatizando polímeros o copolímeros de
poliacrilamida o polimetacrilamida. Los floculantes aniónicos de
alto peso molecular preferidos son los copolímeros de ácido
acrílico/acrilamida, y los polímeros que contienen sulfonato como
los preparados mediante la polimerización de monómeros tales como
sulfonato de
2-acrilamida-2-metilpropano,
sulfonato de archilamido metano, sulfonato de archilamido etano y
sulfonato de
2-hidroxi-3-acrilamido
propano con acrilamida y otros monómero vinílico no iónico. En la
presente invención, los polímeros y copolímeros de monómeros
vinílicos aniónicos pueden contener una cantidad tan pequeña como 1
por ciento en moles de monómero cargado aniónicamente, y
preferiblemente al menos 10 por ciento en moles de monómero
aniónico. Nuevamente, la elección del uso de un polímero aniónico
en particular dependerá de la pasta de papel, la carga, calidad del
agua, calidad del papel y similares.
Mientras que la mayoría de los programas de
micropartículas funcionan bien son sólo un floculante catiónico de
alto peso molecular, se han observado efectos sorprendentes usando
las partículas de borosilicato descritas anteriormente con
floculantes aniónicos de alto peso molecular solubles en agua con
la adición de un coagulante catiónico.
Los floculantes no iónicos pueden seleccionarse
del grupo formado por óxido de polietileno y
poli(met)acrilamida. Además de los anteriores, puede
ser ventajoso usar los así denominados polímeros anfóteros solubles
en agua en determinados casos. Estos polímeros pueden llevar una
carga catiónica y una carga aniónica en la misma cadena
polimérica.
Los floculantes poliméricos vinílicos no iónicos,
catiónicos y aniónicos útiles en la presente invención mostrarán
generalmente un peso molecular de al menos 500.000 daltons, y
preferiblemente pesos moleculares de 1.000.000 daltons y
superiores. Los floculantes solubles y/o dispersables en agua útiles
en la presente invención pueden poseer un peso molecular de
5.000.000 o superior, por ejemplo en el intervalo de entre 10 y 30
millones o superior. Los polímeros de la invención pueden ser
completamente solubles en agua cuando se aplican al sistema, o
pueden ser ligeramente ramificados
(bi-dimensionales) o ligeramente entrecruzados
(tri-dimensionales) siempre que sean dispersables en
agua. Se prefiere el uso de polímeros que sean completamente
solubles en agua, pero pueden emplearse polímeros dispersables,
como los descritos en el documento WO97/16598. Los polímeros útiles
pueden ser sustancialmente lineales, según se define dicho término
en Langley y colaboradores, patente de Estados Unidos 4.753.710. El
límite superior para el peso molecular viene determinado por la
solubilidad o dispersabilidad del producto resultante en la pasta
para la fabricación de papel.
Los almidones catiónicos o anfóteros útiles en
los procedimientos descritos en la presente invención se describen
de manera general en la Patente de Estados Unidos 4.385.961. Los
materiales de almidón catiónico se seleccionan generalmente del
grupo formado por polímeros presentes en la naturaleza basados en
carbohidratos tales como la goma de guar y el almidón. Los
materiales de almidón catiónico de los que se cree que son los más
útiles incluyen materiales de almidón derivados de trigo, patata y
arroz. Estos materiales pueden hacerse reaccionar a su vez para
sustituir los grupos amonio en el esqueleto del almidón, o
cationizar de acuerdo con el procedimiento sugerido por Dondeyne y
colaboradores, en el documento WO96/30591. En general, los almidones
poseen un grado de sustitución (g. s.) de grupos amonios en la
molécula de almidón entre aproximadamente 0,01 y 0,05. El g. s. se
obtiene haciendo reaccionar el almidón base con cloruro de
3-cloro-2-hidroxipropil-trietilamonio
o cloruro de
2,3-epoxipropil-trimetilamonio para
obtener el almidón cationizado. Como se apreciará, va más allá de
la intención de esta descripción detallar los medios para la
cationización de materiales de almidón, y estos materiales de
almidón modificado son bien conocidos y fácilmente disponibles en
una variedad de fuentes comerciales.
Varias características de la pasta de papel de
celulosa, tales como el pH, dureza, fuerza iónica y demanda
catiónica, pueden afectar a la actuación de un floculante en una
aplicación determinada. La elección del floculante implica una
consideración acerca del tipo de carga, densidad de carga, peso
molecular y tipo de monómeros y es especialmente dependiente de la
química del agua de la pasta de papel que está siendo tratada.
Pueden añadirse otros aditivos a la pasta de
celulosa sin ninguna interferencia sustancial. Estos otros aditivos
incluyen, por ejemplo, agentes de encolado, como alúmina y cola de
resina, agentes de control de resinas, diluyentes, biocidas y
similares. La pasta de papel de celulosa a la que se añade el
programa coadyuvante de retención descrito en la presente invención
puede contener también pigmentos y/o cargas tales como el dióxido de
titanio, carbonato cálcico precipitado y/o molido, y otras cargas
orgánicas o minerales. Puede ser posible que las partículas de
borosilicato descritas en la presente invención se combinen con
otros programas denominados de micropartículas, tales como la
bentonita, caolín, y soles de sílice. No obstante, los datos
demostrados en la presente invención muestran que las partículas de
borosilicato aquí descritas superan a estos materiales, y la
combinación de éstos puede dar lugar a un nivel de actuación menor
que cada uno de los materiales por sí solos. Sin embargo, cuando
los fabricantes de papel cambian las calidades o pastas de papel,
es posible que en ciertas situaciones la combinación de los
materiales de borosilicato descritos en la presente invención con
otras micropartículas resulte práctica y
deseable.
deseable.
Las micropartículas de borosilicato descritas en
la presente invención pueden usarse también combinadas con un
coagulante, de acuerdo con las enseñanzas de Sofía y colaboradores,
Patente de Estados Unidos 4.795.531. Sofía muestra un programa de
micropartículas en el que se usa una micropartícula en presencia de
un coagulante catiónico y un floculante cargado de alto peso
molecular.
Los materiales coagulantes catiónicos que pueden
usarse incluyen polialquilenpoliaminas solubles en agua de peso
molecular bajo a medio, disponibles comercialmente y bien
conocidas, incluyendo a las preparadas mediante la reacción de una
alquilén poliamina con un halogenuro de alquilo difuncional. Los
materiales de este tipo incluyen polímeros de condensación
preparados mediante la reacción de dicloruro de etileno y amoniaco,
dicloruro de etileno, amoniaco y una amina secundaria como la
dimetil amina, epiclorohidrin-dimetilamina,
epiclorohidrin-dimetilamina-amoniaco,
polietileniminas y similares. También serán útiles los polímeros y
copolímeros en disolución de bajo peso molecular de monómeros
vinílicos tales como los halogenuros de dialildimetilamonio,
especialmente cloruro de dialildimetilamonio, acrilatos de
dialquilaminoalquilo, acrilatos de dialquilaminoalquilo
cuaternarios, y similares, en los que "alquilo" designa a un
grupo que posee 1-4, y preferiblemente
1-2 átomos de carbono. Preferiblemente,
"alquilo" es metilo. Estos monómeros se ejemplifican mediante
materiales tales como el acrilato de dimetilaminoetilo, metacrilato
de dimetilaminoetilo y sus sales amónicas cuaternarias solubles en
agua. En ciertos casos, puede emplearse almidón catiónico como
coagulante. También pueden usarse coagulantes inorgánicos, por
ejemplo, cloruro de alúmina y polialuminio. La proporción de uso de
coagulantes inorgánicos es típicamente de entre 0,05 y 2 por ciento
en peso respecto al peso seco de fibra en la pasta de papel. El uso
de un coagulante con las micropartículas de borosilicato es
opcional.
El presente procedimiento es de aplicación para
todos los tipos y calidades de productos de papel que contengan las
cargas descritas en la presente invención, y también son de
aplicación para su uso en todos los tipos de pulpas, incluyendo,
sin limitación, pulpas químicas, incluyendo pulpas de sulfato y
sulfito procedentes de madera tanto blanda como dura, pulpas
termo-mecánicas, pulpas mecánicas y pulpas mecánicas
de desfibrador.
La cantidad de cualquier carga mineral usada en
el procedimiento de fabricación de papel que generalmente se emplea
en la pasta de fabricación de papel es de entre aproximadamente 10
y aproximadamente 30 partes en peso de la carga por cada cien
partes en peso de fibra seca en la pasta de papel, pero la cantidad
de tal carga puede en ocasiones ser tan baja como aproximadamente 5,
o incluso 0, partes en peso, y tan alta como aproximadamente 40 o
incluso 50 partes en peso respecto a lo mismo.
Los siguientes ejemplos se presentan para
describir formas de realización preferidas y utilidades de la
invención y no se pretende que limiten la invención a no ser que se
especifique lo contrario en las reivindicaciones.
Ejemplo
1-23
Cada uno de los Ejemplos mostrados en la Tabla I
siguiente se preparó usando el siguiente procedimiento general y
variando las cantidades relativas de reactivos.
Se preparó ácido silícico siguiendo la enseñanza
general de Bechtold y colaboradores, Patente de Estados Unidos
2.574.902. Se diluyó con agua desionizada un silicato sódico
disponible comercialmente en OxyChem, Dallas, Texas, que mostraba
un contenido en dióxido de silicio de aproximadamente 29% en peso y
un contenido en óxido sódico de aproximadamente 9% en peso, hasta
una concentración de óxido de silicio de 8-9% en
peso. Se regeneró una resina de intercambio catiónico como Dowex
HGR-W2H o Monosphere 650C, ambas disponibles en Dow
Chemical Company, Midland, Michigan, a la forma H mediante el
tratamiento con ácido mineral siguiendo procedimientos bien
establecidos. La resina se aclaró después de la regeneración con
agua desionizada para asegurar la eliminación completa del exceso
de regenerante. A continuación se pasó la disolución diluida de
silicato a través de una columna de la resina lavada regenerada. Se
recogió el ácido silícico resultante.
Simultáneamente, se combinó una cantidad
apropiada de disolución de bórax (tetraborato sódico decahidratado
de calidad de reactivo) con una cantidad apropiada de hidróxido
sódico acuoso para formar una "cuña" para la reacción.
Opcionalmente, puede añadirse agua a la cuña para asegurar un
volumen adecuado durante las primeras etapas de formación.
A continuación se añadió ácido silícico recién
preparado a la "cuña" en agitación a temperatura ambiente. La
agitación se continuó durante 60 minutos después de la adición
completa del ácido silícico. El borosilicato coloidal resultante
puede usarse inmediatamente, o almacenarse para un uso posterior. La
siguiente tabla muestra las cantidades de ácido silícico, hidróxido
sódico, y tetraborato sódico decahidratado (bórax) así como el
pH.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
Los compuestos comercialmente disponibles
definidos en la Tabla II a continuación se usan en los siguientes
Ejemplos. Si no se indica lo contrario, todos ellos proceden de
Nalco Chemical Company, One Nalco Center, Naperville, Illinois
60563-1198.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
A continuación se describe la preparación del
Ejemplo 9 que aparece en la Tabla I. Se preparó un control con
propósitos comparativos. Éste pretende llevar a cabo la síntesis
sin bórax en la cuña. Se preparó una sílice coloidal tomando 9,68 g
de un silicato sódico comercialmente disponible y diluyendo con 22 g
de agua. Se agitó la mezcla con un agitador magnético y se llevó a
temperatura ambiente, es decir, 25ºC. Se añadió entones ácido
silícico, 249 g con una gravedad específica de 1,047, durante un
periodo de 40 minutos. Una vez añadido todo el ácido silícico a la
mezcla de reacción, se continuó la agitación durante una hora
adicional. La sílice coloidal formada contenía 8,26% en peso de
SiO_{2}.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
(Tabla pasa a página
siguiente)
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
Referencia ^{a} : Nordic Pulp and Paper, 11(1) ,
(1996), 15.\cr Referencia ^{b} : Colloids and Surfaces A,
118 , (1996), 89.\cr Definición: A. S. = Área Superficial
según se determina mediante el procedimiento que
se descri-\cr birá posteriormente.\cr DLS = Dispersión
de Luz Dinámica, es un procedimiento usado para
determinar el tamaño de par-\cr tícula medio que se describe
posteriormente.\cr}
Ejemplo de referencia
24
Se preparó un control de "mezcla simple"
mezclando sílice coloidal comercialmente disponible y bórax. Se
preparó una mezcla a temperatura ambiente, formada por 50 g de
disolución de bórax 0,1 M, 92,3 g de agua, y 82 g de Nalco 8671. El
pH de la disolución se ajustó con ácido clorhídrico concentrado
hasta 9,5. La proporción molar de boro a silicio fue de 0,098,
mientras que la de sodio a silicio fue de 0,049.
Ejemplo de referencia
25
(Ejemplo 3 de la Patente de Estados Unidos Nº
4.954.220)
Se analizó un microgel de polisilicato aniónico,
según se describe en la Patente de Estados Unidos Nº 4.954.220 de
Rushmere, Ejemplo 3. El propósito del ejemplo en la patente objeto
era demostrar que determinadas sales iónicas inducen la formación
de microgel de ácido polisilícico. Estas sales se eligen de modo
que se ajuste el pH de una disolución de silicato sódico en el
intervalo de pH inestable. Se preparó una disolución de bórax al 5%
en peso a partir de 5 g de ortoborato sódico decahidratado y 95 g
de agua. Se preparó una disolución de silicato sódico al 3,75% a
partir de 12,5 g de silicato sódico comercialmente disponible, que
contenía 29,3% como dióxido de silicio y 9,0% como óxido sódico, y
87,5 g de agua. Siguiendo las instrucciones de la patente objeto, se
mezclaron 60 g de la disolución de bórax al 5% con 40 g de la
disolución de silicato sódico diluida. La mezcla se dejó reposar
durante 8 minutos, y una vez transcurrido este tiempo se diluyó
adicionalmente hasta 0,125% en peso como dióxido de silicio. Se
confirmó repetidamente en el laboratorio que el 1,5% de disolución
de dióxido de silicio del microgel de ácido polisilícico gelificó al
reposar a los 23 minutos. La proporción molar de boro a silicio fue
de 1,24. De manera similar, la proporción molar de sodio a silicio
fue de 1,2. Los sólidos de producto final fueron 0,125% en peso de
activos.
\newpage
Ejemplo de referencia
26
Se preparó un blanco exento de sílice para su
estudio usando 100 ml de disolución de Bórax 0,1 M, 48,6 ml de
disolución de NaOH 1 M y 300 ml de agua. El pH de la disolución era
de 13.
Se usaron los siguientes protocolos de análisis
para llevar a cabo los experimentos que se presentarán a
continuación.
* Pasta de papel alcalina - La pasta de papel
alcalina muestra un pH de 8,1 y se compone de 70 por ciento de
fibra de celulosa y 30 por ciento de la carga diluida hasta una
consistencia global de 0,5% en peso, usando agua de formulación
sintética. La fibra de celulosa está formada por 60% en peso de
papel kraft de madera dura blanqueado y 40% en peso de papel kraft
de madera blanda blanqueado. Se preparan a partir de pliegues
refinados en pila separadamente hasta un valor de Refinado
Convencional Canadiense (CSF, Canadian Standard Freeness) que varía
entre 340 y 380 CSF. La carga era un carbonato cálcico molido
comercial suministrado en su forma seca. El agua de formulación
contenía 200 ppm de dureza de calcio (añadido como CaCl_{2}), 152
ppm de dureza de magnesio (añadido como MgSO_{4}), y 110 ppm de
alcalinidad de bicarbonato (añadido como NaHCO_{3}).
* Pasta de papel ácida - La pasta de papel ácida
estaba formada por la misma proporción en peso de papel kraft
blanqueado de madera dura/madera blanda, es decir, 60/40. Los
sólidos totales de la pasta de papel comprendían 92,5% en peso de
fibra de celulosa y 7,5% en peso de carga. La carga era una
combinación de 2,5% en peso de dióxido de titanio y 5,0 por ciento
en peso de arcilla de caolín. Otros aditivos eran alúmina
dosificada como 20 lb activa por tonelada de sólidos secos. El pH
de la pasta de papel se ajustó con ácido sulfúrico al 50% de modo
que el pH de la pasta de papel era 4,8 después de la adición de
alúmina.
El Análisis del recipiente de Britt usó un
Recipiente de Drenaje Dinámico Brito CF desarrollado por K. W.
Britt, de la Universidad de Nueva York, que generalmente consiste
en una cámara superior de aproximadamente 1 litro de capacidad y
una cámara de drenaje inferior, separadas entre sí mediante un tamiz
de apoyo y un tamiz de drenaje. Debajo de la cámara de drenaje se
encuentra un tubo flexible que se extiende hacia abajo, equipado
con una brida para su cierre. La cámara superior está dotada de un
propulsor de 3 cuchillas de 5 cm (2 pulgadas), para crear
condiciones de cizallamiento controladas en dicha cámara. Se llevó
a cabo el análisis siguiendo la secuencia siguiente:
En todos los casos anteriores, el almidón usado
fue Solvitose N, un almidón de patata catiónico, comercialmente
disponible en Nalco. En el caso de la pasta de papel alcalina, el
almidón catiónico se introdujo a 5 g/kg (10 lb/ton) en peso seco de
sólidos de pasta de papel o 0,50 partes en peso por cada cien partes
de sólidos de pasta seca, mientras que el floculante se añadió a 3
g/kg (6 lb/ton) en peso seco de sólidos de pasta de papel o 0,30
partes en peso por cada cien partes de sólidos de pasta seca. En el
caso de la pasta de papel ácida, las dosis de aditivos fueron: 10
g/kg (20 lb/ton) en peso seco de sólidos de pasta de papel de
alúmina activa (es decir, 1,00 partes en peso por cada cien partes
de sólidos de pasta seca), 5 g/kg (10 lb/ton) en peso seco de
sólidos de pasta de papel o 0,50 partes en peso por cada cien partes
de sólidos de pasta seca de almidón catiónico, y el floculante se
añadió a 3 g/kg (6 lb/ton) en peso seco de sólidos de pasta de
papel o 0,30 partes en peso por cada cien partes de sólidos de
pasta seca.
El material así drenado en el recipiente Britt
(el "filtrado") se recoge y diluye con agua para proporcionar
una turbidez que puede medirse convenientemente. Se determina
entonces la turbidez de dicho filtrado diluido, medida en Unidades
de Turbidez Nefelométrica o NTUs. La turbidez de tal filtrado es
inversamente proporcional a la actuación de retención de la
fabricación de papel; cuanto mejor sea el valor de turbidez, mayor
será la retención de la carga y/o finos. Los valores de turbidez se
determinaron usando un Turbidímetro Hach. En algunos casos, en
lugar de medir la turbidez, se determinó el % de Transmitancia (%T)
de la muestra usando un Fotómetro DigiDisc. La transmitancia es
directamente proporcional a la actuación de retención de la
fabricación de papel; cuanto mayor sea el valor de transmitancia,
mayor es el valor de retención.
La microscopía de barrido con láser empleada en
los siguientes ejemplos se ilustra en la Patente de Estados Unidos
Nº 4.871.251, expedida por Preikschat, F. K. y E. (1989) y
generalmente consiste en una fuente de láser, medios ópticos para
suministrar la luz incidente a la pasta de papel y recuperar la luz
dispersa de dicha pasta, un fotodiodo, y equipo informático de
análisis de señal. Los instrumentos comerciales pueden encontrarse
en Lasentec™, Redmond, Washington.
El experimento consiste en tomar 300 ml de pasta
que contiene fibra de celulosa y colocarlos en el vaso de mezclado
apropiado. Se proporciona cizallamiento a la pasta de papel
mediante un motor y propulsor de velocidad variable. El propulsor
se coloca a una distancia fija de la ventana de tubos de ensayo
para asegurar el movimiento de la pasta a través de la ventana. A
continuación se muestra una secuencia de dosificación típica.
El cambio en la longitud media de cuerda de los
flóculos presentes en la pasta de papel está relacionado con la
actuación de la retención en la fabricación de papel; cuanto mayor
sea el cambio inducido por el tratamiento, mayor será el valor de
retención.
El área superficial que aparece en la presente
invención se obtiene midiendo la adsorción de base en la superficie
de las partículas de sol. El procedimiento se describe en Sears,
Analytical Chemistry, 28 (12),
1981-1983 (1956). Según indica Iler ("The
Chemistry of Silica", John Wiley & Sons, 1979, 353), es el
"valor para comparar las áreas superficiales relativas de los
tamaños de partícula en un sistema dado que puede normalizarse".
En términos sencillos, el procedimiento implica la valoración de
grupos silanol superficiales con una disolución patrón de hidróxido
sódico, de una cantidad conocida de sílice (es decir, gramos), en
una disolución saturada de cloruro sódico. El volumen resultante de
agente valorante se convierte en área superficial.
Otra característica de las partículas coloidales
en general es la cantidad de espacio que ocupa la fase dispersa. R.
Iler y R. Dalton desarrollaron por primera vez un procedimiento
para determinar esto, y lo describieron en J. Phys. Chem.,
60 (1956), 955-957. En los sistemas de sílice
coloidal, mostraron que el valor-S está relacionado
con el grado de agregación formada en el producto. Un
valor-S bajo indica que el mismo peso de sílice
coloidal ocupa un volumen mayor.
La Dispersión de Luz Dinámica (DLS) o
Espectroscopia de Correlación de Fotón (PCS) se ha usado para medir
el tamaño de partícula a escala de submicrómetros desde tan
temprano como 1984. Un primer tratamiento de este objeto se
encuentra en "Modern Methods of Particle Size Analysis", H.
Barth, editor, Wiley, Nueva York, 1984. El procedimiento consiste
en filtrar un pequeño volumen de muestra a través de un filtro de
membrana de 0,45 \mum (micrómetros) para eliminar la
contaminación por dispersión tal como el polvo o suciedad. La
muestra se coloca a continuación en una cubeta que se coloca a su
vez en la ruta de un rayo láser orientado. Se recoge la luz
dispersa a 90º del rayo incidente y se analiza para obtener el
tamaño medio de partícula. El presente trabajo usó una unidad
Coulter® N4, disponible comercialmente en Coulter Corporation,
Scientific Instruments.
Los siguientes ejemplos muestran los resultados
de una comparación entre las composiciones de borosilicato coloidal
(preparadas de acuerdo con la presente invención) y la técnica
anterior en diversas pastas para la fabricación de papel.
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Nota: El Ejemplo de Referencia 24 es equivalente
estadísticamente a Nalco 8671
Ejemplo de referencia
27
Se llevó a cabo el siguiente trabajo sobre un
papel fino alcalino comercial compuesto por 100% de fibras vírgenes
de madera dura blanqueada. El contenido en cenizas era de 8%
mediante carbonato cálcico precipitado. La consistencia se fijó en
1%. La pasta de papel también contenía deshechos de
fabricación.
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Ejemplo de referencia
28
Se recogieron los siguientes datos usando una
pasta de papel alcalina preparada usando madera dura europea y
pliegues de madera blanda. La preparación se llevó a cabo del mismo
modo descrito anteriormente para la pasta de papel alcalina
"convencional". La pasta de papel alcalina posee un pH de 8,1 y
está compuesta por 70 por ciento en peso de fibra de celulosa y 30%
en peso de la carga diluida hasta una consistencia global de 0,5%
en peso, usando agua de formulación sintética. La fibra de celulosa
está formada por 60% en peso de papel kraft de madera dura
blanqueado europeo y 40% en peso de papel kraft de madera blanda
blanqueado europeo. Éstos se preparan a partir de pliegues refinados
separadamente hasta un valor de Refinado Convencional Canadiense que
varía entre 340 y 380 CSF. La carga era un carbonato cálcico molido
comercial suministrado en forma seca. El agua de formulación
contenía 200 ppm de dureza de calcio (añadido como CaCl_{2}), 152
ppm de dureza de magnesio (añadido como MgSO_{4}), y 110 ppm de
alcalinidad de bicarbonato (añadido como NaHCO_{3}).
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Ejemplo de referencia
29
La siguiente pasta de papel, una pasta de papel
europea comercial, se usa para preparar papel fino alcalino
revestido. La pasta de papel está formada por 50% de fibra de
celulosa, es decir, 100% de fibra de papel kraft blanqueada, y 50%
de carga. La carga es carbonato cálcico molido. La pasta de papel
posee un pH de 7,4 y una consistencia global de 1,5%. El Recipiente
de Britt y el protocolo de análisis SLM consistieron en la siguiente
secuencia:
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(Tabla pasa a página
siguiente)
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Ejemplo de referencia
30
La siguiente pasta de papel, una pasta de papel
europeo comercial, es una pasta de papel ácida compuesta de 40% de
fibra de TMP formada por sulfito blanqueada y no blanqueada, 40% de
fibra de papel kraft y el resto son deshechos de fabricación
revestidos. La carga es una arcilla de caolín. El producto final es
un LWC (es decir, producto revestido de bajo peso molecular). En
concreto, el pH de la pasta de papel era de 4,8, con una
consistencia de 0,71%. El Recipiente de Britt y el protocolo de
análisis SLM consistieron en la siguiente secuencia:
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(Tabla pasa a página
siguiente)
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La secuencia es la misma, aunque las dosis de los
polímeros cambian. Se añadió alúmina a 7,4 g/kg (6,7 kg/t), almidón
catiónico a 5,5 g/kg (5,0 kg/t), coagulante a 5,5 g/kg (5,0 kg/t),
y floculante a 0,7 g/kg (0,66 kg/t) justo antes de la adición de
micropartícula a 2,2 g/kg (2,0 kg/t).
Ejemplo de referencia
31
La siguiente pasta de papel, una pasta de papel
europeo comercial, es una pasta de papel alcalina. La pasta de
papel alcalina está formada por 32% de fibra de papel kraft, 48% de
deshechos de fabricación y 20% de cenizas. La fibra de kraft está
formada por 63% de pulpa de papel kraft de madera dura y 37% de
madera blanda. El 20% de cenizas se compone de cantidades iguales de
carbonato cálcico precipitado y molido. El pH de la pasta de papel
era de 8,25, con una consistencia de 1,2%. El protocolo de análisis
SLM consistió en la siguiente secuencia: a los 30 segundos se añade
el coagulante, Polímero "C", a 1,1 g/kg 1,0 kg/t; a esto le
sigue la adición, 30 segundos después, del floculante, Polímero
"F" a 0,55 g/kg 0,5 kg/t; y el último aditivo fue la
micropartícula, a 90 segundos y a 1,1 g/kg 1,0 kg/t.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
Ejemplo de referencia
32
La siguiente pasta de papel, una pasta de papel
europeo comercial, se usa para fabricar una hoja que contiene
madera, revestida y neutra. La pasta de papel está formada por
CTMP, deshechos de fabricación revestidos y algo de pulpa de papel
kraft. El pH de la pasta de papel era de 7,5, con una consistencia
de 0,7%. El 20% de esta pasta de papel es ceniza. El protocolo de
análisis SLM consistió en la siguiente secuencia: se comienza con
almidón catiónico a 8,8 g/kg (8 kg/t); a los 60 segundos se añade
el coagulante, Polímero "C", a 5,3 g/kg (4,8 kg/t); 30
segundos después se añade el floculante, Polímero "E" a 0,99
g/kg (0,9 kg/t); y el último aditivo fue la micropartícula a 120
segundos y a 2,2 g/kg (2,0 kg/t).
Pueden realizarse cambios en la composición,
operación y disposición del procedimiento de la presente invención
aquí descrita sin perder el concepto y alcance de la invención
según se define en las siguientes reivindicaciones.
Claims (2)
1. Un procedimiento para la preparación de un
borosilicato coloidal que comprende las etapas de:
a) poner en contacto una disolución acuosa
diluida de un silicato de metal alcalino con una resina de
intercambio catiónico para producir un ácido silícico;
(b) formar una cuña mezclando una disolución
acuosa diluida de un borato de metal alcalino con un hidróxido de
metal alcalino para formar una disolución acuosa que contiene de
0,01 a 30 por ciento de B_{2}O_{3}, con un pH de entre 7 y
10,5;
(c) añadir el ácido silícico diluido sobre la
disolución acuosa en agitación; y entonces,
(d) recuperar un borosilicato coloidal
acuoso.
2. Un borosilicato sintético obtenible mediante
el procedimiento descrito en la reivindicación 1.
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