ES2289042T3 - Produccion de papel usando borosilicato coloidal. - Google Patents
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Abstract
Un método para la fabricación de una hoja de celulosa, que comprende: a) formar una composición de fabricación de celulosa que contiene de 0, 01 a 1, 5% en peso de fibra de celulosa; b) agregar a la composición de fabricación: (i) de 0, 00005 a 1, 25% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en la composición de fabricación, de un borosilicato, que tiene una relación molar de boro a silicio de 1:1000 a 100:1, una relación molar de metal alcalino a silicio de 6:1000 a 1, 04:1, un tamaño de partícula de 1 a 2000 nm; y un área de superficie de 15 a 3000 m2/g; y (ii) de 0, 01 a 0, 5% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en la composición de fabricación, de un floculante polímero sustancialmente hidrosoluble, que tiene un peso molecular mayor que 500.000 daltons; y, a continuación, c) deshidratar dicha composición de fabricación para obtener una hoja de celulosa.
Description
Producción de papel usando borosilicato
coloidal.
La presente invención se refiere a un método
para la fabricación de una hoja de celulosa usando un borosilicato.
Los materiales de borosilicato son, preferentemente, una suspensión
acuosa de borosilicato coloidal.
En la fabricación de papel, una suspensión
acuosa de celulosa o composición de fabricación
("fumish") se transforma en una hoja de papel. La
suspensión de fibra de celulosa se diluye, generalmente, hasta una
consistencia (peso seco porcentual de sólidos en el las composición
de fabricación), con un contenido en fibra de aproximadamente 4 por
ciento en peso de fibras o menos, y por lo general de
aproximadamente 1,5% o menor y, a menudo, menor que 1,0% en la
parte delantera de la máquina de papel, en tanto que la hoja
terminada tiene, típicamente, menos de 6 por ciento en peso de
agua. Por lo tanto, los aspectos de deshidratación y retención en
la fabricación de papel son extremadamente importantes para el
eficiencia y el coste de la fabricación.
La deshidratación por gravedad es el método
preferido de drenaje debido a su coste relativamente bajo. Después
de la deshidratación por gravedad, se utilizan otros métodos más
costosos de deshidratación, por ejemplo vacío, compresión, secado
por manta de fieltro y compresión, evaporación, y similares. En la
práctica actual, se emplea una combinación de estos métodos para
deshidratar, o secar, la hoja hasta el contenido en agua deseado.
Dado que la deshidratación por gravedad es, a la vez, el primer
método de deshidratación empleado y el más económico, una mejora en
la eficiencia de este procedimiento de drenaje reducirá la cantidad
de agua que se deba eliminar por otros métodos y, por consiguiente,
mejorará la eficiencia global de la deshidratación y rebajará su
coste.
Otro aspecto de la fabricación de papel que es
extremadamente importante para la eficiencia y el coste es la
retención de los componentes de las composición de fabricación sobre
y en el interior de la esterilla de fibras. Las composición de
fabricación para fabricar papel representan un sistema que contiene
cantidades significativas de pequeñas partículas, estabilizadas por
fuerzas coloidales. Las composición de fabricación para la
fabricación de papel contienen, por lo general, además de fibras de
celulosa, cargas minerales (usadas para incrementar la opacidad,
brillo y otras características del papel), y otras pequeñas
partículas que, en general, sin la inclusión de una o más ayudas de
retención, pasarían en grado significativo a través de los espacios
(poros) existentes en la esterilla formada por las fibras de
celulosa en la máquina de papel.
Una mayor retención de finos, cargas y otros
componentes de las composición de fabricación, permite, para una
categoría determinada de papel, una reducción del contenido en
fibras de celulosa de dicho papel. Dado que se emplean pastas de
menor calidad para reducir los costes de la fabricación de papel, el
aspecto de la retención en la fabricación de papel adquiere mayor
importancia, porque el contenido en finos de estas pastas de menor
calidad es, por lo general, mayor. Una mayor retención disminuye
también la cantidad de sustancias que se pierden en las aguas
blancas y reduce, por lo tanto, la cantidad de residuos materiales,
el coste de eliminación de residuos, y los efectos medioambientales
adversos derivados de ésta. En general, resulta deseable reducir la
cantidad de materiales empleados en el procedimiento de fabricación
de papel para un propósito determinado, sin disminuir el resultado
buscado. Estas reducciones adicionales pueden dar lugar tanto a
ahorros en el coste de materiales como a beneficios en términos de
manipulación y procesamiento.
Otra característica importante de un
procedimiento de fabricación de papel determinado es la formación de
la hoja de papel producida. La formación puede estar determinada
por la variación de la trasmisión de la luz dentro de la hoja de
papel, y una elevada variación es indicadora de una escasa
formación. A medida que la retención aumenta a un nivel alto, por
ejemplo, un nivel de retención de 80 ó 90%, el parámetro de
formación suele disminuir.
Se han utilizado diversos aditivos químicos en
un intento de incrementar la velocidad a la que el agua drena de la
hoja formada, y aumentar la cantidad de finos y carga retenida en la
hoja. El uso de polímeros hidrosolubles de alto peso molecular fue
una mejora importante en la fabricación de papel. Estos polímeros de
alto peso molecular actúan como floculantes, formando grandes copos
que se depositan en la hoja. Ayudan también a la deshidratación de
la hoja. Para ser eficaces, los programas de retención y drenaje de
polímeros únicos y dobles convencionales requieren la incorporación
de un componente de mayor peso molecular como parte del programa.
En estos programas convencionales, el componente de alto peso
molecular se agrega después de un punto de alto cizallamiento en el
sistema de flujo de stock que conduce a la parte de la máquina de
fabricación de papel que distribuye de manera más uniforme la pasta
que recibe de la refinadora ("headbox"). Esto es
necesario, dado que los copos se forman principalmente por el
mecanismo de formación de puentes y su degradación es, en gran
medida, irreversible y no se vuelven a formar en grado
significativo. Por este motivo, la mayor parte del rendimiento de
retención y drenaje de un floculante se pierde al alimentarlo antes
del punto de alto cizallamiento. En su detrimento, la alimentación
de polímeros de alto peso molecular después del punto de alto
cizallamiento da lugar, a menudo, a problemas de formación. Los
requisitos de alimentación de polímeros y copolímeros de alto peso
molecular, que ofrecen una mejora de la retención, conducen, con
frecuencia, a un compromiso entre retención y formación.
Aun siendo eficaces, los programas de
floculantes de alto peso molecular se han mejorado mediante la
adición de las llamadas "micropartículas" inorgánicas.
Los programas de polímeros/micropartículas han
alcanzado éxito comercial al sustituir en muchas papeleras el uso
de programas de retención y drenaje basados únicamente en polímeros.
Los programas que contienen micropartículas se definen no sólo por
el uso de un componente constituido por micropartículas, sino
también, a menudo, por los puntos de adición de elementos químicos
en relación con el cizallamiento. En la mayoría de los programas de
retención que contienen micropartículas, se agregan polímeros de
alto peso molecular ya sea antes como después de al menos un punto
de alto cizallamiento. El material microparticulado inorgánico se
agrega, entonces, habitualmente a las composición de fabricación
después de haber floculado el stock con el componente de alto peso
molecular, y haberlo sometido a cizallamiento para degradar esos
copos. La adición de micropartículas re-flocula las
composición de fabricación, lo que tiene como consecuencia una
retención y drenaje que son, al menos, tan buenos como los
alcanzados con el uso del componente de alto peso molecular en el
procedimiento convencional (tras el cizallamiento), sin ningún
impacto perjudicial sobre la formación.
Uno de estos programas empleado para ofrecer una
combinación mejorada de retención y deshidratación se describe en
las Patentes de EE.UU. N^{os} 4.753.710 y 4.913.775, asignadas a
Langley et al.
En el método descrito en Langley et al.,
se agrega un polímero catiónico lineal, de alto peso molecular, a
la suspensión acuosa de celulosa para fabricar papel, antes de
aplicar cizallamiento a la suspensión, seguido de la adición de
bentonita tras la aplicación de cizallamiento. El cizallamiento es
proporcionado generalmente por una o más de las etapas de limpieza,
mezclado y bombeo del procedimiento de fabricación de papel, y el
cizallamiento degrada los grandes copos formados por el polímero de
alto peso molecular, dando lugar a microcopos. A continuación, con
la adición de las partículas de arcilla de bentonita, se produce una
aglomeración adicional.
Otros programas de micropartículas de este tipo
se basan en el uso de sílice coloidal como micropartícula, en
combinación con almidón catiónico, tal como se describe en las
Patentes de EE.UU. N^{os} 4.388.150 y 4.385.961, o en el uso de
una combinación de almidón catiónico, floculante y sol de sílice tal
como se describe en las Patentes de EE.UU. N^{os} 5.098.520 y
5.185.062. La Patente de EE.UU. Nº 4.643.801 reivindica un método
para la preparación de papel que utiliza un polímero aniónico,
hidrosoluble y de alto peso molecular, una sílice dispersa y un
almidón catiónico.
Aun cuando, tal como se ha descrito
anteriormente, la micropartícula se agrega típicamente a las
composición de fabricación después del floculante y después de al
menos una zona de cizallamiento, el efecto de la micropartícula se
puede observar también si ésta se agrega antes del floculante y de
la zona de cizallamiento (por ejemplo, en donde la micropartícula
se agrega antes de la pantalla y el floculante después de la zona de
cizallamiento).
En un programa auxiliar de retención y drenaje
con un único polímero/micropartícula, un floculante, típicamente un
polímero catiónico, es el único material polímero que se agrega
junto con la micropartícula. Otro método para mejorar la
floculación de los finos de celulosa, cargas minerales y otros
componentes de las composición de fabricación en la esterilla de
fibras, utilizando una micropartícula, consiste en una combinación
con un programa de doble polímero que usa, además de la
micropartícula, un sistema coagulante y floculante. En un sistema
de este tipo, se agrega, en primer lugar, un coagulante, por
ejemplo, un polímero catiónico sintético, de bajo peso molecular, o
almidón catiónico. El coagulante puede ser también un coagulante
inorgánico tal como cloruros de alúmina o polialuminio. Esta
adición puede tener lugar en uno o múltiples puntos dentro del
sistema de formación de las composición de fabricación, incluido,
pero sin estar limitado a ellos, el stock grueso, el sistema de
aguas blancas, o el stock delgado de una máquina. Por lo general,
este coagulante reduce las cargas negativas de superficie presentes
en las partículas de las composición de fabricación, en particular
los finos de celulosa y las cargas minerales, y consigue, de esta
forma, un grado de aglomeración de estas partículas. El tratamiento
con coagulante va seguido de la adición de un floculante. El
floculante, en este caso, es generalmente un polímero sintético de
alto peso molecular, que genera puentes entre las partículas y/o
aglomerados, desde una a otra superficie, enlazando las partículas
para formar aglomerados de mayor tamaño. La presencia de estos
grandes aglomerados en las composición de fabricación, a medida que
se forma la esterilla de fibras de la hoja de papel, aumenta la
retención. Los aglomerados se separan por filtración del agua sobre
la red de fibras, en tanto que las partículas no aglomeradas
atravesarían, en gran medida, la red de papel. En este tipo de
programa, se puede invertir con éxito el orden de adición de la
micropartícula y del floculante.
La presente invención se aparta de las
descripciones de estas patentes en el sentido de que se utiliza un
borosilicato, preferentemente un borosilicato coloidal, como
micropartícula. Sorprendentemente, los presentes inventores han
encontrado que los borosilicatos proporcionan una mejora del
rendimiento con respecto a otros programas de micropartículas y, en
especial, los que utilizan como micropartícula soles de sílice
coloidal. Las micropartículas de borosilicato permiten la
producción de papel y cartón con mejores niveles de retención,
formación, porosidad uniforme, y deshidratación global.
Los borosilicatos, preferentemente soluciones
acuosas de partículas coloidales de borosilicato, útiles en esta
invención tienen una relación molar de boro a silicio de 1:1000
hasta 100:1 y, por lo general, de 1:100 a 2:5. Preferentemente, la
relación molar de sodio a silicio en los materiales de borosilicato
de esta invención se encuentra en el intervalo de 0,006 a 1,04 e,
incluso, más preferentemente, en el intervalo entre 0,01 a 0,7. La
invención ofrece un método para la fabricación de una hoja de
celulosa, tal como se define en la reivindicación 1 anexa a este
documento. Se agrega un floculante polímero no iónico, catiónico o
aniónico a las composición de fabricación, ya sea antes o después
de la adición del borosilicato, en una cantidad de aproximadamente
0,001 a aproximadamente 0,50% en peso, sobre la base del peso seco
de fibra en las composición de fabricación. Una alternativa es la
adición de almidón catiónico o goma guar además del floculante
polímero a las composición de fabricación antes o después de la
adición del borosilicato, en una cantidad de aproximadamente 0,005 a
aproximadamente 5,0% en peso, sobre la base del peso seco de fibras
en las composición de fabricación. Otra alternativa consiste en la
adición de un coagulante a las composición de fabricación, en una
cantidad dentro del intervalo de 0,005 a 1,25% en peso, con
respecto al peso seco de la fibra en las composición de fabricación.
La floculación de los componentes de las materias primas especiales
para la fabricación de papel aumenta cuando el borosilicato se
agrega solo o en combinación con un floculante polímero
convencional, solo o en combinación con un coagulante.
A través de la adición de partículas de
borosilicato a las composición de fabricación para fabricar papel o
a la suspensión previa a la formación de la hoja, es posible obtener
una mejora de las propiedades de la hoja. Tal como se usa en este
documento, la expresión composición de fabricación
("fumish") o suspensión indica una suspensión de fibras
de celulosa usada para formar una hoja de celulosa. La hoja puede
ser un papel fino (que, tal como se usa en este documento, incluye
materiales basados tanto en fibras vírgenes como en fibras
recicladas), cartón (que, tal como se usa en este documento, incluye
"test liners" basados en fibras recicladas y medio corrugado,
así como materiales basados en fibras vírgenes), y papel de
periódico (que, tal como se usa en este documento, incluye
composición de fabricación para revistas, así como basado en fibras
vírgenes y en fibras recicladas), u otro material de celulosa. La
hoja final puede contener, además de una esterilla de fibras de
celulosa, cargas, pigmentos, abrillantadores, agentes de encolado, y
otros materiales usados en la producción de las numerosas
categorías de esterillas de celulosa a las que se denomina,
normalmente, papel o cartón.
En el presente documento se describe una
composición auxiliar de retención y drenaje que comprende un
borosilicato (preferentemente, un borosilicato coloidal), que tiene
una relación molar de boro a silicio de aproximadamente 1:100 hasta
aproximadamente 2:5. Preferentemente, el borosilicato se caracteriza
por tener una relación molar de sodio a silicio dentro del
intervalo de aproximadamente 6:1000 a 1,04:1. La ayuda para la
retención de micropartículas es, preferentemente, un coloide de
borosilicato que tiene una química similar a la del vidrio de
borosilicato. El borosilicato se utiliza, preferentemente, en forma
de un coloide acuoso. Por lo general, este coloide se prepara
haciendo reaccionar una sal de metal alcalino de un compuesto que
contiene boro con ácido silícico, bajo condiciones resultantes en
la formación de un coloide. Las partículas de borosilicato de
utilidad en esta invención pueden tener un tamaño de partícula
dentro de un amplio intervalo, por ejemplo, desde 1 nm (nanómetro)
hasta 2 micrómetros (200 nm) y, preferentemente, desde 1 nm a 1
micrómetro. Cuando se usa un borosilicato coloidal, el tamaño de
partícula estará, generalmente, comprendido dentro de un intervalo
de 1 nm a 200 nm y, preferentemente, de 1 a 80 nm y, de forma
especialmente preferida, de 20-80 nm. De manera
similar, el área de superficie de las partículas de borosilicato
útiles en esta invención puede variar dentro de un amplio
intervalo. Por lo general, a medida que disminuye el tamaño de
partícula, aumentará el área de superficie. El área de superficie
debe encontrarse en el intervalo de 15 a 3000 m^{2}/g y,
preferentemente, de 50 a 3000 m^{2}/g. Cuando se utilizan las
partículas de borosilicato coloidal preferidas de la invención, el
área de superficie estará, generalmente, dentro del intervalo de 250
a 3000 m^{2}/g y, preferentemente, será de 700 a 3000
m^{2}/g.
Los materiales de borosilicato coloidal
preferidos que se utilizan en esta invención se preparan, por lo
general, mediante la preparación inicial de ácido silícico. Esto se
puede lograr de forma conveniente poniendo en contacto una solución
de silicato de metal alcalino, preferentemente una solución diluida
del silicato de metal alcalino, con una resina de intercambio
catiónico comercial, preferentemente una denominada resina de ácido
fuerte, en forma hidrógeno, de donde se recupera una solución
diluida de ácido silícico. A continuación, el ácido silícico se
puede agregar, con agitación, a un borato de metal alcalino a un pH
de 6-14, recuperándose un producto de borosilicato
coloidal suspendido en agua. De manera alternativa, se pueden
agregar simultáneamente el borato de metal alcalino y el ácido
silícico para preparar materiales apropiados.
Habitualmente, la concentración de la solución
de ácido silícico usada es, por lo general, de 3 a 8 por ciento en
peso de SiO_{2} y, preferentemente, 5 a 7 por ciento en peso de
SiO_{2}. El porcentaje en peso de la solución de borato usada es
generalmente de 0,01 a 30 y, preferentemente, 0,4 a 20 por ciento
en peso, en forma de B_{2}O_{3}. La sal borato utilizada puede
encontrarse dentro de un extenso intervalo de compuestos.
Materiales preferidos son bórax comercial, tetraborato sódico
decahidrato, o tetraborato sódico pentahidrato debido a su fácil
disponibilidad y bajo coste. Se pueden usar otros materiales de
borato hidrosolubles. Los presentes inventores consideran que se
puede emplear cualquier sal borato de metal alcalino soluble. La
preparación del material de borosilicato coloidal se puede lograr
con o sin ajuste de pH. En ocasiones, es recomendable llevar a cabo
la reacción a un pH de 7,5 a 10,5, mediante la adición de un
hidróxido de metal alcalino apropiado, preferentemente hidróxido
sódico, a la mezcla de reacción. Se han obtenido los mejores
resultados en el intervalo de pH de 8 a 9,5, aunque tal como se
apreciará, los procedimientos de síntesis de las composiciones de
borosilicato se encuentran todavía en proceso de optimización. Los
presentes inventores estiman que la agitación, velocidad de adición
y otros parámetros no son críticos para la formación de las
composiciones de borosilicato coloidal. También se pueden usar
otros métodos para preparar los borosilicatos coloidales. Dichos
métodos incluirían la preparación del borosilicato coloidal de la
forma anteriormente descrita, y secar las partículas por secado de
pulverización, seguido de trituración, u otros métodos que
proporcionarían un material de borosilicato que satisfaga los
parámetros establecidos más arriba.
Se describe en este documento un método para
mejorar la producción de papel que comprende la etapa de agregar a
las composición de fabricación de papeleras desde aproximadamente
0,00005 hasta aproximadamente 1,25% en peso, sobre la base del peso
seco de la fibra en la suspensión o en las composición de
fabricación, de un borosilicato, preferentemente un borosilicato
coloidal. En un método alternativo, se puede agregar un floculante
polímero no iónico, catiónico o aniónico a las composición de
fabricación, antes o después de la adición del borosilicato, en una
cantidad de aproximadamente 0,001 a aproximadamente 0,5% en peso,
sobre la base del peso seco de la fibra en las composición de
fabricación. De manera alternativa, se puede agregar un almidón
catiónico a las composición de fabricación en lugar de, o además
del floculante polímero sintético, en una cantidad de
aproximadamente 0,005 a aproximadamente 5,0% en peso, sobre la base
del peso seco de la fibra en las composición de fabricación. Más
preferentemente, el almidón se agrega en una cantidad de
aproximadamente 0,05 a aproximadamente 1,5% en peso, sobre la base
del peso seco de la fibra en las composición de fabricación. En
todavía otra realización, se puede agregar un coagulante a las
composición de fabricación en lugar, o además del floculante y/o el
almidón, en una cantidad de aproximadamente 0,005 a aproximadamente
1,25% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en las
composición de fabricación para fabricar papel. Preferentemente, el
coagulante se agrega en una cantidad de aproximadamente 0,025 a
aproximadamente 0,5% en peso, sobre la base del peso seco de la
fibra en las composición de fabricación.
En este documento se describe también un método
para aumentar la retención y drenaje de composición de fabricación
para la fabricación de papel en una máquina para fabricar papel, que
comprende las etapas de agregar a las composición de fabricación
para la fabricación de papel de aproximadamente 0,00005 a
aproximadamente 1,25% en peso, sobre la base del peso seco de la
fibra en las composición de fabricación, de una partícula de
borosilicato, preferentemente un borosilicato coloidal. El
borosilicato se puede agregar a las composición de fabricación para
la fabricación de papel junto con un floculante polímero no iónico,
catiónico o aniónico. El floculante se puede agregar antes o
después del borosilicato, en una cantidad de aproximadamente 0,001 a
aproximadamente 0,5% en peso, sobre la base del peso seco de la
fibra en las composición de fabricación. Alternativamente, se puede
agregar almidón a las composición de fabricación en lugar de, o
además del floculante, en una cantidad de aproximadamente 0,005 a
aproximadamente 5,0% en peso, sobre la base del peso seco de la
fibra en las composición de fabricación. Si se utiliza almidón, se
prefiere un almidón catiónico. Cuando se le usa, el almidón se
agrega, preferentemente, en una cantidad de aproximadamente 0,05 a
1,5% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en las
composición de fabricación. En todavía otra alternativa, se puede
agregar un coagulante a las composición de fabricación en lugar de,
o además del floculante y/o el almidón, en una cantidad de
aproximadamente 0,005 a aproximadamente 1,25% en peso, sobre la
base del peso seco de la fibra en las composición de fabricación.
Preferentemente, el coagulante se agrega en una cantidad de
aproximadamente 0,025 a aproximadamente 0,5% en peso, sobre la base
del peso seco de la fibra en las composición de fabricación.
La dosificación del floculante polímero en
cualquiera de las realizaciones anteriores es, preferentemente, de
0,005 a aproximadamente 0,2 por ciento en peso, sobre la base del
peso seco de la fibra en las composición de fabricación. La
dosificación del borosilicato es, preferentemente, de
aproximadamente 0,005 a aproximadamente 0,25 por ciento en peso,
sobre la base del peso seco de la fibra en las composición de
fabricación y, de forma especialmente preferida, de aproximadamente
0,005 a aproximadamente 0,15% en peso de fibra en las composición de
fabricación.
Se debe señalar que dado que esta invención es
aplicable a un amplio intervalo de categorías de papel y composición
de fabricación, los porcentajes indicados anteriormente pueden
variar ocasionalmente. Se encuentra dentro del espíritu e intención
de la invención que puedan realizarse estas variaciones con respecto
a los porcentajes anteriormente indicados sin apartarse de la
invención, y estos valores porcentuales se ofrecen sólo como
orientación para los expertos en la técnica.
En cualquiera de las anteriores realizaciones,
se pueden agregar también bentonita, talco, arcillas sintéticas,
hectorita, caolín, o mezclas de los mismos en cualquier punto del
sistema de fabricación de papel, antes de la formación de la hoja.
El punto de adición preferido es el de la pasta de stock grueso
antes de la dilución con aguas blancas. Esta aplicación tiene como
resultado una mayor limpieza de la operación de fabricación de
papel que, de lo contrario, experimenta depósitos hidrófobos que
afectan tanto a la productividad como a la calidad del papel.
Adicionalmente, cualquiera de las realizaciones
anteriores se puede aplicar a las composición de fabricación para
la fabricación de papel, seleccionadas del grupo consistente en
papel fino (que, tal como se usa en este documento, incluye
materiales basados en fibras vírgenes así como en fibras
recicladas), cartón (que, tal como se usa en este documento,
incluye "test liners" basados en fibras recicladas y medio
corrugado, así como materiales basados en fibras vírgenes), y papel
de periódico (que, tal como se usa en este documento, incluye
composición de fabricación para revistas así como material basado
tanto en fibras vírgenes como en fibras recicladas), u otros
materiales de celulosa. Estas composición de fabricación incluyen
aquéllas que contienen madera, libres de madera, vírgenes,
recicladas blanqueadas, recicladas sin blanquear, y sus mezclas.
Por lo general, el papel o el cartón se fabrica
a partir de una suspensión o mezcla de composición de fabricación
de material de celulosa en un medio acuoso, en donde dicha mezcla de
composición de fabricación se somete a una o múltiples etapas de
cizallamiento, en las que dichas etapas son, generalmente, una etapa
de limpieza, una etapa de mezclado y una etapa de bombeo y, a
continuación, la suspensión se somete a drenaje para formar una
hoja, la cual se seca entonces hasta la concentración de agua
deseada, generalmente baja. Los materiales de borosilicato
descritos en este documento se pueden agregar a las composición de
fabricación antes o después de una etapa de cizallamiento.
Además de las aplicaciones auxiliares de
retención y drenaje descritas anteriormente, los materiales de
borosilicato se pueden usar junto con resinas de catiónicas de
resistencia en húmedo convencionales para mejorar la resistencia en
húmedo de la hoja de celulosa tratada de esta forma. Cuando se le
utiliza de esta forma, el borosilicato se agrega a las composición
de fabricación antes de la colocación de las composición de
fabricación, que contienen la resina de resistencia en húmedo, en
la máquina de fabricar papel. Por lo general, el borosilicato se usa
en los niveles expuestos anteriormente.
Se ha observado que el borosilicato descrito en
este documento potencia significativamente el rendimiento de los
floculantes y de las ayudas de retención polímeros sintéticos, así
como del almidón en el proceso de fabricación de papel.
Adicionalmente, se cree que los materiales de borosilicato son
útiles como aditivos en procedimientos de separación de
sólidos/líquidos tales como pretratamiento con agua, y en las
aplicaciones de tratamiento de aguas residuales. Los borosilicatos,
además de potenciar el drenaje y la retención en el papel de
periódico, papel fino, cartón y otras categorías de papel, pueden
tener utilidad también en el control de depósitos indeseables en
las pastas de papel ("pitch") y grumos ("stickles")
en la fabricación de papel, deshidratación de la pasta en la
producción de pasta "dry-lap",
aplicaciones de conservación global y de clarificación en pasta y
papeleras, clarificación de agua, flotación por aire disuelto y
deshidratación del fango. Las composiciones descritas en este
documento pueden ser de utilidad también en la separación de
sólidos/líquidos o en la rotura de emulsiones. Ejemplos de estas
aplicaciones son la deshidratación del fango municipal,
clarificación y deshidratación de suspensiones minerales acuosas,
rotura de emulsiones de refinado, y similares. El rendimiento
superior que se registra con el uso de las partículas de
borosilicato en combinación con polímeros sintéticos y/o almidón
incluye una mayor retención, mejora del drenaje y mejora de la
separación de sólidos/líquidos y, a menudo, una reducción de 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 copos formados originalmente,
degradados por l cizallamiento. En tales aplicaciones, el floculante
se agrega antes al menos de un punto de alto cizallamiento, seguido
de la adición de micropartículas inmediatamente antes de la parte de
la máquina de fabricación de papel que distribuye de manera más
uniforme la pasta que recibe de la refinadora
("headbox"). De forma típica, se agregará un floculante
antes de las pantallas de presión, seguido de la adición de
micropartículas después de las pantallas. Sin embargo, en este
documento se contempla un método en el que este orden se puede
invertir. Los copos secundarios formados por la adición de
micropartículas dan como resultado una mayor retención y drenaje,
sin afectar negativamente a la formación de la hoja. Esto permite un
mayor contenido de cargas en la hoja, elimina la condición de doble
cara de la hoja, e incrementa el drenaje y la velocidad de la
máquina en la fabricación de papel.
El uso de un ligero exceso de floculante
polímero y/o coagulante se considera necesario para garantizar que
los subsiguientes resultados del cizallamiento tengan como
consecuencia la formación de microcopos que contienen o son
portadores de suficiente polímero para hacer que al menos partes de
sus superficies estén cargadas positivamente, aun cuando no es
necesario que la totalidad de la composición de fabricación esté
cargada positivamente. De esta forma, el potencial zeta de la
composición de fabricación, tras la adición del polímero y después
de la etapa de cizallamiento, puede ser catiónico o aniónico.
El cizallamiento se puede proporcionar por medio
de un dispositivo en el aparato usado con otros fines, tal como una
bomba de mezcla, bomba de ventilación o depurador
"centriscreen", o se puede insertar en el aparato una
mezclador de cizallamiento u otra etapa de cizallamiento con el fin
de proporcionar cizallamiento y, preferentemente, un alto grado de
cizallamiento, subsiguiente a la adición del polímero.
Los floculantes utilizados en la aplicación de
esta invención son polímeros solubles o dispersables en agua, de
alto peso molecular, que pueden tener una carga catiónica o
aniónica. También se pueden usar polímeros de alto peso molecular
no iónicos. Estos polímeros pueden ser completamente solubles en el
sistema de fabricación de papel o, de manera alternativa, pueden
ser fácilmente dispersables. Pueden tener una estructura ramificada
o reticulada, con la condición de que no formen "ojos de
pescado" objetables, los llamados grumos de polímero no disuelto
en el papel terminado. Los polímeros de este tipo se encuentran
disponibles en múltiples fuentes comerciales. Están disponibles
como sólidos secos, soluciones acuosas, emulsiones de agua en aceite
que, cuando se agregan al agua permiten que el polímero contenido
en las mismas se disuelva rápidamente, o como dispersiones del
polímero soluble o dispersable en agua en soluciones acuosas de
salmuera. La forma del floculante de alto peso molecular utilizado
en este documento no se considera crítica en tanto en cuanto el
polímero sea soluble o dispersable en la composición de
fabricación.
Tal como se ha establecido anteriormente, los
polímeros pueden ser catiónicos, aniónicos o no iónicos. Los
floculantes polímeros catiónicos de utilidad en este documento son,
por lo general, polímeros de adición de vinilo, de alto peso
molecular, que incorporan un grupo catiónico funcional. Estos
polímeros son, generalmente, homopolímeros de monómeros de vinilo,
hidrosolubles, o pueden ser copolímeros de un monómero de vinilo
catiónico hidrosoluble con un monómero no iónico tal como
acrilamida o metacrilamida. Los polímeros pueden contener sólo un
monómero de vinilo catiónico, o pueden contener más de un monómero
de vinilo catiónico. De manera alternativa, ciertos polímeros
pueden estar modificados o derivatizados tras la polimerización, tal
como la poliacrilamida por la reacción de Mannich para producir un
polímero de vinilo catiónico de utilidad en esta invención. Los
polímeros pueden estar preparados a partir desde un mínimo de 1 por
ciento en moles de monómero catiónico hasta 100 por ciento en moles
de monómero catiónico, o a partir de un grupo funcional modificado
catiónicamente en un polímero modificado después de la
polimerización. Muy a menudo, los floculantes catiónicos tendrán al
menos 5 por ciento en moles de monómero o grupo funcional de vinilo
catiónico y, de forma especialmente preferida, al menos 10 por
ciento en peso de monómero o grupo funcional de vinilo
catiónico.
Monómeros de vinilo catiónico adecuados, que son
de utilidad en la preparación de copolímeros y homopolímeros de
adición de vinilo, cargados catiónicamente, son bien conocidos por
los expertos en la técnica. Estos materiales incluyen: metacrilato
de dimetilamino-etilo (DMAEM), acrilato de
dimetilamino-etilo (DMAEA), acrilato de
dietilamino-etilo (DEAEA), metacrilato de
dietilamino-etilo (DEAEM), o sus formas de amonio
cuaternario preparadas con sulfato dimetílico o cloruro metílico,
poliacrilamidas modificadas por la reacción de Mannich, hidrocloruro
de dialil-ciclohexilamina (DACHA HCl), cloruro de
dialil-dimetilamonio (DADMAC), cloruro de
metacrilamido-propil-trimetilamonio
(MAPTAC) y alil amina (ALA). En este documento también se puede
usar almidón cationizado como floculante. El floculante
seleccionado puede ser una mezcla de los indicados anteriormente, o
una mezcla de los indicados anteriormente con un almidón catiónico.
Los expertos en la técnica de programas de retención basados en
polímeros catiónicos apreciarán fácilmente que la selección de un
polímero determinado depende de la composición de fabricación, la
carga, la categoría y la calidad del agua.
Los floculantes aniónicos de alto peso molecular
que pueden ser útiles en esta invención son, preferentemente,
polímeros de vinilo solubles o dispersables en agua, que contienen 1
por ciento en moles o más de un monómero que tiene una carga
aniónica. En consecuencia, estos polímeros pueden ser homopolímeros
o monómeros de vinilo hidrosolubles, cargados aniónicamente, o
copolímeros de estos monómeros con, por ejemplo, monómeros no
iónicos tales como acrilamida o metacrilamida. Ejemplos de
monómeros aniónicos apropiados incluyen ácido acrílico,
metacrilamida, sulfonato de
2-acrilamida-2-metilpropano
(AMPS) y sus mezclas, así como sus correspondientes sales de metal
alcalino y amonio, solubles o dispersables en agua. Los polímeros
aniónicos de alto peso molecular útiles en esta invención pueden
ser también polímeros de acrilamida hidrolizada o copolímeros de
acrilamida, o sus homólogos tales como metacrilamida, con ácido
acrílico o sus homólogos tales como ácido metacrílico, o con
polímeros de tales monómeros de vinilo como ácido maleico, ácido
itacónico, ácido vinilsulfónico, u otros monómeros que contienen
sulfonato. Los polímeros aniónicos pueden contener grupos
funcionales sulfonato o fosfonato, o mezclas de los mismos, y se
pueden preparar por derivatización de polímeros o copolímeros de
poliacrilamida o polimetacrilamida. Los floculantes aniónicos de
alto peso molecular más preferidos son copolímeros de ácido
acrílico/acrilamida, y polímeros que contienen sulfonatos tales como
los preparados por la polimerización de monómeros tales como
sulfonato de
2-acrilamida-2-metilpropano,
sulfonato de acrilamido metano, sulfonato de acrilamido etano y
sulfonato de
2-hidroxi-3-acrilamida
propano con acrilamida u otro monómero de vinilo no iónico. Cuando
se utilizan en este documento, los polímeros y copolímeros de
monómero de vinilo aniónico pueden contener desde un mínimo de 1
por ciento en moles del monómero cargado aniónicamente y,
preferentemente, al menos 10 por ciento en moles del monómero
aniónico. Una vez más, la elección para usar un polímero aniónico
en particular dependerá de la composición de fabricación, carga,
calidad del agua, categoría de papel, y similares.
En tanto que la mayor parte de los programas de
micropartículas tienen un buen rendimiento sólo con un floculante
catiónico de alto peso molecular, los presentes inventores han
observado efectos sorprendentes con el uso de las partículas de
borosilicato descritas en este documento con floculantes aniónicos e
hidrosolubles, de alto peso molecular, con la adición de un
coagulante catiónico.
Floculantes no iónicos útiles en esta invención
se pueden seleccionar del grupo consistente en óxido de polietileno
y poli(met)acrilamida. Además de lo anterior, puede
ser conveniente utilizar en determinados casos los llamados
polímeros anfóteros hidrosolubles. Estos polímeros portan en la
misma cadena polímera un carga tanto catiónica como aniónica.
Los floculantes polímeros de vinilo no iónicos,
catiónicos y aniónicos útiles en este documento tendrán, por lo
general, un peso molecular de al menos 500.000 daltons y,
preferentemente, pesos moleculares de 1.000.000 daltons y
superiores. Los floculantes solubles y/o dispersables en agua de
utilidad en este documento pueden tener un peso molecular de
5.000.000 o mayor, por ejemplo, en el intervalo de 10 a 30 millones,
o mayor. Los polímeros según la invención pueden ser completamente
hidrosolubles cuando se aplican en el sistema, o pueden ser
ligeramente ramificados (bidimensionales) o ligeramente reticulados
(tridimensionales), con la condición de que los polímeros sean
dispersables en agua. Se prefiere el empleo de polímeros que sean
completamente hidrosolubles, pero se pueden utilizar polímeros
dispersables tales como los descritos en el documento WO 97/16598.
Los polímeros de utilidad pueden ser sustancialmente lineales, tal
como se define este término en Langley et al., Patente de
EE.UU. Nº 4.753.710. El límite superior del peso molecular está
determinado por la solubilidad o dispersabilidad del producto
resultante en la composición de fabricación para papel.
En la Patente de EE.UU. Nº 4.385.961 se
describen, en general, almidones catiónicos o anfóteros útiles en la
aplicación de esta invención.
\newpage
Los materiales de almidón catiónico se
seleccionan, por lo general, del grupo consistente en polímeros de
origen natural basados en carbohidratos tales como goma guar y
almidón. Los materiales de almidón catiónico que se consideran más
útiles en la práctica de esta invención incluyen materiales de
almidón derivados del trigo, patata y arroz. A su vez, estos
materiales se pueden hacer reaccionar para sustituir los grupos
amonio en la estructura básica del almidón, o cationizarlos de
acuerdo con el procedimiento indicado por Dondeyne et al.,
en el documento WO 96/30591. En general, los almidones útiles en
esta invención tienen un grado de sustitución (g.s.) de grupos
amonio 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-trimetilamonio
o cloruro de
2,3-epoxipropil-trimetilamonio para
obtener el almidón cationizado. Como se apreciará, está más allá del
alcance e intención de esta memoria describir los medios para
cationizar los materiales de almidón, y estos materiales de almidón
modificado son bien conocidos y se encuentran disponibles fácilmente
en diversas fuentes comerciales.
El rendimiento de un floculante en una
aplicación determinada puede estar afectado por diversas
características de la composición de fabricación de celulosa tales
como pH, dureza, potencia iónica y demanda catiónica. La elección
del floculante implica tomar en consideración el tipo de carga,
densidad de carga, peso molecular y tipo de monómeros, y depende
especialmente de la química del agua de la composición de
fabricación bajo tratamiento.
En la composición de fabricación de celulosa se
pueden cargar otros aditivos, sin interferir de manera sustancial
con la actividad de la presente invención. Estos otros aditivos
incluyen, por ejemplo, agentes de encolado tales como alumbre y
colofonia, agentes de control de los depósitos indeseables de las
pastas de papel ("pitch"), extensores, biocidas y
similares. La composición de fabricación de celulosa a la que se
añade el programa auxiliar de retención que se describe en este
documento puede contener también pigmentos y/o cargas tales como
dióxido de titanio, carbonato de calcio precipitado y/o triturado, u
otras cargas minerales u orgánicas. Puede ser posible, y así lo
expresa el espíritu de la invención, que la presente invención se
combine con otros así llamados programas de micropartículas tales
como bentonita, caolín y soles de sílice. Sin embargo, los datos
puestos de manifiesto en este documento demuestran que las
partículas de borosilicato superan en rendimiento a estos
materiales y su combinación puede proporcionar un nivel de
rendimiento menor que el de cada material por separado. No
obstante, cuando las papeleras modifican las categorías o las
composiciones de fabricación, es posible que, en determinadas
situaciones, resulte práctica y deseable la combinación de
materiales de borosilicato según la invención con otros
micropartículas.
Las micropartículas de borosilicato se pueden
utilizar también en combinación con un coagulante, de acuerdo con
las enseñanzas de Sofia et al., Patente de EE.UU. Nº
4.795.531.
Sofia describe un programa de micropartículas en
el que se utiliza una micropartícula en presencia de un coagulante
catiónico y un floculante cargado, de alto peso molecular.
Los materiales de coagulante catiónico que
tendrán aplicación en este aspecto de la invención incluyen
polialquilen-poliaminas hidrosolubles, de peso
molecular bajo a medio, disponibles comercialmente, que incluyen las
preparadas por la reacción de una alquileno poliamina con un haluro
alquílico difuncional. Los materiales de este tipo incluyen
polímeros de condensación preparados a partir de la reacción de
dicloruro de etileno y amoniaco, dicloruro de etileno, amoniaco y
una amina secundaria tal como dimetilamina,
epiclorhidrina-dimetilamina-amoniaco,
polietilen-iminas, y similares. También resultarán
útiles los polímeros y copolímeros de solución de bajo peso
molecular de monómeros de vinilo tales como haluros de
dialil-dimetilamonio, en especial cloruro de
dialil-dimetilamonio,
dialquilamino-acrilatos de alquilo,
dialquilamino-acrilatos de alquilo cuaternarios, y
similares, en donde "alquilo" representa un grupo que tiene
1-4, preferentemente 1-2 átomos de
carbono. Preferentemente, "alquilo" es metilo. Estos monómeros
están ejemplificados por materiales tales como acrilato de
dimetil-aminoetilo, metacrilato de
dimetil-aminoetilo, y sus sales de amonio
cuaternario solubles en agua. En determinados casos, se puede
emplear almidón catiónico como coagulante. También se pueden usar
en esta invención coagulantes inorgánicos, por ejemplo, alumbre y
cloruro de polialuminio. La velocidad de uso de coagulantes
inorgánicos es, típicamente, de 0,05 a 2 por ciento en peso, sobre
la base del peso seco de la fibra en la composición de fabricación.
El uso de un coagulante con las micropartículas de borosilicato es
opcional.
El presente método es aplicable a todas las
categorías y tipos de productos de papel que contengan las cargas
descritas en este documento, y es aplicable, adicionalmente, al uso
en todos los tipos de pasta, incluidas, sin limitación, pastas
químicas, incluidas pastas de sulfato y sulfito de madera tanto
blanda como dura, pastas termomecánicas, pastas mecánicas y pastas
de muela ("groundwood").
La cantidad de cualquier carga mineral usada en
el procedimiento de fabricación de papel, empleado generalmente en
un stock de fabricación de papel, es de aproximadamente 10 a
aproximadamente 30 partes en peso de la carga por cada cien partes
en peso de fibra seca en la composición de fabricación, pero la
cantidad de dicha carga puede ser, en ocasiones, del orden de 5, o
incluso 0 partes en peso, y llegar hasta aproximadamente 40, o
incluso 50 partes en peso, sobre la misma base.
Los siguientes ejemplos se ofrecen para
describir realizaciones y utilidades preferidas de la invención, y
no pretenden limitar la invención, a menos que se indique lo
contrario, en las reivindicaciones adjuntas a este documento.
\newpage
Ejemplo
1-23
Cada uno de los Ejemplos que se muestran en la
siguiente Tabla I se preparó usando los siguientes procedimientos
generales y variando las cantidades relativas de reactivos.
El ácido silícico se preparó de acuerdo con la
enseñanza general de Bechtold et al., documento U.S.
2.574.902. Se diluyó con agua desionizada un silicato sódico
disponible comercialmente de OxyChem, Dallas, Tejas, con 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 en dióxido de silicio de 8-9% en peso.
Una resina de intercambio catiónico tal como Dowex
HGR-W2H o Monosphere 650C, ambas disponibles en Dow
Chemical Company, Midland, Michigan, se regeneró hasta la forma H a
través del tratamiento con un ácido mineral, según procedimientos
bien establecidos. Después de la regeneración, la resina se lavó
con agua desionizada para garantizar la eliminación total de un
exceso de regenerador. La solución diluida de silicato se hizo
pasar, entonces, a través de una columna de la resina regenerada y
lavada. Se recolectó el ácido silícico resultante.
Simultáneamente, se combinó una cantidad
apropiada de solución de bórax (tetraborato sódico decahidrato de
categoría reactivo) con una cantidad adecuada de hidróxido sódico
acuoso para formar un "talón" para la reacción. Opcionalmente,
se puede agregar agua al talón para garantizar un volumen adecuado
durante las primeras etapas de formación.
A continuación, se agregó ácido silícico recién
preparado al "talón", con agitación a temperatura ambiente. La
agitación se continuó durante 60 minutos después de finalizar la
adición de ácido silícico. El borosilicato coloidal resultante se
puede utilizar de inmediato, o almacenar para un uso posterior. La
tabla siguiente indica las cantidades de ácido silícico, hidróxido
sódico y tetraborato sódico decahidrato (bórax), así como el pH.
Los compuestos disponibles comercialmente que se
definen en la siguiente Tabla II se utilizan en todos los Ejemplos
siguientes. Salvo que se indique lo contrario, todos ellos están
disponibles en Nalco Chemical Company, One Nalco Center, Naperville,
Illinois 60563-1198.
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
A continuación, se describe la preparación del
Ejemplo 9 que figura en la Tabla I. A efectos de comparación se
preparó un control. Esto equivale a llevar a cabo la reacción sin
bórax en el "talón". Se preparó una sílice coloidal tomando
9,68 g de un silicato sódico comercial , que se diluyó con 22 g de
agua. La mezcla se agitó con una varilla magnética y se llevó a
temperatura ambiente, es decir, 25ºC. Seguidamente, se agregó ácido
silícico, 249 g, con una densidad específica de 1,047, durante un
período de 40 minutos. Una vez agregada la totalidad del ácido
silícico a la mezcla de reacción, se prosiguió la agitación durante
una hora adicional. La sílice coloidal formada contuvo 8,26% en
peso de SiO_{2}.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Se preparó un control de "mezcla simple"
mezclando una sílice coloidal, disponible comercialmente, con bórax.
Se preparó una mezcla a temperatura ambiente, consistente en 50 g de
solución 0,1M de bórax, 92,3 g de agua, y 82 g de Nalco 8671. El pH
de la solución se ajustó con ácido clorhídrico concentrado a 9,5. La
relación molar de boro a silicio fue de 0,098, en tanto que la
relación molar de sodio a silicio fue de 0,049.
\vskip1.000000\baselineskip
(Ejemplo 3 de la Patente de EE.UU.
Nº
4.954.220)
Se analizó un microgel de polisilicato aniónico,
según se describe en la Patente de EE.UU. Nº 4.954.220 de Rushmere,
Ejemplo 3. El propósito del ejemplo en la citada patente fue
demostrar que ciertas sales iónicas inducen la formación de un
microgel de ácido polisilícico. Estas sales se seleccionan de forma
que el pH de una solución de silicato sódico se ajusta en el
intervalo del pH inestable. Se preparó una solución al 5% en peso
de bórax a partir de 5 g de ortoborato sódico decahidrato y 95 g de
agua. Se preparó una solución de silicato sódico al 3,75% a partir
de 12,5 g de un silicato sódico disponible comercialmente, que
contuvo 29,3% como dióxido de silicio y 9,0% como óxido sódico, y
87,5 g de agua. Siguiendo las instrucciones de la patente
mencionada, se mezclaron 60 g de la solución de bórax al 5% con 40 g
de la solución diluida de silicato sódico. La mezcla se dejó
reposar durante 8 minutos, tiempo tras el cual se diluyó
adicionalmente a 0,125% en peso como dióxido de silicio. Se
confirmó repetidamente en el laboratorio de los presentes inventores
que la solución de dióxido de silicio al 1,5% de microgel de ácido
polisilícico gelificó tras reposar durante 23 minutos. La relación
molar de boro a silicio fue de 1,24. De forma similar, la relación
molar de sodio a silicio fue de 1,2. Los sólidos del producto final
fueron activos de 0,125% en peso.
Se preparó una solución en blanco, exenta de
sílice, para el estudio, utilizando 100 ml de una solución 0,1M de
bórax, 48,6 ml de solución 1M de NaOH, y 300 ml de agua. El pH de la
solución fue 13.
Se utilizaron los siguientes protocolos de
ensayo para llevar a cabo los experimentos que se exponen a
continuación.
\vskip1.000000\baselineskip
- \bullet
- Composición de Fabricación Alcalina - La composición de fabricación alcalina tiene un pH de 8,1 y está compuesta por 70% en peso de fibra de celulosa y 30% en peso de carga, diluida hasta una consistencia global de 0,5% en peso, usando agua de formulación sintética. La fibra de celulosa consiste en 60% en peso de Craft de madera dura blanqueada y 40% en peso de Craft de madera blanda blanqueada. Éstas se preparan a partir de "dry lap" golpedas por separado hasta un valor de Ausencia Estándar Canadiense (CSF) en el intervalo de 340 a 380 CSF. La carga fue un carbonato de calcio triturado, comercial, aportado en forma anhidra. El agua de formulación contuvo 200 cpm de dureza cálcica (agregada como CaCl_{2}), 152 ppm de dureza de magnesio (agregada como MgSO_{4}), y 110 ppm de alcalinidad de bicarbonato (agregado como NaHCO_{3}).
- \bullet
- Composición de Fabricación Ácida - La composición de fabricación ácida consistió en la misma relación ponderal de Craft blanqueado de madera dura/madera blanda, es decir, 60/40. El total de sólidos de la composición de fabricación comprendió 92,5% en peso de fibra de celulosa y 7,5% en peso de carga. La carga fue una combinación de 2,5% en peso de dióxido de titanio y 5,0% en peso de arcilla de caolín. Aditivos adicionales incluyeron alumbre, dosificado a 9,1 kg de activos por tonelada de sólidos secos. El pH de la composición de fabricación se ajustó con 50% de ácido sulfúrico, de modo que el pH de la composición de fabricación fue de 4,8 después de la adición de alumbre.
\vskip1.000000\baselineskip
El ensayo de la Jarra de Britt utilizó un
dispositivo de Drenaje Dinámico Britt CF, desarrollado por K. W.
Britt, de la Universidad de Nueva York, que consiste, por lo
general, en una cámara superior con una capacidad de
aproximadamente 1 litro, y una cámara de drenaje inferior, donde las
cámaras están separadas por una pantalla de soporte y una pantalla
de drenaje. Debajo de la cámara de drenaje hay un tubo flexible, que
se extiende hacia abajo, equipado con pinzas para su cierre. La
cámara superior dispone de una hélice de 3 palas, de 5 cm para
crear condiciones de cizallamiento controlado en la cámara superior.
El ensayo se realizó de acuerdo con la siguiente secuencia:
\vskip1.000000\baselineskip
En todos los casos anteriores, el almidón usado
fue Solvitose N, un almidón de patata catiónico, disponible
comercialmente en Nalco. En el caso de la composición de fabricación
alcalina, el almidón catiónico se introdujo a 4,54 kg/ton en peso
seco de sólidos de la composición de fabricación o 0,50 partes en
peso por cada 100 partes de sólidos secos de stock, en tanto que el
floculante se agregó al ritmo de 2,72 kg/ton en peso seco de
sólidos de la composición de fabricación, o 0,30 partes en peso por
cada 100 partes de sólidos secos de stock. En el caso de la
composición de fabricación ácida, las dosificaciones de adición
fueron: 9,07 kg/ton en peso seco de sólidos de la composición de
fabricación de alumbre activo (es decir, 1,00 partes en peso por
cada 100 partes de sólidos secos de stock), 4,54 kg/ton de peso seco
de sólidos de la composición de fabricación, o 0,50 partes en peso
por cada 100 partes de sólidos secos de stock de almidón catiónico,
y el floculante se agregó a un ritmo de 2,72 kg/ton de peso seco de
sólidos de la composición de fabricación, o 0,30 partes en peso por
cada 100 partes de sólidos secos de stock.
El material drenado de esta forma de la Jarra de
Britt (el "filtrado") se recoge y se diluye con agua para
proporcionar una turbidez que se puede medir de manera sencilla. Se
determina, entonces, la turbidez de este filtrado diluido, medida
en Unidades de Turbidez Nefelométricas o NTU. La turbidez de estos
filtrados en inversamente proporcional al rendimiento de retención
de la fabricación de papel; cuanto más bajo es el valor de turbidez,
mayor es la retención de cargas y/o finos. Los valores de turbidez
se determinaron usando un turbidímetro Hach. En algunos casos, en
lugar de medir la turbidez, se determinó la Transmitancia % (%T) de
la muestra, usando un fotómetro DigiDisc. La transmitancia es
directamente proporcional al rendimiento de retención de la
fabricación de papel: cuanto más alto es el valor de transmitancia,
mayor es el valor de retención.
La Microscopia Láser de Barrido empleada en los
siguientes ejemplos se describe en la Patente de EE.UU. Nº
4.871.251, emitida a Preikschat, F.K. y E (1989), y consiste,
generalmente, en una fuente láser, elementos ópticos para trasmitir
la luz incidental y recoger la luz dispersa de la composición de
fabricación, un fotodiodo, y hardware de análisis de la señal.
Instrumentos comerciales están disponibles en Lasentec®, Redmont,
Washington.
El experimento consiste en tomar 300 ml de
suspensión que contienen fibras de celulosa y depositarlos en un
matraz de mezclado apropiado. Se proporciona el cizallamiento a la
composición de fabricación a través del motor y hélice de velocidad
variable. La hélice se sitúa a una distancia fija de la ventana de
la muestra para garantizar el movimiento de la suspensión a través
de dicha ventana. A continuación, se muestra una secuencia típica de
dosificación.
La variación de la longitud media de la cuerda
de los copos presentes en la composición de fabricación se
relaciona con el rendimiento de retención de la fabricación de
papel: cuanto mayor es la variación inducida por el tratamiento,
mayor es el valor de retención.
El área de superficie de la que se informa en
este documento se obtiene midiendo la adsorción de base en la
superficie de las partículas de sol. El método está descrito por
Sears en Analytical Chemistry, 18(12),
1981-1983 (1956). Tal como indica Iler ("The
Chemistry of Silica", John Wiley & Sons, 1979, 353), es
el "valor para comparar áreas de superficie relativas de tamaños
de partícula en un sistema determinado, que se puede
estandarizar". En pocas palabras, el método comprende la
titulación de los grupos silanol superficiales con una solución
estándar de hidróxido sódico, de una cantidad conocida de sílice (es
decir, gramos), en una solución saturada de cloruro sódico. El
volumen resultante de titulador se convierte en área de
superficie.
Otra característica de los coloides en general
es la cantidad de espacio ocupado por la fase dispersa. R. Iler y
R. Dalton desarrollaron por primera vez un método para determinarlo,
que publicaron en J. Phys. Chem., 60 (1956),
955-957. En sistemas de sílice coloidal, los autores
demostraron que el valor S está relacionado con el grado de
agregación formado en el interior del producto. Un valor S bajo
indica que un volumen mayor está ocupado por el mismo peso de sílice
coloidal.
La Dispersión Dinámica de la Luz (DLS) o
Espectroscopia de Correlación Fotónica (PCS) se ha utilizado para
medir el tamaño de partícula en la categoría de
sub-micrómetros desde el año 1984. En la publicación
"Modern Methods of Particle Size Analysis", H. Barth,
editor, Wiley, Nueva York, 1984 se lleva a cabo un primer enfoque
sobre este tema. El método consiste en filtrar un pequeño volumen de
la muestra a través de un filtro de membrana de 0,45 micrómetros
para eliminar la contaminación ocasional tal como polvo o suciedad.
A continuación, la muestra se deposita en una cubeta que, a su vez,
se coloca en el camino de un rayo láser enfocado. La luz dispersa
se recoge a 90º con respecto al rayo incidental y se analiza para
dar el tamaño de partícula medio. En el trabajo presente se utilizó
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
según la invención y la técnica anterior en distintas composiciones
de fabricación para papel.
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Resultados de la Jarra de
Britt Composición de Fabricación
Alcalina
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Resultados de la Jarra de
Britt Composición de Fabricación
Alcalina
Resultados de la Jarra de
Britt Composición de Fabricación
Ácida
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Resultados de la Jarra de
Britt Composición de Fabricación
Ácida
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Resultados de la Jarra de
Britt Composición de Fabricación
Ácida
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Resultados de la Jarra de
Britt Composición de Fabricación
Ácida
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Datos SLM Composición de
Fabricación
Ácida
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Datos SLM Composición de
Fabricación
Alcalina
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El trabajo siguiente se llevó a cabo sobre un
papel fino alcalino, comercial, compuesto por fibras vírgenes de
madera dura, blanqueado al 100%. El contenido en cenizas fue de 8% a
través de carbonato de calcio precipitado. La consistencia se
estableció en 1%. La composición de fabricación contuvo también
recortes reciclados.
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Datos SLM Papel Fino
Alcalino
Comercial
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Datos SLM Composición de
Fabricación
Alcalina
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Datos SLM Composición de
Fabricación
Alcalina
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Los datos siguientes se recopilaron usando una
composición de fabricación alcalina, preparada usando pasta
"dry-lap" de madera dura y blanda europeas. La
preparación es conforme a la anteriormente descrita como composición
de fabricación alcalina "estándar". La composición de
fabricación alcalina tiene un pH de 8,1 y está compuesta por 70% en
peso de fibras de celulosa y 30% en peso de carga, diluidas hasta
una consistencia global de 0,5% en peso, usando agua de formulación
sintética. La fibra de celulosa consiste en 60% en peso de Craft de
madera dura europea, blanqueada, y 40% en peso de Craft de madera
blanda europea, blanqueada. Éstas se preparan a partir de pasta
"dry-lap" golpeada por separado hasta un valor
de Ausencia Estándar Canadiense en el intervalo de 340 a 380 CSF.
La carga fue un carbonato de calcio triturado, comercial,
suministrado en forma anhidra. El agua de formulación contuvo 200
ppm de dureza de calcio (agregada como CaCl_{2}), 152 ppm de
dureza de magnesio (agregada como MgSO_{4}), y 110 ppm de
alcalinidad de bicarbonato (agregado como NaHCO_{3}).
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Resultados de la Jarra de
Britt Composición de Fabricación Alcalina
Europea
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Resultados de la Jarra de
Britt Composición de Fabricación Alcalina
Europea
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Datos SLM Composición de
Fabricación Alcalina
Europea
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La siguiente composición de fabricación, una
composición de fabricación europea comercial, se utiliza para
preparar papel fino alcalino recubierto. La composición de
fabricación consiste en 50% de fibras de celulosa, es decir, fibra
Craft blanqueada al 100%, y 50% de carga. La carga es carbonato de
calcio triturado. La composición de fabricación tiene un pH de 7,4
y una consistencia global de 1,5%. Los protocolos de ensayo de la
Jarra de Britt y SLM consistieron en las secuencias siguientes:
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Composición de Fabricación
Alcalina Europea
Comercial
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Resultados de la Jarra de
Britt Composición de Fabricación Alcalina
Europea
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Datos SLM Composición de
Fabricación Alcalina
Europea
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La siguiente composición de fabricación, una
composición de fabricación europea comercial, es una composición de
fabricación ácida compuesta por 40% de fibra TMP consiste en
blanqueada con sulfito y no blanqueada, 40% es fibra Craft y, el
resto, recortes. La carga es arcilla de caolín. El producto final es
una categoría LWC (es decir, Recubierto de Peso Ligero). En
particular, el pH de la composición de fabricación fue de 4,8, con
una consistencia de 0,71%. Los protocolos de ensayo de la Jarra de
Britt y SLM consistieron en las secuencias siguientes:
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Composición de Fabricación TMP
Ácida Europea
Comercial
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Resultados de la Jarra de
Britt Composición de Fabricación TMP Ácida
Europea
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Datos SLM Composición de
Fabricación TMP Ácida
Europea
La secuencia es la misma, sin embargo, variaron
las dosificaciones de polímeros. Se agregó alumbre a 6,7 kg/t,
almidón catiónico a 5,0 kg/t, el coagulante se agregó a 5,0 kg/t, el
floculante se agregó a 0,66 kg/t inmediatamente antes de agregar la
micropartícula a 2,0 kg/t.
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La siguiente composición de fabricación, una
composición de fabricación europea comercial, es una composición de
fabricación alcalina. La composición de fabricación alcalina
consiste en 32% de fibra Craft, 48% de recortes y 20% de cenizas.
La fibra Craft consiste en 63% de pasta Craft de madera dura y 37%
de madera blanda. El 20% de cenizas está compuesto por componentes
iguales de carbonato de calcio precipitado y triturado. El pH de la
composición de fabricación fue de 8,25, con una consistencia de
1,2%. El protocolo de ensayo de SLM consistió en la secuencia
siguiente: a los 30 segundos, se agregó el coagulante, Polímero
"C", a 1,0 kg/t; a continuación, 30 segundos después de agregó
el floculante, Polímero "F", a 0,5 kg/t; y el último aditivo
fue la micropartícula a los 90 segundos y a
1,0 kg/t.
1,0 kg/t.
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Datos SLM Composición de
Fabricación Alcalina
Europea
La siguiente composición de fabricación, una
composición de fabricación europea comercial, se utiliza para
preparar una hoja neutra, recubierta y que contiene madera. La
composición de fabricación consistió en CTMP, recortes y algo de
pasta Craft. El pH de la composición de fabricación fue de 7,5, con
una consistencia de 0,7%. De ésta, alrededor de 20% es ceniza. El
protocolo de ensayo SLM consistió en la siguientes secuencia:
inicio con almidón catiónico a 8 kg/t; a los 60 segundos, el
coagulante, Polímero "C", agregado a 4,8 kg/t; a continuación,
30 segundos más tarde, se agregó el floculante, Polímero "E", a
0,9 kg/t; y el último aditivo fue la micropartícula a los 120
segundos y a 2,0 kg/t.
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Datos SLM Composición de
Fabricación CTMP
Europea
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Se pueden efectuar cambios en la composición,
operación y disposición del método de la presente invención descrita
en este documento, sin apartarse del concepto y alcance de la
invención, según se define en las reivindicaciones siguientes.
Claims (9)
1. Un método para la fabricación de una hoja de
celulosa, que comprende:
- a)
- formar una composición de fabricación de celulosa que contiene de 0,01 a 1,5% en peso de fibra de celulosa;
- b)
- agregar a la composición de fabricación:
- (i)
- de 0,00005 a 1,25% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en la composición de fabricación, de un borosilicato, que tiene una relación molar de boro a silicio de 1:1000 a 100:1, una relación molar de metal alcalino a silicio de 6:1000 a 1,04:1, un tamaño de partícula de 1 a 2000 nm; y un área de superficie de 15 a 3000 m^{2}/g; y
- (ii)
- de 0,01 a 0,5% en peso, sobre la base del peso seco de la fibra en la composición de fabricación, de un floculante polímero sustancialmente hidrosoluble, que tiene un peso molecular mayor que 500.000 daltons; y, a continuación,
- c)
- deshidratar dicha composición de fabricación para obtener una hoja de celulosa.
2. El método según la reivindicación 1, en el
que el borosilicato es borosilicato coloidal.
3. El método según la reivindicación 2, en el
que el borosilicato tiene:
- a.
- una relación molar de boro a silicio de 1:100 a 2:5;
- b.
- una relación molar de metal alcalino a silicio de 6:1000 a 1,04:1;
- c.
- un tamaño de partícula de 1 nm a 200 nm; y
- d.
- un área de superficie de 250-3000 m^{2}/g.
4. El método según la reivindicación 2, en el
que el borosilicato tiene:
- a.
- una relación molar de boro a silicio de 1:100 a 2:5;
- b.
- una relación molar de metal alcalino a silicio de 6:1000 a 1,04:1;
- c.
- un tamaño de partícula de 20-80 nm; y
- d.
- un área de superficie de 700-3000 m^{2}/g.
5. El método según la reivindicación 4, en el
que la hoja de celulosa se selecciona del grupo consistente en papel
fino, cartón, y papel de periódico.
6. El método según la reivindicación 4, en el
que el borosilicato coloidal se agrega después del floculante.
7. El método según la reivindicación 4, que
comprende, adicionalmente, la etapa adicional de agregar un
coagulante catiónico a la composición de fabricación antes de
agregar el floculante a la composición de fabricación.
8. El método según la reivindicación 3, en el
que el borosilicato coloidal se agrega después del floculante.
9. El método según la reivindicación 4, que
comprende, adicionalmente, la adición de un material seleccionado
del grupo consistente en bentonita, caolín, hectorita, talco, y
mezclas de los mismos.
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