способ получения пигмента для изготовления бумаги и картона

Формула изобретения

Способ получения пигмента для изготовления бумаги и картона, включающий смешение гидроксида кальция, сульфата алюминия и природного неорганического компонента при диспергировании в воде, высушивание полученного продукта, получение порошка и дополнительное его диспергирование в воде, отличающийся тем, что в качестве природного неорганического компонента используют карбонат кальция, при этом сначала готовят при перемешивании смесь гидроксида кальция с карбонатом кальция при соотношении указанных компонентов соответственно от 1,0:2,2 до 1,0:12,9, после чего к полученной дисперсии смеси постепенно добавляют сульфат алюминия при соотношении последнего к общей массе гидроксида кальция и карбоната кальция от 1,0:0,85 до 1,0:4,30, затем температуру смеси повышают до 80-85°С и полученную реакционную смесь выдерживают при перемешивании в течение 90-180 мин с образованием дисперсии пигмента с содержанием в ней сухих веществ 20-35%, а дополнительное диспергирование порошка проводят в воде, содержащей водорастворимый краситель и/или связующее, выбранное из группы, содержащей крахмал и поливиниловый спирт, при содержании в ней красителя 0,2-0,6% от массы сухих веществ пигмента и связующего 2,0-4,0% от массы сухих веществ пигмента.

Описание изобретения к патенту

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

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

Известен способ получения белого пигмента путем обработки водной дисперсии гидроксида кальция сульфатом алюминия при их стехнометрическом соотношении с получением сульфоалюмината кальция - сатинвейса (пат. США №3615768, Н.кл. 106-306, 1971 г.).

Однако полученная по этому способу дисперсия не подлежит высушиванию, поскольку пигмент при высушивании даже в мягких условиях теряет свои оптические и механические свойства вследствие образования сцементированных агрегатов.

Ближайшим аналогом предлагаемого способа получения пигмента является способ получения пигмента для изготовления бумаги и картона, заключающийся в приготовлении водной суспензии сульфоалюмината кальция (сатинвейса) путем обработки гидроксида кальция сульфатом алюминия, добавления к этой дисперсии природного неорганического компонента - каолина и удаления воды высушиванием, предпочтительно распылением, с получением порошки пигмента - механической смеси сатинвейса и каолина при содержании сатинвейса 10-30% в массе смеси. Порошок затем редиспергируют в воде при подготовке меловальных композиций.

В известном способе не предусматривается возможность модифицирования пигмента связующим и/или красителем в процессе редиспергирования порошка (см. US №3876443 А, Н. Кл. 106-306, МПК 7 С 09 С 1/02, опубл. 08.04.1975).

Новым положительным результатом при использовании предлагаемого изобретения является придание пигменту новых свойств благодаря модифицированию связующим и/или красителем, что дает возможность расширить область его применения при изготовлении различных видов бумаги и картона - введение пигмента не только в покрытие, но и в бумажную массу.

Поставленный положительный эффект достигается тем, что в предлагаемом способе получения пигмента для изготовления бумаги и картона, включающем смешение гидроксида кальция, сульфата алюминия и природного неорганического компонента при диспергировании в воде, высушивание полученного продукта и получение порошка и дополнительное его диспергирования в воде, в качестве природного неорганического компонента используют карбонат кальция, при этом сначала готовят при перемешивании смесь гидроксида кальция с карбонатом кальция при соотношении указанных компонентов соответственно от 1,0:2,2 до 1,0:12,9, после чего к полученной дисперсии смеси постепенно добавляют сульфат алюминия при соотношении последнего к общей массе гидроксида кальция и карбоната кальция от 1,0:0,85 до 1,0:4,30, затем температуру смеси повышают до 80-85°С и полученную реакционную смесь выдерживают при перемешивании в течение 90-180 минут с образованием дисперсии пигмента с содержанием сухих веществ 20-35%, а дополнительное диспергирование порошка проводят в воде, содержащей водорастворимый краситель и/или связующее, выбранное из группы, содержащей крахмал и поливиниловый спирт (ПВС) при содержании в ней красителя 0,2-0,6% от массы сухих веществ пигмента и связующего 1,0-4,0% от массы сухих веществ пигмента.

Способ осуществляют следующим образом. В реактор-смеситель, снабженный скоростной мешалкой и устройством для подогрева, например, паровой рубашкой, подают заданное количество воды, затем при интенсивном перемешивании постепенно подают в виде порошка или дисперсий заданные количества гидрооксида кальция и карбоната кальция, дисперсию перемешивают 5-10 минут и к полученной дисперсии постепенно добавляют нужное количество раствора сульфата алюминия, содержащего заданное количество сульфата алюминия в виде Al₂(SO ₄)₃·18H₂O. После завершения подачи раствора сульфата алюминия температуру смеси в реакторе повышают до 80-85°С и смесь при этой температуре и при интенсивном перемешивании выдерживают 90-180 минут. Получают дисперсию пигмента с содержанием сухих веществ 20-35%, которую высушивают в слое при температуре 50-75°С с последующим измельчением в порошок или же высушивают распылением.

Перед использованием пигмента заданное его количество редиспергируют в определенном объеме воды, содержащей заданные количества растворенного красителя и/или связующего - крахмала или ПВС - при интенсивном перемешивании и постепенной подаче порошка пигмента. Перемешивание продолжают 30-40 минут. В итоге получают дисперсию модифицированного красителем и/или связующим пигмента с концентрацией сухих веществ 30-40%.

Физико-химические процессы при получении пигмента можно представить следующим образом.

При интенсивном перемешивании в водной среде сульфата алюминия, гидроксида кальция и карбоната кальция в системе протекают две реакции: реакция взаимодействия сульфата алюминия с гидроксидом кальция, проходящая с очень высокой скоростью, а также медленная реакция взаимодействия сульфата алюминия с карбонатом кальция, скорость которой существенно увеличивается с повышением температуры. Соответственно, гидроксид кальция в этой системе в самом начале процесса полностью реагирует с сульфатом алюминия с образованием соответствующего количества сульфоалюмината кальция - сатинвейса.

В реакции сульфата алюминия с карбонатом кальция при избытке последнего в реакционной смеси сульфат алюминия в конечном итоге расходуется полностью. В результате этой реакции образуется белый пигмент, по некоторым характеристикам аналогичный сатинвейсу. Он, например, обладает высокой белизной, высокой устойчивостью в системах с кислыми значениями рН, имеет размеры частиц в диапазоне не более 2 мкм, обладает способностью к модификации красителем и/или связующим. Эти характеристики улучшаются при повышении степени преобразования карбоната кальция в его реакции с сульфатом алюминия.

Кроме того, продукт реакции карбоната кальция с сульфатом алюминия, высушенный в слое, легко измельчается в порошок с размерами частиц менее 2 мкм и вновь редиспергируется в воде с получением низковязких дисперсий с концентрацией пигмента до 40% по сухим веществам.

При совместном получении сатинвейса и преобразованного карбоната кальция пигмент также легко измельчается при доле сатинвейса в его составе до 45%. Порошок хорошо диспергируется с сохранением характеристик пигмента.

Процесс получения пигмента по данному предложению предпочтительно вести при температуре реакционной смеси 80-85°С.

Для получения пигментов с более высокой степенью преобразования карбоната кальция необходимо более длительный процесс. Максимальная степень преобразования карбоната кальция (100%) достигается при расходе сульфата алюминия 1,112 мас. частей на 1 мас. часть карбоната кальция, то есть при стехиометрическом расходе компонентов в реакции карбоната кальция с сульфатом алюминия до полного прекращения выделения CO₂.

Способность частиц пигмента удерживать в своих гидратных оболочках такие вещества, как крахмал, ПВС, водорастворимые красители, обусловлена, видимо, сильным полярным взаимодействием пигмента с молекулами воды и соответствующим структурированием значительного по объему водного слоя в гидратных оболочках вокруг частиц пигмента не только в момент их образования в соответствующих реакциях, но также при редиспергировании порошка в воде. В дисперсиях пигмента с концентрацией сухих веществ 20% и выше при среднем размере частиц пигмента порядка 1 мкм вся водная фаза находится в структурированном состоянии. Даже при многократном разбавлении такой системы и интенсивном перемешивании водные структурированные оболочки частиц не размываются. И если вода в процессе редиспергирования в ней порошка пигмента содержит в растворенном состоянии какие-либо вещества, эти вещества оказываются в "связанном" частицами пигмента состоянии.

Условия проведения процесса по предлагаемому способу даны в таблице 1, характеристики образцов по этим примерам - в таблице 2.

Пигменты высушивают при 75°С в слое, измельчение кусочков проводят в фарфоровой ступке.

В порошках определяют наличие или отсутствие сцементированных агломератов. Во всех образцах по примерам согласно предлагаемому изобретению порошки не содержат сцементированных агломератов.

В качестве характеристики модифицированных пигментов используют степень удержания пигментом красителя и/или связующего, которую определяют следующим образом.

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

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать пигменты, модифицированные связующим и окрашенные в любой цвет, при сохранении механических и физико-химических свойств пигмента и обеспечивает расширение области их применения.