Verfahren zur Bildung von Calciumcarbonat in einer Faserstoffsuspension

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung von Calciumcarbonat in einer Faserstoffsuspension, wobei eine calciumhydroxidhaltige Flüssigkeit in einen wässrig benetzten Faserstoff eingebracht und der Faserstoff in einem Reaktor mit Kohlendioxid oder Kohlensäure vermischt wird, wobei in einer chemischen Reaktion mit dem zugeführten Kohlendioxid oder der Kohlensäure Füllstoff in Form von Calciumcarbonat gebildet wird.

Das Beladen von Fasern mit einem Fällungsprodukt, beispielsweise einem Füllstoff ist u.a. in der US-A-5223090 beschrieben. Bei diesem Prozess wird an die benetzte Faseroberfläche des Fasermaterials wenigstens ein Zusatzstoff, insbesondere ein Füllstoff wie Calciumcarbonat, eingelagert. Hierzu wird dem feuchten Faserstoff Calciumoxid oder Calciumhydroxid so zugesetzt, dass zumindest ein Teil davon sich mit dem im Faserstoff vorhandenen Wasser assoziiert. Das so behandelte Fasermaterial wird anschließend mit Kohlendioxid beaufschlagt. Dabei kann jedoch der Umfang der Beladung der Fasern mit Calciumcarbonat nicht immer voll befriedigen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, mit möglichst geringem Aufwand den Grad der Beladung der Fasern zu verbessern.

Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe dadurch gelöst, dass die calciumhydroxidhaltige Flüssigkeit vor der Zugabe zum Faserstoff gemahlen wird. Da das Calciumhydroxid weitestgehend ungelöst in der Flüssigkeit vorkommt, kann durch eine Verringerung der Partikelgröße das Eindringen von Calciumhydroxid in das Lumen und/oder in die Faserwandungen erleichtert werden.

Auch die Anlagerung an die Fasern wird dadurch unterstützt.

Im Ergebnis kann so der Umfang der Beladung der Fasern mit Calciumcarbonat wesentlich gesteigert werden.

Vorteilhaft ist es dabei, wenn Kalkmilch als calciumhydroxidhaltige Flüssigkeit, welche Feststoffpartikel enthält, in den Faserstoff eingebracht wird.

Versuche haben gezeigt, dass es bereits zu einer wesentlichen Verbesserung der Beladung der Fasern kommt, wenn die calciumhydroxidhaltige Flüssigkeit bis zu einer durchschnittlichen Korngrößenverteilung (d 50) von 1 μm, insbesondere von 0,2 bis 1 μm gemahlen/vereinzelt wird.

Der nach dem Reaktor gemessene pH-Wert der Faserstoffsuspension kann als Maß für den Umfang der chemischen Reaktion im Reaktor benutzt werden.

Daher sollte die Menge des zugeführten Kohlendioxids bzw. der Kohlensäure in Abhängigkeit vom pH-Wert der Faserstoffsuspension nach dieser Zugabe eingestellt, insbesondere geregelt werden.

Je mehr Kohlendioxid bzw. Kohlensäure zugeführt wird, um so stärker senkt sich auch der pH-Wert ab.

Da in folgenden Verfahrensabschnitten eine eher neutrale Faserstoffsuspension von Vorteil ist, sollte die Menge des zugeführten Kohlendioxids bzw. der Kohlensäure so eingestellt, insbesondere geregelt werden, dass der pH-Wert nach Abschluss des

Umwandlungsprozesses zwischen 6,5 und 9 liegt.

Gegenüber herkömmlichen Prozessen zur Herstellung einer Faserstoffsuspension können durch das Beladen (in Lumen, Faserwandungen und/oder Faseroberflächen) in einer daraus, beispielsweise in einer Papiermaschine hergestellten Faserstoffbahn die gleichen Festigkeiten bei geringerer Mahlung, d.h. auch verminderter Mahlenergie und somit energetisch günstiger hergestellt werden.

Außerdem lässt sich eine, mit beladenen Fasern hergestellte Faserstoffbahn leichter entwässern, was, insbesondere in der Trockenpartie der Papiermaschine, Energie spart und höhere Maschinengeschwindigkeiten bei der Papiermaschine erlaubt.

Bei der Glättung von aus beladenen Fasern hergestellten Faserstoffbahnen kann die Schwarzsatinage zumindest wesentlich reduziert werden.

Kern des Beiadens ist es, gezielt Kalkmilch und/oder Füllstoff in das Faserinnere einzulagern, was den Füllstoffgehalt, die Festigkeit , die Porosität sowie das Volumen erhöht und Opazität sowie Bedruckbarkeit der erzeugten Faserstoffbahn verbessert.

Zum Beladen der Fasern mit einem Fällungsprodukt, hier Calciumcarbonat, wird die calciumhydroxidhaltige Flüssigkeit in einen wässrig benetzten Faserstoff eingebracht und der Faserstoff in einem Reaktor mit gasförmigem Kohlendioxid oder Kohlensäure vermischt.

Bei der Beladung der Fasern kann es die Effizienz erhöhen, wenn zumindest ein Teil des Calciumhydroxids direkt in den Reaktor zugegeben wird. Sowohl das Kohlendioxid bzw. Kohlensäure als auch das Calciumhydroxid treffen in diesem Fall auf bereits gebildetes Calciumcarbonat auf, so dass es zu einer weiteren Kristallisation kommt.

Dem Prozess ist es des Weiteren förderlich, wenn dem vorzugsweise eingedickten Faserstoff im Reaktor eine calciumhydroxidhaltige Flüssigkeit, vorzugsweise Kalkmilch, zugeführt wird.

In Abhängigkeit von der Art der Fasern und der Gestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie der Anforderungen an die behandelte Faser kann es vorteilhaft sein, wenn zwischen 20 und 50% des Calciumhydroxids der Faserstoffsuspension bereits vor dem Reaktor zugegeben oder zwischen 90 und 100% des Calciumhydroxids in den Reaktor gegeben werden.

Im Reaktor sollte vorzugsweise ein Druck zwischen 1 und 6 bar, vorzugsweise zwischen 1 und 4 bar herrschen.

Außerdem sollte die Faserstoffsuspension mit einer Konsistenz zwischen 0,1 und 40%, vorzugsweise zwischen 0,5 und 30% in den Reaktor eingeführt werden.

Dabei liegt die mittlere Verweilzeit der Faserstoffsuspension im Reaktor zwischen 1 und 15 min, vorzugsweise zwischen 5 und 10 min.

Die Temperatur im Reaktor sollte mit Vorteil zwischen 15 und 130 ⁰ C, vorzugsweise zwischen 20 und 60 ⁰ C liegen.

Zur Gewährleistung der allgemein geforderten Fasereigenschaften sollte der beladene Faserstoff maximal 50% Fällungsprodukt, d.h. Calciumcarbonat enthalten. Dabei ist es außerdem vorteilhaft, wenn die wässrige Faserstoffsuspension aus Faserstoff (Primär- und/oder Sekundärfaserstoff), insbesondere Frischfaserzellstoff gebildet wird.

Durch die Beladung können Kristalle von einer rhomboedrischen oder einer skalenoedrischen Form oder Agglomerate mit einer Länge zwischen 0,02 und 5 Mikrometer entstehen.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der beigefügten Zeichnung zeigt die Figur ein schematisches Anlagenschema.

Die in einer Presse auf eine Konsistenz von bis zu 30% eingedickte Faserstoffsuspension wird zur Beladung der Fasern mit Calciumcarbonat als Füllstoff einem Reaktor 1 zugeführt, welcher vorzugsweise als Heizschnecke, Fluffer oder Kristallisator ausgeführt ist.

In diesem Reaktor 1 wird dem Fasermaterial Kalkmilch so zugesetzt, dass zumindest ein Teil davon sich mit dem im Fasermaterial, d.h. zwischen den Fasern, in den Hohlfasern und in deren Wänden, vorhandenen Wasser assoziieren kann. Um dies zu unterstützen, wird die Kalkmilch vor ihrer Zugabe in einem Attritor 2, insbesondere in Form einer Kugelmühle gemahlen. Dadurch sollen die Kalkmilchpartikel auf eine Korngrößenverteilung (d 50) von weniger als 0, 5 μm verkleinert/vereinzelt werden.

Dem Reaktor 1 wird über ein Ventil 4 gesteuert CO ₂ zugeführt, wobei sich Calciumcarbonat an den benetzten Faseroberflächen anlagert. Dabei stellt sich folgende chemische Reaktion ein: Ca(OH) ₂ + CO ₂ = CaCO ₃ + H ₂ O

Im Reaktor 1 herrscht etwa Umgebungsdruck und eine Temperatur zwischen 20 und 60 ⁰ C.

Nach einer Verweilzeit zwischen 5 und 10 min wird der beladene Faserstoff einem Mahlwerk in Form eines Refiners 3 zugeführt. In diesem Mahlwerk werden die Fasern zusammen mit dem Calciumcarbonat bis zum Erreichen des erforderlichen Mahlgrades behandelt.

Für die folgenden Verfahrensstufen der Faserbehandlung wird ein pH-Wert zwischen 6,5 und 9 angestrebt. Daher erfolgt nach dem Refiner 3 eine pH-Wert-Messung 5. Der gemessene pH-Wert wird einer Steuereinheit 6 gemeldet und dort ausgewertet. Diese Steuereinheit 6 steuert dann die, dem Reaktor 1 zugeführte CO ₂ -Menge entsprechend dem gemessenen pH-Wert.

Ist der pH-Wert zu hoch, so wird die dem Reaktor 1 zugeführte CO ₂ -Menge erhöht und bei zu niedrigem pH-Wert entsprechend vermindert.