Катионный пигмент и способ его получения

 

Изобретение относится к структурированным агрегатным пигментным продуктам, которые являются катионными и имеют улучшенное удерживание влаги при использовании их на стадии окончания приготовления бумажной массы. Сущность изобретения заключается в способе превращения анионных пигментов в катионные пигменты. В частности, структурированный агрегатный пигмент, включающий глину и/или диоксид титана или другие компоненты в виде частиц и функциональный микрогель, полученный из кремний- и алюминий- или цинксодержащих веществ, образующих гель, и гелеобразующего агента, такого как хлорид кальция, может быть превращен в катионную форму путем добавления эффективного количества модифицированного или немодифицированного эпихлоргидрин-диметиламинового конденсата к суспензии структурированного пигмента. Полученные катионные пигменты проявляют превосходные характеристики при производстве бумаги и имеют значительно улучшенное удерживание. 2 с. и 21 з.п. ф-лы, 6 табл.

Изобретение относится к структурированным агрегатным пигментным продуктам и наполнителям, которые являются катионными и имеют улучшенное удерживание во влажной массе. Также разработан способ превращения анионных пигментов в катионные пигменты.

Пигменты представляют собой тонко раздробленные твердые вещества в виде частиц, которые при использовании обычно диспергируют в связующих или на субстрате, таких как чернила, краски или полимерные материалы. Пигменты могут быть органическими или неорганическими и обычно не подвергаются воздействию связующего или среды, в которые их включают. Они могут изменять внешний вид благодаря селективному поглощению или благодаря рассеянию света, и их часто используют в виде составной части декоративных, защитных и функциональных покрытий. Пигменты могут быть окрашенными, бесцветными, черными или белыми. Некоторые пигменты являются ингибиторами коррозии, фунгистатическими веществами и/или антистатическими агентами. В целом пигменты являются нерастворимыми твердыми веществами и остаются нерастворимыми при диспергировании в связующем в противоположность красителям, которые являются растворимыми.

Пигментные частицы могут различаться по размеру, форме и площади поверхности. В коммерческих применениях типичные частицы имеют диаметр от 0,01-10 мкм и площадь поверхности в диапазоне от 1-1100 м²/г. Для того, чтобы достичь полного диспергирования пигмента в связующем, поверхности пигментных частиц должны быть надлежащим образом смочены.

Наполняющие пигменты являются бесцветными или представляют собой белые пигменты обычно с показателем преломления менее чем 1,7. Одним из примеров наполняющего пигмента является каолин, водный алюмосиликатный минерал, используемый в качестве наполнителя в бумаге и при производстве переплетной бумаги, и в покрытиях для бумаги. В качестве примера пигментированная бумага может иметь тонкое каолиновое или другое пигментное покрытие. Прокаленные каолины являются белыми и твердыми и используются, например, в бумаге и в красках на водной основе. Другие наполняющие пигменты включают глины, карбонаты кальция, тальк (силикаты магния) и диоксид титана.

Для улучшения оптических и физических свойств листов бумаги могут быть добавлены тонко раздробленные белые минеральные наполнители главным образом путем заполнения пространства между волокнами. Это делает лист более плотным, более мягким, более ярким и более непрозрачным и может понизить стоимость благодаря тому, что многие наполнители менее дорогие, чем волокна. Глина является самым обычным наполнителем, в то время как тальк отвечает за его мягкость. Карбонат кальция обычно более ярок, чем глина, но может использоваться только в нейтральной или щелочной системе из-за его растворимости при более низких значениях pH. Диоксид титана обеспечивает более высокую яркость и превосходную непрозрачность, но является относительно дорогим и неэффективным. Например, до пятидесяти процентов диоксида титана, добавляемого к массе при производстве бумаги, может потеряться в виде отходов, вероятно, благодаря образованию частиц наполнителя, слишком больших для того, чтобы остаться на бумаге.

Структурированные пигменты это пигменты, которые структурно модифицированы обычно путем термических или гидротермических химических реакций. Наиболее обычным структурированным пигментом является прокаленная глина. К другим структурированным пигментам относятся агрегаты, включающие вещество в виде частиц, обработанное комплексными функциональными гелями. Структурированный агрегатный пигмент этого типа описан в патенте США N 5116418.

В бумажном производстве может быть использован широкий ряд наполнителей, пигментов, порозаполнителей и красителей для того, чтобы обеспечить или улучшить конкретные свойства листа. Эти и другие добавки часто вводят во влажную бумажную массу во время процесса производства, и их обычно называют добавками "влажной массы". Таким образом, "удерживание во влажной массе" или способность добавки адгезировать к влажной массе является важным эксплуатационным параметром. Оптически эффективный пигмент легко удерживается и имеет высокое удерживание во влажной массе, выражаемое как процент от общего используемого пигмента.

Используют по крайней мере два определения удерживания пигмента. Одно представляет собой общее удерживание, которое является процентом от общего количества пигмента, добавленного к массе, который удерживается бумагой. Второе определение представляет собой удерживание за один проход и является процентом пигмента, удерживаемого бумагой после одного прохода или применения.

Общее удерживание является важным с точки зрения экономики, поскольку любая добавка, которая не удерживается, теряется или должна быть выделена и рециркулирована. Удерживание за один проход является мерой качества листа и влияет на производительность бумагоделательной машины. Пигменты с низким удерживанием за один проход требуют дополнительного рециркулирования (т.е. повторного применения пигмента) и часто приводят к неравномерному распределению пигмента. Низкое удерживание может привести к неравномерному распределению в поперечном сечении листа и может придать различные свойства поверхности двум сторонам листа, явление, известное как "двусторонность". Нежелательные образования и агломерации могут быть также происходить в бумагоделательной машине.

Процент удерживания за первый проход может быть рассчитан согласно следующей формуле: , где C_f представляет собой консистентность (содержание твердых веществ) сырья или массы бумажного производства и C_w представляет собой консистентность белой воды или сточной воды. Удерживание за один проход конкретного пигмента или наполнителя при отделке в бумажном производстве может быть рассчитано с помощью метода "процент зольного удерживания за первый проход" по формуле , где A_f представляет собой золы наполнителя композиции и A_w представляет собой золы наполнителя белой воды. Зольное удерживание, также обсуждаемое ниже, есть отношение количества золы в бумаге к общему количеству золы в системе бумажного производства, выраженное в процентах. Содержание золы определяют с помощью стадий фильтрации, сжигания и взвешивания, чтобы отделить пигмент от других материалов бумажного производства.

Известны два основных механизма удерживания: абсорбция и фильтрация. Более крупные частицы имеют тенденцию удерживаться путем фильтрации; частицы улавливаются и связываются волокнами, образующими бумагу, во время процесса производства. Более мелкие частицы удерживаются за счет абсорбции. К факторам, влияющим на удерживание, относятся количество, размер частицы, форма и плотность наполнителей, порядок, в котором различные вещества вводят в бумажную массу, и ионный баланс компонентов бумажной массы. На удерживание также оказывают влияние режим работы оборудования для получения бумаги и бумагуформирующее средство. Температура, pH, тип волокон пульпы, вес листа, размер проволоки (сетки) в мешках, тип обезвоживания, степень замкнутости системы и скорость машины все это влияет на удерживание пигмента.

Удерживание можно измерить, изготавливая бумагу и определяя ее оптические свойства или используя метод Britt Lar, в котором контролируют различные параметры и который является близким к условиям производства (см. например, пример 1).

Разработаны отдельные вспомогательные вещества (добавки) удерживания и фиксирующие агенты для улучшения удерживания во влажной массе пигментов и других добавок. Однако эти химикаты часто приводят к коагуляции (или флокуляции) и должны применяться с осторожностью. Коагулирующие химикаты, такие как квасцы (сульфат алюминия) или полимеры, добавляют для образования желатинообразных осадков или хлопьев (флокул), которые абсорбируют и улавливают пигмент. Это трудно контролировать, и это влияет на качество и поверхностные характеристики бумаги. Таким образом, существует потребность в пигментах, имеющих высокое удерживание во влажной массе, не прибегая к фиксирующим агентам.

Известные добавки удерживания часто предназначены для того, чтобы влиять на ионный баланс коллоидных частиц, включая пигменты, в массе для производства бумаги. Частицы, суспендированные в жидкости, имеют тенденцию электрически заряжаться и окружены плотным слоем ионов, также имеющих соответствующий электрический заряд. Этот слой, в свою очередь, окружен более диффузным (плотным) заряженным слоем, и в целом жидкость также имеет электрический заряд.

Различие в электрическом заряде между плотным слоем ионов и основной частью жидкости называют зета-потенциалом, обычно измеряемым в милливольтах. В общем, удерживание коллоидов в системе производства бумаги имеет тенденцию улучшаться по мере того, как зета-потенциал приближается к нулю. Пульпа волокон и коллоидов наполнителя имеют тенденцию быть анионными или отрицательно заряженными. Удерживающие агенты уравнивают этот заряд положительными ионами, такими как (Al³⁺), подаваемыми как Al₂(SO₄)₃ или квасцами. Квасцы могут нейтрализовать отрицательно заряженное волокно и пигментные коллоиды до нулевого зета-потенциала, и возникшее равновесие улучшает удерживание во влажной массе. Однако квасцы могут также образовать алюмосодержащий полимер, который связывает одну частицу с другой, вызывая существенную флокуляцию: могут образоваться большие коагуляты ионно-притягиваемых частиц.

Также предприняты попытки модифицировать анионную природу волокон самих по себе в производстве бумаги. С этой целью целлюлозные волокна подвергали взаимодействию с веществами, которые придают положительный заряд волокнам, например, путем введения катионных атомов азота в боковые цепи молекул целлюлозы. Gess в патенте США N 4624743 описывает известные волокна катионной пульпы. Gess, в частности, описывает продукт целлюлозной пульпы, который обрабатывают в щелочных условиях конденсатом эпихлоргидрина и диметиламина, получая катионный продукт. Описано, что эти волокна обычно имеют улучшенное удерживание анионного красителя и при некоторых условиях улучшенное удерживание пигмента.

Gess отмечает, в частности (колонка 13, строка 3), что его обработка не является универсальным способом превращения добавок в катионную форму при производстве бумаги и не может обеспечить улучшенную катионизацию или удерживание для всех систем бумажного производства.

К другим известным катионным добавкам относятся катионный крахмал и катионная каолиновая глина. Например, каолин в катионной форме описан в Европейском патенте N 0382427 и в патенте США N 4767466. Другим известным наполнителем является катионный диоксид титана, раскрытый Savino в патенте США N 4874466. Savino раскрывает наполнитель, образуемый пигментом бумажного производства (например, диоксид титана), смешанным с водорастворимым катионным полимером, имеющим, по крайней мере, 50% повторяющихся звеньев солей четвертичного аммония. Кватернизованным веществом может быть сополимер эпихлоргидрина и диметиламина. Катионный полимер повышает непрозрачность и удерживание диоксида титана за счет активирования электростатического притяжения между анионными участками в бумаге и катионным зарядом, сообщенным наполнителю.

Некоторые бумажные продукты могут быть изготовлены с катионными волокнами, или, используя катионные агенты и наполнители, остается потребность в пигментах, которые имели бы улучшенное удерживание во влажной массе, не требуя специальных бумаг или отдельных добавок. Здесь разработаны новые катионные или положительно заряженные пигменты, имеющие улучшенное удерживание во влажной массе. Эти пигменты преодолевают проблемы флокуляции, связанные с известными добавками, и они не ограничивают использование конкретных пульп или масс в бумажном производстве. Удерживание за первый проход этих новых катионных пигментов приближается к 100% и оно заметно выше, чем для обычных (необработанных) пигментов. Кроме того, эти новые пигменты могут быть получены и использованы более экономично, чем известные вспомогательные вещества для удерживания или системы катионной пульпы.

В качестве одного примера структурированный агрегатный пигмент, включающий вещество в виде частиц и функциональный микрогель и коммерчески доступный как Norplex 604 (Nald Kaolin Company, Jeffersonville, GA), имеет удерживание за первый проход 4% в обычной системе Britt Sar. Будучи обработанным согласно данному изобретению, получающийся пигмент имеет удерживание за первый проход 94% Сущность изобретения.

Обнаружено, что структурированные агрегатные пигменты, включающие комплекс вещества в виде частиц и функционального микрогеля, могут быть в дальнейшем обработаны и переведены в катионную форму с помощью модифицированного или немодифицированного продукта конденсации аэпихлоргидрина и диметиламина.

Кремнийсодержащее или силановое соединение может быть необязательно добавлено для того, чтобы контролировать вязкость. Например, можно использовать небольшие количества NH₂(CH₂)₂NH(CH₂)₃Si(OMe)₃. Метоксигруппа может быть замещена любой алкоксигруппой, имеющей от двух до четырех атомов углерода. Подходящее силановое соединение известно как Z-6020, поставляемое Dow chemical Company. Количество силанового соединения предпочтительно составляет от 0,025 до 1% от общих ингредиентов и 0,5% особенно предпочтительно.

К подходящим структурированным пигментам относятся пигменты, описанные Kaliski в патенте США N 5116418.

Предпочтительный структурированный агрегатный пигмент включает 60% прокаленной глины и 40% диоксида титана как вещества в виде частиц и функциональный микрогель, включающий от менее чем 0,5% вплоть до около 8 или 10% от общего состава. Один из предпочтительных составов имеет содержание геля от 0,3 до 0,35% Другой предпочтительный состав имеет содержание геля 8% Пигмент этого типа коммерчески доступен в виде Norplex 604 (Nord Kaolin Co.). Другой пригодный структурированный агрегатный пигмент получают со 100%-ной водной непрокаленной глиной в качестве вещества в виде частиц. Этот пигмент коммерчески доступен как Norplex 100. Эти пигменты могут также содержать латексный компонент, который может быть добавлен для усиления и/или модификации конечных или других характеристик бумажного листа.

Функциональный микрогель представляет собой продукт реакции сшивания между агентом, отверждающим водный гель, и смесью водного гидрозоля ионных силикатов и алюминатов щелочных металлов (например, алюминат натрия) или цинкатов. Отверждающий гель агент может быть бивалентной или моновалентной неорганической солью (например, хлорид кальция) и/или органическим катионно-активным соединением с по крайней мере двумя реакционноспособными группами. Силикаты могут быть силикатами щелочных металлов (например, силикат натрия) и/или силикатами четвертичного аммония.

Подходящие Эпи-ДМА (эпихлоргидрин диметиламин) продукты конденсации включают в себя конденсации эпихлоргидрина с диметиламином или с замещенным диметиламином со сшивающими агентами, такими как аммиак или первичный алифатический амин. Предпочтительными Эпи-ДМА конденсатами являются поставляемые Nalco chemical Company Oak Brook III, включая Nalco N-7655 (немодифицированный Эпи-ДМА), Nalco N-7135 (с гексаметилендиамином или ГДМА НДМА замещенный ДМА) и Nalco N-7607 (Эпи-ДМА, сшитый аммиаком). Среди них четвертичная структура (Nalco N-7607 или 3-хлор-2-гидроксипропил триметил аммоний хлорид) наиболее предпочтительна. Эпи-ДМА конденсат используют в относительно малых количествах, таких как от 3 до 4% от суммы ингредиентов. К другим подходящим конденсатам относятся Etadurine 31, Etadurine 21 (Akro chemical Company) и Nalco 634. Структура мономеров, используемых для получения представительных Эпи-ДМА конденсатов, может быть иллюстрирована следующим образом: Для удобства, термин "Эпи-ДМА", используемый в данном описании, включает любой подходящий модифицированный или немодифицированный продукт конденсации эпихлоргидрина и диметиламина и любые их производные или эквиваленты.

Катионные пигменты согласно изобретению получают путем комбинирования Эпи-ДМА конденсата с суспензией структурированных микрогелевых пигментов в турбулентных условиях. Время реакции и температура не являются существенными. Для улучшенной дисперсности и для удобства предпочтительными условиями реакции являются быстрое добавление Эпи-ДМА и комнатная температура. Суспензия может содержать максимум около 50% твердых веществ. После обработки вещество в катионной форме сушат обычным способом, таким как сушка распылением при температурах выше 100^oC (например, 250-300^oC). При использовании сплава его следует добавлять после Эпи-ДМА конденсата, и целесообразно некоторое дополнительное перемешивание.

Детальное описание изобретения.

Согласно изобретению анионные структурированные агрегатные пигменты могут быть превращены в катионную форму путем обработки веществом Эпи-ДМА конденсата. Структурированный пигмент включает вещество в виде частиц и функциональный микрогель и может необязательно включать катионный или анионный латексный компонент, добавляемый для прочности. Однако установлено, что использование катионного латекса не оказывает заметного влияния на заряд или удерживание конечного структурированного пигмента и не является подходящей альтернативой Эпи-ДМА компоненту. Для модификации вязкости после катионизации с помощью Эпи-ДМА может быть добавлен силановый компонент.

Эксперименты показали, что Эпи-ДМА компонент следует использовать в жидкой суспензии в любое время после инициирования образования микрогеля (например, путем добавления хлорида кальция). Попытки добавлять катионизирующий агент раньше не увенчались успехом, либо потому что структурированный пигмент не смог образоваться, либо потому что образовавшийся продукт был недостаточно катионным. Например, катионный Эпи-ДМА конденсат, такой как Nalco 7607, может быть использован вместо гелеобразующего агента хлорида кальция в составе структурированного пигмента, такого как Norplex 100. Однако для получения требуемых катионных свойств все же должен быть добавлен дополнительный Эпи-ДМА конденсат после образования пигмента. Это подтверждает то, что Эпи-ДМА конденсат не взаимодействует с твердыми частицами компонентов или не катионизирует твердые частицы компонентов структурированного пигмента и наиболее вероятно взаимодействует с компонентами геля, но только после того, как гель образован in situ с частицами твердого вещества. В любом случае практикующему специалисту в данной области очевидно, что расчет по времени добавления Эпи-ДМА, также как и другие рабочие параметры, может варьироваться в широком диапазоне в зависимости от требуемых результатов, таких как вязкость и содержание твердых веществ. Например, когда требуется содержание твердых веществ выше, чем около 40% можно свести к минимуму проблемы, связанные с вязкостью, путем добавления Эпи-ДМА компонента сначала к суспензии с низким содержанием твердых веществ с последующим одновременным добавлением более высоко сруктурированного твердыми веществами пигмента и дополнительного Эпи-ДМА.

Теоретически Эпи-ДМА и/или силановые соединения ковалентно связаны с молекулами микрогелевого компонента структурированного пигмента через находящиеся на поверхности атомы кислорода. Этот способ катионизации пигмента сам по себе отличается от обычного добавления катионизирующих агентов, таких как длинноцепочечные катионные полиаминовые полимеры, к массе бумажного производства. Известные вспомогательные вещества для удерживания оказывают воздействие на заряд массы в целом, но, как полагают, они остаются суспендированными в смеси для получения бумаги, они не взаимодействуют с пигментом. Кроме того, независимое влияние Эпи-ДМА и силановых компонентов на вязкость и зета-потенциал, как показано ниже, подтверждает, что эти компоненты связаны с различными реакционноспособными участками и имеют различные равновесные состояния связывания.

Было обнаружено, что добавление Эпи-ДМА и/или силана к суспензии, полученной из сухого структурированного пигмента (например, 43% твердых веществ) обычно вызывает флокуляцию, но затем суспензия становится текучей. Это подтверждает, что частицы пигмента, которые первоначально анионные (отрицательно заряженные), отталкиваются друг от друга и диспергируются в суспензии. Как только Эпи-ДМА (или силан) добавляют, отрицательные заряды нейтрализуются и частицы стремятся агломерировать. По мере увеличения добавления катионизирующего вещества частицы становятся положительно заряженными и снова отталкиваются друг от друга, приводя к образованию катионной жидкости. Таким образом, флокуляция представляет собой контролируемое и переходное явление, которое имеет место (если оно и имеет место) во время получения катионного пигмента, а не во время процесса изготовления бумаги. Это является существенным преимуществом по сравнению с известными катионными добавками удерживания, которые добавляют на стадии окончания приготовления влажной бумажной массы процесса бумажного производства. Известные катионные добавки часто вызывают нежелательную флокуляцию, что может засорить бумагоделательное оборудование и изменить качество поверхности бумаги.

Пример 1. Приготовление пульпы бумажного производства и тест Britt Sar.

Чтобы оценить катионные пигменты изобретения, получают типичную массу бумажного производства, включающую 50% пульпы твердой древесины и 50% пульпы мягкой древесины с 2,75%-ной консистентностью и 385 Canadion standard Freeness. Массу получают путем разбавления приблизительно 30 сухих граммов пульпы 2000 мл воды и перемешивания. Добавляют 10 сухих граммов пигмента, и смесь перемешивают в течение двух минут. Затем добавляют 0,2 г сухих квасцов, смесь перемешивают в течение пяти минут и затем разбавляют до общего объема 8 л. pH полученной смеси доводят до 8±0,2 при помощи 10% NaOH. Конечную пигментную массу оценивают, используя обычный метод Britt Sar.

В Britt Sar (сосуд) устанавливают мотор для перемешивания со скоростью 1000 об/мин. Сосуд имеет вход для добавления материалов для получения бумаги и выход, который соединен с фильтром. Фильтр улавливает вещества, которые не удерживаются системой. Каждую стадию теста Britt Sar контролируют с помощью таймера согласно следующей программе (в с): Время Действие 0 Добавить 500 мл массы бумажного производства
20 Включить мотор для перемешивания
25 Добавить добавку удерживания
30 Открыть выход и собрать фильтрат в течение 30 с
60 Остановить мотор, промыть и высушить сосуд для следующего опыта
Фильтрат взвешивают и фильтруют под вакуумом через взвешенную обеззоленную фильтровальную бумагу. После высушивания в печи и охлаждения в эксикаторе определяют вес фильтровальной бумаги. Затем фильтровальную бумагу сжигают при 900^oC в печи в течение 3 ч и определяют вес золы. Количество испытываемого вещества в фильтрате, не удержанного массой бумажного производства, представляет собой разницу между весом фильтровальной бумаги и весом золы.

Пример 2. Приготовление анионных исходных пигментов.

Согласно изобретению анионные структурированные агрегатные пигменты, включающие вещество в виде частиц и функциональной микрогель, катионизируют, получая новые катионные пигменты. Анионные исходные пигменты можно получить согласно Kaliski по паткнту США N 5116418.

Предпочтительный исходный пигмент коммерчески доступен как Norplex 604 (или 604, Nord Kaolin Company, Jeffersonville, GA). Norplex 604 получают следующим образом.

Типичный структурированный агрегатный пигмент получают, используя гель, полученный из 2 частей силиката натрия образователя гидрозоля, 2 частей алюмината натрия образователя гидрозоля и 4 частей хлорида кальция - гелеобразующего агента, на 100 вес. ч. твердого вещества в виде частиц. Сначала приготавливают разбавленную суспензию с приблизительно 20%-ным содержанием твердого вещества в виде частиц (например, каолиновая глина). В предпочтительном варианте, таком как Norplex 604, частицы состоят из 60% прокаленной глины и 40% диоксида титана. Водную суспензию с частицами разделяют на две равные порции. 5%-ный раствор твердых веществ, содержащий 2 части силиката натрия (в расчете на сухой), добавляют при перемешивании к одной порции суспензии, и 5% -ный раствор твердых веществ, содержащий 2 части алюмината натрия (в расчете на сухой), добавляют к другой порции. После этого порции суспензии соединяют при интенсивном перемешивании с образованием новой суспензии, содержащей суб-коллоидный реакционноспособный натрийсилико-алюминатный гидрозоль.

Затем быстро добавляют 5%-ный раствор твердых веществ, содержащий 4 части хлорида кальция (в расчете на сухой) гелеобразующего агента, при интенсивном и возрастающем перемешивании, достаточном для поддержания завихрения, с быстрым и однородным распределением гелеобразующего агента. В этих условиях суспензия флокулированная частица/функциональный микрогель образуется за приблизительно 2 с после начала стадии добавления хлорида кальция. Эту суспензию отфильтровывают и обезвоживают, подвергая или не подвергая старению, и затем промывают и сушат, получая фильтровальную лепешку (осадок на фильтре). Затем фильтровальную лепешку предварительно разрушают (дробят) и превращают в порошок, используя обычное оборудование для распыления.

На практике алюминат натрия можно заменить полностью или частично цинкатом натрия или другим образователем гидрозоля. Компонент-хлорид кальция можно заменить на нитрат кальция или другой гелеобразующий агент. Латексный компонент, такой как стиролбутадионовый латекс, может быть добавлен до гелеобразования.

Структурированные пигменты можно подавать в нескольких формах, включая суспензию, в сухой форме (в виде порошка), а также в виде влажной или сухой фильтровальной лепешки и в виде фильтровальной лепешки, полученной в вакууме. Все формы пригодны для данного изобретения, хотя некоторые являются предпочтительными из-за легкости манипулирования ими. Так, сухой порошкообразный пигмент дает лучшую (более низкую) вязкость во время приготовления состава, чем влажный отжатый осадок на фильтре (фильтровальная лепешка). Высушенный в печи отжатый на фильтре осадок имеет лучшую вязкость, чем влажный осадок, но не такую хорошую, как сухой порошкообразный пигмент. Однако отмечается, что вязкость можно модифицировать путем добавления силанового соединения и/или путем регулирования содержания твердых веществ пигментной суспензии или количества Эпи-ДМА конденсата, используемого для катионизации.

В другом варианте воплощения изобретения микрогель можно получить независимо, например, из его силиката, алюмината или гелеобразующих компонентов, и после этого смешать с суспензией вещества в виде частиц.

Пример 3. Приготовление пигмента и зольное удерживание по методу Britt Sar.

Каждый пигмент, подлежащий катионизации, медленно добавляют к воде без какого-либо диспергирующего агента до тех пор, пока не получат жидкую гомогенную суспензию с максимальным содержанием твердых веществ. Пигмент можно добавлять в виде суспензии, в сухом виде, в виде осадка (лепешки), полученного при вращении в вакууме, или в виде отжатого на фильтре осадка. Подходящим примером является Norplex 604 (Nord Kaolin Company). К этой суспензии добавляют Эпи-ДМА конденсат, такой как Nalco 7607. При необходимости для уменьшения вязкости после Эпи-ДМА конденсата можно добавить силановое соединение, такое как Dow Corning Z 6020.

Получено несколько пробных составов, представленных в табл. 1. В каждом случае необработанный пигмент разбавляют водой до расчетного процентного содержания твердых веществ. Действительное содержание твердых веществ можно варьировать, и на него может оказывать влияние добавление других добавок. Добавление других добавок может также влиять на вязкость. В частности, вязкость (λ) суспензии пигмента имеет тенденцию сначала увеличиваться и затем понижаться с увеличением количества Эпи-ДМА конденсата. Однако найдено, что можно достичь такого значения минимальной вязкости, после которого введение дополнительного конденсата не оказывает влияния на вязкость. В испытываемом диапазоне никакого изменения вязкости не происходит при концентрациях Эпи-ДМА свыше 34,05 кг/т (75 фунт/тонна) необработанного пигмента вплоть до около 61,29 кг/т (135 фунт/тонна).

Также обнаружено, что размер частиц катионизированных пигментов согласно изобретению в основном тот же самый или мельче, чем необработанных пигментов. Ни катионизация, ни катионизация катионизация с добавлением силана (например, Dow-6020) не вызывают изменения в коэффициенте рассеяния от черного стекла конечного катионного пигмента по сравнению с необработанным пигментом. Однако коэффициент рассеяния может снижаться при доведении pH ниже 6,6. Все испытанные пигменты проходят через 325 меш фильтр без остатка.

Зольное удерживание каждого обработанного и катионного пигмента испытывают, используя Britt Sar, и результаты для типичных составов представлены в табл. 1. Каждое испытание проводят дважды. Добавку удерживания добавляют в количествах 0; 0,11; 0,23; 0,454 кг (0, 0,25; 0,5 и 1 фунт) добавки удерживания на тонну сырьевой смеси. Как показано в табл. 1, зольное удерживание для каждого из обработанных катионных пигментов варьируется от 76 до 100% в то время как для необработанного контроля не превышает 4% Это эффективное и неожиданное улучшение.

В общем, катионный пигмент получают, добавляя необходимое количество Эпи-ДМА конденсата к суспензии анионного структурированного пигмента, имеющего требуемое содержание твердых веществ. После этого для улучшения вязкости можно добавить силановое соединение, и исходный пигмент можно сформулировать с латексным соединением или без латексного соединения для достижения прочностных характеристик. Эпи-ДМА и силан можно добавлять быстро, при перемешивании, для получения гомогенной дисперсии, но время перемешивания не является существенным.

При использовании исходного пигмента, полученного в виде осадка на фильтре, целесообразно разбавлять пигмент водой для получения текучего осадка. Предпочтительное содержание твердых веществ для этого типа исходного пигмента составляет менее чем 50% предпочтительно около 44% С более высоким содержанием твердых веществ, хотя и возможно, трудно обращаться, и оно может затруднить диспергирование при перемешивании, например, с помощью обычного сверлильного станка. Эпи-ДМА конденсат можно добавлять к текучему осадку до тех пор, пока он не пройдет через стадию флокуляции и снова не достигнет жидкого состояния. Можно добавить дополнительно Эпи-ДМА, но предпочтительно остановиться в точке или около точки, когда смесь представляет собой жидкость или когда достигнуто равновесие или плато вязкости. В качестве одного примера 44% суспензию Norplex 604 осадка на фильтре можно объединить с около 40,86 кг/т (90 фунт/тонна) Nalco 7607 Эпи-ДМА конденсатом, чтобы получить конечное содержание твердых веществ 43,9% Эту смесь в дальнейшем можно обработать 6 фунт/тонна Dow Z-6020 силана.

Пояснения к табл. 1:
1. 30 фунт/тонна Rohm Haas 9400 (Philadelphia, PA) используют вместо Nalco 7607 и диспергируют в суспензию смесителем (10 мин), затем перемешивают в течение 1 ч.

2. l вязкость.

3. Порцию 6 разбавляют до 30%-ного содержания твердых веществ, сушат распылением, добавляют в воду и диспергируют в смесителе (5 мин). Полученную суспензию разбавляют до 30%-ного содержания твердых веществ и процеживают через 325 меш.

4. Hycar латекс (B.F.Goodrich, Cleveland, OH), используемый вместо обычной латексной формы.

5. 10 фунт/тонна Dispex N-40 (Allied Colloids, Suffolk, VA) и 20 фунт/тонна ТНПФ (тетранатрий пирофосфат), используемый вместо Nalco 7607.

Типичные испытания по вязкости дают результаты, приведенные в табл. 2.

Тесты на зета-потенциал подтверждают, что необработанные пигменты анионы, в то время как обработанные пигменты катионы. Необработанный Norplex 604 (например, табл. 1, порция 1) имеет при испытании зета-потенциал около -42.

Norplex 604, обработанный согласно изобретению, имеет зета-потенциал около +32 (без силана) и около +42 (с силаном). По-видимому, добавление силана увеличивает зета-потенциал, но в испытываемой системе это слегка понижает наблюдаемое зольное удерживание (табл. 1). Принципиальное влияние силана (например, Z-6020) сказалось на вязкости, на которую также влияет количество Эпи-ДМА конденсата (например, Nalco 7607). Например, вязкость по Brookfield имеет тенденцию выравниваться при около 1300 сП и 50% твердых веществ при использовании 34,05 кг/т (75 фунт/тонна) Nalco 7607. Когда добавляют 1,36 кг/т (3 фунт/тонна) Z-6020, вязкость падает до около 500 сП при 52% содержании твердых веществ.

Испытания на Hercules подвижность и испытания на цветную реакцию с толуидином синим (Toluidine blue) 0 также подтверждают, что необработанные контрольные пигменты являются анионными, в то время как пигменты, обработанные согласно изобретению, являются катионными. В показательном тесте на Hercules подвижность необработанный Norplex 604 перемещается до значения -92. Norplex 604, обработанный согласно данному изобретению, перемещается до значения +72.

Соотношения и содержание твердых веществ структурированного пигмента, Эпи-ДМА конденсата и силанового соединения не являются существенными, и их можно регулировать при необходимости, чтобы получить различные условия бумажного производства и различные характеристики бумаги, такие как вязкость, зета-потенциал, вес и финишная поверхность и т.п. Установлено, что для коммерческих целей содержание твердых веществ первоначальной загрузки структурированного пигмента может доходить до 100% Содержание твердых веществ финальной (конечной) смеси сырья обычно может доходить до примерно 55% Эпи-ДМА обычно добавляют в количествах, находящихся в пределах до около 68,04 кг/т (150 фунт/тонна) структурированного пигмента. Силановое соединение можно добавлять в количествах от около 0 до около 2,72 кг/т (6 фунт/тонна).

Подходящие формуляции (рецептуры) включают смесь из 52% твердых веществ, включающую 34,05 кг/т (75 фунт/тонна) Эпи-ДМА (например, Nalco 7607) в суспензии, полученной из сухого структурированного пигмента (например, Norplex 604), с последующим добавлением 1,36 кг/т (3 фунт/тонна) силана (например, Z-6020).

Пример 4. Влияние катионизации на свойства при производстве бумаги.

Некоторые формуляции согласно изобретению оценивали по размеру частиц, коэффициенту рассеяния, вязкости (в сантипуазах или сП) и pH. Испытываемые формуляции и результаты испытаний представлены в табл. 3.

Как следует из табл. 3, катионизация и/или обработка силаном не оказывает заметного воздействия на размер частиц или коэффициент рассеяния, но все же оказывает влияние на вязкость (l).

Пример 5. Сравнение катионных и анионных пигментов.

Получают типичные партии катионных пигментов для сравнения с известными катионными добавками. Испытанные формуляции и результаты зольного удерживания представлены в табл. 4.

Каждый из анионных и катионных структурированных пигментов (604-0, 604-1 и 604-2 ) испытывают в массе для получения бумаги, имеющей дополнительный флокулирующий ингредиент, Nalco 7533, в количестве 0,11; 0,23; 0,34; 0,454 кг/т (0,25; 0,5; 0,75 и 1 фунт/тонна). Как следует из табл. 4, некоторые формуляции (рецептуры) также имели 1,135 кг/т (2,5 фунт/тонна) коагулянта, Nalco 7583. Эти пигменты сравнивают с массой для бумажного производства, имеющей доиоксид титана (TiO₂) или карбонат кальция (CaCO₃) в качестве наполнителей. Другие серии используют массу для бумажного производства, имеющую 25% структурированного пигмента и 75% карбоната кальция в качестве наполнителя.

Как видно из табл. 4, необработанный анионный структурированный пигмент (Norplex 604-0) имеет более низкое зольное удерживание, чем диоксид титана и карбонат кальция, даже с флоккулянтом (Nalco 7533) и независимо от того, использовали или не использовали коагулянт (Nalco 7583). В резком контрасте катионные структурированные пигменты (Norplex 604-1 и 604-2 ) имеют более высокое зольное удерживание, чем другие наполнители, кроме известных удерживающих добавках. Это также справедливо в случае, когда структурированный пигмент используют в комбинации с карбонатом кальция: катионные структурированные пигменты демонстрируют превосходное удерживание.

Наблюдаемое зольное удерживание 604-1 (без силана) выше, чем для 604-2 (с силаном). Это неожиданно, потому что зета-потенциал выше для 604-2.

Пример 6. Изучение анионных пигментов и диоксида титана.

Удерживание анионного структурированного пигмента (Norplex 604) сравнивают с диоксидом титана (рутил TiO₂) в щелочной древесной свободной композиции при 25% -ной добавке наполнителя. Сравнение проводят в отдельно взятой пигментной системе и в смеси 25% испытываемого пигмента и 75% Albacar (CaCO₃) пигмента (Pfizer, New York, NY). Для измерения удерживания используют Britt Sar при 1000 об/мин.

Анионный Norplex 604 имеет более низкое удерживание за первый проход и зольное удерживание, чем O₂. В отдельной пигментной системе это различие существенно, причем зольное удерживание TiO₂ за первый проход несколько выше, от 9 до 36% чем Norplex 604. В 75% Albacar системе различие существенно меньше (от 0 до 11%).

Обычные удерживающие добавки также испытывали в этих анионных пигментных системах. Испытаны различные комбинации коагулянта (Nalco 7585 или 7583) и флокулянта (Nalco 7533 или Hydraid 777). Наилучшие результаты получены при использовании Nalco 7583 в качестве коагулянта и Nalco 7533 в качестве флокулянта. Hydraid 777, катионный полимер высокой молекулярной массы, имеет наименьшее влияние на удерживание в условиях испытания. Nalco 7585 представляет собой катионный полиакрилат и Nalco 7583 представляет собой катионный поликватернизованный амин. Nalco 7533 представляет собой анионный акриламид/акрилатный полимер и Hydraid 777 представляет собой катионный сополимер, доступный от Calgon.

Тесты проводят, используя рецептуру бумажного производства, имеющую 30 сухих грамм пульпы (50% отбеленной крафт-целлюлозы твердой древесины и 50% отбеленной крафт-целлюлозы мягкой древесины при 2,8%-ной консистентности и 400 C.S.F.), смешанной в 2000 мл воды. Десять сухих грамм пигмента добавляют, чтобы получить щелочную непокрытую древесную свободную композицию с 25% -ной добавкой наполнителя. Затем добавляют 0,5%-ный (сухой/сухой) водный сульфат алюминия (0,20 г). Добавляют соответствующий коагулянт, и смесь разбавляют до 0,5%-ной консистентности (8 л). pH доводят до 8 разбавленным NaOH, и 500 мл добавляют в Britt Sar с оранжевой проволокой для поручения бумаги при 1000 об/мин. После 5 с перемешивания при 1000 об/мин добавляют соответствующий флокулянт с последующим перемешиванием в течение еще 5 с. Затем Britt Sar освобождают (дают стечь) в течение 30 с, и определяют удерживание за первый проход и зольное удерживание, как описано в примере 1.

Испытано пять пигментных составов:
A. Albacar (осажденный карбонат кальция от Pfizer),
B. Анионный Norplex 604,
C. TiO₂,
D. 25% Norplex 604 + 75% Albacar,
E. 25% TiO₂ + 75% Albacar.

Используемыми коагулянтами были:
1. отсутствует,
2. Nalco 7585 (1,25; 2,50; 3,75; 5,00 фунт чистый/тонна),
3. Nalco 7583 (1,25; 2,50; 3,75; 5,00 фунт чистый/тонна) (1 фунт 0,454 кг).

Используемыми флокулянтами в количествах 0,25, 0,50 0,75 и 1,00 фунт/тонна были:
4. отсутствует,
5. Hydraid 777 (без коагулянта),
6. Nalco 7533, Nalco 7585, Полиакрилатный коагулянт и 7533 флокулянт.

Все пять пигментных систем (N-604, TiO₂, Albacar, N-604 + Albacar, TiO₂ + Albacar) имеют удерживание за первый проход от 69 до 74% и зольное удерживание 3-12% без добавок удерживания. Добавление 0,57 до 2,27 кг/т (1,25 до 5,00 фунт чистый/тонна) Nalco 7585 коагулянта без флокулянта существенно не улучшает удерживание. Удерживание за первый проход для этих формуляций колеблется в диапазоне от 68 до 75% и зольное удерживание колеблется от 1 до 19% Добавление 0,25 до 1 фунт активный/тонна Nalco 7533 флокулянта существенно увеличивает удерживание для пигмент + Albacar систем, но не для Norplex 604 и TiO₂, отдельно взятых пигментных систем. Эти результаты представлены в табл. 5. Norplex 604 имеет на 4-14% более низкое удерживание за первый проход и на 12-36% более низкое зольное удерживание за первый проход по сравнению с TiO₂ в отдельной пигментной системе при использовании от 0,25 до 1,00 фунт/тонна Nalco 7533 и от 1,25 до 5,00 фунт/тонна Nalco 7585. Различие незначительно в двойной пигментной системе с 75% Albacar.

Nalco 7583, Поликватернизованный аминовый коагулянт и 7533 флокулянт.

Norplex 604 имеет на 6-11% более низкое удерживание за первый проход и на 9-26% более низкое зольное удерживание по сравнению с TiO₂ в отдельной пигментной системе, с 1,25 до 2,50 фунт/тонна Nalco 7583 и 0,25 до 1,00 фунт/тонна Nalco 7533. Удерживание за первый проход было на от 1 до 5% ниже для Norplex 604, чем для TiO₂ в рецептурах, имеющих 75% Albacar. Зольное удерживание за первый проход было на от 6 до 11% ниже для Norplex 604 в 75% Albacar рецептурах. Результаты представлены в табл. 6.

Hydraid 777 удерживающая добавка.

Катионные полимеры с высокой молекулярной массой могут быть использованы в качестве удерживающих добавок в некоторых системах бумажного производства и для некоторых пигментов. Один из них Hydraid 777 (Calgon, Pittsburgh, PA). Однако 0,25 до 1,00 фунт/тонна Hydraid 777 несущественно улучшает удерживание анионного Norplex 604 или TiO₂ в отдельной пигментной системе. Удерживание за первый проход для Norplex 604 и TiO₂ в этой рецептуре составляет от 68 до 76% и зольное удерживание составляет от 6 до 27% В 75% Albacar рецептуре для Norplex 604 удерживание за первый проход было на 5-6% ниже и зольное удерживание на 5-11% ниже, чем для TiO₂.

Сравнительное удерживание анионного и катионного пигментов.

Как показано здесь, удерживание структурированного пигмента, такого как анионный Norplex 604, может быть улучшено в некоторых системах бумажного производства путем использования комбинации удерживающих добавок (такой как коагулянты и флокулянты), особенно когда структурированный пигмент не является единственным пигментом в системе (например, 25% пигмента и 75% других наполнителей). Улучшение менее заметно и часто незначительно в отдельно взятой пигментной системе.

Это подтверждает, что известные удерживающие добавки являются эффективными для наполнителей в виде частиц, таких как Albacar, но они менее эффективны для структурированных пигментов, таких как Norplex 604. Кроме того, отдельные удерживающие добавки и их соотношения должны тщательно подбираться для каждой системы бумажного производства обычно методом проб и ошибок, чтобы получить требуемые свойства (когда возможно).

Сравнение с примерами с 1 по 6 показывает, что удерживание катионного структурированного пигмента, приготовленного и катионизированного согласно изобретению, неизменно много выше, чем удерживание необработанного структурированного пигмента или диоксида титана. Это улучшение получают с минимальными количествами анионных удерживающих добавок и удерживающих добавок некатионно коагулянтного типа в рецептуре бумажного производства. Это улучшение сводит к минимуму потенциальную опасность высоких уровней коагулянтов и флокулянтов, которые могут отрицательно влиять на качество финишных листов бумаги.

Формула изобретения

1. Катионный пигмент, включающий структурированный агрегат вещества в виде частиц и микрогель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит модифицированный или немодифицированный эпихлоргидрин диметиламиновый конденсат.

2. Пигмент по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по крайней мере один из латексного компонента и силанового компонента.

3. Пигмент по п.1, отличающийся тем, что вещество в виде частиц является по крайней мере одним из водной глины, прокаленной глины и диоксида титана.

4. Пигмент по п.1, отличающийся тем, что микрогелевый компонент получен из реагентов, выбранных из группы, состоящей из силикатов щелочных металлов и силикатов четвертичного аммония, реагентов, выбранных из группы, состоящей из алюминатов щелочных металлов и цинкатов щелочных металлов, реагентов, выбранных из группы, состоящей из хлорида кальция и нитрата кальция.

5. Пигмент по п.1, отличающийся тем, что микрогелевый компонент получен из силиката натрия, алюмината натрия и хлорида кальция.

6. Пигмент по п.5, отличающийся тем, что микрогелевый компонент составляет 0,3 10,0 мас. от структурированного агрегата.

7. Пигмент по п.1, отличающийся тем, что эпихлоргидрин диметиламиновый конденсат составляет 3 4 мас. пигмента.

8. Пигмент по п.1, отличающийся тем, что эпихлоргидрин диметиламиновый конденсат представляет собой по крайней мере один из немодифицированных, гексаметилензамещенных и сшитых эпихлоргидрин диметиламиновых конденсатов.

9. Пигмент по п.1, отличающийся тем, что эпихлоргидрин диметиламиновый конденсат имеет мономерный компонент формулы

10. Пигмент по п.2, отличающийся тем, что латексным компонентом является стирол бутадиеновый латекс.

11. Пигмент по п. 2, отличающийся тем, что силановый компонент имеет формулу
NH₂(CH₂)₂ NH(CH₂)₃Si(OMe)₃.

12. Пигмент по п. 1, отличающийся тем, что содержание твердых веществ структурированного агрегата составляет не более 55 мас.

13. Пигмент по п. 1, отличающийся тем, что он содержит эпихлоргидрин диметиламиновый конденсат в количестве не более 68,04 кг/т структурированного агрегата.

14. Пигмент по п.2, отличающийся тем, что он содержит силановый компонент в количестве не более чем 2,72 кг/т структурированного агрегата.

15. Пигмент по п.1, отличающийся тем, что компонент в виде частиц состоит из прокаленной глины в количестве 60 мас. и диоксида титана в количестве 40 мас. микрогелевый компонент получен из силиката натрия, алюмината натрия и хлорида кальция при массовом соотношении 2 2 4 соответственно, а эпихлоргидрин диметиламиновый конденсат сшит и находится в количестве не более 68,04 кг/т структурированного агрегата.

16. Пигмент по п. 15, отличающийся тем, что он дополнительно содержит силановое соединение в количестве не более 2,72 кг/т структурированного агрегата.

17. Способ получения катионного пигмента из структурированного агрегата, содержащего микрогель, отличающийся тем, что структурированный агрегат в виде суспензии подвергают обработке модифицированным или немодифицированным эпихлоргидрин диметиламиновым конденсатом.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что после обработки эпихлоргидрин диметиламиновым конденсатом в суспензию вводят силановый компонент.

19. Способ по п.17, отличающийся тем, что эпихлоргидрин диметиламиновый конденсат вводят при смешивании в количестве не более чем 68,04 кг/т структурированного агрегата.

20. Способ по п.18, отличающийся тем, что силановый компонент вводят в количестве не более 2,72 кг/т структурированного агрегата.

21. Способ по п.17, отличающийся тем, что используют структурированный агрегат, полученный путем образования in situ алюмосиликатного микрогеля в водной суспензии вещества в виде частиц.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что вещество в виде частиц получено из по крайней мере одного из водной глины, прокаленной глины и диоксида титана, а алюмосиликатный микрогель получен при интенсивном перемешивании алюминийсодержащего вещества, силиката и хлорида кальция, как гелеобразующего агента, при их массовом соотношении 2 2 4 соответственно.

23. Способ по пп.17 и 18, отличающийся тем, что эпихлоргидрин диметиламиновый конденсат имеет мономерную формулу

а силановый компонент имеет формулу
NH₂(CH₂)₂ NH(CH₂)₃ Si(OMe)₃.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4