説明

水性組成物ならびに紙及び板紙の製造におけるその使用

25℃で計測した場合に実質的に均一な液体である、ポリケイ酸塩を含む水性組成物を調製する方法であって、i)ケイ酸塩の供給源を有する水性液体を用意する工程、ii)液体のpHを約2〜約10.5に調節して、それによってケイ酸塩の重合を生じさせる工程、iii)重合が実質的に完了するのに十分な時間を許し、それにより、ゲル化材料を含む生成物を形成する工程、iv)ゲル化材料を、実質的に均一な液体を形成するのに十分な剪断に付す工程を含む方法。この方法により作製される新規な水性組成物は無機填料又は保持/水抜き助剤のいずれかとして、紙及び板紙の製造に有用である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水性ポリケイ酸塩組成物及びその調製ならびに紙及び板紙の製造における無機填料、補強剤又は保持/水抜き助剤としてのその使用に関する。同じく本発明に含まれるものは、水性ポリケイ酸塩組成物が無機填料及び/又は補強剤及び/又は保持/水抜き助剤として含まれる紙及び板紙を製造する方法である。
【0002】
製紙工程で無機填料を含めることは一般に実施されている。たとえば、EP−A−0880618では、カチオン化沈降炭酸カルシウム(PCC)をセルロース懸濁液に含め、PCCを含有する製紙用希薄紙料を形成する、填料含有紙を製造する方法が記載されている。この方法は、少なくとも4dl/gの固有粘度を有するポリマー保持助剤ならびにアニオン性微粒状物質、たとえば微粒状シリカ物質及び膨潤性粘土を使用する。填料保持が改善され、この方法は高填料含有紙の製造を可能にする。
【0003】
WO−A−99/04092は、高填料含有紙で生じるおそれのある強度低下の問題に関する。ケイ酸塩組成物をセルロース懸濁液に導入し、その中でケイ酸塩がセルロース繊維の周囲に三次元ネットワークを形成するものである方法が提案されている。一つの系(Ca−Flocc)では、ケイ酸ナトリウムのようなケイ酸塩を酸化カルシウムのようなカルシウム化合物と混合し、その混合物をセルロース繊維と混合したのち、それを7〜9のpHに酸性化して、ケイ酸塩の重合を起こしている。提案されたもう一つの系(Mg−Flocc)は、たとえば、ケイ酸ナトリウムと、カルシウム化合物の代わりのマグネシウム化合物とを使用している。この場合、反応混合物の重合又はゲル化は、部分的には繊維の非存在ででも実施することができるが、繊維の存在では、混合物は重合し続ける。提案されたさらなる系(Si−Flocc)は、後で約7〜9のpHに酸性化されるケイ酸塩を使用する。アルミニウム化合物を3種の系のいずれにも加えることができる。
【0004】
Mg−Flocc及びSi−Flocc系は、繊維の非存在で出発して組成物を形成することによって実施することができる。ポリケイ酸塩系は、十分な架橋を形成するのに十分な時間を許すことによって硬化させるが、凝固しすぎないように系を攪拌することが好ましい。この方法は、有意な強度改善を提供する。しかし、場合によっては、一貫した地合いを達成するのに問題が生じ、これが、散在的な強度損失を招くおそれがある。そのような場合、紙は、非常に多くの薄い箇所及び孔を含むかもしれない。
【0005】
したがって、改善された地合い及びより一貫して高い強度を示す高填料含有紙を調製するための改良された方法を提供することが要望されている。また、強度、特に濡れ強さにおけるさらなる改善を有する紙を提供する方法が要望されている。
【0006】
紙及び板紙の製造において保持及び水抜き助剤を使用することは一般に実施されている。たとえば、カチオン性ポリアクリルアミド及びカチオン性デンプンは、製紙で使用される非常に効果的な保持/水抜き助剤である。US4388150は、紙料成分の保持を改善するために製紙紙料に加える、又は汚染問題を軽減し、紙料成分価値を回収するために白水に加えるための、コロイダルシリカ及びカチオン性デンプンを含むバインダ組成物を記載している。コロイダルシリカは、ポリケイ酸の形態をはじめとする多様な形態をとることができ、コロイド形態のシリカの使用によって最良の結果が得られる。ポリケイ酸そのものは、望ましくないといわれており、安定化なしでは、貯蔵中に劣化する。
【0007】
US4954220は、ポリケイ酸でのいくらかの貯蔵又は熟成が望ましいということを明らかにする研究を開示している。しかし、ポリケイ酸の水溶液は、ひとたびゲル化すると、保持及び水抜き助剤としての利点をほとんど失うため、この特許は、ポリケイ酸の水溶液の完全なゲル化は避けるべきであると述べている。US4954220は、シリカミクロゲルの形成につながるポリケイ酸の貯蔵又は熟成が有益であることを明らかにし、シリカミクロゲルと種々のカチオン性ポリマーとの併用が、コロイダルシリカ/カチオン性デンプン組み合わせによって提供されるものと少なくとも同等であり、多くの場合、それよりも優れる保持及び水抜き助剤系を提供するといわれている。シリカミクロゲルは、ケイ酸塩を約2〜10.5のpHに酸性化することによって形成することができ、ポリケイ酸ミクロゲルの形成を可能にするためには、普通、溶液のいくらかの貯蔵又は熟成が必要であり、非常に短くてもよい熟成期間(数分程度)ののち、溶液を安定化させ、ミクロゲルのさらなる成長を遅らせるため、溶液を約1重量%以下に希釈する。
【0008】
EP−A−0235893は、剪断段階の前に少なくとも500,000の分子量のカチオン性ポリマーを加え、その剪断段階の後にベントナイトを含む無機物質を加えることによって紙及び板紙を製造する方法を記載している。この方法は、水抜き時間の改善ならびに繊維及び填料保持の増大の点で有意な利点をもたらした。
【0009】
しかし、これらの改善にもかかわらず、同等又は改善された保持と水抜きとの組み合わせを提供する、保持/水抜き系の変法がなおも要望されている。加えて、紙を製造する方法であって、特に填料含有紙の製造において、とりわけ填料が合成填料である場合、改善された視覚的性質及び/又は強度特性を示す方法を提供することが望ましいであろう。
【0010】
本発明の、無機填料又は保持/水抜き助剤として特に有用である、ポリケイ酸塩を含む水性組成物を提供する。水性組成物は、無機填料として使用される場合、高い強度及び地合いを示す高填料含有紙の形成を可能にする。加えて、保持/水抜き系の少なくとも一部として水性組成物を使用する場合、保持及び水抜きが、無機保持/水抜き助剤を使用する公知の系、たとえば微粒状シリカベースの系又は膨潤性粘土を使用する系と比べて、少なくても同じくらいには効果的であるということを見いだした。
【0011】
本発明の一つの態様で、25℃で計測した場合に実質的に均一な液体である、ポリケイ酸塩を含む水性組成物を調製する方法であって、
i)ケイ酸塩の供給源を有する水性液体を用意する工程、
ii)液体のpHを約2〜約10.5に調節して、それによってケイ酸塩の重合を生じさせる工程、
iii)重合が実質的に完了するのに十分な時間を許し、それにより、ゲル化材料を含む生成物を形成する工程、
iv)ゲル化材料を、実質的に均一な液体を形成するのに十分な剪断に付す工程
を含む方法を提供する。
【0012】
ケイ酸塩の供給源は、ゲル化してポリケイ酸塩を形成する適当なケイ酸塩化合物であることができる。好適には、そのようなケイ酸塩化合物は、一価のカチオンの水溶性モノマーケイ酸塩である。好ましくは、ケイ酸塩の供給源は、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム及びケイ酸リチウムからなる群より選択される。
【0013】
ケイ酸塩の濃度は、最適な重合を提供するのに十分であることが望ましい。濃度が低すぎるならば、重合は、起こらないか、許容し得ないほど低い速度でしか進行しない。濃度が高すぎるならば、重合速度は、制御できなくなる可能性が高い。好適には、ケイ酸ナトリウムの濃度は、1%〜約7%、好ましくは約2%〜約3%の範囲であるべきである。
【0014】
工程(i)の水性液体中にアルミニウム化合物を含めることが望ましいかもしれない。アルミニウムイオンの存在は、ゲル化速度を高め、架橋の形成を誘発する傾向にある。これは、反応時間を短縮するのに有利であるかもしれない。通常、アルミニウム化合物は、適当な水溶性アルミニウム化合物、たとえば硫酸アルミニウム又はミョウバンである。通常、ミョウバンのようなアルミニウム化合物は、ケイ酸塩1gあたり約0.4gまでの量で加えることができる。したがって、好ましい形態では、ポリケイ酸塩はポリアルミノケイ酸塩である。
【0015】
酸性化は、鉱酸のような酸性化合物を導入することによって達成することもできるし、水性液体に溶解して酸を形成する物質、たとえば二酸化炭素を導入することによって達成することもできる。あるいはまた、酸性化は、イオン交換樹脂を使用して達成してもよい。好ましくは、酸性化は、気体二酸化炭素の添加によって達成される。酸性化は、最適な重合又はゲル化を提供するpHまでであるべきである。望ましくは、工程(ii)で、pHを4〜9、好ましくは6〜8に調節する。
【0016】
ケイ酸塩の重合は、実質的に完了させるべきである。これに関して、実質的に完了とは、さらなる明かなゲル化は起こっていないが、それには満たない度合でのいくらかな度合の反応が起こっている可能性があることをいう。一つの形態では、ケイ酸塩水溶液の重合を容器の中で実施して、均質なゲル化固体である生成物を製造することができる。しかし、この形態では、方法の最終段階で剪断を実施することがあまり好都合ではないかもしれない。したがって、普通は、重合工程で液体を攪拌することが好ましい。したがって、好ましい形態では、工程(iii)で形成された生成物は、液体中に分散した非晶質ゲル化固体を含む。
【0017】
この方法の最初の3工程は、WO−A−99/04092で、特に19、30及び31頁に記載の、セルロース繊維の非存在におけるSi−Floccの調製に関して記載されている方法と同様にして実施することができる。形成する生成物は、通常は相対的低粘度の液体中に分散した非晶質固体の形態にあるゲル化ポリケイ酸塩を含有する。
【0018】
方法の最終工程は、従来の高剪断器具を使用することによって達成することができる。望ましくは、剪断器具は、Silverson又はUltra Thurraxホモジナイザであることができる。一つの好ましい形態では、いずれかの器具を使用して、ゲル化ケイ酸塩を含有する生成物を、8000rpmで1分間、剪断に付す。剪断は、実質的に均一な液体が形成することを保証するのに十分でなければならない。実質的に均一な液体とは、液体が、はっきりと目に見える大きなポリケイ酸塩固体を本質的に含有しないことをいう。これは、数ミリメートル以上の粒子が実質的に存在しないことをいう。しかし、組成物が非常に小さなポリケイ酸塩粒子を含むことは可能である。このような非常に小さなポリケイ酸塩粒子は通常、直径1mm未満であり、たとえば、少なくとも90重量%が直径1mm未満である。好ましくは、このような非常に小さなポリケイ酸塩粒子は、750ミクロン未満、好ましくは500ミクロン未満である。一般に、150ミクロンを超える粒径のポリケイ酸塩粒子は、水性組成物の1/3未満で形成するべきである。組成物は、150ミクロンを超える粒径のポリケイ酸塩粒子を、好ましくは20重量%未満、より好ましくは10重量%未満しか含まない。そのようなポリケイ酸塩粒子の割合が1%未満、特に0.1%未満であることが特に好ましい。さらには、水性組成物が他の固体、たとえばセルロース繊維を含有しないことが好ましい。
【0019】
この方法によって形成される水性組成物は新規である。組成物は、均一な溶液の形態でなければならない。たとえば、均一なゼラチン状ペーストの形態であってもよい。通常、組成物は、非晶質ケイ酸塩固体の分散系よりも有意に粘稠である。好ましくは、本発明の水性組成物は、少なくとも200mPas(ブルックフィールド粘度計を20rpm、2番スピンドルを用いて25℃、2重量%濃度で計測した場合)、好ましくは少なくとも300又は400mPas、より好ましくは少なくとも600mPasの粘度を示す。粘度が少なくとも1500mPas(ブルックフィールド粘度計を20rpm、3番スピンドルを用いて25℃、2重量%濃度で計測した場合)であることが特に好ましい。粘度は5000mPas以上の高さであってもよい。しかし、通常、粘度は、1700〜3000mPasの範囲、好ましくは2000mPas近辺である。
【0020】
水性組成物に含まれるポリケイ酸塩は通常、多くの従来の無機填料、たとえば微粉化炭酸カルシウムと比較して相対的に高い表面積を有する。しかし、多くの微粒状ポリケイ酸塩生成物、たとえばポリケイ酸塩ミクロゲルと比較すると、このポリケイ酸塩は、相対的に低い表面積を有する傾向にある。一般に、ポリケイ酸塩は、2000m2/g未満、好ましくは750〜1250m2/gの範囲、より好ましくは約1000m2/gの表面積を有する。
【0021】
S値は、凝集又はミクロゲル形成の程度を示し、より低いS値がより高い凝集度を示す。S値は、J. Phys. Chem. 60 (1956), 955-957でIler & Daltonによって記載されているようにして計測し、計算することができる。通常、ポリケイ酸塩ミクロゲルは、約12%以上のS値を示す。本発明の水性組成物に含まれるポリケイ酸塩は通常、5%未満のS値を有する。好ましくは、ポリケイ酸塩は、1〜4%の範囲、好ましくは約2.5〜3.5%のS値を有する。
【0022】
本発明の水性組成物は新規な実体であり、パラメータの独自の組み合わせによって定義することができる。したがって、ポリケイ酸塩を含む水性組成物であって、25℃で計測した場合に実質的に均一な液体であり、少なくとも200mPas(ブルックフィールド粘度計を20rpm、2番スピンドルを用いて25℃、2重量%濃度で計測した場合)、好ましくは少なくとも300又は400mPas、より好ましくは少なくとも600mPasの粘度を示し、2000m2/g未満の表面積を有し、5%未満のS値を有する組成物を提供する。粘度が少なくとも であることが特に好ましい。粘度が少なくとも1500mPas(ブルックフィールド粘度計を20rpm、3番スピンドルを用いて25℃、2重量%濃度で計測した場合)であることが特に好ましい。より好ましい実施態様は、より特定的な上述の粘度、表面積及びS値のパラメータによって定義することができる。
【0023】
本発明の水性組成物は、いかなる好都合な形態で提供してもよい。通常、水性組成物は、少なくとも0.01重量%、好ましくは約1%〜45%である濃度のSiO2を含む。より好ましくは、濃度は、約1%〜7%、もっとも好ましくは2%〜3%である。水性組成物の特定の利点は、さらなる改変なしでセルロース懸濁液に加えることができることである。
【0024】
本発明の水性ポリケイ酸塩組成物は、紙又は板紙の製造における無機填料、補強剤又は水抜き/保持剤としての使用に特に適している。
【0025】
本発明は、セルロース懸濁液を形成すること、懸濁液から水を抜いて湿潤シートを形成すること、及び次いでシートを乾燥させることを含む、紙又は板紙を製造する方法であって、本明細書に記載した実施態様のいずれかの水性ポリケイ酸塩組成物をセルロース懸濁液に加えることを特徴とする方法を含む。
【0026】
さらには、本発明はまた、セルロース懸濁液を形成すること、懸濁液から水を抜いて湿潤シートを形成すること、及び次いで前記シートを乾燥させることを含む、紙又は板紙を製造する方法であって、水性ポリケイ酸塩をセルロース懸濁液に加え、水性ポリケイ酸塩が、
i)ケイ酸塩の供給源を有する水性液体を用意する工程、
ii)液体のpHを約2〜約10.5に調節して、それによってケイ酸塩の重合を生じさせる工程、
iii)重合が実質的に完了するのに十分な時間を許し、それにより、ゲル化材料を含む生成物を形成する工程
を含む方法によって形成されるものであり、
セルロース懸濁液への添加の前に工程(iii)の生成物を剪断することを特徴とする方法に関する。
【0027】
ゲル化ポリケイ酸塩材料をセルロース懸濁液に加える前に、ゲル化ポリケイ酸塩材料に剪断を加えることに特に利点があるということを見いだした。特に、同等な填料含量の場合で、強度の改善を達成することができることを見いだした。
【0028】
本発明のさらなる形態で、セルロース懸濁液を形成すること、無機填料を懸濁液に混入すること、懸濁液から水を抜いて湿潤シートを形成すること、及び次いでシートを乾燥させることを含む、紙又は板紙を製造する方法であって、無機填料が、本明細書に記載した実施態様のいずれかの水性ポリケイ酸塩組成物を含むことを特徴とする方法を提供する。
【0029】
本方法は、高い強度及び改善された地合いを示す高填料含有紙を調製することを可能にする。特に、この方法によって製造される紙は、一貫して高品質であり、薄い箇所又は孔を示さない。
【0030】
水性ポリケイ酸塩組成物は、無機填料に普通に使用される量とで矛盾しない量で、セルロース懸濁液に加えられるべきである。望ましくは、水性組成物は、セルロース懸濁液の乾燥重量に基づいて、1トンあたり20〜250kgの量で加えられる。水性懸濁液のポリケイ酸塩が、使用される唯一の填料であってもよいし、あるいはまた、さらなる填料を使用してもよい。水性組成物に加えて他の填料が使用される場合、それらの填料は、たとえば、紙の隠蔽力を高めるための有機顔料であってもよい。あるいはまた、水性組成物に加えて少なくとも一つのさらなる無機填料を使用することもできる。さらなる無機填料は、従来の填料のいずれであってもよく、沈降炭酸カルシウム(PCC)、微粉化炭酸カルシウム、粘土、焼結粘土、タルク、ゼオライト、シリカ、二酸化チタン及び構造化顔料を含む。
【0031】
水性ポリケイ酸塩組成物とさらなる填料とを合わせたのちセルロース懸濁液に加えてもよい。しかし、水性組成物とさらなる填料とを別々に加えることが好ましい。状況によっては、水性組成物をさらなる填料と同時に加えることが有利であるかもしれないが、普通、それらを順に加えることが想定される。製紙法によっては、さらなる填料の前に水性組成物をセルロース懸濁液に加えることが望ましいかもしれない。一般には、さらなる填料を先に加えることが好ましい。
【0032】
また、製紙法では、保持及び水抜き系をセルロース懸濁液に含めることが望ましいかもしれない。これは、たとえば、市販されている従来の保持及び水抜き助剤のいずれであってもよい。好ましくは、保持及び水抜き系としては、ポリマー保持/水抜き助剤及び微粒状保持/水抜き助剤がある。ポリマー保持/水抜き助剤は、実質的に水溶性のアニオン性、非イオン性、カチオン性及び両性ポリマーからなる群のいずれかであることができる。ポリマーは、改質又は非改質であることができる天然ポリマー、たとえばデンプン又はグアーガムであってもよい。あるいはまた、ポリマーは、合成ポリマー、たとえば、水溶性エチレン性不飽和モノマー、たとえばアクリルアミド、アクリル酸、アルカリ金属もしくはアンモニウムアクリレート又は第四級化ジアルキルアミノアルキル−(メタ)アクリレートもしくは−(メタ)アクリルアミドを重合させることによって調製されるポリマーであることもできる。普通、ポリマーは、たとえば少なくとも500,000の高い分子量を有する。好ましくは、ポリマーは、少なくとも100万〜2000万又は3000万の範囲もしくはそれを超える分子量を有する。通常、ポリマーは、500〜1500万の分子量を有する。
【0033】
微粒状保持/水抜き助剤は、架橋した有機ポリマーに基づくことができる。通常、そのようなポリマーは、たとえばEP−484,617に記載されているようなマイクロエマルションの形態であり、Ciba Specialty Chemicalsによって商品名Polyflexの下で市販されている。あるいはまた、微粒状保持/水抜き助剤は、無機のもの、たとえばシリカミクロゲル、コロイダルシリカ、シリカゾル、シリカゲル、ポリケイ酸塩、アルミノケイ酸塩、ポリアルミノケイ酸塩、ホウケイ酸塩、ポリホウケイ酸塩、ゼオライト又は膨潤性粘土であってもよい。
【0034】
膨潤性粘土は、たとえば、典型的にはベントナイト型粘土であることができる。好ましい粘土は水中で膨潤性であり、天然に水膨潤性である粘土又はたとえばイオン交換によって改質して水膨潤性にすることができる粘土を含む。適当な水膨潤性粘土としては、ヘクトライト、スメクトタイト、モンモリロナイト、ノントロナイト、サポナイト、ソーコナイト、ホルマイト、アタパルジャイト及びセピオライトと呼ばれることが多い粘土があるが、これらに限定されない。典型的なアニオン性膨潤性粘土は、EP−A−235893及びEP−A−335575に記載されている。
【0035】
水性組成物は、填料として、希薄な紙料、すなわち希釈後の紙料としての懸濁液に加えることができる。あるいはまた、系のさらに前の段階で、たとえば濃厚な紙料、ブレンド室又は混合室に加えることもできる。添加のポイントは、製紙機の具体的なレイアウトにしたがって異なり、填料は、セルロース媒体への最適な配合及び最適な保持を与える添加のポイントで加えられる。好ましくは、填料としての水性組成物は、保持及び水抜き系の前でセルロース懸濁液に混入される。したがって、好ましくは、保持及び水抜き系は、無機填料に続いてセルロース懸濁液に適用される。
【0036】
本発明のさらなる形態によると、ポリケイ酸を含む水性組成物は、保持及び水抜き系の一部又は全部を形成する。したがって、水性組成物が、既存の保持/水抜き助剤、特に微粒状生成物、たとえばシリカゾル又は膨潤性粘土と同様な方法で機能するということを見いだした。
【0037】
したがって、本発明のこの態様にしたがって、セルロース懸濁液を形成すること、保持及び水抜き系を懸濁液に適用すること、懸濁液から水を抜いてシートを形成すること、及び次いでシートを乾燥させることを含む、紙又は板紙を製造する方法であって、保持及び水抜き系が、本明細書に記載した実施態様のいずれかの水性ポリケイ酸塩組成物をセルロース懸濁液に混入することを含むことを特徴とする方法を提供する。
【0038】
保持/水抜き助剤として使用される場合、水性ポリケイ酸塩組成物は、懸濁液の乾燥重量に対するシリカの重量に基づいて、1トンあたり少なくとも100gの量で懸濁液に混入されることが望ましい。好ましくは、量は、1トンあたり少なくとも500gであり、普通、特に実質的に微粒状保持/水抜き助剤の非存在で使用される場合、それよりも有意に高い。系によっては、1トンあたり250kgの高さの量を使用して最適な保持及び水抜きが達成されるということを見いだした。一つの好ましい形態では、量は、1トンあたり20〜250kgの範囲である。
【0039】
水性ポリケイ酸塩組成物は通常、保持及び水抜き系の一部を形成する。したがって、水性組成物に加えて、保持及び水抜き系は、好ましくは、ポリマー保持/水抜き系及び/又は微粒状保持/水抜き助剤をセルロース懸濁液に混入することをさらに含む。しかし、通常、水性ポリケイ酸塩組成物は、微粒状保持/水抜き助剤の部分的又は完全な代用として使用され、したがって、通常は、ポリマー保持/水抜き助剤の使用を含む系で使用される。
【0040】
ポリマー保持/水抜き助剤は、実質的に水溶性のアニオン性、非イオン性、カチオン性及び両性ポリマーからなる群より選択することができる。ポリマーは、前述したポリマー保持/水抜き助剤のいずれであってもよい。
【0041】
微粒状保持/水抜き助剤は、たとえばEP−A−484617に記載されているような架橋した有機ポリマーに基づくことができる。あるいはまた、微粒状保持/水抜き助剤は、無機のもの、たとえばシリカミクロゲル、コロイダルシリカ、シリカゾル、シリカゲル、ポリケイ酸塩、アルミノケイ酸塩、ポリアルミノケイ酸塩、ホウケイ酸塩、ポリホウケイ酸塩、ゼオライト又は膨潤性粘土であってもよい。微粒状保持/水抜き助剤は、たとえば、EP−A−235,893に記載されているベントナイト型粘土であってもよいが、望ましくは、上記の微粒状物質のいずれであることができる。
【0042】
本発明の一つの好ましい実施態様では、少なくとも一つの剪断段階の前にポリマー保持/水抜き助剤をセルロース懸濁液に混入する。剪断段階は、たとえば、ファンポンプ及びセントリスクリーンなどを含む、混合段階、清浄段階又はポンピング段階であることができる。そして、その剪断段階ののち、水性ポリケイ酸塩組成物を含む保持/水抜き助剤を加えることができる。したがって、ポリマー保持/水抜き助剤をセルロース懸濁液に加えたのち、一つ以上の剪断段階を実施し、その後、水性ポリケイ酸塩組成物をセルロース懸濁液に加えることができる。代替の系では、その剪断段階ののち、微粒状保持/水抜き助剤をもセルロース懸濁液に加える。
【0043】
本発明のなおさらなる実施態様で、セルロース懸濁液を形成すること、無機填料をセルロース懸濁液に混入すること、保持及び水抜き系をその懸濁液に適用すること、懸濁液から水を抜いて湿潤シートを形成すること、及びシートを乾燥させることを含む、紙又は板紙を製造する方法であって、無機填料が本発明の水性ポリケイ酸塩組成物を含み、保持及び水抜き系を適用する前に懸濁液を少なくとも一つの剪断段階に通し、保持及び水抜き系が、本発明の水性ポリケイ酸塩組成物をセルロース懸濁液に導入することを含み、剪断段階が、混合段階、洗浄段階及びポンピング段階から選択されることを特徴とする方法を提供する。
【0044】
この実施態様の一つの好ましい形態では、PCC無機填料をセルロース懸濁液に加え、その懸濁液を少なくとも一つの剪断段階に通す。そして、本発明の水性ポリケイ酸塩組成物を無機填料の一部としてセルロース懸濁液に混入する。より好ましくは、水性ポリケイ酸塩組成物を含む無機填料がひとたび加えられたならば、セルロース懸濁液を少なくとも一つの剪断段階に通し、続いてポリマー保持/水抜き助剤を添加する。そして、セルロース懸濁液を少なくとも一つのさらなる剪断段階に通し、その後、本発明の水性ポリケイ酸塩組成物を含む保持/水抜き助剤をセルロース懸濁液に加える。また、水性ポリケイ酸塩組成物を含む保持/水抜き助剤の添加前、添加と同時又は添加後に、微粒状保持/水抜き助剤をセルロース懸濁液に加えてもよい。
【0045】
本発明の一つの例示では、水性ポリケイ酸塩組成物は、まず、水ガラス(28.5%可溶性ケイ酸塩、9.2%酸化ナトリウム)の希釈溶液に二酸化炭素を加えることによって生成される2重量%(SiO2として)非晶質シリカゲルの調製によって製造する。炭酸飽和の前に有意量(おそらくは50%超)のケイ酸塩をナトリウムデカボレート又はアルミン酸ナトリウム又は他の物質で置き換えることができる。溶液を6.9〜7.1のpHに酸性化し、限られた攪拌で完全にゲル化させて、固形シリカゲル片及びあまり粘稠ではない溶液を含むシリカゲルスラリーを製造する。このゲルスラリーを、Silversonを8000rpmで1分間使用することによって剪断して、滑らかな粘稠溶液を製造する。
【0046】
そして、滑らかな粘稠なポリケイ酸塩溶液を、保持及び水抜き助剤の前に完成紙料に加えて、紙の強度を保持する紙ラストの灰分を増す。
【0047】
実施例
すべての実施例における水性ポリケイ酸塩組成物(APC)の調製
一定のCO2流を2重量%(SiO2として)ケイ酸ナトリウム溶液(Akzo PQ SilicaからのNa(3.27)38/40F)に吹き込んだ。較正したpH電極を使用してpHを経時的にモニタした。
【0048】
すべてのケースにおける紙シートの調製
以下の添加順序を使用して、以下に掲げる変法ごとに5枚のシートを調製した。
【0049】
0.5kgt-1カチオン性ポリアクリルアミド(CPAM)及び2.0kgt-1ベントナイトスラリー(BentS)の標準添加を、保持及び水抜き助剤として、APCなしのすべてのハンドシートに使用した。APCを微粒子として使用した場合、0.5kgt-1カチオン性ポリアクリルアミドをカチオン性種として使用した。用量は、セルロース懸濁液(紙料)の乾燥重量に対して計算した。処理の順序は以下のとおりであった。
【0050】
【表1】

【0051】
最終混合工程ののちハンドシートを調製し、回転乾燥機上、60℃で2時間乾燥させた。
【0052】
シート試験
タッピー試験法T494OM−88にしたがって、UMISTでInstron 4400を使用して引張り強さに関してシートを試験した。そして、強度試験に使用した紙サンプルを使用して、500℃で2時間灰化することによってハンドシートの総填料含量を測定した。
【0053】
実施例1―水性ポリケイ酸塩組成物(APC)の調製
APCの調製を上記にしたがって実施した。pHをモニタし、表1に記録した。
【0054】
【表2】

【0055】
実施例2―APC性能に対する剪断の効果
APC100mlを、Ultra Thurraxホモジナイザを使用して20,000rpmで相対時間だけ剪断した。結果を表2に示す。
【0056】
【表3】

【0057】
すべてのシートは、シート灰分40%を標的とするためPCCを35%含有した。
【0058】
結果は、水性ポリケイ酸塩組成物の剪断が紙の強度を改善するということをはっきりと示す。
【0059】
実施例3―APC性能に対する添加ポイントの影響
剪断したAPCを終始使用した(Ultra Thurraxホモジナイザを20000rpmで1分間使用)。結果を表3に示す。
【0060】
【表4】

【0061】
すべてのシートは、シート灰分40%を標的とするためPCCを35%含有した。
【0062】
結果は、剪断した水性ポリケイ酸塩組成物を使用した場合の、特にポリマーの前に加えた場合の強度の改善を示す。
【0063】
実施例4―アルミン酸化APCサンプルの調製
【0064】
【表5】

【0065】
【表6】

【0066】
【表7】

【0067】
【表8】

【0068】
【表9】

【0069】
【表10】

【0070】
すべてのAPC含有変法は、完成品シートにおける灰分25%を標的とするためPCCを20%含有した。
【0071】
実施例5―APC添加レベルでのポリアルミノケイ酸塩ミクロゲル(MG)の効果
【0072】
【表11】

【0073】
すべてのAPC含有変法は、完成品シートにおける灰分25%を目的とするためPCCを20%含有した。
【0074】
実施例6
多数のホモジナイザ及び異なる時間の剪断を使用して異なるレベルまで剪断したAPCのサンプルを用いて多数のハンドシートを調製した。
【0075】
剪断したAPCのサンプルを粘度及び塊重量に関して評価した。調製したシートを、引張り強さ、灰分及び外観に関して試験した。
【0076】
APCサンプル調製
実施例の最初の段落で概説した方法にしたがってAPCの2.0重量%サンプルを調製した。
【0077】
Silversonを2,000rpmで使用するか、Ultra Thurraxホモジナイザを13,500rpmで使用することにより、200mlのAPCサンプルを種々のインターバルで剪断した。
【0078】
【表12】

【0079】
カチオン性ポリアクリルアミド(CPAM)の1重量%サンプル及びベントナイトスラリー(BentS)の5重量%サンプルを調製した。
【0080】
50°SRまで叩解した硬材及び軟材の50:50ブレンドを調製し、固形分0.5%の稠度まで希釈した。
【0081】
Calopaque F(PCC)の10%スラリーを調製した。
【0082】
紙料添加の前にカチオン性ポリアクリルアミド及びベントナイトスラリーを0.1%に希釈した。
【0083】
ハンドシート調製
以下の添加順序を使用して、以下に掲げる変形ごとに5セットのシートを調製した。
【0084】
0.5kgt-1カチオン性ポリアクリルアミド及び2.0kgt-1ベントナイトスラリーの標準添加をすべてのハンドシートに使用した。
【0085】
以下の順序を使用した。
【0086】
【表13】

【0087】
最終混合工程ののちハンドシートを調製し、回転乾燥機上、65℃で2時間乾燥させた。
【0088】
【表14】

【0089】
APC評価
ブルックフィールド粘度計を20rpmで使用して、低剪断粘度及び塊重量に関して剪断(及び非剪断)APCのサンプルを評価した。塊重量は、APCサンプル100mlを採取し、水道水で500mlまで希釈し、事前に秤量した150μふるいに通してろ過することによって測定した。そして、APCをさらに100mlの水道水で洗浄したのち、ブルーロールのピースを使用して余剰の水すべてをふるいから除去した。そして、ふるいを再び秤量し、APC塊の重さを計算した。
【0090】
ハンドシート試験
次に、乾燥させたシートを、その外観に関し、透明度スキャナを使用して評価して、ゲルスポットが画像中でライトスポットとして見えるシートのグレースケール印象を得た。
【0091】
UMISTでの引張り強さ試験の前に、ハンドシートを23℃及び湿度50%でコンディショニングした。
【0092】
ハンドシートの灰分を測定し、500℃で2時間実施した。
【0093】
結果
サンプル調製
【0094】
【表15】

【0095】
APC評価
【0096】
【表16】

【0097】
ハンドシート試験
【0098】
【表17】

【0099】
5枚のシートそれぞれの二つの計測値から強度結果を平均した。5枚のシートそれぞれに対して別々に灰分を実施した。
【0100】
本発明の試験13の剪断ポリケイ酸塩組成物は、ポリケイ酸塩組成物の非存在における試験27に等しい灰分(紙シートに保持された填料を指す)を提供したが、12%を上回る強度の改善を示した。さらには、試験15の非剪断ポリケイ酸塩は、PCC及びポリケイ酸塩の等しい条件で最高の灰分を示し、剪断ポリケイ酸塩すべてが強度の増大を提供した。
【0101】
表16のグラフを図1及び2に見ることができる。
【0102】
APCに対する剪断の影響
表15の結果から、ふるい中に残るAPC塊の重さは、適用した剪断の程度に反比例すると思われる。粘度計測中、試験インターバルが増すにつれ、ブルックフィールド読み値は有意に低下した。(すべての結果は、スピンドルを20rpmで3回転させたのちに記録した)。
【0103】
シート強度に対する剪断APCの影響
この系に関しては剪断のレベルを強度の点で最適化した。最大の増加は、Silversonを2000rpmで使用してAPCを1分間剪断した場合に対応する図2で見られた。より低レベルの剪断での強度の損失は、シリカをばらばらの粒子にとどめ、繊維及び填料よりもそれ自体に結合させることができるシリカスラリーの不均質な性質によって説明することができる。
【0104】
シート外観に対する剪断APCの影響
低いレベルの剪断であっても、顕著なゲルスポットの出現を除く。シリカに加えられる剪断が高レベルであればあるほど、ゲルスポットは小さくなる。適用したすべてのレベルの剪断に関して、シートは許容しうるものであった。
【0105】
シートの外観は、非剪断APCによって生じるゲルスポットを除くことによって改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【0106】
【図1】本発明のポリケイ酸塩から得られたハンドシート強度及び灰分に関する表16のグラフである。
【図2】本発明のポリケイ酸塩から得られたハンドシート強度及び灰分に関する表16のグラフである。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
25℃で計測した場合に実質的に均一な液体である、ポリケイ酸塩を含む水性組成物を調製する方法であって、
i)ケイ酸塩の供給源を有する水性液体を用意する工程、
ii)液体のpHを約2〜約10.5に調節して、それによってケイ酸塩の重合を生じさせる工程、
iii)重合が実質的に完了するのに十分な時間を許し、それにより、ゲル化材料を含む生成物を形成する工程、
iv)ゲル化材料を、実質的に均一な液体を形成するのに十分な剪断に付す工程
を含む方法。
【請求項2】
ケイ酸塩の供給源が、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム及びケイ酸リチウムからなる群より選択される、請求項1記載の方法。
【請求項3】
工程(i)の水性液体がアルミニウム化合物をさらに含む、請求項1又は2記載の方法。
【請求項4】
工程(ii)でpHを4〜9、好ましくは6〜8に調節する、請求項1〜3のいずれか1項記載の方法。
【請求項5】
工程(iii)で液体を攪拌に付す、請求項1〜4のいずれか1項記載の方法。
【請求項6】
工程(iii)で形成される生成物が、液体中に分散した非晶質ゲル化固体を含む、請求項1〜5のいずれか1項記載の方法。
【請求項7】
請求項1〜6のいずれか1項記載の方法によって得ることができる、ポリケイ酸塩を含む水性組成物。
【請求項8】
少なくとも200mPasの粘度を示す(ブルックフィールド粘度計を20rpm、2番スピンドルを用いて25℃、2重量%濃度で計測した場合)、請求項7記載の水性組成物。
【請求項9】
少なくとも1500mPasの粘度を示す(ブルックフィールド粘度計を20rpm、3番スピンドルを用いて25℃、2重量%濃度で計測した場合)、請求項7又は8記載の水性組成物。
【請求項10】
ポリケイ酸塩が2000m2/g未満の表面積を有する、請求項7〜9のいずれか1項記載の水性組成物。
【請求項11】
ポリケイ酸塩が5%未満のS値を有する、請求項7〜10のいずれか1項記載の水性組成物。
【請求項12】
ポリケイ酸塩を含む水性組成物であって、25℃で計測した場合に実質的に均一な液体であり、少なくとも200mPasの粘度を示し(ブルックフィールド粘度計を20rpm、2番スピンドルを用いて25℃、2重量%濃度で計測した場合)、ポリケイ酸塩が、2000m2/g未満の表面積を有し、5%未満のS値を有するものである水性組成物。
【請求項13】
少なくとも1500mPasの粘度を示す(ブルックフィールド粘度計を20rpm、3番スピンドルを用いて25℃、2重量%濃度で計測した場合)、請求項12記載の水性組成物。
【請求項14】
ポリケイ酸塩が750〜1250m2/gの表面積を有する、請求項7〜13のいずれか1項記載の水性組成物。
【請求項15】
ポリケイ酸塩がポリアルミノケイ酸塩である、請求項7〜14のいずれか1項記載の水性組成物。
【請求項16】
SiO2の濃度が少なくとも0.01重量%、好ましくは約1重量%〜約45重量%である、請求項7〜15のいずれか1項記載の水性組成物。
【請求項17】
紙又は板紙の製造における無機填料としての、請求項7〜16のいずれか1項記載の水性組成物の使用。
【請求項18】
紙又は板紙の製造における水抜き/保持剤としての、請求項7〜16のいずれか1項記載の水性組成物の使用。
【請求項19】
紙又は板紙の製造において強度を改善するための、請求項7〜16のいずれか1項記載の水性組成物の使用。
【請求項20】
セルロース懸濁液を形成すること、懸濁液から水を抜いて湿潤シートを形成すること、及び次いでシートを乾燥させることを含む、紙又は板紙を製造する方法であって、請求項7〜16のいずれか1項記載の水性組成物をセルロース懸濁液に加えることを特徴とする方法。
【請求項21】
無機填料をセルロース懸濁液に混入し、無機填料が請求項7〜16のいずれか1項記載の水性組成物を含むものである、請求項20記載の方法。
【請求項22】
水性組成物を、ポリケイ酸塩の乾燥重量及びセルロース懸濁液の乾燥重量に基づいて、セルロース懸濁液に1トンあたり20〜250kgの量で加える、請求項21記載の方法。
【請求項23】
少なくとも一つのさらなる填料をセルロース懸濁液と混合し、填料が無機填料及び/又は有機顔料である、請求項22記載の方法。
【請求項24】
さらなる填料が、沈降炭酸カルシウム(PCC)、微粉化炭酸カルシウム、粘土、焼結粘土、タルク、ゼオライト、シリカ、二酸化チタン及び構造化顔料からなる群より選択される、請求項23記載の方法。
【請求項25】
水性組成物とさらなる填料とを合わせたのちセルロース懸濁液に加える、請求項23又は24記載の方法。
【請求項26】
水性組成物とさらなる填料とを別々にセルロース懸濁液に加える、請求項23又は24記載の方法。
【請求項27】
水性組成物とさらなる填料とを順に、好ましくはさらなる填料を先にして、セルロース懸濁液に加える、請求項26記載の方法。
【請求項28】
保持及び水抜き系をセルロース懸濁液に適用する、請求項18〜27のいずれか1項記載の方法。
【請求項29】
保持及び水抜き系が、ポリマー保持/水抜き助剤及び微粒状保持/水抜き助剤をセルロース懸濁液に混入することを含む、請求項28記載の方法。
【請求項30】
ポリマー保持/水抜き助剤が、実質的に水溶性の、アニオン性、非イオン性、カチオン性及び両性ポリマーからなる群より選択される、請求項29記載の方法。
【請求項31】
微粒状保持/水抜き助剤が、架橋した有機ポリマー、シリカミクロゲル、コロイダルシリカ、シリカゾル、シリカゲル、ポリケイ酸塩、アルミノケイ酸塩、ポリアルミノケイ酸塩、ホウケイ酸塩、ポリホウケイ酸塩、ゼオライト及び膨潤性粘土からなる群より選択される、請求項29記載の方法。
【請求項32】
無機填料の添加に続いて保持及び水抜き系をセルロース懸濁液に適用する、28〜31のいずれか1項記載の方法。
【請求項33】
セルロース懸濁液を形成すること、保持及び水抜き系を懸濁液に適用すること、懸濁液から水を抜いてシートを形成すること、及び次いでシートを乾燥させることを含む、紙又は板紙を製造する方法であって、保持及び水抜き系が、請求項7〜16のいずれか1項記載の水性組成物をセルロース懸濁液に混入することを含むことを特徴とする方法。
【請求項34】
水性組成物を、セルロース懸濁液の乾燥重量に対するシリカの重量に基づいて、セルロース懸濁液に1トンあたり少なくとも100g、好ましくは1トンあたり少なくとも500gの量で混入する、請求項33記載の方法。
【請求項35】
保持及び水抜き系が、ポリマー保持/水抜き助剤及び/又は微粒状保持/水抜き助剤をセルロース懸濁液に混入することをさらに含む、請求項33又は34記載の方法。
【請求項36】
ポリマー保持/水抜き助剤が、実質的に水溶性の、アニオン性、非イオン性、カチオン性及び両性ポリマーからなる群より選択される、請求項35記載の方法。
【請求項37】
微粒状保持/水抜き助剤が、架橋した有機ポリマー、シリカミクロゲル、コロイダルシリカ、シリカゾル、シリカゲル、ポリケイ酸塩、アルミノケイ酸塩、ポリアルミノケイ酸塩、ホウケイ酸塩、ポリホウケイ酸塩、ゼオライト又は膨潤性粘土からなる群より選択される、請求項35記載の方法。
【請求項38】
混合段階、清浄段階及びポンピング段階から選択される少なくとも一つの剪断段階の前に、ポリマー保持/水抜き助剤をセルロース懸濁液に混入し、次いで、その剪断段階ののち、水性組成物を含む保持/水抜き助剤をセルロース懸濁液に加える、請求項33〜37のいずれか1項記載の方法。
【請求項39】
剪断段階ののち、微粒状保持/水抜き助剤をもセルロース懸濁液に加える、請求項38記載の方法。
【請求項40】
セルロース懸濁液を形成すること、無機填料をセルロース懸濁液に混入すること、保持及び水抜き系を懸濁液に適用すること、懸濁液から水を抜いて湿潤シートを形成すること、及びシートを乾燥させることを含む、紙又は板紙を製造する方法であって、無機填料が請求項7〜16のいずれか1項記載の水性組成物を含み、保持及び水抜き系を適用する前に、懸濁液を少なくとも一つの剪断段階に通し、保持及び水抜き系が、請求項7〜16のいずれか1項記載の水性組成物をセルロース懸濁液に導入することを含み、剪断段階が、混合段階、洗浄段階及びポンピング段階から選択されることを特徴とする方法。
【請求項41】
少なくとも一つのさらなる填料をセルロース懸濁液と混合し、填料が無機填料及び/又は有機顔料である、請求項40記載の方法。
【請求項42】
さらなる填料が、沈降炭酸カルシウム(PCC)、微粉化炭酸カルシウム、粘土、焼結粘土、タルク、ゼオライト、シリカ、二酸化チタン及び構造化顔料からなる群より選択される、請求項41記載の方法。
【請求項43】
水性組成物とさらなる填料とを合わせたのちセルロース懸濁液に加える、請求項41又は42記載の方法。
【請求項44】
水性組成物とさらなる填料とを別々にセルロース懸濁液に加える、請求項40又は42記載の方法。
【請求項45】
水性組成物とさらなる填料とを順に、好ましくはさらなる填料を先にして、セルロース懸濁液に加える、請求項44記載の方法。
【請求項46】
PCC無機填料をセルロース懸濁液に加え、懸濁液を少なくとも一つの剪断段階に通し、次いで、請求項7〜14のいずれか1項記載の水性組成物をセルロース懸濁液に混入する、請求項40〜45のいずれか1項記載の方法。
【請求項47】
請求項7〜16のいずれか1項記載の水性組成物を含む無機填料の添加に続いて、セルロース懸濁液を少なくとも一つの剪断段階に通し、続いてポリマー保持/水抜き助剤を加え、次いで、セルロース懸濁液を少なくとも一つの剪断段階に通し、その後、請求項7〜16のいずれか1項記載の組成物を含む保持/水抜き助剤をセルロース懸濁液に加える、請求項40〜46のいずれか1項記載の方法。
【請求項48】
水性組成物を含む保持/水抜き助剤の添加前、添加と同時又は添加後に、さらなる微粒状保持/水抜き助剤をセルロース懸濁液に加える、請求項47記載の方法。
【請求項49】
セルロース懸濁液を形成すること、補強剤をセルロース懸濁液に加えること、懸濁液から水を抜いて湿潤シートを形成すること、及びシートを乾燥させることを含む、紙又は板紙を製造する方法であって、補強剤が、請求項7〜16のいずれか1項記載の水性組成物を含むことを特徴とする方法。
【請求項50】
セルロース懸濁液を形成すること、懸濁液から水を抜いて湿潤シートを形成すること、及び次いでシートを乾燥させることを含む、紙又は板紙を製造する方法であって、水性ポリケイ酸塩をセルロース懸濁液に加え、水性ポリケイ酸塩が、
i)ケイ酸塩の供給源を有する水性液体を用意する工程、
ii)液体のpHを約2〜約10.5に調節して、それによってケイ酸塩の重合を生じさせる工程、
iii)重合が実質的に完了するのに十分な時間を許し、それにより、ゲル化材料を含む生成物を形成する工程
を含む方法によって形成されるものであり、
セルロース懸濁液への添加の前に、工程(iii)の生成物を剪断することを特徴とする方法。

【図1】
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【図2】
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【公表番号】特表2006−524174(P2006−524174A)
【公表日】平成18年10月26日(2006.10.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−504721(P2006−504721)
【出願日】平成16年3月18日(2004.3.18)
【国際出願番号】PCT/EP2004/002807
【国際公開番号】WO2004/088034
【国際公開日】平成16年10月14日(2004.10.14)
【出願人】(592006855)チバ スペシャルティ ケミカルズ ウォーター トリートメント リミテッド (19)
【氏名又は名称原語表記】Ciba Specialty Chemicals Water Treatments Limited
【Fターム(参考)】