Brevet FR2681070A1 — publié le 19930312

PATE D'AMIDON, PROCEDE DE PRODUCTION DE CETTE PATE, PROCE- DE DE PRODUCTION DE PAPIER OU DE CARTON UTILISANT CETTE PATE ET COMPOSITION DE PAPIER OU DE CARTON OBTENUE PAR CE PROCEDE La présente invention concerne à une pâte d'amidon dont l'utilisation convient en particulier à la fabrication de papier et de carton, et son procédé de préparation. L'expression pâte d'amidon telle qu'elle est utilisée dans cette description se rapporte à un produit consistant en flocons ou fibrilles d'amidon, dont les dimensions n'excèdent pas 1 mm en général Les flocons de cette sorte sont différents des produits de morphologie fibreuse dans la mesure o, au microscope, ils présentent l'aspect de petits morceaux de film pouvant être plus ou moins enroulés selon les conditions du procédé utilisées et le type d'amidon utilisé En raison des petites dimensions de ces flocons, ils peuvent également être mélangés de manière simple avec n'importe quel type de cellulose et de mé- lange de papier. L'on sait que si une dispersion aqueuse colloïdale d'amidon, en une concentration comprise entre 5 * et * en poids de solide anhydre, est mise en contact avec une solution saline, par exemple, du sulfate d'ammonium, elle coagule, formant des flocons de gel. Le brevet des Etats-Unis N O 4 205 025 décrit un procédé de production de fibrilles utilisées comme pâte de papier à l'aide de polymères filmogènes, comprenant des amidons essentiellement solubles dans l'eau Le polymère filmogène est dissous dans l'eau pour former une solution qui est ensuite injectée dans un moyen de précipitation, de préférence un non-solvant organique, comme un alcool ou une cétone, avec l'application d'une contrainte de cisaillement de façon à obtenir la formation des fibrilles qui sont ensuite rendues plus hydrophobes au moyen d'un traitement ultérieur avec un agent d'insolubilisation. Le brevet des Etats-Unis N O 4 139 699 décrit un procédé de production d'un produit présentant la morphologie fibreuse de l'amidon en extrudant une dispersion colloïdale d'amidon ayant une teneur en amylopectine élevée dans un agent de coagulation Lorsque l'on utilise des amidons ayant une teneur en amylopectine inférieure à environ 95 %, l'amidon doit être modifié chimiquement de façon à assurer sa dispersion colloïdale dans le système aqueux ou, selon une autre solution, l'amidon doit être dissous en présence d'hydro- xydes alcalins. L'application industrielle du procédé décrit est difficile en raison de l'utilisation d'hydroxydes alcalins, surtout la soude caustique, étant donné que l'étape de coagulation réalisée à l'aide de sulfate d'ammonium provoque la production d'ammoniac et la formation d'importantes quantités de sulfate de sodium, ce qui empêche la coagulation et engendre des problèmes au niveau de l'élimination. Le brevet des Etats-Unis n* 4 243 480 décrit un procédé qui utilise le produit obtenu par le procédé du brevet des Etats-Unis no 4 139 699 pour la production de papier et de carton selon la technologie conventionnelle de la fabrication du papier Ce produit présente une morphologie de fibres courtes, les fibres ayant un diamètre compris entre 10 p M et 500 pmet une longueur comprise entre 0,1 mm et 3 mm, obtenue en extrudant la dispersion d'amidon au moyen d'une filière dans un bain de coagulation mobile. Le brevet des Etats-Unis no 4 340 442 décrit un procédé de formation de fibrilles qui, de façon à améliorer les propriétés hydrophobes des fibrilles, utilise des amidons solubles dans l'eau ayant une teneur en amylose élevée (de 50 à 80 % en poids) Cet amidon, qui est essentiellement insoluble dans l'eau, nécessite une étape dans laquelle il est dissous dans une solution alcaline qui, une nouvelle fois, engendre des problèmes dans l'étape de coagulation et des problèmes au niveau de l'élimination des sulfates formés dans cette étape. Le brevet des Etats-Unis N O 4 853 168 décrit un procédé du type décrit dans le brevet des Etats-Unis 4 139 699, dans lequel la dispersion colloïdale d'amidon adaptée à l'extrusion est obtenue en cuisant une suspension aqueuse d'amidon contenant la solution saline20 coagulante. Une autre difficulté posée par l'application industrielle des procédés connus réside dans le filtrage du produit de coagulation, qu'il soit sous25 forme de fibres ou de fibrilles, car ce produit est à l'état de gel et bloque les ouvertures des tissus pour filtres Ce produit, qui n'a plus la structure granulaire de l'amidon, reste à l'état de gel même lorsqu'il est soumis à un traitement ultérieur30 consistant en un lavage avec de l'eau. Un premier objectif de la présente invention est de fournir un procédé de production de pâte d'amidon pouvant être utilisée en concentration élevée dans la35 fabrication du papier, en plus de la cellulose, en utili- r sant des amidons naturels largement disponibles dans le commerce. Un autre objectif de la présente invention est de fournir un procédé dans lequel l'amidon n'a pas besoin d'être dissous dans un alkali et qui permette d'obtenir un produit pouvant être filtré de manière simple. Un autre objectif de la présente invention est de fournir un produit de pâte d'amidon qui, en raison de ses caractéristiques morphologiques et dimensionnelles, convient à l'utilisation comme pâte de papier, en plus de la cellulose, ce qui permet aussi d'améliorer les propriétés mécaniques du papier. Compte tenu de ces objectifs, cette invention se rapporte à un procédé de production de pâte d'amidon, comprenant une étape de coagulation d'un flux d'une dispersion aqueuse d'amidon dans un flux d'une solution de sel aqueuse agissant comme un coagulant, caractérisé en20 ce que: cette dispersion aqueuse est préparée en continu en cuisant à la vapeur une suspension d'amidon dans de l'eau, avec une concentration comprise entre 5 % et 40 % en poids, à une température comprise entre o C et 180 o C; la suspension amylacée obtenue de cette manière est injectée comme flux secondaire dans un flux primaire d'agent coagulant à une température comprise entre 20 OC et 100 C, le rapport de vitesse entre le flux primaire et le flux secondaire étant supérieur à 1:30, de façon à obtenir la formation de cette pâte, et la pâte obtenue de cette manière est soumise à maturation dans ses propres eaux-mères pendant une période de 1 à 4 heures, à une température comprise entre 20 C et 400 C. Cette invention se rapporte ensuite à une pâte d'amidon, caractérisée en ce qu'elle est formée par des flocons dont au moins 90 % en poids ont des dimensions inférieures à 50 mailles (selon la classifica- tion des fibres de Bauer McNett (méthode standard TAP Pl T 233)). La pâte d'amidon est de préférence formée de flocons satisfaisant à la distribution dimensionnelle suivante, déterminée par la méthode susmentionnée: fraction % en poids réalisation du procédé. En ce qui concerne le dessin, le chiffre de ré- férence 1 désigne un disperseur sous agitation pour la préparation d'une suspension d'amidon dans de l'eau, avec une concentration de produit sec comprise entre 5 % et 40 % en poids, de préférence entre 10 % et 20 % en poids. L'amidon utilisé pour la préparation de la suspension est de préférence un amidon naturel, comme l'amidon de mais, l'amidon de riz, l'amidon de tapioca ou l'amidon de pomme de terre, dont la teneur en amylopectine est comprise entre 45 % et 100 % L'amidon de mais, qui est lar- tement disponible dans le commerce, est particulièrement préféré, car il a une teneur typique en amylopectine com- prise entre 64 % et 80 % en poids Toutefois, il est égale- ment possible, dans le cadre de la présente invention d'utiliser des amidons ayant une teneur en amylose élevée, comme l'amylomais. La suspension, maintenue sous agitation dans le disperseur à température ambiante, est ensuite pompée par une pompe à engrenages 2, dans un appareil de cuisson à la vapeur, désigné en général par le chiffre de référence 3, o elle est mélangée en un écoulement parallèle avec de la vapeur de façon à atteindre la température de cuisson désirée Le procédé de cuisson à la vapeur est connu en lui-même et provoque le chauffage instantanée de la suspension aqueuse avec la vapeur du procédé et le maintien du liquide chauffé à une température choisie pendant une période déterminée au préalable La tempéra- rure de cuisson est en général comprise entre 900 C et 1800 C, et est choisie selon l'amidon spécifique utilisé dans le déroulement du procédé En particulier, il faut prendre soin d'éviter une température trop éle- vée provoquant la dégradation du matériau amylacé, tout en s'assurant que la température, la contrainte de cisaillement imprimée et la durée d'application per- mettent d'obtenir une dispersion qui est quasi-totalement soluble au niveau moléculaire. A la sortie de l'appareil de cuisson à la vapeur, la suspension d'amidon soumise à la cuisson est récupérée sous agitation dans un réacteur revêtu 4, l'eau circu- lant à une température d'environ 1000 C à l'intérieur de celui-ci Une détente brusque est effectuée dans le réacteur revêtu de façon à libérer l'excès de vapeur et revenir à des concentrations amidon/eau proches des concentrations initiales.5 L'amidon est pompé du réacteur 4 par une pompe 5 dans un échangeur de chaleur 6 o il est porté à une température comprise entre 20 O C et 100 O C, de préférence entre 40 OC et 70 OC L'amidon passe de10 l'échangeur à un éjecteur 7 dans lequel un flux de solution saline coagulante est également injectée Les sels pouvant être utilisés dans le cadre de la présente invention comprennent le sulfate d'ammonium, le sulfate de magnésium, le sulfate d'aluminium, le phosphate15 d'ammonium, le chlorure de potassium, le sulfate de sodium, le carbonate de sodium, le bicarbonate de sodium, et le chlorure d'ammonium La solution saline préférée est une solution saturée de sulfate d'ammonium, bien qu'il ne soit pas nécessaire20 d'atteindre des niveaux de saturation des sels susmentionnés et qu'il soit également possible d'utiliser des concentrations inférieures aux niveaux de saturation. L'éjecteur est conçu de façon que le flux principal formé par la solution saline soit accéléré dans une section convergente de sorte d'obtenir la vitesse désirée. La section convergente est en général suivie d'une section de diamètre constant et ensuite d'un diffuseur pour réduire la vitesse La dispersion d'amidon provenant de l'échangeur 6 est canalisée ou pompée dans l'éjecteur dans les environs de la zone de vitesse35 maximale de la solution saline, de façon à maximiser le rapport d'entraînement, défini comme étant le rapport entre la vitesse du flux primaire formé par la solution saline et la vitesse du flux secondaire de la dispersion d'amidon, au point d'intersection. La dispersion d'amidon entre dans l'éjecteur par des ouvertures dont les dimensions sont comprises entre 0,5 mm et 2 mm, de préférence entre 0,6 mm et 1,2 mm. Ces ouvertures peuvent être disposées soit sur la paroi de l'éjecteur soit sur l'axe dudit éjecteur, avec différents angles de contact entre les deux flux Il a été découvert que les dimensions des ouvertures d'entrée sont importantes pour un fonctionnement correct de l'appareil et pour obtenir un produit convenable En particulier, des ouvertures de petites dimensions ( tendance à se salir et à se bloquer plus facilement. L'angle de contact entre les deux flux peut aller de O' à 600 sans que des modifications importantes des dimensions et de la structure du produit ne se produisent. Il a été découvert qu'un rapport d'entraînement compris entre 30 et 100, de préférence entre 40 et 70, donne des flocons ou des fibrilles de dimensions appropriées pouvant être utilisés avantageusement dans une pâte de papier. La solution saline coagulante peut être mélangée avec de l'air avant d'être mise en contact avec la solution d'amidon Dans ce cas, les flocons ont des dimensions supérieures et présentent un aspect plus filiforme, ce qui facilite la filtration. Les flocons d'amidon formés de cette manière sont récupérés dans un réacteur sous agitation 8 pour maturation pendant une période de 1 à 4 heures, et décanter ensuite Après la décantation, la substance5 clarifiée est recyclée par une pompe 9 et mélangée avec du sulfate saturé avant d'être réutilisée pour entraîner l'amidon. La substance clarifiée qui circule dans l'installation comme agent de coagulation contient la solution saline et les flocons plus fins qui, en raison de leurs petites dimensions, ne décantent pas dans le conteneur collecteur L'on notera que les flocons circulants plus fins n'affectent pas les étapes suivantes de coagulation15 du reste de l'amidon, mais au contraire, au contact ensuite avec la solution d'amidon, augmentent leurs propres dimensions, devenant des flocons qui décantent dans l'opération suivante de décantation. La masse de fibres provenant du réacteur 8 est pompée20 par une pompe 10 vers un filtre 11 Les flocons sont récupérés dans un conteneur 12, tandis que le filtrat se dirige vers un conteneur 13 o il est mélangé avec la substance clarifiée provenant de la pompe 9, après quoi du sulfate saturé est ajouté de façon à recycler25 la solution saline pouvant passer dans l'éjecteur 7. En utilisant un nombre approprié de réacteurs 8 pour la maturation et la décantation, le procédé peut se dérouler en continu, ce qui permet d'obtenir la pâte30 d'amidon qui peut être lavée directement sur le filtre ou simplement filtrée et lavée dans une seconde étape. Exemple 1 L'installation décrite ci-dessus a été utilisée pour obtenir une pâte d'amidon de mais, en opérant dans les conditions suivantes: concentration de l'amidon dans le disperseur: 15 % en poids (amidon anhydre) température maximale de cuisson dans l'appareil de cuisson à la vapeur: 160 OC température de l'amidon à l'entrée de l'éjecteur O C solution saline sulfate d'ammonium à 41 % en poids température de la solution saline à l'entrée de l'éjecteur: 18 OC vitesse maximale de la solution saline dans l'éjecteur: 31,4 mètres/seconde vitesse de l'amidon à l'entrée de l'éjecteur 0,66 mètre/seconde rapport d'entraînement: 1/47 éjecteur comportant 8 ouvertures d'entrée d'amidon dans sa paroi, chacune ayant un diamètre de 1 mm et étant inclinée à un angle de 45 O par rapport à l'axe de l'éjecteur temps moyen de décantation des flocons d'amidon: minutes temps moyen de maturation avant filtration: 2,5 heures. Le procédé s'est déroulé selon les conditions ci- dessus, ce qui a donné des flocons d'amidon présentant la distribution dimensionnelle suivante, mesurée selon l'appareil de Bauer McNett, exprimée en pourcentages en poids: 28 mailles: 0,1 % 50 mailles: 2, 8 % il mailles: 11,5 % mailles: 49,0 % plus de 200 mailles: 36,6 % La distribution ci-dessus est optimale pour utiliser la pâte d'amidon dans le procédé de fabrication du papier, avec des fibres de cellulose En particulier, cette pâte peut être utilisée dans du papier en une concentration pouvant aller jusqu'à 50 % en poids. Exemple 2 Le procédé décrit ci-dessus s'est déroulé selon les conditions de fonctionnement décrites dans l'exemple 1, en modifiant le rapport d'entraînement, ce qui a donné des flocons d'amidon ayant une distribution dimensionnelle différente, dont la liste est donnée au tableau 1, dans lequel les morceaux d'essai 3 et 4 sont des morceaux d'essai comparatifs. Tableau 1 Morceau d'essai n' Rapport d'entraînement 1/47 Distribution dimensionnelle de 28 mailles 0,1 mailles 2,8 mailles 11,5 200 mailles 49,0 > 200 mailles 36,6 1/40 1/23 1/18 Bauer McNett 0,5 14,5 4,7 37,5 18,3 14,9 52,6 16,4 23,9 16,7 Ces flocons d'amidon ont été ajoutés à des fibres de cellulose et différents échantillons de papier ont été produits, selon les méthodes habituelles de 26,0 39,3 12,8 17,4 4,5 fonctionnement Les propriétés physico-mécaniques de ces échantillons ont été mesurées et ont donné les résultats exposés aux tableau 2. Tableau 2 blanc 1 2 3 4 Amidon (%) Fibre longue (%) Fibre courte (%) 28 mailles (%) mailles (%) mailles (%) mailles (%) > 200 mailles (%) Densité apparente (kg/m 2) UNI 6442 Indice de traction (Nm/g) UNI 6438/2 Elongation * 47,9 ,1 7,7 ,1 19,2 0,1 2,8 11,5 49,0 36,6 0,5 4,7 18,3 52, 6 23,9 14,5 37,5 14,9 16,4 16,7 26,0 39,3 12,8 17,4 4,5 740 718 691 663 44,7 52,4 49,3 41,4 37,8 UNI 6438/2 2,4 3,2 2 Résistance à la rupture (J/kg) UNI 6438/2 742 1135 1156 Fixation Scott (J/m 2)25 UNI 9439 209 464 428 Garley (sec) UNI 762914 5 65 61 Flexion (N) UNI 9072 155 227 217 Poli (ml/min) UNI 7626/1/2 1120 1000 1063 Grammage (g/m 2) 61,6 65,6 64 7 2,4 2,1 690 535 308 244 1365 1645 8 62,7 65,8 L'on peut noter que les produits contenant de faibles pourcentages de flocons dont les dimensions sont supérieures à 50 mailles améliorent considérablement toutes les propriétés mécaniques du papier par rapport à l'étalon D'un autre côté, les produits contenant des pourcentages élevés de flocons dont les dimensions sont supérieures à 50 mailles, en dépit du fait que la distribution est semblable à celle des fibres de cellulose, ont un effet négatif sur les propriétés mécaniques du papier. REVENDICATIONS 1 Procédé de production de pâte d'amidon, dont l'utilisation dans la production de papier et de carton est particulièrement avantageuse, comprenant une étape de coagulation d'un flux d'une dispersion aqueuse d'amidon dans un flux d'une solution de sel aqueuse agissant comme un coagulant, caractérisé en ce que cette dispersion aqueuse est préparée en continu en cuisant à la vapeur une suspension d'amidon dans de l'eau, avec une concentration comprise entre 5 % et 40 % en poids, à une température comprise entre 90 OC et 180 OC; la suspension amylacée obtenue de cette manière est injectée comme flux secondaire dans un flux primaire d'agent coagulant à une température comprise entre 20 O C et 100 OC, le rapport de vitesse entre le flux primaire et le flux secondaire étant supérieur à 1:30, de façon à obtenir la formation de cette pâte, et la pâte obtenue de cette manière est soumise à maturation dans ses propres eaux-mères pendant une période de 1 à 4 heures,à une température comprise entre 20 OC et 40 OC. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dispersion d'amidon est injectée dans le flux d'agent coagulant à une température comprise entre O C et 70 O C, avec une concentration de produit sec comprise entre 5 % et 40 % en poids. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le sel agissant comme coagulant est choisi parmi le groupe comprenant le sulfate d'ammonium, le sulfate de magné- sium, le sulfate d'aluminium, le phosphate d'ammonium, le chlorure de potassium, le sulfate de sodium, le carbonate de sodium, le bicarbonate de sodium et le chlorure d'ammonium. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport entre la vitesse de la solution saline et la vitesse de la dispersion d'amidon est compris entre 30 et 100, de préférence entre 40 et 70. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la solution de sel agissant comme un coagulant est mélangée avec de l'air avant d'être injectée et mise en contact avec la dispersion d'amidon. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la dispersion d'amidon est injectée dans le flux d'agent coagulant au moyen d'un éjecteur ( 7) par des ouvertures dont les dimensions sont comprises entre 0,5 mm et 2 mm, de préférence entre 0,6 mm et 1,2 mm. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'amidon utilisé est un amidon naturel ayant une teneur en amylopectine comprise entre 45 % et 100 % en poids. 8 Pâte d'amidon, utilisée comme additif pour le papier ou le carton, et obtenue au moyen de coagulation d'un flux d'une dispersion aqueuse d'amidon dans un flux d'agent coagulant, caractérisée en ce qu'elle est formée par des flocons dont au moins 90 % en poids ont des dimensions inférieures à 50 mailles, déterminées par l'appareil de Bauer McNett et la méthode TAP Pl 233. 9 Pâte d'amidon selon la revendication 8, caractérisée en ce que lesdits flocons satisfont à la distribution dimensionnelle suivante: fraction % en poids TAP Pl 233). 11 Procédé de production de papier ou de carton selon la revendication 10, caractérisé en ce que entre 1 % et 50 % en poids dudit mélange fibreux consistent en une pâte d'amidon formée de flocons satisfaisant à la distribution dimensionnelle suivante (méthode TAP Pl 233): 12 Composition de papier ou de carton obtenue par un procédé selon la revendication 10 ou 11.