Brevet FR2734835A1 — publié le 19961206

PROCEDE POUR MODIFIER LES PROPRIETES DE SURFACE DE PARTICULES EN SUSPENSION AQUEUSE ET SES APPLICATIONS La présente Invention se rapporte à un procédé pour modifier les propriétés de surface de particules en suspension aqueuse et à ses applications. De nombreuses industries telles que, par exemple, l'industrie papetière, l'industrie des peintures, l'industrie des encres, l'industrie des colles et adhésifs, ..., utilisent des suspensions aqueuses de particules, d'origine minérale ou organique, qui peuvent se présenter sous des formes géométriques très différentes : sphères (pleines ou creuses), polyèdres, paillettes, fibres ..., ou encore sous forme de masses irrégulières. Si on prend, par exemple, le cas de l'industrie papetière - les charges pigmentaires minérales telles que le kaolin ou le carbonate de calcium (CO3Ca) sont généralement livrées aux papetiers sous forme de suspensions aqueuses stables dénommées "slurries", contenant, suivant les cas, de 60 à 80% de matières sèches en suspension dans de l'eau en présence de dispersants, ou sous forme de poudres que les papetiers empâtent pour obtenir des suspensions présentant un pourcentage d'extrait sec approprié - puis, les papetiers préparent, à partir de ces suspensions, des "sauces de couchage", ainsi appelées en raison de ce qu'elles sont destinées à être déposées en couches sur les matières fibreuses du papier ou du carton et qui sont des mélanges de charges pigmentaires minérales et éventuellement organiques, et de liants (apportés sous forme de dispersions et/ou de solutions de polymères naturels ou synthétiques) en milieu aqueux, avec un certain nombre d'adjuvants tels que des dispersants, des insolubilisants, des azurants optiques, des antimousses, des lubrifiants, etc - par ailleurs, les matières fibreuses telles que la cellulose qui entrent dans la fabrication du papier, sont également préparées sous forme de suspensions aqueuses. Dans ces conditions, on comprendra que se pose le problème de la maîtrise des compatibilités de ces différents constituants particulaires entre eux et ce, d'autant plus qu'ils peuvent être de nature chimique, de morphologie et de taille très variables. Ainsi, dans le cas du couchage du papier, le défaut ou l'insuffisance de comptabilité des particules entre elles se traduit par des structures de couches hétérogènes entraînant, entre autres, des irrégularités dans l'absorption de l'encre par le papier et un effet inesthétique lors de l'impression appelé "mottling" d'impression. La présente Invention s'est donc fixée pour but d'améliorer la compatibilité des différentes particules susceptibles d'être présentes dans une même suspension aqueuse et/ou l'affinité de ces particules vis-à-vis de particules contenues dans une autre suspension aqueuse en vue de leur mélange, et ce, quelles que soient les particules mises en présence. Ce but est atteint selon la présente Invention par un procédé pour modifier les propriétés de surface de particules minérales ou organiques en suspension aqueuse, caractérisé en ce qu'il consiste à ajouter dans la suspension un ou plusieurs composé(s) susceptible(s) de se fixer sur tout ou partie de la surface desdites particules par des interactions polaires et non polaires, notamment de type acide-base, entre ledit ou lesdits composés et lesdites particules. Selon un premier mode de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, le ou lesdits composés sont choisis parmi le groupe comprenant les amides à chaînes grasses et les oxydes d'amines à chaînes grasses. Selon une disposition avantageuse de ce mode de mise en oeuvre, les particules sont des particules minérales dont la surface présente des sites positifs et négatifs individualisés et/ou est neutre ou acide. De telles particules sont avantageusement des particules d'un minéral lamellaire du type kaolin, mica, talc ou analogue ou des particules d'un minéral compact à surface neutre ou faiblement acide du type dioxyde de titane ou analogue. Selon une autre disposition avantageuse de ce mode de mise en oeuvre, les particules sont des polymères en dispersions anioniques ou non ioniques. De telles dispersions de polymères sont constituées, par exemple, par des dispersions de copolymères de styrène/butadiène ou d'acrylate/styrène ou d'homopolymères de styrène. Selon une disposition préférée de ce mode de mise en oeuvre du procédé conforme à l'Invention, les amides à chaînes grasses sont choisis parmi le groupe comprenant les alkanolamides d'acides gras naturels et les alkanolamides d'acides gras synthétiques comprenant de préférence de 8 à 22 atomes de carbone. Comme alkanolamides d'acides gras naturels, on utilise notamment les monoéthanolamides, les diéthanolamides, les monoisopropanolamides et les diisopropanolamides d'acides gras de coprah, de soja, de colza, de coprah palmiste, de palme ou de suif. Selon une autre disposition préférée de ce mode de mise en oeuvre, les oxydes d'amines à chaînes grasses sont choisis parmi le groupe comprenant les oxydes d'amines dérivés d'amines tertiaires ou d'amidoalkylamines tertiaires qui présentent au moins une chaîne grasse d'origine naturelle ou synthétique comprenant de 8 à 22 atomes de carbone. La chaîne grasse naturelle peut être choisie, par exemple, parmi les dérivés d'huiles de coprah, de soja, de colza, de coprah palmiste, de palme ou de suif. Parmi les oxydes dérivés d'amidoalkylamines tertiaires, on utilise notamment les oxydes de dérivés à chaîne grasse naturelle ou synthétique à fonction amidopropyldiméthylamine tels que, par exemple, l'oxyde de cocoamidopropyldiméthylamine. Selon un autre mode de mise en oeuvre du procédé conforme à l'Invention, le ou lesdits composés sont choisis parmi le groupe comprenant les esters alkyl-, aryl-, alkylaryl-, alkyléther-, aryléther- et alkylaryléther-phosphoriques et leurs sels. Selon une disposition avantageuse de ce mode de mise en oeuvre, les particules sont des particules minérales à surface basique. De telles particules sont avantageusement des particules d'un minéral compact du type carbonate de calcium, sulfo-aluminate de calcium, hydroxyde d'aluminium ou analogue. Selon une disposition préférée de ce mode de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, les esters phosphoriques sont choisis parmi le groupe comprenant les esters alkylpolyglycoléther phosphoriques, les esters alkylarylpolyglycoléther phosphoriques et les esters alkyl phosphoriques à chaîne hydrocarbonée comprenant de 4 à 20 atomes de carbone ainsi que leurs sels. Parmi ces esters, on peut notamment utiliser les dérivés phosphoriques d'alkylphénols ou d'alcools gras, éventuellement polyéthoxylés et/ou polypropoxylés ainsi que leurs sels alcalins ou d'alkanolamines. Selon encore un autre mode de mise en oeuvre du procédé conforme à l'Invention, le ou lesdits composés sont choisis parmi le groupe comprenant les homo- ou copolymères hydrosolubles à une ou plusieurs fonction(s) amide(s) et les homo- ou copolymères hydrosolubles à une ou plusieurs fonction(s) oxyde(s) d'amine. Selon une disposition avantageuse de ce mode de mise en oeuvre, les particules sont des particules polyosidiques de type cellulose, amidon ou analogue. Selon une autre disposition avantageuse de ce même mode de mise en oeuvre, les particules sont des polymères en dispersions anioniques ou non-ioniques. De telles dispersions de polymères sont constituées, par exemple, par des dispersions de copolymères de styrène/butadiène ou d'acrylate/styrène ou d'homopolymères de styrène comme précédemment mentionné. Selon une disposition préférée de ce mode de mise en oeuvre du procédé conforme à l'Invention, les homo- ou copolymères hydrosolubles à fonction(s) amide(s) sont choisis parmi le groupe comprenant les homo- ou copolymères de polyvinylpyrrolidones et les homo- ou copolymères de polyoxazolines, tandis que les homo- ou copolymères hydrosolubles à fonction(s) oxyde(s) d'amine sont choisis parmi les oxydes d'amines dérivés des homoou copolymères de polyalkylamines et les oxydes d'amines dérivés des homo- ou copolymères de polyaziridines. Ces copolymères peuvent être notamment substitués par des chaînes grasses. Le procédé conforme à l'Invention peut donc être mis en oeuvre sur toute suspension aqueuse de particules dont on désire modifier les propriétés de surface dans le but d'améliorer la compatibilité des particules entre elles et/ou l'affinité de ces particules vis-à-vis de particules contenues dans une autre suspension en vue de leur mélange ultérieur et ce, quelles que soient l'origine (minérale ou organique), la composition, la morphologie et la taille desdites particules. Ce procédé présente donc un grand intérêt et de nombreuses applications dans toutes les industries dans lesquelles des suspensions aqueuses de particules sont susceptibles d'être utilisées la fabrication des papiers et cartons, la fabrication des peintures et revêtements, la fabrication des colles et adhésifs, .... ainsi que dans les industries où des suspensions aqueuses sont susceptibles de constituer une étape de la production telles que, par exemple, le traitement des minéraux, la transformation des matières plastiques et des élastomères. Dans l'industrie papetière notamment, le procédé conforme à l'Invention peut avantageusement être mis en oeuvre pour modifier les propriétés de surface aussi bien des charges pigmentaires minérales (kaolin, talc, carbonate de calcium, ...), des fibres de cellulose que des dispersions de polymères qui sont utilisées en tant que liants dans les sauces de couchage ou pour augmenter, sous forme de "pigments plastiques", les brillants des couches. Ainsi, appliqué aux charges pigmentaires minérales, le procédé conforme à l'invention, permet - lorsqu'il est mis en oeuvre au cours de leur broyage, de diminuer la viscosité initiale des slurries et de prévenir leur tendance à l'épaississement et/ou à la sédimentation et, ainsi, d'améliorer leur comportement au vieillissement, - d'améliorer les propriétés rhéologiques de ces charges pigmentaires (de préférence, en traitant séparément chaque pigment) et des sauces de couchage correspondantes, notamment en diminuant la tendance à la dilatance des pigments et en augmentant la pseudoplasticité des sauces, - d'augmenter l'efficacité des agents rétenteurs d'eau, - d'augmenter l'affinité de ces charges vis-à-vis des fibres de cellulose et d'améliorer leur rétention sur les fibres, ce qui a pour conséquence d'augmenter les performances mécaniques des feuilles de papier telles que leur résistance à la traction, à la déchirure, ..., et - d'obtenir des structures de couches régulières lors du couchage du papier, y compris sous des conditions de séchage intense, ce qui se traduit par une diminution de la demande en liant, un meilleur lissé de surface et une diminution, voire une suppression de la tendance au mottling en impression offset ou héliogravure des papiers et cartons couchés. Appliqué aux fibres de cellulose, le procédé conforme à l'Invention permet - de diminuer la durée du raffinage des pâtes cellulosiques et d'améliorer un certain nombre de caractéristiques des feuilles de papier obtenues telles que la longueur de rupture, la porosité et l'opacité de ces feuilles, - d'améliorer l'adhésion des polymères susceptibles d'être déposés à la surface ou dans la masse du papier ainsi que celle des charges minérales susceptibles d'être introduites dans la masse du papier. En outre, appliqué aux dispersions de polymères, le procédé conforme à l'Invention permet - d'améliorer la compatibilité de ces polymères avec les autres particules présentes dans les sauces de couchage, notamment avec les charges pigmentaires minérales, et - d'éviter les phénomènes de floculation sélective des polymères qui sont responsables de modifications artificielles des courbes granulométriques des systèmes contenant de telles dispersions. La présente Invention a également pour objet des suspensions aqueuses de particules minérales ou organiques, caractérisées en ce qu'elles sont obtenues par un procédé comprenant au moins une étape consistant à mettre en oeuvre le procédé pour modifier les propriétés de surface des particules en suspension aqueuse conforme à l'invention. La présente Invention a par ailleurs pour objet un procédé de broyage de minéraux, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape consistant à mettre en oeuvre le - procédé pour modifier les propriétés de surface de particules en suspension aqueuse conforme à 1'Invention. La présente Invention a également pour objet un procédé de préparation d'une sauce de couchage pour l'industrie papetière, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape consistant à mettre en oeuvre le procédé pour modifier les propriétés de surface de particules en suspension aqueuse conforme à l'invention. La présente Invention a aussi pour objet un procédé de préparation d'une pâte fibreuse pour l'industrie papetière de type pâte cellulosique ou analogue, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape consistant à mettre en oeuvre le procédé pour modifier les propriétés de surface de particules en suspension aqueuse conforme à l'invention. La présente Invention a également pour objet un procédé de préparation d'une dispersion de polymères, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape consistant à mettre en oeuvre le procédé pour modifier les propriétés de surface de particules en suspension aqueuse conforme à l'invention. La présente Invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre et qui se réfère à des exemples de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. I1 va de soi toutefois que ces exemples sont donnés uniquement à titre d'illustrations de l'objet de l'invention dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. EXEMPLE 1 : TRAITEMENT DES CHARGES MINERALES Exemple 1.1 : BROYAGE DES MINERAUX On prépare un slurry comprenant 66,5% en matières sèches d'un mélange de talc et de CO3Ca (60:40), de granulométrie moyenne (D50) égale à 0,80 Clam, selon le processus suivant - prébroyage jusqu'à l'obtention d'une granulométrie moyenne égale à 2,5 Cun, - ajout dans la suspension de 0,4% de diéthanolamide d'acide linoléique naturel tel que commercialisé par la Société ZSCHIMMER & SCHWARZ - FRANCE sous la référence ARCALON 16, - broyage fin jusqu'à l'obtention d'une granulométrie moyenne égale à 0,80 Clam. La dose de l'additif est exprimée en poids d'additif rapporté au poids en sec de la suspension. On mesure les viscosités Brookfield 20 et 100 rpm de ce slurry à l'issue du broyage (viscosité initiale), puis une semaine et un mois plus tard et on les compare à celle d'un slurry témoin présentant les mêmes caractéristiques de composition, de pourcentage de matières sèches et de granulométrie mais préparé conformément à l'art antérieur. La mesure de la viscosité dans le temps permet d'établir, pour chacun des slurries, des indices de vieillissement (I.V.) calculés selon les formules viscosité 100 rpm à 1 semaine I.V.1 = viscosité 100 rpm initiale viscosité 100 rpm à 1 mois I.V.2 = viscosité 100 rpm initiale Les résultats sont exprimés dans le Tableau 1 ci-après. TABLEAU 1 Slurry préparé Viscosités Témoin selon mPa/s l'invention Initiale 20 rpm 580 340 Initiale 100 rpm 305 195 1 semaine 20 rpm 830 450 1 semaine 100 rpm 435 265 1 mois 20 rpm 995 495 1 mois 100 rpm 490 280 I.V.1 1.43 1.36 I.V.2 1.61 1.44 Ces résultats montrent que l'addition d'un amide à chaîne grasse tel qu'un diéthanolamide d'acide linoléique au cours du broyage d'une suspension de particules minérales - en majorité lamellaires - a pour effet, d'une part, d'abaisser la viscosité de la suspension obtenue à l'issue du broyage et, d'autre part, d'améliorer son comportement au vieillissement, en diminuant sa tendance à l'épaississement ainsi qu'à la sédimentation. Exemple 1.2 : TRAITEMENT DES CHARGES PIGMENTAIRES On prépare, conformément à l'art antérieur, deux slurries - ci-après dénommés slurry 1 et slurry 2 comprenant slurrv 1 : 66% de matière sèche de kaolin de couchage de type anglais dont 80% des particules présentent une granulométrie inférieure à 2 Rm slurry 2 : 75% de matière sèche de CO3Ca de couchage naturel broyé dont 90% des particules présentent une granulométrie inférieure à 2 Rm et on leur ajoute, conformément à l'invention, respectivement slurry 1 : 0,5% de diéthanolamide d'acides gras de coprah tel que commercialisé par la Société ZSCHIMMER & SCHWARZ - FRANCE sous la référence ARCALON 12 slurry 2 . 0,25% d'ester alkylpolyglycoléther phosphorique tel que commercialisé par la Société ZSCHIMMER & SCHWARZ - FRANCE sous la référence ARCAFOS 01. Dans chaque cas, la dose de l'additif est exprimé en poids d'additif rapporté au poids en sec du slurry. On détermine les indices de dilatance (I.D. = flèche du rhéogramme/corde du rhéogramme x 100) et de pseudoplasticité (I.P.P. = viscosité Brookfield 100 rpm/viscosité 1000 s-l) des slurries ainsi traités et on compare ces indices avec ceux de slurries témoins présentant les mêmes caractéristiques de composition, de pourcentage de matière sèche et de granulométrie mais n'ayant pas été traités conformément à l'invention. Les résultats sont exprimés dans le Tableau 2 ci-après. TABLEAU 2 Slurries I.D. I.P.P. Témoin 1 7,0 4,9 Slurry 1 2,7 16,4 Témoin 2 6,8 2,8 Slurry 2 4,0 2,9 Ces résultats montrent qu'un traitement conforme à l'Invention permet de diminuer notablement la tendance à la dilatance des pigments de couchage présents dans des slurries et d'améliorer la pseudoplasticité de ces slurries. Exemple 1.3 : PREPARATION DES SAUCES DE COUCHAGE On ajoute à un système pigmentaire composé d'un mélange (60:40) de kaolin de couchage offset de type anglais et de CO3Ca naturel broyé (granulométrie inférieure à 2 pirti pour 90% des particules) et empâté selon l'art antérieur, 1% de diéthanolamide d'acides gras de coprah telle qu'utilisée dans l'exemple 1.2 ci-avant. La dose d'additif est exprimée en poids de produit rapporté au poids en sec des pigments. Puis, on prépare une sauce de couchage en mélangeant le système pigmentaire ainsi traité à un système liant composé de 11% de latex styrène/butadiène (exprimé en sec) et de 0,5% d'alcool polyvinylique. La sauce de couchage ainsi obtenue - ci-après dénommée sauce 1 - présente un extrait sec d'environ 62%. On détermine, pour cette sauce de couchage, deux indices de pseudoplasticité (I.P.P.) calculés selon les formules viscosité Brookfield 20 rpm I.P.P. 1 = viscosité 10 000 s-1 viscosité 10 000 s-l I.P.P. 2 = viscosité 40 000 s-l et on compare les valeurs obtenues avec les indices de pseudoplasticité d'une sauce de couchage témoin préparée dans les mêmes conditions, exception faite que le système pigmentaire n'a pas été traité conformément à 1 ' Invention. Les résultats sont exprimés dans le Tableau 3 ci-après. TABLEAU 3 Sauces de I.P.P. 1 I.P.P. 2 couchage Témoin 32 2,1 Sauce 1 40 2,5 Ces résultats montrent qu'un traitement conforme à l'invention permet d'améliorer notablement la pseudoplasticité des sauces de couchage dans un très large domaine de variation de taux de cisaillement. Exemple 1.4 : COUCHAGE DU PAPIER On compare les performances, en termes de lissé (lissé Bekk), de résistance à l'arrachage (IGT sec) et de mottling, de couches obtenues, dans des conditions de séchage standard et des conditions de séchage intense, en utilisant comme sauces de couchage, la sauce 1 et la sauce témoin de l'exemple 1.3 ci-avant. Dans tous les cas, le couchage est effectué à 10 g/m2 sur support précouché. Le mottling des couches obtenues est apprécié au cours de tests de laboratoire et de tests industriels et est exprimé par une note comprise entre 1 (tendance au mottling très faible à nulle) et 5 (tendance au mottling maximale). Les résultats sont exprimés dans le Tableau 4 ci-après. TABLEAU 4 Performances Séchage standard Séchage intense des Témoin Sauce 1 Témoin Sauce 2 couches Lissé Bekk (s) 735 885 880 1060 IGT sec (cm/s) 175 > 200 155 > 200 Mottlina - tests laboratoire 4 2,5 3,5 1,5 - tests industriels 5 3,5 5 2,5 EXEMPLE 2 : TRAITEMENT DES FIBRES DE CELLULOSE On traite une pâte cellulosique chimique de type scandinave présentant un degré SR égal à 15 avant raffinage par l'adjonction de 2% d'une poudre de polyvinylpyrrolidone de bas poids moléculaire telle que celle commercialisée par la Société BASF sous la référence KOLLIDON 12 PF. La dose de poudre de polyvinylpyrrolidone ajoutée est exprimée en poids de poudre rapporté au poids sec des fibres de cellulose présentes dans la pâte. On.procède alors au raffinage de la pâte ainsi traitée jusqu'à l'obtention d'un degré SR égal à 50 puis à la fabrication d'une feuille de 65 g/m2. La durée de raffinage de la pâte traitée - ci-après dénommée pâte 1 - est comparée au temps nécessaire pour obtenir un raffinage de même degré avec une pâte témoin de même composition, mais n'ayant pas été préalablement traitée par la polyvinylpyrrolidone. De manière similaire, on compare les performances en termes de longueur de rupture, de porosité et d'opacité, des feuilles respectivement fabriquées à partir de la pâte traitée (pâte 1) et de la pâte non traitée (pâte témoin). Les résultats obtenus sont exprimés dans le Tableau 5 ci-après. TABLEAU 5 Témoin Pâte 1 Temps de raffinage (mn) 52 41 Longueur de rupture (m) 10 300 11 200 Indice de porosité à l'air 100 117 Indice d'opacité 100 110 Ces résultats montrent que l'addition, conformément à l'invention, d'un polymère hydrosoluble à fonction amide tel qu'une polyvinylpyrrolidone de bas poids moléculaire, à une pâte cellulosique avant raffinage permet, d'une part, d'accélérer notablement le raffinage de cette pâte et, d'autre part, d'améliorer les caractéristiques des feuilles fabriquées avec la pâte ainsi traitée allongement de la longueur de rupture, augmentation de la porosité et de l'opacité des feuilles obtenues. REVENDICATIONS 1. Procédé pour modifier les propriétés de surface de particules minérales ou organiques en suspension aqueuse, caractérisé en ce qu'il consiste à ajouter dans la suspension un ou plusieurs composé(s) susceptible(s) de se fixer sur tout ou partie de la surface desdites particules par des interactions polaires et non polaires, notamment de type acide-base, entre ce ou ces composés et les particules, le ou lesdits composés étant choisis parmi le groupe comprenant les esters alkyl-, aryl-, alkylaryl-, alkyléther-, aryléther- et alkylaryléther-phosphoriques et leurs sels. 2 Procédé selon la Revendication 1, caractérisé en ce que les particules sont des particules minérales à surface basique. 3. Procédé selon la Revendication 2, caractérisé en ce que les particules sont des particules d'un minéral compact du type carbonate de calcium (CO3Ca), sulfo-aluminate de calcium, hydroxyde d'aluminium ou analogue. 4. Procédé selon l'une quelconque des Revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les esters phosphoriques sont choisis parmi le groupe comprenant les esters alkylpolyglycoléther phosphoriques, les esters alkylarylpolyglycoléther phosphoriques et les esters alkyl phosphoriques à chaîne hydrocarbonée comprenant de 4 à 20 atomes de carbone et leurs sels. 5. Procédé selon la Revendication 4, caractérisé en ce que lesdits esters sont choisis parmi les dérivés phosphoriques d'alkylphénols ou d'alcools gras ainsi que leurs sels alcalins ou d'alkanolamines. 6. Procédé selon la Revendication 5, caractérisé en ce que les dérivés phosphoriques d'alkylphénols ou d'alcools gras sont polyéthoxylés et/ou polypropoxylés. 7. Suspensions aqueuses de particules minérales ou organiques, caractérisées en ce qu'elles sont obtenues par un procédé comprenant au moins une étape consistant à mettre en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des Revendications 1 à 6. 8. Procédé de broyage de minéraux, caractérisé en ce qu ' il comprend au moins une étape consistant à mettre en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des Revendications 1 à 6. 9. Procédé de préparation d'une sauce de couchage pour l'industrie papetière, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape consistant à mettre en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des Revendications 1 à 6. 10. Procédé de préparation d'une dispersion de polymères, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape consistant à mettre en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des Revendications 1 à 6.