ПРИМЕНЕНИЕ БЕТУЛИНА В КАЧЕСТВЕ НАПОЛНИТЕЛЯ ДЛЯ БУМАГИ И КАРТОНА
BETULIN USED AS FILLER FOR PAPER AND CARDBOARD

Область техники
Настоящее изобретение относится к применению бетулина в качестве наполнителя для бумаги и картона, к способу получения бумаги и картона, в котором бетулин используют в качестве наполнителя, и, кроме того, к бумаге и картону, включающим бетулин в качестве наполнителя.
Уровень техники
В качестве наполнителя для бумаги и картона применяют, главным образом, неорганические наполнители, такие как каолины, тальк, диоксид кремния, силикаты, диоксид титана и карбонаты кальция, и, кроме того, в некоторой степени, наполнители, включающие органические полимерные пигменты, которые также могут быть полыми. В качестве примеров таких пигментов могут быть упомянуты полимерные пигменты на основе мочевиноформальдегидных смол.
Желательно, чтобы наполнитель снижал как можно в меньшей степени коэффициент рассеивания света бумагой и ее прочность на разрыв. Отличным коэффициентом рассеивания света среди наиболее часто применяемых неорганических наполнителей обладает дорогой диоксид титана.
В Европейском Союзе сейчас рассматривается вопрос о том, что в будущем будет запрещено выбрасывать пригодные для компостирования отходы на свалки. Следовательно, единственной экономически оправданной альтернативой для удаления таких отходов будет их сжигание. Однако неорганические пигменты не будут сгорать, а будут давать остатки золы в качестве отходов, в то время как органические соединения могут быть переработаны путем сжигания без остатков отходов. Кроме того, поставленные в ЕС цели относительно доли энергии биологических процессов в общем производстве энергии должны быть достигнуты к 2010, и, таким образом, сгораемые органические пигменты в связи с этим являются также востребованными.
В лесохимической и деревообрабатывающей промышленности ежегодно производится громадное количество отходов березовой коры, причем эти отходы перерабатываются в основном путем сжигания. Бетулин обнаруживается в березовой коре, причем его содержание в наружной березовой коре составляет 20-40%. Бетулин может быть выделен из березы, например из внешней коры березы семейства Betula verrucosa (Береза бородавчатая), наиболее распространенной в Скандинавии, путем экстракции органическими растворителями, используя известные способы.
Бетулин имеет структуру пентациклического тритерпенового спирта и также известен под тривиальным названием бетулинол и систематическим названием луп-20(29)ен-3,28-диол. Структура бетулина выражается следующей формулой I:
Бетулин является белым кристаллическим порошком с низкой плотностью, обладающим сильно гидрофобными свойствами, и он едва растворим в воде.
Применение бетулина в бумажной промышленности в некоторой степени уже изучалось, особенно его воздействие на пожелтение бумаги, пожелтение целлюлозной массы и ее запах. В Патенте Финляндии FI102402 рассматривается применение бетулина в качестве покрывающего пигмента бумаги и картона отдельно или в сочетании с другими пигментами. Была приготовлена покрывающая паста из бетулина путем его суспендирования вместе со вспомогательными веществами в воде аналогичным способом, как это делают в случае талька, и стабилизации суспензии с помощью стабилизатора. Покрывающие пасты изготавливали из полученной таким образом суспензии, используя известные в технике вспомогательные вещества или с применением или без применения других покрывающих пигментов, таких как каолин, карбонат кальция или тальк. С помощью этой покрывающей пасты, содержащей бетулин, могла быть получена покрытая бумажная основа, имеющая улучшенное рассеивание света в силу того, что в структуре бетулина имеются среди других гидроксильные группы, необходимые для носителей оптических отбеливателей.
На основе вышеприведенного обсуждения очевидно, что есть необходимость в бумаге и картоне, изготавливаемых из сгораемого сырья, при этом со свойствами, соответствующими свойствам бумаги и картона, получаемых с традиционными наполнителями, а также в способе получения указанных бумаги и картона.
Раскрытие изобретения
Изобретение относится к применению бетулина в качестве наполнителя для бумаги и картона.
Изобретение также относится к способу получения бумаги и картона, включающему применение бетулина в качестве наполнителя.
Кроме того, изобретение относится к бумаге и картону, содержащим бетулин в качестве наполнителя.
Отличительные признаки применения бетулина в производстве бумаги и картона, способа получения бумаги и картона и бумаги и картона, содержащих бетулин в качестве наполнителя по изобретению, представлены в формуле изобретения.
Сущность изобретения
Было неожиданно обнаружено, что проблемы и недостатки известных технических решений могут быть решены или, по меньшей мере, в основном исключены путем применения бетулина в качестве наполнителя бумаги и картона. В производстве бумаги или картона суспендированный в воде бетулин добавляют к целлюлозной массе, предпочтительно после добавления удерживающих добавок, то есть в виде суспензии, предпочтительно содержащей бетулин не более чем 60% по массе, особенно предпочтительно - от 5 до 35% по массе. В результате могут быть получены бумага и картон, которые можно сжигать и которые имеют свойства, соответствующие свойствам бумаги и картона, получаемых с традиционными наполнителями.
Подробное описание изобретения
Согласно изобретению бетулин может быть применен в качестве наполнителя бумаги и картона, в частности в качестве наполнителя немелованной бумаги и картона, предпочтительно сам по себе, а также вместе с известными неорганическими и/или органическими наполнителями. Из бетулина получают водную суспензию и затем эту суспензию добавляют к целлюлозной массе после добавления удерживающих добавок в процессе получения бумаги или картона. Предпочтительно, чтобы не более чем 60% по массе бетулина диспергировали в воде с одним или более вспомогательными веществами, особенно предпочтительно - от 5 до 35% по массе. В качестве вспомогательных веществ могут быть использованы один или несколько традиционных агентов, применяемых для диспергирования гидрофобных соединений. Указанные вспомогательные вещества предпочтительно выбирают из группы, состоящей из диспергирующих агентов, поверхностно-активных агентов и стабилизаторов, которые стабилизируют дисперсию и предотвращают образование агломератов.
Диспергирующий агент может быть использован в количестве от 0 до 1% по массе, предпочтительно - от 0,01 до 0,4% по массе, при этом количество поверхностно-активного агента составляет от 0 до 6% по массе, предпочтительно - от 2,5 до 5% по массе, и количество стабилизатора - от 0 до 1% по массе, предпочтительно - от 0,1 до 0,3% по массе. Подходящие диспергирующие агенты включают диспергирующие агенты, подходящие для гидрофильных наполнителей, такие как соли полимеров акриловой кислоты; примеры подходящих поверхностно-активных агентов включают полиэтиленгликоли, и подходящие стабилизаторы включают поливиниловые спирты. Проценты по массе вычисляются относительно массы суспензии.
При необходимости корректируют pH суспензии с помощью основания до значения, по меньшей мере, 8,5, предпочтительно - от 8,5 до 10. Примеры подходящих оснований включают неорганические основания, такие как NaOH, KOH и другие подобные.
Предпочтительно, чтобы бетулин использовался в виде тонкого порошка со средним размером частиц не более чем 30 мкм, причем предпочтительно, чтобы размер частиц составлял от 0,3 и 10 мкм, особенно предпочтительно - от 0,5 до 2,5 мкм. Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, измельченных частиц бетулина приведено на прилагаемой фиг.1.
Бетулин может быть получен из березы путем выделения, например, экстракцией из березовой коры, окорочных отходов, образующихся на целлюлозных заводах или промышленных лесопильных заводах, или он может быть синтетически полученным бетулином. Предпочтительно используют бетулин с чистотой, по меньшей мере, 85% по массе, предпочтительно, по меньшей мере, 95% по массе.
Способ по изобретению для получения бумаги или картона включает стадии, на которых получают водную суспензию, содержащую предпочтительно не более чем 60% по массе, в частности - от 5 до 35% по массе тонко измельченного бетулина, который, если необходимо, корректируют до желаемого размера частиц, например, с помощью размола и затем указанную суспензию добавляют к целлюлозной массе, используемой для производства бумаги или картона, в частности к тонко измельченной целлюлозной массе, предпочтительно до добавления удерживающих добавок. Затем удаляют воду из бумажного полотна с последующей сушкой и каландрованием бумаги или картона, если требуется, то есть производство бумаги или картона продолжают известным специалистам в этой области традиционным способом.
Целлюлозная масса, используемая для производства бумаги или картона, включает химическую целлюлозу или древесную массу или их смесь, при этом предпочтительно, чтобы целлюлозная масса для высокосортной бумаги включала целлюлозу из хвойной древесины и целлюлозу из лиственной древесины. Различные виды целлюлозной массы могут быть свободно смешаны в зависимости от производимого продукта.
Бумага или картон по изобретению включает бетулин в качестве наполнителя, при этом количество бетулина в бумаге или картоне составляет от 0,1 до 60%, предпочтительно - от 5 до 35% по массе.
Бетулин может применяться в качестве наполнителя для высокосортных бумаг в бумагах, содержащих химическую целлюлозу и древесную массу, для немелованных и мелованных высокосортных бумаг, для мелованных бумаг, содержащих древесную массу, и, кроме того, для поверхностных слоев картона, например, в картоне для складных коробок и облицовочном картоне. Предпочтительно, чтобы бетулин применяли для высокосортных бумаг, содержащих в настоящее время традиционно высокие количества неорганических наполнителей.
Настоящее изобретение обладает существенными преимуществами по сравнению с уровнем техники. Удерживаемость бетулина является заметно более высокой, чем традиционных неорганических наполнителей. Благодаря этой высокой удерживаемости бетулина улучшается качество оборотной воды, в результате получается более чистая оборотная вода и требуются меньшие количества фиксирующих агентов и удерживающих добавок. Улучшается просвет благодаря уменьшению количества удерживающих добавок. Кроме того, в примерах показано, что в сортах бумаги, содержащих в качестве наполнителя бетулин, заметно улучшается комбинация показателей прочности на разрыв и светорассеивания, и показатель прочности на разрыв может быть увеличен по сравнению с применением осажденного карбоната кальция примерно на 40% без снижения коэффициента рассеивания света. Это проиллюстрировано на фиг.2. Прочность на расслаивание бумаги и картона, характеризуемая силой сцепления Скотта, также немного увеличивается.
По сравнению с известным наполнителем, осажденным карбонатом кальция (ОКК), обеспечивающим высокий объем, бетулин неожиданно также обеспечивает высокий объем, но низкую пористость. Благодаря этой низкой пористости получают бумагу с улучшенной водонепроницаемой поверхностью для покрытия, и, соответственно, на стадии нанесения покрытия на бумагу требуется заметно меньше покрывающей пасты для высокого качества покрытия. Кроме того, как показали результаты примера 3, бетулин предотвращает пожелтение целлюлозной массы.
В силу низкой плотности бетулина он является легким веществом, в то время как традиционные неорганические пигменты являются тяжелыми веществами, что приводит к заметно более высоким транспортным расходам, чем в случае легких веществ. С помощью этого легкого бетулина могут быть получены более легкие виды бумаги для печати и газет, в результате чего снижаются почтовые и транспортные расходы и затраты на переработку бумажных отходов и, соответственно, может наноситься меньший вред окружающей среде за счет отходов.
В отличие от бетулина неорганические пигменты не принадлежат к возобновляемым ресурсам. Бетулин является органическим соединением с высокой теплотой сгорания, и, кроме того, он не дает золы. Кроме того, бетулин обладает противовирусной, противогрибковой и противомикробной активностью, и в связи с этим количество противомикробных средств, применяемых при производстве бумаги и картона, может быть уменьшено, что явно снижает нагрузку на окружающую среду, вызываемую указанными веществами.
Изобретение далее иллюстрируется следующими примерами, но без ограничения объема изобретения.
Примеры
Пример 1
Диспергирование бетулина с получением суспензии.
Бетулин измельчали с получением тонкого порошка со средним размером частиц около 1 мкм. На фиг.1 представлено изображение измельченного бетулина, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Затем 0,15 частей по массе диспергирующего агента (Fennodispo A41), 3,5 частей по массе поверхностно-активного агента (Lutesol T07) и 0,02 частей по массе 10% раствора NaOH добавляли к воде и смешивали с последующим добавлением 100 частей по массе измельченного бетулина и 0,15 частей по массе стабилизатора (Celvol 103) к полученной таким образом смеси. Затем смесь диспергировали в течение 40 минут при помощи диспергирующей установки Diaf.
Пример 2
Получение и испытание листов бумаги, содержащей бетулин.
2
Для получения листов бумаги использовали 70% по массе целлюлозной массы SR 21 из древесины березы и 30% по массе целлюлозной массы SR 27 из хвойной древесины. К целлюлозной смеси добавляли 0,3 мг/г удерживающей добавки Percol 47 по отношению к абсолютной массе сухой целлюлозной массы и от 5 до 30% по массе дисперсии бетулина, полученной в примере 1. Из полученной таким образом целлюлозной массы изготовляли нормальные лабораторные листы бумаги с поверхностной массой 60 г/м, сжимали обычным способом, сушили и подвергали испытаниям.
Листы бумаги подвергали экстракции ацетоном с последующим определением количества бетулина методом газовой хроматографии с использованием внутреннего стандарта. Удержание бетулина было достаточно высоким, при этом содержание наполнителя составляло 10% и 20%. Контрольный лист бумаги 1 не содержал наполнителя, в других контрольных листах бумаги использовали осажденный карбонат кальция (ОКК) в форме скаленоэдра. Удержание ОКК было ниже, и, в лучшем случае, содержание наполнителя составляло 8% и 3%. При сравнении листов бумаги, содержащих 10% бетулина и 8% ОКК, было обнаружено, что бетулин дает более высокие результаты по прочности, в частности заметно выше значение прочности на разрыв. Кроме того, с бетулином была лучше пористость по сравнению с контрольными агентами. Результаты приведены ниже в таблице 1 и 2, и на прилагаемой фиг.2 представлена прочность на разрыв как функция коэффициента рассеивания света.
Таблица 1
Образец
Масса, г/м<sup>2</sup>
Толщина, мкм
Насыпной объем, см<sup>3</sup>/кг
Прочность на разрыв, кнм/кг
Прочность на расслаивание/ сцепление Скотта,Дж/м<sup>2</sup>
Пористость, мл/мин
Контрольный 1
59,5
76
1,27
49,0
450
470
Бетулин 10%
64,8
107
1,64
71,5
300
950
Бетулин 20%
72,5
135
1,86
28,8
130
1350
ОКК 3%
57,2
77
1,34
57,5
415
790
ОКК 8%
59,1
82
1,39
52,0
285
1030
Таблица 2
Образец
Масса, г/м<sup>2</sup>
Непрозрачность, %
Коэффициент рассеивания света, м<sup>2</sup>/кг
Контрольный 1
59,5
63,8
24,8
Бетулин 10%
64,8
77,1
37,6
Бетулин 20%
72,3
86,2
53,5
ОКК 3%
57,2
68,3
31,0
ОКК 8%
59,1
73,3
37,9
Пример 3
Изготовление и испытание листов бумаги, содержащих бетулин.
2
Лабораторные листы бумаги с поверхностным весом 60 г/м приготавливали из химической целлюлозы, содержащей соответственно 10% и 20% по массе бетулина и для сравнения 3% и 8% по массе наполнителя ОКК (Alcabar LO), при этом состав целлюлозной массы содержал 70% по массе целлюлозной массы из березы и 30% по массе талловой.
На фиг.3 и 4 приведены результаты ISO теста на белизну и теста на коэффициент абсорбции. Листы бумаги, содержащие бетулин, желтели заметно медленнее, чем листы, содержащие наполнитель ОКК, и, кроме того, листы, содержащие бетулин, белели более быстро на свету, чем другие листы. С точки зрения оптических свойств листы, содержащие бетулин, соответствовали листам, содержащим наполнитель ОКК.