在造纸中增强脱水、纸片湿纸幅强度和湿强度的方法

摘要

本发明提供了一种在造纸过程中改进脱水效率、增加纸片湿纸幅强度、增加纸片湿强度和提高填料留着率的方法。所述方法通过在至少部分填料颗粒上涂覆防止填料材料与脱水助剂结合的材料以提高脱水助剂的效率。所述脱水助剂将纸纤维紧密结合在一起且不会被浪费在填料颗粒上。

说明书

相关应用的交叉引用

本申请是2010年3月19日递交的美国专利申请12/727,299的部分延续 申请。

关于联邦政府赞助的研究或开发的声明

无。

背景技术

本发明涉及在造纸过程中改进脱水效率、增加纸片湿纸幅强度、增加纸 片湿强度并提高填料留着率的方法。通常，造纸过程中在湿部加入化学制品 以帮助浆料脱水并改进湿纸片强度和干纸片强度。造纸过程的湿部是指在造 纸过程中填料以浆料形式分散在水中的阶段。之后该填料-水浆料经过排水和 脱水过程形成湿纸。该湿成形过程后固体含量为约50%。之后将该湿纸干燥 并形成纸垫干片。该纸垫包含水和固体，且通常为4至8%的水。纸垫的固 体部分包含纤维（通常为纤维素类纤维），也可包含填料。

填料为在造纸过程中被加入到纸垫中以提高所得纸张的不透明度和光反 射特性的矿物颗粒。美国专利号7,211,608中描述了填料的一些实例。填料 包括用于增加不透明度或亮度、或减少纸张或纸板片的成本的无机和有机颗 粒或颜料。填料的一些实例包含一种或多种：高岭粘土、滑石、二氧化钛、 氢氧化铝、硫酸钡、氢氧化镁、颜料如碳酸钙等。

碳酸钙填料以两种形式出现，GCC（研磨碳酸钙）和PCC（沉淀碳酸钙）。 GCC为天然存在的碳酸钙岩石，而PCC为合成产生的碳酸钙。由于具有更 大的比表面积，PCC具有更强的光散射能力并为所得纸张提供更好的光学性 能。然而由于相同的原因，PCC填料的纸张在干强度、湿强度和湿纸幅强度 上弱于GCC填料的纸张。通常填料比纤维小很多，因此，填料比纤维具有 更大的比表面积。为了增加纸张中的填料含量，人们发现增加纸片中的填料 含量的挑战之一在于高填料含量降低了湿部化学制品如脱水助剂的效率。本 发明提供了新的填料预絮凝以减少湿部化学制品吸附于填料表面，因此增加 了湿部化学制品如脱水助剂的效率。

造纸湿纸幅强度为从未干燥过的纸张的抗张强度。造纸湿纸幅强度对纸 张生产商来说非常重要，因为增加的造纸湿纸幅强度会提高机器运行性能并 减少纸张破裂和停机时间。造纸湿纸幅强度为在纸垫的交织纤维间形成的键 的数量和强度的功能。具有更大表面积的填料颗粒更可能与这些纤维结合并 影响这些键的数量和强度。由于其更大的表面积，PCC填料比GCC对这些 键具有更多的影响。

纸张脱水效率对纸张生产上来说也非常重要，因为在湿部的脱水效率的 降低会增加干燥操作的气流需求、降低机器速度和生产效率。脱水助剂被广 泛使用以为了减少能耗、增加机器速度和生产效率来改进脱水效率。

纸片湿强度为当纸张被再湿时的抗张强度。纸片湿强度不仅是重要的纸 张性能之一，还对具有施胶压榨的精细造纸机的机器运行性能来说很重要。 纸张在施胶压榨后被再湿，并且如果纸片湿纸幅强度较低则容易破裂。与纸 张干强度和湿纸幅强度相同，由于填料与纤维-纤维键的相互作用，纸片湿强 度会随着纸张中的填料强度降低。

因此有对在造纸过程中改进脱水效率、增强纸片湿纸幅强度、增强纸片 湿强度和提高填料留着率的明确需求和动机。除非特别指明，本节中描述的 技术并不是要承认此处引用的任何专利、出版物或其它信息是相对于本发明 的“现有技术”。另外，本节不应解释为表明已经进行了研究或者没有37C.F.R. §1.56(a)中定义的其它相关信息存在。

发明内容

本发明的至少一个实施方式涉及通过结合填料预絮凝和脱水助剂而具 有改进的纸片湿强度或湿纸幅强度或增强的排水性能的造纸方法。所述方法 包括以下步骤：以足以在分散中混合均匀而不引起填料颗粒明显絮凝的量将 第一絮凝剂加入到水性分散体中，在加入第一絮凝剂后以足以在第一絮凝剂 的存在下引发填料颗粒絮凝的量向分散体中加入第二絮凝剂，所述第二絮凝 剂与第一絮凝剂具有相反的电荷，使填料颗粒与纸纤维原料结合，使用至少 一种脱水助剂处理所述结合物，并通过将一些水从结合物中除去来形成纸垫。 纤维素纤维原料包含多种纤维素纤维和水。第二絮凝剂抑制脱水助剂粘附于 填料颗粒。

本发明的至少一个实施方式涉及一种方法，其中造纸过程中进行的纸张 脱水以大于使用单独加入第一和第二絮凝剂和脱水剂时的絮凝过程提供的脱 水增加的总和的量增加。

本发明的至少一个实施方式涉及一种方法，其中填料颗粒进一步包含选 自由碳酸钙、有机颜料、无机颜料、粘土、滑石、二氧化钛、氢氧化铝、硫 酸钡、氢氧化镁和它们的任意组合组成的组中的一种。该方法可进一步包含 剪切分散体以得到预定絮凝物尺寸的步骤。填料絮凝物可具有10-200μm的 中值粒径。第一絮凝剂可为阴离子和两性絮凝剂。脱水剂可为乙醛酸化的丙 烯酰胺/二烯丙基二甲基氯化铵（AcAm/DADMAC）共聚物或二烯丙基胺/丙 烯酰胺（DAA/AcAm）共聚物或聚乙烯胺（PVAM）树脂。脱水助剂相对于 纸垫的固体部分的比例可为每吨纸垫含0.3至10kg的添加剂。第一絮凝剂 可为丙烯酰胺和丙烯酸钠的共聚物。脱水助剂和第二絮凝剂可带有相同的电 荷。

第二絮凝剂可选自由丙烯酰胺与DMAEM、DMAEA、DEAEA、DEAEM 的共聚物类组成的组中。所述第二絮凝剂可为用选自由硫酸二甲酯、氯甲烷、 苄基氯和它们的任意组合组成的组中的盐制造的季铵盐形式。填料可为阴离 子分散，且向分散体中加入低分子量的阳离子凝结剂从而在添加第一絮凝剂 之前至少部分将其阴离子电荷中和。第二絮凝剂可具有与第一絮凝剂的电荷 相反的电荷。填料絮凝物可具有10-200μm的中值粒径。填料颗粒的共混物 进一步包含选自由碳酸钙、有机颜料、无机颜料、粘土、滑石、二氧化钛、 氢氧化铝、硫酸钡、氢氧化镁和它们的任意组合的组中的一种。低分子量组 合物可为阳离子凝结剂，第一絮凝剂可为阴离子絮凝剂，第二絮凝剂可为阳 离子絮凝剂，且两种凝聚剂可具有至少1,000,000的分子量。

附图说明

下文具体参考下列附图详细描述本发明：

图1为表示根据本发明制得的纸张的改进的湿强度的图。

具体实施方式

以下定义是为了确定如何理解用于本应用中的术语，特别是权利要求。 这些定义的顺序仅为了方便，并不为了将任何定义限制在任何特定种类中。

“凝结剂”是指具有比凝聚剂更高电荷密度和更低分子量的物质的组合 物，当将其加入到含有微细分离的悬浮颗粒的液体中时，会通过离子电荷中 和的机制使这些固体不稳定并聚集。

“脱水助剂”是指在过程中任何时候可改进纸幅脱水的化学添加剂。这 表示材料可能不会影响自由排水，但在真空排水或压力响应上具有显著效果。

“DAA”是指二烯丙基胺。

“DADMAC”是指二烯丙基二甲基氯化铵。

“DMAEM”是指如美国专利5,338,816中描述和定义的二甲基氨基乙基 甲基丙烯酸酯。

“DMAEA”是指如美国专利5,338,816中描述和定义的二甲基氨基乙基 丙烯酸酯。

“DEAEA”是指如美国专利6,733,674中描述和定义的二乙基氨基乙基 丙烯酸酯。

“DEAEM”是指如美国专利6,733,674中描述和定义的二乙基氨基乙基 甲基丙烯酸酯。

“凝聚剂”是指具有较低电荷密度和较高分子量（超过1,000,000）的物 质的组合物，当将其加入到含有微细分离的悬浮颗粒的液体中时，会通过粒 子间桥接的机制使这些固体不稳定并聚集。

“絮凝剂”是指当加入到液体中时使该液体中的胶体和微细分离的悬浮 颗粒不稳定并聚集成絮凝物的物质的组合物。

适宜用于本发明的凝聚剂通常具有高于1,000,000且经常高于5,000,000 的分子量。

聚合物凝聚剂通常通过以下方式制备：一种或多种阳离子、阴离子或非 离子单体的烯烃加成聚合，一种或多种阳离子单体与一种或多种非离子单体 的共聚，一种或多种阴离子单体与一种或多种非离子单体的共聚，一种或多 种阳离子单体与一种或多种阴离子单体及可选的一种或多种非离子单体的共 聚以形成两性聚合物，或一种或多种两性离子单体与可选的一种或多种非离 子单体的共聚以形成两性离子聚合物。所述一种或多种良性离子单体与可选 的一种或多种非离子单体也可与一种或多种阴离子或阳离子单体共聚以将阳 离子或阴离子电荷给予两性离子聚合物。适宜的凝聚剂通常具有少于80摩尔 百分比且经常少于40摩尔百分比的电荷含量。

尽管阳离子聚合物凝聚剂可使用阳离子单体形成，但也可与特定的非离 子烯烃加成聚合物反应以产生阳离子带电聚合物。该类聚合物包括通过据丙 烯酰胺与二甲胺和甲醛反应以产生曼尼希碱衍生物来制备的聚合物。

同样，尽管阴离子聚合物凝聚剂可使用阴离子单体形成，但也可与特定 的非离子烯烃加成聚合物改性而形成阴离子带电聚合物。该类聚合物包括， 例如通过据丙烯酰胺的水解制备的聚合物。

凝聚剂可以固体形式、水溶液、油包水型乳液或水分散体制备。代表性 的阳离子聚合物包括（甲基）丙烯酰胺与二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯 （DMAEM）、二甲基氨基乙基丙烯酸酯（DMAEA）、二乙基氨基乙基丙烯 酸酯（DEAEA）、二乙基氨基乙基甲基丙烯酸酯（DEAEM）或它们与硫酸 二甲酯、氯甲烷或苄基氯制得的季铵盐形式的共聚物或三元共聚物。代表性 的阴离子聚合物包括丙烯酰胺与丙烯酸钠和/或2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸 （AMPS）的共聚物或被水解以将部分丙烯酰胺基团转化为丙烯酸的丙烯酰 胺均聚物。

“GCC”是指研磨碳酸钙，通过研磨天然存在的碳酸钙岩石制得。

“造纸过程”是指从纸浆制备纸张和纸板制品的方法，包含将纸浆与水 混合形成水性纤维素纸垫，将所述垫排水以形成片，并干燥该片。应理解可 使用任何适宜的纸垫。代表性的纸垫包括，例如，含有原始纸浆、回收纸浆、 牛皮纸浆（漂白和未漂白的）、亚硫酸盐纸浆、机械纸浆、聚合物塑料纤维 等及上述纸浆的任意组合的水性纤维素浆料。形成所述纸垫、排水和干燥的 步骤可以以本领域技术人员所公知的任何常规方式进行。

“PCC”是指合成制备的沉淀碳酸钙。

“预絮凝”是指通过在将填料颗粒加入纸垫之前使用特定的絮凝剂处理 使得填料颗粒被改性结块，根据絮凝剂将形成的絮凝物的尺寸分布和稳定性 选择絮凝剂。

“PVAM”是指聚乙烯胺树脂。

“运行性能”是指一片纸张或纸前体无故障地通过造纸过程中的各个阶 段和设备部分的程度，该故障包括但不限于堵塞、阻碍或弄脏设备、损坏设 备和/或需要更多能量来使得该片纸张或纸前体通过设备。

当在本申请中其它地方上述定义或说明所指与常用的、字典中所用的或 通过引用合并于本申请的出处中所述的含义（明确的或模糊的）不一致的情 况下，本申请及权利要求项特定应理解为根据本申请中的定义或说明而解释， 而不应根据常用定义、字典定义或通过引用合并于此的定义来解释。如上所 述，在术语仅在根据字典解释时才能被理解的情况下，如果术语被 Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology，第五版（2005）（由Wiley, John & Sons股份有限公司出版）定义，则该定义应决定该术语如何在权利要 求中被定义。

本发明的至少一个实施方式为制造坚固的、具有高填料含量并具有较高 的光学性能的纸张的方法。在本发明的至少一个实施方式中，造纸方法包含 步骤：提供填料材料，通过减少脱水助剂吸附于填料材料的预絮凝来预处理 至少一些填料材料，和向纸垫中同时加入预絮凝填料共混物和脱水助剂。

预絮凝是使用两种絮凝剂以在将材料加入纸张前在特定剪切力下优化 絮凝物的粒径分布和稳定性的方式处理该材料的过程。在现代高速造纸中存 在的特定的化学环境和高流体剪切速度要求填料絮凝物稳定且抗剪切。可用 于本发明的预絮凝方法的实例在美国公开申请2009/0065162 A1和美国申请 12/431356中进行了描述。

一段时间以来，已知向纸垫中加入脱水助剂提高所得纸张的湿纸幅强度 或增强排水或改进机械速度和运行性能或增强纸片湿强度。湿强度助剂、湿 纸幅强度添加剂和排水助剂的一些实例在美国专利7,125,469、7,615,135和 7,641,776中进行了描述。

遗憾的是，加入大量脱水助剂以补偿因在纸垫中使用大量填料而导致的 弱点是不实际的。一个原因是脱水助剂昂贵，而使用大量添加剂会使生产成 本变得商业不可行。另外，加入过多的排水助剂会负面影响造纸过程并抑制 各种形式的造纸设备的操作性。此外，纤维素纤维仅能吸收有限量的脱水助 剂。这就对可使用多少添加剂进行了限制。为什么这样的一个原因是因为脱 水助剂趋于中和阳离子纤维/填料电荷，而当这些电荷被中和时会进一步抑制 这些添加剂的吸收。

向纸垫中加入填料降低了脱水助剂的效率。由于填料具有比纤维大得多 的比表面积，加入造纸浆料的大部分脱水助剂来到填料表面，因此存在更少 的可将纤维素纤维结合在一起的脱水助剂。该效果在PCC中比GCC中更显 著，因为PCC具有大得多的表面积并可吸收更多的脱水助剂。

在至少一个实施方式中，通过以下方法增加脱水效率、纸片湿纸幅强度、 纸片湿强度和填料留着率：形成填料材料的水分散体并在加入纸纤维原料之 前与絮凝该填料材料。以足以在分散体中混合均匀而不引起填料颗粒明显絮 凝的量向分散体中加入第一絮凝剂。然后，在加入第一絮凝剂后，以足以在 第一絮凝剂的存在下引发填料材料絮凝的量加入第二絮凝剂，该第二絮凝剂 与第一絮凝剂具有相反的电荷。通过将预絮凝的填料材料与纤维原料结合并 使用脱水助剂处理该结合物而形成纸垫。填料材料的预絮凝提高了脱水助剂 的性能。纤维原料包含纤维、填料和水。

在至少一个实施方式中，纤维主要是纤维素类。在至少一个实施方式中， 剪切絮凝的分散体以得到特定的所需粒径。

尽管预处理填料颗粒在本领域中已知的，但现有技术中的预处理填料颗 粒的方法并不涉及到使用两种凝聚剂影响脱水助剂对填料颗粒的附着。事实 上，很多现有技术预处理提高了强度添加剂对填料颗粒的附着。例如，美国 专利号7,211,608描述了一种使用疏水性聚合物预处理填料颗粒的方法。然 而，该预处理没有对脱水助剂与填料颗粒间的附着起到作用，而仅仅是排除 水份以抵消被脱水助剂吸收的多余的水。相反，本发明减少了脱水助剂与填 料颗粒间的相互作用并在脱水效率、纸片湿纸幅强度、纸片湿强度和填料留 着率、纸张脱水和机器运行性能方面产生意想不到的剧增。这参照图1能最 好理解。

图1说明了由包含PCC的纸垫生产的纸张随着加入更多的PCC填料会 变得更弱。当加入大量PCC时（大于20%），脱水助剂的添加为纸张增加了 很少的湿强度。然而由预絮凝的PCC填料结合脱水添加剂制得的纸张将湿强 度增加到比未预絮凝的具有少于10%的PCC的纸张更强的程度。因此，可得 出至少两点结论，1)脱水助剂在具有预絮凝的填料时比具有未处理填料时在 增加纸片湿强度或湿纸幅强度或增加排水方面更有效，和2)脱水助剂与填 料预絮凝的结合具有协同效应，使得其效果比单独使用脱水助剂和单独使用 填料预絮凝的总和的叠加效果更好。因此，PCC填料材料的预絮凝引起脱水 助剂的效率改善。

本发明涵盖的至少一些填料为已知并可商购。它们包括用于增加不透明 度或亮度、减少多孔性或减少纸张或纸板片的成本的无机或有机颗粒和颜料。 最常用的填料为碳酸钙和粘土。然而，滑石、二氧化钛、氢氧化铝、硫酸钡 和氢氧化镁也是适宜的填料。碳酸钙包括干燥或分散浆料形式的研磨碳酸钙 （GCC）、白垩、任何形态的沉淀的碳酸钙（PCC）和分散浆料形式的沉淀 碳酸钙。通常使用聚丙烯酸聚合物分散剂或聚磷酸钠分散剂生产GCC或PCC 的分散浆料形式。每种该分散剂将显著的阴离子电荷给予碳酸钙颗粒。也使 用聚丙烯酸聚合物或聚磷酸钠分散高岭粘土浆料。

在至少一个实施方式中，通过向纸垫中加入脱水助剂改善了因高填料含 量引起的运行性能问题。已知通常脱水助剂帮助解决运行性能问题。然而在 现有技术中脱水助剂并不常与高水平的填料结合使用，因为填料也降低脱水 助剂的效果。

不局限于理论及特别是权利要求书的范围，人们相信为什么填料损害脱 水助剂的原因是因为填料颗粒吸收脱水助剂，从而留下更少的可帮助造纸过 程的该试剂。在至少一个实施方式中，结合使用脱水助剂完成填料颗粒的预 絮凝，而不会过度（或根本不会）减少脱水助剂的效果。预絮凝减少了可与 脱水助剂相互作用的填料表面积，从而使脱水助剂可帮助造纸过程。这样允 许在造纸过程中使用高水平的填料颗粒，但也允许使用脱水助剂以提高过程 的运行性能。

在至少一个实施方式中，脱水助剂与用于处理填料颗粒的第二絮凝剂带 有相同电荷。当这两种物质带有相同电荷时，填料添加剂不太可能在其表面 吸收湿强度助剂、湿纸幅强度添加剂或排水助剂。本发明涵盖的脱水助剂包 括任何在美国专利4,605,702和美国专利申请2005/0161181 A1中描述的任何 组合物质，并特别是其中所述的各种乙醛酸化的丙烯酰胺/DADMAC共聚物 组合物。乙醛酸化的丙烯酰胺/DADMAC共聚物组合物的一个实例是Nalco 63700（可购自Nalco公司，Naperville，Illinois，60563）。其它实例为含胺 聚合物，包括二烯丙基胺/丙烯酰胺（DAA/AcAm）共聚物和聚乙烯胺。

在至少一个实施方式中，所用的填料为PCC、GCC和/或高岭粘土。在 至少一个实施方式中，所用的填料为PCC、GCC和/或具有聚丙烯酸聚合物 分散及的高岭粘土或它们的混合物。脱水助剂相对于固体纸垫的比例可为每 吨纸垫含3kg的添加剂。

实施例

参照以下实施例可更好地理解上述内容，而该实施例是用于说明目的， 而不是为了限制本发明的范围。

通过打碎商业漂白的硬木干卷（hardwood dry lap）来制备纸垫。使用美 国申请序号12/431,356中的实施例14中所述的双凝聚剂方法进行填料材料 的预絮凝。向纸垫中加入PCC以实现纸张中的不同填料含量。将200ppm的 商业凝聚剂（Nalco 61067）用作助留剂。在手抄纸制备中，加入3公斤/吨 的脱水助剂（Nalco 63700）。之后测量湿重。如图1所示，脱水助剂的缺乏 导致各种使纸张具有受损的湿强度的过程/运行性能问题。填料预絮凝带来一 些改善，但与脱水结合的预絮凝在湿强度上带来明显改善。

本发明可以不同形式实施，而此处详细描述了本发明的具体优选实施方 式。本公开为本发明原理的范例，并不是为了将本发明限制为所说明的特定 实施方式。此处提到或未作任何引用而提到的所有专利、专利申请、科学论 文和其它参考材料，全部通过引用合并于此。此外，本发明涵盖了一些或所 有此处所述和/或合并于此的各种实施方式的任何可能的组合。另外，本发明 涵盖了同样具体排除了任意或任一些此处所述和/或合并于此的各种实施方 式的任何可能的组合。

上述公开是为了说明而不是穷举。本说明书对本领域普通技术人员建议 多种改动和替换。所有这些替换和改动是为了被包括在权利要求书的范围内， 其中术语“包含”是指“包括，但不限于”。熟悉本领域的人员可识别此处 公开的具体实施方式的等效方案，而该等效方案也被权利要求所涵盖。

此处公开的所有范围和数字被理解为涵盖任何和所有其纳入的子范围 和每个在端点间的数字。例如，规定的范围“1至10”应被考虑为包含任何 和所有在最小值1和最大值10之间（及包括）的子范围；那就是说，所以以 最小值1或更大开始（如1至6.1）和以最大值10或更小结束（如2.3至9.4、 3至8、4至7）的子范围，和最终包含在该范围内的每个数字1、2、3、4、 5、6、7、8、9和10。

这完成了对本发明的优选和替换实施方式的说明。本领域技术人员应识 别其它与此处公开的具体实施方式的等效方案，该等效方案被此处所附的权 利要求所涵盖。