用于减少纸张掉毛和掉粉的添加剂

摘要

本发明涉及用于减少纸张中掉毛和掉粉的新的造纸组合物，用于减少纸张掉毛和掉粉的方法，其中在造纸过程中向纤维纸浆加入某些磷酸酯，以及包含所述磷酸酯的用于减少纸张掉毛和掉粉的新的添加剂组合物。

说明书

本申请在35USC 119(e)下要求2003年10月8号提交的美国临时申请no.60/509262的权益。

本发明涉及新的用于减少纸张掉毛和掉粉的造纸组合物，用于减少纸张掉毛和掉粉的方法其中在造纸过程中向纤维纸浆加入某些磷酸酯，和所采用的新添加剂组合物。

掉毛和掉粉涉及纸张表面任何的纤维释放。其在造纸的干燥步骤以及用于处理纸张的机器和设备如印刷设备中引起问题。例如，在印刷过程中从纸张表面掉落的纤维导致纤维在承压部件如毡子、印版和辊筒上的聚集。掉毛和掉粉可成为一些印刷者们的恶梦：纤维妨碍油墨传递并且停止印刷来清洗毡子是昂贵的。

为了减少掉毛和掉粉，通常采用机械方法和化学添加剂。例如，在干燥机机筒上的Teflon^涂层显著地减少了其上纤维的沉积，但是由于Teflon^是绝缘材料，其也减少了热传递。而且其对刮擦敏感并且很快就劣化。在印刷过程中，增加水流和减小印刷速度或毡子也可减少掉毛和掉粉，但是，其也降低了生产水平。为了解决掉毛和掉粉问题，美国专利6398912描述了淀粉制成的添加剂，而美国专利6565646描述了粘土制成的添加剂。尽管有这些已知解决方法，纸张掉毛和掉粉仍然是很大的问题，并且需要用于造纸的新添加剂。

本发明的目标是为造纸提供新的组合物，其减少纸张掉毛和掉粉。

本发明还有目标是为造纸提供新的减少掉毛的组合物，包括至少一种磷酸酯，在网络形成前与纤维纸浆一起配制。

本发明还有目标是为造纸提供新的减少掉毛的的添加剂组合物，其将不会影响纸张保持力、排水和滑动角。

以上及其它目标通过提供用于造纸中的包括磷酸酯的纤维纸浆组合物达成，该组合物减少纸张掉毛和掉粉。根据本发明的该添加剂组合物包括所述磷酸酯，其在网络形成前加入纤维纸浆以减少纸张掉毛和掉粉。本发明的磷酸酯组分也可称为磷酸有机酯或醇磷酸酯，并且可以用胺或从碱金属或碱土金属得到的碱来中和。这些磷酸酯或已中和的磷酸酯可以作为表面活性剂和其它用途在市场上买到。

本发明的另一方面包括减少纸张掉毛和掉粉的方法，该方法包括将本发明的磷酸酯或已中和的磷酸酯在网络形成前加入到纤维纸浆中。

还提供了减少纸张掉毛和掉粉的另一方法，该方法包括将含有本发明的磷酸酯的配方，即本发明的添加剂组合物在网络形成前加入到纤维纸浆中。

根据本发明，为了减少纸张掉毛和掉粉，在网络形成前制备包括至少一种磷酸酯和纤维纸浆的组合物。该磷酸酯是表面活性剂，其将纸纤维保持在一起。其具有通式：

R₁O[PO(OZ)]O^-M⁺或R₁O[PO(OZ)]OZ

式I              式II

其中，R₁是2-24个碳原子的烷基链，或所述烷基链被一个或多个＞NR2或-O-中断，或所述烷基或者所述被中断的烷基被一个或多个-NR₂R₃或OH基团取代，其中R₂和R₃分别独立地是H，1-8个碳原子的烷基链或被一个或多个-OH基团取代的2-6个碳原子的烷基链，

Z独立地是H或1-24个碳原子的烷基链，或所述烷基链被一个或多个＞NR2或-O-中断，或所述烷基或者所述被中断的烷基被一个或多个-NR₂R₃或者-OH基团取代，其中R₂和R₃分别独立地是H，1-8个碳原子的烷基链或被一个或多个-OH基团取代的2-6个碳原子的烷基链，或

R₁和基团Z的其中之一通过基团G连接，

-R₁-G-Z-

一起与邻接的氧和磷原子形成具有2至8个碳原子的5至12元杂环，其中G是直接键，氧原子或N-R₂，其中R₂如上所述，并且

M⁺是H、氨基阳离子或从碱金属和碱土金属中选出的金属阳离子。

所述磷酸酯，例如是如下的化合物，其中

R₁是4-18个碳原子的烷基链，

Z独立地是H或1-18个碳原子的烷基链，或所述烷基链被一个或多个＞NR2或-O-中断，或所述烷基或者所述被中断的烷基被一个或多个-NR₂R₃或者-OH基团取代，其中R₂和R₃独立地是H、1-8个碳原子的烷基链或者被一个或多个-OH基团取代的2-6个碳原子的烷基链，并且

M⁺是H、氨基阳离子或从碱金属和碱土金属中选出的金属阳离子。

例如，R₁是4-18个碳原子的烷基链，

Z独立地是H或4-18个碳原子的烷基链，并且

M⁺是H、4-18个碳原子的烷基链，或者氨基阳离子

例如，R₁是4-18个碳原子的烷基链，

Z独立地是H或4-18个碳原子的烷基链，并且

M⁺是H，或者氨基阳离子。

当R₁和Z通过基团G连接时，所述杂环例如是下式的化合物

其中n和m独立地是1-4并且代表所指出的亚甲基基团的数目，并且G是直接键或从-NH-、-NR₂-、或-O-的组里选出，其中R₂如上所述，并且M是H或铵阳离子。

例如，n和m都是2或3，G是-NY-，其中Y是H、羟乙基或羟丙基，M是H或铵阳离子。

烷基链是具有特定数目碳原子的直链或支链，并且例如甲基、乙基、正丙基、正丁基、仲丁基、叔丁基、正己基、正辛基、2-乙基己基、正壬基、正癸基、正十一烷基、正十二烷基、正十三烷基、正十四烷基、正十六烷基或正十八烷基。

氮阳离子的例子为：

-未取代铵，

-一，二，或三-C_1-4烷基铵、3-丙基铵、异丙基铵、丁基铵、仲丁基铵、异丁基铵、1，2-二甲基丙基铵、二甲基铵、二乙基铵、二丙基铵、二异丙基铵、二丁基铵、二异丁基铵、二仲丁基铵、N-甲基-N-丁基铵、或N-乙基-N-丁基铵、三甲基铵、三乙基铵、三丙基铵、三丁基铵、N，N-二甲基乙基铵，N，N-二甲基异丙基铵，

-C_1-4烷氧基-C_1-4烷基铵，如2-甲氧基乙基铵、二(2-甲氧基乙基)-铵、3-甲氧基丙基铵或乙氧基丙基铵，

-一，二，或三-(羟基-C_1-4烷基)铵，如一，二，或三-乙醇铵、一，二，或三-丙醇铵、一，二，或三-异丙醇铵、N-甲基-或N，N-二甲基-乙醇铵、-丙醇铵或-异丙醇铵，N-甲基-二乙醇铵、-二丙醇铵或-二异丙醇铵、N-乙基-二乙醇铵、-二丙醇铵或-二异丙醇铵、N-丙基-二乙醇铵、-二丙醇铵或-二异丙醇铵。

例如氮阳离子是未取代铵、二乙醇铵、三乙醇铵、二丙醇铵、三丙醇铵、二异丙醇铵或三异丙醇铵。

磷酸酯或磷酸酯混合物在本发明组合物中的数量是约0.01至约5千克每吨所生产的纸。例如，磷酸酯存在的量为约0.01至约2千克每吨所生产的纸。例如，磷酸酯存在的量为约0.01至约1千克每吨所生产的纸。术语“吨制造的纸”是指在完成标准造纸工艺的步骤后从纤维纸浆组合物最终制造的公吨纸。

磷酸酯还可用胺或从碱金属或碱土金属得到的碱来中和形成铵或金属阳离子。例如磷酸酯可用二乙醇胺、三乙醇胺、二丙醇胺或三丙醇胺来中和。可使用过量的胺、碱金属或碱土金属的碱。

本发明的组合物还可包括蜡颗粒。蜡也可减少纸张掉毛和掉粉，但是程度低于磷酸酯。蜡颗粒可以是地蜡，疏松石蜡或精制石蜡或聚乙烯合成蜡。当含蜡时，其量量为：蜡对磷酸酯的重量比从0.1∶1至9∶1。例如，蜡的重量为：蜡对磷酸酯的重量比从1∶1至6∶1。例如，蜡的重量为：蜡对磷酸酯的重量比从2∶1至5∶1。当组合物中含有蜡颗粒时，在加入纤维纸浆前蜡与磷酸酯和其他合适的配方材料在合适的设备中均化。进行均化直到蜡颗粒的尺寸在100μm以下，从而得到乳状液。颗粒尺寸对乳状液的稳定以及纤维纸浆中活性掉毛和掉粉减少剂的良好分散是很重要的。

本发明的组合物还可包括淀粉。例如，选自由土豆淀粉、木薯淀粉和玉米淀粉组成的组的淀粉。当含有淀粉时，其重量为：淀粉对磷酸酯的重量比从0.1∶1至9∶1。例如，淀粉的重量为：蜡对磷酸酯的重量比从1∶1至6∶1。例如，淀粉的重量为：淀粉对磷酸酯的重量比从1∶1至3∶1。其可由土豆、木薯或玉米淀粉组成。加入添加剂的淀粉可以是阳离子的，从而促进添加剂对纸浆纤维的粘附，因为后者是阴离子的。

组合物还可包括木素硫酸盐。当含有木素硫酸盐时，其重量为：木素硫酸盐对磷酸酯的重量比从0.1∶1至6∶1。例如，木素硫酸盐的重量为：木素硫酸盐对磷酸酯的重量比从1∶1至3∶1。其可包括木素硫酸铵或钠。木素硫酸盐使乳状液保持稳定并为纤维纸浆中的添加剂提供良好的分散。

也可在本发明的磷酸酯和纤维纸浆组合物中加入其它造纸常用的成分。例如，组合物还可在乳状液中包括小量的广泛使用来防止霉菌形成的生物杀灭剂。

最后，具有或不具有淀粉的组合物可以是阳离子的、中性的或阴离子的。本发明组合物的磷酸酯和其它元素在网络形成前加入纤维纸浆。

本发明还提供对减少造纸中的掉毛和掉粉有用的添加剂组合物，该组合物包括：

1)约5至约50％重量含量的上述磷酸酯，

2)约40至约95％的水，

3)约0至约50％的蜡，

4)约0至约50％的淀粉，

5)约0至约30％的木素硫酸盐，

6)约0至约3％的生物杀灭剂

其中百分数是指材料在最终配方中的重量百分含量。

例如添加剂组合物包括

1)约5至约50％的上述磷酸酯，

2)约40至约90％的水，

3)约5至约30％的蜡，

4)约0至约50％的淀粉，

5)约0至约30％的木素硫酸盐，

6)约0至约3％的生物杀灭剂。

例如添加剂组合物包括

1)约5至约50％的上述磷酸酯，

2)约40至约90％的水，

3)约0至约50％的蜡，

4)约5至约50％的淀粉，

5)约0至约30％的木素硫酸盐，

6)约0.01至约3％的生物杀灭剂。

例如添加剂组合物包括

1)约5至约50％的上述磷酸酯，

2)约40至约90％的水，

3)约0至约50％的蜡，

4)约0至约50％的淀粉，

5)约5至约30％的木素硫酸盐，

6)约0至约3％的生物杀灭剂。

添加剂组合物可用胺或从碱金属或碱土金属得到的碱来中和。例如添加剂可以是用二乙醇胺、三乙醇胺、二丙醇胺或三丙醇胺中和的组合物。可使用过量的胺、碱金属或碱土金属的碱。

当添加剂组合物含有蜡颗粒时，在加入纤维纸浆前，蜡与磷酸酯和其它合适的配方材料在合适的设备中均化。进行均化直到蜡颗粒的尺寸在100μm以下，从而得到乳状液。颗粒尺寸对乳状液的稳定以及纤维纸浆中活性掉毛和掉粉减少剂的良好分散是很重要的。

添加剂组合物可以是阳离子的、中性的或阴离子的；优选为阳离子的以促进添加剂对纤维纸浆的粘附。

在网络形成前将约0.05至5千克每吨所生产的纸的量的添加剂组合物加入纤维纸浆中。例如以0.2-1kg每吨所生产的纸的剂量加入所述添加剂。

本发明还提供了用于减少造纸中掉毛和掉粉的方法，该方法包括在网络形成前制备包含纤维纸浆和上述磷酸酯或中和的磷酸酯的组合物的步骤，其中磷酸酯加入的量为约0.01至5千克每吨所生产的纸。例如，磷酸酯加入的量在约0.01至2千克之间。例如，磷酸酯加入的量在约0.01至1千克每吨所生产的纸之间。还可加入上述组合物的其它成分。

用于减少造纸中掉毛和掉粉的方法还可通过在网络形成前作为本发明描述的含有磷酸酯的预先形成的添加剂组合物加入磷酸酯成分来实施。在网络形成前将数量为约0.05至5千克每吨所生产的纸的添加剂组合物加入纤维纸浆中。例如添加剂以0.2至1千克每吨所生产的纸的剂量加入。

实施例

现通过以下非限制性实施例来阐释本发明。以下实施例中的所有百分数都是基于所描述的工艺中生产的混合物总重量的重量百分数。在本说明书中，所有的比例、百分数和剂量水平应理解为带有前述修饰词“约”或“大约”来补偿刚刚在列出范围之外的浓度。

以下实施例的磷酸酯是从磷酸和通常可买到的烷基醇混合物得到的酯的混合物，其主要是式I、II、III的C₈和C₁₀烷基醇，其中从2至16的x，y和z代表具有的亚甲基单元数目，式I和II的化合物一起构成超过90％的酯混合物。

在下面实施例中，术语“已中和的磷酸酯”是指从用二乙醇胺中和上述的磷酸酯混和物得到的混合物。

实施例I

在实验室中，比较根据本发明的含有磷酸酯的组合物以及含有通常用于减少纸张掉毛和掉粉的商业添加剂的纤维纸浆组合物的性能。

在网络形成前用不同组成、浓度和上述已中和磷酸酯剂量的以及商业掉粉减少剂制备几种纤维纸浆组合物。以1kg每吨所生产的纸的量加入商业添加剂，以约商业活性材料一半的浓度加入已中和磷酸酯。制造纸张，并且用保护带(3M^TM的5126C)和Kaptra掉毛测量仪器测量纤维释放的百分数结果在表中给出。

配方，纤维纸浆加上：                     ％纤维释放

已中和磷酸酯                             11.8

商业阳离子蜡乳状液A                      11.8

商业阳离子蜡乳状液B                      11.2

商业基于阳离子淀粉的添加剂               15.0

参考结果，能看到已中和磷酸酯以一半剂量可获得相似的性能。

实施例2

在实验室中，在网络形成前用不同组成、浓度和剂量的掉毛减少剂制备几种纤维纸浆组合物。将根据本发明的组合物的性能与用商业添加剂制备的组合物的性能相比较。对每个组合物，用漂白的经脱墨的机械牛皮纸浆的混合物制作1.2g的手工纸张。在每个手持小型装置上用保护带(3M^TM的5126C)和Kaptra掉毛测量仪器测量纤维释放的百分数。测量本发明的四个样品。

通过在网络形成前向纤维纸浆加入10％已中和磷酸酯、30％阳离子玉米淀粉和60％水的混合物A制备第一样品，剂量为1kg混合物A每吨生产的纸。

通过在网络形成前向纤维纸浆加入10％已中和磷酸酯、40％疏松石蜡和50％水的混合物B制备第二样品，剂量为1kg混合物B每吨生产的纸。

通过在网络形成前向纤维纸浆加入20％已中和磷酸酯、24％疏松石蜡和56％水的混合物C制备第三样品，剂量为1kg混合物C每吨生产的纸。

通过在网络形成前向纤维纸浆加入20％已中和磷酸酯、24％疏松石蜡，6％木素硫酸盐和50％水的混合物D制备第四样品，剂量为0.75kg混合物D每吨生产的纸。

通过在网络形成前向纤维纸浆加入商业基于阳离子淀粉的添加剂制备对照样品，剂量为1kg添加剂每吨生产的纸。

配方％                                   纤维释放

1                                        18

2                                        16

3                                        13

4                                        15

商业对照样品                             19

从数据看出本发明的组合物比含有商业添加剂的组合物得到了更好的性能。最佳性能，即最低纤维释放百分数是从含有最高浓度磷酸酯的组合物得到的。

实施例3

在实验室中进行测试，从而对加入纤维纸浆的本发明的磷酸酯的几种剂量测量纸张保持力、排水和滑动角。表1给出了含有和不含有已中和磷酸酯的纸张保持力和排水结果总结。

制备含有10％已中和磷酸酯、30％疏松石蜡和60％水的混合物E。

测试A的样品不含添加剂，向测试B的样品以0.25kg每吨生产的纸的剂量加入混合物E，向测试C的样品以0.5kg每吨生产的纸的剂量加入混合物E，向测试D的样品以0.75kg每吨生产的纸的剂量加入混合物E。每个样品还含有三种产品，其为工厂造纸机的实际保持力的测试组分：500gr每吨生产的纸的阳离子聚合物乳状液，300gr每吨生产的纸的用于提高PEO性能的助剂，以及50gr每吨生产的纸的非离子聚合物用于提高保持力和排水(聚环氧乙烷，PEO)。这些参数在这四个测试时保持不变。如从数据所见，添加本发明添加剂使排水时间减少，而保持力保持不变。

测试           真空排水(S)         保持力(％)

A              32.5                96.27

B              19                  96.36

C              24.5                96.24

D              22.5                96.27

用Tappi T 815标准方法进行摩擦系数测试。不含添加剂、含有商业阳离子淀粉基以及加入混合物E得到相似的滑动角，每种的剂量为0.5g每吨生产的纸。

纸浆纤维组合物                           滑动角

无添加剂                                 31°

5g每吨生产的纸的商业阳离子淀粉           30°

5g每吨生产的纸的混合物E                  34°

实施例4

在工厂中进行测试，从而测量含有和不含本发明组合物的纤维释放的百分数。将实施例3的混合物E在标准工厂操作期间在网络形成前以不同的剂量加入工厂纤维纸浆。纤维释放的百分数如实施例1中测量。可见用最高剂量，即0.4kg每吨生产的纸获得最好性能。在具体产品中用相同剂量得到的结果不同是由于工厂里的水循环造成的。循环水含有添加剂的剩余部分，其影响了剂量。

小时           混合物E的剂量(kg/吨纸)    ％纤维释放

0              0                         2.3

2              0.08                      1.8

5              0.2                       1.1

10             0.2                       1.3

12             0.2                       1.3

15             0.2                       1.8

20             0.33                      1.0

24             0.33                      1.1

25             0.40                      0.5

28             0.40                      0.6

30             0.33                      1.1

35             0.33                      1.0

实施例5

在工厂中进一步阐释了通过加入本发明的磷酸酯组合物来减少掉毛的方法。

向实施例3的混合物E加入0.01％重量的异噻唑啉(isothiazoline)生物杀灭剂作为防腐剂，制成混合物F。

用标准工厂操作生产纸卷。在网络形成前将含阳离子蜡的商业掉毛减少剂以100毫升每分钟的速率加入纸浆纤维浆中。类似地将混合物F以相同的速率加入纤维纸浆浆。还加入混合物F以形成含有混合物F的纤维纸浆组合物，混合物F浓度为0.5kg每吨生产的纸，也就是0.05kg已中和磷酸酯每吨生产的纸。

在使用混合物F的试验后，重新开始加入含有阳离子蜡的商业添加剂。

制备纸卷并且用保护带(3M^TM的5126C)和Kaptra掉毛测量仪器测量纤维释放的百分数。

添加剂          剂量               ％掉毛，顶面(3次测量的平均值)

商业添加剂      100mL/min          1.05

混合物F         100mL/min          0.80

混合物F         0.5kg/吨生产的纸   0.55

商业添加剂      100mL/min          1.05

实施例6

进一步在不同的工厂阐释了通过加入本发明的磷酸酯组合物来减少掉毛的方法。将相同的含有阳离子蜡的商业添加剂在网络形成前以350毫升每分钟的速率加入纸浆纤维浆。类似地将混合物F以相同的速率加入纤维纸浆浆。制备纸卷并且如实施例5测量纤维释放的百分数。报告了3个读数的平均值。

添加剂           ％掉毛线侧(Linting wire side)  ％掉毛毡侧(Linting felt side)

商业阳离子       0.78                           0.78

混合物F测试1     0.53                           0.62

混合物F测试2     0.60                           0.63

混合物F测试3     0.47                           0.61

应理解本发明并不限制于上述优选实施方式，其覆盖所附权利要求范围内的任何对它们的修改。