造纸中改进脱水效率、增加板湿纸幅强度、增加板湿强度和提高填料保持力的方法

摘要

本发明提供了一种在造纸方法中改进脱水效率、增加板湿纸幅强度、增加板湿强度和提高填料保持力的方法。所述方法通过用防止填料材料粘附添加剂(排水助剂或湿纸幅强度助剂或湿强度助剂)的材料涂覆至少一些填料颗粒来改进排水助剂或湿纸幅强度助剂或湿强度助剂的效率。排水添加剂或湿纸幅强度添加剂或湿强度助剂将纤维素纤维紧紧保持在一起，而不会浪费到填料颗粒上。

说明书

相关领域的交叉申请 

本申请是2008年11月26日递交的申请12/323,976的部分延续。关于联邦赞助的研究或开发的声明 

不适用。 

背景技术

本发明涉及在造纸过程中改善脱水效率、提高板湿纸幅强度(sheet wet web strength)、提高板湿强度(sheet wet strength)和增强填料保持力的方法。通常，在造纸过程中，在湿部中加入化学品以协助料浆的脱水、提高保持力和改善湿纸幅强度或干纸幅强度。造纸工艺的湿部是指造纸工艺中纤维以料浆形式分散到水中的阶段。然后纤维-水料浆经过排水装置和脱水工艺，形成湿纸幅。此湿纸幅形成工艺之后的固含量为约50％。进一步干燥湿纸幅并形成纸垫(paper mat)的干板。纸垫包括水和固体，一般含水4至8％。纸垫的固体部分包括纤维(通常为纤维素类纤维)，还可包括填料。 

填料是在造纸工艺期间被添加到纸垫以增强所得纸的不透明性和反光性的矿物颗粒。在美国专利第7,211,608号中描述了填料的一些例子。填料包括用来增加不透明性或亮度、减少孔隙率或降低纸或纸板片的成本的无机颗粒和有机颗粒或颜料。填料的一些例子包括下列中的一个或多个：高岭土、粘土、滑石、二氧化钛、三水合氧化铝、硫酸钡、氢氧化镁、颜料例如碳酸钙、及类似物。 

碳酸钙填料采用两种形式：GCC(研磨的碳酸钙)和PCC(沉淀的碳酸钙)。GCC是天然存在的碳酸钙岩石，而PCC是合成生产的碳酸钙。因为PCC具有 较大的比表面积，所以PCC具有较好的光散射性能并且给所得纸提供较好的光学性能。然而，由于同样的原因，PCC填充的纸垫所生产的纸比GCC填充的纸的干强度、湿强度和湿纸幅强度要差。 

填料通常比纤维要小得多，所以，填料具有比纤维大得多的比表面积。在提高纸板中填料含量中人们发现的一个挑战是高填料降低了湿部化学品的效率，例如脱水助剂、湿纸幅强度助剂和湿强度助剂的效率。本发明要提供新型的填料预处理，以使其降低填料表面上湿部化学品的吸附，从而提高湿部化学品例如脱水助剂、湿纸幅强度助剂和湿强度助剂的效率。 

纸湿纸幅强度对于造纸厂非常关键，因为升高的湿纸幅强度会增加机器的流动性并减少板断裂和机器损坏时间。纸湿纸幅强度是纸垫的交织纤维之间形成的键的数量和强度的函数。具有较大表面积的填料颗粒更易于与那些纤维结合，并干扰那些键的数量和强度。因为PCC填料的表面积较大，PCC填料比GCC更多地干扰了那些键。 

纸脱水效率对于造纸厂也非常关键，因为湿纸幅中降低的脱水效率会增加干燥操作中对蒸汽的需求，降低机器速度和生产效率。广泛使用脱水助剂来改善脱水效率，以降低能耗、提高机器速度和生产效率。 

发明内容

本发明的至少一个实施方式涉及一种造纸方法，其通过将填料预处理与排水助剂或湿纸幅强度助剂或湿强度助剂结合，具有改进的板湿强度或湿纸幅强度或增加的排水或填料保持力。所述方法包括以下步骤：提供填料颗粒的共混物，至少一种排水添加剂或一种湿强度助剂或一种湿纸幅强度助剂，和纤维素纤维储料；将所述填料颗粒用物质组合物处理；将所述填料颗粒与所述纤维素纤维储料混合；和通过从所述混合物中去除一些水来形成纸垫。至少10％的所述填料颗粒为沉淀形式的碳酸钙(PCC)，且至少10％的所述填料颗粒为研磨形式的碳酸钙(GCC)。所述纤维素纤维储料包括很多纤维素纤维和水。所述物质组合物抑制排水助剂或湿强度添加剂或湿纸幅强度添 加剂与所述填料颗粒粘附。在至少一个实施方式中，所述纤维素纤维储料和填料颗粒混合形成配料(furnish)，随后所述填料颗粒用所述物质组合物处理。 

本发明至少一个实施方式涉及一种方法，其中所述填料颗粒的共混物进一步包括选自由碳酸钙、有机颜料、无机颜料、粘土、滑石、二氧化钛、三水合氧化铝、硫酸钡、氢氧化镁和它们任意组合组成的组中的一种。 

本发明的至少一个实施方式涉及一种方法，其中所述物质组合物为AcAm/DADMAC共聚物。本发明的至少一个实施方式涉及一种方法，其中所述湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂为乙醛酸化的丙烯酰胺/DADMAC共聚物。本发明的至少一个实施方式涉及一种方法，其中所述湿纸幅强度添加剂或所述湿强度助剂或排水助剂和所述物质组合物携带相同电荷。 

本发明的至少一个实施方式涉及一种方法，其中所述碳酸钙为选自由干碳酸钙、分散的浆状碳酸钙、白垩和它们任意组合组成的组中的一种形式。至少一部分碳酸钙可为分散的浆料碳酸钙形式，所述分散的浆料碳酸钙进一步包括选自聚丙烯酸聚合物分散剂、聚磷酸钠分散剂、高岭土浆料和它们任意组合中的至少一种。所述填料颗粒的共混物可为50％GCC和50％PCC。所述物质组合物可为促凝剂，而且可选自由无机促凝剂、有机促凝剂、缩聚促凝剂和它们任意组合。所述促凝剂可具有200至1,000,000的分子量。 

本发明的至少一个实施方式涉及一种方法，其中所述物质组合物为促凝剂，其选自由明矾、铝酸钠、聚氯化铝(polyaluminum chloride)、羟铝基氯化物(aluminum chlorohydroxide)、羟基铝氯化物(aluminum hydroxide chloride)、聚羟基氯化铝(polyaluminum hydroxychloride)、硫酸化的聚氯化铝、聚硅酸硫酸铝(polyaluminum silica sulfate)、硫酸铁、氯化铁、表氯醇-二甲胺(EPI-DMA)、EPI-DMA氨交联的聚合物、二氯乙撑和氨的聚合物、多官能二乙撑三胺的缩聚物、多官能四乙撑五胺的缩聚物、多官能己撑二胺的缩聚物、多官能二氯乙撑的缩聚物、三聚氰胺聚合物、甲醛树脂聚合 物、带正电荷的乙烯基加成聚合物和它们任意组合组成的组中。 

本发明的至少一个实施方式涉及一种方法，其中湿强度助剂或排水助剂或湿纸幅强度助剂相对于所述纸垫固体部分的比例可为每吨纸垫0.3至5kg添加剂。至少部分所述GCC颗粒可用所述物质组合物处理。本发明的至少一个实施方式涉及一种方法，其中所述PCC颗粒都不用所述物质组合物处理。所述填料颗粒可具有多至为50％所述纸垫固体部分的总质量的质量。所述湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水添加剂和所述物质组合物可携带相同电荷。 

本发明的至少一个实施方式涉及一种用在造纸方法中的物质组合物。所述物质组合物包括：纤维素、填料颗粒、湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水添加剂，和包围至少部分所述填料颗粒的涂层。构建并布置所述涂层，以防止所述湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水添加剂粘附所述填料颗粒。在至少一个实施方式中，至少部分所述填料颗粒为碳酸钙。在至少一个实施方式中，所述填料颗粒为GCC、PCC或二者的组合。在至少一个实施方式中，所述填料颗粒包括至少10％PCC和10％GCC。 

附图说明

以下通过具体参照附图来详细描述本发明，其中： 

图1为显示根据本发明制造的纸的改进湿强度的图。 

图2为显示根据本发明制造的纸的改进湿纸幅强度的图。 

图3为显示根据本发明的板中改进灰分含量的第二个图。

图4为显示根据本发明的改进填料保持力的第三个图。 

图5为显示根据本发明的蒸汽压降低(排水增加)的图。 

具体实施方式

本发明的至少一个实施方式是制造包括填料的纸的方法。本发明的至少一个实施方式是造纸方法，其包括以下步骤：建立PCC和GCC的填料共混 物，其中PCC占填料质量的至少10％且GCC占填料质量的至少10％，用涂料预处理至少一些填料颗粒，所述涂料降低湿纸幅强度添加剂或排水助剂或湿强度助剂和填料颗粒之间的粘合，和将填料共混物和湿纸幅强度添加剂或排水助剂或湿强度助剂加入纸垫中。 

已知将湿纸幅强度添加剂或排水助剂或湿强度助剂加入纸垫中会增强所得纸的湿纸幅强度或增强排水或改进机器速度和运行性或增强板湿强度。湿强度助剂、湿纸幅强度添加剂和排水助剂的一些实例描述在美国专利7,125,469、7,615,135和7,641,776中。 

不幸的是，实践中未加入大量湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂以补偿纸垫中大量填料引起的弱化。一个原因是因为那些添加剂很昂贵，且使用大量添加剂会导致商业上不可行的生产成本。此外，加入过多添加剂对造纸方法有负面影响并抑制各种形式造纸设备的可操作性。而且纤维素纤维仅能吸收少量湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂。这对可使用多少添加剂造成限制。这样的一个原因是因为湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂易于中和阴离子纤维/填料电荷，且当这些电荷被中和时，这些添加剂的进一步吸收被抑制。 

向纸垫中加入填料也降低湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂的效率。那些添加剂易于包覆填料颗粒。存在的填料颗粒越多，包覆填料颗粒的添加剂越多，因此用于将纤维素纤维结合在一起的湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂变少。因为这是可加入的湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂的最大量，所以更多的填料总意味着更少的有效强度添加剂。因为PCC的较高表面积比GCC涂覆更多的添加剂，所以PCC的此效果比GCC更明显。 

在本发明至少一个实施方式中，用物质组合物预处理至少一些填料颗粒，以至少部分防止湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂粘合填料颗粒。预处理希望用物质组合物完全涂覆一些或全部的一种或多种填料颗粒。或者，预处理希望用物质组合物仅涂布一部分的一种或多种填料颗粒，或希 望涂覆一些填料颗粒并用物质组合物仅涂布一部分的一些其它颗粒。在至少一个实施方式中，预处理用美国专利第5,221,435号所述的至少一些物质组合物进行，具体地是其中所述的带阳离子电荷物质。在至少一个实施方式中，预处理用美国专利第6,592,718所述的二烯丙基-N，N-二取代的卤化铵-丙烯酰胺共聚物进行。 

虽然预处理填料颗粒是本领域已知的，预处理填料颗粒的现有技术方法不涉及影响湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂与填料颗粒的粘附。实际上，许多现有技术预处理增加强度添加剂与填料颗粒的粘附。例如，美国专利第7,211,608号描述了使用疏水性聚合物预处理填料颗粒的方法。然而，此预处理对强度添加剂和填料颗粒之间的粘附不起作用，且仅排斥水以抵消强度添加剂所吸收的过量水。相反，本发明降低湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂和填料颗粒之间的相互作用，导致纸强度、板脱水和机器运行性的预料不到的增加。 

图1显示了相对于生产给定纸所用纸垫的总固体部分，给定纸的抗张强度对填料百分数的关系。结果清楚地表明在没有添加湿强度助剂63700(临时的湿强度助剂)下板具有极弱的湿强度。接触印像纸(velox)可显著增加板湿强度。单纯的填料预处理不增加板湿强度。然而，填料预处理进一步增加接触印像纸性能，这导致更高板湿强度。 

图2绘制了相对于生产给定纸所用纸垫的总固体部分，给定纸的湿纸幅抗张强度对填料百分数的关系图。如图2所示，增加填料含量和降低纸湿纸幅强度之间是线性关系。在没有加入纳尔科脱水助剂(湿纸幅强度助剂)63700时，纸板具有很差的湿纸幅强度。通过使用纳尔科脱水助剂63700可显著改进板湿纸幅强度。单独的填料预处理对纸湿纸幅强度有负面影响。然而，填料预处理能进一步增强纳尔科脱水助剂63700的性能，且通过较低灰分含量的填料预处理可实现额外20％的湿强度改进。对于较高灰分含量，63700的性能甚至增强大于20％。这是因为针对填料颗粒设计的强度添加剂的效率降低被填料预处理所缓解。 

本发明涵盖的至少一些填料是公知和可商购的。它们包括用于增加不透明性或亮度，减少孔隙率或降低纸或纸片板成本的任何无机或有机颗粒或颜料。最常用的填料是碳酸钙和粘土。然而，滑石、二氧化钛、三水合氧化铝、硫酸钡和氢氧化镁也适用于填料。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的碳酸钙。GCC或PCC的分散浆料形式通常使用多丙烯酸聚合物分散剂或聚磷酸钠分散剂产生。各种这些分散剂使碳酸钙颗粒带明显的负电荷。高岭土浆料也使用聚丙烯酸聚合物或聚磷酸钠分散。 

在至少一个实施方式中，处理的物质组合物是美国专利6,592,718中所述物质组合物的任意一种或组合。特别地，其中详细描述的任何AcAm/DADMAC共聚物组合物适合用作处理物质组合物。AcAm/DADMAC共聚物组合物的实例为来自伊利诺伊内珀维尔的纳尔科公司的产品#Nalco-4960(下文称为4690)。 

处理的物质组合物可为促凝剂。本发明涵盖的促凝剂是公知和可商购的。它们可为无机或有机的。代表性的无机促凝剂包括明矾、铝酸钠、聚氯化铝或PAC(也称作羟铝基氯化物、羟基铝氯化物和聚羟基氯化铝)、硫酸化的聚氯化铝、聚硅酸硫酸铝、硫酸铁、氯化铁等和它们的共混物。 

适用于处理物质组合物的一些有机促凝剂通过缩聚形成。此类型的聚合物的实例包括表氯醇-二甲胺(EPI-DMA)、EPI-DMA氨交联的聚合物。 

适用于处理物质组合物的其它促凝剂包括二氯乙撑和氨的聚合物、或在添加或不添加氨的二氯乙撑和二甲胺的聚合物、多官能胺如二乙撑三胺、四乙撑五胺、己撑二胺等与二氯乙撑的缩聚物、和由如三聚氰胺和甲醛树脂缩合反应制成的聚合物。 

适用于处理物质组合物的其它促凝剂包括带阳离子电荷的乙烯基加成聚合物，如(甲基)丙烯酰胺、二烯丙基-N，N-二取代的卤化铵、二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯和其季铵盐、二甲基氨基乙基丙烯酸酯和其季铵盐、甲基丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵、二烯丙基甲基(β-丙酰氨基)氯化铵、(β-甲基丙 烯酰氧基乙基)三甲基铵甲基硫酸盐、季铵化聚乙烯基内酰胺、乙烯基胺，和已反应生成Mannich或四元Mannich衍生物的聚合物、共聚物和三聚物。优选的季铵盐可使用甲基氯、硫酸二甲酯或苄基氯来制备。三聚物可包括阴离子单体如丙烯酸或2-丙烯酰氨基2-甲基丙烷磺酸，条件是聚合物上全部电荷是阳离子的。包括乙烯基加成和缩合的这些聚合物的分子量范围从低至几百至高至几百万。优选地，分子量范围应从约20,000至约1,000,000。在至少一个实施方式中，预处理通过将作为用于预处理填料颗粒的适合物质组合物的所述物质组合物中的一种、一些或全部任意的组合来进行。 

在至少一个实施方式中，湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂与适用于处理填料颗粒的物质组合物携带相同的电荷。当两者携带相同电荷时，填料添加剂将湿强度助剂、湿纸幅强度添加剂或排水助剂吸附到其表面上的可能性较低。本发明涵盖的湿强度助剂、湿纸幅强度添加剂或排水助剂包括美国专利4,605,702和美国专利申请2005/0161181A1中所述物质组合物中的任何一种，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共聚物组合物的实例为产品#纳尔科63700(伊利诺伊内珀维尔的纳尔科公司生产)。另一个实例是含胺的聚合物，包括丙烯胺/丙烯酰胺共聚物和聚乙烯基胺；一个实例是聚酰胺-聚胺-表氯醇(PAE)。 

在至少一个实施方式中，所用的填料为PCC、GCC和/或高岭土。在至少一个实施方式中，所用的填料为含聚丙烯酸聚合物分散剂的PCC、GCC和/或高岭土或它们共混物。湿强度添加剂或湿纸幅强度助剂或排水添加剂相对于固体纸垫的比例可为每吨纸垫3kg添加剂。 

参考以下实施例可更好的理解上述内容，下列实施例是为了说明而呈现的，并不旨在限制本发明的范围。 

实施例1 

1(i)填料预处理 

从造纸厂得到填料颗粒的共混物。共混的填料为50％PCC和 50％100％GCC的混合物。用自来水将该填料共混物稀释至20％固含量。将200ml稀释的填料共混物放到500ml的玻璃烧杯中。在加入促凝剂之前搅拌至少30秒。搅拌器是EUROSTAR数字顶置型混合器，带有R1342、50mm的四刀片搅拌叶片(都是购自北卡罗莱纳州威尔明顿的IKA Works公司)。在初始的30秒混合之后，在800rpm搅拌下缓慢加入促凝剂溶液。使用的促凝剂溶液是4690。促凝剂剂量为基于干填料重量1kg/ton。在800rpm下继续搅拌直至加入所有的促凝剂。然后将搅拌速度升高至1500rpm，搅拌1分钟。 

1(ii)填料的使用： 

粉碎市售漂白硬木干盖板(hardwood dry lap)来制备配料。将50％PCC和50％GCC的混合物加入到浆化的配料中得到板中的不同填料含量。用200ppm的纳尔科61067作为助留剂。为了进行预处理评价，在填料加入到配料中以前用纳尔科促凝剂4690预处理填料混合物。在手抄纸制备过程中，加入3kg/ton的纳尔科63700来改善板湿纸幅强度。结果示于图2中。我们尝试通过测量板湿纸幅强度来评价填料预处理对63700的压制脱水性能的影响。在60℃下控制相同的压力水平，将手抄纸压到某一固含量(50％)，记录在1000RPM的剪切力下在水中完全断裂湿板所需的时间，以比较板湿纸幅强度，认为湿纸幅强度间接反映了压制脱水。示于图2中的结果表明加入63700能显著改善板湿纸幅强度。在较低灰分含量下，填料预处理能进一步增加板湿纸幅强度20％。对于较高灰分含量，63700的性能甚至高于20％。 

实施例2 

运行机器试验，其中造纸机以900米/分钟的机器速度制备GAB300。提供组合物，其中的纤维素纤维是14％MXW；3％涂覆的废纸；17％SOW；12％未涂覆的废纸；44％DIP和10％ONP。配料还包含GCC。在试验过程中，包括15/ton纳尔科压制脱水助剂(press dewatering aid)63700、助留剂、上浆剂和阳离子淀粉的所有的湿部添加剂保持恒定。 

1)填料保持力的增强： 

将4690从0.5kg/ton(基于填料)缓慢增加到2kg/ton。发现随着4690 向填料管中的加入，在线灰分含量缓慢升高，如图3所示。显然，通过填料预处理，得到了从15.6％到16.3％的0.7个灰分点的升高。历史上，对于同一级别的生产，不使用纳尔科63700时，记录的DCS灰分含量为约12％。应指出的是，灰分含量的增加仅仅由填料层片(ply)促成。所以，填料层片中灰分含量的增加应当为约1.4％，因为填料层片构成终产物基础重量的一半。图4示出了填料层片的FPAR。其中清楚地表明FPAR从70％升高到75％，这能够解释为什么最终灰分含量得到了显著增强。 

2)蒸汽压的降低 

还发现通过填料处理降低了预干室的蒸汽压，如图5所示。从上午10:30到下午2:00，蒸汽压从2.15巴缓慢降低到了2巴。即使将第一压制部的压制压力和第二压制部的压制压力分别从550和600降低至470和580，蒸汽压还是仅仅回到2.05。 

在试验过程中，在填料预处理约1小时以后，灰分含量从约15.6％升高到16.3％，然后保持在相同水平几个小时。另一方面，蒸汽压保持下降几个小时，直至降低压制负载。这似乎表明蒸汽减少不仅仅是因为灰分含量的升高。并且，该试验中蒸汽需求的降低仅仅来源于填料层片，因为4690仅仅用到了该层片上，所以单独靠灰分含量升高引起的总蒸汽减少应该较少。所以，结果表明填料预处理能够增强63700作为压制脱水剂(press dewatering agent)或湿纸幅强度助剂的性能。 

本领域普通技术人员应了解所有前述方法还可以用于包括其他非纤维素类纤维材料的纸垫、包括纤维素类和非纤维素类纤维材料，和/或合成的纤维类材料的纸垫。 

可以对此处描述的本发明的方法的组合物、操作和配置进行改变，而不背离权利要求书中定义的本发明的原理和范围。虽然可以以许多种不同的形式来实施本发明，但是此处详细描述了本发明的特别优选的实施方式。本公开是本发明原则的范例，而不是要限制本发明为此处描述的具体实施方式。并且，本发明包括此处描述的各种实施方式的一些或全部的任何可能组合。 在本申请中或在任一个引用的专利、引用的专利申请或其它引用的资料中任何地方所提及的所有专利、专利申请和其他引用资料据此通过引用一起整体并入。此外，本发明还预期排除任何引用材料的一种、一些或所有组合物、方法、成分、部件或其他部分的实施方式。 

以上公开为说明性的而不是穷尽性的。对于本领域普通技术人员来说，本说明书将暗示许多变化和备选方案。所有这些备选方案和变化包括在本权利要求书的范围内，其中术语“包括”是指“包括，但不限于”。那些熟悉本领域的人员可认识到此处描述的具体实施方式的其他等同物，这些等同物也涵盖在本权利要求书中。 

这里完成了本发明的优选和备选实施方式的描述。本领域技术人员可认识到，此处描述的具体实施方式的其他等同物，这些等同物涵盖于所附权利要求书中。