CN103608516B - 生产纸和纸板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用两种聚合物助留剂生产纸和纸板的方法。应将这两种聚合物助留剂添加至低浓度悬浮液(通常称为稀浆料)中。第一聚合物助留剂为具有至少6dl/g特性粘度的水溶性阳离子聚合物。第二聚合物助留剂为具有4‑9dl/g特性粘度的水溶性阳离子聚合物。所述第二聚合物助留剂的阳离子电荷密度应高于所述第一聚合物助留剂。所述方法特别适于生产通常包含填料的细纸或多层包装纸。
Description
本发明涉及一种生产纸或纸板的方法。所述方法特别适于生产细纸或多层包装纸。该纸或纸板通常可包含填料。
众所周知的是通过如下方法生产纸，所述方法包括通过添加聚合物助留剂而使纤维素稀浆料絮凝，然后使絮凝的悬浮液通过运动筛(通常称为抄纸网)滤水，然后形成湿纸页，然后将其干燥。一些聚合物倾向于产生相当粗的絮凝物，且尽管留着和滤水可能很好，但遗憾的是可能损害所得纸页的成形和干燥速率。通常很难通过添加单一的聚合物助留剂而获得留着、滤水、干燥和成形之间的最佳平衡，因此通常的实践是依次添加两种或者通常为三种或更多种独立的助留剂。
EP-A-366764描述了一种制备纸的方法，包括使纤维素悬浮液通过纤维素纸页用筛而滤水，其中在滤水之前，所述纤维素悬浮液中含有聚合物助留剂的水溶液。所述聚合物助留剂由水溶性烯属不饱和单体形成且具有至少为12dl/g的特性粘度和高溶解性。据说所述方法改善了纸的成形而不使留着性变劣。还声称在上述聚合物助留剂之前可包含其他留着添加剂。
在生产高品质纸如细纸或复合纸如多层包装中，总是必须获得高纤维和填料留着率。由于工业上努力获得更高的生产率，因此纸产品如细纸或多层包装目前通常在极高速度的造纸机如夹网成形器上生产，和/或使用双网脱水方法。尽管提高了生产率，仍存在更大的形成和引入更高水平的细小纤维材料的倾向。这又导致留着性能显著降低。
本发明的目的是改善纸和纸板生产工艺中细小纤维材料的留着，尤其是在高剪切造纸机条件下。
根据本发明，我们提供了一种使用两种聚合物助留剂生产纸和纸板的方法。所述两种聚合物助留剂应添加至低浓度悬浮液中(通常称为稀浆料)。第一聚合物助留剂为具有至少6dl/g特性粘度的水溶性阳离子聚合物。第二聚合物助留剂为具有4-9dl/g特性粘度的水溶性阳离子聚合物。此外，第二聚合物助留剂上的阳离子电荷密度必须高于第一聚合物助留剂的阳离子电荷密度。
理想地，所述第一和第二聚合物助留剂可使用水溶性烯属不饱和单体或水溶性烯属不饱和单体的混合制备，其中至少一种单体为阳离子的。在所述聚合物由超过一种单体形成的情况下，其他单体可为阳离子的或非离子的或者混合物，尽管可希望所述单体包含一种或多种阴离子单体以获得两性聚合物，条件是总体电荷为阳离子的。然而，优选所述两种聚合物助留剂完全由阳离子单体或包含至少一种阳离子单体和至少一种非离子单体的单体混合物形成。
所述阳离子单体包括(甲基)丙烯酸二烷基氨基烷基酯、二烷基氨基烷基(甲基)丙烯酰胺，包括其酸加成盐和季铵盐，二烯丙基二甲基氯化铵。优选的阳离子单体包括丙烯酸二甲氨基乙酯和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯的甲基氯化物季铵盐。合适的非离子单体包括不饱和非离子单体，例如丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酸羟乙酯和N-乙烯基吡咯烷酮。
优选第一聚合物助留剂也为阳离子聚丙烯酰胺，其包含丙烯酰胺和至少一种水溶性阳离子烯属不饱和单体，优选(甲基)丙烯酸二烷基氨基烷基酯或N-取代的丙烯酰胺的季铵盐，尤其是丙烯酸二甲氨基乙酯的甲基氯化物季铵盐。特别优选的聚合物包括丙烯酰胺与丙烯酸二甲氨基乙酯的甲基氯化物季铵盐的共聚物。
所述第一聚合物助留剂优选包含至少5摩尔%的阳离子单体单元且至多为60摩尔%的阳离子单体单元，更优选5-40摩尔%的阳离子单体单元，尤其是5-20摩尔%，其余部分由烯属不饱和非离子单体构成。尤其优选第一聚合物助留剂包括丙烯酰胺与丙烯酸二甲氨基乙酯的甲基氯化物季铵盐以上述单体比例的共聚物。
优选所述第一聚合物助留剂具有至少7dl/g或7.5dl/g，但更优选至少8dl/g或8.5dl/g，或者甚至至少9dl/g，通常至少10dl/g，尤其是至少12dl/g，特别是至少14dl/g或15dl/g的特性粘度。所述第一聚合物助留剂无需存在最高分子量，因此特性粘度没有具体的上限值。实际上所述第一聚合物助留剂的特性粘度高达30dl/g或更高。但是一般而言，所述第一聚合物助留剂通常至多25dl/g，例如至多20dl/g的特性粘度。
所述第二聚合物助留剂必须具有比所述第一聚合物助留剂更高的阳离子性。优选所述第二聚合物助留剂包含至少10摩尔%的阳离子单体单元，其余部分由非离子烯属不饱和单体单元构成。理想地，所述第二聚合物助留剂包含10-90摩尔%的阳离子单体单元，更优选具有20-70摩尔%或80摩尔%，尤其是30-50摩尔%的阳离子单体单元，其余部分由非离子烯属不饱和单体单元构成。
优选第二聚合物助留剂为阳离子聚丙烯酰胺，其包含丙烯酰胺和至少一种水溶性阳离子烯属不饱和单体，优选(甲基)丙烯酸二烷基氨基烷基酯或N-取代的丙烯酰胺的季铵盐，尤其是丙烯酸二甲氨基乙酯的甲基氯化物季铵盐。特别优选第二聚合物助留剂包括丙烯酰胺与用氯代甲烷季铵化的丙烯酸二甲氨基乙酯的共聚物。尤其优选具有前段所述的相应单体比例的在本段所述的该类共聚物。
优选所述第二聚合物助留剂具有5-9dl/g，更优选6-8dl/g的特性粘度。
聚合物的特性粘度可通过制备该聚合物的水溶液(0.5-1重量%)而测定，基于所述聚合物的活性成分含量。将2g该0.5-1%聚合物溶液在容量瓶中用50ml中和至pH7.0(使用1.56g磷酸二氢钠和32.26g磷酸氢二钠，基于每升去离子水)的2M氯化钠溶液并用去离子水将其整体稀释至100ml刻度而稀释至100ml。所述聚合物的特性粘度通过使用1号气承液柱粘度计在25℃下于1M缓冲盐溶液中测定。所述的特性粘度值根据该方法测定，除非另有说明。
理想地，所述第一和/或第二聚合物助留剂之一或二者的聚合物可以以由反相乳液聚合制备的反相乳液形式提供，任选随后在降低的压力和温度下脱水(通常称为共沸脱水)以形成聚合物颗粒在油中的分散体。或者，所述聚合物可以以珠粒形式提供，且通过反相悬浮液聚合制备或者通过水溶液聚合，然后粉碎、干燥，然后研磨而作为粉末制备。所述聚合物可通过悬浮液聚合作为珠粒制备，或者作为油包水乳液制备，或者通过油包水乳液聚合作为分散体制备，例如根据EP-A-150933、EP-A-102760或EP-A-126528所定义的方法。
通常优选所述第一和第二聚合物助留剂二者均以水溶液形式或者作为水溶液的组合混合物添加至纸或纸板制造工艺中。所述两种聚合物助留剂的水溶液通常可通过单独将相应聚合物溶于水中而获得。这可例如在合适的聚合物溶液配制设备中实现。该设备描述于现有技术中，且例如可以以商品名Jet WetTM由BASF商购获得。
纸和纸板通常往往由连续方法生产。起始点通常为高浓度纸浆(通常称为浓浆料)，其浓度例如为3-6重量%。将所述高浓度纸浆合适地稀释以形成低浓度浆料(通常称为稀浆料)，其通常具有不超过20g/l的浓度。该浓度可低达0.5g/l或更低，但通常为1-6g/l。
在本发明的方法中，所述第一和第二聚合物助留剂应为所需的仅有助留剂。因此，所述纸和纸板生产方法为使用双重留着体系的方法，且所述两种聚合物助留剂为仅有的留着添加剂。可将所述两种聚合物助留剂在任何合适的添加点添加至造纸工艺的稀浆料流中。例如，可在高剪切的最后点(这在许多造纸工艺中往往为离心筛(有时称为压力筛))之前将所述聚合物助留剂之一或二者添加至稀浆料中。或者，可在高剪切点的最后点或离心筛之后，将所述聚合物助留剂之一或二者添加至稀浆料中。适当地，在流浆箱之前，将两种聚合物助留剂添加至稀浆料中。此外，通过将各聚合物助留剂的添加分入两个或多个独立的添加点而将所述两种聚合物助留剂之一或二者各自添加至稀浆料中。
一种特别优选的方法使用在高剪切的最后点或离心筛之前将所述第一聚合物助留剂添加至稀浆料中，然后在高剪切的最后点或离心筛之后将所述第二聚合物助留剂添加至稀浆料中。
在另一特别优选的方法中，在高剪切的最后点或离心筛之后，将所述第一和第二聚合物助留剂二者添加至稀浆料中。在这种情况下，所述两种聚合物助留剂可单独，依次或者表面上在同一添加点(即同时)添加至稀浆料流中。所述第二聚合物助留剂可在第一聚合物助留剂之前添加，但优选首先添加所述第一聚合物助留剂，随后添加第二聚合物助留剂。然而，尤其优选将所述第一和第二聚合物助留剂组合在一起并在高剪切的最后点或离心筛之后添加至稀浆料中。这可通过将所述第二聚合物助留剂供入输送所述第一聚合物助留剂的供料管中而实现。或者，可将所述第一聚合物助留剂引入所述第二聚合物助留剂的流送管中。
在形成所述第一和第二聚合物助留剂的组合或混合物中，可理想地使用合适的混合设备。这可例如为在线静态混合器或者可理想地使用动态混合器。
当所述第一和第二聚合物助留剂均为前文所定义的阳离子聚丙烯酰胺时，本发明的所有这些特别优选的实施方案提供了尤其有用的结果。
已发现本发明的方法提供了细小纤维材料留着的改进。所述方法还提供了留着，尤其是填料留着的改进。
可将所述第一聚合物助留剂以至少20ppm(克/吨)的剂量添加至所述稀浆料中，基于聚合物的干重和稀浆料悬浮液的干重。理想地，所述第一聚合物助留剂的剂量通常为至少50ppm。该剂量可高达1000ppm，但通常可往往低于600ppm。优选地，第一聚合物助留剂的剂量为100-400ppm，如150-300ppm。
所述第二聚合物助留剂可以至少至少50ppm(克/吨)的剂量包含于稀浆料中，基于聚合物的干重和稀浆料悬浮液的干重。合适地，所述第二聚合物助留剂的剂量可为至少100ppm，且该剂量可高达1500ppm，但通常低于1000ppm，通常低于800ppm。第二聚合物助留剂的优选剂量往往为150-600ppm，如200-500ppm。
所述方法特别适于生产通常包含填料的细纸或多层包装纸。由所述方法生产的合适纸包括轻量涂布纸(LWC)和超级压光处理纸(SC纸)。
所述稀浆料通常可衍生自机械浆。对于“机械浆”，我们意指全部或部分由机械方法生产的任何木浆，包括磨石磨木浆(SGW)、压力磨石磨木浆(PGW)、热法机械浆(TMP)、预热法木片化学机械浆(CTMP)或漂白的预热法木片化学机械浆(BCTMP)。机械木浆纸等级包含不同量的机械浆，通常包含该机械浆以提供所需的光学和机械性能。在一些情况下，用于制造含填料的纸的纸浆可完全由一种或多种上述机械浆形成。除机械浆之外，所述纤维素悬浮液中通常还包含其他纸浆。其他纸浆通常可占总纤维含量的至少10重量%。纸浆配方中所含的这些其他纸浆包括脱墨废纸浆和硫酸盐浆(通常称为牛皮浆)。
所述稀浆料悬浮液可衍生自回收纸浆。例如，所述稀浆料可完全衍生自回收的纤维。在其他情况下，可能希望该稀浆料衍生自10-90重量%的回收纤维。
在一些情况下，可能希望所述浆料的纤维级分包含脱墨废纸浆、机械浆和硫酸盐浆。所述机械浆含量可占总纤维含量的10-75重量%，优选30-60重量%。所述脱墨废纸浆含量(通常称为DIP)可为总纤维的0-90重量%，通常为20-60重量%之间的任何值。所述硫酸盐浆含量通常占总纤维的0-50重量%，优选10-25重量%。各组分的总和应为100%。
可能希望所述浆料含有长纤维和短纤维的混合物，例如30-70重量%长纤维和70-30重量%短纤维。
所述稀浆料悬浮液可包含其他成分如阳离子淀粉和/或凝结剂。该阳离子淀粉和/或凝结剂通常可存在于用于添加本发明的助留/滤水体系的纸浆料中。所述阳离子淀粉可以以占纤维素纤维的0-5重量%，通常为0.2-1重量%的量存在。所述凝结剂通常以占所述纤维素纤维的至多1重量%，通常为0.2-0.5重量%的量添加。
理想地，所述填料可为通常所用的填料。例如，所述填料可为粘土如高岭土，或者其可为碳酸钙，其可为重质碳酸钙或者优选为沉淀碳酸钙(PCC)。其他优选的填料包括二氧化钛。其他填料的实例还包括合成聚合物填料。
通常，本发明所用的纤维素浆料优选包含显著量的填料，通常大于10%，基于该纤维素浆料的干重。然而，包含显著量填料的纤维素浆料通常比可用于不包含或包含较少填料的纸等级中的纤维素浆料更难以絮凝。在作为独立的添加剂引入纸浆料中的极细粒度的填料，如沉淀碳酸钙的情况下尤其如此，或者有时在与脱墨废纸浆一起添加的情况下也是如此。
本发明能由包含高水平填料且还包含机械浆的纤维素浆料制备高度填充的纸，如SC纸或涂布的凹版印刷纸，例如具有良好留着和成形的LWC，且仍保持能更好地控制所述浆料在抄纸网上的滤水。造纸浆料通常必须在稀浆料中包含显著水平的填料，通常占干悬浮液的至少25重量%或者至少30重量%。在悬浮液滤水以形成纸页之前，流浆箱配料中的填料量至多为干悬浮液的70重量%，优选为50-65%的填料。理想地，最终纸页包含至多40重量%的填料。应注意的是SC纸等级通常在纸页中包含25-35%填料。
优选地，所述方法使用极快的滤水造纸机进行，尤其是具有极快滤水双网成形段的那些造纸机，特别是称为夹网成形器或复合型成形器的那些机器。本发明特别适于在造纸机(其中否则的话将导致过量的初始滤水)上生产高度填充的机械级纸，如SC纸。所述方法能使留着、滤水和成形以最佳方式通常在称为夹网成形器和复合型成形器的造纸机上取得平衡。
在本发明的方法中，我们发现取决于该方法和生产要求，可将首过总体留着率和填料留着率调节至任何合适的水平。SC纸等级通常以比其他纸等级如细纸、高度填充的复印纸、纸板或新闻纸更低的总体留着水平和灰分留着水平生产。首过总体留着水平通常为30-60重量%，通常为35-50重量%。填料留着水平通常可为15-45重量%，通常为20-35重量%。
下文实施例中的剂量率以重量%干聚合物/吨纸表示。
-聚合物A：由包含90摩尔%丙烯酰胺和10摩尔%甲基氯化物季铵化的丙烯酸二甲氨基乙酯的单体混合物形成的阳离子水溶性聚丙烯酰胺粉末(固含量90%)，其特性粘度为13dl/g。制备0.1%的溶液以用于留着和脱水测试。
-聚合物B：由包含60摩尔%丙烯酰胺和40摩尔%甲基氯化物季铵化的丙烯酸二甲氨基乙酯的单体混合物形成的阳离子水溶性聚丙酰胺乳液(固含量45%)，其特性粘度为7dl/g。制备0.1%的溶液以用于留着和脱水测试。
-聚合物C：由包含90摩尔%丙烯酰胺和10摩尔%甲基氯化物季铵化的丙烯酸二甲氨基乙酯的单体混合物形成的阳离子水溶性聚丙酰胺粉末(固含量90%)，其特性粘度为9dl/g。
-微粒：以5%制备的钠活性膨润土，然后稀释至0.5%以用于留着和脱水测试。
下文实施例阐述本发明。
实施例1：
制备浓度为0.73%且pH为6.86的由100%回收纤维构成的挂面纸板配料以用于留着评价。
留着和脱水测试使用获自BTG公司的DFR 04(60目铜筛)进行。留着和脱水测试均用1000ml稀浆料配料试样进行。
化学品添加的引入顺序：
-在t=0秒时，启动搅拌器，1000rpm
-在t=10秒时，添加聚合物A溶液(见表1)
-在t=30秒时，将搅拌器速率降至750rpm并引入聚合物B或所述微粒(见表1)
通过测定见于200ml白水试样中的总固体浓度而评价留着性(白水使用无灰分滤纸型Whatmann542过滤)。然后，通过如下比例确定首过留着率：
FPR(%)=([配料浓度%]–[白水浓度])/[配料浓度]
记录在DFR 04测试期间收集500ml的脱水时间。
表1：
| 测试序号 | 聚合物A | 聚合物B | 微粒 | FPR(%) | 脱水时间(秒) |
| 1 | 270ppm | 0 | 2000ppm | 68.5 | 67 |
| 2 | 270ppm | 240ppm | 0 | 71.8 | 67 |
在测试序号2中用聚合物B代替膨润土可导致留着率优于无机膨润土微粒，并保持相等的脱水时间。
实施例2：
制备浓度为0.67%且pH为6.8的由50%长纤维和50%短纤维构成的挂面纸板配料以用于留着评价。
按照实施例1描述实施留着和脱水测试条件，但使用表2的聚合物剂量率。
表2：
| 测试序号 | 聚合物A | 聚合物B | 微粒 | FPR(%) | 脱水时间(秒) |
| 3 | 170ppm | 0 | 2000 | 83.1 | 59 |
| 4 | 170ppm | 200ppm | 0 | 94.0 | 51 |
在这种情况下，在测试序号4中用聚合物B代替膨润土可导致留着率和脱水时间优于无机膨润土微粒。
实施例3：
制备浓度为0.91%且pH为6.8的由100%旧波纹卡构成的挂面纸板配料以用于留着评价。
按照实施例1描述实施留着和脱水测试条件，但使用表3的聚合物剂量率。
表3：
| 测试序号 | 聚合物A | 聚合物B | 微粒 | FPR(%) | 脱水时间(秒) |
| 5 | 200ppm | 0 | 2000 | 76.8 | 77 |
| 6 | 200ppm | 100ppm | 0 | 84.2 | 69 |
在测试序号6中用聚合物B代替膨润土再次可导致留着率和脱水时间优于无机膨润土微粒，且更易处理并具有成本优势。
实施例4：
在全尺寸造纸工艺期间，在夹网成形造纸机上生产保密试验用细纸。浆料由热法机械浆、化学浆、涂布和未涂布的损纸的混合物形成。所述造纸机生产定量为48-54g/m2的轻量涂布纸。
在压力筛之后，所述留着体系初始包含剂量为850ppm的聚合物C。该体系无法保持低于2.9g/l的造纸厂目标白水含量。
通过添加600ppm聚合物C和270ppm聚合物B的混合物(所述聚合物以水溶液形式组合)并在离心筛之后立即添加，白水含量可保持在2.6g/l，且灰分留着率提高2%。
Claims (4)
1.一种生产纸或纸板的方法，其中提供纤维素稀浆料并进行一个或多个剪切步骤，然后在运动筛上滤水以形成纸页，并将其干燥；
其中所述方法使用双重留着体系，将其引入所述纤维素稀浆料中，所述双重留着体系由第一聚合物助留剂和第二聚合物助留剂构成，其中该两种聚合物助留剂为仅有的助留剂，其中所述第一聚合物助留剂为包含5-20摩尔％的阳离子单体单元且其余部分由烯属不饱和非离子单体构成且具有至少6dl/g特性粘度的水溶性阳离子聚合物，且所述第二聚合物助留剂为具有30-50摩尔％的阳离子单体单元且其余部分由非离子烯属不饱和单元构成且具有6-9dl/g特性粘度的水溶性阳离子聚合物；
其中所述第二聚合物助留剂的阳离子电荷密度高于所述第一聚合物助留剂的阳离子电荷密度。
2.根据权利要求1的方法，其中：
i)将所述第一聚合物助留剂在高剪切的最后点或离心筛之前添加至所述纤维素稀浆料中并将所述第二聚合物助留剂在高剪切的最后点或离心筛之后添加至所述纤维素稀浆料中；或者
ii)将所述第一聚合物助留剂和第二聚合物助留剂合并成混合物，然后在高剪切的最后点或离心筛之后添加至所述纤维素稀浆料中。
3.根据权利要求1或2的方法，其中第一和第二助留剂均为阳离子聚丙烯酰胺。
4.根据权利要求1或2的方法，其中所述稀浆料包含10-40重量％的填料。
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