專利名稱：淀粉組合物在造紙中的應(yīng)用的制作方法
本申請是由美國國民CARGILL，INCORPORATED.作為PCT申請?zhí)峤坏?，指定了除US外的所有國家。
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及改進(jìn)的淀粉組合物，以及制造和使用所述改進(jìn)的淀粉組合物的方法。尤其，該發(fā)明涉及用于造紙過程的淀粉組合物，以及制備、處理和在紙類產(chǎn)品的制造過程中使用該淀粉組合物的方法。
背景很多的紙類產(chǎn)品是從纖維制造的。這些產(chǎn)品常常從含有來源于各種植物來源的改性纖維素纖維的含水淤漿制得。該淤漿是在造紙機(jī)器的濕端形成的，其中紙纖維形成為稀釋的水淤漿并在分配到造紙機(jī)流水線中之前與各種原料混合。隨后以控制的方式從淤漿中除去水而形成紙幅，它被加熱和干燥以制造出成品紙類產(chǎn)品。
添加劑被引入到淤漿中以改善該造紙過程，和改進(jìn)該飾成品紙的美觀性和功能性。這些添加劑能夠包括在造紙過程的濕端過程中引入的淀粉組合物以改進(jìn)排水性和保留率，增加強(qiáng)度，和改進(jìn)紙張的形成性能。淀粉組合物能夠提高油墨滲透時間，減少印刷墨水的橫向散開，和改進(jìn)圖像形成和對比度。淀粉組合物還可以提高紙的表面完整性，因此降低了在應(yīng)用如打印和復(fù)印中的紙張起毛。
能夠引入到紙中的其它成分是微粒，包括專用粘土，硅石，和其它功能微粒。這些微粒常常在造紙機(jī)的濕端過程中添加。取決于所制造的紙的類型，以及淤漿的特性，能夠添加各種不同的微粒。在造紙過程中使用微粒的一個挑戰(zhàn)是在形成紙張時微粒并不部保留在紙幅上。沒有保留的該微粒常常以排放而終結(jié)，帶來了附加的費用，因為該顆粒沒有被利用。因此，希望改善顆粒保留率。
排水性，或脫水能力，是在紙張的制造中的另一個重要因素，因為它涉及造紙機(jī)多快地從紙幅中除去水。典型地，改進(jìn)的脫水對應(yīng)于在造紙機(jī)上的較高速度和紙張的較高生產(chǎn)率。紙張制造商常常尋求以經(jīng)濟(jì)上可能的最大速度將全部纖維和顆粒物保留在濾網(wǎng)上，而不犧牲產(chǎn)品質(zhì)量。然而，紙張制造商在嘗試保持產(chǎn)品質(zhì)量時常常遇到排水性限制和因此具有更高的排水值，以使得能夠以高速度和高質(zhì)量制造紙張。
雖然紙成分的制造商和供應(yīng)商認(rèn)識到，高的保留率和排水性是所希望的，但是，在制造一致性、高質(zhì)量的紙張時的重要挑戰(zhàn)是造紙體系不全部一樣并能夠顯示出較大的變化。這一變化是在紙張配料中的各成分的變化以及在造紙設(shè)備中的可變性的結(jié)果。這些變化使得很難以高速度生產(chǎn)出高質(zhì)量紙，歸因于在顆粒保留率和排水性上的變化。
目前，被加入到造紙淤漿中的大部分成分能夠優(yōu)化以供在特定條件下使用。這對于例如被加入到造紙過程的濕端中的淀粉組合物是如此。不幸地，在大多數(shù)造紙設(shè)備中的條件將隨著時間的推移根據(jù)成分和系統(tǒng)的變化而改變。因此，現(xiàn)在需要作一些改進(jìn)，以使得在一定范圍的造紙條件中有令人滿意的排水性和顆粒保留率。
發(fā)明的概述本發(fā)明涉及淀粉，例如陽離子交聯(lián)淀粉，和涉及這些淀粉在造紙中的使用。更具體地說，本發(fā)明涉及淀粉和它在造紙機(jī)的濕端處理中的使用。本發(fā)明的實施特別適合于為特定的濕端系統(tǒng)定制淀粉性能，和允許對淀粉性能加以改性，以響應(yīng)在造紙機(jī)器的濕端中的變化。
也能夠在生產(chǎn)過程中通過調(diào)節(jié)在造紙過程中的淀粉功能來改性淀粉。通過選擇性地改變淀粉的交聯(lián)水平，含有淀粉的紙配料的排水性和保留性能會改變，這使得淀粉性能能夠定制以便根據(jù)使用它的紙配料的特性來提供改進(jìn)的性能。
此外還能夠就在造紙機(jī)的濕端中使用之前調(diào)節(jié)淀粉性能，以便定制淀粉以適應(yīng)于在造紙機(jī)中存在的特定條件。以這種方式，該淀粉能夠定型制造以改進(jìn)排水性和保留率。這些定制，例如，通過改進(jìn)在加入到濕端之前淀粉組合物被蒸煮的溫度，通過改變蒸煮該淀粉的時間長度，通過改變淀粉蒸煮的壓力，和/或通過改變在蒸煮之前淀粉的固體含量，來實現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)，一個一個單獨地或一致地，淀粉的性能發(fā)生改變并符合各種造紙過程的特定條件。例如，通過在較高或較低溫度下蒸煮可改變淀粉性能，和這些改變的性能能夠用于改進(jìn)濕端性能。
本發(fā)明的一個實施方案是改進(jìn)造紙方法的工藝。該工藝包括在添加了淀粉組合物的含水淤漿中提供含有纖維素纖維的造紙配料。該淀粉組合物典型地是交聯(lián)的陽離子淀粉。該淀粉在被加入到造紙配料中之前在典型地低于330°F，和更典型地180-250°F，和甚至更典型地低于220°F或230°F的蒸煮溫度下進(jìn)行蒸煮。該蒸煮溫度典型地是平均蒸煮溫度，它對應(yīng)于在一定時間中從兩個或多個溫度測量的平均溫度。
微粒，包括納米粒子，也可引入到造紙配料中以增強(qiáng)機(jī)械性能，如排水性和保留率，并且這些微粒典型地具有低于1.0微米，和更典型地低于0.1微米的平均直徑。合適的微粒包括，例如，各種的硅石和粘土。
本發(fā)明的陽離子交聯(lián)淀粉典型地作為濕端添加劑被混入在濕端中具有大約4.0到大約9.0的pH值的紙溢流料(furnish)。紙的通用制造工藝，包括該術(shù)語“濕端”，一般性地描述在Pulp & PaperManufacture，III卷，Papermaking and Paperboard Making，R.G.McDonald(編輯)，J.N.Franklin(技術(shù)編輯)，McGraw Hill BookCo.，1970。
在特定的實施方案中，該淀粉和方法用于改進(jìn)造紙配料的脫水。當(dāng)在造紙過程中該配料被脫水時，評價脫水速率。如果這一脫水速率是不令人滿意的，則淀粉的蒸煮溫度需要改進(jìn)以改變脫水性質(zhì)。蒸煮溫度的改進(jìn)應(yīng)該足以在造紙配料的脫水或第一遍通過保留率中提供改進(jìn)。典型地，溫度的改進(jìn)的量是大于1°F，和更典型地至少5°F。在特定的實施方案中，該量是5到10°F。在某些實施方案，該改進(jìn)是至少大約10°F。該溫度在某些實施方案中提高，和在其它實施方案中下降，這取決于在蒸煮溫度的改進(jìn)之前的脫水或排水性能。
有時需要通過溫度的反復(fù)變化和然后紙張性能的評價，來確定溫度的合適變化。該反復(fù)變化使得配料性能可進(jìn)行分步驟評價和調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)脫水性質(zhì)是不令人滿意的或顯示劣化時，該溫度能夠最初被降低一特定溫度(例如，5°F)。如果這一(溫度)降低顯示出了在脫水性能上的改進(jìn)，則該溫度能夠維持在這一新溫度下。另外地，該溫度能夠進(jìn)一步降低以尋求在脫水量上甚至更大的改進(jìn)。如果這一較低溫度改進(jìn)了脫水性質(zhì)，則該溫度能夠維持在這一水平(或進(jìn)一步降低以尋求甚至更大的改進(jìn))。然而，如果這一較低溫度沒有改進(jìn)該脫水性質(zhì)，則該溫度能夠重新升高回到先前的水平。另外地，該溫度能夠在中途升高回到先前的水平。
如果最初的降低沒有導(dǎo)致脫水性質(zhì)的改進(jìn)，則該溫度應(yīng)該典型地升高到該初始溫度以上以確定該脫水性質(zhì)是否改進(jìn)。如果該脫水性質(zhì)沒有改進(jìn)，則該溫度應(yīng)該回到初始溫度或回到在初始溫度和升高溫度之中間的溫度。如果該脫水性質(zhì)確實得到改進(jìn)，則該溫度能夠維持在提高的溫度或再次升高以尋求甚至更高的溫度。
以這一方式和類似的那些方式，淀粉進(jìn)行蒸煮的溫度用于改變所生產(chǎn)的淀粉的性能，從而定制這些性能以適合于造紙機(jī)的濕端性能。除了通過調(diào)節(jié)淀粉的蒸煮溫度來調(diào)節(jié)保留率和排水性能，這些性能也能夠通過改進(jìn)淀粉蒸煮壓力和通過改變在蒸煮之前淀粉的固體含量來調(diào)節(jié)。例如，該淀粉典型地在低于100磅/平方英寸的壓力下在噴射式蒸煮鍋中進(jìn)行蒸煮；以及淀粉以低于10％的固體含量被加入到噴射式蒸煮鍋中。通過改變該壓力或固體含量，該淀粉組合物能夠定制以適合于添加了淀粉的濕端配料的特定性能。
不僅該溫度、壓力和固體含量能夠獨立地改進(jìn)以改進(jìn)濕端性能，而且它們可以一起改進(jìn)以改變淀粉性能。例如，全部三種參數(shù)能夠變化，該溫度和壓力能夠變化，該溫度和固體含量能夠變化，或該壓力和固體含量能夠變化。同時，除排水性和保留率之外，在濕端性能中能夠獲得其它改進(jìn)，例如與排水性和保留率的改進(jìn)一起常常觀察到的線速度的改進(jìn)。
其它的實施方案包括一種調(diào)節(jié)造紙方法的工藝。該工藝使得有可能調(diào)節(jié)淀粉組合物蒸煮的溫度，以便獲得造紙配料的改進(jìn)的排水或保留性能。該工藝包括在含水淤漿中提供含有纖維素纖維和微粒的造紙配料，和提供淀粉組合物，后者經(jīng)過配方設(shè)計以加入到該造紙配料中。一部分的淀粉組合物在初始溫度下蒸煮和然后加入到造紙配料中。該配料隨后脫水以形成纖維素纖維紙幅。進(jìn)行有關(guān)含水淤漿的脫水速率或顆粒保留率的分析，和如果該脫水處于不令人滿意的速率，則淀粉組合物蒸煮的溫度改變到不同的溫度，以便改進(jìn)含水淤漿的脫水速率。
本發(fā)明的上述概述不是為了描述本發(fā)明的每一個實施方案。這是下面給出的附圖和詳細(xì)說明的目的。
附圖的筒述在閱讀下面的詳細(xì)說明和參考附圖之后，其它方面和優(yōu)勢將變得顯而易見

圖1是描繪了實施例濕端淀粉的粒度分布的曲線圖，其中一種已交聯(lián)和另一種沒有交聯(lián)。
圖2是描繪在各種噴射蒸煮溫度下蒸煮的交聯(lián)陽離子淀粉的平均粒度的曲線圖。
圖3是描繪實施例濕端添加劑的粒度分布的曲線圖。
圖4是描繪交聯(lián)的陽離子淀粉和已在各種溫度下蒸煮的非交聯(lián)的陽離子淀粉的排水性的曲線圖。
圖5是描繪交聯(lián)的陽離子淀粉和已在各種溫度下蒸煮的非交聯(lián)的陽離子淀粉的粘度的曲線圖。
圖6是描繪交聯(lián)的陽離子淀粉和已在各種溫度下蒸煮的非交聯(lián)的陽離子淀粉的平均粒度的曲線圖。
雖然本發(fā)明可有各種改變和供選擇的其它形式，但是具體的項目是以舉例方式給出并且詳細(xì)描述。然而，應(yīng)該理解的是不希望將本發(fā)明限于所描述的特殊實施方案。相反地，希望覆蓋落在由所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的全部改進(jìn)，等同物，和備選物。
詳細(xì)說明本發(fā)明涉及淀粉，包括陽離子交聯(lián)淀粉，和涉及這些淀粉在造紙中的使用。更具體地說，本發(fā)明涉及陽離子化交聯(lián)淀粉和涉及淀粉在造紙機(jī)的濕端系統(tǒng)中的使用。該淀粉經(jīng)過定制以適應(yīng)各種濕端條件，并讓改進(jìn)對應(yīng)于在造紙機(jī)的濕端中的各種變化。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，在陽離子化之后交聯(lián)的陽離子淀粉被加入到在造紙過程中的紙漿或配料中。在添加到造紙機(jī)的濕端之前蒸煮該淀粉并且調(diào)節(jié)蒸煮參數(shù)，以便改進(jìn)濕端配料的性能，如顆粒保留率和配料的排水性。以這一方式，淀粉的性能經(jīng)過定制，以符合造紙機(jī)的濕端的特定條件。
下列詳細(xì)說明包括特定的淀粉組合物，調(diào)節(jié)淀粉組合物的性能以符合造紙工藝的條件的一種方法，以及在造紙性能上的改進(jìn)，其中包括改進(jìn)的排水性和改進(jìn)的第一遍通過保留率和微粒保留率。
A.可改性的淀粉組合物在第一方面，本發(fā)明涉及適合用于造紙的濕端階段中的淀粉組合物。本發(fā)明的淀粉組合物具有一些性能，使得它們在蒸煮過程中被改進(jìn)，以改進(jìn)在造紙工藝過程中的性能。
該淀粉能夠選自許多淀粉，其中包括玉米(如蠟質(zhì)種玉米或馬齒種玉米)，馬鈴薯，高粱，木薯淀粉，小麥，米，等等。該淀粉優(yōu)選是玉米淀粉，和典型地是馬齒種玉米淀粉，和更典型地是陽離子化馬齒種玉米淀粉。該淀粉應(yīng)該具有羥基或另一個官能團(tuán)以實施交聯(lián)。下面描述了與交聯(lián)水平，粘度，取代水平，和粒度有關(guān)的附加性能。
該淀粉典型地用交聯(lián)劑來交聯(lián)，后者可與淀粉的羥基官能團(tuán)反應(yīng)。該交聯(lián)淀粉使得有更大的粒度范圍，與非交聯(lián)淀粉相比而言。這一粒度范圍使得有更大的機(jī)會改進(jìn)濕端性能。沒有限于所使用的理論，可以相信，當(dāng)?shù)矸哿６染o密地與配料中其它顆粒的粒度相關(guān)聯(lián)時，獲得了改進(jìn)的性能。雖然該淀粉顆粒能夠小于紙纖維和大于微粒添加劑，但是認(rèn)為在各種顆粒物(纖維，淀粉，和微粒)的粒度之間存在相互關(guān)系。
現(xiàn)在參見圖1，示出了曲線圖，它描繪了非交聯(lián)陽離子馬齒種玉米淀粉的粒度分布，與交聯(lián)的陽離子馬齒種玉米淀粉對比。非交聯(lián)的陽離子的馬齒種玉米淀粉具有窄的粒度分布，而交聯(lián)的陽離子淀粉具有寬的粒度分布。這一較大的分布被認(rèn)為在濕端配料和淀粉的顆粒物之間發(fā)生顆粒-顆粒碰撞的更大可能性，因此導(dǎo)致微粒的提高保留率。
該淀粉用交聯(lián)劑來進(jìn)行配方設(shè)計，后者能夠是多官能團(tuán)的有機(jī)或無機(jī)化合物，其中在交聯(lián)劑上的官能團(tuán)如環(huán)氧基或酸酐基可與淀粉的羥基反應(yīng)。該淀粉能夠用多環(huán)氧化合物，如多胺多環(huán)氧基樹脂，氧氯化磷，1，4-丁二醇二縮水甘油醚，二酸酐，縮醛類，和多官能硅烷來交聯(lián)。該交聯(lián)劑還可以是三偏磷酸鈉。這些和其它合適的交聯(lián)劑，和交聯(lián)方法，被描述在美國專利No 3,790,829；3,391,018；3,361,590，和5,122,231，被引入這里供參考。
淀粉粘度典型地，交聯(lián)水平大體上與淀粉粘度相關(guān)。因此，粘度變化能夠部分地通過改變交聯(lián)水平來實現(xiàn)。交聯(lián)的量是時間和交聯(lián)劑類型，以及反應(yīng)條件的函數(shù)，它們?nèi)拷?jīng)過選擇以獲得在特定范圍內(nèi)的粘度。
該陽離子的交聯(lián)淀粉典型地被交聯(lián)到在大約10cps到大約3000cps，典型大約50cps到3000cps，優(yōu)選大約200cps到大約3000cps的范圍內(nèi)的熱糊粘度，該粘度是根據(jù)在美國專利No.5,122,231(被引入本文供參考)中教導(dǎo)的方法使用21號芯軸，在95℃和20rpm下，在2.0％淀粉固體下在布氏(Brookfield)粘度計上測得的。
另外地，該淀粉粘度根據(jù)在美國專利No.5,368,690中公開的方法通過使用破壞(breakdown)粘度來測量，即使這一方法對于高粘度淀粉的測量是不太精確的。百分破壞(breakdown)粘度典型地是大于85％，和典型地大于90％。在優(yōu)選的實施方案中該破壞粘度是大于95％。
淀粉取代水平合適的淀粉組合物令人想望地是當(dāng)溶于水中時帶正電荷的陽離子淀粉。該淀粉優(yōu)選含有季銨離子，它在pH上有增強(qiáng)的靈活性。常常，此類含有季銨的淀粉是通過用合適的醚化劑來醚化羥基而衍生的。該醚化劑具有陽離子的屬性，如(3-氯-2羥丙基)三甲基氯化銨，N-(2，3-環(huán)氧基丙基)二甲基胺或N-(2，3-環(huán)氧基丙基)二丁胺或N-(2，3-環(huán)氧基丙基)甲基苯胺的甲基氯季化鹽。
這里使用的取代度(DS)被定義為在各脫水葡萄糖單元上羥基的平均數(shù)目，該單元已用取代基加以衍生。該DS用作在陽離子化和交聯(lián)的淀粉上電荷的量度并與在各脫水葡萄糖單元上的羥基上的一價陽離子的平均數(shù)有關(guān)。取代度一般性描述在STARCHChemistry andTechnology，第二版，R.L.Whister，J.N.Bemiller，和E.F.Paschall編輯，Academic Press，Inc.，1984。該淀粉典型地陽離子化到大于0.005、但不大于0.100的取代度(DS)，更典型地到大約0.030至大約0.070的DS。該淀粉優(yōu)選具有0.030和0.040的DS。
該淀粉能夠通過任何已知的方法陽離子化，如通過它在堿性介質(zhì)中與叔胺或季銨反應(yīng)和隨后中和，然后根據(jù)需要進(jìn)行洗滌和干燥。將淀粉陽離子化的已知方法已描述于美國專利No 4,146,515(授權(quán)于Buikema等人)和4,840,705(授權(quán)于Ikeda等人)，兩者被引入本文供參考。在本發(fā)明的一個方面，通過淀粉與(3-氯-2-羥丙基)三甲基氯化銨在由氫氧化鈉提供的堿性介質(zhì)中反應(yīng)形成陽離子的(2-羥丙基)三甲基氯化銨淀粉醚來將淀粉陽離子化，其中在淀粉上醚的摩爾取代度(DS)是在0.030至0.040之間。
淀粉粒度本發(fā)明的淀粉組合物的優(yōu)點在于它們能夠基于淀粉組合物的性質(zhì)和淀粉蒸煮的方式(其中包括溫度、壓力和固體水平)來對粒度加以改進(jìn)。因此，該粒度能夠加以改變，以便在濕端配料成品(finish)中提供最理想的性能。該淀粉粒度能夠使用粒度分布分析方法來測定，如使用引入到由Horiba，Inc.制造的尺寸分布分析器(包括LA910尺寸分布分析器)中的米氏散射理論。米氏散射理論沒有提供直徑的直接測量方法，但表明至少該相對粒度。
現(xiàn)在參見圖2，示出了根據(jù)本發(fā)明制得的淀粉組合物的實例粒度分布。取決于蒸煮溫度，對于交聯(lián)淀粉而言粒度分布顯著地變化。在描繪的實例中，隨著蒸煮溫度從大約190°F變化到265°F，平均粒度會發(fā)生變化。在低的蒸煮溫度下獲得最大尺寸(粒度)。通過改變蒸煮溫度，該平均粒度也會變化，使得粒度作周密的定制以適應(yīng)于添加了淀粉的特定濕端配料。
B.微粒成分微粒也被引入到造紙配料中。該微粒典型地協(xié)助排水，和能夠用作絮凝劑。合適的微粒包括硅石和粘土。根據(jù)本發(fā)明，被加入到濕端配料中的微粒的濃度將根據(jù)成品紙類產(chǎn)品的所需性能和所獲得的保留率來改變。微粒典型地以低于5.0磅/每噸纖維，更典型地低于2.0磅/每噸纖維的濃度添加。
該微粒典型地具有低于1.0微米，和典型地低于0.5微米的平均直徑。助濾劑如膠態(tài)氧化硅常常具有大約0.1μm的平均直徑，填料典型地具有1到50μm，膠乳聚集體具有10到100μm和纖維常常是200μm或更大。
現(xiàn)在參見圖3，示出了典型濕端成分的粒度分布，其中包括硅石，二氧化鈦，沉淀碳酸鈣(PCC)，和白水。正如所表明的，該粒度根據(jù)顆粒的類型來改變。硅石具有大約0.10μm的粒度，二氧化鈦具有大約0.8μm的平均粒度和0.5-1.0μm的范圍。PCC是在大約1.0μm到10μm范圍內(nèi)。白水的范圍是從低于1.0μm到10μm。取決于所添加的微粒的量，該淀粉組合物應(yīng)該調(diào)節(jié)以優(yōu)化排水性和顆粒保留率。常常需要調(diào)節(jié)淀粉粒度，以對應(yīng)各種的淀粉粒度。這在當(dāng)微粒尺寸在造紙過程中變化時尤其如此，作為在粒度或濃度上的有意變化，或作為在造紙配料中變化的無意結(jié)果。
C.淀粉制備條件本發(fā)明讓造紙廠家以這樣一種方式來蒸煮淀粉組合物，該方式使得淀粉性能(包括粒度和粒度分布)被優(yōu)化以符合造紙廠家的一般性濕端性能，其中包括在濕端中的顆粒物的粒度和粒度分布。不希望受理論限制，可以相信淀粉組合物的粒度的這一變化與排水和保留的變化相關(guān)。當(dāng)?shù)矸鄣牧６冗m當(dāng)?shù)嘏c加入到淀粉中的無機(jī)和有機(jī)(例如纖維，膠乳)的粒度相關(guān)時，配料(furnish)獲得了增強(qiáng)的排水和保留性能，連同其它性能一道。寬的淀粉粒度范圍能夠用造紙廠家的淀粉蒸煮器來調(diào)控。改變粒度和粒度群體以符合造紙廠家的濕端要求的能力使得具有優(yōu)異的保留和排水性能。
D.調(diào)節(jié)淀粉組合物的性能的方法蒸煮溫度的改進(jìn)在第一個實施方案中，該淀粉性能可通過改變淀粉蒸煮溫度，尤其淀粉噴射蒸煮的溫度，來改性。在特定的實施方案中，改進(jìn)的淀粉和蒸煮溫度調(diào)節(jié)方法可用于改進(jìn)造紙配料的脫水和/或微粒的保留。當(dāng)在造紙過程中該配料被脫水時，評價脫水速率。如果這一脫水速率是不令人滿意的，則淀粉的蒸煮溫度需要改進(jìn)以改變脫水性質(zhì)。
蒸煮溫度的改進(jìn)應(yīng)該足以在造紙配料的脫水或第一遍通過保留率中提供改進(jìn)。因此，溫度的改變應(yīng)該在足夠大的程度上影響該造紙配料性能。典型地，溫度的改進(jìn)的量是大于1°F，和更典型地大于5°F。在特定的實施方案中，該量是5到10°F。在某些實施方案，該改進(jìn)是至少大約10°F。該溫度在某些實施方案中提高，和在其它實施方案中下降，這取決于在蒸煮溫度的改進(jìn)之前的脫水或排水性能。
在特殊的實施方案中，該造紙工藝包括以下步驟淀粉組分的蒸煮，紙配料的脫水，和通過改變淀粉組分的蒸煮溫度來調(diào)節(jié)脫水速率。第一步，蒸煮該淀粉組分，包括在低于330°F的第一平均蒸煮溫度下蒸煮一種具有在大約50cps到大約3000cps范圍內(nèi)的熱糊粘度的陽離子化交聯(lián)淀粉達(dá)第一段時間，該粘度是通過使用21號芯軸，在95℃和20rpm下以2.0％淀粉固體含量在Brookfield粘度計中測量的。該配料包括在含水淤漿中的纖維素纖維，一種包括至少50wt％具有不大于1微米的平均粒度的顆粒物的無機(jī)顆粒，和蒸煮過的淀粉組分。脫水的速率通過在與第一平均蒸煮溫度相差至少10°F的第二溫度下蒸煮淀粉組分來調(diào)節(jié)。在特定的實施方案中，第二平均蒸煮溫度是200到250°F，和在其它實施方案中第二平均蒸煮溫度是低于230°F。該微粒能夠包括硅石，粘土，和它們的結(jié)合物。
附加的步驟能夠包括顆粒保留率的測定和溫度的改進(jìn)以調(diào)節(jié)保留率。該淀粉組合物能夠在噴射式蒸煮器中和在低于150磅/平方英寸的壓力下蒸煮。在特定的實施方案中該淀粉以1-10％的固體含量被加入到噴射蒸煮器中。
由于配料性質(zhì)的復(fù)雜性，有時候需要通過溫度的反復(fù)變化和隨后紙張性能的評價來確定溫度的合適變化。這些變化包括從初始蒸煮溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)以確定這些變化是否改進(jìn)了保留，排水，或其它紙類產(chǎn)品。這些變化尋求通過調(diào)節(jié)蒸煮溫度來優(yōu)化淀粉性能，一直到性能達(dá)到優(yōu)選的范圍為止。
例如，當(dāng)脫水性質(zhì)是不令人滿意的或顯示劣化時，該溫度能夠最初被降低一特定溫度(例如，5°F)。如果這一(溫度)降低顯示出了在脫水性能上的改進(jìn)，則該溫度能夠維持在這一新溫度下。另外地，該溫度能夠進(jìn)一步降低以尋求在脫水量上甚至更大的改進(jìn)。如果這一較低溫度改進(jìn)了脫水性質(zhì)，則該溫度能夠維持在這一水平(或進(jìn)一步降低以尋求甚至更大的改進(jìn))。然而，如果這一較低溫度沒有改進(jìn)該脫水性質(zhì)，則該溫度能夠重新升高回到先前的溫度。
另外地，該溫度能夠在中途升高回到先前的溫度。如果最初的降低沒有導(dǎo)致脫水性質(zhì)的改進(jìn)，則該溫度應(yīng)該典型地升高到初始溫度以上以確定該脫水性質(zhì)是否改進(jìn)。如果該脫水性質(zhì)沒有改進(jìn)，則該溫度應(yīng)該回到初始溫度或回到在初始溫度和升高溫度之中間的溫度。如果該脫水性能確實得到改進(jìn)，則該溫度能夠維持在升高的溫度下或再次升高。以這一方式，淀粉進(jìn)行蒸煮的溫度用于改變所生產(chǎn)的淀粉的性能，從而定制這些性能以適合于造紙機(jī)的濕端性能。
蒸煮壓力的改進(jìn)在另一個實施方案中，該淀粉性能可通過改變淀粉蒸煮壓力，尤其淀粉噴射蒸煮的壓力，來改性。當(dāng)在造紙過程中該配料被脫水時，評價脫水或保留率。如果該脫水或保留率是不令人滿意的，則改進(jìn)淀粉的蒸煮壓力以改變該脫水或保留性能。蒸煮壓力的改進(jìn)應(yīng)該足以在造紙配料的脫水或第一遍通過保留率中提供改進(jìn)。
典型地，蒸煮壓力的改進(jìn)的量是大于至少1psi，和更典型地大于5psi。在特定的實施方案中，該量是10-60psi(磅/平方英寸)。在某些實施方案中，該改進(jìn)是至少大約20psi。該壓力在某些實施方案中提高，和在其它實施方案中下降，這取決于在蒸煮壓力的改進(jìn)之前的脫水或排水性能。
在特殊的實施方案中，該造紙工藝包括以下步驟淀粉組分的蒸煮，紙配料的脫水，和通過改變淀粉組分的蒸煮壓力來調(diào)節(jié)脫水速率。第一步，蒸煮該淀粉組分，包括蒸煮一種具有在大約10cps到大約3000cps，更典型50cps到3000cps，和優(yōu)選200cps到大約3000cps范圍內(nèi)的熱糊粘度的陽離子化交聯(lián)淀粉，該粘度是通過使用21號芯軸，在95℃下以大約2.0％淀粉固體含量在Brookfield粘度計中測量的。
該配料包括在含水淤漿中的纖維素纖維，一種包括至少50wt％具有不大于1微米的平均粒度的顆粒物的無機(jī)顆粒，和蒸煮過的淀粉組分。脫水的速率通過在與第一平均蒸煮壓力相差至少10psi的第二壓力下蒸煮淀粉組分來調(diào)節(jié)。
附加的步驟能夠包括顆粒保留率的測定和壓力的改進(jìn)以調(diào)節(jié)保留率。在特定的實施方案中該淀粉以1-10％的固體含量被加入到噴射蒸煮器中。
由于配料性質(zhì)的復(fù)雜性，有時候需要通過壓力的反復(fù)變化和隨后紙張性能的評價來確定壓力的合適變化。這些變化包括從初始蒸煮壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)以確定這些變化是否改進(jìn)了保留，排水，或其它紙類產(chǎn)品。這些變化尋求通過調(diào)節(jié)蒸煮壓力來優(yōu)化淀粉性能，一直到性能達(dá)到優(yōu)選的范圍為止。
例如，當(dāng)脫水或保留性質(zhì)是不令人滿意的或顯示劣化時，則壓力最初降低一特定的量(例如，10psi)。如果這一(壓力)降低顯示出了在脫水或保留性能上的改進(jìn)，則該壓力維持在這一新壓力下。另外地，該壓力能夠進(jìn)一步降低以尋求在脫水或保留率上甚至更大的改進(jìn)。如果這一較低壓力改進(jìn)了脫水性質(zhì)，則該壓力能夠維持在這一水平(或進(jìn)一步降低以尋求甚至更大的改進(jìn))。然而，如果這一較低壓力沒有改進(jìn)該脫水性質(zhì)，則該壓力能夠重新升高回到先前的壓力。另外地，該壓力能夠在中途升高回到先前的壓力。
如果最初的降低沒有導(dǎo)致脫水或保留性能的改進(jìn)，則該壓力應(yīng)該典型地升高到初始psi以上以確定該脫水或保留性能是否改進(jìn)。如果該性能沒有改進(jìn)，則該壓力應(yīng)該回到初始壓力或回到在初始壓力和升高壓力之中間的壓力。如果這些性能確實得到改進(jìn)，則該壓力能夠維持在提高的壓力或再次升高以尋求甚至更高的溫度。以這一方式和類似的那些方式，淀粉進(jìn)行蒸煮的壓力用于改變所生產(chǎn)的淀粉的性能，從而定制這些性能以適合于造紙機(jī)的濕端性能。
固體含量的改進(jìn)在再一個實施方案中，該淀粉性能可通過改變淀粉蒸煮的淀粉固體含量，尤其淀粉噴射蒸煮的固體含量，來改性。在特定的實施方案中，改進(jìn)的淀粉和方法可用于改進(jìn)造紙配料的脫水和/或微粒的保留。當(dāng)在造紙過程中該配料被脫水時，評價脫水速率。如果這一脫水速率是不令人滿意的，則淀粉的固體含量需要改進(jìn)以改變脫水性能。
固體含量的改進(jìn)應(yīng)該足以在造紙配料的脫水或第一遍通過保留率中提供改進(jìn)。典型地，固體含量的改進(jìn)的量是大于1％，和典型地大于2％。在特定的實施方案中，該量是3-10％。在某些實施方案中，該改進(jìn)是至少大約5％。固體含量在某些實施方案中提高，和在其它實施方案中下降，這取決于在固體含量的改進(jìn)之前的脫水或排水性能。
在特殊的實施方案中，該造紙工藝包括以下步驟淀粉組分的蒸煮，紙配料的脫水，和通過在噴射蒸煮器中蒸煮之前改變淀粉組分的固體含量來調(diào)節(jié)脫水速率。第一步，蒸煮該淀粉組分，包括在噴射蒸煮器中蒸煮陽離子化交聯(lián)淀粉。在蒸煮之前淀粉組分具有在大約10cps到3000cps，更典型地50cps到3000cps，優(yōu)選200cps到大約3000cps范圍內(nèi)的熱糊粘度，該粘度是在Small Sample BrookfieldViscometer System(SSB)中，通過使用21號芯軸在95℃和20rpm下以2.0％淀粉固體含量來測量的，這是在10分鐘后測得。該配料包括在含水淤漿中的纖維素纖維，一種包括至少50wt％具有不大于1微米的平均粒度的顆粒物的無機(jī)顆粒，和蒸煮過的淀粉組分。脫水的速率通過在與第一平均固體含量相差至少1％的第二固體含量下蒸煮淀粉組合物來調(diào)節(jié)。
在特定的實施方案中，第二平均固體含量是5-6％，和在其它實施方案中第二平均固體含量是低于5％。該微粒能夠包括硅石，粘土，和它們的結(jié)合物。
附加的步驟能夠包括顆粒保留率的測定和固體含量的改進(jìn)以調(diào)節(jié)保留率。該淀粉組合物能夠在噴射式蒸煮器中和在10-30磅/平方英寸的壓力下蒸煮。在特定的實施方案中，淀粉在200到300°F的溫度下蒸煮。
由于配料性質(zhì)的復(fù)雜性，有時候需要通過固體含量的反復(fù)變化和隨后紙張性能的評價來確定固體含量的合適變化。這些變化包括從初始固體含量進(jìn)行調(diào)節(jié)以確定這些變化是否改進(jìn)了保留，排水，或其它紙類產(chǎn)品。這些變化尋求通過調(diào)節(jié)固體含量來優(yōu)化淀粉性能，一直到性能達(dá)到優(yōu)選的范圍為止。
例如，當(dāng)脫水性能是不令人滿意的或顯示劣化時，固體含量能夠最初降低一特定的量。如果這一(固體含量)降低顯示出了在脫水性能上的改進(jìn)，則固體含量能夠維持在這一新固體含量下。另外地，該固體含量能夠進(jìn)一步降低以尋求在脫水量上甚至更大的改進(jìn)。如果這一較低固體含量改進(jìn)了脫水性質(zhì)，則該固體含量能夠維持在這一含量水平(或進(jìn)一步降低以尋求甚至更大的改進(jìn))。然而，如果這一較低固體含量沒有改進(jìn)該脫水性質(zhì)，則該固體含量能夠重新升高回到先前的固體含量。另外地，該固體含量能夠在中途升高回到先前的固體含量。
D.改進(jìn)造紙性能在一些條件獲得了造紙機(jī)的改進(jìn)性能，如通過減少可運(yùn)行性故障的次數(shù)，并使造紙廠家提高生產(chǎn)量。這一增加的產(chǎn)量能夠是減少不符合性能技術(shù)指標(biāo)的那些紙張的數(shù)量，改進(jìn)紙淤漿的排水性，和提高機(jī)器速度的結(jié)果。
該淀粉進(jìn)行蒸煮和被加入到濕端配料中，含含有纖維素纖維。該配料能夠包括硬木，軟木或硬木/軟木纖維混合物。陽離子型交聯(lián)淀粉的添加能夠在造紙過程中的不同時間點進(jìn)行，包括在濕紙漿轉(zhuǎn)化成干燥紙幅或片之前。因此，例如，它能夠加入到纖維中，而后者處于料箱，打漿機(jī)，水力碎漿機(jī)或紙料柜中。該配料能夠包括添加劑，染料，和/或填料如粘土，CaCO3，明礬等等。本發(fā)明理想地允許使用高水平(量)的淀粉和填料以代替更昂貴的纖維素纖維，結(jié)果是在較高的微粒和填料的保留率下在較短的加工時間中用價格比較低廉的原料生產(chǎn)出具有增強(qiáng)的強(qiáng)度的紙。
E.實施例制備紙料，以蒸煮性能上的變化為基礎(chǔ)，來對比當(dāng)使用交聯(lián)的和非交聯(lián)的陽離子型馬齒種玉米淀粉時在保留、排水和粘度上的變化的效果。對于每一類型的淀粉，每干噸的木纖維可添加三十磅淀粉。該淀粉在192到265°F的溫度下蒸煮，和固體含量維持在1.28到1.39％。通過使用LA910 Horiba型Particle Size Distribution分析器測量淀粉顆粒的平均粒度，和通過使用Dynamic Drainage Jarprocedure來測量排水性能。制備細(xì)節(jié)概括在下面的表1和表2中。
表1-交聯(lián)的陽離子淀粉
*蒸煮淀粉的Brookfield粘度是在150°F下，在表1中示出的固體％下，使用#21芯軸來測量的。
表2非交聯(lián)的陽離子淀粉
*蒸煮淀粉的Brookfield粘度是在150°F下，在表1中示出的固體％下，使用#21芯軸來測量的。
兩種類型的淀粉在造紙性能上的差異被描繪在圖4，5，和6中，它們顯示了在各種噴射蒸煮溫度下處理過的交聯(lián)陽離子型馬齒種玉米淀粉和非交聯(lián)陽離子型馬齒種玉米淀粉的排水、粘度和粒度分布。如在圖4中所說明的，該交聯(lián)的陽離子淀粉顯示了大約200到260°F的動態(tài)排水，其中峰在大約230°F處。相反，該非交聯(lián)的陽離子淀粉在這一實施例中顯示了較單調(diào)平坦的的排水性(在比交聯(lián)陽離子淀粉的水平低的那一水平下)。
此外，如圖5中所說明，交聯(lián)陽離子淀粉在寬的溫度范圍中顯示了粘度變化。在圖5中示出的實施例中，該交聯(lián)的陽離子淀粉在低溫度下具有最高的粘度和在升高的溫度下具有最低的粘度。該溫度范圍可以從大約200°F延伸到265°F。在相同的溫度范圍內(nèi)，非-聯(lián)的陽離子淀粉沒有顯示出粘度的顯著變化。
圖6說明了當(dāng)使用交聯(lián)陽離子淀粉時在延伸的噴射蒸煮范圍中粒度分布的變化，與非交聯(lián)的陽離子淀粉對比。該粒度分布在低噴射蒸煮溫度下是最大的并隨著溫度的升高而下降。通常，該非交聯(lián)淀粉在同一溫度范圍中顯示了在粒度分布上的低得多的變化。
這些實施例說明了在一定范圍的蒸煮溫度下淀粉性能的變化。尤其，它們說明了以蒸煮溫度的變化為基礎(chǔ)，在排水和保留性能上的變化。
權(quán)利要求
1.一種蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，其粘度為約95-約250cps，其中所述粘度通過使用布魯克菲爾德粘度計，在約150°F的測量溫度下，使用21#錠子，在20rpm下，在約1.2％-約1.4％的固體含量下測定。
2.權(quán)利要求1的蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，進(jìn)一步具有在約0.1-約200微米范圍內(nèi)的平均粒度分布。
3.權(quán)利要求2的蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，其中平均粒度分布范圍為約61-約118微米。
4.權(quán)利要求1的蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，其中陽離子交聯(lián)淀粉在小于330°F的溫度下蒸煮。
5.權(quán)利要求1的蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，其中陽離子交聯(lián)淀粉在約200°F-約300°F的溫度下蒸煮。
6.權(quán)利要求1的蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，其中陽離子交聯(lián)淀粉的熱糊粘度范圍為約10cps-約3000cps，所述熱糊粘度在布魯克菲爾德粘度計中，在2.0％淀粉固體下，在95℃下，在20rpm下，使用21#錠子，在10分鐘之后測量。
7.權(quán)利要求6的蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，其中熱糊粘度范圍為約50cps-約3000cps。
8.權(quán)利要求1的蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，其中陽離子交聯(lián)淀粉的分解(breakdown)粘度百分?jǐn)?shù)大于85％。
9.權(quán)利要求8的蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，其中分解粘度百分?jǐn)?shù)大于90％。
10.權(quán)利要求8的蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，其中分解粘度百分?jǐn)?shù)大于95％。
11.一種蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，它是通過蒸煮熱糊粘度在約10cps-約3000cps范圍內(nèi)的陽離子交聯(lián)淀粉而制備的，其中所述熱糊粘度在布魯克菲爾德粘度計中，在約95℃下，使用21#錠子，在20rpm下，在2.0％的固體含量下，在10分鐘之后測量。
12.權(quán)利要求11的蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，其中熱糊粘度范圍為約50cps-約3000cps。
13.權(quán)利要求11的蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，其中陽離子交聯(lián)淀粉在小于330°F的溫度下蒸煮。
14.權(quán)利要求11的蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，其中陽離子交聯(lián)淀粉在約200°F-約300°F的溫度下蒸煮。
15.權(quán)利要求11的蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，其中蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉的平均粒度分布范圍為約0.1-約200微米。
16.權(quán)利要求15的蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，其中平均粒度分布范圍為約61-約118微米。
17.權(quán)利要求11的蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，其中陽離子交聯(lián)淀粉的分解粘度百分?jǐn)?shù)大于85％。
18.權(quán)利要求17的蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，其中陽離子交聯(lián)淀粉的分解粘度百分?jǐn)?shù)大于90％。
19.權(quán)利要求17的蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉，其中陽離子交聯(lián)淀粉的分解粘度百分?jǐn)?shù)大于95％。
20.一種生產(chǎn)蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉的方法，該方法包括蒸煮熱糊粘度在約10cps-約3000cps范圍內(nèi)的陽離子交聯(lián)淀粉，其中所述熱糊粘度在布魯克菲爾德粘度計中，在約95℃下，使用21#錠子，在20rpm下，在2.0％的固體含量下，在10分鐘之后測量。
21.權(quán)利要求20的方法，其中熱糊粘度范圍為約50cps-約3000cps。
22.權(quán)利要求20的方法，其中陽離子交聯(lián)淀粉在小于330°F的溫度下蒸煮。
23.權(quán)利要求22的方法，其中溫度范圍為約200°F-約300°F。
24.權(quán)利要求20的方法，其中蒸煮過的陽離子交聯(lián)淀粉的平均粒度分布范圍為約0.1-約200微米。
25.權(quán)利要求24的方法，其中平均粒度分布范圍為約61-約118微米。
26.權(quán)利要求20的方法，其中陽離子交聯(lián)淀粉的分解粘度百分?jǐn)?shù)大于85％。
27.權(quán)利要求26的方法，其中分解粘度百分?jǐn)?shù)大于90％。
28.權(quán)利要求27的方法，其中分解粘度百分?jǐn)?shù)大于95％。
全文摘要
公開了包括陽離子交聯(lián)淀粉的淀粉組合物，和在造紙中使用這些淀粉的方法。尤其公開了陽離子化交聯(lián)淀粉和該淀粉在造紙機(jī)的濕端系統(tǒng)中的使用。本發(fā)明的淀粉組合物特別適合于為特定的濕端系統(tǒng)來定制，和允許改性，以響應(yīng)在造紙機(jī)器的濕端中的變化。
文檔編號D21H23/06GK1782224SQ200510125318
公開日2006年6月7日 申請日期2001年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月10日
發(fā)明者K·R.·安德生, D·E.·加里 申請人:卡吉爾公司