用于改進紙和紙板的體系和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于制備紙或紙板的方法，其包括形成纖維素懸浮體，使該懸浮體絮凝化，將該懸浮體排干至設備上以形成紙頁，然后干燥該紙頁，其特征在于使用改進成形的3-組分絮凝體系來使該懸浮體絮凝化，該體系包含：a)以下物質的直鏈的陽離子或兩性共聚物：i)丙烯酰胺，與ii)以鹵素作為平衡離子的式(I)物質；b)選自陰離子聚丙烯酰胺、非離子聚丙烯酰胺和聚環(huán)氧乙烷的至少一種水溶性組分；以及c)無機微粒，由此該絮凝體系不含可分散于水的或支鏈的陰離子有機聚合物。本發(fā)明還涉及該絮凝/留著體系在制造紙或紙板中的用途，并且涉及由此生產的紙和紙板。
【專利說明】用于改進紙和紙板的體系和方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于制造紙或紙板的方法，包括形成纖維素纖維懸浮體，使該懸 浮體絮凝化，將該懸浮體排干至設備上以形成紙頁，然后干燥該紙頁，其特征在于使用改進 成形的3-組分絮凝體系來使該懸浮體絮凝化，該體系包含：a)以下物質的直鏈的陽離子或 兩性共聚物：i)丙烯酰胺，與ii)以鹵素作為平衡離子的式I物質；b)選自陰離子聚丙烯酰 胺、非離子聚丙烯酰胺和聚環(huán)氧乙烷的至少一種水溶性組分；以及c)無機微粒，由此該絮 凝體系不含可分散于水的或支鏈的陰離子有機聚合物。可向該絮凝體系中添加納米原纖維 纖維素（NFC)。
[0002] 本發(fā)明還涉及絮凝/留著體系在制造紙或紙板材料中的用途，以及涉及由此生產 的紙和紙板。

【背景技術】
[0003] 在制備紙和紙板材料期間，將纖維素纖維原料在造紙網上排干。將濕網轉移至壓 制段，然后轉移至干燥段，在干燥段中，使紙干燥并最后在卷鼓（tambour)上收集為紙卷或 紙板卷。因為現在的造紙工業(yè)關注于降低原材料和能源的消耗，所以添加填料（粘土、研磨 碳酸鈣或沉淀碳酸鈣、二氧化鈦等）?，F代的造紙機以高速運行，在網部階段中具有大的濾 水率，這需要使用絮凝劑以在網上留著細料和填料。
[0004] 幾乎總是對良好的造紙至關重要的兩個參數是填料留著率和紙張成形。紙張成 形（或紙均勻度）是紙材料的最重要的質量特征之一，而高細料/填料留著率是重要的工 藝參數。后者對于造紙機的產率和濕端（wet-end)穩(wěn)定性以及z向的填料分布均勻度很重 要。通過采用多種類型的助留劑體系來提供填料留著，所有這些體系的特征都是強效的絮 凝劑。絮凝劑劣化紙張成形，因此在紙張成形與留著率之間有微妙的平衡，在本文中稱為留 著 -成形關系。
[0005] 由于現代造紙技術的現今發(fā)展（例如，更高的白水系統封閉程度、更高的機器速 度、提高的填料含量以及雙網成形），濕端化學變得更加復雜。這導致了對化學佐劑（包括 助留劑（絮凝劑））性能的提高的需求。
[0006] 在造紙工藝中使用助留劑以留著填料和細料。助留劑的共同點是它們導致細料和 填料材料聚集成較大的單元，在脫水期間這些單元被留著在濕紙網中。高留著在許多方面 都是有利的，例如，較高的機器效率、對工藝條件變化的較快響應、較少的循環(huán)材料以及造 紙機與與其相連的白水系統之間較少的材料轉運。作為強效的絮凝劑，助留劑劣化紙張成 形是公知的。紙張成形的均勻度還取決于在成形段中纖維的絮凝和剪切條件以及另一些化 學佐劑的添加。不良的紙張成形對多種紙性能有不利影響，例如，紙的強度、不透明度和可 印刷性。對現今的造紙者的挑戰(zhàn)是在保持或改進紙張成形的同時達到可接受的填料留著水 平。
[0007] 在現今的市場上引進了許多不同的助留劑體系，可按照它們的化學性質、聚集 機制或體系組分數目來分組。在一些綜述中深入描述了助留劑的作用機制與發(fā)展（參 見例如，"Some Fundamental Chemical Aspects on Paper Forming" T Jfldstrfim T "Fundamentals of papermaking" 第 1 卷，第 309 頁，Baker C，F 和 Punton V W 編著， Mech. Eng. Pub. Ltd. (London) 1989)。
[0008] 在二十世紀八十年代早期，引進了第一個微粒體系，并且這些體系占據著現今的 市場。微粒基助留劑通?；陉栯x子聚合物與陰離子無機膠體的組合。
[0009] 最初的兩種商業(yè)的微?；魟┗陉栯x子淀粉結合陰離子膠體二氧化硅以及 基于陽離子聚丙烯酰胺結合陰離子蒙脫粘土。在這些前體之后，推動了新微?；魟w 系的開發(fā)。在二十世紀九十年代期間，報道了一些新微粒基助留劑體系，包括新型的微粒體 系以及現有體系的改造。
[0010] 現今，在留著/脫水體系領域仍然在進行持續(xù)的開發(fā)。更近期開發(fā)的助留劑體系 常常是多組分體系。但是，也有關于新型的微粒的進展，例如，由有機顆粒組成的所謂交聯 的微粒。
[0011] 大部分現今的商業(yè)助留劑能夠達到可接受的填料留著水平，即使在高速的雙網成 形機中亦如此。這部分地解釋為它們能產生在分散后可重絮凝的抗剪切的絮凝物。該重絮 凝發(fā)生于用微粒助留劑處理的懸浮體分散之后。微粒助留劑的主要益處是它們對脫水的有 益影響。在針對絮凝的可逆性的研究中也證明了微粒體系的這種益處。然而，不應允許該 助留劑產生具有太高絮凝物強度的絮凝物，因為這將有損于紙張成形。
[0012] 僅有幾個系統性的研究可用于描述填料留著與紙張成形之間的平衡，以及進一步 研究某些助留劑是否比另一些對紙張成形更有害。然而，這些可用的研究的共同之處是難 以打破留著與紙張成形或纖維分散性之間的相互依賴。
[0013] 最近的研究也已證實，對于傳統的助留劑體系和現代微粒體系二者，都難以打破 留著與成形之間的相互依賴。但是，有專利文獻的權利要求中陳述與微粒結合使用支鏈/ 交聯的聚合電解質將有利于留著/紙張成形關系（W0 98/29604, CA 2425197)。還有提出 含有二元微粒體系和有機微粒的三組分體系將有利于該目的（US 6, 524, 439)。然而，該專 利申請既未提及丙烯酰胺與N，N，N-三甲基氨基-乙基丙烯酸酯、N，N，N-三甲基-2-氨基 乙基甲基丙烯酰胺或3-丙烯酰胺-3-甲基-丁基-三甲基-氯化銨的陽離子共聚物，也未 提及納米原纖維纖維素材料。
[0014] 造紙機流漿箱（headbox)常常配備有"湍流發(fā)生器"。湍流發(fā)生器從根本上說是管 束（tube bank)，在該管束中加速原料并破碎纖維絮凝物。湍流發(fā)生器的基本功能是使纖維 的橫向（CD)物料分布均勻，得到纖維在紙張中均勻的CD物料分布。當經分散的纖維離開 流漿箱中的管束時，它們開始在衰減的湍流中絮凝。這可通過在分散期間纖維暴露于傾向 于使該纖維彎曲的粘滯和動態(tài)力的事實來解釋。當湍流衰減時，纖維傾向于重獲其初始形 狀。如果單位體積中有許多纖維，那么它們不能自由地伸直開。相反，它們將停留在應變位 置（strained position),并且由法向力和摩擦力互鎖，構成纖維網絡（絮凝物）。湍流越 高，重絮凝的傾向越強。
[0015] 另一個重要的發(fā)現是，添加高分子量的陰離子聚丙烯酰胺可衰減湍流，并作為單 一組分的添加劑改進紙張成形。缺點是脫水受到嚴重影響，導致這樣的體系幾乎沒有實用 性（Lee，P.和Lindstdim, T. (1989)Nord，Pulp Paper Res. J.，4(2)，第 61-70 頁）。必 須利用復雜度更高的體系（例如，在本專利申請中公開的那些）以緩和受損脫水的不利影 響。
[0016] 發(fā)明概述
[0017] 出人意料地，發(fā)現了如下絮凝體系能夠顯著改進在指定的留著水平的紙張成形而 不犧牲脫水，該絮凝體系組合了以下物質：a)以下物質的直鏈的陽離子或兩性共聚物：i) 丙烯酰胺與ii)鹵化物形式的式I物質；和b)選自陰離子聚丙烯酰胺、非離子聚丙烯酰胺 和聚環(huán)氧乙烷中的至少一種水溶性組分；和c)無機微粒，由此，該組合物不含可分散于水 的或支鏈的陰離子有機聚合物。最重要的是，發(fā)現用這樣的三組分體系可避免對排水的影 響，并因此不以在網部的濾水率為代價來提供改進的紙張成形。
[0018] 因此，本發(fā)明涉及絮凝體系的用途，并且涉及一種用于制備紙或紙板的方法，該方 法包括形成纖維素懸浮體、使該懸浮體絮凝化、將該懸浮體排干至裝置上以形成紙頁，然后 干燥該紙頁，其特征在于通過使用該絮凝體系來使該懸浮體絮凝化。本發(fā)明還涉及采用該 方法和體系生產的紙和紙板。
[0019] 不受任何理論的約束，認為該絮凝體系背后的機制與在成形期間的湍流衰減有 關。
[0020] 通過向三組分絮凝體系中添加 NFC，在纖維、可溶性高分子量聚合電解質和NFC的 存在下，可得到衰減湍流的協同效應，并因此增強了紙張成形。NFC的添加還通過改進纖維 之間的結合以及在原料中其他成分之間的結合來增強紙強度。
[0021] 發(fā)明詳述
[0022] 本發(fā)明涉及一種用于制造紙或紙板的方法，包括形成纖維素懸浮體，使該懸浮體 絮凝化，將該懸浮體排干至設備上以形成紙頁，然后干燥該紙頁，其特征在于使用絮凝體系 來使該懸浮體絮凝化，該絮凝體系包含：
[0023] a)以下物質的直鏈的陽離子或兩性共聚物：
[0024] i)丙烯酰胺，和
[0025] ii)以鹵素作為平衡離子的式I物質
[0026]
[0027] 其中：

【權利要求】
1. 一種用于制備紙或紙板的方法，包括：形成纖維素纖維懸浮體，使所述懸浮體絮凝 化，將所述懸浮體排干至設備上以形成紙頁，然后干燥所述紙頁，其特征在于使用改進成形 的3-組分絮凝體系來使所述懸浮體絮凝化，所述體系包含： a) 以下物質的直鏈的陽離子或兩性共聚物： i) 丙烯酰胺，和 ii) 以鹵素作為平衡離子的式I物質 其中：
R1 是 Η 或 CH3， X是0或NH， R2是烷基，其被陽離子甲基取代； b) 選自陰離子聚丙烯酰胺、非離子聚丙烯酰胺和聚環(huán)氧乙烷的至少一種水溶性組分； 以及 c) 無機微粒， 由此，所述絮凝體系不含可分散于水的或支鏈的陰離子有機聚合物。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述式I物質選自N，N，N-三甲基-2-氨基乙基 丙烯酸酯、N，N，N-三甲基-2-氨基乙基甲基丙烯酰胺或3-丙烯酰胺-3-甲基-丁基-三 甲基 -氯化銨。
3. 根據權利要求1和2中任一項所述的方法，其中所述直鏈的陽離子或兩性共聚物的 分子量為高于1〇6道爾頓，優(yōu)選高于2X 106道爾頓，例如，高于4X 106道爾頓。
4. 根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其中所述直鏈的陽離子或兩性共聚物的 陽離子度為1摩爾％至1〇〇摩爾％，適當地，1摩爾％至80摩爾％，優(yōu)選1摩爾％至60摩 爾％。
5. 根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其中所述非離子聚丙烯酰胺是基本直鏈 的。
6. 根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其中所述陰離子和/或非離子聚丙烯酰 胺交聯至多15%，例如，至多10%。
7. 根據權利要求1至6中任一項所述的方法，其中所述陰離子和/或非離子聚丙烯酰 胺的分子量高于1〇6道爾頓，優(yōu)選高于2X 106道爾頓，例如，高于4X 106道爾頓。
8. 根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其中所述陰離子和/或非離子聚丙烯酰 胺的離子度為〇摩爾％至100摩爾％的陰離子基團，適當地，低于80摩爾％，優(yōu)選0摩爾％ 至60摩爾％。
9. 根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其中無機微粒選自硅質材料，例如，選自 蒙脫粘土和膠體二氧化硅，優(yōu)選選自陰離子二氧化硅和Na蒙脫土。
10. 根據權利要求1至9中任一項所述的方法，其中所述絮凝體系還包含微原纖維纖維 素和/或納米原纖維纖維素。
11. 絮凝體系用于在用于制備紙或紙板的工藝中改進留著、脫水和成形的用途，所述絮 凝體系包含： a) 以下物質的直鏈的陽離子或兩性共聚物： i) 丙烯酰胺， ii) 以鹵素作為平衡離子的式I物質 其中：
R1 是 Η 或 CH3， X是0或NH， R2是烷基，其被陽離子甲基取代； b) 選自陰離子聚丙烯酰胺、非離子聚丙烯酰胺和聚環(huán)氧乙烷的至少一種水溶性組分； 以及 c) 無機微粒， 由此，所述絮凝體系不含可分散于水的或支鏈的陰離子有機聚合物。
12. 紙或紙板，其包含： a) 以下物質的直鏈的陽離子或兩性共聚物： i) 丙烯酰胺， ii) 以鹵素作為平衡離子的式I物質 其中：
R1 是 Η 或 CH3， X是0或NH， R2是烷基，其被陽離子甲基取代； b) 選自陰離子聚丙烯酰胺、非離子聚丙烯酰胺和聚環(huán)氧乙烷的至少一種水溶性組分； 以及 c) 無機微粒， 由此，所述紙或紙板不含可分散于水的或支鏈的陰離子有機聚合物。
13. 根據權利要求12所述的紙和紙板，其還含有納米原纖維纖維素。
【文檔編號】D21H17/67GK104114766SQ201280061403
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2012年12月17日 優(yōu)先權日:2011年12月15日
【發(fā)明者】湯姆·林德斯特倫, 安娜·斯韋德貝里, 米卡埃爾·安克福什 申請人:因文提亞公司