BR112020019926B1 - Método para produzir polímeros aniônicos solúveis em água em solução aquosa, polímero aniônico solúvel em água e método para a produção de uma folha de papel, papelão ou semelhante - Google Patents
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Abstract
MÉTODO PARA PRODUZIR POLÍMEROS ANIÔNICOS SOLÚVEIS EM ÁGUA EM SOLUÇÃO AQUOSA, POLÍMERO ANIÔNICO SOLÚVEL EM ÁGUA E MÉTODO PARA A PRODUÇÃO DE UMA FOLHA DE PAPEL, PAPELÃO OU SEMELHANTE. A invenção se refere a um método para a produção de polímeros aniônicos que são solúveis em água em uma solução aquosa, compreendendo pelo menos as seguintes etapas sucessivas: a) polimerização, em uma solução aquosa, de monômeros aniônicos contendo pelo menos 5% em mol de ácido 2-acrilamido-2-metilpropano sulfônico e/ou um dos sais dos mesmos e, opcionalmente, monômeros não iônicos até uma concentração de massa de polímero A entre 5 e 40%, b) adição de pelo menos um aldeído na solução produzida na etapa (a), e c) acidificação a um pH entre 3 e 4 da solução produzida na etapa (b). A invenção também se refere ao seu uso em um método para fabricação de papel.
Description
[001] A invenção se refere a um novo método para produzir polímeros aniônicos solúveis em água, produtos da reação entre um aldeído e um polímero de base aniônica compreendendo pelo menos 5% em mol de ácido 2-acrilamido-2-metilpropano sulfônico e/ou os sais dos mesmos. Um outro aspecto da invenção refere-se a um método para fabricação de papel usando estes polímeros.
[002] As poliacrilamidas solúveis em água funcionalizadas por um aldeído são amplamente utilizadas em métodos de fabricação de papel, em particular para aumentar a resistência a seco do papel produzido. Estas poliacrilamidas solúveis em água são principalmente fabricadas a partir de polímeros de base catiônica ou anfotérica. A utilização de polímeros aniônicos solúveis em água permitiria vantajosamente uma melhoria na resistência do papel a úmido. No entanto, a obtenção de polímeros aniônicos solúveis em água funcionalizados por um aldeído tem a desvantagem de que o tratamento com ácido usado para interromper a reação entre o aldeído e o polímero de base é acompanhado por uma grande queda na viscosidade da solução aquosa de polímero. Os polímeros assim obtidos apresentam baixo desempenho de aplicação.
[003] Inesperadamente, a Depositante desenvolveu um método para a obtenção de polímeros aniônicos solúveis em água funcionalizados por um aldeído permitindo que soluções de polímero sejam obtidas sem perda de viscosidade ao interromper a reação e um método para fabricação de papel usando estes polímeros aniônicos solúveis em água capazes de proporcionar melhor desempenho de resistência a seco e úmido.
[004] Em um primeiro aspecto, a invenção se refere a um método para a preparação de polímeros aniônicos solúveis em água em solução aquosa, compreendendo pelo menos as seguintes etapas sucessivas: a) polimerização de monômeros aniônicos, em solução aquosa, compreendendo pelo menos 5% em mol de ácido 2-acrilamido-2- metilpropano sulfônico e/ou um dos sais dos mesmos e opcionalmente monômeros não iônicos até uma concentração de polímero A entre 5 e 40% em peso; b) adicionar pelo menos um aldeído à solução obtida na etapa (a); e c) acidificar a solução obtida na etapa (b) a um pH entre 3 e 4.
[005] A copolimerização da etapa (a) ocorre de qualquer maneira conhecida pelos técnicos no assunto.
[006] Sem desejar estar limitado por qualquer teoria, os inventores mostraram que vantajosamente a presença na etapa (a) de pelo menos 5% em mol de ácido 2-acrilamido-2-metilpropano sulfônico e/ou um dos sais dos mesmos permite manter a viscosidade da solução constante na etapa (c). Além disso, e de forma particularmente vantajosa, a composição obtida após a etapa (c) tem estabilidade aumentada ao longo do tempo.
[007] De preferência, o polímero A obtido na etapa (a) compreende entre 5 e 30% em mol de monômeros aniônicos, incluindo pelo menos 5% em mol de ácido 2-acrilamido-2-metilpropano sulfônico e/ou um dos sais dos mesmos, e entre 70 e 95% em mol de pelo menos um monômero não iônico.
[008] Os monômeros aniônicos usados na etapa (a), além do ácido 2-acrilamido-2-metilpropano sulfônico ou um dos sais dos mesmos, são preferencialmente selecionados a partir de ácido acrílico ou metacrílico, ácido itacônico e/ou sais dos mesmos. De preferência, os sais dos monômeros aniônicos são os sais de sódio e o sal do ácido 2-acrilamido-2-metilpropano sulfônico é o sal de sódio.
[009] Em uma forma de realização preferida, os monômeros não iônicos na etapa (a) são selecionados a partir de acrilamida, metacrilamida, N,N dimetilacrilamida e acrilonitrila.
[010] De preferência, o polímero A obtido na etapa (a) é um copolímero de acrilamida e o ácido 2-acrilamido-2-metilpropano sulfônico e/ou os sais dos mesmos. Vantajosamente, é um copolímero de 2-acrilamido-2- metilpropano sulfonato de sódio e acrilamida. De preferência, este polímero A compreende entre 5 e 30% em mol de ácido 2-acrilamido-2-metilpropano sulfônico e/ou os sais dos mesmos e entre 70 e 95% em mol de acrilamida, de preferência entre 5 e 30% em mol de 2-acrilamido-2-metilpropano sulfonato de sódio e entre 70 e 95% em mol de acrilamida.
[011] De preferência, a etapa (b) é implementada a uma temperatura entre 19 e 26 °C em um reator sob agitação. De preferência, o pH no início da adição é ajustado entre 10 e 11, por exemplo com solução de hidróxido de sódio a 10%. A reação entre o aldeído e o polímero A na etapa (a) é acompanhada por um aumento na viscosidade da solução aquosa.
[012] O aldeído adicionado na etapa (b) é adicionado em uma concentração de 1 a 30% em peso em relação ao polímero A obtido na etapa (a). De preferência, o aldeído é selecionado a partir do grupo que compreende glioxal, glutaraldeído, furano-dialdeído, 2-hidroxiadipaldeído, succinaldeído, amido de dialdeído, 2,2 dimetoxietanal, compostos de diepoxi e combinações dos mesmos. Mais preferencialmente, o aldeído é glioxal.
[013] A etapa (c) é conduzida de preferência a uma temperatura entre 19 e 26 °C em um reator, de preferência sob agitação por adição de um ácido, por exemplo, ácido sulfúrico.
[014] Em outra forma de realização preferida, o polímero A obtido em (a) pode ser ramificado e, para esta finalidade, um agente de ramificação de radical pode ser adicionado na etapa (a), selecionado em particular a partir do grupo que compreende metilenobisacrilamida (MBA), diacrilato de etileno glicol, dimetacrilato de polietileno glicol, diacrilamida, acrilato de cianometila, acrilato ou metacrilato de viniloxietila, trialilamina. De preferência, o teor de agente de ramificação adicionado na etapa (a) está entre 5 e 5000 ppm em relação à massa do polímero.
[015] A presente invenção também se refere a um polímero aniônico solúvel em água obtido com o método da invenção.
[016] A presente invenção também se refere a um método para fabricação de papel usando um polímero aniônico solúvel em água da invenção. Portanto, a invenção refere-se ao uso de um polímero aniônico solúvel em água em um método para fabricação de papel.
[017] Na invenção, um método para fabricação de papel corresponde a um método para fabricação de papel, papelão ou semelhante, em particular um método para a produção de uma folha de papel, papelão ou semelhante.
[018] O polímero aniônico solúvel em água da invenção pode ser adicionado em combinação com um polímero catiônico para aumentar a retenção do mesmo. O polímero aniônico solúvel em água da invenção permite um desempenho aumentado das resinas catiônicas usadas para resistência em úmido quando associadas a elas. Os polímeros catiônicos em questão são do tipo PAE (poliaminopoliamida-epicloridrina), polivinilaminas, poliacrilamidas glioxaladas, PEI (polietilenoimina), PA (poliamina-epi), polímeros obtidos por degradação de Hofmann, poliacrilamidas e amidos. De preferência, a proporção em peso entre o polímero aniônico da invenção e as resinas catiônicas está entre 2:1 e 1:10.
[019] Na invenção, o polímero aniônico solúvel em água é adicionado durante o método para fabricação de papel antes ou após a formação da folha de papel, papelão ou semelhante. Portanto, o contato do material de celulose com o polímero da invenção pode ser realizado de diferentes maneiras e em particular usando métodos típicos conhecidos pelos técnicos no assunto. O polímero aniônico solúvel em água pode ser adicionado ao material de celulose na forma de uma solução aquosa diluída ou não diluída. Ele pode ser aplicado por meio de técnica de impregnação ou pode ser adicionado diretamente à suspensão fibrosa em qualquer estágio do método para produção de papel no qual os agentes de resistência a seco são geralmente adicionados.
[020] Por exemplo, o polímero da invenção pode ser adicionado à pasta espessa ou pasta fina. Pode ser adicionado à bomba de mistura ou tela de filtragem. Mais preferencialmente, o polímero é adicionado antes da caixa de entrada.
[021] De preferência, o polímero da invenção é injetado industrialmente na suspensão fibrosa, isto é, antes de ser diluído pela água branca (pasta espessa). A consistência da polpa é de aproximadamente 2 a 5% em peso de fibras de celulose.
[022] O método para fabricação de papel da invenção pode ser implementado com qualquer tipo de polpa de papel, por exemplo, polpa de fibra virgem (Kraft, Bissulfito), fibras recicladas, polpa destintada (de-inked), polpa mecânica e termomecânica.
[023] O polímero final pode ser preparado com vantagem na vizinhança da máquina para fabricação de papel.
[024] Mais preferencialmente, no método para fabricação de papel da invenção, o aditivo é um polímero aniônico solúvel em água da invenção derivado da reação entre um polímero A da invenção compreendendo pelo menos 5% em mol de ácido 2-acrilamido-2-metilpropano sulfônico e/ou sais dos mesmos, e entre 70 e 95% em mol de acrilamida e de 1 a 30% em peso de glioxal. Mais preferencialmente, o polímero aniônico solúvel em água é derivado da reação entre um polímero A da invenção composto por 5 a 30% em mol de ácido 2-acrilamido-2-metilpropano sulfônico e/ou os sais dos mesmos, e 70 a 95% em mol de acrilamida e de 1 a 30% em peso de glioxal.
[025] Os polímeros aniônicos solúveis em água derivados do método da invenção proporcionam estabilidade melhorada e, além disso, o método para fabricação de papel usando esses polímeros permite um desempenho melhorado da resistência do papel a úmido e a seco. A invenção e as vantagens dela decorrentes seguem claramente os exemplos de formas de realização abaixo.
[026] Os exemplos 1 a 3 foram realizados com um copolímero A de acrilamida e 2-acrilamido-2-metilpropano sulfonato de sódio (85:15% em mol). Para este propósito, estes 2 monômeros foram colocados em um reator e polimerizados na presença de persulfato de sódio e metabissulfito de sódio, sendo estes catalisadores bem conhecidos dos técnicos no assunto.
[027] No Exemplo 2, o polímero A difere dos polímeros A nos Exemplos 1 e 3 pela sua estrutura ramificada obtida pela adição de 500 ppm de metilenobisacrilamida (MBA) à reação de polimerização.
[028] Em todos os exemplos, após a polimerização, a concentração em peso do copolímero A era de 20% em água.
[029] Para os contra-exemplos (1, 1bis e 2), o polímero de base era um copolímero de acrilamida e acrilato de sódio (85:15% em mol).
[030] Produto final com 7% em peso em água.
[031] Um reator de 1000 ml sob agitação foi carregado com 200 g de copolímero A (20% em peso em água) e 430 g de água desmineralizada. O reator foi equipado com uma sonda de medição de pH. Após um tempo de agitação de 10 minutos, o pH foi ajustado para 11,3 com solução de hidróxido de sódio (30% em peso em água). A temperatura foi mantida entre 19 e 26 °C.
[032] Foram adicionados 16 g de glioxal (40% em peso em água). A verificação do pH e o monitoramento da viscosidade permitiram a obtenção de um produto de 70 cps ou mPa.s (viscosidade na conclusão da reação). Quando esta viscosidade é alcançada, a reação é parada por abaixamento do pH abaixo de 3,5 por meio da adição de ácido sulfúrico (H2SO4, 92% em peso em água). A viscosidade final e o pH foram registrados.
[033] O viscosímetro utilizado era do tipo Brookfield, com módulo LV1 e velocidade de 60 rpm. O pH pode ser ajustado, após adição de glioxal, com solução de hidróxido de sódio (10% em peso em água). É possível conduzir a reação sob pH controlado através da adição contínua de hidróxido de sódio a 10%, mas também é possível adicionar glioxal em várias frações.
[034] O polímero final foi armazenado em uma câmara climática a 32 °C para avaliar a estabilidade do mesmo. O monitoramento diário da viscosidade foi realizado até a gelificação do produto. O produto ficou então inutilizável. O viscosímetro utilizado era do tipo Brookfield, com módulo LV1 e velocidade de 60 rpm.
[035] Para realizar o Contra-exemplo 1 bis, a reação foi interrompida em viscosidade mais elevada para obter uma viscosidade final equivalente à do Exemplo 1, após queda na viscosidade verificada.
[036] Produto final a 10% em peso em água.
[037] Um reator de 1000 ml sob agitação foi carregado com 355 g de copolímero A (20% em peso em água) e 430 g de água desmineralizada. O reator foi equipado com uma sonda de medição de pH. Após um tempo de agitação de 10 min, o pH foi ajustado para 11,3 com solução de hidróxido de sódio (30% em peso em água). A temperatura foi mantida entre 24 e 26 °C.
[038] Foram adicionados 28,5 g de glioxal (40% em peso em água). A verificação do pH e o monitoramento da viscosidade permitiram a obtenção de um produto de 112 cps ou mPa.s (viscosidade na conclusão da reação). Quando esta viscosidade é alcançada, a reação é parada por abaixamento do pH abaixo de 3,5 por meio da adição de ácido sulfúrico (H2SO4, 92% em peso em água). A viscosidade final e o pH foram registrados.
[039] O viscosímetro utilizado era do tipo Brookfield, com módulo LV1 e velocidade de 60 rpm. O pH pode ser ajustado, após adição de glioxal, com solução de hidróxido de sódio (10% em peso em água). É possível conduzir a reação em pH controlado através da adição contínua de hidróxido de sódio a 10%, mas também é possível adicionar glioxal em várias frações.
[040] Em todos os exemplos (produtos finais obtidos com o método da invenção), nenhuma queda na viscosidade foi observada no momento da acidificação, ao contrário dos contra-exemplos. A estabilidade dos polímeros nos contra-exemplos também foi menor do que a dos polímeros da invenção.
[041] A polpa utilizada era composta por fibras virgens. A polpa de papel foi preparada desintegrando 60 gramas de fibras recicladas por 20 minutos em 2 litros de água. A polpa obtida foi diluída até um volume total de 9 litros. Após medição precisa da consistência, a quantidade necessária de polpa foi amostrada para se obter uma folha com gramatura de 60 g/m2. Os testes foram realizados com a polpa a pH 6,6.
[042] As folhas de papel foram produzidas usando um formador automático de folhas de papel dinâmico. A polpa é colocada no tanque formador dinâmico, diluída até uma consistência de 0,32% em peso e deixada sob agitação mecânica moderada para homogeneizar a suspensão fibrosa. No modo manual, a polpa é bombeada até o bocal para preparar o circuito. Um mata-borrão (blotter) e o tecido de formação são colocados na tigela do formador dinâmico antes de colocar a tigela em rotação a 1000 m/min e construir a parede de água. Um polímero do tipo PAE (poliaminopoliamida-epicloridrina) foi adicionado a uma taxa de dosagem de 3 kg/t seg. Após 45 segundos, o polímero dos Exemplos 1 a 3 ou o contra-exemplo foi adicionado à suspensão fibrosa sob agitação com um tempo de contato de 45 segundos antes da adição de um agente de retenção (FO 4190 PG1®) em uma quantidade de 150 g/t. A folha foi então produzida (em modo automático) através de 22 varreduras de bicos, pulverizando a polpa na parede de água. Após drenar a água e completar a sequência automática, o tecido formador com a rede de fibras formada foi retirado da tigela do formador dinâmico e colocado sobre uma mesa. Um mata-borrão seco foi depositado na lateral do colchão de fibra úmida e pressionado uma vez com um rolo. A montagem foi virada e o tecido foi cuidadosamente separado do colchão fibroso. Um segundo mata-borrão seco foi depositado e a folha (entre os dois mata-borrões) foi prensada uma vez sob uma prensa aplicando 4 bar, em seguida, seca em uma placa de secagem por 9 minutos a 107 °C. Ambos os mata-borrões foram então removidos e a folha armazenada durante a noite em uma sala com umidade e temperatura controladas (50% de umidade relativa e 23 °C). As propriedades de resistência a seco de todas as folhas obtidas com este procedimento foram avaliadas.
[043] O índice de ruptura foi medido com uma máquina de teste Messmer Buchel M 405 (média de 14 medições). O teste foi conduzido de acordo com o padrão TAPPI T403 om-91.
[044] O comprimento de quebra foi medido com o sistema de teste do dinamômetro AXM250. O teste foi conduzido de acordo com o padrão TAPPI 494 om-88.
[045] O comprimento de quebra foi medido com o sistema de teste do dinamômetro AXM250. O teste foi realizado de acordo com o padrão TAPPI 456 om-87.
[046] No exemplo a seguir, as folhas de papel foram produzidas de acordo com o procedimento acima, adicionando o polímero na proporção de 1,0 e 2,0 kg/t (polímero seco/fibra seca).
[047] A tabela acima mostra o desempenho melhorado das propriedades físicas quando o polímero da invenção é usado. Os polímeros contendo ácido acrílico (contra-exemplos 1, 1 bis e 2) exibem desempenho inferior.
[048] No exemplo seguinte, os polímeros dos Exemplos 1 e 2 foram comparados com polímeros aniônicos bem conhecidos dos técnicos no assunto: carboximetilcelulose (CMC) e poliacrilamida aniônica (PAM aniônico). As folhas de papel foram produzidas de acordo com o procedimento já citado. O polímero tipo PAE foi adicionado na proporção de 2 kg/t para cada teste.
[049] Nesta tabela, uma melhoria distinta pode ser vista quando o polímero obtido com o método da invenção é usado, em comparação com os polímeros conhecidos pelos técnicos no assunto.
[050] No exemplo seguinte, o polímero catiônico usado para todas as folhas era um polímero catiônico glioxalado na proporção de 2 kg/t (este polímero substituiu o PAE no Teste de Aplicação 2).
[051] Nesta tabela, uma melhoria distinta pode ser observada quando o polímero obtido com o método da invenção é usado, embora o polímero catiônico seja de tipo diferente (polímero catiônico glioxalado/PAE).
Claims (11)
1. MÉTODO PARA PRODUZIR POLÍMEROS ANIÔNICOS SOLÚVEIS EM ÁGUA EM SOLUÇÃO AQUOSA, caracterizado por compreender pelo menos as seguintes etapas sucessivas: a) polimerização de monômeros aniônicos, em solução aquosa, compreendendo pelo menos 5% em mol de ácido 2-acrilamido-2- metilpropano sulfônico e/ou um dos sais dos mesmos e, opcionalmente, monômeros não iônicos a uma concentração de polímero A entre 5 e 40% em peso; b) adicionar pelo menos um aldeído à solução obtida na etapa (a); c) acidificar a solução obtida na etapa (b) a um pH entre 3 e 4.
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo polímero A obtido após a etapa (a) conter entre 5 e 30% em mol de monômeros aniônicos e entre 70 e 95% em mol de pelo menos um monômero não iônico.
3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelos monômeros não iônicos serem selecionados a partir de acrilamida, metacrilamida, N,N-dimetilacrilamida e acrilonitrila.
4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo polímero A ser um copolímero de acrilamida e ácido 2- acrilamido-2-metilpropano sulfônico e/ou os sais dos mesmos.
5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por, na etapa (b), 1 a 30% em peso de aldeído ser adicionado, o aldeído sendo selecionado a partir do grupo que compreende glioxal, glutaraldeído, furano-dialdeído, 2-hidroxiadipaldeído, succinaldeído, amido de dialdeído, 2,2-dimetoxietanal, compostos diepoxi e combinações dos mesmos.
6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por, na etapa (b), o aldeído ser glioxal.
7. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo polímero A ser ramificado na etapa (a) na presença de um agente de ramificação radical selecionado a partir do grupo que compreende metilenobisacrilamida (MBA), diacrilato de etileno glicol, dimetacrilato de polietileno glicol, diacrilamida, acrilato de cianometila, acrilato ou metacrilato de viniloxietila, trialilamina.
8. POLÍMERO ANIÔNICO SOLÚVEL EM ÁGUA, caracterizado por poder ser obtido com o método, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7.
9. MÉTODO PARA A PRODUÇÃO DE UMA FOLHA DE PAPEL, PAPELÃO OU SEMELHANTE, caracterizado por, antes ou após a formação da referida folha, o material de celulose ser colocado em contato com pelo menos um aditivo, em que o referido aditivo é um polímero aniônico solúvel em água obtido com o método, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7.
10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo aditivo ser um polímero aniônico solúvel em água derivado da reação entre um copolímero A compreendendo pelo menos 5% em mol de ácido 2-acrilamido- 2-metilpropano sulfônico e/ou os sais dos mesmos, e entre 70 e 95% em mol de acrilamida e de 1 a 30% em peso de glioxal.
11. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 10, caracterizado pelo aditivo ser um polímero aniônico solúvel em água derivado da reação entre um copolímero A composto de 5 a 30% em mol de ácido 2-acrilamido-2-metilpropano sulfônico e/ou os sais dos mesmos, e 70 a 95% em mol de acrilamida e de 1 a 30% em peso de glioxal.
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