CN101120137B - 用于改变材料粘性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供改变黏性材料粘性的方法，该方法通过将所述黏性材料与有效量的环糊精化合物接触，减少黏性材料的粘性。在一个优选的实施方式中，该方法用于改变工艺流体中的黏性杂质的粘性，其包括步骤：提供其中分散杂质颗粒的工艺流体，这些颗粒包括一种或多种黏性材料(例如沥青、压敏黏性剂、热熔融物、乳胶、粘合剂及其组合)；和将适量的有效的环糊精化合物添加到工艺流体中，以减少黏性材料的粘性。所述工艺流体可以处于纸浆和造纸厂的工艺物流中。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求了美国临时申请No.60/653,052的优先权，其申请日为2005年2月15日，全部以引用的方式合并于此。
技术领域
本发明主要涉及用于控制材料粘性的方法和组合物，更具体地，涉及用于减少粘合剂、沥青、及其他颗粒、溶解或胶体杂质的粘性的方法，以使这些材料的有害影响最小化。
背景技术
在纸张制造工业中，一个日益关注的领域是纸屑的再利用；然而，从纸屑或从用于处理纸屑的工艺物流中去除杂质是能够再利用纸屑的关键。许多杂质粘附在纸张纤维上，因此在再循环工艺中引起问题。两种这样的杂质被称为“黏性物”和“沥青”。黏性物通常包括初始用作粘合剂的材料，包括但不限于：热熔融物、压力敏感的黏性剂(PSAs)、乳胶和粘合剂。沥青是一种与原生和次级纤维两者均有关的天然成分，所述纤维源自从制浆过程中释放的提取物。
杂质在用于再利用的纸屑工艺过程中可引起操作问题，也可降低产品质量。具体地，杂质可沉积在造纸机的金属丝、熔融物、压辊和干燥筒上。另外，造纸工艺中的杂质可以延迟纤维的粘合并增加断纸的频率。因此，为了改善造纸操作和产品质量，必须严格控制杂质。
粘性描述了杂质的粘合性能。通过减少杂质的粘性，可以明显减少在工艺过程中杂质粘附到造纸机金属丝及其他表面的倾向。
以前减少杂质粘性的方法包括工艺物流的化学和机械处理。一些方法集中在使用可再浆化或可再生的粘合剂上。更多普遍的方法包括使用化学添加剂以改变杂质或使杂质去粘性。通常，所述化学添加剂包括矿物例如硅酸镁。这些矿物和表面活性剂粘附在杂质的表面，因此改变了杂质的表面性质，从而减少粘性。然而，令人遗憾地，在脱粘性过程中使用矿物存在众多缺点，包括当暴露于剪应力时的效率损失，及其他操作和产物质量问题。在其他的方法中，已努力使用某些聚合物和酶类以减少杂质粘性；然而，它们的高成本和有限的效果使得其不那么合意。
用于控制杂质的机械方法包括分散、筛分和清洁。用分散将杂质粉碎成越来越小的微粒，直到它们在最终产物中是看不见的。令人遗憾地，当产物卷绕时，即使“看不见的”杂质的存在未能除去相邻层的互粘，并且这些杂质仍可显著地削弱产物的总外观。
筛子和离心净浆器也可用于从纤维流中除去黏性物、沥青和碎片。基于杂质和筛网的孔或狭槽的尺寸和形状差异，筛子物理上地将纤维从杂质中分离。然而，筛子不能除去小于筛孔或可足够变形以通过筛孔的杂质，这限制了筛子从杂质中分离纤维的效果。基于杂质和纤维的不同的比重，离心净浆器将纤维从杂质中分离。然而，当杂质和纤维的相对密度相似时，分离效果不好。
用于减少杂质粘性的另一个方法包括电液放电，例如如Corcoran等人的美国专利No.6,521,134和Banerjee等人的美国专利No.6,572,733所描述的。然而，该方法需要额外的固定设备件和其自身的操作费用，并实际上增加了加工纸屑的成本。
几种上述方法在Moreland的美国专利No.4,781,794、Sharma等人的美国专利No.6,977,027和Moreland的美国专利No.4,956,051中描述。
尽管如上所述的各种不同技术和努力为由杂质所引起的问题提供了一些安慰，杂质粘性仍导致大量的操作停工期和产品质量的下降。此外，这个问题因为由对再生纸张的需求增加所引起的成本升高而加重，迫使许多厂使用较低等级的再生装备，这可包括较高水平的杂质并在加工中引起更多的重大问题。因此，仍然需要用于减少杂质粘性的简单和廉价的方法。
发明内容
一方面，本发明提供用于改变黏性材料粘性的方法，包括使黏性材料与有效减少黏性材料的粘性量的环糊精化合物接触的步骤。所述黏性材料可以包括，例如：沥青、压敏粘合剂、热熔融物、乳胶、粘合剂及其组合。在一个优选的实施方式中，这种接触发生在水性介质中，例如一种包括原生或再生的纤维素纤维的水介质。例如，这种接触可以发生在纸浆和造纸厂的工艺物流中，且所述黏性材料可以溶解或悬浮在那些工艺物流中。在一个例子中，将所述环糊精化合物添加到制浆机装置中。在另一个例子中，可以将所述环糊精化合物添加到白水中。在一个实施方式中，所述环糊精化合物可以选自α-环糊精化合物、β-环糊精化合物、γ-环糊精化合物、其衍生物、及其组合。或者，可以使用其他的环糊精化合物。
另一方面，本发明提供用于改变工艺流体中黏性杂质的粘性的方法，包括步骤：(i)提供分散有杂质颗粒的工艺流体，这些颗粒包括一种或多种黏性材料；和(ii)向该工艺流体添加将适量的可有效减少黏性材料粘性的环糊精化合物。所述工艺流体可以是纸浆和造纸厂的工艺物流。在一个实施方式中，所述环糊精化合物的浓度为每吨微粒0.01到10磅，以干燥固体基础表示。在另一个实施方式中，所述环糊精化合物的浓度为每百万份工艺物流体积的0.01到10,000份。在一个任选的实施方式中，该方法进一步包括，向该工艺流体添加至少一种额外的本领域已知的去粘性化试剂，所述去粘性化试剂例如是矿物、合成或天然的化学品，或酶。
再一方面，本发明提供用于改变表面润湿性的方法。该方法包括步骤：(i)提供需要减少或避免黏性材料沉积的材料表面；和(ii)使所述表面与环糊精化合物接触。例如，所述表面可以由纤维素材料、聚合材料或金属材料构成。在一个具体的实施方式中，所述表面是纸浆和造纸厂的工艺设备的一部分。在一个实施方式中，所述接触步骤包括在所述表面上涂敷涂层。
附图说明
图1是β-环糊精化合物的结构示意图。
图2是用于未经处理的材料的原子力显微镜端部的偏差示意图。
图3是用于经环糊精化合物处理的原子力显微镜端部的偏差示意图。
具体实施方式
已经研发了不需要粘性时显著减少黏性材料粘性的方法，例如黏性材料中形成杂质颗粒的情况，这些杂质颗粒需要处理以避免对加工设备和产物的有害影响。这种需求在使用再生纸浆/纸和包含再生纸的产物时尤为强烈，必须在不发生显著的额外费用的情况下控制粘性的存在。通常，用于改变黏性材料粘性的方法包括使黏性材料与适量的环糊精化合物接触的步骤，该适量的环糊精化合物可以有效减少黏性材料的粘性。
有利地，环糊精化合物通常比普通的聚合物或酶方法便宜的多，例如由于环糊精化合物作为批量化学品而不是特殊化学品的分类，以及来自商业供应商(例如Wacker化学公司)的大量环糊精化合物的可用性。
在一个具体的方面，该方法用于改变工艺流体中黏性杂质的粘性，且包括步骤：(i)提供其中分散杂质颗粒的工艺流体，这些颗粒包括一种或多种黏性材料；和(ii)将适量的有效的环糊精化合物添加到工艺流体中，以减少黏性材料的粘性。另一方面，该方法用于改变表面的润湿性，且包括步骤：(i)提供需要减少或避免黏性材料沉积的材料表面；和(ii)使所述表面与环糊精化合物接触。这些方法尤其可用于减少存在于纸张或造纸厂物流中的黏性杂质的粘性，以改善工艺和加工设备中的天然和合成黏性材料(即黏性物)的控制。
这里使用的术语“黏性材料”指本领域已知的基本上任何合成或天然黏性剂，包括但不限于：合成黏性剂，例如(聚合的)热熔融物、压力敏感的黏性剂(PSAs)、乳胶和粘合剂；以及天然黏性剂，例如沥青，其源自在制浆过程中释放的木材抽出物。所述的黏性材料可以溶解或悬浮(例如，作为大颗粒或微粒)在工艺物流中。所述的黏性材料可以溶解或悬浮在纸浆和造纸厂的工艺物流中。
这里使用的术语“环糊精化合物”指寡聚糖家族的由五个或更多个1->4连接的α-D-吡喃葡糖苷单元组成任何化合物。典型的环糊精化合物在一个环中包括六个和八个葡萄糖单体；α-环糊精化合物包括六个吡喃葡萄糖单元，β-环糊精化合物包括七个吡喃葡萄糖单元(示意在图1中)，以及γ-环糊精化合物包括八个吡喃葡萄糖单元。在优选的实施方式中，所述环糊精化合物可选自α-环糊精化合物、β-环糊精化合物、γ-环糊精化合物、其衍生物、以及其组合。
尽管该三种天然的环糊精化合物是最普遍的，包括少至五个吡喃葡萄糖单元到多至150单元环状寡聚糖的环糊精化合物也已被确认。通常，环糊精化合物的结构包括相对疏水核心和疏水外部。疏水外部赋予环糊精化合物及其络合物水溶性。环糊精化合物的官能团可被衍生化，以改变环糊精化合物的特性。
环糊精化合物的独特结构赋予其形成具有疏水分子的络合物的能力。据信，这种独特结构能够使环糊精化合物减少或除去杂质材料的粘性。环糊精化合物的独特结构利用不同的机理比传统使用的化学品更能减少或除去材料粘性。因此，传统的化学添加剂可用于与环糊精化合物连接，以减少或除去材料粘性。因此，用于改变材料粘性的方法还可以包括将第二种化学品添加到材料的步骤，第二种材料包括选自矿物、天然化学品、合成化学品和酶类的成分。
在该方法的一个优选的实施方式中，接触步骤在水性介质中发生。该介质可进一步包括原生或再生的纤维素纤维，或原生或再生的纤维素纤维的组合。这种接触可以发生于纸浆和造纸厂的工艺物流中，且所述黏性材料可以溶解或悬浮在那些工艺物流中。在一个例子中，将所述环糊精化合物添加到制浆机装置中。在另一个例子中，可以将所述环糊精化合物添加到白水中。在一个实施方式中，所述环糊精化合物的浓度为每吨微粒0.01到10磅，以干燥固体基础表示。在另一个实施方式中，所述环糊精化合物的浓度为每百万份工艺物流体积的0.01到10,000份。在一个任选的实施方式中，该方法进一步包括，向该工艺流体添加至少一种额外的本领域已知的去粘性化试剂，所述去粘性化试剂例如是矿物、合成或天然的化学品，或酶。
所述环糊精化合物可以任何几种不同方式和形式与黏性材料接触。可将所述环糊精化合物单独引入含有黏性材料的流体中，或以带有溶剂或非溶剂的稀释液或浓缩液或悬浮液引入含有黏性材料的流体中。一种或多种环糊精化合物可以含有一种或多种额外组分的组合物的形式与含有黏性材料的流体结合。可将所述环糊精化合物以单一点或多重点、以连续或非连续的方式引入含有黏性材料的流体中。例如，可使用计量泵将其引入纸浆和造纸厂的工艺物流中，或使其以重力自流进料。
另一方面，本发明提供用于改变工艺流体中黏性杂质的粘性的方法，包括步骤：(i)提供分散有杂质颗粒的工艺流体，这些颗粒包括一种或多种黏性材料；和(ii)向工艺流体添加适量的环糊精化合物，该适量有效的的环糊精化合物可以有效减少黏性材料的粘性。
再一方面，本发明提供通过以环糊精化合物处理表面，以改变所述表面润湿性的方法，例如使其避免不需要的黏性材料的沉积或聚集。该方法包括步骤：(i)提供需要减少或避免黏性材料沉积的材料表面；和(ii)使所述表面与环糊精化合物接触。例如，所述表面可以由纤维素材料、聚合材料或金属材料构成。在一个具体的实施方式中，所述表面是纸浆和造纸厂的工艺设备的一部分(例如，流体接触表面)。在一个实施方式中，所述接触步骤包括在所述表面上涂敷涂层。
参考以下非限制性实施例，可进一步理解本发明。
实施例1
利用添加和不添加环糊精化合物的黏性剂来测定环糊精化合物对粘性的影响。环糊精化合物(α和γ)从Wacker化学公司得到。Carbotac 26207，一种压敏粘合剂的典型配方，代表这种通常用于纸张工业的黏性剂家族。这些黏性剂经由通常通过应用轻微压力而附着于表面的邮件标签、邮票及其他产品进入原料。它们在再制浆操作过程中与再生纸张分开，并进入工艺物流。
0.1wt％的Carbotac的水悬浮液与0.1wt％的α-、β-或γ-环糊精化合物的水悬浮液混合。将500mL混合物煮沸直到1mL，在不锈钢试块上滴上两小滴涂敷成薄膜。试块保持室温过夜，然后在30℃下干燥6小时。用Polyken粘性测试机(Testing Machines Inc.Islandia NY)，使用以引用方式引入本发明的TappiJ.，2(4)(2003)由Koskinen等人描述的方法“Sensor forMicrostickies”在各种温度下测定所得薄膜的粘性。结果插到40℃。
水滴在薄膜的干燥表面上的接触角也进行测定。该接触角是该表面的疏水性的尺度，其为影响表面粘性的性质。该接触角也是表面润湿性的尺度；接触角越小，表面越可润湿。
表1显示了用环糊精化合物处理压敏黏性膜的效果。结果显示，将环糊精化合物添加到压敏黏性膜中几乎完全消除了粘性。此外，经环糊精处理的压敏黏性薄膜容易用水洗掉，而未经处理的压敏黏性膜难以从试块上除去。
该结果也显示，将环糊精添加到压敏黏性膜减小了表面接触角。润湿性是粘性的起作用的因素，且经环糊精处理的压敏黏性膜的接触角的减少与表面粘性的减少一致。这些结果明确证明了环糊精化合物在减少粘性中的有利影响，并提供其解释。
表1：经环糊精处理的混合物的粘性(g力)和接触角
实施例2
环糊精化合物衍生物减少粘性的能力由测量添加和不添加环糊精化合物衍生物的黏性剂的粘性来确定。Carbotac 26171，另一个压敏黏性剂的配方，代表这种通常用于纸张工业的黏性剂家族。以下七个环糊精化合物衍生物从Wacker化学公司得到：甲基-β-环糊精(A)、2-羟丙基-α-环糊精(B)、2-羟丙基-β-环糊精(C)、2-羟丙基-γ-环糊精(D)、α-环糊精(E)、β-环糊精(F)和γ-环糊精(G)。
1g0.1wt％的Carbotac 26171水悬浮液与不同量的环糊精化合物溶液(即A、B、C、D、E、F和G)混合，使得环糊精化合物在溶液中的最后浓度为0到5％。将每种混合物的1mL置于不锈钢试块上，涂敷成薄膜，然后在60℃烘箱中干燥30分钟以表面上形成薄膜。使用实施例1中描述的相同方法，在各种温度下测量薄膜的粘性，并插到40℃。
表2显示用环糊精化合物处理的压敏黏性膜的效果。在每种环糊精化合物存在下，黏性膜的粘性明显减少了。尽管各种环糊精化合物衍生物中，实现类似的降低水平所需的环糊精化合物的量并不相同，该结果明确显示，环糊精化合物衍生物减少粘性的能力不局限于任何一个环糊精化合物衍生物，所有测试的环糊精化合物均具有。
表2：经环糊精处理的混合物的粘性(g力)
实施例3
使用原子力镜检单独验证前述实施例中讨论的结果。将Carbotac26207，标准黏性剂配方，涂敷到不锈钢板上并干燥成光滑薄膜。将一块板短暂浸入3％β-环糊精化合物溶液中并干燥。未经处理的和经环糊精处理的薄膜均使用普通原子力显微镜(购自Asylum Research，Santa Barbara，CA.)进行测量。通过测定当探针端部朝向要测试的表面和吸引到要测试的表面的偏差来进行原子力测量。也测定当端部离开所述表面的偏差。
图2示意了未经处理的样品的偏差。上曲线显示当端部移向所述表面的偏差，下曲线是端部远离所述表面的偏差。这两条曲线的形状是不同的，因为探针端部从所述表面粘到材料，使释放曲线变形。
图3示意经环糊精处理的样品的接近曲线和释放曲线。上曲线是接近曲线，下曲线是释放曲线。与未经处理的样品不同，接近曲线和释放曲线的形状相当类似，因为经处理的样品表面不是粘性的，材料不会转移到端部。这些结果证明环糊精化合物甚至在表面膜形成之后改变表面粘性的能力。
实施例4
β-环糊精化合物在粘性杂质特性上的效果在操作纸张再生厂的工业规模试验中得到测定。将由Wacker化学公司生产的β-环糊精化合物加入纸浆直到纸浆的浓度达到50ppm。从纸张再生厂的初级粗筛进料口中收集工艺用水样品，所述进料口处于再浆化之后该工艺中的早期位置。水样在金属试块上干燥，并使用先前描述的方法测定粘性。两种类型的装备的要测试的引入纸屑包含新闻用纸和杂志的不同混合物。
对于一种纸屑混合物，经β-环糊精化合物处理，粘性测量的基准值从104g力(未经处理的)减少到20g力。对于另一种纸屑混合物，经环糊精化合物处理，粘性测量的基准值从54g力(未经处理的)减少到0g力。这些结果明确显示，环糊精化合物大幅度减少了存在于工业规模操作纸张再生设备的工艺物流中的组分的粘性。重要的是，试验材料的粘性不一定仅仅源自合成黏性剂。纸屑包括多种材料，包括天然和合成黏性剂和木沥青。因此，结果显示，环糊精化合物有效减少了多成分粒料的粘性。
这里引用的出版物以引用方式引入。从上述详细说明对这里描述的方法和设备的修改和变化对本领域的技术人员来说将是显而易见的。这种修改和变化将落入附加的权利要求的范围之内。
Claims (13)
1.用于改变水性介质中的黏性材料粘性的方法，包括：
使黏性材料与减少黏性材料的粘性有效量的环糊精化合物在水性介质中接触，
其中所述黏性材料包括沥青、热熔融物、乳胶、粘合剂或其组合，及所述环糊精化合物的浓度为每百万份水性介质体积的0.01到10,000份。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述水性介质还包括原生或再生的纤维素纤维，或原生和再生的纤维素纤维的组合。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述接触发生在纸浆和造纸厂的工艺流中，且所述黏性材料是溶解或悬浮在所述工艺流中。
4.如权利要求3所述的方法，其中将所述环糊精化合物添加到制浆装置或白水中。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述环糊精化合物选自：α-环糊精化合物、β-环糊精化合物、γ-环糊精化合物、甲基-β-环糊精化合物、2-羟基丙基-α-环糊精化合物、2-羟基丙基-β-环糊精化合物、2-羟基丙基-γ-环糊精化合物及其组合。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述黏性材料包括压敏粘合剂。
7.用于改变工艺流体中的黏性杂质粘性的方法，包括：
提供其中分散杂质颗粒的工艺流体，所述工艺流体在纸浆和造纸厂的工艺流中，这些颗粒包括一种或多种黏性材料，所述一种或多种黏性材料包括沥青、热熔融物、乳胶、粘合剂或其组合；和
将减少黏性材料的粘性有效量的环糊精化合物添加到工艺流体中，以及所述环糊精化合物的浓度为每百万份工艺流体体积的0.01到10,000份。
8.如权利要求7所述的方法，其中还包括将至少一种额外去粘化试剂添加到工艺流体中。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述至少一种额外的去粘化试剂包括合成的化学品或天然的化学品或酶。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述至少一种额外的去粘化试剂包括矿物。
11.如权利要求7所述的方法，其中所述一种或多种黏性材料包括压敏粘合剂。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一种环糊精化合物的浓度为每百万份水性介质体积的50份。
13.如权利要求7所述的方法，其中所述至少一种环糊精化合物的浓度为每百万份工艺流体体积的50份。
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Granted publication date: 20130710 Termination date: 20180214 |
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