CN103827390A - 控制保留的方法和在该方法中使用的中间产物 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在造纸过程中控制成形织物上的保留的方法，一种用于所述方法中的中间产物，以及材料用于所述中间产物的用途。为了制备所述中间产物，将至少一种造纸化学品加入至细纤维素纤维如微原纤维化纤维素(MFC)的浆液，那些纤维的比表面积大于用于造纸的主纤维悬浮液的纤维的比表面积，使得造纸化学品吸附在细纤维素纤维上。之后将该中间产物结合在所述主纤维悬浮液中，之后将所述悬浮液从所述纸机流浆箱提供至所述成形织物。可以将其他造纸化学品在所述中间产物的加入之前或之后加入至所述纤维悬浮液，以防止不同化学品之间的相互作用。本发明一般地允许增加的保留，并且允许分别地和／或彼此相关地提高对造纸化学品的保留的控制。

Description

控制保留的方法和在该方法中使用的中间产物
发明领域
本发明涉及一种在造纸过程中控制成形织物上的保留的方法。本发明的其他目标是意欲加入至用于造纸的纤维悬浮液的中间产物，以及材料用于该中间产物的用途。
背景
在造纸过程中，使用许多造纸化学品用于过程控制和赋予纸所需的性质。通过在将水性纤维悬浮液从流浆箱进料至成形织物之前将造纸化学品结合至其中，将造纸化学品计量供给至造纸机的湿部。目标是具有通过静电力吸附至纤维的表面上的化学品。
在通过相似的机制吸附在纤维表面上的数种造纸化学品的同时使用中，主要困难是如何获得一定量的保留和纤维表面上的均匀分布。几乎所有添加剂必须为了纤维表面上的自由结合(阴离子的、阳离子的和中性的)位点而竞争。在大部分情况下，这导致化学品在纤维表面上不完全的保留和／或不均匀的分布。作为结果，完成的纸的品质受损，并且在纸机中将出现运行问题。除了不充分的保留和分布之外，数种反应性添加剂的同时使用可以导致多种造纸化学品之间有害的相互反应并且因此降低它们的功能和效果。
为提高造纸化学品以及纤维悬浮液中存在的细粒的保留(在所形成的网中保持的材料的量)，传统上使用数种特定造纸化学品(保留化学品)。对纤维表面具有低保留的造纸化学品积累在白水体系中，并且可以作为污垢粘至纸机表面，或彼此粘结形成团聚物。这种团聚物可以导致网破裂和制得的纸上的污斑。与之相反，良好的保留减少通到纸机短循环并且积累在处理系统中的纤维、填充剂和其他化学品的量。
以高量使用的造纸化学品是在纸机中的有害污物沉淀和导致的运行和品质问题的主要原因。这种造纸化学品包括例如胶料、填充剂和给出湿和干强度的化学品。
化学品保留的机制是，小粒子(例如填充剂粒子)结合为成形织物上的湿纤维网可以维持的更大的絮凝物。该絮凝可以通过使用不同的保留化学品获得，其在大部分情况下是水溶性聚合物，聚电解质。
在双聚合物体系中，同时使用两种聚电解质。它们在操作中的困难是，难以发现最优的条件并且小的过程改变可以影响很多。这种双体系通过具有将填充剂粒子吸附至其表面的短链长度聚合物并因此形成用于长链聚合物的连接位点而工作。絮凝在第一阶段经由镶嵌形成而发生且在第二阶段通过桥连而发生。
典型的微粒体系是例如：
-阳离子淀粉／聚丙烯酰胺+胶体二氧化硅(例如在商标“Compozil”下出售的那种)
-聚丙烯酰胺+膨润土(例如在商标“Hydrocol”下出售的那种)
作为这种现有技术方法的第一步骤，将阳离子聚合物加入至造纸纸浆，并且之后刚好在流浆箱之前，加入非常细(粒径250nm-10μm)并且在大部分情况下高度带负电的(约1meq／g)微粒。从而形成微絮状物，且这些具有强絮凝倾向，即使是在絮凝物曾经被破碎之后。这可以由白水具有强絮凝能力看出。所形成的絮凝物(与传统的保留化学品比较)非常小，并且该效果甚至通过后絮凝增加。微尺度絮凝赋予网高多孔性并且因此改善脱水，压缩段之后的固体含量增加，并且干燥能量需求降低。
发明详述
本发明寻求解决的问题是在造纸过程中带来纤维和造纸化学品在成形织物上形成的纤维网上的保留的整体提高。这种提高将减少通到短循环的纤维和化学品的量、在沿循环路径的管和室的表面上沉积的物质和在所制造的纸中最终作为污迹的团聚物。此外，本发明的目标是使得特定造纸化学品的保留得到控制，以便可以控制在造纸悬浮液中所含的多种彼此相关的化学品的保留。
根据本发明的解决方案是至少包括以下步骤的方法：
-提供用于造纸的纤维悬浮液；
-提供包含细纤维素纤维的浆液，所述细纤维素纤维的比表面积大于所述纤维悬浮液的纤维的比表面积；
-将至少一种造纸化学品加入至所述浆液，所述造纸化学品吸附在所述细纤维素纤维上以形成中间产物；
-将所述中间产物结合在所述用于造纸的纤维悬浮液中；以及
-将包含所述中间产物的纤维悬浮液提供至成形织物上。
成形织物上和随后的压缩段的纤维和造纸化学品的提高的保留显示为其在纸／纸板机短循环中降低的浓度，并且因此显示为在循环系统的管和其他部分中固体材料减少的自由漂浮、团聚和沉积。
不限定于任何理论，据信，与用于基本造纸悬浮液的精制纸浆相比，用于中间产物的细纤维的更大的比表面积使得可以将更高量的造纸化学品，尤其是阳离子造纸化学品吸附至纤维的表面。这特别适用于非常细的纤维，如微原纤维化纤维素(MFC)纤维，其具有巨大的开放活性表面并且因此对于在本发明中使用是尤其有益的。
根据本发明的教导，提供大自由表面用于一种或多种造纸化学品的吸附／吸收。这通过提供具有增加的比表面积的纤维的水性浆液完成。这些可以是干燥切屑，或者更有益地，是具有小于约200nm、优选小于约50nm并且最优选小于约20nm的纤维直径和100nm至200μm、优选100nm至10μm的纤维长度的纤维或原纤维。
这里，定义微原纤维化纤维素(MFC)是指由纤维素纤维制成的纤维材料，其中单独的微原纤维或微原纤维聚集体已经彼此分离。MFC的纤维通常是非常细的，纤维直径约20nm，并且纤维长度通常为100nm至10μm。如本文所使用的定义MFC也包括所谓的纳米原纤维化纤维素(NFC)。然而，如上面指出的，本发明允许原纤维具有更大的直径，高达200nm以上，并且是更长的，高达200μm以上。在一些制备方法中，可能保留若干量的长得多且粗得多的纤维。
可以使用的在本文被称为细料的更大的纤维是通过Bauer-McNett装置的200目筛网的纤维。几乎所有纤维短于0,2mm。通常，含有这种细料的纸浆浆液也含有可变量的MFC或NFC。
如上所述的术语干燥切屑是指在干燥状态下从木材切下的木纤维。这些具有大的开放活性表面，可以将造纸化学品吸附至其中。通过该方法获得的纸浆浆液包括干燥切割的纤维并且可以通过例如以下方法获得：
-干燥切割法(用whiley磨型装置)，
-压缩切割法
-圆锥挤出法。
这样获得的纸浆浆液包含平均长度＜1mm的纤维。这种类型的比较粗制的细料部分通常也包含更细的纤维。
具有比基本造纸悬浮液的比表面积大的比表面积的不同类型的纤维或原纤维可以甚至作为混合物使用。此时，作为用于造纸化学品的吸附剂基体使用的纸浆浆液的有效性依赖于该纸浆浆液中MFC、纤维细料和干燥切屑的比例。纸浆浆液中MFC、纤维细料和干燥切屑中的相互比例依赖于，例如，起源(纤维素或木质素纤维素原材料)和纸浆浆液的制备方法(化学、化学机械或机械纸浆)。
根据本发明的一个实施方案，吸附单一的造纸化学品以覆盖原纤维化纤维素纤维的有效表面。作为备选，可以将第一造纸化学品吸附至原纤维化纤维素纤维的有效表面的一部分，并且其后将第二造纸化学品吸附至原纤维化纤维素纤维的有效表面的余下部分。可以由此控制中间产物中含有的与最终保留在成形织物上的化学品的相对量。
通常原纤化纤维素纤维形成中间产物的主要组分。按重量测量，它们的量可以是至少等于，并且优选大于，所述产品中选白疏水胶料、湿和干强度胶料、提高絮凝的化学品和填充剂中的一种或多种造纸化学品的总量。
优选地，中间产物中吸附纤维素纤维与一种或多种造纸化学品的重量比在20∶1-1∶1之间变化。
在将造纸化学品吸附至纸浆浆液中的纤维之后，可以通过使用聚电解质或具有相似的工作机制的化学品使纤维絮凝。归因于在本发明中使用的纤维尤其是MFC纤维的尺寸和活性表面，该絮凝是非常有效的。在这之后，可以将具有预先絮凝的纤维的中间产物在纸机的湿部定量加入至纤维造纸悬浮液。
根据本发明的另一个实施方案，在将所述中间产物结合在用于造纸的纤维悬浮液中之前或之后，将一种或多种另外的造纸化学品结合在用于造纸的纤维悬浮液中。以这种方式，在中间产物中引入的造纸化学品和所述另外的造纸化学品之间的不希望的化学相互作用以减少或完全避免。作为结果，也可以增加所述另外的造纸化学品的一定量的保留。
本发明超过现有技术方法的显著益处是，将可以将比之前高得多的造纸化学品负载吸附至在造纸机的湿部纤维悬浮液上。一方面，通过将这样的造纸化学品(吸附剂(adsorbant))吸附至细纤维素纤维(被吸附物)的表面上并且之后通过此这作为中间产物在造纸机的湿部加入至纤维悬浮液，或另一方面，通过将它们在另外的的步骤加入至纤维悬浮液以使得那些化学品不与作为中间产物的一部分引入的化学品相互作用，使得这成为了可能。
这对于在通常造纸过程中优选以高量使用的造纸化学品是重要的。这些造纸化学品包括胶料如疏水胶料(例如AKD或ASA)，絮凝促进剂如阳离子聚电解质或阳离子淀粉、阴离子聚丙烯酰胺、膨润土、增加纸的湿或干强度的化学品如淀粉或树脂，以及填充剂如粘土、PCC(沉淀碳酸钙)和CaCO3。
一般地，在本文中造纸化学品是指在造纸过程中使用的所有非纤维物质。造纸化学品包括工艺化学品和功能化学品。造纸化学品可以是阳离子的、中性的或阴离子的。功能造纸化学品影响所制备的纸／纸板的性质。不限定于它们，这些包括胶料、赋予纸／纸板网湿强度或干强度的化学品、填充剂、化学品、颜料、特殊颜料、膨润土、染料色料、光学增亮剂、用于耐油脂的含氟化学品等。造纸工艺化学品包括提高纸／纸板制造过程的湿或干部中的纸／纸板网或纤维织物的运行性(runnability)，并且通常间接地提高所要制备的纸／纸板的性质的化学品。不限定于它们，这些包括明矾、保留化学品、水移除化学品、分散化学品、阻挡胶或泡沫的形成的化学品。
本发明中特别优选的造纸化学品是胶料，如疏水胶料，例如烷基烯酮二聚体(AKD)或烯基琥珀酸酐(ASA)，以及湿和／或干强度胶料，例如聚酰胺胺表氯醇(PAAE)。
将中间产物与主造纸悬浮液组合的优选方式是将其加入至造纸机短循环，短循环包括在将悬浮液从流浆箱提供至成形织物之前使用循环白水稀释悬浮液。最优选将中间产物刚好在流浆箱之前加入至稀释的悬浮液。关于造纸悬浮液的稀释，通常，可以将纤维悬浮液在进入流浆箱之前稀释至最多1.2重量％，优选在0.1至0.8重量％的范围内的浓度。
然而，还可以的是与短循环分离地将中间产物加入至纤维悬浮液。在这种情况下，可以将中间产物在循环白水的入口之前加入至未稀释的较稠的原料。
关于中间产物的制备，可以通过使用混合器，优选注入喷射混合器，将造纸化学品加入至MFC或其他细纤维素纤维的浆液，形成中间产物。混合可以在将中间产物注入至纤维悬浮液之前或同时完成。优选将中间产物通过使用喷射混合器在将悬浮液用短循环白水稀释之前注入至悬浮液。
注入喷射混合器，例如Trumpjet型，对于在本发明中的使用而言是是有益的，因为它们产生高剪切并且能够将中间产物分散至主纤维悬浮液流中。对于获得合适的混合并避免否则将非常快速出现的MFC絮凝，这是重要的。
在加入一种或多种造纸化学品以形成中间产物之前，水性浆液中的纤维含量可以是1-5重量％，优选2-3重量％。
备选地，可以将中间产物加入至循环的白水，之后将其用于稀释纤维悬浮液。白水的纤维含量可以低至0.05-0.2重量％，并且不通过加入中间产物而略微增加。即使在该实施方案中，也可以使用注入喷射混合器用于混合和注入。
优选地，将纤维与造纸化学品以湿形式组合。例如，AKD作为15重量％水性分散液是可用的，可以将其加入至MFC的水性浆液。然而，也可以将MFC或其他细纤维素纤维与造纸化学品以干燥形式混合，之后通过加入水将混合物变为浆液。
用于造纸的主纤维悬浮液可以包含化学纸浆如硫酸盐纸浆或亚硫酸盐纸浆，化学热机械纸浆(CTMP)、热机械纸浆(TMP)、机械或再循环纸浆等，单独或以混合物使用。术语纸、造纸、造纸过程和造纸机分别不仅指纸，而且指纸板和卡纸板。
根据本发明的中间产物由纤维素或木质素纤维素浆液组成，其包含原纤化纤维素纤维和吸附在所述原纤化纤维素纤维上的至少一种造纸化学品。意欲将中间产物在悬浮液进入造纸机的流浆箱之前加入至纤维悬浮液。
按重量测量，中间产物中原纤化纤维素纤维的量优选至少等于，并且更优选大于其中造纸化学品的总量。
优选中间产物包含微原纤维化纤维素纤维(MFC)。浆液中优选的造纸化学品包括疏水造纸胶料如AKD或ASA、湿强度造纸胶料如PAAE、用于提高纸的干强度的纸胶料如淀粉，以及提高絮凝的化学品如阳离子聚电解质和阳离子淀粉。
适当地，如上所述的根据本发明的方法的特征和实施方案同样关于根据本发明的中间产物。
本发明还包括微原纤维化纤维素纤维(MFC)作为用于造纸化学品的吸附剂以制备待加入至纤维造纸悬浮液的中间产物的用途。造纸化学品的优选实例是疏水造纸胶料如AKD或ASA、湿强度造纸胶料如PAAE、用于提高纸的干强度的纸胶料如淀粉，以及提高絮凝的化学品如阳离子聚电解质和阳离子淀粉。
实施例
实施例中的共同特征是：
将具有高的开放表面积的MFC，干燥切割的纤维或纤维细料用(极其)高AKD负载预处理。之后将预负载至纤维材料的该施胶剂通过喷射注入(例如
Figure BDA0000476058630000071
型计量器件引入至过程中。将具有保留助剂的处理过的纤维材料预螯合，产生有效的保留并且也增加纸板的强度性质。
喷射注入刚好在流浆箱之前完成，其降低由PM过程机械剪切力导致的保留的化学品的溶解倾向。所描述的方法也使得可以通过微纤维和／或微粒子形成，将具有高疏水性的栓塞引入至纸板结构中。这些疏水栓塞能够通过高疏水性阻塞开放毛细管结构。具有高疏水性和空间位阻的纤维粒子的这种组合能够消除与大体积纸板的施胶相关的问题(REP)。
另一方面，在被引入到过程中之前，大部分AKD连接至纤维载体絮状物，这将自动地显著增加总AKD保留。
用施胶剂预装载MFC-纤维在纯的、未化学处理的纤维表面上完成，这加强了最高可能胶料保留并且使施胶剂与其他纸化学品添加剂之间可能的有害相互作用最小化。
纸板的Z强度和干强度通过施胶剂(湿／干强度剂)预处理过的MFC、干燥切割纸浆或其他特定纤维材料产生。这些纤维粒子的表面通过强度施胶剂高度负载，并且因此能够产生强纤维-纤维结合。
这些″预处理过的粒子″的三维结构比传统的强度施胶方法更加能够形成体积纤维网络中的交叉结合。通过使用这种方法，纤维网络材料的仅一部分通过湿或干强度剂处理。自由纤维面积的余下部分可以更好地用于例如疏水施胶。
为将活性增强试剂以高剂量聚焦在所选择的具有高(结合)表面积的纤维粒子上，结合强度可以增加并且聚焦于纤维网络的最关键面积上。
实施例1.
用中试规模的纸板机制造纸板；
供给100％CTMP，150gsm
典型的液体包装纸板化学品(淀粉，双组分保留化学品浓缩物)
参比；AKD配料至稠原料(水准仪(levelling box))，线保留91％，AKD保留23％
试验1；将AKD与MFC预混合(比例1∶9)，刚好在流浆箱前配料
Figure BDA0000476058630000081
线保留93％，AKD保留29％
试验2；刚好在配料前用T形材(T-bar)将AKD与MFC混合(比例1∶9)，刚好在流浆箱前配料
Figure BDA0000476058630000082
线保留94％，AKD保留32％
试验3；将AKD与MFC预混合(比例1∶9)，并且刚好在配料前将其与C-PAM100g／t
Figure BDA0000476058630000083
混合，线保留93％，AKD保留54％
*)在这里是指由Wetend Technologies出售的商业高速注入化学品混合／计量系统。
实施例2。
用中试规模的纸机制造细纸表面。
-供给100％漂白的桦牛皮纸，65gsm
-在细纸配置中使用的典型的化学品(填充剂，双组分保留化学品浓缩物)
-参照；将ASA配料至短循环(混合泵)：线保留50％
-试验1.用T形材0.5kg/tASA+0.5kg/tMFC
Figure BDA0000476058630000091
+100g/tC-PAM(TR2)，线保留64％。
-试验2.用预混合的0.5kg／tASA+5kg／t MFC和100g／tT2：线保留64％
-试验3.用
Figure BDA0000476058630000093
预混合的0.5kg/tASA+35kg/t干燥切割的纸浆；无(?)C-PAM加入：线保留70％。

Claims (23)

1.一种在造纸过程中控制成形织物上的保留的方法，所述方法至少包括以下步骤：
-提供用于造纸的纤维悬浮液；
-提供包含细纤维素纤维的浆液，所述细纤维素纤维的比表面积大于所述纤维悬浮液的纤维的比表面积；
-将至少一种造纸化学品加入至所述浆液，所述造纸化学品吸附在所述细纤维素纤维上以形成中间产物；
-将所述中间产物结合在所述用于造纸的纤维悬浮液中；以及
-将包含所述中间产物的纤维悬浮液提供至所述成形织物上。
2.权利要求1所述的方法，其中所述细纤维素纤维是具有小于约200nm，优选小于约50nm，并且最优选小于约20nm的纤维直径的原纤维化纤维。
3.权利要求2所述的方法，其中所述原纤维化纤维具有100nm至200μm，优选100nm至10μm的纤维长度。
4.权利要求2或3所述的方法，其中所述浆液包含微原纤维化纤维素纤维(MFC)。
5.在前权利要求中的任一项所述的方法，其中吸附在所述原纤维化纤维素纤维上的所述造纸化学品是疏水胶料如AKD或ASA。
6.权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中吸附在所述原纤维化纤维素纤维上的所述造纸化学品是增加纸湿或干强度的化学品如PAAE、淀粉或树脂。
7.权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中吸附在所述原纤维化纤维素纤维上的所述造纸化学品是提高絮凝的化学品如阳离子聚电解质或阳离子淀粉。
8.在前权利要求中的任一项所述的方法，其中吸附单一的造纸化学品以覆盖所述原纤维化纤维素纤维的有效表面。
9.权利要求1-7中的任一项所述的方法，其中将第一造纸化学品吸附至所述原纤维化纤维素纤维的所述有效表面的一部分，并且其后将第二造纸化学品吸附至所述原纤维化纤维素纤维的所述有效表面的余下部分。
10.在前权利要求中的任一项所述的方法，其中所述中间产物中原纤化纤维素纤维以重量计的量为至少等于，并且优选大于所述产物中的一种或多种造纸化学品的总量。
11.权利要求10所述的方法，其中原纤维化纤维素纤维与一种或多种造纸化学品的重量比在20∶1-1∶1之间。
12.在前权利要求中的任一项所述的方法，其中将所述中间产物加入至用于稀释所述纤维悬浮液的白水的短循环中，之后将所述悬浮液从流浆箱提供至所述成形织物。
13.权利要求1-11中的任一项所述的方法，其中将所述中间产物加入至所述纤维悬浮液，之后将所述悬浮液用短循环的白水稀释。
14.在前权利要求中的任一项所述的方法，其中在将所述中间产物结合在所述用于造纸的纤维悬浮液中之前或之后，将一种或多种其他的造纸化学品结合在所述用于造纸的纤维悬浮液中。
15.在前权利要求中的任一项所述的方法，其中将所述纤维悬浮液在进入所述流浆箱之前稀释至最多1.2重量％，优选在0.1至0.8重量％的范围内的浓度。
16.在前权利要求中的任一项所述的方法，其中将所述造纸化学品通过使用混合器加入至所述浆液，所述混合器将所述原纤维化纤维素纤维与所述造纸化学品混合以形成所述中间产物，之后或同时将所述中间产物注入至所述纤维悬浮液。
17.权利要求16所述的方法，其中所述混合器是注入喷射混合器。
18.一种由纤维素或木质素纤维素浆液组成的中间产物，所述中间产物包含原纤维化纤维素纤维和吸附在所述原纤维化纤维素纤维上的至少一种造纸化学品，所述中间产物用于加入至用于造纸的纤维悬浮液。
19.权利要求18所述的中间产物，其中所述浆液包含微原纤维化纤维素纤维(MFC)。
20.权利要求18或19所述的中间产物，其中所述造纸化学品是疏水造纸胶料如AKD或ASA，或湿强度造纸胶料如PAAE。
21.权利要求18或19所述的中间产物，其中所述造纸化学品是用于提高纸的干强度的纸胶料，如淀粉。
22.权利要求18-21中的任一项所述的中间产物，其中所述造纸化学品包括提高絮凝的化学品如阳离子聚电解质或阳离子淀粉。
23.微原纤维化纤维素纤维(MFC)作为用于造纸化学品的吸附剂以制备加入至纤维造纸悬浮液的中间产物的用途。
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