CN103930618A

CN103930618A - Akd组合物以及纸和纸板的生产

Info

Publication number: CN103930618A
Application number: CN201280054840.5A
Authority: CN
Inventors: A·金德勒; M·格兰斯特罗姆; H·科勒纳; H·克恩
Original assignee: BASF SE
Current assignee: Kemira Oyj
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2032-11-12
Also published as: BR112014011498B1; EP2882899A2; BR112014011498A2; CN103930618B; WO2013072277A3; WO2013072277A2; US9359724B2; US20140305607A1; BR112014011498A8

Abstract

可通过使纤维素悬浮液的料流流经剪切装置而获得的AKD纤维素组合物，其中在所述剪切装置之中或之前将熔融的烷基烯酮二聚物(AKD)计量添加至所述纤维素悬浮液的料流中。所述AKD纤维素组合物特别适于生产施胶纸和纸板。

Description

AKD组合物以及纸和纸板的生产

本发明涉及一种使用烷基烯酮二聚物(AKD)制备经施胶的纸或纸板的方法。本发明还涉及一种新型AKD组合物。

已知将反应性施胶剂如烷基烯酮二聚物用于对纸施胶的目的。烷基烯酮二聚物是非常有效的反应性施胶剂，然而其是疏水性的且通常在环境温度如25℃下为固体。因此，必须将烷基烯酮二聚物转化成可用于造纸工艺中的更方便的形式使用。通常将烷基烯酮二聚物转化成用于该目的的含水分散体形式。

DE-A-3316179描述了AKD分散体，其包含含氮丙啶单元的聚合物和水溶性双氰胺/甲醛缩合物。尽管后者提高了施胶发展速率(即促进剂效应)，然而其对分散体的稳定不起作用。

US-A-3,223,544和EP-A-0353212公开了烷基二烯酮(AKD)分散体，其具有作为保护性胶体的阳离子淀粉和作为稳定剂的阴离子分散体。

WO-A-96/26318公开了AKD分散体，其包含N-乙烯基吡咯烷酮和N-乙烯基咪唑的共聚物或基于聚氮丙啶的缩合物作为保护性胶体。由于保护性胶体的共聚或缩合，这些AKD分散体的制备非常复杂。

适于施胶的其他AKD分散体描述于德国公开专利10237911、德国公开专利10237912和WO-A-98/41565中。

尽管该AKD分散体提供了用于纸的非常方便且有效的施胶剂，然而它们所具有的缺点在于它们需要通常使用保护性胶体且有时需要其他添加剂以制备稳定分散体产物的特种配制剂。

WO2011/051882描述了一种在挤出机中制备微纤化纤维素(纳米纤维素)的方法。所述方法需要向挤出机中添加纤维淤浆并在挤出机中对所述淤浆进行处理，从而使得所述纤维形成去纤化和微纤化的纤维素。应指出的是该方法可包括在处理过程中将至少一种改性化学品添加至挤出机中。在导至挤出机并在其中处理之前，可优选用酶对所述淤浆的纤维进行预处理。应指出的是如果纤维被疏水化(例如使用AKD)，则改性的微纤化纤维素可用于纸和板或复合材料的疏水化。其没有指出如何实现该目的。

WO2011/004300描述了一种处理纤维素纤维的方法，其包括机械预处理纤维，用酶处理所述纤维，并将所述纤维与包含碱金属氢氧化物的溶液混合以使所述纤维膨胀，然后机械处理所述膨胀纤维以形成微纤化纤维素。

WO2011/004301描述了一种处理纤维素纤维的方法，其包括在第一酶处理中用酶处理纤维，在第一机械处理中机械预处理纤维，在第二酶处理中用酶处理所述纤维，并在第二机械处理中机械处理所述纤维以形成微纤化纤维素。

本发明人开发了一种更方便的使用AKD对纸进行施胶的方法，其避免了使用经配制的AKD分散体。

因此，根据本发明的第一方面，我们提供了一种制备施胶纸或纸板的方法，其包括：形成第一纤维素悬浮液，任选向所述第一纤维素悬浮液中添加一种或多种造纸添加剂，然后使所述第一纤维素悬浮液在运动筛上滤水以形成纸页，然后干燥所述纸页，其中使第二纤维素悬浮液料流流经剪切装置，其中在所述剪切装置之中或之前，将熔融的烷基烯酮二聚物(AKD)计量添加至所述第二纤维素悬浮液料流中以形成AKD纤维素组合物，然后将所述AKD纤维素组合物计量添加至所述第一纤维素悬浮液中。

所述AKD纤维素组合物为新型组合物。

因此，在本发明的第二方面中，我们提供了一种AKD纤维素组合物，其可通过如下步骤获得：使纤维素悬浮液料流流经剪切装置，其中在所述剪切装置之中或之前，将熔融的烷基烯酮二聚物(AKD)计量添加至所述纤维素悬浮液料流中。在本发明的该方面中，所述纤维素悬浮液可视为本发明第一方面中所指的第二纤维素悬浮液料流。

所述剪切装置可为任何产生显著剪切力的合适装置。剪切装置通常可为混合泵或研磨装置。

混合泵通常具有运动元件：如旋转组件，例如叶轮；捏合组件；或运动板。混合泵还可包括静态元件，如挡板或板，例如包含孔的板。运动元件往往非常快地运动以产生足够的剪切。这可例如为至少5次循环/秒(5s^-1)，通常为至少10s^-1，适当地为至少20s^-1，通常为至多170s^-1，至多200s^-1或至多300s^-1或更多。

研磨装置包括胶体磨、锥形磨和转子磨等。一般而言，研磨装置往往具有相对于其他静态元件运动的运动元件，如包含间隙、沟、槽或孔的锥形体、筛或板。所述运动元件可例如以旋转方式运动。这些装置往往在通过它们的液体和其他材料上产生高水平的剪切应力。所述运动元件往往兼具高速和非常小的剪切间隙，这在加工材料上产生强烈的摩擦。所导致的摩擦和剪切通常称为湿磨。在一种形式中，研磨装置可包含转子和定子，二者均为锥形且可具有一个或多个细沟、间隙、槽或孔的级。可对该定子进行调节以获得所需的转子和定子之间的间隙设定值。在每个级中可改变沟、间隙、槽或孔的方向以提高湍流度。运动元件往往非常快地运动以产生足够的剪切。这可例如为至少5次循环/秒(5s^-1)，通常为至少10s^-1，适当地为至少20s^-1，通常为至多170s^-1，至多200s^-1或至多300s^-1或更多。

使用湿转子磨(也称为胶体磨)来将悬浮液中的颗粒状固体研磨或分散至小于200μm(对研磨而言)，小于10μm(对解团聚研磨(分散)和乳化而言)的粒度。对具有研磨腔的间隙几何形状的胶体磨而言，机芯由具有圆形和圆锥形的转子和定子构成，从而导致环形间隙几何形状。通过转子和定子彼此相对的轴向调节，间隙宽度可在50μm至10mm、100μm至10mm或500μm至5mm之间变化。由于转子的旋转具有通常为1-100m/s或10-50m/s的尖端速度，因此在液体或悬浮液中产生高梯度剪切场。所述悬浮液流经研磨腔，且颗粒或附聚物分别在停留期间由于与研磨轨迹的碰撞(研磨)或在剪切场中(分散)而受力并研磨或分散。具有间隙几何形状的湿转子磨产生一定的泵送功率，然而如果需要巨大的输送高度或高物料通过量，则必须由泵支持。其可以以环行(circuit)或通过运行模式(pass operation mode)运行。

优选的剪切装置包括反应混合泵或湿转子磨。

优选应将熔融的AKD直接添加至剪切装置中。所述纤维素悬浮液和熔融的AKD应在剪切装置中停留所需量的时间(停留时间)。在该停留时间期间，应形成AKD纤维素组合物。在剪切装置中的停留时间可例如为至少1秒。通常为至少5秒，有时为至少10秒。其可为至多30秒或更长或者其可为至多15秒或至多20秒。

在某些情况下，其可为至少20秒，例如至少1分钟，通常可为数小时，例如至多10小时或更长。合适的停留时间可为至少5分钟，适当地为至少10分钟，通常为至少30分钟。在许多情况下，其可为至少1小时。停留时间通常为至多8小时，理想地少于该时间。

在造纸期间，纤维素悬浮液往往通过通常将一种或多种纤维素材料与其他添加剂混合，从而在水中形成悬浮液而制备。所述纤维素材料通常可包括原木纤维如硬木和/或软木。还可包括例如获自废纸的回收纤维。根据本发明，措辞第一纤维素悬浮液应包括所有用于造纸工艺湿部中的纤维素悬浮液。

用于制备本发明AKD纤维素组合物的纤维素悬浮液可通过常规方法例如由木材或其他原料制备。可使用脱墨废纸或纸板来提供其中的一些。例如，可将木材去皮，然后经历研磨、化学或热制浆技术，以制备例如机械浆、热法机械浆或化学浆。所述纤维可为漂白的，例如通过使用常规漂白工艺，例如使用亚硫酸氢镁或连二亚硫酸镁。可将其他添加剂引入所述纤维素悬浮液中，例如荧光增白剂、增白剂、染料和/或填料。

根据本发明的方法，可在湿部中的任何方便的点将所述AKD纤维素组合物计量添加至造纸工艺的第一纤维素悬浮液中。例如，可将所述AKD纤维素组合物供入稀浆料(低稠度纤维素悬浮液)或者甚至可供入稠浆料(高稠度纤维素悬浮液)中。还可取的是在其他方便的点引入所述AKD纤维素组合物。例如，可取的是将所述AKD纤维素组合物添加至混合槽或者甚至混合浆池中。或者，可取的是将所述AKD纤维素组合物引入稀释流浆箱的低稠度流线中。在一个优选形式中，将所述AKD纤维素组合物引入稀浆料悬浮液中。在另一优选形式中，将所述AKD纤维素组合物引入稠浆料悬浮液中。

在本发明的一个优选方面中，所述第二纤维素悬浮液料流从第一纤维素悬浮液中流出。可取的是可改变一部分第一纤维素悬浮液的方向，例如沿导管定向，从而形成第二纤维素悬浮液料流。这可适当地通过改变一部分稠浆料纤维素悬浮液或稀浆料纤维素悬浮液的方向而实现。

或者，第二纤维素悬浮液料流独立于第一纤维素悬浮液提供。就此而言，不改变一部分第一纤维素悬浮液的方向，相反，第二纤维素悬浮液料流可通过通常由常规纤维素组分和通常用于形成纤维素悬浮液的其他浆料组分形成悬浮液而形成。

第二纤维素悬浮液料流可具有任何合适的浓度或浆料稠度。例如，其可具有与对应于第一纤维素悬浮液的稀浆料或稠浆料相同的浆料稠度。适当地，第二纤维素悬浮液料流可具有至多7％，通常至多5％的浓度。通常其可具有至少0.01％，例如至少0.1％，通常至少0.5％，适当地至少1％的浓度。第二纤维素悬浮液料流通常往往可具有基于悬浮液总重量为0.1-5％的悬浮固体浓度。优选所述纤维素悬浮液可具有1-4％的浓度。

第二纤维素悬浮液料流可由就第一纤维素悬浮液所述的任何纤维素浆料形成。

合适的烷基烯酮二聚物(AKD)实例为十四烷基双烯酮、硬脂基双烯酮、月桂基双烯酮、棕榈基双烯酮、油基双烯酮、山萮基双烯酮或其混合物。具有不同烷基的烷基双烯酮如硬脂基棕榈基双烯酮、山萮基硬脂基双烯酮、山萮基油基双烯酮或棕榈基山萮基双烯酮也是合适的。优选使用硬脂基双烯酮、棕榈基双烯酮、山萮基双烯酮或者山萮基双烯酮和硬脂基双烯酮的混合物。

熔融的AKD通常基本上为纯净的或者为纯AKD。借此我们意指所述AKD基本上不含稀释剂，且一般由至少90％AKD，常常至少95％AKD，通常至少99％或者甚至100％AKD构成。

应引入第二纤维素悬浮液料流中且因此存在于所述AKD纤维素组合物中的AKD量应通常为至少1000ppm，基于纤维素悬浮液的干重量。在某些情况下，这可多达40％或更多。这通常为至少1％，常常为至少5％。AKD的量通常可为至少10％，有时为至少15％。适当地，AKD的量可为20-30％，基于纤维素悬浮液的干重量。在本发明的造纸工艺中，引入第一纤维素悬浮液中的AKD纤维素组合物的合适剂量应足以提供0.001-10％，例如0.01-5％(基于最终浆料或纸的总干重)的AKD剂量。

适当地，熔融的AKD应通过将所述AKD加热至高于其熔点的温度而形成。通常这可为至少40℃的温度，更通常为至少50℃或者甚至至少60℃的温度。在某些情况下，使AKD处于至多100℃或者通常至多90℃的温度下。

还可取的是在添加熔融的AKD之前，将第二纤维素悬浮液料流加热至高于AKD熔点的温度以防止AKD的任何过早固化。合适的温度包括上文就加热AKD所述的那些。

在本发明的优选方面中，所述AKD纤维素组合物包含纳米纤维素和/或微纤化纤维素。据认为在熔融AKD的存在下，所述剪切装置对纤维素悬浮液的作用导致纳米纤维素和/或微纤化纤维素的形成。优选所述AKD纤维素组合物包含与所述纳米纤维素和/或微纤化纤维素紧密结合的AKD。借此我们意指AKD可与纳米纤维素和/或微纤化纤维素紧密接近。例如，所述AKD可与纳米纤维素和/或微纤化纤维素纤维实质接触或更通常地实际接触。AKD可至少部分涂覆所述纳米纤维素和/或微纤化纤维素纤维的一部分。

适当地，本发明的AKD纤维素组合物作为与分散遍及于水相中的AKD纤维素组合物的含水悬浮液形成。可将该含水组合物方便地用于引入其他水基或液体基体系中。优选地，根据本发明的第一方面，可在造纸工艺的湿部中将AKD纤维素组合物的含水悬浮液计量添加至第一纤维素悬浮液中。

本发明人出人意料地发现在造纸工艺中引入AKD纤维素组合物提供了可接受的施胶特性。因此，我们请求保护所述AKD纤维素组合物在对纸或纸产品进行施胶中的用途。

本发明人还发现所述AKD纤维素组合物可形成固体层，优选作为膜。这可通过将所述AKD纤维素组合物引入合适表面上或合适的可浇铸固体层的模具中。合适的物质包括玻璃或金属表面。

AKD纤维素组合物的固体层可适当地具有任何长度或宽度，例如从数毫米，例如至少10mm或者至少50mm至数米，例如至多1m或至少10m或更长。如果制成卷，则固体层可甚至具有更长的长度，例如至多数百米，例如至多500m或更长。AKD纤维素组合物的固体层通常可具有至少数微米的厚度，通常为至少50μm，常常为至少100μm。所述层通常具有至少500μm或者甚至至少700μm或至少800μm的厚度。其可具有数毫米或更大的厚度，例如至多10mm，但常常不超过5mm，通常不超过2或3mm。

该AKD纤维素组合物层可用于各种应用场合，包括涂覆应用，例如纸张涂覆、包装、绝缘体以及其中需要兼具疏水和生物衍生表面的应用场合。

下文实施例阐述了本发明，并非意欲以任何方式限制本发明。

实施例

实施例1—制备AKD纤维素组合物

形成衍生自漂白硫酸盐法纸浆的纤维素悬浮液，其包含分散于水中的3.7重量％浓度纤维素纤维。将所述纤维素悬浮液(680g)与熔融的AKD(6g，Basoplast A20)合并，并将所述混合物在反应混合泵(RMP)中剪切2小时(试样1)和5小时(试样2)。试样1的扫描电子显微镜(SEM)照片示于图1中，试样2示于图2中。

实施例2—制备AKD纤维素悬浮液膜

使用流延刀由两种AKD纤维素悬浮液试样(试样1和2)在玻璃表面上浇铸膜。所述膜具有1200μm厚度。使所述膜在室温下干燥整夜并容易地从所述玻璃表面移除。由试样2浇铸的膜照片示于图3(上侧)和图4(下侧)中。由试样2浇铸的膜的SEM示于图5中。

膜的疏水性通过对水的接触角测量而测量。每隔5秒将3μl水置于所述膜上180秒。测量进行3次。所述膜的高疏水特性反映在达到大于100°值的高接触角(CA)。此外，所述膜显示出高稳定性，因为接触角在180秒内稳定。一般而言，当获得大于100°的接触角时，材料被视为高度疏水的。接触角与时间的图示于图6中。

实施例3—制备施胶纸的方法

由回收纸浆(100％)制备具有0.5％浆料密度和80g/m²定量的造纸浆料。将该造纸浆料的一部分供入反应混合泵(RMP)中。此外，还将熔融的AKD以4g/t的剂量(基于造纸浆料的干重量)供入所述反应混合泵中。将造纸浆料和熔融AKD的混合物剪切至多10分钟以形成AKD纤维素组合物。然后将该AKD纤维素组合物计量添加至所述造纸浆料中以提供0.4-4％的AKD剂量，然后在网目上形成纸页。

施胶结果记录于表1中。

表1

试验	1	2	3	4	5	6
							经处理的浆料量/ml	50	100	250	300	400	500
未处理的浆料量/ml	450	400	250	200	100	0
							纸中的AKD剂量(％)	0.4	0.8	2.0	2.4	3.2	4.0
Cobb60(g/m²)	25	24	20	19	19	19

实施例4—制备施胶纸的方法

重复实施例3，不同之处在于剪切装置为湿转子磨，且AKD和纸浆料在湿转子磨中的停留时间为15分钟。结果示于表2中。

表2

试验	1	2	3	4	5	6	7
								纸中的AKD剂量(％)	1.02	0.102	0.204	0.306	0.408	0.51	0.051
Cobb60(g/m²)	20	87	25	28	30	23	144

实施例5—制备施胶纸的方法

重复实施例4，不同之处在于AKD和纸浆料在湿转子磨中的停留时间为50秒。结果示于表3中。

表3

试验	1	2	3	4	5	6	7
								纸中的AKD剂量(％)	1.02	0.102	0.204	0.306	0.408	0.51	0.051
Cobb60(g/m²)	19	46	27	24	22	20	113

Claims

1.一种制备施胶纸或纸板的方法，其包括：形成第一纤维素悬浮液，任选向所述第一纤维素悬浮液中添加一种或多种造纸添加剂，然后使所述第一纤维素悬浮液在运动筛上滤水以形成纸页，然后干燥所述纸页，

其中使第二纤维素悬浮液料流流经剪切装置，其中在所述剪切装置之中或之前，将熔融的烷基烯酮二聚物(AKD)计量添加至所述第二纤维素悬浮液料流中以形成AKD纤维素组合物，然后将所述AKD纤维素组合物计量添加至所述第一纤维素悬浮液中。

2.根据权利要求1的方法，其中所述剪切装置为混合泵，优选为反应混合泵或湿转子磨。

3.根据权利要求1或2的方法，其中将所述AKD纤维素组合物计量添加至稀浆料纤维素悬浮液中。

4.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中所述第二纤维素悬浮液料流从所述第一纤维素悬浮液中流出。

5.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中所述第二纤维素悬浮液料流与所述第一纤维素悬浮液独立地提供。

6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中所述第二纤维素悬浮液料流具有基于悬浮液总重量为0.1-5％的悬浮固体浓度。

7.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中将所述AKD加热至高于熔点的温度以形成熔融的AKD。

8.根据权利要求1-7中任一项的方法，其中所述AKD纤维素组合物包含纳米纤维素和/或微纤化纤维素的含水悬浮液以及与所述纳米纤维素和/或微纤化纤维素紧密结合的AKD。

9.一种可通过使纤维素悬浮液的料流流经剪切装置而获得的AKD纤维素组合物，其中在所述剪切装置之中或之前，将熔融的烷基烯酮二聚物(AKD)计量添加至所述纤维素悬浮液的料流中。

10.根据权利要求9的组合物，其包含纳米纤维素和/或微纤化纤维素的含水悬浮液以及与所述纳米纤维素和/或微纤化纤维素紧密结合的AKD。

11.根据权利要求9或10的组合物，其呈固体层形式，优选呈膜形式。

12.根据权利要求9-11中任一项的组合物在对纸施胶中的用途。