CN104452385A - 浸渍体系和用途和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在纸浆的机械法或化学机械法生产中处理木片的浸渍体系。该体系基于所述体系的总重量包含至少5重量%的非离子表面活性剂(其为植物油与糖的反应产物)和任选的增强剂(其包含至少一种聚合物，所述聚合物由包含至少一种不饱和羧酸单体的单体形成)。该体系用于在机械法或化学机械法制浆过程中处理木片。

Description

浸渍体系和用途和方法
技术领域
本发明涉及根据随附的独立权利要求的前序部分的浸渍体系和用途和方法。
背景技术
可以使用不同的公知方法生产机械纸浆。机械制浆方法使用电能将木片分离为单个的纤维并且一般具有80–97%范围内的高纤维得率。取决于生产方法，机械纸浆称为磨木浆(GW)、精磨机械纸浆(RMP)、化学热磨机械浆(CTMP)或漂白化学热磨机械浆(BCTMP)。木片可以在精制之前或期间用碱/碱性过氧化物浸渍，因此该纸浆称为碱性过氧化物机械纸浆(APMP)。通常，机械纸浆提供高的松厚度(bulk)和良好的不透明度。
任何机械纸浆生产中的缺点为生产过程的高能耗。机械制浆厂一般大量的能量(大部分为电)消耗在磨浆机磨浆过程中。纸浆生产商有时被迫牺牲一些纤维得率以便降低能耗。此外，已有一些应用通过使用不同的化学品、酶和真菌来在磨浆之前预处理木片，以便降低磨浆过程中所需的能耗。然而，能耗仍是机械纸浆的生产中的主要问题之一，并且不断需要寻找新的、有效的方法来降低机械制浆方法的能耗。
发明内容
本发明的目的是降低或甚至消除现有技术中出现的上述问题。
本发明的目的是提供浸渍体系，可以在磨浆之前用其对木片进行预处理以便降低磨浆中所需的能量。
为了实现上述目的，以及其它目的，本发明的特征为在随附的独立权利要求的特征部分中呈现的那些。
根据本发明的某些优选实施方案公开于以下进一步呈现的从属权利要求中。
根据本发明的用于在纸浆的机械法或化学机械法制浆过程中处理木片的典型浸渍剂体系，所述体系包含：
-基于所述体系的总重量至少5重量%的非离子表面活性剂，其为植物油与糖的反应产物，和
-任选的增强剂，其包含至少一种聚合物，所述聚合物由包含至少一种不饱和羧酸单体或其衍生物的单体形成。
根据本发明的典型用途是将包含非离子表面活性剂(其为植物油与糖的反应产物)的浸渍体系用于在机械法或化学机械法制浆过程中处理木片。
具体实施方式
现已惊讶地发现，当在磨浆前将包含非离子表面活性剂(其为植物油与糖的产物)和任选的增强剂(其包含至少一种聚合物，所述聚合物由包含至少一种不饱和羧酸或其衍生物的单体形成)的浸渍化学品用于处理木片时，纸浆游离度意外地增加。纸浆游离度的增加促进磨浆过程阶段的能耗降低。
根据本发明的一个实施方案，非离子表面活性剂为C6–C14脂肪醇与衍生自例如淀粉或葡萄糖浆的葡萄糖的反应产物。优选地，非离子表面活性剂为C8–C14烷基多聚糖苷，有时为C8–C10烷基多聚糖苷。平均聚合度DP可以在1.4–1.6的范围内。脂肪醇可以通过分裂或转酯化反应衍生自植物油，例如椰子、棕仁、棕榈、油菜籽或脂油，并且通过催化高压水合转换成脂肪醇。非离子表面活性剂可以通过在高温下和酸催化剂的存在下由脂肪醇和葡萄糖直接合成来生产。
根据本发明的一个实施方案，基于所述体系的总重量，浸渍体系中非离子表面活性剂的量为至少10重量%，优选至少30重量%，更优选至少50重量%。根据另一优选实施方案，基于所述体系的总重量，体系中非离子表面活性剂的量为10–99.9重量%，优选30–90重量%，更优选50–80重量%。
根据本发明的一个实施方案，除了非离子表面活性剂之外，所述浸渍体系还包含增强剂，所述增强剂包含至少一种聚合物，所述聚合物由包含至少一种不饱和羧酸单体或其衍生物的单体形成。所述不饱和羧酸单体的衍生物包括酰胺和酯。
根据本发明的一个实施方案，增强剂为不饱和羧酸与C1–C10磺酸或其烷基酯的共聚物；阴离子聚丙烯酰胺；或它们的任何混合物。
根据本发明的一个实施方案，不饱和羧酸为丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸、衣康酸、巴豆酸或它们的任何混合物。这意味着，增强剂包含至少一种聚合物，其通过使丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸、衣康酸、巴豆酸或它们的任何混合物的单体与诸如丙烯酰胺或磺酸的其它单体一起共聚而形成。
基于所述体系的总重量，体系中增强剂的量可以为<90重量%、优选<70重量%、更优选<50重量%。根据一个实施方案，基于所述体系的总重量，增强剂的量在0.1–90重量%、10–70重量%、更优选20–50重量%的范围内。
可以将非离子表面活性剂与增强剂混合在一起以形成组合物或混合物，并将该组合物或混合物加入到木片中。或者，可以将非离子表面活性剂和增强剂同时但作为分离的进料流加入到木片中。这意味着将包含非离子表面活性剂的第一进料流与包含增强剂的第二进料流同时加入到木片中。可以将进料流在加入到木片中之前或之后混合。根据一个优选的实施方案，浸渍体系是包含非离子表面活性剂和增强剂二者的单一的液体组合物。
增强剂可以是不饱和羧酸与C1–C10(优选C2–C8)磺酸或其烷基酯的共聚物。根据本发明的一个优选实施方案，增强剂为诸如丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸或衣康酸的不饱和羧酸与3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸的共聚物。共聚物的重均分子量可以在500–20000000g/mol、优选1000–1000000g/mol、更优选2000–500000g/mol、甚至更优选3000–250000g/mol的范围内。
根据本发明的另一实施方案，增强剂为阴离子聚丙烯酰胺。根据一个实施方案，阴离子聚丙烯酰胺可以通过丙烯酰胺与不饱和羧酸单体一起共聚而形成。此外，可以包括其它阴离子单体，例如乙烯基磺酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、苯乙烯磺酸、乙烯基膦酸或乙二醇甲基丙烯酸酯磷酸酯。还可以包括不带电荷的单体，只要所形成聚合物的净电荷为阴离子并且聚合物具有丙烯酰胺/甲基丙烯酰胺主链。阴离子聚丙烯酰胺的平均分子量(MW)可在2000–20000g/mol、更优选3000–15000g/mol、还更优选4000–8000g/mol的范围内。在本申请中，使用“平均分子量”的值来描述聚合物链长的大小。平均分子量值由特性粘度结果计算，该特征粘度是以已知的方式在25℃下的1N NaCl中通过使用乌别洛德(Ubbelohde)毛细管粘度计测量的。所选毛细管是合适的，并且在本申请的测量中，使用常量K=0.005228的乌别洛德毛细管粘度计。随后由特性粘度结果以已知的方式使用马克-豪温克(Mark-Houwink)公式[η]=K·Ma计算平均分子量，其中[η]为特性粘度，M为分子量(g/mol)，以及K和a为Polymer Handbook,Fourth Edition,Volume2,Editors:J.Brandrup,E.H.Immergut and E.A.Grulke,John Wiley&Sons,Inc.,USA,1999,p.VII/11中对于聚(丙烯酰胺-共-N,N,N-三甲基氨基乙基氯化物丙烯酸酯)(70%丙烯酰胺)所给出的参数。因此，参数K的值为0.0105ml/g且参数a的值为0.3。对于所用条件下的参数，给定的平均分子量范围为450000–2700000g/mol，但也使用相同的参数来描述在此范围之外的分子量的大小。对于具有低平均分子量(通常约1000000g/l或更小)的聚合物，可以通过使用HPLC尺寸排阻色谱法，使用PEO校准，测量平均分子量。尤其地，如果通过使用特性粘度测量不能获得有意义的结果，则使用HPLC尺寸排阻色谱法。
浸渍体系可以还包含螯合剂，其选自一种或多种以下物质：多氨基多元羧酸；多氨基多亚甲基膦酸；六亚甲基二胺四(乙酸)；四亚甲基二胺四(亚甲基膦酸)；1-羟基亚乙基-1,1-二膦酸(HEDP)；N-双-和三-[(1,2-二羧基-乙氧基)乙基]胺，例如N-双[2-(1,2-二羧基-乙氧基)-乙基]-胺；N-双[2-(1,2-二羧基-乙氧基)-乙基]-天冬氨酸；N-三[2-(1,2-二羧基-乙氧基)-乙基]-胺和N-[2-(1,2-二羧基-乙氧基)-乙基]-(N-2-羟基乙基)天冬氨酸。螯合剂可以直接加入到浸渍体系中或者其可以被包括到增强剂中。在后一种情况下，增强剂为螯合剂和聚合物的混合物。优选的多氨基多元羧酸为二乙烯三胺五乙酸(DTPA)、三乙烯四胺六乙酸(TTHA)、乙二胺四乙酸(EDTA)、羟乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)和乙二胺-N,N'-二琥珀酸(EDDS)。优选的多氨基多亚甲基膦酸为二乙烯三胺五(亚甲基膦酸)(DTPMPA)、三乙烯四胺六(亚甲基膦酸)(TTHMPA)和乙二胺四(亚甲基膦酸)EDTMPA。即使在此处以酸的形式给出螯合剂，它们一般作为碱盐获得，主要作为钠盐获得，且螯合剂在此处被理解为包括游离酸和它们的盐。
优选地，当增强剂为3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸与诸如丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸或衣康酸的不饱和羧酸的共聚物时，浸渍体系包含螯合剂。
根据本发明的一个实施方案，体系还包含聚合物质，其选自以下物质中的至少一种：聚-α-羟基丙烯酸(PHAA)或其碱性盐和聚-α-羟基丙烯酸(PHAA)的聚内酯。聚合物质的分子量可以为至少5000、优选至少10000并且更优选至少15000。因为聚内酯不溶于水，分子量是针对通过聚内酯的碱性水解获得的对应钠盐测量的。
根据一个实施方案，浸渍体系除了上述增强剂之外还可以包含多羧酸聚合物，其为丙烯酸或甲基丙烯酸的均聚物或(甲基)丙烯酸与另一不饱和羧酸或二羧酸的共聚物。多羧酸聚合物可以通过丙烯酸或甲基丙烯酸的均聚，或通过丙烯酸和/或甲基丙烯酸与不饱和羧酸或二羧酸例如马来酸或衣康酸的共聚来制备。根据本发明的一个实施方案，多羧酸聚合物为丙烯酸和/或甲基丙烯酸与马来酸的共聚物，其中丙烯酸和/或甲基丙烯酸与马来酸的摩尔比为80:20至20:80、优选70:30至50:50。多羧酸聚合物的分子量可为至少4000g/mol、优选至少10000g/mol、更优选至少30000g/mol。
根据本发明的一个实施方案，浸渍体系可以包含添加剂，例如防腐剂或pH调节剂。例如，可以向体系中添加戊二醛以便在储存期间抑制微生物活性。
浸渍剂可以用于预处理用于制备碱性过氧化物机械纸浆(APMP)或漂白化学热磨机械浆(BCTMP)的木片。浸渍体系可以以1–6kg/吨所生产的纸浆的量被添加。木片可以为硬木、软木或者硬木与软木的混合物。
浸渍体系优选在磨浆阶段之前添加。更优选地，浸渍剂被添加至第一浸渍阶段，但如果需要的话，其也可以被添加至第一和第二和任何后继的浸渍阶段。浸渍体系可以与碱混合或独立地加入到混合盘中。根据一个优选的实施方案，木片与浸渍体系之间的相互作用时间为30–50分钟，且浸渍温度为70–80℃。
本发明还涉及通过加入浸渍体系在纸浆的机械法或化学机械法生产中处理木片的方法，所述浸渍体系基于所述体系的总重量包含至少5重量%的非离子表面活性剂，其为植物油与糖的反应产物。
在根据本发明的方法的一个实施方案中，所述体系还包含增强剂，所述增强剂包含至少一种聚合物，所述聚合物由包含至少一种不饱和羧酸单体或其衍生物的单体形成。
在根据本发明的方法的一个实施方案中，所述非离子表面活性剂和所述增强剂作为混合物加入到所述木片中或者作为分离的进料流同时加入到所述木片中。
实验部分
本发明的某些实施方案更详细地公开于以下非限制性实施例中。
在实施例1和2中使用以下化学品：
非离子表面活性剂：烷基多葡糖苷APG，得自BASF
增强剂：FennoBrite590，得自Kemira
螯合剂：二乙烯三胺五乙酸
实施例1
实施例1为实验室研究，进行该实施例以研究浸渍体系对最终白度和游离度(加拿大标准游离度，CSF)的影响。
纸浆的制备
纸浆可得自中试，其中木片用温度为60–70℃的热水洗涤，随后将木片用蒸汽处理10分钟。在蒸汽处理之后，将木片用MSD Impressafiner(Andritz AG,Austria)以1：4的压缩比压制，并且在75℃下用碱和过氧化氢浸渍20分钟的停留时间。浸渍的木片在常压下高浓磨浆。浸渍条件示于表1。
表1.实验室研究中所用的化学品剂量和条件
化学品/条件 剂量/值
H2O2，kg/tp(100%) 30
NaOH，kg/tp(100%) 25
螯合剂，kg/tp(作为产品) 2.5
温度，℃ 75
时间，分钟 20
浓度，% 25
纸浆漂白和处理
本实验采用20%的浆浓度在85℃下反应40分钟。实验方法每份按20g绝干浆进行，并预先用微波炉高火加热1分钟。将化学品按顺序混合后迅速加入到浆料中，使得其与浆料在1L烧杯中充分混合后放入水浴锅中漂白。实验化学品用量及条件如下表2。
表2.纸浆漂白和处理中所用的化学品。
样品1 样品2 样品3 样品4
Fe(II)溶液，ppm 5 5 5 5
H2O2，kg/吨纸浆(100%) 40 40 40 40
NaOH，kg/吨纸浆(100%) 24 24 24 24
螯合剂，kg/吨纸浆(作为产品) 4 4 2 0
非离子表面活性剂，kg/吨纸浆(作为产品) 3 0 2 4
增强剂，kg/吨纸浆(作为产品) 0 3 3 3
残余过氧化氢(H2O2)、游离度和白度测量
纸浆漂白后，取10g绝干浆用90℃蒸馏水稀释到10%浓度，压出滤液，测定其pH值及通过用硫代硫酸钠滴定的方法测定残余过氧过氢量。
用2000ml温度为90℃的去离子水稀释上述过滤后的纸浆。用标准纤维疏解机以75000rpm解离(distinguish)纸浆悬浮液。然后根据TAPPI标准T227测定游离度。
将漂白和处理的纸浆的剩余部分(～10g烘干)用自来水稀释到1000ml并且通过使用20%H2SO4溶液将pH调节到4.7–5.2范围内的值。用布氏漏斗过滤该纸浆。每份按2g绝干计算。并且将获得的滤饼进行压榨平整，风干直到次日，此后根据ISO2469测量光学性质，即ISO白度。
结果
测量结果在表3中给出。
表3.残余过氧化物、亮度和游离度的测量结果。
样品1 样品2 样品3 样品4
最终pH 9.10 9.03 8.99 9.02
残余H2O2，kg/吨 3.4 7.2 7.8 5.9
白度，%ISO 77.03 78.34 78.47 78.46
游离度，ml CSF 345 320 345 365
从表3中可见，浸渍体系对白度不产生负面影响。另一方面，游离度结果存在清晰的增长趋势。这表明，根据本发明的浸渍体系可以提高游离度，这可以在其后的磨浆过程中降低能耗。
实施例2
实施例2为中试研究，进行该试验以研究不同的浸渍体系对纸浆性质(例如游离度)的影响。
原材料、制备和预处理
在纸浆厂现场取得杨树木片。对木片进行筛选以便移除树皮及其它杂质，用热水人工洗涤，脱水后并且在105℃下预汽蒸处理10分钟。
木片的浸渍
用MSD Impressafiner(Andritz AG,Austria)以1:4的压缩比压制预处理后的木片。此后，按两段进行浸渍。两段浸渍均在80℃的温度下进行，持续时间为30分钟并且纸浆浓度为30%。浸渍步骤中所用的化学品示于表4中。
表4.木屑的浸渍步骤中所用的化学品
高浓磨浆
在浸渍之后，将木片均质化用于水分测量，并且在常压下针对各种游离度等级以25%–35%进行高浓磨浆。同时记录磨浆机的能耗。
漂白和纸浆性质测量
磨浆之后，在塑料桶中漂白纸浆，温度90–95℃，40分钟，浓度25–30%。漂白化学品用量为：H2O255kg/吨纸浆，NaOH24kg/吨纸浆，螯合剂(DTPA)2kg/吨纸浆(作为商用产品)。NaOH以10%溶液使用；用去离子水将DTPA稀释到1:10。同时但分别将漂白化学品混合到纸浆中。在混合之后，将纸浆转移到塑料袋中，将塑料袋密封并置于热水浴中。
在漂白之后，用热水将纸浆稀释到4–5%的浓度用于消潜(latencyremoval)并且通过酸化将pH调节到4.7–5.2。然后通过离心洗涤获得最终纸浆并制成手抄片(hand-sheets)。
根据TAPPI标准TAPPI T227测量纸浆的加拿大标准游离度。根据TAPPI标准T220、ISO2469(白度)、TAPPI标准T425测量所形成的手抄片的物理和光学性质。
结果
实施例2的结果在表5中给出。
表5.实施例2的结果。
从表5可见，当使用浸渍体系时，磨浆能耗存在清晰的下降。当浸渍体系中非离子表面活性剂的量增加时，能耗降低。例如，在300ml加拿大游离度下可以获得8.8%的能量节约(在对照与样品B之间比较)。结论是，浸渍剂增强原纤维形成作用并提高化学品的吸收和渗透力，尤其当用于一段浸渍时。
此外，当使用根据本发明的浸渍剂时，最终纸张的强度性质(尤其是抗张强度、抗撕裂和抗破裂强度性质)也可以被提高。
对本领域技术人员显而易见的是，本发明不仅限于上述实施方案和实施例，而是本发明可以在下面给出的权利要求书的范围内变化。

Claims (20)

1.用于在纸浆的机械法或化学机械法生产中处理木片的浸渍体系，所述体系基于所述体系的总重量包含：
-至少5重量%的非离子表面活性剂，其为植物油与糖的反应产物。
2.根据权利要求1所述的体系，其特征在于，所述非离子表面活性剂为衍生自植物油的C6–C14脂肪醇与葡萄糖的反应产物。
3.根据权利要求1所述的体系，其特征在于，所述非离子表面活性剂为C8–C14烷基多聚糖苷。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的体系，其特征在于，基于所述体系的总重量，所述非离子表面活性剂的量为至少10重量%、优选至少30重量%、更优选至少50重量%。
5.根据权利要求4所述的体系，其特征在于，基于所述体系的总重量，所述非离子表面活性剂的量为10–99.9重量%、优选30–90重量%、更优选50–80重量%。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的体系，其特征在于，所述浸渍体系还包含增强剂，其包含至少一种聚合物，所述聚合物由包含至少一种不饱和羧酸单体或其衍生物的单体形成。
7.根据权利要求6所述的体系，其特征在于，所述增强剂为
-不饱和羧酸与C1–C10磺酸或其烷基酯的共聚物，
-阴离子聚丙烯酰胺，或
-它们的任何混合物。
8.根据权利要求7所述的体系，其特征在于，所述增强剂为不饱和羧酸与3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸的共聚物。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的体系，其特征在于，所述不饱和羧酸为丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸、衣康酸、巴豆酸或它们的任何混合物。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的体系，其特征在于，基于所述体系的总重量，所述增强剂的量为<90重量%、优选<70重量%、更优选<50重量%。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的体系，其特征在于，所述体系是包含所述非离子表面活性剂和所述增强剂的组合物。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的体系，其特征在于，所述体系还包含螯合剂，其选自一种或多种以下物质：多氨基多元羧酸；多氨基多亚甲基膦酸；六亚甲基二胺四(乙酸)；四亚甲基二胺四(亚甲基膦酸)；1-羟基亚乙基-1,1-二膦酸(HEDP)；N-双-和三-[(1,2-二羧基-乙氧基)乙基]胺，例如N-双[2-(1,2-二羧基-乙氧基)-乙基]-胺；N-双[2-(1,2-二羧基-乙氧基)-乙基]-天冬氨酸；N-三[2-(1,2-二羧基-乙氧基)-乙基]-胺和N-[2-(1,2-二羧基-乙氧基)-乙基]-(N-2-羟基乙基)天冬氨酸。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的体系，其特征在于，所述体系还包含至少一种以下聚合物质：聚-α-羟基丙烯酸(PHAA)或其碱性盐和聚-α-羟基丙烯酸(PHAA)的聚内酯。
14.包含非离子表面活性剂的浸渍体系用于在纸浆的机械法或化学机械法生产中处理木片的用途，所述非离子表面活性剂为植物油与糖的反应产物。
15.根据权利要求14所述的用途，其特征在于，所述浸渍体系还包含增强剂，所述增强剂包含至少一种聚合物，所述聚合物由包含至少一种不饱和羧酸单体或其衍生物的单体形成。
16.根据权利要求14所述的用途，其特征在于，所述木片用于制备碱性过氧化物机械纸浆(APMP)或漂白化学热磨机械浆(BCTMP)。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的用途，其特征在于，所述浸渍体系以1–6kg/吨所生产的纸浆的量被添加。
18.通过加入浸渍体系在纸浆的机械法或化学机械法生产中处理木片的方法，所述浸渍体系基于所述体系的总重量包含至少5重量%的非离子表面活性剂，其为植物油与糖的反应产物。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述体系还包含增强剂，所述增强剂包含至少一种聚合物，所述聚合物由包含至少一种不饱和羧酸单体或其衍生物的单体形成。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述非离子表面活性剂和所述增强剂作为混合物加入到所述木片中或者作为分离的进料流同时加入到所述木片中。
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