CN105229231A - 用于助留目的的二氧化硅的在线生产 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于向原料悬浮液的液体流和造纸机的短循环中提供助留剂的在线生产方法，其中所述方法包括如下步骤：(i)提供原料悬浮液的液体流；和(ii)将至少一种添加剂进料到所述原料悬浮液的液体流，其中所述助留剂在所述原料悬浮液中直接形成。所述至少一种添加剂可例如以液体流加入到所述原料悬浮液。通过本发明的方法提供的助留剂可进一步改善脱水速率的控制以及随后的纸的强度性能。通过该方法，提供了将助留剂直接形成在原料悬浮液中的方式。由此废除了运输例如预制的助留剂溶液的需求，且因此可以非常成本有效的方式形成助留助剂。此外，由于助留剂直接形成在原料悬浮液中，其可非常快速且有效地粘附到细粒子上或所述原料悬浮液中的填料上，且由此可实现更有效的效果。

Description

用于助留目的的二氧化硅的在线生产
技术领域
本文献涉及用于造纸工艺和造纸板工艺的在线生产方法、和用于将至少一种添加剂同时递送到造纸机或造纸板机的原料悬浮液中以形成助留剂(截留剂，retentionagent)的方法。
背景技术
二氧化硅通常单独或与另一成分一起用作助留化学品或助留剂，以在生产纸或纸板时保留细材料，主要为溶解的胶状物质、化学品、细粒(细屑，fines)和填料粒子。可以许多方式生产二氧化硅，例如渗析、电渗析、中和、胶溶，而一种常规的商业方法是通过偏硅酸钠(具有常用名硅酸钠(Na2SiO3)，其也被称为水玻璃)的离子交换。文献中也描述了其他方法，如用酸处理水玻璃，随后在罐或容器中形成二氧化硅。
但是，这些常规技术具有一些缺点。预制(readymade)的胶体二氧化硅产物的固含量例如非常低，这导致所述产物到纸/板研磨机中的昂贵且环境不友好的运输和较高的CO2足迹。与胶体二氧化硅的制造相关的另一问题是必须优化该方法以得到不沉淀或絮凝的稳定产物，这可影响胶体二氧化硅的性能。此外，现场方法具有一些缺点。
因此，对于用于制造该助留化学品和将该助留化学品添加到造纸工艺或造纸板工艺的新的方法存在需求。
发明内容
本公开内容的目标为提供用于将助留化学品形成用添加剂进料到纤维网形成机的短循环中的改善的方法。
本发明公开了用于将助留剂提供到原料悬浮液的液体流和造纸机的短循环中的在线生产方法，其中所述方法包括如下步骤：
(i)提供原料悬浮液的液体流；和
(ii)将至少一种添加剂进料到所述原料悬浮液的液体流中，其中所述助留剂在所述原料悬浮液中直接形成.
所述至少一种添加剂可例如以液体流加入到所述原料悬浮液中。
通过本发明的方法提供的助留剂可进一步改善脱水速率的控制和随后的纸的强度性能。
通过该方法，提供了将助留剂直接形成在原料悬浮液中的方式。由此，废除了运输例如预制的助留剂溶液的需求，且因此可以非常成本有效的方式形成助留助剂(retentionaid)。此外，由于将助留剂直接形成在原料悬浮液中，其可非常快速且有效地粘附到细粒子上或原料悬浮液中的填料上，且由此可实现更有效的效果。
本发明的方法进一步使得能够制造用现有方法不可能或难以提供的助留系统，因为对于所述系统的胶体稳定性的要求与现有方法相比不那么高。在本发明的方法中，胶体不稳定性可甚至是有利的且改善助留性质。
可将两种或更多种添加剂进料到原料悬浮液中并使得它们彼此反应以形成助留剂或引发或促进助留剂的形成。
优选地，助留剂是基于二氧化硅的助留剂。基于二氧化硅的助留剂可例如为二氧化硅或其混杂物(hybrid)。基于二氧化硅的助留剂优选的为胶体形式、最优选纳米粒子的形式。
与在数周和数月内必须稳定的预制的胶体溶液相反，本发明使得能够使用快速絮凝的二氧化硅粒子，其进一步改善细粒和胶体物质的助留。
所述方法可包括将硅酸加入到原料悬浮液中，该硅酸在悬浮原料中进一步聚合为胶体二氧化硅。
在另一实施方式中，所述方法包括将第一和第二添加剂加入到原料悬浮液中，由此在所述原料悬浮液中直接形成基于二氧化硅的助留剂，和其中所述第一添加剂是硅酸盐和所述第二添加剂是酸性介质。
所述硅酸盐可例如为水溶性硅酸盐，例如硅酸钠、硅酸钙、硅酸钾或硅酸镁。
所述酸性介质可例如包括如下中的任一种：无机酸例如硫酸、磷酸、盐酸；酸性金属盐(酸式金属盐，acidicmetalsalt)和/或二氧化碳。
替代地或额外地，酸性介质可包括金属盐或多价金属离子；酸性盐(酸式盐，acidicsalt)，例如硫酸铵、硫酸铝、多硝酸铝和/或多氯化铝。当用包括多氯化铝的酸性介质处理硅酸钠时，形成多铝硅酸盐。由此形成的多铝硅酸盐高度带电，其改善助留剂的助留特性。
可将酸性介质以一个或数个(例如两个)步骤进料到原料中。
硅酸盐的初始酸化产生硅酸(Si(OH)4)。此后，所述硅酸聚合，其分子尺寸增加且形成具有强负电荷的经聚合的硅酸的胶束(微团，micelle)。所述聚合可通过控制pH或通过控制聚合过程中存在的盐的浓度而得到控制。在低于7的pH下，形成硅胶。在中性pH或高于7的pH下，形成硅溶胶。根据本发明，优选形成硅溶胶，且因此优选稍高于7、例如7.5的聚合pH。
在一个实施方式中，将第一和第二添加剂同时进料到原料悬浮液中。这意味着例如硅酸钠和酸性介质同时进料(例如通过一个定量给料(dosing)设备或喷嘴)到原料悬浮液，其中在原料悬浮液中形成二氧化硅。根据该实施方式，虽然硅酸可已经在定量给料设备中形成，但是最终聚合为胶体二氧化硅可在原料悬浮液中发生。通过这种方式，可降低第一或第二添加剂与原料中其他成分或试剂的不期望反应的风险。而且，可避免纤维的变色/变黄。在另一实施方式中，可首先将第一添加剂进料到原料中，和在所述第一添加剂之后基本上立即将第二添加剂进料到所述原料中。通过这种方式，可降低酸性介质与其他试剂例如与填料如碳酸钙的不期望反应的风险。可将第二添加剂(如酸)在第一添加剂的添加后立即以一个或数个步骤进料到所述原料中。
在又一实施方式中，首先将所述第二添加剂以一个或数个步骤进料到所述原料中，且在所述第二添加剂的添加后基本上立即将所述第一添加剂进料到所述原料中。通过该方式可避免纤维的变色或变黄。
可通过注射进行添加剂(一种或多种)到原料悬浮液的液体流或短循环中的进料。在一个实施方式中，所述添加剂可通过注射同时进料。在另一实施方式中，所述添加剂可通过注射分开进料。
所述添加剂(一种或多种)到原料悬浮液的液体流中的注射可在与液体流的方向基本上横向的方向上且在比原料悬浮液的液体流的流速高的流速下由一个或数个喷嘴进行。所述注射由此可通过设备例如WO2011/110744中公开的那些进行。
液体流原料悬浮液可包括下列组分中的至少一种：原浆悬浮液(长纤维浆、短纤维浆、机械浆、化学机械浆、化学浆、微纤维浆、纳米纤维浆)、循环浆悬浮液(循环浆、废品、来自纤维回收过滤器的纤维级分)、添加剂悬浮液和含固体物的滤出液。
可将第一和第二添加剂两者以液体流进料到原料悬浮液中。还可将所述第二添加剂(即中和化学品)以气体形式注入。包括所述第一添加剂的液体流可进一步包括优化所形成的助留助剂的电荷和/或粒径的添加剂。这样的添加剂可例如为表面活性剂、醇、非离子物质、成核剂、两性和/或阳离子化合物。
所述助留剂可在微原纤化纤维素(MFC)和/或纳米原纤化多糖的存在下在原料悬浮液中形成。当向胶体二氧化硅的聚合在MFC和/或纳米原纤化多糖的存在下发生时，形成的基于二氧化硅的助留剂可与MFC形成络合物，其具有改善的助留和脱水性能。可将MFC和/或纳米原纤化多糖例如与水玻璃和酸性介质的进料分开地但紧密接近地进料(例如通过注射)到原料悬浮液中。替代地，可将MFC和/或纳米原纤化多糖与水玻璃的进料一起进料(例如通过注射)到原料悬浮液中。在该实施方式中，可将MFC和/或纳米原纤化多糖在注入到造纸原料的液体流中之前与水玻璃混合。根据又一实施方式，MFC和/或纳米原纤化多糖可在造纸原料的液体流中提供，和水玻璃和酸性介质可通过注射分开地或同时地进料。
在本发明的上下文中，术语“纳米原纤化多糖”包括用传统纺丝技术或用静电纺丝技术纺丝的纳米纤维素或细菌纤维素。在这些情况下，所述材料优选为多糖但不限于只是多糖。多糖可为例如淀粉、蛋白质、纤维素衍生物、半纤维素等。
同样，如下面更详细定义的微原纤化纤维素(MFC)也包括在该定义中。
术语“微原纤化纤维素”(MFC)也称为纳米纤维素。其为典型地由木质纤维素纤维(来自阔叶木或针叶木纤维两者)制成的材料。其还可由微生物源、农业纤维例如麦秆浆、竹子或其他非木质纤维源制得。在微原纤化纤维素中，单独的微原纤已经彼此部分或完全地脱离。微原纤化纤维素原纤通常是非常细的(～20nm)且长度通常为100nm至10μm。但是，微原纤也可较长，例如10-200μm，但由于宽的长度分布，可找到甚至2000μm的长度。已经原纤化的且在表面上具有微原纤的纤维和分开地且位于浆料的水相中的微原纤包括在MFC的定义中。
此外，纤维素须、微晶纤维素(MCC)、纳米晶纤维素(NCC)或再生纤维素纤维和粒子也包括在MFC的定义中。
原纤也可为聚合物涂覆的原纤，即化学或物理改性的原纤。
在本发明的一个实施方式中，在将所述第一和第二添加剂进料到原料悬浮液中之后，可将阳离子化合物例如阳离子聚合物(如阳离子淀粉)进料到原料悬浮液中。阳离子化合物的加入改善了在所述原料悬浮液中形成的助留助剂的混合(admixture)。阳离子化合物可通过注射以与第一和第二添加剂可注入到原料悬浮液中相同的方式进料到原料悬浮液的液体流中。
在本发明的又一实施方式中，根据本发明处理的原料悬浮液的液体流仅是全部造纸原料的一部分。所述第一部分可例如构成全部造纸原料的0.1-10重量％、或0.1-1重量％或1-5重量％。可例如将第一和第二添加剂加入到第一原料悬浮液中，该第一原料悬浮液可与第二原料悬浮液共混，之后运送至造纸机。所述第一部分可例如包括MFC和/或纳米原纤化多糖和/或高度精制的浆(例如，精制到约35°SR-约90°SR、优选约60°SR-约80°SR的肖氏(Schopper-Riegler)慢度值的浆)，而所述第二部分可包括存在于原料中的最长纤维。在一个模式中，所述第一原料悬浮液包括MFC和/或纳米原纤化多糖和/或高度精制的浆至如下量：所述第一原料悬浮液的70-100重量％、优选80-100重量％、最优选至100重量％。所述原料的一部分的处理使得能够更好地控制反应；可避免在例如原料中加入的酸与特定的化学品/物质(例如碳酸钙)之间的不期望的副反应。而且，其使得能够更好地控制体系的电荷。在一个优选模式中，第一原料悬浮液包括MFC和/或纳米原纤化多糖和/或高度精制的浆和荧光增白剂(OBA)(例如三嗪-茋)(二、四或六磺化的)、或由它们构成。OBA增强MFC的分散，这促进二氧化硅在纤维上的沉淀。所述第一原料悬浮液可例如包括10-50％OBA。第一原料悬浮液可例如包括50-90％MFC和/或纳米原纤化多糖和/或高度精制的浆，其余由OBA构成。
附图说明
现在将参考示意性附图举例描述本解决方案的实施方式。
图1示意性地显示了根据本发明的一个实施方式的短循环布置。
图2a-b示意性地显示了根据本发明的一个替代实施方式的短循环布置。
具体实施方式
“在线生产”指的是助留剂至少部分地在造纸原料的流中直接形成，而不是与造纸工艺分开地生产。
可结合本发明使用的不同类型的配料系统在例如WO20111/110744、US2007258316、WO0225012、US2007258315和US20080011788中公开。
根据本发明，提供了这样的在线生产方法，其中将添加剂例如硅酸钠和酸性介质进料到造纸机的短循环中，即进料到纤维网或造纸原料中。当根据本发明形成基于二氧化硅的助留剂时，酸和硅酸盐之间形成硅酸的反应以及进一步向胶体二氧化硅的聚合可在原料悬浮液中发生。替代地，也在本发明的范围内，硅酸可已经在定量给料设备中形成，但是聚合可在原料悬浮液中完成。
可将添加剂分开地或基本上同时进料到造纸原料的液体流中。
“基本上同时”的含义可如下面描述的变化，但是在上下文中，其理解为将添加剂进料到原料悬浮液的液体流中使得例如可将二氧化硅直接形成在原料悬浮液中。
当将两种或更多种添加剂进料到短循环中时，优选让这些彼此反应，或者让添加剂中的一种引发或促进其他添加剂的聚合，这意味着将它们以允许添加剂反应的方式进料到短循环中。
这提供了将助留剂例如二氧化硅或其混杂物提供到例如造纸工艺中的纤维网中的完全新的方式。
在本发明的一个实施方式中，如图1所示，将两种添加剂(第一A1和第二A2)同时注入到造纸机的原料悬浮液和短循环中，即对于添加剂A1、A2两者使用相同的定量给料设备。在该实施方式中，助留剂例如二氧化硅在原料悬浮液S中形成。在替代的优选实施方式(未显示)中，将两种添加剂注射到包括MFC和/或纳米原纤化多糖和/或高度精制的浆的第一悬浮液中，此后将第一悬浮液加入到原料悬浮液S。在该图中，将白水(whitewater)F运送到例如混合罐或滤出液罐1中，向所述混合罐或滤出液罐1中引入各种纤维组分用于制备造纸原料S。将如下中的至少一种由接头(配件，fitting)运送到混合罐1和从那里起进入造纸机的短循环中：原浆悬浮液(长纤维浆、短纤维浆、机械浆、化学机械浆、化学浆、微纤维浆、纳米纤维浆)、循环浆悬浮液(循环浆、废品、来自纤维回收过滤器的纤维级分)、再生纤维素、溶解浆、添加剂悬浮液和含固体物的滤出液。
悬浮液可通过混合泵从混合罐传送到涡流除渣器(vortexcleaner)，其中分离较重的粒子。涡流除渣的接受继续到气体分离罐，其中从造纸原料中除去空气和/或其他气体。随后，将造纸原料传输到流浆箱(网前箱，headbox)的进料泵，其将造纸原料泵送到所谓的流浆箱筛(screen)，其中从造纸原料中分离大尺寸的粒子。将接受级分通过造纸机的流浆箱而运送到造纸机。然而，生产要求较少的最终产品的纤维网机的短循环可不具有涡流除渣器、气体分离设备和/或流浆箱。
在替代的实施方式中，如图2a和2b所示，第一A1和第二A2添加剂分开进料或注射，即可使用两个定量给料单元。图2a显示了其中在可为酸性介质的第二添加剂A2之前加入可为硅酸钠的第一添加剂A1的情形。图2b显示了其中在可为硅酸钠的第一添加剂A1的进料或注射之前将可为酸性介质的第二添加剂A2进料到所述原料悬浮液的相反情形。在这些实施方式中，在两种添加剂的最后一种的注射或进料的点且在原料悬浮液中基本上直接形成二氧化硅。添加剂(一种或多种)的注射或进料的点可为短循环中的任意点，但在一些情况下，注射点可在涡流除渣设备(未显示)之前。可将第一添加剂在涡流除渣器的压力侧上注射，和可将第二添加剂在二氧化碳已经溶解在同一管中后的数米注射。但是，可想到助留剂的形成可更接近于流浆箱而发生，或者注射器之间的距离非常小，几乎在短循环中相同的位置注射所述添加剂。这取决于最终产品的要求和造纸机的设计。
根据本发明，提供了在线生产方法，其中将添加剂例如水玻璃和酸性介质等进料到造纸机的短循环中，即进料到纤维网或造纸原料中。其中发生注射的点因此形成“助留剂反应区”。
在EP1219344B1中，公开了可特别好地适用于将液体化学品或添加剂均匀添加到液体流中的方法和装置。在该方法中，利用了混合器喷嘴，且将液体化学品进料到所述混合器喷嘴，和将第二液体引入到相同的混合器喷嘴，使得添加剂和第二液体基本上与以下同时地彼此连通：将化学品与第二液体或添加剂一起从混合器喷嘴中高速排放到工艺液体中且横向于流动通路中的工艺液体流。可将所述化学品和第二液体直接排放到流向造纸机的流浆箱的纤维悬浮液中。所述第二液体可为来自造纸工艺的循环液体，例如白水，或可为淡水，取决于待加入到纤维流中的液体化学品的要求。来自混合器喷嘴的流速可为将化学品和第二液体排放到其中的纤维悬浮液的流速的约5倍。通过使用形成助留剂的添加剂的该类型的快速添加，提供了加入助留剂的成本有效的方式。
通过本发明的方法形成的助留剂可为基于二氧化硅的助留剂。所述基于二氧化硅的助留剂可通过硅酸盐(如硅酸钠)和酸之间的反应(由此初始地形成了硅酸)形成。将所述硅酸聚合为胶体二氧化硅，其性质取决于提供的反应介质。如果pH低于7或者如果在原料悬浮液中存在盐，形成硅胶。但是，如果pH是中性的或高于7且不存在盐，形成硅溶胶。因此，可通过pH和/或盐的加入或除去而控制胶体二氧化硅的形式。在本发明的一个实施方式中，硅酸盐是无盐硅酸盐，即没有盐与所述硅酸盐一起加入。在该方式中，二氧化硅的反应和聚合在无盐介质中进行，由此可形成硅溶胶。
如果所述聚合在聚合物、纤维、矿物或其他离子的存在下发生，可形成包括二氧化硅的混杂材料。
在本发明的一个优选模式中，硅酸盐为硅酸钠。可将硅酸钠和酸性介质同时加入到原料悬浮液中。替代地，可将水玻璃或酸性介质之一先加入到所述原料悬浮液中，且在加入另一种添加剂(即，分别为酸性介质或水玻璃)时，可直接在原料悬浮液中形成基于二氧化硅的助留剂。
酸性介质可为无机酸、酸性金属盐或二氧化碳。
本发明中使用的酸性介质可为无机酸(例如硫酸)、酸性金属盐和二氧化碳中的任一种，而且还可为适合用于形成助留剂的任意其他酸性介质。
酸性介质还可为酸性盐，例如硫酸铵、硫酸铝、多硝酸铝或多氯化铝。
取决于使用的酸性介质，形成不同类型的基于二氧化硅的助留剂。如果例如使用多氯化铝，产生硅酸铝，其高度带电且因此改善试剂的助留特性。
在本发明的另一实施方式中，基于二氧化硅的助留剂可通过在乙醇和氨水(如氢氧化铵)的存在下正硅酸盐(TEOS)的水解在原料悬浮液中形成。根据该实施方式，将TEOS、乙醇和氨水分开或同时地加入到所述原料悬浮液中。这得到球形单分散的二氧化硅粒子。
当要形成基于二氧化硅的助留剂时，优选将酸性介质和水溶性硅酸盐(如硅酸钠)在这样的浓度下加入：所述浓度使得硅酸钠的主要部分被中和并转变成胶体粒子。在形成基于二氧化硅的助留剂后，试剂将具有与所述原料悬浮液大约相同的pH，通常约7.5-10。优选将酸性介质和水溶性硅酸盐以经稀释的(优选以1:50稀释)水溶液加入，以避免凝胶化。
通过本发明的方法形成的基于二氧化硅的助留剂可包括具有2-100nm的球形直径的胶体粒子。但是，在一些实施方式中，所述粒子可大于100nm，甚至最高到0.1或甚至10μm。

Claims (20)

1.用于将助留剂提供到原料悬浮液的液体流中和造纸机或造纸板机的短循环中的在线生产方法，其中所述方法包括如下步骤：
(i)提供原料悬浮液的液体流；和
(ii)将至少一种添加剂进料到所述原料悬浮液的液体流中，其中所述助留剂在所述原料悬浮液中直接形成。
2.权利要求1的方法，其中所述方法包括将两种或更多种添加剂进料到所述原料悬浮液中并允许这些相互反应以形成所述助留剂。
3.权利要求1或2中任一项的方法，其中所述助留剂是基于二氧化硅的助留剂。
4.权利要求3的方法，其中所述方法包括将至少第一和第二添加剂进料到所述原料悬浮液中，其中所述基于二氧化硅的助留剂在所述原料悬浮液中直接形成，和其中所述第一添加剂是硅酸盐，例如硅酸钠，和所述第二添加剂是酸性介质。
5.权利要求4的方法，其中所述酸性介质包括无机酸、酸性金属盐和二氧化碳中的任一种。
6.权利要求4的方法，其中所述酸性介质包括酸性盐，例如硫酸铵、硫酸铝、多硝酸铝或多氯化铝。
7.权利要求2-6中任一项的方法，其中将所述第一和第二添加剂同时进料到所述原料悬浮液中。
8.权利要求2-6的方法，其中首先将所述第一添加剂进料到原料中，和在所述第一添加剂后基本上立即将所述第二添加剂进料到原料中。
9.权利要求2-6的方法，其中首先将所述第二添加剂进料到原料中，和在所述第二添加剂后基本上立即将所述第一添加剂进料到原料中。
10.前述权利要求中任一项的方法，其中通过将至少一种添加剂注入到原料悬浮液的液体流中进行向所述液体流中和向短循环中的进料。
11.权利要求1-10中任一项的方法，其中通过注射将硅酸钠和酸性介质同时进料。
12.权利要求1-10中任一项的方法，其中通过注射将硅酸钠和酸性介质分开进料。
13.前述权利要求中任一项的方法，其中在与原料悬浮液的液体流的方向基本上横向的方向上和在比原料悬浮液的液体流的流速高的流速下，由一个或数个喷嘴进行向原料悬浮液的液体流的注射。
14.前述权利要求中任一项的方法，其中所述液体流原料悬浮液包括如下组分中的至少一种：原浆悬浮液(长纤维浆、短纤维浆、机械浆、化学机械浆、化学浆、微纤维浆、纳米纤维浆)、循环浆悬浮液(循环浆、废品、来自纤维回收过滤器的纤维级分)、添加剂悬浮液和含固体物的滤出液。
15.权利要求4-14中任一项的方法，其中将所述第一添加剂以液体流进料到所述原料悬浮液中。
16.权利要求15的方法，其中除了所述第一添加剂外，所述液体流还包括使形成的二氧化硅的电荷和/或粒径最优化的添加剂。
17.权利要求1-16中任一项的方法，其中所述助留剂在微原纤化纤维素和/或纳米原纤化多糖的存在下形成。
18.权利要求4-17中任一项的方法，其中所述方法还包括在将所述第一和第二添加剂进料到所述原料悬浮液后将阳离子化合物进料到原料悬浮液中。
19.权利要求1-18中任一项的方法，其中所述原料悬浮液的液体流构成全部造纸原料的第一部分。
20.权利要求19的方法，其中所述第一部分包括微原纤化纤维素和/或纳米原纤化多糖。
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