CN109072557B - 用于制造纸、纸板或类似物的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于纸、纸板或类似物的制造中的排水和压制脱水系统，其包括(a)两性聚丙烯酰胺，其是通过使(甲基)丙烯酰胺和1‑80mol％的阳离子单体和/或0.1‑70mol％的阴离子单体聚合而获得的共聚物；所述聚丙烯酰胺具有6‑38dl/g的特性粘度；(b)硅质材料的无机微颗粒，如胶体二氧化硅或膨润土；和(c)高电荷的阳离子凝结剂，其具有在pH 6下测定的大于5meq/g，优选大于6meq/g的电荷密度并选自基于铝的凝结剂、有机聚合物及其混合物。

Description

用于制造纸、纸板或类似物的系统和方法
本发明涉及根据下文提出的独立权利要求的用于制造纸、纸板或类似物的系统和方法。
通过使纸浆悬浮液脱水，形成均匀的纸幅并使纸幅干燥而制成纸和纸板。在造纸过程中，通常添加各种化学品以提高生产率并且还增强纸的物理性质。例如，将保留/排水助剂添加到纸浆悬浮液中以增加纸浆的脱水率。通常，在纸或纸板制造中实现更快的生产速度的限制步骤之一就是脱水。
还经常引入纸强度树脂以增加所生产的纸或纸板的干强度和/或湿强度。两性聚丙烯酰胺是丙烯酰胺与包含阴离子和阳离子基团的单体的共聚物，其已经用作造纸工业中的干强度剂。然而，由于聚合物中的阴离子电荷，两性聚丙烯酰胺不能有效地改善排水性。
开发包含常用的两性聚丙烯酰胺的化学程序以提高排水速率，还有纸强度性质将是有益的。
本发明的一个目的是最小化或可能甚至消除现有技术中存在的缺点。
本发明的另一个目的是提供简单和有效的制造纸、纸板或类似物的方法，以实现改进的排水和压制脱水以及提高的干强度性能，如破裂强度和/或短距压缩测试(SCT)强度。
为了实现上述目的，本发明的特征在于所附独立权利要求的特征部分所呈现的内容。
将在从属权利要求中描述本发明的一些优选实施方案。
在适用的情况下，本文中提到的实施方案和优点涉及根据本发明的系统、方法以及用途，即使并非总是特别地提及。
根据本发明的用于制造纸、纸板或类似物的典型的排水和压制脱水系统包括
(a)两性聚丙烯酰胺，其是通过使(甲基)丙烯酰胺与1-80mol％的阳离子单体和0.1-70mol％的阴离子单体聚合而获得的共聚物；该聚丙烯酰胺具有在25℃下在1M NaCl中测定的6-38dl/g的特性粘度；
(b)硅质材料的无机微颗粒，如胶体二氧化硅或膨润土；和
(c)高电荷的阳离子凝结剂，其具有在pH 6下由Mütek PCD测定的大于5meq/g，优选大于6meq/g的电荷密度并选自基于铝的凝结剂、有机聚合物及其混合物。
根据本发明的用于制造纸、纸板或类似物的典型方法包括
-获得包含纤维原料，所述纤维原料源自再循环纤维材料、未漂白的牛皮纸纸浆和/或未漂白的半化学纸浆的纤维，由此该纤维原料具有至少1mS/cm的电导率；
-向纤维原料中加入水溶性两性聚丙烯酰胺的水溶液，两性聚丙烯酰胺是通过使(甲基)丙烯酰胺与1-80mol％的阳离子单体和0.1-70mol％的阴离子单体聚合而获得的共聚物，该聚丙烯酰胺具有在25℃下在1M NaCl中测定的6-38dl/g的特性粘度；
-向纤维原料中添加硅质材料的无机微颗粒，如胶体二氧化硅或膨润土；
-向纤维原料或向待与所述纤维原料组合的水性流中添加高电荷的阳离子凝结剂，该高电荷的阳离子凝结剂具有在pH 6下由Mütek PCD测定的大于5meq/g，优选大于6meq/g的电荷密度，并选自基于铝的凝结剂、有机聚合物及其混合物，和
-将纤维原料形成纤维纸幅。
在本发明中，令人惊讶地发现，当将两性聚丙烯酰胺与无机微颗粒和高电荷的阳离子凝结剂组合时，观察到意想不到的协同效应，并且提高了排水和压制脱水以及纸强度性能。因此，本发明提供了用于纸或纸板制造的3组分系统，以提高纸张强度性能。破裂强度的典型增加为3-20％，其是相对于相应纸的破裂强度计算的，该相应的纸的制造未相继添加两性聚丙烯酰胺与无机微颗粒和选自基于铝的凝结剂、有机聚合物及其混合物的高电荷的阳离子凝结剂。向基于两性聚合物的纸添加剂系统中添加具有pH6下测定的大于5meq/g的电荷密度的高电荷的阳离子凝结剂和无机微颗粒还改善了在压制脱水后的排水速度和固体含量。
根据本发明的系统尤其适用于处理包含源自旧瓦楞纸箱(OCC)、混合的废物再循环纤维、未漂白的牛皮纸浆和/或未漂白的半化学纸浆的纤维的纤维原料。通常，这种纤维原料用于要求纤维原料具有排水、脱水和强度性能的包装纸。
基于此，本发明在脱水之前，用两性聚丙烯酰胺、无机材料的微颗粒和高电荷的阳离子凝结剂如基于铝的凝结剂和/或有机聚合物的组合来处理纤维原料，其中每一种优选分别加入到纤维原料中。据信高电荷的阳离子凝结剂与两性聚丙烯酰胺的阴离子基团相互作用，而无机微颗粒与两性聚丙烯酰胺的阳离子基团相互作用，系统的阳离子电荷使纤维原料的阴离子组分絮凝。除了捕获带电组分的能力之外，本系统的3D设置还允许捕获中性原料组分，例如源自再循环纤维的淀粉。
造纸中的除水有几个过程阶段。大多数水在初始排水阶段通过网部处制用辊或刀成形而除去，然后在网部处通过使用吸水箱(suction boxes)来进一步提高干物质含量。在网部之后是压制部，其中水在压区中从纸幅传递到毡。有效的絮凝改善了初始排水，但不一定导致良好的吸水箱脱水或压制脱水。过大的絮凝物尺寸甚至可能使纸的压制脱水和干燥速度变慢并且增加总的蒸汽消耗，导致纸张不均匀或形成问题，或甚至针孔。根据本发明的3组分系统提供适中的絮凝物尺寸，从而实现良好的排水和良好的压制脱水二者。通常，高剂量的常规高分子量保留聚合物将产生含有大量水的大的絮凝物。这对于压制脱水是不利的。根据本发明的具有受控的絮凝物尺寸的3组分系统可改善压制后的固体含量。
此外，根据本发明的3组分系统的益处尤其是在施加可能的剪切力之后系统的再絮凝能力。
根据本发明的用于制造纸、纸板或类似物的排水和压制脱水系统包括两性聚丙烯酰胺，其是通过使(甲基)丙烯酰胺与1-80mol％的阳离子单体和0.1-70mol％的阴离子单体聚合而获得的共聚物。在本申请的上下文中，术语“两性聚丙烯酰胺”是指这样的聚丙烯酰胺，其中阳离子和阴离子基团都存在于pH 7的水溶液中。根据本发明的一个实施方案，两性聚合物是通过使阳离子、阴离子和非离子单体聚合而获得。优选两性聚丙烯酰胺是通过使丙烯酰胺与阴离子和阳离子单体二者共聚而获得。据信，由于阴离子和阳离子二者电荷的存在，两性聚合物能够在造纸纤维悬浮液中形成环，特别是在中性造纸pH下，从而防止过大的絮凝，其可能破坏所形成的纸幅的形成或压制脱水。
当两性聚丙烯酰胺与水混合并溶解在水中时，其是水溶性的。在本申请的上下文中，术语“水溶性”应理解为两性聚丙烯酰胺与水是完全混溶的。当与过量的水混合时，两性聚丙烯酰胺优选完全溶解，并且所得聚合物溶液优选基本上不含离散的聚合物颗粒或小球。
根据本发明的一个优选实施方案，两性聚丙烯酰胺的特性粘度为6-38dl/g，优选6-20dl/g，更优选7-15dl/g。聚丙烯酰胺的特性粘度通过已知方式在25℃下通过使用Ubbelohde毛细管粘度计在1M NaCl中测定，并且将用于毛细管粘度测定的聚合物溶液的pH调节至2.7。溶解的两性聚丙烯酰胺的特性粘度与其平均分子量相当。为了在纸或纸板产品中获得所需的效果，聚合物组合物优选具有在一定限度内的分子量，其可以由所溶解的聚合物组合物的粘度进行限定。
根据一个优选的实施方案，两性聚丙烯酰胺具有由Mutec PCD在pH 2.7下测定的阳离子净电荷。这意味着即使聚丙烯酰胺含有阴离子基团，两性聚丙烯酰胺的净电荷仍保持为阳离子性即带正电荷。阳离子净电荷改善了两性聚丙烯酰胺与纤维的相互作用。两性聚丙烯酰胺的净电荷计算为所存在的阳离子和阴离子基团的电荷总和。两性聚丙烯酰胺的阳离子电荷密度可以为由Mutek PCD在pH 2.7下测定的0.2-4meq/g，优选0.35-3meq/g，更优选0.5-2meq/g，甚至更优选0.6-1.6meq/g。
根据本发明的一个实施方案，两性聚丙烯酰胺是通过使(甲基)丙烯酰胺与3-50mol％，例如3-25mol％，优选4-17mol％，更优选5-12mol％的阳离子单体和0.1-35mol％，例如0.1-24mol％，优选0.1-15mol％，更优选0.5-9mol％，甚至更优选0.1-8mol％的阴离子单体聚合而获得的共聚物。已经观察到，当聚合的阳离子单体的量为至多25mol％，例如3-25mol％，优选4-17mol％，更优选5-12mol％时，通过两性聚丙烯酰胺进行的絮凝不仅通过阳离子电荷进行一次，而且在各种工艺步骤引起的剪切力破坏絮凝物之后，再次激活阳离子和阴离子基团之间的絮凝；并且阳离子单体的量足以促进排水，从而进一步增强3组分系统的排水和压制脱水性能。
两性聚丙烯酰胺可具有4-26mol％的总离子性。根据一个优选的实施方案，两性聚丙烯酰胺的总离子性为4-18mol％，优选5-13mol％，更优选6-12mol％，甚至更优选6-10mol％。总离子性包括在两性聚丙烯酰胺中具有离子电荷的所有基团，大多数带电基团源自离子单体，但也包括源自链终止剂或类似物的其它带电基团。观察到聚合物的总离子性为至多18mol％是有益的，尤其是当特性粘度为6-38dl/g，或优选6-20dl/g。当聚合物产品以增加的剂量使用时，更高的离子性，尤其是阳离子性可导致过度阳离子化。保留性系统的过度阳离子化可能导致沉积问题和起泡问题。
阳离子单体可选自2-(二甲基氨基)乙基丙烯酸盐(ADAM)、[2-(丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵(ADAM-Cl)、2-(二甲基氨基)乙基丙烯酸盐苄基氯、2-(二甲基氨基)乙基丙烯酸酯二甲基硫酸盐、2-二甲基氨基乙基甲基丙烯酸盐(MADAM)、[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵(MADAM-Cl)、2-二甲基-氨基乙基甲基丙烯酸酯二甲基硫酸盐、[3-(丙烯酰基氨基)丙基]三甲基氯化铵(APTAC)、[3-(甲基丙烯酰基氨基)丙基]三甲基氯化铵(MAPTAC)、二烯丙基二甲基氯化铵(DADMAC)、及其任何混合物。优选地，阳离子单体可以选自[2-(丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵(ADAM-Cl)、[3-(丙烯酰基氨基)丙基]三甲基氯化铵(APTAC)和[3-(甲基丙烯酰基氨基)丙基]三甲基氯化铵(MAPTAC)。更优选地，阳离子单体是[2-(丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵(ADAM-Cl)。
阴离子单体可选自不饱和的一元或二元羧酸，例如丙烯酸、马来酸、富马酸、衣康酸、乌头酸、中康酸、柠康酸、巴豆酸、异巴豆酸、天竺葵酸或惕酸。优选阴离子基团源自丙烯酸。
根据本发明的一个实施方案，两性聚丙烯酰胺是通过使包含必要单体的反应混合物在聚合介质中进行凝胶聚合而获得。聚合开始时反应混合物中的单体含量可以为至少20重量％。在凝胶聚合中，反应混合物中非水溶剂的含量优选为小于10重量％，优选小于5重量％，更优选小于3重量％。使反应混合物中的单体在引发剂存在下通过使用自由基聚合进行聚合。聚合开始时的温度可低于40℃或低于30℃。有时，聚合开始时的温度甚至可能低于5℃。聚合期间的温度可以是60-90℃。单体的自由基聚合产生两性聚丙烯酰胺，其为凝胶形式或高粘性液体。
在凝胶聚合后，将两性聚丙烯酰胺机械粉碎(例如扯碎或切碎)，以及干燥，由此获得颗粒产物。取决于使用的反应设备，可以在发生聚合的相同反应设备中进行扯碎或切碎。例如，聚合可以在螺杆混合器的第一区中进行，并且所得两性聚丙烯酰胺的扯碎在所述螺杆混合器的第二区中进行。还可以在与反应设备分开的处理设备中进行扯碎、切碎或其他粒度调节。例如，所获得的水溶性两性聚丙烯酰胺可以从反应设备(其为带式输送机)的第二端通过旋转孔筛或类似物(其中水溶性两性聚丙烯酰胺被扯碎或切碎成小颗粒)进行转移。扯碎或切碎后，将粉碎的聚丙烯酰胺干燥并研磨至所需的粒度。干燥的聚丙烯酰胺易于储存和运输，并提供优异的储存稳定性和长的保质期。
根据本发明的一个实施方案，所得两性聚丙烯酰胺的总聚合物含量为至少60重量％，优选70-98重量％，更优选75-95重量％，甚至更优选80-95重量％，还更优选85-93重量％。由于两性聚丙烯酰胺的聚合物含量高，因此活性两性聚丙烯酰胺的量也很高。两性聚丙烯酰胺的水分含量通常为5-12重量％。
根据本发明的两性聚丙烯酰胺基本上是线性的和非交联的。根据本发明的一个优选实施方案，水溶性两性聚丙烯酰胺基本上是在不存在支化剂或交联剂的情况下制备的。根据本发明的一个实施方案，聚合物包含<0.01mol％，优选<0.005mol％，更优选<0.001mol％的支化剂或交联剂。与基本上支化或交联的聚合物相比，基本上线性和非交联的两性聚丙烯酰胺具有使用更低剂量获得相同性能的益处。基本上线性和非交联的两性聚丙烯酰胺具有更好的尺寸范围，因此能够与微颗粒和凝结剂形成更大的网络，从而增强例如淀粉的捕获。与基本上支化或交联的聚合物相比，带电基团还更易于结合。
根据本发明的用于制造纸、纸板或类似物的排水和压制脱水系统包含无机硅质微颗粒，例如胶体二氧化硅或膨润土。根据本发明的一个优选实施方案，无机硅质微颗粒选自基于二氧化硅的颗粒、二氧化硅微凝胶、胶体二氧化硅、二氧化硅溶胶、二氧化硅凝胶、聚硅酸盐、铝硅酸盐、聚铝硅酸盐、硼硅酸盐、聚硼硅酸盐、沸石和可溶胀粘土，例如膨润土。优选地，无机硅质微颗粒是胶体二氧化硅或膨润土。
根据本发明的一个实施方案，胶体二氧化硅通常以0.5-25重量％的浆料使用，并且其粒径可以为1-50nm，优选2-30nm。胶体二氧化硅的S值可以为至多40％，例如14-40％，优选25-38％。膨润土通常以1-5重量％的浆料使用，并且其粒度可以为200-800nm，优选300-500nm。如果需要，可以在添加到纤维原料之前进一步稀释膨润土和胶体二氧化硅浆料。
此外，根据本发明的用于制造纸、纸板或类似物的排水和压制脱水系统包含高电荷的阳离子凝结剂，其具有在pH 6下由Mütek PCD测定的大于5meq/g，优选大于6meq/g的电荷密度。高电荷的阳离子凝结剂在将胶体捕获到所形成的纸中是特别有效的，从而防止它们阻塞网或毡。根据本发明的一个实施方案，具有大于5meq/g，优选大于6meq/g的电荷密度的高电荷的阳离子凝结剂选自基于铝的凝结剂、有机聚合物及其混合物。基于铝的凝结剂可选自以下组成的组：硫酸铝、氯化铝、聚氯化铝(PAC)、聚硅酸铝、聚硫酸铝(PAS)、聚硫酸铝硅、铝酸钠、明矾及其任何混合物。有机高电荷的阳离子聚合物可选自以下组成的组：聚乙烯亚胺、多胺、聚DADMAC、聚APTAC、聚MAPTAC、聚-ADAM-Cl及其任何混合物。优选地，有机高电荷的阳离子聚合物是含季胺的聚合物，因此其随着pH具有最小或没有电荷变化，并且该含季胺的聚合物选自包含以下的组，多胺(其是表氯醇和胺的共聚物)、聚DADMAC、聚APTAC、聚MAPTAC、聚ADAM-Cl及其任何混合物。有机高电荷的阳离子聚合物的重均分子量可以为20-900kDa，优选40-400kDa，更优选50-250kDa，以便如基于铝的凝结剂那样更多地用作凝结剂并且更少地用作絮凝剂，从而平衡3组分系统的电荷中和量和桥接效应。根据本发明的优选实施方案，凝结剂是基于铝的凝结剂或支化的有机聚合物，并且更优选基于铝的凝结剂。根据本发明的一个优选实施方案，凝结剂是基于铝的凝结剂，例如聚氯化铝或明矾。基于铝的凝结剂由于其非常高的电荷密度而是优选的，并且它们可以被调节以在再循环纸浆的pH(其pH通常为6-7.5)下特异性地发挥作用。支化的有机聚合物在更低的溶液粘度下提供更高的分子量，这从应用的观点来看是有益的。
根据本发明的一个优选实施方案，排水和脱水系统包含根据本说明书的两性聚丙烯酰胺；硅质材料的无机微颗粒，例如胶体二氧化硅或膨润土；和聚氯化铝。
根据本发明的一个实施方案，基于铝的凝结剂，例如，聚氯化铝的碱度为20-90％，优选30-70％，更优选35-60％。碱度％等于mol OH-/mol Al x100/3。通常，聚氯化铝的Al含量为4-16重量％，优选5-10重量％。
当根据本发明的排水和压制脱水系统用于制造纸、纸板或类似物时，将两性聚丙烯酰胺溶解在水中，从而获得聚丙烯酰胺水溶液。聚丙烯酰胺水溶液可以作为湿端部化学品加入到纤维原料中。两性聚丙烯酰胺的加入量可以是100-1000g/t干纤维原料，优选200-900g/t干纤维原料，更优选300-700g/t干纤维原料。
两性聚丙烯酰胺水溶液可以加入到稠浆或稀浆中。这里将稠浆理解为纤维原料或配料，其稠度为>20g/l，优选>25g/l，更优选>30g/l。这里将稀浆理解为纤维原料或配料，其稠度为5-20g/l。在一个典型的实施方案中，将两性聚合物加入到稀浆中。
当将两性聚丙烯酰胺的水溶液加入稀浆中时，尤其可以改善排水性。在本发明的一个实施方案中，两性聚丙烯酰胺可在剪切阶段例如泵送、混合或筛分后加入。根据本发明的一个优选实施方案，在造纸机或纸板机的流浆箱之前的最后剪切阶段之后加入两性聚丙烯酰胺。两性聚丙烯酰胺越接近流浆箱加入，则获得越好的絮凝效果。
已经观察到，当将两性聚丙烯酰胺的水溶液加入到稠浆中时，尤其改善了最终纸、纸板或类似物的强度性能。据推测，在不希望受任何理论束缚的情况下，两性聚丙烯酰胺有效地与纤维接触，尤其是在稠浆料中，由此在聚丙烯酰胺的带电基团与带电的纤维表面之间形成键。这些键增加了在最终纸或纸板中获得的强度效果。根据一个实施方案，两性聚丙烯酰胺水溶液的添加位于原料储存塔之后，但是在用短回路白水稀释网槽(机器筒仓)中的稠浆之前。为了改善排水性，如上所述，可能需要优选在流浆箱附近将两性聚丙烯酰胺或阳离子聚丙烯酰胺(例如具有5-15mol％的阳离子单体比例和5-20MDa的分子量的CPAM)进一步添加到稀浆中。根据本发明的一个实施方案，将两性聚丙烯酰胺的水溶液加入到稠浆和稀浆二者中。
可以将高电荷的阳离子凝结剂直接添加到纤维原料中，或者可以首先将其加入水性流中，然后在任何合适的位置(例如在任何合适的湿端部位置)将该水性流与纤维原料混合。这种时间点或位置的实例包括在纤维原料精炼之前或之后，在风扇泵处，在流浆箱处或其之前。
当高电荷的阳离子凝结剂是有机聚合物时，它可以以50-1000克/吨(g/ton)干纸浆，优选100-500克/吨干纸浆的量加入。当高电荷的阳离子凝结剂是基于铝的凝结剂时，它可以以Al3+形式以100-700g/t干纤维原料的量加入。
根据本发明的一个实施方案，可以将无机微颗粒添加到稠度为5-20g/l的稀浆中。在本发明的一个实施方案中，无机微颗粒可以是胶体二氧化硅，其加入量为100-600g/t干纤维原料，优选100-500g/t干纤维原料。或者，无机微颗粒可以是膨润土，其加入量为1-4kg/t干纤维原料，优选1.5-3kg/t干纤维原料。
根据一个实施方案，可以在纸或纸板机的流浆箱之前的最后剪切阶段之前添加无机微颗粒和凝结剂。通常，在流浆箱风扇泵或机器筛网之前。
根据本发明的一个优选实施方案，两性聚丙烯酰胺，无机微颗粒和高电荷的阳离子凝结剂彼此分开加入，以防止所述组分之间过早的相互作用，从而例如使组分凝胶化。例如，可以在添加无机微颗粒和阳离子凝结剂之后将两性聚丙烯酰胺添加到纤维原料中。可以通过直接添加到纤维原料中来添加排水和压制脱水系统的每个组分，例如通过在进入流浆箱之前将所述组分注入纤维原料中。根据本发明的3组分系统在流浆箱湍流发生器处承受剪切力，例如泵送、混合或筛分阶段或剪切力。因此，本发明的3组分系统能够在剪切阶段后进行再絮凝。
在一个优选的实施方案中，将凝结剂组分分别加入纤维原料中，然后单独加入无机微颗粒组分，例如胶体二氧化硅，并且仅在随后的剪切阶段后，将包含两性聚丙烯酰胺的水溶液加入到纤维原料中。
可加入其它添加剂如阳离子聚丙烯酰胺助留剂和/或阳离子湿端部淀粉以进一步改善保留性和强度。
在本发明的上下文中，如上所述，术语“纤维原料”应理解为水性悬浮液，其包含纤维和任选的填料。纤维原料也可称为纸浆浆料或纸浆悬浮液。基于干燥的总固体，纤维原料可包含至少5重量％，至少10重量％，优选至少14重量％，更优选至少16重量％的灰分，其可源自添加的填料或源自再循环纤维或造纸机断料源(broke source)的填料和/或矿物颜料。灰分含量可以为10-30％，优选11-19％。通过干燥原料和测量灰分含量来计算灰分量。使用标准ISO 1762且在温度525℃下进行灰分含量测量。灰分可以是常规用于纸和纸板制造的任何填料或颜料，例如研磨碳酸钙、沉淀碳酸钙、粘土、滑石、石膏、二氧化钛、合成硅酸盐、三水合铝、硫酸钡、氧化镁或它们的任何混合物。与现有系统相比，本发明的系统为高灰分含量的原料提供了改进的纸强度、排水和保留性，因为本发明的组分不会引起过度的絮凝，这会导致降低纸产品的强度性能的不良形成。因此，本发明的组分可以以显著改善灰分保留性、排水和强度的量使用。通常，具有高的灰分含量的纸幅较弱，通过使用本发明的系统，可以通过在湿压后增加干物质含量来改善纸幅的湿强度，从而降低纸幅断裂的易受性(susceptibility)并因此减少生产时间的损失，并促进更高的生产速度。
根据本发明的一个优选实施方案，两性聚丙烯酰胺、无机微颗粒和高电荷的阳离子凝结剂可以加入到包含再循环纤维材料的纤维原料中。这意味着纤维原料中的纤维优选源自再循环纸和/或旧的瓦楞纸板(OCC)。根据一个优选的实施方案，待处理的纤维原料包含至少20重量％，优选至少50重量％的源自再循环纤维材料的纤维。在一些实施方案中，纤维原料可包含甚至>70重量％，有时甚至>80重量％的源自再循环纤维材料的纤维。在一些实施方案中，本发明可与作为强度添加剂的包含100％再循环纤维材料的纤维原料和排水助剂一起使用以改善机器生产率。本发明的3组分系统还可以与包含漂白和未漂白的牛皮纸浆的其他纤维素纤维一起使用。
根据本发明的一个实施方案，纤维原料的电导率为至少2mS/cm，更优选至少3mS/cm，还更优选3.5-10mS/cm。与诸如CPAM的传统纸化学品(其在升高的电导率下开始失去其性能)的性能相比，根据本发明的3组分系统在这些电导率中具有良好的保留性能、淀粉保留性能、强度和排水性能。即使在更高的电导率下，本发明也能继续良好地发挥作用。
根据本发明的一个实施方案，纤维原料的淀粉含量为至少1重量％，优选至少3重量％，更优选至少4重量％，基于在加入本发明的两性聚丙烯酰胺之前的任何时间点的干燥的总固体计。基于干燥的总固体，在加入本发明的两性聚丙烯酰胺之前的任何时间点，纤维原料的淀粉含量可以是1-20重量％，优选2-10重量％，更优选4-8重量％。本发明的系统将源自再循环纤维材料或所添加到工艺中的淀粉的淀粉有效地捕获，带来的作用是提高了纸产量和降低了废水中的COD负荷。不希望受任何理论的束缚，据信本发明的组分形成类似3D网络的系统，其能够有效地捕获甚至不带电的淀粉。
本发明的系统和方法可以应用于任何类型的纸和纸板制造过程。包括所有合适种类和等级的纸和纸板，如牛皮纸、挂面纸板、全废纸挂面箱纸板、瓦楞纸、纸袋纸、白浆衬里的粗纸板、芯板或折叠纸板箱。因此，本发明涉及由用根据本发明的方法处理的纤维原料生产纸或纸板的方法，其中经处理的纤维原料形成纤维纸幅并排水。形成纤维原料、排水和干燥的步骤可以以本领域技术人员通常已知的任何合适的方式来进行。
实验
在以下非限制性实施例中描述了本发明的一些实施方案。
两性聚丙烯酰胺的生产
聚合物产品制备的一般描述
以下示例性实施例描述了单体溶液的制备，并且以类似方式制备了其他单体溶液。对于每种测试的聚合物产物，所用的单体及其比例在表1中给出。
在根据说明书制备单体溶液之后，用氮气流吹扫单体溶液以除去氧。将在聚乙二醇-水(1:1重量比)中的引发剂，2-羟基-2-甲基苯丙酮加入到单体溶液中，并将单体溶液置于托盘上以在UV光下形成约1cm的层。UV光主要在350-400nm的范围内，例如可以使用Philips Actinic BL TL 40W的光管。光的强度随着聚合进行而增强，以完成聚合。前10分钟光强度为550μW/cm2，30分钟后为2000μW/cm2。将得到的凝胶通过挤出机并在60℃的温度下干燥至小于10％的水分。将干燥的聚合物研磨并筛分至粒度为0.5-1.0mm。
用于EXP 1的单体溶液的制备，其是净电荷为阳离子的两性聚合物，其中阳离子单 体为ADAM-Cl并且阴离子单体为丙烯酸
通过在温度受控的实验室玻璃反应器中在20-25℃下混合248.3g的50％丙烯酰胺溶液，0.01g的40％DTPA Na盐溶液，2.9g的葡萄糖酸钠，4.4g的二丙二醇，1.9g的己二酸和7.2g的柠檬酸来制备单体溶液。搅拌混合物直至固体物质溶解。向该溶液中加入32.6g的80％ADAM-Cl。用柠檬酸将溶液的pH调节至3.0，并向溶液中加入2.8g丙烯酸。引发剂溶液是5ml的6％的2-羟基-2-甲基苯丙酮在聚乙二醇-水(1:1重量比)中的溶液。如以上一般性描述中所述继续该制备。
用于EXP 2的单体溶液的制备，其是净电荷为中性的两性聚合物，其中阳离子单体 为MAPTAC并且阴离子单体为丙烯酸
通过在温度受控的实验室玻璃反应器中在20-25℃下混合241.4g的50％丙烯酰胺溶液，0.0085g的40％DTPA Na盐溶液，2.8g的葡萄糖酸钠，1.8g的己二酸和6.5g的柠檬酸来制备单体溶液。搅拌混合物直至固体物质溶解。向该溶液中加入41.7g的50％MAPTAC。用柠檬酸将溶液的pH调节至3.0，并向溶液中加入6.8g丙烯酸。引发剂溶液是6.5ml的12％的2-羟基-2-甲基苯丙酮在聚乙二醇-水(1:1重量比)中的溶液。如以上一般性描述中所述继续该制备。
用于EXP 3的单体溶液的制备，其是净电荷为阴离子的两性聚合物，其中阳离子单 体为MAPTAC并且阴离子单体为丙烯酸
通过在温度受控的实验室玻璃反应器中在20-25℃下混合255.3g的50％丙烯酰胺溶液，0.0085g的40％DTPA Na盐溶液，2.8g的葡萄糖酸钠，6.5g的柠檬酸和1.8g的己二酸来制备单体溶液。搅拌混合物直至固体物质溶解。向该溶液中加入22.1g的50％MAPTAC。用柠檬酸将溶液的pH调节至3.0，并向溶液中加入11.6g丙烯酸。引发剂溶液是6.5ml的12％的2-羟基-2-甲基苯丙酮在聚乙二醇-水(1:1重量比)中的溶液。如以上一般性描述中所述继续该制备。
通过Ubbelohde毛细管粘度计在1M NaCl中在25℃下测定聚合物产物的特性粘度。通过甲酸调节用于毛细管粘度测定的聚合物溶液的pH至2.7，以避免可能的多离子络合对粘度的影响。使用聚丙烯酰胺的“K”和“a”参数来计算分子量。参数“K”的值为0.0191ml/g，参数“a”的值为0.71。表1中还给出了关于所测试的聚合物产物的测定的特性粘度值和计算的分子量值。
表1.所测试的聚合物产物的单体，其比例，特性粘度值和计算的分子量值
Figure BDA0001807946670000131
应用实例
方法
表2中给出了纸浆和片材测试装置及标准。索引的SCT强度值是强度除以纸/纸板的基重。
表2.纸浆和片材测试设备及标准。
性质/测量 装置/标准
pH Knick Portamess 911
浊度(NTU) WTW Turb 555IR
电导率(mS/cm) Knick Portamess 911
电荷(μekv/l) Mütek PCD 03
ζ电位(mV) Mütek SZP-06
稠度(g/l) ISO 4119
基重 Mettler Toledo/ISO 536
灰分含量，525℃ ISO 1762
SCT ISO 9895
应用实例1
纸浆制备
欧洲OCC和牛皮纸(未漂白的)用作原料。OCC含有约16％的灰分。在+5℃温度下储存1周的期间，从样品中消耗了OCC纸浆的原始淀粉。纸浆和水的性质列于表3。基于干物质，将OCC和牛皮纸以1:1的比例混合。通过将白水和透明滤液以1:1的比例混合来制备稀释水。用制备的稀释水稀释纸浆混合物至0.7％的稠度。基于干的总固体，测试纸浆的淀粉含量为约2.5％。
表3.纸浆和水的性质
测量 OCC 牛皮纸 白水 透明滤液
pH 6.6 6.9 7.5 7.5
浊度(NTU) 615 33.1 24.9 31.2
电导率(mS/cm) 6.8 1.7 3.6 2.8
电荷(μekv/l) -738 -214 -73 -83
ζ电位(mV) -4.4 -17.0
稠度(g/l) 50.2 30.6
DDA测试
使用来自瑞典Akribi Kemi Konsulter的DDA(动态排水分析仪)来测量保留性和排水。每个测试点使用500ml纸浆。在排水之前，将明矾和纸浆加入500ml烧杯中，同时用100rpm的磁力搅拌10分钟。在排水之前30秒将纸浆倒入DDA并将DDA搅拌器调节至1000rpm。在表4中，在排水开始之前的测试化学品添加时间表示为负的时间。在排水前2秒停止搅拌。在排水开始后，真空为300mbar，持续30秒，并且网开口(wire opening)为0.25mm。
记录排水时间并立即测量滤液浊度。将湿片材进行称重，并在排水测试后立即通过使用Lorenz&Wettre(在4bar压力下湿压1分钟，在DDA滤饼的2个绘图仪纸的两侧上)单独完成片材的湿压。称重经压制的片材，然后将来自网的片材在Lorenz&Wettre热板干燥器中干燥至绝对干燥以进行保留性计算。干燥后称重片材。从DDA片材中测量SCT。
来自DDA滤液的可溶性淀粉的测定
测试使用本项目开发的以下程序进行再循环纤维淀粉的测定：
将25ml滤液加入10ml的10wt％HCl中。将混合物在50ml烧杯中用磁力搅拌器搅拌10分钟，然后在具有黑色带状滤纸的漏斗中通过重力过滤混合物。将1ml过滤的混合物加入到0.5ml碘试剂中，该试剂由7.5g KI/I+5g/I I2组成。在加入碘溶液2分钟后，通过HachLange DR 900分光光度计测量在610nm处的吸光度值。在添加碘之前用样品对分光光度计进行调零。
使用C*膜07311非离子降解淀粉作为参考以获得用于淀粉含量的校准方程。通过与DDA滤液淀粉含量相同的方法测定测试纸浆淀粉含量。进行了HCl-碘溶液吸光度的Blanc测试以从结果中减去基线吸光度。淀粉保留性如下计算：(纸浆淀粉-滤液淀粉)/纸浆淀粉*100％。
化学品
明矾：硫酸铝，干的。
湿部淀粉：Tate&Lyle的Meribond 155，在1％浓度下在97℃下煮30分钟。
表面施胶淀粉：Cargill的C*膜07312，在1％浓度下在97℃下煮30分钟。
EXP 1，前面实施例中描述的两性PAM，溶解至0.5％并进一步稀释至0.05％。
CPAM1：FennoPol K6340T，Kemira的高分子量干的阳离子聚丙烯酰胺保留性聚合物。
膨润土：Kemira的Altonite SF，保留性膨润土。
测试结果
测试程序如表4所示。基于结果(表5)，与测试3中作为挂面纸板的典型排水系统相比，在测试6-7中的根据本发明的系统同时实现了快速排水时间，低的滤液浊度，高的成型后干燥度，高的压制后固体含量、保留性、SCT强度和通过片材灰分测量的灰分保留性。与没有两性聚合物的测试8相比，两性聚合物在测试9中的作用也是清楚的。当使用高剂量的常规保留性聚合物时，测试11显示SCT强度下降。
表4.测试点
Figure BDA0001807946670000161
表5.测试结果
Figure BDA0001807946670000162
应用实例2
纸浆制备
中欧强韧箱纸板用作原材料。强韧箱纸板含有约17％的灰分和5％的表面施胶淀粉，其是酶促降解的天然玉米淀粉。由自来水制备稀释水，其中通过CaCl2将Ca2+浓度调节至520mg/l并通过NaCl将电导率调节至4mS/cm。将强韧箱纸板切割成2×2cm的正方形。将2.7l稀释水加热至85℃。在分解之前，将强韧箱纸板片在稀释水中以2％的浓度润湿5分钟。将浆料在Britt罐式粉碎机中以30,000转的速度分解。通过加入稀释水将纸浆稀释至0.5％。
DDA测试
使用来自瑞典Akribi Kemi Konsulter的DDA(动态排水分析仪)来测量保留性和排水。每个测试点使用500ml纸浆。在排水之前，将聚合氯化铝(PAC)和纸浆加入500ml烧杯中，同时用100rpm的磁力搅拌10分钟。表6中，在排水开始之前的其他测试化学品添加时间表示为负的时间。在排水前30秒倒入纸浆并将DDA搅拌器调节至1000rpm。排水前2秒停止搅拌。在排水开始后，真空为300mbar，持续30秒，并且网开口为0.25mm。
记录排水时间并立即测量滤液浊度。将湿片材进行称重。在排水测试后立即通过使用Lorenz&Wettre(在4bar压力下湿压1分钟，在DDA滤饼的2个绘图仪纸的两侧上)单独完成片材的湿压。称重经压制的片材。将来自网的片材在Lorenz&Wettre热板干燥器中干燥至绝对干燥以进行保留性计算。干燥后称重片材。
来自DDA滤液的可溶性淀粉的测定
按照先前应用实例进行可溶性淀粉的测定：
化学品
PAC 3：聚合氯化铝，5.2％的Al和70％的碱度。
二氧化硅：结构化的胶体二氧化硅，S值：34；表面积750；pH：10.6；水溶液稀释至0.5％。
EXP 1，前面实例中描述的两性PAM，溶解至0.5％并进一步稀释至0.05％。
EXP 2，前面实例中描述的两性PAM，溶解至0.5％并进一步稀释至0.05％。
EXP 3，前面实例中描述的两性PAM，溶解至0.5％并进一步稀释至0.05％。
APAM：FennoPol A8050 R，Kemira的高分子量干的阴离子聚丙烯酰胺保留性聚合物。
测试结果
测试计划和结果列于表6-7。使用APAM的常规排水系统的剂量为0.1-0.2kg/t(测试4-5)，因为更高的剂量也不会有助于保留性或排水。根据本发明的系统(测试6-11)改善了排水时间、滤液浊度、滤液淀粉减少和保留性。EXP 1，净电荷为阳离子的两性聚合物比净电荷为中性或阴离子的两性聚合物表现更好。
表6.测试计划、配料时间和剂量
Figure BDA0001807946670000181
表7.测试结果
Figure BDA0001807946670000191
应用实例3
纸浆制备、DDA测试和淀粉测定均如前述实例中所述，不同之处在于强韧箱纸板是来自东欧，其具有约16％的灰分和约5％的淀粉。
化学品
PAC 1：聚合氯化铝，7.5％的Al和40％的碱度。
PAC 3：聚合氯化铝，5.2％的Al和70％的碱度。
二氧化硅：结构化的胶体二氧化硅，S值：34；表面积750；pH：10.6；水溶液稀释至0.5％。
EXP 2，前面实例中描述的两性PAM，其溶解至0.5％并进一步稀释至0.05％。
测试结果
测试比较了PAC凝结剂(表8-9)和组分的剂量水平。PAC 1和PAC 3都表现良好。测试8获得最佳结果，其中测试8具有最高剂量的组分。测试2表明PAC剂量(0.375kg/t，Al)太低而不能达到最佳性能。使具有不同电荷的系统组分保持某些剂量比范围是有益的。测试5-6与测试3-4处于同一水平。这表明添加的Al含量是关键的，并且40-70％的碱度范围对于该应用是有利的。
表8.测试计划、配料时间和剂量
Figure BDA0001807946670000201
表9.测试结果
Figure BDA0001807946670000202
应用实例4
纸浆制备、DDA测试和淀粉测定均如前述实例中所述，不同之处在于将东欧强韧箱纸板分解成透明滤液，并且在DDA测试中在-30秒将250ml白水加入250ml 1％稠度的纸浆中。水的性质在表10中示出。
表10.用于测试配料制备的水的性质
透明滤液 网水
pH 6.8 6.7
浊度，NTU 158 73.6
电导率，mS/cm 1.79 2.23
电荷，μekv/l -21.4 -22.76
稠度，g/l 0.34 2.76
灰分含量，％ 50.26 49.35
Ca mg/l 460 -
悬浮的固体，g/l 4.11 -
化学品
PAC 3：聚合氯化铝，5.2％的Al和70％的碱度。
EXP 1，前面实例中描述的两性PAM，溶解至0.5％并进一步稀释至0.05％。
CPAM 2：FennoPol K3500 P，Kemira的中等分子量干的阳离子聚丙烯酰胺保留性聚合物。
膨润土：Kemira的Altonite SF，保留性膨润土。
测试结果
该实例的实验(表11-12)表明，与没有两性聚合物的系统相比，在测试5-7中的本发明的系统可以同时改善排水时间、成型后的固体和压制后的固体。在测试6-7中实现了非常好的滤液浊度，其中两性聚合物的剂量为0.5-0.7kg/t。两性聚合物也可单独使用(测试2-3)，但仅有使用所有三种组分才能获得优异的排水时间和淀粉保留性改善。
表11.测试计划、配料时间和剂量
Figure BDA0001807946670000221
表12.测试结果
Figure BDA0001807946670000222
即使参考目前似乎是最实用和优选的实施方案描述了本发明，但应理解，本发明不限于上述实施方案，且本发明还旨在涵盖落入所附权利要求书范围内的不同变型和等同的技术方案。

Claims (28)

1.一种用于纸或纸板的制造中的排水和压制脱水系统，包括
(a)两性聚丙烯酰胺，其是通过使(甲基)丙烯酰胺和1-25mol％的阳离子单体和0.1-15mol％的阴离子单体聚合而获得的共聚物；所述两性聚丙烯酰胺具有在25℃下在1M NaCl中测定的6-38dl/g的特性粘度；
(b)硅质材料的无机微颗粒；和
(c)高电荷的阳离子凝结剂，其具有在pH 6下测定的大于6meq/g的电荷密度并选自基于铝的凝结剂、有机聚合物及其混合物。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述两性聚丙烯酰胺具有在25℃下在1MNaCl中测定的6-20dl/g的特性粘度。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述两性聚丙烯酰胺具有在pH 2.7下由Mütek PCD测定的阳离子净电荷。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述两性聚丙烯酰胺在pH 2.7下由MütekPCD测定的阳离子电荷密度为0.2-4meq/g。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述两性聚丙烯酰胺是通过使(甲基)丙烯酰胺与3-25mol％的阳离子单体和0.5-9mol％的阴离子单体聚合而获得的共聚物。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述两性聚丙烯酰胺是通过凝胶聚合获得，其中聚合期间非水溶剂的含量为小于10重量％。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述两性聚丙烯酰胺的聚合物含量为至少60重量％。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述两性聚丙烯酰胺包含<0.01mol％的支化剂或交联剂。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高电荷的阳离子凝结剂是
-基于铝的凝结剂，其选自以下组成的组：硫酸铝、氯化铝、聚氯化铝(PAC)、聚硅酸铝、聚硫酸铝(PAS)、聚硫酸铝硅、铝酸钠、明矾及其任何混合物；和/或
-有机聚合物，其选自聚乙烯亚胺、多胺、聚DADMAC、聚APTAC、聚MAPTAC、聚-ADAM-Cl及其任何混合物。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包含阳离子淀粉和/或阳离子聚丙烯酰胺。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述硅质材料的无机微颗粒选自基于二氧化硅的颗粒、二氧化硅微凝胶、胶体二氧化硅、二氧化硅溶胶、二氧化硅凝胶、聚硅酸盐、铝硅酸盐、聚铝硅酸盐、硼硅酸盐、聚硼硅酸盐、沸石和可溶胀粘土。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述硅质材料的无机微颗粒选自胶体二氧化硅或膨润土。
13.根据前述权利要求中任一项所述的系统在制造牛皮纸、挂面纸板、瓦楞纸、纸袋纸、白浆衬里的粗纸板、芯板或折叠纸板箱中的用途。
14.一种制造纸或纸板的方法，其包括
-获得纤维原料，所述纤维原料包含源自再循环纤维材料、未漂白的牛皮纸纸浆和/或未漂白的半化学纸浆的纤维，由此所述纤维原料具有至少1mS/cm的电导率，
-向所述纤维原料中加入水溶性两性聚丙烯酰胺的水溶液，所述两性聚丙烯酰胺是通过使(甲基)丙烯酰胺与1-25mol％的阳离子单体和0.1-15mol％的阴离子单体聚合而获得的共聚物，所述两性聚丙烯酰胺具有在25℃下在1M NaCl中测定的6-38dl/g的特性粘度；
-向所述纤维原料中添加硅质材料的无机微颗粒；
-向所述纤维原料或向待与所述纤维原料组合的水性流中添加高电荷的阳离子凝结剂，所述高电荷的阳离子凝结剂具有在pH 6下测定的大于6meq/g的电荷密度，并选自基于铝的凝结剂、有机聚合物及其混合物，和
-将所述纤维原料形成纤维纸幅。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述两性聚丙烯酰胺以100-1000g/t干纤维原料的量加入。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，将所述两性聚丙烯酰胺加入到稠度为5-20g/l的稀浆中以改善排水性或加入到稠度>20g/l的稠浆中以改善纸张的强度性能。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述两性聚丙烯酰胺在纸或纸板机的流浆箱之前的最后剪切阶段之后加入。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述硅质材料的无机微颗粒选自基于二氧化硅的颗粒、二氧化硅微凝胶、胶体二氧化硅、二氧化硅溶胶、二氧化硅凝胶、聚硅酸盐、铝硅酸盐、聚铝硅酸盐、硼硅酸盐、聚硼硅酸盐、沸石和可溶胀粘土。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述硅质材料的无机微颗粒选自胶体二氧化硅或膨润土。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述胶体二氧化硅的无机微颗粒以100-600g/t干纤维原料的量加入，或所述膨润土的无机微颗粒以1-4kg/t干纤维原料的量加入。
21.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，将所述无机微颗粒加入到稠度为5-20g/l的稀浆中。
22.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述两性聚丙烯酰胺、无机微颗粒和高电荷的阳离子凝结剂彼此分开加入。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，在加入所述微颗粒和高电荷的阳离子凝结剂后加入所述两性聚丙烯酰胺。
24.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述凝结剂是基于铝的凝结剂，其以Al3+形式以100-700g/t干纤维原料的量加入；或所述凝结剂是有机聚合物，其以50-1000g/t干纸浆的量加入。
25.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述纤维原料包含至少20重量％的源自再循环纤维材料的纤维。
26.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述纤维原料的电导率为至少2mS/cm。
27.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，基于干的总固体，所述纤维原料的淀粉含量为至少1重量％。
28.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，基于干的总固体，所述纤维原料的灰分含量为至少10重量％。
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