CN111183255A - 表面处理组合物、其用途及纸、纸板或类似物的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包含阴离子聚丙烯酰胺和游离乙二醛的表面处理组合物，该阴离子聚丙烯酰胺的重均分子量MW在100 000‑2 000 000g/mol的范围内。此外，本发明涉及表面处理组合物的用途，纸、纸板或类似物的制造方法以及纸制品。

Description

表面处理组合物、其用途及纸、纸板或类似物的制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于在纸、纸板或类似物的表面上应用的表面处理组合物，并且涉及根据所附权利要求的表面处理组合物的用途。此外，本发明涉及纸、纸板或类似物的制造方法并且涉及纸制品。
背景技术
施胶压榨是将淀粉溶液施加到干纸张的表面上的常用方法，其能够增加纸的表面强度。该技术还可以提供其他益处，包括增加的拉伸强度和硬度，以及降低的透气性。带有淀粉的附加化学品，例如聚苯乙烯丙烯酸酯乳液(SAE)、聚苯乙烯马来酸酐(SMA)、苯乙烯丙烯酸(SAA)或聚氨酯分散体(PUD)，用于控制流体的渗透；而聚丙烯酰胺和丙烯酸共聚物用于进一步提高强度。通常，较高分子量的聚合物倾向于提供较高的纸张强度性能。然而，施胶压榨施加要求聚合物溶液的低粘度，以便可以将聚合物溶液施加到纸的表面上。如果聚合物的分子量高，则其在待施加的溶液中的浓度可能会太低，以致于该施加不具有成本效益，并且很可能强度性能也不是所需的。
乙二醛交联聚丙烯酰胺(GPAM)是一种用于提供纸张湿强度的广泛使用的合成聚合物。随着磨机排水量下降和造纸机进入碱性造纸条件，通过使用乙醛酸化聚丙烯酰胺(GPAM)湿强度树脂来形成纸张在湿端的湿强度变得越来越具有挑战性。
因此，一直需要新的造纸助剂，例如用于纸制品的湿强度和/或干强度剂，其将具有高且可控制的分子量，同时可使用而没有上述问题。
发明内容
本发明的一个目的是最小化或甚至消除现有技术中存在的缺点。
本发明的一个目的是提供一种用于处理纸、纸板等的表面的组合物，通过该组合物可以改善纸、纸板等的强度性能。特别地，目的是提供一种表面处理组合物，通过该表面处理组合物可以同时提高纸、纸板或类似物的湿强度和干强度性质。
本发明的另一个目的是提供一种通过将表面处理组合物例如在施胶压榨时施用于纸、纸板或类似物上来生产纸或纸板的方法，同时还提供了增加的湿强度和干强度性质。
本发明的又一个目的是提供一种用于生产纸、纸板或类似物的简单且成本有效的方法，该方法还改善了运转性能。
本发明的目的还在于提供一种具有改善的强度性能的纸制品。特别地，目的是提供改进的轻量涂布的高级纸。
通过使用具有以下在独立权利要求的特征部分中提出的特征的表面处理组合物和方法来实现这些目的。在从属权利要求中描述了一些优选实施方式。
本文中提到的实施方式实施例和优点在适用时涉及表面处理组合物，其用途以及用于制造纸、纸板或类似物的方法以及纸制品，即使并非总是特别指出。
用于在纸、纸板或类似物的表面上施加的典型表面处理组合物，其中该表面处理组合物包含
-阴离子聚丙烯酰胺，其平均分子量MW在100 000-2 000 000g/mol的范围内，和
-游离乙二醛。
通常，根据本发明的表面处理组合物用于表面施胶，以改善纸、纸板或类似物的湿强度和干强度性能，同时保持纸、纸板或类似物的可再制浆性。
根据本发明的用于生产纸、纸板或类似物的典型方法包括
-获得纤维原料，
-由纤维原料形成纤维幅材，
-将纤维幅材干燥至至少60％，优选至少80％，更优选至少90％的干燥度，
-在纤维幅材的表面上施加根据本发明的表面处理组合物，其中获得经表面处理的纤维幅材，和
-干燥经表面处理的纤维幅材。
根据本发明的典型纸制品可通过根据本发明的方法获得，其中该纸制品在纸表面上包含原位乙醛酸化聚丙烯酰胺。
现在，已经观察到，通过将根据本发明的表面处理组合物施用于所述纸或纸板幅材的表面上，可以改善纸或纸板的湿强度和干强度性能，使得在纸或纸板制造过程中，可以在纸或纸板表面上原位生成乙醛酸化聚丙烯酰胺网络。这种应用，例如施胶压榨应用，可以提供高分子量的聚合物，并且该聚合物可以与纤维素纤维形成牢固的共价键，其对脱水后水解也较不敏感。换句话说，本发明提供了一种原位增加聚合物分子量的方法，在该方法中，将粘度低至足够用于施胶压榨施用的阴离子聚丙烯酰胺施加到纸或纸板的表面上，并且阴离子聚丙烯酰胺的分子量通过使乙二醛与聚丙烯酰胺原位反应来增加，从而获得纸或纸板的改进的强度性能。
还已经观察到，可能在纸或纸板的以下几种强度特性中实现一些改进，即干拉伸强度、浸泡30分钟后的湿强度(代表永久湿强度)和/或STFI压缩强度，通过使用根据本发明的表面处理组合物来处理或施胶纸或纸板幅材的表面。
特别地，通过使用本发明的表面处理组合物获得的永久湿强度的改善可能是期望的，因为当制造需要永久湿强度的纸张或纸板等级时，它可以减少聚酰胺胺环氧氯丙烷(PAE)(一种常见的永久湿强度树脂)相对于纤维原料的剂量减少。降低湿强度PAE剂量将改善纸或纸板的可再制浆性，从而减少造纸厂的废品和废料量。根据本发明的表面处理组合物还提供了不含环氧氯丙烷的湿强度源。
此外，当本发明的表面处理组合物与表面施胶淀粉一起施用时，其可以为纸或纸板提供增强的湿强度以及干强度性质。还已经观察到，它通过进一步改善淀粉膜形成性能而增加了纸硬度。另外，可以用较少量的淀粉获得期望的表面性能。另外，根据本发明的表面处理组合物可以进一步包含疏水施胶聚合物，例如苯乙烯-丙烯酸酯聚合物(SAE)，其可以单独或与淀粉一起施用，以改善施胶。当将疏水施胶聚合物用于根据本发明的表面处理组合物中时，可以补偿通常由疏水施胶聚合物引起的强度损失。不希望受到任何理论的束缚，认为至少一些益处可能是由于通过原位乙醛酸化引起的阴离子聚丙烯酰胺与淀粉和/或疏水施胶聚合物之间相互作用的增加而产生的，包括形成新的化学键，例如通过交联和/或物理缠结。
附图说明
将参照附图更详细地描述本发明，其中
图1示出了根据实施例2的干拉伸强度结果，
图2示出了根据实施例2的在浸泡30分钟后的湿拉伸强度结果，并且
图3示出了根据实施例2的STFI压缩测试结果。
具体实施方式
本发明涉及用于在纸张、纸板或类似物的表面上应用的表面处理组合物，该组合物包含阴离子聚丙烯酰胺和游离乙二醛。表面处理组合物包含游离乙二醛，其是指未反应的乙二醛，并且其是包含至少两个醛官能团的组分，其能够与存在于阴离子聚丙烯酰胺中的酰胺基形成共价键。优选地，根据本发明的表面处理组合物为水溶液或分散体的形式。
根据本发明的一个实施方式，表面处理组合物可以进一步包含乙醛酸化聚合物，优选地乙醛酸化聚丙烯酰胺。当将游离乙二醛或游离乙二醛与乙醛酸化聚合物的组合与阴离子聚丙烯酰胺一起施用于纸张或纸板表面上时，醛官能团与阴离子聚丙烯酰胺之间的键形成是在纸张和纸板制造过程期间原位进行的。乙二醛每克比乙醛酸化聚合物提供更多的醛基，另一方面，分子量非常低，因此可以提供更好地控制表面处理组合物的粘度。
已经观察到，当将根据本发明的包含阴离子聚丙烯酰胺的表面处理组合物加入到可能至少略微阴离子化的表面施胶淀粉中时，不会引起电荷冲击。原则上，也可以使用非离子聚丙烯酰胺，因为它会与乙二醛反应，但是然后它会缺少有助于强度产生的阴离子单体的羧基。
根据本发明的表面处理组合物的阴离子聚丙烯酰胺(APAM)可以是(甲基)丙烯酰胺与至少一种阴离子单体(例如不饱和羧酸单体)的线性或交联共聚物。优选地，阴离子单体选自不饱和一元或二元羧酸，例如丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸、衣康酸、巴豆酸、异巴豆酸及其任何组合。还可以包括其他阴离子单体，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磷酸酯。阴离子单体可为酸形式，作为其相应的水溶性或可分散的碱金属、碱土金属和铵盐，及其任何组合。根据一个优选的实施方式，阴离子聚丙烯酰胺包含丙烯酰胺和不饱和羧酸单体，例如(甲基)丙烯酸、马来酸、巴豆酸、衣康酸或其任何组合的共聚物。优选地，阴离子聚丙烯酰胺包括丙烯酰胺和丙烯酸的共聚物，或丙烯酰胺和衣康酸的共聚物，或丙烯酰胺和甲基丙烯酸的共聚物。阴离子聚丙烯酰胺还可包含部分水解的聚(甲基)丙烯酰胺，其可通过以下方式获得：将(甲基)丙烯酰胺单体聚合以获得聚(甲基)丙烯酰胺，然后将聚(甲基)丙烯酰胺进行部分酸或碱水解以获得阴离子聚丙烯酰胺。
根据本发明的一个优选的实施方式，阴离子聚丙烯酰胺可以3:97至30:75或3:97至30:70，优选5:95至20:80或5:95至15:85的摩尔比包含阴离子单体和(甲基)丙烯酰胺，以获得期望的纸湿强度性能。聚合物中存在的羧基越多，强度生成越好，但是如果存在太多的阴离子单体，则没有足够的丙烯酰胺，需要其酰胺基团与醛反应，然后原位形成的乙醛酸化聚丙烯酰胺的分子量保持较低，具有较低的强度生成。
除丙烯酰胺和阴离子单体之外，阴离子聚丙烯酰胺还可包含少量其他聚合添加剂，例如交联剂单体。合适的交联剂单体的实例是亚甲基双丙烯酰胺。然而，这些聚合添加剂的量很小，例如＜1000ppm，通常＜600ppm，更通常＜100ppm，有时甚至＜10ppm。
根据本发明的一个实施方式，阴离子聚丙烯酰胺的阴离子度为3-30mol-％，优选为5-20mol-％，例如5-15mol-％。
阴离子聚丙烯酰胺可以通过溶液聚合、乳液聚合、分散聚合或凝胶聚合获得。因此，阴离子聚丙烯酰胺可以是溶液聚合物、乳液聚合物、分散聚合物或干粉的形式。优选地，阴离子聚丙烯酰胺是干固体含量为10–30wt％的溶液聚合物，可更轻松地制备表面处理组合物。如果使用干聚合物，则在使用前可将其溶解并稀释至水中，以获得0.5–3wt％的聚合物质浓度。
根据本发明的一个优选的实施方式，阴离子聚丙烯酰胺的平均分子量MW在100000-2 000 000g/mol的范围内，优选在200 000-1 000 000g/mol的范围内。当阴离子聚丙烯酰胺的平均分子量为100 000g/mol或更高时，可以通过阴离子聚丙烯酰胺的原位乙醛酸化获得良好的强度性能。阴离子聚丙烯酰胺的分子量影响聚合物溶液的粘度，因此影响其通过施胶压榨的适用性。阴离子聚丙烯酰胺可通过施胶压榨以合理的浓度施用，甚至高达平均分子量为2 000 000g/mol。如果阴离子聚合物的分子量较高，则应在表面处理组合物中使用其较低的浓度以提供通过施胶压榨的适用性，这意味着要在纸张表面上施加更高量的水，因此对干燥能力的要求也更高，甚至会增加幅材断裂的风险。
“平均分子量”的值反映了聚合物链长的大小。重均分子量值可以通过尺寸排阻色谱法例如GPC(凝胶渗透色谱法)测量。可备选地，平均分子量值可以由通过使用乌氏毛细管粘度计在25℃下在1N NaCl中以已知方式测量的特性粘度结果计算。选择的毛细管是合适的，并且在测量中可以使用常数K＝0.005228的乌氏毛细管粘度计。然后，可以使用Mark-Houwink方程[η]＝K·Ma，以已知方式由特性粘度结果计算平均分子量，其中[η]是特性粘度，M分子量(g/mol)，且K和a是在针对聚(丙烯酰胺)的聚合物手册(Polymer Handbook)，第四版，第2卷，编辑：J.Brandrup,E.H.Immergut和E.A.Grulke,John Wiley&Sons,Inc.,USA,1999,p.VII/11中给出的参数。因此，参数K的值为0.0191ml/g，且参数a的值为0.71。针对在使用条件中的参数给出的平均分子量范围为490,000-3,200,000g/mol，但相同的参数可用于描述还在该范围之外的分子量的大小。
具有最佳分子量的阴离子聚丙烯酰胺可以通过干燥阴离子聚丙烯酰胺的降解而获得。通常，降解的阴离子聚丙烯酰胺可通过使用降解剂在水溶液中裂解阴离子高分子量(HMW)聚丙烯酰胺的主链而获得，从而与原始的阴离子HMW聚丙烯酰胺相比，提供具有降低的标准粘度和分子量的降解的阴离子聚丙烯酰胺。以这种方式，可以受控方式在水溶液中降低原始阴离子HMW聚丙烯酰胺的分子量。如本文所用，术语“降解剂”是指当在水性环境中时通过裂解聚丙烯酰胺的主链，即聚丙烯酰胺聚合物的主链为片段，能够降低阴离子聚丙烯酰胺的标准粘度的任何化合物或化合物的混合物。在降低包含聚丙烯酰胺的水性介质的粘度中可以看出降解剂的效果和聚合物主链的裂解。降解的阴离子聚丙烯酰胺的水溶液通常可通过将干燥的阴离子聚丙烯酰胺和干燥的降解剂的混合物溶解在水性介质中而获得。干燥的阴离子聚丙烯酰胺在环境温度下，在适量的降解剂存在下，容易降解并溶解在诸如水的水性介质中，从而获得包含降解的阴离子聚丙烯酰胺的溶液。干燥或液体形式的降解剂也可以在阴离子聚丙烯酰胺溶解期间掺入。水溶液的聚合物浓度可为0.1-10wt-％，优选为0.2-5wt-％，更优选为0.3-4wt-％。所得降解的阴离子聚丙烯酰胺被化学降解。可以使用常规的溶解设备来制备降解的阴离子聚丙烯酰胺。
降解剂可以是能够破坏，即将水性环境中的阴离子聚丙烯酰胺的主链裂解成较小的聚合物片段的任何化合物或化合物的混合物。这具有降低阴离子聚丙烯酰胺聚合物的标准粘度的作用。降解剂可以选自能够将阴离子聚丙烯酰胺的标准粘度降低至少10％，优选降低至少20％，更优选降低至少30％，甚至更优选降低至少50％的化合物或化合物的混合物。作为比较，从例如(甲基)丙烯酰胺基共聚物的侧链的官能团的纯粹水解不会导致粘度的充分降低。在一个实施方式中，降解剂选自氧化降解剂、还原降解剂或其任何组合。优选地，降解剂是还原降解剂。在一个实施方式中，氧化降解剂选自过碳酸钠、次氯酸钠、过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、过氧化氢、过硼酸钠或其任何组合。在一个实施方式中，还原降解剂选自铁化合物、硼氢化钠(NaBH4)、连二亚硫酸钠及其任何组合。在优选的实施方式中，降解剂包含铁化合物。该化合物有利地是亚铁化合物，例如亚铁盐，或铁化合物，例如铁盐，这些可以干粉形式获得。降解剂也可以是溶液形式。铁化合物通常是环境友好的化合物。术语亚铁根据其习惯含义使用以表示二价铁化合物(+2氧化态或Fe(II))。术语铁根据其习惯含义用于表示三价铁化合物(+3氧化态或Fe(III))。在一个示例性实施方式中，亚铁盐包含有机阴离子、无机阴离子或其混合物。在一个有利的实施方式中，亚铁盐是柠檬酸亚铁、氯化亚铁、溴化亚铁、氟化亚铁、硫酸亚铁、硫酸铵铁或其组合。在一个实施方式中，含铁降解剂包含硫酸亚铁。在一个示例性实施方式中，铁盐包含有机阴离子、无机阴离子或其混合物。在示例性实施方式中，铁盐是柠檬酸铁、氯化铁、溴化铁、氟化铁、硫酸铁及其组合。用于本公开的最有利的聚合物降解剂是硫酸铁(II)。硫酸铁，特别是硫酸亚铁，能够在环境条件下溶解和降解，而其他降解剂需要升高的温度才能获得相同的聚合物降解效果。通过调节环境温度下的降解剂含量，可以轻松地控制阴离子干聚丙烯酰胺在水中的降解，使其达到任何分子量范围。所获得的降解的阴离子聚丙烯酰胺可以用于根据本发明的表面处理组合物中。
根据本发明的一个实施方式，所述表面处理组合物可以包含基于干重的重量比为75:25至25:75的阴离子聚丙烯酰胺和乙醛酸化聚合物。
根据本发明的一个实施方式，从阴离子聚丙烯酰胺(干/干)计算的，表面处理组合物包含至少0.2wt-％，或0.2-99wt-％，优选至少1wt-％，或1-99wt-％的游离乙二醛。如果表面处理组合物进一步包含淀粉，则表面处理组合物中的游离乙二醛的量可以变化。在淀粉的存在下，从阴离子聚丙烯酰胺(干/干)计算的，该表面处理组合物可以包含至少1wt-％，优选至少10wt-％或20wt-％的游离乙二醛。取决于表面处理组合物是否进一步包含淀粉，表面处理组合物中的游离乙二醛的量可以变化。在一些实施方式中，特别是在淀粉的存在下，从阴离子聚丙烯酰胺(干/干)计算的，表面处理组合物可包含至少1wt-％，例如1-99wt-％，优选至少10wt-％，例如10-90wt-％，更优选至少20wt-％，例如20-80wt-％的游离乙二醛。在一些其他实施方式中，尤其是在不存在淀粉的情况下，从阴离子聚丙烯酰胺(干/干)计算的，该表面处理组合物可以包含0.2-10wt-％，优选1-10wt-％，且更优选1-6wt-％的游离乙二醛。
在本发明的一个实施方式中，根据本发明的表面处理组合物的pH低于5，优选低于4，且更优选低于3。pH值越低，表面处理组合物的稳定性越好，因此在储存和分配过程中可能更容易防止被组合物中存在的醛官能团交联的聚丙烯酰胺，从而防止表面处理组合物胶凝。表面处理组合物的混合物也可以就在使用之前在造纸厂现场制备。
根据本发明的一个优选的实施方式，表面处理组合物在水性介质中包含阴离子聚丙烯酰胺、游离乙二醛和淀粉。根据本发明的表面处理组合物可以是例如，表面施胶组合物或预涂组合物或颜料涂料组合物。
在根据本发明的表面处理组合物中使用的淀粉可以是通常用于表面施用的任何淀粉。优选地，淀粉是降解的淀粉，更优选地是降解和溶解的淀粉。降解淀粉可以通过使淀粉进行氧化、热、酸性或酶促降解而获得。如本文所用，降解淀粉还指改性的表面施用淀粉，例如淀粉酯、淀粉醚、乙基化淀粉或丙基化淀粉。根据本发明的一个优选的实施方式，淀粉是酶处理的，即酶降解或热降解的淀粉。例如，淀粉可以在造纸厂或制板厂现场被酶降解，并在施胶站与阴离子聚丙烯酰胺混合。降解的淀粉可以是降解的不带电荷的天然淀粉，也可以是轻微阴离子降解的淀粉。
淀粉可以是用于表面施胶的任何合适的淀粉，例如马铃薯、大米、玉米、糯玉米、小麦、大麦或木薯淀粉，优选为玉米淀粉。已经观察到，当将阴离子聚丙烯酰胺与淀粉组合使用时，用根据本发明的表面处理组合物获得的纸和纸板的施胶结果，特别是各种强度性能，出乎意料地得到了改善。淀粉可以帮助控制阴离子聚丙烯酰胺在纤维幅材中的渗透。
根据本发明，从表面处理组合物的干含量计算的，表面处理组合物可以包含99.5-1wt-％，优选95-55wt-％的淀粉，优选为降解的淀粉。
根据本发明的一个方面，已经观察到在高温下将根据本发明的表面处理组合物添加到9％淀粉施胶压榨溶液中并没有显着增加淀粉溶液粘度，这对于施胶压榨操作是典型的。还发现含有根据本发明的表面处理组合物的施胶压榨溶液在高温下稳定延长的循环时间。
在根据本发明的一个实施方式中，表面处理组合物还可包含疏水施胶聚合物，优选苯乙烯丙烯酸酯聚合物(SAE)、苯乙烯马来酸酐聚合物(SMA)、苯乙烯马来酸酐酯聚合物(SMAE)、苯乙烯丙烯酸聚合物(SAA)、乙烯丙烯酸聚合物(EAA)、聚氨酯分散体(PUD)或其任何变体或组合。除了阴离子聚丙烯酰胺，游离乙二醛和疏水性施胶聚合物，例如SAE，根据本发明的表面处理组合物可以任选地包含淀粉。当需要提高纸张表面的耐水性时，例如为了防止纸张被水或油墨模糊，例如增加水或着墨性能，以及改善可印刷性，例如胶版印刷以及喷墨印刷，包含疏水施胶聚合物例如SAE的实施方式可能是有益的。另外，在表面处理组合物中使用疏水施胶聚合物也可能对粉尘、色料附着性、光滑度和透气性产生积极影响，并可以减少AKD施胶纸张等级的酮迁移。与仅使用单独的疏水施胶聚合物或任选地与淀粉一起相比，乙二醛、阴离子聚丙烯酰胺和疏水施胶聚合物的组合，任选地与淀粉一起，可提供施胶效率的进一步改善，如例如通过Hercules施胶测试和/或初始湿拉伸强度测量的。另外，通过使用该实施方式的特定表面处理组合，可以部分或全部或甚至除此之外补偿通过使用单独的疏水施胶聚合物引起的潜在的干拉伸强度损失。尽管也可以通过在表面施胶组合物中施加增加剂量的疏水施胶聚合物来提高施胶效率和初始湿拉伸强度，但是由于疏水施胶聚合物剂量的增加而导致的缺点，对于某些纸等级来说，这可能是不希望的。使用根据本发明的本实施方式，可以在不增加疏水施胶聚合物剂量的情况下实现相同的优点。但是当需要时，通过使用根据本发明的本实施方式，也可以增加疏水施胶聚合物的剂量，同时补偿其一些缺点，例如降低的干拉伸强度。
根据本发明的一个优选的实施方式，从组合物的总重量计算的，表面处理组合物的干含量为2-25wt-％，优选为5-25wt-％，更优选为10-20wt-％，其中最适用于例如施胶压榨施用。
根据本发明的表面处理组合物特别用于提高纸、纸板或类似物的强度性能。还已经观察到，根据本发明的表面处理组合物在不降低可再制浆性的同时提高了永久湿强度。与不使用根据本发明的表面处理组合物的纸相比，可再制浆性可以保持在良好的水平或不劣化。特别地，与使用PAE湿强度树脂制造的参考纸相比，可再制浆性提高。根据本发明的一个实施方式，表面处理组合物特别适合于处理选自高级纸或印刷纸的纸的表面。根据本发明的一个实施方式，该表面处理组合物还适用于处理纸板的表面，其用于制造饮料载体。这些纸等级由于本发明的改进的湿强度而受益匪浅，因为它们的制造或使用通常需要重新润湿或施加湿气，因此它们容易遭受幅材损坏。
根据本发明的一个实施方式，用于生产纸、纸板或类似物的方法包括
-获得纤维原料，
-由纤维原料形成纤维幅材，
-将纤维幅材干燥至至少60％，优选至少80％，更优选至少90％的干燥度，
-在纤维幅材的表面上施加根据本发明的表面处理组合物，其中获得经表面处理的纤维幅材，和
-干燥经表面处理的纤维幅材。
根据本发明的一个实施方式，当幅材的干燥度＞60％，优选＞80％时，将表面处理组合物施加在纤维幅材例如纸或纸板幅材的表面上。根据一个实施方式，在将表面处理组合物施加到纤维幅材的表面上之前，将纤维幅材干燥至至少90％的干燥度。将根据本发明的表面处理组合物在具有较低干燥度的幅材上的湿端添加是不利的，因为组分且尤其是游离的乙二醛可能不能充分保留，因此要在干燥区段添加。
根据本发明的一个实施方式，表面处理组合物的施加温度＞50℃，优选为50-90℃，更优选为65-85℃，甚至更优选为60-80℃。这改善了表面处理组合物的稳定性，特别是当其包含淀粉组分时。因此，根据本发明的表面处理组合物甚至耐受高施用温度，而没有降解或其他负面影响。本发明的表面处理组合物可以按常规的表面施胶装置如计量施胶压榨、池式施胶压榨或喷雾施胶机施涂在纸、纸板或类似物的表面上。
根据一些实施方式，基于纸、纸板或类似物例如其单层，基于干重，纤维原料包含至少50％，优选至少60％，例如至少70％或至少80％，或甚至高达约100％的再生纤维材料。这些实施方式可以从本发明中明显受益，因为从回收的纤维材料获得的纤维可能经历了几轮的再利用，这降低了纤维的固有强度和诸如纤维长度的一般品质，从而使纸的最终使用性能劣化，尤其是强度。降低的固有强度可能增加纸幅断裂的风险，从而不利地影响生产率和整体工艺效率。
特别地，已经观察到，将具有施胶压榨淀粉溶液的根据本发明的表面处理组合物施涂到纸或纸板表面上，所得纸或纸板具有比使用聚丙烯酰胺与施胶压榨淀粉的混合物更高的永久湿强度(30分钟浸泡湿拉伸强度)。通过表面施涂改善湿强度，可以减少纤维原料中湿强度剂的剂量。通过表面施加增加永久湿强度，可再制浆性可能不会受到影响，例如在纤维原料中添加永久湿强度剂(例如PAE)时可能会出现这种情况。
根据本发明的表面处理组合物和用于生产纸、纸板或类似物的方法可提供进一步的益处，即由于在碎浆机中可使用较少的苛刻条件来分解损纸，因此无法使用的经表面处理的纤维幅材即损纸的再利用得到增强，且废品量可能会减少。此外，当在表面处理组合物中使用淀粉，尤其是降解的淀粉时，乙二醛、阴离子聚丙烯酰胺和淀粉之间的原位反应可使淀粉与其他材料缔合或形成网状，从而提高其分子量和/或制浆损纸中的电荷。这样，更容易将淀粉保留在使用源自表面处理的纤维幅材的制浆损纸制成的纤维幅材中，从而减少循环水中淀粉的含量和积累，降低COD，甚至减少湿端添加剂的消耗。
在本发明的一个实施方式中，以干重计算的，表面处理组合物施加于纸或纸板幅材的表面上的量使得表面处理组合物的剂量为干燥时约0.5-80kg/吨纸/纸板，优选为干燥时约1-40kg/吨或1-30kg/吨的纸/纸板。可以将表面处理组合物施加在纤维幅材的一侧上或纤维幅材的两侧上。
根据本发明的方法，有利的是，在施用根据本发明的表面处理组合物之后还存在干燥步骤，以促进组合物中存在的醛基与阴离子聚丙烯酰胺和与带有羟基、胺、酰胺或与能够与乙二醛反应的其他基团的其他材料的反应。原则上，可以使用任何常规的干燥温度和条件，例如95-120℃。温度越高，越多的醛基可与阴离子聚丙烯酰胺反应。此外，当通过施胶压榨将根据本发明的表面处理组合物施涂到纸或纸板的表面上时，可以提高聚合物保留和工作效率。与湿部施加相比，通过施胶压榨应用所施加的化学物质的保留率可接近100％。本发明的另一个优点是，由于可以通过表面施加代替普通强度添加剂的湿部施加来提高纸张强度，因此可以减少或避免在纤维原料中添加普通强度添加剂的缺点，例如在排水、脱水、絮凝或形成上。
根据本发明的一个实施方式，该方法可以进一步包括用涂料组合物涂覆经表面处理的纤维幅材和干燥该经涂覆的纤维幅材。根据本发明的方法中使用的涂料组合物可以是通常使用的任何涂料组合物，这取决于要制造的纸或纸板的期望性能。
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式和方面。
实施例1
APAM1是通过溶液聚合获得的阴离子聚丙烯酰胺，固体含量为20wt％。APAM1和乙二醛(40wt-％)的混合物以干基为70:30的重量比通过将这两种化学物质和稀释水物理混合而制备。混合物的最终干含量为16.1wt-％。将其与降解的淀粉溶液进一步混合。
本实验中使用的表面处理组合物示于表1。
通过使用实验室施胶压榨单元进行表面施涂。通过将淀粉和其他化学物质共混制成的施胶压榨溶液的吸收率由处理前后纸张之间的差异确定。为了在典型的造纸机上模拟商业施胶压榨操作条件，将施胶压榨溶液的温度保持在约70℃。
原纸：中试机器制造ASA施胶纸，其基重为33lb/3300ft2，15.8％的灰分含量，HST值为6-8秒。
施胶压榨淀粉：使用实验室淀粉蒸煮器烹饪7.8％Ethylex 2025施胶压榨淀粉。
纸张固化：在对纸张样品进行表面处理后，使用中试鼓式干燥机将其在约105℃的温度下干燥，然后在强风型干燥箱中在105℃下固化15分钟。
表1：纸张强度结果
Figure BDA0002429065550000161
Figure BDA0002429065550000171
*)与淀粉对照相比增加(％)
通过施胶压榨纸表面处理观察到APAM1和乙二醛的混合物的湿强度协同作用。尽管稍微较低的聚合物剂量(本发明运行#4的增强剂中为10lb的APAM1，与运行#3中的APAM1的14lb相比)，但在施胶压榨淀粉溶液中添加阴离子聚丙烯酰胺和游离乙二醛的混合物与对照条件(即，单独的淀粉)以及与APAM1对照相比显着提高纸张湿拉伸强度。
实施例2
原纸来自再生纸板等级(OCC)，内部尺寸为2.5lb/吨的AKD。
实验：
施胶压榨研究：将原纸切成6英寸×10英寸的尺寸。将口径182淀粉以13％的固体含量蒸煮，然后进一步稀释至12％。加入强度添加剂后，将施胶压榨溶液转移到平底锅中。将纸张浸入并完全浸没在溶液中，然后立即取出。之后，纸张以75％的压力和3m/min的速度设置通过Werner Mathis印刷机。监测湿拾取，并且将纸张在105℃下干燥。在进行纸张物理测试之前，将纸张在23℃的恒温和50％R.H的湿度下调节过夜。
拉伸强度，干燥：通过对样品施加恒定的伸长率并记录纸和纸板的三种拉伸断裂特性来测量拉伸强度：断裂样品所需的每单位宽度的力(拉伸强度)，断裂百分比伸长率(拉伸)和断裂前样品在单位面积上吸收的能量(拉伸能量吸收)。此方法适用于所有类型的纸张，但不适用于瓦楞纸板。此过程参考了TAPPI测试方法T494。每个条件进行十二次测量。使用了Thwing-Albert QC3A拉伸测试仪。
拉伸强度，浸泡30分钟：通过将样品条在去离子水中润湿30分钟，从样品中除去多余的水，然后对样品施加恒定的伸长率，并记录断裂样品所需的每单位宽度的力，来测量拉伸强度。这是拉伸强度，它是试样断裂前产生的最大拉伸应力。此方法最常用于纸巾和纸板。此过程参考了TAPPI测试方法T456。使用Thwing-Albert QC3A拉伸测试仪进行八次测量。
STFI压缩：STFI压缩测试(零跨度)用于确定纸板应用的抗压强度。将试样放置在两个相互紧迫的夹具中直到发生压缩破坏。测量导致失效的最大力，并以磅力/英寸或kN/m为单位进行报告。值越高，纸板的压缩强度越高。该测试遵循TAPPI测试方法826pm-92：盒纸板的短跨度压缩强度。使用L&W压缩强度测试仪STFI，在每种情况下至少对CD进行12次测量，对MD进行4次测量，并报告平均值和标准偏差。
干拉伸强度结果显示在图1中，浸泡30分钟后代表永久湿强度的湿拉伸结果显示在图2中，且STFI压缩结果显示在图3中。与具有淀粉的阴离子聚丙烯酰胺APAM1相比，包含根据本发明的增强剂和淀粉的表面处理组合物在30分钟的浸泡时显示出21.4％的拉伸强度增加，并且比淀粉对照高15.2％。对于干拉伸强度，包含根据本发明的增强剂和淀粉的表面处理组合物比具有淀粉的阴离子聚丙烯酰胺APAM1提高6.3％，并且与淀粉对照相比提高11.1％。而且，与淀粉对照和具有淀粉的APAM1相比，通过包含根据本发明的增强剂和淀粉的表面处理组合物，STFI压缩强度的改善显着增加。STFI对许多纸板等级来说都是非常重要的强度性质，它表征了纸板对例如在堆叠纸板箱时所需的侧向压碎力的抵抗力。然而，与许多其他强度特性(如干拉伸强度)相比，增加要困难得多。

Claims (18)

1.用于在纸、纸板或类似物的表面上施加的表面处理组合物，其中所述表面处理组合物包含
-阴离子聚丙烯酰胺，其平均分子量MW在100 000-2 000 000g/mol的范围内，和
-游离乙二醛。
2.根据权利要求1所述的表面处理组合物，其中所述表面处理组合物的pH低于5、优选低于4、更优选低于3。
3.根据权利要求1或2所述的表面处理组合物，其中以所述组合物的总重量计算，所述表面处理组合物的干含量为2-25wt-％、优选为5-25wt-％、且更优选为10-20wt-％。
4.根据前述权利要求中任一项所述的表面处理组合物，其中所述表面处理组合物还包含乙醛酸化聚合物，优选为乙醛酸化聚丙烯酰胺。
5.根据前述权利要求中任一项所述的表面处理组合物，其中所述阴离子聚丙烯酰胺的重均分子量在200 000-1 000 000g/mol的范围内。
6.根据前述权利要求中任一项所述的表面处理组合物，其中所述阴离子聚丙烯酰胺包含丙烯酰胺和不饱和羧酸单体例如(甲基)丙烯酸、马来酸、巴豆酸、衣康酸或其任何组合的共聚物。
7.根据前述权利要求中任一项所述的表面处理组合物，其中所述阴离子聚丙烯酰胺包含摩尔比为3:97至30:75、优选地摩尔比为5:95至20:80的阴离子单体和(甲基)丙烯酰胺。
8.根据前述权利要求中任一项所述的表面处理组合物，其中以阴离子聚丙烯酰胺(干/干)计算，所述表面处理组合物包含至少0.2wt-％、或0.2-99wt-％、优选至少1wt-％、或1-99wt-％的游离乙二醛。
9.根据前述权利要求1-7中任一项所述的表面处理组合物，其中所述表面处理组合物包含淀粉，优选为降解的淀粉。
10.根据权利要求9所述的表面处理组合物，其中以阴离子聚丙烯酰胺(干/干)计算，所述表面处理组合物包含至少1wt-％、优选至少10wt-％、或更优选至少20wt-％的游离乙二醛；或1-99wt-％、优选10-90wt-％、更优选20-80wt-％的游离乙二醛。
11.根据前述权利要求中任一项所述的表面处理组合物，其中所述表面处理组合物包含疏水表面施胶聚合物，优选苯乙烯丙烯酸酯聚合物、苯乙烯马来酸酐聚合物、苯乙烯马来酸酐酯聚合物、苯乙烯丙烯酸聚合物、乙烯丙烯酸聚合物、聚氨酯分散体或其任何变体或组合。
12.根据前述权利要求中任一项所述的表面处理组合物，其中以所述表面处理组合物的干含量计算，所述表面处理组合物包含99.5-1wt-％、优选95-55wt-％的量的降解淀粉。
13.根据前述权利要求中任一项所述的表面处理组合物在改善纸、纸板或类似物的强度特性的同时保持纸、纸板或类似物的可再制浆性的用途。
14.纸、纸板或类似物的制造方法，所述方法包括
-获得纤维原料，
-由所述纤维原料形成纤维幅材，
-将所述纤维幅材干燥至至少60％、优选至少80％、更优选至少90％的干燥度，
-将根据前述权利要求1至12中任一项所述的表面处理组合物施用于所述纤维幅材的表面，其中获得经表面处理的纤维幅材，和
-干燥所述经表面处理的纤维幅材。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述表面处理组合物的施加温度为50-90℃、优选为65-85℃。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述表面处理组合物施加的量使得所述表面处理组合物的剂量为干燥时约0.5-80kg/吨纸/纸板、优选为干燥时约1-30kg/吨纸/纸板。
17.根据权利要求14至16中的任一项所述的方法，其中所述方法还包括
-用涂料组合物涂覆所述经表面处理的纤维幅材，和干燥经涂覆的所述纤维幅材。
18.一种通过根据前述权利要求14至17中任一项所述的方法获得的纸制品。
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