CN117396647A - 生产纸张和纸板的方法 - Google Patents

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加蒂安·福谢
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Abstract

本发明涉及一种由纤维悬浮液生产纸张或纸板的方法，该方法包括以下步骤：将聚合物P2注入纤维悬浮液中，b)形成纸张或纸板，c)干燥纸张或纸板，在步骤a)之前，由固体颗粒形式的水溶性聚合物P1制备聚合物P2，P1由至少一种选自丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N,N‑二甲基丙烯酰胺和丙烯腈的非离子单体组成，将聚合物P1进行反应Re以产生聚合物P2，该反应Re包括将聚合物P1的固体颗粒加入和溶解在以下物质的水溶液M1中：(i)碱金属氢氧化物和/或碱土金属氢氧化物，(ii)碱金属次卤化物和/或碱土金属次卤化物，然后反应时间为10秒至5小时。

Description

生产纸张和纸板的方法
技术领域
本发明涉及一种具有改善的排水性能和可加工性能的生产纸张或纸板的方法。更具体地，本发明涉及一种方法，其涉及固体颗粒形式的水溶性聚合物在氢氧化物(碱金属氢氧化物和/或碱土金属氢氧化物)与次卤化物(碱金属次卤化物和/或碱金属次卤化物)的混合物中的反应，随后将被直接注入用于生产纸张或纸板的纤维悬浮液中。
本发明还涉及通过这种方法获得的具有改善的物理性能的纸张和纸板。
背景技术
造纸工业一直在寻求优化其纸张或纸板的生产方法，更特别地是在产量、生产率、成本降低和成品质量方面。
已经非常广泛地描述了聚合物作为干强剂、排水剂和可加工(machinability)剂的用途。
排水性能是指纤维垫在干燥段之前去除或排出最大水量的能力。改善的排水性能是指节能和提高的生产能力。
可加工性是指通过在网案(table)上更好地排水、在压榨部更好地干燥、通过更大的回路清洁度减少破损以及减少沉积物来提高生产率，从而优化造纸机的操作。
WO 2006/075115描述了一种分别使用至少两种干强剂生产纸张或纸板的方法：
-通过在(共)聚合物基础上进行霍夫曼(Hofman)降解反应获得的第一试剂，
和
-对应于阴离子电荷密度大于0.1meq/g的(共)聚合物的第二试剂。
US 4,110,520描述了固体形式的聚合物的改性。该聚合物在其改性过程中不溶解。
EP 2 536 489描述了一种用于分散和研磨聚合物的装置。
EP 2 840 100描述了通过多官能化合物将聚合物官能化。
US 5,292,821描述了一种使用阳离子聚丙烯酰胺生产纸张的方法。
已知聚乙烯胺可以改善造纸过程中的排水。
聚乙烯胺可以通过使聚丙烯酰胺在碱金属氢氧化物和/或碱土金属氢氧化物和碱金属次卤化物和/或碱土金属次卤化物的混合物中的溶液反应，然后在酸性介质中处理来获得。
当反应直接在将产品注入纤维悬浮液中以获得纸张或纸板之前进行时，只进行溶液中的聚丙烯酰胺与碱金属或碱土金属氢氧化物和次卤化物的反应。
然而，这种对聚丙烯酰胺溶液的需要意味着将它们运输到造纸厂，或者需要在造纸厂中具有用于溶解颗粒形式的聚合物的设备。在这两种情况下，聚合物溶液库存或溶解设备的占地面积仍然很大。
此外，聚丙烯酰胺上的这种反应需要加热反应介质，并且还需要交换器以便在反应结束时调节其温度。
发明内容
出乎意料地，申请人发现了一种方法，其涉及固体颗粒形式的水溶性聚合物在氢氧化物(碱金属氢氧化物和/或碱土金属氢氧化物)与次卤化物(碱金属次卤化物和/或碱金属次卤化物)的混合物中的反应，随后被直接注入用于生产纸张或纸板的纤维悬浮液中，使得可以改善排水和干强度性能。
该方法还可以避免水溶性聚合物溶液处理中固有的整个物流方案(溶解单元的运输或安装)。
此外，当聚合物在碱金属和/或碱土金属氢氧化物和次卤化物的反应混合物中的溶解非常迅速时，并且当不需要加热反应介质或使用热交换器时，该方法变得更加简单。
“碱(alkali)”指碱金属，有利地是锂、钠或钾。“碱金属氢氧化物”指至少一种碱金属的氢氧化物(OH-)，例如NaOH、KOH或NaOH+KOH。这同样适用于碱土金属氢氧化物。
“碱土(alkaline earth)”指碱土金属，有利地是钙或镁。
次卤化物是含氧阴离子，例如次氯酸根ClO-。
“碱金属次卤化物”指至少一种碱金属的次卤化物和至少一种次卤化物，例如NaOCl、KOBr或NaOCl+KOBr。这同样适用于碱土金属次卤化物。
最后，由于固体颗粒形式的水溶性聚合物的分子量范围很大，因此与使用水溶液形式的聚丙烯酰胺的类似方法相比，本发明的方法使得可以增加排水剂和干强剂的当前范围。
更具体地，本发明涉及一种由纤维悬浮液生产纸张或纸板的方法，该方法包括以下步骤：
a)将聚合物P2注入纤维悬浮液(有利地为纤维素纤维的水性悬浮液)中，
b)形成纸张或纸板，
c)干燥纸张或纸板，
在步骤a)之前,由固体颗粒形式的水溶性聚合物P1制备聚合物P2，P1为至少一种选自丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺和丙烯腈的非离子单体的水溶性聚合物，
该聚合物P2通过反应Re获得，该反应Re包括(有利地由以下组成)将水溶性聚合物P1的固体颗粒加入和溶解在水溶液M1中，该水溶液M1包括：(i)碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物或其混合物，(ii)碱金属次卤化物或碱土金属次卤化物或其混合物，
加入水溶性聚合物P1颗粒后，反应Re的反应时间为10秒至5小时。
因此，在反应Re过程中，水溶性聚合物P1溶解在水溶液M1中。
有利地，步骤a)在从反应Re开始算起不超过24小时的时间内进行，也就是说从水溶性聚合物P1的固体颗粒加入水溶液M1算起。
在说明书的后续部分和权利要求中，所有以g.t-1或kg.t-1表示的聚合物剂量都是以每吨干物质中聚合物的重量给出的。干物质是在生产纸张或纸板的方法中使用的纤维悬浮液中的水蒸发后获得的干提取物。干物质有利地由纤维素纤维和填料组成。术语“纤维素纤维”包括任何纤维素实体，其包括纤维、细纤维、微纤维或纳米纤维。纤维悬浮液被理解为是指基于水和纤维素纤维的浓浆料或稀浆料。干物质质量浓度通常大于1％、或者甚至大于3％的浓浆料(浓浆)位于混合泵(风机泵(fan pump))的上游。干物质质量浓度通常小于1％的稀浆料(稀浆)位于混合泵的下游。
术语“聚合物”指均聚物以及至少两种不同单体的共聚物。
两性聚合物是包含阳离子电荷和阴离子电荷的聚合物，优选阴离子电荷与阳离子电荷一样多。
如本文所用，术语“水溶性聚合物”是指当其在25℃下搅拌4小时并以20g.L-1的浓度溶解于去离子水中时，产生无不溶性颗粒的水溶液的聚合物。
数值范围包括下限和上限。因此，该数值范围“0.1至1.0(between 0.1and 1.0)”和“0.1至1(from 0.1to 1)”包括数值0.1和1.0。
该水溶性聚合物P1是至少一种选自丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、和丙烯腈的非离子单体的聚合物。优选地，聚合物P1含有至少50mol％的这些非离子单体的至少一种。
该聚合物P1还可以含有阴离子和/或阳离子和/或两性离子单体。聚合物P1有利地不含非选自丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺和丙烯腈的非离子单体。
该阴离子单体优选选自包含以下的组：具有羧酸官能团的单体及其盐，包括丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、马来酸，具有磺酸官能团的单体及其盐，包括丙烯酰胺基叔丁基磺酸(ATBS)、烯丙基磺酸和甲基烯丙基磺酸及其盐，和具有膦酸官能团的单体及其盐。
通常，聚合物P1的阴离子单体的盐为碱金属、碱土金属或铵(优选季铵)的盐。
阳离子单体优选选自包含以下的组：季铵化或成盐的丙烯酸二甲氨基乙酯(ADAME)、季铵化或成盐的甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(MADAME)、二烯丙基二甲基氯化铵(DADMAC)、丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵(APTAC)和甲基丙烯酰胺丙基三甲基氯化铵(MAPTAC)。
有利地，聚合物P1的阳离子单体具有卤离子(优选氯离子)作为平衡离子。
两性离子单体优选选自包含以下的组：磺基甜菜碱单体，例如甲基丙烯酸磺丙基二甲基铵乙酯、磺丙基二甲基铵丙基甲基丙烯酰胺或磺丙基-2-乙烯基吡啶；磷酸甜菜碱单体，例如甲基丙烯酸磷酸乙基三甲基铵乙酯；和羧基甜菜碱单体。
优选地，水溶性聚合物P1是丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺的均聚物或共聚物。
聚合物P1可以是线性的、结构化的或交联的。能够结构化的交联剂可以特别选自烯丙基磺酸钠、甲基烯丙基磺酸钠、甲基烯丙基二磺酸钠、亚甲基双丙烯酰胺、三烯丙基胺、三烯丙基氯化铵。
聚合物P1的结构化还可以用至少一种多官能化合物来获得，该多官能化合物含有至少3个选自N、S、O、P的杂原子，并且每个杂原子具有至少一个可移动的氢。这种多官能化合物尤其可以是聚乙烯亚胺或聚胺。
反应Re包括将聚合物P1的固体颗粒加入和溶解在水溶液M1中，水溶液M1包括：(i)碱金属氢氧化物和/或碱土金属氢氧化物，(ii)碱金属次卤化物和/或碱土金属次卤化物，反应Re时间为10秒至5小时，以形成聚合物P2。
有利地，水溶液M1是苏打(氢氧化钠)和次氯酸钠的水溶液。
有利地，聚合物P1在次卤化物和氢氧化物的水溶液M1中的反应时间为10秒至180分钟。
该反应Re有利地在10℃至30℃，更有利地20℃至25℃的温度下进行。
优选地，对于反应Re，系数α＝(碱金属和/或碱土金属)次卤化物的摩尔数/聚合物P1的非离子单体(丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、丙烯腈或其混合物)的摩尔数为0.1至1.0，系数β＝(碱金属和/或碱土金属)氢氧化物的摩尔数/(碱金属和/或碱土金属)次卤化物的摩尔数为0.5至4.0。
该反应Re有利地通过将固体颗粒形式的聚合物P1加入到水溶液M1中来进行。优选地，聚合物P1的固体颗粒是粉末、微珠、油性悬浮液中的固体颗粒或水性悬浮液中的固体颗粒的形式。
这些不同形式的固体颗粒通过本领域技术人员已知的技术获得。
聚合物P1的粉末形式可以通过凝胶聚合、沉淀聚合或反相乳液聚合物的喷涂干燥获得。
聚合物P1的微珠有利地通过反相悬浮聚合获得。
聚合物P1的固体颗粒的油性悬浮液可以通过反相乳液聚合物的蒸馏或通过聚合物在油中的悬浮来获得。该油性悬浮液可以含有10-60重量％的聚合物P1颗粒。
聚合物P1的固体颗粒的水性悬浮液有利地通过(在盐水中)分散聚合或通过聚合物在盐水中的悬浮获得。该水性悬浮液可含有10至50重量％的聚合物P1颗粒。
甚至更优选地，聚合物P1以凝胶聚合产生的粉末或反相悬浮聚合产生的微珠的形式加入到反应介质中。
当聚合物P1为粉末形式时，优选通过由水溶液M1的回路供应的用于分散和研磨聚合物的装置，特别是PSU(聚合物切片单元，文献WO2011107683)，将其分散和溶解在水溶液M1中。本领域技术人员知道如何调整该类型装置的生产设备，以使其抵抗氢氧化物和次卤化物的水溶液M1。
对于反应Re，相对于水溶液M1的重量，将优选0.1至20重量％，更优选0.3至10重量％，甚至更优选0.5至3.0重量％的聚合物P1的固体颗粒加入到水溶液M1中。
有利地，在反应Re结束时并且在其注入纤维悬浮液之前，聚合物P2可以用包含至少一个醛官能团的化合物官能化，以产生聚合物P3，例如通过加入包含至少一个醛官能团的化合物。优选地，包含至少一个醛官能团的化合物是乙二醛。
优选地，在注入纤维悬浮液之前，通过加入酸可以将由反应Re获得的且含有聚合物P2的反应混合物的pH调节至0.5至7.5，更优选1.0至3.0。本领域技术人员知道如何调节该类型反应介质的pH。pH调节有利地在没有形成聚合物P3的情况下进行。
根据优选实施方案，在稀释泵(风机泵)中均化纤维悬浮液之后，将聚合物P2(或P3)引入白水和/或浓浆料和/或由白水和浓浆料形成的混合物中。
有利地，聚合物P2(或P3)也可以在造纸工艺中在成形网处引入，例如通过喷涂或以泡沫的形式，或在施胶机(涂布机)处引入。
有利地，向纤维悬浮液中加入0.1至10kg.t-1，优选0.2至5.0kg.t-1的聚合物P2(或P3)。
纤维悬浮液包括可能使用的不同纤维素纤维：原生纤维、再生纤维、化学浆料、机械浆料、微原纤化纤维素或纳米原纤化纤维素。纤维悬浮液还包括使用这些不同的纤维素纤维和所有类型的填料，例如TiO2、CaCO3(粉碎的或沉淀的)、高岭土、有机填料及其混合物。
聚合物P2或P3可与其它产品结合用于造纸工艺中，所述其它产品例如无机或有机凝结剂、干强剂、湿强剂、天然聚合物如淀粉或羧甲基纤维素(CMC)、无机微粒如膨润土微粒和胶态二氧化硅微粒、任何离子类型(非离子、阳离子、阴离子或两性)的且可以是(但不限于)线性、支化、交联、疏水或缔合的有机聚合物。
以下实施例说明了本发明，但不限制其范围。
具体实施方式
用于应用测试的程序：
a)使用的浆料类型
再生纤维浆料：
通过分解(disintegrating)干浆料，以获得1重量％的最终水浓度来获得湿浆料。这是一种中性pH浆料，由100％的再生纸板的纤维组成。
b)排水性能的评估(DDA)
DDA(“动态排水分析仪”)能够自动测定真空排出沉积在织物上的纤维悬浮液所需的时间(以秒计)。在以1000rpm的搅拌下向DDA圆筒中的湿浆料(0.6L的1.0重量％的浆料)中加入聚合物：
-T＝0s：搅拌浆料
-T＝20s：加入聚合物
-T＝30s：停止搅拌并在200mbar(1bar＝105Pa)下真空排水70秒。
记录织物下的压力作为时间的函数。当所有水已自纤维垫中去除时，空气通过所述垫，导致代表织物下的压力作为时间函数的曲线上的斜率出现突变。斜率突变处记录的时间(以秒计)对应于排水时间。时间越短，真空排水效果越好。
c)DSR(干强度)应用下的性能，克重90g.m - 2
收集所需量的浆料，以获得克重90g.m-2的纸张(sheet)。
向动态纸张成形机的桶中引入湿浆料并维持搅拌。根据预定的顺序向该浆料中注入系统的各种成分。通常，每次加入聚合物之间的接触时间为30至45秒。
纸张成形机采用自动动态纸张成形机实现：将吸水纸和成形织物放置在动态纸张成形机的滚筒中，然后滚筒以1000rpm开始旋转并形成水墙。将处理过的浆料铺展在水墙上以在成形织物上形成纤维垫。
一旦水被排出，回收纤维垫，在输出4巴的压力下压制，然后在117℃下干燥。获得的纸张在具有受控湿度和温度(50％相对湿度和23℃)的房间中放置一夜。然后测量通过该程序获得的所有纸张的干强度性能。
破裂(耐破指数)根据标准TAPPI T403 om-02用Messmer Buchel M 405破裂测试仪测量。结果以kPa或相对于参考值的百分比表示。用kPa.m2/g表示的耐破指数是通过将该值除以测试纸张的克重来确定的。
根据标准TAPPI T494 om-01，使用测试AX牵引装置在纵向(machine direction)(DBL SM)和横向(DBL ST)测量干裂断长(breaking length)。结果以km或相对于参考值的百分比表示。
应用测试中的测试产品：
聚合物P1
聚合物P1-A的合成
将310g水引入配备有机械搅拌器、温度计、冷凝器和氮气浸入棒的1升反应器中。使用pH缓冲液(30重量％的NaOH水溶液和75重量％的H3PO4水溶液)将反应介质的pH调节至3.3。使用水浴加热该介质并保持在79至81℃的温度。使用两次连续液体倾倒，将400g的50％的丙烯酰胺、237.8g的水和2.40g的100％的次磷酸钠(倾倒1)掺入持续180分钟。液体倾倒2，将0.48g的100％的过硫酸钠和48g水掺入持续180分钟。液体倾倒结束后，将聚合物溶液在80℃下放置120分钟。
所得聚合物P1-A溶液的pH为5.7，聚合物P1-A的重量浓度为20％，粘度为6000cps。
聚合物P1-B：微珠形式的丙烯酰胺均聚物，由SNF销售，商品名为：FlobeadsTMAB300H。
聚合物P1-C：粉末形式的丙烯酰胺均聚物，由SNF销售，商品名为：FlopamTMFA920BPM。
聚合物P1-A(水溶液)、P1-B(微珠)和P1-C(粉末)都是丙烯酰胺的均聚物，它们的不同之处仅在于物理形式。
聚合物P2
聚合物P2-A的合成
通过用20g水稀释20g的20％重量的P1-A水溶液来制备10％重量的P1-A水溶液。将该聚合物溶液加热至50℃。
根据反应Re的系数α(0.5)和β(2.0)，制备14.29g的14.6％(水中重量)的次氯酸钠(NaOCl)和7.5g的30％(水中重量)的苏打的水溶液。当聚合物P1-A溶液处于50℃时，在P1-A上加入次氯酸钠和苏打的水溶液。反应30秒后，加入138.20g水。获得浓度为2重量％的聚合物P2-A。
聚合物P2-B和P2-C的合成
根据反应Re的系数α(0.5)和β(2.0)，制备3.11g的14.6％(水中重量)的次氯酸钠(NaOCl)和1.63g的30％(水中重量)的苏打的水溶液M1。然后加入37.7g水。
在环境温度和搅拌下，将0.87g的聚合物P1-B或P1-C加入水溶液M1中。悬浮液形式的聚合物在次氯酸钠和苏打的水溶液中溶解并反应120分钟。分别获得聚合物P2-B或P2-C的溶液，其聚合物的最终重量浓度等于2％。
应用测试
排水性能(DDA)
表1：作为聚合物函数的排水
使用聚合物P2-B和P2-C(相对于聚合物P2-A)观察到排水的改善。
DSR(干强度)应用中的性能
表2：作为聚合物函数的干强度
通过使用聚合物P2-B和P2-C，耐破性能得到改善。在纵向(DBL SM)和横向(DBLST)上的裂断长测量中观察到了相同的趋势。

Claims (15)

1.一种由纤维悬浮液生产纸张或纸板的方法，其包括以下步骤：
a)将聚合物P2注入纤维悬浮液中，
b)形成纸张或纸板，
c)干燥纸张或纸板，
在步骤a)之前，由固体颗粒形式的水溶性聚合物P1制备聚合物P2，P1为至少一种选自丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺和丙烯腈的非离子单体的水溶性聚合物，
所述聚合物P2通过反应Re获得，所述反应Re包括将水溶性聚合物P1的固体颗粒加入和溶解在水溶液M1中，所述水溶液M1包括：
(i)碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物或其混合物，(ii)碱金属次卤化物或碱土金属次卤化物或其混合物，
加入水溶性聚合物P1颗粒后，反应Re的反应时间为10秒至5小时。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述水溶性聚合物P1含有至少50mol％的至少一种选自丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、和丙烯腈的非离子单体。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述水溶性聚合物P1是丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺的均聚物或共聚物。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于对于所述反应Re，系数α＝次卤化物的摩尔数/水溶性聚合物P1的非离子单体的摩尔数为0.1至1.0，系数β＝氢氧化物的摩尔数/次卤化物的摩尔数为0.5至4.0。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于所述水溶性聚合物P1的固体颗粒为粉末、微珠、油性悬浮液中的固体颗粒或水性悬浮液中的固体颗粒的形式。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于所述水溶性聚合物P1的固体颗粒为凝胶聚合产生的粉末的形式或反向悬浮聚合产生的微珠的形式。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于当所述水溶性聚合物P1的固体颗粒为粉末形式时，其通过用于分散和研磨聚合物的装置分散在水溶液M1中，所述装置由水溶液M1的回路供应。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于将0.1至20重量％的水溶性聚合物P1的固体颗粒加入水溶液M1中。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于在反应Re结束时，且在注入所述纤维悬浮液中之前，用包含至少一个醛官能团的化合物对所述聚合物P2进行官能化以产生聚合物P3。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述包含至少一个醛官能团的化合物是乙二醛。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于在注入所述水性悬浮液中之前，通过添加酸，调节由所述反应Re获得的含有聚合物P2的反应混合物的pH至0.5至7.5之间。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于在稀释泵中均化纤维悬浮液之后，将所述聚合物P2或P3引入白水和/或浓浆料和/或由白水和浓浆料形成的混合物中。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于步骤a)在从将水溶性聚合物P1的固体颗粒加入水溶液M1中算起不超过24小时的时间内进行。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于所述反应Re有利地在10至30℃，有利地为15至25℃的温度下进行。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于相对于水溶液M1的重量，将0.3至10重量％的聚合物P1的固体颗粒加入水溶液M1中。
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