CN1450229A - 用于再循环纸浆中粘性控制的添加剂及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种添加剂，其可控制来自再循环的旧瓦楞纸箱配料、旧新闻纸配料、脱墨纸浆配料、旧杂志等级配料、包装废纸配料或热力纸浆配料中粘着物生成并除去阴离子垃圾。本发明用叔胺或季胺处理滑石。然后将已处理的滑石加入到纸浆中并通过将粘着物粘到滑石上而除去该粘着物和中和可能存在的阴离子垃圾。本发明也描述了一种使叔或季胺与滑石颗粒接触而使滑石颗粒改性的方法。本发明还描述了一种由叔或季胺与滑石颗粒接触的方法生成的滑石。本发明又描述了一种含有接触过叔或季胺的改性滑石填料的纸制品。

Description

用于再循环纸浆中粘性控制的添加剂及方法
相关申请的相互参考
本申请要求优先于2001年12月21日提出的美国临时专利申请序列号60/342,835的优先权。临时申请的公开内容作为本申请公开的部分内容并作为参考引入本申请。
发明领域
本发明通常涉及一种化学添加剂及其制造方法，该添加剂可被用于重纸、厚纸板或者纸板工艺，甚至利用再循环纸浆的这些工艺中。
发明背景
在制造厚纸板、重纸、或者纸板领域，再循环新闻纸(ONP)、旧杂志等级(OMG)、包装废纸和旧瓦楞纸箱(OCC)常被用作原料。污染物诸如蜡状物、热熔物、压敏型粘合剂、乳胶或粘合剂材料常以变量存在于这些材料中。蜡状物、热熔物和压敏型粘合剂通常被称为粘着物，这是因为它们和纸浆分离并粘到造纸设备和零件上。如果不将该粘着物处理或除掉，可使造纸机运行出现问题和纸张质量出现瑕疵。
除了粘着物之外，纸浆悬浮液还含有胶状阴离子，如被称作阴离子垃圾的木材树脂和脂肪酸。阴离子垃圾需要加以控制，否则，这些垃圾将引起沉积问题并将干扰纤维之间的粘接。问题较大的阴离子垃圾是木材树脂和脂肪酸，如果不将其处理会在造纸机及相关设备上形成树脂状物或有些粘的沉淀物。
当前许多不同物质被用来控制树脂状物和粘着物。这些物质包括但不限于化学品(凝结剂、聚胺、polydadmacs、聚乙烯亚胺、表面活性剂)，滑石、膨润土、沉淀碳酸钙和硅藻土。化学品仅对控制树脂状物部分有效而且又是昂贵的添加剂。虽然化学品对控制树脂状物是部分有效的，但化学品对粘着物控制通常无效。
如果粘着物不被控制，造纸机必须定期关闭以除去粘着物而使设备有用。诸如冲压、纤维洗净和煮沸的方法常用来除去粘着物。人们可以设想关闭造纸机除去粘着物实在是昂贵和消耗时间的工作。
也利用了诸如滑石、膨润土、PCC和硅藻土颜料，是由于其具有吸收特性。PCC只能用在中性或碱性pH环境中，这是因为PCC溶解在酸性pH环境中生成石灰和二氧化碳。硅藻土尽管能用在任何pH环境中，却易磨损并有粘附造纸设备零件的倾向。使用硅藻土比使用其它类型的吸收材料需要更频繁地替换和/或清洗设备的各个部分。膨润土，和滑石一样，可用在任何pH环境中。然而，与滑石不同的是，膨润土对控制粘合剂、蜡状物和热熔物效力更低。
滑石具有天然疏水性。自然状态下的滑石在每一微粒边缘处具有阴离子部位。该阴离子性(anionicity)使滑石(在其自然形态下)在处理含有高含量阴离子垃圾的纸浆时由于滑石上的阴离子部位会排斥料浆或配料中存在的阴离子垃圾从而比化学聚合物的效果差。用化学聚合物，尤其是用polydadmacs处理滑石，至少已在US专利第4964955号和2001年10月5日提交的US专利申请序列第60327638号中描述过。虽用polydadmac处理过的滑石已有效地在造纸上应用，但这种形式的阳离子处理在含有高含量蜡状物、热熔物和压敏型粘合剂的纸浆中控制粘着物并不显得有效。
诸如滑石、膨润土和硅藻土类填料也会影响纸张或纸板的其它特性，尤其当将过量填料加入到纸浆配料时。例如，填料可通过影响纤维之间的粘接而影响纸板的强度。填料也降低硬度并可影响纸板的摩擦系数。摩擦系数需要最大程度地降低；否则，相互堆叠的纸板不能堆放而会从其下的纸板上滑落下来。这使纸板很难贮存和运输。
因此，需要添加一种可以不影响纸张或纸板其它性能的量的添加剂，其将有效控制粘着物生成并除去阴离子垃圾。
发明概述
本发明描述了一种添加剂，其可控制再循环旧瓦楞纸箱配料、旧新闻纸配料、脱墨纸浆配料、旧杂志等级配料、包装废纸配料、或热力纸浆配料中粘着物生成并除去阴离子垃圾。本发明用阳离子聚合物、尤其是叔或季胺处理滑石。虽然不希望受任何理论的束缚，但本申请人认为，一定量的叔或季胺仅仅使滑石颗粒的边缘从阴离子变为阳离子。然而，胺只改变滑石表面的小部分是可能的。叔或季胺是与滑石颗粒混合的。处理过的滑石具有阳离子部位以吸引纸浆中存在的阴离子垃圾并且也具有疏水或疏油表面以吸引会导致粘着物的蜡状物、热熔物、压敏型粘合剂。然后将已处理滑石加入到纸浆中并通过将粘着物粘到滑石上来除去粘着物和中和可能存在的阴离子垃圾。
本发明也描述了一种使叔或季胺与滑石颗粒接触而使滑石颗粒改性的方法。本发明还描述了一种由叔或季胺与滑石颗粒接触的方法而生成的滑石。本发明又描述了一种含改性滑石填料的纸制品，其中改性滑石填料已与叔或季胺接触过。
本发明的这些和其它目的、特点和优点将从如下最佳方式描述、附图和权利要求书而变得显而易见。
附图的简要说明
如下附图描述了本发明的优选实施方式，以及描述了各种可供选择的实施方式。本发明不受本文所述实施方式的限制，这是因为更多种可供选择的实施方式对本领域技术人员是非常明显的。为方便读者，不同图表中相同的参考数字指相同结构的成分或组份。
图1是本发明添加剂方法的一种实施方式的流程图。
图2是本发明添加剂方法的另一种实施方式的流程图。
图3是本发明添加剂方法的一种实施方式的流程图。
发明详述
首先，本发明包括一种用于造纸工艺的添加剂和制造该添加剂的方法。如下描述了本发明的一种优选实施方式和各种可供选择的实施方式。然而，本领域技术人员应当容易明白的是，在不脱离本发明构思或范围的基础上也可实现各种其它可供选择的实施方式。
本发明用阳离子聚合物，通常用叔或季胺处理滑石。如下讨论集中在叔或季胺的阳离子聚合物。本领域技术人员应认识到其它阳离子聚合物也可对本发明起作用。胺族是这样一族有机化合物，它具有与至少一个烃基和至多四个烃基键接的至少一个sp3杂化的氮。如果一个烃基与氮结合，则为伯胺类。CH3-NH2为一个甲基上连有氮原子的伯(1°)胺的实例。由于氮为三价，伯胺的两个氢原子与氮原子结合。
胺可以有两个烃基与氮原子结合为仲(2°)胺类。(CH3)2NH为仲胺的实例。胺甚至可以有三个烃基与氮原子结合。该胺为叔(3°)类胺。(CH3)3N是叔胺的实例。
此外，伯、仲和叔胺氮原子的孤对电子通常在酸性更强的物质存在时能够供给孤对电子形成第四成键对。孤对电子用来产生氮电子缺失从而氮原子将具有+1价形式电荷。这种带正电荷的氮被归为季胺类。这些象和不象其它胺类的盐由于不再具有孤对电子而为非碱性的。该季胺类溶于水而其它胺类通常不太水溶。
尽管本发明可采用任意一种季胺，但季胺可选自如下胺类的一种：polydadmac(聚二烯丙基二甲基氯化铵)或聚胺。本申请的实施例用聚胺来证明季胺的有效性。所用聚胺具有化学结构：PA分子为线性的。PA的分子量约为1百万原子质量单位(amu)。
尽管本发明可采用任意一种叔胺，但合适的叔胺实例为聚乙烯亚胺。本申请的实施例用聚乙烯亚胺(PEI)来证明叔胺的有效性。PEI具有如下化学结构：
              空5行，(见原文P7)。PEI分子是球形的。PEI的分子量约为1百万原子质量单位。在酸性条件下，PEI的电荷密度(μeq/g)比叔胺的高。然而，在pH值为9或更高的碱性条件下，PEI会失去一部分电荷。从而，若用叔胺，应控制溶液的pH值以不使pH值碱性过强而导致PEI失去其电荷。
向滑石颗粒的料浆添加季胺或叔胺会使滑石颗粒的表面部分从阴离子变为阳离子。向滑石颗粒中添加胺可采用任意合适的形式。例如，在某些情况下，向滑石粉或颗粒上喷射胺是有利的。而在另一些情况下，需要将胺与滑石颗粒混合。控制加入到滑石颗粒的季胺或叔胺量以确保过量胺不会改变滑石颗粒的整个表面，因而保持滑石颗粒的至少一部分疏水特性是重要的。控制所加入的胺量会保持滑石表面的疏水性以吸引粘着物同时最大限度地提高滑石对纸浆配料中阴离子垃圾的吸引力。
为了完成本申请实施例所述的实验，利用了如那些在造纸工业中常用的纸浆混合器。称之为dispermat(高速变速搅拌机)或Kitcheh-Aid混合器的混合设备具有一个附在混合器上的搅拌器。
图1描述了一种商业方法的实施方式，其可被用于生产已处理的例如本发明所描述的滑石。可以液体或干物形式，在干燥阶段之前或之后加入添加剂来处理滑石。图1描述了一种预干燥器方法的实施方式而图2和3描述了后干燥器方法的实施方式。在图1中，未处理的滑石与阳离子聚合物溶液(一般为乳液)混合，送入造粒机并干燥。该工艺参数包括但不限于阳离子聚合物固体、混合时间、在造粒机内的时间、在干燥机内的时间和温度。控制这些参数的每一种。
图2描述了本发明的一种实施方式，它是在已干燥滑石之后向滑石中加入阳离子聚合物。在该实施方式中，阳离子聚合物应为液体。将干燥的滑石颗粒与阳离子聚合物混合，采用图3所示的一个工序或图2所示的多个混合工序。
实施例
表1显示出本文所述的所有实施例所用的化学品：
                                表1：所用化学品
产品名称 化学品 供应商
Nalkat 2060 聚胺 Ondeo-Nalco
PRP 4440 Polydadmac Pearl River
Polymin SK PEI BASF
Mistron Plus(以活性成分计为1.2％) 用Polydadmac处理过的滑石 Luzenac
Alcofix159 阳离子聚合物 Ciba-Geigy
在本文所有实施例中，进行一种使滑石颗粒与聚合物混合的标准步骤。该步骤如下：将聚合物在搅拌下加入到200g水中。然后加入75克干滑石并用去离子水将溶液的总重量调整到300克。最终固体含量约占25重量％。采用高速变速搅拌机以1000rpm的速度和5分钟的混合时间而完成混合。
在本文所有实施例中，也进行一种向纸浆中添加已处理滑石的标准步骤。该步骤如下：首先用去离子水将约360克完全干燥的OCC纸浆调整为4％浓度。然后将该纸浆倒入水夹套式混合器中并搅拌约30分钟以使纸浆的温度升至约50摄氏度-52摄氏度。然后加入所需量的已处理滑石并混合30分钟。接着以相同的搅拌速度混合处理的纸浆90分钟。用装有浸没式加热器的水夹套使纸浆温度保持在约55摄氏度。90分钟后停止搅拌，清洗搅拌器以除去纤维。收集清洗搅拌器后的最终纸浆并烘干到恒定重量。重量差表示沉积物，然后将其转换为每吨纸浆中沉积物的克数。
实施例1
进行的第一个实验是与对照样和普通滑石对比，测试一种阳离子化的滑石，即只用polydadmac处理过的滑石。该研究采用一种来自工厂的OCC纸浆。准备纸浆的四个样品：不含滑石的(对照样)一种，含普通滑石的一种，和阳离子化滑石的用量不同的两种。上述沉积实验的结果列在表2中。
       表2：Polydadmac的测试结果
处理方法                                    用量(滑石磅数/吨OCC) 沉积物
克/吨OCC 减少％
对照样 0 40 0
普通滑石(不含聚合物) 40 41 0
Mistron Plus 20 31 22.5
Mistron Plus 40 13 67.5
结果显示出已处理滑石减少了搅拌器上沉积的粘着物。结果也显示出随着加入到OCC纸浆中已处理滑石数量的增加而增加了减少的百分比。从而，很明显用polydadmac处理过的滑石会显著减少粘着物。
尽管以如上所示量向OCC纸浆中添加polydadmac处理的滑石是可能的，并且该添加是本文特别考虑所采用的，但成本是现实社会中应该考虑的一个因素。除了考虑成本之外，值得注意的还有每吨OCC纸浆中添加40磅滑石会影响其它纸板性能，例如强度、硬度或摩擦系数。如此，当仔细考虑本发明的原则时，大量滑石的添加会产生其它影响，因此，评价其它化学品以确定其是否能提供与polydadmac处理的滑石同样的效果。
实施例2
在该实施例中选作评价的聚合物为聚胺(PA)，聚乙烯亚胺(PEI)和polydadmac(PD)。由于这三种聚合物具有不同的分子量和其它性能，生产相同量，即15μeq/g的滑石颗粒的每种聚合物的用量被用来处理滑石。为得到所需的颗粒数，采用如下方式添加聚合物：
聚胺：0.58％活性的
Polydadmac：0.62％活性的
PEI：0.93％活性的
大体上按照上述步骤向滑石中加入聚合物。在PA和PD情况中，生成滑石料浆而未调整pH值。而在PEI情况下用稀硫酸调整滑石料浆的pH值约为5。采用OCC纸浆配料并以两种滑石用量比较这三种聚合物控制粘着物的能力。结果显示在表3中。
             表3：PD，PA和PEI的比较结果
处理方法 用量(每吨纸浆中滑石的磅数) 沉积物
g/T纸浆 减少％
对照样 0 352.6 0
PD 20 327.4 7
30 260.8 26
PA 10 202.3 43
20 293.6 17
PEI 20 136.7 61
30 153.9 56
实施例2的结果清楚地显示出用PA或PEI以较低用量处理的滑石最大可能地减少粘着物。结果也显示出用PD处理过的滑石时，需要更多的滑石来提供更大程度减少粘着物。
实施例3
由于实施例2的结果清楚地显示出PA和PEI处理过的滑石减少粘着物的情况，下一步是优化聚合物处理方法以获得滑石边缘的阳离子性和滑石颗粒表面的疏水性之间的较好平衡。如上所述，如果向滑石颗粒料浆中加入过量胺，胺会使滑石颗粒的整个表面从阴离子转为阳离子。因此确定了加入到滑石颗粒的阳离子聚合物的最佳范围以及加入到再循环纤维中已处理滑石的最佳用量。用PA而不是PEI进行最佳化研究出于如下原因：(1)不像叔胺PEI一样，PA为季胺，其有效性不受纸浆液pH值的影响，和(2)PA成本低于PEI。胶质阴离子垃圾量有变化的不同OCC纸浆和化学耗氧量(COD)被用来概括OCC纸浆质量的整个范围。测定结果显示在表4中。
       表4：滑石处理最佳化选择
    胺用量(磅/吨滑石)     沉积物
    g/吨纸浆     减少％
    0     268     0
    0.3     279     0
    0.6     150     44
    0.7     50     81
    1.2     255     5
表4所示结果指出，当每吨滑石中胺量超过0.3磅时会减少沉积物，约0.4至1.0的用量会极明显地减少沉积物。当与对照样相比时每吨滑石中1.2磅胺量导致沉积物5％的微量减少。申请人认为，在每吨滑石中含1.2磅胺的高用量情况下，阳离子聚合物已覆盖滑石的疏水表平面的一部分，这会导致效率降低。
表5显示出当采用比用于生成表4中数据的OCC纸浆更高的Murek量和更高的COD的OCC纸浆时，用于滑石的聚胺量对沉积物减少的影响的另一例子。
      表5：滑石处理最佳化选择(情况2)
    胺用量(磅/吨滑石)     沉积物
    g/吨纸浆     减少％
    0     268     0
    0.9     197     27
    1.2     110     59
需要向滑石中加入更大剂量的聚合物以使沉积物减少到50％以上。与表4相比，表5中的更大剂量是由于表5中OCC纸浆的较高Mutek量和COD量。然而，从这两个实施例可以看出阳离子化的滑石对减少OCC配料中的沉积物是十分有效的。
实施例4
该实施例显示出在表6和表7中采用相同量的聚合物处理时，已处理滑石的用量对沉积物的影响。
   表6：已处理滑石用量的最优化选择(举例1)
  滑石用量(磅/干吨OCC)     沉积物
    g/吨纸浆     减少％
    0     487     0
    10     480     1
    20     351     28
    30     150     69
    表7：已处理滑石用量的最优化选择(举例2)
  滑石用量(磅/干吨OCC)     沉积物
    g/吨纸浆     减少％
    0     250     0
    10     150     40
    20     80     68
表6和7清楚地显示出在OCC纸浆悬浮液中足量的已处理滑石是有效的。得到给定结果的已处理滑石量依赖于体系中Mutek量或阴离子性和化学耗氧量。
实施例5
将已处理滑石和纯阳离子聚合物(与已处理滑石的成本相同)之间进行对比。结果显示在表8中。
        表8：已处理滑石和阳离子聚合物之间的比较
处理方法   沉积物
  g/吨纸浆   减少％
对照样     487     0
阳离子聚合物     487     0
已处理滑石(@0.6％活性的和20磅/吨OCC)     150     69
调整阳离子聚合物用量以等同于20磅已处理滑石/吨OCC的成本。当只用阳离子聚合物而无滑石时未观察到沉积物的减少。然而，如表8所示，当加入已处理滑石时可观察到沉积物减少69％。
实施例6
分析已处理滑石对纸板性能的影响。采用计算机化的MK成形设备(小型造纸机)制备手抄纸。实验集中对不含滑石的手抄纸对照样和以干OCC纤维计含不同用量的滑石的手抄纸进行比较。本实验采用32磅衬垫基础重量的手抄纸。用0.6％活性的Nalkat 62060处理滑石。实验结果显示在表9中。
                       表9：已处理滑石对纸板性能的影响
    性能   对照样 10磅已处理滑石/吨OCC  20磅已处理滑石/吨OCC
破裂，psi     53.8     53.3     54.6
拉力，N/mm     6.32     6.33     6.31
硬度，mg     21.2     20.4     21.9
孔隙率，sec/100cc     14.5     16.1     23.5
COF，静止的     0.49     0.51     0.46
COF，动态的     0.34     0.35     0.33
通常过量使用降低纸张强度的填料，然而，结果显示以不同用量添加已处理滑石不会负面影响纸板性能。相反地，如表9所示，已处理滑石提高了纸孔隙率，这是所期望的纸性能。已处理滑石不影响摩擦系数(COF)。低COF对纸板而言是不期望的，这是由于当堆放时它会使纸盒或纸箱相对滑动并最终从堆垛上落下，很可能损坏内含物。
实施例7
测试已处理滑石随时间的电荷稳定性。采用如图3所述的方法用0.6％活性的Nalkat 62060生产已处理滑石。表10显示出经四周堆放期间进行测试的结果。
           表10：已处理滑石随时间的电荷稳定性
    周     1     2     3     4
  Mutek(μeq/g滑石)   17.0   16.2   16.1     16.5
因此，很显然已处理滑石随时间是稳定的。
本发明的原理、优选实施方式和操作方式如上所述。然而，本文所要保护的发明不应被认为受所公开具体形式的限制，因为这些是举例说明而不是对本发明的限制。本领域技术人员在不脱离本发明构思的基础上可进行各种调整和改变。因此，上述实现本发明的最好方式应被认为是示例性的而不是用来限制如所附权利要求中显示的本发明范围和构思。

Claims (34)

1.一种使滑石颗粒改性的方法，包括使叔或季胺与滑石颗粒接触。
2.根据权利要求1所述的使滑石改性的方法，其中与滑石接触的叔或季胺的量足以获得15μeq/g的滑石颗粒电荷。
3.根据权利要求1所述使滑石改性的方法，其中叔胺为聚乙烯亚胺。
4.根据权利要求1所述使滑石改性的方法，其中季胺选自聚胺和聚二烯丙基二甲基氯化铵(polydadmac)。
5.根据权利要求1所述使滑石改性的方法，其中季胺为聚胺。
6.根据权利要求1所述使滑石改性的方法，其中添加到滑石中的叔或季胺的数量范围为每吨滑石中约0.1至约1.5磅胺。
7.根据权利要求1所述使滑石改性的方法，其中添加到滑石中的叔或季胺的数量范围为每吨滑石中约0.3至约1.2磅胺。
8.由权利要求1的方法制成的滑石。
9.使滑石改性的方法，其中每吨干旧瓦楞纸箱(OCC)纤维纸浆中加入约5磅至约30磅权利要求8的滑石。
10.使滑石改性的方法，其中每吨干旧瓦楞纸箱(OCC)纤维纸浆中加入约10磅至约20磅权利要求8的滑石。
11.一种提高滑石在减少造纸设备沉积物方面的效率的方法，包括如下步骤：
a)使阳离子聚合物与滑石接触以生成改性的滑石；
b)向纸浆配料中加入改性的滑石。
12.根据权利要求11的使滑石改性的方法，其中阳离子聚合物为叔或季胺。
13.根据权利要求13的使滑石改性的方法，其中叔胺为聚乙烯亚胺。
14.根据权利要求13的使滑石改性的方法，其中季胺选自聚胺和聚二烯丙基二甲基氯化铵(polydadmac)。
15.根据权利要求13的使滑石改性的方法，其中季胺为聚胺。
16.根据权利要求13的使滑石改性的方法，其中叔或季胺按足以获得约15μeq/g的滑石颗粒电荷的量加入。
17.根据权利要求13的使滑石改性的方法，其中添加到滑石中叔或季胺的数量范围为每吨滑石中约0.1至约1.5磅胺。
18.根据权利要求13的使滑石改性的方法，其中添加到滑石中叔或季胺的数量范围为每吨滑石中约0.3至约1.2磅胺。
19.根据权利要求13描述的方法制成的滑石。
20.使滑石改性的方法，其中每吨干旧瓦楞纸箱(OCC)纤维纸浆中加入约5磅至约30磅的权利要求19的滑石。
21.使滑石改性的方法，其中每吨干旧瓦楞纸箱(OCC)纤维纸浆中加入约10磅至约20磅的权利要求19的滑石。
22.一种具有改性滑石填料的纸制品，其中改性滑石填料已与叔或季胺接触过。
23.一种提高纸板孔隙率的方法，包括：
a)使阳离子聚合物与滑石接触生成改性滑石；
b)向纸板纸浆配料中加入改性滑石；和
c)加工纸板纸浆配料以制成纸板。
24.根据权利要求23的方法，其中阳离子聚合物为叔或季胺。
25.根据权利要求23的方法，其中阳离子聚合物按足以获得15μeq/g的滑石颗粒电荷的量加入。
26.生产改性滑石填料的方法，包括：
使阳离子聚合物与滑石粉末接触形成混合物；并干燥所述混合物。
27.权利要求26的方法，进一步包括用阳离子聚合物和滑石粉末的混合物造粒。
28.权利要求26的方法，其中阳离子聚合物以足按获得15μeq/g的滑石颗粒电荷的量加入。
29.权利要求26的方法，其中阳离子聚合物为叔或季胺。
30.一种生产改性的滑石填料的方法，包括
a)干燥滑石；
b)使液相阳离子聚合物与干滑石接触；和
c)混合所述阳离子聚合物和干滑石。
31.权利要求30的方法，其中滑石在干燥前造粒。
32.权利要求30的方法，其中阳离子聚合物为叔或季胺。
33.权利要求30的方法，其中阳离子聚合物和干滑石的混合在一段混合器中进行。
34.权利要求30的方法，其中阳离子聚合物和干滑石的混合在多段混合器中进行。
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