CN1934316A - 生产纸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种生产纸或纸板的方法。一种优选的方法包括通过将合成的层状硅酸盐、胶溶剂和至少一种聚合物添加到造纸纸浆中形成处理过的纸浆。该合成的层状硅酸盐优选包括合成的水合钠锂镁硅酸盐并且该聚合物选自阳离子、非离子和两性聚合物。该胶溶剂优选是无机多磷酸盐胶溶剂并且它包含在某些商业合成的层状硅酸盐产品中。本发明人意外地发现该胶溶剂在滤水、留着率和混浊度方面提供了显著的改进，由此改进了造纸方法和纸或纸板产品。

Description

生产纸的方法
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2004年1月23日提交的在先U.S.临时专利申请No.60/538,622的优先权，在此引入它的全部内容作为参考。
技术领域
本发明涉及造纸纸浆、使用该纸浆的造纸方法、造纸装置和由该纸浆制成的纸和纸板制品。更具体地，本发明涉及用包含至少一种微粒的助留剂体系对造纸纸浆进行处理。
背景技术
包含微粒和其它颗粒材料的助留剂体系已经作为加工助剂添加到造纸纸浆中以改善留着率和其它性质如成型和滤水。例如，Peats等人的美国专利No.5,194,120描述了一种包括阳离子聚合物和无定形金属硅酸盐材料的助留剂体系，在此引入它的全部内容作为参考。由Peats等人体系叙述的一种硅酸盐材料是Laponite，合成的层状硅酸盐。根据Peats等人，通过利用包括无定形金属硅酸盐材料和阳离子聚合物的助留剂体系提供了几个优点，包括在最小化添加到纸浆中的聚合物和无定形金属硅酸盐的量的同时改进留着率、滤水和成型。
一般将该助留剂体系的微粒组分以低粘度含水胶态分散体的形式，即溶胶，加入到造纸纸浆中。在造纸纸浆中使用微粒溶胶的一个问题是不稳定性。因为与造纸纸浆结合使用的溶胶的不稳定性，因此经常就地生产该溶胶以便立即输送到造纸过程中。需要一种供造纸过程用的、稳定的微粒溶胶助留剂，它可以在现场(off-site)外形成，显示出长的保存期，并且可以载运到造纸工厂以便在造纸过程中立即或将来使用。
还需要一种造纸纸浆，该造纸纸浆在造纸过程中显示出更好的滤水和对细屑(fines)更好的留着率。
发明内容
本发明涉及合成的层状硅酸盐微粒、胶溶剂和至少一种聚合物的组合作为造纸纸浆或浆料的助留剂体系的用途。合成的层状硅酸盐优选是合成的水合钠锂镁硅酸盐并且优选以含水胶态分散体的形式添加到造纸纸浆中，该含水胶态分散体还包含胶溶剂。聚合物可以是阳离子聚合物、非离子聚合物、或在阳离子条件下使用的两性聚合物。聚合物优选是合成的含氮阳离子聚合物，例如，阳离子聚丙烯酰胺。如果是非离子的，该聚合物可以是，例如，非离子聚丙烯酰胺或聚环氧乙烷。
为了以溶胶形式保持该分散体并防止该分散体在预定的时间段凝结成凝胶，在该微粒分散体中存在胶溶剂。这允许相对浓缩的微粒溶胶的形成，该溶胶可以在现场外形成，它显示出相对长的保存期并且可以载运到造纸工厂以便立即或将来使用。
本发明人出人意料地发现包括胶溶剂的某些微粒分散体还提供了相比于不使用胶溶剂的微粒分散体的显著改进。例如，本发明人已经发现通过利用包括微粒分散体的助留剂显著改善了细屑的留着率、滤水和成型，由此提供了造纸过程和纸制品的改进，所述微粒分散体包含合成的水合钠锂镁硅酸盐和胶溶剂。
一方面，本发明提供了一种生产纸或纸板的方法，包括：(a)通过在造纸纸浆中添加合成的层状硅酸盐、胶溶剂和至少一种聚合物来形成处理过的纸浆，所述合成的层状硅酸盐包括合成的水合钠锂镁硅酸盐，并且所述至少一种聚合物包括由阳离子聚合物、非离子聚合物和在阳离子条件下的两性聚合物组成的组中的一种或多种；和(b)将处理过的纸浆形成所述纸或纸板。
另一方面，本发明提供了一种造纸装置，包括合成的层状硅酸盐的供应设备、造纸纸浆的供应设备、将合成的层状硅酸盐从合成的层状硅酸盐供应设备供至造纸纸浆供应设备的装置、助留体系聚合物的供应设备、将助留体系聚合物从助留体系聚合物的供应设备供至造纸纸浆的装置、和在用合成的层状硅酸盐和助留体系聚合物处理之后将纸浆形成纸或纸板的装置，其中所述助留体系聚合物是阳离子聚合物、非离子聚合物、或在阳离子条件下的两性聚合物、或其结合，并且其中该合成的层状硅酸盐包括合成的水合钠锂镁硅酸盐并将它以水分散体的形式供应到造纸纸浆中，所述水分散体还包括无机多磷酸盐胶溶剂。
又一个方面，本发明提供了一种由滤水的纸幅生产的纸或纸板，该纸幅包括处理过的纸浆，该处理过的纸浆包括纤维素纤维、合成的水合钠锂镁硅酸盐、至少一种助留体系聚合物和无机多磷酸盐胶溶剂，所述助留体系聚合物包括阳离子聚合物、非离子聚合物、或在阳离子条件下的两性聚合物、或其结合。
附图说明
现在将仅通过举例的方式并参考附图来描述本发明，其中：
图1是显示根据本发明一实施方案的造纸方法的流程图；
图2是显示根据本发明另一个实施方案的造纸方法的流程图；
图3是显示根据本发明又一个实施方案的造纸方法的流程图；
图4是显示根据本发明又一个实施方案的造纸方法的流程图；
图5是显示根据本发明又一个实施方案的造纸方法的流程图；
图6是显示从各种举例性的和对比的纸料配方制造的纸幅中获得200ml滤液排水所需时间的柱状图；
图7是将各种举例性的和对比的纸料配方的混浊度进行对比的柱状图；
图8是显示各种举例性的和对比的纸料配方的总单程留着率(TFPR)％的柱状图；
图9是显示各种举例性的和对比的纸料配方的滤水的时间与体积的关系的图；
图10是显示各种举例性的和对比的纸料配方以秒计的滤水柱状图；和
图11是显示各种举例性的和对比的纸料组合物的留着率的柱状图。
优选实施方案的详述
本发明涉及用于造纸纸浆的助留剂体系的用途，该体系包括合成的层状硅酸盐、胶溶剂和至少一种聚合物。在本发明的方法中可以使用一种以上的微粒、一种以上的胶溶剂和一种以上的聚合物。根据该方法生产的纸与纸板制品优选显示出优良的不透明度和/或其它所需的物理性能。用来制造纸和纸板制品的浆板优选显示出优良的滤水和/或优良的纸浆细屑的留着率。
合成的层状硅酸盐优选包括合成的水合钠锂镁硅酸盐，它是由Rockwood Additives Limited of Widnes，Cheshire，United Kingdom以商标Laponite制造和销售的。这些合成的水合钠锂镁硅酸盐是通过在小心控制的速度和温度下把钠、镁和锂盐与硅酸钠结合而合成的。这产生了无定形沉淀，然后将它在高温和高压下部分结晶。将所得到的产品过滤、洗涤、干燥和磨碎以产生细小的白色粉末。
为了清楚起见，如此处使用的术语“合成的水合钠锂镁硅酸盐”和“水合钠锂镁硅酸盐”包括由CAS No.533320-86-8确定的硅酸盐并具有下列一般的化学分析(wt％)：SiO2 259.5；MgO 27.5；Li2O 0.8；Na2O 2.8；烧失量8.2。上述硅酸盐一般包括易流动的白色粉末，该白色粉末具有1,000kg/m3的松厚密度(bulk density)、370m2g的表面面积(BET)、9.8的pH(2％悬浮液)、98％的筛析(＜250μm)和10％的水分含量。
为了清楚起见，如此处使用的术语“合成的水合钠锂镁硅酸盐”和“水合钠锂镁硅酸盐”不包括由TSCA名称“水合钠锂镁氟硅酸盐”和由CAS No.64060-48-6确定的合成的层状硅酸盐，并且它们具有下列一般的化学成分(wt％-按干物质计)：SiO2 51.0；MgO 25.0；Li2O 1.3；Na2O 6.0；P2O5 3.3；F 5.0；烧失量8.4。
该合成的层状硅酸盐微粒可以以在纸浆或浆料形成湿纸页或纸幅时以足够改善细屑留着率或滤水或者足以减少混浊度的任何量添加。优选，以至少约0.05磅/吨纸料(0.02千克/吨)的量添加该微粒，以该微粒和该纸料两者的干固形物重量为基准。更优选，该微粒以约0.1磅/吨纸料(0.05千克/吨)到约5.0磅/吨纸料(2.3千克/吨)的量添加，例如，约0.2磅/吨纸料(0.09千克/吨)到约1.0磅/吨纸料(0.5千克/吨)，以纸料的干固形物重量为基准。对本专利申请来说，术语“配料”、“纸浆”、“浆料”、和“纸料”可交换使用。
优选，该合成的层状硅酸盐以相对低粘度的含水的、胶态分散体的形式添加到纸浆中。具有这些特征的胶态分散体称为“溶胶”。除合成的层状硅酸盐之外，该分散体优选还包含足够以溶胶形式保持该分散体预定时间段的量的胶溶剂。该胶溶剂基本上稳定该溶胶以防止它在一段时间凝固成凝胶，这至少部分地取决于该合成的层状硅酸盐的浓度。这就允许该分散体以适当的浓度在现场外形成，然后载运到造纸工厂直接或将来使用。
该胶溶剂优选是提高合成层状硅酸盐分散的水溶性盐、更优选是选自碳酸钠、偏磷酸钠、聚丙烯酸钠、氢氧化钠、氯化钠、多磷酸钠和焦磷酸钠的钠盐。在本发明尤其优选的方案中，该胶溶剂是无机多磷酸盐、更优选是焦磷酸四钠。优选的胶溶剂，焦磷酸四钠，存在于得自RockwoodAdditives有限公司的某些等级的水合钠锂镁硅酸盐中，包括Laponite RDS、Laponite XLS和Laponite DS。一个尤其优选的Laponite等级是Laponite RDS，它包括与约5wt％焦磷酸四钠结合的合成水合钠锂镁硅酸盐(CAS No.53320-86-8)。包含约10wt％浓度Laponite的Laponite RDS溶胶稳定约3天。优选，该溶胶具有高至约6wt％的laponite浓度，它稳定至少约90天。具有在该范围内的微粒浓度的溶胶显示出足够长的贮藏寿命以便允许它们在现场外形成，用于载运和随后在造纸方法中使用。
如上所述，本发明人出乎意料地发现包括胶溶剂的某些微粒分散体相比于不使用胶溶剂的微粒分散体提供了显著的改进。尤其是，本发明人发现在微粒分散体中包含胶溶剂显著改善了细屑的留着率、滤水和成型，由此提供了造纸方法和纸制品的改进。例如，本发明人发现Laponite RDS，它包含胶溶剂焦磷酸四钠(TSPP)，提供了显著增加的滤水和留着率，并具有比相等数量的Laponite RD较低的混浊度。
不受理论的限制，认为当将TSPP混合并溶于Laponite的胶态分散体中，该焦磷酸盐离子与Laponite晶体带正电荷的边缘缔合，使全部粒子带负电荷。这有效地增加了在Laponite晶体上的负电荷并且使它们对存在于造纸方法中的阳离子粒子具有更大的引力。
优选在添加微粒以前将聚合物添加到造纸纸浆中，尽管可以使用任何添加顺序。优选，该聚合物可以是不对纸浆或纸的成型产生不利作用的任何聚合物并且可以优选包括凝结剂和/或絮凝剂。优选，该聚合物是中等至高分子量的合成聚合物，例如，阳离子含氮的聚合物如阳离子聚丙烯酰胺或其共聚物、或者阳离子二烯丙基二甲基氯化铵或其共聚物。
该聚合物可以是阳离子的、非离子的、或两性的。如果是两性的，该聚合物优选在阳离子条件下使用。除上述聚合物之外，可以使用至少一种任何种类的其它聚合物，只要所述至少一种其它的聚合物基本上不对本发明的留着率性质产生不利的影响。所述至少一种其它的聚合物优选可以是聚酰氨基胺二醇(PAAG)聚合物。
该聚合物优选具有约100,000到约25,000,000、和更优选约500,000到约18,000,000的分子量，尽管其它的分子量对实现预期效果来说是可能的。
该聚合物优选可以是高分子量线性阳离子聚合物或交联的聚环氧乙烷。典型的高分子量线性阳离子聚合物和适合在本发明纸浆和方法中使用的剪切阶段加工描述于Langley等人的美国专利Nos.4,753,710和4,913,775中，在此引入它们二者的全部内容作为参考。
优选在造纸过程的至少一个显著剪切步骤以前添加该聚合物并且该聚合物可以以一个步骤以上的方式添加。可以在造纸过程的各个显著剪切步骤之前或之后添加该微粒。根据本发明的一些实施方案，可以在微粒以前和在造纸过程中的至少一个显著剪切步骤以前添加该聚合物。如果在微粒之前添加该聚合物，可以在造纸过程的最后剪切步骤之前或之后添加该微粒。尽管优选在造纸过程中的最后剪切点以前将聚合物添加到造纸纸浆中，但是可以在最后剪切点之后添加该聚合物。
该微粒优选在各个粒子之间形成桥或网状结构。该聚合物优选是部分附着(例如，吸附)在浆料内部的粒子表面上并能提供附着位置。
可以首先通过在该纸浆或浆料中添加聚合物，随后使该纸浆经受高剪切条件，随后在形成纸页之前添加微粒来处理含水的纤维素造纸纸浆或浆料。如上文所讨论的，该聚合物可以是阳离子、非离子、或在阳离子条件下两性的。可供选择地，该聚合物可以与合成的层状硅酸盐微粒同时添加。
优选的用作助留体系聚合物的阳离子聚丙烯酰胺在下面更详细地描述。如果阳离子聚丙烯酰胺用作阳离子聚合物，该阳离子聚丙烯酰胺可以具有超过100,000的分子量、和优选具有约500,000到18,000,000的分子量。优选该聚合物和合成的层状硅酸盐微粒的结合在游离度、脱水、细屑的留着率、良好的纸页成型、强度、和抗剪性之间提供了适当的平衡。
与不存在聚合物的相同纸浆相比，助留体系的聚合物成分以优选改善纸浆滤水或留着率的有效量添加。优选该聚合物以每吨纸料至少约0.01磅聚合物(0.005千克/吨)的量添加，以聚合物和纸料二者的干固形物重量为基准。更优选，该聚合物以每吨纸料约0.1磅(0.05千克/吨)至每吨纸料约5磅(2.3千克/吨)的量添加，更优选约0.2磅/吨(0.09千克/吨)至约2磅/吨(1千克/吨)，以该纸浆的干固形物重量为基准，尽管可以使用其它的量。
如果该聚合物是阳离子的，可以使用任何阳离子聚合物或其混合物并且优选可以在本发明的纸浆或浆料中使用通常与造纸有关的常规的阳离子聚合物。阳离子聚合物的实例包括，但是不局限于，阳离子淀粉和阳离子聚丙烯酰胺聚合物，例如，丙烯酰胺与阳离子单体的共聚物，其中该阳离子单体可以呈中和或季铵形式。含氮的阳离子聚合物是优选的。可与丙烯酰胺共聚而形成用于本发明的优选阳离子聚合物的典型阳离子单体，包括丙烯酸或甲基丙烯酸的氨基烷基酯、和中和或季铵形式的二烯丙基胺。典型的阳离子单体和阳离子聚丙烯酰胺聚合物描述于Baron，Jr.等人的美国专利No.4,894,119中，在此引入它的全部内容作为参考。
该聚合物还可以是由包括，例如，1-三甲基铵-2-羟丙基甲基丙烯酸酯甲基硫酸酯(methosulphate)的共聚单体形成的聚丙烯酰胺。其它阳离子聚合物的实例，包括，但是不局限于，二烯丙基胺单体的均聚物、丙烯酸类的氨基烷基酯的均聚物、和聚胺，如在美国专利No.4,894,119中所描述的。还可以使用共聚物、三元聚合物、或更高形式的聚合物。更进一步地，对本发明来说，可以使用两种或更多种聚合物的混合物。
在其中该聚合物包含阳离子聚丙烯酰胺的实施方案中，非离子丙烯酰胺单元优选存在于该共聚物中，其含量优选至少约30摩尔％并且通常不大于95摩尔％。优选约5摩尔％至约70摩尔％的聚合物是由阳离子共聚单体形成的。
该造纸纸浆或浆料可以是任何常用的类型，和例如可以包含在含水介质中的纤维素纤维，它的浓度优选为纸浆或浆料中总干固形物含量的至少约50％重量。可以在许多不同类型的造纸纸浆、浆料、或者纸浆或浆料的组合中添加本发明的助留体系。例如，该纸浆可以包括新鲜的和/或回用的纸浆，如新鲜的亚硫酸盐浆、损纸浆(broke pulp)、阔叶木硫酸盐浆、针叶木硫酸盐浆、上述纸浆的混合物等等。
可以在将该纸浆或浆料沉积在造纸网上之前将助留剂体系添加到该纸浆或浆料中。现已发现包含助留剂体系的纸浆或浆料在网上形成纸幅期间显示出良好的脱水性能。在对该纸浆或浆料施加高剪切应力的条件下该纸浆或浆料还显示出所希望的纤维细屑和填料在纸幅产品中的高留着率。
除用于本发明的助留剂体系之外，根据本发明的造纸纸浆或浆料可以进一步地包含其它种类的微粒。可以将不同于合成的层状硅酸盐微粒的一或多种不同种类的第二微粒添加剂在过程期间的任何时候添加到该纸浆中。该第二微粒添加剂可以是天然的或合成的锂蒙脱石、皂土、沸石、无酸的矾土溶胶、或本领域技术人员已知的任何常规的微粒添加剂。典型的合成微粒描述于美国专利Nos.5,571,379和5,015,334中，在此引入它们的全部内容作为参考。
除用于本发明的合成的层状硅酸盐微粒助留剂体系之外，按照本发明的造纸纸浆或者浆料可以进一步包含与本发明助留体系不同组成的凝结剂/絮凝剂助留体系。
本发明的造纸纸浆还可以包含具有纤维素分解活性的、常规造纸纸浆处理酶。优选，该酶组分还显示出半纤维素分解活性。合适的酶和含有酶的组合物包括描述于Jaquess的美国专利Nos.5,356,800和6,342,381、以及国际出版物No.WO99/43780中的那些，在此引入它们的全部内容作为参考。其它典型的造纸纸浆处理酶是BUZYMETM2523和BUZYMETM2524，它们均得自美国田纳西州孟菲斯的Buckman Laboratories International，Inc.。优选的纤维素分解酶组合物优选包含大约5％重量到大约20％重量的酶。优选的酶组合物可以进一步地包含聚乙二醇、己二醇、聚乙烯吡咯烷酮、四氢糠醇、甘油、水、和其它常规的酶组合物添加剂，例如，美国专利No.5,356,800中描述的那些。该酶可以以任何常规的量添加到纸浆中，如大约0.001％重量到大约0.100％重量的酶，例如大约0.005％重量到大约0.05％重量，以纸浆的干重为基准。
在本发明的一个优选方案中，将酶组合物包括在纸浆或者浆料内并且酶组合物包含至少一种聚酰胺低聚物和至少一种酶。该聚酰胺以使该酶稳定的有效量存在。典型的包含聚酰胺低聚物和酶的酶组合物描述于国际公开申请No.WO 99/43780中，在此引入它的全部内容作为参考。
如果包括酶组合物，该酶组合物可以包括两种或多种不同的酶的混合物。该酶组合物可以包括，例如，脂肪酶和纤维素酶的混合物，并且任选地可以包括稳定剂。该稳定剂可以是如在此处描述的聚酰胺低聚物。
用于本发明方法的一种具体的添加剂是阳离子淀粉。可以将阳离子淀粉添加到本发明的纸浆或者浆料中来形成淀粉处理的纸浆。可以沿着通过本发明造纸装置或体系的造纸纸浆流的一或多个点添加淀粉。例如，可以在大约把酸性含水的矾土溶胶添加到纸浆的同时将阳离子淀粉添加到纸浆中。优选，如果使用阳离子淀粉的话，在将合成的层状硅酸盐微粒引入纸浆之前将它添加到纸浆中或与纸浆混合。在纸浆首先用酶、凝结剂、或两者处理之后，可以将所述阳离子淀粉可供选择地或另外地添加到纸浆中。优选的阳离子淀粉包括，但是不局限于，马铃薯淀粉、玉米淀粉、和其它的湿部淀粉、或其结合。
可以将常规量的淀粉添加到纸浆中。根据本发明可以使用的举例性的淀粉量以纸浆的干固形物重量为基准是每吨大约5到大约25磅。
根据造纸过程中通常使用的生物杀灭剂，可以将生物杀灭剂添加到纸浆中。例如，在纸浆已用任选的酶和聚合物处理之后将生物杀灭剂添加到混合浆池中的处理过的纸浆中。用于本发明造纸纸浆的生物杀灭剂包括本领域技术人员所熟知的生物杀灭剂，例如，可以从Buckman LaboratoriesInternational，Inc.Memphis，Tenn.，中获得的生物杀灭剂，如BUSANTM生物杀灭剂。
另外，本发明的纸浆或浆料可以用一或多种其它的组分进行处理，包括聚合物如阴离子和非离子聚合物、粘土、其它的填料、染料、颜料、消泡剂、pH调节剂如明矾、杀微生物剂、和其它的常规造纸或处理添加剂。这些添加剂可以在合成的层状硅酸盐微粒引入之前、期间、或之后添加。优选，在将即使不是全部也是大多数的其它添加剂和组分添加到纸浆之后，添加该合成的层状硅酸盐微粒。因此，该合成的层状硅酸盐微粒可以在添加酶、凝结剂、絮凝剂、填料、和其它常规的和非常规的造纸添加剂之后添加到造纸纸浆中。
根据本发明的助留体系的添加可以在即使不是全部也是大多数的常规造纸机上进行。
实施本发明方法之一的造纸体系的流程图列于图1中。应当理解的是，所示的体系是本发明的举例而决不是意欲限制本发明的范围。在图1的体系中，将所需浓度的任选的酶组合物供料与造纸纸浆流结合以形成处理过的纸浆。所示的纸浆供应表示例如，由纸浆贮料槽或料仓供应的纸浆流。图1所示的纸浆供应设备可以是用于浆流的导管、储料罐、或混合罐、或其它的容器、通道、或混合区。酶组合物的供应设备可以是，例如，具有与处理过的浆料罐入口相连的出口的储料罐。
用酶组合物处理的纸浆从处理过的浆料罐通过磨浆机，然后通过混合浆池，在该混合浆池中可以将任选的添加剂例如生物杀灭剂与处理过的纸浆结合。该磨浆机具有与处理过的浆料罐的出口相连的入口，和与混合浆池的入口相连的出口。
根据图1的实施方案，使在混合浆池中处理过的纸浆从混合浆池的出口通过连通至成浆池(machine chest)的入口，在成浆池中任选的添加剂可以与处理过的浆料结合。混合浆池和成浆池可以是本领域技术人员已知的任何常规类型。成浆池保证液位压头，即，保证对整个体系的下游部份，尤其是在网前箱中的处理过的纸浆或浆料恒压。
从成浆池，使纸浆穿过白水料仓，然后至混合浆泵。优选将本发明的助留体系聚合物引入料仓与混合浆泵之间的浆流中。助留体系聚合物组合物的供应装置可以是，例如，具有与在白水料仓和混合浆泵之间的管线相连的出口的储料罐。当纸浆从混合浆泵到达筛网时，优选添加合成的层状硅酸盐微粒。可以使用与引入常规添加剂结合使用的常规阀和泵。将过筛的浆料传送到网前箱，在网上形成湿纸页并滤水。在图1的体系中，由网前箱中造纸产生的滤水纸浆再循环到白水料仓中。
在图2所示的实施方案中，首先将合成的层状硅酸盐微粒添加到在白水料仓和混合浆泵之间的磨浆后的处理过的纸浆中。在混合浆泵之后和筛网之前添加该助留体系聚合物。
本发明的另一个实施方案示于图3中。将任选用阳离子淀粉处理过的纸浆进行磨浆，通过混合浆池、通过成浆池、然后通过白水料仓中。优选在白水料仓和混合浆泵之间将助留体系聚合物添加到纸浆中。优选在纸浆通过筛网并且刚好在网前箱中形成纸页之前添加该合成的层状硅酸盐微粒。
本发明的装置还可以包括用于向浆流中提供合适浓度的合成的层状硅酸盐微粒或其它添加剂的计量装置。
根据以上图1-3的任何实施方案，净化器，例如，离心力净化装置可以设置在例如混合浆泵和筛网之间。
图4和5是说明在本发明两个尤其优选的实施方案中聚合物和微粒的添加步骤的流程图。应该理解，图4和5仅仅说明了为描述这些优选方法中聚合物和微粒添加步骤所必需的那些部件(即，混合浆泵、筛网和流浆箱)和添加步骤，而图4和5所说明的方法和装置可以优选包括图1至3所示的和如上所述的任选的添加剂、装置部件和/或工艺步骤中的一些或全部。
纸浆由箭头所示的方向通过图4和5的装置、通过在它路线上的混合浆泵和筛网，到达网前箱。纸浆由混合浆泵和筛网二者进行剪切，然而由筛网施加到纸浆的剪切力大于由混合浆泵施加的剪切力，因此筛网是造纸方法中在纸浆进入造纸装置网前箱之前的最终高剪切阶段。
在图4和5的两个图中，优选在混合浆泵之前添加凝结剂聚合物。该凝结剂优选包括相对低分子量的、阳离子的、高电荷密度的聚合物以便清除和收集胶体微粒，主要是阴离子纤维和填料。将该胶体微粒凝结以形成大的胶体，大的胶体的尺寸更大且更容易在滤水时保持在纸页中。该凝结剂优选是聚胺或二烯丙基二甲基氯化铵(DADMAC)聚合物、或其共聚物。在图4和5中说明的方法中使用的尤其优选的凝结剂是BUFLOCTM5376，得自Buckman Laboratories International，Inc.，它是具有95％电荷密度和分子量为大约500,000的阳离子DADMAC。该凝结剂聚合物按干物质计优选以大约0.05至大约1.0千克/吨纸浆、更优选大约0.1到大约0.5千克/吨和更加优选大约0.3千克/吨的量加入到纸浆中。
图4和5的方法均包括添加含有微粒的助留剂体系，该助留剂体系包括助留体系聚合物和微粒。该微粒是合成的层状硅酸盐、更优选合成的水合钠锂镁硅酸盐、和更加优选是与胶溶剂结合的合成的水合钠锂镁硅酸盐，最优选的胶溶剂是焦磷酸四钠。该微粒优选包括Laponite RDS、XLS和DS中的一或多种，更优选包括Laponite RDS。该微粒按干物质计优选以大约0.1至大约1.0千克/吨纸浆、更优选大约0.2到大约0.6千克/吨和更加优选大约0.4千克/吨的量添加。
该助留体系聚合物优选是絮凝剂并且可以优选包含如上所述的任何合成的含氮阳离子聚合物。尤其优选的助留体系聚合物是BUFLOCTM5511，得自Buckman Laboratories International，Inc.，它是分子量为大约10,000,000的阳离子聚丙烯酰胺。该助留体系聚合物按干物质计优选以大约0.05至1.0千克/吨纸浆，更优选从大约0.05至大约0.5千克/吨和更加优选大约0.1到大约0.2千克/吨的量添加到纸浆中。
图4和5的流程图中的助留体系聚合物和微粒的添加顺序彼此不同。在图4中，在筛网之前、更优选在混合浆泵和筛网之间添加该微粒，而在筛网之后、更优选在筛网和网前箱之间添加该助留体系聚合物。在图5中，添加的顺序是相反的，在筛网以前、更优选在混合浆泵和筛网之间添加该聚合物，而在筛网之后、更优选在筛网和网前箱之间添加该微粒。图5中的添加顺序是优选的。
本发明进一步地描述于下列实施例中。
实施例
在以下实施例中，简写了在实施例中使用的各个组分。在实施例中，称为“RD”、“RDS”和“JS”的组分分别是Laponite RD、Laponite RDS和Laponite JS，得自Rockwood Additives Limited。Laponite RD是水合钠锂镁硅酸盐；Laponite RDS是具有焦磷酸四钠的水合钠锂镁硅酸盐；和LaponiteJS是具有焦磷酸四钠的水合钠锂镁氟硅酸盐。当后面有数值时，例如，“RDS0.5”，该数值表示以纸浆的干固形物重量为基准，每吨纸浆Laponite微粒以干物质计的磅数。
在以下实施例中，缩写“B 594”和″594″表示BUFLOCTM594，得自Buckman Laboratories International，Inc.，它是平均分子量为大约5,000,000到大约7,000,000单位和21％电荷密度的高分子量阳离子聚丙烯酰胺。当它后面有数值时，例如，“594 0.5”，该数值表示以纸浆的干固形物重量为基准每吨纸浆Bufloc 594聚合物以干物质计的磅数。
缩写“B 5511”和“5511”表示BUFLOCTM5511，得自Buckman LaboratoriesInternational，Inc.，它是分子量为大约10,000,000的阳离子聚丙烯酰胺。当它后面有数值时，例如，“5511 0.5”，该数值表示以纸浆的干固形物重量为基准每吨纸浆Bufloc 5511聚合物以干物质计的磅数。
在添加聚合物和微粒组分二者的样品中，添加顺序是确定的。例如，缩写“B 5511 0.5/RDS 0.5”表示聚合物组分Bufloc 5511在微粒组分LaponiteRDS之前添加到配料中。这模拟了造纸方法，在该方法中在最终高剪切阶段之前(一般在筛网之前)添加聚合物和在最终高剪切阶段之后(一般在筛网和网前箱之间)添加微粒。同样地，缩写“RDS 0.5/B 5511 0.5”表示聚合物组分Bufloc 5511在微粒组分Laponite RDS之后添加到配料中。这模拟了造纸方法，在该方法中在最终高剪切阶段之前(一般在筛网之前)添加微粒和在最终高剪切阶段之后(一般在筛网和网前箱之间)添加聚合物。
实施例I-滤水和混浊度测试
在纸厂进行测试。使用改进的Schopper Riegler方法利用对500ml样品滤水的小筛网进行滤水。在食物搅拌器中进行混合。
改进的Shopper Riegler滤水测试使用的设备包括下列：改进的SchopperRiegler(MSR)；1000ml量筒；秒表；5加仑(18.9l)塑料桶；MSR用的网；真空瓶和漏斗(用于留着)；Whatman无灰滤纸(用于灰分留着)；浊度计；血细胞计数器；和显微镜。
待测试的样品取自造纸装置的网前箱。对于每个测试，需要1000ml。因为温度对滤水有影响，因此在样品取出之后立即进行每个测试。对于用助留剂进行的实验室研究，将该配料保持与网前箱温度相同的温度。
如果MSR是冷的而样品是热的，则通过在MSR的外部和内部上的流动的热水使MSR升温。如果没有热水，则使用冷水。全部的测试以同样的方式进行。必要的是MSR网上没有任何纤维或细屑。在测试进行以前用水反冲该网。通过在桶中搅动纤维浆来确保纤维、细屑、和填料在样品中均一的分布。在量筒中量取1000ml的浆液并且在保持活塞向下的同时将它倒入MSR。将量筒放在MSR的下面。然后松开活塞并且同时启动秒表。测量并且记录以100m增量单位计样品滤水需要的时间。所选的100ml增量单位完全是根据经验。例如，作为替代在100、150、和200ml的滤水时间测量很慢的滤水浆料样品。有时需要几个测试来确定起始体积测试。比较在各个样品中的不同用量的聚合物，为此，在添加助留/助滤剂之前从纸机获得配料样品。相对于空白配料比较滤水和留着率的数值以确定改善。为了测量留着性能，使MSR滤液通过预称重的滤纸过滤，在105℃到120℃的烘箱中干燥，然后再次称重。重量差以mg/ml记录。
以配料中不同量的添加剂(即聚合物和/或微粒)为基础比较滤水时间。对每个体积用量以秒记录滤水时间。用浊度计估计总悬浮固体。还可以将滤液过滤以测量悬浮固体。MSR滤液的固体含量可以以mg/ml记录并且可以用来表示不同体系的留着能力，该值越低表明留着能力越好。
对于重复测试，沿着造纸体系的同一位置取样品。对于重复测试要保证配料组分相同。不合理地与相应起始测试不一致的重复测试是不可信的。
把MSR保持清洁并且不断地用水洗涤以便阻止残留纤维在两侧上堆积。定期净化筛网以便除去树脂堆积，并用温和的去垢剂刷干净。检查筛网以确保不使用弯曲或损伤的网。所有测试以同样方式和同样的稠度进行。
纸厂使用包括70wt％热机械浆(TMP)和30％的脱墨纸浆(DIP)的新闻纸配料。该纸浆具有1,000微西门子(microsiemens)网前箱传导率、0.15ml/l的0.001N溶液的阳离子需求和0.65的稠度。纸料的网前箱pH是4.83。与纸浆相结合的添加剂包括作为填料的2wt％的煅烧粘土，以纸浆的干固形物重量为基础。该煅烧粘土存在于DIP组分中。
以聚合物和纸浆二者的干固形物重量为基准，以多至0.75磅/吨(0.35千克/吨)纸浆的变化用量将聚合物添加到纸料中。
以多至1.0磅/吨(0.46千克/吨)的变化用量将微粒添加到纸浆中。全部的微粒剂量是以干物质计算的。
测试的结果如下表1和2所示。(表1包含滤水/混浊度数据，而表2包含留着率数据)。在表1中，标题栏“100”、“150”、“200”和“250”表示所收集的通过网滤水的滤液的毫升数。在标题栏下面的对应数字表示通过网排水并收集的滤液的各自毫升(ml)数所需要的秒数。例如，在表1的第一条目中，称为“空白”的纸浆(没有微粒助留体系)，需要27秒通过成形网排水并收集100ml滤液，需要58秒收集150ml滤液，且需要90秒收集200ml滤液。在表1中，以浊度的混浊度单元(NTU)为单位测量的混浊度列在最后一栏中。对于测试并记录于表1中的、包括微粒添加剂和聚合物二者的各种样品的每一个来说，在表中规定了添加的顺序。例如，在表1的样品5至7和11至13中，首先添加聚合物。在样品8至10中，首先添加微粒。
表I-滤水和混浊度
  样品号   样品组成*   100ml.   150ml.   200ml.   250ml.   混浊度
  1   空白   27   58   90   141   249
  2   B 5511 0.25   25   55   87   129   193
  3   B 5511 0.5   22   46   76   112   211
  4   B 5511 0.75   24   49   78   112   210
  5   B 5511 0.5/RDS 0.5   17   38   64   93   114
  6   B 5511 0.5/RDS 0.75   15   31   52   75   70
  7   B 5511 0.5/RDS 1   13   29   48   72   91
  8   RDS 0.5/B 5511 0.5   14   30   50   70   97
  9   RDS 0.75/B 5511 0.6   15   30   50   70   94
  10   RDS 1/B 5511 0.7   13   28   46   64   101
  11   B 5511 0.5/RD 0.5   15   45   74   102   150
  12   B 5511 0.5/RD 0.75   15   39   64   94   129
  13   B 5511 0.5/RD 1   14   34   55   83   91
  14   Blank 2   29   58   93   139   241
*所有样品组成以磅/吨计
如表1所示的数据图示于图6和7中。
实施例2-留着率测试
以1,000rpm进行Britt Jar测试来评价根据本发明的助留体系的性能，以增加的单程留着率和增加的单程灰分留着率为基础。在Britt Jar中，配料在连续的移动之下，所以没有纤维层形成并且水可以连续地通过网排出。这模拟了在造纸机上发生的浆料和水的脱水。
在Britt Jar测试中使用的配料与实施例1中使用的配料相同。
在Britt Jar测试中，以正确的顺序施加化学药品并且混合该配料达到模拟由造纸机设备如混合浆泵和旋翼-筛(centri-screens)处理该配料的程度。当将它剪切时，该浆料事实上在混合浆泵或筛网中花费一秒(至多)。模拟剪切和显示真实的短接触时间的另一个方法是使所有的化学药品在Britt Jar留着率测定仪外部进行混合。使用普通的家庭食物搅拌器进行化学添加剂的混合。
该混合过程对留着率和滤水操作是相同的。
所有的高剪切混合使用食物搅拌器在Britt Jar的外部进行，因为这样更具有造纸方法中高剪切点的特征。这还避免了Britt Jar网的堵塞。在每个化学药品添加后，在食物搅拌器中进行两-秒的短脉冲(short two-second burst)。这模拟了经过混合浆泵的浆料(包括凝结剂、淀粉、高分子聚合物)。
为了模拟聚合物或微粒组分的筛网前添加，在食物搅拌器中进行1秒的短脉冲。为了模拟聚合物或微粒的筛网后添加，将处理过的浆料样品倒入圆筒中，随后添加聚合物或微粒组分并且倒置Britt Jar四次。
在Britt Jar测试中使用下列设备：Britt Jar测定仪；网-用于新闻纸配料的80P；预调理的无灰滤纸-Whatman#41或43；稀释的聚合物样品；浆料样品(至少20升)；至0.001g的天平；buchner漏斗；干燥箱；用于灰分测定的熔炉；带有盖子的塑料容器；注射器-1，5和10毫升；以及搅拌器-具有脉冲特性的标准食物搅拌器。
每个浆料和聚合物样品制备如下：准备浆料和聚合物样品；确保用于Britt Jar的网是湿的；将Britt Jar的速度设置在所需的设定值，然后开启它；将化学药品混合到浆料中；将处理过的浆料倒入Britt Jar；等待5秒；打开夹子并且开始收集滤液；首先收集100mL滤液；通过预调理的滤纸过滤该滤液，然后在110℃的烘箱中干燥；和计算％TFPR。如果需要，灰化干燥滤纸以测定％FPAR。
如果需要，灰化干燥滤纸以测定％FPAR。
计算
1.稠度＝样品中的固形物％，并且由[]符号代表
＝100×(悬浮固体的重量)/(原始样品的重量或体积)
2.FPR，单程留着率＝在纸页中保留的HB固形物的％
＝([HB]-[TW])/[HB]×100
实例：[HB]＝0.75％，[TW]＝0.18％
FPR＝100(0.75-0.18)/0.75＝76％
3.FPAR，单程灰分留着率＝([HB灰分]-[TW灰分])/[HB灰分]×100
通过灰化HB，然后将％灰分值乘以[HB]来确定[HB灰分]。通过灰化TW，然后将％灰分值乘以[TW]来确定[TW灰分]。
留着率测试的结果如下表2所示。
表2-留着率
  样品号   组成   TFPR/百分比
  1   空白   24.22
  2   594 0.5   48.99
  3   594 0.5/RD 0.5   59.05
  4   594 0.5/RD 1   63.26
  5   594 0.5/RDS 0.5   65.66
  6   594 0.5/RDS 1   71.71
表2所示的数据用图表在图8中示出。
实施例3-对比Laponite RD、RDS和JS的滤水测试
按照实施例1描述的工序对碱性配料进行滤水测试。
包含微粒的所有样品还包含聚合物，Bufloc 5511。在这些测试的大多数中，在微粒之前将Bufloc 5511添加到配料中。对于Laponite RDS，还用相反的添加顺序进行测试。
滤水测试的结果在图9和10中说明。如这些图所示，包含Laponite RDS的配料比包含Laponite JS或Laponite RD的配料具有更好的滤水性质。另外，当在Laponite RDS之前添加该聚合物(Bufloc 5511)比在最后添加LaponiteRDS时使用RDS的滤水结果更好。
实施例4-对比Laponite RD、RDS和JS的留着率测试
使用聚合物(Bufloc 5511)和微粒的各种组合来进行如实施例2所述的Britt Jar测试。用由60％阔叶树和40％针叶树组成的碱性高级纸张配料进行该测试，该配料具有7.9的pH、670微西门子的传导率和20％沉淀碳酸钙(PCC)的灰分含量，其中在造纸方法中的成浆池中添加沉淀碳酸钙。包括总单程留着率(TFPR)和单程灰分留着率(FPAR)二者的留着率数据如下表3所示并且还在图11中进行了示出。
表3
  样本号   组成   TFPR/百分比   FPAR/百分比
  1   空白   50.97   18.14
  2   5511 0.5   78.72   69.16
  3   5511 0.5/JS 0.5   78.93   71.49
  4   5511 0.5/JS 0.75   82.80   73.05
  5   5511 0.5/RD 0.5   81.44   73.15
  6   5511 0.5/RD 0.75   84.99   76.46
  7   RDS 0.5/5511 0.5   84.22   79.59
  8   RDS 0.75/5511 0.5   86.63   80.58
  9   5511 0.5/RDS 0.5   87.21   81.02
  10   5511 0.5/RDS 0.75   89.99   82.04
如表3和图11所示，Laponite RDS的留着率结果比可比浓度的LaponiteJS和Laponite RD获得的结果更好，该结果表明在加入Bufloc 5511后，添加Laponite RDS提供了最好的结果。
在不脱离本发明的精神或范围下对本发明实施方案进行的各种修改和变更，对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，这意味着，本发明覆盖在所附权利要求和其等同物的范围内的本发明其它修改和变更。

Claims (24)

1.一种生产纸或纸板的方法，包括：
(a)通过在造纸纸浆中添加合成的层状硅酸盐、胶溶剂和至少一种聚合物来形成处理过的纸浆，该合成的层状硅酸盐包括合成的水合钠锂镁硅酸盐，并且所述至少一种聚合物包括由阳离子聚合物、非离子聚合物和在阳离子条件下的两性聚合物组成的组中的一种或多种；和
(b)将处理过的纸浆形成所述纸或纸板。
2.权利要求1所述的方法，其中合成的层状硅酸盐包括合成锂皂石。
3.权利要求1所述的方法，其中合成的层状硅酸盐按干物质计以每吨纸浆至少约0.05磅的量加入到纸浆中，以纸浆的干固形物重量为基准。
4.权利要求1所述的方法，其中合成的层状硅酸盐按干物质计以每吨纸浆约0.1磅至约5.0磅的量加入到纸浆中，以纸浆的干固形物重量为基准。
5.权利要求1所述的方法，其中合成的层状硅酸盐按干物质计以每吨纸浆约0.2磅至约1.0磅的量加入到纸浆中，以纸浆的干固形物重量为基准。
6.权利要求1所述的方法，其中胶溶剂包括无机多磷酸盐胶溶剂。
7.权利要求1所述的方法，其中胶溶剂包括焦磷酸四钠。
8.权利要求1所述的方法，其中合成的层状硅酸盐以水分散体的形式加入到纸浆中，并且其中该分散体包含足以将所述分散体以溶胶形式维持预定时段的量的无机多磷酸盐胶溶剂。
9.根据权利要求5所述的方法，其中水分散体包含多至约10wt％的所述合成的层状硅酸盐。
10.权利要求1所述的方法，其中存在有阳离子聚合物，并且所述阳离子聚合物包括合成的含氮阳离子聚合物。
11.权利要求1所述的方法，其中存在有阳离子聚合物，并且所述阳离子聚合物包括由阳离子聚丙烯酰胺及其共聚物、和阳离子二烯丙基二甲基氯化铵及其共聚物组成的组中的一种或多种。
12.权利要求1所述的方法，其中存在有阳离子聚合物，并且它是按干物质计以每吨纸浆至少约0.01磅的量加入到纸浆中，以纸浆的干固形物重量为基准。
13.权利要求1所述的方法，其中存在有阳离子聚合物，并且它是按干物质计以每吨纸浆约0.1磅至约5磅的量加入到纸浆中，以纸浆的干固形物重量为基准。
14.权利要求1所述的方法，其中存在有阳离子聚合物，并且它是按干物质计以每吨纸浆约0.2磅至约2磅的量加入到纸浆中，以纸浆的干固形物重量为基准。
15.权利要求1所述的方法，进一步包括在一或多个剪切阶段中剪切该纸浆，所述剪切阶段包括最终高剪切阶段，在最终高剪切阶段中使该纸浆在进入造纸装置网前箱之前穿过筛网。
16.权利要求15所述的方法，其中在最终高剪切阶段之前将聚合物添加到纸浆中，并且其中在最终高剪切阶段之后将合成的层状硅酸盐添加到纸浆中。
17.权利要求15所述的方法，其中在最终高剪切阶段之前将合成的层状硅酸盐添加到纸浆中，并且其中在最终高剪切阶段之后将聚合物添加到纸浆中。
18.一种根据权利要求1所述的方法生产的纸或纸板。
19.一种造纸装置，包括合成的层状硅酸盐的供应设备、造纸纸浆的供应设备、将合成的层状硅酸盐从合成的层状硅酸盐供应设备供至造纸纸浆供应设备的装置、助留体系聚合物的供应设备、将助留体系聚合物从助留体系聚合物的供应设备供至造纸纸浆的装置、和在用合成的层状硅酸盐和助留体系聚合物处理之后将纸浆形成纸或纸板的装置，其中所述助留体系聚合物是阳离子聚合物、非离子聚合物、或在阳离子条件下的两性聚合物、或其结合，并且其中该合成的层状硅酸盐包括合成的水合钠锂镁硅酸盐并将它以水分散体的形式供应到造纸纸浆中，所述水分散体还包括无机多磷酸盐胶溶剂。
20.根据权利要求19所述的装置，其中形成纸浆的装置包括与处理过的纸浆的供应设备连通的混合浆池、与混合浆池连通的混合浆泵、与混合浆泵连通的筛网、和与筛网连通的网前箱。
21.根据权利要求20所述的装置，其中提供供应槽来保持纸浆的供应，并且在供应槽与混合浆池之间的连通包括在进入混合浆池之前用于对纸浆进行磨浆的磨浆装置。
22.根据权利要求20所述的装置，进一步包括白水料仓，其中白水料仓具有与所述混合浆池连通的进口、与网前箱连通的进口、和与混合浆泵连通的出口。
23.根据权利要求22所述的装置，进一步包括一或多个用于在网前箱中形成纸浆之前对纸浆进行磨浆的磨浆机。
24.一种由滤水的纸幅生产的纸或纸板，该纸幅包括处理过的纸浆，处理过的纸浆包括纤维素纤维、合成的水合钠锂镁硅酸盐、至少一种助留体系聚合物和无机多磷酸盐胶溶剂，所述至少一种助留体系聚合物包括阳离子聚合物、非离子聚合物、或在阳离子条件下的两性聚合物、或其组合。
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PB01 Publication
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