CN1968968A - 阳离子交联蜡状淀粉制品及其制备方法和在纸制品中的用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有约700cps至约2500cps的布氏粘度的阳离子交联蜡状淀粉制品和用于制备所述淀粉制品的方法。还公开的是所述具有约700cps至约2500cps的布氏粘度的阳离子交联蜡状淀粉制品在纸制品生产中的用途。

Description

阳离子交联蜡状淀粉制品及其制备方法和在纸制品中的用途
技术领域
总体而言，本发明涉及阳离子交联蜡状淀粉制品及其用途。本发明的实施方案包括阳离子交联蜡状淀粉制品、用于制备该淀粉制品的方法和结合该阳离子交联蜡状淀粉制品的纸制品。
背景技术
已熟知作为混入各种添加剂的结果可以改进纸制品。已知阳离子交联淀粉具有提高纸制品的性能如干燥强度的能力和通过提高保持性和排水性改进造纸法的能力。阳离子交联淀粉是熟知的制品。
美国专利号5,122,231涉及可以包含蜡状淀粉制品的阳离子交联淀粉制品。在该专利中重点是涉及阳离子交联齿状淀粉制品。该专利还描述了所述阳离子交联淀粉制品在纸制品生产中的用途。要求所述阳离子交联淀粉制品具有约500cps至约3000cps的热糊布氏粘度，所述布氏粘度是在等于2.0％干燥固体的1.0波美浆固体测量的。
美国专利号5,368,690涉及可在纸生产中使用的阳离子交联淀粉制品。所述阳离子交联淀粉制品被描述成具有涉及交联度的程度的2至85％的布雷本登断裂(breakdown)粘度。
因此，应该需要提供可以改善纸制品的处理和生成的纸制品的性能的新型阳离子交联蜡状淀粉制品。
发明概述
本发明的各种实施方案针对阳离子交联蜡状淀粉制品、结合这种淀粉制品的纸制品和使用这种制品的方法。一个实施方案提供具有在约700cps至约2500cps(厘泊)的范围内变化的布氏粘度的阳离子交联蜡状淀粉制品，所述粘度是根据CRA方法B-54，在0.5％固体，使用转速为20rpm(转/分钟)的21号锭子并且在97℃的温度测量的。本发明的另一个实施方案还针对用于制备这种阳离子交联蜡状淀粉制品的方法。本发明的另外的实施方案针对这种阳离子交联蜡状淀粉制品在纸制品中的用途和如此制备的纸制品。
发明详述
本发明的各种实施方案针对阳离子交联蜡状淀粉制品、结合这种淀粉制品的纸制品和使用这种制品的方法。一个实施方案提供具有在约700cps至约2500cps(厘泊)的范围内变化的布氏粘度的阳离子交联蜡状淀粉制品，所述粘度是根据CRA方法B-54，在0.5％固体，使用转速为20rpm(转/分钟)的21号锭子并且在97℃的温度测量的。本发明的另外的实施方案还针对用于制备这种阳离子交联蜡状淀粉制品的方法。本发明的另外的实施方案针对这种阳离子交联蜡状淀粉制品在纸制品的制备中的用途和如此制备的纸制品。
更具体而言，下面描述了所述阳离子交联蜡状淀粉制品，所述阳离子交联蜡状淀粉制品具有在约700cps至约2500cps(厘泊)的范围内变化的布氏粘度，所述粘度是根据CRA方法B-54，在0.5％固体，使用转速为20rpm(转/分钟)的21号锭子并且在97℃的温度测量的。所述蜡状淀粉可以来自任何适合的来源，如蜡状玉米淀粉、蜡状马铃薯淀粉、蜡状甘薯淀粉、蜡状木薯淀粉、蜡状米淀粉、蜡状西米淀粉、蜡状高粱淀粉和它们的混合物。参考Corn Chemistry and Technology(1999)，480页，蜡状淀粉定义为包含基本上100％的支链淀粉的淀粉。优选蜡状淀粉是蜡状玉米淀粉。
在本发明的实施方案中的蜡状淀粉制品具有在约700cps至约2500cps的范围内变化的布氏粘度，所述粘度是根据CRA方法B-54，在0.5％固体，使用转速为20rpm(转/分钟)的21号锭子并且在97℃的温度测量的。在优选的实施方案中，布氏粘度在约800cps至约2000cps的范围内变化。在更优选的实施方案中，布氏粘度在约1000cps至约1500cps的范围内变化。在此描述用于确定布氏粘度的测试程序。
在制备阳离子交联蜡状淀粉的过程中，可以使用任何常规方法，如在涉及用于制备阳离子交联淀粉的方法的美国专利号5,122,231和美国专利号5,368,690中公开的那些。例如，可以依次或同时将任何蜡状淀粉阳离子化和交联，并且允许在用以制备如下阳离子交联蜡状淀粉的条件下发生反应，所述阳离子交联蜡状淀粉具有在约700cps至约2500cps的范围内变化的布氏粘度，所述粘度是根据CRA方法B-54，在0.5％固体，使用转速为20rpm的21号锭子并且在97℃的温度测量的。优选在可以制备如下阳离子交联蜡状淀粉的条件下实施该方法，所述阳离子交联蜡状淀粉具有在约800cps至约2000cps并且更优选在约1000cps至约1500cps的粘度。在该方法中使用的蜡状淀粉可以是上面确定的蜡状淀粉中的任何一种。在一个有用的实施方案中，蜡状淀粉是蜡状玉米淀粉。尽管在该方法中可以使用任何阳离子化剂，但是优选使用选自如下离子的组分实现阳离子化反应：氨基离子、亚氨基离子、锍离子、鏻离子、铵离子和它们的混合物，优选季铵离子。尽管许多交联剂适于在本方法中使用，但是本发明的实施方案使用选自多官能团的醚化剂、多官能团的酯化剂和它们的混合物的组分。用于选择性实施方案的适合的交联剂是表氯醇、二羧酸酐、氯氧化磷、三偏磷酸碱土金属盐、直链混合酐、聚胺聚环氧化物树脂和它们的混合物。一个优选的实施方案使用三偏磷酸碱土金属盐作为交联剂。
在一个实施方案中，制备阳离子交联蜡状淀粉制品通常包括通过测量粘度监测反应是否完成，以确保通过本说明书的测试程序测量的粘度值在约700cps至约2500cps的范围内。当确定粘度落入适宜的范围内时，可以终止反应。
如在此所述，通过使蜡状淀粉与任何阳离子化剂反应使蜡状淀粉阳离子化。阳离子化剂的示例是含有如下离子的试剂：氨基离子、亚氨基离子、锍离子、鏻离子或铵离子和它们的混合物。可以以任何常规方式进行阳离子化反应，例如通常在活化剂如氢氧化钠的存在下，使处于水浆液形式的蜡状淀粉与阳离子化剂反应。可以使用的另一种方法是半干燥法，其中在有限量的水中，在活化剂如氢氧化钠的存在下，使蜡状淀粉与阳离子化剂反应。
在一个实施方案中，阳离子化剂含有铵离子，并且优选铵离子是季铵离子。一个特别有用的实施方案使用(3-氯-2-羟丙基)三甲基氯化铵作为阳离子化剂。
如在此所述，通过使蜡状淀粉与任何交联剂反应可以使蜡状淀粉交联。使用任何已知的方式进行反应以使制品交联。用于一些实施方案的适合的交联剂包括但不限于：多官能团的醚化剂、多官能团的酯化剂、它们的混合物等。适合的交联剂的具体实例包括但不限于：表氯醇、二羧酸酐、氯氧化磷、三偏磷酸碱土金属盐、直链混合酐、聚胺聚环氧化物树脂、它们的混合物等。可以以任何常规方式进行交联反应，例如通常在活化剂如氢氧化钠的存在下，使处于水浆液形式的蜡状淀粉与交联剂反应。可以使用的另一种交联方法是半干燥法，其中在有限量的水中，在活化剂如氢氧化钠的存在下，使蜡状淀粉与交联剂反应。
在制备阳离子交联蜡状淀粉的过程中，可以以任何顺序使蜡状淀粉阳离子化并且交联。例如，可以将淀粉阳离子化，然后交联，或者可以将淀粉交联，然后阳离子化。此外，可以同时使用阳离子化剂和交联剂。
本发明的一些实施方案在造纸中使用阳离子交联蜡状淀粉制品。可以使用任何常规方式在造纸中结合阳离子交联蜡状淀粉制品。例如，可以将阳离子交联蜡状淀粉制品在水中形成浆并且在足以实现淀粉浆的胶凝的温度将生成的浆加热，制备胶凝淀粉糊。典型地，在约90℃以上的温度进行实现胶凝的加热。然后胶凝的淀粉糊可以以任何已知方式用于纤维素悬浮液，特别是纸配料中。在如此使用的过程中，可以在纸纤维厚坯或者纸纤维薄坯中，将胶凝的淀粉糊施加到造纸机湿端，或者同时分别加入到厚坯和薄坯中。在将胶凝的淀粉糊用于纤维素悬浮液中的过程中，在需要时可以结合任何量的淀粉。典型地，结合的阳离子交联蜡状淀粉的量基于纸纤维在约0.1重量％至约5重量％的范围内。在优选的实施方案中，蜡状淀粉制品以基于纤维的重量在约0.5重量％至约2重量％的范围内变化的量存在。
此外，在需要时，在制备纸制品的过程中可以使用常规添加剂。例如，可以结合染料、颜料、上胶添加剂、助留剂和排水助剂、生物聚合物或合成聚合物的水悬浮液或溶液等。
据认为根据本发明的各方面的阳离子交联蜡状淀粉制品还具有在除造纸以外的领域中的应用。这些应用可以包括例如食品容器制造、涂料的生产、如在水处理和油纯化中的水悬浮液的絮凝等。
描述如下实施例是为了说明本发明的各方面并且帮助普通技术人员完成和使用本发明。所述实施例不意在以任何方式另外限制本发明的范围。
                          实施例
测试程序
布氏粘度
使用在此规定的条件，根据Corn Refiners Association，Inc.的标准分析方法，测试程序CRA方法B-54确定阳离子交联蜡状淀粉的布氏粘度。在确定粘度的过程中使用的仪器是布氏DV-II+粘度计。通过使用转速为20转/分钟的21号锭子，在设定97℃的热水浴温度将样品煮10分钟，进行测试程序。使用0.5％的固体含量确定处于热糊形式的阳离子交联淀粉的布氏粘度。
内粘接强度
纸的内粘接强度(Scott粘接)-TAPPI测试程序T541om-89
淀粉制品
实施例1
通过将288,000lbs的干燥物质蜡状玉米淀粉以具有大于95％的蜡纯度的20波美浆装入反应器制备具有1200cps的布氏粘度的阳离子交联蜡状玉米淀粉。将作为7％溶液的8,054.8lbs(基于干燥重量)的氢氧化钠随同作为65％溶液的15,039.5lbs(基于干燥重量)的(3-氯-2-羟丙基)三甲基氯化铵加入到浆中。然后将浆加热至39.5℃并且允许其反应最少10小时，以实现0.3％干重的总的氮取代。在实现氮取代后，测量浆的样品以确保反应浆的pH为11.2。如果必要，将pH调整至11.2。将20lbs的食品级三偏磷酸钠一次性加入到浆中并且让浆反应5小时。通过加入35％的盐酸溶液使浆处于5.0-5.5的pH。然后在标准洗涤离心机上洗涤浆，通过篮式离心机脱水并且急骤干燥至10-12％的湿度。通过在此的布氏粘度程序确定生成的阳离子交联蜡状淀粉的粘度是1200cps。
实施例2
制备本发明的阳离子交联蜡状淀粉的备选方法如下。在作为活化剂的氢氧化钠的存在下，将具有10-30％湿度的半干蜡状玉米淀粉与2，3-环氧丙基-N，N，N-三甲基氯化铵和1，3-二氯-2-丙醇混合。据认为可以得到具有在约700cps至约2500cps的范围内变化的布氏粘度的阳离子交联蜡状玉米淀粉，所述粘度是根据CRA方法B-54，在0.5％固体，使用20rpm转速的21号锭子并且在97℃的温度测量的。
实施例3
遵循根据实施例1的方法，不同之处在于用(3-氯-2-羟丙基)二甲基十二烷基氯化铵代替(3-氯-2-羟丙基)三甲基氯化铵。据认为可以得到具有在约700cps至约2500cps的范围内变化的布氏粘度的阳离子交联蜡状淀粉制品，所述粘度是根据CRA方法B-54，在0.5％固体，使用20rpm转速的21号锭子并且在97℃的温度测量的。
实施例4
遵循根据实施例1的方法，不同之处在于用(3-氯-2-羟丙基)二甲基十八烷基氯化铵代替(3-氯-2-羟丙基)三甲基氯化铵。据认为可以得到具有在约700cps至约2500cps的范围内变化的布氏粘度的阳离子交联蜡状淀粉制品，所述粘度是根据CRA方法B-54，在0.5％固体，使用20rpm转速的21号锭子并且在97℃的温度测量的。
实施例5
遵循根据实施例1的方法，不同之处在于用1，2，4，5-苯四甲酸二酐代替三偏磷酸钠并且在8-10的pH范围反应。据认为可以得到具有在约700cps至约2500cps的范围内变化的布氏粘度的阳离子交联蜡状淀粉制品，所述粘度是根据CRA方法B-54，在0.5％固体，使用20rpm转速的21号锭子并且在97℃的温度测量的。
实施例6
遵循根据实施例1的方法，不同之处在于用蜡状米淀粉代替蜡状玉米淀粉。据认为可以得到具有在约700cps至约2500cps的范围内变化的布氏粘度的阳离子交联蜡状淀粉制品，所述粘度是根据CRA方法B-54，在0.5％固体，使用20rpm转速的21号锭子并且在97℃的温度测量的。
实施例7
遵循根据实施例1的方法，不同之处在于用蜡状马铃薯淀粉代替蜡状玉米淀粉。据认为可以得到具有在约700cps至约2500cps的范围内变化的布氏粘度的阳离子交联蜡状淀粉制品，所述粘度是根据CRA方法B-54，在0.5％固体，使用20rpm转速的21号锭子并且在97℃的温度测量的。
实施例8
遵循根据实施例1的方法，不同之处在于用蜡状木薯淀粉代替蜡状玉米淀粉。据认为可以得到具有在约700cps至约2500cps的范围内变化的布氏粘度的阳离子交联蜡状淀粉制品，所述粘度是根据CRA方法B-54，在0.5％固体，使用20rpm转速的21号锭子并且在97℃的温度测量的。
纸制品
实施例9
在该实施例中，显示了在纸制品的生产中结合在实施例1中制备的具有1200cps的布氏粘度的阳离子交联蜡状玉米淀粉制品。在该实施例中，以糊的形式使用淀粉制品。使用标准长网造纸机造纸。在混合腔将硬木/软木漂白纤维连同研磨的碳酸钙和厚坯明矾以常规量加入到涂布废纸配料中。配料混合物用水进一步稀释，随后加入淀粉糊。在流浆箱之前，以常规量加入二氧化硅和调配明矾(trim alum)，然后将配料泵入流浆箱中以分布到造纸机线上。然后，干燥纸卷并且在辊上收卷。制造的纸是196磅具有9％的灰度的涂布卷筒纸等级的纸。制造纸使其具有规定的内粘接强度(Scott粘接)值。这通过调节淀粉加入速率得到实现。在造纸过程中，加入15.3lbs/吨的实施例1的阳离子交联蜡状淀粉制品。在该实施例中制造的纸的特征在于具有1.9卷/小时的造纸速率并且具有121.4kPa/in2的内粘接强度。
实施例10
在该实施例中，遵循实施例9的程序，不同之处在于用实施例2的阳离子交联蜡状玉米淀粉代替实施例1的阳离子交联蜡状玉米淀粉。据认为可以得到适合的纸制品。
实施例11
在该实施例中，遵循实施例9的程序，不同之处在于分别用实施例3、4和5的阳离子交联淀粉蜡状玉米淀粉制品代替实施例1的阳离子交联蜡状玉米淀粉。据认为可以得到适合的纸制品。在这些情况下，还认为使用实施例3、4和5的淀粉制品生产的纸制品将具有增加内面施胶的特征。
实施例12
在该实施例中，遵循实施例9的程序，不同之处在于用实施例6的阳离子交联蜡状米淀粉制品代替实施例1的阳离子交联蜡状玉米淀粉。据认为可以得到适合的纸制品。
实施例13
在该实例中遵循实施例9的程序，不同之处在于用实施例7的阳离子交联蜡状马铃薯淀粉制品代替实施例1的阳离子交联蜡状玉米淀粉。据认为可以得到适合的纸制品。
实施例14
在该实施例中遵循实施例9的程序，不同之处在于用实施例8的阳离子交联蜡状木薯淀粉制品代替实施例1的阳离子交联蜡状玉米淀粉。据认为可以得到适合的纸制品。
已经参考各个具体和说明性的实施方案和技术描述了本发明。然而，本领域技术人员应该理解，在保持在本发明的精神和范围之内的同时可以进行诸多改变和修改。以上确认的专利和其它参考文献的每一份的全部内容都通过引用结合在此。

Claims (32)

1.一种阳离子交联蜡状淀粉制品，所述制品具有在约700cps至约2500cps的范围内变化的布氏粘度，所述粘度是根据CRA方法B-54，在0.5％固体，使用20rpm转速的21号锭子并且在97℃的温度测量的。
2.根据权利要求1所述的阳离子交联蜡状淀粉制品，其中所述蜡状淀粉选自蜡状玉米淀粉、蜡状马铃薯淀粉、蜡状甘薯淀粉、蜡状木薯淀粉、蜡状米淀粉、蜡状西米淀粉、蜡状高粱淀粉和它们的混合物。
3.根据权利要求2所述的阳离子交联蜡状淀粉制品，其中所述蜡状淀粉是蜡状玉米淀粉。
4.根据权利要求1所述的阳离子交联蜡状淀粉制品，其中所述制品具有在约800cps至约2000cps的范围内变化的布氏粘度。
5.根据权利要求1所述的阳离子交联蜡状淀粉制品，其中所述制品具有在约1000cps至约1500cps的范围内变化的布氏粘度。
6.根据权利要求1所述的阳离子交联蜡状淀粉制品，其中通过与选自如下离子的组分反应使所述蜡状淀粉阳离子化：氨基离子、亚氨基离子、锍离子、鏻离子、铵离子和它们的混合物。
7.根据权利要求6所述的阳离子交联蜡状淀粉制品，其中通过与铵离子反应使所述蜡状淀粉阳离子化，其中所述铵离子是季铵离子。
8.根据权利要求7所述的阳离子交联蜡状淀粉制品，其中通过与(3-氯-2-羟丙基)三甲基氯化铵反应使所述蜡状淀粉阳离子化。
9.根据权利要求1所述的阳离子交联蜡状淀粉制品，其中通过与选自多官能团的醚化剂、多官能团的酯化剂和它们的混合物的组分反应使所述蜡状淀粉交联。
10.根据权利要求1所述的阳离子交联蜡状淀粉制品，其中通过与选自如下物质的组分反应使所述蜡状淀粉交联：表氯醇、二羧酸酐、氯氧化磷、三偏磷酸碱土金属盐、直链混合酐、聚胺聚环氧化物树脂和它们的混合物。
11.根据权利要求1所述的阳离子交联蜡状淀粉制品，其中通过与(3-氯-2-羟丙基)三甲基氯化铵反应使所述蜡状淀粉阳离子化，并且通过与至少一种三偏磷酸碱土金属盐反应使所述蜡状淀粉交联。
12.一种纸制品，所述纸制品包含如下阳离子交联蜡状淀粉制品，所述淀粉制品具有在约700cps至约2500cps的范围内变化的布氏粘度，所述粘度是根据CRA方法B-54，在0.5％固体，使用20rpm转速的21号锭子并且在97℃的温度测量的。
13.根据权利要求12所述的纸制品，其中所述蜡状淀粉选自蜡状玉米淀粉、蜡状马铃薯淀粉、蜡状甘薯淀粉、蜡状木薯淀粉、蜡状米淀粉、蜡状西米淀粉、蜡状高粱淀粉和它们的混合物。
14.根据权利要求13所述的纸制品，其中所述蜡状淀粉是蜡状玉米淀粉。
15.根据权利要求12所述的纸制品，其中所述阳离子交联蜡状淀粉制品具有在约800cps至约2000cps的范围内变化的布氏粘度。
16.根据权利要求12所述的纸制品，其中所述阳离子交联蜡状淀粉制品具有在约1000cps至约1500cps的范围内变化的布氏粘度。
17.根据权利要求12所述的纸制品，其中通过与选自如下离子的组分反应使所述蜡状淀粉阳离子化：氨基离子、亚氨基离子、锍离子、鏻离子、铵离子和它们的混合物。
18.根据权利要求17所述的纸制品，其中通过与铵离子反应使所述蜡状淀粉阳离子化，其中所述铵离子是季铵离子。
19.根据权利要求18所述的纸制品，其中通过与(3-氯-2-羟丙基)三甲基氯化铵反应使所述蜡状淀粉阳离子化。
20.根据权利要求12所述的纸制品，其中通过与选自多官能团的醚化剂、多官能团的酯化剂和它们的混合物的组分反应使所述蜡状淀粉交联。
21.根据权利要求12所述的纸制品，其中通过与选自如下物质的组分反应使所述蜡状淀粉交联：表氯醇、二羧酸酐、氯氧化磷、三偏磷酸碱土金属盐、直链混合酐、聚胺聚环氧化物树脂和它们的混合物。
22.根据权利要求12所述的纸制品，其中通过与(3-氯-2-羟丙基)三甲基氯化铵反应使所述蜡状淀粉阳离子化，并且通过与至少一种三偏磷酸碱土金属盐反应使所述蜡状淀粉交联。
23.根据权利要求12所述的纸制品，其中所述阳离子交联蜡状淀粉制品以基于纤维的重量在约0.1重量％至约5重量％的范围内变化的量存在。
24.根据权利要求23所述的纸制品，其中所述阳离子交联蜡状淀粉制品以在约0.5重量％至约2重量％的范围内变化的量存在。
25.一种用于制备阳离子交联蜡状淀粉制品的方法，所述制品具有在约700cps至约2500cps的范围内变化的布氏粘度，所述粘度是根据CRA方法B-54，在0.5％固体，使用20rpm转速的21号锭子并且在97℃的温度测量的，所述方法包括使蜡状淀粉阳离子化，使所述蜡状淀粉交联并且在用以制备如下阳离子交联蜡状淀粉制品的条件下反应，所述阳离子交联蜡状淀粉制品具有在约700cps至约2500cps的范围内变化的布氏粘度，所述粘度是根据CRA方法B-54，在0.5％固体，使用20rpm转速的21号锭子并且在97℃的温度测量的。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述阳离子交联蜡状淀粉制品具有在约800cps至约2000cps的范围内变化的布氏粘度。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述阳离子交联蜡状淀粉制品具有在约1000cps至约1500cps的范围内变化的布氏粘度。
28.根据权利要求25所述的方法，其中所述蜡状淀粉选自蜡状玉米淀粉、蜡状马铃薯淀粉、蜡状甘薯淀粉、蜡状木薯淀粉、蜡状米淀粉、蜡状西米淀粉、蜡状高粱淀粉和它们的混合物。
29.根据权利要求25所述的方法，其中通过与选自如下离子的组分反应使所述蜡状淀粉阳离子化：氨基离子、亚氨基离子、锍离子、鏻离子、铵离子和它们的混合物。
30.根据权利要求25所述的方法，其中通过与选自多官能团的醚化剂、多官能团的酯化剂和它们的混合物的组分反应使所述蜡状淀粉交联。
31.根据权利要求25所述的方法，其中通过与选自如下物质的组分反应使所述蜡状淀粉交联：表氯醇、二羧酸酐、氯氧化磷、三偏磷酸碱土金属盐、直链混合酐、聚胺聚环氧化物树脂和它们的混合物。
32.根据权利要求25所述的方法，其中通过与(3-氯-2-羟丙基)三甲基氯化铵反应使所述蜡状淀粉阳离子化，并且通过与至少一种三偏磷酸碱土金属盐反应使所述蜡状淀粉交联。
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