EP1092064B1 - Procede de fabrication de papier et carton et agents de retention et d'egouttage - Google Patents

Procede de fabrication de papier et carton et agents de retention et d'egouttage Download PDF

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EP1092064B1
EP1092064B1 EP99923647A EP99923647A EP1092064B1 EP 1092064 B1 EP1092064 B1 EP 1092064B1 EP 99923647 A EP99923647 A EP 99923647A EP 99923647 A EP99923647 A EP 99923647A EP 1092064 B1 EP1092064 B1 EP 1092064B1
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EP
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emulsion
polymer
branched
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paper
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EP1092064A1 (fr
EP1092064B2 (fr
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René Hund
Christian Snf S.A. Jehn-Rendu
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SNF SA
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Application filed by SNF SA filed Critical SNF SA
Publication of EP1092064A1 publication Critical patent/EP1092064A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1092064B1 publication Critical patent/EP1092064B1/fr
Publication of EP1092064B2 publication Critical patent/EP1092064B2/fr
Publication of EP1092064B9 publication Critical patent/EP1092064B9/fr
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    • D21H17/67—Water-insoluble compounds, e.g. fillers, pigments
    • D21H17/68—Water-insoluble compounds, e.g. fillers, pigments siliceous, e.g. clays

Definitions

  • the present invention relates to the technical sector of manufacture of paper and polymers used in this context.
  • the invention relates to a method for the production of a paper or a retention cardboard, and other properties, improved.
  • EP-A-0 235 893 it has been proposed to use cationic polyacrylamides with a molecular weight greater than thirty million and more, essentially linear. In this way we obtain an effect certainly satisfactory, but still considered insufficient in the application paper, because the use of bentonite causes difficulties during the further treatment of the effluents at the output of the machine, the users select this system only in case of significant benefits.
  • EP 0 574 335 has achieved an important improvement in proposing the use of polymers (in particular polyacrylamides) branched under the shape of a powder.
  • the invention overcomes the disadvantages mentioned above.
  • Branched polyacrylamide (or more generally (co) polymer branched) is introduced into the suspension, very preferably, under the water-in-oil inverse emulsion form, at the rate of 0.03 to one per thousand (0.03 to 1% o, ie 30 to 1000 g / t) by weight of active ingredient (polymer) per relative to the dry weight of the fibrous suspension, preferably from 0.15 to 0.5 per thousand, ie 150 to 500 g / t.
  • the inverse emulsion of polymer is diluted with water and inverted (solubilized) by this dilution before its introduction, as described above.
  • the polymer is prepared by water-in-oil inverse emulsion polymerization.
  • this polymer can then be used (ie injected or introduced into the mass or paste to be flocculated) either in the form - preferably - of this emulsion inverse after its dissolution in water, either in the form of a powder obtained by drying (in particular by spray drying or spray-drying ")
  • a powder obtained by drying in particular by spray drying or spray-drying
  • redissolution of this powder in water for example at a concentration of about 5 g of active polymer / liter, the solution thus obtained being then injected into the dough substantially at the same polymer dosages.
  • the branched (co) polyacrylamide is a cationic copolymer of acrylamide and a cationic ethylenic monomer unsaturated, selected from the group consisting of dimethylaminoethyl acrylate (ADAME), dimethylaminoethyl methacrylate (MADAME), quaternized or salified by different acids and quaternizing agents, benzyl chloride, methyl chloride, alkyl- or aryl chlorides, dimethylsulfate, chloride dimethyldiallylammonium (DADMAC), chloride acrylamidopropyltrimethylammonium (APTAC), and the chloride of methacrylamidopropyltrimethylammonium (MAPTAC),
  • ADAME dimethylaminoethyl acrylate
  • MADAME dimethylaminoethyl methacrylate
  • benzyl chloride methyl chloride, alkyl- or aryl chlorides, dimethylsulfate
  • this copolymer is branched by a branching constituted by a compound having at least two groups reactants selected from the group consisting of double bonds, aldehydes or epoxy bonds.
  • branching constituted by a compound having at least two groups reactants selected from the group consisting of double bonds, aldehydes or epoxy bonds.
  • a branched polymer is a polymer which present on the chain branches, groups or ramifications arranged globally in one plane and not in the three directions, unlike a cross-linked polymer; such polymers branched, high molecular weight, are well known as flocculating agents.
  • These branched polyacrylamides are distinguished from crosslinked polyacrylamides by the fact that in the latter groups are arranged three-dimensionally to lead to practically insoluble products and of infinite molecular weight.
  • Branching polymerization preferably during (or optionally after) the polymerization, for example by reaction of two soluble polymers having counterions, or by reaction on formaldehyde or a polyvalent metal compound. Often, the branching takes place during the polymerisation by addition of an agent ramifiantt, and this solution will be clearly preferred according to the invention.
  • Branching polymerization methods are well known.
  • Branching agents that can be incorporated include ionic branching agents such as polyvalent metal salts, formaldehyde, glyoxal, or, preferably, covalent crosslinking which will copolymerize with the monomers, diethylenically unsaturated monomers (such as family of diacrylate esters such as polyethylene diacrylates PEG glycols) or polyethylene, of the type that is conventionally used for the crosslinking of polymers soluble in water, and in particular the Methylenebisacrylamide (MBA) or any of the other known acrylic branching agents.
  • ionic branching agents such as polyvalent metal salts, formaldehyde, glyoxal, or, preferably, covalent crosslinking which will copolymerize with the monomers, diethylenically unsaturated monomers (such as family of diacrylate esters such as polyethylene diacrylates PEG glycols) or polyethylene, of the type that is conventionally used for the crosslinking of polymers soluble in water, and in particular
  • crosslinking agents are often identical to the crosslinking agents, but the crosslinking can be avoided, when one wishes to obtain a branched and not cross-linked polymer, by optimizing the conditions such as concentration during polymerisation, type and amount of transfer agent, temperature, type and amount of initiators, and like.
  • the branching agent is methylenebisacrylamide (MBA), introduced at the rate of five to two hundred (5 to 200) moles per million moles of monomers, preferably 5 to 50.
  • MBA methylenebisacrylamide
  • the amount of branched polyacrylamide introduced into the suspension to flocculate is between thirty and thousand grams of active polymer / tonne of dry pulp (30 and 1000 g / t), ie between 0.03 per thousand and one per thousand, preferably 150 to 500 g / t; it has been observed that if amount is less than 0.03% o (0.03 per thousand), we do not get any significant retention; likewise, if this quantity exceeds 1% o (1 per thousand), no proportional improvement is observed; however, unlike linear cationic polyacrylamides, as described in documents EP-A-0 017 353 and EP 0 235 893 referred to in the preamble, does not observe an inverse effect of dispersion by recirculation in the circuits closed excess polymer not retained on the sheet.
  • the amount of branched polyacrylamide introduced is between 0.15 and 0.5 per thousand (0.15% and 0.5%) of the quantity of the dry pulp, ie between 150 g / t and 500 g /
  • the branched polymer is prepared under inverse emulsion form (water-in-oil) to achieve perfection of the invention.
  • inverse emulsion form water-in-oil
  • Such emulsions and their preparation process are well known to those skilled in the art.
  • the invention was all the more difficult to realize that it is important to stay in the field of branched polymers and not to go into the crosslinked polymers. Now, we know that technically, especially scale of industrial production, the border between the two areas is very easily crossed, so irreversibly. As the zone of branching is very narrow, we measure the difficulty of developing the invention, and it is the Claimant's merit that he attacked the use of this technology in the field of paper making, which poses particular problems and has very stringent quality requirements.
  • a “moderately branched" polymer for example at 10 ppm branching compared to the active ingredient.
  • the polymer can be used either under the form of its inverse synthesis emulsion, dissolved or "inverted" in water, either in the form of the solution in the water of the powder obtained by drying said synthetic emulsion, in particular by drying by spray.
  • Spray drying is a method also known of the skilled person. We will refer to the tests below to verify that the results are comparable.
  • Bentonite also called “swelling smectic clay”, from the montmorillonite family, is well known and there is no need to describe it here in detail; these compounds, formed of microcrystallites, have on the surface sites with a high cation exchange capacity likely to retain water (see, for example, US-A-4,305,781, which corresponds to EP-A-0 017 353, mentioned above, and FR-A-2 283 102).
  • a semi-sodium bentonite is preferably used, which is introduced just upstream of the headbox at 0.1 to 0.5 per cent (0.1 to 0.5%) of the dry weight of the fibrous suspension.
  • filler we can use the kaolins, the "GCC” or ground CaCO3, precipitated CaCO3 or "PCC”, and the like.
  • Injection or introduction of the branched polymer in emulsion inverse according to the invention is carried out before a shearing step in the pulp (or fibrous mass to flocculate) more or less diluted according to the practice of those skilled in the art, and generally in the thin stock or thin stock, ie a paste diluted 0.7 - 1.5% solids such as cellulose fibers, fillers possible, and the various usual additives of papermaking.
  • a portion of the branched polymer emulsion, according to the invention at the stage of preparing the thick paste or "thick stock »at approx. 5% or more solids, or even at the level of the preparation of the thick paste before a shearing step.
  • the UL viscosity results are as follows:
  • the paste used is diluted to a consistency of 1.5%. 2.24 g is taken 150 g of 150% pulp and then diluted to 0.4% with clear waters.
  • the crosslinked polymers 1, 4, 9, 12 are not of interest as regards the flocculation and retention of fines and fillers despite the high rate of shear applied during the process on the fibrous mass (and not not applied to the polymer itself), here 1500 rpm., which is characteristic of this type of microparticulate retention system. They show a low capture of charges and colloidal materials because no reduction in turbidity is observed.
  • the coagulation power is higher for a branched polymer in emulsion, which results in an excellent reduction of turbidity at 30 '(30 min.).
  • test R 52 and the test R 102 show that the invention allows to obtain branched products with higher UL viscosities than those accessible by a gel polymerization as described in patent EP 0 574 335 (FO 4198). Any attempt to achieve such very advantageous values of UL viscosity by a route of gel polymerization with powder drying would lead to a product totally insoluble and therefore totally unusable in the industry.
  • the SD 102 test shows that the polymer used in the form of a solution in the water of the powder obtained by drying the the inverse emulsion of the polymer synthesis behaves like the polymer used in the form of the solution in the water of said reverse synthesis emulsion. In particular, we do not observe degradation of the polymer during the spray drying step.
  • R 52 can be usefully compared to FO 4198 (powder) because polymers have the same chemistry, so the same cationicity, and the same% MBA, while the R 52 of the invention is much higher than the powder in terms of dewatering and retention (96.3 to bring closer to 83.6); NTU turbidity will also be compared after min. , of 32 compared to 75 NTU units.
  • the invention thus also relates to a novel retention agent for the manufacture of a sheet of paper, cardboard or the like, which consists of a (co) acrylic polymer as described above, branched, in inverse emulsion, and which is characterized in that its UL viscosity is> 3, or> 3.5 or> 4.
  • Said agent may be used either in inverted emulsion with water or in solution powder obtained by drying the emulsion, as described above.
  • the contents of B are mixed in A with stirring. After mixing of the phases, the emulsion is sheared for 1 minute in order to create the inverse emulsion. The emulsion is then degassed by bubbling of nitrogen and then after 20 minutes, the gradual addition of metabisulphite entails the initiation then the polymerization.
  • the emulsion is then incorporated with its reversing surfactant in order to subsequently release the polymer in the aqueous phase.
  • the invention also relates to new retention agents described above, characterized in that they consist of, or include, the at least one (co) polymer of the type described, branched, prepared in inverse emulsion, intended to cooperate with a secondary retention agent after a step intermediate shearing of pulp, as well as the processes of manufacture of sheets of paper, cardboard or the like, using the agents according to the invention or the method according to the invention, and the sheets of paper, cardboard and analogs thus obtained.
  • Said agent may be used either in inversion emulsion with water, or in solution of the powder obtained by drying the emulsion, as described above.

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Description

La présente invention concerne le secteur technique de la fabrication du papier et des polymères utilisés dans ce cadre.
L'invention concerne un procédé pour la fabrication d'un papier ou d'un carton à rétention, et autres propriétés, améliorées.
Lors de la fabrication du papier, du carton ou analogue, il est bien connu d'introduire dans la pâte des agents de rétention dont la fonction est de retenir un maximum de fines et de charges dans la feuille. Les effets bénéfiques qui découlent de l'utilisation d'un agent de rétention sont essentiellement :
  • l'augmentation de la production et la diminution des coûts de fabrication : économie énergétique, marche plus régulière de la machine, rendement plus élevé en fibres, fines, charges et de produits d'ennoblissement anioniques, plus faible acidité dans le circuit liée a une diminution de l'utilisation de sulfate d'alumine et donc amoindrissement des problèmes de corrosion ;
  • l'amélioration de la qualité : meilleure formation et meilleur épair ; amélioration du taux d'humidité de la feuille, de l'opacité, du lisse, du pouvoir absorbant et diminution de la porosité du papier.
Depuis longtemps, on a proposé d'ajouter a la pâte de la bentonite, celle-ci pouvant être éventuellement additionnée à d'autres produits minéraux, tels que des sulfates d'aluminium, voire des polymères synthétiques, notamment du polyéthylène-imine (voir par exemple documents DE-A-2 262 906 et US-A-2 368 635).
Dans le document US-A-3 052 595, on a proposé d'associer de la bentonite a un polyacrylamide de caractéristique linéaire essentielle. Ce procédé s'est trouvé en concurrence avec des systèmes plus faciles a mettre en oeuvre tout en étant aussi performants. En outre, même avec les polyacrylamides linéaires actuels, le pouvoir de rétention reste encore insuffisant.
Dans le document EP-A-0 017 353, on a proposé, pour la rétention des pâtes peu chargées (au plus 5 % de charges) d'associer à la bentonite un copolyacrylamide linéaire non ionique à faiblement anionique. Ce procédé ne s'est guère développé, car ces polymères sont relativement peu performants en matière de rétention, notamment de pâtes chargées, sans doute par suite d'une synergie insuffisante entre ces copolymères et la bentonite qui a peu tendance à recoaguler.
Dans le document EP-A-0 235 893, on a proposé de faire appel à des polyacrylamides cationiques de poids moléculaire supérieur à un million, de trente millions et plus, essentiellement linéaires. On obtient de la sorte un effet de rétention certes satisfaisant, mais encore jugé insuffisant dans l'application papetière, car, l'utilisation de bentonite entraínant des difficultés lors du traitement ultérieur des effluents en sortie de machine, les utilisateurs ne sélectionnent ce système qu'en cas d'avantages significatifs.
Dans les notes présentées à l'occasion de cours à Seattle, 11-13 octobre 1989, et publiées sous le titre "Supercoagulation in the control of wet end chemistry by synthetic polymer and activated bentonite", R. Kajasvirta a décrit le mécanisme de la supercoagulation de la bentonite activée en présence d'un copolyacrylamide cationique, sans en préciser la nature exacte. Ce procédé présente les mêmes inconvénients que précédemment.
Enfin, le EP 0 574 335 a réalisé un perfectionnement important en proposant l'emploi de polymères (notamment polyacrylamides) ramifiés sous la forme d'une poudre.
L'invention pallie les inconvénients rappelés ci-dessus.
Elle vise un procédé perfectionné du type en question, qui consiste à ajouter, à la suspension ou masse fibreuse ou pâte à papier à floculer, comme agent de rétention principal, un agent qui consiste en, ou comprend, un polyacrylamide ramifié qui se caractérise en ce qu'il a été préparé en émulsion inverse ou eau-dans-huile, et de la bentonite comme second agent de rétention (système dit « dual », de type dit également « microparticulaire »).
Par le vocable « se présente en émulsion inverse » ou des vocables analogues, se rapportant au polymère utilisé (cad tel qu'injecté ou introduit dans la pâte à floculer) selon l'invention, l'homme de métier comprendra que l'on désigne l'émulsion inverse eau-dans-huile qui est dissoute dans l'eau avant son injection ou son introduction dans la masse ou pâte à floculer (cette dissolution dans l'eau provoque ce que l'on nomme l'« inversion » de l'émulsion inverse eau-dans-huile initiale; ces procédés sont bien connus de l'homme de métier).
Les additions du polymère et de la bentonite sont séparées par une étape de cisaillement, par exemple au niveau de la pompe de mélange dite « fan pump ». On se référera dans ce domaine à la description du brevet USP 4, 753, 710 ainsi qu'à un très vaste art antérieur traitant du point d'addition de l'agent de rétention par rapport aux étapes de cisaillement existant sur la machine, notamment USP 3,052,595, Unbehend, TAPPI Vol. 59, N° 10, octobre 1976, Luner, 1984 Papermakers Conference ou Tappi, avril 1984, pp 95-99, Sharpe, Merck and Co Inc, Rahway, NJ, USA, autour de 1980, Chapter 5 « polyelectrolyte retention aids », Britt, Tappi Vol. 56, octobre 1973, p 46 ff. et Waech, Tappi, mars 1983, pp 137, ou encore le USP 4,388,150 (Eka Nobel).
On se référera également au brevet USP 4,753,710, pour tout ce qui concerne les généralités concernant la fabrication du papier, les additifs usuels utilisés, et détails analogues.
Il est possible de remplacer la bentonite, comme agent de rétention secondaire, par un kaolin tel que décrit dans la demande de brevet FR 95 13051 du Demandeur, ce kaolin étant préférentiellement prétraité par un polyélectrolyte. L'homme de métier pourra se référer à ce brevet FR 95 13051.
Ce procédé permet d'obtenir une rétention nettement améliorée de fines et de charges et ce sans effet inverse. On améliore également, ce qui est une caractéristique supplémentaire de ce perfectionnement, les propriétés d'égouttage.
Le polyacrylamide ramifié (ou plus généralement le (co)polymère ramifié) est introduit dans la suspension, de manière tout à fait préférée, sous la forme d'émulsion inverse eau-dans-huile , à raison de 0,03 à un pour mille (0,03 a 1 %o, soit 30 à 1000 g/t) en poids de matière active (polymère) par rapport au poids sec de la suspension fibreuse, de préférence de 0,15 à 0,5 pour mille, soit 150 à 500 g/t.
De manière connue de l'homme de métier, l'émulsion inverse de polymère est diluée à l'eau et inversée (solubilisée) par cette dilution avant son introduction, comme décrit plus haut.
Cette sélection de la forme émulsion inverse permet, dans l'application papetière pour la rétention de charges et de fines, d'atteindre un niveau de performances inégalé jusqu'alors. L'utilisation de polymères ramifiés permet de plus de mieux retenir la bentonite sur la feuille, comme décrit dans le brevet EP 574 335 précité et de ce fait de limiter ses effets négatifs sur le traitement ultérieur des effluents de sortie machine. En outre, le choix de ce polyacrylamide ramifié augmente le pouvoir de fixation de la bentonite sur la feuille, par conséquent entraíne une synergie, donc une recoagulation qui réduit la teneur en bentonite dans les eaux blanches.
On comprendra qu'il est essentiel selon l'invention que le polymère soit préparé par une polymérisation en émulsion inverse eau-dans-huile. Par contre, ce polymère peut ensuite être utilisé (cad injecté ou introduit dans la masse ou pâte à floculer) soit sous la forme - de préférence - de cette émulsion inverse après sa dissolution dans de l'eau, soit sous la forme d'une poudre obtenue par séchage (notamment par séchage par pulvérisation ou « spray-drying ») de l'émulsion inverse de la polymérisation, puis redissolution de cette poudre dans de l'eau, par exemple à une concentration de l'ordre de 5 g de polymère actif / litre, la solution ainsi obtenue étant alors injectée dans la pâte sensiblement aux mêmes dosages de polymère.
Avantageusement, en pratique, le (co)polyacrylamide ramifié est un copolymère cationique d'acrylamide et d'un monomère éthylénique cationique non saturé, choisi dans le groupe comprenant l'acrylate de dimethylaminoethyl (ADAME), le methacrylate de dimethylaminoethyle (MADAME), quaternisés ou salifiés par différents acides et agents quaternisants, benzyle chlorure, méthyle chlorure, alkyl- ou aryle chlorures, diméthylsulfate, le chlorure de dimethyldiallylammonium (DADMAC), le chlorure d'acrylamidopropyltrimethylammonium (APTAC), et le chlorure de methacrylamidopropyltrimethylammonium (MAPTAC),
De manière connue, ce copolymère est ramifié par un agent de ramification constitué par un composé présentant au moins deux groupements réactifs choisis dans le groupe comprenant des doubles liaisons, des liaisons aldéhydes ou des liaisons époxy. Ces composés sont bien connus et sont décrits par exemple dans le document EP-A-0 374 458 (voir aussi le document FR-A-2 589 145 du Demandeur).
Comme on le sait, un polymère ramifié, ("branched"), est un polymère qui présente sur la chaíne des branches, des groupements ou des ramifications disposées globalement dans un plan et non pas dans les trois directions, contrairement à un polymère réticulé (« cross-linked »); de tels polymères ramifiés, à haut poids moléculaire, sont bien connus comme agents floculants. Ces polyacrylamides ramifiés se distinguent des polyacrylamides réticulés par le fait que dans ces derniers, les groupements sont disposés tridimensionnellement pour conduire à des produits pratiquement insolubles et de poids moléculaire infini.
On pourra effectuer la ramification de préférence durant (ou éventuellement après) la polymérisation, par exemple par réaction de deux polymères solubles présentant des contre-ions, ou par réaction sur du formaldéhyde ou un composé de métal polyvalent. Souvent, la ramification s'effectue durant la polymérisation par addition d'un agent ramifiantt, et cette solution sera nettement préférée selon l'invention. Ces procédés de polymérisation avec ramification sont bien connus.
Les agents de ramification que l'on peut incorporer comprennent des agents de ramification ioniques comme les sels de métal polyvalent, le formaldéhyde, le glyoxal, ou encore, et de préférence, des agents de réticulation covalents qui vont copolymériser avec les monomères, de préférence des monomères à insaturation diéthylénique (comme la famille des esters de diacrylates comme les diacrylates de polyéthylène glycols PEG) ou polyéthylénique, du type que l'on utilise classiquement pour la réticulation des polymères solubles dans l'eau, et notamment le méthylènebisacrylamide (MBA) ou encore un quelconque des autres agents de ramification acryliques connus.
Ces agents sont souvent identiques aux agents de réticulation, mais la réticulation peut être évitée, lorsque l'on souhaite obtenir un polymère ramifié et non pas réticulé, par une optimisation des conditions de polymérisation telles que concentration lors de la polymérisation, type et quantité d'agent de transfert, température, type et quantité d'initiateurs, et analogues.
En pratique, l'agent de ramification est le méthylène bis acrylamide (MBA), introduit a raison de cinq à deux cents (5 a 200) moles par million de moles de monomères, de préférence 5 à 50.
Avantageusement, la quantité de polyacrylamide ramifié introduite dans la suspension à floculer est comprise entre trente et mille grammes de polymère actif / tonne de pâte sèche (30 et 1000 g / t), soit entre 0,03 pour mille et un pour mille, de préférence de 150 à 500 g / t ; on a observé que si la quantité est inférieure à 0,03 %o (0,03 pour mille), on n'obtient aucune rétention significative; de même, si cette quantité excède 1 %o (1 pour mille), on n'observe aucune amélioration proportionnelle; toutefois, contrairement aux polyacrylamides cationiques linéaires, tels que décrits dans les documents EP-A-0 017 353 et EP 0 235 893 visés dans le préambule, on n'observe pas d'effet inverse de dispersion par recirculation dans les circuits fermés de l'excès de polymère non retenu sur la feuille. De préférence, la quantité de polyacrylamide ramifié introduite est comprise entre 0,15 et 0,5 pour mille (0,15 et 0,5%o) de la quantité de la pâte sèche, soit entre 150 g/t et 500 g/t.
Comme déjà dit, il importe que le polymère ramifié soit préparé sous forme d'émulsion inverse (eau-dans-huile) pour réaliser le perfectionnement de l'invention. De telles émulsions et leur procédé de préparation sont bien connues de l'homme de métier.
Cette approche était condamnée dans le brevet EP 0 574 335 précité, où l'on indiquait que si l'on fait appel à un polymère ramifié en émulsion, la présence indispensable dans ces émulsions d'agents tensio-actifs favorise la formation de mousses lors de la fabrication du papier et l'apparition de disparités des propriétés physiques du papier fini (modification de l'absorbance aux endroits où une partie de la phase huile de l'émulsion est retenue sur la feuille).
Il n'était donc pas évident de considérer a fortiori les émulsions inverses eau dans huile dont la teneur en huile est évidemment élevée.
L'invention était d'autant plus difficile à réaliser qu'il est important de rester dans le domaine des polymères ramifiés et de ne pas passer dans le domaine des polymères réticulés. Or, on sait que techniquement, surtout à l'échelle de production industrielle, la frontière entre les deux zones est très facilement franchie, de manière d'ailleurs irréversible. Comme la zone de ramification est très étroite, on mesure la difficulté de mise au point de l'invention, et c'est le mérite du Demandeur que de s'être attaqué à l'emploi de cette technologie dans le domaine de la fabrication du papier, qui pose des problèmes particuliers et présente des exigences de qualité très sévères.
Le risque d'échec était d'autant plus important, ce qui explique peut être le fait que cette technologie n'ait pas été employée, que les émulsions réticulées ne sont pas connues pour procurer un avantage particulier dans le papier.
Par rapport aux polymères linéaires, les polymères ramifiés en poudre du EP précité 0 574 335 avaient déjà apporté un progrès important en ce qui concerne les propriétés et le process de fabrication du papier. L'amélioration était de l'ordre de 20 à 40 % selon les propriétés.
Avec les présentes émulsions ramifiées, on atteint une amélioration de l'ordre de 50 à 60 %, ce qui n'était pas prévisible puisque l'on savait, d'autre part, que les produits réticulés ne fonctionnaient pas.
On comparera à ce sujet les essais 11 (R52) - selon l'invention et 13 (FO 4198) - selon le brevet EP 0 574 335.
Selon l'invention, on utilisera de manière préférée, mais non limitative, un polymère « moyennement ramifié », par exemple à 10 ppm de ramifiant par rapport à la matière active.
Comme déjà indiqué plus haut, on pourra utiliser le polymère soit sous la forme de son émulsion inverse de synthèse, dissoute ou « inversée » dans l'eau, soit sous la forme de la solution dans l'eau de la poudre obtenue par séchage de ladite émulsion de synthèse, notamment par séchage par pulvérisation. Le séchage par pulvérisation est un procédé également connu de l'homme de métier. On se référera aux essais ci-dessous pour vérifier que les résultats sont comparables.
La bentonite, dénommée également "argile smectique gonflante", de la famille des montmorillonites, est bien connue et il n'y a pas lieu de la décrire ici en détail ; ces composés, formés de microcristallites, comportent en surface des sites présentant une forte capacité d'échange cationique susceptible de retenir l'eau (voir par exemple document US-A-4 305 781, qui correspond au document EP-A-0 017 353, mentionné ci-dessus, et le brevet FR-A-2 283 102).
On utilise de préférence une bentonite semi-sodique, que l'on introduit juste en amont de la caisse de tête, à raison de 0,1 à 0,5 pour cent (0,1 à 0,5%) du poids sec de la suspension fibreuse.
Comme charge (« filler »), on pourra utiliser les kaolins, le « GCC » ou CaCO3 broyé, le CaCO3 précipité ou « PCC », et analogues.
L'injection ou introduction du polymère ramifié en émulsion inverse selon l'invention est effectuée avant une étape de cisaillement dans la pâte à papier (ou masse fibreuse à flocculer) plus ou moins diluée selon la pratique de l'homme du métier, et généralement dans la pâte à papier diluée ou « thin stock », cad une pâte diluée à environ 0,7 - 1,5% de matières solides telles que fibres de cellulose, charges éventuelles, et les divers additifs usuels de la fabrication du papier.
Selon une variante de l'invention, à introduction fractionnée, on introduira une partie du polymère ramifié en émulsion, selon l'invention, au niveau de l'étape de préparation de la pâte épaisse ou « thick stock » à env. 5 % ou plus de matières solides, ou même au niveau de la préparation de la pâte épaisse avant une étape de cisaillement.
Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée.
EXEMPLE 1 Fabrication d'un polymère ramifié sous forme d'émulsion inverse eau-dans-huile
Dans un réacteur A, on mélange à température ambiante les constituants de la phase organique de l'émulsion à synthétiser.
  • a) - Phase organique
    • 252 g d'Exxsol D100
    • 18 g de Span 80
    • 4 g d'Hypermer 2296
  • b) - Dans un bêcher B, on prépare la phase aqueuse de l'émulsion à réaliser en mélangeant :
    • 385 g d'acrylamide à 50 %
    • 73 g de chlorure d'acrylate éthyl triméthyl ammonium 80 %
    • 268 g d'eau
    • 0,5 g de méthylène bis acrylamide à 0,25 %
    • 0,75 ml du bromate de sodium à 50 g l-1
    • 20 ppm d'hypophosphite de sodium par rapport à la matière active
    • 0,29 ml de Versenex à 200 g l-1
    • On mélange le contenu de B dans A sans agitation. Après le mélange des phases, on cisaille l'émulsion au mixer (mélangeur) pendant 1 minute afin de créer l'émulsion inverse. L'émulsion est alors dégazée par un bullage d'azote puis après 20 minutes, l'addition progressive du métabisulfite entraíne l'initiation puis la polymérisation.
    La réaction terminée, on effectue un « burn out » (traitement au métabisulfite) afin de diminuer la teneur en monomère libre.
    L'émulsion est alors incorporée avec son tensio-actif inverse afin de libérer par la suite le polymère en phase aqueuse. Il sera nécessaire d'introduire de 2 à 2,4 % d'alcool éthoxylé. La viscosité Brookfield standard dudit polymère sera de 4,36 cps (viscosité prise à 0,1 % dans une solution 1 M NaCl à 25°C à soixante tours par minute)
    Selon une variation de la teneur en MBA de 5 à 20 ppm, les résultats en viscosité UL sont les suivants :
    Tableau de l'Exemple 1 :
    Essai MBA ppm NaH2PO2 ppm UL[mPa·s] Viscosité RI (%) RIV (%) Etat
    R 52 5 20 4,56 12,8 0 Ramifié
    R 102 10 20 3,74 28,9 0 Ramifié
    SD 102 10 20 3,70 26 0 Ramifié
    X 104 10 40 2,31 45 50 Réticulé
    X 204 20 40 2,61 54,8 50 Réticulé
    EM 140 CT 0 15 4,5 0 < 0 Linéaire
    EM 140 L 0 30 3,82 0 0 Linéaire
    EM 140 LH 0 40 3,16 0 < 0 Linéaire
    EM 140 BD 5 0 1,85 80 100 Réticulé
    FO 4198 5 20 3,2 5 < 0 Ramifié
    On note que les produits linéaires ne développent pas de regain ioniqueRI et voient leur viscosité intrinsèque IV diminuer sous l'effet d'un fort cisaillement (deux des valeurs de IV sont négatives); les produits ramifiés en émulsion développent du regain ionique RI, mais pas de IV ( valeurs < = 0); les produits réticulés développent un fort regain ionique et un très fort regain de IV.
    Définitions des regains ioniques et regains de viscosité intrinsèque:
    Regain ionique RI = (X-Y) / Y x 100
    avec X :
    ionicité après cisaillement en meq/g.
    Y :
    ionicité avant cisaillement en meq/g.
    Regain de viscosité intrinsèque R IV = (V1 - V2) / V2 x 100
    avec V1 :
    viscosité intrinsèque après cisaillement en dl/g
    V2 :
    viscosité intrinsèque avant cisaillement en dl/g
    Une partie des émulsions citées ci-dessus feront l'objet d'une étude d'efficacité en rétention égouttage sur une « formette automatique de rétention » du Centre Technique du Papier.
    Procédure de test des émulsions Pâte utilisée :
    mélange de 70 % de kraft de feuillus blanchis KF
    10 % de kraft de résineux blanchis KR
    20 % de pâte mécanique PM
    20 % de carbonate de calcium naturel.
    Collage en milieu neutre avec 2 % d'une émulsion d'alkyle cétène dimère.
    La pâte utilisée est diluée à une consistance de 1,5 %. On prélève 2,24 g sec de pâte, soit 149 g de pâte à150% puis l'on dilue à 0,4 % avec des eaux claires.
    Le volume de 560 ml est introduit dans le cylindre en plexiglas de la formette automatisée et l'on démarre la séquence.
    • t = 0 s, démarrage agitation à 1500 rpm.
    • t = 10 s, addition du polymère.
    • t = 60 s, réduction automatique à 1000 rpm et addition si nécessaire de la bentonite.
    • t = 75 s, arrêt de l'agitation, formation de la feuille avec le vide sous toile puis récupération des eaux blanches.
    On effectue alors les opérations suivantes :
    • mesure de la turbidité des eaux sans toile.
    • dilution d'un bêcher de pâte épaisse pour une nouvelle feuille avec les eaux sous toiles recueillies.
    • séchage de la feuille dite 1 ère passe.
    • démarrage d'une nouvelle séquence afin de réaliser la feuille dite 2nde passe.
    Après 3 passes, l'on change de produits à tester.
    Les analyses suivantes sont alors réalisées :
    • mesure des matières en suspension des eaux sous toile (Norme TAPPI : T 656 cm / 83 )
    • mesure des cendres des feuilles, (Norme TAPPI : T 211 om - 93 )
    • mesure de la turbidité 30' après que les fibres soient déposées afin de connaítre l'état du milieu ionique.
    • mesure du degré d'égouttabilité de la pâte avec un Canadian Standard Freeness (CSF; Norme TAPPI T 227 om - 94).
    Notes pour les Tableaux ( I ) et ( II ) ci-après:
    X =
    mesure dite à la première passe.
    R1 =
    mesure dite à la seconde passe (1 er recyclage)
    R2 =
    mesure dite à la troisième passe (2ème recyclage)
    Cendres% = % en poids de cendres retenues (= rétention de charges) sur la feuille / poids de la feuille. Commentaires des résultats: cf. Tableaux ( I ) et ( II ) ci-après relatifs à l'exemple 1 et Fig. 1 à 10 qui représentent les histogrammes correspondants
    Les polymères réticulés 1, 4, 9, 12 ne présentent pas d'intérêt quant à la floculation et la rétention des fines et des charges malgré le fort taux de cisaillement appliqué en cours de process sur la masse fibreuse (et non pas appliqué sur le polymère lui-même), ici 1500 tr/min., qui est caractéristique de ce type de système de rétention microparticulaire. Ils montrent une faible capture des charges et matières colloidales car aucune réduction de turbidité n'est observée.
    La combinaison avec la bentonite n'améliore pas de manière significative l'efficacité en rétention et améliore seulement légèrement l'efficacité en égouttage.
    Pour le polymère linéaire, son comportement suit la tendance, amélioration des rétentions de charges et de fines.
    La combinaison selon l'invention d'un polymère ramifié en émulsion inverse et de bentonite apporte un gain net en rétention de charge et en rétention totale, et se révèle être supérieure au système connu polymère linéaire / bentonite.
    Le pouvoir de coagulation est supérieur pour un polymère ramifié en émulsion, ce qui se traduit par une excellente réduction de la turbidité à 30' (30 min.).
    L'essai R 52 et l'essai R 102 montrent que l'invention permet d'obtenir des produits ramifiés présentant des viscosités UL plus élevées que celles accessibles par une polymérisation en gel telle que décrite dans le brevet EP 0 574 335 (FO 4198). Toute tentative pour atteindre de telles valeurs très avantageuses de viscosité UL par une voie de polymérisation en gel avec séchage en poudre conduirait à un produit totalement insoluble et donc totalement inutilisable dans l'industrie.
    L'essai SD 102 montre que le polymère utilisé sous la forme d'une solution dans l'eau de la poudre obtenue par séchage de l'émulsion inverse de la synthèse du polymère se comporte comme le polymère utilisé sous la forme de la solution dans l'eau de ladite émulsion inverse de synthèse. Notamment, on n'observe pas de dégradation du polymère durant l'étape de séchage par pulvérisation.
    L'essai R 52 peut être utilement comparé à l'essai FO 4198 (poudre) car les polymères présentent la même chimie, donc la même cationicité, et le même % de MBA, tandis que le R 52 de l'invention est très supérieur à la poudre en termes d'égouttage et de rétention (96,3 à rapprocher de 83,6); on comparera également la turbidité NTU après 30 min. , de 32 par rapport à 75 unités NTU.
    De telles valeurs de viscosité UL conduisent notamment à un égouttage très amélioré.
    L'invention concerne donc également un nouvel agent de rétention pour la fabrication d'une feuille de papier, carton ou analogue, qui consiste en un (co)polymère acrylique tel que décrit ci-dessus, ramifié, en émulsion inverse, et qui est caractérisé en ce que sa viscosité UL est > 3, ou > 3,5 ou > 4. Ledit agent peut être utilisé soit en émulsion inversée à l'eau, soit en solution de la poudre obtenue par séchage de l'émulsion, comme décrit ci-dessus.
    EXEMPLE 2 Fabrication d'un polymère ramifié à base d'acrylamido propyl tri-méthyl ammonium chlorure (APTAC) sous forme d'émulsion inverse eau-dans-huile :
    Dans un réacteur A, on mélange à température ambiante les constituants de la phase organique de l'émulsion à synthétiser.
  • a) - Phase organique :
    • 252 g d'exxsol D100
    • 18 g de Span 80
    • 4 g d'Hypermer 2296.
  • b) - Dans un bécher B, on prépare la phase de l'émulsion à réaliser en mélangeant
    • 378 g d'acrylamide à 50 %
    • 102,2 g de chlorure d'acrylamido-propyl triméthyl ammonium (60 %)
    • 245,7 g d'eau
    • 0,5 g de méthylène bis acrylamide à 0,25 %
    • 0,75 ml de bromate de sodium à 50 g/l
    • 20 ppm d'hypophosphite de sodium par rapport à la matière active
    • 0,29 ml de Versenex à 200 g/l
    • On mélange le contenu de B dans A sous agitation. Après le mélange des phases, on cisaille l'émulsion au mixer pendant 1 minute afin de créer l'émulsion inverse. L'émulsion est alors dégazée par un bullage d'azote puis après 20 minutes, l'addition progressive du métabisulfite entraíne l'initiation puis la polymérisation.
    La réaction terminée, on effectue un « burn out » afin de diminuer la teneur en monomère libre.
    L'émulsion est alors incorporée avec son tensio-actif inverseur afin de libérer par la suite le polymère en phase aqueuse.
    Tableau de l'exemple 2 :
    Essai MBA ppm NaH2PO2 ppm (*) UL Viscosité RI (1) (%) RIV (2) (%) Etat
    M 52 5 20 4,20 14,2 0 Ramifié
    M 102 10 20 3,34 21,3 0 Ramifié
    XM 104 10 40 2,11 37 50 Réticulé
    XM 204 20 40 1,94 58 55 Réticulé
    EK 190 0 15 4,35 0 0 Linéaire
    EK 190 BD 5 0 1,85 78 60 Réticulé
    EK 190 : émulsion standard de co-polymère acrylamide et chlorure d'acrylamido-propyl triméthyl ammonium, linéaire.
    Procédure de test des émulsions (identique à celle de l'exemple 1) Commentaires des résultats: cf. Tableau ( III ) ci-après relatif à l'exemple 2 et les Fig. 11 à 20 qui représentent les histogrammes correspondants
    Les résultats appellent les mêmes commentaires que ceux de l'exemple 1 et confirment le grand intérêt de la présente invention.
    L'invention concerne également les nouveaux agents de rétention décrits ci-dessus, caractérisés en ce qu'ils consistent en, ou comprennent, au moins un (co)polymère du type décrit, ramifié, préparé en émulsion inverse, destiné à coopérer avec un agent secondaire de rétention après une étape intermédiaire de cisaillement de la pâte à papier, ainsi que les procédés de fabrication de feuilles de papier, carton ou analogue, utilisant les agents selon l'invention ou le procédé selon l'invention, et les feuilles de papier, carton et analogues ainsi obtenues.
    Ledit agent peut être utilisé soit en émulsion inversée à l'eau, soit en solution de la poudre obtenue par séchage de l'émulsion, comme décrit ci-dessus.
    Figure 00180001
    Figure 00190001
    Figure 00200001

    Claims (20)

    1. Procédé pour la fabrication d'une feuille de papier ou carton ou analogues, présentant des caractéristiques améliorées de rétention et d'égouttage, du type selon lequel on utilise un système. dual de polymère acrylique ramifié et de bentonite ou un kaolin éventuellement traité comme agents primaire et secondaire, respectivement, de rétention, dont les introductions sont séparées par une étape de cisaillement de la suspension ou masse fibreuse ou pâte à papier, caractérisé en ce que ledit polymère est un (co)polymère acrylique ramifié et préparé sous la forme d'une émulsion inverse eau-dans-huile, utilisé soit en émulsion inversée à l'eau, soit en solution de la poudre obtenue par séchage de l'émulsion, et en ce que sa viscosité UL est > 3, de préférence > 3,5 et de préférence > 4.
    2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le (co)polymère acrylique ramifié préparé en émulsion inverse est introduit dans la pâte à papier à une concentration de 0,03 à un pour mille (0,03 a 1 %o) en poids, soit de 30 à 1000 g/t, du poids sec de la suspension fibreuse de pâte à papier, de préférence 0,15 à 0,5 pour mille (0,15 à 0,5 %o) soit de 150 à 500 g/t.
    3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le (co)polymère acrylique ramifié préparé en émulsion inverse est un copolymère cationique d'acrylamide et d'un monomère éthylénique cationique non saturé, choisi dans le groupe comprenant l'acrylate de dimethylaminoethyl. (ADAME), le methacrylate de dimethylaminoethyle (MADAME), quaternisés ou salifiés par différents acides et agents quaternisants, benzyle chlorure, méthyle chlorure, alkyl- ou aryle chlorures, diméthylsulfate, le chlorure de diméthyldiallylammonium (DADMAC), le chlorure d'acrylamidopropyltrimethylammonium (APTAC), et le chlorure de methacrylamidopropyltrimethylammonium (MAPTAC).
    4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le (co)polymère acrylique ramifié en émulsion inverse est ramifié par un agent de ramification constitue par un compose polyfonctionnel présentant au moins deux groupements réactifs choisis dans le groupe comprenant les doubles liaisons, les liaisons aldéhydes ou les liaisons epoxy.
    5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le (co)polymère acrylique ramifié en émulsion inverse est ramifié par un agent de ramification constitue par le methylènebisacrylamide (MBA).
    6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le MBA est introduit à une concentration de 5 à 200 moles par million de moles de monomères.
    7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la bentonite est une bentonite semi-sodique, utilisée à raison de 0,1 a 0,5 pour cent (0,1 a 0,5 %) du poids sec de la suspension fibreuse.
    8. Procédé selon la revendication 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que la pâte utilisée, contenant la charge est diluée, puis on ajoute le polymère comme agent de rétention principal, on effectue une étape de cisaillement comme par exemple dans la pompe de mélange ou « fan pump » puis on ajoute la bentonite comme agent de rétention secondaire.
    9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la quantité de polyacrylamide ramifié (ou plus généralement de (co)polymère acrylique ramifié) introduit soit en émulsion inverse eau-dans-huile inversée à l'eau, soit en solution de la poudre obtenue par séchage de l'émulsion, est comprise entre 0,03 et 1 %o, soit entre trente et mille grammes/tonne (30 et 1000 g/t) de pâte sèche
    10. Procédé selon la revendication 8 ou 9 , caractérisé en ce que la quantité de polyacrylamide ramifié (ou plus généralement de (co)polymère acrylique ramifié) introduit soit en émulsion inverse eau-dans-huile inversée à l'eau, soit en solution de la poudre obtenue par séchage de l'émulsion, est comprise entre 0,15 et 0,5 %o (soit entre 150 et 500 g/t)
    11. Procédé selon la revendication 8 , 9 ou 10 , caractérisé en ce que la bentonite est remplacée par du kaolin, éventuellement prétraité par un polyelectrolyte, comme agent de rétention secondaire.
    12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'injection ou introduction du polymère ramifié préparé en émulsion inverse est effectuée (soit en émulsion inversée à l'eau, soit en solution de la poudre obtenue par séchage de l'émulsion) avant une étape de cisaillement dans la pâte à papier (ou masse fibreuse à flocculer) plus ou moins diluée selon la pratiqué de l'homme du métier, et généralement dans la pâte à papier diluée ou « thin stock », cad une pâte diluée à environ 0,7 - 1,5% de matières solides telles que fibres de cellulose, charges éventuelles,et les divers additifs usuels de la fabrication du papier.
    13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que on introduit une partie du polymère ramifié en émulsion au niveau de l'étape de préparation de la pâte épaisse ou « thick stock » à env. 5 % ou plus de matières solides, ou même au niveau de la préparation de la pâte épaisse avant une étape de cisaillement .
    14. Agent de rétention pour la fabrication d'une feuille de papier, carton ou analogue, caractérisé en ce qu'il comprend un polyacrylamide ramifié (ou plus généralement un (co)polymère acrylique ramifié) en émulsion inverse (ou eau-dans-huile) (soit en émulsion inverse dissoute ou « inversée » à l'eau, soit en solution de la poudre obtenue par séchage de l'émulsion inverse, notamment par séchage par pulvérisation), et en ce que sa viscosité UL est > 3.
    15. Agent de rétention pour la fabrication d'une feuille de papier, carton ou analogue, selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'agent de ramification est un agent de ramification constitué par un composé polyfonctionnel présentant au moins deux groupements réactifs choisis dans le groupe comprenant les doubles liaisons, les liaisons aldéhydes ou les liaisons epoxy, notamment le méthylène bis acrylamide (MBA).
    16. Agent de rétention pour la fabrication d'une feuille de papier, carton ou analogue, selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'agent de ramification est introduit a raison de cinq a deux cents (5 a 200) moles par million de moles de monomères, de préférence 5 à 50.
    17. Agent de rétention pour la fabrication d'une feuille de papier, carton ou analogue, selon la revendication 14, 15 ou 16, caractérisé en ce que le polyacrylamide ramifié est un copolymère cationique d'acrylamide et d'un monomère éthylénique cationique non saturé, choisi dans le groupe comprenant l'acrylate de dimethylaminoethyl (ADAME), le methacrylate de dimethylaminoethyle (MADAME), quaternisés ou salifiés par différents acides et agents quaternisants, benzyle chlorure, méthyle chlorure, alkyl- ou aryle chlorures, diméthylsulfate, le chlorure de diméthyldiallylammonium (DADMAC), le chlorure d'acrylamidopropyltrimethylammonium (APTAC), et le chlorure de methacrylamidopropyltrimethylammonium (MAPTAC).
    18. Agent de rétention pour la fabrication d'une feuille de papier, carton ou analogue, selon l'une quelconque des revendications 14 à 17, caractérisé en ce que sa viscosité UL est > 3,5.
    19. Agent de rétention pour la fabrication d'une feuille de papier, carton ou analogue, selon l'une quelconque des revendications 14 à 18, caractérisé en ce que sa viscosité UL est > 4.
    20. Agent de rétention pour la fabrication d'une feuille de papier, carton ou analogue, selon l'une quelconque des revendications 14 à 19, caractérisé en ce qu'il est « moyennement ramifié », par exemple à 10 ppm de ramifiant par rapport à la matière active.
    EP99923647A 1998-06-04 1999-06-01 Procede de fabrication de papier et carton Expired - Lifetime EP1092064B9 (fr)

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