JP2002509587A - 紙を製造する方法、及びそれに用いるための材料 - Google Patents

紙を製造する方法、及びそれに用いるための材料

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Abstract

(57)【要約】 明礬又は陽イオン性凝集剤を通常含有するセルロース懸濁液を、高い固有粘度の陽イオン性合成重合体又は陽イオン性澱粉で凝集させ、剪断した後に、3dl/gを超える固有粘度、及び0.5以上の0.005Hzでのtanδを有する分枝鎖陰イオン性水溶性重合体の添加によって、懸濁液を再凝集させる二重可溶性重合体法によって、紙を製造する。この方法は、地合い、保持及び排水の改良された組合せを与える。

Description

【発明の詳細な説明】 紙を製造する方法、及びそれに用いるための材料 本発明は、紙(ボール紙を含む)を製造する方法、特に2種類の重合体性保持 助剤を順次用いるそのような方法に関する。 重合体性保持助剤の添加によってセルロース懸濁液を凝集させ、凝集した懸濁 液を抄紙網を通して排水して、ウェットシートを形成し、該シートを乾燥するこ とを含む方法によって、紙を製造するのが標準的実施である。 重合体性保持助剤には、非常に粗いフロックを生じやすいものがあり、その場 合、保持及び排水は良好であり得るが、ウェットシートの乾燥率は、より不充分 なことがある。特に、シートの「地合い」は、非常に劣悪であり得る。「地合い 」は、シート内の繊維の配列の指標である。非常に均質な配列は、良い地合いと 呼ばれ(しかし、一般的には、緩慢な排水が付随する)、シートの繊維の不均質 な分布は、一般的には、劣悪な地合いと見なされるが、迅速な排水が付随する傾 向がある。 通則として、排水の直前に加えられる重合体性保持助剤の分子量の増加は、排 水の速度を上昇させやすいが、地合いを損ないやすいことが公知である。 通常の実施は、重合体性保持助剤である重合体は、できるだけ可溶性でなけれ ばならず、そのため、通常は、いかなる架橋剤又は側鎖形成剤も不在下での、水 溶性の単量体又は単量体混合物の重合によって形成するよう指図している。 ただ1種類の重合体性保持助剤の添加によって、保持、排水、乾燥及び地合い の最適の均衡を得るのは困難であり、現在は、異なる2種類の材料を順次加える のが一般的実施となっている。 いくつかの特化された用途に対しては、好適な方法は、2種類の水溶性重合体 を順次用いる「可溶性二重重合体」保持系である。一般に、一方が他方より大き い分子量を有する。それぞれの場合に、重合体は、双方とも、合理的に達成し得 る限りに線状かつ可溶性であるのを常とする。一般に、第一成分は、ポリアミン 又はポリDADMACのような、高電荷密度で低分子量の陽イオン性凝集剤であ り、第二は、低電荷密度、高分子量の溶解した陰イオン性凝集剤である。 「可溶性二重重合体」保持系と異なるのが、「ミクロ微粒子」保持系であって 、 高分子量の第一重合体性保持助剤(一般的には陽イオン性)を懸濁液に加え、得 られたフロックを、剪断するか、さもなければ懸濁液を攪拌することによって機 械的に粉砕し、次いで、凝集した懸濁液を、通常は陰イオン性であり、重合体に 対しては対イオン性である、非水溶性のミクロ微粒子状の材料の添加によって再 凝集させる。ミクロ微粒子状材料がベントナイトである方法は、ヨーロッパ特許 第235,893号公報に記載され、Hydrocolの商品名で商業化されている。重合体性 保持助剤は、通常、完全に溶解された線状重合体であるが、ヨーロッパ特許第20 2,780-A号公報によれば、不溶性の重合体粒子を含有することができるか、又は 方法及び材料が、米国特許第5,393,381号明細書に記載のとおりであることがで きる。 ベントナイトに代えて、シリカや様々なシリカ化合物を用いること、及び可溶 性二重重合体系の後に不溶性のミクロ微粒子状材料を(低分子量陽イオンの後に 高分子量陰イオンを)適用することも、公知である。 ヨーロッパ特許第235,893号公報では、様々な非水溶性重合体エマルションが 、非水溶性ミクロ微粒子状材料としては、ベントナイトに対する不首尾な代替物 であるとして示された。ヨーロッパ特許第499,448号公報では、ベントナイトや 、様々な非水溶性ミクロ微粒子状材料が、フロックを凝集させるために列挙され たが、ベントナイトに代えて、水溶性の陰イオン性重合体を用い(したがって可 溶性二重重合体系を生成する)ことができるとも述べられた。 米国特許第5,167,766号及び第5,274,055号明細書は、不溶性ミクロ微粒子状材 料がベントナイト又はシリカゾルである、公知のミクロ微粒子系を考察し、ミク ロ微粒子状材料が、セルロース懸濁液中の重合体マイクロビーズの形態である、 異なる2種類のミクロ微粒子系を提唱している。異なる二つの系が記載されてい る。 一方の系では、マイクロビーズは、60nm未満の大きさを有し、架橋結合して おらず、非水溶性単量体から製造されている結果として、非水溶性である。例え ば、線状、不溶性のビーズは、ポリスチレンによって例示されている。 他方の系では、マイクロビーズは、750nm(0.75μm)の大きさを有し 、架橋結合したマイクロビーズであるとして記載されている。 これらの架橋結合したマイクロビーズの保持効率は、「主要な架橋結合した重 合体から突出する小鎖又は尾」に起因すると述べられている(American Cyanamid の米国特許第5,274,055号明細書第4列第4行)。米国特許第5,167,766号及び第5 ,274,055号明細書における架橋結合したマイクロビーズが、ミクロ微粒子法では 慣用的であるとおり、非水溶性材料であって、マイクロビーズから溶液への小鎖 又は尾の突出にも拘らず、マイクロビーズとして存続する充分な構造的統合性を 有することは、明白である。これらの特許は、粒度が約750nm未満であること の重要性を強調し、粒度が1μmを超えたときの、大幅に劣る結果を立証するデ ータがある。ビーズが溶解したならば、この粒度は無関係となるため、これは、 ミクロ微粒子は、微粒子状の溶解していない材料として機能しなければならない ことのもう一つの表示である。 マイクロビーズを製造するのに用いられる架橋結合剤の量は、「約4モルppm 超」でなければならず、架橋結合した組成物を確保するのに充分でなければなら ず(American Cyanamidの米国特許第5,274,055号明細書第5列第22行〜第6列 第59行)、好ましくは20〜4,000ppmであると述べられている。 重合材料や条件の適切な選択によって、分枝鎖水溶性重合体、又は非水溶性材 料を含むか、もしくはそれからなる架橋結合重合体のいずれかが得られることは 周知である。例えば、水溶性の分枝鎖重合体が、American Cyanamldのヨーロッ パ特許第374,458-A号公報に記載されている。水溶性の分枝鎖重合体が得られる か(ヨーロッパ特許第374,458-A号公報でのように)、又は非水溶性の架橋結合重 合体が得られるか(米国特許第5,274,055号明細書でのように)は、重合条件、 材料及び量に依存する。American Cyanamidの米国特許第5,274,055号明細書は、 陽イオン性架橋結合マイクロビーズと陰イオン性架橋結合マイクロビーズとの双 方を考察している。陽イオン性マイクロビーズに用いられる架橋結合剤の量は、 100ppmである(実施例37及び38)が、陰イオン性マイクロビーズを製造 するのに用いられる架橋結合剤の量は、実施例中では、常にこれより多く、特に 349〜1,381ppmの範囲内であるのを常とする。米国特許第5,274,055号明 細書中の、より少量の架橋結合マイクロビーズが、架橋結合マイクロビーズを与 えるのに用い得るとの唯一の示唆は、マイクロビーズは、米国特許第5,171,808 号明細書のとおりに製造し得るとの記述から生じるにすぎない。これはやはり、 架橋結合した組成を確保するのに充分であり、少なくとも4ppmである量の使用 を教示し、実施例は、97ppmを用いた陰イオンの一実施例、及び100ppmを用 いた陽イオンの一実施例以外は、すべて349〜10,000ppmの量を示して いる。 米国特許第5,274,055号明細書では、架橋結合マイクロビーズは、好ましくは 、1.1〜2mPa・秒の溶液粘度を有すると述べられている。これは、ブルックフ ィールドULアダプターを60rpmで用いて、25℃の1モル塩化ナトリウム中 の0.1重量%の重合体溶液で測定した食塩水溶液の粘度を有し、陰イオンの実 施例は、1.06〜1.37mPa・秒の値を有する。 簡便のために、本発明者らは、用語「溶液」を、重合体と水とを混合し、たと え「溶液」が不溶のマイクロビーズを必然的に含有しても、混合物を実質的平衡 に到達させることによって得られる、水性組成物を記載するために用いているこ とに留意されたい。上記により、本発明者らは、本明細書全体を通じて、用語「 溶液」を、それが真の溶液であるか、又は不溶のマイクロビーズもしくはそれよ り大きいビーズの水性分散であるかに拘らず、実質的に平衡させた水性組成物を 示すために用いる。 本発明者らは、最終段階が、Polyflex CSという商品名の下での架橋結合した 非水溶性マイクロビーズの添加を伴い、米国特許第5,164,766号及び第5,274,055 号明細書の範囲内にあるものとされると思われる、ミクロ微粒子製紙法のための 材料の商業化を承知している。Polyflex CSの平衡溶液の走査電子顕微鏡による 検査は、750nm未満の大きさを有する実質的に球形の不溶粒子の存在を、明確 に示している。これは、これら二つの特許が、非水溶性のミクロ微粒子による保 持系を、不溶性ベントナイト又はシリカゲルを用いて従来与えられているのと多 少とも似た方式で、与えようとしていることの確認をさらに与える。したがって 、粒子の架橋結合は、水との平衡の際に粒子が真の溶液に溶解するのを阻み、代 わりに、乾燥したときに固体粒子の形態となる可視的なミクロ微粒子の形態を保 持する。 これらの、架橋結合した不溶性ミクロ微粒子を用いる方法は、特に有意量の明 礬を含有するセルロース懸濁液で実施したとき、適切な保持及び地合いを与える ことができる。しかし、適切な地合いを保持しつつ、これらの方法に比して改良 された保持を得ることが、望ましいと思われる。加えて、可溶性の二重重合体法 に比して改良された、保持と地合いとの組み合せを得ることが、望ましいと思わ れる。 本発明によって、本発明者らは、これらの目的を達成する、可溶性かつ高分子 量の二重重合体法をここに与える。 本発明による製紙法は、水溶性の、陽イオン性の第一重合体性保持助剤の溶液 を加えることによってセルロース懸濁液を凝集させて、セルロースフロックを形 成する段階と、該フロックを機械的に粉砕する段階と、水溶性陰イオンによるエ チレン的不飽和単量体の投入分を重合条件下で重合させることによって製造した 、陰イオン性の第二水溶性重合体性保持助剤を加えることによって、懸濁液を再 凝集させる段階と、再凝集した懸濁液を排水することによって、シートを形成す る段階と、該シートを乾燥する段階とを含む。陰イオン性重合体性保持助剤とし ては、 (a)単量体投入分中に側鎖形成剤を用いることによって製造した分枝鎖重合 体であり、 (b)約3dl/gを超える固有粘度を有し、 (c)少なくとも0.5の0.005Hzでのtanδレオロジー振動値を有する か、又は同じ条件下であるが、側鎖形成剤の不在下で、同じ単量体投入分から製 造した重合体の加塩SLV粘度数の少なくとも3倍である脱イオンSLV粘度数 を有する 水溶性重合体を用いる。 該重合体は、慣用の方式であるが、側鎖形成剤を単量体投入分に含ませた重合 条件下で、単量体又は単量体混合物を反応させることによって製造する。側鎖形 成剤の量と、単量体投入分を反応させて重合体を形成する重合条件とは、重合体 が水溶性分枝鎖重合体となり、非水溶性架橋結合重合体とはならないようにして 選ぶ。特に、重合体を、逆相乳化重合によって製造し、(本発明のように)側鎖 を生じさせて全体を水溶性にする代わりに、架橋結合させ(かつこうして非水溶 性粒子を含ませ)るならば、重合体は、水性セルロース懸濁液中で、真の溶液の 重合体としての挙動を示す代わりに、粒子又はマイクロビーズとしての挙動を示 すことになる。 分枝鎖重合体が、ミクロ微粒子状重合体ではなく、溶液重合体としての挙動を 示すのを表示する一方法は、tanδ値の参照を用いることであり、より詳しくは 下記に説明するとおりである。指定された条件下での低い値は、重合体が、真に 溶解しているのではなく、微粒子状であることを示す。したがって、分枝鎖重合 体が、架橋結合した粒子の形態としてではなく、本発明のように、溶液として存 在するのを表示する一方法は、定義されたtanδ値が比較的高い(0.5、好ま しくは0.7を上回る)のを観測することによる。 重合体が、ミクロ微粒子状ではなく、真の溶液として存在するのを表示するも う一つの方法は、分枝鎖重合体についての脱イオンSLV粘度数が、同じ重合条 件下で同じ単量体投入分を(しかし側鎖形成剤の不在下で)反応させることによ って製造した重合体の加塩SLV粘度数の少なくとも3倍であるのを観測するこ とによる。以下、本発明者らは、これを「対応無側鎖重合体」と呼ぶ。 「同じ単量体投入分」及び「同じ重合条件」を参照することによって、本発明 者らは、投入分及び条件が、商業的生産で合理的に達成される限り(側鎖形成剤 と、適切ならば連鎖移動剤との量の計画的な変動以外は)一定であることを意味 する。 米国特許第5,274,055号明細書の、陰イオン性架橋結合粒子状重合体を用いる 代わりに、水溶性の分枝鎖陰イオン性重合体を最終段階で用いることの結果とし て、本発明は、満足できる地合いを維持しつつ、改良された保持及び排水を与え る。慣用の高分子量の、実質的に線状の陰イオン性重合体に代えて、水溶性分枝 鎖重合体を用いることの結果として、本発明は、改良された地合いを提供し、そ の上、保持及び排水に改良を与えることができる。すなわち、本発明は、最終段 階が慣用の線状陰イオン性重合体である、二重重合体法に比して、かつ最終段階 が、米国特許第5,274,055号明細書のように、架橋結合陰イオン性マイクロビー ズによって与えられる、ミクロ微粒子法に比して、地合い、保持及び排水の改良 された組合せを提供する。 特に、対応無側鎖重合体を用いて得られる値と同じにか、又はそれより優れた 、保持及び排水の値を得ることが可能であるが、対応無側鎖重合体を用いたとき に得られるのと比較して、地合い特性の有意な改良を得ることが可能である。 本発明では、第二の重合体のための単量体投入分に、側鎖形成剤を含ませるこ とが重要であるが、側鎖形成剤の量を、非常に低い値に保つことも重要である。 量が約0.5〜1ppm未満であるならば、望みの改良された地合いは達成されな くなるが、量が多過ぎるならば、脱水及び保持の値の望みの改良が達成されなく なる。例えば、量が過多ならば、陰イオン重合体は、改良された脱水及び保持を 与える、水溶性分枝鎖重合体としての挙動を示す代わりに、不溶性の架橋結合し たミクロ微粒子重合体としての挙動を示すようになる。 側鎖形成剤の量が(単量体混合物、重合条件及び側鎖形成剤のいかなる特定の 組合せについても)過少ならば、側鎖形成剤の不在下で製造され、そのため、よ り高い固有粘度を有する、対応重合体で得られる地合いに比して、地合いの望み の改良が得られなくなる。側鎖形成剤の量が過多ならば、排水及び保持の値が劣 るようになる。 陰イオン性重合体性保持助剤の製造に用いられる正確な量は、用いようとする 個々の側鎖形成剤、及び用いようとする個々の重合条件に依存する。特に、下記 に述べるとおり、連鎖移動剤を加えることができるが、その場合、用いようとす る側鎖形成剤の量は、連鎖移動剤の不在下で用いられるような量より多くなり得 る。 側鎖形成剤は、カルボキシル基その他の懸垂基(例えばエポキシド、シラン、 多価金属又はホルムアルデヒド)を介しての反応によって枝分かれを生じる側鎖 形成剤であることができるが、好ましくは、側鎖形成剤は、重合体が形成される 単量体混合物に含まれる、ポリエチレン性不飽和な単量体である。架橋剤は、ビ スアクリルアミドのような二官能性材料であるか、又は三官能性、四官能性もし くはより高い官能性の側鎖形成剤、例えば塩化テトラアリルアンモニウムである ことができる。好ましくは、水溶性である。 ポリエチレン的側鎖形成剤の量は、一般的には10ppm未満、最も好ましくは 5ppm未満である。最良の結果は、0.5〜3又は3.5もしくは3.8ppm前 後で得ることができるが、ある場合には、4.1又は4.2を超え、7又は10 ppmまでか、又はより高い値も適切である。したがって、ときには(一般的には 連鎖移動剤の存在下で)20ppmまで、又は30もしくは40ppmまでもの量が役 立つが、tanδ限界に応じるためには、通常は、より少ない量が必要とされる。 別途記載されない限り、本明細書全体を通じて、側鎖形成剤の量は、単量体10 0万モルあたりの側鎖形成剤のモル(すなわちモルppm)として引用される。 本発明の分枝鎖重合体は、反応の際に意図的な連鎖移動剤が全く存在してはな らないものとされる重合条件下で、製造してよい。上に引用した側鎖形成剤の量 (例えば、1〜10ppm、好ましくは1〜3.8ppm)は、連鎖移動剤を全く加え ないときに特に適切である。しかし、いくらかの連鎖移動剤を加えるのが望まし いこともあり、その場合は、側鎖形成剤を20もしくは30ppm、又は40ppmま で増量し、しかも重合体の特徴的特性及び性能を維持することが可能である。選 ばれる連鎖移動剤の量は、用いようとする個々の材料、ならびに側鎖形成剤、単 量体投入分及び重合条件に依存することになる。 極めて多量の側鎖形成剤を用いることもできるが、最良の結果は、少量の連鎖 移動剤の使用によって得られると思われることから、量は、極めて少ないのが好 ましい。好適な連鎖移動剤は、次亜リン酸ナトリウムである。より多い量を用い ることもできるが、最良の結果は、一般的には、50ppm未満、好ましくは20p pm(単量体の重量に対して)のこのための量を必要とする。最良の結果は、一般 的には、10ppmを超えない量で得られる。しかし、量が過少ならば、例えば約 2ppm未満ならば、連鎖移動剤を用いることからの不適切な利得が存在する可能 性がある。 水溶性のアクリル性単量体(例えばイソプロパノール又はメルカプト化合物) の水性重合に連鎖移動剤として用いるのに適する、いかなる連鎖移動剤も、好適 な材料、すなわち次亜リン酸塩の代替物として本発明に用いることができる。次 亜リン酸塩以外の材料を用いようとするならば、次亜リン酸塩について引用した 量と実質的に同じ連鎖移動効果を与えるように選んだ量で、用いなければならな い。 少量の連鎖移動剤を用いるのが好ましいが、材料と重合条件との組合せを、重 合体が指定された物理的特性を有するようにするならば、より多い量、例えば1 00ppm又はそれ以上を用いることもできて、一般的には、より効果的でない結 果を伴う。 これらのうちの一つは、重合体の固有粘度である。これは、pH7.5に緩衝さ せた25℃の1モルNaCl中で、懸垂レベル粘度計(Suspended Level Viscom eter)を用いて測定される。これは、通常は3〜4dl/g以上、好ましくは6dl/g 以上である。例えば18dl/gもの高さであることもできるが、通常は12dl/g未 満、しばしば10dl/g未満である。 好適な重合体は、同じ重合条件下ではあるが、側鎖形成剤の不在下で製造され た対応する重合体(すなわち「対応無側鎖重合体」)を参照することによって、 特徴付けられる。無側鎖重合体は、一般的には6dl/g以上、好ましくは8dl/g以 上の固有粘度である。16〜30dlであることも多い。側鎖形成剤の量は、通常 、固有粘度を、上に参照した無側鎖重合体についての(dl/gで表わした)初めの 値の10%以上、通常は25%以上もしくは40%、70%まで、ときには90 %まで低下させるようなそれである。 固有粘度に頼ることに代えてか、又はそれに加えて、重合体は、その食塩水ブ ルックフィールド粘度によって特徴付けることもできる。 重合体の食塩水ブルックフィールド粘度は、25℃の1モルNaCl水溶液中 の活性重合体の0.1重量%水溶液を調製することによって、ULアダプターを 取り付けたブルックフィールド粘度計を60rpmで用いて測定される。こうして 、粉末化した重合体を1モルNaCl水溶液に加えるか、又は逆相乳化重合体を この溶液に加える。食塩水溶液粘度は、一般的には2.0mPa・秒であり、通常 は2.2mPa・秒以上、好ましくは2.5mPa・秒以上である。一般的には、5mP aを超えることはなく、3〜4の値が通常は好ましい。これらは、すべて、60r pmで測定する。 0.005Hzでのtanδ値は、2時間振盪した後の脱イオン水中の重合体の1 .5重量%水溶液に対して、制御応力レオメーターを振動モードで用いて得られ る。この作業の途中で、6cmのアクリルコーンを備えたCarrimed CSR100を、1 °58’のコーン角、及び58μmの断端値(項目参照番号TA 5664)で用い る。約2〜3ccのサンプル量を用いる。温度は、ペルチエプレートを用いて、2 0.0±0.1℃に調節する。5×10-4ラジアンの角変位を、0.005〜1 Hzの掃引周波数にわたって12段階で対数ベースで用いる。G’及びG”の測定 を記録し、tanδ(G”/G’)値を算出するのに用いる。 tanδの値は、系内の保存(弾性)率G’に対する損失(粘性)率G”の比で ある。 低周波数(0.005Hz)では、サンプルの変形率は、線状又は分枝鎖のもつ れた鎖がほぐれるのを可能にするのに充分なだけ遅いものと考えられる。網目構 造の系、又は架橋結合した系は、鎖の恒久的なもつれを有し、広い範囲の周波数 にわたって低いtanδ値を示す。その結果、本発明者らは、低周波数(例えば0 .005Hz)の測定を用いて、水性環境中の重合体の特性を特徴付ける。 分枝鎖重合体は、好ましくは、0.005Hzでの約0.7を超えるtanδ値を 有する。それらは、好ましくは、対応無側鎖重合体、すなわち、同じ条件下であ るが、側鎖形成剤の不在下で製造され、そのため、より高い固有粘度を有する重 合体の値に合理的に近い値を有する。例えば、それらは、好ましくは、対応無側 鎖重合体についてのtanδの50%以上、しばしば80%以上、例えば120% 又はそれ以上までのtanδを有する。しかし、本発明者らは、側鎖形成剤の量を 有意に増加させたとき、0.005Hzでのtanδは、0.5未満にまで低下し、 望ましくないことを見出している。本発明に用いられる重合体についての0.0 05Hzでの好適なtanδ値は、0.8を超え、好ましくは0.9を超え、例えば 1.1もしくは1.3まで、又はそれより高い。 不溶性の架橋結合ミクロ微粒子の存在からの重合体の自由度を特徴付けるのに 、tanδに頼ることに代えてか、又はそれに加えて、脱イオン及び加塩SLV粘 度数の間の比に頼ることも可能である。 本発明でのSLV粘度数は、溶液の粘度に従って適切であるとして選ばれる、 ガラス製の準位保留粘度計を25℃で用いることによって決定される。粘度数は 、η−η0/η0であり、式中、η及びη0は、それぞれ、重合体水溶液及びブラ ンク溶媒についての粘度の結果である。これは、比粘度と呼ぶこともできる。脱 イオンSLV粘度数は、脱イオン水中で製造した重合体の0.05%水溶液につ い て得られる数である。加塩SLV粘度数は、1モル塩化ナトリウム中で製造した 0.05%重合体水溶液について得られた数である。 脱イオンSLV粘度数は、好ましくは3以上、一般的には4以上、例えば7、 8又はそれ以上までである。最良の結果は、5を上回るときに得られる。好まし くは、無側鎖重合体、すなわち同じ条件下であるが、側鎖形成剤の不在下で製造 された(したがって、より高い固有粘度を有する)重合体についての脱イオンS LV粘度数より高い。脱イオンSLV粘度数が、無側鎖重合体の脱イオンSLV 粘度数より高くないならば、好ましくは、無側鎖重合体の脱イオンSLV粘度数 の50%以上、通常は75%以上である。加塩SLV粘度数は、通常、1より低 い。脱イオンSLV粘度数は、加塩SLV粘度数の、しばしば5倍以上、好まし くは8倍以上である。 本発明の重合体は、ビーズ又はゲルの重合のような、水溶性のアクリル性の、 及びその他の追加の重合体を製造する、公知の適切な慣用的重合法のいずれによ っても製造することができる。好適な形式の重合法は、水性でない液体中に水溶 性重合体粒子の逆相エマルションを形成するための、逆相乳化重合である。この 生成物は、代表的には、少なくとも95重量%が10μm未満、好ましくは少な くとも90重量%が2μm未満、例えば0.1又は0.5μm以上の粒度を有す る。したがって、慣用の逆相エマルション又はマイクロエマルションであり、そ のような材料を製造するための公知の手法のいずれによって製造することもでき る。米国特許第5,171,808号明細書には、該発明においては、そのマイクロビー ズの粒度は、数平均で0.75μm未満でなければならないことが重要であると 提唱されているが、満足すべき結果は、1μmを超える粒子で得られる。おそら く、エマルションの実質的にすべての粒子(すなわち、不純物以外の実質的にす べて)が、使用前には真の溶液に転じるためである。望みならば、数平均粒度は 、マイクロエマルションに典型的である、例えば0.05又は0.1μm以上で あることができる。 エマルションは、(油その他の、水と混和できない液体中の水性重合体の小滴 のエマルションとして)製造された形態で供給することができるか、又は望みな らば、実質的に脱水されて、油中に分散した実質的に無水である重合体小滴の安 定的な分散を形成することができる。慣用の界面活性剤と、場合により重合体の 両親媒性安定剤とを公知の方式で含ませて、エマルションを安定化してもよい。 逆相その他の重合法は、望みの単量体又は単量体混合物の投入分に対して実施 する。重合のための投入分として役立つ単量体又は単量体混合物は、通常、水溶 液である。 陰イオン分枝鎖重合体が、5〜97重量%のアクリルアミドその他の、水溶性 の非イオン性エチレン的不飽和単量体と、95〜3重量%のエチレン的に不飽和 であるカルボキシルもしくはスルホン性のか、又は他の陰イオン性単量体との共 重合体であることは、一般的には好適である。アクリル酸、メタクリル酸、クロ トン酸、スルホン酸ビニル及びAMPSのような、慣用の水溶性カルボキシル及 びスルホン性単量体のいずれを用いてもよい。好ましい陰イオン性単量体は、ア クリル酸であることが多く、しばしば、アクリル酸ナトリウムその他の水溶性の 塩として導入される。好適な共重合体は、20〜80重量%、しばしば40〜7 5重量%のアクリル酸を(しばしばアクリル酸ナトリウムとして)含有し、残余 はアクリルアミドである。 陰イオン性重合体の混合物を用いることもできる。混合物は、第二の重合体の 特性について与えた定義に適合しなければならず、混合物の各成分が定義に適合 するのが好ましい。 開始剤は、対応無側鎖重合体が、必要とされる特性と、側鎖形成剤、及び可能 性としての連鎖移動剤の量とを顧慮して適切である、固有粘度を必ず保有するよ うな量及び条件下で、投入分に加え、かつそのような温度に投入分を保つ。 重合体エマルションには、水中でのエマルションの平衡又は活性化を促進する ために、活性化する界面活性剤を加えてよい。 エマルションその他の形態の重合体は、通常、セルロース懸濁液に加える前に 、代表的には0.05〜2%の重合体の濃度の、新の水溶液の形態に転換させる 。 このセルロース懸濁液は、適切ないかなるセルロース原液から形成することも できる。陽イオン及び陰イオン性保持助剤は、通常、それが、乾燥重量で代表的 には0.1〜1.5%、しばしば0.2〜1%のセルロース含量を有する、濃い 原液であるときは、両者を一度にセルロース懸濁液に加える。全体的にか、又は 実質的に未充填であってよく、あるいはわずかにか、又は大幅に充填してもよく 、こうして、懸濁液の乾燥重量に対して、例えば3〜50%、しばしば10〜3 0%の充填剤を含有してもよい。得られる紙は、充填することも、又は充填しな いこともでき、いかなる等級の紙又はボール紙であることもできる。 懸濁液は、明堪、硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウムのような溶解した アルミニウム化合物、又は製紙用懸濁液に無機凝集剤として慣用的に組み込み得 るその他のいかなるアルミニウム化合物も含有することが好ましい。アルミニウ ム化合物の量は、通常、100g/t以上であり、一般的には1kg/tを上回る。例 えば10kg/t又は50kg/t以下でさえあることができる。 明礬に代えてか、又は加えて、低分子量の(2又は3dl/g未満の固有粘度)の 陽イオン性凝集重合体、例えば、ポリアミン、又はポリDAMACもしくはポリエチ レンイミンを用いることも可能である。この無機又は重合体性凝集剤は、通常は 、第一重合体性保持助剤の添加の前に、薄い原液に含ませるが、第一重合体性保 持助剤とともにか、その後に加えることもできる。ポリアミンが好ましい。 陰イオン性重合体の前に用いる、陽イオン性の、すなわち第一の保持助剤は、 陽イオン性の澱粉その他の天然陽イオン性重合体であることができるが、好まし くは合成によるそれである。例えば陽イオン性保持助剤について慣用的であるよ うに、高分子量を保有しなければならない。一般的には、アクリルアミドその他 の、非イオン性のエチレン的に不飽和である水溶性単量体と、モノエチレン的に 不飽和である陽イオン性単量体との共重合体である。これは、塩化ジアリルジメ チルアンモニウムのような材料であることができるが、より常用的には、ジアル キルアミノアルキル−(メタ)アクリルアミド又は−アクリラートである。一般 的には、第一保持助剤は、30〜90重量%のアクリルアミドと、10〜70重 量%の(通常は酸付加塩又は第四級アンモニウム塩としての)ジメチルアミノエ チル=アクリラート又は=メタクリラートとの共重合体である。通常、4dl/g以 上、例えば6dl/g以上、通常は8dl/g以上、例えば15又は20dl/g以下の固有 粘度を有する。 陽イオン性重合体は、通常、線状であり、全体的に水溶性である。しかし、ヨ ーロッパ特許第202,780号公報に記載の架橋結合した逆相乳化重合体、又は他の 適 切な高固有粘度の陽イオン性保持助剤として製造してよい。 第一の、陽イオン性保持助剤は、懸濁液の凝集を引き起こす。フロックは、フ ァンポンプもしくは遠心式ふるいのダクト、より常用的には通路に沿った乱流の 結果としての、機械的粉砕に付す。粉砕の量は、通常、フロックを、それ以上の 機械的粉砕に対して合理的に安定的である、マイクロフロックにまで細分するの に要する量である。 フロックの充分な粉砕が生じた後に、可溶性二重重合体系の第二の成分、すな わち陰イオン性の、側鎖を有する第二重合体性保持助剤を懸濁液に加える。懸濁 液は、その後の計画的な剪断に付すことができるが、一般的には、第二の保持助 剤を加えた後、懸濁液にはほとんど、又は全く剪断を加えない。例えば、陰イオ ン性保持助剤は、ヘッドボックス中にか、又はヘッドボックスの直前に加えてよ い。 陽イオン性及び陰イオン性保持助剤の最適量は、懸濁液中の他のすべての成分 の量及び種類を特に顧慮して選ぶことになるが、それぞれは、通常、50〜2, 000g/t(懸濁液の乾燥重量1トンあたりの重合体のグラム数)の範囲内であ る。例えば、第一重合体の量は、代表的には100又は200〜1,500g/t 、しばしば300〜1,000g/t前後であり、第二重合体の量は、しばしば、 50〜2,000g/t、しばしば100〜1,000g/t前後である。各重合体は 、通常、使用前に水に溶解して、均質で安定的な組成物を得る。 本発明者らは、規定された重合体を用いる本発明の可溶性二重重合体保持系の 利用は、保持、排水及び地合いの性能の非常に価値ある組合せを与えることを見 出している。特に、本発明者らは、保持及び排水性能は、側鎖形成剤の量をゼロ からある低い値まで増加させるにつれて上昇し、そこで保持及び排水は、ピーク に達するが、側鎖形成剤の量をさらに増加させることは、次いで、保持及び排水 性能の低下を招く傾向があることを見出している。このピークは、2〜3.5pp m前後の(ポリエチレン的に不飽和である側鎖形成剤よりなる)側鎖形成剤で生 じ得るが、ある場合には、連鎖移動剤の不在下でしばしば、7以下又は10ppm 以下でさえあるような高い値で、しかしときには、連鎖移動剤の存在下で、わず かに高い値で生じ得る。 本発明者らは、保持性能の一般的傾向は、脱イオンSLV又はブルックフィー ルド粘度、及び0.005Hzでのtanδの一般的傾向に非常に密接に従うことを 見出している。特に、本発明者らは、側鎖形成剤の量を、脱イオンSLV粘度及 びtanδ値がそのピークから、例えば(連鎖移動剤の不在下で)100又は20 0ppmの側鎖形成剤で得られるのと類似する値まで顕著に降下する値にまで上昇 させたときは、より劣る結果が得られることを見出している。 本発明では、優れた保持及び排水特性は、米国特許第5,167,766号又は第5,171 ,808号明細書のような不溶性網目構造もしくは不溶性マイクロビーズの状態のと きとは対照的に、重合体分子が分枝鎖状態を有する結果として得られることは明 らかである。すなわち、本発明では、個々の分枝鎖分子は、充分に線状であるた めに、個々の線状分子が互いに無関係に移動できるのとほぼ同じようにして、互 いに無関係に移動できるものと思われる。 上に説明したとおり、慣用の線状重合体性保持助剤を考慮したとき、保持性能 の上昇は、固有粘度の上昇、及び脱イオン溶液粘度の上昇によって期待し得るが 、保持のこの上昇は、地合いの劣化を伴うのが一般的である。本発明では、本発 明者らは、意外にも、保持及び脱イオン溶液粘度の上昇が、(一定の重合体用量 で)地合いの有意な改良を伴うことを見出している。 これは、重合体の側鎖形成が、製紙試験では、一定の重合体用量での保持及び 地合い双方の改良を伴う、本発明者らが認めた最初の事例である。さらに、はる かに多量の側鎖形成剤を組み込んで、例えば米国特許第5,171,808号明細書に記 載のような、架橋結合した不溶性のマイクロビーズ構造を得ることによって、重 合体をさらに改質したときに得られるより、保持は顕著に優れ、地合いは有意に 劣りはしない。 本方法は、改良された保持を与えることから、適切な保持を維持しつつ、重合 体の量を減少させることが可能であり、重合体用量のこの削減は、地合いの1層 の改良へと導き得る。 下記は、実施例である。 実施例1 慣用の方式での逆相乳化重合によって、40重量%のアクリル酸ナトリウム、 及び60重量%のアクリルアミドから、無側鎖共重合体を形成する。得られるエ マルションを共沸蒸留に付して、油中に分散した、主として2μmの粒度を有す る、実質的に無水である重合体小滴の安定的な分散を形成する。 アクリル酸ナトリウム及びアクリルアミドの混合物に含まれるメチレンビスア クリルアミドの異なる量を用いて、この方法を多数回繰り返す。 この実験によって製造された重合体を、シリーズAと名付ける。異なる単量体 を用いる別個の場所で、同じ重量のアクリル酸ナトリウム及びアクリルアミドと 、ある範囲のメチレンビスアクリルアミド側鎖形成剤の量とから重合体を製造し 、これらをシリーズBと名付けた。これらの重合体についての様々な脱イオン及 び加塩粘度ならびに固有粘度とtanδ値とを、上に示したプロトコルに従って記 録した。結果を添付の図面にグラフで示すが、ここで、 図1は、ULアダプターを備えたブルックフィールドLVTによって測定した 1モルのNaCl中の、異なる量のメチレンビスアクリルアミド(MBA)側鎖 形成剤での重合体の0.1%溶液の粘度のプロットであり、 図2は、0〜135モルppmの範囲にわたる、固有粘度のプロットであり、 図3は、シリーズAの重合体及びシリーズBの重合体についての0〜14ppm のMBAの範囲にわたる、固有粘度のプロットであり、 図4は、3、12、30及び60rpmという異なる回転速度でのブルックフィ ールドLVTのスピンドル2で測定した、脱イオン水中の0.1%溶液の粘度の プロットであり、 図5aは、0〜135ppmのMBAの範囲にわたるシリーズAの重合体につい ての、脱イオンSLV粘度数(上の行)と加塩SLV粘度数(下の行)とのプロ ットであり、図5bは、シリーズBの重合体についての対応するプロットを示す 。 図6は、シリーズA及びシリーズBの重合体についての、異なるMBA量での 脱イオンSLV粘度数のプロットを示し、 図7は、加塩SLV粘度数についての対応するプロットを示し、 図8aは、シリーズAの重合体についてのtanδ値のプロットであり、 図8bは、シリーズBの重合体についてのtanδ値のプロットであり、 図8cは、すべての重合体についてのtanδ値の併せたプロットであり、 図9は、異なる量のMBAを用いて製造した、0〜1,000g/tの重合体の 範囲の異なる用量でのSchopper-Riegler排水値のプロットであり、 図10は、Brittジャー保持値の対応するプロットである。 図1〜8cのそれぞれから、側鎖形成剤の量が10〜20ppm前後まで増加す るにつれて急速に変化し、次いで、はるかに緩慢に変化し、実際、20〜30pp m前後から先でプラトーに達する傾向がある、特性の一貫した傾向が存在するこ とが観察されると思われる。また、特性の多くは、側鎖形成剤の非常に少量、す なわち10ppm未満でピーク値を有するという、一貫した傾向が存在する。これ らのすべてのプロットから、重合体の物理的状態は、側鎖形成の量を10〜20 ppm前後まで増大させるにつれて、急速に変化するが、側鎖形成剤の量が、例え ば約40又は50ppmを超える時点までには、以後の変化は比較的緩慢であるこ とを推論するのは、合理的である。これは、より多量の側鎖形成剤では、重合体 が不溶性の架橋結合したミクロ微粒子の形態で存在するが、より少量の側鎖形成 剤では、重合体が不溶性の粒子とは実質的に無縁であることと整合するものと思 われる。 実施例2 25%(全固形分に対して)の沈降炭酸カルシウムと、8kg/tの明礬と、90 %のアクリルアミド及び10モル%のジメチルアミノエチルアクリラート第四級 塩から形成した1kg/tの陽イオン性保持助剤とを含有する50/50のさらしマ ツ/さらしシラカバ懸濁液に対して、得られた分枝鎖重合体を用いたときに得ら れる保持及び脱水特性を、それぞれ、標準的なBrittジャー法及びSchopper-Rieg ler法によって決定する。固有粘度12を用いる。それぞれの場合に、様々な用 量の第二重合体を加える。 結果を図9(排水)及び図10(保持)に示す。一方では最小の排水時間(し たがってまた最良の排水)、及び最大の(したがってまた最良の)保持の値を与 える側鎖形成剤の量と、他方ではピークの脱イオン溶液粘度、及びピークの0. 005Hzでのtanδを与える側鎖形成剤の量との間に、密接な相関関係が存在す ることは、直ちに明白である。ピークの脱イオン溶液粘度値、及び0.005Hz でのtanδ値であるか、又はそれに近い重合体は、例えば100モルppmを超え るMBAで架橋結合させた重合体より優れた排水及び保持の値を与えるという事 実は、例えば図9及び10から明らかに明白である。 実施例3 慣用の製紙機で、プラント試験を実施する。セルロース懸濁液は、0.5%の 濃原液粘稠度を有する350mlのカナダ国標準フリーネスまで精製した、60% の硬材及び40%の軟材からなる。トンあたり約5kgの陽イオン性澱粉を、20 %の沈降炭酸カルシウムとともに含ませる。明礬は、2.5kg/tの量で存在する 。 約9dl/gの固有粘度を有し、79%のアクリルアミド及び21%のジメチルア ミノエチルアクリラートMeCl第四級塩から形成した0.325kg/tの用量の 陽イオン性第一重合体を、ファンポンプの前に懸濁液に加える。この結果、懸濁 液をファンポンプ及び遠心式ふるいを通過させるにつれて、凝集、及びフロック の粉砕が生じた。 第二陰イオン性重合体性保持助剤の予め溶解した溶液を、遠心式ふるいとヘッ ドボックスとの間に加え、次いで、懸濁液を抄紙網を通して排水し、最初のパス 保持、最初のパス灰保持、及び地合いを記録する。 実施1では、第二重合体は、約16dl/gの固有粘度を有する、実施例1のとお りの無側鎖重合体であり、したがって実質的に線状であり、本発明によらない。 第2の実施では、第二重合体は、3.5ppmのメチレンビスアクリルアミドの 存在下で製造されたこと以外は、第一重合体に対応する。この特定の実施では、 この第二重合体の半分は、連鎖移動剤の不在下で製造し、9.2dl/gの固有粘度 を有する、本発明による好適な重合体であり、同じ条件下であるが、200重量 ppmの連鎖移動剤を加えて製造した、もう一つの第二重合体との混合物として用 い、そのためにこの別の重合体は、5.5dl/gの固有粘度を有する 実施3では、第二の材料は、実施例1のと同じであるが、約200ppmのメチ レンビスアクリルアミドの存在下で製造され、したがって本発明によらない。 結果を下表に示す。 各試験では、最高の定量的数値が望まれる。 これらの結果は、非常に少量の側鎖形成剤を含ませること(実施2)は、無側 鎖重合体(実施1)に比して、保持の増大を生じるが、地合いを有意に改良する ことを示す。さらに、これらは、米国特許第5,171,808号明細書のように重合体 を有意に架橋結合させること(実施3)は、(同じ用量では)保持を悪化させ、 地合いをわずかにのみ改良するにすぎないことを示す。これらの結果は、そのた め、本方法を操作して、適切な地合いと改良された保持とを一定の重合体用量で 得ること、又は同等の地合いと同等の保持とを、ただし減量した重合体用量で得 ることが可能であることを示す。 実施例4 5kg/tの明堪を加えた後に0.5kg/tの実施例2と同じ陽イオン性重合体を加 え、次いで0.5kg/tの陰イオン性の第二重合体を加えたセルロース懸濁液で実 施した研究室規模の試験で、最初のパス保持、最初のパス灰保持、及び地合いの 値を決定する。 一つの第二重合体は、連鎖移動剤なしに3.5ppmのMBAを用いて製造し、 もう一つの第二重合体は、同じ条件下で、同じ単量体投入分から、3.5ppmの MBA、及び連鎖移動剤としての5ppmの次亜リン酸ナトリウムで製造する。両 者とも、本発明による。 第三の第二重合体は、高度に架橋結合させた、おそらく200ppmを超える架 橋剤で製造されていること以外は、第一及び第二のに類似すると思われる、商業 的重合体である。最初のパス保持、最初のパス灰保持、及び地合いの値は、下記 のとおりである。 これらの結果は、本発明による二つの方法は、高度に架橋結合させたミクロ微 粒子を用いる方法より、はるかに優れた保持特性を与えることを示している。結 果は、地合いの値はそれ程優れていないが、少量の連鎖移動剤を用いて製造した 重合体は、連鎖移動剤の不在下で製造した対応する重合体より優れた地合いを与 えることも示している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(GH,GM,KE,LS,M W,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY ,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM),AL,AM ,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY, CA,CH,CN,CU,CZ,DE,DK,EE,E S,FI,GB,GE,GH,GM,GW,HU,ID ,IL,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ, LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MD,M G,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT ,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL, TJ,TM,TR,TT,UA,UG,US,UZ,V N,YU,ZW (72)発明者 チェン,ゴードン アメリカ合衆国 バージニア 23321 チ ェサピーク ローレン アシュリー ドラ イブ 1533 (72)発明者 ストックウェル,ジョン オリバー イギリス国 ウェスト ヨークシャー ダ ブリュエフ15 8イージー リバーセッジ ハイタウン コッツウォルド ドライブ 2

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.水溶性の、陽イオン性の第一重合体性保持助剤でセルロース懸濁液を凝集さ せて、セルロースフロックを形成する段階と、該フロックを機械的に粉砕する段 階と、水溶性の陰イオン性エチレン性不飽和単量体の投入分を重合条件下で重合 させることによって製造した、陰イオン性の第二水溶性重合体性保持助剤を加え ることによって、懸濁液を再凝集させる段階と、再凝集した懸濁液を排水するこ とによって、シートを形成する段階と、該シートを乾燥する段階とを含む製紙方 法であって、該水溶性の陰イオン性重合体性保持助剤が、 (a)単量体投入分に側鎖形成剤を含ませることによって製造した分枝鎖水溶 性重合体であり、 (b)3dl/gを超える固有粘度を有し、 (c)0.005Hzで1.5%溶液について、少なくとも0.5のtanδレオ ロジー的振動値を有するか、又は同じ重合条件下で、側鎖形成剤の不在下で同じ 単量体投入分から製造した重合体の加塩SLV粘度数の少なくとも3倍である脱 イオンSLV粘度数を有する ことを特徴とする方法。 2.分枝鎖重合体が、0.7を上回るtanδを有する請求項1記載の方法。 3.分枝鎖重合体が、6dl/gを上回る固有粘度を有する請求項1〜2のいずれか に記載の方法。 4.分枝鎖重合体が、2.2mPa・秒以上の食塩水ブルックフィールド粘度を有 する請求項1〜3のいずれかに記載の方法。 5.側鎖形成剤が、ポリエチレン性不飽和単量体であり、該側鎖形成剤の量が、 約1〜10モルppmである請求項1〜4のいずれかに記載の方法。 6.側鎖形成剤が、ポリエチレン性不飽和単量体であり、該側鎖形成剤の量が、 約1〜3.5モルppmである請求項1〜5のいずれかに記載の方法。 7.分枝鎖重合体が、逆相乳化重合によって製造されており、セルロース懸濁液 に加える前に該重合体を水に溶解して、希薄組成物を形成する請求項1〜6のい ずれかに記載の方法。 8.分枝鎖重合体が、連鎖移動剤の存在下で製造されている請求項1〜7のいず れかに記載の方法。 9.分枝鎖重合体を加えるセルロース懸濁液が、溶解したアルミニウム化合物、 もしくは3未満の固有粘度の陽イオン性重合体性凝集剤、又はその双方を含有す る請求項1〜8のいずれかに記載の方法。 10.陽イオン性重合体性保持助剤が、4dl/gを上回る固有粘度を有する陽イオ ン性合成水溶性重合体及び陽イオン性澱粉から選ばれる請求項1〜9のいずれか に記載の方法。 11.セルロース懸濁液を与える段階と、3dl/g未満の固有粘度を有する陽イオ ン性凝集性重合体及びアルミニウム化合物から選ばれる凝集剤を該懸濁液に混入 する段階と、次いで、6dl/gを上回る固有粘度を有する水溶性の、合成による、 陽イオン性の第一重合体性保持助剤を該懸濁液に混入することによって、該懸濁 液を凝集させてフロックを形成する段階と、次いで、該フロックを機械的に粉砕 する段階と、次いで、4dl/gを上回る固有粘度、及び0.5を上回る0.005 Hzでのtanδレオロジー的振動値を有し、1〜10ppmの側鎖形成剤を含有する陰 イオン性単量体の投入分の逆相乳化重合によって製造した、水溶性の、側鎖を有 する、陰イオン性の第二重合体性保持助剤の溶液を該懸濁液に混入することによ って、該懸濁液を再凝集させる段階と、再凝集した懸濁液を排水して、シートを 形成する段階と、該シートを乾燥する段階とを含む請求項1記載の製紙方法。 12.水溶性の、エチレン性不飽和の陰イオン性単量体投入分、及び側鎖形成剤 の逆相乳化重合によって製造した水溶性の陰イオン性重合体であって、該重合体 が、 (a)約3dl/gを超える固有粘度を有し、 (b)0.5を超える0.005Hzでのtanδレオロジー的振動値を有するか 、側鎖形成剤の不在下で製造した、対応重合体の加塩SLV粘度数の少なくとも 3倍である脱イオンSLV粘度数を有する 陰イオン性重合体。
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