JPWO2017110868A1 - ポリアクリルアミド系製紙用添加剤及びその製造方法、並びに紙の製造方法 - Google Patents

ポリアクリルアミド系製紙用添加剤及びその製造方法、並びに紙の製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、紙力増強効果が優れ、濾水性が良好なアルデヒド官能化ポリアクリルアミドを含むポリアクリルアミド系製紙用添加剤、及び、該ポリアクリルアミド系製紙用添加剤を用いた紙の製造方法に関するものであって、(メタ)アクリルアミド、カチオン性ビニルモノマー、アニオン性ビニルモノマー、および(メタ)アリル基を有するモノマーをポリマー構成単位として有する両性ポリアクリルアミド共重合体(a)のジアルデヒド化合物付加物である、諸条件を満足することを特徴とする、アルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)を含むポリアクリルアミド系製紙用添加剤である。

Description

本発明は、紙力増強効果が優れ、濾水性が良好なアルデヒド官能化ポリアクリルアミドを含むポリアクリルアミド系製紙用添加剤及びその製造方法に関する。また、該ポリアクリルアミド系製紙用添加剤を用いた紙の製造方法に関する。
抄紙機の高速化に伴う紙の生産性の向上、あるいは紙質の品質向上を図る為に、製紙工程では種々のアルデヒド官能化ポリアクリルアミド系製紙用添加剤が用いられている。アルデヒド官能化ポリアクリルアミドは一般的に、ジアルデヒド化合物であるグリオキサールとポリアクリルアミドを反応させる工程により製造される。アルデヒド官能化ポリアクリルアミドは、ポリマー構造中に高い水素結合能を有するアミド基を含有していることに加え、セルロースとの反応性を有するアルデヒド基を含有する。このため、セルロースの水酸基と共有結合を形成することができるので、優れた紙力増強効果および濾水性が期待できる。
アルデヒド官能化ポリアクリルアミド系製紙用添加剤は、例えば、ポリアミンや(ノニオン性、カチオン性、アニオン性、または両性)ポリアミド等のアミノ基又はアミド基に対して、アルデヒド官能基が15モル%以上導入された重量平均分子量100,000g/モル以上のポリマーをパルプスラリーに添加することで、抄紙機の濾水性を高める方法が提案されている(特許文献1参照) 。また、ビニルアミドポリマーに対してセルロース反応性剤を反応させることにより、セルロース反応性官能化ポリビニルアミド付加物を製造するための方法が提案されている(特許文献2参照)。さらに、ジビニルモノマーを使用した両性あるいはアニオン性ポリアクリルアミドをグリオキサールと反応させた、紙力増強効果に優れたジアルデヒド変性ポリアクリルアミドが提案されている(特許文献3参照) 。
しかしながら、これらは、紙力増強効果及び濾水性において十分に満足できるものではなかった。
特表2007−518896号公報 特表2010−502800号公報 WO2000/011046号公報
本発明は、紙力増強効果が優れ、濾水性が良好なアルデヒド官能化ポリアクリルアミドを含むポリアクリルアミド系製紙用添加剤及びその製造方法並びにその製紙用添加剤を用いた紙の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、アルデヒド官能化ポリアクリルアミドを含むポリアクリルアミド系製紙用添加剤のパルプへの定着性を向上させることが、前記課題の解決に繋がると考え、鋭意検討した。具体的には、アルデヒド官能化ポリアクリルアミドの、(1)アルデヒド化合物が付加している割合や、(2)数平均分子量、及び(3)イオン特性に関わる等電点について検討した。その結果、前記(1)〜(3)が一定の範囲内にあるアルデヒド官能化ポリアクリルアミドが、パルプへの定着効率に不利な、硫酸バンド無添加条件や電気伝導度の高い条件においても、従来のアルデヒド官能化ポリアクリルアミドよりも紙力増強効果が優れ、濾水性が良好なことを見出し、本発明を完成した。また、本発明のアルデヒド官能化ポリアクリルアミドを含むポリアクリルアミド系製紙用添加剤を使用することで、パルプシート乾燥前の湿紙水分率が低くなり、搾水性向上効果があることも見出した。
すなわち、前記課題を解決するための手段である本発明は、
<1>(メタ)アクリルアミド、カチオン性ビニルモノマー、アニオン性ビニルモノマー、および(メタ)アリル基を有するモノマーをポリマー構成単位として有する両性ポリアクリルアミド共重合体(a)のジアルデヒド化合物付加物であり、下記(1)〜(3)全てを満足することを特徴とするアルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)を含む、ポリアクリルアミド系製紙用添加剤、
(1)アルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)中の、アミド基及びジアルデヒド化合物が付加しているアミド基に対して、ジアルデヒド化合物が付加しているアミド基の割合であるアミド反応率が3〜20モル%
(2)アルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)の数平均分子量が50万〜400万
(3)アルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)がpH3.5〜8.5の間でイオン化度が0meq/gになる等電点が存在する
<2>アルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)の分子量分布が2.0〜8.0であることを特徴とする、前記<1>に記載のポリアクリルアミド系製紙用添加剤、
<3>ポリマー構成単位の割合が、(メタ)アクリルアミド :74.0〜99.7mol%、カチオン性ビニルモノマー :0.1〜12.0mol%、アニオン性ビニルモノマー :0.1〜10.0mol%、(メタ)アリル基を有するモノマー :0.1〜4.0mol%であることを特徴とする、前記<1>又は<2>に記載のポリアクリルアミド系製紙用添加剤、
<4>ポリマー構成単位のカチオン性ビニルモノマーが、3級アミノ基を有することを特徴とする、前記<1>〜<3>いずれか一項に記載のポリアクリルアミド系製紙用添加剤、
<5>(メタ)アクリルアミド、カチオン性ビニルモノマー、アニオン性ビニルモノマー、及び(メタ)アリル基を有するモノマーを重合することによって得られる両性ポリアクリルアミド共重合体(a)に下記(1)〜(5)の条件となるようにジアルデヒド化合物(b)を反応させることを特徴とする、アルデヒド官能化したポリアクリルアミド(A’)を含むポリアクリルアミド系製紙用添加剤の製造方法、
(1)両性ポリアクリルアミド共重合体(a)のアミド基に対してジアルデヒド化合物(b)がモル比率で10〜60%であること、
(2)pHが7.5〜12.5であること、
(3)温度が1〜60℃であること、
(4)両性ポリアクリルアミド共重合体(a)の反応前の濃度が0.5〜11.0質量%であること、
(5)時間が20秒〜4時間であること
<6>前記<5>に記載のアルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A’)が、前記<1>〜<4>のいずれか一項に記載のアルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)であること特徴とする、ポリアクリルアミド系製紙用添加剤の製造方法、
<7>ジアルデヒド化合物(b)が、グリオキサールであることを特徴とする、前記<5>に記載のポリアクリルアミド系製紙用添加剤の製造方法、
<8>パルプスラリーに、前記<1>〜<4>いずれか一項に記載のポリアクリルアミド系製紙用添加剤をパルプ固形分に対して0.01〜3質量%添加することを特徴とする、紙の製造方法。
本発明によれば、紙力増強効果が優れ、濾水性が良好なアルデヒド官能化ポリアクリルアミドを含むポリアクリルアミド系製紙用添加剤とその製造方法、およびその製紙用添加剤を用いた紙の製造方法を提供することができる。
本発明のアルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)を含むポリアクリルアミド系製紙用添加剤は、(メタ)アクリルアミド、カチオン性ビニルモノマー、アニオン性ビニルモノマー、および(メタ)アリル基を有するモノマーをポリマー構成単位として有する両性ポリアクリルアミド共重合体(a)のジアルデヒド化合物付加物である。
本発明のアルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A’)を含むポリアクリルアミド系製紙用添加剤の製造方法は、(メタ)アクリルアミド、カチオン性ビニルモノマー、アニオン性ビニルモノマー、及び(メタ)アリル基を有するモノマーを重合することによって得られる両性ポリアクリルアミド共重合体(a)に下記(1)〜(5)の条件となるようにジアルデヒド化合物(b)を反応させることを特徴とするものである。
(1)両性ポリアクリルアミド共重合体(a)のアミド基に対してジアルデヒド化合物(b)がモル比率で10〜60%であること、
(2)pHが7.5〜12.5であること、
(3)温度が1〜60℃であること、
(4)両性ポリアクリルアミド共重合体(a)の反応前の濃度が0.5〜11.0質量%であること、
(5)時間が20秒〜4時間であること
本発明における(メタ)アクリルアミドは、アクリルアミド又はメタクリルアミドである。
本発明におけるカチオン性ビニルモノマーとしては、1級アミノ基、2級アミノ基、3級アミノ基、又は4級アンモニウム塩類を有するビニルモノマーを挙げることができる。これらのカチオン性ビニルモノマーは1種単独で用いられていても良いし、2種以上を併用されていても良い。両性ポリアクリルアミド共重合体(a)を構成するカチオン性ビニルモノマーに、3級アミノ基を有するビニルモノマーを用いると、製紙用添加剤としたときにパルプへの定着効果が高まりやすいため好ましい。
3級アミノ基を有するビニルモノマーとしては、例えばジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート、ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリレート、及びジエチルアミノプロピル(メタ)アクリレート等のジアルキルアミノアルキル(メタ)アクリレート類;ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド、及びジエチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド等のジアルキルアミノアルキル(メタ)アクリルアミド類;前記3級アミノ基を有するビニルモノマーの塩酸塩、及び硫酸塩等の無機酸塩類、並びに前記3級アミノ基を有するビニルモノマーのギ酸塩、及び酢酸塩等の有機酸塩類が挙げられる。これらの中でも、ジアルキルアミノアルキル(メタ)アクリレート類が好ましい。
また、4級アンモニウム塩類を有するビニルモノマーとしては、前記3級アミノ基を有するビニルモノマーと4級化剤との反応によって得られるビニルモノマー、およびジアリルジメチルアンモニウムクロライド等の4級アンモニウム塩類を有するビニルモノマーが挙げられる。前記4級化剤としては、メチルクロライド、メチルブロマイド等のアルキルハライド;ベンジルクロライド、ベンジルブロマイド等のアラルキルハライド;ジメチル硫酸、ジエチル硫酸、エピクロロヒドリン、3−クロロ−2−ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムクロライド、及びグリシジルトリアルキルアンモニウムクロライド等が挙げられる。これらの3級アミノ基、又は4級アンモニウム塩類を有するビニルモノマーは1種単独で用いられていても良いし、2種以上を併用されていても良い。
本発明におけるアニオン性ビニルモノマーとしては、アクリル酸、メタクリル酸、2−(メタ)アクリルアミド−N−グリコール酸、N−アクリロイルグリシン等の不飽和モノカルボン酸;マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、シトラコン酸等の不飽和ジカルボン酸;アコニット酸、3−ブテン−1,2,3−トリカルボン酸等の不飽和トリカルボン酸;1−ペンテン−1,1,4,4−テトラカルボン酸、4−ペンテン−1,2,3,4−テトラカルボン酸、3−ヘキセン−1,1,6,6−テトラカルボン酸等の不飽和テトラカルボン酸;ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸等の不飽和スルホン酸;ビニルホスホン酸、α−フェニルビニルホスホン酸等の不飽和ホスホン酸;前記のアニオン性ビニルモノマーのナトリウム、カリウム塩等のアルカリ金属塩類またはアンモニウム塩等が挙げられる。これらのアニオン性ビニルモノマーは1種単独で用いられていても良いし、2種以上を併用されていても良い。
上記のアニオン性ビニルモノマーの中でも、紙力増強向上効果の点で不飽和モノカルボン酸、不飽和ジカルボン酸が適しており、具体的には、アクリル酸、2−アクリルアミド−N−グリコール酸、イタコン酸及びその塩類が特に好ましい。
本発明における(メタ)アリル基を有するモノマーとしては、(メタ)アリル基を有しているモノマーであればよく、(メタ)アリル基以外にアニオン性基やカチオン性基などの他の官能基を有していたとしても(メタ)アリル基を有しているモノマーとして分類する。具体例としては、(メタ)アリルスルホン酸またはその塩、(メタ)アリルアルコール、(メタ)アリルアミン、(メタ)アリルアンモニウム塩等が挙げられる。中でも、(メタ)アリルスルホン酸またはその塩、ジメチルヒドロキシエチルメタリルアンモニウムクロライドが好ましい。
本発明の両性ポリアクリルアミド共重合体(a)におけるモノマーとして、本発明の効果を阻害しない範囲において、その他のモノマーが用いられていても構わない。ここで本発明の効果を阻害しない範囲とは、両性ポリアクリルアミド共重合体(a)における(メタ)アクリルアミド、カチオン性ビニルモノマー、アニオン性ビニルモノマー、(メタ)アリル基を有するモノマーの合計100mol%に対して、更にその他モノマー0〜3.0mol%が好ましい。
その他のモノマー成分としては、例えば、ノニオン性ビニルモノマー、架橋剤、連鎖移動剤を挙げることができる。ノニオン性ビニルモノマーとしては、例えば、(メタ)アクリル酸エステル、(メタ)アクリロニトリル、スチレン、スチレン誘導体、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、及びメチルビニルエーテル等を挙げることができる。これらは1種単独で用いられていても良いし、2種以上を併用されていても良い。
架橋剤としては、例えば、N−メチル(メタ)アクリルアミド、N−エチル(メタ)アクリルアミド、N,N−ジメチル(メタ)アクリルアミド、N,N−ジエチル(メタ)アクリルアミド、N−イソプロピル(メタ)アクリルアミド等のN置換(メタ)アクリルアミド;エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、等のジ(メタ)アクリレート類;N,N’−メチレンビス(メタ)アクリルアミド、エチレンビス(メタ)アクリルアミド、ヘキサメチレンビス(メタ)アクリルアミド等のビス(メタ)アクリルアミド類;トリアクリルホルマール、トリアリルイソシアヌレート、N,N−ジアリルアクリルアミド、N,N−ジアリルメタクリルアミド、トリアリルアミン、テトラメチロールメタンテトラアクリレート等の3〜4官能性ビニルモノマーのような多官能性モノマー等を挙げることができる。また、水溶性アジリジニル化合物、水溶性多官能エポキシ化合物、シリコン系化合物等も挙げることができる。これらは1種単独で用いられていても良いし、2種以上を併用されていても良い。これらの中でもN 置換(メタ)アクリルアミドが好ましい。
連鎖移動剤としては、アルキルメルカプタン類、2,4−ジフェニル−4−メチル−1−ペンテン等公知の連鎖移動剤が挙げられる。これらは1種単独で用いられていても良いし、2種以上を併用されていても良い。
両性ポリアクリルアミド共重合体(a)におけるモノマーの割合は、イオンバランスや、後のアミド基に対するジアルデヒド化合物の反応を考慮すると、好ましくは(メタ)アクリルアミド74.0〜99.7mol%、カチオン性ビニルモノマー0.1〜12.0mol%、アニオン性ビニルモノマー0.1〜10.0mol%、(メタ)アリル基を有するモノマー0.1〜4.0mol%の範囲であり、より好ましくは(メタ)アクリルアミド83.0〜99.7mol%、3級アミノ基を有するカチオン性ビニルモノマー0.1〜8.0mol%、アニオン性ビニルモノマー0.1〜7.0mol%および(メタ)アリル基を有するモノマー0.1〜2.0mol%の範囲である。
両性ポリアクリルアミド共重合体(a)は、特にその製造方法に関して限定されず、公知の重合方法により得ることができる。本発明の製紙用添加剤としてパルプへの定着性が向上するため、モノマー成分を分割あるいは滴下により重合することが好ましい。
両性ポリアクリルアミド共重合体(a)の数平均分子量、分子量分布に関しては特に制限はないが、ジアルデヒド化合物と反応させる際に分子量が上昇し、適切な数平均分子量、分子量分布の範囲を超えるため、数平均分子量5万〜300万、分子量分布2.0〜7.0が好ましい。
本発明のアルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)は、その製造方法に関して限定されるものではない。例えば、両性ポリアクリルアミド共重合体(a)に下記(1)〜(5)の条件となるようにジアルデヒド化合物(b)を反応させることで得られるアルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A’)とすることができる。
(1)両性ポリアクリルアミド共重合体(a)のアミド基に対してジアルデヒド化合物(b)がモル比率で10〜60%であること、
(2)pHが7.5〜12.5であること、
(3)温度が1〜60℃であること、
(4)両性ポリアクリルアミド共重合体(a)の反応前の濃度が0.5〜11.0質量%であること、
(5)時間が20秒〜4時間であること
両性ポリアクリルアミド共重合体(a)と反応させるジアルデヒド化合物(b)は、グリオキサール、グルタルアルデヒド、2,5−ジホルミルフラン、2−ヒドロキシアジパルデヒド、スクシンアルデヒド、及びその組み合わせからなる群から選択される。反応性や濾水効果の観点から、グリオキサールが最も好ましい。
両性ポリアクリルアミド共重合体(a)と反応させるジアルデヒド化合物(b)の使用量は、本発明の製造方法においては、反応効率と効果の観点から、両性ポリアクリルアミド共重合体(a)のアミド基に対してモル比率で10〜60%混合して反応させることが好ましい(製造条件1)。このような反応を行うことで、アルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)中の、アミド基及びアルデヒド化合物が付加しているアミド基に対して、ジアルデヒド化合物が付加しているアミド基の割合であるアミド反応率が3〜20モル%となりやすくなる。
両性ポリアクリルアミド共重合体(a)とジアルデヒド化合物(b)を反応させる工程は、必要により塩基を添加して、反応溶液のpHを7.5〜12.5に調整すると、両性ポリアクリルアミド共重合体(a)とジアルデヒド化合物(b)との反応が促進されるため好ましい(製造条件2)。
両性ポリアクリルアミド共重合体(a)とジアルデヒド化合物(b)を反応させる際の温度が1〜60℃の範囲内であると、両性ポリアクリルアミド共重合体(a)とジアルデヒド化合物(b)の反応が促進されるため好ましい。(製造条件3)。
両性ポリアクリルアミド共重合体(a)の反応前の濃度が、0.5〜11.0質量%の範囲内であると、反応溶液の増粘を抑制しつつ、所定の分子量、固有粘度、アルデヒド官能化アミド量に調整しやすいため好ましい。(製造条件4)。
両性ポリアクリルアミド共重合体(a)とジアルデヒド化合物(b)の反応時間は、20秒〜4時間の範囲内であることが、ポリアクリルアミドとジアルデヒド化合物の反応が促進されるため好ましい。(製造条件5)。
本発明のアルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)を含むポリアクリルアミド系製紙用添加剤は、下記(1)〜(3)全てを満足する。
(1)アルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)中の、ジアルデヒド付加前の(メタ)アクリルアミド構成単位のアミド基に対して、ジアルデヒド化合物が付加しているアミド基の割合であるアミド反応率が3〜20モル%
(2)アルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)の数平均分子量が50万〜400万
(3)pH3.5〜8.5の間でイオン化度が0meq/gになる等電点が存在する
アルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)中の、アミド基及びアルデヒド化合物が付加しているアミド基に対して、ジアルデヒド化合物が付加しているアミド基の割合であるアミド反応率は3〜20モル%である必要があり(ポリアクリルアミド(A)条件1)、より好ましくは3〜15モル%である。本発明でいうアミド反応率は、13C−NMR測定により、179〜181ppm(アルデヒド官能化アミドのピーク)と182ppm〜185ppm(アミド基のピーク)の積分比率から算出したものである。アミド反応率が3%未満の場合はポリマー中のアルデヒド基量が不十分であり、20%より高い場合は反応の過度な進行により、ポリマー同士がジアルデヒド化合物により架橋反応を起こし、やはりポリマー中のアルデヒド基量が不十分である。このため、アルデヒド基によるセルロース間の共有結合を形成できず、紙力向上効果あるいは濾水性に不利である。
アルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)の数平均分子量は、50万〜400万である必要があり(ポリアクリルアミド(A)条件2)、より好ましくは50万〜300万である。数平均分子量が50万未満であると、パルプへの定着に対する寄与が小さい低分子量のポリマー成分の含まれる割合が多くなるので定着効果に劣る。また400万を超えると、パルプを凝集させ紙の地合いの悪化を引き起こし、ひいては紙力増強効果に不利となる。
本発明における数平均分子量は、GPC に多角度光散乱検出器を接続したGPC−MALS法により得られるものをいう。
アルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)はpH3.5〜8.5の間でイオン化度が0meq/gになる等電点を示す必要がある(ポリアクリルアミド(A)条件3)。等電点がpH3.5〜8.5の間にあると、抄紙系においてポリマー同士がカチオンとアニオンのイオン相互作用によりコンプレックスを形成し、パルプへの定着効果が高まるため、紙力増強効果あるいは濾水性に有利である。本発明でいう等電点とは、PCD電位計により測定するものであるが、同様の原理の測定ができるのであれば前記装置に限定はしない。
アルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)の分子量分布は、好ましくは2.0〜8.0、より好ましくは2.0〜7.0である。分子量分布は数平均分子量(Mn)に対する重量平均分子量(Mw)の比(Mw/Mn)であり、8.0を超える場合は過度なパルプの凝集を引き起こしやすい。適切な分子量分布を有するアルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)は、過度なパルプの凝集による紙の地合いの悪化を引き起こしにくく、紙力増強効果に有利である。分子量分布を求めるために必要となる本発明における重量平均分子量は、GPC に多角度光散乱検出器を接続したGPC−MALLS法により得られるものをいう。
本発明のポリアクリルアミド系製紙用添加剤は、アルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)が主要成分であり、全固形分当りに占める割合が60質量%以上であることが好ましく、更に好ましくは80質量%であることが好ましい。
また、本発明のポリアクリルアミド系製紙用添加剤は、未反応のジアルデヒド化合物を含んでいてもよい。その場合、酸を添加して、pH2.5〜4.5に調整してジアルデヒド化合物との反応を停止して製紙用添加剤とすることが好ましいが、反応後直ちに用いる場合には、pHを下げずにそのまま反応溶液をパルプスラリーに添加することもできる。pH調整に用いられる塩基としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア等、酸としては、硫酸、塩酸、酢酸等が挙げられる。また、防腐剤、消泡剤等を含有していてもよい。
好ましくは、本発明のポリアクリルアミド系製紙用添加剤をパルプスラリーに添加(以下、「内添」と略することがある)して用いることが好ましい。
パルプスラリーはパルプを水で希釈してスラリー状にしたものである。パルプとしては、クラフトパルプ及びサルファイトパルプ等の晒、又は未晒化学パルプ;砕木パルプ、機械パルプ、サーモメカニカルパルプ等の晒、又は未晒高収率パルプ;新聞古紙、雑誌古紙、段ボール古紙及び脱墨古紙等の古紙パルプが挙げられる。
本発明のポリアクリルアミド系製紙用添加剤は、パルプ固形分当たり通常0.01〜3.0質量%、好ましくは0.05〜2.5質量% 、さらに好ましくは0.1〜2.0質量%を添加して使用する。硫酸バンドやポリ塩化アニミニウム(PAC)などのアルミニウム化合物を添加する場合には、パルプ固形分当たり0.1〜1.0質量%を添加することが好ましい。また、ポリアクリルアミド系製紙用添加剤をパルプスラリーに添加する方法としては、アルミニウム化合物を全く用いずにポリアクリルアミド系製紙用添加剤を添加する方法、アルミニウム化合物を添加した後にポリアクリルアミド系製紙用添加剤を添加する方法、ポリアクリルアミド系製紙用添加剤を添加した後にアルミニウム化合物を添加する方法、アルミニウム化合物とポリアクリルアミド系製紙用添加剤を同時に添加する方法などが挙げられ、いずれの方法を用いてもよい。
本発明の紙の製造にあたっては、硫酸アルミニウムを用いる酸性系、または、硫酸アルミニウムを全く用いないかあるいは少量用いる中性系、のいずれのパルプスラリーを用いても良い。また、パルプスラリーに対して、酸性ロジン系サイズ剤、中性ロジン系サイズ剤、アルキルケテンダイマー系サイズ剤、アルケニルもしくはアルキルコハク酸無水物系サイズ剤などを添加しても良い。これらサイズ剤の添加方法としては、パルプスラリーにサイズ剤を添加した後に、ポリアクリルアミド系製紙用添加剤を添加する方法、ポリアクリルアミド系製紙用添加剤を添加した後に、サイズ剤を添加する方法、サイズ剤にポリアクリルアミド系製紙用添加剤を希釈して予め混合した後に、添加する方法などが挙げられる。また、他に、パルプスラリーにクレー、カオリン、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、酸化チタン等の填料;前記サイズ剤以外のサイズ剤、サイズ定着剤、本発明以外の内添紙力剤(乾燥紙力増強剤、湿潤紙力増強剤)、消泡剤、pH調整剤、染料、蛍光増白剤、歩留り向上剤等を適宜含有させてもよい。また、製造される紙は、通常、坪量が10〜400g/m程度である。
更にサイズプレス、ゲートロールコーター、ビルブレードコーター、キャレンダー等で、澱粉、ポリビニルアルコール、アクリルアミド系ポリマー等の表面紙力増強剤、表面サイズ剤、染料、コーティングカラー、防滑剤等を必要に応じて塗布しても良い。
上記のように本発明のポリアクリルアミド系製紙用添加剤をパルプスラリーに添加し、必要に応じて他の添加剤などを加えたパルプスラリーの抄紙pHは3.5〜8.5であることが紙力増強効果の点から好ましく、6.5〜8.5であることが更に好ましい。なお、本発明における抄紙pHとは、抄紙機にて脱水する直前のパルプスラリーのpHであり、抄紙機にて脱水する直前のパルプスラリーのpHは、一般的に実機ではインレットにおけるpHに相当する。
本発明のポリアクリルアミド系製紙用添加剤を用いて製造される紙としては、PPC用紙・感光紙原紙・感熱紙原紙のような情報用紙、アート紙、キャストコート紙、上質コート紙等のコート原紙、ティシュペーパー、タオルペーパー、ナプキン原紙のような衛生用紙、果樹袋原紙、クリーニングタグ原紙、化粧板原紙・壁紙原紙、印画紙用紙、積層板原紙、食品容器原紙のような加工原紙、重袋用両更クラフト紙・片艶クラフト紙などの包装用紙、電気絶縁紙、ライナー、中芯、紙管原紙、石膏ボード原紙、新聞用紙、紙器用板紙等を挙げることができ、いずれの抄紙工程においても、抄造された紙に有用な紙力増強効果を与えることができる。この中でも特に紙力が必要とされる紙や硫酸バンドの使用が制限される紙(情報用紙、コート原紙、紙器用板紙)に用いることが好ましい。なお、本発明でいう紙には板紙も含まれる。
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら各例に限定されるものではない。尚、各例中、部及び%は特記しない限りすべて質量基準である。各例の物性値は、以下の方法により測定した値である。
数平均分子量、重量平均分子量、分子量分布は、以下の測定条件でGPCに多角度光散乱検出器を接続したGPC−MALLS法により得た。
HPLC:Agilent1100シリーズ
カラム:昭和電工(株)製SHODEX SB806MHQ
溶離液:硝酸ナトリウムを含むリン酸緩衝液(pH3)
流速:1.0ml/分
検出器1:ワイアットテクノロジー社製 多角度光散乱検出器DAWN
検出器2:昭和電工(株)製 示唆屈折率検出器RI−101
(両性ポリアクリルアミド共重合体(a)の製造)
製造例1
撹拌機、温度計、還流冷却管、及び窒素ガス導入管を付した1リットル四つ口フラスコに、水260.00g、モノマー類(1)として、50%アクリルアミド水溶液126.81g、ジメチルアクリルアミド0.10g、30%硫酸水溶液15.60g、ジメチルアミノエチルメタクリレート15.72g、メタリルスルホン酸ナトリウム1.27gを仕込んだ。次いで、窒素ガス雰囲気下、60℃に昇温し、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.24gを加え、重合を開始させ反応温度を90℃まで昇温させた。その後、水180.00g、モノマー類(2)として、50%アクリルアミド水溶液132.49g、ジメチルアクリルアミド0.10g、アクリル酸5.40g、メタリルスルホン酸ナトリウム1.27gを加え、更に過硫酸アンモニウム0.48g を加え、25℃における推定粘度が3000mPa・sになった時点で、水290.00を投入し、固形分15.0%の両性ポリアクリルアミド共重合体(a−1)を得た。両性ポリアクリルアミド共重合体(a−1)を構成するモノマー単位の割合(mol%)と、数平均分子量、重量平均分子量、および分子量分布を測定した結果を表1に示す。
製造例2〜14、比較用製造例1〜6
モノマー類(1)、モノマー類(2)の組成を表1に示すように変えたこと以外は、製造例1と同様に行い、固形分15.0%の両性ポリアクリルアミド共重合体(a−2)〜(a−14)、(ra−1)〜(ra−6)を得た。両性ポリアクリルアミド共重合体(a−2)〜(a−14)、(ra−1)〜(ra−6)を構成するモノマー単位の割合(mol%)と、数平均分子量、重量平均分子量、分子量分布を測定した結果を表1に示す。
Figure 2017110868
表1中の略号は以下の通りである。
AAm:アクリルアミド
DM :ジメチルアミノエチルメタクリレート
DMC:2‐(メタクリロイルオキシ)‐N, N, N‐トリメチルエタンアンモニウム・クロライド
DPA:N‐(2‐ジメチルアミノエチル)アクリルアミド
DADMAC:ジアリルジメチルアンモニウムクロライド
IA:イタコン酸
AGA:2‐アクリルアミド-N -グリコール酸
AAc:アクリル酸
SMAS:メタリルスルホン酸ナトリウム
HEMAC:ジメチルヒドロキシエチルメタリルアンモニウムクロライド
MET:メルカプトエタノール
MBAAm:メチレンビスアクリルアミド
DMAAm:ジメチルアクリルアミド
Mn:数平均分子量
Mw:重量平均分子量
Mw/Mn:分子量分布
(両性ポリアクリルアミド共重合体(a)とジアルデヒド化合物(b)との反応)
実施例1
200mLビーカーに製造例1において調製した両性ポリアクリルアミド共重合体(a−1)の15%水溶液12.69g、163.00gのイオン交換水、およびジアルデヒド化合物(b)としてグリオキサールの40%水溶液1.16g(共重合体(a)のアミド基に対して35mol%)を添加し、180rpmで攪拌しつつ35℃に昇温した。この際のpHは3.8であった。次いで、5.0%水酸化ナトリウム水溶液2.66gを添加してpH10.0に調整することで反応を開始させた。30分攪拌させた後、30%硫酸水溶液0.67gを加えてpH を3.0に調整し、反応を停止させた。両性ポリアクリルアミド共重合体(a)とジアルデヒド化合物(b)との反応条件を表2に示す。また、得られたポリアクリルアミド系製紙用添加剤(A−1)について、数平均分子量、重量平均分子量、分子量分布、アミド反応率を測定した結果を表3に示す。なお、アミド反応率はVARIAN製INOVA(400MHz)にて13C−NMR測定を行うことにより得た。
ポリアクリルアミド系製紙用添加剤(A−1)のイオン化度は、PCD電位計PCD02(MUTEC社製)を用い、ポリマーの濃度を0.1重量%に調整し、酸塩基成分によりpHを調整した水溶液を測定した。その結果、0meq/gになる等電点はpH4.4であり、pH3.5〜8.5の範囲で等電点が存在することを確認した。結果を表3に示す。
実施例2〜16 、比較例1〜10
両性ポリアクリルアミド共重合体(a)の種類、反応時の温度、pH、濃度、時間、グリオキサール量(mol%対共重合体(a)のアミド基)を表2に示すように変えたこと以外は、実施例1と同様に行い、アルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A−2)〜(A−16)、(RA−1)〜(RA−10)を含むポリアクリルアミド系製紙用添加剤を得た。得られたアルデヒド官能化ポリアクリルアミドについて、実施例1と同様に数平均分子量、分子量分布、アミド反応率、等電点を測定した結果を表3に示す。
Figure 2017110868
Figure 2017110868
<低電気伝導度古紙パルプスラリーで硫酸バンドを用いた板紙の作製及び評価>
応用実施例1
濃度2.4%、叩解度(カナディアンスタンダード・フリーネス)350、電気伝導度200mS/mの段ボール古紙パルプスラリーに、パルプ固形分に対し、硫酸バンドを0.5質量%添加した。次いで、実施例1で得られたポリアクリルアミド系製紙用添加剤を固形分換算でパルプ固形分に対し、0.3質量%添加した。このパルプスラリーを撹拌後、pH7.0の水でパルプ濃度を0.8%に希釈した後、ノーブル・アンド・ウッド(The Noble&Wood)製シートマシンにて抄紙し、プレス後、ドラムドライヤーで100℃、120秒間乾燥させて、坪量80g/mの紙を得た。得られた紙は、以下に記載する、比破裂強さ、及びインターナルボンドにて評価を行った。結果を表4に示す。また、パルプ濃度を0.8%にするまでは上記と同様にしてパルプスラリーを調整した上で濾水性の評価(DDT)を行った。結果を表4に示す。
比破裂強さ:JIS P8112に準拠して行った。
インターナルボンド:JAPAN TAPPI 18−2に準拠して行った。
DDT:Tappi、第56巻、第10号(1973年)の第46頁に記載されている「ダイナミック ドレネージ ジャー(Dynamic Drainage Jar)」用と同様な装置を用いて、希釈後のパルプスラリー(濃度0.8%)500mLを直径7.5cmのジャーに注ぎ、600rpmで撹拌しつつ下部コックを開き、100メッシュの金網にて濾過させ、一定の濾液量になるまでの時間を測定するものであり、濾水性の評価に用いることができる。濾液量が100gに達するまでの時間を測定した。数値が小さいほど、濾水性が良いことを示している。
応用実施例2〜32、応用比較例1〜24
応用実施例1 において、表4のようにポリアクリルアミド系製紙用添加剤の種類、および質量%を変えた以外は、応用実施例1と同様な操作を行い、坪量80g/mの紙を得た。得られた紙は、応用実施例1と同様に評価を行った。結果を表4に示す。また、応用実施例1と同様にして濾水性の評価(DDT)を行った。結果を表4に示す。
Figure 2017110868
<低電気伝導度古紙パルプスラリーで硫酸バンドを用いない板紙の作製及び評価>
応用実施例33
濃度2.4%、叩解度(カナディアンスタンダード・フリーネス)350、電気伝導度200mS/mの段ボール古紙パルプスラリーに、実施例1で得られたポリアクリルアミド系製紙用添加剤を固形分換算でパルプ固形分に対し、0.3質量% 添加した。このパルプスラリーを撹拌後、pH7.0の水でパルプ濃度を0.8%に希釈した後、ノーブル・アンド・ウッド(TheNoble&Wood)製シートマシンにて抄紙し、プレス後、ドラムドライヤーで100℃、120秒間乾燥させて、坪量80g/mの紙を得た。得られた紙は、応用実施例1と同様に評価を行った。結果を表5に示す。また、応用実施例1と同様に濾水性の評価(DDT)を行った。結果を表5に示す。
応用実施例34〜64、応用比較例25〜48
応用実施例33において、表5のようにポリアクリルアミド系製紙用添加剤の種類、および質量%を変えた以外は、応用実施例33と同様な操作を行い、坪量80g/mの紙を得た。得られた紙は、応用実施例1と同様に評価を行った。結果を表5に示す。また、応用実施例1と同様にして濾水性の評価(DDT)を行った。結果を表5に示す。
Figure 2017110868
<高電気伝導度古紙パルプスラリーで硫酸バンドを用いた板紙の作製及び評価>
応用実施例65
濃度2.4%、叩解度(カナディアンスタンダード・フリーネス)350、電気伝導度800mS/mの段ボール古紙パルプスラリーに、パルプ固形分に対し、硫酸バンドを0.5質量%添加した。次いで、実施例1で得られたポリアクリルアミド系製紙用添加剤を固形分換算でパルプ固形分に対し、0.3質量% 添加した。このパルプスラリーを撹拌後、pH7.0の水でパルプ濃度を0.8%に希釈した後、ノーブル・アンド・ウッド(TheNoble&Wood)製シートマシンにて抄紙し、プレス後、ドラムドライヤーで100℃、120秒間乾燥させて、坪量80g/mの紙を得た。得られた紙は、応用実施例1と同様に評価を行った。結果を表6に示す。また、応用実施例1と同様に濾水性の評価(DDT)を行った。結果を表6に示す。
応用実施例66〜85、応用比較例49〜60
応用実施例65において、表6のようにポリアクリルアミド系製紙用添加剤の種類を変えた以外は、応用実施例65と同様な操作を行い、坪量80g/mの紙を得た。得られた紙は、応用実施例1と同様に評価を行った。結果を表6に示す。また、応用実施例1と同様にして濾水性の評価(DDT)を行った。結果を表6に示す。
Figure 2017110868
<BKPを用いた紙の作製及び評価>
応用実施例81
濃度2.4%叩解度(カナディアンスタンダード・フリーネス)410、電気伝導度100mS/mの広葉樹晒クラフトパルプ(LBKP)/コートブローク(CB)=8/2の混合パルプスラリーに、パルプ固形分に対し、硫酸バンドをアルミナ換算で0.1質量%添加し、次いで、実施例1で得られたポリアクリルアミド系内添紙力剤を固形分換算で0.3質量%添加した。このパルプスラリーを撹拌後、pH7.5の水でパルプ濃度を0.8% に希釈し、さらに撹拌下炭酸カルシウム(タマパール121:奥多摩工業(株)製)10%を添加し、ノーブル・アンド・ウッド(TheNoble&Wood)製シートマシンにて抄紙し、プレス後、ドラムドライヤーで100℃、100秒間乾燥させて、坪量60g/mの紙を得た。得られた紙は、応用実施例1と同様の評価を行った。結果を表7に示す。また、応用実施例1と同様にして濾水性の評価(DDT)を行った。結果を表7に示す。
応用実施例82〜112、応用比較例61〜84
応用実施例81において、表7のように硫酸バンドの質量%およびポリアクリルアミド系内添紙力剤の種類を変えた以外は、応用実施例81と同様な操作を行い、坪量60g/mの紙を得た。得られた紙は、応用実施例81と同様に評価を行った。結果を表7に示す。また、応用実施例81と同様にして濾水性の評価(DDT)を行った。結果を表7に示す。
Figure 2017110868
<板紙における搾水性向上評価>
応用実施例113、応用比較例85
濃度2.4%、叩解度(カナディアンスタンダード・フリーネス)350、電気伝導度200mS/mの段ボール古紙パルプスラリーに、パルプ固形分に対し、硫酸バンドを0.5質量%添加した。次いで、実施例1で得られたポリアクリルアミド系製紙用添加剤を固形分換算でパルプ固形分に対し、0.3質量% 添加した。このパルプスラリーを撹拌後、pH7.0の水でパルプ濃度を0.8%に希釈した後、パルスシートフォーマーで真空脱水を行い(真空度30kpa、60秒)、坪量400gのシートを作成した。このシート上にスポンジ、濾紙を重ね、平面プレス機にて4.2kgf−1で1秒間プレスを行った。プレス後のシート、および110℃、2時間の条件で乾燥させたシートの重量からプレス後の湿紙水分率を計算した。結果を表8に示す。
Figure 2017110868
表4〜7より、実施例に記載された本発明のポリアクリルアミド系製紙用添加剤は、本発明の構成や条件をひとつでも満足しない比較例のポリアクリルアミド系製紙用添加剤に比べて、パルプの電気伝導度や硫酸バンドの有無に関わらず、パルプへの定着性に優れるため、紙力、濾水性が満足するレベルで優れる。
実施例1、実施例6、実施例7のポリアクリルアミド系製紙用添加剤を用いた応用例の結果から、分子量分布がより好ましいとする2.0〜8.0の範囲内にあるポリアクリルアミド系製紙用添加剤は、範囲外のポリアクリルアミド系製紙用添加剤に比べて、紙力増強効果に優れていることがわかる。
実施例1、実施例9、実施例10、実施例11、実施例12のポリアクリルアミド系製紙用添加剤を用いた応用例の結果から、両性アクリルアミド共重合体(a)を構成するモノマー単位の割合が、より好ましいとする範囲内であると、紙力増強効果がより優れることがわかる。
実施例1、実施例8、実施例15、実施例16のポリアクリルアミド系製紙用添加剤を用いた応用例の結果から、両性ポリアクリルアミド共重合体を構成するカチオン性ビニルモノマー単位がより好ましいとする3級アミンであると、紙力増強効果および濾水性がより優れることがわかる。
表8より、実施例1と比較例1のポリアクリルアミド系製紙用添加剤を用いた応用例の結果から、本発明のポリアクリルアミド系製紙用添加剤は、ポリマー構造中にアルデヒド基を導入することにより、モノマー組成、数平均分子量が同程度であっても湿紙水分率が低く、紙力増強効果および濾水性に加え、搾水性向上効果も優れていることがわかる。

Claims (8)

  1. (メタ)アクリルアミド、カチオン性ビニルモノマー、アニオン性ビニルモノマー、および(メタ)アリル基を有するモノマーをポリマー構成単位として有する両性ポリアクリルアミド共重合体(a)のジアルデヒド化合物付加物であり、下記(1)〜(3)全てを満足することを特徴とするアルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)を含む、ポリアクリルアミド系製紙用添加剤。
    (1)アルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)中の、アミド基及びジアルデヒド化合物が付加しているアミド基に対して、ジアルデヒド化合物が付加しているアミド基の割合であるアミド反応率が3〜20モル%
    (2)アルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)の数平均分子量が50万〜400万
    (3)アルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)がpH3.5〜8.5の間でイオン化度が0meq/gになる等電点が存在する
  2. アルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)の分子量分布が2.0〜8.0であることを特徴とする、請求項1に記載のポリアクリルアミド系製紙用添加剤。
  3. ポリマー構成単位の割合が、(メタ)アクリルアミド:74.0〜99.7mol%、カチオン性ビニルモノマー:0.1〜12.0mol%、アニオン性ビニルモノマー:0.1〜10.0mol%、(メタ)アリル基を有するモノマー:0.1〜4.0mol%であることを特徴とする、請求項1又は2に記載のポリアクリルアミド系製紙用添加剤。
  4. ポリマー構成単位のカチオン性ビニルモノマーが、3級アミノ基を有することを特徴とする、請求項1〜3いずれか一項に記載のポリアクリルアミド系製紙用添加剤。
  5. (メタ)アクリルアミド、カチオン性ビニルモノマー、アニオン性ビニルモノマー、および(メタ)アリル基を有するモノマーを重合することによって得られる両性ポリアクリルアミド共重合体(a)に下記(1)〜(5)の条件となるようにジアルデヒド化合物(b)を反応させることを特徴とするアルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A’)を含む、ポリアクリルアミド系製紙用添加剤の製造方法。
    (1)両性ポリアクリルアミド共重合体(a)のアミド基に対してジアルデヒド化合物(b)がモル比率で10〜60%であること、
    (2)pHが7.5〜12.5であること、
    (3)温度が1〜60℃であること、
    (4)両性ポリアクリルアミド共重合体(a)の反応前の濃度が0.5〜11.0質量%であること、
    (5)時間が20秒〜4時間であること
  6. 請求項5に記載のアルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A’)が、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載のアルデヒド官能化ポリアクリルアミド(A)であることを特徴とする、ポリアクリルアミド系製紙用添加剤の製造方法。
  7. ジアルデヒド化合物(b)が、グリオキサールであることを特徴とする、請求項5に記載のポリアクリルアミド系製紙用添加剤の製造方法。
  8. パルプスラリーに、請求項1〜4いずれか一項に記載のポリアクリルアミド系製紙用添加剤をパルプ固形分に対して0.01〜3質量%添加することを特徴とする、紙の製造方法。
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