KR101429803B1 - 제지 중 필러 함량을 증가시키는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종이 강도에 있어 예상되는 손실이 없이 미네날 필러 입자를, 다른 방법에 의해 가능한 경우보다, 더 높은 비율로 갖는 종이를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 필러 물질이 강도 첨가제로 부착되는 것을 방지하는 물질로 필러 입자의 적어도 일부를 코팅함으로써, 훨씬 많은 양의 필러 입자의 사용을 가능케 한다. 상기 강도 첨가제는 셀룰로오스 섬유를 서로 긴밀히 유지시키며 필러 입자상에서 소진되지 않는다. 본 방법은 특히 상기 필러입자가 PCC-GCC 블렌드일 때, 및 상기 GCC 입자가 부착 방지 코팅으로 코팅되었을 때 효과적이다.

Description

제지 중 필러 함량을 증가시키는 방법{METHOD OF INCREASING FILLER CONTENT IN PAPERMAKING}
<관련 출원의 상호 참조>
없음.
<정부 지원에 따른 연구 또는 개발에 대한 성명>
해당 없음.
본 발명은 제지 공정에서 생성된 페이퍼 매트 섬유의 강도를 증가시키는 방법에 관한 것이다.
페이퍼 매트(paper mat)는 수분과 고형물(solid)을 포함하고 있으며 일반적으로 4에서 8%의 수분을 포함한다. 페이퍼 매트의 고형물 부분은 섬유 (통상적으로 셀룰로오스계 섬유)를 포함하고 있으며 또한 필러를 포함할 수 있다. 페이퍼 매트의 강도를 증가시키는 것은 필러 함량인 고형물의 비율의 증가시키도록 하는 것이다. 이는 원재료의 비용을 낮추고, 제지 공정에 필요한 에너지를 줄이며, 종이의 광학적 특성을 증가시키기 때문에 바람직하다. 종래 기술은 10% 내지 40%가 필러인 고형물 부분을 갖는 페이퍼 매트를 개시하고 있다. 그러나 종래 기술은 필러 함량을 증가시키는 것이, 또한 제조된 종이에서의 강도의 손실과 일치한다는 것을 개시하고 있다.
필러는 제지공정 중에 제조되는 종이의 불투명성(opacity) 및 광 반사 특성을 증진시키기 위해 페이퍼 매트에 첨가하는 무기물 입자이다. 필러의 일부 예는 미국 특허 번호 제7,211,608호에 기술되어 있다. 필러는 불투명성 또는 휘도(brightness)를 증가시키고, 기공성을 감소시키거나, 종이 또는 페이퍼보드 시트의 비용을 감소시키는데 이용되는 무기 및 유기 입자 또는 안료를 포함한다. 필러의 일부 예는: 카올린 클레이, 활석(talc), 이산화티탄, 알루미나 삼수화물, 바륨 황산염, 마그네슘 수산화물, 탄산칼슘과 같은 안료 등으로부터 하나 이상을 포함한다. 종이 강도의 손실 없이 종이에 필러 함량을 증가시키려는 이전의 시도는 영국 특허 GB 2016498호, 그리고 미국 특허 번호 제4,710,270호, 제4,181,567호, 제2,037,525호, 제7,211,608호, 및 제6,190,663호에서 기술되고 있다.
탄산칼슘 필러는 GCC (ground calcium carbonate) 및 PCC (precipitated calcium carbonate)의 두 가지 형태로 나타난다. GCC는 자연적으로 발생하는 탄산칼슘석(rock)이고 PCC는 합성으로 생성된 탄산칼슘이다. PCC는 훨씬 큰 비표면적을 갖기 때문에, PCC는 더욱 큰 광산란능(light scattering abilities)을 가지며 제조되는 종이에 대해 더욱 양호한 광학 특성을 제공한다. 그러나 동일한 이유에서, PCC로 충진된 페이퍼 매트는 GCC로 충진된 종이 보다는 더 약한 종이를 산출한다.
종이의 강도는 페이퍼 매트에서의 혼재된(interweaved) 섬유 사이에서 형성된 결합(bond)의 수 및 강도의 작용이다. 훨씬 큰 표면적을 가진 필러 입자는 그러한 섬유에 결속(engaged)되기 시작하여 그러한 결합의 수 및 강도를 방해하기 쉽다. 그 표면적이 더 크기 때문에, PCC 필러는 이들 결합을 GCC에 비해 더욱 간섭하게 된다.
결과적으로, 제지업자는 바람직하지 않은 상충관계에 내몰리게 된다. 이들은 우수한 강도이나 열악한 광학 특성을 갖는 종이를 선택하거나, 우수한 광학특성을 가지나 열위한 강도를 갖는 종이를 선택해야만 한다. 따라서 종이 내에 다량의 필러를 가능케 하는 제지 방법, 높은 불투명성을 갖는 종이, 및 고도의 강도를 갖는 충진 종이에 대한 명확한 요구가 있는 것이다.
본 발명에 따른 적어도 하나의 구체예는 생산된 종이에서의 강도를 저하시키지 않고도 늘어난 필러 함량을 갖는 제지 방법에 관한 것이다. 상기 방법은: 필러 입자, 하나 이상의 강도 첨가제, 셀룰로오스 섬유 원료(stock)의 블렌드(blend)를 제공하는 단계, 상기 필러 입자를 성분 조성물(composition of matter)로 처리하는 단계, 상기 필러 입자와 상기 셀룰로오스 섬유 원료를 결합(combining)시키는 단계, 상기 결합물을 하나 이상의 강도 첨가제로 처리하는 단계, 및 상기 결합물(combination)로부터 페이퍼 매트를 형성시키는 단계를 포함한다. 상기 필러 입자의 적어도 10%는 침강성 탄산칼슘(PCC)이고 상기 필러 입자의 적어도 10%는 중질 탄산칼슘(ground calcium carbonate, GCC)이다. 상기 셀룰로오스 섬유 원료는 다수의 셀룰로오스 섬유 및 수분을 포함한다. 상기 성분 조성물은 상기 강도 첨가제가 상기 필러 입자에 들러붙는 것을 방지한다. 적어도 하나의 구체예에서, 상기 셀룰로오스 섬유 원료 및 상기 필러 입자는 결합하여 지료(furnish)를 형성하고 차후 상기 필러 입자는 상기 성분 조성물로 처리된다.
본 발명에 따른 적어도 하나의 구체예는, 상기 필러 입자의 블렌드가 탄산칼슘, 유기 안료, 무기 안료, 클레이, 탈크, 이산화티타늄, 알루미늄 삼수화물, 황산바륨, 수산화마그네슘, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 성분을 더 포함하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 적어도 하나의 구체예는, 상기 성분 조성물이 AcAm/DADMAC 공중합체인 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 적어도 하나의 구체예는 상기 강도 첨가제가 글리옥실화 아크릴아마이드/DADMAC 공중합체인 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 적어도 하나의 구체예는 상기 강도 첨가제와 상기 성분 조성물이 동일한 전하(charge)를 지니는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 적어도 하나의 구체예는 상기 탄산칼슘이: 건조 탄산칼슘, 분산 슬러리 탄산칼슘, 초크, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 형태인 방법에 관한 것이다. 상기 탄산칼슘 중 적어도 일부는 분산 슬러리 탄산칼슘 형태에 속하며, 상기 분산 슬러리 탄산칼슘은: 폴리아크릴산 폴리머 분산제, 소디윰 폴리포스페이트 분산제, 카올린 클레이 슬러리, 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 품목을 더 포함한다. 상기 필러 입자 블렌드는 50%의 중질 탄산칼슘(GCC) 및 50%의 침강성 탄산칼슘(PCC)일 수 있다. 상기 성분 조성물은 응고제(coagulants)일 수 있으며, 무기 응고제, 유기 응고제, 축합 중합 응고제, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 응고제는 200 내지 1,000,000 범위의 분자량을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 적어도 하나의 구체예는 상기 성분 조성물이 하기에 열거된 군으로부터 선택된 응고제인 방법에 관한 것이다: 명반, 나트륨 알루민산염(sodium aluminate), 폴리알루미늄염화물(polyaluminum chlorides), 알루미늄 염화수산화물(aluminum chlorohydroxide), 알루미늄 수산화물-염화물(aluminum hydroxide chloride), 폴리알루미늄 하이드록시클로라이드, 황화(sulfated) 폴리알루미늄, 폴리알루미늄 실리카 황산염(polyaluminum silica sulfate), 제2철 황산염(ferric sulfate), 염화 제2철(ferric chloride), 에피클로로히드린 디메틸아민(EPI-DMA), EPI-DMA 암모니아 가교된 중합체, 에틸렌 디클로라이드 및 암모니아의 중합체, 에틸렌 디클로라이드의 중합체, 디메틸아민의 중합체, 다관능기의 디에틸렌트리아민의 축합 중합체, 다관능기의 테트라에틸렌펜타민의 축합 중합체, 다관능기의 헥사메틸렌디아민의 축합 중합체, 다관능기의 에틸렌디클로라이드의 축합 중합체, 멜라민 중합체, 포름알데히드 수지 중합체, 양이온으로 하전된 비닐 부가 중합체 및 이들의 조합.
본 발명에 따른 적어도 하나의 구체예는 상기 페이퍼 매트의 고형 부분에 대한 강도 첨가제의 비율은 페이퍼 매트 톤당 강도 첨가제 0.3 내지 5 kg인 방법에 관한 것이다. 상기 GCC 입자의 적어도 일부는 상기 성분 조성물로 처리될 수 있다. 본 발명에 따른 적어도 하나의 구체예는 상기 PCC 입자 중 어떤 것도 상기 성분 조성물로 처리되지 않는 방법에 관한 것이다. 상기 강도 첨가제는 양이온성 전분(cationic starch)일 수 있다. 상기 필러 입자는 상기 페이퍼 매트는 고형부의 결합중량(combined mass)의 50%까지의 중량을 가질 수 있다. 강도 첨가제 및 성분 조성물은 동일한 전하를 보유할 수 있다.
본 발명에 따른 적어도 하나의 구체예는 제지 공정에 사용하기 위한 성분 조성물에 관한 것이다. 상기 성분 조성물은: 셀룰로오스, 필러입자, 강도 첨가제, 및 상기 필러입자의 적어도 일부를 둘러싸는 코팅제(coating)를 포함한다. 상기 코팅제는 상기 강도첨가제가 상기 필러 입자에 들러붙는 것을 방지하도록 구성 및 조정(arranged)된다. 적어도 하나의 구체예에서, 상기 필러입자의 적어도 일부는 탄산칼슘이다. 적어도 하나의 구체예에서, 상기 필러입자는 GCC, PCC 또는 이들의 조합이다. 적어도 하나의 구체예에서, 상기 필러입자는 적어도 10% PCC 및 10%의 GCC를 갖는다.
본 발명에 따른 방법은 필러 물질이 강도 첨가제로 부착되는 것을 방지하는 물질로 필러 입자의 적어도 일부를 코팅함으로써 종이 강도의 손실 없이 종이에 훨씬 많은 양의 필러 입자의 사용을 가능케 한다.
도 1은 실시예 1에 따라, 대상 종이의 인장강도 대, 상기 대상 종이를 제조하는 데 사용된 페이퍼 매트의 총 고형 부분에 대한 필러의 퍼센티지를 플로팅한 그래프이다.
도 2는 실시예 2에 따라, 대상 종이의 인장강도 대, 상기 대상 종이를 제조하는데 사용된 페이퍼 매트의 총 고형 부분에 대하여 필러의 퍼센티지를 플로팅한 그래프이다.
도 3은 실시예 3에 따라, 다양한 사용량의 Nalco-7527 및 Nalco-64170을 갖는 8개의 블렌드를 포함하는 페이퍼 블렌드에서 도출된 Scott Bond 강도를 나타내는 그래프이다.
본 발명에 따른 적어도 하나의 구체예는 강하고 높은 필러 함량을 가지며, 높은 PCC함량을 가지고, 우수한 광학 특성을 갖는 제지 방법이다. 본 발명에 따른 적어도 하나의 구체예에서, 상기 제지 방법은, PCC 및 GCC의 필러 블렌드로서, PCC가 상기 필러 중량 기준으로 적어도 10%를 차지하고 GCC는 상기 필러 중량의 적어도 10%를 차지하는 필러 블렌드를 생성하는 단계, 상기 필러 입자의 적어도 일부를, 강도 첨가제와 상기 필러 입자 사이의 부착력을 저감시키는 코팅제로 전-처리하는 단계, 및 상기 필러 블렌드 및 상기 강도 첨가제 모두를 페이퍼 매트에 첨가하는 단계를 포함한다.
강도 첨가제를 페이퍼 매트에 첨가시키는 것이 산출된 종이의 강도를 증가시킨다는 것이 한동안 알려져 있었다. 강도 첨가제의 일부 예는 미국 특허 제4,605,702호에 기술되어 있다. 강도 첨가제의 일부 예는 양이온성 전분이며, 이는 상기 셀룰로오스 섬유에 붙어 이들을 서로 강하게 결합시킨다.
유감스럽게도 페이퍼 매트에 상당량의 필러를 사용함에 따라 초래되는 취약성을 보상하고자 상당량의 강도 첨가제를 첨가하는 것은 실용적이지 않다. 하나의 이유는 강도 첨가제가 고가여서 많은 양의 첨가제를 사용하는 것은 상업적으로 실용적이지 않은 제조비용으로 귀결되기 때문이다. 또한 너무 많은 양의 강도 첨가제를 첨가하는 것은 제지 공정에 부정적인 영향을 주게 되어 다양한 형태의 제지 기구에 작동성능을 저하시킨다. 예를 들어, 양이온성 전분 강도 첨가제와 관련하여, 상기 양이온성 전분은 배수 및 탈수 공정을 지연시켜서, 제지 공정을 급속하게 늦추게 된다.
나아가 셀룰로오스 섬유는 한정된 양의 강도 첨가제만을 흡수할 수 있다. 이는 얼마나 많은 첨가제가 사용될 수 있는지, 및 이에 따라 얼마나 많은 필러가 사용될 수 있는지에 대한 한정을 부여한다. 이에 대한 하나의 이유는 강도 첨가제가 음이온성 섬유/필러 전하를 중성화시키는 경향이 있으며 이들 전하가 너무 중성화되게 되면 더 이상의 강도 첨가제의 흡수가 저해되기 때문이다.
유감스럽게도, 필러를 페이퍼 매트에 첨가하는 것 또한 상기 강도 첨가제의 효율성을 감소시킨다. 상기 강도 첨가제는 필러 입자를 코팅시키는 경향을 갖는다. 더 많은 필러 입자가 존재하면, 더 많은 강도 첨가제가 상기 필러 입자를 코팅하게 되고, 이에 따라 셀룰로오스 섬유를 서로 결합시키는데 유용한 강도 첨가제가 덜 존재하게 된다. 첨가될 수 있는 강도 첨가제에는 최대량이 있으므로, 더 많은 필러는 언제나 덜 효과적인 강도 첨가제를 의미하는 것이다. 이러한 효과는 GCC 보다는 PCC에서 더욱 극심한데, PCC의 더 높은 표면적이 GCC보다 강도 첨가제로 더 많이 코팅되게 하기 때문이다.
본 발명에 따른 적어도 하나의 구체예에서, 필러 입자의 적어도 일부는 상기 필러입자에 대한 강도 첨가제의 부착(adherence)을 적어도 부분적으로 예방하기 위한 성분 조성물(a composition of matter)로 전-처리된다. 상기 전-처리는 성분 조성물로 하나 이상의 필러 입자의 일부 또는 전부를 완전히 코팅하는 것을 상정한다. 대체예에서, 상기 전-처리는 하나 이상의 필러 입자의 일부분에만 상기 성분 조성물을 적용시키거나, 일부 필러 입자를 완전히 코팅시키고 일부 나머지 입자의 일부분에만 상기 성분 조성물을 적용시키는 것을 상정한다. 적어도 하나의 구체예에서 상기 전-처리는 미국 특허 제5,221,435호에서 기술된 성분 조성물의 적어도 일부, 특히 상기 문헌에서 개시된 양이온 전하-편향(cationic charge-biasing) 종으로 수행된다. 적어도 하나의 구체예에서 상기 전-처리는 미국 특허 제6,592,718호에 기재된 디알릴-N,N-이치환할로겐화암모늄-아크릴아마이드 공중합체로 수행된다.
필러 입자를 전-처리하는 것은 당업계에 알려져 있으나, 필러 입자를 전-처리하는 종래 방법은 상기 필러입자에 대하여 강도 첨가제의 부착력에 영향을 끼치는 것에 관한 것은 아니다. 실제로, 다수의 종래 기술의 전-처리는 필러 입자에 대한 강도 첨가제의 부착력을 증가시킨다. 예를 들어 미국 특허 제7,211,608호는 소수성 중합체로 필러 입자를 전-처리하는 방법에 개시되어 있다. 그러나 이러한 전-처리는 강도 첨가제와 필러 입자 사이의 부착력과는 무관하며 단지 강도 첨가제에 의해 흡수되는 수분의 초과량을 상쇄하기 위해 수분을 방출 내지 기피(repel)시키는 것이다. 대조적으로, 본 발명은 상기 강도 첨가제와 필러 입자 간의 상호 작용을 감소시키며, 이에 따라 종이 강도가 예상치 못하게 현저히 증가하게 된다. 이는 도 1을 참조하여 가장 적절히 예시될 수 있다.
도 1은 대상 종이의 인장 강도 대 상기 대상 종이를 제조하는 데 사용되는 페이퍼 매트의 총 고형 부분에 대한 필러의 퍼센티지를 플로팅하고 있다. 도 1에 개시된 바와 같이, 필러 함량의 증가와 종이의 강도 저하 사이의 관계는 선형적 관계이다. 이는 상기 강도 첨가제의 저감된 효율성이 필러 입자에 포획되어 있는 강도 첨가제의 증가와 직접적으로 비례하고 있기 때문이다. 도 1은 또한 페이퍼 매트에 대한 종래 기술에서의 어떠한 특정 비례관계에 있어서는, 만일 상기 필러가 순수한 PCC인 경우, 부분적으로 GCC인 경우에 비하여 종종 더 낮은 강도를 나타낼 것이라는 것을 보여준다.
도 1은 또한 본 발명에 의한 공정 방법에 따라 제조된 종이가 예상외로 높은 강도를 나타냄을 도시하고 있다. 도 1에서, 50% PCC와 50% GCC인 필러 32중량%를 함유하는 페이퍼 매트가 강도 첨가제-기피(repelling) 응고제로 전-처리되어, 순수한 GCC 필러 20%만을 갖는 페이퍼 매트에 의해 생산된 것보다 훨씬 큰 강도를 갖는 종이를 생산하였다는 것을 보여준다. 이러한 결과는 두 가지 이유에서 예상외의 것인데, a) PCC를 함유하는 필러는 순수한 GCC 필러를 이용하는 것보다 훨씬 큰 강도의 종이를 생성한다는 것이며, b) 허용 가능한 필러가 12% 이상 증가하는 것이 너무 크기 때문이다. 높은 종이 강도는 셀룰로오스 섬유 결합 사이의 간섭을 줄이는 GCC 함량 및 강도 첨가제로 하여금 최대의 종이 강도를 달성하거나 달성하는데 근접하도록 하게 하는 상기 전-처리의 결과이다.
본 발명에 포함되는 필러의 적어도 일부는 잘 알려져 있으며 상업적으로 이용가능하다. 이들은 불투명도나 휘도를 증가시키고 기공도를 감소시키거나 종이 또는 페이퍼 보드 시트의 가격을 낮추는데 사용되는 모든 무기 또는 유기 입자나 안료를 포함한다. 가장 일반적인 필러는 탄산칼슘 및 클레이이다. 그러나 탈크, 이산화 티타늄, 알루미늄 삼수화물, 황산바륨, 및 수산화마그네슘 또한 적합한 필러이다. 탄산칼슘은 건성(dry) 또는 분산성(dispersed) 슬러리 형인 중질 탄산칼슘(GCC), 쵸크, 모든 모폴로지의 침강성 탄산칼슘(PCC), 및 분산된 슬러리 형인 침강성 탄산칼슘을 포함한다. 상기 분산 슬러리 형인 GCC 또는 PCC는 통상적으로 폴리아크릴산 중합체 분산제 또는 소디움 폴리포스페이트 분산제를 사용하여 제조된다. 이들 분산제 각각은 상기 탄산칼슘 입자에 현저한 음이온 전하를 부여한다. 카올린 클레이 슬러리 또한 폴리아크릴산 중합체 또는 소디움 폴리포스페이트를 사용하여 분산시킨다.
적어도 하나의 구체예에서, 성분의 처리 조성물(the treating composition of matter)은 미국 특허 제6,592,718호에서 개시된 성분 조성물 중 어느 하나 또는 조합이다. 특히 상기 문헌에 자세하게 개시된 AcAm/DADMAC 공중합체 조성물 중 어떤 것도 성분의 처리 조성물로서 적합하다. AcAm/DADMAC 공중합체 조성물의 예는 일리노이스주 네퍼빌의 Nalco company의 제품 번호(#) Nalco -7527이다.
성분의 처리 조성물은 응고제일 수 있다. 본 발명에 포함되는 응고제는 잘 알려져 있으며 상업적으로 이용가능하다. 이들은 무기 또는 유기물일 수 있다. 대표적인 무기 응고제는 명반, 알루민산나트륨, 폴리알루미늄 클로라이드 또는 PACs(이는 또한 알루미늄 클로로하이드록사이드, 알루미늄 하이드록사이드 클로라이드, 및 폴리알루미늄 하이드록시클로라이드로 알려져 있다), 황산화 폴리알루미늄 클로라이드, 폴리알루미늄 실리카 황산염, 황산 제2철, 염화 제2철 등 및 이들의 조합을 포함한다.
성분의 처리 조성물로서 적합한 일부 유기 응고제는 축합 중합에 의해 형성된다. 이러한 유형의 중합체의 예는 에피클로로하이드린-디메틸아민(EPI-DMA), 및 EPI-DMA 암모니아 가교된 중합체를 포함한다.
성분의 처리 조성물로서 적합한 추가적인 응고제는 에틸렌 디클로라이드(염화에틸렌) 및 암모니아, 또는 암모니아의 첨가나 첨가 없는 에틸렌 디클로라이드와 디메틸아민의 중합체들, 에틸렌디클로라이드를 갖는 디에틸렌트리아민, 테트라에틸렌펜타아민, 헥사메틸렌디아민 등과 같은 다관능기 아민의 중합체 및 멜라민 포름알데히드 수지와 같이 축합반응에 의해 생성되는 중합체를 포함한다.
성분의 처리 조성물로서 적합한 추가적인 응고제는 양이온으로 하전된 비닐 부가 중합체, 예를 들어 (메트)아크릴아미드, 디알릴-N,N-이치환(disubstituted) 알루미늄 할라이드, 디메틸아미노에틸메타크릴레이트 및 이의 4차(quaternary) 암모늄염, 디메틸아미노에틸아크릴레이트 및 이의 4차 암모늄염, 메타크릴아미도프로필트리메틸암모늄 클로라이드, 디알릴메틸(베타-프로피온아미도)암모늄 클로라이드, (베타-메타크릴로일옥시에틸)트리메틸암모늄 메틸설페이트, 4급화(quaternized) 폴리비닐락탐, 비닐아민, 및 마니히(Mannich)나 4차 마니히 유도체를 생성하도록 반응하였던 아크릴아미드 또는 메타크릴아미드의 중합체, 공중합체, 및 삼중합체(삼량체, terpolymers)와 같다. 바람직한 4차 암모늄염은 메틸클로라이드, 디메틸설페이트, 또는 벤질 클로라이드를 사용하여 제조될 수 있다. 상기 삼중합체는 상기 중합체에 대한 전체 전하가 양이온이기만 하면, 예를 들어 아크릴산 또는 2-아크릴아미도 2-메틸프로판 설폰산과 같은 음이온 단량체를 포함할 수 있다. 비닐 부가 및 축합에 따른 이들 중합체의 분자량은 낮게는 수백에서 많게는 수백만의 범위에 이른다. 바람직하게는 상기 분자량 범위는 약 20,000 내지 약 1,000,000이어야 한다. 적어도 하나의 구체예에서, 상기 전-처리는 필러 입자를 전-처리하기 위한 성분 조성물로 적합한 것으로 개시된 성분 조성물 중 하나, 일부, 또는 전부의 조합에 의해 수행된다.
적어도 하나의 구체예에서, 강도 첨가제는 상기 필러 입자를 처리하는데 적합한 성분 조성물과 동일한 전하를 보유한다. 두 가지가 동일한 전하를 보유하는 경우, 상기 필러 첨가제는 그 표면상에 강도 첨가제를 덜 흡수하게 될 것이다. 적어도 하나의 구체예에서, 상기 강도 첨가제는 양이온성 전분이다. 본 발명에 포함되는 강도 첨가제는 미국 특허 제4,605,702호 및 미국 특허 출원 제2005/0161181 Al호에 개시된 성분 조성물의 어떠한 하나, 특히 상기 문헌에 개시된 다양한 글리옥실화(glyoxylated) 아크릴아미드/DADMAC 공중합체 조성물을 포함한다. 글리옥실화(glyoxylated) 아크릴아미드/DADMAC 공중합체 조성물의 예는 제품번호 Nalco 64170(일리노이즈, 네퍼빌, Nalco Company에서 제조됨)이다.
적어도 하나의 구체예에서, 사용된 필러는 PCC, GCC, 및/또는 카올린 클레이이다. 적어도 하나의 구체예에서, 사용된 필러는 폴리아크릴산 중합체 분산제 또는 이들의 블렌드를 갖는 PCC, GCC, 및/또는 카올린 클레이이다. 고형 페이퍼 매트에 대한 강도 첨가제의 비는 페이퍼 매트의 톤당 3kg의 첨가제일 수 있다.
전술한 내용은 후술하는 실시예를 참조함으로써 보다 잘 이해할 수 있을 것이며, 상기 실시예는 예시의 목적으로 제시되는 것이지 본 발명의 범위를 제한하는 것을 의도하는 것은 아니다.
실시예 1
1(i) 필러 전-처리:
필러 입자의 블렌드가 페이퍼 밀로부터 수득되었다. 상기 블렌드는 50% PCC와 50% GCC의 혼합물이다. 상기 PCC는 비-분산된 Albacar HO(펜실베니아, 베슬리헴의 Specialty Mineral에 의해 제조)이었고, 상기 GCC(역시 펜실베니아, 베슬리헴의 Specialty Mineral에 의해 제조)는 화학적으로 분산되었다. 본 출원의 목적상, “비-분산된(un-dispersed)”이라는 용어의 정의는 화학적 분산제의 조력 없이 유체를 통해 분산되어 있는 것이다. 본 출원의 목적상, “화학적으로 분산된”이라는 용어의 정의는 화학 분산제의 조력으로 유체를 통해 분산되어 있는 것을 말한다.
상기 필러 블렌드는 수돗물을 이용하여 18% 고형함량으로 희석되었다. 희석된 필러 블렌드 200mL는 500mL 유리 비이커에 수용시켰다. 교반은 응고제를 첨가하기 전 적어도 30초간 수행되었다. 교반기는 Rl 342, 50 mm, 4-블레이드 프로펠러를 구비한 EUROSTAR Digital 오버헤드 믹서였다(모두 노쓰케롤라이나, 윌밍턴, IKA Work Inc.에서 제조되었음). 응고제 용액은 800 rpm으로 교반하는 초기 30초의 혼합 이후 천천히 첨가되었다. 사용된 상기 응고제 용액은 (Nalco) 7527이었다. 응집제의 사용량(dose)은 건조 필러 중량 기준으로 1 kg/ton이었다. 모든 응고제가 첨가될 때까지 800 rpm으로 교반이 지속되었다. 그 다음 상기 교반 속도는 1 분간 1500rpm으로 증가시켰다.
1(ii) 필러의 사용:
셀룰로오스 섬유의 진한 원료(thick stock)가 페이퍼 밀(mill)로부터 수득되었다. 상기 원료는 냉각되었으며 그 다음 정제된 백수(white water)로 대략 0.7%의 농도로 희석된다. 상기 셀룰로오스 섬유는 활엽수 표백 크래프트 펄프(hardwood bleached kraft pulp, HBKP) 60%, 침엽수 표백 크래프트 펄프(softwood bleached kraft pulp, SBKP) 20%, 및 화학-열 기계 펄프(chemi-thermo mechanical pulp, BCTMP) 20%이었다. 도 1에 적시된 다양한 필러 조성물의 샘플이 첨가되었다. 강도 첨가제 64170 또한 첨가되었다. 다음으로 각각의 샘플로 만들어진 종이의 인장강도가 측정되어 도 1에 플로팅되었다.
상기 샘플의 강도 분석이 다음과 같이 드러났다: 순수한 PCC를 50% PCC와 50% GCC로 대체하는 것은 종이 강도의 어떠한 손실도 없이 지속적으로 필러 함량을 약 3% 증가되게 한다. 그러나 강도 첨가제 64170 및 기피(repelling) 응고제 7527에 의해 GCC 입자의 전처리를 거친 50% PCC와 50% GCC 필러의 조합은 종이 강도의 손실이 없이 필러함량을 놀랍게도 12% 증가시키는 것이 가능하였다. 결과적으로, 본 발명의 방법에 따른 공정은 생산된 종이의 광학 특성을 개선시키면서도, 제지에 더 많은 필러가 사용되는 것과, 제지에 더 많은 PCC를 사용하는 것을 가능하게 한다는 것이 명백하다.
실시예 2
셀룰로오스 혼합물과 필러가 실시예 1과 같이 제공되었다. 상기 필러는 실시예 1에서와 같이 처리되었다. 3kg/ton의 강도 첨가제 64170이 세 개의 샘플에 첨가되었으며, 하나의 샘플은 100%의 PCC를 함유하고, 또 하나의 샘플은 50% PCC- 50% GCC함유하며, 또 다른 샘플은 7527로 전-처리된 GCC를 갖는 50% PCC- 50% GCC를 함유한다. 제조된 종이 샘플이 분석되었고, 그 결과가 도 2에 도시되었으며, 이는 당해 종이의 인장강도 대, 당해 종이를 제조하는데 사용된 페이퍼 매트의 총 고형 부분에 대하여 필러의 퍼센티지를 플로팅한 것이다.
3kg/ton의 첨가제 64170이 100% PCC에 첨가되었을 때, 강도 저하 없이 단지 3%의 필러 함량만이 증가될 수 있다. 대략 34%의 필러함량에 있어서는, 강도가 12% 증가되었다. 100% PCC가 50% PCC - 50% GCC로 변경되는 경우, 강도가 증가되고 시트 강도의 손실 없이 필러 함량이 3.5% 증가하는 것이 가능할 수 있었다. 3kg/ton의 첨가제 64170이 첨가되는 경우, 또 다른 약 2.5%의 필러 함량이 시트 강도를 희생시키지 않고 증가될 수 있었다. 35%의 필러 함량에서, 시트 강도는 3kg/ton의 64170의 첨가로 14% 개선되었다. 50% PCC - 50% GCC에 비하여 7527로 전-처리된 50% PCC - 50% GCC가 강도 손실 없이 필러를 2% 증가시킬 수 있었다. 전-처리된 50% PCC - 50% GCC를 갖는 제지 지료(furnish)에 3kg/ton의 N-64170을 추가하는 경우, 필러 함량은 전-처리된 50% PCC - 50% GCC 만을 비교하여 시트 강도를 손실시키지 않고 4% 증가될 수 있었다. 36%의 필러 함량에서는, 3kg/ton의 N-64170의 추가가 강도를 19% 증가시켰다. 본 실험은 동일한 양의 강도 첨가제 64170을 이용하여, 시트 강도를 개선하는 효율이 필러를 전-처리함으로써 현저히 증가되었다는 것을 입증하였다.
실시예 3
기계 시험(machine trial)이 수행되었으며 여기서 제지 기계는 1360m/min의 기계 속도로 평량 108g(gsm)의 코트 원지(coated base paper)를 제조하였다. 조성물이 제공되었으며 이의 셀룰로오스 섬유는 40%의 표백 화학-열-기계 펄프(BCTMP), 40%의 HBKP, 20%의 SKBP이었다. 제지 지료는 또한 70%의 PCC 및 30%의 GCC인 필러 블렌드를 함유하였다. 시험 중에, 보류제(retention aids), 사이징제(sizing agents), 및 양이온성 전분을 포함하는 모든 습부 첨가제(wet end additives)가 일정하게 유지되었다. 제조된 종이의 강도는 Scott Bond 시험기를 사용하여 측정되었다.
도 3은 다양한 양의 7527 및 64170을 갖는 8개의 블렌드를 포함하는 페이퍼 블렌드의 도출된 Scott Bond 강도를 보여준다. 어떠한 7527 및 64170이 첨가되지 않는 경우, 강도는 0.92kg/cm이었다. 2.5kg/ton의 64170이 첨가되는 경우, 강도는 1.14 kg/cm로 증가하여, 24%의 강도 개선이 있었다. 그러나 0.5 kg/ton의 7527을 더 추가함에 따라 강도는 1.14 kg/cm에서 1.30 kg/cm로 증가하여 추가로 14%의 개선이 있었다. 이러한 시험은 소량의 응집제 첨가로 인해, 64170의 효율성이 현저히 개선되었다는 것을 입증하였다.
당업계에서 평균적인 지식을 갖는 자는 이전에 기술된 모든 방법이 다른 비-셀룰로오스계 섬유상 물질을 포함하는 페이퍼 매트, 셀룰로오스계 및 비-셀룰로오스계 섬유상 물질의 혼합물을 포함하는 페이퍼 매트, 및/또는 합성 섬유상계 물질을 포함하는 페이퍼 매트에 적용가능하다는 것을 인식할 것이다.
본 명세서에서 기술되는 본 발명에 따른 방법의 조성, 작용, 및 정렬에 있어서 청구범위에서 규정되는 바와 같은 발명의 개념과 범위로부터 벗어남이 없이 변경이 이루어질 수 있다. 본 발명은 수많은 다양한 형태로 구체화될 수 있으나, 본 발명의 바람직한 구체예가 본 명세서에 구체적으로 개시되어 있다. 본 개시내용은 본 발명의 원리에 대한 예시화이며 설명된 특정 구체예로 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 나아가, 본 발명은 여기서 설명되는 다양한 구체예 중 일부 또는 전부의 모든 가능한 조합을 포괄한다. 본 출원에서, 인용된 특허 출원 또는 기타 인용된 자료의 어느 부분에서건 언급된 모든 특허, 특허출원, 및 기타 인용된 자료는 그 전체로서 여기에 참조로 포함된다.
상기 개시내용은 예시를 위한 것이며 완벽히 망라된 것을 의도하지 않는다. 상기 기술된 내용은 당업자에게 수많은 변형과 대체를 시사할 것이다. 이러한 모든 대안 및 변형은 “포함하는(comprising)”이라는 용어가 “속하나 제한되지 않는”을 의미하고 있는 청구 범위 내에 속하게 되는 것이 의도된다. 기술에 익숙한 자들은 여기서 개시된 특정 구체예에 대하여 다른 균등물을 인식할 것이며 여기서 상기 균등물 또한 청구범위에 의해 포괄되는 것으로 의도된다.
이는 본 발명의 바람직하고 대안적 구체예의 설명을 완성한다. 당업자는 여기에 기술된 특정한 구체예의 기타 균등물을 인식할 것이며 상기 균등물은 여기에 첨부된 청구범위에 의해 포함되는 것이 의도된다.

Claims (20)

  1. 증가된 필러 함량을 갖는 제지방법으로서, 상기 방법은
    필러 입자, 하나 이상의 강도 첨가제, 셀룰로오스 섬유 원료의 블렌드를 제공하는 단계,
    상기 필러 입자를 응고제로 처리하는 단계,
    상기 필러 입자와 상기 셀룰로오스 섬유 원료를 결합시키는 단계,
    상기 결합물을 하나 이상의 강도 첨가제로 처리하는 단계, 및
    상기 결합물로부터 페이퍼 매트를 형성시키는 단계
    를 포함하며,
    여기서 상기 필러 입자의 적어도 10 중량%는 침강성 탄산칼슘이고 상기 필러 입자의 적어도 10 중량%는 중질 탄산칼슘(ground calcium carbonate)이며, 상기 셀룰로오스 섬유 원료는 다수의 셀룰로오스 섬유 및 수분을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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  7. 제 1항에 있어서, 상기 응고제는 무기 응고제, 유기 응고제, 축합 중합 응고제 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 응고제는 200 내지 1,000,000 범위의 분자량을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 응고제는 다음 군으로부터 선택된 응고제인 것을 특징으로 하는 방법:
    명반, 알루민산나트륨, 폴리염화알루미늄, 알루미늄 염화수산화물(aluminum chlorohydroxide), 알루미늄 수산화물-염화물(aluminum hydroxide chloride), 폴리수산화염화알루미늄(polyaluminum hydroxychloride), 황산화(sulfated) 폴리염화알루미늄, 폴리알루미늄 실리카 황산염, 황산제2철, 염화제2철, 에피클로로히드린 디메틸아민(EPI-DMA), EPI-DMA 암모니아 가교된 중합체, 이염화에틸렌과 암모니아의 중합체, 이염화에틸렌의 중합체, 디메틸아민의 중합체, 다관능기의 디에틸렌트리아민의 축합 중합체, 다관능기의 테트라에틸렌펜타민의 축합 중합체, 다관능기의 헥사메틸렌디아민의 축합 중합체, 다관능기의 이염화에틸렌의 축합 중합체, 멜라민 중합체, 포름알데히드 수지 중합체, 양이온으로 하전된 비닐 부가 중합체 및 이들의 조합.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 응고제는 AcAm/DADMAC 공중합체인 것을 특징으로 하는 방법.
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  19. 제지 공정에 사용하기 위한 조성물로서, 상기 조성물은: 적어도 10 중량% PCC 및 10 중량%의 GCC를 구비하는 필러 입자 블렌드, 강도 첨가제, 및 상기 필러 입자의 적어도 일부를 둘러싸는 코팅제를 포함하며, 상기 코팅제는 상기 강도첨가제가 상기 필러 입자에 들러붙는 것을 방지하도록 구성 및 조정된 것을 특징으로 하는 조성물.
  20. 강도 첨가제와 필러 입자가 혼합된 셀룰로오스 섬유간의 상호 작용을 증진시키기 위한 방법으로서, 상기 방법은:
    필러 입자를 응고제로 전-처리하는 단계,
    상기 전-처리된 필러 입자와 셀룰로오스 섬유를 결합시키는 단계, 및
    상기 결합물을 하나 이상의 강도 첨가제로 처리하는 단계를 포함하며,
    여기서 상기 필러 입자는 침강성 탄산칼슘, 중질 탄산칼슘, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
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