KR101644212B1 - 오일 및 물의 유화 장치, 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

예컨대 종이 또는 판지를 처리하는데 사용하기 위한 사이징제를 유화시키는 방법과 같은, 오일 및 물을 유화시키는 장치, 시스템 및 방법으로 연속상을 압력 하에 벤추리 장치의 연속상 노즐을 통해 혼합 구역으로 도입한다. 분산상은 압력 하에 벤추리 장치의 혼합 구역 내로 임의로 도입된다. 혼합 구역에서 형성된 에멀젼은 혼합상 노즐을 통해 통과하여 벤추리 장치의 밖으로 향한다. 벤추리 장치의 혼합상 노즐 직경은 연속상 노즐 직경 보다 1 : 1 초과 내지 4 : 1 미만의 비율로 더 크다.

Description

오일 및 물의 유화 장치, 시스템 및 방법{APPARATUS, SYSTEM AND METHOD FOR EMULSIFYING OIL AND WATER}
본 발명은 종이 및 판지를 처리하는데 사용되는 역상 에멀젼 중합체 생성물의 역전을 위한 종이 및 판지의 내부 사이징 또는 표면 사이징을 위한 사이징제의 수성 에멀젼을 제조하는데 특히 유용한 오일 및 물의 유화 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
수성 침윤제에 내성을 부여하기 위해 제지 산업에서 사용되는 첨가제는 흔히 사이징제로 일컫는다. 가장 흔한 두가지의 합성 사이징제는 알킬 케텐 이량체( AKD) 및 알케닐 숙신산 무수물(ASA)이다.
AKD 및 ASA는 소수성, 수-불용성이다. 이들 물질은 내부 사이징으로 알려진 것과 같이 시트가 형성되기 전에 펄프 슬러리에 첨가될 수 있거나, 또는 표면 사이징으로 알려진 것과 같이 형성된 망의 표면에 도포될 수 있다. 각각의 용도에서, 사이징제가 효과적이기 위해서는 수성 시스템에 잘 분산되어야 한다. 이 이유로, 이들 수 불용성 첨가제는 흔히 수성, 수중유, 에멀젼의 형태로 첨가된다.
사이징제의 수성 에멀젼은 제지 공장에 그 형태로 공급될 수 있거나, 또는 현장에서 제조될 수 있다. 사실 이는 현장에서 유화될 몇몇 합성, 셀룰로오스 반응성 사이징제에 유리하다. ASA는 예를 들면 무수 관능성이 물과의 유화 후에 불안정성하기 때문에 현장에서 유화된다.
현재, 제조공장 내(in-mill) 유화 기술의 두 부류가 산업에서 사용되고 있다: (1) 높은 전단, 및 (2) 낮은 전단. 높은 전단 유화는 ASA(또는 다른 사이징제) 및 보호 콜로이드, 전분 또는 합성 중합체를 첨가된 계면활성제와 함께 또는 없이 높은 전단 터빈 펌프 또는 균질화기를 통과하게 하는 것을 수반한다. 이 접근의 한계는 "특정 크기의 만족스럽고 안정적인 에멀젼을 제조하기 위해 부분 유화, 온도 등과 관련한 엄격한 절차와 함께 높은 균질화 전단 및/또는 압력을 가할 수 있는 비교적 복잡하고, 비싸며 무거운 기구를 요한다"(미국 특허 제4,040,900호)는 것이다.
높은 전단 유화의 한계를 고심하기 위해, 낮은 전단 유화 접근이 제안되었는데, 1977년에 3 내지 20 중량부의 표면 활성 첨가제(계면활성제)와 ASA의 혼합물을 개시한 마자렐라(Mazzarella)(미국 특허 제4,040,900호)가 시작했고, 이들은 "정상 압력 하에 높은 전단력의 부재에서 단순한 교반, 혼합 밸브 또는 흔한 흡인기를 통과시킴으로써 물과 쉽게 유화 가능했다". 불운하게도, 그러한 낮은 전단 유화는 증가된 계면활성제 수준이 계면활성제가 시스템 내에 축적(build up)되게 하기 때문에 계면 거품 문제 및 불량한 사이징 효율을 야기할 수 있다(문헌[C. E. Farley and R. B. Wasser, "Sizing with Alkenyle Succinic Anhydride", Chapter 3 in The Sizing of Paper, 2nd Edition, W. F. Reynolds, Ed., Tappi Press, 1989, pp 51-62]).
더욱 최근에 파울로우스카(Pawlowska) 등(WO2006/096216)은 "ASA를 유화하는데 낮은 전단 장치를 더 간단하고 덜 비싸게 사용할 것인 습부(wet end)에서 종이를 사이징하는 향상된 방법"을 개시한다. 파울로우스카 등은 양이온성 성분으로 후-희석되는, "높은 전단력의 부재에서, 알케닐 숙신산 무수물 성분을 포함하는 수성 사이징 에멀젼을 형성하는 단계"를 포함하는 사이징 방법을 개시한다. 파울로우스카와 마자렐라 사이의 주요 차이점은 보존을 향상시키기 위한 에멀젼의 양이온성 성분으로의 후-희석이다. 실시예는 양이온성 전분으로 후-희석된 낮은 전단 ASA 에멀젼이 높은 전단 ASA 에멀젼에 의해 덜 효과적인 사이징제임을 지속적으로 입증하지만, 낮은 전단 ASA 에멀젼의 유화 방법의 단순화가 제지 업자에게 "운용상 및 비용의 이점"을 준다고 주장하고 있다.
다른 특허들은 낮은 전단 유화 시스템의 성능을 향상시키기 위해 개질 전분(예를 들면 미국 제6,210,475호) 또는 중합체(예를 들면 미국 제6,444,024호 B1)의 사용을 개시하지만, 어느것도 낮은 전단 시스템의 특징인 기본 성능 및 주행성(runnability) 문제를 해결하지 못했다.
ASA 유화에 대한 문헌에서 "낮은 전단" 조건 대 "높은 전단" 조건의 정의는 정성적(qualitative)인 경향이 있다. 전형적으로, 디스크립터(descriptor)가 설비되거나 또는 설비되지 않은 기기의 목록을 사용했다. "높은 전단" 시스템은 : "워어링 블렌더(Waring Blenders), 터빈 펌프, 또는 다른 초고속 교반기(agitator) 등이 있고", "피스톤 또는 다른 종류의 균질화 기기에서 발견된다"(마자렐라). "낮은 전단" 시스템은 : "단순한 교반, 혼합 밸브 또는 흔한 흡인기를 통과시키는 것 또는 예제제(stock preparation) 시스템에 있는 통상의 교반에 의한 것이거나"(마자렐라), 또는 "원심 펌프, 정적 인-라인 혼합기, 연동 펌프 및 그의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 장치로 생성된" 조건을 전단하는 것이다(파울로스카). 그러나 이들 정의는 공업용 저압 및 고압 단위, 예컨대 "시텍 인더스트리 인크(Cytec Industries, Inc.)에서 공급된 시텍 저압 터빈 유화제, 날코(Nalco) 고압 유화제 시스템 및 국립 전분 터빈(National Starch 터빈) 및 벤추리(Venturi) 유화제"를 포함하는 시판 유화 기기의 목록에서 혼동되며, 낮은 전단 범주에 맞는 터빈 펌프들도 있다고 제안한다. 추가적으로, 워어링 블렌더는 전기적 전압을 변화시켜 저 및 고에너지 ASA 에멀젼을 제조하는데 사용된다(문헌[Chen and Woodward, Tappi J. Aug, 1986, pg 95]). 그러므로, "낮은 전단" 및 "높은 전단" 시스템은 기기 종류로 간단히 정의될 수 없다.
문헌["Principles of ASA Sizing" (CE Farley, 1987 Tappi Sizing Short Course, pg 89)]에는 "높은 전단" 및 "낮은 전단" 유화 시스템의 더 정량적인 정의가 있다 : "높은 전단 유화는 근접 허용(close tolerance) 터빈 펌프로 완료된다. 작업은 그 펌프로 완료되어 펌프 배출구와 유입구 간의 압력 차이가 약 120 내지 140 psi(8.3 내지 9.7 bar)로 된다. ASA 및 전분은 터빈 펌프의 유입구에서 또는 근처에서 혼합된다." "낮은 전단 유화에서, ASA, 전문 및 계면활성제는 혼합되며 벤추리의 연속을 통과한다. 전형적으로 전문 : ASA : 계면활성제의 비율은 약 2.5 : 1 : 0.05 이다. 이 방법의 잠재적인 단점은 더 높은 수준의 계면활성제가 사용된다는 것이며 이는 "풀빼기(desizing)" 및 불량한 ASA 효율 및 거품 문제를 야기할 수 있다." 그러므로, 팔레이(Farley)가 높은 및 낮은 전단 간에서 이룬 차이점은 높은 전단 시스템이 약 120 내지 140 psi(8.3 내지 9.7 bar)의 압력차를 갖는다는 것이다.
유사하게, 문헌[Denowski et al. (미국 제2008/0277084호 A1)]은 50 psi(3.4 bar)의 배압 또는 그 미만으로 액체를 펌프를 통해 펌핑하는 능력으로 낮은 전단을 정의하는 반면, 액체를 펌핑하는데 150 내지 300 psi(10.3 내지 20.7 bar)의 배압을 요구하는 것으로 높은 전단을 정의한다.
제지기 주행성 문제(거품, 침착) 및/또는 높은 계면활성제 로딩 또는 불량한 에멀젼 품질로 인한 불량한 사이징 효율로부터 시달리지 않는 ASA 유화를 위한 더 간단하고, 덜 비싼 기기에 대한 요구가 시장에 여전히 존재한다.
비교적 고압에서 벤추리 장치를 통해 물을 공급하고 사이징제를 벤추리 흡입 유입구에서 도입함으로써 우수한 제지기 주행성 및 우수한 사이징 효율을 갖는 물 중 우수한 품질이고, 안정적인 사이징제(예컨대 ASA)의 에멀젼의 제조가 가능한 것으로 밝혀졌다. 이 시스템은 오늘날 사용되는 전통적인 높은 전단 시스템에 비해 더 간단하고, 더 신뢰성이 있으며, 더 에너지 효율적이고, 덜 비싸며, 현재 이용 가능한 낮은 전단, 저에너지 시스템에 비해 더 낮은 계면활성제 수준을 사용하는 더 나은 품질의 에멀젼을 제공한다. 게다가, 이 시스템은 다른 제지 첨가제의 제조공장-내 유화 또는 역상 에멀젼 중합체 생성물의 역전에 사용될 수 있다.
첫번째 측면에서, 수중유 또는 유중수를 유화시키는 시스템은 벤추리 장치를 포함한다. 연속상이 압력 하에 벤추리 장치 내로 그리고 첫번째 직경의 연속상 노즐을 통해 혼합 구역으로 도입된다. 분산상이 벤추리 장치의 혼합 구역 내로 도입되어 연속상 내 분산상의 에멀젼을 형성한다. 에멀젼은 두번째 직경을 갖는 혼합상 노즐을 통해 통과하고 벤추리 장치의 배출구 쪽으로 향한다. 혼합상 노즐 직경은 연속상 노즐 직경에 비해 1 : 1 초과 내지 4 : 1 미만의 비율로 더 크다.
바람직하게는, 연속상은 약 10 bar 내지 약 50 bar의 압력으로 도입되고 흐름 속도가 약 10 내지 100 m/s의 범위인 물을 포함한다. 바람직하게는, 분산상은 하나 이상의 사이징제를 포함한다. 에멀젼은 임의의 첨가제가 내부에서 혼합될 수 있는 배출 챔버에 배출될 수 있다. 에멀젼은 나중의 사용을 위해 저장될 수 있고, 또는 에멀젼은 습부에, 또는 종이 또는 판지 제조 시스템을 위한 사이즈 프레스 또는 코터(coater)에 첨가되기 전에 물로 또는 다른 수용액으로 희석될 수 있다. 별법으로, 에멀젼은 바로 습부에, 또는 종이 또는 판지 제조 시스템을 위한 사이즈 프레스 또는 코터에 첨가될 수 있다.
분산상은 셀룰로오스 반응성 종이 사이징 화합물 또는 셀룰로오스 비-반응성 종이 사이징 화합물 중 하나 또는 혼합물을 함유할 수 있다. 예시적인 셀룰로오스-반응성 종이 사이징 화합물은 알케닐 숙신산 무수물(ASA), 케텐 이량체 및 다량체, 예컨대 알킬 케텐 이량체(AKD), 약 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 유기 에폭시드, 약 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 아실 할라이드, 약 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 지방산으로부터의 지방산 무수물 및 약 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 유기 이소시아네이트를 포함한다.
분산상은 흡입 유입구에서 흡입에 의해 벤추리 장치로 단독으로 도입될 수 있거나, 또는 임의로 펌프로 혼합 구역 내로 펌핑될 수 있다. 바람직하게는, 분산상은 그것이 혼합 구역 내로 도입되기 전에 여과된다.
별법으로, 연속상은 물일 수 있고 분산상은 제지에서 흔히 사용되는 역상 에멀젼 중합체일 수 있다. 이 경우, 수성상에 중합체를 함유하는 유중수 에멀젼이 흡입 유입구를 통해 벤추리 장치 내로 도입될 수 있다. 많은 부피의 묽은 물의 존재 및 에멀젼을 붕괴시키는 혼합 구역에서의 혼합은 중합체를 "활성화"시키고, 오일적(oil droplet)을 함유하는 묽은 중합체 혼합물을 제조할 것이다. 제지에서 흔히 사용되는 역상 에멀젼 중합체의 한 실시예는 예컨대 문헌[PERFORM SP7200 또는 PERFORM PC8179 Retention and Drainage Aids (Ashland Inc., Covington, KY)]과 같은 보류(retention) 및 배수(drainage) 향상제(aid)이다.
두번째 측면에서, 종이 또는 판지를 처리하는데 사용하기 위해 사이징제를 유화하는 방법은 다음 단계를 갖는다. 연속상이 압력 하에 벤추리 장치 내로 그리고 연속상을 장치의 혼합 구역 내로 향하게 하는 첫번째 직경을 갖는 연속상 노즐로 도입된다. 분산상이 벤추리 장치의 혼합 구역 내로 도입되어 연속상 내 분산상의 에멀젼을 형성한다. 에멀젼은 연속상 노즐 직경(d1)에 비해 1 : 1 초과 내지 4 : 1 미만의 비율로 더 큰 두번째 직경(d2)을 갖는 혼합상 노즐을 통해 통과한다. 바람직하게는 연속상은 약 10 bar 내지 약 50 bar의 압력 하에 도입되고 연속상 노즐에서 약 10 내지 100 m/s의 흐름 속도를 갖는다.
방법에서, 분산상은 셀룰로오스 반응성 종이 사이징 화합물 또는 셀룰로오스 비-반응성 종이 사이징 화합물 중 하나 또는 혼합물을 함유할 수 있다. 예시적인 셀룰로오스 반응성 종이 사이징 화합물은 알케닐 숙신산 무수물(ASA), 케텐 이량체 및 다량체, 예컨대 알킬 케텐 이량체(AKD), 약 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 유기 에폭시드, 약 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 아실 할라이드, 약 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 지방산으로부터의 지방산 무수물 및 약 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 유기 이소시아네이트를 포함한다.
방법에서, 분산상은 흡입 유입구에서 흡입에 의해 벤추리 장치로 단독으로 도입될 수 있거나, 또는 임의로 펌프로 혼합 구역 내로 펌핑될 수 있다. 바람직하게는, 분산상은 그것이 혼합 구역 내로 도입되기 전에 여과된다.
생성된 사이징제의 에멀젼은 에멀젼이 벤추리 장치에 존재한 후 약 1분 내지 약 10분 내에 샘플 에멀젼을 광 산란 기술로 측정했을 때 약 2 마이크로미터 미만, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 마이크로미터, 가장 바람직하게는 약 1 마이크로미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는다.
에멀젼은 습부에, 또는 종이 또는 판지 제조 시스템을 위한 사이즈 프레스 또는 코터에 첨가된다. 만약 연속상이 물이면, 에멀젼은 바람직하게는 물로 후-희석되어 약 1 내지 약 5 중량% 함량의 고형분을 제조한다. 그 후, 후-희석된 에멀젼은 바람직하게는 습부, 사이즈 프레스 또는 코터에 첨가되기 전에 천연 또는 합성 양이온성 중합체의 수용액과 혼합된다.
또 다른 측면에서, 벤추리 장치는 첫번째 액체를 압력 하에 혼합 구역으로 향하게 하는 첫번째 직경의 연속상 노즐, 및 두번째 액체를 혼합 구역으로 향하게 하는 유입구를 가져서 에멀젼을 그 안에 형성시킨다. 벤추리 장치는 추가로 에멀젼이 벤추리 장치로부터 배출구를 향하는 두번째 직경을 갖는 혼합상 노즐을 갖는다. 혼합상 노즐 직경은 연속상 노즐 직경에 비해 1 : 1 초과 내지 4 : 1 미만의 비율로 더 크다. 바람직하게는, 혼합 구역은 원뿔형이고 유입구가 혼합 구역을 만나는 가장 넓은 직경부터 혼합상 노즐이 혼합 구역을 만나는 가장 좁은 직경까지 점점 가늘어진다. 바람직하게는, 벤추리 장치는 벤추리 장치의 배출구에서 혼합상 노즐과 유체 소통하는 배출 확산기(discharge diffuser)를 포함한다.
본 발명의 다른 목적, 유리한 특징 및 가능한 적용은 하기 도면을 참조로 하기 실시양태의 상세한 설명에 개시되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 오일 및 물을 유화시키는 예시적인 시스템의 개략도이고;
도 2는 본 발명에 따른 벤추리 장치의 배출구 끝 입면도이며;
도 3은 도 2의 선 3-3을 따른 벤추리 장치의 단면도이고; 및
도 4는 도 3의 벤추리 장치의 연속상 노즐 및 혼합상 노즐을 나타내는 벤추리 장치의 확장 단면도이다.
본원에서, "에멀젼"은 제1 액의 입자의 제 2액 내의 혼합물이다. 두가지 흔한 종류의 에멀젼은 수중유 및 유중수이다. "오일"은 일반적으로 수-불용성 또는 거의 수-불용성인 액체를 의미하는 것으로 의도된다. 수중유 에멀젼에 있어서 물은 "연속상"이고 오일은 불연속상이다. 유중수 에멀젼에 있어서, 이는 반대이다. 최종 에멀젼의 연속상을 형성하는 액체는 본원에서 "연속상"으로 지칭되며, 최종 에멀젼의 불연속상을 형성하는 다른 액체는 "분산상"으로 지칭된다. 수중유 에멀젼의 경우에서, 물은 연속상이고 오일은 분산상이다.
오일 및 물을 유화시키는 시스템(10)의 개략도가 도 1에 나타나있다. 시스템(10)은 물 중 사이징제, 예컨대 알킬 케텐 이량체(AKD) 또는 알케닐 숙신산 무수물(ASA)의 유화를 참고로 하여 설명될 것이다. 그러나 시스템이 다른 물질을 유화시키기 위해 사용될 수 있고, 연속 및 분산상의 선택은 예시적인 목적을 위한 것이며 본 발명을 제한하려는 의미가 아닌 것이 이해되어야 한다.
도 1과 관련하여, 저장 탱크 또는 공급 저장소(12)로부터 예컨대 이 실시양태에서는 이에 한정되지는 않는 물과 같은 "연속상"의 공급은 라인(14) 및 필터(16)를 통해 조절 밸브(18) 및 유량계(20)를 통해 펌프(22)로 공급된다. 이 실시양태와 관련하여 별도로 "연속상"으로 지칭될 수 있는 물의 유속은 유량계(20) 및 조절 밸브(18)를 갖춘 조절 루프를 사용하여 특정 공급 속도로 조절된다. 흐름 조절의 다른 수단도 당업자에게 가능한 것이라면 가능하다. 펌프(22)는 약 30 bar의 공급 압력 또는 약 10 bar 내지 50 bar, 보다 바람직하게는 약 18 내지 35 bar의 범위의 공급 압력을 전달할 수 있는 다-단계 원심 펌프 또는 재생 펌프를 포함하는 수많은 종류의 펌프 중 임의의 것일 수 있다. 압력 측정기(40b, 40a, 40c)가 제공되어 연속상, 분산상 및 에멀젼의 압력 각각을 모니터링 한다. 연속상은 벤추리 장치(50)의 첫번째 유입구(48)(도 3을 참조)로 전달된다.
저장 탱크 또는 공급 저장소(32)로부터 예컨대 이 실시양태에서 이에 한정되지는 않지만 액체 사이징제와 같은 "분산상"은 라인(34) 및 필터(36)를 통해 유량계(39) 및 배압 조절기(42)를 통해 벤추리 장치(50)의 흡입 유입구(52)(도 3 참조)로 공급(또는 임의의 펌프(38)에 의해 펌핑된다)된다. 필터(36)는 사이징되어 벤추리 장치(50)의 혼합상 노즐(60)의 막힘을 피한다. 벤추리 장치(50)의 상세 사항은 도 2 내지 4를 참조하라.
임의의 펌프(38)는 약 5 bar 이하, 바람직하게는 예를 들면 약 3 bar의 공급 압력을 전달할 수 있는 수많은 종류의 펌프 중 임의의 것일 수 있다. 이 실시양태에서 "분산상"으로도 지칭될 수 있는 사이징제의 유속은 펌프(38) 또는 조절 루프로 조절될 수 있다. 벤추리 장치(50)로 공급되는 연속상 대 분산상의 비율을 설정하는 대체 조절을 제공하는 것 또한 가능하다. 벤추리 장치(50)로 공급되는 연속상이 분산상 흡입 유입구(52)에 진공을 만들기 때문에, 분산상을 벤추리 장치(50)로 공급하는데 펌프(38)는 불필요하다. 그럼에도 불구하고, 분산상을 벤추리 장치(50)로 공급하는 펌프(38)를 사용하는 것은 더 일정한 공급 압력을 낳고 에멀젼 형성 과정에서 더 나은 조절을 제공한다.
연속 및 분산상은 벤추리 장치(50) 내에서 혼합되고 챔버(70)로 배출된다. 챔버(70)는 벤추리 장치(50)로부터 유화된 생성물의 속도를 감소시키는데 충분한 직경이다. 챔버(70) 또는 챔버(70)의 하류에서 첨가제가 유화된 생성물과 혼합될 수 있다.
혼합상 또는 유화된 생성물은 제지기로 향할 수 있거나 또는 압력 조절 밸브(74)를 통과해 저장 탱크(76) 또는 선적 컨테이너(도시하지 않음)로 향할 수 있다. 만약 연속상이 물이면, 에멀젼은 바람직하게는 물로 후-희석되어 약 1 내지 약 5 중량% 범위의 함량의 고형분을 제조한다. 그 후, 후-희석된 에멀젼은 바람직하게는 종이 또는 판 기계의 습부, 사이즈 프레스 또는 코터에 첨가되기 전에 천연 또는 합성 양이온성 중합체의 수용액과 혼합된다.
오일 및 물을 유화시키는 벤추리 장치(50)의 한 실시양태는 도 2 내지 4에 도시되어 있다. 도 3은 벤추리 장치(50)의 종단면도이다. 벤추리 장치(50)는 연속상, 예컨대 물이 내부로 도입되는 첫번째 유입구(48)를 갖는다. 연속상은 화살표(54)의 방향으로 벤추리 장치(50)를 통해 흐른다. 연속상 흐름 속도는 첫번째 유입구(48)로부터 더 작은 직경 채널(56)과 원뿔형 구역(58) 내로 가면서 가장 작은 직경 노즐 또는 연속상 노즐(66)로 진입 전까지 증가된다. 연속상 흐름 채널의 모양 및 크기는 변할 수 있다.
벤추리 장치(50)는 예컨대 이에 한정되지는 않지만 사이징제와 같은 분산상이 벤추리 장치(50)로 화살표(62) 방향으로 진입하는 흡입 유입구(52)를 갖는다. 연속상 노즐(66)을 통한 연속상의 흐름으로 인해 흡입 유입구(52)에 진공이 만들어진다.
연속상(예를 들면, 물) 및 분산상(예를 들면, 사이징제)은 일반적으로 원뿔형 챔버(80)에서 혼합되고 혼합상 노즐(60)에 진입한다. 본 발명에서, 혼합상 노즐 직경(d2)은 연속상 노즐 직경(d1)에 비해 1 : 1 초과 내지 4 : 1 미만의 비율로 더 크다. 본 발명의 한 실시양태에서, 도 4와 관련하여, 혼합상 노즐(60)은 연속상 노즐(66)의 직경(d1)의 두 배의 직경(d2)을 갖는다. 연속상 및 분산상은 연속상 노즐(66)과 혼합상 노즐(60) 사이의 원뿔형 혼합 챔버(80) 내에서 와류로 혼합되어 에멀젼 또는 혼합상을 생성한다. 에멀젼은 배출 확산기(82)를 통해 혼합상 노즐(60)을 나가고 화살표(84) 방향으로 벤추리 장치를 나간다. 그렇게 형성된 에멀젼은 챔버(70) 내로 배출된다(도 1 참조).
본 발명에서 에멀젼의 연속상을 연속상 노즐(66)을 통해 고압으로 공급함으로써 에멀젼이 형성된다. 연속상 노즐(66)을 통한 연속상의 흐름은 분산상 유입구(52)에서 벤추리 장치(50)에 대해 낮은 압력의 영역을 생성한다. 연속 및 분산상은 일반적으로 벤추리 장치(50) 내부의 원뿔형 혼합 챔버(80) 내에서 혼합되고 연속상 노즐(66)의 직경(d1)보다 큰 직경(d2)을 갖는 혼합상 노즐(60)로 공급된다. 두 상이한 직경 크기(d2, d1)는 두 제트층을 높은 속도로 생성한다. 밴추리 장치(50)로부터 유화된 생성물은 압력 및 유체 속도가 감소되는 챔버(70) 내로 배출된다. 챔버(70) 또는 챔버(70)로부터의 하류에서, 추가 제제가 에멀젼에 첨가되어 에멀션의 성능을 향상시킬 수 있거나 또는 에멀젼이 물 및/또는 수성 양이온성 중합체 용액으로 희석될 수 있고, 또는 다른 에멀젼 변형이 가능하다. 도 1은 에멀젼이 내부에 침착될 수 있는 임의의 탱크(76)를 추가로 도시한다.
한 대표적인 벤추리 장치(50)는 하기 크기를 갖는다. 도 4와 관련하여, 혼합상 노즐(60)은 약 1.2 mm의 원지름(d2)을 갖고 연속상 노즐(66)은 약 0.7 mm의 원지름(d1)을 갖는다. 별법의 장치에서, 혼합상 노즐(60)은 약 1.8 mm의 원지름(d2)을 갖고 연속상 노즐(66)은 약 1 mm의 원지름(d1)을 갖는다. 도 3과 관련하여, 대표적인 벤추리 장치(50)는 약 90 mm의 전체 길이를 갖는다. 첫번째 유입구(48)는 첫번째 유입구(48) 내로 도입될 연속상을 위해 대략 12.7 mm(0.5 인치) 암나선 원형 개구(threaded female circular opening) 가져 공급 튜브(feeder tube) 또는 관 이음쇠(pipe fitting)(도시하지 않음)를 받아들이도록 형성된다. 첫번째 유입구(48)는 약 20 mm의 길이를 갖고, 더 작은 직경 채널(56)은 약 35 mm의 길이를 갖고, 연속상 액체를 연속상 노즐(66)로 향하게 하는 원뿔형 테이퍼(taper)를 형성하는 말단부를 갖추고 있다. 연속상 노즐(66)은 대략 4 mm의 길이를 갖는다. 혼합상 노즐(60)은 대략 15 mm의 길이를 갖는다.
대표적인 벤추리 장치(50)에서 흡입 유입구(52)는 대략 10 mm의 원지름 및 대략 10 mm의 길이를 갖는다. 흡입 유입구(52)는 분산상 물질을 연속상 및 분산상을 함께 혼합하여 에멀젼 또는 혼합상을 형성하는 원뿔형 챔버(80)으로 이끄는 배관으로 향하게 하는 원뿔형 말단부로 가늘어진다. 원뿔형 챔버(80)는 약 10 mm의 근위 원지름을 갖고 그의 말단부에 있는 혼합상 노즐(60)로 갈수록 가늘어진다.
본 발명에 따른 대표적인 벤추리 장치(50)의 말단부에 있는 배출 확산기(82)는 혼합상(에멀젼)이 벤추리 장치(50)로부터 나가도록 배출 튜브 또는 관 이음쇠(도시하지 않음)의 나사산과 결합할 대략 12.7 mm(0.5인치)의 바깥쪽의 외부 나사산을 가지도록 형성된다. 배출 확산기는 대략 18 mm의 길이 및 약 15 mm의 직경을 갖는 외부 원형 개구를 갖는다. 도 2의 배출 확산기(82)로부터의 벤추리 장치(50)의 입면도는 벤추리 장치(50)가 일반적으로 육각형 또는 외부에 육-면을 갖고, 그러한 외부의 높이 및 너비는 대략 36 mm임을 도시한다.
대표적인 벤추리 장치(50)는 도 3에 도시되어 있는데, 두 기계 부분으로 형성되어있으며, 여기서 첫번째 부분은 벤추리 노즐(66)을 이끄는 첫번째 유입구(48)로 형성되어있고, 두번째 부분은 흡입 유입구(52), 원뿔형 챔버(80), 혼합상 노즐(60) 및 확산기(82)로 형성되어있다. 첫번째 부분은 두번째 부분과 맞물리며 첫번째 부분의 외부 및 두번째 부분의 내부에 형성되어 있는 나사산(77)으로 나사적으로 연결되어있다. 밀봉 고리(78)는 첫번째 부분 및 두번째 부분의 유체-밀착 밀봉에 제공된다.
에멀젼의 연속상은 물-기재 또는 오일-기재일 수 있다. 연속상이 물-기재일 경우, 에멀젼의 분산상은 오일-기재일 수 있다. 연속상이 오일-기재일 경우, 에멀젼의 분산상은 물-기재일 수 있다. 연속 물-기재 상의 예로는 물, 수성 전분 용액 및 중합체 용액을 포함하지만 이들로 한정되지는 않는다. 사이징제의 에멀젼에서 흔히 사용되는 추가 성분, 예컨대 살생물제, 명반, 양이온성 수지, 계면활성제 등은 연속상 공급에 포함될 수 있다. 분산 오일상의 예로는 ASA, AKD 및 중합체를 포함하지만 이들로 한정되지는 않는다. 첨가제 예컨대 계면활성제는 임의로 오일상에 포함될 수 있다.
연속상 공급 압력은 약 10 bar 내지 50 bar, 바람직하게는 약 18 bar 내지 35 bar이다. 혼합상 노즐 크기 대 연속상 노즐 크기의 비율은 1 : 1 초과 내지 4 : 1 미만, 바람직하게는 1.5 : 1 및 2.5 : 1이다. 연속상 노즐의 직경(예를 들면, 도 3의 노즐(66))은 약 10 내지 100 m/s, 바람직하게는 약 40 내지 60 m/s의 흐름 속도를 얻도록 설정된다. 높은 속도는 에멀젼을 순간적으로 형성하는 조건을 생성한다.
연속상 대 분산상의 비율은 점도, 안정성 및 균질성에 대한 에멀젼 요구조건에 맞도록 변한다. 연속상 내 분산상의 농도는 약 2 내지 50 중량%, 바람직하게는 약 4 내지 35 중량%로 변한다. 벤추리 장치의 배출에서 챔버(예를 들면 도 1의 챔버(70))의 직경은 연속상 벤추리 장치 노즐(예를 들면, 도 3의 노즐(66))의 직경의 약 5 내지 100배, 바람직하게는 연속상 노즐(66)의 직경의 약 40 내지 80배이다. 챔버(예를 들면 도 1의 챔버(70)) 내 압력은 약 1 내지 6.7 bar, 바람직하게는 약 1.3 내지 5 bar이다. 분산상 공급 압력은 약 1.3 내지 6.7 bar, 바람직하게는 약 3 내지 4.3 bar이다.
본 발명의 분산상에서 바람직한 종이 사이징 화합물은 셀룰로오스 반응성 종이 사이징 화합물 및 셀룰로오스 비-반응성 종이 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 본 발명의 목적에서, 셀룰로오스-반응성 사이즈는 셀룰로오스의 히드록실 기와의 반응으로 공유 화학 결합의 형성이 가능한 사이즈로 정의되고, 셀룰로오스-비반응성 사이즈는 셀룰로오스와 이들 공유결합을 형성하지 않는 것들로 정의된다.
본 발명에서 사용하기 위한 바람직한 셀룰로오스-반응성 사이즈는 알케닐 숙신산 무수물(ASA), 케텐 이량체 및 다량체, 약 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 유기 에폭시드, 약 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 아실 할라이드, 약 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 지방산으로부터의 지방산 무수물, 약 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 유기 이소시아네이트를 포함한다. 반응성 사이징제의 혼합물 역시 사용될 수 있다.
알케닐 숙신산 무수물(ASA)은 펜던트 숙신산 무수물 기를 함유하는 불포화 탄화수소 쇄로 이루어진다. 그들은 보통 알파 올레핀에서 출발하는 두-단계 방법으로 제조된다. 올레핀은 첫번째로 이중결합을 알파 위치로부터 무작위적으로 이동시켜 이성질화된다. 두번째 단계에서 이정질화된 올레핀은 말레산 무수물과 반응하여 일반식 (1)(하기 참조)의 최종 ASA를 제공한다. 말레산 무수물과의 반응에 사용되는 전형적인 올레핀은 약 8개 내지 약 22개의 탄소 원자를 함유하는 알케닐, 시클로알케닐 및 아랄케닐 화합물을 포함한다. 구체적인 예로는 이소옥타데세닐 숙신산 무수물, n-옥타데세닐 숙신산 무수물, n-헥사데세닐 숙신산 무수물, n-도데실 숙신산 무수물, 이도데세닐 숙신산 무수물, n-데세닐 숙신산 무수물 및 n-옥테닐 숙신산 무수물이다.
Figure 112012017348538-pct00001
알케닐 숙신산 무수물은 본원에 전체로서 참고문헌으로 도입된 미국 특허 제4,040,900호 및 문헌[C. E. Farley 및 R. B. Wasser in The Sizing of Paper, Second Edition, edited by W. F. Reynolds, Tappi Press, 1989, pages 51-62]에 개시되어 있다. 다양한 알케닐 숙신산 무수물은 로스앤젤레스주, 덴헴 스프링스(Denham Springs) 소재의 버센 인크(Bercen, Inc.)에서 상업적으로 입수 가능하다. 본 발명에서 사용하기 위한 알케닐 숙신산 무수물은 바람직하게는 25℃에서 액체이고, 보다 바람직하게는 그들은 20℃에서 액체이다.
바람직한 케텐 이량체 및 다량체는 화학식 (2)(하기 참조)의 물질이며, 여기서 n은 0 내지 약 20의 정수이고, 동일하거나 상이할 수 있는 R 및 R"은 포화 또는 불포화 직쇄 또는 분지된 6개 내지 24개의 탄소 원자를 갖는 알킬 또는 알케닐기며; R'은 약 2개 내지 약 40개의 탄소 원자를 갖는 포화 또는 불포화 직쇄 또는 분지 알킬렌기이다.
Figure 112012017348538-pct00002
본 발명의 방법에서 분산상으로 사용하기 위한 케텐 이량체는 화학식 (2)의 구조를 가지며, 여기서 n = 0이고 동일하거나 상이할 수 있는 R 및 R"은 탄화수소 라디칼이다. 바람직하게는 R 및 R" 기는 직쇄 또는 분지된 6개 내지 24개의 탄소 원자를 갖는 알킬 또는 알케닐기, 6개 이상의 탄소 원자를 갖는 시클로알킬기, 6개 이상의 탄소 원자를 갖는 아릴기, 7개 이상의 탄소 원자를 갖는 아랄킬기, 7개 이상의 탄소 원자를 갖는 알카릴기 및 그들의 혼합물이다. 보다 바람직하게는, 케텐 이량체는 (a) 옥틸, 데실, 도데실, 테트라데실, 헥사데실, 옥타데실, 에이코실, 도코실, 테트라코실, 페닐 벤질, 베타-나프틸 및 시클로헥실 케텐 이량체, 및 (b) 몬탄산, 나프텐산, 9,10-데실렌산, 9,10-도데실렌산, 팔미트올레산, 올레산, 리신올레산, 리놀레산, 엘레오스테아르산과, 코코넛 오일, 바바수 오일, 팜핵 오일, 팜 오일, 올리브 오일, 땅콩 오일, 유채 오일, 우지, 돼지 기름, 고래 기름에서 발견되는 자연적으로 형성된 지방산의 혼합물 및 상기 명시된 임의의 지방산끼리의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 유기산으로부터 제조된 케텐 이량체로 이루어진 군으로부터 선택된다. 가장 바람직하게는 케텐 이량체는 옥틸, 데실, 도데실, 테트라데실, 헥사데실, 옥타데실, 에이코실, 도코실, 테트라코실, 페닐, 벤질, β-나프틸 및 시클로헥실 케텐 이량체로 이루어진 군으로부터 선택된다.
알킬 케텐 이량체는 상업적으로 수년동안 사용되어 왔고 포화 직쇄 지방산 염화물로부터 제조되는 알킬 케텐의 이량체화로 제조되며; 가장 광범위하게 사용되는 것은 팔미트산 및/또는 스테아르산으로부터 제조된다. 순수한 알킬 케텐 이량체는 델라웨어주 윌밍턴 소재의 애쉬랜드(Ashland Inc)사의 애쉬랜드 허큘레스 워터 테크놀로지(Ashland Hercules Water Technologies)의 아쿠아펠(AQUAPEL) 364 사이징제로 입수 가능하다.
본 발명의 방법에서 분산상으로 사용하기 위한 바람직한 케텐 다량체는 화학식 (2)를 가지며, 여기서 n은 1 이상의 정수이고, 동일하거나 상이할 수 있는 R 및 R"은 포화 또는 불포화 직쇄 또는 분지된 6개 내지 24개의 탄소 원자, 바람직하게는 10개 내지 20개의 탄소 원자, 보다 바람직하게는 14개 내지 16개의 탄소 원자를 갖는 알킬 또는 알케닐기이며, R'은 포화 또는 불포화 직쇄 또는 분지된 2개 내지 40개의 탄소 원자, 바람직하게는 4개 내지 8개 또는 28개 내지 40개의 탄소 원자를 갖는 알킬렌기이다.
바람직한 케텐 다량체는 유럽 특허 출원 공보 제0629741호 A1, 및 미국 특허 제5,685,815호 및 제5,846,663호에 기술되어 있으며, 이들 모두는 전체로서 참고문헌으로 본원에 도입된다.
본 발명에서 분산상으로 사용하기 위한 바람직한 케텐 이량체 및 다량체는 25℃에서 고체가 아닌 것들이다(실질적으로 결정성, 반결정성 또는 왁스상 고체가 아닌 것들, 즉, 그들은 가열시 융해열 없이 흐름). 25℃에서 고체가 아닌 케텐 이량체 및 다량체는 미국 특허 제5,685,815호, 제5,846,663호, 제5,725,731호, 제5766,417호 및 제5,879,814호에 기재되어 있으며, 모두 전체로서 참고문헌으로 본원에 도입된다. 25℃에서 고체가 아닌 케텐 이량체는 델라웨어주 윌밍턴 소재의 애쉬랜드 허큘레스 워터 테크놀로지의 프레켈(PREQUEL) 및 프레시스(PRECIS) 사이징제로 입수 가능하다.
본 발명에서 분산상으로 사용하기 위한 다른 바람직한 셀룰로오스-반응성 사이즈는 미국 특허 제5,766,417호에 기술되어 있는 것과 같은 케텐 이량체 또는 다량체와 알케닐 숙신산 무수물의 혼합물이며, 이는 전체로서 참고문헌으로 본원에 도입된다.
본 발명에서 분산상으로 사용하기 위한 셀룰로오스 비-반응성 사이즈는 바람직하게는 95℃ 미만, 바람직하게는 70℃ 미만의 온도에서 자유롭게 흐르는 소수성 물질, 예를 들면 왁스, 로진 에스테르, 탄화수소 또는 테르펜 수지 및 중합체 사이징제를 포함한다.
본 발명의 사이징 에멀젼은 또한 적합하게는 하나 이상의 계면활성제를 함유하여 물에서 그들의 유화를 촉진시키며; 그러한 물질은 당업계에 잘 알려져 있다. 계면활성제 성분은 에멀젼이 제조될 때 사이징제의 물 성분과의 유화를 촉진시킨다. 일반적으로, 계면활성제는 음이온성 또는 비이온성이거나 또는 양이온성일 수 있으며 광범위한 HLB 값을 가질 수 있다.
적합한 계면활성제는 알킬, 아릴, 아랄킬 또는 알케닐 탄화수소 치환기를 함유할 수도 있는 인산화된 에톡실레이트, 술폰화된 생성물 예컨대 지방 알콜 또는 방향족 지방 알콜을 술폰화하여 수득된 것들, 에톡시화된 알킬 페놀 예컨대 노닐 페녹시 폴리에톡시 에탄올 및 옥틸 페녹시 폴리에톡시 에탄올, 폴리에틸렌 글리콜 예컨대 PEG 400 모노올레에이트 및 PEG 600 디라우레이트, 에톡시화된 인산 에스테르, 디알킬 술포숙시네이트 예컨대 나트륨 디옥틸 술포숙시네이트, 폴리옥시알킬렌 알킬 또는 폴리옥시알킬렌 알킬아릴 에테르 또는 상응하는 모노- 또는 디-에스테르, 및 트리알킬 아민 및 그들의 산 및 4차 염 및 아민 수화물 예컨대 올레일 디메틸아민 및 스테아릴 디메틸아민을 포함하지만 이들로 한정되지는 않는다.
바람직한 계면활성제는 사이징제를 유화하여 가장 작은 평균 에멀젼 액적(droplet) 직경 또는 입자 크기를 제공한다. 그러한 에멀젼은 약 2 마이크로미터 또는 미만, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 마이크로미터, 가장 바람직하게는 약 1 마이크로미터 또는 미만의 평균 에멀젼 액적 직경 또는 입자 크기를 가질 수 있다. 액적 크기는 잘 알려진 입자 크기 측정 기술 중 임의로, 예를 들면 현미경, 전통적인 및 준탄성(quasi-elastic) 광 산란, 침강, 디스크 원심분리, 전자대 감지, 침강장(沈降場) 흐름 분획법 및 크로마토그래피 방법으로 편리하게 측정될 수 있다. 전통적으로, 액적 크기는 예컨대 호리바(HORIBA) LA-300 입자 크기 분석기와 같은 기구를 사용하는 광 산란 방법으로 추정될 수 있다.
계면활성제의 양은 당업자에게 잘 알려져 있듯이 사용된 특정 계면활성제 또는 계면활성제 블렌드에 따라 물론 다를 수 있다. 본 발명의 사이징 조성물에 존재하는 계면활성제의 양은 생성된 에멀젼에서 약 2 마이크로미터 또는 미만, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 마이크로미터, 가장 바람직하게는 약 1 마이크로미터 또는 미만의 평균 입자 크기를 달성하는데 요구되는 최소값을 초과하면 안된다. 더 많은 양은 낮은 품질의 에멀젼의 결과인 입자 크기의 분해 및 기기 주행성 문제를 야기할 수 있다. 존재하는 전체 사이징제의 중량을 기준으로 약 0.01 중량% 내지 약 10 중량% 계면활성제가 사용될 수 있다. 바람직하게는 사이징 조성물에 존재하는 계면활성제의 양은 약 0.1 중량% 내지 약 5 중량%이다. 가장 바람직하게는, 사이징 조성물에 존재하는 계면활성제의 양은 약 1.0 중량% 미만이다. 하나 이상의 사이징제 및 하나 이상의 계면활성제를 포함하는 상업적으로 입수 가능한 혼합물, 예컨대 델라웨어주 윌밍턴 소재의 애쉬랜드사에서 입수 가능한 프레켈 20F 또는 프레켈 90F 사이징제가 본 발명의 사이징 에멀젼을 형성하는데 손쉽게 사용될 수 있다.
수중유 에멀젼, 예컨대 사이징제의 에멀젼에서, 연속상은 물 또는 천연 또는 합성 중합체의 수용액일 수 있다. 물이 바람직하다. 만약 연속상이 물이면, 에멀젼의 물로의 후 희석으로 원하는 고형분 함량에 도달한 후, 천연 또는 합성 중합체의 수용액으로 추가 희석을 하는 것이 추천된다. 사이징제의 수중유 에멀젼의 형성의 사용에 적합한 양이온성 중합체는 에멀젼의 분산상의 입자에 양성 표면 전하를 부여하는 임의의 수용성 질소-함유 양이온성 중합체를 포함한다. 그러한 양이온성 중합체는 전형적으로 4차 암모늄 화합물; 에틸렌성 불포화 아민의 동종중합체 또는 공중합체; 에피할로히드린 및 폴리아미노폴리아미드의 수지성 반응 생성물, 알킬렌폴리아민, 폴리(디알릴아민), 비스아미노프로필피페라진, 디시안디아미드(또는 시안아미드)-포름알데히드 축합물, 및 디시안디아미드(또는 시안아미드)-비스-아미노프로필피페라진 축합물; 및 양이온성 전분이다. 양이온성 전분은 전분을, 전체적으로는, 실질적으로 셀룰로오스를 녹이기 위한 충분한 아미노기, 4차 암모늄 또는 다른 양이온성기를 함유하는 수용성 전분이다. 양이온성 전분이 바람직하다. 비-양이온성 중합체 또한 사용될 수 있다.
사이징 조성물에서 양이온성 중합체의 사용은 일반적으로 두마스(Dumas)의 미국 특허 제4,240,935호, 제4,243,481호, 제4,279,794호, 제4,295,931호, 제4,317,756호, 제4,522,686호, 바이스게르버(Weisgerber)의 미국 특허 제2,961,366호, 및 미국 특허 제5,853,542호(보토프(Bottorff))에 기술되어 있다. 양쪽성 중합체, 예컨대 미국 특허 제7,270,727호(바르넬(Varnell))에 기재된 것들 또한 사용될 수 있다. 이들 각각의 특허의 내용 전체는 본원에 참고문헌으로 도입된다.
사용된 양이온성 중합체의 최소량은 양이온성 분산액을 녹이는데 충분해야 한다. 사용된 양은 수행된 특정 중합체의 물 용해도 및 양이온 강도, 및 다른 변수, 예컨대 물 품질에 따라 다를 수 있다.
천연 또는 합성 중합체의 양은 사용된 셀룰로오스-반응성 사이즈의 중량 백분율로 표현될 수 있다. 바람직하게는, 중합체는 셀룰로오스-반응성 사이즈의 중량의 약 0.1 내지 약 400 중량%, 보다 바람직하게는 셀룰로오스-반응성 사이즈의 중량의 약 2 내지 약 100 중량%, 가장 바람직하게는 셀룰로오스-반응성 사이즈의 중량의 약 10 내지 약 30 중량%이다. 이 양은 특정 종이 생산 분야의 요구 조건에 따를 것이다.
후-희석에 사용된 수용액의 온도는 일반적으로 약 50℃ 미만이지만, 용도에 따라 더 높을 수 있다. 수용액의 pH는 용도에 따라 변한다. pH는 약 4 내지 8의 범위일 수 있다. 후-희석은 일반적으로 낮은 전단 조건, 예를 들면 기기, 예컨대 원심 펌프, 정적 인-라인 혼합기, 연동 펌프, 오버헤드 교반기 또는 그의 조합물에 의해 생성된 전단 조건 하에서 수행된다.
본 발명에 의해 제조된 사이징제 에멀젼은 사이징 에멀젼이 제지 공정의 습부 내 펄프 슬러리에 첨가되는 종이 또는 판지의 내부 사이징, 사이징 분산액이 사이즈 프레스 또는 코터에 적용되는 종이 또는 판지의 표면 사이징에 사용될 수 있다. 본 발명은 또한 2-부 사이징 시스템의 한 부분 또는 양 부분 모두에 사용될 수 있다. 예를 들면 첫번째 부분이 나무 펄프와 내부로 혼합되고 두번째 부분이 사이즈 프레스에 도포될 수 있는 것은 제지에서 흔한 관행이다.
제품(stock)에 첨가된 또는 표면 사이즈로 적용된 사이징제의 양은 제품, 즉 섬유 및 임의의 충전재의 건조 함량을 기준으로 약 0.005 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.01 내지 1 중량%이며, 여기서 투여량은 주로 사이징될 펄프 또는 종이의 품질, 사용된 사이징 화합물 및 원하는 사이징 수준에 따른다.
종이 또는 판 생산에서 통상적으로 제품에 첨가되는 화학 물질, 예컨대 가공 조제(processing aid)(예를 들면, 보류 향상제, 배수 향상제, 오염물질 조절 첨가제 등) 또는 다른 기능적 첨가제(예를 들면, 습윤 또는 건조 강도 첨가제, 염료, 광학 증백제 등)가 본 발명의 사이징제와 함께 조합으로 사용될 수 있다.
본 발명은 지금까지는 사이징제를 포함할 수 있는 분산상과 관련하여 기술되었다. 별법으로, 본 발명의 벤추리 장치(50)는 또한 제지 공정에서 흔히 사용되는 역상 에멀젼 중합체를 아래로 내리는데(make-down) 사용될 수 있다. 역상 에멀젼 중합체는 계면활성제로 더 흔히 알려진 표면 활성제를 사용하여 제조되고 안정화된다. 이용된 계면활성제는 중합 전에 오일상에서 수용성 단량체의 유화를 가능케 하고 생성된 에멀젼 중합체에 안정성을 제공할 것이다. 침전(settling), 시간에 따른 점도의 미세 변화 및 조기 역전에 대한 내성을 포함하는 안정성은, 중합 방법 동안 안정적인 에멀젼에 대한 요구는 말할 필요도 없이, 강한 에멀젼 안정화 배합물(package)을 요구한다.
에멀젼의 역전은, 상이 반전되는, 사용 전 방법과 관련이 있고 중합체는 불연속상으로부터 방출된다. 큰 부피의 수용액이 첨가되어 이전에 분산된 수성상의 유착이 용액 내 중합체의 분산을 야기하는 연속 수성(물) 상을 생성하여, 용액의 점성화(viscosification)를 야기한다. 역전은 "파괴 계면활성제"로 지칭되는 계면활성제의 에멀젼에의 첨가로 보조되어, 비교적 큰 부피의 물이 합해질 경우, 유중수 에멀젼과 어느 수준의 교반 또는 전단을 사용하여 본래 에멀젼 안정화 시스템을 파괴하는데 도움을 준다. 이는 에멀젼의 역전 또는 상 반전을 야기하는 이들 세 인자, 분산상의 큰 부피, 전단력 및 파괴 게면활성제(들)의 공동 작용이다. 게다가, 중합체는 현재 다른 수성상 물질과 반응하는 것이 가능하다. 비교적 더 작은 양의 오일(본래 에멀젼의 20 내지 40 중량)은 물 상에 분산되고, 여기서 큰 부피의 수용액의 첨가 때문에 오일은 미량 성분이다.
중합체는 수용액으로 역전되며, 그렇게 형성된 활성 중합체의 농도는 전형적으로 약 0.1 중량% 내지 약 1.5 중량%의 범위이다. 사용된 농도는 수화학(water chemistry) 및 온도, 용액 점도, 공급 속도 및 기기 크기 및 유속을 포함하지만 이들로 한정되지는 않는 수많은 인자에 달려있다.
에멀젼 중합체는 집중적인 물의 흐름 및 순수한 에멀젼을 원하는 농도에서 벤추리 장치(50)를 통해 향하게 함으로써 수용액으로 역전될 수 있다. 역전에서, 연속상은 물이며, 벤추리 장치(50)의 첫번째 유입구(48)를 통해 도입되고, 분산상은 에멀젼 중합체 또는 순수한 에멀젼이며, 벤추리 장치(50)의 흡착 유입구(52)를 통해 도입된다. 연속상 압력은 약 10 내지 40 bar, 바람직하게는 약 15 내지 25 bar의 범위일 수 있고, 연속상 흐름 속도는 약 10 내지 50 m/s, 바람직하게는 약 25 내지 35 m/s일 수 있다. 생성된 혼합물은 그 후 혼합 단계, 예컨대 정적 혼합기 또는 기계적 펌프를 통과하며, 여기서 혼합 작용은 역전 방법을 향상시킨다. 수용액을 그 후 전형적으로 탱크 내로 이동시키며, 균질할 때 까지 혼합한다. 연속 시스템에서, 탱크로의 이동 단계는 제거되어있다.
추가 희석수는 전형적으로 방법에 도입 직전에 역전된 중합체 용액에 첨가되어 중합체의 분산을 보조한다.
실시예
실시예 1.
150 l/h로 물을 연속상으로서 예컨대 도 2 내지 4에 도시된 벤추리 장치의 첫번째 유입구 내로 공급했다. 물 공급 압력은 30 bar였다. 연속상 노즐 직경(예를 들면 도 3에 있는 노즐(66)의 직경)은 1 mm였다. 프레켈 20F 사이징제(ASA) 분산상을 진공에 의해 벤추리 장치의 흡입 유입구로 15 kg/h로 공급했다. 혼합상 노즐 직경(예를 들면 도 3에 있는 노즐(60)의 직경)은 2 mm였다. 벤추리 속도는 연속상 노즐 내에서 53 m/s였다. 에멀젼은 0.67 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가졌다.
실시예 2.
170 l/h로 물을 연속상으로서 예컨대 도 2 내지 4에 도시된 벤추리 장치의 첫번째 유입구 내로 공급했다. 물 공급 압력은 30 bar였다. 연속상 노즐 직경(예를 들면 도 3에 있는 노즐(66)의 직경)은 1 mm였다. 프레켈 20F 사이징제(ASA) 분산상을 진공에 의해 벤추리 장치의 흡입 유입구로 27 kg/h로 공급했다. 혼합상 노즐 직경(예를 들면 도 3에 있는 노즐(60)의 직경)은 2 mm였다. 벤추리 속도는 연속상 노즐 내에서 60 m/s였다. 에멀젼은 0.67 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가졌다.
실시예 3
80 l/h로 물을 연속상으로서 예컨대 도 2 내지 4에 도시된 벤추리 장치의 첫번째 유입구 내로 공급했다. 물 공급 압력은 31 bar였다. 연속상 노즐 직경(예를 들면 도 3에 있는 노즐(66)의 직경)은 0.8 mm였다. 프레켈 20F 사이징제(ASA) 분산상을 진공에 의해 벤추리 장치의 흡입 유입구로 8 kg/h로 공급했다. 혼합상 노즐 직경(예를 들면 도 2에 있는 노즐(60)의 직경)은 1.6 mm였다. 벤추리 속도는 연속상 노즐 내에서 44 m/s였다. 에멀젼은 0.82 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가졌다.
실시예 4 (비교)
180 l/h로 물을 연속상으로서 예컨대 도 2 내지 4에 도시된 벤추리 장치의 첫번째 유입구 내로 공급했다. 물 공급 압력은 32 bar였다. 연속상 노즐 직경(예를 들면 도 3에 있는 노즐(66)의 직경)은 1 mm였다. 프레켈 20F 사이징제(ASA) 분산상을 진공에 의해 벤추리 장치의 흡입 유입구로 15 kg/h로 공급했다. 혼합상 노즐 직경(예를 들면 도 3에 있는 노즐(60)의 직경)은 1 mm였다(연속상 노즐 및 혼합상 노즐에 대해 동일한 직경). 벤추리 속도는 혼합상 노즐에서 63 m/s였다. 에멀젼은 분리상 : 물 및 ASA 액적에서 거의 즉시 분산되었다. 입자 크기 분포는 측정 불가능했다.
실시예 5
160 l/h로 물을 연속상으로서 예컨대 도 2 내지 4에 도시된 벤추리 장치의 첫번째 유입구 내로 공급했다. 물 공급 압력은 30 bar였다. 연속상 노즐 직경(예를 들면 도 3에 있는 노즐(66)의 직경)은 1 mm였다. 프레켈 90F 사이징제(델라웨어주 윌밍턴 소재의 애쉬랜드 허큘레스 워터 테크놀로지에서 입수 가능한 AnKD) 분산상을 진공에 의해 벤추리 장치의 흡입 유입구로 30 kg/h로 공급했다. 혼합상 노즐 직경(예를 들면 도 3에 있는 노즐(60)의 직경)은 2 mm였다. 벤추리 속도는 연속상 노즐 내에서 57 m/s였다. 에멀젼은 0.8 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가지며 안정했다.
실시예 6
90 l/h로 물을 연속상으로서 예컨대 도 2 내지 4에 도시된 벤추리 장치의 첫번째 유입구 내로 공급했다. 물 공급 압력은 30 bar였다. 연속상 노즐 직경(예를 들면 도 3에 있는 노즐(66)의 직경)은 0.8 mm였다. 프레켈 20F 사이징제(ASA) 분산상을 진공에 의해 벤추리 장치의 흡입 유입구로 30 kg/h로 공급했다. 혼합상 노즐 직경(예를 들면 도 3에 있는 노즐(60)의 직경)은 2.4 mm였다. 벤추리 속도는 연속상 노즐 내에서 50 m/s였다. 에멀젼은 1.15 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가지며 안정했다.
실시예 7
180 l/h로 물을 연속상으로서 예컨대 도 2 내지 4에 도시된 벤추리 장치의 첫번째 유입구 내로 공급했다. 물 공급 압력은 30 bar였다. 연속상 노즐 직경(예를 들면 도 3에 있는 노즐(66)의 직경)은 1.2 mm였다. 프레켈 20F 사이징제(ASA) 분산상을 진공에 의해 벤추리 장치의 흡입 유입구로 30 kg/h로 공급했다. 혼합상 노즐 직경(예를 들면 도 3에 있는 노즐(60)의 직경)은 1.6 mm였다. 벤추리 속도는 연속상 노즐 내에서 44 m/s였다. 에멀젼은 0.8 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가지며 안정했다.
본 발명은 그것의 특정 실시예와 관련하여 기술되었지만, 수많은 다른 형태 및 변형이 당업자에계 명백할 것임은 분명하다. 첨부된 청구항 및 본 발명은 일반적으로 본 발명의 실질 범위 내에 있는 그러한 모든 명백한 형태 및 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (18)

  1. 연속상 노즐(66) 및 분산상 유입구(52)를 갖는 벤추리 장치(50)를 포함하고, 여기서, 연속상 노즐이 연속상 흐름을 벤추리 장치의 혼합 구역(80) 내로 향하게 하는 첫번째 직경(d1)을 가지고, 분산상 유입구가 분산상을 혼합 구역 내로 도입하여 분산상 및 연속상의 에멀젼을 형성하며; 상기 벤추리 장치가 에멀젼이 혼합 구역으로부터 벤추리 장치의 배출구를 향하는 두번째 직경(d2)을 갖는 혼합상 노즐(60)을 가지고,
    상기 벤추리 장치(50)의 상기 두번째 직경(d2)이 상기 첫번째 직경(d1)에 비해 1 : 1 초과 내지 4 : 1 미만의 비율로 더 크며,
    상기 연속상이 10 bar 내지 50 bar의 압력으로 도입되고,
    상기 연속상이 연속상 노즐을 통과하면서 10 내지 100 m/s의 범위의 속도를 가지는 것을 특징으로 하는,
    수중유 또는 유중수를 유화시키는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 연속상을 벤추리 장치(50) 내로 펌핑하는 펌프(22)를 추가로 포함하는 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연속상이 물 또는 전분 수용액 또는 중합체 용액을 포함하는 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 분산상이 하나 이상의 역상 에멀젼을 포함하는 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 분산상이 하나 이상의 셀룰로오스 비-반응성 종이 사이징 화합물 또는 셀룰로오스 반응성 종이 사이징 화합물을 포함하는 시스템.
  6. 물을 함유하는 연속상을 압력 하에 벤추리 장치(50) 내로 도입하는 단계이며, 여기서 상기 벤추리 장치가 상기 연속상을 혼합 구역(80) 내로 향하게 하는 첫번째 직경(d1)의 연속상 노즐(66)을 갖는 것인 단계;
    하나 이상의 사이징제를 함유하는 분산상을 벤추리 장치의 혼합 구역(80)으로 도입하여 분산상 및 연속상의 에멀젼을 형성하는 단계; 및
    상기 벤추리 장치에서 두번째 직경(d2)을 갖는 혼합상 노즐(60)을 통해 에멀젼을 통과시키는 단계
    를 포함하며,
    상기 벤추리 장치의 혼합상 노즐 직경(d2)이 상기 연속상 노즐 직경(d1)에 비해 1 : 1 초과 내지 4 : 1 미만의 비율로 더 크고,
    상기 연속상이 10 bar 내지 50 bar의 압력에서 도입되고,
    상기 연속상이 연속상 노즐을 통과하면서 10 내지 100 m/s의 속도를 갖는 것을 특징으로 하는,
    종이 또는 판지를 처리하는데 사용하기 위한 사이징제를 유화시키는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 연속상이 물 또는 전분 수용액 또는 중합체 용액을 포함하는 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 분산상이 셀룰로오스 비-반응성 종이 사이징 화합물 또는 셀룰로오스 반응성 종이 사이징 화합물을 포함하는 방법.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 분산상이 추가로 하나 이상의 계면활성제를 상기 분산상의 0.1 중량% 내지 5 중량%의 양으로 포함하는 방법.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 에멀젼이 2 마이크로미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 방법.
  11. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 에멀젼의 연속상 내 분산상의 농도가 2 내지 50 중량%인 방법.
  12. 제6항 또는 제7항에 있어서, 에멀젼을 후-희석하는 단계 및 후-희석된 에멀젼을 습부(wet end)에, 또는 종이 또는 판지 제조 시스템을 위한 사이즈 프레스 또는 코터에 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  13. 물을 함유하는 연속상을 압력 하에 벤추리 장치(50) 내로 도입하는 단계이며, 여기서 상기 벤추리 장치가 상기 연속상을 혼합 구역(80) 내로 향하게 하는 첫번째 직경(d1)의 연속상 노즐(66)을 갖는 것인 단계;
    하나 이상의 역상 에멀젼을 함유하는 분산상을 벤추리 장치의 혼합 구역(80) 내로 도입하여 분산상 및 연속상의 에멀젼을 형성하는 단계;
    상기 밴추리 장치에서 두번째 직경(d2)을 갖는 혼합상 노즐(60)을 통해 에멀젼을 통과시키는 단계
    를 포함하며,
    상기 벤추리 장치의 상기 혼합상 노즐 직경(d2)이 상기 연속상 노즐 직경(d1)에 비해 1 : 1 초과 내지 4 : 1 미만의 비율로 더 크고,
    상기 연속상의 압력이 10 bar 내지 40 bar의 범위이고,
    상기 연속상이 연속상 노즐을 통과하면서 10 내지 50 m/s의 속도를 갖는 것을 특징으로 하는,
    역상 에멀젼을 반전시키는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 역상 에멀젼이 종이 또는 판지 제조 시스템에서의 사용을 위해 하나 이상의 보류 및 배수 향상제를 포함하는 방법.
  15. 제5항에 있어서, 상기 셀룰로오스 비-반응성 종이 사이징 화합물 또는 셀룰로오스 반응성 종이 사이징 화합물이, 알케닐 숙신산 무수물(ASA), 알킬 케텐 이량체(AKD), 케텐 이량체, 케텐 다량체, 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 유기 에폭시드, 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 아실 할라이드, 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 지방산으로부터의 지방산 무수물, 또는 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 유기 이소시아네이트인 것인, 시스템.
  16. 제8항에 있어서, 상기 셀룰로오스 비-반응성 종이 사이징 화합물 또는 셀룰로오스 반응성 종이 사이징 화합물이, 알케닐 숙신산 무수물(ASA), 알킬 케텐 이량체(AKD), 케텐 이량체, 케텐 다량체, 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 유기 에폭시드, 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 아실 할라이드, 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 지방산으로부터의 지방산 무수물, 또는 12개 내지 22개의 탄소 원자를 함유하는 유기 이소시아네이트인 것인, 방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 연속상의 압력이 15 bar 내지 25 bar의 범위인 것인, 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 연속상이 연속상 노즐을 통과하면서 25 내지 35 m/s의 속도를 갖는 것인, 방법.
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