MX2012005071A - Aplicacion superficial de polimeros y mezclas de polimeros para mejorar la resistencia del papel. - Google Patents

Abstract

Se describen las composiciones de revestimiento estables, útiles para mejorar la resistencia en seco. Las composiciones comprenden una solución acuosa de polímero casi neutro, polímero catiónico y almidón. También se describe el método para utilizar la composición de revestimiento para mejorar la resistencia en seco del papel.

Description

APLICACIÓN SUPERFICIAL DE POLÍMEROS Y MEZCLAS DE POLÍMEROS PARA MEJORAR LA RESISTENCIA DEL PAPEL CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a aditivos para papel con resistencia aplicada a la superficie y a un método para preparar estos aditivos. Particularmente, esta invención se refiere a composiciones poliméricas que comprenden una mezcla de polímero de acrilamida casi neutra con un polímero catiónico. Junto con el almidón aplicado a la superficie, estos aditivos proporcionan papel con excelente resistencia al estallido, resistencia a la compresión, y otras de tales propiedades .

ANTECEDENTES DE LA TÉCNICA La economía y la necesidad ambiental están impulsando a la industria papelera a incrementar su uso de fibras recicladas. Entre las ventajas de utilizar papel reciclado se encuentra el ahorro de costos, menos refinamiento, fácil disponibilidad, y sustentabilidad ambiental. Sin embargo, incrementar el número de pasos a través del proceso de reciclado, hace progresivamente más cortas y más rígidas las fibras recicladas resultando en disminución en la resistencia de pulpa y también en la resistencia de unión de fibra-fibra. La resistencia es un parámetro integral para el grado de embalaje del papel. Una manera para recuperar la resistencia perdida durante los proceso de reciclado, es a través de un refinamiento adicional, pero en el caso de fibras recicladas, el proceso de refinamiento tiene una ventana muy limitada. Otro procedimiento es la utilización de elementos químicos para resistencia durante el proceso de elaboración del papel. Sin embargo, la interferencia con los aditivos reciclados, la formación uniforme de papel, el drenaje, y la productividad son los principales factores que necesitan tomarse en cuenta.

Los aditivos se agregan a la suspensión de pulpa antes de la formación de la hoja para mejorar la operatividad de la máquina, la productividad, y las propiedades del papel. Esto incluye aditivos de resistencia en húmedo y en seco (por ejemplo, poliacrilamidas catiónicas y aniónicas, poliamidas funcionalizadas con epihalohidrina, polivinilaminas ) , retención y auxiliares de drenaje (por ejemplo, alumbre, polietileniminas ) , desespumantes, rellenadores que controlan el tono y engomados . También se agregan diversos agentes de encolado, tales como colofonia, dímero de alquil ceteno (AKD) , o anhídrido alquil succínico (ASA) , que imparten propiedades hidrofóbicas .

Los aditivos finales en húmedo comunes para mejorar la resistencia en seco de la hoja terminada, son almidón o goma guar. La modificación del almidón para mejorar su rendimiento ha sido bien documentada. La selección y tipo de almidón para la aplicación de resistencia varía de región a región y depende de su costo y disponibilidad. (Véase "Almidón y Productos de Almidón en Revestimiento de Papel", R. L. Kearney y H. W. Maurer, Ed. 1990) .

Se ha empleado el almidón de reticulación para mejorar sus propiedades que incrementan la resistencia. Por ejemplo, Huang et al., describe el uso de boro que contiene compuestos para reticular el almidón durante el proceso de elaboración de papel, resultando en propiedades físicas y mecánicas mejoradas (WO 2004/027,149 Al). La composición de almidón reticulada comprende un producto de reacción formado al hacer reaccionar la suspensión de almidón con ácido bórico o borato de zinc durante el proceso de gelatinización.

La Patente Estadounidense 6,303,000 otorgada a Floyd et al., describe composiciones de almidón gelatinizadas reticuladas con una resina de glioxal y el uso de la misma en la elaboración de papel. Durante el proceso de gelatinización de almidón, el almidón se hace reaccionar con glioxal bloqueada lo que resulta en reticulación de almidón y esta mezcla se agrega a la suspensión de pulpa antes de la formación de la hoja. La laminación de estos compuestos de reticulación de almidón particulares es que la resistencia a la compresión puede mejorarse, mientras que la resistencia a la perforación tiende a tolerarse.

Los aditivos de resistencia que se agregan al final en húmedo para mejorar la resistencia de papel, especialmente en papel elaborado de fibras recicladas, incluye acrilamida anfotérica basada en polímeros y tecnología coacervada. Un ejemplo de lo anterior se describe en la Patente Estadounidense 5,698,627, expedida para Oguni, que enseña la síntesis de acrilamida basada en copolímeros anfotéricos que proporciona liberalidad, retención, y resistencia en seco de papel base corrugado y reciclado. Un ejemplo de tecnología coacervada se describe en la Patente Estadounidense 6,294,645. Esta resistencia en seco final en húmedo se encuentra comprendida de una poliamidoamina-epiclorhidrina de carga baja y una poliacrilamida, agregada secuencialmente a la suspensión de pulpa.

La polivinilamina se ha utilizado como aditivo de resistencia en seco y en húmedo, y un auxiliar de retención y drenaje en los procesos de elaboración de papel. Debido a la alta densidad de la funcionalidad amina, este polímero posee densidad de carga superior y últimamente ha mejorado la unión de hidrógeno entre la fibra de celulosa y la cadena polimérica, Weisgerber et al. en la Patente Estadounidense 2,721,140 describe el uso de polivinilamina, preparada por la hidrólisis de N-ftalimida de polivinilo, como un aditivo de resistencia en húmedo para elaboración de papel. La Patente Estadounidense 5,961,782 expedida para Luu et al., describe el uso de polivinilamina para elaborar formulaciones de adhesivo de plisado reticulables . Niessner et al., en la Patente Estadounidense 6,159,340, describe el uso de polivinilamina como aditivo de resistencia en seco y en húmedo en la producción de papel y cartón. Las Patentes Estadounidenses 4,421,602, 6,616,807 y 6,797,785 describe el uso de polivinilaminas como auxiliares de drenaje, floculantes, y auxiliares de retención en el proceso de elaboración de papel .

La interferencia con el exceso de basura aniónica viene a través de proceso de reciclado acoplado con la calidad de fibra deficiente, demanda niveles de aditivo significativamente incrementados. Además del alto costo, los aditivos finales en húmedo alcanzan una meseta de rendimiento, es decir, un elemento químico adicional no proporcional al rendimiento incrementado. Los practicantes de la elaboración de papel han superado estas limitaciones al aplicar aditivos después de la formación del papel. Las técnicas empleadas incluyen prensa de encolado medida, prensa de encolado puddle, aspersión, revéstidor de rodillo, revestidor de cuchilla, y revestidor de cuchillo de aire. Los aditivos de encolado de revestimiento o superficie comúnmente empleados, son emulsiones poliacrílicas , emulsiones de poli (estireno-co-butadieno) con diversos tamaños de partícula, poli(acetato de vinilo) , y alcohol polivinílico .

Debido a que estos aditivos tienen buenas propiedades de formación de película, se utilizan típicamente para impartir una cierta cantidad de resistencia a diversos líquidos . Un ejemplo de este procedimiento se proporciona en la Patente Europea 1,824,937.

El aditivo superficial más comúnmente aplicado es almidón. El exceso de uso de almidón puede tener impactos negativos en otras propiedades del papel , como el agrietamiento por pliegue, y también productividad, por ejemplo, un secado con mayor energía. Puesto que la aplicación de prensa de encolado de almidón es una operación en la máquina, cualquier problema que interfiera con la operación de la prensa de encolado tiene el potencial para interferir con la operación de la máquina de papel completa.

La cantidad de almidón que puede aplicarse durante el tratamiento con una prensa de encolado de una hoja de papel (es decir, la captación en húmedo de la hoja) es dependiente de las condiciones de la prensa de encolado, la viscosidad de la solución de almidón y la penetración de la solución de almidón en la hoja de papel (US 4,191,610 expedida para Prior) . Las modificaciones del almidón de la prensa de encolado usualmente introducen funcionalidad a la molécula de almidón, y pueden disminuir su viscosidad. La cantidad máxima de almidón modificada que puede económica y prácticamente aplicarse durante el tratamiento con prensa de encolado es de alrededor de 10 g/m2 y para almidón no modificado o nativo o de alta viscosidad el máximo es de 5 g/m2. La Patente Estadounidense 5,242,545 describe el funcionamiento del tratamiento con prensa de encolado a temperaturas más altas y el incremento de la presión de contacto de la prensa de encolado, la carga de almidón puede incrementarse a 17-20 g/m2. Además, la O 2006/027,632 A2 enseña que el lignosulfonato , contenido en la corriente de desechos de licor negro de un proceso de producción de pulpa típico, puede mezclarse con almidón para disminuir la viscosidad de la solución de la prensa de encolado y permitir la aplicación de un contenido sólido más alto en papel durante el tratamiento de prensa de encolado, ayudando a conservar energía durante el proceso de secado de la hoja.

La Patente Estadounidense 7,217,316 enseña un proceso para oxidizar la proteína de la harina procedente de las plantas para producir una composición de revestimiento para mejorar la resistencia en el papel. Aunque la fuerza de rendimiento de la composición descrita muestra eficiencia mejorada sobre el almidón o almidón oxidizado, los niveles de la composición de revestimiento descritos para tal efecto son 6-12 g/m2.

La Patente Estadounidense 5,281,307 expedida para Smigo, describe el uso de alcohol vinílico y copolímero de polivinilamina reticulado utilizando glioxal para una aplicación terminal en seco. La inmersión del papel filtro Whatman en la solución polimérica y el secado subsecuente mostró un mejoramiento en las propiedades del papel.

De los aditivos de resistencia final en húmedo antes mencionados muchos han encontrado utilidad en el final en seco. Mientras que los componentes de un sistema de resistencia de final en húmedo se agregan subsecuentemente a una suspensión de pulpa, que modera las incompatibilidades potenciales entre los componentes, cada componente de un sistema de aditivo de resistencia aplicada a la superficie necesita combinarse en una sola solución estable y simple. Como el almidón es casi siempre un componente de un sistema de resistencia en seco, otros componentes necesitan mostrar estabilidad de la solución cuando se combinan con el almidón, es decir, sin precipitación, sin formación de gel, o incrementos de viscosidad severos. Elementos químicos de liberación de Glioxal y los polímeros que contienen glioxal puede esperarse que sean compatibles como su activación reticulante típicamente requiere temperaturas no encontradas hasta la sección de secado de una máquina de papel (Solicitud de Patente Estadounidense 2005/0161182 Al) . Otro ejemplo de reticulación de aditivos con resistencia en seco se describe en la solicitud de Patente Estadounidense 2009/0020249 en donde la aplicación superficial de poli (ácido acrílico) con sustancias inorgánicas, por ejemplo, óxido de zinc, se describe. La Solicitud de Patente Estadounidense 2005/0287385 describe una composición de revestimiento de látex de estireno-butadieno que proporciona resistencia de compresión mejorada cuando se aplica al papel sustancialmente en seco ya formado. La Patente Estadounidense 7,482,417 describe un agente de resistencia en seco aplicado a la superficie comprendido de un copolímero de acrilamida anfoterico. Cuando el almidón aplicado a la superficie es aniónico, la combinación con los agentes de resistencia en seco, altamente catiónicos, por ejemplo, polivinilamina, un precipitado, o gel pueden formarse.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a una composición de resistencia en seco estable y su aplicación a un sustrato de papel ya formado. Específicamente, la composición de revestimiento se comprende de: componente A de poliacrilamida casi neutra, componente B un polímero catiónico preparado a partir de monómeros que soportan la funcionalidad amina, y componente C almidón. El polímero de acrilamida casi neutra es un copolímero con menos del 5 por ciento molar de funcionalidad aniónica o menos de 5 por ciento molar de funcionalidad catiónica. El polímero catiónico se prepara a partir de monómeros vinílicos que soportan la funcionalidad amina o monómeros vinílicos que contienen funcionalidad amina naciente. El componente de almidón de esta composición puede ser nativo o modificado y obtenido a partir de una variedad de fuentes de plantas naturales. También se describe un proceso para elaborar papel con resistencia en seco mejorada, utilizando la composición de revestimiento.

El componente B puede prepararse de un monómero de vinilo o de alilo que soporta la funcionalidad amina.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención proporciona composiciones, que cuando se aplican a un sustrato de papel formado; mejora la resistencia en seco de tal elemento. La composición comprende una mezcla estable de uno o más polímeros, por lo menos uno de los cuales puede ser un polímero cargado, con almidón. Específicamente, la composición contiene el componente A, una acrilamida a base de polímero casi neutra, el componente B, un polímero catiónico preparado a partir de un monómero que soporta la funcionalidad amina, y componente C de almidón, ya sea nativo o derivatizado .

En una modalidad preferida, el componente B, el polímero catiónico, se prepara a partir de monómero de vinilo que soporta la funcionalidad amina.

Lo que se entiende por un polímero de acrilamida casi neutra es un copolímero acrilamida no iónico a ligeramente aniónico o ligeramente catiónico. El polímero contiene menos de 5 por ciento molar de monómeros aniónicos, de preferencia menos de 3 por ciento molar, de preferencia menos de 2 por ciento molar, de mayor preferentemente menos de 1 por ciento molar. La cantidad de funcionalidad aniónica en la poliacrilamida casi neutra se conoce a partir de la cantidad de monómero aniónico agregado durante la polimerización o mediante el análisis del copolímero o hidrólisis parcial de poliacrilamida. Alternativamente, la acrilamida basada casi neutra contiene menos de 5 por ciento molar de monómeros catiónicos, de preferencia menos de 3 por ciento molar, de mayor preferencia menos de 2 por ciento molar, de mayor preferentemente menos de 1 por ciento molar.

En una modalidad preferida, el polímero de acrilamida casi neutra es aniónico.

La preparación de acrilamida basada en homopolímeros y copolímeros con monómeros vinílicos funcionales se conoce bien por aquellos con experiencia en la técnica. La polimerización radical de acrilamida por un método que utiliza el sistema de iniciación que genera radicales libres es bien conocida y documentada. Dos clases de iniciadores de polimerización radical comúnmente utilizados se prefieren para su uso en la preparación de la composición descrita; disociadores de reducción-oxidación y disociación hemolítica, térmica. La categoría anterior incluye iniciadores que contienen azo o peróxido, por ejemplo diclorhidrato de 2 , 2 ' -azobis (2-metilpropionamidina) , 2,2'-azobis (2-metilpropionitrilo) , peróxido de benzoilo, hidroperóxido de ter-butilo, y peróxido de ter-butilo. La última categoría incluye combinaciones de oxidantes (sales de persulfato, peróxidos y sales de percarbonato) con agentes reductores apropiados, tal como sales ferrosas o de sulfito. Se describen un método para obtener acrilamida que contiene polímeros y copolímeros de peso molecular y polidispersidad adecuada para su uso en esta invención, por ejemplo, en la Patente Estadounidense 5,543,446 y la Patente Estadounidense 6,939,443. La carga aniónica de las composiciones descritas en estas referencias es, sin embargo, demasiado grande para ser adecuada para esta invención.

Los polímeros basados en acrilamida casi neutra, adecuados para el componente A abarcan un margen de pesos moleculares de 5000 a alrededor de 500,000 Daltons, de preferencia 10,000 a alrededor de 300,000, de preferencia de alrededor de 30,000 a alrededor de 300,000 Daltons, de preferencia de alrededor de 30,000 a alrededor de 150,000 Daltons, de preferencia de alrededor de 50,000 a alrededor de 130, 000 Daltons .

El polímero casi neutro es un homopolímero basado en acrilamida o un homopolímero acrilamida parcialmente hidrolizado o un copolímero con componente aniónico que tiene al menos 5 por ciento molar de funcionalidad aniónica y se selecciona para prohibir la acumulación de viscosidad o gelación observada cuando diversos agentes de resistencia en seco altamente catiónicos se combinan con almidón aniónico. Aunque el mecanismo de estabilización no se ha dilucidado, sin desear estar unido por teoría, se propone que ciertos polímeros basados en acrilamida casi neutra pueden complejarse con polímeros catiónicos cuando se encuentran en presencia de almidón. Esta complejación puede moderar el enlace de hidrógeno y las interacciones iónicas entre el polímero catiónico y el almidón aniónico que pueden de otra manera conducir a acumulación de viscosidad. Aunque separada, la adición final en húmedo del almidón aniónico y el polímero catiónico se han empleado por fabricantes de papel para mejorar la resistencia en seco, las interacciones entre estos materiales provocan que la acumulación de viscosidad haya limitado su uso como un sistema final en seco en donde las concentraciones de polímero y almidón son mayores. Esta invención permite al sistema aplicarse en el final en seco de un proceso de elaboración de papel, proporcionado todas las ventajas acompañantes al fabricante de papel. Adicionalmente, sin desear esta unido por teoría, se propone que con el secado, el componente A y el componente B pueden interactuar fuertemente con el componente C debido a los sólidos incrementados .

Los polímeros casi neutros adecuados para esta invención pueden prepararse mediante cualquiera de los métodos antes mencionados . Los monómeros neutros de los cuales el componente A puede prepararse, incluyen pero no están limitan a, acrilamida, (met ) acrilamida, N-metil (met ) acrilamida, N-etil (met ) acrilamida, N-isopropil (met) acrilamida . La acrilamida es el monómero preferido .

Los monómeros aniónicos a partir de los cuales el componente A puede prepararse, incluyen pero no se limitan a, ácido acrílico, ácido metacrílico, ácido 2-acrilamido-2-metilpropan sulfónico, ácido 4-estirensulfónico, y ácido 4-vinilbenzoico y sus sales. El ácido acrílico y sus sales siendo el monómero preferido.

Otros monómeros adecuados que introducen una estructura reticulada benéfica en el polímero basado en acrilamida casi neutra o no iónica pueden utilizarse. Este incluye, pero no se limita a, di (met ) acrilato de etilenglicol , di (met ) acrilato de dietilenglicol , metilenbisacrilamida, metilen-bis- (met) acrilamida, etilen bis (met ) acrilamida, y hexametilen-bis (met ) acrilamida. Estos pueden utilizarse en una cantidad de menos de 1 por ciento molar, de preferencia menos de 0.3 por ciento molar.

Los polímeros catiónicos adecuados para el componente B abarcan un margen de pesos moleculares de 10,000 a alrededor de 1, .000, 000 de Daltons, de preferencia 50,000 a alrededor de 600,000 Daltons, de preferencia 50,000 a alrededor de 400,000 Daltons, de mayor preferencia en el margen de 200,000 a alrededor de 350,000 Daltons. El grado de cationicidad para polímeros adecuados puede definirse por el método de densidad de carga. Las densidades de carga (Mutek) de los polímeros ionizados en la presente invención se miden en pH de 8.0 utilizando un método de titulación coloidal. La densidad de carga (meq/g) es la cantidad de carga catiónica por peso unitario, en miliequivalentes por gramo de los sólidos del producto. Los polímeros catiónicos de la invención descrita tienen densidades de carga, sobre una base de sólidos, en el margen de 1.00 a 12.00 meq/g, de preferencia en el margen de 3.50 a 8.50 meq/g, de mayor preferencia de 5.50 a 8.50 meq/g.

Los monómeros catiónicos preferidos utilizados para preparar el componente B pueden ser monómeros que contienen funcionalidad vinílica o alílica. Estos incluyen, pero no se limitan a, (met) acrilato de dimetilaminoetilo, (met) acrilato de dietilaminoetilo , (met) acrilato de dimetilaminopropilo, (met ) acrilato de dietilaminopropilo, cloruro de [2- (metacriloiloxi ) etil ] trimetilamonio, cloruro de [3- (Metacriloilamino) ropil ] trimetilamonio , cloruro de [2- (acriloiloxi) etil] trimetilamonio, cloruro de [3- (acriloiloxi) propil] trimetilamonio, N, N-dimetilamino propil (met ) acrilamida, dialquildialilamina, dialilamina, dialquilalilamina, y alilamina.

Los monómeros no iónicos, incluyen pero no limitan a, acrilamida, (met) acrilamida, N-metil (met ) acrilamida, N-etil (met) acrilamida, y N-isopropil (met) acrilamida, pueden copolimerizarse con los monómeros catiónicos antes mencionados para proporcionar los polímeros adecuados para el componente B de esta invención.

De mayor preferencia el componente B es un polímero que contiene vinilamina. Los monómeros utilizados para preparar los polímeros que contienen vinilamina del componente B son monómeros que pueden proporcionar carga catiónica con hidrólisis total o parcial, los ejemplos incluyen, pero no se limitan a N-vinil-formamida, N-vinil acetamida, y vinil N-ftalimida. Antes de la hidrólisis, el polímero que contiene vinilamina empleado para el componente B puede ser un copolímero, pero de preferencia es un homopolímero . El grado de hidrólisis para esta clase de componente B se encuentra entre 20 y 100%, de preferencia en el margen de 25 a 85%, y de mayor preferencia en el margen de 25 a 70%. Otra clase de polímeros que contienen vinilamina útiles en la invención pueden derivarse de la redisposición de Hofmann de poliacrilamida como se describe, por ejemplo, en la solicitud de patente Estadounidense 2008/0196851. Una clase adicional de vinilamina que contiene polímero adecuado para su uso en esta invención se describe en las Solicitudes de Patente Estadounidenses 2009/0043051 y 2010/0193148. Estos polímeros son poli (vinilamina) sustituida con diversos grupos funcionales catiónicos .

En otros monómeros adecuados que introducen una estructura reticulada benéfica en el componente B, puede utilizarse el polímero catiónico. Estos incluyen, pero no se limitan a, di (met) acrilato de etilenglicol , di (met ) acrilato de dietilenglicol , metilenbisacrilamida, metilen-bis (met ) acrilamida, etilen-bis (met) acrilamida, y hexametilen-bis (met ) acrilamida. Estos pueden utilizarse en una cantidad de menos de 1 por ciento molar, de preferencia menos de 0.3 por ciento molar.

El componente C, el almidón, se selecciona del grupo que consiste de almidón de maíz, almidón de arroz, almidón de papa, almidón de trigo, y almidón de tapioca. Los almidones pueden ser sin modificar o modificados en cualquiera de las siguientes maneras de oxidación, degradación enzimática, y cationizació .

Los componentes A y B se premezclan preferiblemente antes de agregar el almidón. La mezcla de los componentes A y B se agregan de preferencia a una suspensión de almidón precocida o, alternativamente, se agrega antes del proceso de gelatinización. El tipo de almidón preferido para esta invención es el almidón oxidizado.

Otros componentes pueden agregarse para estabilizar la composición y reducir la acumulación de viscosidad. Los materiales útiles son tensioactivos aniónico, catiónico o neutros, tales como ácidos grasos, alquilfenoles oxietilados, óxidos de alquilamina, alquilsulfosuccinatos , lignosulfonato, alquilsulfatos . Ejemplos de componentes que modifican la viscosidad útiles incluyen urea y sales tales como sulfato de sodio, cloruro de sodio, cloruro de potasio, yoduro de potasio .

En una modalidad, la composición de revestimiento de papel comprende el componente A (una poliacrilamida casi neutra) ; el componente B (un polímero catiónico) ; el componente C (almidón) , y el componente A es aniónico; la proporción de componente A al componente B es desde 99:1 a 80:20, de preferencia 98:2 a 90:10, en donde la proporción del componente A más el componente B para almidón es de 1:105 a 1:1, de preferencia 1:20 a 1:7; en donde el componente B se prepara a partir de un monómero de vinilo o de alilo que soporta la funcionalidad amina, de preferencia vinilo; en donde el peso molecular del componente A es de 30,000 a alrededor de 300,000 Daltons, de preferencia de 30,000 a 150,000; en donde el peso molecular del componente B es de 50,000 a alrededor de 600,000 Daltons, de preferencia de 50,000 a alrededor de 400,000 Daltons y en donde la viscosidad de la composición es menos de 1000 centipoises a una temperatura de 60 °C, de preferencia menos de 500 centipoises .

Un proceso para elaboración de papel con resistencia en seco mejorada se contempla por esta invención, el procedimiento comprende aplicar al papel ya formado la composición de la invención. La composición comprende el componente A, una poliacrilamida de aniónica a neutra, el componente B un polímero catiónico preparado a partir de un monómero que soporta la funcionalidad amina, y el componente C, almidón.

En una modalidad preferida, el componente B se prepara a partir de un monómero de vinilo que soporta la funcionalidad amina.

La composición se aplica generalmente en un final en seco de una máquina para elaboración de papel .

Esta invención puede aplicarse a cualquiera de los diversos grados de papel que se benefician de la resistencia en seco mejorada incluyendo bolsa, cartón para cajas, papel de copia, cartón para contenedores, alma para cartón corrugado, carpeta de archivo, papel de prensa, papel cartón, cartoncillo para envases, impresión y escritura, y publicación. Estos grados de papel pueden comprender cualquier de las fibras de pulpa típica incluyendo, la pasta de madera triturada, Kraft, sulfato, mecánica y reciclada. La invención puede aplicarse a través de cualesquier método de tratamiento químico en papel ya formado incluyendo prensa de encolado medida, prensa de encolado puddle, aspersión, revestidor de rodillo, revéstidor de cuchilla, y revéstidor de cuchillo de aire.

En una modalidad preferida de la presente invención, la cantidad de cada uno de los componentes A, B y C empleados deben determinarse al considerar completamente el rendimiento y estabilidad de solución de la composición de revestimiento de papel resultante. La proporción de los componentes A: B puede ser de 99:1 a 70:30, de preferencia 98:2 a 85:15, e incluso de mayor preferencia 98:2 a 90:10. La cantidad total de componente A más el componente B en almidón puede estar presente en una proporción de 1:105 a 1:1, de preferencia 1:52 a 1:2, y de mayor preferencia 1:20 a 1:7 y de preferencia 1:15 a 1:7. El componente A y B puede agregarse por separado al almidón, o como en la modalidad preferida, premezclada antes de agregar al almidón. La composición acuosa se prepara al combinar el componente C y el componente A y B. De preferencia los dos polímeros son completamente mezclados juntos antes de la adición a la solución de almidón diluida cocida. La cantidad total de aditivo superficial debe ser la cantidad mínima requerida para obtener el rendimiento de resistencia deseado en el papel. Los pesos de revestimiento típicos del polímero y el almidón pueden variar desde 1 a 10 gramos, de preferencia de 2 a 8 gramos, y de preferencia de 2 a 5 gramos del aditivo por metro cuadrado de papel .

Esencial para la función de esta invención es su estabilidad a la solución, con referencia a la ausencia de precipitados, coágulos, o geles que pueden conducir a la deposición en la máquina de papel durante el curso de uso. También la composición de revestimiento requiere una viscosidad de tal manera que puede bombearse en la máquina de papel y dispersar sobre la superficie de sustrato. La viscosidad preferida de la solución final, bajo condiciones de uso, se encuentran en el margen de 10-1000 cPs, de preferencia entre 10-500 cPs, y de mayor preferencia entre 10-200 cPs . La temperatura en el punto de aplicación se encuentra entre 40-80°C, de preferencia entre 40 a 70°C, y de mayor preferencia entre 50 a 65°C. Se prefiere que en 60°C, la viscosidad sea menos que 1000 cPs, de mayor preferencia menos de 500 cPs, de mayor preferencia menos de 200 cPs .

En una modalidad preferida del proceso, el componente B se prepara a partir de un monómero de vinilo o de alilo que soporta la funcionalidad amina, de preferencia vinilo; el peso molecular del componente A es de 30,000 a alrededor de 300,000 Daltons, de preferencia de 30,000 a 150,000; el molecular peso del componente B es de 50,000 a alrededor de 600,000 Daltons, de preferencia de 50,000 a alrededor de 400,000 Daltons, y la viscosidad de la composición es menos de 1000 centipoises a una temperatura de 60°C, de preferencia inferior a 500 cPs .

Para acomodar el sistema de elaboración de papel, la composición de revestimiento de papel puede tener su pH ajustado. Esto puede afectarse con cualquiera de los siguientes compuestos no limitantes: ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, ácido acético, ácido cítrico, hidróxido de amonio, bicarbonato de sodio, hidróxido de sodio, o hidróxido de potasio .

Los siguientes ejemplos explican además la invención y demuestran que la adición de la composición anteriormente descrita, ofrece un mejoramiento de resistencia en seco significativa cuando se aplica a los sustratos de papel. Los ejemplos y datos presentados en lo siguiente ilustran mejor el beneficio de la invención reclamada y no están destinados a ser limitantes.

EXPERIMENTAL PROCEDIMIENTO GENERAL PARA EL TRATAMIENTO DE PAPEL Una solución que consiste de almidón de tapioca modificado cocido (90°C, 40 min) y el producto de resistencia en seco, se agregó en el contacto entre un rodillo de caucho de butilo sencillo y un rodillo de acero sencillo presionados juntos a 40 psi. Las hojas de papel se pasaron a través del puddle para proporcionar revestimiento uniforme. Las hojas con pesos base más altos se pasaron dos veces a través del rodillo de prensa de encolado para asegurar una humectación uniforme de la hoja y lograr el almidón deseado y la carga de aditiva. Las muestras de prueba se secaron inmediatamente entre el fieltro y el acero de un secador de tipo tambor giratorio bajo condiciones que proporcionan un contenido de humedad de hoja final de 5-7%. La concentración de almidón y los aditivos de resistencia en seco fue variada para obtener cada nivel de detección de peso objetivo por el papel. Las muestras de papel tratadas fueron entonces acondicionadas luego (21.11°C (70°F) , 50% de humedad, al menos 24 horas) y probados .

PRUEBAS DE PAPEL Resistencia de estallido Mullen (Mullen) (TAPPI T-403) : Esta prueba se utiliza para medir la resistencia al estallido o resistencia a la perforación de las muestras de papel. La muestra de prueba precondicionada se sujetó de manera segura entre dos anillos de metal de Probador de Mullen B.F. Perkins Modelo C que cubre completamente el diafragma de caucho. Una palanca de embrague se coloca en posición delantera para aplicar presión hidrostática, expandiendo un diafragma de caucho hasta que la muestra de papel estalla. Cuando el espécimen de prueba estalla, la palanca se mueve a la posición inversa y la resistencia al estallido se registra en lb/pulgadas2.

Prueba de Compresión del Anillo (RCT) (TAPPI T-822) : Esta prueba se utilizó para medir la resistencia a la compresión de las muestras de papel. El Probador de Compresión Lorentzen & Wettre se utiliza para realizar esta prueba. De las muestras tratadas, se cortaron tiras de 152.4 mm x 12.7 mm utilizando un troquel. La tira se deslizó en el porta muestra que mantuvo la muestra en una forma de anillo. El porta muestra se coloca sobre la platina inferior. Una carga, a una velocidad constante de 12.5 mm/min, se aplicó hasta que falla la muestra, y la carga se registra en lbf/6 pulgadas. Se realizan cinco replicas cada una en la dirección transversal y de la máquina. El valor reportado final es la media geométrica del valor de dirección transversal y de la máquina .

Ejemplo 1 Una caldera de resina encamisada purgada con nitrógeno adaptada con un agitador mecánico, condensador encamisado con agua, entrada de nitrógeno, termopar y dos lumbreras de adición, se cargó con 727 gramos de agua desionizada y 1% en peso de la solución de sulfato cúprico en agua desionizada (la cantidad de sulfato cúprico en solución polimérica se ajustó para tener 30 ppm de cobre basado en acrilamida) . Los contenidos de reacción se desgasificaron con nitrógeno durante 1 hora. Las soluciones de monómero e iniciador se prepararon por separado: una solución de monómero de 500 g de acrilamida (50% en peso de solución acuosa) y 0.18 g de N, N-metilenbisacrilamida (MBA), y una solución de iniciador de 30.0 g de persulfato de amonio (1.0% en peso de la solución), y 30.0 g de metabisulfito de sodio (0.83% en peso de la solución). Con los contenidos de reactor a 65°C, las soluciones de monómero e iniciador se alimentaron simultáneamente y por separado al reactor durante un período de 2 horas. Después de completar la adición, la temperatura se mantuvo a 65°C y la reacción se continuó durante 2 horas adicionales. La polimerización se enfrió bruscamente al enfriar la caldera a 25°C. La viscosidad Brookfield fue de 697 cPs (unidad LV, husillo #2, 60 rpm, 25°C, se utilizó un tarro de 0.113 kg (4 onzas)) y la viscosidad específica reducida (1% en peso en NH4C1) fue de 0.74 dl/g. El peso molecular, como se determina por la cromatografía por permeación de gel, fue de 71,500 Daltons. Los ejemplos 1-2 a 1-7 fueron sintetizados, en donde los equivalentes del iniciador se variaron para efectos de un cambio en el peso molecular. Al incrementar la concentración del iniciador, el peso molecular polimérico resultante puede disminuirse; una técnica bien conocida por aquellos con experiencia en la técnica. Estas poliacrilamidas se describen en la Tabla 1.

TABLA 1: Propiedades de poliacrilamida (componente A) con peso y arquitectura molecular diferente Ejemplo 2 Todo se condujo en la misma forma como en el Ejemplo 1, excepto que se agregó la cantidad de comonómero aniónico, ácido acrílico, mostrado en la Tabla 2, a la alimentación. La Tabla 2 muestra las propiedades del copolímero de acrilamida aniónico resultante.

TABLA 2 : Propiedades de acrilamida y copolímero de ácido acrílico Ejemplo 3 Se prepararon mezclas de poliacrilamida y polivinilamina o polivinilamina modificada al mezclar las diversas poliacrilamidas de los ejemplos 1 y 2, con ya sea polivinilamina o polivinilamina modificada. En un experimento típico, un tarro de 0.113 kg (4 onzas) se cargó con 100 g de solución de polímero de poliacrilamida (PAM) como se preparó en el Ejemplo 1 ó 2, para esto se agregó una cantidad de una solución polivinilamina. Estas soluciones polivinilamina (aditivos para rendimiento de papel Hercobond® 6330 y Hercobond®6350 , disponible de Ashland Incorporated) se derivaron de una poli (N-vinilformamida) hidrolizada al utilizar diversas proporciones molares de hidróxido de sodio (NaOH) N-vinilformamida (VFA) como se muestra en la Tabla 3. El margen preferido para hidrólisis de poli (N-vinilformamida) es de 20 a 100 por ciento molar, de preferencia 25 a 80 por ciento molar, y de mayor preferencia 25 a 70 por ciento molar. La mezcla de polímeros se agitó sobre el agitador Lab Line® Orbit Environ durante 1 hora a 25°C.

TABLA 3: Tipo y proporción de copolímeros empleados para preparar una mezcla de poliacrilamida y polivinilamina * La poli (vinilamina) de los Ejemplos 3-8 se hizo reaccionar con cloruro de 3-cloro-2-hidroxipropil-trimetilamonio (Quat) y anhídrido succínico (SA) en una proporción molar de 1.0:0.25:0.04 VFA : Quat : SA .

Ejemplo 4 Almidón ExcelSize® 15 (de Siam Modified Starch Co., Ltd. Pathumthani , Tailandia), un almidón de tapioca oxidizado, se solubilizó al preparar una solución acuosa al 15% en peso y después se mezcló la suspensión a 90°C durante 40 minutos. La solución se llevó a 60°C y se diluyó con agua en 60°C a 8.25% en peso. Diversas cantidades de polímero o mezcla polimérica se agregaron, la temperatura de la solución se mantuvo a 60°C y las viscosidades Brookfield (husillo 1/100 rpm) se determinaron en diversos intervalos de tiempo. Los resultados se establecieron en la Tabla 4, demostrando que las composiciones de revestimiento de esta invención pueden llevarse a una viscosidad adecuada con agentes modificadores.

TABLA 4: Efecto del aditivo y su nivel de adición en la viscosidad de solución de almidón CLS = lignosulfonato de calcio Ejemplo 5 Utilizando el método de aplicación de papel descrito en lo anterior, una mezcla de poliacrilamida y polivinilamina se evaluaron por efectos de resistencia de la hoja. Todas las corridas excepto la 5-1, contuvieron 3 g/m2 ExcelSize 15 en la solución de prensa de encolado. Como se muestra en la Tabla 5, mezclar la polivinilamina en poliacrilamida proporciona un incremento significativo de la resistencia sobre aquella que se puede lograr por poliacrilamida sola (Ejemplo Comparativo 5-3) por lo cual la mayor resistencia puede obtenerse en niveles de adición significativamente inferiores. En niveles de adición superiores, el beneficio observado en resistencia en seco puede disminuir como se muestra en el Ejemplo 5-5.

TABLA 5: Efecto de acrilamina basada en aditivos en resistencia en seco de cartón para forrar reciclado. La hoja base obtenida a partir de la fábrica de papel JinCang, se elabora utilizando pasta de papel de cartón viejo corrugado de China, Peso Base = 100 g/m2, Calibre 7.4 mil, ExcelSize 15 = Almidón de Tapioca oxidizado Ejemplo 6 Utilizando el método de aplicación de papel antes descrito, se evaluó una mezcla de poliacrilamida y polivinilamina para efectos de resistencia de la hoja utilizando la misma hoja base como en el Ejemplo 5. Todas las corridas, excepto la 6-1, contuvieron 2.12 g/m2 ExcelSize 15 en la solución de prensa de colado. Como se muestra en la Tabla 6A los mejores resultados se lograron cuando la poliacrilamina reticulada de aproximadamente 100,000 Daltons de peso molecular (6-14 hasta 6-16) se utilizaron como el componente A . Otras poliacrilamidas reticuladas como el componente A proporcionan resistencia completa que fue mayor que la obtenida por el componente A en poliacrilamidas no reticuladas (6-17 hasta 6-19); aunque la última proporciona un mejoramiento en la resistencia y sequedad con el almidón solo. La Tabla 6B demuestra la ventaja de utilizar poliacrilamida aniónica como el componente A para mejorar la resistencia en seco aunque el efecto típicamente es menor al obtenido con la poliacrilamida no iónica como el componente A.

TABLA 6A: Efecto del peso molecular de poliacrilamina no iónica, la arquitectura y su proporción en mezcla con polivinilamina en resistencia en seco de cartón para forrar reciclado; la hoja base obtenida a partir de la fábrica de papel Jin in, se elabora utilizando pasta de papel de cartón viejo corrugado de China, Peso Base = 106 g/m2, Calibre 6.3 mil, ExcelSize 15 = Almidón de Tapioca oxidizado TABLA 6B: Efecto del peso molecular de poliacrilamida iónica, la arquitectura y su proporción en la mezcla con polivinilamina en resistencia en seco de cartón para forrar reciclado; hoja base obtenida a partir de la fábrica de papel JinXin, se elabora utilizando pasta de papel de cartón viejo corrugado de China, Peso Base = 106 g/m2, Calibre 6.3 mil, ExcelSize 15 = Almidón de Tapioca oxidizado.

Ejemplo 7 Utilizando el método de aplicación de papel descrito en lo anterior, la mezcla del componente A, poliacrilamida y componente B, polivinilamina se evaluaron para efectos de resistencia de la hoja utilizando hojas base de un molino de Norteamérica. Todas las corridas, excepto la 7-1, contuvieron 4 g/m2 ExcelSize 15 en la solución de prensa del colado. En el caso de hojas base más fuertes, como aquellas utilizadas en este ejemplo, la mejora de resistencia requiere los niveles de adición más altos de polímero y el grado de mejora es menos que el observado para la hoja base más débil.

TABLA 7: Efectos de aditivos con base de acrilamida en resistencia en seco de cartón para forrar reciclado. La hoja base obtenida a partir del papel para Embalaje Green Bay, USA, elaborado utilizando Cartón Viejo Corrugado de América; Peso Base = 198 g/m2, Calibre 11.5 mil, ExcelSize C155 = Almidón de Tapioca oxidizado y ligeramente catiónico Ejemplo 8 Mezclas de poliacrilamida y poli (cloruro de dialildimetilamonio) (pDADMAC) (de Ashland Incorporated, Wilmington, Delaware) o poli (alilamina) (de SIGMA-ALDRICH, Milwaukee, isconsin) se prepararon al mezclar una poliacrilamida del ejemplo 1 con cualquiera de los polímeros catiónicos antes mencionados. En un experimento típico, un tarro de 0.113 kg (4 onzas) se cargó con 100 g de solución de poliacrilamida (PAM) , seguida por la adición de una solución de polímero catiónico. La mezcla de polímeros se agitó con una barra de agitación magnética a temperatura ambiente durante 1 hora .

TABLA 8 : Tipo y proporción de copolímeros para preparar una mezcla de poliacrilamida y polímero catiónico.

Ejemplo 9 Utilizando el método de aplicación de papel antes descrito, una mezcla de poliacrilamida y diversos polímeros catiónicos se evalúo para su efecto sobre la resistencia de hoja utilizando la hoja base de un molino de Norteamérica. Todas las corridas, excepto la 9-1 contuvieron 4 g/m2 ExcelSize C155 en la solución de prensa de colado. Estos ejemplos demuestran la utilidad de los polímeros catiónicos de costo inferior como componentes de esta invención. Ciertos ejemplos muestran que los altos niveles de la composición de reves imiento provocan resistencia disminuida debido al impacto sobre la viscosidad de revestimiento.

TABLA 9 : Efecto de la mezcla de acrilamida con polímeros catiónicos sobre la resistencia en seco de cartón para forrar reciclado. La hoja base obtenida a partir del Papel para Embalaje Green Bay, USA, se elabora utilizando Cartón Viejo Corrugado de América; Peso Base = 198 g/m2; Calibre = 11.5 mil; ExcelSize 15 = almidón de Tapioca Oxidizado.

Ejemplo 10 Mezclas de poliacrilamida y poli (cloruro de acrilamida-co- [2- (acriloiloxi ) etil ] trimetilamonio) (Hercobond® 1200) o poli (cloruro de acrilamida-co-ácido acrílico-co- [2-(acriloiloxi ) etil ] trimetilamonio) (Hercobond® 1205) (ambos de Ashland Inc., Wilmington, Delaware) se prepararon al mezclar una poliacrilamida del ejemplo 1 con cualquiera de los polímeros catiónicos antes mencionados. En un experimento típico, un tarro de 4 onzas (0.113 kg) se cargó con 100 g de solución de poliacrilamida (PAM) , seguida por la adición de una solución de polímero catiónico. La mezcla de polímeros se agitó con una barra de agitación magnética a temperatura ambiente durante 1 hora.

TABLA 10: Tipo y proporción de copolímeros empleados para preparar una mezcla de poliacrilamida y polímero catiónico.

Ejemplo 11 Polímeros cationicos con funcionalidad cuaternaria y polímeros anfotéricos mezclados con poliacrilamida como se describe en el ejemplo 10, se evaluaron para el rendimiento de resistencia utilizando el método de aplicación de papel antes descrito. Todas las corridas, excepto la 11-1, contuvieron 4 g/m2 ExcelSize 15 en la solución de prensa de encolado. Estos ejemplos demuestran la utilidad de los polímeros cationicos que contienen funcionalidad amina cuaternaria.

TABLA 11: Efectos de la mezcla de acrilamida con polímeros cationicos sobre la resistencia en seco de cartón para reciclar. La hoja base obtenida a partir del papel para Embalaje Green Bay, USA, se elaboró utilizando Cartón Viejo Corrugado de América; Peso Base = 198 g/m2, Calibre 11.5 mil, ExcelSize 15 = almidón de Tapioca Oxidizado.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Una composición de revestimiento que comprende: componente A (poliacrilamida casi neutra) , componente B (un polímero catiónico) , y componente C (almidón) .

2. La composición de revestimiento de la reivindicación 1, en donde el componente B se prepara a partir de un monómero de vinilo o de alilo que soporta la funcionalidad amina.

3. La composición de revestimiento de la reivindicación 1, en donde la proporción del componente A al componente B es de 99:1 a 80:20.

4. La composición de revestimiento de la reivindicación 1 , en donde la proporción A más el componente B en almidón es de 1:105 a 1:1.

5. La composición de revestimiento de la reivindicación 1, en donde el componente A se prepara a partir de monómeros en donde por lo menos un monómero se selecciona del grupo que consiste de acrilamida, metacrilamida, N-metil (met) acrilamida, N-etil (met) acrilamida, N, -dimetil (met) acrilamida, y N-isopropil (met) -acrilamida.

6. La composición de revestimiento de la reivindicación 1, en donde el componente A se prepara a partir de los monómeros en donde por lo menos un monómero se selecciona del grupo que consiste de ácido acrílico, ácido metacrílico, ácido 2-acrilamido-2-metilpropan sulfónico, ácido 4-estirensulfónico, y ácido 4-vinilbenzoico y sus sales .

7. La composición de revestimiento de la reivindicación 1, en donde el componente B se prepara a partir de los monómeros en donde por lo menos un monómero se selecciona del grupo que consiste de (met ) acrilato de dimetilaminoetilo, (met ) acrilato de dietilaminoetilo , (met ) acrilato de dimetilaminopropilo , (met ) acrilato de dietilaminopropilo, cloruro de [2- (metacriloiloxi ) etil ] trimetilamonio , cloruro de [3- (metacriloilamino ) propil ] trimetilamonio , cloruro de [2- (acriloiloxi ) etil] trimetilamonio, cloruro de [3- (acriloiloxi ) ropil ] trimetilamonio, N, N-dimetilamonio propil (met ) acrilamida, dialquildialilamina, dialilamina, dialquilalilamina y alilamina.

8. La composición de revestimiento de la reivindicación 7, en donde el componente B se prepara adicionalmente a partir de por lo menos un monómero seleccionado del grupo que consiste de acrilamida, (met ) acrilamida, N-metil (met ) acrilamida, N-etil (met) acrilamida y N-isopropil (met ) acrilamida .

9. La composición de revestimiento de la reivindicación 1, en donde el componente B comprende el producto hidrolizado de un polímero preparado a partir de por lo menos un monómero del grupo que consiste de N-vinilformamida, N-vinilacetamida y vinil-N-ftalimida .

10. La composición de revestimiento de la reivindicación 1, en donde el componente B comprende un polímero que contiene vinilamina.

11. La composición de revestimiento de la reivindicación 1, en donde el componente A se encuentra reticulado con un monómero seleccionado del grupo que consiste de di (met ) acrilato de etilenglicol , di (met ) acrilato de dietilenglicol , metilenbisacrilamida, metilen-bis- (met ) acrilamida, etilen-bis- (met ) acrilamida y hexametilen-bis- (met) acrilamida .

12. La composición de revestimiento de la reivindicación 1, en donde el componente B se encuentra reticulado con un monómero seleccionado del grupo que consiste de di- (met ) acrilato de etilenglicol, di (met ) acrilato de dietilenglicol, metilenbisacrilamida, metilen-bis- (met) acrilamida, etilen-bis- (met ) acrilamida y hexametilen-bis- (met) acrilamida .

13. La composición de revestimiento de la reivindicación 1, en donde el peso molecular del componente A es de alrededor de 30,000 a alrededor de 300,000 Daltons.

14. La composición de revestimiento de la reivindicación 1, en donde el peso molecular del componente B es de 50,000 a alrededor de 600,000 Daltons.

15. La composición de revestimiento de la reivindicación 1, en donde el componente C, el almidón, se selecciona del grupo que consiste de almidón de maíz no modificado o modificado, almidón de arroz, almidón de papa, almidón de trigo y almidón de tapioca.

16. La composición de revestimiento de la reivindicación 1, en donde la viscosidad de la composición es de menos de 1000 centipoises a una temperatura de 60°C.

17. Una composición de revestimiento de papel que comprende: el componente A, una poliacrilamida casi neutra, el componente B, un polímero catiónico, el componente C, almidón, y en donde el componente A es aniónico, en donde la proporción del componente A al componente B es de 99:1 a 80:20, en donde la proporción del componente A más el componente B en almidón es de 1:105 a 1:1, en donde el componente B se prepara de un monómero de vinilo o de alilo que soporta la funcionalidad amina, en donde el peso molecular del componente A es de 30,000 a alrededor de 300,000 Daltons, en donde el peso molecular del componente B es de 50,000 a alrededor de 600,000 Daltons, y en donde la viscosidad de la composición es de menos de 1000 centipoises a una temperatura de 60°C.

18. Un proceso para elaborar papel con resistencia en seco mejorada, el proceso comprende aplicar una composición de papel ya formado, que comprende: el componente A (una poliacrilamida neutra) , el componente B (un polímero catiónico) , el componente C (almidón) .

19. El proceso de la reivindicación 18, en donde el componente B se prepara a partir de monómero de vinilo o de alilo que soporta la funcionalidad amina, en donde el peso molecular del componente A es de 30,000 a alrededor de 300,000 Daltons, en donde el peso molecular del componente B es de 50,000 a alrededor de 600,000 Daltons, y en donde la viscosidad de la composición es de menos de 1000 centipoises a una temperatura de 60°C.

20. El proceso de la reivindicación 19, en donde el componente B comprende un polímero que contiene vinilamina y en donde el componente A es aniónico.