NO891527L - Poly(vinylalkohol-vinylamin)kopolymerer for forbedring avpapirprodukters kompresjonsstyrke i fuktig tilstand. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører fremstillingen av papir og kartong ved avsetning av masse av ved fra en vandig oppslemming og, vedrører nærmere bestemt forbedringen i kompres j" onsstyrken i fuktig tilstand for slike papirprodukter.

Ved fremstillingen av papir, kartong og tilsvarende våtlagte papirbaner (i det følgende betegnet "papir"), avsettes en cellulosefibersuspensjon, som kan inneholde kolofonium-harpikslim og mineralbestanddeler (fyllstoffer) avhengig av det ønskede produktet, og avdryppes på et kontinuerlig bevegelig trådklede. Ved denne fremgangsmåten passerer fritt vann gjennom papirhanen som undergår ytterligere bearbeidelse for å gi det ønskede parpirproduktet.

Kartonger fremstilt på denne måten som lagres eller opp-stables under betingelser med høy fuktighet (90+$) absorberer et høyt nivå av fuktighet på ca. 14-17$. Denne absorberte fuktigheten medfører at kartongene, spesielt de som befinner seg nær bunnen av stabelen, bukler ut eller gir etter slik at stabelen kan rase og forårsake skade på innholdet.

En løsning på dette problemet ville være å øke vekten av komponentene i eskekartongen, men forpakkere foretrekker å anvende lettere og sterkere kartonger.

Det foreligger derfor et behov for en fremgangsmåte for forbedring av kompresjonsstyrken i fuktig tilstand for papirprodukter.

US patent nr. 3.597.314 beskriver en fremgangsmåte for å fjerne vann fra vandig cellulosefibersuspensjon ved fremstillingen av papir ved tilsetning til suspensjonen av fra 0.05 til 4$ av en vannoppløselig polymer bestående hovedsakelig av enheter avledet fra N-vinyl-N-metylformamid som har 60-100$ av maursyrerestene av polymeren avspaltet ved syrehydrolyse. H. H. ESPY, TAPPI Proceedings, 1983, Papermakers Conference, side 191-195 beskriver at kombinasjoner av karboksymetyl-cellulose (CMC) og poly(aminoamid) epiklorhydrin (PAE) våt-styrke-harpiks forbedrer våt- og tørrstyrke mer enn PAE harpiks alene.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for å øke kompresjonsstyrken i fuktig tilstand for et papirprodukt fremstilt ved avsetning av cellulosefiber fra en vandig oppslemming. Forbedringen innbefatter at det til den vandige oppslemmingen av cellulosefiber tilsettes en effektiv mengde av et additiv som forbedrer kompresjonsstyrken i fuktig tilstand, bestående hovedsakelig av poly(vinylacetat-vinylamid), fortrinnsvis i kombinasjon med en anionisk polymer, så som karboksymetyl-cellulose i et forhold på 0.5 til 5 vektdeler kationisk polymer til en del anionisk polymer. Vinylacetatenhetene av poly(vinylacetat-vinylamidet) er hydrolysert til vinylalkoholenheter i et omfang på minst 75 mol-%, fortrinnsvis 90 mol-$, og vinylamidenhetene hydrolyseres slik at polymeren får 1-50 mol-$ vinylamineenheter.

I tillegg til å forbedre kompresjonsstyrken i fuktig tilstand for papirproduktet er slike papirprodukter lettere tilbake-førbare til masse fordi den våte strekkstyrken er lavere enn det som normalt oppnås ved anvendelsen av PAE-våtstyrke-harpiksene.

Fremgangsmåten for forbedring av kompresjonsstyrken i fuktig tilstand av papirprodukter er inkorporert i våtpartitrinnet av papirfremstillingsprosessen. En mengde av additivsammen-setning som er effektiv for å øke kompresjonsstyrken i fuktig tilstand av papirproduktet, for eksempel 0.1 til 3 vekt-$ basert på cellulosefibre, tilsettes til den vandige oppslemmingen av cellulosefibre, så som masse av ved. Den tilsatte sammensetningen består hovedsakelig av et poly-(vinylalkohol-vinylamine) [P(VOH-VAm)], fortrinnsvis i kombinasjon med en karboksymetyl-cellulose (CMC). Den mest foretrukne sammensetningen vil inneholde 0.5-5 deler av P(VOH-VAm) pr. del anionisk polymer, fortrinnsvis ca. 2 deler P(VOH-VAm) pr. del anionisk polymer.

P(VOH-VAm) er et poly(vinylacetat-vinylamid) hvori vinyl-acetat-enhetene er hydrolysert i et omfang på minst 75 mol-#, fortrinnsvis 90+ mol-$, til vinylalkohol-enheter og mest foretrukket ca. 99+ mol-% hydrolysert, dvs. fullstendig hydrolysert. Mengden av vinylamid-enhetene i polymeren som skal hydrolyseres avhenger av molforholdet mellom poly-(vinylacetat) og poly(vinylamid), men hør være tilstrekkelig til å gi minst 1 mol-$ vinylamine-enheter basert på samlet polymer, fortrinnsvis 3 til 30 mol-$, og mest foretrukket 6 til 12 mol-%. Følgelig kan P(VOH-VAm) komponenten i additivsammensetningen inneholde mengder av uhydrolyserte vinylamid-og/eller vinylacetatenheter. Egnede P(VOH-VAm) polymerer vil inneholde ca. 1-50 mol-%, fortrinnsvis 3-30 mol-% vinylamine-enheter, resten utgjøres av vinylalkoholenheter, og i tilfellet hvor polymeren er mindre enn fullstendig hydrolysert, mengder av vinylamid og vinylacetatenheter. Molekylvekten av P(VOH-VAm) kan variere fra 6.000 til 300.000, fortrinnsvis 10.000 til 100.000.

Fremgangsmåten for fremstilling av P(VOH-VAm) egnet for anvendelse ved foreliggende oppfinnelse er den samme som den velkjente prosessen for fremstilling av polyvinylacetat og hydrolysering av dette til polyvinylalkohol, bare med inkorporering av en vinylamidmonomer i polymerisasjons-reaksjonen. Vinylamidmonomeren kan være et vinylacétamid eller fortrinnsvis et vinylformamid, spesielt N-vinylformamid.

Representative litteraturhenvisninger for fremstilling av P(VOH-VAm) er W.M. Brouwer, et al., J. Polvm. Sei.. Polvm. Chem. Ed.. 22, 2353 (1984 ) og C.J. Bloys van Treslong, et al., Eur. Polvm. J.. 19(2), 131-4 (1983).

Den foretrukne fremgangsmåten for fremstilling av P(VOH-VAm) er beskrevet i den samtidig inngitte søknaden med nr.

med tittelen "Method For Preparing Poly(vinyl alcohol)-Co-Poly(vinylamine) Via a Two-Phase Process".

I tillegg til P(VOH-VAm) innbefatter additivsammensetningen for forbedret styrke i fuktig tilstand fortrinnsvis en anionisk polymer så som anionisk stivelse, karboksymetylguar, polyakrylsyre, delvis hydrolysert polyakrylamid eller mest foretrukket CMC. Graden av karboksymetyl-substitusjon i CMC kan variere fra 0.2 til 1.2, og molekylvekten kan variere fra 10.000 til 300.000.

Mengden av additivsammensetningen for forbedring av styrken i fuktig tilstand tilsatt til oppslemmingen av cellulosefibre er ca. 0.1-3 vekt-# basert på fiber, og er fortrinnsvis ca. 0.2-2 vekt-#. P(VOH-VAm) tilsettes til oppslemmingen før tilsatsen av den anioniske polymeren. Dersom de to komponentene blandes sammen før de tilsettes til oppslemmingen oppstår en gummiaktig blanding. Det er foretrukket å tilsette P(VOH-VAm) og den anioniske polymeren som vandige oppløs-ninger .

Det er antatt at P(VOH-VAm) som er kationisk absorberes ved de anioniske cellulosefibrene og, spesielt ved tilsats av den anioniske polymeren, dannes elektrostatiske bindinger som fører til polyelektrolyttkomplekser som øker styrken av fibermatriksen ved sterkere bindinger mellom fibrene.

Ved dannelsen av slike polyelektrolyttkomplekser ved elektrostatiske bindinger og reduksjon av susceptibiliteten av fiberstrukturen overfor de svekkende virkningene av fuktighet er det behandlede papiret bedre i stand til å motstå kom-pakteringskrefter, f.eks. når kartongbokser fremstilt fra på denne måten behandlede komponenter stables under betingelser med høy fuktighet og høyt fuktighetsinnhold. Likevel kan bindingene mellom fibrene fremdeles brytes under typiske prosesser for fornyet massedannelser.

Eksempel 1

For de følgende forsøkene ble ubleket kraftmasse av furu (Southern pine) malt i ledningsvann til en freeness-verdi (CSF-verdi) på 400 ml. Den malte massen ble deretter klassi-fisert (finpartikler fjernet) hvilket resulterte i en endelig freeness på 700 ml. (Formålet med klassifisering av massen var å unngå variable vekselvirkninger av polymeren og finfraksjonen som kunne påvirke retensjonen av finpartikler og, følgelig, styrke egenskapene). Massen ble deretter avvannet til ca. 25$ fast stoff og lagret ved 4.4°C i nærvær av en liten mengde konserveringsmiddel inntil den ble benyttet i håndpapir. Straks før fremstillingen av håndpapir ble den avvannede massen suspendert ved 1.5$ konsistens i ledningsvann ved anvendelse av en "British" desintegrator. Massen ble deretter fortynnet til 0.5$ konsistens og en mengde ekvivalent ved 30 g (ovnstørr basis) ble anvendt ved fremstillingen av hver serie av håndpapir. Oppløsninger av flere P(VOH-VAm) ble fremstilt ved ca. 0.25$ fast stoff ved først å omrøre og deretter elde suspensjonene over natten i destillert vann ved romtemperatur. De resulterende oppløs-ningene blir filtrert gjennom en 325-mesh-sikt for å fjerne uoppløst polymer. CMC (D.S.=0.7) av lav-viskositet ble oppløst med 1$ fast stoff i destillert vann (ved koking ved 95 °C i 20 minutter) for anvendelse i håndpapir. En kom-mersiell kvalitet av PAE ("Kymene" fra Hercules, Inc.) ble fortynnet til 1$ fast stoff før massetilsats. I de tilfellene hvor polymerkombinasjoner var involvert ble en utmålt mengde av den kationiske komponenten først rørt inn i massen i 5 min. etterfulgt av CMC og ytterligere 5 min. omrøring. En porsjon av massen tilstrekkelig til å danne et håndpapir på 2.5 g (63 g/m<2>) ble tilsatt til en "Noble og Wood" form hvor formingskonsistensen var 0.04$.

Håndarkene ble formet på en 100 mesk-monel-tråd, med leie på en trekkpapirstabel, presset 5 min. ved 446.10 kPa, og tørket 7 min. på en damptrommel ved 104.4°C. Kontroll-håndpapir ble fremstilt fra ubehandlet masse og fra masse behandlet med additivene vist i tabellene 1 og 2. Etter kondisjonering ved 50$ relativ fuktighet og 22.8°C ble håndpapirene undersøkt med hensyn til basisvekt, våt-strekkstyrke, og kompresjonsstyrke i tørr og fuktig tilstand. Faktorer for kompresjonsstyrke i fuktig tilstand og våt strekkstyrke ble bestemt ved å dividere verdien for det behandlede arket ved den for de ubehandlede kontrollarkene. Tabell 1 viser mengden av kationiske og anioniske additiver i fiberoppslemmingen, såvel som ytelsesdata for papirproduktet fremstilt fra en kommer-siell masse av frøved (southern pine) ved ph 7-9. I forsøkene i tabell 2 ble det anvendt en fiberoppslemming holdt ved pH 4.5 gjennom papirfremstillingsprosessen ved tilsats av fortynnet svovelsyre. Det fremgår fra dataene i tabell 1 at det resulterende papirproduktet ifølge foreliggende oppfinnelse (forsøk 5-16) tilveiebringer kompresjonsstyrker i tørr og fuktig tilstand samt våt strekkstyrke som er overlegen verdiene for det ubehandlede kontrollpapirproduktet. Kombinasjonen av P(VOH-VAm) og CMC ga papirprodukt som var overlegent papir-produktene fremstilt ved anvendelse av P(VOH-VAm) alene. (CMC har selv liten eller ingen fordelaktig virkning på papirets styrkeegenskaper ved tilsetning til fibersuspensjonen.) Tilsatsen av 1$ P(VOH-VAm) koblet med 0.2 eller 0.4$ CMC ga maksimale eller tilnærmet maksimale kompresjonsstyrke-egenskaper.

Fra tabell 2 fremgår det at virkningen av P(VOH-VAm) i kombinasjon med CMC er noe svakere ved sur pH sammenlignet med tilsvarende verdier under alkalisk pH.

Det våte strekkstyrkenivået frembragt ved hjelp av P(VOH-VAm) var lavere enn det som normalt oppnås ved anvendelsen av PAE våtstyrkeharpikser i kombinasjon med CMC og antyder at P(VOH-VAm)-behandlede papir kan være lettere å på nytt overføre til masse, hvilket er en ønskelig egenskap.

Eksempel 2

En undersøkelse av muligheten for fornyet massedannelse ble gjennomført ved anvendelse av forskjellige håndpapirserier fremstilt med (a) intet additiv (blindkontroll), pH 4.5; (b) PAE (1$), pH 4.5; (c) PAE (1$) og CMC (0.4$), pH 4.5; (d) P(VOH-VAm) (1$), pH 4.5; (e) P(VOH-VAm) (1$), pH 7-8; og (f) P(VOH-VAm) (1$) og CMC (0.4$), pH 7-8. P(VOH-VAm) hadde 6$ aminfunksjonalitet og en molekylvekt på 130.000.

Håndpapirene inneholdende P(VOH-VAm) [(d), (e) og (f)] dannet alle på nytt masse betydelig bedre enn referansepapirene [(b) og (c)]. Håndpapirene fremstilt ved pH 7-8 inneholdende P(VOH-VAm) alene eller med CMC tilstede hadde mer udis-pergerte fibre enn P(VOH-VAm) ved pH 4.5. Resultater fra visuell inspeksjon av de fortynnede f iberoppslemmingene korrelerte med de ovenfor omtalte observasjonene.

Følgelig representerer kombinasjonen av høy kompresjonsstyrke i tørr og fuktig tilstand, koblet med bedre mulighet for fornyet massedannelse, som oppnås ved anvendelsen av P(VOH-VAm) en betydelig fordel sammenlignet med kombinasjoner inneholdende PAE.

Følgelig gir anvendelsen av P(VOH-VAm), fortrinnsvis med CMC, som additiv i våtpartitrinnet av en papirfremstillingsprosess et papirprodukt som har forbedret kompresjonsstyrke i fuktig tilstand.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av et papirprodukt ved avsetning av cellulosefiber fra en vandig oppslemming derav, karakterisert ved at det for å øke kompresjonsstyrken for papirproduktet i fuktig tilstand tilsettes, til den vandige oppslemmingen av cellulosefiber, en effektiv mengde av et additiv bestående hovedsakelig av et kationisk poly(vinylacetat-vinylamine), hvor vinylacetatenhetene er hydrolysert i et omfang på minst 90 mol-% til vinylalkoholenheter og som inneholder 1-50 mol-% vinylamine-enheter .

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at kopolymeren som tilsettes inneholder 3 til 30 mol—% vinylamineenheter.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at vinylacetatenhetene av kopolymeren som tilsettes er hydrolysert i et omfang på ca. 99+ mol-$ til vinylalkohol-enheter .

4. Fremgangsmåte ved fremstilling av et papirprodukt ved avsetning av cellulosefibre fra en vandig oppslemming derav, karakterisert ved at det til den vandige oppslemmingen av cellulosefibre tilsettes en effektiv mengde av en additiv sammensetning for å øke kompresjonsstyrken i fuktig tilstand bestående hovedsakelig av 0.5-5 vektdeler poly(vinylacetat-vinylamid), hvor vinylacetatenhetene er hydrolysert i et omfang på minst 90 mol-$ og vinylamid-enhetene er hydrolysert slik at polymeren består av 1-50 mol-% vinylamineenheter, pr. del anionisk polymer.

5 . Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at den anioniske polymeren er anionisk stivelse, karboksymetylguar, karboksymetylcellulose, polyakrylsyre eller delvis hydrolysert polyakrylamid.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at den anioniske polymeren er karboksymetylcellulose.

7 . Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at vinylacetatenhetene er hydrolysert i et omfang på ca. 99+ mol-% til vinylalkoholenheter.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at den kationiske polymeren består av 3-30 mol-% vinylamineenheter.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at additivsammensetningen i det vesentlige består av ca. 2 deler poly(vinylacetat-vinylamid) pr. del anionisk polymer.

10. Fremgangsmåte ved fremstilling av et papirprodukt ved avsetning av cellulosefibre fra en vandig oppslemming derav, karakterisert ved at den innbefatter tilsetning til den vandige oppslemmingen av cellulosefibre av 0.1 til 3 vekt-#, basert på fibrene, av en additivsammenset-ning for forbedring av kompresjonsstyrke i fuktig tilstand bestående hovedsakelig av 0.5-5 vektdeler poly(vinylacetat-vinylamid), hvor vinylacetatenhetene er hydrolysert i et omfang på minst 90 mol-$, og vinylamidenhetene er hydrolysert slik at polymeren omfatter 1-50 mol-# vinylamineenheter, pr. del karboksymetylcellulose.