Способ улучшения проклейки, минеральный наполнитель и бумага (ее вариант)

 

Изобретение касается улучшения проклейки, минерального наполнителя и улучшенных бумаг. Способ включает добавление к композиции для производства бумаги наполнителя с поверхностью, обработанной анионогенным веществом и катионным полимером - димером алкилкетена. Минеральный наполнитель имеет поверхность, подвергнутую указанной двойной обработке, и представляет собой карбонат кальция, или тонкоизмельченный карбонат кальция, или осажденный карбонат кальция. Бумага включает целлюлозные волокна и минеральный наполнитель, подвергнутый указанной двойной обработке. Бумага включает целлюлозные волокна и наполнитель, которым является карбонат кальция, с поверхностью, подвергнутой указанной двойной обработке. Изобретение позволяет повысить качество конечного бумажного продукта. 4 с. и 9 з.п. ф-лы, 3 табл.

Настоящее изобретение относится к способу улучшения проклейки, используемому для усовершенствования процесса производства бумаги и полученной из нее бумажной продукции, а также к неорганическим наполнителям с обработанной поверхностью, которые являются в особенности подходящими в процессах производства бумаги, где являются важными клеящие и другие свойства, такие как прочность и оптические свойства.

Предпосылки создания изобретения В процессе производства бумаги для замедления или препятствования прохождению жидкостей через бумагу обычно используют проклеивающие вещества. Проклеивающие вещества, как правило, используют в процессе производства бумаги или как проклеивающие вещества для проклейки в массе, или как проклеивающие вещества, предназначенные для обработки поверхности. Проклеивающие вещества для проклейки в массе добавляют в мокрой части бумагоделательной машины, используемой в процессе производства бумаги, в то время как проклеивающие вещества для обработки поверхности добавляют в клеильный процесс и воздействуют на поверхностные свойства листа.

Ранее при создании проклеивающих веществ, являющихся химически активными по отношению к целлюлозе, для контроля за проклейкой были необходимы чрезмерные количества проклеивающего вещества. Синтетическими клеящими веществами, используемыми в настоящее время, являются димер алкилкетена (AKD) и алкенилянтарный ангидрид (ASA). Оба вещества посредством химического взаимодействия (образования ковалентной связи) с гидроксильными группами целлюлозного волокна обеспечивают проклейку. Однако чрезмерное применение проклеивающих веществ, являющихся химически активными по отношению к целлюлозе, приводит к повышенной влажности конечных отложений, к необходимости очистки пресса и к проблемам с коэффициентом трения, связанным с поверхностью бумаги. Эти проблемы неблагоприятно влияют на производство бумаги и качество конечного бумажного продукта. Поэтому чрезмерное использование клеящих веществ продолжает оставаться проблемой для производителей бумаги как с экономической, так и с технической точки зрения.

Для контроля за проклейкой в производстве бумаги в равной степени важным является тип используемого наполнителя. Известно, что вредное воздействие на проклейку оказывают неорганические основные наполнители, например, такие как: глина, диоксид титана и карбонат кальция. Наполнитель и мелочь, присутствующие в мокрой части бумагоделательной машины, используемой в процессе производства бумаги, поглощают проклеивающее веществ, что делает его неэффективным при контроле за проклейкой.

Изучение щелочной бумаги, наполненной различными видами карбоната кальция, привело к обнаружению обратно пропорциональной зависимости между удельной поверхностью (SSA) наполнителя и значениями проклейки листа. Иными словами, чем больше удельная поверхность наполнителя, тем большее вредное воздействие он оказывает на проклейку. К тому же при таких обстоятельствах, когда увеличение содержания наполнителя в бумаге будет благоприятным как для процесса производства бумаги, так и для конечного продукта, могут возникнуть проблемы с проклейкой, которые отрицательно влияют на качество листа, производительность машины и эффективность производства.

Следовательно, необходимо неорганический основной наполнитель, который можно применять в процессе производства бумаги без оказания вредного воздействия как на процесс производства бумаги, так и на физические свойства конечного листа.

Поэтому целью настоящего изобретения является обеспечение способа улучшения проклейки бумаги. Другой целью настоящего изобретения является обеспечение композиции неорганического основного наполнителя, которую можно использовать в процессе производства бумаги для улучшения проклейки. Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение композиции неорганического основного наполнителя, которая улучшает качество конечного бумажного продукта, не оказывая при этом неблагоприятного воздействия на проклейку. Эти и другие цели станут очевидными из последующего подробного описания.

Предшествующий уровень техники.

Известен способ улучшения проклейки, включающий добавление к композиции для производства бумаги наполнителя с использованием димера алкилкетена (SU 235541, кл. D 21 H 21/16, оп. 1969).

Данный способ является наиболее близким аналогом для способа улучшения проклейки.

Известен наполнитель, используемый в производстве бумаги, содержащий карбонат кальция, покрытый анионной синтетической полимерной смолой, с тем чтобы покрытый наполнитель имел "0" (нулевой) заряд. (DE 2316097, кл. 48 D² 5/00, оп. 1975). Предполагается, что покрытый наполнитель сводит к минимуму потери прочности, обычно возникающие при использовании наполнителя в производстве бумаги. Предпочтительными анионными смолами являются полимеры на основе воды, например, такие как сополимер стирола и бутадиена.

Наиболее близким аналогом является минеральный наполнитель, имеющий поверхность, подвергнутую обработке катионным полимером димера алкилкетена, взятым в количестве от 0,1 до 10 мас.%. (EP 0445953, кл. D 21 H 17/69, оп. 1991).

Известен также способ усовершенствования производства бумаги посредством уменьшения необходимой проклейки, сохранения содержимого проклейки во времени, усовершенствования манипулирования с образованным тонким листом путем добавления к загрузке при производстве бумаги от 5 до 50 мас.% наполнителя, поверхность которого обработана катионным полимером, взятым в количестве от примерно 0,1 до примерно 10,0 мас.%, который сделали катионным путем обработки, по крайней мере, одним полиаминоамидным и полиаминовым полимером, который провзаимодействовал с эпоксидированным галогенгидриновым соединением с образованием третичных и четвертичных аминогрупп в катионном полимере (US 5147507, кл. D 21 H 17/69, оп. 1992).

Сущность изобретения Представлены композиции неорганического наполнителя и способ ее применения, где неорганический наполнитель предварительно обрабатывают анионогенным веществом и катионными полимером для получения неорганического наполнителя, подвергнутого двойной обработке, который, в частности, является пригодным в процессах производства бумаги, где являются важными клеящие свойства, прочность и оптические свойства.

Подробное описание изобретения По одному аспекту изобретения было найдено, что новым и неожиданным относительно предшествующего уровня техники является неорганический наполнитель, подвергнутый двойной обработке, например, такой как карбонат кальция или природный известняк или полученный синтетически в виде осажденного карбоната кальция неорганический наполнитель, подвергнутый двойной обработке, является, в частности, пригодным в процессе производства бумаги, где являются важными проклейка, прочность и оптические свойства.

По другому аспекту изобретение обеспечивает способ получения неорганического наполнителя, подвергнутого двойной обработке путем обработки поверхности неорганического наполнителя сначала анионогенным химическим веществом и затем катионным полимером. Когда неорганический наполнитель настоящего изобретения, поверхность которого подвергнута двойной обработке, затем используют в процессе производства бумаги, клеящие свойства улучшаются без оказания неблагоприятного воздействия на прочность и оптические свойства.

Анионогенные химические вещества Было найдено, что для первой обработки неорганического наполнителя являются эффективными анионогенные химические вещества, которые выбирают из группы, состоящей из стекловидных фосфатов натрия, карбоксиметилцеллюлозы, силикатов, полиакрилатов, натриевой соли полиакриловой кислоты, включая их смеси, или других неорганических или органических диспергирующих веществ. Стекловидные фосфаты натрия включают тетрафосфат натрия, тетранатрийпирофосфат, гексаметофосфат натрия и амидополифосфат с длинной цепью. Из них предпочтительными являются натриевые соли полиакриловых кислот с молекулярной массой менее чем около 4000.Подходящим полиакрилатом является полиакрилат, производимый Роун-Пуленк, Мариетта, Джорджиа, под торговым названием Collids-211. Предпочтительными являются стекловидные фосфаты натрия и в особенности предпочтительным является тетранатрийфосфат.

Уровень анионогенного химического вещества, необходимый для улучшения оптических и физических свойств бумаги, изготовленной в соответствии с настоящим изобретением, составляет от около 0,01% по массе до около 1,0% по массе относительно массы неорганического наполнителя. Предпочтительный уровень анионогенного химического вещества составляет от около 0,1% по массе до около 0,5% по массе.

Катионные полимеры.

Вторым компонентом, необходимым для получения неорганического наполнителя настоящего изобретения, подвергнутого двойной обработке, является катионный полимер. Применение катионного полимера в количестве от около 0,1% до около 10,0%, предпочтительно от около 0,25% до около 2% по весу относительно веса неорганического наполнителя, улучшает клеящие свойства без оказания неблагоприятного воздействия на оптические и физические свойства, в частности на непрозрачность и предел прочности при растяжении полученной бумаги, в которой используют наполнитель. Было найдено, что для обработки поверхности неорганического наполнителя эффективными катионными полимерами являются димеры общей формулы: где R является углеводородной группой, выбранной из группы, состоящей из алкила с, по крайней мере, 8 атомами углерода, циклоалкила с, по крайней мере, 6 атомами углерода, арила, аралкила и алкарила. Конкретными димерами являются: октиловый, дециловый, додециловый, тетрадециловый, гексадециловый, октадециловый, эйкозиловый, докозиловый, тетракозиловый, фенильный, бензил-бета- нафтиловый и циклогексиловый димер. Другими используемыми димерамим являются димеры, полученные из минеральных кислот, нафтеновой кислоты, дельты-9, 10-дециленовой кислоты, пальмитолиновой кислоты, олеиновой кислоты, рецинолеиновой кислоты, линолеата, линолевой кислоты, олестеариновой кислоты и т.п., а также димеры, полученные из смесей природных жирных кислот, например, такие, которые получают из кокосового масла, масла бабассу, масла из семян пальмы, пальмового масла, оливкового масла, арахисового масла, масла из семян рапса, говяжьего нутряного сала и свиного сала и т.д., включая смеси вышеперечисленных веществ.

Полимер делают катионным путем обработки димера полиаминоамидным и/или полиаминовым полимером, провзаимодействовавшим с эпоксидированным галогеногидриновым соединением, например, эпихлоргидрином, вследствие чего на поверхности димера образуются третичные и четвертичные аминогруппы. Предпочтительно, чтобы заряд катиона на димере был получен от четвертичных аминогрупп. Подходящим полимером этого типа является полимер, полученный Геркулес, Инк., Вильмингтон, Делавээ., под торговым названием Негсоп.

Неорганические наполнители, подходящие для применения в настоящем изобретении, выбирают из группы, состоящей из карбоната кальция, или природного тонкоизмельченного известняка (карбоната кальция) или синтетически полученного в виде осажденного карбоната кальция (PCC), диоксида титана, талька и диоксикремниевых/силикатных наполнителей. Вышеупомянутые наполнители, в том случае, когда их используют необработанными, оказывают вредное воздействие на проклейку, но когда их обрабатывают сначала анионогенным веществом и затем катионным полимером в соответствии с настоящим изобретением, становятся легко используемыми и в действительности усовершенствуют процесс производства бумаги и образованный бумажный продукт.

Было обнаружено, что для всех типов наполнителей количество катионного полимера, которое необходимо добавить к наполнителю, находится в определенном соотношении с площадью поверхности наполнителя.

Для получения неорганического наполнителя настоящего изобретения с поверхностью, подвергнутой двойной обработке, органический наполнитель сначала обрабатывают анионогенным химическим веществом и затем катионным полимером. Анионогенные и катионные вещества добавляют к суспензии, содержащей неорганический наполнитель, посредством любых средств, известных в данной области. Анионогенное химическое вещество может быть добавлено в мокром или сухом виде, в то время как катионное вещество, предназначенное для обработки, добавляют обычно в виде раствора. Один эффективный способ обработки поверхности наполнителя состоит в добавлении веществ, предназначенных для обработки, при перемешивании суспензии при комнатной температуре 25 град.С. Когда неорганический наполнитель настоящего изобретения с поверхностью, подвергнутой двойной обработке, используют в дальнейшем в процессе производства бумаги, клеящие свойства улучшаются.

Когда настоящее изобретение реализуют на практике с применением в качестве основного неорганического наполнителя глины, было обнаружено, что обработка поверхности глины катионным полимером упомянутого типа в качестве от около 1 мас.% до около 2 мас.% является эффективной при получении глины, используемой в качестве наполнителя, к которой предъявляют пониженные требования при проклейке.

Проклейку исследовали посредством испытания проклейки по Геркулесу (HST), в котором измеряют проникновение жидкости сквозь отливки. НSТ представляет метод испытаний, используемый для определения степени проклейки бумаги в настоящем изобретении. Испытание проводили на приборе для испытания проклейки по Геркулесу модели KA или KC, а используемым методом испытаний является метод TAPPI Т-530 РМ-89 (пересмотренный в 1989 г.).

Последующие примеры приведены с целью дальнейшей иллюстрации новых и неочевидных аспектов неорганического основного наполнителя с обработанной поверхностью и способа его применения в настоящем изобретении. Однако их не следует рассматривать как ограничивающие объем настоящего изобретения каким-либо образом в любом аспекте, который определен в приложенной формуле изобретения.

Пример 1 Суспензию CaCO₃ с содержанием твердых частиц 17,5% и pH 8,0 обработали нижеописанными катионным или анионогенным и катионным материалами. Уровни материалов для обработки вычислили в пересчете на сухое вещество относительно присутствующего карбоната кальция (% содержания сухого вещества в наполнителе). Для двойной обработки к суспензии карбоната кальция при перемешивании сначала добавили анионогенное вещество, предназначенное для обработки. После перемешивания в течение пяти минут добавили катионное вещество и перемешивание продолжили в течение еще пяти минут. Затем обработанные CaCO₃ наполнители включили в отливки бумаги для дополнительной оценки следующим образом.

Турбулентно вибрирующие шаблонные отливки (74 г/см²) получили из загрузки, состоящей из 75% беленой твердой крафт-целлюлозы и 25% беленой мягкой крафт- целлюлозы, измельченной при pH 7,0 в дистиллированной воде до степени помола по Канадскому стандарту 400. Скорость сдвига турбулентно вибрирующего шаблона установили при 1250 оборотах в минуту, при этом использовали загрузку целлюлозы, имеющую вязкость 0,12%. К целлюлозе добавили Негсоп-85, представляющий синтетическое проклеивающее вещество (димер алкилкетена) при уровне от 0,25 до 0,75%. Для достижения содержания наполнителя в конечных листах в диапазоне от 15 до 25% к загрузке добавили наполнитель. Добавили вспомогательное средство для улучшения удержания, которым являлся анионогенный полиакриламид с высокой молекулярной массой (Асс и гас-171), взятый в количестве, соответствующем 0,05%. В течение всего процесса получения отливок использовали дистиллированную воду. Листы прессовали с использованием одного зазора между валками под давлением 25 фунтов/дюйм² (1.7578 кг/см²) и сушили на вращающемся барабане, покрытом хромом, при температуре 125 град.C. Все листы кондиционировали при температуре 23 град.C и относительной влажности 50 град.C.

Было найдено, что значения проклейки, полученные на листах, наполненных карбонатом кальция CaCO₃, подвергнутым двойной анионогенной/катионной обработке, превосходят значения проклейки, полученные с использованием только одной катионной обработки (см. табл. 1 в конце описания).

Пример 2 Тем же самым способом, который описан в примере 1, суспензию CaCO₃ с содержанием твердых частиц приблизительно 17- 18% и pH 8 обработали нижеупомянутыми материалами (уровни веществ, предназначенных для обработки, были вычислены в пересчете на сухое вещество), при этом при каждом добавлении обеспечили перемешивание в течение пяти минут. Затем получили отливки бумаги, используя при этом полученную суспензию CaCO₃ с обработанной поверхностью при уровнях заданного наполнителя 16 и 24% и заданном сухом весе листа 0,6 г (74 г/м²).

Было найдено, что увеличение уровня анионогенного вещества, предназначенного для обработки, при сохранении постоянным уровня катионного вещества, приводит к получению более высоких значений проклейки (см. табл. 2 в конце описания).

Пример 3 Тем же самым способом, который описан в примере 1, суспензию CaCO₃ с содержанием твердых частиц приблизительно 17-18% и pH-8 обработали нижеупомянутыми материалами (уровни веществ, предназначенных для обработки, были вычислены в пересчете на сухое вещество), при этом при каждом добавлении обеспечили перемешивание в течение пяти минут. Затем получили отливки бумаги, используя при этом полученные суспензии CaCO₃ с обработанной поверхностью через 2 дня и затем через 10 дней хранения наполнителя. Уровень заданного наполнителя составил 16% и заданные сухие веса листа составили 0.6 г (74 г/м²).

Было найдено, что значения проклейки, полученные на листах, наполненных карбонатом кальция CaCO₃, подвергнутым двойной анионогенной/катионной обработке, превосходят значения, полученные на листах, изготовленных с использованием обработки только одним катионогенным веществом как после двух, так и после десяти дней хранения наполнителя. Более того, было показано, что двойная обработка приводит к меньшим потерям проклейки, чем одна обработка (см. табл. 3 в конце описания).

Формула изобретения

1. Способ улучшения проклейки, включающий добавление к композиции для производства бумаги наполнителя с использованием димера алкилкетена, отличающийся тем, что наполнитель используют с поверхностью, обработанной анионогенным веществом, выбранным из группы, состоящей из стекловидных фосфатов натрия, карбоксиметилцеллюлозы, силикатов, полиакрилатов и натриевой соли полиакриловой кислоты, включая смеси указанных веществ, в количестве около 0,1 - 1 мас.% и около 0,1 - 10 мас.% относительно массы наполнителя, и катионным полимером-димером алкилкетена общей формулы

где R представляет углеводородную группу, выбранную из группы, состоящей из алкила с по крайней мере 8 атомами углерода, циклоалкила с по крайней мере 6 атомами углерода, арила, аралкила и алкарила.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что димер выбирают из октилового, децилового, додецилового, тетрадецилового, гексадецилового, октадецилового, эйкозилового, докозилового, тетракозилового, фенильного, бензил-бета-нафтилового, циклогексилового, нафтеновых кислот, дельты-9, 10-дециленовой кислоты, пальмитолиновой кислоты, олеиновой кислоты, рицинолеиновой кислоты, линолеата, линолевой кислоты, олестеариновой кислоты и жирных кислот, полученных из кокосового масла, масла бабассу, масла из семян пальмы, пальмового масла, оливкового масла, арахисового масла, масла из семян рапса, говяжьего нутряного сала или свиного сала.

3. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что композиция для производства бумаги содержит наполнитель с поверхностью, обработанной анионогенным веществом в количестве около 0,1 - 0,5 мас.% и катионным полимером в количестве около 0,1 - 10 мас.% относительно массы наполнителя.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что неорганическим наполнителем является тонкоизмельченный карбонат кальция.

5. Минеральный наполнитель, имеющий поверхность, подвергнутую обработке катионным полимером, отличающийся тем, что его поверхность подвергнута двойной обработке - сначала анионогенным веществом и затем катионным полимером.

6. Минеральный наполнитель по п.5, отличающийся тем, что поверхность наполнителя обработана анионогенным веществом, взятым в количестве около 0,1 - 1,0 мас. %, и катионным полимером, взятым в количестве около 0,1 - 10 мас.% относительно веса наполнителя.

7. Минеральный наполнитель по п.5 или 6, отличающийся тем, что им является карбонат кальция.

8. Минеральный наполнитель по п.5 или 6, отличающийся тем, что им является осажденный карбонат кальция.

9. Минеральный наполнитель по п.5 или 6, отличающийся тем, что анионогенное вещество выбрано из группы, состоящей из стекловидных фосфатов натрия, карбоксиметилцеллюлозы, силикатов, полиакрилатов и натриевой соли полиакриловой кислоты.

10. Минеральный наполнитель по п.5 или 6, отличающийся тем, что катионным полимером является димер общей формулы

где R представляет углеводородную группу, выбранную из группы, состоящей из алкила с по крайней мере 8 атомами углерода, циклоалкила с по крайней мере 6 атомами углерода, арила, аралкила и алкарила.

11. Минеральный наполнитель по п.10, отличающийся тем, что димер выбран из октила, децила, додецила, тетрадецила, гексадецила, октадецила, эйкозила, докозила, тетракозила, фенила, бензила, бета-нафтила, циклогексила, нафтеновой кислоты, олеиновой кислоты, рицинолеиновой кислоты, липолеата, линолевой кислоты, олестеариновой кислоты и жирных кислот, полученных из кокосового масла, масла бабассу, масла из семян пальмы, пальмового масла, оливкового масла, арахисового масла, масла из семян рапса, говяжьего нутряного сала или свиного сала.

12. Бумага, включающая целлюлозное волокно и минеральный наполнитель, обработанный катионным полимером, отличающаяся тем, что минеральный наполнитель обработан сначала анионогенным веществом и затем катионным полимером.

13. Бумага, включающая целлюлозные волокна и наполнитель, которым является карбонат кальция с поверхностью, обработанной катионным полимером в количестве около 0,1 - 10 мас.%, отличающаяся тем, что поверхность карбоната кальция дополнительно обработана анионогенным веществом в количестве около 0,1 - 1 мас.% относительно массы наполнителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4