Применение полимерного продукта для регулирования процесса образования отложений при производстве бумаги или картона
Изобретение относится к производству бумаги и картона. Водорастворимый полимерный продукт, содержащий амфотерный полиакриламид, который имеет нейтральный или катионный суммарный заряд при pH 7, средневесовую молекулярную массу 2500000-18000000 г/моль и общую ионность 4-28 мол.%, применяют для регулирования образования отложений, вызванных гидрофобными веществами, при производстве бумаги или картона, когда волокнистое полотно формируется из водной суспензии волокон. Обеспечивается уменьшение образования отложений, вызванных гидрофобными веществами при производстве бумаги и картона, и улучшение фиксации гидрофобных веществ на волокнах. 17 з.п. ф-лы, 2 ил., 7 табл., 2 пр.
Настоящее изобретение относится к применению полимерного продукта для регулирования процесса образования отложений при производстве бумаги или картона, к усовершенствованному способу изготовления бумаги или картона с применением амфотерного водорастворимого полимерного продукта для регулирования процесса образования отложений, а также к бумажному или картонному продукту в соответствии с преамбулами независимых пунктов прилагаемой формулы изобретения.
Современные способы изготовления бумаги на высокоскоростных бумагоделательных машинах очень чувствительны к помехам. Одним из важных факторов, ограничивающих производительность высокоскоростной бумагоделательной машины, является образование отложений. Образовавшиеся отложения могут вызывать повреждения полотна, поэтому в качестве меры предосторожности наиболее подверженные воздействию поверхности, такие как поверхности сушильных цилиндров, каландров, формующих сеток и сукон, регулярно подвергаются мойке и очищению, что приводит к простоям и производственным потерям. Образовавшиеся отложения также могут снижать качество бумаги до такой степени, что могут происходить обрывы бумажного полотна, и/или вызывать появление дырок и темных пятен, даже в таком количестве, что произведенная бумага не подходит для предполагаемого конечного применения и подлежит выбраковке. К снижению качества производимой бумаги может приводить даже низкий уровень отложений, который вызывает ухудшение качества целевого конечного продукта или приводит к проблемам при дальнейшей обработке произведенной бумаги. Например, отложения в бумажном полотне могут вызывать внезапные разрывы полотна во время печати и загрязнение печатных машин.
При изготовлении бумаги отложения обусловлены любым материалом, который способен откладываться на технологической поверхности. Обычно отложения обусловлены гидрофобными веществами, включая так называемые липкие вещества и смолу.
В последние десятилетия при изготовлении бумаги и картона увеличивается применение недорогих источников волокна, таких как отработанный гофрокартон для контейнеров (OCC) и другие виды рециклируемой бумаги и картона. Применение в качестве сырья материала на основе рециклируемых волокон является основным источником гидрофобных веществ, так называемых липких веществ, при изготовлении бумаги и картона. Хотя некоторое количество или даже большая часть таких гидрофобных веществ удаляется во время получения волокнистой массы из сырья на основе рециклируемых волокон, значительные количества все еще переносятся в процесс изготовления бумаги или картона. Обычно гидрофобные вещества высвобождаются из сырья на основе рециклируемых волокон на стадии получения волокнистой массы и удаляются из волокнистой массы на следующих стадиях, таких как просеивание, центробежная очистка, флотация, промывка или обработка сгущенного фильтрата путем пневматической флотации. Гидрофобные вещества также могут поступать из листового брака бумагоделательной машины, особенно из мелованного брака.
Еще одним источником гидрофобных веществ являются сами волокна, особенно поступающие из крафт-целлюлозной массы, полностью механической древесной массы, термомеханической или полумеханической древесной массы. Волокна, поступающие из крафт-целлюлозной массы и механической древесной массы, яляются основным источником природных гидрофобных веществ, так называемой смолы, которая включает в себя древесные экстрактивные вещества, стеролы, жирные кислоты, смоляные кислоты, сложные эфиры жирных кислот либо в фоме их солей, либо в свободной форме.
Хотя как липкие вещества, так и смола являются гидрофобными по своей природе, в процессе изготовления бумаги они ведут себя по-разному. Например, повышенные температуры делают смолу менее липкой и более диспергируемой, в то время как липкие вещества становятся еще более липкими при повышенных температурах и поэтому с большей вероятностью откладываются на технологических поверхностях. Также по-разному могут вести себя фракции гидрофобных веществ с разным размером частиц. Так называемые липкие макрочастицы имеют высокую склонность к образованию отложений, но они легко удаляются механически, например, при просеивании или центробежной очистке. Липкие вещества с размером частиц приблизительно менее 150 мкм называются липкими микрочастицами и также являются потенциальным источником агломерации, отложений, обрывов полотна и скопления грязи, особенно в тех местах процесса, где происходят резкие изменения, например, изменение pH, температуры, проводимости, заряда или т.п. Липкие микрочастицы нелегко удаляются механически из волокнистой массы. Некоторое количество липких микрочастиц может удаляться на стадиях флотации или очищения макулатурной массы от печатной краски, однако поскольку способы оптимизируются в отношении удаления печатной краски, их эффективность в отношении удаления липких микрочастиц снижается. Удаление липких микрочастиц также неэффективно на стадии сгущения, потому что микрочастицы обычно следуют за волокнами и мелкими частицами и не отделяются от фильтрата, который может подвергаться обработке путем пневматической флотации.
Волокнистые массы, применяемые для изготовления бумаги или картона, обычно также содержат растворенные и коллоидные гидрофобные вещества. Такие вещества склонны оставаться в технологических водах, но они могут агломерировать с образованием более крупных гидрофобных частиц, которые способны образовывать отложения.
Гидрофобные вещества, которые не были удалены на стадии очищения макулатурной массы от печатной краски или на другой стадии обработки рециклируемого волокна, и которые не улавливаются ситами, попадают в бумагоделательную или картоноделательную машину и циркулируют в технологических водах. Из-за возросшей экологической грамотности и экологических норм процессы изготовления бумаги становятся все более и более замкнутыми и в них используется меньше пресной воды. Это приводит к сильному накоплению в суспензии волокон и технологических водах мешающих веществ, включая гидрофобные вещества.
Циркулирующие гидрофобные вещества в процессе изготовления бумаги можно регулировать путем добавления химикатов для создания вокруг гидрофобных частиц приповерхностного слоя гидрофильного материала и уменьшения их склонности к отложению, то есть делая гидрофобные частиц менее липкими. Коллоидную стабильность небольших гидрофобных частиц можно повышать с помощью поверхностно-активных веществ и диспергаторов, которые предотвращают их агломерацию и отложение на поверхностях. Как микрочастицы, так и макрочастицы липких веществ склонны иметь размер частиц, который слишком велик для их эффективной стабилизации с помощью поверхностно-активных веществ.
Для регулирования гидрофобных веществ, таких как смола и липкие вещества, посредством фиксации обычно в качестве фиксаторов применяют катионные полимеры с высоким зарядом, такие как гомополимеры диаллилдиметиламмонийхлорида (DADMAC). Для регулирования липкости гидрофобных частиц посредством снижения их липкости были применены неионные полимеры, такие как поливиниловый спирт, и coполимеры, такие как coполимеры полиакриламида и винилацетата. Для регулирования процесса образования отложений обычно применяют квасцы, крахмалы и низкомолекулярные катионные коагулянты, поскольку они могут нейтрализовать анионные примеси и негативно влияющие вещества, включая смолу и липкие вещества, по меньшей мере, частично путем образования комплексов. Однако было отмечено, что такие комплексы могут концентрироваться в процессе производства и приводить к дополнительным проблемам, связанным с отложениями. Таким образом, существует постоянная потребность в усовершенствованном способе регулирования гидрофобных веществ и эффективном регулировании и предотвращении образования отложений при изготовлении бумаги или картона.
Целью данного изобретения является минимизация или, возможно, даже устранение недостатков, существующих в предшествующем уровне техники.
Другой целью настоящего изобретения является обеспечение эффективного регулирования процесса образования отложений, вызванных гидрофобными веществами, при производстве бумаги или картона.
Дополнительной целью настоящего изобретения является, в частности, улучшение фиксации гидрофобных веществ на волокнах.
Упомянутые цели достигаются с помощью изобретения, имеющего характеристики, представленные ниже в отличительных частях независимых пунктов формулы изобретения. Некоторые предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Признаки, перечисленные в зависимых пунктах формулы изобретения, и варианты осуществления изобретения, перечисленные в описании, могут взаимно комбинироваться без ограничений, если иное не указано в явном виде.
Примерные варианты осуществления изобретения, представленные в данном тексте, и их преимущества касаются подходящих для применения деталей, способа, а также бумаги или картона в соответствии с изобретением, даже в том случае, если это не всегда упоминается отдельно.
Согласно настоящему изобретению типичное применение водорастворимого полимерного продукта, содержащего амфотерный полиакриламид, который имет нейтральный или катионный суммарный заряд при pH=7, средневесовую молекулярную массу 2500000–18000000 г/моль и общую ионность 4–28 мол.%, относится к регулированию образования отложений, вызванных гидрофобными веществами, при производстве бумаги или картона, когда волокнистое полотно формируется из водной суспензии волокон.
В типичном способе изготовления бумаги в соответствии с настоящим изобретением при производстве бумаги или картона, когда волокнистое полотно формируется из водной суспензии волокон, способ содержит:
- обеспечение водной суспензии волокон;
- необязательное разбавление водной суспензии волокон;
- доставку водной суспензии волокон в напорный ящик; обезвоживание водной суспензии волокон на формующей сетке с образованием мокрого полотна бумаги или картона; и
- прессование и сушку мокрого полотна с получением полотна бумаги или картона;
причем к суспензии волокон добавляют водорастворимый полимерный продукт, содержащий амфотерный полиакриламид, который имеет нейтральный или катионный суммарный заряд при pH=7, средневесовую молекулярную массу 2500000–18000000 г/моль и общую ионность 4–28 мол.%, для регулирования образования отложений, вызванных гидрофобными веществами. Предпочтительно полимерный продукт перед добавлением к суспензии волокон растворяют в воде или разбавляют водой для получения водного раствора для обработки.
Типичную бумагу или картон в соответствии с настоящим изобретением получают с помощью способа согласно изобретению или путем применения согласно изобретению водорастворимого амфотерного полимера.
В настоящее время неожиданно было обнаружено, что водорастворимый полимерный продукт, который содержит указанный амфотерный полиакриламид, является эффективным для регулирования образования отложений. Предполагается, что упомянутый амфотерный полиакриламид успешно фиксирует гидрофобные вещества, то есть связывает или соединяет гидрофобные вещества с волокнами и тем самым с бумажным или картонным полотном, уменьшая при этом накопление и отложение гидрофобных веществ на технологических поверхностях и/или в технологических водах. Общая ионность и, в частности, катионность амфотерного полиакриламида является низкой, благодаря чему снижается риск чрезмерной катионизации в процессе изготовления бумаги или картона. Кроме того, присутствие, по меньшей мере, локального катионного заряда (зарядов) в амфотерной структуре полиакриламида обеспечивает сродство к анионно-заряженным полимерам, таким как акрилат, которые обычно присутствуют в липких веществах, тогда как локальные анионные заряды в амфотерной структуре полиакриламида могут образовывать ионные связи с ионами кальция, часто присутствующими в агломерированных липких веществах и/или смоле.
Также неожиданно было обнаружено, что если для регулирования отложений применять амфотерный полиакриламид с более высокой молекулярной массой, чем у общепринятого агента для регулирования отложений, амфотерный полиакриламид способен фиксировать на волокнах гидрофобные вещества с широко варьируемым размером частиц в диапазоне от липких микрочастиц до агломерированных коллоидов и даже до липких макрочастиц. Такая способность фиксировать также гидрофобные вещества с увеличенным размером частиц обеспечивает явное преимущество. Обычно полагали, что гидрофобные вещества с увеличенным размером частиц, такие как липкие макрочастицы, удаляются при просеивании суспензии волокон или фракции рециклируемого волокнистого материала. Однако во время процесса изготовления бумаги мелкие частицы гидрофобных веществ, такие как липкие микрочастицы и коллоидные частицы гидрофобных веществ, могут увеличивать свой размер путем агломерации, благодаря чему в суспензии волокон даже после просеивания могут присутствовать гидрофобные вещества с размером частиц, превышающим 100 микрон или даже превышающим 150 микрон.
Настоящее изобретение особенно эффективно для регулирования образования отложений гидрофобных веществ с размером частиц 1–150 микрон, например, 3–100 микрон, в частности, путем их фиксации на волокнах. Это является преимуществом по сравнению с общепринятыми фиксаторами, такими как катионные неорганические фиксаторы или низкомолекулярные органические полимеры с высоким катионным зарядом, такие как полиэпиамин или полидиаллилдиметиламмонийхлорид (поли-DADMAC), которые способны регулировать образование отложений гидрофобных веществ с размером частиц 1–3 микрона, но которые не способны, по меньшей мере эффективно, фиксировать на волокнах гидрофобные частицы более крупного размера.
Неожиданно было обнаружено, что применение в соответствии с изобретением полимерного продукта, содержащего амфотерный полимер, эффективно для фиксации как липких микрочастиц с размером частиц 3–150 мкм, так и одновременно гидрофобных частиц, таких как смола или коллоидные липкие вещества, с размером частиц 0,2–3 мкм. Реализация такого способа полезна для регулирования и предотвращения отложений, вызванных агломерацией гидрофобных веществ в водяных контурах и в системе короткой циркуляции бумагоделательной или картоноделательной машины. Изобретение помогает также с повышенной эффективностью удерживать гидрофобные вещества, такие как липкие вещества, в бумажном полотне вместе с волокнами. Повышенное удержание гидрофобных веществ снижает их агломерацию в оборотной воде.
Термины "гидрофобы" или "гидрофобные вещества" в данном контексте полностью взаимозаменяемы и синонимичны, и применяются в данном документе с целью охвата всех гидрофобных мешающих веществ, присутствующих при изготовлении бумаги, которые могут вызывать отложения, включая липкие вещества и смолу. Термин "липкие вещества" означает синтетические гидрофобные вещества, поступающие, например, из адгезивов, таких как адгезивы, склеивающие при надавливании, термоплавкие адгезивы, дисперсные адгезивы и клеи в виде раствора, включающие в себя стирол-бутадиеновый каучук (SBR), этиленвинил и поливинилацетат, поливинилакрилат, полиэтилен, полиизопрен, полиизобутен, полибутадиен, полиамид, полиуретан, поливиниловый спирт, поливинилпропионат, простой поливиниловый эфир, сложный полиэфир, сложный эфир акриловой кислоты, блок-coполимеры, воск, природные или модифицированные смолы; печатные краски, такие как впитывающиеся, окисляющиеся, радиационно-отверждаемые печатные краски и ксенографические тонеры, включающие в себя минеральное масло, воск, углеводородные и алкидные смолы, сложные эфиры канифоли, ненасыщенные жирные кислоты, эпоксид, полиол, уретан, сложный полиэфир, поливинил и стиролакрилаты, сложный полиэфир и сложный гидроксиполиэфир, SBR и поливинилбутираль; связующие для покрытий, такие как латекс, включая SBR и поливинилацетаты и акрилаты; воски, применяемые в упаковочном картоне; и гидрофобные внутренние и поверхностные проклеивающие агенты. Термин "смола" означает природные гидрофобные вещества и производные древесины, такие как древесные экстрактивные вещества, стеролы, жирные кислоты, смоляные кислоты, сложные эфиры жирных кислот, включая их соли и другие их формы.
Гидрофобные вещества также можно классифицировать по размеру их частиц. Применяемый в данном документе термин "липкие макрочастицы" означает гидрофобные частицы с диаметром более 150 микрон, которые обычно механически удаляются, например, с помощью сит. Термин "липкие микрочастицы" в данном контексте означает гидрофобные частицы с диаметром 3–150 микрон, которые обычно не удаляются с помощью сит. Под растворенными и коллоидными гидрофобными веществами подразумеваются гидрофобные вещества, которые растворены или имеют размер частиц меньше 3 микрон.
Применяемое в данном документе понятие "регулирование образования отложений гидрофобных веществ" означает предотвращение или снижение образования отложений, вызванных гидрофобными веществами, в процессе изготовления бумаги или картона путем их удаления из суспензии волокон и, в частности, путем их удаления путем фиксации на волокнах. В данном контексте термины "фиксация", "фиксирование" и "фиксировать" означают, что гидрофобные вещества соединяются или связываются с волокнами, по меньшей мере, временно или надолго.
В контексте настоящей заявки термин "амфотерный полиакриламид" означает полиакриламид, в водном растворе которого при pH=7 присутствуют как катионные, так и анионные группы. Амфотерный полиакриламид получают сополимеризацией акриламида или метакриламида с анионными и катионными мономерами. Предпочтительно амфотерный полиакриламид получают coполимеризацией акриламида с анионными и катионными мономерами.
В контексте настоящей заявки термин "водорастворимый" подразумевает, что полимерный продукт и, следовательно, амфотерный полиакриламид способен полностью смешиваться с водой. При смешивании с избытком воды амфотерный полиакриламид в полимерном продукте предпочтительно полностью растворяется, и полученный раствор полимера предпочтительно по существу не содержит дискретных частиц или гранул полимера. Избыток воды означает, что полученный раствор полимера не является насыщенным раствором.
Амфотерный полиакриламид при pH=7 имеет нейтральный или катионный суммарный заряд. Это означает, что при pH=7 заряды анионно-заряженных и катионно-заряженных групп, присутствующих в полиакриламиде, компенсируют друг друга, благодаря чему амфотерный полиакриламид имеет нейтральный суммарный заряд. Альтернативно амфотерный полиакриламид при pH=7 имеет больше катионных зарядов, чем анионных зарядов, благодаря чему амфотерный полиакриламид имеет суммарный катионный заряд. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения 50–95%, предпочтительно 60–90%, более предпочтительно 70–85% заряженных групп амфотерного полиакриламида являются катионными. Для улучшения взаимодействия амфотерного полиакриламида с волокнами и, следовательно, для улучшения фиксации гидрофобных веществ предпочтительно иметь больше катионно- заряженных групп, чем анионно-заряженных групп. Таким образом, в соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения амфотерный полиакриламид при измерении имеет суммарный катионный заряд при pH=7. Это означает, что суммарный заряд амфотерного полиакриламида остается положительным, даже если он содержит анионные группы. Суммарный заряд амфотерного полиакриламида рассчитывают как сумму зарядов присутствующих катионных и анионных групп.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения амфотерный полиакриламид в полимерном продукте содержит 3–25 мол.%, предпочтительно 5–14 мол.%, более предпочтительно 5–9 мол.% структурных звеньев, полученных из катионных мономеров. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения амфотерный полиакриламид в полимерном продукте содержит 0,5–5 мол.%, предпочтительно 1–4 мол.%, более предпочтительно 1–2,5 мол.%, структурных звеньев, полученных из анионных мономеров.
Амфотерный полиакриламид имеет средневесовую молекулярную массу 2500000–18000000 г/моль. Когда амфотерный полиакриламид получают согласно способу полимеризации в геле, средневесовая молекулярная масса полиакриламида предпочтительно может составлять 4000000–18000000 г/моль. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления амфотерный полиакриламид имеет средневесовую молекулярную массу в диапазоне 3000000-18000000 г/моль, предпочтительно 3500000–11000000 г/моль, более предпочтительно 4000000–8000000 г/моль, еще более предпочтительно 4000000–6000000 г/моль. Молекулярная масса амфотерного полиакриламида оказывает существенное влияние на его поведение и характеристики. Было отмечено, что когда средневесовая молекулярная масса амфотерного полиакриламида составляет 2500000 г/моль или более, улучшается фиксация на волокнах даже более крупных гидрофобных частиц. Также было отмечено, что когда средневесовая молекулярная масса составляет не более 18000000 г/моль, волокна располагаются в пространстве более равномерно, снижается риск чрезмерной флоккуляции, поэтому формирование полотна не нарушается даже при более высоких дозировках полимера. Это также может быть связано с оптимальным присутствием как анионных, так и катионных зарядов, поэтому амфотерные полимеры способны образовывать петли в суспензии волокон для изготовления бумаги, особенно при нейтральном значении pH при изготовлении бумаги, тем самым предотвращая слишком обширную флоккуляцию, которая могла бы испортить формирование образующегося полотна.
Амфотерный полиакриламид может иметь характеристическую вязкость в диапазоне 6,7–27 дл/г, которая приблизительно соответствует средневесовой молекулярной массе 2500000–18000000 г/моль. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения характеристическая вязкость амфотерного полиакриламида может находиться в диапазоне 7,5–7 дл/г, предпочтительно 8,5–19 дл/г, более предпочтительно 9,3–15,2 дл/г, еще более предпочтительно 9,3–12,5 дл/г. Характеристические вязкости отражают размер молекулы и могут быть пересчитаны в средневесовые молекулярные массы, как объясняется далее.
Определение "средневесовая молекулярная масса" в данном контексте применяется для описания длины полимерной цепи. Значения средневесовой молекулярной массы предпочтительно рассчитывают по результатам измерения характеристической вязкости известным способом в 1н растворе NaCl при 25°C с применением капиллярного вискозиметра Уббелоде. Выбранный капилляр является соответствующим, и для измерений согласно данной заявке применяли капиллярный вискозиметр Уббелоде с постоянной K=0,005228. Затем по результатам измерения характеристической вязкости рассчитывают среднюю молекулярную массу известным способом с применением уравнения Марка-Хоувинка
[η]=K·Ma,
где [η] представляет собой характеристическую вязкость; M - молекулярную массу (г/моль); "K" и "a" являются параметрами, приведенными для поли(акриламида) в справочнике по полимерам "Polymer Handbook" (четвертое издание, том 2, редакторы: J. Brandrup, E.H. Immergut и E.A. Grulke, John Wiley & Sons, Inc., USA, 1999, стр. VII/11). Соответственно, значение параметра "K" составляет 0,0191 мл/г, и значение параметра "a" составляет 0,71. Диапазон средней молекулярной массы, заданный для параметров в применяемых условиях, составляет 490000–3200000 г/моль, хотя те же самые параметры также применяются для описания значения молекулярной массы за пределами упомянутого диапазона. pH растворов полимера для определения характеристической вязкости доводят до 2,7 с помощью муравьиной кислоты, чтобы избежать возможного полиионного комплексообразования амфотерных полиакриламидов.
Амфотерный полиакриламид может иметь общую ионность от 4 до 28 мол.%. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения общая ионность амфотерного полиакриламида находится в диапазоне 4–18 мол.%, предпочтительно 5–13 мол.%, более предпочтительно 6–12 мол.%, еще более предпочтительно в диапазоне 6–10 мол.%. Амфотерный полиакриламид в полимерном продукте может содержать, по меньшей мере, 72 мол.%, предпочтительно, по меньшей мере, 82 мол.% структурных звеньев, поступающих из акриламидных и/или метакриламидных мономеров, и не более 28 мол.%, предпочтительно не более 18 мол.% структурных звеньев, поступающих из анионных и катионных мономеров. Общая ионность включает в себя все группы, имеющие ионный заряд в амфотерном полиакриламиде при pH=7, большинство заряженных групп, поступающих из ионных мономерных звеньев, а также включает в себя другие заряженные группы, поступающие из агентов обрыва цепи или т.п. Согласно наблюдениям, предпочтительно, чтобы общая ионность полимера составляла не более 18 мол.%, особенно когда средневесовая молекулярная масса полимера составляет 2500000–18000000 г/моль или предпочтительно составляет 3500000–11000000 г/моль. Когда полимерный продукт применяется в повышенных дозировках, более высокая ионность, особенно катионность, может вызывать чрезмерную катионизацию. Таким образом, относительно низкая ионность амфотерного полиакриламида позволяет применять повышенные дозировки полимерного продукта для суспензий волокон, даже если волокнистая масса имеет значения дзета-потенциала, близкие к нулю. Ионность амфотерного полиакриламида может быть оптимизирована во избежание проблем с дзета-потенциалом исходного сырья, то есть смещения дзета-потенциала волокнистой массы в сторону положительных значений.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения амфотерный полиакриламид представляет собоц линейный полиакриламид. Другими словами, амфотерный полиакриламид является неразветвленным и предпочтительно не сшитым. При полимеризации количество сшивающего агента составляет менее 0,002 мол.%, предпочтительно менее 0,0005 мол.%, более предпочтительно менее 0,0001 мол.%. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения полимеризация осуществляется совершенно без сшивающего агента. Линейный амфотерный полиакриламид эффективно снижает возможность появления нерастворимых полимерных частиц, которые могли бы снижать качество производимой бумаги или картона.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения катионные группы в амфотерном полиакриламиде поступают из мономеров, выбранных из 2-(диметиламино)этилакрилата (ADAM), [2-(акрилоилокси)этил]триметиламмонийхлорида (ADAM-Cl), 2-(диметиламино)этилакрилатбензилхлорида, 2-(диметиламино)этилакрилатдиметилсульфата, 2-диметиламиноэтилметакрилата (MADAM), [2-(метакрилоилокси)этил]триметиламмонийхлорида (MADAM-Cl), 2-диметиламиноэтилметакрилатдиметилсульфата, [3-(акрилоиламино)пропил]триметиламмонийхлорида (APTAC), [3-(метакрилоиламино)пропил]триметиламмонийхлорида (MAPTAC) и диаллилдиметиламмонийхлорида (DADMAC). Предпочтительными катионными мономерами являются четвертичные амины, поскольку их заряд не зависит от pH. Более предпочтительно катионный мономер представляет собой [2-(акрилоилокси)этил]триметиламмонийхлорид (ADAM-Cl).
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения анионные группы в амфотерном полиакриламиде поступают из мономеров, выбранных из ненасыщенных моно- или дикарбоновых кислот, таких как акриловая кислота, малеиновая кислота, фумаровая кислота, итаконовая кислота, аконитовая кислота, мезаконовая кислота, цитраконовая кислота, кротоновая кислота, изокротоновая кислота, ангеликовая кислота или тиглиновая кислота.
Амфотерный полиакриламид для полимерного продукта может быть получен путем свободнорадикальной полимеризации с применением любого подходящего способа полимеризации, такого как полимеризация в растворе; дисперсионная полимеризация, например, в присутствии неорганической соли (солей) и/или органического полиэлектролита (полиэлектролитов); эмульсионная полимеризация, особенно обратная эмульсионная полимеризация; или полимеризация в геле с получением водорастворимого полиакриламида с молекулярной массой в указанном диапазоне. Полученный таким образом полимерный продукт может быть, например, в форме водного раствора, водной дисперсии, эмульсии или полимерного продукта в виде сухих частиц. Эмульсионная полимеризация, такая как обратная эмульсионная полимеризация, и полимеризация в геле могут приводить к полимерным продуктам с более высоким содержанием полимера, например, по меньшей мере, 25 масс.%, а также к полимерам, имеющим любую из молекулярных масс во всем диапазоне указанных молекулярных масс.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения амфотерный полиакриламид для полимерного продукта предпочтительно может быть получен путем полимеризации в геле, при этом содержание неводного растворителя в реакционной смеси составляет менее 10 масс.%, предпочтительно менее 5 масс.%, более предпочтительно менее 3 масс.%. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения при таком способе получения можно применять реакционную смесь, содержащую неионные мономеры, такие как акриламид, и анионно- и катионно-заряженные мономеры. Мономеры в реакционной смеси полимеризуются в присутствии инициатора (инициаторов) с применением свободнорадикальной полимеризации. Температура в начале полимеризации может составлять менее 40°C, иногда менее 30°C. Иногда температура в начале полимеризации может составлять даже менее 5°C. В результате свободнорадикальной полимеризации реакционной смеси образуется амфотерный полиакриламид, который находится в форме геля или высоковязкой жидкости. После полимеризации в геле полученный амфотерный полиакриламид в форме геля превращают в порошок, например, измельчают или дробят, а также сушат, благодаря чему получают полимерный продукт в виде частиц. В зависимости от применяемого реакционного устройства, измельчение или дробление может осуществляться в том же самом реакционном устройстве, где происходит полимеризация. Например, полимеризация может осуществляться в первой зоне шнекового смесителя, а измельчение полученного полимера может осуществляться во второй зоне упомянутого шнекового смесителя. Также возможно, чтобы измельчение, дробление или другое регулирование размера частиц осуществлялось в обрабатывающем устройстве, которое является отдельным от реакционного устройства. Например, полученный водорастворимый, то есть растворимый в воде полимер можно перемещать со второго конца реакционного устройства, который представляет собой ленточный конвейер, через сито с вращающимися отверстиями или т.п., где он измельчается или дробится до мелких частиц. После измельчения или дробления превращенный в порошок полимер сушат, измельчают до требуемого размера частиц и упаковывают для хранения и/или транспортировки.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения амфотерный полиакриламид получают согласно способу полимеризации в геле, причем содержание мономеров в реакционной смеси в начале полимеризации составляет, по меньшей мере, 29 масс.%, предпочтительно, по меньшей мере, 30 масс.%, более предпочтительно, по меньшей мере, 32 масс.%.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения полимерный продукт содержит, по меньшей мере, 25 масс.% полимера, предпочтительно, по меньшей мере 60 масс.% полимера. Полимерный продукт с более низким содержанием полимера, например, полученный путем полимеризации в растворе, имеет преимущество в виде более легкого разбавления или растворения до концентрации, требуемой при применении. Полимерный продукт с высоким содержанием полимера, например, полученный путем полимеризации в геле, является более экономичным с точки зрения логистики продукта. Высокое содержание полимера дает дополнительное преимущество в виде улучшенной микробиологической стабильности. Например, когда содержание полимера в полимерном продукте составляет, по меньшей мере, 60 масс.%, что типично для полимерного продукта, полученного путем полимеризации в геле, микробная активность уменьшается, и полимерный продукт становится более стабильным даже в теплом климате и в течении длительных сроков хранения.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения содержание амфотерного полиакриламида в полимерном продукте находится в диапазоне от 60 до 98 масс.%, предпочтительно от 70 до 98 масс.%, более предпочтительно от 75 до 95 масс.%, еще более предпочтительно в диапазоне от 80 до 95 масс.%, иногда даже более предпочтительно в диапазоне от 85 до 93 масс.%. Поскольку содержание амфотерного полиакриламида в полимерном продукте является высоким, естественно, что количество активного амфотерного полиакриламида также является высоким. Это оказывает положительное влияние на стоимость транспортировки и хранения полимерного продукта. Содержание влаги в полимерном продукте обычно составляет 5–12 масс.%.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения полимерный продукт, содержащий амфотерный полиакриламид, находится в форме частиц. В контексте настоящей заявки термин "в форме частиц" означает дискретные твердые частицы или гранулы. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения полимерный продукт содержит частицы или гранулы амфотерного полиакриламида, которые имеют средний размер частиц < 2,5 мм, предпочтительно < 2,0 мм, более предпочтительно < 1,5 мм. Такие частицы получают в результате механического измельчения, такого как резка, помол, измельчение, дробление или т.п., амфотерного полиакриламида, полученного путем полимеризации в геле.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения содержание сухих веществ в полимерном продукте в форме частиц может составлять > 80 масс.%, предпочтительно > 85 масс.%, более предпочтительно находится в диапазоне от 80 до 97 масс.%, еще более предпочтительно в диапазоне от 85 до 95 масс.%. Высокое содержание сухих веществ выгодно с точки зрения характеристик хранения и транспортировки полимерного продукта.
В случае его применения водорастворимый полимерный продукт, содержащий амфотерный полиакриламид, обычно растворяют в воде и/или разбавляют, благодаря чему получают водный раствор для обработки. Содержание полимера в упомянутом водном растворе для обработки может составлять 0,1–4 масс.%, предпочтительно 0,3–3 масс.%, более предпочтительно 0,5–2 масс.%. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения водорастворимый полимерный продукт, содержащий амфотерный полиакриламид, растворяют или разбавляют водой, имеющей pH 2,5–5, получая при этом водный раствор для обработки. Воду можно доводить до подходящего pH, например, путем добавления кислоты или основания. В случае применения при растворении полимера такого слегка кислотного pH полимер полностью сохраняет свои функциональные возможности.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения полимерный продукт, содержащий амфотерный полиакриламид, применяют для регулирования образования отложений, вызванных гидрофобными веществами, при производстве бумаги или картона, когда волокнистое полотно формируется из водной суспензии волокон, которая содержит рециклируемый волокнистый материал. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения суспензия волокон содержит, по меньшей мере, 50 масс.%, предпочтительно, по меньшей мере, 60 масс.%, более предпочтительно, по меньшей мере, 70 масс.% рециклируемого волокнистого материала в расчете на сухую бумагу или картон. В некоторых вариантах осуществления изобретения суспензия волокон может содержать даже > 80 масс.% или 100 масс.% волокон, поступающих из рециклируемых волокнистых материалов. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения рециклируемый волокнистый материал может быть выбран из отработанного гофрокартона для контейнеров, смешанного канцелярского мусора, отработанной газетной бумаги, отработанных журналов, двухслойного крафт-картона и любых их смесей. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения рециклируемый волокнистый материал может быть выбран из отработанного гофрокартона для контейнеров или смешанной макулатуры или отработанной газетной бумаги без стадии очищения от печатной краски. Отработанный гофрокартон для контейнеров (OCC) означает содержащие рециклируемый волокнистый материал контейнеры из гофрокартона, который содержит наружные слои тест-лайнера, джутового или крафт-лайнера (наружные плоские слои из крафт-целлюлозы), и такой термин также может охватывать дважды отсортированный гофрокартон для контейнеров (DS OCC). Смешанная макулатура (MXW) означает рециклируемую смесь, состоящую из рециклируемого картона, такого как OCC, макулатурного мелованного картона и/или картона для складных коробок, и рециклируемой бумаги, такой как отработанная газетная бумага, отработанные журналы и/или канцелярский мусор. Смешанный канцелярский мусор (MOW) означает машинописные бумаги, бумаги для печатающих устройств и офсетные бумаги, содержащие в основном рециклируемый волокнистый материал. Двухслойный крафт-картон означает содержащие рециклируемый волокнистый материал очищенные и отсортированные незапечатанные коробки и ящики из гофрокартона, картонные листы или обрезки, например, крафт-лайнера или джутового лайнера. Макулатурный мелованный картон (WLC) означает многослойный картон, содержащий в одном или нескольких слоях очищенный от печатной краски волокнистый материал и/или неочищенный от печатной краски рециклируемый волокнистый материал, поступающий, например, из OCC, смешанного канцелярского мусора или отработанной газетной бумаги (ONP). Присутствие в суспензии волокон любого из таких рециклируемых волокнистых материалов обычно снижает обезвоживание (волокнистой массы) и прочность бумаги и обеспечивает значительную загрузку гидрофобных растворенных и коллоидных веществ в процессе. Способы, в которых используются рециклируемые волокна и содержится повышенная загрузка гидрофобных веществ в суспензии волокон, особенно выигрывают от применения полимерного продукта согласно настоящему изобретению. Согласно наблюдениям, не только уменьшается образование отложений, но также ослабляется мешающее взаимодействие гидрофобных веществ c общепринятыми катионными удерживающими агентами, агентами для придания прочности в сухом состоянии и агентами для придания прочности во влажном состоянии. Мытье технологических поверхностей, таких как поверхности формующих сеток и сукон, может быть уменьшено.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения суспензия волокон имеет электрическую проводимость, по меньшей мере, 1,5 мСм/см, предпочтительно, по меньшей мере, 2,0 мСм/см, более предпочтительно, по меньшей мере, 3,0 мСм/см, измеренную в напорном ящике бумагоделательной или картоноделательной машины. Повышенная электрическая проводимость типична для суспензии волокон, содержащей рециклируемые волокна и/или для замкнутого способа изготовления бумаги с повышенной загрузкой гидрофобных веществ. Полимерный продукт, содержащий амфотерный полиакриламид, можно применять даже при повышенной электрической проводимости без значительного снижения эффективности регулирования отложений.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения суспензия волокон содержит рециклируемый волокнистый материал, который содержит более 0,02 мг/г, предпочтительно более 0,2 мг/г гидрофобных веществ с размером частиц в диапазоне от 10 до 150 мкм в расчете на сухой рециклируемый волокнистый материал, сухого рециклируемого волокнистого материала. Количество гидрофобных частиц измеряют с применением способа экстрации, описанного в экспериментальном разделе данной заявки. В частности, рециклируемый волокнистый материал, который обрабатывают без стадий флотации и/или промывки, выигрывает от применения согласно настоящему изобретению полимерного продукта, содержащего амфотерный полиакриламид.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения суспензия волокон содержит волокна, полученные способом (способами) сульфатной варки и/или способом механического получения волокнистой массы. Когда суспензия волокон содержит волокна, полученные путем сульфатной варки и/или путем механического получения волокнистой массы, количество смолы в процессе (изготовления бумаги) может повышаться. Применение согласно изобретению обеспечивает также улучшенное регулирование образования отложений, вызванных смолой.
Водный раствор полимерного продукта для обработки, содержащий амфотерный полиакриламид, можно добавлять к суспензии волокон, предпочтительно к густой волокнистой массе, в виде химического реагента в мокрой части процесса изготовления бумаги. Под густой волокнистой массой здесь понимается волокнистая масса или волокнистый материал с консистенцией больше 14 г/л, предпочтительно больше 20 г/л, предпочтительно больше 25 г/л, более предпочтительно больше 30 г/л. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения амфотерный полиакриламид добавляют к суспензии волокон, имеющей консистенцию больше 20 г/л. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения место добавления раствора для обработки расположено после емкостей сборника-аккумулятора волокнистой массы, но до того, как густая волокнистая масса разбавляется в сборнике подсеточной воды (подсеточном колодце, установленном вне машины) оборотной водой короткого контура циркуляции. Предпочтительно амфотерный полиакриламид добавляют к суспензии волокон перед машинным бассейном, более предпочтительно перед смесительным бассейном бумагоделательной или картоноделательной машины. Таким образом, амфотерный полиакриламид имеет больше времени для взаимодействия с гидрофобными веществами и фиксации на волокнах. В случае применения рециклируемых волокон полимерный продукт, содержащий амфотерный полимер, предпочтительно добавляют к компоненту волокнистой массы, содержащему рециклируемые волокна, перед тем, как смешать его с другими необязательными компонентами волокнистой массы, такими как бумажный брак, крафт-целлюлоза или механическая целлюлоза. С другой стороны, благодаря присутствию в его структуре анионных зарядов амфотерный полиакриламид способен к повторной флокуляции, если полимер подвергается резке или деформации из-за сдвиговых усилий, вызванных последующими устройствами, такими как насосы, очистители или сита.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения полимерный продукт применяют в таком количестве, чтобы количество амфотерного полиакриламида составляло от 100 до 2000 г/тонну производимой бумаги или картона, предпочтительно находилось в диапазоне от 300 до 1500 г/тонну производимой бумаги или картона, более предпочтительно находилось в диапазоне от 400 до 900 г/тонну производимой бумаги или картона. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения количество амфотерного полиакриламида, добавляемого перед машинным бассейном, более предпочтительно перед смесительным бассейном, составляет от 100 до 2000 г/тонну, предпочтительно находится в диапазоне от 300 до 1500 г/тонну, более предпочтительно находится в диапазоне от 400 до 900 г/тонну производимой бумаги или картона.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения к суспензии волокон дополнительно добавляют неорганические микрочастицы, предпочтительно микрочастицы бентонита. Взаимодействие микрочастиц и полимерного продукта, содержащего амфотерный полиакриламид, обеспечивает дополнительные преимущества при дальнейшем регулировании образования отложений гидрофобных веществ. Неорганические микрочастицы можно добавлять к суспензии волокон перед машинным бассейном, более предпочтительно перед смесительным бассейном бумагоделательной или картоноделательной машины. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения полимерный продукт, содержащий амфотерный полиакриламид, добавляют к суспензии волокон перед добавлением неорганических микрочастиц. Добавление полимерного продукта и микрочастиц можно осуществлять в густую волокнистую массу или жидкую волокнистую массу, или полимерный продукт можно добавлять в густую волокнистую массу с последующим добавлением микрочастиц в жидкую волокнистую массу. Предпочтительно как полимерный продукт, содержащий амфотерный полиакриламид, так и неорганические микрочастицы добавляют в густую волокнистую массу. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения после добавления полимерного продукта и микрочастиц следует добавление одного или нескольких удерживающих агентов, таких как высокомолекулярный полиакриламид с молекулярной массой > 500000 Да. Здесь термин "жидкая волокнистая масса" обозначает суспензию волокон с консистенцией < 20 г/л.
В данном контексте под применяемым выше термином "суспензия волокон" понимается водная суспензия, которая содержит волокна, предпочтительно рециклируемые волокна и необязательно наполнители. Водорастворимый полимерный продукт, содержащий амфотерный полиакриламид, особенно подходит для производства сортов бумаги и/или картона с величиной зольности перед мелованием, если оно есть, > 10%, предпочтительно > 15%, более предпочтительно > 20%. Для измерения зольности при температуре 525°C применяют стандарт ISO 1762. Например, суспензия волокон может содержать, по меньшей мере, 5%, предпочтительно 10–30%, более предпочтительно 11–19% минерального наполнителя. Количество минерального наполнителя рассчитывают после сушки суспензии волокон, а зольность измеряют согласно стандарту ISO 1762 при температуре 525°C. Минеральный наполнитель может представлять собой любой наполнитель, обычно применяемый при изготовлении бумаги или картона, такой как измельченный карбонат кальция, осажденный карбонат кальция, глина, тальк, гипс, диоксид титана, синтетический силикат, тригидрат алюминия, сульфат бария, оксид магния или любые их смеси.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобетения полимерный продукт, содержащий амфотерный полиакриламид, применяется для регулирования образования отложений, вызванных гидрофобными веществами, при производстве картона, когда производимый картон выбирается из лайнера (картон для плоских слоев гофрокартона), флютинга (картон для гофрированного слоя гофрокартона), лайнера для гипсокартона, картона для изготовления гильз, картона для складных коробок (FBB), макулатурного мелованного картона (WLC), картона из сульфатной целлюлозы (SBS), картона из небеленой сульфатной целлюлозы (SUS) или картона для упаковки жидких продуктов (LPB). Упомянутые виды картона могут иметь граммаж от 120 до 500 г/м2 и могут основываться на 100% первичных волокон, 100% рециклируемых волокон или на любой возможной смеси первичных волокон и рециклируемых волокон.
Водорастворимый полимерный продукт, содержащий амфотерный полиакриламид, особенно подходит для регулирования образования отложений, вызванных гидрофобными веществами, в густой массе, имеющей значение дзета-потенциала в диапазоне от -35 до -1 мВ, предпочтительно от -10 до -1 мВ, более предпочтительно от -7 до -1 мВ, измеренное устройством Mütek SZP-06, причем измеренное непосредственно перед добавлением к суспензии волокон водорастворимого полимерного продукта, содержащего амфотерный полиакриламид.
Полимерный продукт согласно настоящему изобретению также может демонстрировать дополнительное преимущество в виде поддержания или даже улучшения результатов обезвоживания суспензии волокон в процессе изготовления бумаги или картона.
Экспериментальная часть
Некоторые варианты осуществления изобретения описаны в следующих неограничивающих примерах.
В экспериментах для анализа примeняли следующие способы:
Способ измерения (количества) экстрактивных веществ для определения количества гидрофобных веществ, например липких веществ
Количество липких веществ измеряют путем взятия образца волокнистой массы и разбавления его до консистенции 1%. 500 мл образца волокнистой массы просеивают в устройстве Dynamic Drainage Jar (DDJ), снабженном сеткой M80, при температуре 25°C. Устройство DDJ работает в непрерывном режиме при 1200 об./мин. После просеивания 90% образца волокнистой массы добавляют 500 мл промывочной воды. Повторяют промывку с применением дополнительных 500 мл воды. Устройство DDJ останавливают, когда сверху сетки остается 50 мл суспензии волокнистой массы. Верхнюю фракцию остающуюся на сетке, и нижнюю фракцию, просеянную через сетку, собирают на бумажных фильтрах путем фильтрования под вакуумом с помощью воронки Бюхнера. Применяют бумажные фильтры диаметром 125 мм типа M00 от компании Munktell Ahlström. Бумажные фильтры с волокнистой массой сушат в сушильном шкафу при температуре 110°C в течение 4 часов. Образцы взвешивают для определения сухой массы. Бумажные фильтры подвергают сублимационной сушке и экстрагируют тетрагидрофураном. Гравиметрический анализ с последующим измерением SEC ВЭЖХ проводят согласно способу, представленному в докторской диссертации Тиина Сарья из Университета Оулу, Финляндия (Tiina Sarja from Oulu University, Finland) "Измерение, природа и удаление липких веществ в очищенной от печатной краски волокнистой массе" (анг. "Measurement, nature and removal of stickies in deinked pulp", Acta Universitatis Ouluensis, C Technica 275, Oulu University Press, 2007). Считается, что липкие вещества, экстрагированные из верхней фракции, представляют собой липкие макрочастицы с размером частиц >150 мкм; и липкие вещества, экстрагированные из нижней фракции, представляют собой липкие микрочастицы с размером частиц 10–150 мкм. Результаты пересчитаны на общую сухую массу волокнистого образца.
Способ проточной цитометрии
10 мл образца волокнистой массы, куда был добавлен фиксирующий химический реагент, смешивают с 40 мл дистиллированной воды. Образец фильтруют для отделения длинных волокон, которые в противном случае могли бы помешать измерению. Фильтрат разбавляют дистиллированной водой и добавляют флуоресцентный краситель. Измерение проточной цитометрии осуществляют с помощью устройства SL Blue, поставляемого компанией Partec GmbH. Определяют количество красителя для того, чтобы различать частицы на основе сигнала флуоресценции. Размер частиц анализируют по боковому светорассеянию, которое калибруют с применением сферических полистирольных частиц стандартного размера. В проточном цитометре используется пробоотборная трубка объемом 1 мл, из которой анализируется 200 мкл образца. Каждая частица характеризуется интенсивностью флуоресценции и размером. Группа гидрофобных липких частиц или смолы, детектируемая по более высокой интенсивности флуоресценции, отделяется гейтированием от других частиц, включающих в себя мелкие частицы и пигменты. Образец, содержащий, по меньшей мере, на 80% меньше липких частиц и смолы, приводит к меньшему, приблизительно на 80%, количеству частиц при выходе такой группы гидрофобных частиц (после сортировки). Выделенная группа гидрофобных частиц имеет размер от 0,2 до 20 мкм. Результаты для этой группы гидрофобных частиц рассчитывают в виде количества частиц, среднего размера частиц, распределения частиц по размерам или по площади или по объему частиц, если считать форму таких частиц сферической.
Другие способы измерения образцов волокнистой массы
Для испытания на мутность 30 мл образца волокнистой массы фильтровали через бумажный фильтр с черной лентой в фильтровальной воронке путем безнапорной фильтрации и сохраняли фильтрат для измерений. Мутность фильтрата измеряли незамедлительно.
Измерительные устройства и/или стандарты, применяемые для характеристики свойств волокнистой массы/фильтрата, приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Измерительные устройства и/или стандарты, применяемые в примере 1.
| Характеристика | Устройство/Стандарт |
| pH | Knick Portamess 911 |
| Мутность (НЕМ) | WTW Turb 555IR |
| Проводимость (мСм/см) | Knick Portamess 911 |
| Заряд (мкэкв/л) | Mütek PCD 03 |
| Дзета-потенциал (мВ) | Mütek SZP-06 |
| Консистенция (г/л) | ISO 4119 |
Общее описание получения полимерного продукта
Получение раствора мономера для получения амфотерного полиакриламида
Раствор мономера получают путем смешивания 248,3 г 50%-ного раствора акриламида, 0,01 г 40% раствора Na-соли DTPA, 2,9 г глюконата натрия, 4,4 г дипропиленгликоля, 1,9 г адипиновой кислоты и 7,2 г лимонной кислоты в лабораторном термостатируемом стеклянном реакторе при 20–25°C. Смесь перемешивают до растворения твердых веществ. К раствору добавляют 32,6 г 80% ADAM-Cl. С помощью лимонной кислоты pH раствора доводят до 3,0 и добавляют к раствору 2,8 г акриловой кислоты. Значение pH доводят до 2,5–3,0.
Получение сухого полимерного продукта
После получения раствора мономера согласно описанию раствор мономера продувают током азота для удаления кислорода. К раствору мономера добавляют инициатор. Раствор инициатора представляет собой 4 мл 6%-ного раствора 2-гидрокси-2-метилпропиофенона в растворе смеси полиэтиленгликоль:вода (1:1 по массе). Раствор мономера помещают на поддон с образованием слоя толщиной приблизительно 1 см под источник УФ-излучения. Длина волны УФ-излучения в основном находится в диапазоне 350-400 нм, например, можно применять трубчатые лампы Philips Actinic BL TL 40 Вт. Интенсивность УФ-излучения увеличивают по мере того, как происходит полимеризация, до завершения полимеризации. Первые 10 минут интенсивность излучения составляет 550 мкВт /см2, а следующие 30 минут она составляет 2000 мкВт/см2. Полученный гель пропускают через экструдер и сушат до содержания влаги менее 10% при температуре 60°C. Высушенный полимер измельчают и просеивают через сито до получения частиц размером 0,5–1,0 мм.
Характеристическую вязкость полимерного продукта определяли с помощью капиллярного вискозиметра Уббелоде в 1 M NaCl при 25°C. Полимерный продукт растворяли в 1 M растворе NaCl и для определения вязкости готовили серии разведений для получения подходящих концентраций в диапазоне от 0,01 до 0,5 г/дл. Значение pH раствора полимера при определении капиллярной вязкости доводили до 2,7 с помощью муравьиной кислоты, чтобы избежать влияния на вязкость возможного полиионного комплексообразования. Молекулярные массы рассчитывали с применением параметров "K" и "a" для полиакриламида. Значение параметра "K" составляет 0,0191 мл/г, и значение параметра "a" составляет 0,71. Определенная характеристическая вязкость составляла 9,9 дл/г, а рассчетная молекулярная масса составляла 4400000 г/моль.
Химические реагенты, применяемые в примерах
Химические реагенты, применяемые в примерах, приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Химические реагенты, применяемые в примерах
| Химический реагент |
Концентрация при растворении % | Концентрация в дозировке % | Описание |
| CPAM | 0,5 | 0,02 | Катионный coполимер 10 мол.% ADAM-Cl и 90 мол.% акриламида Молекулярная масса 6 Mг/моль |
| AMF | 0,5 (при pH 3,5) |
0,02 | Амфотерный coполимер 7 мол.% ADAM-Cl, 2 мол.% акриловой кислоты и 91 мол.% акриламида, полученный как описано выше; молекулярная масса 4,4 Mг/моль |
| PA | 0,5 | 0,02 | Полиамин Молекулярная масса 250000 г/моль |
| PVOH | 4 | 0,2 | Coполимер 88 мол.% винилового спирта и 12 мол.% винилацетата; вязкость по Брукфильду 50 мПа⋅с при 4% концентрации |
| BENT | 2 | 0,2 | Бентонит, Altonite SF, Kemira Oyj |
| DISP | 1 | 0,05 | Анионный диспергирующий агент, FennoDispo 320,Kemira Oyj |
| PAC | N/A | 1 (применяется в течение 15 с) |
Полиалюминия хлорид, FennoFloc A100, Kemira Oyj |
Пример 1. Испытание на фиксацию
Применяемые волокнистые массы
Рециклируемая волокнистая масса, содержащая европейский отработанный гофрокартон для контейнеров OCC и разбавленная до консистенции 2% светлым фильтратом с картоноделательной машины.
Крафт-целлюлоза представляла собой небеленую еловую целлюлозу, разбавленную до консистенции 2% светлым фильтратом с картоноделательной машины.
Измеренные характеристики волокнистых масс и фильтрата приведены в таблице 3.
Таблица 3.
Результаты измерения характеристик волокнистой массы
| Характеристика | Рециклируемая волокнистая масса | Крафт-целлюлоза | Светлый фильтрат |
| pH | 7,8 | 8,16 | 6,24 |
| Мутность, НЕМ | 346 | 72 | 14 |
| Проводимость, мСм/см | 2,29 | 1,11 | 0,94 |
| Заряд, мкэкв/л | -139 | -684 | -99 |
| Консистенция, г/л | 83,0 | 73,8 | 0 |
| Зольность, % | 8,21 | ||
| Липкие макрочастицы с размером >150 мкм, мг/г |
0,30 | ||
| Липкие микрочастицы с размером 10-150 мкм, мг/г |
0,47 |
При измерениях образцы волокнистой массы нагревали до температуры 50°C. После добавления химического реагента образец волокнистой массы и добавляемый химический реагент перемешивали в 500 мл химическом стакане с помощью лопастной мешалки при 200 об./мин в течение 2 минут. Когда применялся диспергирующий агент, его сначала добавляли к образцу, а затем перемешивали образец в течение 15 минут перед последующим добавлением химического реагента.
Образец для поточной цитометрии отбирали из образца волокнистой массы после перемешивания.
В таблице 4 представлены результаты испытания образцов рециклируемой волокнистой массы на фиксацию, полученные с применением описанного выше способа поточной цитометрии. Из полученных результатов видно, что полимерный продукт, содержащий амфотерный полиакриламид (AMF), наиболее эффективен для фиксации коллоидных частиц, которые вызывают помутнение, а также гидрофобных частиц в отдельных диапазонах 0,2–3,0 мкм и 3,0–20 мкм. Полученный эффект превосходен одновременно в обеих размерных категориях, тогда как другие фиксирующие и пассивирующие агенты эффективны только для диапазона малых или больших размеров. Также уменьшается общая площадь и объем гидрофобного материала, что указывает на снижение риска образования отложений в бумагоделательной машине. Распределения гидрофобных частиц по размерам частиц, полученные с помощью поточной цитометрии в испытании №1 и испытании №6, представлены на фигуре 1. Полученные результаты показывают, что эффективность фиксации является хорошей в широком диапазоне размеров частиц. Распределение гидрофобности частиц в тех же самых испытаниях №1 и №6 показано на фигуре 2. Результаты показывают, что применение полимерного продукта, содержащего амфотерный полимер, эффективно в отношении частиц с разными уровнями гидрофобности. Это выгодно для фиксации липких веществ, поскольку липкие вещества могут поступать из различных химических веществ и иметь гидрофобность, меняющуюся в широком диапазоне.
Таблица 4.
Результаты испытания образца рециклируемой волокнистой массы на фиксацию, полученные способом поточной цитометрии
| № | Добавляемый химический реагент | Доза,г/т | Мутность НЕМ |
Количество гидрофобных частиц по результатам поточной цитометрии | |||
| Количество частиц 0,2-3,0 мкм |
Количество частиц 3,0-20 мкм |
Общая площадь, м2/м3 |
Общий объем, см3/м3 |
||||
| 1 | - | 0 | 680 | 41847500 | 3047500 | 68,5 | 42,8 |
| 2 | CPAM | 150 | 238 | 16302500 | 3680000 | 73,4 | 60,8 |
| 3 | CPAM | 300 | 131 | 11812500 | 3483750 | 69,9 | 61,0 |
| 4 | AMF | 150 | 226 | 17816250 | 3997500 | 78,7 | 63,2 |
| 5 | AMF | 300 | 85 | 7053750 | 3007500 | 58,5 | 52,0 |
| 6 | AMF | 500 | 56 | 3548750 | 1657500 | 33,3 | 30.5 |
| 7 | PA | 125 | 360 | 27585000 | 2736250 | 57,6 | 37,2 |
| 8 | PA | 250 | 308 | 30453750 | 3726250 | 77,9 | 52,6 |
| 9 | PA | 500 | 87 | 22798750 | 4581250 | 87,6 | 62,3 |
| 10 | PVOH | 40 | 675 | 32902500 | 2781250 | 61,8 | 40,9 |
| 11 | PVOH | 80 | 697 | 34767500 | 2683750 | 60,8 | 39,9 |
| 12 | PVOH | 160 | 740 | 18983750 | 1716250 | 36,8 | 24,0 |
| 13 | BENT | 2000 | 315 | 37240000 | 4643750 | 96,0 | 62,8 |
| 14 | BENT | 4000 | 139 | 19156250 | 4681250 | 85,1 | 59,8 |
| 15 | DISP + PA |
300 500 |
391 | 33978750 | 3212500 | 68,7 | 43,6 |
| 16 | DISP + AMF |
300 500 |
111 | 3615000 | 1286250 | 26,9 | 24,4 |
В таблице 5 представлены результаты испытания на фиксацию, полученные с применением описанного выше способа поточной цитометрии, для различных образцов тестируемой волокнистой массы, содержащей крафт-целлюлозу или смесь крафт-целлюлозы и рециклируемой волокнистой массы. Химические реагенты добавляли в волокнистые массы до или после смешивания волокнистых масс вместе. Результаты в таблице 5 показывают, что добавление хлорида полиалюминия и полимерного продукта, содержащего амфотерный полиакриламид, фиксировало гидрофобные частицы в крафт-целюлозе, имеющие размер 0,2–20 мкм. Результаты также показывают эффективность полимерного продукта, содержащего амфотерный полиакриламид, если добавлять его в рециклируемую волокнистую массу или крафт-целюлозу вместе с хлоридом полиалюминия до того, как компоненты будут смешаны вместе. Данное испытание демонстрирует добавление полимерного продукта к компонентам волокнистой массы перед смесительным бассейном. Явное преимущество наблюдалось для гидрофобных частиц размером 0,2–20 мкм в отношении объема таких частиц и мутности.
Все химические добавки в таблице 5 приведены в кг активного вещества/тонну сухой волокнистой массы. Образцы волокнистой массы перемешивали в течение 5 минут после добавления PAC и в течение 1 минуты после добавления AMF.
Таблица 5
Результаты испытания различных образцов волокнистой массы на фиксацию
| № | Тестируемая волокнистая масса | Добавки к крафт-целлюлозному компоненту | Добавки к рециклируемому компоненту волокнистой массы | Количество гидрофобных частиц по результатам поточной цитометрии | Мутность, НЕМ |
|
| Количество частиц 0,2–20 мкм |
Объем, см3/м3 | |||||
| 1 | Крафт 100% | 1567500 | 0,85266789 | 51 | ||
| 2 | Крафт 100% | 0,5 PAC 0.5 + 0,2 AMF |
1203750 | 1,1005207 | 43 | |
| 3 | Крафт 70% + RCF 30% |
21065000 | 21,9402782 | 525 | ||
| 4 | Крафт 70% + RCF 30% |
0,5 PAC + 0,2 AMF |
0,5 AMF | 4410000 | 15,2084352 | 95 |
Пример 2
Применяемые волокнистые массы
Высушенная беленая березовая волокнистая целлюлозная масса, измельченная мокрым способом до консистенции 1,5%.
Измеренные характеристики целлюлозной массы и фильтрата приведены в таблице 6.
Таблица 6.
Результаты измерения характеристик волокнистой массы
| Измерение | Беленая крафт-целлюлоза |
| pH | 7,30 |
| Мутность, НЕМ | 4 |
| Проводимость, мкСм/см | 132,1 |
| Заряд, мкэкв/л | -15 |
| Консистенция, г/л | 15,1 |
Волокнистую целлюлозную массу нагревали до 45°C. К 100 мл образца, взятого из волокнистой целлюлозной массы, добавляли химический реагент и после добавления химического реагента перемешивали встряхиванием наполовину заполненного сосуда в течение 15 секунд. Если применялся диспергирущий агент, его добавляли сначала и затем перемешивали в течение 15 минут перед последующим добавлением химического реагента. После смешивания из тестируемого образца отбирали образец для поточной цитометрии. Для испытания на мутность 30 мл образца фильтровали через бумажный фильтр с черной лентой в фильтровальной воронке путем безнапорной фильтрации.
В таблице 7 показано, что полимерный продукт, содержащий амфотерный полиакриламид, улучшает фиксацию гидрофобных частиц как в размерной категории 1–3 мкм, так и в размерной категории 3–20 мкм, где полиамин (PA) эффективен только при высокой дозировке в размерной категории 1-3 мкм. Также с применением полимерного продукта, содержащего амфотерный полиакриламид, уменьшалась общая площадь и общий объем гидрофобных частиц.
Таблица 7.
Результаты испытания беленой крафт-целлюлозы на фиксацию, полученные способом поточной цитометрии
| № | Полимер | Доза, г/т |
Количество гидрофобных частиц по результатам поточной цитометрии | |||
| Количество частиц, 1,0-3,0 мкм |
Количество частиц, 3,0-20 мкм |
Площадь, м2/м3 |
Объем, см3/м3 |
|||
| 1 | - | 0 | 11500 | 550 | 0,015 | 0,012 |
| 2 | PA | 50 | 14250 | 650 | 0,016 | 0,010 |
| 3 | PA | 100 | 13300 | 750 | 0,016 | 0,011 |
| 4 | PA | 250 | 8000 | 800 | 0,019 | 0,016 |
| 5 | AMF | 100 | 6600 | 450 | 0,008 | 0,005 |
| 6 | AMF | 200 | 6400 | 250 | 0,007 | 0,004 |
Даже если изобретение было описано со ссылкой на то, что в настоящее время представляется наиболее целесообразным, и на предпочтительные варианты осуществления изобретения, понятно, что изобретение не должно ограничиваться описанными выше вариантами его осуществления, а подразумевается, что изобретение охватывает также разные модификации и эквивалентные технические решения в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.
1. Применение водорастворимого полимерного продукта, содержащего амфотерный полиакриламид, который имеет нейтральный или катионный суммарный заряд при pH 7, средневесовую молекулярную массу 2500000-18000000 г/моль и общую ионность 4-28 мол.%, для регулирования образования отложений, вызванных гидрофобными веществами, при производстве бумаги или картона, когда волокнистое полотно формируется из водной суспензии волокон.
2. Применение по п. 1, при котором амфотерный полиакриламид имеет средневесовую молекулярную массу в диапазоне 3000000-18000000 г/моль, предпочтительно в диапазоне 3500000-11000000 г/моль, еще более предпочтительно в диапазоне 4000000-8000000 г/моль.
3. Применение по п. 1 или 2, при котором общая ионность амфотерного полиакриламида находится в диапазоне 4-18 мол.%, предпочтительно в диапазоне 5-13 мол.%, более предпочтительно в диапазоне 6-12 мол.%, еще более предпочтительно в диапазоне 6-10 мол.%.
4. Применение по пп. 1, 2 или 3, при котором амфотерный полиакриламид в полимерном продукте содержит 3–25 мол.%, предпочтительно 5-14 мол.%, более предпочтительно 5-9 мол.% структурных звеньев, полученных от катионных мономеров; и 0,5-5 мол.%, предпочтительно 1-4 мол.%, более предпочтительно 1-2,5 мол.% структурных звеньев, полученных от анионных мономеров.
5. Применение по пп. 1-3 или 4, при котором 50-95%, предпочтительно 60-90%, более предпочтительно 70-85% заряженных групп амфотерного полиакриламида являются катионными.
6. Применение по любому из предшествующих пп. 1-5, при котором амфотерный полиакриламид имеет суммарный катионный заряд в случае его измерения при pH 7.
7. Применение по любому из предшествующих пп. 1-6, при котором амфотерный полиакриламид представляет собой линейный полиакриламид.
8. Применение по любому из предшествующих пп. 1-7, при котором катионные группы амфотерного полиакриламида поступают из мономеров, выбранных из 2-(диметиламино)этилакрилата (ADAM), [2-(акрилоилокси)этил]триметиламмонийхлорида (ADAM-Cl), 2-(диметиламино)этилакрилатбензилхлорида, 2-(диметиламино)этилакрилатдиметилсульфата, 2-диметиламиноэтилметакрилата (MADAM), [2-(метакрилоилокси)этил]триметиламмонийхлорида (MADAM-Cl), 2-диметиламиноэтилметакрилатдиметилсульфата, [3-(акрилоиламино)пропил]триметиламмонийхлорида (APTAC), [3-(метакрилоиламино)пропил]триметиламмонийхлорида (MAPTAC) и диаллилдиметиламмонийхлорида (DADMAC).
9. Применение по любому из предшествующих пп. 1-8, при котором анионные группы амфотерного полиакриламида поступают из мономеров, выбранных из ненасыщенных моно- или дикарбоновых кислот, таких как акриловая кислота, малеиновая кислота, фумаровая кислота, итаконовая кислота, аконитовая кислота, мезаконовая кислота, цитраконовая кислота, кротоновая кислота, изокротоновая кислота, ангеликовая кислота или тиглиновая кислота.
10. Применение по любому из предшествующих пп. 1-9, при котором амфотерный полиакриламид получают путем полимеризации в геле, при этом содержание неводного растворителя в реакционной смеси составляет менее 10 масс.%, предпочтительно менее 5 масс.%, более предпочтительно менее 3 масс.%.
11. Применение по любому из предшествующих пп. 1-10, при котором содержание полимера в полимерном продукте составляет, по меньшей мере, 25 масс.%, предпочтительно, по меньшей мере, 60 масс.%.
12. Применение по любому из предшествующих пп. 1-11, при котором водорастворимый полимерный продукт, содержащий амфотерный полиакриламид, растворяют в воде для получения водного раствора для обработки, который имеет значение pH 2,5-5.
13. Применение по любому из предшествующих пп. 1-12, при котором к суспензии волокон дополнительно добавляют неорганические микрочастицы, предпочтительно микрочастицы бентонита.
14. Применение по любому из предшествующих пп. 1-13, при котором суспензия волокон содержит, по меньшей мере, 50 масс.% рециклируемого волокнистого материала, предпочтительно отработанного гофрокартона для контейнеров или смешанной макулатуры в расчете на сухую бумагу или картон.
15. Применение по любому из предшествующих пп. 1-14, при котором суспензия волокон содержит рециклируемый волокнистый материал, который содержит более 0,02 мг/г, предпочтительно более 0,2 мг/г гидрофобных веществ с размером частиц в диапазоне 10-150 мкм в расчете на сухой рециклируемый волокнистый материал, сухого рециклируемого волокнистого материала.
16. Применение по любому из предшествующих пп. 1-15, при котором суспензия волокон содержит волокна, полученные способом (способами) сульфатной варки и/или способом механического получения волокнистой массы.
17. Применение по любому из предшествующих пп. 1-16, при котором амфотерный полиакриламид добавляют к суспензии волокон, имеющей консистенцию более 14 г/л, или к компоненту волокнистой массы, применяемому для получения суспензии волокон, предпочтительно перед машинным бассейном, более предпочтительно перед смесительным бассейном бумагоделательной или картоноделательной машины.
18. Применение по любому из предшествующих пп. 1-17, при котором амфотерный полиакриламид применяют в количестве 100-2000 г/тонну производимой бумаги или картона, предпочтительно в диапазоне 300-1500 г/тонну производимой бумаги или картона, более предпочтительно в диапазоне 400-900 г/тонну производимой бумаги или картона.
