Повышенная эффективность обезвоживания в бумагоделательных системах с использованием микрофибриллированной целлюлозы
Изобретение относится к получению бумаги, плит и картона. Способ включает добавление на мокрую часть бумагоделательной машины микрофибриллированной целлюлозы и по меньшей мере одной совместной добавки. Совместная добавка может представлять собой один или более следующих агентов: акриламидсодержащий катионный водно-дисперсионный полимер, коллоидный диоксид кремния, бентонитовая глина, виниламинсодержащие полимеры и их комбинации. Причем микрофибриллированную целлюлозу получают из целлюлозы с суммарным анионным зарядом, имеющей анионную степень замещения от 0,02 до 0,50. Виниламинсодержащие полимеры выбраны из гомополимеров N-винилформамида, которые полностью или частично гидролизуются до виниламина и имеют содержание N-винилформамида от 50% до 100%, а степень гидролиза от 30% до 100%. При этом массовое соотношение микрофибриллированная целлюлоза/совместная добавка составляет от 1:10 до 10:1. Количество микрофибриллированной целлюлозы и совместной добавки, добавленных на мокрую часть бумагоделательной машины, составляет 0,025-0,5% по массе в расчете на массу сухой пульпы. Обеспечивается улучшение эффективности обезвоживания в бумагоделательной машине. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 табл., 6 пр.
Область техники
Настоящее изобретение относится к улучшенной эффективности обезвоживания в бумагоделательных системах, при этом эффективность обезвоживания повышают при добавлении комбинации добавок для мокрой части, где одним из компонентов системы является микрофибриллированная целлюлоза.
Предшествующий уровень техники
Повышенная эффективность обезвоживания бумагоделательной машины является одним из самых ключевых параметров для специалистов бумажного производства. Производительность бумагоделательной машины часто определяется скоростью обезвоживания волокнистой бумаги на формирующей сетке. Более подробно, высокие уровни обезвоживания позволяют специалисту бумажного производства повысить производительность завода как в отношении площади произведенной бумаги, так и массы произведенной бумаги в тоннах, так как при этом можно повысить скорость движения машины, использовать меньшее количество пара при выполнении операций для удаления воды на сухом участке или обеспечить производство бумаги с более высокой плотностью. В связи со значением обезвоживания в области производства бумаги в предшествующем уровне техники существует множество примеров вспомогательных систем для обезвоживания.
Хорошо известно, что обезвоживание бумажной пульпы можно повысить при использовании синтетических акриламид-содержащих микрополимеров. Например, в заявке WO 2003050152 описано применение гидрофобно ассоциативного микрополимера, который значительно улучшает эффективность обезвоживания.
В промышленности в качестве системы для обезвоживания широко используется коллоидный диоксид кремния, прежде всего в комбинации с катионной добавкой, такой как катионный крахмал или другие органические флокулянты, такие как катионные или анионные полиакриламиды. Примеры таких систем описаны в патентах US 4338150 и US 5185206, и часто улучшаются или модифицируются, как описано в цитированной литературе, представленной в этих двух патентах.
Комбинация обоих компонентов - микрополимеров и кремнийсодержащих материалов, таких как коллоидный диоксид кремния или бентонитовая глина, может также служить эффективной системой обезвоживания. В патентах US 5167766 и 5274055 представлены иллюстрации такой системы.
Для производства различных сортов бумаги часто предъявляются различные требования для обеспечения эффективной системы обезвоживания. В частности, сорта бумаги вторичной переработки содержат большие количества анионных примесей, которые могут снизить эффективность некоторых указанных выше систем обезвоживания. Популярные системы обезвоживания для производства бумаги вторичной переработки включают виниламин-содержащие полимеры и катионные полиакриламидные дисперсии. Некоторые типичные системы обезвоживания, включающие виниламин-содержащие полимеры, включают системы, которые описаны в патенте US 6132558, и которые включают бентонит и диоксид кремния, а также в патенте US 7902312. Типичные катионные полиакриламидные дисперсии описаны в патентах US 7323510 и US 5938937. Виниламин-содержащие полимеры можно использовать в комбинации с катионными полиакриламидными дисперсиями, как описано в заявке US 2011/0155339.
Применение различных модифицированных целлюлозных полимеров в качестве вспомогательных агентов для обезвоживания описано в патенте US 6602994, который относится к производству и применению микрофибриллированных эфиров карбоксиметилцеллюлозы (МФ-КМЦ) для повышения эффективности обезвоживания бумажной пульпы.
В заявке US 2013/0180679 указано, что ряд микрофибриллированных производных целлюлозы можно также использовать для удаления воды при комбинировании с катионной добавкой с молекулярной массой менее 1000 Да.
Описание настоящего изобретения
Настоящее изобретение относится к применению микрофибриллированной целлюлозы в комбинации с определенными совместными добавками при добавлении на мокрую часть бумагоделательной машины. Эти комбинации приводят к улучшенной эффективности обезвоживания в бумагоделательной машине. Такая улучшенная эффективность обезвоживания в бумагоделательной машине может повысить производительность бумагоделательной машины и снизить затраты энергии, которые требуются в сухой части бумагоделательной машины. При использовании настоящего изобретения можно повысить экологическую безопасность и надежность операций при производстве бумаги.
Раскрыт способ получения бумаги, плит и картона, включающий добавление на мокрую часть бумагоделательной машины (а) микрофибриллированной целлюлозы и (б) дисперсии совместной добавки, где совместная добавка может включать один или более следующих агентов: (1) катионный водно-дисперсионный полимер, (2) коллоидный диоксид кремния, (3) бентонитовая глина и (4) виниламин-содержащий полимер.
Микрофибриллированная целлюлоза может иметь суммарный анионный заряд.
Совместная добавка может представлять собой катионный водно-дисперсионный полимер, как описано в патенте Fischer и др. (US 7323510).
Совместная добавка может включать коллоидный диоксид кремния.
Совместная добавка может включать бентонитовую глину.
Совместная добавка может включать виниламин-содержащий полимер.
Микрофибриллированную целлюлозу и совместную добавку можно добавлять в бумажную пульпу в соотношении от 10:1 до 1:10 соответственно, в количестве от 0,01 мас. % до 0,25 мас. % в расчете на массу сухой пульпы на основе активных твердых веществ двух продуктов.
В одном предпочтительном варианте осуществления способа совместной добавкой является катионный водно-дисперсионный полимер, а микрофибриллированную целлюлозу и совместную добавку добавляют в бумажную пульпу в соотношении от 5:1 до 1:2, в количестве от 0,01 мас. % до 0,15 мас. % в расчете на массу комбинации твердых веществ двух продуктов на основе массы сухой пульпы.
Раскрыт также бумажный продукт, полученный способом добавления на мокрую часть бумагоделательной машины (а) микрофибриллированной целлюлозы и (б) совместной добавки, где совместная добавка может включать один или более следующих агентов: (1) катионный водно-дисперсионный полимер, (2) коллоидный диоксид кремния, (3) бентонитовая глина и (4) виниламин-содержащий полимер.
Авторами неожиданно было установлено, что применение микрофибриллированной целлюлозы в сочетании с определенными другими совместными добавками обеспечивает неожиданное повышение эффективности обезвоживания. Было установлено, что применение одной или более совместных добавок, выбранных из группы, включающей бентонит, коллоидный диоксид кремния, катионные дисперсионный полимеры или виниламин-содержащие полимеры, обеспечивает указанный неожиданный результат.
Микрофибриллированная целлюлоза хорошо описана в литературе. При использовании целлюлозы из различных источников, таких как древесная пульпа или хлопковое волокно, и подвергая значительной силе сдвига водную суспензию целлюлозы, происходит фибрилляция некоторых кристаллических частей структуры целлюлозных волокон.
Некоторые способы, известные для получения такой фибрилляции, включают измельчение, обработку ультразвуком и гомогенизацию. Из указанных способов, гомогенизация является наиболее пригодным способом для применения на производстве или на целлюлозно-бумажном комбинате, так как при этом требуются наименьшие энергозатраты.
Источник волокнистой целлюлозы также оказывает значительное влияние на чувствительность целлюлозного волокна к фибрилляции и на стабильность дисперсии микрофибриллированной целлюлозы. Древесная пульпа и хлопковое волокно являются предпочтительными в качестве первичных источников целлюлозы. Более предпочтительным первичным источником целлюлозы является хлопковое волокно. Без ограничения какой-либо теорией следует отметить, что в хлопковом волокне в основном содержится целлюлоза более высокой чистоты и с более высокой молекулярной массой и эти факторы способствуют тому, что целлюлоза из хлопкового волокна становится более чувствительной к прилагаемым силам сдвига. Целлюлоза из древесной пульпы может также быть пригодной для формирования дисперсии микрофибриллированной целлюлозы, но при этом предпочтительно древесную пульпу подвергать процессу сульфатной варки для удаления лигнина и других примесей, которые оказывают неблагоприятное действие на процесс сдвига. Более того, предпочтительно получать древесную пульпу из хвойной древесины, так как хвойные волокна в основном содержат целлюлозу с более высокой молекулярной массой. Без ограничения какой-либо теорией следует отметить, что пульпа из лиственной древесины и особенно из макулатурной массы, содержит более короткие волокна и, следовательно, в основном целлюлозу с более низкой молекулярной массой, из которой при наложении силы сдвига не формируется стабильная микрофибриллированная суспензия.
Целлюлозные волокна можно модифицировать, чтобы придать волокну общий заряд. Без ограничения какой-либо теорией следует отметить, что целлюлоза, которую подвергали модификации для придания общего заряда, катионного или анионного, требует меньших энергозатрат для сдвига и таким образом она становится более чувствительной к микрофибрилляции, так как электростатическое отталкивание одинаково заряженных участков на данном волокне будет приводить к разрушению кристалличности на этих участках волокна.
Наиболее простой метод придания катионного заряда заключается в обработке целлюлозного волокна реакционноспособным катионным реагентом. Реакционноспособные реагенты могут включать 2-диметиламиноэтилхлорид, 2-диэтиламиноэтилхлорид, 3-диметламинопропилхлорид, 3-диэтиламинопропилхлорид, хлорид 3-хлор-2-гидроксипропилтриметиламмония. Наиболее предпочтительным является хлорид 3-хлор-2-гидроксипропилтриметиламмония.
Простой метод придания анионного заряда заключается в прямом окислении целлюлозы. Такое окисление обычно происходит в положении С-6 звена В-ангидроглюкозы целлюлозного полимера. Эти окислители могут быть растворимы в воде или органических растворителях, наиболее предпочтительно в воде. Окислители, которые можно использовать, могут включать N-оксиды, такие как TEMPO, или другие агенты. Такое прямое окисление может быть предпочтительным, чтобы обеспечить эффективное получение анионной целлюлозы.
Анионный заряд можно также получить по реакции целлюлозной суспензии с модифицирующими агентами, такими как хлоруксусная кислота, дихлоруксусная кислота, бромуксусная кислота, дибромуксусная уксусная кислота, а также их соли. Предпочтительным анионным модифицирующим агентом является хлоруксусная кислота. Способы получения такой карбоксиметилированной целлюлозы (КМЦ) описаны в литературы, например, в патенте US 6602994 и включены в настоящее описание в качестве ссылок.
Степень модификации целлюлозы является важным фактором, который определяет ее способность формировать стабильную микрофибриллированную дисперсию. Степень функционализации целлюлозы определяют по степени замещения (СЗ) и описывают средним числом функциональных групп в звене В-ангидроглюкозы в целлюлозной цепи. Способы определения СЗ описаны также в патенте US 6602994. Значения СЗ целлюлозы, используемые в настоящем изобретении находятся в интервале от 0,02-0,50, или от 0,03 до 0,50, более предпочтительно от 0,03-0,40, или от 0,05 до 0,40, или от 0,05-0,35 или от 0,10 до 0,35. Без ограничения какой-либо теорией следует отметить, что значение СЗ ниже этого интервала приводит к недостаточной плотности функционализации, чтобы повысить чувствительность целлюлозы к сдвигу. С другой стороны, при значении СЗ выше этого интервала целлюлоза становится в основном или полностью растворимой в воде, и таким образом не формируется микрофибриллированная дисперсия, так как материал является растворимым в воде. Целлюлозу со значением СЗ выше этой точки нельзя использовать для повышения эффективности обезвоживания, как описано в настоящем изобретении.
На стадии модификации целлюлозы может оказаться эффективной обработка целлюлозы основанием, таким как гидроксид натрия, перед добавлением модифицирующего агента. Без ограничения какой-либо теорией следует отметить, что обработка целлюлозы основанием вызывает набухание жгутов волокон. Такое набухание в свою очередь приводит к тому, что части волокон становятся недоступными для модификации. Время, температура и количество использованного основания все могут влиять на функционализацию и последующую чувствительность целлюлозы к сдвигу.
Суспензия микрочастиц, использованная в сочетании с микрофибриллированной целлюлозой, имеет большое значение. Авторами было неожиданно установлено, что дисперсия микрочастиц является наиболее эффективной, если она включает по крайней мере один из следующих агентов: (1) коллоидный диоксид кремния, (2) бентонит, (3) катионный дисперсинный полимер или (4) виниламин-содержащий полимер.
Коллоидный диоксид кремния уже давно рассматривается как эффективная обезвоживающая вспомогательная добавка при использовании в сочетании с катионным агентом, таким как катионный крахмал. Действительно, применение коллоидного диоксида кремния в сочетании с катионным крахмалом, как впервые было описано в патенте US 4388150, является одной из наиболее популярных систем обезвоживания и удержания массы на сетке в системе, которые используют в настоящее время в целлюлозно-бумажной промышленности. Способы получения коллоидного диоксида кремния и некоторые более современные методы усовершенствования его получения, а также структура известны в предшествующем уровне техники, например, как описано в патентах US 6893538 и 7691234. Такие дисперсии коллоидного диоксида кремния можно использовать в настоящем изобретении.
Бентонитовую глину можно также использовать в настоящем изобретении при использовании в сочетании с микрофибриллированной целлюлозой. Характерные свойства бентонитовой глины, например, используемой в системах удержания и обезвоживания и системах бумагоделательной машины, можно найти в предшествующем уровне техники, например, в заявке US 2006/0142429.
Катионные водно-дисперсионные полимеры являются одной из предпочтительных совместных добавок, используемых в настоящем изобретении. Используемые так называемые дисперсии «вода-в-воде» описаны в предшествующем уровне техники, например, в патенте Fischer и др. (US 7323510), а также в последних публикациях заявок Brungardt и др. (US 2011/0155339) и McKay и др. (US 2012/0186764). Эти дисперсии не содержат высокие концентрации неорганической соли и, следовательно, отличаются от солевых дисперсий. Если соль используется при получении полимерной дисперсии вода-в-воде, то соль следует добавлять в количестве менее 2,0%, предпочтительно в интервале от 0,5 до 1,5 мас. % в расчете на общую массу дисперсии. В этом случае, количества добавленной водорастворимой кислоты и возможно добавленной водорастворимой соли должны предпочтительно составлять менее 3,5 мас. % в расчете на общую массу дисперсии.
Катионные водно-дисперсионные полимеры в составе водной дисперсии, когда дисперсия характеризуется высоким содержанием соли, также используют в настоящем изобретении, например, как описано в патенте US 5938937. Такие дисперсии обычно называются «солевыми дисперсиями». В предшествующем уровне техники со ссылкой на патент US 5938937, а также со ссылкой на уже известный уровень техники и на патент US 5938937, указано, что различные комбинации низкомолекулярных катионных водно-дисперсионных полимеров с высокой плотностью катионного заряда и повышенным содержанием неорганических солей можно эффективно использовать для получения катионного водно-дисперсионного полимера. Такие дисперсии можно также использовать в настоящем изобретении. Однако высокое содержание неорганических солей в таких продуктах постепенно повышает проводимость в бумагоделательных машинах с замкнутыми водными контурами, так как эти неорганические соли не остаются в бумаге, а вместо этого циркулируют в оборотной воде. Хорошо известно, что с возрастанием проводимости снижается эффективность множества химических процессов. Без ограничения какой-либо теорией следует отметить, что применение таких солевых дисперсий в течение длительного времени требует добавления значительных количеств пресной воды, что снижает экологичность операций в бумагоделательных системах.
Следует также особо указать на композицию предпочтительных катионных водно-дисперсионных (вода-в-воде) полимеров. Как указано в цитированном предшествующем уровне техники, полимер этого типа состоит в основном из двух различных полимеров: (1) диспергирующий катионный полимер с высокой катионной плотностью и с относительно низкой молекулярной массой («диспергирующий полимер») и (2) катионный полимер с относительно высокой молекулярной массой, который формирует дискретную фазу частиц при синтезе в конкретных условиях («дискретная фаза»). Предпочтительно катионным полимером с относительно высокой молекулярной массой является катионный полиакриламидный сополимер. Диспергирующий полимер водно-дисперсионного катионного полимера является наиболее эффективным, если получен в виде гомополимера из катионного мономера. Средняя молекулярная масса Mw диспергирующего полимера (низкая молекулярная масса) находится в интервале от 10000 до 150000 Да, более предпочтительно от 20000 до 100000 Да, наиболее предпочтительно от 30000 до 80000 Да. Эти катионные водно-дисперсионные полимеры могут характеризоваться молекулярными массами в интервале от 300000 Да до 1500000 Да, или от 400000 Да до менее 1250000 Да, и при этом содержание твердых частиц полимера поддерживается в интервале от 10 мас. % до 50 мас. %. Без ограничения какой-либо теорией следует отметить, что молекулярная масса ниже этих интервалов оказывает значительный отрицательный эффект на эффективность обезвоживания конечного продукта. Более того диспергирующие полимеры (низкая молекулярная масса) с молекулярной массой менее 10000 Да (такие как описанные в заявке US 2013/0180679 полимеры в сочетании с микрофибриллированной целлюлозой) характеризуются низким удержанием. Не только низкое удержание таких низкомолекулярных соединений вызывает аналогичные проблемы с проводимостью, как описано выше для солевых дисперсий, но и тот факт, что такие катионные полимеры, если они не удерживаются, представляют потенциальные проблемы с точки зрения экологии, так как известно, что они оказывают вредное воздействие на водную и морскую флору и фауну. При условии удержания в бумаге, такие низкомолекулярные полимеры могут контактировать с водными и жирными соединениями (или проникать в них), такими как пищевые продукты, которые могут представлять опасность для здоровья человека, прежде всего если их используют для получения упаковочных сортов бумаги. Таким образом применение таких низкомолекулярных катионных полимеров (как описано в заявке US 2013/0180679), если их используют в сочетании с микрофибриллированной целлюлозой, могут оказывать отрицательное действие на чувствительность операций в бумагоделательной системе.
Один из методов оценки размера катионного полимера водно-дисперсионного типа в растворе является сниженная удельная вязкость (СУВ). Более высокие значения СУВ означают более высокий размер молекул в растворе, и они измеряются на основе твердых частиц полимера. Более крупный размер катионного полимера водно-дисперсионного типа в растворе приводит к улучшенной эффективности, если он используется в качестве совместной добавки по настоящему изобретению. Катионный полимер водно-дисперсионного типа по настоящему изобретению характеризуется значением СУВ более 3,0 дл/г, более предпочтительно более 4,0 дл/г, наиболее предпочтительно более 5,0 дл/г.
Виниламин-содержащие полимеры известны в предшествующем уровне техники. Примеры пригодных виниламин-содержащих полимеров описаны в заявке US 2011/0155339, которая включена в настоящее описание в качестве ссылки.
Виниламин-содержащий полимер может характеризоваться молекулярной массой в интервале от 75000 Да до 750000 Да, более предпочтительно от 100000 Да до 600000 Да, наиболее предпочтительно от 150000 Да до 500000 Да. Молекулярная масса может находиться в интервале от 150000 Да до 400000 Да. Водный раствор виниламин-содержащего полимера с молекулярной массой выше 750000 Да обычно получают с такими высокими значениями вязкости, чтобы не привести к чрезвычайно трудной обработке продукта, или в другом варианте, при таком низком содержании твердых частиц полимера, чтобы не сделать продукт экономически неэффективным при хранении и транспортировке.
Виниламин-содержащий полимер может представлять собой гомополимер N-винилфомамида, который полностью или частично гидролизуется до виниламина. Предпочтительно содержание N-винилформамида в виниламин-содержащем полимере составляет от по меньшей мере 50% до 100%, предпочтительно от 75% до 100%, а степень гидролиза находится в интервале от 30% до 100% или от 50% до 100% или от 30% до 75%.
Процентное содержание активных полимерных частиц в виниламин-содержащем полимере находится в интервале от 5% до 30%, более предпочтительно от 8% до 20% в расчете на общую массу продукта, содержащего виниламин-содержащий полимер. При содержании активных полимерных частиц менее 5% можно использовать высокомолекулярные водорастворимые полимеры, но продукт становится неэффективным в отношении затрат на отправку и транспортировку. С другой стороны, с повышением содержания активных твердых полимерных частиц молекулярную массу полимера следует снижать таким образом, чтобы водный раствор все еще оставался поддающимся перекачке насосом.
На эффективность виниламин-содержащего полимера влияет количество первичных аминогрупп, присутствующих в продукте. Фрагмент виниламина обычно образуется при кислотном или основном гидролизе N-винилакриламидных групп, таких как N-винилформамид, N-винилацетамид или N-винилпропионамид, наиболее предпочтительно N-винилформамид. В результате гидролизу подвергается по меньшей мере 10% N-винилформамида, который первоначально был введен в полученный полимер. Без ограничения какой-либо теорией следует отметить, что гидролизуемая группа N-винилформамида может присутствовать в различных структурах конечного полимерного продукта, таких как первичный или замещенный амин, амидин, гуанидин, или амидные структуры, образующиеся в открытой цепи или циклических формах после гидролиза.
Микрофибриллированную целлюлозу и совместную добавку следует добавлять на мокрую часть бумагоделательной машины, чтобы обеспечить повышение эффективности обезвоживания. Вспомогательные средства для удержания и обезвоживания обычно добавляют на участке, ближайшем к формующей секции бумагоделательной машины, в большинстве случаев, когда достигается наиболее разбавленный уровень волокнистой массы, известной как жидкая масса. Микрофибриллированную целлюлозу и совместную добавку добавляют при соотношении микрофибриллированная целлюлоза/совместная добавка в интервале от 1:10 до 10:1, более предпочтительно от 1:5 до 5:1, наиболее предпочтительно от 1:5 до 2:1.
Общее количество полимера (совместная(ые) добавка(ки) плюс микрофибриллированная целлюлоза), добавленного в бумагоделательную машину, находится в интервале от 0,025% до 0,5%, более предпочтительно от 0,025% до 0,3% в расчете на массу сухой пульпы.
Согласно настоящему изобретению, существует возможность варьировать тип пульпы по составу и качеству. Специалисту в данной области техники известно, что типичная композиция для не-содержащего щелочь листа, используемого для печати и документации, обычно характеризуется низким анионным зарядом по сравнению с композицией для бумаги вторичной переработки, которую используют для продуктов упаковочной бумаги. Композиция не-содержащего щелочь листа содержит волокна с небольшим содержанием примесей, таких как анионные отходы, лигнин, липкие отходы и т.п., которые обычно несут анионный заряд, в то время как бумага вторичной переработки обычно содержит значительные количества указанных примесей. Следовательно, бумага вторичной обработки может включать большие количества катионных добавок, чтобы повысить эффективность процесса получения бумаги и самого по себе бумажного продукта, соответствующего композиции не-содержащего щелочь листа. Таким образом, наиболее пригодный вариант осуществления настоящего изобретения может зависеть от таких важных факторов получения бумаги, таких как качество композиции и конечный продукт.
Без ограничения какой-либо теорией следует отметить, что двухкомпонентная система, состоящая из микрофибриллированной целлюлозы, и применение совместных добавок, таких как анионно-заряженные неорганические микрочастицы, такие как диоксид кремния или бентонит, содержащие только незначительные количества, или в отсутствие катионных совместных добавок, могут стать предпочтительными в областях применения композиции пульпы с малым катионным зарядом. И наоборот, двухкомпонентная система, состоящая из микрофибриллированной целлюлозы и катионно-заряженных совместных добавок, таких как катионные полимеры водно-дисперсионного типа или виниламин-содержащие полимеры, в присутствие или отсутствие дополнительных совместных добавок, таких как коллоидный диоксид кремния или бентонит, могут стать предпочтительными в областях применения композиции пульпы с большим анионным зарядом.
Примеры
Термин «активные вещества» определяет количество твердых веществ в используемой композиции. Например, прочностная добавка Hercobond™ 6350 (12,7% активных веществ) представляет собой виниламин-содержащий полимер, при этом композиция содержит12,7% виниламин-содержащего полимера.
Способ оценки эффективности процесса обезвоживания представляет собой вакуум-дренажный тест (ВДТ). Конструкция прибора аналогична тесту с использованием воронки Бюхнера, как описано в различных справочниках по фильтрации, например, справочник Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7-е изд., (McGraw-Hill, New York, 1999) cc. 18-78. Прибор ВДТ содержит фильтр-воронку Gelman объемом 300 мл с магнитной мешалкой, градуированный цилиндр объемом 250 мл, быстроразъемное соединение, водяную ловушку и вакуумный насос с манометром и редуктором. Тест ВДТ проводили следующим образом: сначала устанавливали вакуум на 10 дюймов рт. столба и тщательно устанавливали воронку на цилиндр, затем в лабораторный стакан загружали 250 г 0,5% бумажной пульпы и требуемые добавки согласно программе обработки (например, крахмал, винил-содержащий полимер, акриламид-содержащий полимер, флокулянт) и перемешивали с помощью вертикальной мешалки. Затем пульпу выливали на фильтр и включали вакуумный насос с одновременным включением секундомера. Эффективность обезвоживания регистрировали как время, необходимое для получения 230 мл фильтрата. Согласно параметрам теста, низкие времена обезвоживания указывают на улучшенную эффективность обезвоживания. Эти исходные данные нормализовали на эффективность обезвоживания без добавок (т.е. «необработан.система») с использованием следующего уравнения: 100*(1+((tнеобработан.система-tобработан.система)/tнеобработан.система), где tнеобработан.система означает время обезвоживания системы без исследуемых добавок, а tобработан.система означает время обезвоживания системы с добавлением исследуемых добавок. Таким образом tнеобработан.система всегда равно 100 независимо от соответствующего времени обезвоживания, система с величиной более 100 означает улучшенную эффективность обезвоживания, а система с величиной ниже 100 означает сниженную эффективность обезвоживания по сравнению с необработанным контролем.
Пульпу для исследования обезвоживания изменяли в зависимости от бумагоделательных систем, которые моделировали. Композиция бумаги А является смесью с соотношением беленая лиственная крафт-пульпа/беленая хвойная крафт-пульпа, 70:30, очищенная по Канадскому стандарту обезвоживания (CSF) 400. Композиция бумаги В является макулатурной пульпой (для среднего размера листа), очищенная согласно стандарту CSF 400.
Химические реагенты для исследования обезвоживания указаны ниже, их добавляли с учетом содержания активных твердых веществ в отношении сухой пульпы. Вспомогательное средство для обезвоживания PerForm™ РС8713 (100% активных веществ) получали на фирме Solenis LLC (Wilmington, Delaware). Вспомогательное средство PerForm™ РС8138 получали на фирме Solenis LLC (Wilmington, Delaware). Вспомогательное средство для обезвоживания PerForm™ РМ9025 является коллоидным диоксидом кремния производства фирмы Solenis LLC (Wilmington, Delaware). Бентонит H является бентонитом производства фирмы Byk/Khemie (Besel, Германия). Продукт СМС7МТ является полностью растворимой в воде карбоксиметилцеллюлозой производства фирмы Ashland Specialty Ingredients (100% активных веществ). Прочностное средство Hercobond™ 6350 (12,7% активных веществ) является виниламин-содержащим полимером фирмы Solenis LLC (Wilmington, Delaware). Продукт StaLok 400 (100% активных веществ) получали на фирме Tate and Lyle (Лондон, Великобритания). Добавка А (1% активных веществ) является взвесью микрофибриллированной целлюлозы (MF-C) с СЗ в интервале от 0,10 до 0,30, которую подвергали фибриллированию (за исключением указанных параметров), пропуская один раз через микрофлюидизатор. Добавка В (40% активных веществ) является катионным акриламид-содержащим полимером дисперсионного типа с пониженной удельной вязкостью в интервале от 5,0 до 12,0.
Пример 1
В таблице 1 указаны варианты композиций для тестирования эффективности обезвоживания с использованием добавки А. Для всех композиций продукт StaLok 400 (0,05%), сульфат алюминия (0,025%) и вспомогательное средство для обезвоживания PerForm™ PC 8138 (0,02% в расчете на активные вещества по сравнению с сухой пульпой) добавляли перед добавлением других добавок.
Данные в таблице 1 указывают на то, что при добавлении добавки А совместно либо с бентонитом, либо с диоксидом кремния достигается более высокая эффективность обезвоживания по сравнению с эффективностью, которую можно получить при простом увеличении дозы неорганических частиц (сравни композицию 6 с композицией 5 или композицию 11 с композицией 10). Данные в этой таблице свидетельствуют также о неожиданном действии смешивания добавки А с неорганическими частицами. Ожидалось, что композиции 6-8 будут характеризоваться идентичной эффективностью обезвоживания, как и композиции 11-13.
Сравнительный пример 2
В таблице 2 указаны варианты композиций для тестирования эффективности обезвоживания с использованием добавки В. Сульфат алюминия (0,5% активных веществ в расчете на массу сухой пульпы) добавляли перед добавлением исследуемых добавок. Для всех композиций продукт PerForm™ PC 8713 (0,0125% активных веществ в расчете на массу сухой пульпы) добавляли после добавления исследуемых добавок. Продукт СМС7МТ является полностью растворимой (то есть не-микрофибриллированной) анионно-модифицированной целлюлозой с молекулярной массой, приблизительно равной добавке А.
Данные в таблице 2 свидетельствуют о том, что природа микрочастиц КМЦ является определяющим фактором для хорошей эффективности обезвоживания, так как полностью растворимая СМС7МТ характеризуется значительно более низкой эффективностью не зависимо от того, добавляют ее в отдельности, или в сочетании с катионным полимером дисперсионного типа. Без ограничения какой-либо теорией следует отметить, что эти результаты позволяют предположить, что эффективность полимеров основана не только на одном механизме коацервации. Наблюдалось также, что двухкомпонентная система микрофибриллированной целлюлозы с катионным дисперсионным полимером проявляет значительно большую эффективность по сравнению с простым увеличением дозы каждого компонента в отдельности (сравни композицию 6 с композицией 3 или 5).
Пример 3
В таблице 3 указаны данные тестирования обезвоживания с использованием композиции бумаги В. Сульфат алюминия (0,5% активных веществ в расчете на массу сухой пульпы) добавляли перед добавлением исследуемых добавок. Для всех композиций добавку вспомогательного средства для обезвоживания PerFormТМ PC 8713 (0,0125% активных веществ в расчете на массу сухой пульпы) добавляли после добавления исследуемых добавок.
В таблице 3 показана синергетическая природа системы микрофибриллированная целлюлоза/полимер дисперсионного типа, то есть при добавлении равных количеств активного полимера улучшается эффективность системы, содержащей совместные добавки, по сравнению с однокомпонентной системой.
Пример 4
В таблице 4 указаны данные тестирования обезвоживания с использованием композиции бумаги В. Сульфат алюминия (0,5% активных веществ в расчете на массу сухой пульпы) добавляли перед добавлением исследуемых добавок. Для всех композиций добавку вспомогательного средства для обезвоживания PerFormТМ PC 8713 (0,0125% активных веществ в расчете на массу сухой пульпы) добавляли после добавления исследуемых добавок.
Результаты, представленные в таблице 4, свидетельствуют о том, что как добавка В (катионный полимер водно-дисперсионного типа), так и прочностное средство Hercobond™ 6350 (виниламин-содержащий полимер) можно использовать в качестве совместной добавки в сочетании с микрофибриллированной целлюлозой, и что обе системы проявляют положительный синергизм (то есть смешанная система является более эффективной по сравнению с каждым компонентом в отдельности в равных дозах). В указанных условиях тестирования система с использованием добавки В проявляет более высокий синергизм по сравнению с системой с использованием виниламин-содержащего полимера, что оказалось неожиданным, так как ожидалось, что обе системы будут проявлять одинаковые свойства. Эти данные также указывают на то, что общая дозировка системы играет роль в синергизме системы, так как при более высокой общей дозе системы с использованием добавки В (варианты композиций 7-11) достигается более высокий синергизм, чем при более низкой общей дозе той же самой системы (варианты 2-6).
Сравнительный пример 5
В таблице 5 указаны данные тестирования обезвоживания с использованием композиции бумаги В. Сульфат алюминия (0,5% активных веществ в расчете на массу сухой пульпы) добавляли перед добавлением исследуемых добавок. Для всех композиций добавку вспомогательного средства для обезвоживания PerForm™ PC 8713 (0,0125% активных веществ в расчете на массу сухой пульпы) добавляли перед добавлением исследуемых добавок.
В таблице 5 показана относительная эффективность обезвоживания двух систем: комбинация добавки В и добавки А представляет собой один вариант осуществления настоящего изобретения, в то время как комбинация средства Hercobond™ 6350 и добавки В представляет собой один вариант осуществления согласно предшествующему уровню техники, как описано в заявке US 2011/0155339. Система по настоящему изобретению проявляет более высокие положительный синергизм и общую эффективность обезвоживания.
Пример 6
В таблице 6 указаны данные тестирования обезвоживания с использованием композиции бумаги В. Анализ композиций 1-6 проводили аналогично тому, как описано в примерах 2-5 с использованием низкой дозы PerForm™ PC 8713 в качестве стандартного компонента, но сульфат аммония не добавляли. В вариантах композиций 7-8 использовали неорганические микрочастицы бентонита вместо флокулянта.
Данные в таблице 6 свидетельствуют о том, что с использованием трехкомпонентной системы достигается значительное повышение эффективности по сравнению с эффективностью, которая обеспечивается двухкомпонентной системой.
1. Способ получения бумаги, плит и картона, включающий в себя добавление на мокрую часть бумагоделательной машины (а) микрофибриллированной целлюлозы, причем микрофибриллированную целлюлозу получают из целлюлозы с суммарным анионным зарядом, имеющей анионную степень замещения от 0,02 до 0,50, и (б) по меньшей мере одной совместной добавки, отличающийся тем, что совместную добавку выбирают из группы, состоящей из одного или более следующих агентов: (1) акриламидсодержащий катионный водно-дисперсионный полимер с пониженной удельной вязкостью более 3,0 дл/г, (2) коллоидный диоксид кремния, (3) бентонитовая глина, (4) виниламинсодержащие полимеры, выбранные из гомополимеров N-винилформамида, которые полностью или частично гидролизуются до виниламина, и имеющие содержание N-винилформамида от по меньшей мере 50% до 100%, а степень гидролиза от 30% до 100%, или их комбинации, при этом массовое соотношение микрофибриллированная целлюлоза/совместная добавка составляет от 1:10 до 10:1, и при этом количество микрофибриллированной целлюлозы и совместной добавки, добавленных на мокрую часть бумагоделательной машины, составляет от 0,025 до 0,5% по массе в расчете на массу сухой пульпы.
2. Способ по п. 1, в котором совместная добавка включает коллоидный диоксид кремния.
3. Способ по п. 1 или 2, в котором совместная добавка включает бентонитовую глину.
4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором совместная добавка включает виниламинсодержащий полимер.
5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором совместная добавка включает катионный водно-дисперсионный полимер с пониженной удельной вязкостью более 4,0 дл/г или предпочтительно более 5,0 дл/г.
6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором совместная добавка включает катионный водно-дисперсионный полимер и при этом катионный водно-дисперсионный полимер состоит из двух полимеров: катионный дисперсионный полимер с молекулярной массой от 10000 до 150000 Да, предпочтительно от 20000 до 100000 Да или от 30000 до 80000 Да, предпочтительно гомополимер катионного мономера, и катионный полимер с более высокой молекулярной массой, который формирует дискретную фазу частиц.
7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором массовое соотношение микрофибриллированная целлюлоза/совместная добавка составляет от 1:5 до 5:1 или от 1:5 до 2:1, и количество микрофибриллированной целлюлозы и совместной добавки, добавленных на мокрую часть бумагоделательной машины, составляет от 0,025 до 0,3% по массе в расчете на массу сухой пульпы.
8. Бумажный продукт, полученный способом по любому из пп. 1-7.
