Композиции и способы, предназначенные для улучшения характеристик лигноцеллюлозных материалов
Изобретение относится к поверхностному проклеиванию бумажных изделий. Композиция для пресса для проклеивания, предназначенная для улучшения характеристик лигноцеллюлозного материала, содержит соль алюминия, проклеивающий агент - анионогенную стиролакрилатную эмульсию, крахмал и анионогенный краситель. По данным визуального наблюдения с использованием микроскопа при 10-кратном увеличении соль алюминия, проклеивающий агент, крахмал и анионогенный краситель равномерно диспергированы в композиции для пресса для проклеивания. Изобретение также относится к композиции для пресса для проклеивания, полученной способом, включающим объединение красителя и крахмала с получением содержащей краситель смеси и объединение содержащей краситель смеси, проклеивающего агента - стиролакрилатной эмульсии и соли алюминия с получением композиции для пресса для проклеивания. Изобретение также относится к способу проклеивания бумаги. Обеспечивается улучшение стойкости лигноцеллюлозного материала к проникновению жидкостей. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 8 ил., 4 табл., 5 пр.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
По настоящей заявке испрашивается приоритет по заявке на патент U.S. №16/018936, поданной 26 июня 2018 г., содержание которой явно включено в настоящее изобретение в качестве ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение в целом относится к поверхностному проклеиванию бумажных изделий и, точнее, к композициям и способам, предназначенным для улучшения характеристик лигноцеллюлозных материалов с использованием соли алюминия и проклеивающего агента - стиролакрилатной эмульсии (САЭ).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Проклеивающие агенты - стиролакрилатные эмульсии (САЭ) широко использовали при производстве бумаги и картона в качестве агентов для поверхностного проклеивания для улучшения водостойкости бумаги и картона. В зависимости от мономеров, использующихся для синтеза, эти проклеивающие агенты - САЭ могут являться катионогенными, анионогенными или амфотерными, все они используются в промышленности при четко определенных условиях.
Эти проклеивающие агенты - САЭ используют или отдельно, или вместе со средствами, способствующими проклеиванию, такими как соли алюминия, и более предпочтительно, сульфат алюминия (алюминиевые квасцы) и полихлорид алюминия (ПХА). При ионизации в водном растворе катион алюминия способствует прикреплению проклеивающего агента к отрицательно заряженным целлюлозным волокнам. Эти средства, способствующие проклеиванию, являются сильно катионогенными и их обычно используют в прессе для проклеивания только с проклеивающими агентами - катионогенными САЭ.
Хотя ионы многовалентных металлов являются эффективными средствами, способствующими проклеиванию, катионогенная природа иона алюминия в растворе при его добавлении в пресс для проклеивания ограничивает изготовителя бумаги и картона использованием только катионогенных красителей, катионогенных оптически отбеливающих агентов (ООА) и других катионогенных добавок. Кроме того, в способе проклеивания вместе с солью алюминия также необходимо использовать проклеивающие агенты - катионогенные САЭ, это приводит к увеличению затрат на проведение способа проклеивания, поскольку стоимость проклеивающих агентов - катионогенных САЭ выше, чем стоимость проклеивающих агентов - анионогенных САЭ. Использование анионогенных красителей, анионогенных ООА и других анионогенных добавок будет приводить к образованию коацерватов с положительно заряженными многовалентными катионами, в этом случае, с катионами алюминия, содержащимися в соли алюминия. Коацерваты и отложения также могут образоваться, если эти соли алюминия объединяют с проклеивающими агентами - анионогенными САЭ.
Если в способе изготовления бумаги и картона используют анионогенные красители, то для проклеивания обычно используют анионогенные агенты для поверхностного проклеивания, такие как проклеивающие агенты - анионогенные САЭ и растворы полимеров стирол-малеиновый ангидрид или стирол-акриловая кислота. Соли алюминия, такие как ПХА и алюминиевые квасцы, невозможно использовать, поскольку эти соли являются сильно катионогенными. Их использование является затруднительным, поскольку проклеивающие агенты - анионогенные САЭ не связываются эффективным образом с волокнами вследствие наличия отрицательного заряда, которым обладают и САЭ, и волокно, это приводит к уменьшению степени проклеивания при использовании такого же количества, как количество катионогенной системы. Таким образом, необходимо решение, обеспечивающее улучшенные характеристики такой комбинации.
Соответственно, необходимо разработать композиции и способы, в которых применяют проклеивающие агенты - САЭ, такие как проклеивающие агенты - анионогенные САЭ, и соли алюминия вместе с красителями и ООА, такими как анионогенные красители и ООА. Кроме того, другие необходимые особенности и характеристики станут понятны из последующего краткого изложения сущности изобретения и подробного описания изобретения, и прилагаемой формулы изобретения, рассмотренными вместе с прилагаемыми чертежами и приведенными выше описаниями области техники, к которой относится изобретение, и уровня техники.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении раскрыты различные неограничивающие варианты осуществления композиций, предназначенных для улучшения характеристик лигноцеллюлозных материалов, и различные неограничивающие варианты осуществления способов их получения.
В одном неограничивающем варианте осуществления настоящее изобретение относится к композиции для пресса для проклеивания, предназначенной для улучшения характеристик лигноцеллюлозного материала. Композиция для пресса для проклеивания содержит, но не ограничивается только ими, соль алюминия и проклеивающий агент - анионогенную стиролакрилатную эмульсию (САЭ). По данным визуального наблюдения с использованием микроскопа при 10-кратном увеличении соль алюминия и проклеивающий агент - анионогенная САЭ в основном равномерно диспергированы в композиции для пресса для проклеивания.
В другом неограничивающем варианте осуществления настоящее изобретение относится к композиции для пресса для проклеивания, предназначенной для улучшения характеристик лигноцеллюлозного материала, полученной способом. Способ включает, но не ограничивается только им, объединение красителя и крахмала с получением содержащей краситель смеси. Способ дополнительно включает, но не ограничивается только им, объединение содержащей краситель смеси, проклеивающего агента - стиролакрилатной эмульсии (САЭ) и соли алюминия с получением композиции для пресса для проклеивания. По данным визуального наблюдения с использованием микроскопа при 10-кратном увеличении краситель, крахмал, соль алюминия и проклеивающий агент - САЭ в основном равномерно диспергированы в композиции для пресса для проклеивания.
В другом неограничивающем варианте осуществления настоящее изобретение относится к способу проклеивания бумаги. Способ включает, но не ограничивается только им, объединение красителя и крахмала с получением содержащей краситель смеси. Способ дополнительно включает, но не ограничивается только им, объединение содержащей краситель смеси, проклеивающего агента - стиролакрилатной эмульсии (САЭ) и соли алюминия с получением композиции для пресса для проклеивания. Способ дополнительно включает, но не ограничивается только им, нанесение композиции для пресса для проклеивания на лигноцеллюлозный материал. По данным визуального наблюдения с использованием микроскопа при 10-кратном увеличении краситель, крахмал, соль алюминия и проклеивающий агент - САЭ в основном равномерно диспергированы в композиции для пресса для проклеивания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие преимущества настоящего изобретения будет легче оценить, когда они будут лучше поняты из приведенного ниже подробного описания, рассмотренного вместе с прилагаемыми чертежами, на которых представлено следующее:
На фиг. 1 представлено изображение раствора для проклеивания, соответствующего одному неограничивающему варианту осуществления;
На фиг. 2 представлено изображение сравнительного раствора для проклеивания;
На фиг. 3А представлено полученное без увеличения изображение композиции для пресса для проклеивания, соответствующей одному неограничивающему варианту осуществления;
На фиг. 3Б представлено полученное при увеличении изображение композиции для пресса для проклеивания, соответствующей одному неограничивающему варианту осуществления, представленной на фиг. 3А;
На фиг. 4А представлено полученное без увеличения изображение сравнительной композиции для пресса для проклеивания;
На фиг. 4Б представлено полученное при увеличении изображение сравнительной композиции для пресса для проклеивания, представленной на фиг. 4А;
На фиг. 5 представлена диаграмма, иллюстрирующая экспериментальные результаты, полученные для растворов для проклеивания, соответствующих неограничивающим вариантам осуществления; и
На фиг. 6 представлена диаграмма, иллюстрирующая экспериментальные результаты, полученные для композиций для пресса для проклеивания, соответствующих неограничивающим вариантам осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Приведенное ниже подробное описание по существу является лишь иллюстративным и не предназначено для ограничения систем и способов, описанных в настоящем изобретении. Кроме того, не следует ограничиваться никакими теоретическими соображениями, приведенными в предшествующем уровне техники или последующем подробном описании.
Для обеспечения полного понимания настоящего изобретения в приведенном ниже описании указаны конкретные подробности, такие как материалы и размеры. Однако для специалиста в данной области техники должно быть очевидно, что настоящее изобретение можно практически осуществить без использования этих конкретных подробностей. В действительности, настоящее изобретение можно практически осуществить совместно с методиками обработки, производства или изготовления, обычно использующимися в бумажной промышленности. Кроме того, в приведенных ниже способах описаны лишь стадии, а не полная схема способа получения композиции для пресса для проклеивания, предлагаемой в настоящем изобретении.
При использовании в настоящем изобретении термины в единственном числе или термины во множественном числе означают один или большее количество, если не указано иное. Термин "или" может являться объединяющим или разъединяющим. Открытые термины, такие как "включать", "включающий", "содержать", "содержащий" и т.п. означают "включающий". Термин "примерно" при использовании применительно к числовому значению в настоящем описании и формуле изобретения означает интервал точности, известный и приемлемый для специалиста в данной области техники. Обычно такой интервал точности составляет ±10%. Таким образом, "примерно 10" означает от 9 до 11. В настоящем описании все числовые значения, указывающие количества, отношения количеств материалов, физические характеристики материалов и/или применение, следует понимать, как модифицированные термином "примерно", если явно не указанное иное. При использовании в настоящем изобретении "%", описанные в настоящем изобретении, означают массовые проценты, если не указано иное. При использовании в настоящем изобретении выражение "в основном не содержит" означает, что композиция содержит небольшое количество указанного ингредиента/компонента, такое, как менее примерно 1 мас. %, 0,5 мас. % или 0,1 мас. %, или менее обнаруживаемого количества указанного ингредиента.
Настоящее изобретение относится к композиции для пресса для проклеивания, предназначенной для улучшения характеристик лигноцеллюлозного материала. Композиция для пресса для проклеивания содержит соль алюминия и проклеивающий агент - анионогенную стиролакрилатную эмульсию (САЭ). По данным визуального наблюдения с использованием микроскопа при 10-кратном увеличении соль алюминия и проклеивающий агент - анионогенная САЭ в основном равномерно диспергированы в композиции для пресса для проклеивания. В некоторых вариантах осуществления композиция для пресса для проклеивания дополнительно содержит крахмал. По данным визуального наблюдения с использованием микроскопа при 10-кратном увеличении крахмал, соль алюминия и проклеивающий агент - анионогенная САЭ в основном равномерно диспергированы в композиции для пресса для проклеивания. В типичных вариантах осуществления композиция для пресса для проклеивания дополнительно содержит краситель. По данным визуального наблюдения с использованием микроскопа при 10-кратном увеличении краситель, крахмал, соль алюминия и проклеивающий агент - анионогенная САЭ в основном равномерно диспергированы в композиции для пресса для проклеивания. Композицию можно применять для проклеивания бумаги. Пресс для проклеивания обычно используют для нанесения композиции на поверхность бумаги или картона для улучшения гладкости, пригодности для печатания, прочности и стойкости к проникновению водных агентов. Композицию для пресса для проклеивания наносят на бумагу в прессе для проклеивания, находящемся в бумагоделательной машине (в самой машине) или являющемся отдельным прессом для проклеивания (за пределами машины).
В различных вариантах осуществления композицию для пресса для проклеивания получают способом, включающим стадию объединения красителя и крахмала с получением содержащей краситель смеси. Для сведения к минимуму коагуляции красителя при его объединении с солью алюминия (катионогенная) краситель сначала объединяют с крахмалом с получением содержащей краситель смеси. Краситель и крахмал можно объединить с использованием любой методики, известной в данной области техники, при условии, что краситель и крахмал тщательно перемешаны, например, с использованием статического смесителя или смесительного бака, снабженного верхним импеллером. В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно включает стадию смешивания красителя и крахмала с использованием перемешивания. Содержащая краситель смесь может содержать краситель в количестве, составляющем от примерно 1 до примерно 20 мас. % в пересчете на полную массу содержащей краситель смеси. Содержащая краситель смесь может содержать крахмал в количестве, составляющем от примерно 1 до примерно 20 мас. %. Следует понимать, что краситель можно предварительно смешать с порцией крахмала до объединения с композицией для пресса для проклеивания, которая может содержать еще одну порцию крахмала. Таким образом, настоящее изобретение не ограничено диапазонами, указанными непосредственно выше для количеств красителя и крахмала, и их можно объединить в любых количествах, известных в данной области техники, при условии, что краситель объединяют с крахмалом до приготовления композиции для пресса для проклеивания. Кроме того, следует понимать, что краситель и крахмал можно объединить в бумагоделательной машине после добавления в бумагоделательную машину ПХА и проклеивающего агента - САЭ, таким образом обеспечен необходимый для стадии смешивания промежуток времени между объединением красителя и крахмала, и добавлением ПХА и проклеивающего агента - САЭ.
Способ дополнительно включает стадию объединения содержащей краситель смеси, проклеивающего агента - САЭ и соли алюминия с получением композиции для пресса для проклеивания. Содержащую краситель смесь, проклеивающий агент - САЭ и соль алюминия можно объединить заранее и получить композицию для пресса для проклеивания. Содержащую краситель смесь, проклеивающий агент - САЭ и соль алюминия можно объединить с использованием любой методики, известной в данной области техники, при условии, что содержащая краситель смесь, проклеивающий агент - САЭ и соль алюминия тщательно перемешаны, например, с использованием статического смесителя.
В других вариантах осуществления стадии объединения содержащей краситель смеси, проклеивающего агента - САЭ и соли алюминия с получением композиции для пресса для проклеивания включают стадию объединения проклеивающего агента - САЭ и соли алюминия с получением раствора для проклеивания и объединения содержащей краситель смеси и раствора для проклеивания с получением композиции для пресса для проклеивания. Проклеивающий агент - САЭ и соль алюминия можно объединить с использованием любой методики, известной в данной области техники, при условии, что проклеивающий агент - САЭ и соль алюминия тщательно перемешаны, например, с использованием статического смесителя. В вариантах осуществления стабильный раствор для проклеивания можно получить при объединении проклеивающего агента - анионогенной, катионогенной или амфотерной САЭ с солью алюминия (катионогенная). В некоторых вариантах осуществления раствор для проклеивания содержит соль алюминия и проклеивающий агент - САЭ при массовом отношении, составляющем от примерно 1:20 до примерно 20:1, альтернативно, от примерно 1:5 до примерно 5:1 или, альтернативно, от примерно 1:3 до примерно 3:1.
По данным визуального наблюдения с использованием микроскопа при 10-кратном увеличении краситель, крахмал, соль алюминия и проклеивающий агент - САЭ в основном равномерно диспергированы в композиции для пресса для проклеивания. Термин "в основном" при использовании в настоящем изобретении означает, что равномерно диспергировано не менее 80 мас. %, альтернативно, не менее 90 мас. %, альтернативно, не менее 95 мас. % или, альтернативно, не менее 99 мас. % композиции для пресса для проклеивания в пересчете на полную массу композиции для пресса для проклеивания. Термин "равномерно диспергированы" означает, что компоненты композиции для пресса для проклеивания однородно диспергированы в композиции для пресса для проклеивания. Визуальное наблюдение с использованием микроскопа при 10-кратном увеличении можно проводить с использованием образца композиции для пресса для проклеивания и микроскопа, снабженного оптическими линзами, обеспечивающими 10-кратное увеличение, и задней подсветкой. Следует понимать, что визуальное исследование композиции для пресса для проклеивания можно провести с использованием микроскопа при увеличении, меньшем, чем 10-кратное, или без увеличения, при условии, что по данным визуального наблюдения с использованием микроскопа при 10-кратном увеличении компоненты композиции для пресса для проклеивания в основном равномерно диспергированы в ней. Размер образца может соответствовать 1 капле, вытекающей из пипетки с одной меткой объемом 7,5 мл (VWR #414004-004). Каплю помещают на предметное стекло, одна сторона которого является матовой, размером 75×25 мм (Corning 2948-75×25). Сверху помещают покровное стекло (VWR Micro cover glass 25×25, Cat. No 48366249).
Красителем, использующимся в композиции для пресса для проклеивания, может являться любой краситель, известный в данной области техники. Краситель может включать основные красители, кислотные красители, анионогенные красители, катионогенные красители или их комбинации. В некоторых вариантах осуществления красителем является анионогенный краситель. Подходящие анионогенные красители выпускаются фирмой Archroma of Reinach, Switzerland под торговым названием Cartasol, такие как Cartasol® F, и фирмой Kemira of Helsinki, Finland под торговым названием Levacell/PontamineKS, такие как красный краситель Levacell и коричневый краситель Levacell. Подходящие катионогенные красители выпускаются фирмой Archroma of Reinach, Switzerland под торговым названием Cartasol, такие как Cartasol® K, и фирмой Kemira of Helsinki, Finland под торговым названием Levacell/PontamineKS, такие как Fast Blue KS-6GLL. Краситель обычно добавляют к композиции для проклеивания в виде водного раствора или дисперсии, однако его также можно добавлять в твердой форме. Композиция для пресса для проклеивания может содержать краситель в количестве, составляющем от 0,001 примерно до 2 мас. %, альтернативно, от примерно 0,001 до примерно 1 мас. % или, альтернативно, от примерно 0,001 до примерно 0,5 мас. % в пересчете на полную массу композиции для пресса для проклеивания. Альтернативно, композиция для пресса для проклеивания может содержать краситель в количестве, составляющем вплоть до 2 мас. %, альтернативно, вплоть до 1 мас. % или, альтернативно, вплоть до 0,5 мас. % в пересчете на полную массу композиции для пресса для проклеивания.
Крахмал, использующийся в композиции для пресса для проклеивания, можно получить из любых известных источников, например, кукурузы, картофеля, риса, тапиоки и пшеницы. Крахмал можно преобразовать путем обработки ферментом, кислотой или персульфатом. Крахмал также можно модифицировать, в том числе окислить, этилировать, подвергнуть амофтерной и гидрофобной модификации и т.п. Другие растворимые в воде гидроксилированные полимеры, которые можно использовать, включают углеводы, такие как альгинаты, каррагенан, гуаровая камедь, гуммиарабик, камедь гхатти, пектин и т.п. Можно использовать модифицированные целлюлозы, такие как карбоксиметилцеллюлоза или гидроксиэтилцеллюлоза. Также можно использовать синтетические растворимые в воде гидроксилированные полимеры, такие как полностью и частично гидролизованные поливиниловые спирты. Подходящим является любой растворимый в воде гидроксилированный полимер, который можно наносить на бумагу в прессе для проклеивания. Количества добавляемого крахмала, выраженные в количестве фунтов сухого крахмала в пересчете на 1 тонну сухой бумаги (фунт/т), могут находиться в диапазоне от 0 примерно до 120 фунт/т (или от 0 примерно до 6 мас. % в пересчете на полную массу сухой бумаги), альтернативно, от примерно 40 до примерно 100 фунт/т (или от примерно 2 до примерно 5 мас. % в пересчете на полную массу сухой бумаги) или, альтернативно, от примерно 60 до примерно 100 фунт/т (или от примерно 3 до примерно 5 мас. % в пересчете на полную массу сухой бумаги). Композиция для пресса для проклеивания может содержать крахмал в количестве, составляющем от 1 примерно до 25 мас. %, альтернативно, от примерно 2 до примерно 22 мас. % или, альтернативно, от примерно 4 до примерно 18 мас. % в пересчете на полную массу композиции для пресса для проклеивания.
Проклеивающий агент - САЭ можно использовать в композиции для пресса для проклеивания с целью улучшения водостойкости бумаги и картона. Проклеивающий агент - САЭ также может называться сополимером - стиролакрилатной эмульсией (САЭ). Проклеивающие агенты - САЭ могут представлять собой амфифильные молекулы, содержащие гидрофильную группу и гидрофобную группу. Гидрофильная группа может быть направлена в сторону волокна бумаги и картона и гидрофобная группа может направлена в сторону от волокна, таким образом на бумаге и картоне образуется водостойкое покрытие. Проклеивающий агент - САЭ может являться катионогенной, анионогенной или амфотерной, это зависит от мономеров, использующихся для синтеза проклеивающего агента - САЭ. Как указано выше, в некоторых вариантах осуществления проклеивающий агент - САЭ является анионогенной. При использовании в композиции для пресса для проклеивания проклеивающий агент - анионогенная САЭ обычно является более экономичной, чем проклеивающий агент - катионогенная САЭ.
Проклеивающий агент - САЭ может находиться в форме латекса. Содержащий стирол проклеивающий агент - САЭ можно получить из реакционной смеси, содержащей стирол или замещенный стирол, алкилакрилат или -метакрилат, этиленовоненасыщенную карбоновую кислоту или их комбинации.
Алкильная группа, содержащаяся в алкилакрилате или -метакрилате, может содержать от 1 до 12 атомов углерода. Типичные алкилакрилаты или -метакрилаты включают, но не ограничиваются только ими, метилметакрилат, этилакрилат, этилметакрилат, пропилакрилат, бутилакрилат, н-бутилакрилат, трет-бутилакрилат, бутилметакрилат, 2-этилгексилакрилат, 2-этилгексилметакрилат, лаурилакрилат, лаурилметакрилат и их комбинации.
Примеры подходящих этиленовоненасыщенных карбоновых кислот могут включать, но не ограничиваются только ими, α,β-ненасыщенные карбоновые кислоты, такие как акриловая кислота, метакриловая кислота, малеиновая кислота или ее ангидрид, фумаровая кислота, итаконовая кислота и их комбинации.
Примеры подходящих стиролов или замещенных стиролов могут включать, но не ограничиваются только ими, стирол, α-метилстирол, винилтолуол и их комбинации.
В некоторых вариантах осуществления проклеивающий агент - САЭ получают из реакционной смеси, содержащей стирол и бутилакрилат. Проклеивающий агент - САЭ можно получить из реакционной смеси, содержащей стирол в количестве, составляющем от примерно 10 до примерно 90 молей, альтернативно, от примерно 25 до примерно 75 молей или, альтернативно, от примерно 33 до примерно 67 молей в пересчете на 100 молей проклеивающего агента - САЭ.
Проклеивающий агент - САЭ может обладать Tg, равной от примерно -15 до примерно 90°С, альтернативно, от примерно 5 до примерно 80°С или, альтернативно, от примерно 30 до примерно 70°С.
Примеры подходящих проклеивающих агентов - САЭ выпускаются фирмой Solenis International LP of Wilmington, Delaware под торговыми названиями Chromaset 800 и Impress ST-730.
Композиция для пресса для проклеивания может содержать проклеивающий агент - САЭ в количестве, составляющем от 0,001 примерно до 12,5 мас. %, альтернативно, от примерно 0,006 до примерно 5 мас. % или, альтернативно, от примерно 0,05 до примерно 4 мас. % в пересчете на полную массу композиции для пресса для проклеивания. Проклеивающий агент - САЭ можно наносить на бумагу в количестве, составляющем от примерно 0,005 до примерно 1 мас. %, альтернативно, от примерно 0,02 до примерно 0,5 мас. % или, альтернативно, от примерно 0,2 до примерно 0,3 мас. % в пересчете на полную массу сухой бумаги.
Соль алюминия представляет собой неорганическую соль, которая может улучшить обезвоживание и удерживание при применении для бумаги и картона. Подходящие соли алюминия включают, но не ограничиваются только ими, сульфат алюминия, описывающийся формулой Alx(SO4)y(H2O)z, в которой х равен от 1 до 3, у равен от 1 до 4 и z равен от 0 до 20. Подходящий сульфат алюминия, обычно называющийся алюминиевыми квасцами, выпускается фирмой General Chemical Corporation of New Jersey. Другие соли алюминия включают полиалюминиевые соединения, описывающиеся формулой Aln(ОН)mX(3n-m), в которой X обозначает отрицательно заряженный ион, такой как хлорид, сульфат, силикат или ацетат, и n и m обозначают целые числа, равные больше, чем 0, при этом (3n-m) равно больше, чем 0. Если X обозначает хлорид, то солью является полихлорид алюминия (ПХА). Также можно использовать смесь солей. В некоторых вариантах осуществления соль алюминия включает сульфат алюминия (алюминиевые квасцы), полисульфат алюминия, полихлорид алюминия, полихлоргидрат алюминия, полихлорсульфат алюминия или их комбинации. В типичном варианте осуществления соль алюминия включает полихлорид алюминия. Полихлорид алюминия является катионогенным и обладает разной основностью. Химический состав полихлорида алюминия часто описывают формулой Aln(OH)mCl(3n-m), где в этой формуле основность может быть определена с помощью m/(3n). В вариантах осуществления, описанных выше, полихлорид алюминия, который является катионогенным, можно объединить с анионогенным красителем, при условии, что анионогенный краситель сначала объединяют с крахмалом. Примеры подходящих полихлоридов алюминия выпускаются фирмой Solenis International LP of Wilmington, Delaware под торговыми названиями Perform PB9007 (обладающий высокой основностью ПХА) и Prequel 737 (обладающий низкой основностью ПХА).
Композиция для пресса для проклеивания может содержать соль алюминия в количестве, составляющем от примерно 0,002 до примерно 6,5 мас. %, альтернативно, от примерно 0,003 до примерно 5 мас. % или, альтернативно, от примерно 0,008 до примерно 2,5 мас. % в пересчете на количество элемента алюминия, содержащегося в соли алюминия, и в пересчете на полную массу композиции для пресса для проклеивания. Соль алюминия можно наносить на бумагу в количестве, составляющем от примерно 0,01 до примерно 0,5 мас. %, альтернативно, от примерно 0,02 до примерно 0,4 мас. % или, альтернативно, от примерно 0,05 до примерно 0,2 мас. % в пересчете на полную массу сухой бумаги.
Композиция для пресса для проклеивания может дополнительно содержать оптически отбеливающий агент. Оптически отбеливающие агенты могут компенсировать желтый оттенок (отбеленная бумага или ткань обладает желтоватым цветом) бумаги или картона. Желтый оттенок может возникать при поглощении в коротковолновой области света (от фиолетового до синего). С помощью оптически отбеливающих агентов этот свет в коротковолновой области можно частично заменить, таким образом можно обеспечить полностью белый цвет без потери света. Отбеливающий агент может обеспечить этот дополнительный свет путем флуоресценции. Оптически отбеливающие агенты могут поглощать свет в невидимой области спектра дневного света и превращать эту энергию в свет в длинноволновой области видимой области спектра, т.е. в области от синего до сине-фиолетового света. Оптически отбеливающий агент может являться анионогенным или катионогенным. В некоторых вариантах осуществления оптически отбеливающий агент является анионогенным. Примеры подходящих оптически отбеливающих агентов включают, но не ограничиваются только ими, стильбен и производные стильбена или их комбинации. Оптически отбеливающий агент можно использовать в количестве, составляющем не менее 0,5 мас. % в пересчете на массу полученной бумаги.
Композиция для пресса для проклеивания может дополнительно содержать обычные добавки для пресса для проклеивания, известные в данной области техники, такие как соли, наполнители, противовспениватели, биоциды, воска, дополнительные проклеивающие агенты, или их комбинации. Известные дополнительные проклеивающие агенты могут включать, димеры алкилкетена, алкенилянтарные ангидриды, ангидриды жирных кислот и т.п. Композиция для пресса для проклеивания обычно обладает значением рН, равным менее примерно 6, и температурой, равной от примерно 0 до примерно 99°С, альтернативно, от примерно 45 до примерно 99°С.
Для задач настоящей заявки термин "проклеивание" означает придание бумаге или картону способности препятствовать проникновению водных жидкостей. Соединения, предназначенные для усиления отталкивания жидкостей, известны, как проклеивающие агенты. Значения степени проклеивания характерны для используемого теста. Одним обычным тестом для определения стойкости к проникновению водных агентов, является тест Кобба, описанный ниже. Обсуждение проклеивания см. в публикации Principles of Wet End Chemistry by William E. Scott, Tappi Press 1996, Atlanta, ISBN 0-89852-286-2. Описание различных тестов проклеивания приведено в публикациях The Handbook of Pulping and Papermakinq by Christopher J. Biermann Academic Press 1996, San Diego, ISBN 0-12-097362-6 и Properties of Paper: An Introduction ed. William E. Scott and James C. Abbott Tappi Press 1995, Atlanta, ISBN 0-89852-062-2. Проклеенная бумага обычно обладает степенью проклеивания, определенной с помощью теста проклеивания фирмы Hercules (HST), равной более примерно 1 с, альтернативно, более примерно 20 с или, альтернативно, более примерно 100 с. Более высокие значения HST означают более высокую степень проклеивания.
Бумага или картон, которые проклеивают композицией для пресса для проклеивания, предлагаемой в настоящем изобретении, получены из лигноцеллюлозного материала и может содержать древесную массу, от древесной муки до химически отбеленной древесины, или недревесную массу или комбинацию масс. Кроме того, древесную массу можно получить полностью или частично из повторно переработанной бумаги и бумажных изделий. Древесная масса может содержать некоторое количество синтетической древесной массы. Древесная масса может представлять собой некоторую комбинацию древесной массы разных типов, таких как древесина лиственных пород и древесина хвойных пород, или представлять собой древесину определенного типа, такую как древесина эвкалипта. Древесной массой может являться дефибрерная древесная масса, механическая древесная масса, химически или термически обработанная древесная масса, крафт-целлюлоза, сульфитная древесная масса или синтетическая древесная масса, или любая обычная древесная масса, использующаяся в бумажной промышленности. Бумага может содержать или не содержать неорганические наполнители, такие как карбонат кальция или глина, и может содержать или не содержать органические наполнители, проклеивающие агенты и другие добавки, добавляемые на мокром конце бумагоделательной машины. Бумага также может содержать добавки, придающие прочность, удерживающие добавки и другие обычные добавки для бумаги, такие как алюминиевые квасцы. В некоторых вариантах осуществления лигноцеллюлозный материал дополнительно определен, как рецикловый облицовочный картон.
Настоящее изобретение применимо для проклеивания одной или обеих сторон бумаги или картона. Если обрабатывают только одну сторону бумаги, то все указанные выше значения показателей, относящихся к бумаге, будут представлять собой половину указанных значений.
Готовая бумага может содержать другие добавки, включенные при изготовлении бумаги, или нанесенные вместе с обработкой поверхности проклеивающей композицией, или нанесенные отдельно от обработки поверхности проклеивающей композицией. Применимыми добавками являются такие, которые используют для бумаги. Они включают, но не ограничиваются только ими, следующие: неорганические и органические наполнители, такие как глина или обладающие полыми сферическими частицами пигменты; оптически отбеливающие агенты, которые также известны, как флуоресцентные отбеливающие средства; пигменты; красители; добавки, придающие прочность, такие как полиамидоамины; проклеивающие агенты, такие как канифоль, ДАК (димеры алкилкетена), АЯА (алкенилянтарные ангидриды) и воска; и неорганические соли.
Настоящее изобретение также относится к способу проклеивания бумаги. Способ может включать стадию объединения красителя и крахмала с получением содержащей краситель смеси. Способ дополнительно включает стадию объединения содержащей краситель смеси, проклеивающего агента -САЭ и соли алюминия с получением композиции для пресса для проклеивания. Способ дополнительно включает стадию нанесения композиции для пресса для проклеивания на лигноцеллюлозный материал. По данным визуального наблюдения с использованием микроскопа при 10-кратном увеличении краситель, крахмал, соль алюминия и проклеивающий агент - САЭ в основном равномерно диспергированы в композиции для пресса для проклеивания.
На стадию нанесения композиции для пресса для проклеивания на лигноцеллюлозный материал, такой как бумага или картон, не налагаются ограничения, при условии, что обеспечено равномерное регулируемое нанесение. Можно проводить нанесение на бумагу, изготовленную с помощью бумагоделательной машины, и затем лишь частично ее высушить или можно проводить нанесение на высушенную бумагу в бумагоделательной машине, или нанесение можно проводить за пределами бумагоделательной машины на бумагу, которая сформована, высушена и выведена из машины. Типичный способ предназначен для бумаги, изготовленной с помощью бумагоделательной машины и высушенной. Затем композицию для пресса для проклеивания можно нанести с помощью находящегося в бумагоделательной машине пресса для проклеивания. Затем бумагу повторно сушат. Бумагу можно дополнительно модифицировать путем каландрования. Применимыми сортами бумаги являются такие, которые обладают плотностями, равными от примерно 50 до примерно 350 г/м2, или, альтернативно, от примерно 70 до примерно 250 г/м2.
Хотя в приведенном выше подробном описании представлен по меньшей мере один типичный вариант осуществления, следует понимать, что существует большое количество модификаций. Следует понимать, что типичный вариант осуществления или типичные варианты осуществления являются лишь примерами и они не предназначены для какого-либо ограничения объема, применимости или конфигурации разных вариантов осуществления. С помощью приведенного выше подробного описания специалистам в данной области техники скорее предоставлена подходящая схема выполнения типичного варианта осуществления, входящего в объем настоящего изобретения. Следует понимать, что в функции и расположение элементов, описанных в типичном варианте осуществления, можно внести различные изменения без отклонения от объема разных вариантов осуществления, приведенных в прилагаемой формуле изобретения.
ПРИМЕРЫ
Пример 1 - Иллюстративный и сравнительный растворы для проклеивания (раствор САЭ/ПХА)
В примере 1 объединяли 25 г проклеивающего агента - анионогенной САЭ (imPress ST-730) и 25 г полихлорида алюминия (PAX 18, выпускается фирмой Kemira Oyj) и смешивали при перемешивании в течение 1 мин, проводимом путем взбалтывания находящейся в сосуде реакционной смеси вручную, и получали иллюстративный раствор для проклеивания.
Сравнительный раствор для проклеивания получали путем проводимого при перемешивании объединения 0,9 г иллюстративного раствора для проклеивания и 48 г деионизированной воды с получением промежуточного раствора. Затем объединяли промежуточный раствор и 0,2 г анионогенного красителя (красный краситель Levacell, выпускается фирмой Kemira Oyj) и смешивали при перемешивании в течение 5 мин с помощью верхнего смесителя и получали сравнительный раствор для проклеивания.
После получения иллюстративного и сравнительного растворов для проклеивания растворы исследовали путем проведения визуального наблюдения без увеличения. Результаты визуального наблюдения представлены в приведенной ниже таблице 1 и изображения растворов представлены на фиг. 1 (иллюстративный) и фиг. 2 (сравнительный).
Иллюстративный раствор для проклеивания, при получении которого объединяли анионогенный САЭ и катионогенный ПХА, являлся однородным. В отличие от него, в сравнительном растворе для проклеивания, при получении которого объединяли анионогенный САЭ, катионогенный ПХА и анионогенный краситель, наблюдалась существенная коагуляция.
Пример 2 - Иллюстративная и сравнительная композиции для пресса для проклеивания
В примере 2 объединяли 2,275 г проклеивающего агента - анионогенной САЭ (imPress ST-730) и 2,275 г полихлорида алюминия (PAX 18, выпускается фирмой Kemira Oyj) и получали раствор для проклеивания.
Иллюстративную композицию для пресса для проклеивания получали путем проводимого сначала объединения 193,97 г 10% раствора крахмала (GPC D28F, окисленный кукурузный крахмал, выпускается фирмой Grain Processing Corporation) и 1,46 г анионогенного красителя (коричневый краситель Levacell, выпускается Kemira) и перемешивания с получением однородной содержащей краситель смеси. Затем объединяли содержащую краситель смесь и раствор для проклеивания и смешивали при перемешивании в течение 15 мин с помощью верхнего смесителя и получали иллюстративную композицию для пресса для проклеивания.
Сравнительную композицию для пресса для проклеивания получали путем проводимого сначала объединения 4,55 г раствора для проклеивания и 193,97 г крахмала и перемешивания с получением промежуточного раствора. Затем промежуточный раствор и 1,46 г анионогенного красителя объединяли и смешивали при перемешивании в течение 15 мин с помощью верхнего смесителя и получали сравнительную композицию для пресса для проклеивания.
После получения иллюстративной и сравнительной композиций для пресса для проклеивания композиции исследовали путем проведения визуального наблюдения с использованием микроскопа, снабженного оптическими линзами, обеспечивающими 10-кратное увеличение, и задней подсветкой, и без использования микроскопа. Результаты визуального наблюдения представлены в приведенной ниже таблице 2 и изображения композиций, полученные без увеличения представлены на фиг. 3А (иллюстративная) и фиг. 4А (сравнительная), и полученные при 10-кратном увеличении представлены на фиг. 3Б (иллюстративная) и фиг. 4Б (сравнительная).
Иллюстративная композиция для пресса для проклеивания, при получении которой анионогенный краситель и крахмал объединяли до объединения с раствором САЭ/ПХА, являлась однородной и представляла собой превосходную композицию для пресса для проклеивания, предназначенную для проклеивания бумаги. В отличие от нее, в сравнительной композиции для пресса для проклеивания, при получении которой анионогенный краситель не объединяли с крахмалом до объединения с раствором САЭ/ПХА, наблюдалась существенная коагуляция и поэтому ее невозможно использовать для проклеивания бумаги.
Пример 3 - Исследования рабочих характеристик композиций для пресса для проклеивания с использованием теста Кобба
С помощью теста Кобба определяли степень проклеивания путем определения количества воды, абсорбированной образцом бумаги за заданное время, при этом бумагу закрепляли между металлическим кольцом и пластиной. Поверхность бумаги площадью 100 см2 обрабатывали с помощью 100 мл воды при высоте слоя воды, равной 1 см. Перед проведением исследования вырезали образец бумаги (размером, равным примерно 12,5×12,5 см) и взвешивали. Для проводимых в настоящем изобретении тестов Кобба бумагу выдерживали под водой в течение 3 мин. Воду сливали и затем кольцо быстро удаляли и образец помещали на лист фильтровальной бумаги влажной стороной вниз. Поверх образца помещали второй лист фильтровальной бумаги и бумагу прокатывали ручным валиком массой 10 кг один раз вперед и затем назад. Необходимо следить за тем, чтобы не прикладывать усилие к валику. Образец бумаги удаляли с листов фильтровальной бумаги и повторно взвешивали. Результаты представляли, как выраженное в граммах количество воды, адсорбированной в пересчете на 1 м2 бумаги. Полное описание теста и оборудования для проведения теста предоставлено фирмой.
На фиг. 5 представлены результаты исследования влияния количества ПХА на эффективность использования анионогенного САЭ (Chromaset 800) для иллюстративного раствора для проклеивания, при этом увеличение количества ПХА приводило к увеличению водостойкости, на что указывают улучшенные значения показателя теста Кобба. Обладающие низкой и средней основностью ПХА (основность 20,0%: UP 1692, основность 41,2%: UP 1040) использовали вместе с анионогенным САЭ (Chromaset 800) и получали примерно одинаковые значения показателя теста Кобба при сходных использованных количествах. Таким образом, как показано на фиг. 6, основность использующегося ПХА не является главным фактором, определяющим улучшение эффективности иллюстративного раствора для проклеивания.
Пример 4 - Стабильность растворов для проклеивания (раствор САЭ/ПХА)
Стабильные растворы для проклеивания получали путем смешивания проклеивающего агента - анионогенной САЭ (Chromaset 800) с обладающим высокой основностью ПХА (Perform РВ9007) при разных отношениях количеств, указанных в таблице 3. Стабильность оценивали путем исследования изменения размера частиц смесей с течением времени.
Анионогенной САЭ являлась анионогенная стиролакрилатная эмульсия, выпускающаяся фирмой Solenis International LP of Wilmington, Delaware под торговым названием Chromaset 800.
ПХА являлся обладающий высокой основностью полихлорид алюминия, выпускающийся Solenis International LP of Wilmington, Delaware под торговым названием Perform PB9007.
Растворы для проклеивания 4А, 4В и 4С, содержащие анионогенную САЭ и ПХА при разных массовых отношениях, обладают стабильностью, на это указывает размер частиц, определенный после хранения при комнатной температуре в течение 4 недель. В частности, в растворах для проклеивания 4А, 4В и 4С наблюдается минимальное изменение размера частиц после хранения при комнатной температуре в течение 4 недель.
Пример 5 - Исследование рециклового облицовочного картона - машина для нанесения покрытия Dixon
Образцы бумаги для приведенных ниже примеров изготавливали с помощью лабораторного пресса для проклеивания с ванной, или машины для нанесения покрытия Dixon, использующейся в качестве пресса для проклеивания с ванной для высокоскоростного нанесения. Общие методики описаны ниже. Конкретные подробности указаны в каждом примере. Для экспериментов с использованием настольного пресса для проклеивания и машины для нанесения покрытия Dixon бумаги-основы заранее изготавливали с помощью промышленной или экспериментальной бумагоделательной машины. Бумаги изготавливали без какой-либо обработки в прессе для проклеивания, т.е. на поверхность изготовленной бумаги не наносили крахмал, проклеивающий агент или другие добавки. Массу, использующуюся для изготовления бумаги, изготавливали из потоков рецикловой бумаги. Плотность и характеристики листа зависели от источника.
Композиции для пресса для проклеивания получали путем варки крахмала при 95°С в течение 45 мин, охлаждения, выдерживания крахмала при заданной для обработки температуре, обычно от примерно 60 до примерно 70°С. Добавляли другие компоненты и регулировали значение рН и затем раствор крахмала использовали для обработки бумаги. Для каждой использующейся бумаги-основы определяли количество раствора, подаваемого через вальцы, и соответственно устанавливали концентрации добавок для обеспечения необходимого содержания.
Настольный пресс для проклеивания с ванной включал горизонтально расположенный набор прижимных валиков размером 10 дюймов (25,4 см), один содержал резиновое покрытие и один являлся металлическим, с помощью которых подавали бумагу. Средство обработки пресса для проклеивания с ванной удерживалось валиками и перемычками на верхней стороне валиков. Валики прижимались друг к другу воздухом под давлением 14 фунтов. Бумага проходила через ванну по мере протягивания валиками и через валики с образованием регулируемого и равномерного слоя средства обработки. Бумаге давали осесть в течение 30 с и затем ее вторично пропускали через пресс для проклеивания. После второго прохода через пресс для проклеивания бумагу захватывали под двумя роликами и сразу сушили с использованием барабанной сушилки, температуру которой устанавливали равной 210°F. Бумагу сушили до обеспечения содержания влаги, равного примерно от 3 до 5%. После сушки каждый образец кондиционировали путем состаривания при комнатной температуре.
Машина для нанесения покрытия Dixon включала пресс для проклеивания с ванной, через которой лист бумаги-основы можно подавать со скоростью, равной вплоть до 1300 фут/мин. Пресс для проклеивания с ванной включал горизонтально расположенный набор резиновых валиков размером 22 см, которые прижимали друг к другу при усилии, равном 50 фунт-сила/дюйм2. Лист сушили до обеспечения содержания влаги, равного от 5 до 7%, с использованием инфракрасного сушильного устройства при 160°С.
Сравнительные растворы для проклеивания и иллюстративные растворы для проклеивания, полученные в примере 4, добавляли к раствору крахмала (GPC D28F, окисленный крахмал, 8,46% твердых веществ при 60°С) и получали композиции для пресса для проклеивания и их наносили на поверхность рециклового материала (55 #/Т, содержание крахмала 2,75 мас. % в пересчете на сухой картон) с использованием машины для нанесения покрытия Dixon в качестве экспериментального пресса для проклеивания и без других добавок. Проклеивающую способность композиций для пресса для проклеивания исследовали с помощью теста Кобба и HST. В частности, тест Кобба проводили в течение 2 мин и в течение 30 мин. HST проводили с использованием чернил №2, содержащих МК (муравьиная кислота), и обладающих отражающей способностью, составляющей 80%. Результаты исследования степени проклеивания, проведенного для поверхности обработанного картона, приведены в таблице 4 и они показывают, что смеси САЭ/ПХА обеспечивают лучшую стойкость к проникновению водных жидкостей, чем стандартные анионогенные агенты для поверхностного проклеивания.
Анионогенной САЭ являлась анионогенная стиролакрилатная эмульсия, выпускающаяся фирмой Solenis International LP of Wilmington, Delaware под торговым названием Chromaset 800.
ПХА являлся обладающий высокой основностью полихлорид алюминия, выпускающийся фирмой Solenis International LP of Wilmington, Delaware под торговым названием Perform PB9007.
По данным теста Кобба и HST иллюстративные образцы рециклового облицовочного картона 5Е-5М, содержащие анионогенную САЭ и ПХА при разных массовых отношениях и при разных количествах, обладают лучшей степенью проклеивания, чем сравнительные образцы рециклового облицовочного картона 5A-5D.
1. Композиция для пресса для проклеивания, предназначенная для улучшения характеристик лигноцеллюлозного материала, композиция для пресса для проклеивания содержит соль алюминия, проклеивающий агент - анионогенную стиролакрилатную эмульсию, крахмал и анионогенный краситель, где по данным визуального наблюдения с использованием микроскопа при 10-кратном увеличении соль алюминия, проклеивающий агент - анионогенная стиролакрилатная эмульсия, крахмал и анионогенный краситель равномерно диспергированы в композиции для пресса для проклеивания.
2. Композиция для пресса для проклеивания по п. 1, в которой проклеивающий агент - стиролакрилатная эмульсия получена из реакционной смеси, содержащей стирол и бутилакрилат.
3. Композиция для пресса для проклеивания по п. 1 или 2, в которой соль алюминия включает полихлорид алюминия.
4. Композиция для пресса для проклеивания, предназначенная для улучшения характеристик лигноцеллюлозного материала, полученная способом, включающим:
объединение красителя и крахмала с получением содержащей краситель смеси и объединение содержащей краситель смеси, проклеивающего агента - стиролакрилатной эмульсии и соли алюминия с получением композиции для пресса для проклеивания;
где по данным визуального наблюдения с использованием микроскопа при 10-кратном увеличении краситель, крахмал, соль алюминия и проклеивающий агент - стиролакрилатная эмульсия равномерно диспергированы в композиции для пресса для проклеивания.
5. Композиция для пресса для проклеивания по п. 4, в которой: проклеивающий агент - стиролакрилатная эмульсия является анионогенной; проклеивающий агент - стиролакрилатная эмульсия получена из реакционной смеси, содержащей стирол и бутилакрилат;
краситель является анионогенным и
соль алюминия включает полихлорид алюминия.
6. Композиция для пресса для проклеивания по любому из пп. 4 или 5, где стадия объединения содержащей краситель смеси, проклеивающего агента - стиролакрилатной эмульсии и соли алюминия с получением композиции для пресса для проклеивания включает:
объединение соли алюминия и проклеивающего агента - стиролакрилатной эмульсии с получением раствора для проклеивания и объединение содержащей краситель смеси и раствора для проклеивания с получением композиции для пресса для проклеивания.
7. Способ проклеивания бумаги, способ включает:
объединение красителя и крахмала с получением содержащей краситель смеси; объединение содержащей краситель смеси, проклеивающего агента - стиролакрилатной эмульсии и соли алюминия с получением композиции для пресса для проклеивания; и
нанесение композиции для пресса для проклеивания на лигноцеллюлозный материал;
где по данным визуального наблюдения с использованием микроскопа при 10-кратном увеличении краситель, крахмал, соль алюминия и проклеивающий агент - стиролакрилатная эмульсия равномерно диспергированы в композиции для пресса для проклеивания.
8. Способ по п. 7, в котором:
проклеивающий агент - стиролакрилатная эмульсия является анионогенной;
проклеивающий агент - стиролакрилатная эмульсия получена из реакционной смеси, содержащей стирол и бутилакрилат;
краситель является анионогенным; и
соль алюминия включает полихлорид алюминия.
