Обработка отложения белой смолы - RU2309210C2

Чертежи

Описание

Предпосылки создания изобретения

Органические отложения в системе бумажного производства могут вызвать потери в эффективности и снизить качество готовой бумаги из-за образования пятен, отверстий и разрывов. Эти органические отложения возникают из существующей в природе смолы в самой древесине или из синтетических материалов, таких как адгезив, расплав или латекс, найденных в повторно используемых целлюлозных смесях. Эти отложения являются гидрофобными и при обработке аккумулируют воду. Эти отложения могут укрупняться и застревать на поверхностях бумагоделательной машины или в листе бумаги. Отложения, образующиеся из древесины, называются «древесной смолой», тогда как отложения из искусственных материалов называются «липучками» или «белой смолой». Белая смола является специфической для покрытия связующих кристаллических решеток, таких как бутадиенстирольный каучук (SBR) и поливинилацетат.

Бумажное производство в самом простом понимании включает получение целлюлозы из древесины, получение суспензии целлюлозы и воды и формирование целлюлозной матрицы, которую прессуют и сушат с образованием бумаги. На решающем этапе получения суспензия целлюлоза/вода (композиция бумаги) формируется в виде матрицы на проволочной сетке бумагоделательной машины. Избыток воды и мелкодисперсные вещества (белая вода) проходят сквозь матрицу на проволоку и используются повторно. Сформированная сетка затем продвигается в пресс и машинную секцию для сушки, где матрица становится бумагой.

Бракованная бумага - это термин, используемый в бумажном производстве, для описания бумаги, которая не удовлетворяет нормативам и по этой причине не может быть продана. Эта бумага обычно повторно используется внутри производства для регенерации волокон, но она также может быть продана другим производствам в качестве источника волокна. Бракованная бумага может быть покрыта слоем, причем покрытие наносится в основу полотна бумаги по мере ее изготовления. Бракованная бумага, на которую нанесено покрытие, упоминается как бракованная бумага с покрытием. Бумажные отходы - это термин, используемый в бумажном производстве для описания бумаги, которая была использована потребителем. Ее часто называют «отходы после потребителя». Эту бумагу часто собирают и повторно используют на производстве для регенерации волокон. Отходы бумаги могут быть покрыты слоем, причем покрытие наносится на подложку бумаги по мере ее обработки. Отходы бумаги, на которую нанесено покрытие, упоминаются как отходы бумаги с покрытием. Бумага с нанесенным покрытием, которая используется повторно, может быть бумажным браком или отходом. В последние годы многие бумажные производства столкнулись на опыте с проблемами повторного использования бумаги с нанесенным покрытием, т.к. в покрытия вводят вещества, которые обычно не присутствовали бы в исходном наборе волокон, применяемых для изготовления основы бумажного полотна.

Покрытия обычно включают различные пигменты и связующие вещества. Типичные применяемые пигменты включают много видов глины, карбонат кальция, диоксид титана и другие специальные наполнители. Считается, что проблемы с белой смолой вызваны главным образом связующими веществами, которые включают латексные полимеры, полученные из бутадиенстирольной и поливинилацетатной смол, и природные связующие вещества, такие как крахмал.

Проблемы с белой смолой известны в течение некоторого времени в производстве, изготавливающем бумагу. Белая смола представляет собой липкое светло-серое вещество, которое обнаруживается в виде отложения на металлических поверхностях в зоне влажной концевой части, формовочного пресса или в зоне сушильного устройства бумагоделательной машины. Она называется «белой», чтобы отличить ее от коричневой или черной смолы, которая образуется из веществ, содержащихся в древесине. Белая смола найдена также в системе белой воды. Временами отложения смолы обугливаются, образуя черные отложения в зоне сушильного устройства бумагоделательной машины. Было показано, что проблема с белой смолой вызвана относительно высоким использованием бумаги с нанесенным покрытием в загрузке на производствах, столкнувшихся с проблемой. Когда бумага с нанесенным покрытием снова превращается в целлюлозную массу, глина или минералы и латекс, входящие в покрытия, не рассеиваются легко в целлюлозной массе, а образуют агломераты, которые приводят к белой смоле. Белая смола может покрыть слоем оборудование или образовать дефекты в бумаге, если в бумагоделательной машине она перемещается с целлюлозой. Длительное время простоя машины, частая очистка, дефекты бумажного листа, такие как отверстия и повышенное количество трещин в листе, являются дорогостоящими проблемами, ассоциированными с отложениями белой смолы. Очистка оборудования действительно подразумевается, т.к. отложения могут быть обнаружены на пленках, регистровых валиках, в вакуумных камерах, сушильных барабанах и сушильном сукне и на всем протяжении прессового сукна.

Различные растворы были предложены для преодоления проблемы с белой смолой. Несколько химических веществ, регулирующих отложение, в настоящее время применяются или оцениваются бумажным производством. С помощью улавливания и диспергирования небольших частиц латекса в листе проблема белой смолы может быть регулируемой. Более конкретно, частицы латекса должны быть присоединены к волокнам, незамедлительно проходящим через повторный разрыватель целлюлозы. В этот момент латексные частицы являются небольшими и имеют анионную структуру и поэтому они могут выходить из системы как часть бумажного полотна. Благодаря анионному характеру как латексных частиц, так и волокон, добавка, имеющая низкую молекулярную массу и сильный катионный заряд, лучше всего пригодна для этой цели. Однако одной добавки может быть недостаточно, чтобы удержать латексные частицы в бумажном листе, и применение задерживающего вспомогательного вещества, совместимого с добавкой, может быть важным для успешного контроля белой смолы.

Синтетические полимеры являются наиболее эффективными, известными, действующими против осаждения добавками для белой смолы. Они имеют высокое содержание катионных групп, дающих им возможность создавать прочную электростатическую связь между волокнами, частицами латекса и добавкой. Зарядившись, волокно будет переносить частицы латекса до конца производства с помощью задерживающего вспомогательного вещества, и частицы станут частью окончательно обработанной бумаги. Было показано, что полигликоль со средней молекулярной массой, полимеры на основе аминогликоля или полиэтиленимина являются полезными в уменьшении количества белой смолы.

Некоторые из способов обработки для решения проблем, связанных с белой смолой, описаны в приведенных ниже источниках.

В патенте US 5131982 (на имя Michael R. St. John) описывается применение полимеров и сополимеров, содержащих диаллилдиметиламмонийхлорид (DADMAC), для обработки волокон целлюлозы, переработанных для вторичного использования из регенерируемого отхода бумаги с покрытием, чтобы сделать их пригодными для получения бумаги.

В патенте US 4997523 (на имя Pease и др.) описывается применение тетрафункционального алкоксидиамина в комбинации с фосфатом, фосфонатом или фосфорной кислотой, чтобы свести до минимума отложение белой смолы на производящем бумагу оборудовании.

В патенте US 4643800 (на имя Maloney и др.) описывается применение неионного поверхностно-активного вещества на основе оксиэтиленгликоля, в котором одна концевая гидроксильная группа замещена алифатической или алкилароматической группой, а две другие концевые гидроксильные группы замещены полиоксипропиленовой группой или остатком простого бензилового эфира, в комбинации с полиэлектролитной диспергирующей добавкой со средней молекулярной массой 500-50000, чтобы удалить и диспергировать примеси от вторичного волокна в ходе переработки для повторного использования.

Имеются некоторые недостатки в применении полимеров для контроля белой смолы. Полимеры, как правило, не являются эффективными по затратам. Например, полиэтиленимин (PEI), полимер третичного амина, является эффективной добавкой при контроле белой смолы, однако он довольно дорог для применения.

Существуют другие решения, применяемые для контроля белой смолы. В прошлом обычно использовали тальк, и он еще иногда используется, чтобы контролировать отложения. В качестве поверхностно-активного наполнителя с целью контроля отложений тальк действует путем снижения клейкости площади вокруг частицы смолы так, чтобы она не могла прикрепиться к производящему бумагу оборудованию. Однако это предполагает только временное решение касающейся смолы проблемы, которая появляется вновь по мере продолжения обработки. Тальк не прикрепляет частицы латекса к волокнам, и поэтому при воздействии поперечной силы появляются новые клейкие площади, являющиеся причиной отложений. Добавки, которые реагируют с поверхностью частицы смолы, чтобы сделать ее менее клейкой (вещества, понижающие клейкость), также предлагают временное решение проблемы контроля белой смолы. В опубликованной заявке на патент US 20001/0023751 описывается способ уменьшения клейких примесей с использованием поливиниловых спиртов и бентонита. Поливиниловый спирт действует в качестве маскирующего агента для частиц. Проблема состоит в необходимости использования избыточных количеств поливиниловых спиртов. Бентонит абсорбирует избыток поливинилового спирта.

Краткое изложение изобретения

Настоящее изобретение представляет собой систему контроля над отложением, состоящую из неорганического или органического (природного или синтезированного) коагулянта и материала на основе микрочастиц (синтетического или природного), такого как бентонитовая глина, сетчатый полимер, коллоидный кремний, полисиликат или боросиликат, для целлюлозной массы, содержащей белую смолу/липучки. Порядок прибавления этих двух компонентов является существенным для сохранения преимуществ, связанных с уменьшением количества белой смолы в технологии изготовления бумаги. Коагулянт может быть прибавлен в разрыватель целлюлозы или чан для густой целлюлозно-бумажной массы, а материал из микрочастиц может быть прибавлен на выходе из разрывателя целлюлозы или чана перед разбавлением целлюлозно-бумажной массы.

Подробное описание изобретения

Результаты многочисленных турбидиметрических измерений показаны на фиг.1. Мутность оборотной воды (фильтрата) является показателем сохранения в коллоидном состоянии латексных эмульсионных частиц или показателем чистоты. С использованием полиамина в качестве единственного компонента достигается уменьшение мутности по сравнению с необработанным бумажным браком с нанесенным покрытием. Однако прибавление материала на основе микрочастиц и коагулянта обеспечивает значительное уменьшение мутности воды. Эти данные показывают, что больше частиц белой смолы/липучек остается скорее в целлюлозно-бумажной волокнистой массе, чем рециркулирует в системе изготовления бумаги. Данные лабораторные результаты демонстрируют, что система коагулянт/вещество из микрочастиц значительно снижает накопление белой смолы/липучек в способе изготовления бумаги.

Настоящее изобретение представляет собой систему контроля над отложением, состоящую из неорганического или органического (природного или синтезированного) коагулянта и материала на основе микрочастиц (синтетического или природного), такого как бентонитовая глина, сетчатый полимер, коллоидный кремний, полисиликат или боросиликат, для целлюлозной массы, содержащей белую смолу/липучки.

Коагулянт может быть неорганическим или органическим (природным или синтетическим) веществом. Примерами соответствующих органических коагулянтов являются полимер с низкой молекулярной массой и высокой плотностью заряда, полимер, который обычно является гомополимером повторяющихся катионных групп или сополимером, содержащим по меньшей мере 80 мас.% катионного мономера и 0-20 мас.% акриламида или другого неионного мономера. Катионные группы могут образовываться из диаллилдиметиламмонийхлорида и диалкиламиноалкил(мет)акрилатов и - акриламидов (как правило, в виде четвертичной аммониевой соли или кислотно-аддитивных солей). Четвертичная аммониевая соль диметиламиноэтилакрилата или четвертичная аммониевая соль метакрилата часто является особенно предпочтительной. Альтернативно коагулянт может быть конденсационным полимером, таким как полимер дициандиамида, полиамина или полиэтиленимина. Могут применяться неорганические коагулянты (такие, как квасцы, известь, хлорид железа (III) и сульфат железа (II)).

Катионные коагулянты, которые могут найти применение по данному аспекту изобретения, включают хорошо известные, коммерчески доступные, имеющие молекулярную массу от низкой до средней, водорастворимые полиалкиленполиамины, включая те, которые получены взаимодействием алкиленполиамина с дифункциональным алкилгалоидом. Вещества данного типа включают конденсационные полимеры, полученные по реакции этилендихлорида и аммиака-этилендихлорида, аммиака и вторичного амина, такого как диметиламин, эпихлоргидрин-диметиламин, эпихлоргидрин-диметиламин-аммиак, полиэтиленимины и тому подобное. В некоторых случаях катионнный крахмал может использоваться в качестве коагулянта. Неорганические коагулянты, например квасцы и полиалюминнийхлорид, могут также применяться по изобретению. Норма использования неорганических коагулянтов обычно составляет от 0,005 до 1 мас.% в расчете на сухую массу волокна в загрузке.

Предпочтительным коагулянтом является катионный полиэлектролит, т.е. поли[диаллил-ди(водород или (низш.)алкил)]аммониевая соль, имеющая значение средней молекулярной массы больше, чем 300000, но меньше, чем 2000000.

Материалы, состоящие из микрочастиц, могут быть синтетическими или природными. Примерами соответствующих материалов на основе микрочастиц являются набухаемые глинистые материалы, сетчатый полимер, коллоидный кремний, боросиликат или суспензия анионного материала на основе микрочастиц, выбранного из бентонита, коллоидного кремния, микрогеля полисиликата, микрогеля поликремневой кислоты и микроэмульсии с поперечными связями водорастворимого мономерного вещества.

Материалы на основе микрочастиц широко применяются в производстве изготовления бумаги в качестве удерживающих вспомогательных средств, особенно для получения высокосортной бумаги. Одна такая система использует набухаемую глину, чтобы обеспечить улучшенное сочетание удерживания и увлажнения, что описано в патентах US 4753710 и 4913775, раскрытия которых включены ниже с помощью цитирования в данное описание. В способе, раскрытом Langley и др., катионный линейный полимер с высокой молекулярной массой прибавляют к водной целлюлозной суспензии для изготовления бумаги до того, как суспензия была подвергнута сдвигу, с последующим прибавлением набухаемой глины, такой как бентонит, после применения сдвига. Сдвиговая деформация, как правило, обеспечивается одним или несколькими этапами способа изготовления бумаги - очисткой, смешиванием и перекачкой, и сдвиг разрушает большие хлопья, образованные с помощью полимера с высокой молекулярной массой, в микрохлопья. Дальнейшая агломерация происходит при добавлении частиц бентонитовой глины.

Другие программы, связанные с микрочастицами, основаны на применении коллоидного кремния в качестве микрочастицы в сочетании с катионным крахмалом, таким как описанный в патентах US 4388150 и 4385961, раскрытия которых включены с помощью цитирования в данное описание, или на применении комбинации катионоактивного крахмала, флоккулянта и кремневого золя, такой как описанная как в патенте US 5098520, так и в патенте US 5185062, раскрытия которых также включены с помощью цитирования в данное описание. Патент US 4643801 раскрывает способ получения бумаги с использованием анионного водорастворимого полимера с высокой молекулярной массой, диспергированного кремния и катионоактивного крахмала.

Более того, микрочастицу получают из боросиликатов, предпочтительно водные растворы коллоидных частиц боросиликата имеют молярное отношение бора к кремнию от 1:1000 до 100:1 и, как правило, от 1:100 до 2:5. Удерживающее вспомогательное вещество может быть коллоидом боросиликата, химия которого подобна химии боросиликатного стекла. Данный коллоид, как правило, получают взаимодействием соли щелочного металла борсодержащего соединения с кремневой кислотой в условиях, приводящих к образованию коллоида. Боросиликатные частицы могут иметь размер, охватывая широкий диапазон, например, от 1 нм (нанометра) до 2 мкм (2000 нм) и предпочтительно от 1 нм до 1 мкм.

Микрочастица может быть неорганической, например коллоидным кремнием (таким, как описан в патенте US 4643801), полисиликатным микрогелем (таким, как описан в патенте ЕР-А-359552), микрогелем поликремневой кислоты (таким, как описан в патенте ЕР-А-348366), их вариантами, модифицированными алюминием. В особенности могут быть использованы системы, которые описаны в патентах US 4927498, 4954220, 5176891 и 5279807 и запущены в серийное производство фирмами Ciba Specialty Chemicals и Dupont под торговым названием партикол.

Анионные органические материалы в форме микрочастиц также могут быть использованы. Например, подходящими являются анионные органические полимерные эмульсии. Эмульгированные полимерные частицы могут быть не растворимы из-за образования сополимера, например водорастворимого анионного мономера и одного или нескольких нерастворимых мономеров, таких как этилакрилат, но предпочтительно полимерная эмульсия является сетчатой микроэмульсией водорастворимого мономерного вещества, например, как описано в патентах US 5167766 и 5274055, и запущена в серийное производство фирмой Ciba Specialty Chemicals под торговым названием полифлекс.

Размер частицы материала в форме микрочастиц, как правило, меньше 2 мкм, предпочтительно меньше 1 мкм и наиболее предпочтительно меньше 0,1 мкм.

Количество материала в форме микрочастиц (сухая масса в расчете на сухую массу суспензии целлюлозы) составляет, как правило, по меньшей мере 0,03% и обычно по меньшей мере 0,1%. Оно может подняться, например, до 1,6 или 2%, но, как правило, составляет меньше 1%.

Предпочтительным материалом в форме микрочастиц является набухаемая глина, особенно набухаемая глина из семейства смектитов. Предпочтительные члены семейства смектитов включают бентонит, монтмориллонит, сапонит, гекторит, бейдилит, нонтронит, фуллерову землю и их смеси. Компонент набухаемой глины, содержащий главным образом бентонит, особенно предпочтителен. Необходимо, чтобы бентонит был в сильно набухшей активированной форме, и на практике это означает, что он должен быть в форме одновалентной соли бентонита, такой как бентонит натрия. Хотя существует несколько природных источников бентонита натрия, большинство бентонитов являются бентонитами щелочноземельных металлов, как правило, бентонитами кальция или магния. Обычная практика состоит в том, чтобы активировать бентонит щелочноземельного металла путем ионообмена кальция или магния на натрий или другой щелочной металл или ион аммония. Как правило, это осуществляется путем воздействия бентонита на водный раствор карбоната натрия, хотя известны и другие активирующие вещества. Разновидности набухаемой глины являются природными веществами и доступны в продаже.

Соответствующие волокна для получения целлюлозной массы все обладают качествами, обычно используемыми для этой цели, например, древесная масса, беленая и небеленая целлюлоза и целлюлозно-бумажные волокнистые смеси из всех однолетних растений. Древесная масса включает, например древесные волокна, термомеханическую целлюлозу (ТМР), хемотермомеханическую целлюлозу (СТМР), спрессованные древесное волокно, полуцеллюлозу, получаемую с высоким выходом техническую целлюлозу и древесную массу из щепы (RMP). Примерами соответствующих целлюлоз являются сульфатная, сульфитная и натронная целлюлозы. Небеленые целлюлозы, которые также упоминаются как носители небеленой крафт-целлюлозы, используются предпочтительно. Соответствующими однолетними растениями для получения целлюлозно-бумажных волокнистых масс являются, например, рис, пшеница, сахарный тростник и кенаф.

Волокнистые массы получают, используя бумажные отходы, одни или в виде смеси с другими волокнами. Бумажные отходы включают отходы бумаги с покрытием, которые благодаря содержанию связующих веществ, применяемых при нанесении покрытия и в типографской краске, приводят к образованию белой смолы. Заявленные волокна и волокнистые массы могут применяться по отдельности или в смеси друг с другом. Связующие вещества, возникающие от чувствительных к давлению липких этикеток и конвертов, и связующие вещества от заклеивания книжных корешков, а также расплавы приводят к образованию липучек.

Настоящее изобретение является особенно подходящим для систем изготовления бумаги, которые утилизируют целлюлозную массу, полученную из существенного количества переработанной бумаги или бумажного брака. Значение существенного количества будет меняться в зависимости от системы и типа утилизированной переработанной или бракованной бумаги, но будет отличаться тем, что в потоках продукта присутствует значительное количество белой смолы, чтобы существенно воздействовать на рабочие условия. В общем, по меньшей мере 10% целлюлозной массы должны быть получены из переработанного или бракованного бумажного продукта, чтобы вызвать образование значительных количеств белой смолы.

Способ контроля осаждения вводится в систему изготовления бумаги путем добавления к технологии густой или разжиженной целлюлозно-бумажной волокнистой массы в способе изготовления бумаги. Важным аспектом этого способа является регулирование времени прибавления каждого компонента. Способ требует прибавления катионоактивного коагулянта, за которым следует анионная частица. Не вдаваясь в теорию, считается, что предварительное добавление катионоактивного коагулянта улучшает адсорбцию белой смолы с помощью анионной микрочастицы. Кроме того, считается, что катионный коагулянт абсорбируется на смолах (древесной, белой и липучках), которые преимущественно являются анионными или неионными, приводя их по меньшей мере частично в катионное состояние. Теперь бентонит, содержащий повышенные адсорбированные количества смолы, удерживается в бумаге в ходе ее формования. Результатом является уменьшенные количества смолы в выходящем продукте. В предпочтительном варианте воплощения изобретения коагулянт добавляют в разрыватель целлюлозы или чан для целлюлозно-бумажной волокнистой густой массой, тогда как материал, состоящий из микрочастиц, прибавляют на выходе из разрывателя целлюлозы или чана до разбавления целлюлозно-бумажной волокнистой массы.

Изобретение далее описывается следующими не ограничивающими его объем примерами. Примеры иллюстрируют изобретение, которое характеризуется только прилагаемыми пунктами формулы изобретения.

Пример 1

Листы бумаги с покрытием превращали в волокнистую массу в лабораторном разрывателе целлюлозы. Аликвоту целлюлозно-бумажной массы 400 мл с консистенцией 1% перемешивали при 1000 об/мин. Коагулянт со структурой полиамина и бентонитовые микрочастицы прибавляли с интервалами в 1 мин при перемешивании. Полиамин прибавляли в количестве 1, 1,5 или 2 фунта на тонну, как принято, затем бентонит в количестве 4, 6 или 8 фунтов на тонну. После обработки целлюлозно-бумажную массу фильтровали через сито 100 меш и фильтрат измеряли на мутность. Каждый образец фильтрата готовили разбавлением деионизированной водой 1:14. Для анализа использовали портативный турбидиметр Hach 2100P и результаты регистрировали в нефелометрических единицах мутности (NTUs). Результаты приведены на фиг.1

Пример 2

Листы бумаги с покрытием превращали в волокнистую массу. Аликвоту целлюлозно-бумажной массы 400 мл с консистенцией 2,5% перемешивали при 1000 об/мин. Коагулянт со структурой или полиамина, поли(диаллилдиметиламмонийхлорида) (полиDADMAC), или полиалюминийхлорида (РАС) и бентонитовые микрочастицы прибавляли с интервалами в 1 мин при перемешивании. Коагулянт прибавляли в количестве 1 фунт на тонну, как принято, затем бентонит в количестве 4, 6 или 8 фунтов на тонну. Коагулянт добавляли также в качестве одного компонента в количестве 1 или 2 фунта на тонну, как принято. После обработки целлюлозно-бумажную массу фильтровали через сито 100 меш и фильтрат измеряли на мутность. Каждый образец фильтрата готовили разбавлением деионизированной водой 1:14. Для анализа использовали портативный турбидиметр Hach 2100P и результаты регистрировали в нефелометрических единицах мутности (NTUs).

Результаты

Результаты турбидиметрических измерений для каждой обработки показаны на фиг.2. Мутность оборотной воды (фильтрата) может служить показателем сохранения в коллоидном состоянии латексных эмульсионных частиц или показателем чистоты. С использованием полиамина или полиDADMAC в качестве единственного компонента при 1 или 2 фунтах на тонну достигается уменьшение мутности по сравнению с необработанным бумажным браком с покрытием. Однако прибавление бентонита с различными коагулянтами обеспечивает уменьшение мутности воды. Значительное снижение мутности отмечено при сравнении 1 фунта на тонну, как принято, полиамина или коагулянт РАС + бентонит до 2 фунтов на тонну, как принято.

Реферат

Способ касается производств бумаги и бумажных продуктов и относится к целлюлозно-бумажной промышленности. Способ включает прибавление к бумажной массе эффективного количества для уменьшения отложения белой смолы по меньшей мере одного катионоактивного полимерного коагулянта или неорганического коагулянта с последующим прибавлением материала, состоящего из микочастиц, где бумажная масса содержит целлюлозу, полученную по крайней мере частично из переработанных бумажных продуктов. Коагулянт используют как природный, так и синтезированный. В качестве материала на основе микрочастиц используют, например, бентонитовую глину, сетчатый полимер, коллоидный кремний, полисиликат. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула