Проклеивающая эмульсия - RU2223355C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к водным проклеивающим эмульсиям и более конкретно к эмульсиям, содержащим замещенный янтарный ангидрид в качестве проклеивающего агента, обычно называемый ASA, и положительно заряженные частицы катионной коллоидной двуокиси кремния, положительно заряженные частицы коллоидной окиси алюминия или положительно заряженные частицы коллоидной двуокиси циркония.

Водные эмульсии замещенных янтарных ангидридов используют для проклеивания нейтрального или слегка щелочного сырья, имеющего такое значение рН, при котором в качестве наполнителя может быть эффективно использован карбонат кальция. Так как замещенные янтарные ангидриды являются гидрофобными, клей должен быть равномерно распределен в водной фазе перед добавлением к целлюлозному сырью. Обычно такие проклеивающие эмульсии получают на месте конечного использования, например на бумажной фабрике, в присутствии поверхностно-активных веществ и/или полиэлектролитов, таких как крахмалы.

Замещенные янтарные ангидриды обычно обеспечивают удовлетворительную проклейку бумаги. Впрочем, проклеивающие свойства замещенных янтарных ангидридов обычно ухудшаются при использовании с целлюлозным сырьем, имеющим высокую проводимость из-за высокого количества заряженных частиц, и/или сырьем, содержащим значительное количество растворенных органических веществ, например липофильных древесных экстрактов, таких как полимерные кислоты, жирные кислоты, жирные сложные эфиры, и т.д. Сырье с высокой проводимостью и/или сырье, содержащее растворенные органические вещества, наиболее часто встречается на бумажных фабриках, где белую воду экстенсивно рециркулируют с добавлением в процесс только незначительного количества свежей воды, тем самым повышая степень проводимости и накопления органических веществ/липофильных экстрактов и не удержанных проклеивающих агентов в белой воде и сырье, которое должно быть обезвожено.

Более того, с высокой реакционной способностью проклеивающих агентов на основе янтарного ангидрида тесно связаны проблемы отложений в бумагоделательной машине, возникающих из-за гидролизованного проклеивающего материала. Данные проблемы являются основными при рециркуляции белой воды.

Более того, желательно далее улучшить проклеивающие свойства проклеивающих эмульсий замещенного янтарного ангидрида.

WO-A1-9731152 относится к проклеивающим эмульсиям, содержащим реакционноспособный проклеивающий агент и анионный микрочастичный материал, который делает эмульсию анионной. Более того, в данной ссылке констатируется, что добавление катионных соединений нежелательно, следовательно, проклеивающие дисперсии по существу не содержат катионные соединения.

Из ЕР-А1-564994 известно использование проклеивающих композиций, содержащих кетеновый димер и положительно заряженные соединения. При использовании кетеновых димеров в качестве проклеивающего агента повышается гладкость получаемой бумаги. Целью использования композиций по ЕР-А1-564994 является повышение коэффициента трения поверхности бумаги. Однако при использовании замещенного янтарного ангидрида проблема гладкости решается благодаря тому, что проклеивающие агенты на основе замещенного янтарного ангидрида не придают гладкости поверхности бумаги. Более того, проклеивающие агенты на основе кетеновых димеров реагируют медленнее, чем проклеивающие агенты на основе замещенных янтарных ангидридов, что делает невозможным достижение полной проклейки в бумагоделательной машине. Следовательно, бумага, проклеенная кетеновым димером, требует последующей выдержки при температуре окружающей среды перед использованием ее для печати.

В WO 9617127 описаны анионная проклеивающая дисперсия, содержащая проклеивающий агент, способный реагировать с целлюлозой, и анионные коллоидные частицы двуокиси кремния, модифицированной алюминием, но не описаны положительно заряженные частицы двуокиси кремния.

в WO 9833979 описана проклеивающая дисперсия, содержащая проклеивающий агент, способный реагировать с целлюлозой, и диспергирующую систему, содержащую катионное органическое соединение и анионные коллоидные частицы.

В соответствии с данным изобретением было обнаружено, что улучшенные проклеивающие свойства могут быть получены у водных эмульсий согласно формуле изобретения. Более конкретно, данное изобретение представляет водную эмульсию, содержащую замещенный янтарный ангидрид и положительно заряженные частицы коллоидной двуокиси кремния, положительно заряженные частицы коллоидной окиси алюминия или положительно заряженные частицы двуокиси циркония. Дополнительно, данное изобретение относится к способу получения изделий на основе целлюлозы, в котором водную проклеивающую суспензию добавляют к целлюлозной суспензии или обезвоженной целлюлозной суспензии.

Проклеивающая эмульсия в соответствии с данным изобретением дает возможность получать бумагу с улучшенным проклеиванием по сравнению с обычными проклеивающими эмульсиями, при соответствующей дозировке, использовать меньшее количество проклеивающего агента на основе замещенного янтарного ангидрида для достижения соответствующего уровня проклеивания. Возможность использования меньшего количества проклеивающего агента для получения определенного проклеивания снижает риск накопления неадсорбированных проклеивающих агентов в белой воде, рециркулирующей в процессе, тем самым снижая риск аггрегации и отложения проклеивающего агента в бумагоделательной машине.

Крахмал не может быть использован в эмульсиях без предварительной обработки варкой, которая значительно влияет на свойства крахмала. Следовательно, для получения крахмала с требуемыми характеристиками очень важен способ проведения варки. Более того, всегда существует возможность того, что уровень бактериальной активности в вареном крахмале может увеличиваться, ослабляя его свойства. Поэтому желательно иметь возможность снижать количество крахмала или даже избегать использования крахмала в проклеивающих эмульсиях ASA.

Также желательно улучшать эмульгируемость проклеивающего агента посредством получения эмульсий в присутствии одного соединения, действующего одновременно и как эмульгирующий агент, и как стабилизирующий агент, что позволяет упростить приготовление на месте конечного использования.

Проклеивающий агент, содержащийся в эмульсии данного изобретения, представляет собой замещенный янтарный ангидрид, обычно обозначаемый как ASA. Подходящие кислотные ангидриды могут быть описаны общей формулой (1) ниже, где R¹ и R² могут быть одинаковыми или разными и представляют собой насыщенные или ненасыщенные углеводородные группы, содержащие от 8 до 30 атомов углерода, или R¹ и R² вместе с -С-О-С-группой могут образовывать 5-6-членное кольцо, необязательно замещенное углеводородными группами, содержащими до 30 атомов углерода. Примеры ангидридов кислот, которые используются в коммерческом производстве, включают алкил- и алкенилянтарные ангидриды, такие как изооктадеценилянтарный ангидрид. Другие примеры включают изооктадецилянтарный ангидрид, н-гексадеценилянтарный ангидрид, додеценилянтарный ангидрид, деценилянатрный ангидрид, октенилянтарный ангидрид, триизобутенилянтарный ангидрид, 1-октил-2-деценилянтарный ангидрид и 1-гексил-2-октенилянтарный ангидрид.

Проклеивающая эмульсия данного изобретения также содержит положительно заряженные частицы коллоидной двуокиси кремния, положительно заряженные частицы коллоидной окиси алюминия или положительно заряженные частицы коллоидной двуокиси циркония. Стабильные катионные аквазоли коллоидной двуокиси кремния, окиси алюминия или двуокиси циркония хорошо известны в данной области техники, например, из US 3007878, US 3620978, US 3719607 и US 3956171, которые включены сюда в качестве ссылок. Подходящим образом данные золи содержат коллоидные, плотные, тонкоизмельченные частицы.

Предпочтительно в эмульсии содержатся положительно заряженные частицы коллоидной двуокиси кремния, также обозначенные как частицы катионной коллоидной двуокиси кремния. Обычно частицы коллоидной двуокиси кремния существуют в форме аквазолей. Широко известны золи, содержащие положительно заряженные частицы, представляющие собой сердцевину из двуокиси кремния, покрытую/модифицированную одинаковыми или различными поливалентными металл-кислородными соединениями, включая оксиды металлов, гидроксиды металлов и гидрированные оксиды металлов. Предпочтительно частицы двуокиси кремния покрыты одним поливалентным металл-кислородным соединением, предпочтительно трех- и четырехвалентным металл-кислородным соединением, таким как соединения алюминия, хрома, галлия, титана и циркония, где особенно предпочтительным является алюминий. Подходящие анионные противоионы включают галогениды, такие как хлорид, ацетат или нитрат. Предпочтительно положительно заряженные частицы коллоидной двуокиси кремния являются частицами неорганической двуокиси кремния, которые могут иметь поверхность, модифицированную предпочтительно алюминием, такую как различные оксиды и гидроксиды алюминия.

Положительно заряженные частицы двуокиси кремния могут иметь размер частиц менее 500 нм и обычно более чем 1,0 нм. Предпочтительно положительно заряженная двуокись кремния имеет средний размер частиц ниже 100 нм и обычно в интервале от 2 нм до 100 нм, предпочтительно от 2 нм до 80 нм и более предпочтительно от 2,5 нм до 50 нм. Удельная поверхность частиц двуокиси кремния может варьироваться от около 5 до около 1800 м²/г, предпочтительно от около 30 до около 1200 м²/г и более предпочтительно от 50 до 100 м²/г. Удельная поверхность может быть измерена после удаления поливалентного металла с помощью титрования с NaOH по обычной методике, например согласно методике, описанной Sears в Analytical Chemistry 28(1956):12, 1981-1983.

Положительно заряженные частицы коллоидной, модифицированной алюминием, двуокиси кремния имеют весовое соотношение Аl₂O₃ к SiO₂ в интервале от 1:20 до 4: 1, предпочтительно от 1:10 до 2:1, наиболее предпочтительно от 1:5 до 1:1.

В общей методике получения положительно заряженных катионных силиказолей в качестве исходного сырья используют водные силиказоли, которые подвергают взаимодействию с основной солью поливалентного металла с получением частиц золя с положительно заряженной поверхностью, и стабилизаторами, такими как борная кислота, основания щелочных металлов, основания щелочноземельных металлов, аммиак и т.д. Солью поливалентного металла обычно является алюминиевая соль, однако возможно использовать основные соли других поливалентных металлов для получения золей на основе катионной двуокиси кремния, такие как описаны выше. Предпочтительно может быть использована любая основная соль, которая растворима в воде и может сохранять желаемый положительный заряд на поверхности, обычно катионную двуокись кремния получают с использованием хлоридов, нитратов или ацетатов металла. Предпочтительно в качестве основной соли используют полихлорид алюминия.

Согласно одному из предпочтительных вариантов данного изобретения водная эмульсия содержит замещенный янтарный ангидрид и положительно заряженные частицы двуокиси кремния, определенные выше.

Согласно еще одному предпочтительному варианту данного изобретения эмульсия состоит по существу из замещенного янтарного ангидрида и положительно заряженных частиц коллоидной двуокиси кремния, положительно заряженных частиц коллоидной окиси алюминия или положительно заряженных частиц коллоидной двуокиси циркония. Предпочтительно эмульсия состоит по существу из замещенного янтарного ангидрида и положительно заряженных частиц коллоидной двуокиси кремния. Под словами "состоит по существу из" понимается то, что эмульсия может содержать незначительные количества других соединений, таких как эмульгаторы и стабилизаторы, предпочтительно менее чем 5 мас.%, более предпочтительно менее чем 1 мас. %, по отношению к общей массе водной эмульсии.

Эмульсии данного изобретения могут содержать проклеивающие агенты на основе замещенного янтарного ангидрида в количестве от около 0,1 мас.% до 50 мас.% по отношению к общей массе эмульсии. Проклеивающий агент на основе замещенного янтарного ангидрида предпочтительно содержится в количестве от 1 до 40% и предпочтительно от 2 до 30 мас.%.

В эмульсиях данного изобретения весовое соотношение проклеивающего агента на основе замещенного янтарного ангидрида к общему количеству положительно заряженных коллоидных частиц, предпочтительно положительно замещенных частиц коллоидной двуокиси кремния, может быть в интервале от 1:1 до 100:1. Весовое соотношение предпочтительно составляет от 1,5:1 до 30:1 и более предпочтительно от 2:1 до 20:1. Содержание твердого вещества в эмульсии предпочтительно превышает 1 мас. % и может достигать 50 мас.%. Предпочтительно содержание твердого вещества превышает 5 мас.%. Верхний предел составляет 40% и предпочтительно 30 мас.%.

Предпочтительно общий заряд водной эмульсии данного изобретения, содержащей коллоидные частицы и, необязательно, защитные коллоиды и/или эмульгирующие агенты, является катионным.

При желании в эмульсию могут быть включены неионные, анионные, амфотерные или катионные защитные коллоиды и неионные, амфотерные или катионные диспергирующие агенты, предпочтительно в незначительных количествах и при условии, что общий заряд общего количества частиц коллоидной двуокиси кремния и/или необязательных защитных коллоидов и/или диспергирующих агентов, которые присутствуют в дисперсии, является положительным или катионным. Такие соединения, например диспергирующие агенты, преимущественно могут быть включены в эмульсии с более высоким содержанием сухой массы. В качестве примеров подходящих защитных коллоидов могут быть указаны растворимые в воде производные целлюлозы, такие как гидроксиэтил- и гидроксипропил-, метилгидроксипропил- и этилгидроксиэтилцеллюлоза, метил- и карбоксиметилцеллюлоза, желатин, крахмал, гуаровая смола, ксантановая смола, поливиниловый спирт и т.д. Неионные диспергирующие агенты, например, могут быть выбраны из этоксилированных жирных спиртов, жирных кислот, алкилфенолов или амидов жирных кислот, этоксилированных или неэтоксилированных глицериновых эфиров, сорбитановых эфиров жирных кислот и т.д. Подходящие катионные диспергирующие агенты и защитные коллоиды, например, могут быть выбраны из азотсодержащих соединений, таких как четвертичные аммониевые соединения, соли третичных аминов, растворимые в воде азотсодержащие эпихлоргидриновые смолы и катионные крахмалы и т.д. Эмульсии также могут содержать другие добавки, такие как консерванты.

Эмульсии данного изобретения предпочтительно могут быть получены простым смешиванием проклеивающего агента на основе замещенного янтарного ангидрида с золем положительно заряженных коллоидных частиц, описанных выше.

Эмульсии данного изобретения могут быть использованы обычным образом для получения изделий на основе целлюлозы, включая бумагу и картон. Они могут быть использованы как для поверхностного проклеивания, так и для внутреннего или сырьевого проклеивания. Данное изобретение также относится к способу получения изделий на основе целлюлозы с добавлением водной эмульсии, содержащей проклеивающий агент на основе замещенного янтарного ангидрида и коллоидных катионных частиц, таких как определены выше, к суспензии целлюлозы или обезвоженной суспензии целлюлозы. Сырье/суспензия содержит волокна целлюлозы, необязательно в сочетании с минеральными наполнителями, и обычно волокна целлюлозы содержатся в количестве, по крайней мере, 50 мас.% по отношению к массе сухого сырья. Примеры наполнителей обычных типов включают каолин, фарфоровую глину, двуокись титана, гипс, тальк и природные или синтетические карбонаты кальция, такие как мел, измельченный мрамор или осажденный карбонат кальция. Способ является преимущественным для процесса получения бумаги, так как проклеивающая дисперсия имеет высокую эффективность проклеивания, что позволяет снизить тенденцию проклеивающего агента к отложению и тем самым упрощает операции, требующие значительного сдвига, такие как прокачка и дозирование. Предпочтительно количество проклеивающего агента, добавляемого либо в сырье, содержащее целлюлозные волокна и необязательные наполнители, либо наносимое на изделия на основе целлюлозы в виде поверхностного клея, обычно на пресс, составляет от 0,01 до 1,0 мас.% по отношению к сухой массе волокон целлюлозы и необязательных наполнителей, предпочтительно от 0,05 до 0,5 мас.%, где количество в основном зависит от качества проклеиваемой целлюлозной массы или изделия на основе целлюлозы, используемого проклеивающего агента на основе замещенного янтарного ангидрида и желаемого уровня проклеивания.

Химические соединения, обычно добавляемые к сырью при получении бумаги, такие как удерживающие добавки, соединения алюминия, красители, прочные во влажном состоянии полимеры, оптические отбеливатели и т.д., конечно могут быть использованы в сочетании с эмульсиями данного изобретения. Примеры соединений алюминия включают квасцы, алюминаты и полисоединения алюминия, например полихлориды и полисульфаты алюминия. Примеры подходящих удерживающих добавок включают катионные полимеры, анионные неорганические материалы в сочетании с органическими полимерами, например бентонит в сочетании с катионными полимерами, силиказоли в сочетании с катионными полимерами, или катионные и анионные полимеры. Особенно хорошее сырье может быть получено при использовании дисперсий данного изобретения в сочетании с удерживающими добавками, содержащими катионные полимеры. Подходящие катионные полимеры включают катионный крахмал, гуаровую смолу, полимеры на основе акрилата и акриламида, полиэтиленимин, дициандиамид-формальдегидные смолы, полиамины, полиамидоамины и поли(диаллилдиметиламмонийхлорид) и их смеси. Катионный крахмал и катионные полимеры на основе акриламида особенно предпочтительны либо в чистом виде, либо в сочетании друг с другом и с другими материалами. В предпочтительном варианте данного изобретения эмульсии используют в сочетании с системой удерживания, содержащей, по крайней мере, один катионный полимер и анионные частицы на основе двуокиси кремния, например такой системой удерживания, которая продается под наименованием COMPOZIL^®. Эмульсии данного изобретения могут быть добавлены перед, между и после или одновременно с добавлением катионного полимера или полимеров. Также возможно предварительно смешивать проклеивающие эмульсии с удерживающей добавкой, например катионным полимером, таким как катионный крахмал или катионный полимер на основе акриламида, до введения получаемой таким образом смеси в сырье.

Данное изобретение далее иллюстрируется следующими примерами, которые, однако, не ограничивают объем данного изобретения. Части и % обозначают части массовые и мас.% соответственно, если не указано иное.

В следующих примерах тест cobb₆₀ и тест для проклеивания Hercules Sizing Test (HST) используют для оценки эффективности проклеивания. Более высокий показатель теста HST означает лучшее проклеивание, в то время как низкий показатель теста cobb₆₀ указывает на улучшенное проклеивание.

Пример 1
Эффективность проклеивания новой эмульсией оценивают в данном примере с помощью стандартного теста HST на бумаге весом 78 г/м². К композиции из березовой и сосновой крафтцеллюлозы (60: 40 мас.%) с консистенцией 0,5%, содержащей 20 мас. % карбоната кальция по отношению в массе сухих волокон, имеющей проводимость 520 мкSm/см и значение ХПК 15 мг/л, добавляют новую эмульсию, содержащую алкенилянтарный ангидрид и положительно заряженные частицы модифицированной алюминием коллоидной двуокиси кремния в весовом соотношении 15: 1, в количестве 2 кг/тонну сухой целлюлозы, по отношению к ASA (тест 1 и тест 2). Используемая система удерживания содержит катионный крахмал с D. S. 0,035 и анионный силиказоль. Для сравнения эффективности проклеивания используют эмульсии известного уровня техники, содержащие алкенилянтарный ангидрид (ASA) и катионный крахмал (тест 3 и тест 4), имеющие весовое соотношение ASA и крахмала приблизительно 2, 7:1. Эмульсии известного уровня техники добавляют в количестве 2 кг/тонну сухих твердых веществ на основе ASA.

Очевидно, что эмульсии в соответствии с данным изобретением демонстрируют значительно более высокие значения проклеивания по сравнению с эмульсиями известного уровня техники.

Пример 2
В данном примере эффективность проклеивания (тест Соbb₆₀) новыми эмульсиями оценивают с использованием той же композиции, как и в примере 1, однако имеющей проводимость 508 мкSm/см. Используемая система удерживания состоит из катионного полиакриламида со средней молекулярной массой с 10% зарядом и анионного бентонита. Все эмульсии в качестве проклеивающего агента содержат алкенилянтарный ангидрид, и количество добавляемого проклеивающего агента составляет 2 кг/тонну сухой целлюлозной массы по отношению к ASA. Эмульсия данного изобретения, используемая в тесте 1, содержит частицы коллоидной катионной модифицированной алюминием двуокиси кремния и ASA в весовом соотношении 1:10. Эмульсия известного уровня техники, используемая в тесте 2, содержит частицы анионной двуокиси кремния и ASA в весовом соотношении 1:10. Эмульсия, используемая в тесте 3, содержит анионный бентонит и ASA в весовом соотношении 1:10.

Таблица 2 показывает, что эмульсия, содержащая положительно заряженные частицы коллоидной двуокиси кремния, имеет превосходные проклеивающие свойства по сравнению с эмульсиями, содержащими анионные частицы.

Пример 3
В данном примере эффективность проклеивания новой эмульсией оценивается с помощью теста Cobb₆₀. Композиция представляет собой отбеленную древесную массу с высоким содержанием растворенных органических веществ (органические примеси) и с концентрацией 0,5% по отношению к сухим волокнам, проводимостью 503 мкSm/см и значением ХПК 65 мг/л. Система удержания содержит катионный крахмал и анионный силиказоль. Эмульсия данного изобретения, используемая в тесте 1, содержит ASA и коллоидные положительно заряженные частицы модифицированной алюминием двуокиси кремния в весовом соотношении 6,7:1. Эмульсия известного уровня техники, используемая в тесте 2, содержит ASA и катионный крахмал в весовом соотношении 2,7:1. Все эмульсии получают с одним и тем же проклеивающим агентом на основе ASA и добавляют к композиции в количестве 2, 0 кг/тонну сухой целлюлозы по отношению к ASA.

На основе результатов, показанных в таблице 3, можно, неожиданно, видеть, что хорошие показатели проклеивания можно получать при использовании эмульсии в соответствии с данным изобретением для композиции с высоким содержанием растворенных органических веществ.

Реферат

Проклеивающая эмульсия касается водного состава для проклейки бумаги и может быть использована в целлюлозно-бумажной промышленности. Она содержит замещенный янтарный ангидрид и положительно заряженные частицы коллоидных двуокиси кремния, или окиси алюминия, или двуокиси циркония. Замещенным янтарным ангидридом является алкенилянтарный ангидрид. Данная проклеивающая эмульсия может быть использована как для внутренней проклейки целлюлозной массы, так и для поверхностной проклейки изделий на основе целлюлозы. Способ касается получения изделий на основе целлюлозы, в котором водную эмульсию, указанную выше, добавляют к суспензии целлюлозы или обезвоженной суспензии целлюлозы. Техническим результатом является повышение степени проклейки, экономия проклеивающего агента и снижение риска накопления проклеивающих агентов в белой воде, рециркулирующей в процессе. 3 с. и 18 з.п. ф-лы, 3 табл.

Формула