Смеси катионоактивный крахмал, катионоактивная галактоманнановая камедь в качестве средств, способствующих приданию прочности и обезвоживанию - RU2215079C2

Чертежи

Описание

Область техники
Изобретение относится к смесям катионоактивного крахмала с катионоактивной галактоманнановой камедью, такой как хьюаровая камедь, камеди рожкового дерева, пажитника греческого и т.д., которые могут быть использованы в качестве средств, способствующих приданию прочности и обезвоживанию при изготовлении бумаги.

Описание известного уровня техники
В бумажной промышленности в качестве средств, способствующих приданию прочности и обезвоживанию, эффективно используют катионоактивный крахмал и катионоактивную хьюаровую камедь. В мокрой части бумагоделательной машины, как правило, добавляют только один из этих продуктов. Чаще всего используют катионоактивный крахмал. Однако имеются сообщения о раздельном добавлении этих продуктов на различных участках бумагоделательной машины. В ходе проведения процесса катионоактивный крахмал для придания прочности обычно добавляют раньше. Катионоактивную хьюаровую камедь добавляют ближе к бумагоделательной машине с целью обеспечить обезвоживание и удерживание волокон.

Для достижения целевого повышения прочности обычно можно добавлять до 40 фунтов катионоактивного крахмала. Количество вводимой катионоактивной хьюаровой камеди обычно составляет 1-8 фунтов. Оба продукта поступают на бумажные фабрики в порошкообразном виде. Катионоактивный крахмал, как правило, суспендируют при концентрации сухого вещества 10-15% в воде, нагреваемой до высокой температуры, и перед введением в бумагоделательную машину разбавляют. В ходе проведения процесса высокие концентрации крахмала могут создавать определенные проблемы, такие как повышенная биологическая потребность в кислороде (БПК) и накопление крахмала, снижающие эффективность крахмала. Катионоактивную хьюаровую камедь можно диспергировать с помощью эдуктора и растворять в воде при низкой концентрации сухого вещества, как правило, менее 1%. По мере создания на бумажных фабриках замкнутых водяных систем доступность больших количеств пресной воды, необходимых для приготовления растворов хьюаровой камеди, становится все более затруднительной. Пыль, с которой связано использование порошка на хьюаровой основе, создает также опасность для здоровья, которая может привести к выпадению волос и зубов и проблемам с дыханием. Стоимость катионоактивной хьюаровой камеди и проблемы, связанные с работой с ней, ограничивают ее применение с целью придания прочности бумаге.

В патенте US 4755259 (на имя Larsson) описано раздельное введение катионоактивного крахмала, катионоактивной камеди и коллоидного диоксида кремния в бумагоделательную машину. В этом патенте, однако, не описано добавление в бумагоделательную машину комбинированной смеси катионоактивного крахмала с катионоактивной камедью.

В US 4927498 (на имя Rushmere) описано раздельное введение в бумагоделательную машину катионоактивного полимера, в частности либо катионоактивного крахмала, либо катионоактивной хьюаровой камеди, либо катионоактивного полиакриламида, и анионоактивных полисиликатных микрогелей. Эти катионоактивные полимеры используют взаимозаменяемо, а не добавляют совместно в виде смеси.

У К. Е. Burnfield в "Application of New Gums for Enhancing Strength and Productivity", TAPPI Press, 26 апреля 1995 г., описано применение катионоактивной хьюаровой камеди, вводимой в систему для изготовления бумаги, которая (система) включает катионоактивный крахмал, для улучшения обезвоживания этой крахмалсодержащей системы. При этом катионоактивную хьюаровую камедь и катионоактивный крахмал в систему для изготовления бумаги вводят раздельно, а не в виде смеси.

До создания настоящего изобретения специалисты, которым известны химические свойства крахмала и хьюаровой камеди, полагали, что сухое смешение катионоактивного крахмала с катионоактивной хьюаровой камедью с целью их введения в бумагоделательную машину с помощью известных технических приемов, т.е. с применением декстринизаторов, сопряжено с технологическими затруднениями или практически невозможно.

Краткое изложение сущности изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается композиция, включающая катионоактивный крахмал, катионоактивную галактоманнановую камедь и кислоту.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением предлагается композиция для повышения прочности в сухом состоянии и/или обезвоживаемости бумажных изделий, включающих водную суспензию бумажной массы и композицию, включающую катионоактивный крахмал, катионоактивную галактоманнановую камедь и кислоту.

Причем для повышения прочности в сухом состоянии и/или обезвоживаемости бумажных изделий предлагается также композиция, включающая водную суспензию бумажной массы и композицию, в которой катионоактивная галактоманнановая камедь выбрана из группы, включающей катионоактивные хьюаровую камедь и камедь рожкового дерева, кислота представляет собой сухую органическую кислоту, соотношение между катионоактивной галактоманнановой камедью и катионоактивным крахмалом составляет от примерно 1:4 до примерно 1:15, и кислота содержится в таком количестве, при котором рН водного раствора композиции составляет от примерно 8,5 до примерно 9,5.

Одним из вариантов заявленной композиции согласно настоящему изобретению является композиция, включающая водную суспензию бумажной массы и композицию, в которой катионоактивная галактоманнановая камедь представляет собой катионоактивную хьюаровую камедь, кислота представляет собой фумаровую кислоту, а соотношение между катионоактивной галактоманнановой камедью и катионоактивным крахмалом составляет примерно 1:10.

В изобретении предлагается далее способ повышения прочности в сухом состоянии и/или обезвоживаемости бумажных изделий, включающий приготовление водной суспензии бумажной массы, добавление в эту суспензию бумажной массы композиции, включающей катионоактивный крахмал, катионоактивную галактоманнановую камедь и кислоту и изготовление бумажного изделия в форме сухого листа.

Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением предложен способ повышения прочности в сухом состоянии и/или обезвоживаемости бумажных изделий, включающий
(1) приготовление водной суспензии композиции,
(2) выдержку указанной водной суспензии композиции в течение достаточного периода времени и при достаточной температуре для растворения композиции,
(3) приготовление водной суспензии бумажной массы и
(4) добавление растворенной композиции в водную суспензию бумажной массы.

Причем в качестве водной суспензии композиции в указанном способе использовали композицию, содержащую катионактивный крахмал, катионактивную галактоманнановую камедь и кислоту.

Другим объектом изобретения является способ повышения прочности в сухом состоянии и/или обезвоживаемости бумажных изделий, включающий
(1) приготовление водной суспензии композиции,
(2) выдержку водной суспензии композиции в течение достаточного периода времени и при достаточной температуре для растворения композиции,
(3) приготовление водной суспензии бумажной массы и
(4) добавление растворенной композиции в водную суспензию бумажной массы.

На стадии (1) при приготовлении водной суспензии композиции используют композицию, в которой катионоактивную галактоманнановую камедь выбирают из группы, включающей катионоактивные хьюаровую камедь и камедь рожкового дерева, кислота представляет собой сухую органическую кислоту, соотношение между катионоактивной галактоманнановой камедью и катионоактивным крахмалом составляет от примерно 1:4 до примерно 1:15, и кислота содержится в таком количестве, при котором рН водного раствора композиции составляет от примерно 8,5 до примерно 9,5.

Еще одним объектом изобретения является способ повышения прочности в сухом состоянии и/или обезвоживаемости бумажных изделий, включающий
(1) приготовление водной суспензии композиции,
(2) выдержку водной суспензии композиции в течение достаточного периода времени и при достаточной температуре для растворения композиции,
(3) приготовление водной суспензии бумажной массы и
(4) добавление растворенной композиции в водную суспензию бумажной массы.

Для осуществления данного способа на стадии (1) готовят водную суспензию композиции, в которой катионоактивная галактоманнановая камедь представляет собой катионоактивную хьюаровую камедь, кислота представляет собой фумаровую кислоту, а соотношение между катионоактивной галактоманнановой камедью и катионоактивным крахмалом составляет примерно 1:10.

Подробное описание изобретения
Объектом настоящего изобретения является смесь, включающая катионоактивный крахмал, катионоактивную галактоманнановую камедь (такую как борированная катионоактивная хьюаровая камедь) и кислоту. Этот продукт удобен в обращении и может быть переведен в раствор с применением обычных систем обработки крахмала, которые в настоящее время имеются на бумажных фабриках. Настоящее изобретение позволяет отказаться от приготовления раствора катионоактивной хьюаровой камеди, которое может быть связано с опасностью и потребностью в воде. Изобретение далее позволяет подавать в бумагоделательную машину раствор смешанных катионоактивной хьюаровой камеди и катионоактивного крахмала. Было установлено, что в результате добавления смешанного продукта повышается прочность бумаги в сравнении с достигаемым путем введения только катионоактивной хьюаровой камеди или катионоактивного крахмала или введения в машину катионоактивного крахмала и катионоактивной хьюаровой камеди в раздельных точках добавления. До сих пор оба продукта в одну и ту же машину добавляли редко, и даже когда их вводят в одну и ту же машину, их добавляют на разных этапах приготовления бумажной массы.

Катионоактивная хьюаровая камедь является наиболее предпочтительной катионоактивной галактоманнановой камедью для использования по настоящему изобретению. Хотя в некоторых случаях настоящее изобретение рассматривается конкретно на примере хьюаровой или катионоактивной хьюаровой камеди, для специалиста в данной области техники очевидно, что такая же технология применима к галактоманнановым камедям или катионоактивным галактоманнановым камедям в целом.

В данной области техники известно, что когда катионоактивную хьюаровую камедь и катионоактивный крахмал в виде растворов индивидуально вводят в процесс изготовления бумаги, они повышают обезвоживаемость и прочность бумаги. Можно предположить, что добавление как катионоактивного крахмала, так и катионоактивной хьюаровой камеди в процессе изготовления бумаги повысило бы прочность и обезвоживаемость в сравнении с достигаемыми введением только одного катионоактивного крахмала или катионоактивной хьюаровой камеди. При создании настоящего изобретения было установлено, что предварительное смешение катионоактивной хьюаровой камеди с катионоактивным крахмалом перед введением в бумагоделательную машину повышает прочность бумаги в целом 20% в сравнении с достигаемой раздельным введением катионоактивной хьюаровой камеди и катионоактивного крахмала без предварительного смешения. Другой важной особенностью настоящего изобретения является то, что при добавлении смеси повышение обезвоживаемоети, достигаемое раздельным введением катионоактивного крахмала и катионоактивной хьюаровой камеди, сохраняется. Более того, установлено, что сухой продукт, включающий катионоактивную хьюаровую камедь и катионоактивный крахмал в необходимых соотношениях, может быть приготовлен таким образом, что эту смесь можно перерабатывать так же, как и крахмал перед введением в бумагоделательную машину. До создания настоящего изобретения вязкость, с которой приходится сталкиваться при приготовлении смеси катионоактивный крахмал/катионоактивная хьюаровая камедь, оказывается слишком высокой для переработки, что сопряжено с необходимостью использовать дорогостоящее оборудование и с неприемлемой потребностью в воде.

Катионоактивная галактоманнановая камедь может быть выбрана из группы, включающей катионоактивные хьюаровую камедь, камеди рожкового дерева и пажитника греческого, предпочтительной катионоактивной галактоманнановой камедью является катионоактивная хьюаровая камедь и катионоактивная камедь рожкового дерева, наиболее предпочтительна катионоактивная хьюаровая камедь.

В качестве катионоактивной хьюаровой камеди может быть использован продукт обработки компонентов хьюаровой камеди хлоридом гидроксипропилтриметиламмония, полученный реакцией компонентов хьюаровой камеди с хлоридом N-(3-хлор-2-гидроксипропил)триметиламмония, такой как продукт Quat 188, выпускаемый компанией Dow Chemical, Мидланд, шт. Мичиган. В качестве катионоактивной хьюаровой камеди может быть использована очищенная катионоактивная хьюаровая камедь, такая как продукт Galactasol^® SP 813D или смеси катионоактивных/анионоактивных производных компонентов хьюаровой камеди, такие как продукты AQU D-3376D и AQU D-3373D, выпускаемые компанией Hercules Incorporated. Значение соотношения между остатками хлорида гидроксипропилтриметиламмония и сахаридными звеньями хьюаровой камеди может составлять 0,03-0,2, предпочтительно 0,07-0,15. Реакцию проводят в присутствии воды и гидроксида натрия. Либо перед реакцией, либо после нее, но перед сушкой производного компонентов хьюаровой камеди добавляют бор в форме бората натрия, борной кислоты, буры или другого водорастворимого борсодержащего соединения.

В качестве катионоактивного крахмала по настоящему изобретению используют крахмал, модифицированный четвертичным аммонием. Крахмал может представлять собой крахмал кукурузы восковой спелости, картофельный, кукурузный, пшеничный или тапиоковый крахмал, такой как продукт Cato^® 232 фирмы National Starch and Chemical Corporation, продукт STA•LOK^® 400 фирмы А.Е. Staley Manufacturing Corporation, продукт Chargemaster^® R430 фирмы Grain Processing Corporation. Предпочтительным катионоактивным крахмалом является катионоактивный кукурузный, картофельный крахмал или крахмал кукурузы восковой спелости, а наиболее предпочтителен катионоактивный кукурузный крахмал. Соотношение между катионоактивной хьюаровой камедью и катионоактивным крахмалом в композиции может составлять по меньшей мере примерно 1:1, предпочтительно по меньшей мере примерно 1:4, наиболее предпочтительно примерно 1:10. Это соотношение может достигать примерно 1:20, предпочтительно примерно 1:15.

В качестве кислоты можно использовать любую кислоту, которая может понизить рН конечного раствора катионоактивной хьюаровой камеди/катионоактивного крахмала до примерно 7. Для удобства предпочтительная кислота должна быть сухой или в порошкообразной форме. Частицы кислоты могут быть любого размера, но предпочтителен такой размер частиц, при котором они проходят через сито с размерами ячеек 4 меш, наиболее предпочтительно через сито с размерами ячеек 100 меш. Предпочтительными кислотами являются органические кислоты, например фумаровая кислота, лимонная кислота и другие водорастворимые порошкообразные кислоты, такие как аскорбиновая кислота, гликолевая кислота и молочная кислота. Кислоту следует добавлять в таком количестве, при котором рН раствора катионоактивного крахмала, катионоактивной хьюаровой камеди и кислоты составляет по меньшей мере примерно 7, предпочтительно по меньшей мере примерно 8,5. Содержание кислоты может быть таким, при котором рН раствора достигает примерно 10, предпочтительно примерно 9,5.

Композиция по настоящему изобретению может быть приготовлена раздельным добавлением сухого катионоактивного крахмала, катионоактивной хьюаровой камеди и кислоты в смеситель и перемешиванием. По другому варианту можно загружать и смешивать любые два компонента с последующим добавлением третьего компонента. Сухое смешение предпочтительно, поскольку позволяет полностью использовать преимущества, связанные согласно изобретению с удобством в обращении с такими материалами. Далее сухую смесь суспендируют в воде по методу и в концентрации, которые аналогичны применяемым в отношении используемого в настоящее время крахмала, что тем самым исключает проблемы, с которыми связано приготовление растворов хьюаровой камеди. Суспензию можно обрабатывать в периодическом процессе варки при 100^oС в течение 20 мин или непрерывном процессе варки (в струйном варочном аппарате) при температуре свыше 100^oС под давлением. При этом методы варки идентичны тем, которые предусмотрены производителем катионоактивных крахмалов в отношении доступного для него крахмала. Образующийся раствор легко добавлять в бумагоделательную машину, однако его обычно разбавляют в 10 раз, в частности перед добавлением.

Перед добавлением в бумажную массу можно смешивать между собой в вышеуказанном соотношении (в пересчете на массу сухого вещества) раствор катионоактивного крахмала, приготовленный в процессе варки, и раствор катионоактивной хьюаровой камеди.

Независимо от метода, применяемого при приготовлении растворов, вязкость конечных растворов после варки оказывается такой же. Также сопоставимы свойства получаемой готовой бумаги.

Ниже изобретение проиллюстрировано на примерах, которые не ограничивают его объем. Во всех случаях, если не указано иное, все количества выражены в массовых частях или процентах.

Пример 1
В смеситель загружали 100 г катионоактивной хьюаровой камеди Galactasol^® SP 813D и 900 г катионоактивного кукурузного крахмала Chargemaster^® R430 и смешивали до однородной консистенции. В вышеуказанную суспендированную в воде смесь с 10%-ным содержанием сухого вещества добавляли сухую порошкообразную фумаровую кислоту в виде отдельных порций до тех пор, пока значение рН не достигало 9,5. Эту суспензию с 10%-ным содержанием сухого вещества выдерживали при 50^oС в течение 7 ч, причем сколь-нибудь заметного повышения вязкости она не проявляла. В течение 20 мин суспензию нагревали до 100^oС. Отмечали существенное возрастание вязкости.

Пример 2
Работали аналогично примеру 1, добавляя дополнительное количество фумаровой кислоты для снижения рН до 8,5. При этом не отмечали никаких видимых изменений результатов.

Пример 3
Работали аналогично примеру 1 с дальнейшим добавлением фумаровой кислоты для снижения рН до 7,5. В период выдержки при 50^oС отмечали существенный рост вязкости. Это повышение вязкости было связано с растворимостью хьюаровой камеди в системе и, по-видимому, препятствует протеканию стандартного процесса варки крахмала.

Пример 4
Работали аналогично примеру 1, исключая применение фумаровой кислоты. В результате вязкость раствора оказывалась существенно более низкой, чем в примерах 1, 2 и 3, указывая на то, что катионоактивная хьюаровая камедь в раствор не переходила. Добавляли фумаровую кислоту для снижения рН до 6,0. Отмечали вязкость, равную или превышавшую вязкость в примерах 1, 2 и 3.

Пример 5
Обезвоживаемость исследовали, применяя установку для обезвоживания с помощью вакуума (УОПВ). Установка с дренажным сосудом представляет собой 3-элементную фильтровальную воронку Whatman размером 12,5 см, снабженную жесткой беззольной фильтровальной бумагой 541. Перед укладкой в воронку фильтровальную бумагу сушили и взвешивали. Воронку помещали в вакуумную колбу, подключенную к вакуумному насосу и вакуумметру. Готовили растворы катионоактивного кукурузного крахмала Chargemaster R430 и катионоактивной хьюаровой камеди Galactasol SP 813S и смешивали между собой в таком же соотношении, как и в примере 1. Раствор предварительно смешанных катионоактивного кукурузного крахмала и катионоактивной хьюаровой камеди при содержании сухого вещества 1,1% в пересчете на сухую бумажную массу вводили в 500 мл в 0, 2%-ной суспензии крафт-целлюлозной массы. Суспензию бумажной массы в течение 15 с перемешивали с раствором катионоактивного крахмала и катионоактивной хьюаровой камеди. Перед загрузкой суспензии бумажной массы в воронку последнюю подключали к источнику вакуума. В воронку загружали суспензию. Фиксировали время, необходимое для обезвоживания суспензии бумажной массы. Результаты обезвоживания представлены в таблице 1. Этот эксперимент повторяли с раздельным добавлением катионоактивного крахмала и/или катионоактивной хьюаровой камеди.

Пример 6
Работали аналогично примеру 5, но заменяя смешанные растворы продуктов Chargemaster R430/Galactasol SP 813S раствором катионоактивного картофельного крахмала STA• LOK^® 400/катионоактивной хьюаровой камеди Galactasol SP 813D, приготовленным согласно примеру 4.

Пример 7
Работали аналогично примеру 6, снижая в смеси содержание крахмала на 25% и добавляя 0,5% смешанного сухого вещества в пересчете на бумажную массу.

Пример 8
Работали аналогично примеру 5, повышая в смеси содержание катионоактивной хьюаровой камеди до 20% и добавляя 1,25% смешанного сухого вещества в пересчете на бумажную массу.

Пример 9
Работали аналогично примеру 5, заменяя крафт-целлюлозу нейтральной сульфитной полуцеллюлозой.

Пример 10
Работали аналогично примеру 5, заменяя крафт-целлюлозу бумажной массой из гофрированного картона старого ящика (ГСЯ) (вторично переработанные картонные ящики).

Пример 11
Работали аналогично примеру 10, заменяя продукт Chargemaster R430 катионоактивным картофельным крахмалом STA• LOK 400.

Пример 12
Прочностные характеристики изучали на бумажном полотне, изготовленном с использованием описанных в примере 11 смесей катионоактивной хьюаровой камеди/катионоактивного крахмала. Отливку осуществляли с применением динамической листоотливной формы фирмы Paper Chemistry Laboratory, Inc., Кармел, шт. Нью-Йорк, и методов, описанных в инструкции по ее применению. Соответственно крафт-целлюлозу разбавляли в 30-галлонной емкости до концентрации 0,18% и загружали в смеситель. Для каждого полотна из 30-галлонной емкости отбирали по два литра бумажной массы и помещали в смеситель. В количестве 1,1% сухого вещества в пересчете на бумажную массу добавляли смесь катионоактивной хьюаровой камеди/катионоактивного крахмала. Бумажную массу помещали в листоотливную форму и перемешивали пропеллерной мешалкой. Перемешивание со скоростью вращения 1500 об/мин продолжали в течение 5 с. Скорость вращения мешалки снижали до 1000 об/мин и перемешивали в течение еще 5 с. Далее скорость вращения мешалки снижали до 400 об/мин, после чего 1-дюймовую лопасть мешалки поднимали, извлекая из сетки, и открывали сливной клапан для воды. Отливку формовали на сетке с размерами ячеек 70 меш.

На отливку воздействовали вакуумом. Применяемая технология состояла в воздействии на отливку вакуумом 20 дюймов рт.ст. в системе перед открытием клапана. Клапан открывали, удаляя из отливки дополнительное количество воды. Когда вакуум снижался до 10 дюймов рт.ст., клапан закрывали. Мокрую отливку взвешивали и удаляли с сетки. Отливку помещали между промокательными бумагами и отжимали до 1000 фунтов. Листы сушили на полом сушильном цилиндре при 250^oС и помещали в сушильный шкаф. Листы разрезали на полудюймовые полоски и при 25^oС и 50%-ной относительной влажности испытывали на разрывной машине "Инстрон". Результаты определения прочности на разрыв представлены в таблице 2.

Пример 13
Работали аналогично примеру 12, повышая содержание катионоактивной хьюаровой камеди в смеси до 20% добавлением 1,25% смешанного сухого вещества в пересчете на сухую бумажную массу.

Пример 14
Работали аналогично примеру 12 с заменой крафт-целлюлозы небеленой крафт-целлюлозой.

Пример 15
Работали аналогично примеру 12 с заменой крафт-целлюлозы бумажной массой из гофрированного картона старого ящика.

Пример 16
Работали аналогично примеру 15 с заменой катионоактивного картофельного крахмала STA• LOK^® 400 катионоактивным кукурузным крахмалом Chargemaster R430.

Реферат

Композиция и ее варианты могут быть использованы в качестве средств, способствующих приданию прочности и обезвоживанию при изготовлении бумаги. Композиции включают катионоактивный крахмал, катионоактивную галактоманнановую камедь и кислоту. В качестве катионоактивного крахмала выбирают крахмал из группы, включающей крахмал кукурузы восковой спелости, картофельный, кукурузный, пшеничный и тапиоковый крахмал. Катионоактивную галактоманнановую камедь выбирают из группы, включающей катионоактивные хьюаровую камедь и камеди рожкового дерева и пажитника греческого. В качестве кислоты используют фумаровую, лимонную, аскорбиновую, гликолевую или молочную кислоты. Касается также способа (его варианты) повышения прочности в сухом состоянии и/или обезвоживаемости бумажных изделий, включающий приготовление водной суспензии бумажной массы, добавление вышеуказанной композиции в суспензию бумажной массы и изготовление бумажного изделия в форме сухого листа. Техническим результатом является повышение прочности бумаги. 8 с. и 26 з.п.ф-лы, 2 табл.

Формула