Способ изготовления бумаги - RU2363799C1

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу изготовления бумаги и к композиции, содержащей анионные компоненты, которая подходит для применения в качестве добавки в бумажном производстве. Конкретнее, изобретение относится к способу изготовления бумаги, который включает добавление первого, второго и третьего анионных компонентов в целлюлозную суспензию после всех точек интенсивного воздействия усилия сдвига и обезвоживание полученной суспензии для образования бумаги.

Предпосылки создания изобретения

При производстве бумаги водную суспензию, содержащую целлюлозные волокна, и необязательные наполнители и добавки, подают с помощью насосов, сетчатых фильтров и очистителей, которые подвергают исходное сырье интенсивному воздействию усилия сдвига, в головной резервуар, из которого суспензия выталкивается на формовочную проволочную сетку. Воду отводят из суспензии через формовочную проволочную сетку для того, чтобы на проволочной сетке сформировалось влажное полотно бумаги, и это полотно дополнительно обезвоживают и сушат в сушильном отделении бумагоделательной машины. В различных точках потока суспензии обычно вводят водоотводящие и удерживающие средства для того, чтобы облегчить водоотвод и увеличить адсорбцию тонкодисперсных частиц, таких как тонкодисперсные волокна, наполнители и добавки, на волокнах целлюлозы с тем, чтобы они удерживались с волокнами на проволочной сетке. Примеры традиционно используемых водоотводящих и удерживающих средств включают органические полимеры, неорганические материалы и их комбинации.

WO 98/56715 раскрывает водные полисиликатные микрогели, их получение и применение в бумажном производстве и для очистки воды. Полисиликатные микрогели могут содержать дополнительные соединения, например полимеры, содержащие группы карбоновых кислот и сульфокислот, такие как полиакриловая кислота.

WO 00/006490 раскрывает анионные нанокомпозиты, полученные добавлением анионного полиэлектролита к раствору силиката натрия и затем смешиванием силиката натрия и полиэлектролитного раствора с кремниевой кислотой, для применения в качестве удерживающих и водоотводящих вспомогательных средств в бумажном производстве.

US 6103065 раскрывает способ улучшения удержания и водоотвода для композиции бумаги в бумажном производстве, включающий стадии добавления, по меньшей мере, одного катионного полимера с высокой плотностью заряда с молекулярной массой 100000-2000000 к упомянутой композиции бумаги после последней точки интенсивного воздействия усилия сдвига; добавления, по меньшей мере, одного полимера, имеющего молекулярную массу более чем 2000000; и добавления набухающей бентонитовой глины.

WO 01/34910 раскрывает способ изготовления бумаги или картона, в котором целлюлозную суспензию флокулируют добавлением по существу водорастворимого полимера, выбранного из (а) полисахарида или (b) синтетического полимера с характеристической вязкостью, по меньшей мере, 4 дл/г, и затем повторно флокулируют последующим добавлением системы для повторного флокулирования, содержащей (i) кремнесодержащий материал и (ii) по существу водорастворимый анионный полимер. Предпочтительно, по существу водорастворимый полимер примешивают к целлюлозной суспензии, вызывая флокуляцию, и затем флокулированную суспензию подвергают воздействию усилия сдвига, например, путем пропускания ее через одну или более стадий воздействия усилия сдвига. Водорастворимый анионный полимерный агент для повторного флокулирования предпочтительно добавляют на поздних стадиях процесса, предпочтительно после последней точки интенсивного воздействия усилия сдвига, например, вслед за фильтровальной машиной. Способ должен обеспечивать улучшение удержания и водоотвода.

WO 02/33171 раскрывает способ изготовления бумаги или картона, в котором целлюлозную суспензию флокулируют при использовании флокулирующей системы, включающей кремнесодержащий материал и органические микрочастицы, которые имеют диаметр ненабухших частиц менее чем 750 нм.

WO 02/101145 раскрывает водную композицию, содержащую анионные органические полимерные частицы и коллоидные анионные частицы на основе диоксида кремния, где анионные органические полимерные частицы получают путем полимеризации одного или более мономеров с этиленовой ненасыщенностью вместе с одним или более полифункциональными агентами для разветвления цепи и/или полифункциональными сшивающими агентами. Композицию используют в качестве флокулирующего агента при обезвоживании суспендированных грунтов, при обработке воды, сточных вод и удаляемого избыточного ила и в качестве водоотводящего и удерживающего средства в производстве бумаги.

Было бы желательно обеспечить способ изготовления бумаги с дополнительными улучшениями водоотвода, удержания и формования.

Краткое изложение сущности изобретения

Настоящее изобретение относится к способу изготовления бумаги, который включает:

(i) предоставление водной суспензии, содержащей целлюлозные волокна;

(ii) добавление к суспензии после последней точки интенсивного воздействия усилия сдвига:

(а) первого анионного компонента, который представляет собой водорастворимый анионный органический полимер;

(b) второго анионного компонента, который представляет собой диспергируемый в воде или разветвленный анионный органический полимер, имеющий размер ненабухших частиц менее чем 1000 нм; и

(с) третьего анионного компонента, который представляет собой анионный кремнесодержащий материал; и

(iii) обезвоживание полученной суспензии для образования бумаги.

Настоящее изобретение дополнительно направлено на способ изготовления бумаги, который включает:

(i) предоставление водной суспензии, содержащей целлюлозные волокна,

(ii) добавление к суспензии после последней точки интенсивного воздействия усилия сдвига:

(а) первого анионного компонента, который представляет собой водорастворимый анионный органический полимер;

(b) второго анионного компонента, который представляет собой диспергируемый в воде или разветвленный анионный органический полимер;

(с) третьего анионного компонента, который представляет собой анионный кремнесодержащий материал, включающий анионный полимер на основе диоксида кремния, который содержит:

(I) агрегированные анионные частицы на основе диоксида кремния; или

(II) частицы на основе диоксида кремния, имеющие удельную площадь поверхности в интервале от 100 до 1700 м²/г;

(iii) обезвоживание полученной суспензии для образования бумаги.

Настоящее изобретение дополнительно направлено на композицию водоотводящего и удерживающего средства, которая содержит:

(а) первый анионный компонент, который представляет собой водорастворимый анионный органический полимер;

(b) второй анионный компонент, который представляет собой диспергируемый в воде или разветвленный анионный органический полимер, имеющий размер ненабухших частиц менее чем 1000 нм; и

(с) третий анионный компонент, который представляет собой анионный кремнесодержащий материал,

где содержание первого, второго и третьего анионных компонентов в расчете на сухую массу составляет от 0,01 до 50% по массе.

Настоящее изобретение дополнительно направлено на композицию водоотводящего и удерживающего вспомогательного средства, которая содержит:

(а) первый анионный компонент, который представляет собой водорастворимый анионный органический полимер;

(b) второй анионный компонент, который представляет собой диспергируемый в воде или разветвленный анионный органический полимер; и

(с) третий анионный компонент, который представляет собой анионный кремнесодержащий материал, включающий анионный полимер на основе диоксида кремния, который содержит:

(I) агрегированные анионные частицы на основе диоксида кремния; или

(II) частицы на основе диоксида кремния, имеющие удельную площадь поверхности в интервале от 100 до 1700 м²/г, где содержание первого, второго и третьего анионных компонентов в расчете на сухую массу составляет от 0,01 до 50% по массе.

Настоящее изобретение дополнительно относится к применению композиции в качестве флокулирующего агента в изготовлении целлюлозной массы и бумаги и для очистки воды.

Подробное описание изобретения

В соответствии с настоящим изобретением было обнаружено, что водоотвод и удерживание могут быть улучшены без какого-либо значительного ухудшения качества формования или даже с улучшениями в формовании бумаги посредством способа, который включает добавление трех различных анионных компонентов, то есть первого, второго и третьего анионных компонентов, к водной целлюлозной суспензии после последней точки интенсивного воздействия усилия сдвига. Предпочтительно, после добавления первого, второго и третьего анионных компонентов полученная целлюлозная суспензия подается в головной резервуар и выталкивается на проволочную сетку, где ее обезвоживают до образования бумаги. Предпочтительно, перед добавлением первого, второго и третьего анионных компонентов целлюлозную суспензию предварительно обрабатывают посредством добавления катионного материала.

Настоящее изобретение обеспечивает улучшения водоотвода и удерживания при изготовлении бумаги из всех типов целлюлозных суспензий, в частности суспензий, содержащих древесную массу или повторно используемую целлюлозную массу, и исходного сырья, имеющего высокое содержание солей (высокую проводимость) и коллоидных веществ, и в процессах бумажного производства с высокой степенью ограничения количества сточных вод, то есть с высокой степенью повторного использования сточных вод и ограниченной подачей свежей воды. Таким образом, настоящее изобретение делает возможным увеличить скорость бумагоделательной машины и использовать более низкие дозировки полимеров, что дает соответствующий результат в улучшении водоотведения и удерживании, тем самым обеспечивая улучшенный способ изготовления бумаги и экономические выгоды.

Первый анионный компонент

Первый анионный компонент в соответствии с изобретением представляет собой водорастворимый анионный органический полимер. Примеры подходящих водорастворимых анионных органических полимеров включают анионные полисахариды и анионные синтетические органические полимеры, предпочтительно анионные синтетические органические полимеры. Примеры подходящих водорастворимых анионных синтетических органических полимеров включают анионные ароматические полимеры реакции поликонденсации и анионные виниловые полимеры реакции полиприсоединения. Предпочтительно, водорастворимый анионный органический полимер является по существу линейным.

Примеры подходящих водорастворимых анионных полисахаридов включают анионные крахмалы, гуаровые смолы, производные целлюлозы, хитины, хитозаны, гликаны, галактаны, глюканы, ксантановые смолы, пектины, маннаны, декстрины, предпочтительно, крахмалы, гуаровые смолы и производные целлюлозы. Примеры подходящих крахмалов включают картофельный крахмал, кукурузный крахмал, пшеничный крахмал, тапиоковый крахмал, рисовый крахмал, крахмал воскового маиса и ячменный крахмал, предпочтительно картофельный крахмал.

Примеры подходящих водорастворимых анионных ароматических полимеров реакции поликонденсации включают анионные полимеры реакции поликонденсации на основе бензола и на основе нафталина, предпочтительно полимеры реакции поликонденсации на основе нафталинсульфокислоты и на основе нафталинсульфоната.

Примеры подходящих водорастворимых анионных синтетических органических полимеров включают анионные виниловые полимеры реакции полиприсоединения, полученные полимеризацией водорастворимого анионного или потенциально анионного мономера с этиленовой ненасыщенностью или, предпочтительно, смеси мономеров, содержащей один или более водорастворимых анионных или потенциально анионных мономеров с этиленовой ненасыщенностью, и, необязательно, одного или более других водорастворимых мономеров с этиленовой ненасыщенностью. Термин «потенциально анионный мономер», используемый в данном описании, предназначен для определения мономера, несущего потенциально ионизуемую группу, которая становится анионной, будучи включенной в полимер, при внесении в целлюлозную суспензию. Примеры подходящих анионных и потенциально анионных мономеров включают карбоновые кислоты с этиленовой ненасыщенностью и их соли, и сульфокислоты с этиленовой ненасыщенностью и их соли, например, (мет)акриловую кислоту и ее соли, соответственно (мет)акрилат натрия, сульфокислоты с этиленовой ненасыщенностью и их соли, например 2-акриламидо-2-метилпропансульфонат, сульфоэтил-(мет)акрилат, винилсульфокислоту и ее соли, стиролсульфонат, и паравинилфенол (гидроксистирол) и его соли. Предпочтительно, полимеризацию проводят при отсутствии или по существу при отсутствии сшивающего агента, в связи с этим образуются по существу линейные анионные синтетические органические полимеры.

Смесь мономеров может содержать один или более водорастворимых неионогенных мономеров с этиленовой ненасыщенностью. Примеры подходящих сополимеризуемых неионогенных мономеров включают акриламид и мономеры на основе акриламида, например метакриламид; N-алкил(мет)акриламиды, например N-метил(мет)акриламид, N-этил(мет)акриламид, N-н-пропил(мет)акриламид, N-изо-пропил(мет)акриламид, N-н-бутил(мет)акриламид, N-трет-бутил(мет)акриламид и N-изо-бутил(мет)акриламид; N-алкоксиалкил(мет)акриламиды, например N-н-бутоксиметил(мет)акриламид, и N-изобутоксиметил(мет)акриламид; N,N-диалкил(мет)акриламиды, например N,N-диметил(мет)акриламид; диалкиламиноалкил(мет)акриламиды; мономеры на основе акрилатов, подобные диалкиламиноалкил(мет)акрилатам; и виниламины. Смесь мономеров также может содержать один или более водорастворимых катионных или потенциально катионных мономеров с этиленовой ненасыщенностью, предпочтительно, в случае их присутствия, в меньших количествах. Термин «потенциально катионный мономер», используемый в этом описании, предназначен для определения мономера, несущего потенциально ионизуемую группу, которая становится катионной, будучи включенной в полимер, при внесении в целлюлозную суспензию. Примеры подходящих катионных мономеров включают мономеры, представленные приведенной ниже общей структурной формулой (I), и галогениды диаллилдиалкил-аммония, например хлорид диаллилдиметиламмония. Примеры предпочтительных сополимеризуемых мономеров включают (мет)акриламид, и примеры предпочтительных первых анионных компонентов включают анионный полимер на основе акриламида.

Первый анионный компонент в соответствии с изобретением может иметь среднемассовую молекулярную массу, по меньшей мере, приблизительно 2000, в особенности, по меньшей мере, 10000. Для анионных ароматических полимеров реакции поликонденсации среднемассовая молекулярная масса обычно составляет, по меньшей мере, приблизительно 2000, в особенности, по меньшей мере, 10000. Для анионных виниловых полимеров реакции полиприсоединения среднемассовая молекулярная масса обычно составляет, по меньшей мере, 500000, в особенности, по меньшей мере, приблизительно 1 миллион, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 2 миллиона и более предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 5 миллионов. Верхний предел не является критическим; он может составлять приблизительно 300 миллионов, обычно 50 миллионов и в особенности 30 миллионов.

Первый анионный компонент в соответствии с изобретением обычно имеет плотность заряда менее чем приблизительно 10 мэкв/г, в особенности менее чем приблизительно 6 мэкв/г, предпочтительно менее чем приблизительно 4 мэкв/г, более предпочтительно менее чем 2 мэкв/г. В особенности, плотность заряда находится в интервале от 0,5 до 10,0, предпочтительно от 1,0 до 4,0 мэкв/г.

Второй анионный компонент

Второй анионный компонент в соответствии с изобретением представляет собой диспергируемый в воде или разветвленный анионный органический полимер. Предпочтительно, второй анионный компонент представляет собой синтетический анионный органический полимер. Примеры подходящих диспергируемых в воде анионных органических полимеров включают поперечно-сшитые анионные органические полимеры и несшитые нерастворимые в воде анионные органические полимеры. Примеры подходящих разветвленных анионных органических полимеров включают водорастворимые анионные органические полимеры.

Примеры подходящих диспергируемых в воде и разветвленных анионных органических полимеров включают поперечно-сшитые и разветвленные полимеры, полученные полимеризацией смеси мономеров, содержащей один или более анионных или потенциально анионных мономеров с этиленовой ненасыщенностью и, необязательно, один или более других мономеров с этиленовой ненасыщенностью, в присутствии одного или более полифункциональных сшивающих агентов. Предпочтительно, мономеры с этиленовой ненасыщенностью являются водорастворимыми. Присутствие полифункционального сшивающего агента в смеси мономеров делает возможным получение разветвленных полимеров, полимеров с низкой степенью сшивки и полимеров с высокой степенью сшивки, которые являются диспергируемыми в воде.

Примеры подходящих анионных и потенциально анионных мономеров включают карбоновые кислоты с этиленовой ненасыщенностью и их соли, сульфокислоты с этиленовой ненасыщенностью и их соли, например любую из приведенных выше соответствующих кислот или их солей. Примеры подходящих полифункциональных сшивающих агентов включают соединения, имеющие, по меньшей мере, две связи этиленового типа, например N,N-метилен-бис(мет)акриламид, полиэтиленгликоль-ди(мет)акрилат, N-винил(мет)акриламид, дивинилбензол, триаллиламмониевые соли и N-метилаллил(мет)акриламид; соединения, имеющие связь этиленового типа и реакционноспособную группу, например глицидил(мет)акрилат, акролеин и метилол(мет)акриламид; и соединения, имеющие, по меньшей мере, две реакционноспособные группы, например диальдегиды, подобно как глиоксал, диэпокси-соединения и эпихлоргидрин.

Смесь мономеров может содержать один или более водорастворимых неионогенных мономеров с этиленовой ненасыщенностью. Примеры подходящих сополимеризуемых неионогенных мономеров включают акриламид и упомянутые выше неионогенные мономеры на основе акриламида и на основе акрилата и виниламины. Смесь мономеров также может содержать один или более водорастворимых катионных или потенциально катионных мономеров с этиленовой ненасыщенностью, предпочтительно, если присутствуют, то в меньших количествах. Примеры подходящих сополимеризуемых катионных мономеров включают мономеры, представленные вышеприведенной общей структурной формулой (I), и галогениды диаллилдиалкиламмония, например хлорид диаллилдиметиламмония.

Подходящие диспергируемые в воде и разветвленные анионные органические полимеры могут быть получены при использовании, по меньшей мере, 4 молярных частей на миллион, полифункционального сшивающего агента исходя из мономера, присутствующего в смеси мономеров, или, исходя из мономерных звеньев, присутствующих в полимере, предпочтительно от приблизительно 4 до приблизительно 6000 молярных частей на миллион, наиболее предпочтительно от 20 до 4000.

Примеры предпочтительного диспергируемого в воде или разветвленного анионного органического полимера включают диспергируемые в воде и разветвленные анионные полимеры на основе акриламида.

Примеры подходящих несшитых нерастворимых в воде анионных органических полимеров включают полимеры, полученные полимеризацией смеси мономеров, содержащей один или более нерастворимых в воде мономеров, один или более анионных или потенциально анионных мономеров с этиленовой ненасыщенностью, и, необязательно, один или более других мономеров с этиленовой ненасыщенностью. Примеры подходящих нерастворимых в воде мономеров включают стирол и мономеры на основе стирола, алкены, например этилен, пропилен, бутилены, и так далее. Примеры подходящих анионных и потенциально анионных мономеров включают карбоновые кислоты с этиленовой ненасыщенностью и их соли, сульфокислоты с этиленовой ненасыщенностью и их соли, например любую из упомянутых выше соответствующих кислот и их солей.

Подходящий диспергируемый в воде анионный органический полимер имеет размер ненабухших частиц менее чем приблизительно 1500 нм в диаметре, в особенности менее чем приблизительно 1000 нм и предпочтительно менее чем приблизительно 950 нм. Примеры подходящих диспергируемых в воде и разветвленных анионных органических полимеров включают соответствующие полимеры, раскрытые в патенте US Patent № 5167766, который таким образом включают в этом описании путем ссылки.

Третий анионный компонент

Третий анионный компонент в соответствии с изобретением представляет собой анионный кремнесодержащий материал. Примеры подходящих анионных кремнесодержащих материалов включают анионные неорганические полимеры на основе кремниевой кислоты и силикатов, то есть анионные полимеры на основе диоксида кремния, и глины монтмориллонитового типа, предпочтительно анионные полимеры на основе кремниевой кислоты или силикатов.

Подходящие анионные полимеры на основе диоксида кремния могут быть получены поликонденсацией кремнесодержащих соединений, например кремниевых кислот и силикатов, которые могут быть гомополимеризованы или сополимеризованы. Предпочтительно, анионные полимеры на основе диоксида кремния включают анионные частицы на основе диоксида кремния, размер которых находится в коллоидном диапазоне размера частиц. Анионные частицы на основе диоксида кремния обычно поставляют в виде водных коллоидных дисперсий, так называемых водных золей. Золи на основе диоксида кремния могут быть модифицированы и содержать другие элементы, например алюминий, бор, азот, цирконий, галлий и титан, которые могут присутствовать в водной фазе и/или в частицах на основе диоксида кремния. Примеры подходящих анионных частиц на основе диоксида кремния включают поликремниевые кислоты, микрогели на основе поликремниевых кислот, полимеризованные силикаты, микрогели на основе полимеризованных силикатов, коллоидный диоксид кремния, коллоидный модифицированный алюминием диоксид кремния, полиалюмосиликаты, микрогели на основе полиалюмосиликатов, полиборосиликаты и так далее. Примеры подходящих анионных частиц на основе диоксида кремния включают анионные частицы на основе диоксида кремния, раскрытые в патентах: U.S. Patent Nos. 4388150; 4927498; 4954220; 4961825; 4980025; 5127994; 5176891; 5368833; 5447604; 5470435; 5543014; 5571494; 5573674; 5584966; 5603805; 5688482 и 5707493, которые таким образом включены в данное описание путем ссылки.

Примеры подходящих анионных частиц на основе диоксида кремния включают анионные частицы на основе диоксида кремния, имеющие средний размер частиц меньше приблизительно 100 нм, предпочтительно меньше приблизительно 20 нм и более предпочтительно в интервале от приблизительно 1 до приблизительно 10 нм. Обычно в химии диоксида кремния размер частиц относится к среднему размеру первичных частиц, которые могут быть агрегированными или неагрегированными. Предпочтительно, анионный полимер на основе диоксида кремния включает агрегированные анионные частицы на основе диоксида кремния. Удельная площадь поверхности частиц на основе диоксида кремния в особенности составляет, по меньшей мере, 50 м²/г и предпочтительно, по меньшей мере, 100 м²/г. Как правило, удельная площадь поверхности может составлять вплоть до приблизительно 1700 м²/г и предпочтительно вплоть до 1000 м²/г. Удельную площадь поверхности измеряют посредством титрования с NaOH так, как описано в публикации G.W. Sears, Analytical Chemistry 28(1956): 12, 1981-1983 и в патенте US Patent № 5176891, после соответствующего удаления или корректировки количества любых соединений, присутствующих в образце, которые могут помешать титрованию, таких как алюминийсодержащие и борсодержащие вещества. Заданная площадь, таким образом, представляет собой среднюю удельную площадь поверхности частиц.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения, анионные частицы на основе диоксида кремния имеют удельную площадь поверхности в интервале от 50 до 1000 м²/г, более предпочтительно от 100 до 950 м²/г. Предпочтительно, частицы на основе диоксида кремния присутствуют в золе, имеющем S-значение в интервале от 8 до 50%, предпочтительно от 10 до 40%, содержащем частицы на основе диоксида кремния с удельной площадью поверхности в интервале от 300 до 1000 м²/г, в особенности от 500 до 950 м²/г, и предпочтительно от 750 до 950 м²/г, где золи, как упоминалось выше, могут быть модифицированы. S-значение измеряют и вычисляют так, как описали Ller & Dalton в публикации J. Phys. Chem. 60(1956), 955-957. S-значение указывает на степень агрегирования или образования микрогеля, и более низкое S-значение служит признаком более высокой степени агрегирования.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения, частицы на основе диоксида кремния имеют большую удельную площадь поверхности, в особенности более приблизительно 1000 м²/г. Удельная площадь поверхности может быть в интервале от 1000 до 1700 м²/г и предпочтительно от 1050 до 1600 м²/г.

Примеры подходящих глин монтмориллонитового типа включают вещества природного происхождения, синтетические вещества и химически обработанные вещества, например монтмориллонит, бентонит, гекторит, бейделит, нонтронит, сапонит, соконит, гормонит, аттапульгит и сепиолит, предпочтительно бентонит. Подходящие глины включают глины, раскрытые в патентах US Patent № 4753710; 5071512 и 5607552, которые таким образом включены в этом описании путем ссылки.

Дополнительные компоненты

Может быть желательно включить дополнительные компоненты в способе настоящего изобретения. Предпочтительно, такие компоненты добавляют в целлюлозную суспензию прежде, чем ее пропускают через последнюю точку интенсивного воздействия усилия сдвига, и такие компоненты могут быть добавлены в густую целлюлозную суспензию или в жидкую целлюлозную суспензию, которая может быть получена смешиванием густой целлюлозной суспензии со свежей водой и/или с повторно используемой в цикле сточной водой.

В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения, способ включает добавление катионного вещества к целлюлозной суспензии перед последней точкой интенсивного воздействия усилия сдвига. Примеры подходящих катионных веществ включают катионные органические полимеры и катионные неорганические вещества. Примеры подходящих катионных органических полимеров включают катионные полисахариды, катионные синтетические полимеры и катионные органические флокулянты. Примеры подходящих катионных неорганических веществ включают катионные неорганические коагулянты.

Примеры подходящих катионных полисахаридов включают катионные крахмалы, гуаровые смолы, производные целлюлозы, хитины, хитозаны, гликаны, галактаны, глюканы, ксантановые смолы, пектины, маннаны, декстрины, предпочтительно крахмалы, гуаровые смолы и производные целлюлозы. Примеры подходящих крахмалов включают картофельный крахмал, кукурузный крахмал, пшеничный крахмал, тапиоковый крахмал, рисовый крахмал, крахмал воскового маиса и ячменный крахмал, предпочтительно картофельный крахмал.

Примеры подходящих катионных синтетических полимеров включают водорастворимые с высокой молекулярной массой катионные синтетические органические полимеры, например катионные полимеры на основе акриламида; поли(диаллилдиалкиламмоний-галогениды), например поли(диаллилдиметиламмоний-хлорид); полиэтиленимины; полиамидоамины; полиамины; и полимеры на основе виниламинов. Примеры подходящих водорастворимых с высокой молекулярной массой катионных синтетических органических полимеров включают полимеры, полученные полимеризацией водорастворимого катионного или потенциально катионного мономера с этиленовой ненасыщенностью или, предпочтительно, смеси мономеров, содержащей один или более водорастворимых катионных или потенциально катионных мономеров с этиленовой ненасыщенностью и, необязательно, один или более других водорастворимых мономеров с этиленовой ненасыщенностью.

Примеры подходящих водорастворимых катионных мономеров с этиленовой ненасыщенностью включают галогениды диаллилдиалкиламмония, например хлорид диаллилдиметиламмония и катионные мономеры, представленные общей структурной формулой (I)

в которой R₁ представляет собой Н или СН₃; R₂ и R₃ представляют собой, каждый, Н или, предпочтительно, углеводородную группу, в особенности алкил, имеющий от 1 до 3 атомов углерода, предпочтительно от 1 до 2 атомов углерода; А представляет собой О или NH; В представляет собой алкильную или алкиленовую группу, имеющую от 2 до 8 атомов углерода, в особенности от 2 до 4 атомов углерода, или гидроксипропиленовую группу; R₄ представляет собой Н или, предпочтительно, углеводородную группу, в особенности алкил, имеющий от 1 до 4 атомов углерода, предпочтительно от 1 до 2 атомов углерода, или заместитель, содержащий ароматическую группу, в особенности фенильную или замещенную фенильную группу, которая может быть присоединена к азоту посредством алкиленовой группы, обычно имеющей от 1 до 3 атомов углерода, в особенности от 1 до 2 атомов углерода, где подходящий R₄ включает бензильную группу (-СН₂-С₆Н₅); и Х^- представляет собой анионный противоион, обычно галогенидный ион, например хлоридный ион.

Примеры подходящих мономеров, представленных общей структурной формулой (I), включают четвертичные мономеры, полученные обработкой диалкиламиноалкил(мет)акрилатов, например диметиламиноэтил(мет)акрилата, диэтиламиноэтил(мет)акрилата и диметиламиногидроксипропил(мет)акрилата, и диалкиламиноалкил(мет)акриламидов, например диметиламиноэтил(мет)акриламида, диэтиламиноэтил(мет)акриламида, диметиламинопропил(мет)акриламида, и диэтиламинопропил(мет)акриламида, посредством метилхлорида или бензилхлорида. Предпочтительные катионные мономеры общей формулы (I) включают диметиламиноэтилакрилат-метилхлоридную четвертичную соль, диметиламиноэтилметакрилат-метилхлоридную четвертичную соль, диметиламиноэтилакрилат-бензилхлоридную четвертичную соль и диметиламиноэтилметакрилат-бензилхлоридную четвертичную соль.

Смесь мономеров может содержать один или более водорастворимых неионогенных мономеров с этиленовой ненасыщенностью. Примеры подходящих неионогенных мономеров включают акриламид и вышеупомянутые неионогенные мономеры на основе акриламида и на основе акрилата и виниламины. Смесь мономеров также может содержать один или более водорастворимых анионных или потенциально анионных мономеров, предпочтительно, если присутствуют, то в меньших количествах. Примеры подходящих сополимеризуемых анионных и потенциально анионных мономеров включают карбоновые кислоты с этиленовой ненасыщенностью и их соли, и сульфокислоты с этиленовой ненасыщенностью и их соли, например, любую одну из упомянутых выше соответствующих кислот и их солей. Примеры предпочтительных сополимеризуемых мономеров включают акриламид и метакриламид, то есть (мет)акриламид, и примеры предпочтительных катионных синтетических органических полимеров с высокой молекулярной массой включают катионный полимер на основе акриламида.

Катионные синтетические органические полимеры с высокой молекулярной массой могут иметь среднемассовую молекулярную массу, по меньшей мере, 500000, в особенности, по меньшей мере, приблизительно 1 миллион и предпочтительно более приблизительно 2 миллиона. Верхний предел не является критическим; он может составлять приблизительно 30 миллионов, обычно 20 миллионов.

Примеры подходящих катионных органических коагулянтов включают катионные полиамины, полиамидамины, полиэтиленимины, дициандиамидные полимеры реакции поликонденсации и сильно катионные виниловые полимеры реакции полиприсоединения с низкой молекулярной массой. Примеры подходящих катионных неорганических коагулянтов включают алюминийсодержащие соединения, такие как квасцы и полиалюминийсодержащие соединения, например полиалюминийхлориды.

Добавление компонентов

В соответствии с настоящим изобретением, первый, второй и третий анионные компоненты добавляют к водной целлюлозной суспензии после того, как ее пропустили через все стадии интенсивного механического воздействия усилия сдвига, но до водоотвода. Примеры стадий интенсивного механического воздействия усилия сдвига включают стадии накачивания и очистки/фильтрации. Например, такие стадии воздействия усилия сдвига присутствуют, когда целлюлозную суспензию пропускают через лопастные насосы, сетчатые фильтры под давлением и фильтровальные машины. В особенности, последняя точка интенсивного воздействия усилия сдвига присутствует на фильтровальной машине и, следовательно, первый, второй и третий анионные компоненты соответственно добавляют к целлюлозной суспензии после прохождения фильтровальной машины. Предпочтительно, после добавления первого, второго и третьего анионных компонентов целлюлозную суспензию подают в головной резервуар бумагоделательной машины, из которого суспензия выталкивается на формовочную проволочную сетку для водоотвода.

Первый, второй и третий анионные компоненты могут быть добавлены к целлюлозной суспензии по отдельности или одновременно. Когда компоненты добавляют отдельно, они могут быть добавлены в любом порядке. В особенности, первый анионный компонент добавляют до добавления второго и третьего анионных компонентов, второй компонент может быть добавлен до добавления третьего компонента, одновременно с ним или после добавления третьего компонента. Альтернативно, первый анионный компонент соответственно добавляют к целлюлозной суспензии одновременно со вторым анионным компонентом и затем добавляют третий анионный компонент.

При одновременном добавлении компонентов, первый, второй и третий анионные компоненты могут быть добавлены по отдельности и/или в виде смеси. Примеры подходящих одновременных добавлений включают раздельное добавление трех компонентов и добавление одного из компонентов отдельно и двух компонентов в виде смеси. Настоящее изобретение дополнительно относится к композиции, содержащей вышеупомянутые первый, второй и третий компоненты, и к ее применению. Соответственно, композицию используют в качестве флокулирующего агента в производстве целлюлозной массы и бумаги и для очистки воды. Предпочтительно, композицию применяют в качестве водоотводящего и удерживающего средства в бумажном производстве, необязательно в комбинации с катионным материалом, например любым одним из катионных материалов, раскрытых в этом описании. Предпочтительно, композиция является водной, и первый, второй и третий анионные компоненты могут присутствовать в содержимом сухой массы при концентрации от 0,01 до 50% по массе, в особенности от 0,1 до 30% по массе. Первый, второй и третий анионные компоненты могут присутствовать в композиции в массовом соотношении 0,05-10:0,05-10:1, предпочтительно 0,1-2:0,1-2:1. Композиция в соответствии с изобретением может быть легко получена смешением первого, второго и третьего компонентов, предпочтительно при перемешивании.

Первый, второй и третий анионные компоненты в соответствии с изобретением могут быть добавлены к целлюлозной суспензии, которая должна быть обезвожена, в количествах, которые могут варьироваться в широких пределах. Как правило, первый, второй и третий анионные компоненты добавляют в количествах, которые дают лучшие водоотвод и удержание по сравнению с тем, когда не добавляют полимеры. Первый анионный компонент обычно добавляют в количестве, по меньшей мере, приблизительно 0,001% по массе, часто, по меньшей мере, приблизительно 0,005% по массе, рассчитанном как сухой полимер на безводную целлюлозную суспензию, и верхний предел обычно составляет приблизительно 2,0 и в особенности приблизительно 1,5% по массе. Подобным образом, второй анионный компонент обычно добавляют в количестве, по меньшей мере, приблизительно 0,001% по массе, часто, по меньшей мере, приблизительно 0,005% по массе, рассчитанном как сухой полимер на безводную целлюлозную суспензию, и верхний предел обычно составляет приблизительно 2,0 и в особенности приблизительно 1,5% по массе. Аналогично, третий анионный компонент обычно добавляют в количестве, по меньшей мере, приблизительно 0,001% по массе, часто, по меньшей мере, приблизительно 0,005% по массе, рассчитанном как сухая добавка (обычно сухой SiO₂ или сухая глина) на безводную целлюлозную суспензию, и верхний предел обычно составляет приблизительно 2,0 и в особенности приблизительно 1,5% по массе. Когда применяют композицию в соответствии с изобретением, ее обычно добавляют в количестве, по меньшей мере, приблизительно 0,003% по массе, часто, по меньшей мере, приблизительно 0,005% по массе, рассчитанном как сухое вещество на безводную целлюлозную суспензию, и верхний предел обычно составляет приблизительно 5,0 и в особенности приблизительно 3,0% по массе.

При использовании катионного материала в способе, такой материал может быть добавлен в количестве, по меньшей мере, приблизительно 0,001% по массе, рассчитанном как сухой материал на безводную целлюлозную суспензию, в особенности, количество находится в интервале от приблизительно 0,05 вплоть до приблизительно 3,0%, предпочтительно в интервале от приблизительно 0,1 вплоть до приблизительно 2,0%.

Способ этого изобретения применим ко всем процессам изготовления бумаги и целлюлозным суспензиям, и он является особенно полезным в производстве бумаги из исходного сырья, которое имеет высокую проводимость. В таких случаях проводимость исходного сырья, которое обезвоживают на проволочной сетке, составляет обычно, по меньшей мере, приблизительно 1,0 мСм/см, предпочтительно, по меньшей мере, 3,0 мСм/см, и более предпочтительно, по меньшей мере, 5,0 мСм/см. Проводимость может быть измерена на стандартном оборудовании, таком как, например, прибор WTW LF 539, поставляемый от Christian Berner.

Настоящее изобретение дополнительно охватывает способы изготовления бумаги, где сточную воду в высокой степени используют повторно или рециркулируют, то есть с высокой степенью ограничения количества сточной воды, например, где от 0 до 30 тонн свежей воды используют на тонну полученной сухой бумаги, обычно менее чем 20, предпочтительно менее чем 15, более предпочтительно менее чем 10 и особенно менее чем 5 тонн свежей воды на тонну бумаги. Свежая вода может быть введена в процесс на любой стадии; например, свежая вода может быть смешана с целлюлозными волокнами для того, чтобы образовать целлюлозную суспензию, и свежая вода может быть смешана с густой целлюлозной суспензией для ее разбавления с тем, чтобы образовать жидкую целлюлозную суспензию, в которую впоследствии добавляют первый, второй и третий анионные компоненты.

Способ в соответствии с изобретением используют для изготовления бумаги. Термин «бумага», используемый в этом описании, непременно включает не только бумагу и ее изготовление, но также другие полотноподобные продукты, такие как, например, толстый/плотный картон и картонка, и их изготовление. Способ может быть применен в изготовлении бумаги из различных типов суспензий целлюлозных волокон, и суспензии должны предпочтительно содержать, по меньшей мере, 25% и более предпочтительно, по меньшей мере, 50% по массе таких волокон, исходя из сухого вещества. Суспензии могут быть на основе волокон из древесной целлюлозной массы, такой как сульфатная и сульфитная целлюлоза, термомеханическая древесная масса, хемотермомеханическая древесная масса, органозольная древесная масса, рафинерная древесная масса или древесная дефибрерная масса как из твердой древесины, так и из мягкой древесины, или волокон, полученных из однолетних растений, таких как пеннисетум красный, багасса/выжимки, лен, солома и так далее, и также могут быть использованы суспензии на основе повторно используемых волокон. Изобретение предпочтительно применяют в процессах изготовления бумаги из суспензий, содержащих древесное сырье.

Суспензия также содержит минеральные наполнители традиционных типов, такие как, например, каолин, глина, диоксид титана, гипс, тальк и как природные, так и синтетические карбонаты кальция, такие как, например, мел, измельченный мрамор, измельченный карбонат кальция, и осажденный карбонат кальция. Исходное сырье также, конечно, может содержать добавки традиционных для изготовления бумаги типов, такие как агенты, улучшающие влагопрочность, клеящие вещества, такие как клеящие вещества на основе канифоля, кетеновых димеров, кетеновых мультимеров, алкениловых янтарных ангидридов и так далее.

Предпочтительно изобретение применяют на бумагоделательных машинах, производящих бумагу, содержащую древесное сырье, и бумагу на основе повторно использованных волокон, такую как SC, LWC и различные типы бумаги для книг и газет, и на машинах, производящих печатную и писчую бумагу без древесной массы, где термин без древесной массы означает, что менее чем приблизительно 15% волокон содержат древесное сырье. Примеры предпочтительных применений изобретения включают изготовление бумаги и слоя для многослойной бумаги из целлюлозных суспензий, содержащих, по меньшей мере, 50% по массе древесно-целлюлозных и/или повторно используемых волокон. Предпочтительно изобретение применяют на бумагоделательных машинах, функционирующих на скорости от 300 до 3000 м/мин и более предпочтительно от 500 до 2500 м/мин.

Изобретение дополнительно иллюстрируют в следующих примерах, которые, однако, не предназначены для ограничения вышеозначенного изобретения. Доли и % относятся к долям по массе и к % по массе, соответственно, если не установлено иначе.

Пример 1

В примерах для иллюстрации настоящего изобретения были использованы следующие компоненты:

А1: Водорастворимый анионный полимер на основе акриламида, полученный полимеризацией акриламида (80 мольных %) и акриловой кислоты (20 мольных %), полимер, имеющий среднемассовую молекулярную массу приблизительно 12 миллионов и плотность анионного заряда приблизительно 2,6 мэкв/г.

А2: Диспергируемый в воде поперечно-сшитый анионный полимер на основе акриламида, полученный полимеризацией акриламида (30 мольных %), акриловой кислоты (70 мольных %) в присутствии N,N-метилен-бис(мет)акриламида в качестве сшивающего агента (350 миллионных долей (м.д.)), полимер, имеющий плотность анионного заряда приблизительно 8,5 мэкв/г.

А3: Анионный неорганический полимер реакции поликонденсации кремниевой кислоты в виде коллоидного модифицированного алюминием золя диоксида кремния, имеющего S-значение приблизительно 21 и содержащего частицы на основе диоксида кремния с удельной площадью поверхности приблизительно 800 м²/г.

А123: Смесь вышеупомянутых компонентов А1, А2 и А3 в массовом соотношении сухих веществ 0,2:0,2:1.

С1: Катионный полиалюминийхлорид с плотностью катионного заряда приблизительно 8,0 мэкв/г.

С2: Катионный полимер на основе акриламида, полученный полимеризацией акриламида (90 мольных %) и хлорида акрилоксиэтилтриметиламмония (10 мольных %), полимер, имеющий среднемассовую молекулярную массу приблизительно 6 миллионов и плотность катионного заряда приблизительно 1,2 мэкв/г.

С3: Катионный полимер на основе акриламида, полученный полимеризацией акриламида (60 мольных %) и хлорида акрилоксиэтилтриметиламмония (40 мольных %), полимер, имеющий среднемассовую молекулярную массу приблизительно 3 миллиона и плотность катионного заряда приблизительно 1,2 мэкв/г.

С4: Катионный крахмал, полученный обработкой природного крахмала хлоридом 2,3-гидроксипропил-триметиламмония с достижением D.S. 0,11, полимер, имеющий плотность катионного заряда приблизительно 0,6 мэкв/г.

Пример 2

Характеристики водоотвода оценивают посредством Динамического Анализатора Водоотведения (Dynamic Drainage Analyser - DDA ), доступного в Akribi, Швеция, который измеряет время дренирования заданного объема целлюлозной суспензии через проволочную сетку, когда удаляют пробку и подводят вакуум к той стороне проволочной сетки, которая является оборотной для стороны, на которой присутствует целлюлозная суспензия.

Характеристики удержания оценивают посредством нефелометра, доступного в Novasina, Швейцария, путем измерения мутности фильтрата, сточной воды, полученной при дренировании целлюлозной суспензии. Мутность измеряют в NTU (Nephelometric Turbidity Units - Нефелометрических единицах мутности).

Целлюлозная суспензия, использованная в испытании, получена на основе волокнистого материала, включающего 75% TMP и 25% DIP, и отбеливающей воды из бумажной фабрики. Консистенция (подвижность) составляет 0,60%, рН составляет 7,4 и проводимость целлюлозной суспензии составляет 1,5 мСм/см.

Для того чтобы смоделировать условия добавления до и после последних точек интенсивного воздействия усилия сдвига, целлюлозную суспензию перемешивают в широкогорлой емкости с отбойными перегородками при различных скоростях перемешивания. Перемешивание и создание условий интенсивного воздействия усилия сдвига выполняют в соответствии со следующим:

(i) перемешивание при 1000 оборотах в минуту в течение 25 секунд;

(ii) перемешивание при 2000 оборотах в минуту в течение 10 секунд;

(iii) перемешивание при 1000 оборотах в минуту в течение 15 секунд; и

(iv) обезвоживание сырья.

Добавления к целлюлозной суспензии выполняют следующим образом (уровни добавления, кг/т):

Добавления, если это имеет место, выполняют за 45, 25, 15, 10 и 5 секунд до обезвоживания, что соответствует добавлениям, обозначенным Доб.45, Доб.25, Доб.15, Доб.10 и Доб.5 соответственно в таблице 1. Добавления, обозначенные Доб.15, Доб.10 и Доб.5 выполняют соответственно после последней точки интенсивного воздействия усилия сдвига.

Таблица 1 показывает водоотводящий (обезвоживающий) и удерживающий результат, полученный наблюдением. В таблице 1, Время водоотв. означает время водоотвода (обезвоживания) и Мутн. означает мутность. Уровни добавления приведены как сухая добавка (рассчитанная на сухой полимер, сухой Al₂O₃ и сухой

SiO₂) на безводную целлюлозную суспензию.

Испытание № 1 показывает результат без каких-либо добавок. Испытания №№ 2-4 иллюстрируют способы, в которых применяют добавки, использованные для сравнения, и Испытания №№ 5-15 иллюстрируют способы в соответствии с изобретением.

Из таблицы 1 видно, что способы в соответствии с изобретением обеспечивают улучшенные характеристики водоотвода и удержания, принимая во внимание сравнительные способы.

Пример 3

Характеристики водоотвода оценивают, используя методику в соответствии с примером 2. Целлюлозная суспензия, использованная в испытаниях, получена на основе волокнистого материала, включающего 75% TMP и 25% DIP, и отбеливающей воды из бумажной фабрики. Консистенция (подвижность) составляет 0,94%, рН составляет 7,1 и проводимость целлюлозной суспензии составляет 1,4 мСм/см.

Таблица 2 показывает результат водоотведения (обезвоживания), полученный наблюдением. Уровни добавления приведены как сухая добавка (рассчитанная на сухой полимер и сухой SiO₂) на безводную целлюлозную суспензию.

Испытание № 1 показывает результат без каких-либо добавок. Испытания №№ 2-7 иллюстрируют способы, в которых применяют добавки, использованные для сравнения, и Испытания №№ 8-10 иллюстрируют способы в соответствии с изобретением. В Испытании № 9 компоненты А1, А2 и А3 добавляют отдельно за 10 секунд до обезвоживания. В Испытании № 10 компоненты А2 и А3 добавляют отдельно за 5 секунд до обезвоживания.

Из таблицы 2 видно, что способы в соответствии с изобретением обеспечивают улучшенные характеристики водоотвода и удержания, принимая во внимание сравнительные способы.

Пример 4

Характеристики удержания оценивают, используя методику примера 2. Целлюлозная суспензия, использованная в испытаниях, получена на основе волокнистого материала, включающего 75% TMP и 25% DIP, и отбеливающей воды из бумажной фабрики. Консистенция (подвижность) составляет 0,61%, рН составляет 7,7 и проводимость целлюлозной суспензии составляет 1,6 мСм/см.

Таблица 3 показывает результат удерживания, полученный наблюдением. Уровни добавления приведены как сухая добавка (рассчитанная на сухой полимер и сухой SiO₂) на безводную целлюлозную суспензию.

Испытание № 1 показывает результат без каких-либо добавок. Испытания №№ 2-11 иллюстрируют способы, в которых применяют добавки, использованные для сравнения, и Испытания №№ 12-15 иллюстрируют способы в соответствии с изобретением. В Испытании № 13 компоненты А1, А2 и А3 добавляют отдельно за 10 секунд до обезвоживания. В Испытаниях №№ 14 и 15 компоненты А1, А2 и А3 предварительно смешивают с образованием компонента А123, который добавляют соответственно за 10 и за 5 секунд до обезвоживания.

Из таблицы 3 видно, что способы в соответствии с изобретением обеспечивают улучшенные характеристики водоотвода и удержания, принимая во внимание сравнительные способы.

Реферат

Способ (варианты) касается изготовления бумаги и может быть использован в целлюлозно-бумажной промышленности. Способ включает: (i) предоставление водной суспензии, содержащей целлюлозные волокна, (ii) добавление к суспензии после последней точки интенсивного воздействия усилия сдвига: (а) первого анионного компонента, который представляет собой водорастворимый анионный органический полимер; (b) второго анионного компонента, который представляет собой диспергируемый в воде или разветвленный анионный органический полимер; и (с) третьего анионного компонента, который представляет собой анионный кремнесодержащий материал; и (iii) обезвоживание полученной суспензии для образования бумаги. Касается также композиции (варианты), которая содержит первый, второй и третий анионные компоненты, и применения композиции в качестве флокулирующего агента в производстве целлюлозной массы и бумаги и для очистки воды. Техническим результатом является улучшение водоотвода и удержание при изготовлении бумаги из всех типов целлюлозных суспензий, увеличение скорости бумагоделательной машины и снижение используемых дозировок полимера. 6 н. и 50 з.п. ф-лы, 3 табл.

Формула