Композиция для мелования бумаги с усовершенствованными носителями для оптических отбеливателей - RU2245952C2

Описание

Настоящее изобретение относится к композиции для мелования бумаги, которая повышает оптическую яркость бумаги. Объектом настоящего изобретения является композиция для мелования бумаги, которая включает усовершенствованный носитель для оптических отбеливателей, что повышает эффективность системы.

Предпосылки создания изобретения

До создания настоящего изобретения у производителей мелованной бумаги часто возникала потребность в достижении высокой яркости у готовой мелованной бумажной продукции с целью улучшить зрительное восприятие бумаги. Таким образом, с целью повысить яркость бумаги для производителей бумаги стало установившейся практикой применение в качестве компонентов композиций для мелования бумаги пигментов с высокой яркостью, таких, как карбонат кальция и диоксид титана, и введение флуоресцентных агентов.

Действие таких флуоресцентных агентов (чаще называемых "оптическими отбеливателями") основано на поглощении тех волн светового излучения, длина которых соответствует ультрафиолетовому диапазону спектра, и повторном излучении этих световых волн в видимой части спектра.

Недостаток применения таких оптических отбеливателей (ООт) заключается в том, что их эффективность, если их использовать без других, повышающих активность добавок, относительно низка. У ООт отсутствует присущее им сродство к пигментам и синтетическим латексам, вследствие чего в современном меловании они оказываются относительно неэффективными, если их не использовать вместе с некоторыми другими компонентами композиций для мелования, которые обладают сродством к ООт. Таким образом, в бумажной промышленности становится обычной практикой применение ООт в сочетании с другими добавками, известными как "носители для ООт", которые, как установлено опытным путем, повышают эффективность ООт в средствах для мелования бумаги.

Обычно к носителям для ООт, которые в настоящее время используют в промышленности, относятся поливиниловый спирт и натрийкарбоксиметилцеллюлоза. Другими упомянутыми в литературе материалами, которые способны повысить активность ООт, являются гидроксиэтилцеллюлоза, крахмал, казеин, меламино-формальдегидные смолы, мочевино-формальдегидные смолы и полигликоли. Многими из этих материалов являются совместные связующие вещества, обычно применяемые в средствах для мелования, и некоторые сшивающие агенты. Следовательно, эти материалы являются полезными инструментами для предоставления бумажной промышленности возможности эффективного применения таких ООт.

Существует потребность в том, чтобы совместное применение ООт с выбранным носителем обеспечивало достижение того уровня повышенной яркости мелованной бумаги, который был бы недостижимым при использовании известных до сих пор ООт и носителя.

В US №5622749 описано применение ПВС (поливинилового спирта) или КМЦ (карбоксиметилцеллюлозы) в качестве диспергатора или вспомогательного вещества вместе с флуоресцентными отбеливателями. В публикации JP-B 90023639 описано применение ПВС или его производных в качестве вспомогательного средства для отбеливания вместе с ООт стильбенового типа с целью предотвратить обесцвечивание или пожелтение под действием света или тепла.

В публикации JP-A (86) 61014979 описано применение водорастворимых производных целлюлозы, таких, как гидроксиэтилцеллюлоза, в качестве носителя для анионоактивного флуоресцентного агента. В публикации DE-A 2017276 описано усовершенствование композиции, включающей пигмент, связующее вещество, анионоактивный диспергатор, необязательно ООт и обычные добавки, диспергированные в воде, добавлением поливинилпирролидона для улучшения действия ООт.

В US №3892675 описано применение не обладающих достаточной водорастворимостью ООт в композициях для мелования, включающих в качестве наполнителей белые пигменты, такие, как глины и поливинилацетатный латекс как единственное связующее вещество; в качестве загустителей для этих композиций описаны простые эфиры целлюлозы, такие, как КМЦ. В работе J.D.Barnard, опубликованной под названием "The Role of OBAs and Crosslinking Agents" в Paper Technology, 33, №9, на сс. с 24 по 30 (1992), описана роль ООт и сшивающих агентов в достижении яркости и водостойкости бумаги. На с.25 этой публикации перечислены все вышеупомянутые носители для ООт.

Краткое изложение сущности изобретения

Объектом настоящего изобретения является система добавок к средствам для мелования бумаги с низковязкими неионогенными водорастворимыми полисахаридными производными, которые используют в качестве носителей для оптически отбеливающих флуоресцентных агентов в средствах для мелования пигментированной бумаги. Бумага, мелованная с помощью этих композиций, обладает значительно более белой поверхностью, чем бумага, мелованная с применением тех же ООт, но без таких полисахаридных производных.

Настоящее изобретение применимо также при обработке в клеильном прессе нанесением на бумагу крахмального покрытия. В этом случае в качестве основных компонентов какие-либо пигменты, по-видимому, отсутствуют, а присутствуют только крахмал, ООт и носитель.

Объектом настоящего изобретения является композиция для мелования бумаги, включающая оптический отбеливатель (ООт) и низковязкое неионогенное водорастворимое полисахаридное производное, которое в виде раствора в воде проявляет вязкость по Брукфилду при концентрации полимера 5 мас.% и комнатной температуре (25°С) меньше примерно 1500 сП, причем это средство для мелования бумаги обеспечивает повышенную степень оптической яркости в сравнении с достигаемой с использованием такой же композиции без неионогенного водорастворимого полисахаридного производного.

Объектом настоящего изобретения является также способ отбеливания бумаги, включающий мелование бумаги вышеупомянутой композицией.

Кроме того, объектом настоящего изобретения является мелование бумаги вышеупомянутой композицией.

Объектом настоящего изобретения является, кроме того, способ приготовления вышеупомянутой композиции для мелования бумаги, включающий совмещение оптического отбеливателя с водорастворимым неионогенным полисахаридным производным, которое в виде раствора проявляет вязкость по Брукфилду, когда оно растворено в воде при концентрации полимера 5 мас.%, при температуре 25°С меньше 1500 сП.

Подробное описание изобретения

Было установлено, что низкомолекулярные варианты неионогенных водорастворимых полисахаридных производных, когда их применяют в сочетании с некоторыми другими добавками, известными как флуоресцентные агенты, в качестве компонентов композиции для мелования бумаги, неожиданно повышают яркость мелованной бумаги или придают другие преимущества в отличие от известных в данной области техники систем добавок.

Предпочтительными в соответствии с настоящим изобретением полисахаридными производными являются неионогенные водорастворимые простые эфиры целлюлозы. Примерами простых эфиров целлюлозы являются гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ), гидроксипропилцеллюлоза (ГПЦ), метилцеллюлоза (МЦ), метилгидроксиэтилцеллюлоза (МГЭЦ), метилгидроксипропилцеллюлоза (МГПЦ), этилгидроксиэтилцеллюлоза (ЭГЭЦ), гидроксиэтилметилцеллюлоза (ГЭМЦ), гидроксипропилметилцеллюлоза (ГПМЦ), гидроксиэтилированная хьюаровая камедь, гидроксипропилированная хьюаровая камедь, гидроксиэтилированный крахмал и гидроксипропилированный крахмал. Предлагаемые по настоящему изобретению полисахаридные производные могут быть также гидрофобно модифицированы С₄-С₂₈алкильными, -арильными или -арилалкильными группами. Предпочтительный простой эфир целлюлозы представляет собой низкомолекулярную ГЭЦ.

Настоящее изобретение по существу заключается в согласованном применении в средстве для мелования пигментированной бумаги двух следующих компонентов: 1) низковязкое водорастворимое неионогенное полисахаридное производное целлюлозы и 2) флуоресцентный агент. Когда эти два компонента используют в качестве добавок в стандартной композиции для мелования пигментированной бумаги, которая также включает пигмент и связующее вещество, они сообщают мелованной бумаге более высокую яркость, чем придавал бы такой бумаге использованный самостоятельно либо ООт, либо водорастворимый полимер.

В типичной практике мелования бумаги композицию для мелования готовят диспергированием пигментов, таких, как каолин и карбонат кальция, в воде, после чего добавляют связующее вещество, такое, как полистирол-бутадиеновый сополимер и/или водный раствор термообработанного крахмала. В средстве для мелования в небольших количествах могут также содержаться другие компоненты для мелования бумаги, такие, как модификаторы реологических свойств, биоциды, смазочные материалы, пеногасители, сшивающие агенты и добавки для регулирования рН.

Примерами пигментов, которые могут быть использованы в композициях для мелования, являются каолин, карбонат кальция (мел), фарфоровая глина, аморфный диоксид кремния, силикаты, сульфат бария, сатинит, тригидрат алюминия, тальк, диоксид титана и их смеси. Примерами связующих веществ служат крахмал, казеин, соевый белок, поливинилацетат, стирол-бутадиеновый латекс, акрилатный латекс, винилакриловый латекс и их смеси. Другими компонентами, которые могут входить в состав композиции для мелования бумаги, являются, например, диспергаторы, такие, как полиакрилаты, смазочные материалы, такие, как соли стеариновой кислоты, консерванты, пеногасители, которые могут быть либо на масляной основе, такие, как диоксид кремния, диспергированный в нефтяном масле, либо на водной основе, такие, как гексаленгликоль, добавки для регулирования рН, такие, как гидроксид натрия, модификаторы реологических свойств, такие, как альгинаты натрия, карбоксиметилцеллюлоза, крахмал, белок, высоковязкая гидроксиэтилцеллюлоза, и щелочерастворимые латексы.

В соответствии с настоящим изобретением водорастворимое полисахаридное производное в композицию для мелования вводят в дозируемом количестве, верхний предел которого составляет примерно 3,0 част. основного вещества в пересчете на пигментный компонент. Предпочтительный верхний предел равен примерно 2,0 част., а более предпочтительно примерно 1,0 част. Нижний предел полисахаридного производного составляет примерно 0,1 част., предпочтительно примерно 0,2 част., а более предпочтительно примерно 0,3 част.

Раствор низковязких полисахаридных производных по настоящему изобретению, когда их растворяют в соотношении 5 мас.част. полимера на 95 част. воды, проявляет вязкость в диапазоне меньше 1500 сП, как это определяют измерением вязкости с помощью стандартного прибора Брукфилда при комнатной температуре. Предпочтительная вязкость должна составлять меньше 1000 сП, а более предпочтительно меньше 500 сП.

Преимущества от применения таких водорастворимых полимеров в сравнении с использованием в данной области техники высоковязких водорастворимых полисахаридов состоит в том, что такие низковязкие добавки можно вводить в композицию для мелования бумаги в относительно больших количествах, не вызывая чрезмерного загущения композиции для мелования, которое ограничивало бы простоту их дозирования в бумажное полотно.

Для повышения легкости введения в композиции для мелования бумаги полисахаридные производные могут быть приготовлены в виде концентрированной водной суспензии (см. US №№4883536 и 5028263). Так, например, концентрированные суспензии полисахаридных производных могут быть приготовлены растворением по запатентованному способу специально предназначенных неорганических диспергаторов и стабилизаторов в воде и последующим добавлением в полученный раствор 25 мас.% полисахаридного производного. Так, например, на основе этой патентованной технологии на фирме Hercules Incorporated были созданы технические продукты (т.е. псевдоожиженная полимерная суспензия ADMIRAL® 3089FS, псевдоожиженная полимерная суспензия ADMIRAL® 2089FS и псевдоожиженная полимерная суспензия ADMIRAL” 1089FS). Псевдоожиженная полимерная суспензия ADMIRAL® 3089FS включает ГЭЦ полимер, который, когда его добавляют в воду в таком количестве, что концентрация ГЭЦ составляет 5 мас.%, образует водную систему с вязкостью выше примерно 2000 сП. В противоположность ему оба других продукта, а именно: псевдоожиженная полимерная суспензия ADMIRAL® 2089FS и псевдоожиженная полимерная суспензия ADMIRAL® 1089FS, включают низковязкие ГЭЦ водорастворимые полимеры, каждый из которых при добавлении в воду в таких количествах, при которых концентрация ГЭЦ составляет 5%, образует водную систему с вязкостью меньше примерно 500 сП.

В дополнение к нормальному количеству полисахаридного производного, содержащегося в композиции для мелования в качестве носителя, ООт компонент должен содержаться в количестве, верхний предел которого составляет примерно 4,0 част. основного вещества в пересчете на пигмент. Предпочтительный верхний предел ООт равен примерно 2,0 част., а более предпочтительно примерно 1,0 част. Нижний предел ООт составляет примерно 0,1 част., предпочтительно примерно 0,2 част., а более предпочтительно примерно 0, 3 част.

В соответствии с настоящим изобретением композицию для мелования бумаги наносят на поверхность бумаги или картона с помощью самых различных средств с достижением заданной массы слоя, а затем сушат с получением готовой бумажной продукции. В данной области техники известно много обычных методов нанесения покрытия на поверхность бумаги. Тремя наиболее распространенными типами устройств для нанесения покрытий являются ракельное, стержневое и воздушно-шаберное. В ракельных устройствах применяют металлический или керамический ракель, работающий под некоторым углом и давлением, необходимыми для нанесения на полотно слоя толщиной в несколько микрометров. Ракельный тип является самым распространенным типом устройства.

Флуоресцентные агенты или ООт, которые, как было установлено, могут быть использованы в сочетании с неионогенными водорастворимыми производными целлюлозы по настоящему изобретению, включают 4,4'-бис(триазинил)аминостильбен-2,2'-дисульфоновую кислоту (тетрасульфированные агенты) и 4, 4'-бис-2-сульфостирилдифенил (дистирилдифенил). ООт этого первого типа (тетрасульфированные) традиционно применяют в бумажной промышленности в составе композиций для мелования бумаги. Дистирилдифенил (ДСДФ) является ООт нового класса, недавно предложенным как добавка к композициям для мелования бумаги. Полагают, что при выполнении настоящего изобретения могут быть, по-видимому, эффективными также и другие ООт добавки, такие, как дисульфированные и гексасульфированные замещенные флуоресцентные агенты.

Бумага, мелованная в соответствии с настоящим изобретением с использованием ООт и низковязкого неионогенного водорастворимого полисахаридного производного по настоящему изобретению, проявляет как степень белизны, так и яркость, значения которых превышают 70 ед., предпочтительно больше 80 ед., а более предпочтительно больше 90 ед., как это определяют с помощью спектрофотометра Х-Rite® 968 для белизны и прибора для испытания на яркость Diano® S-4 и колориметра для определения яркости. Кроме того, эта бумага проявляет улучшенный, суперкаландровый глянец в отличие от бумаги, изготовленной с использованием ранее известных носителей для ООт.

Предлагаемые по настоящему изобретению средства обладают тем преимуществом перед применявшимся до этого поливиниловым спиртом, что получение полисахаридного производного по настоящему изобретению не требует значительной термической обработки, как в случае с поливиниловым спиртом (ПВС). Таким образом, применение добавки по настоящему изобретению существенно упрощается в сравнении с обычной в данной области техники. Кроме того, выполнение настоящего изобретения оказывает меньше отрицательного воздействия на способность мелованной бумаги к глянцеванию в сравнении достигаемым в случае ПВС, который использовали в качестве носителя до ООт.

Следующие примеры приведены просто с иллюстративными целями, но необходимо иметь в виду, что специалисты в данной области техники могут применять другие варианты выполнения настоящего изобретения, не выходя при этом из сущности и объема изобретения.

ПРИМЕРЫ

Стандартный метод

Готовили две партии различных композиций для мелования. Что касается первой стадии, то из пигмента (либо полностью каолина, либо смеси каолина/карбоната кальция в соотношении 50:50) готовили водную суспензию с общим содержанием твердых частиц 75%. В качестве вспомогательного диспергирующего вещества использовали продукт Dispex® N 40 (полиакрилат натрия) при содержании основного вещества 0,15 част. в пересчете на пигмент. По прошествии 1 ч высокосдвигового перемешивания в пигментную суспензию с помощью перемешивания с низкой скоростью добавляли 10 част. стирол-бутадиенового латекса. Далее для достижения 63%-того содержания твердых частиц в качестве разбавителя добавляли воды и 30%-ным гидроксидом аммония рН доводили до 8,5. Наконец в каждой отдельной аликвоте, использованной при приготовлении индивидуальных композиций для мелования, добавились конечного снижения содержания твердых частиц до 61,5%.

Эти композиции разнятся выбранными типами пигментов, поскольку в одной композиции в качестве пигмента для мелования использовано 100% каолина, тогда как в другой композиции использована смесь 50% каолина и 50% карбоната кальция (см. приведенные ниже таблицы 1 и 2). Во всех испытаниях применяли стандартное связующее вещество из стирол-бутадиенового латекса в количестве 10 част. на 100 част. пигмента.

Композицию каждого типа для мелования бумаги приготовлена ли она на основе 100% каолина в качестве пигмента или смеси каолина с карбонатом кальция, разделяли на несколько аликвот и во все эти аликвоты добавляли разные водорастворимые полимерные добавки и ООт. В испытаниях средств для мелования бумаги, в составе которых в качестве носителя для ООт использовали поливиниловый спирт, для полной гидратации ПВС было необходимо варить при 200°F в течение по меньшей мере 40 мин. В испытаниях с применением ГЭЦ в качестве носителя для ООт варка ГЭЦ для гидратации была необязательной. Вместо этого такой полимер добавляли в композицию для мелования непосредственно в виде либо раствора, либо псевдоожихенной суспензии и гидратацию проводили in situ с перемешиванием, которое занимало всего примерно 15 мин. В исследовании использовали два разных ООт: 4,4'-бис(три-азинил)аминостильбен-2,2'-дисульфоновую кислоту (ТЕТРА) и 4,4'-бис-2-сульфостирилдифенил (ДСДФ).

Для изучения работоспособности в каждую композицию для мелования бумаги добавляли либо натрийкарбоксиметилцеллюлозу, либо альгинат натрия с достижением вязкости по Брукфилду приблизительно 1500 сП, как это определяли с помощью вискозиметра RVT с валом №4 при 100 об/мин. Далее с помощью лабораторной машины для нанесения покрытий Dow® (серийный номер 79, тип 89B-SS) при различных скоростях приготовленные композиции наносили в виде слоев на рулоны товарной бумаги №62 с достижением ряда значений массы покровного слоя. Получали готовую мелованную бумагу и из каждого из испытаний отбирали образцы бумаги, которые соответствовали эквивалентной массе съема покровного слоя приблизительно 5 фунтов/3000 кв.футов бумаги.

Затем с помощью спектрофотометра X-Rite® 968 и прибора для испытания на яркость Diano® S-4 и колориметра определяли соответственно белизну и яркость образцов мелованной бумаги. При определении каждого из этих параметров применяли стандартные для таких приборов методы.

Пример 1

(композиции для мелования на основе 100% каолина)

В данном примере в качестве пигментного компонента композиции для мелования бумаги использовали 100% каолина. Композиция для мелования представлена в таблице 1. Описание каждого водорастворимого полимерного носителя для ООт, использованного в отдельных испытаниях композиций для мелования, представлены в таблице 2.

Свойства готовой бумаги, которые определяли испытаниями бумаги, обработанной этими различными композициями, представлены в таблицах 4 и 5.

В ходе проведения испытаний было установлено, что с использованием псевдоожиженной полимерной суспензии ADMIRAL® 1089FS, т.е. низковязкой неионогенной гидроксиэтилцеллюлозы при концентрации 0, 5 част. основного полимерного вещества в пересчете на пигмент с 1,0 част. дистирилдифенильного ООт, добивались наивысшей яркости и второй наивысшей белизны из всех испытанных носителей для ООт при указанном добавляемом количестве. Эти результаты представлены в таблице 3. Наивысшей степени белизны достигали с помощью раствора гидроксиэтилцеллюлозы сверхнизкой вязкости. Однако, для сравнения, с помощью псевдоожиженной полимерной суспензии ADMIRAL® 3089FS (более высоковязкий аналог псевдоожиженной полимерной суспензии ADMIRAL® 1089FS) добивались более низких яркости и степени белизны. Этот результат в существенной мере подтверждал то, что было установлено в соответствии с настоящим изобретением: низковязкая гидроксиэтилцеллюлоза в качестве носителя для ООт в мелованной бумаге более эффективна, чем ГЭЦ, которая при концентрации в воде 5% проявляет вязкость, превышающую 1500 сП.

В результате применения дистирилдифенильного ООт средний прирост яркости составлял 0,6 п. или 4,4 п. степени белизны в сравнении с достигаемыми с использованием 4,4'-бис(триазинил)аминостильбен-2,2'-дисульфоновой кислоты (ТЕТРА) (см. таблицу 4).

Пример 2

(композиции для мелования с 50% каолина и 50% карбоната кальция)

В этой серии испытаний в качестве пигментных компонентов композиции для мелования использовали 50% каолина совместно с 50% карбоната кальция. Испытанные композиции для мелования бумаги представлены в таблице 5. Описания каждого водорастворимого полимера/носителя для ООт представлены в таблице 2. Свойства готовой бумаги, которые определяли испытаниями бумаги, обработанной этими различными композициями, представлены в таблицах с 6 по 9. Все эти композиции для мелования загущали до целевой вязкости композиции для мелования различными количествами альгината натрия Kelgin LV.

Поскольку мелованную бумагу обычно подвергают глянцеванию с помощью суперкаландра, яркость и глянец определяли по сатинированным образцам. Условия сатинирования включали два прохода в суперкаландре, 100° F, 16,5 фута/мин и 1600 фунтов/линейный дюйм.

Было установлено, что мелованная бумага, которая включала ДСДФ, ООт, и низковязкую гидроксиэтилцеллюлозу в концентрации от 0,5 до 1,0 части в пересчете на пигмент в композиции для мелования, проявляла наивысшую яркость при всех испытанных носителях для ООт (см. таблицы 6 и 8). Для сравнения бумага, мелованная композицией, которая включала псевдоожиженную полимерную суспензию ADMIRALS® 3089FS (более высоковязкий аналог псевдоожиженной полимерной суспензии ADMIRAL® 1089FS) или ПВС, проявляла более низкую яркость.

Было также установлено, что на яркость мелованной бумаги оказывает влияние выбор типа ООт. В результате применения дистирилдифенильного ООт средний прирост яркости составлял 1,1 п. при концентрации носителя для ООт 0,5 части в сравнении с достигаемой с использованием 4,4'-бис(триазинил)аминостильбен-2,2'-дисульфоновой кислоты (ТЕТРА). При концентрации носителя для ООт 1,0 части в результате применения дистирилдифенильного ООт средний прирост яркости составлял 1,5 п. в сравнении с достигаемой с использованием 4, 4'-бис(триазинил)аминостильбен-2,2'-дисульфоновой кислоты (ТЕТРА) (см. таблицу 7).

Результаты определения глянцевитости различных образцов мелованной бумаги показывали, что бумага, мелованная композицией, которая включала 0,5 части низковязкой гидроксиэтилцеллюлозы, проявляла наивысшие значения глянцевитости независимо от типа ООт (см. таблицу 9).

Реферат

Композиция касается состава для мелования бумаги с усовершенствованными носителями для оптических отбеливателей. Она включает оптический отбеливатель и низковязкое неионогенное водорастворимое полисахаридное производное, водный раствор которого при концентрации полимера 5 мас.% и при комнатной температуре проявляет вязкость по Брукфилду меньше примерно 1500 сП. Способы касаются придания яркости бумаги мелованной композицией и приготовления данной композиции путем совмещения оптического отбеливателя и низковязкого неионогенного полисахаридного производного. Техническим результатом является повышение яркости мелованной бумаги. 4 н. и 30 з.п. ф-лы, 9 табл.

Формула