CN1990952A - 用于造纸的页硅酸盐浆料 - Google Patents

Abstract

提供了一种含页硅酸盐的材料、无反应性无单体的施胶剂和水的浆料，使得浆料最终的Hercules表观粘度小于100cps。这些浆料可以具有固体含量为20wt％－55wt％的固体页硅酸盐材料。向基本上无反应性无单体的源自松香的施胶剂的混合物中添加页硅酸盐材料不需要添加电解质并且为松香分散体或细松香颗粒分散体提供了额外稳定性。在本发明的另一个方面中，提供了一种通过以下步骤来造纸的方法：形成水性纤维素悬浮液，将高浓缩皂土浆料混入所述纤维素悬浮液中，使纤维素悬浮液滤水而形成湿薄片，和干燥所述薄片。在造纸期间，可以将聚合助留剂添加到纤维素悬浮液中。

Description

用于造纸的页硅酸盐浆料

相关申请的交叉引用

本申请基于2005年12月9日提交的美国临时申请No.60/749,220并且根据35U.S.C.§119(e)要求该在先申请的优先权，所述在先申请的内容在本文中引入作为参考。

技术领域

本发明通常涉及含水性页硅酸盐材料的浆料。更具体地说，本发明涉及一种用于造纸的方法，其包括添加被混入水性纤维素悬浮液的表面活性剂的具有木浆浮油(tall oil)衍生物或源自松香(rosin)的共混物的含皂土的浆料和形成纸。

背景技术

皂土浆料作为辅助试剂用于造纸机的湿部以在造纸期间强化除水和保持微粒。另外，可以将矿物纤维添加到纸浆浆料中以改善颜色、不透明性、适印性及其他性能。一种上述造纸方法公开在美国专利No.3,052,595中，其中矿物填料如高岭土、二氧化钛、滑石等，皂土和丙烯酰胺聚合物被添加到纸浆浆料中以改善填料保留率。另一种具有改善纸中纸浆组分保留率的造纸方法公开在美国专利No.4,305,781中，并且特别有用于制造未填充纸如牛皮纸、挂面纸和新闻纸。在此方法中，纸浆悬浮液包括通常量小于5％的皂土。然后将聚丙烯酰胺添加到悬浮液中以提供脱水性能和纤维保留率方面的改善。

通常皂土以干燥形式被送到造纸厂，所述干燥形式在处理期间遭受“起尘”。必须使用昂贵且笨重的设备以制备含皂土的浆料以引入到造纸机中。使上述设备自动化是昂贵的，使得额外的人力资源必须致力于制备皂土。厂区外制造的浆料或分散体解决这些问题中的一些。然而，由于大量的水，运输以水性浆料形式的粘土悬浮液是不经济的或不实用的。尝试在运输前增加浆料中皂土的量已经证明是不成功的，因为在浆料形式中，固体含量大于8％至10％时，皂土是触变性的，当以大于一定的百分固体含量制备时，形成了胶状或非常粘的分散体。

已经多次尝试提供可泵送的皂土浆料，但大多数尝试涉及用于油田应用。在美国专利No.5,779,785中，公开了一种用于提供含高固体含量的粘土浆料的方法，所述粘土浆料包括粘土和低分子量胺盐，所述低分子量胺盐的量有效防止粘土膨胀；因而允许浆料被储藏和运输。在随后的稀释时，胺盐的抑制作用是可逆的。然而，与从干燥粉末着手的普通皂土系统相比，该专利没有解决强化滤水性能和保留率性能的问题。

美国专利No.6,045,657涉及含微粒的造纸方法，其在造纸厂利用皂土并且提供浓缩物形式的皂土。通过将皂土浆料稀释至水中皂土干重为15％-40％而形成纤维素悬浮液。向该组合物中添加流体稳定且活化量的柠檬酸盐。聚合助留剂如阳离子型淀粉可以被混入纤维素悬浮液中。虽然提到了浓缩物本身，但没有提及其与从干燥粉末着手的普通皂土系统相比强化的滤水性能和保留率性能。

尽管努力地制造浓缩的浆料，仍期望提供具有可泵送粘度范围的处理特性和稳定性改善的皂土浆料并且期望提供强化的滤水性能和对成品纸增加的疏水性。

发明内容

本发明的目的是提供含碱土金属页硅酸盐材料的浆料，其具有增加的固体含量并且向纸提供了疏水性。

本发明的另一个目的是提供具有改善滤水性能的用于造纸的含页硅酸盐浆料。

本发明的进一步目的是提供一种在造纸中使用本发明浆料的方法。

提供了一种含页硅酸盐的材料和无反应性施胶剂的浓缩浆料。页硅酸盐和施胶剂的各自的量使得浆料的最终Hercules表现粘度小于100cps。这些浆料可以具有固体含量大于20wt％且高达55wt％的固体页硅酸盐，并且总合量为大于60wt％的活性材料固体。无反应性无单体的施胶剂的实例包括各种形式的木浆浮油和松香(gum rosin)，单独的或者与其它材料结合，所述其它材料如木素磺化盐、木浆浮油脂肪酸、苯乙烯化合物、氟碳化合物、丙烯酸乳液、苯乙烯丙烯酸酯、硬脂酸酯和硬脂酸。施胶剂优选是不需要添加电解质的表面活性剂的无单体的、源自松香的共混物。

本发明的另一方面提供了一种根据以下步骤的造纸方法：形成水性纤维素悬浮液，将未活化的皂土水分散体混入纤维素悬浮液中，使纤维素悬浮液滤水而形成湿薄片并且干燥该薄片，其中该未活化的皂土水分散体，以按皂土重量计20％-55％的、包括流体稳定量的分散剂或其它表面活性剂的源自松香的共混物的稳定的流体皂土浓缩物或稀释的皂土分散体的形式，被添加到纤维素悬浮液中，使得浓缩物的表观粘度(Hercules、Bob A、Spring 200、4400rpm)小于100cps。发现了皂土或其它膨胀性粘土和无反应性施胶剂的浆料当应用于微粒保留系统，即，其中将聚合助留剂添加到纤维素悬浮液中，其提供了在纸或纸板制造期间的强化的滤水性能和微粒在纤维素材料液-固分离中的保留率、对所得纤维或纤维素底物的疏水性和对松香分散体或细松香颗粒分散体的额外稳定性。

由以下具体实施方式的描述并参考附图，本发明的其它目的、特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

已概括地描述了本发明，现将参考附图，所述附图不一定按比例描绘，其中：

图1举例说明实验室规模动态滤水分析器，其用于证明含本发明皂土分散体的水性纤维素悬浮液的滤水效率；

图2是比较本发明的含本发明皂土分散体的水性纤维素悬浮液浆料与含皂土分散体和聚丙烯酰胺絮凝剂的纤维素悬浮液的滤水时间的曲线；

图3是显示了与含皂土分散体和聚丙烯酰胺絮凝剂的纤维素悬浮液相比的本发明另一种水性纤维素悬浮液的滤水时间的曲线；

图4是显示了具有多种絮凝剂和各种助滤剂的混合物的纤维素悬浮液的滤水时间的柱状图；

图5是显示了再循环纸浆和含松香胶料的皂土浆料的纤维素悬浮液的HST(以秒为单位)的柱状图；和

图6是显示了含各种量的被分散胶料的再循环纸浆的纤维素悬浮液的滤水性能的曲线。

具体实施方式

本发明现将参考附图在下文中更全面地描述，其中显示了本发明的优选的实施方案。然而，本发明可以以许多不同的形式表现并且本发明不被认为是限定于这里所述的实施方案；相反，提供这些实施方案使得本公开内容将是全面而完整的，并且将向本领域技术人员全面地传达本发明的范围。

本发明的一个方面是提供含高浓缩页硅酸盐材料的浆料。本发明的含页硅酸盐材料的浆料能够实现固体页硅酸盐材料的固体含量大于20％且高达55wt％，但通常按固体重量计为约20％-50％。总固体含量可以是大于60％的活性材料固体。这些结果通过向基本上无反应性无单体的源自松香的施胶剂中添加页硅酸盐材料来实现，不需要添加电解质，结果提供了对松香分散体或细松香颗粒分散体具有额外稳定性的高浓缩浆料。由于这种组合物(composition)，不需要活化页硅酸盐材料。在浓缩浆料中施胶剂的量使得浓缩浆料的最终Hercules表观粘度(Bob：A、Spring：200、4400rpm)小于100cps。由于在泵或Hercules粘度试验的切变条件下，为了容易使用，粘度是低的，所以该流变性特性是重要的。低切变条件下的粘度，如按照布氏(Brookfield)粘度测量，是较高的。所述发明的典型的布氏粘度是大约2000cps(60rpm，#4转子)。

优选的用于本发明浆料的页硅酸盐材料是皂土，并且可以是一种普通市售可得的皂土(称为蒙脱土)。

用于制造高固体含量的浓缩浆料的优选的无反应性无单体的施胶剂是松香酸或松香酸衍生物。虽然优选的松香酸或松香酸衍生物获自木浆浮油，但是本领域技术人员将会理解松香酸可以获自其它来源如松香。另一种优选的无反应性无单体的施胶剂是松脂酸钾或松脂酸钠。松香衍生物是获自松香和富马酸或马来酸酐的狄尔斯-阿尔德反应的产物。所得加合物具有较高的酸含量并且当皂化时产生水溶性产物。松香酸是被溶解、被分散和被皂化形式的共混物。当多官能松香酸衍生物以固体形式存在时，其被细分散，使得被分散的松香的粒径小于2μm，优选小于0.5μm。

浆料也可包括选自脂肪酸和松香酸的酸的共混物。优选地，松香和脂肪酸衍生物在浓缩浆料中是唯一的分散体稳定剂。如所述，用于本发明浆料的无反应性无单体的施胶剂包括各种形式的松香，单独的或者可与其它材料结合使用，所述其它材料如木素磺化盐、木浆浮油脂肪酸、苯乙烯化合物、氟碳化合物、丙烯酸乳液、苯乙烯丙烯酸酯、硬脂酸酯和硬脂酸。

本发明的高浓缩浆料可以通过稀释无反应性无单体的、源自松香的液体胶料，如水中的松香皂胶料来制备。在搅动下向该溶液中添加受控量的页硅酸盐材料，随后根据需要添加额外的表面活性剂。另外，添加顺序可以相反，使得首先形成含页硅酸盐材料的浆料，之后添加施胶剂，但在优选的实施方案中，使用适当的混合技术，全部液体组分都存在于溶液中，而固体组分分散到液体中。该混合技术可以包括高切变混合或均化作用，这取决于最终浆料所期望的固体。在几分钟至几小时后，在高浓缩浆料中实现了最终的粘度，使得粘度(Brookfield，60rpm，#4转子)小于3000cps。

制造高浓缩浆料的优选方法包括使皂土和松香胶料(例如松香酸、松香酯)以及额外的材料(如若需要的话)共混，使得最终的离子特性是阴离子型。在本发明的另一个方面中，制造浓缩浆料的方法包括使碱土金属皂土和松香酸、松香酯以及额外的材料(如若需要的话)共混，使得最终的离子特性是阳离子型。

在浓缩浆料的另一实施方案中，反应性施胶剂的实例包括链烯基琥珀酸酐、烷基烯酮二聚体、酰基氯、酸酐、异氰酸烷基酯、松香酸酐等。这些试剂可以仅以少量加入，并且基于固体材料占不大于2-3wt％，并且仅是略微强化；因而不构成本发明的本质。

在本发明的另一个实施方案中，提供了一种造纸方法，其中通过将上述高浓缩皂土浆料混入纤维素悬浮液(典型地，0.02-2干重％)中形成水性纤维素悬浮液，使该纤维素悬浮液滤水而形成湿薄片和然后干燥该湿薄片。可从相对纯的纸浆或具有较高阳离子需要的纸浆或如含可在现代系统中存在的各种杂质的纸浆来生产纤维素悬浮液。将皂土浆料添加到纤维素悬浮液中，所述皂土浆料是稳定的流体皂土浓缩物，或者通过基本上刚好在混合稀释的皂土分散体和纤维素悬浮液前稀释上述浓缩物。

特别优选的是将本发明的造纸方法应用于微粒造纸方法，即这样的方法，其中将聚合助留剂添加到纤维素悬浮液，通常在最后的高切变点后(例如在即将滤水之前在流浆箱中)。聚合物可以是非离子型、阴离子型或阳离子型，这取决于水性造纸环境的性质。聚合物可以是阴离子型或非离子型，但经常是阳离子型。它可以是天然材料如阳离子型淀粉，但优选是合成聚合物。

切变可能仅仅是由于沿着管道的湍流引起的，但优选地，其是由于通过离心筛或其它清除装置或风扇泵或混合泵或者其它用于有意地施加切变的装置而引起的。例如，优选的切变方法描述于美国专利Nos.4,753,710、4,913,775和4,969,976中，其各自内容引入本文作为参考。

聚合助留剂的最佳量可以通过常规试验确定，并且将取决于纤维素悬浮液的性质，特别地，取决于是否低分子量高电荷密度阳离子聚合物和/或阳离子型淀粉和/或其它干强度树脂已被加入到悬浮液中，全部如上述专利所述。聚合助留剂是阳离子型淀粉或合成阳离子聚合物，其分子量大于500,000。

含页硅酸盐材料(例如，皂土或其它膨胀性粘土)的浆料当应用于微粒保留系统时，其提供了(1)在纸或纸板制造期间的强化的滤水性能和微粒在纤维素材料液-固分离中的保留率和(2)对所得纤维或纤维素底物的疏水性。

本发明还包括其中新型浓缩物用于其它目的的方法。例如，它可在全部与纸有关的工业中被用于纸浆脱水、纸泥脱水、液固分离方法、流出物澄清，黑废水澄清，并且它可被用于其他工业中。本发明的浆料可在如造纸或废水污泥处理的应用中当用作微粒系统的一部分时用于从纤维和固体中分离水，并且其可用于向纸幅或纤维层如纸和纸板提供疏水性。由于在造纸期间所施用的浆料，最终的薄片的疏水性可以通过在制备浆料期间添加其它无反应性或反应性施胶剂而进行强化。

使用如图1中所示的动态滤水分析器来在以下实施例中证明造纸的滤水效率和保留率。分析器包括用于化学品和纤维素悬浮液的搅拌缸(模拟流浆箱)、筛(水可以通过该筛经由自动真空系统滤水)和用于数据获取的控制器(CPU)。在动态滤水分析器中的更短的滤水时间(测量于各曲线的拐点)说明了造纸机的更好的性能。

实施例1

本实施例提供了使用10磅/吨的本发明滤水和施胶助剂(“DSA157”)的标准纤维原料样品保留过程的滤水速率和使用以下助剂之间的比较：(1)聚丙烯酰胺絮凝剂助留剂，例如Nalco 7530或Cytec 4516；(2)硅石助滤剂，即，Eka Nobel NP320，和(3)微粒，即Nalco 8678，木素磺化盐助滤剂。在原料一致性DDA为1.1-1.2％和pH值为4.1-4.3下，标准纤维原料样品是20％损纸、70％硬木和10％松木。来自盘的稀释水由PM5提供(无助滤剂残留)。共混槽原料(blend chest stock)(未加工的CSF)是650ml。除10磅/吨的DSA以外，全部样品试样(runs)包含20磅/吨的明矾浆料和10lb/T的胶料，具有代替单独添加的施胶剂的根据本发明被共混的松香型分散剂。

在图2的样品试样中所举例说明的结果表明，含按照本发明共混的松香型分散剂(DSA)和作为助留剂的聚丙烯酰胺絮凝剂(C4516)的原料样品具有最长的滤水时间。在图3中显示了相似的结果，其中由含根据本发明共混的松香型分散剂(DSA)和作为助留剂的聚丙烯酰胺絮凝剂(C4516)的原料样品显示了最长的滤水时间。

实施例2

在本实施例中，在造纸悬浮液中明矾和松香胶料的恒定总量是10磅/吨胶料和20磅/吨明矾。调整浆料和全部的松香以保持该水平。该浆料包含不同于松香胶料的松香共混物，但是基于全部固体，在悬浮液中松香的数量总是相同的。在一些试样中，在造纸悬浮液中，全部松香与浆料在一起，在其它试样中，其被分开，50％与明矾被一起加入，50％由浆料提供。结果示于图4-6中。

在图4中，将柱棒按助滤剂编排。例如：“Split DSA 5”表示DSA中5磅/吨皂土，而胶料量分开进料，5磅/吨与DSA和5磅/吨最初与明矶进料。“Nalco 8678 1 Rev”是指1磅/吨N8678助滤剂，但逆序进料，助滤剂先，絮凝剂后。“NP320 1”具有1磅/吨的NP320硅石，“NP320 2”具有2磅/吨硅石，等等。全部絮凝剂以1.0磅/吨进料；和“无”是指仅仅20磅/吨明矾和10磅/吨Stafor-50在同其它试样相同的条件下进料到原料中。“空白”试样包含1.0磅/吨絮凝剂，但没有助滤剂。

请注意标有“All DSA 5”和“All DSA 10”的柱棒，其中全部松香表面活性剂与浆料在一起而没有加入额外的松香试剂，其具有比分开进料情况更好的排水响应。这意味了与单独使用皂土和单独使该松香试剂进料相比，该浆料是更好的助滤剂，本发明的这一方面的确具有新颖性并迄今为止是出乎意料的。施胶响应：实验室手抄纸研究表明通过使用该浆料改善了浆料的施胶响应。在以下图表中，HST更大的数值给出了更好的施胶响应。“separate 3”是指3磅/吨从皂土(PitchbendM)单独进料的胶料，而“slurry 3”是指3磅/吨根据本发明进料的胶料。

在图5中，在“Exp.STAFOR slurry 3”案例和两个“...separate6”案例间没有统计差异，意味着在浆料中3磅/吨的用量相当于单独进料时的6磅/吨。

在图6中，显示了相似于在先图表的趋势。描绘HST＝124@4#/T的线显示了与皂土被单独进料时比较的浆料中定量皂土固体的施胶响应。这些情况中的每一个在三个水平的胶料量处进行比较。胶料为5磅/吨的HST 124约等于如本发明所述进料时的4磅/吨的胶料。全部其它实验细节是等同的。这意味着与单独进料的产物相比，浆料具有20％的优势。

不试图应将这里给出的实施例看作对本发明的限制，而是说给出这些实施例以举例说明本发明的某些特定的实施方案。在不背离所附权利要求范围的情况下可以对本发明作出各种变形和改变。

Claims (18)

1.一种组合物，其包括：20％-55％的碱土金属页硅酸盐材料、无反应性无单体的施胶剂和水，其中所述施胶剂的量使得浆料的最终Hercules表观粘度小于100cps。

2.根据权利要求1的组合物，其中所述页硅酸盐材料是皂土，和所述无反应性胶料是松香酸或松香酸衍生物。

3.根据权利要求1的组合物，其中所述无反应性无单体胶料是木浆浮油松香(tall-oil rosin)或松香(gum rosin)。

4.根据权利要求2的组合物，其中所述皂土的量是组合物的20wt％-40wt％。

5.根据权利要求2的组合物，其中所述无反应性无单体的施胶剂是松脂酸钾或松脂酸钠。

6.根据权利要求2的组合物，其中所述无反应性无单体的施胶剂还包括各种形式的单独的松香或者与选自以下材料结合的松香：木素磺化盐、木浆浮油脂肪酸、苯乙烯化合物、氟碳化合物、丙烯酸乳液、苯乙烯丙烯酸酯、硬脂酸酯和硬脂酸。

7.根据权利要求4的组合物，其中所述皂土和所述无反应性无单体的施胶剂被共混在一起使得最终的离子特性是阴离子型。

8.根据权利要求4的组合物，其中所述皂土和所述无反应性的施胶剂被共混在一起使得最终的离子特性是阳离子型。

9.一种造纸方法，其包括：形成水性纤维素悬浮液，将高浓缩皂土浆料混入所述纤维素悬浮液中，使纤维素悬浮液滤水而形成湿薄片，和干燥所述薄片，其中所述皂土浆料以浓缩的皂土浆料或稀释的皂土浆料的形式被添加到纤维素悬浮液中，并且按皂土重量计，高浓缩浆料是20％-55％，而无反应性无单体的施胶剂的量使得浓缩物的表观粘度(Hercules、bob A、spring 200、4400rpm)低于100cps。

10.根据权利要求9的造纸方法，其中当向纤维素悬浮液中添加时，所述皂土浆料基本是刚好在皂土浆料与纤维素悬浮液混合前被稀释。

11.根据权利要求9的造纸的方法，其还包括将聚合助留剂混入所述纤维素悬浮液中，使所述悬浮液切变和将所述皂土浆料混入所述切变后的悬浮液中。

12.根据权利要求11的造纸方法，其中所述聚合助留剂是阳离子型淀粉或合成阳离子聚合物，其分子量大于500,000。

13.根据权利要求9的造纸方法，其中所述无反应性无单体胶料是松香酸或松香酸衍生物。

14.根据权利要求9的造纸方法，其中所述无反应性无单体胶料是松脂酸盐，并且在所述皂土浆料中是唯一的分散助剂。

15.根据权利要求9的造纸方法，其中所述皂土的量是所述皂土浆料的20wt％-40wt％。

16.根据权利要求9的造纸方法，其包括将皂土与水和松脂酸钾或松脂酸钠共混。

17.根据权利要求9的造纸方法，其中所述皂土和所述无反应性无单体的施胶剂被共混在一起使得最终的离子特性是阴离子型。

18.根据权利要求9的造纸方法，其中所述皂土和所述无反应性无单体的施胶剂被共混在一起使得最终的离子特性是阳离子型。

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