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TW201339388A - 設備預處理以改良造紙之紙張強度輔助性能 - Google Patents

設備預處理以改良造紙之紙張強度輔助性能 Download PDF

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TW201339388A
TW201339388A TW101143409A TW101143409A TW201339388A TW 201339388 A TW201339388 A TW 201339388A TW 101143409 A TW101143409 A TW 101143409A TW 101143409 A TW101143409 A TW 101143409A TW 201339388 A TW201339388 A TW 201339388A
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TW101143409A
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yu-lin Zhao
Jun Li
qing-long Rao
wei-guo Cheng
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Nalco Co
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Abstract

本發明係有關提高由具有大比例OCC之設備所製得紙張之強度的方法、組成物及裝置。該方法包括以下步驟：1)提供具有大量OCC之紙張進料設備，2)在將強度劑添加至該設備中之前將強度促進劑添加至該設備中，3)將強度劑添加至該設備中，及4)由該設備製造紙張產品。該方法允許造紙製程中使用廉價OCC材料，而無OCC中之陰離子廢料典型地導致的品質問題。由此可產生具有低成本及高品質之紙張產品。

Description

設備預處理以改良造紙之紙張強度輔助性能 【相關申請案之交叉引用】
不適用。
【關於聯邦資助研究或開發之聲明】
不適用。
本發明係關於適用於預處理設備以提高由含大量陰離子廢料之設備製備之所得紙片強度的方法、裝置及物質組成物。紙張產品之多種性質，包括強度、不透明度、平滑度、孔隙率、尺寸穩定性、孔徑分佈、掉毛傾向(linting propensity)、密度、剛度、形成及可壓縮性，主要係由於紙張中纖維素纖維之間存在鍵結之故。藉由造紙製程之機械打漿或精製步驟來增強該等纖維之鍵結能力，在該等步驟間，纖維之可撓性變得更高且有效表面積得以增加。
紙張產品之強度為具有三種類別之性質，該三種類別被稱為乾強度、濕強度或再濕強度、及濕網強度(wet web strength)。乾強度為乾燥紙片在測試之前典型地在恆濕及室溫條件下所展現之強度。濕強度或再濕強度為紙片在測試之前已完全乾燥且隨後使用水再濕所展現之強度。濕網強度為纖維素纖維墊在乾燥成紙張產品之前的強度。強度添加劑為有效提高一或多個該等強度之物質組成物。
強度樹脂為在紙墊或紙片形成之前一般於造紙製程之 濕部(wet end)處添加至纖維素漿料中以改良紙張產品之強度特性的聚合物。一般認為強度樹脂藉由補充纖維間鍵結之數目而起作用。
乾強度添加劑用以提高包括紙張、紙板、薄紙及其他類似物之多種紙張產品的乾強度。因為已知再循環對所得紙張具有減弱作用，所以乾強度添加劑尤其適用於由再循環纖維製造紙張產品。另外，乾強度添加劑應減少達成針對既定紙漿之既定乾強度所需之精製的量及精製所需之對應的能量消耗，且不應不利地影響造紙機器上纖維素網之排水率。
多種使用聚丙烯醯胺及其他聚合物以提高紙張產品之乾強度的方法已描述於美國專利6,315,866、7,556,714、2,884,057及5,338,406及美國專利申請案12/323,976中。然而，該等方法在設備含有大量諸如舊波紋紙板(old corrugated cardboard)(OCC)、機械紙漿之陰離子廢料時令人失望。咸信此係由於存在於該設備中之異常高數目之陰離子部分阻止強度輔助劑與紙張纖維鍵結之故。
因此，提供適用於在含大量陰離子廢料之設備中改良強度輔助劑之有效性的組成物、方法及裝置較為適用且合乎需要。除非如此明確指出，否則此部分中描述之技術不意欲承認本文中所提及之任何專利、公開案或其他資訊為本發明之「先前技術」。另外，此部分不應被視為意謂已進行搜尋或不存在如37 CFR § 1.56(a)中所定義之其他相關資訊。
本發明之至少一個具體實例係關於一種提高紙張產品之強度的方法。該方法包含以下步驟：a)提供包含纖維之設備，該設備中之纖維由至少10%含大量陰離子垃圾之纖維構成，b)在將強度劑添加至該設備中之前將強度促進劑添加至該設備中，c)將強度劑添加至該設備中，及d)根據造紙製程自該設備製造出紙張產品。
強度促進劑的添加量可等於每噸設備0.01至3磅。強度促進劑之RSV可在0.5至15、1至12、2至8及/或3至6之間。含陰離子廢料之設備可為選自由再循環纖維或機械纖維及其任何組合組成之清單的設備。強度劑可為乾強度劑。強度劑可為澱粉、聚丙烯醯胺、乙醛酸化聚丙烯醯胺(glyoxalated acrylamide)或其任何組合。強度劑可為乾強度劑，添加量等於每噸設備0.5-10公斤。
本文中描述其他特徵及優點且該等特徵及優點由以下實施方式將顯而易知。
【發明詳細說明】
提供以下定義以確定術語在本申請案中如何使用且尤其申請專利範圍應如何解釋。定義之組織僅出於方便起見且不意欲將任何定義限制於任何特定類別。
「 陰離子廢料(Anionic Trash) 」意謂造紙製程中使用之含OCC之設備的一種性質，其特性為大量陰離子部分存在於設備中，使得強度輔助劑受抑制或被阻止與纖維鍵結且從而損害所得紙張之整體品質。
「 乾強度添加劑(Dry Strength Additive) 」意謂提高所得紙張之乾強度的強度添加劑，且包括(但不限於)美國專利4,605,702及美國專利申請案2005/0161181 A1中所述之強度提高物質組成物中的任一者，且尤其為其中所述之多種乙醛酸化丙烯醯胺/DADMAC共聚物組成物。乙醛酸化丙烯醯胺/DADMAC共聚物組成物之一實例為產品# Nalco 64170(由Nalco公司，Naperville,Illinois製造)。
「 GPAM 」意謂乙醛酸化聚丙烯醯胺。
「 OCC 」意謂舊波紋紙箱(或舊紙板)。OCC紙漿為先前已流經至少兩個再循環製程之紙漿。因此，其纖維與原始纖維相比短得多且弱得多。該等較短纖維之間的鍵結顯著較弱，導致諸如破裂強度、耐折強度及拉伸強度之紙張強度方面的品質極差。OCC亦帶有大量陰離子廢料，其導致強度劑損失其功效。OCC包括(但不限於)AOCC(美國舊波紋紙箱)、JOCC(日本舊波紋紙箱)、EOCC(歐洲舊波紋紙箱)及COCC(中國舊波紋紙箱)，其各自在此項技術中已知具有特定及獨特之性質及特性。
「 造紙製程(Papermaking Process) 」意謂由紙漿製造紙張產品之方法，其包含磨碎木屑及/或其他纖維素纖維來源且添加水以形成含水纖維素造紙設備，對該設備進行排水以形成薄片，壓製該薄片以移除額外水，及乾燥該薄片。可依一般為熟習此項技術者所已知之任何習知方式進行形成造紙設備、排水、壓製及乾燥的步驟。造紙製程包括製漿。
「 強度添加劑(Strength Additive) 」意謂當添加至造紙製程中時提高紙張強度的物質組成物，該提高可為多達約10%或10%以上。
「 強度促進劑(Strength Promoter) 」意謂選自由以下組成之清單的物質組成物：表氯醇-二甲胺(EPI-DMA)、EPI-DMA氨交聯聚合物、二氯乙烯與氨之聚合物、二氯乙烯之聚合物、二甲胺之聚合物、多官能性二伸乙三胺之縮合聚合物、多官能性四伸乙五胺之縮合聚合物、多官能性己二胺之縮合聚合物、多官能性二氯乙烯之縮合聚合物、三聚氰胺聚合物、甲醛樹脂聚合物、呈陽離子電性之乙烯基加成聚合物、丙烯醯胺與丙烯酸鈉之共聚物、已水解而使一部分丙烯醯胺基團轉化成丙烯酸之丙烯醯胺均聚物、丙烯醯胺與丙烯酸鈉之共聚物、丙烯醯胺及丙烯酸鈉與丙烯酸鈉之共聚物及其任何組合。強度促進劑之重量平均分子量典型地在800,000與3,000,000道耳頓之間；較佳在1,000,000與2,000,000道耳頓之間；且最佳在1,200,000與1,500,000道耳頓之間。低分子量強度促進劑之重量平均分子量小於1,200,000道耳頓。中等分子量強度促進劑之重量平均分子量在1,500,000至2,000,000道耳頓之範圍內。高分子量強度促進劑之重量平均分子量大於2,000,000道耳頓。就RSV而言，強度促進劑之RSV典型地在3至12分升/公克之間。
在上述定義或本申請案中其他地方所陳述之描述與常用、辭典中或以引用方式併入本申請案中之來源中陳述的 含義(明確或含蓄的)不一致的情況下，本申請案及申請專利範圍中之術語尤其應理解為根據本申請案中之定義或描述來解釋，且不應根據常見定義、辭典定義或以引用方式併入之定義來解釋。根據以上所述，在術語僅可由辭典解釋來理解的情況下，若該術語由Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology，第5版，(2005)，(由Wiley,John & Sons公司出版)定義，則該術語如何在申請專利範圍中定義，應以該定義為準。
在本發明之至少一個具體實例中，一種方法包括以下步驟：1)提供紙張進料設備，2)在將強度劑添加至該設備中之前將強度促進劑添加至該設備中，3)將強度劑添加至該設備中，及4)由該設備製造紙張產品。
不限於解釋申請專利範圍時所提供之理論及範疇，咸信與先前技術方法相比，強度促進劑之添加更有效地阻止陰離子廢料與強度劑之間的相互作用。在先前技術方法中，將諸如無機凝聚劑之陽離子材料添加至設備中。該等陽離子材料用於中和陰離子廢料。認為強度促進劑具有最佳用於與陰離子廢料形成黏聚的結構及反應性，因此更有效地阻斷陰離子廢料與強度劑之間的接觸。
強度促進劑提高強度劑之有效性的用途先前已揭示於美國專利申請案12/323,976中。然而，在該文獻中，將強度促進劑添加至填料顆粒中以阻止填料顆粒與強度劑之間的相互作用。本文中將強度促進劑添加至設備中而非填料中。在至少一個具體實例中，聚丙烯醯胺經乙醛酸化以製 備GPAM，其在市場上熟知為強度劑。
在至少一個具體實例中，處理性物質組成物為美國專利6,592,718中所述之物質組成物中之任一者或其組合。詳言之，其中詳細描述之AcAm/DADMAC共聚物組成物中之任一者均適用作處理性物質組成物。AcAm/DADMAC共聚物組成物之一實例為來自Naperville,Illinois之Nalco公司的產品# N-4690(以下稱為4690)。
處理性物質組成物可為具有適當分子量範圍或RSV範圍之凝聚劑。本發明中涵蓋之凝聚劑為熟知的且可購得。
藉由縮合聚合來形成一些適用作處理性物質組成物之凝聚劑。該類型之聚合物的實例包括表氯醇-二甲胺(EPI-DMA)及EPI-DMA氨交聯聚合物。
適用作處理性物質組成物之額外凝聚劑包括二氯乙烯與氨或二氯乙烯與二甲胺(添加或不添加氨)之聚合物、多官能性胺(諸如二伸乙三胺、四伸乙五胺、己二胺及其類似物)與二氯乙烯之縮合聚合物、及由諸如三聚氰胺甲醛樹脂之縮合反應製得的聚合物。
適用作處理性物質組成物之額外凝聚劑包括呈陽離子電性之乙烯基加成聚合物，諸如以下之聚合物、共聚物及三元共聚物：(甲基)丙烯醯胺、二烯丙基-N,N-雙取代鹵化銨、甲基丙烯酸二甲胺基乙酯及其四級銨鹽、丙烯酸二甲胺基乙酯及其四級銨鹽、甲基丙烯醯胺三甲基氯化銨、二烯丙基甲基(β-丙醯胺基)氯化銨、(β-甲基丙烯醯氧基乙基)三甲基銨甲硫酸銨、四級銨化聚乙烯基內醯胺、乙烯胺， 及已反應產生曼尼希(Mannich)或四級曼尼希衍生物之丙烯醯胺或甲基丙烯醯胺。可使用氯甲烷、硫酸二甲酯或氯甲苯來生產較佳四級銨鹽。三元共聚物可包括諸如丙烯酸或2-丙烯醯胺基2-甲基丙烷磺酸之陰離子單體，只要聚合物上之整體電荷呈陽離子性即可。該等聚合物，亦即乙烯基加成及縮合聚合物兩者之分子量在低至數百至高達數百萬之範圍內。分子量範圍較佳應為約20,000至約1,000,000。
在至少一個具體實例中，用作處理性物質組成物之凝聚劑為丙烯醯胺與丙烯酸鈉之共聚物，或已水解而使一部分丙烯醯胺基團轉化成丙烯酸之丙烯醯胺均聚物。在至少一個具體實例中，凝聚劑為丙烯醯胺與丙烯酸鈉之共聚物。在至少一個具體實例中，凝聚劑為丙烯醯胺與丙烯酸鈉之共聚物，其中丙烯酸鈉含量為5-30莫耳%且RSV為3-12分升/公克。
適用於本發明之強度劑的代表性實例為GPAM，諸如Nalco產品N-64170及N63700。
在至少一個具體實例中，強度促進劑之分子量為介於常見凝聚劑與絮凝劑(flocculant)之分子量之間者。常見有機凝聚劑(且尤其有機凝聚劑)典型地指具有高電荷密度及相對較低之分子量的聚合物。反之，絮凝劑典型地指具有低電荷密度及高分子量之聚合物。在至少一個具體實例中，強度促進劑與凝聚劑及絮凝劑兩者的不同之處在於其中等電荷密度及其中等分子量。在至少一個具體實例中，使得效果最佳之強度促進劑之濃度或纖維素與GPAM之間 的比率為0.1-2公斤/噸(纖維；GPAM或強度劑)。劑量典型地為0.5至5公斤/噸纖維。
上文可參考以下實施例更好地理解，該等實施例係出於說明之目的而提供且不欲限制本發明之範疇。
實施例1
自造紙廠獲得稠原料設備。該設備含有40%之COCC及60%之EOCC，設備之稠度為3.5%。用自來水將稠原料稀釋至0.75%之稠度。
藉由在底部篩覆蓋有實心塑膠板以阻止排水之Dynamic Drainage Jar中以800 rpm混合335.0公克0.75%之稀原料來製備手抄紙。Dynamic Drainage Jar及混合器可購自Paper Chemistry Consulting Laboratory公司，Carmel,NY。在混合之後15秒鐘，添加適量之強度促進劑N-4690(可購自Nalco公司，Naperville,IL,60563)；在混合之後30秒鐘，添加適量之強度添加劑N-64170(可購自Nalco公司，Naperville IL,60563)；在混合之後45秒鐘，添加0.4磅/噸(以活性成分計)絮凝劑N-61067(可購自Nalco公司，Naperville,IL,60563)。
在添加絮凝劑之後15秒鐘停止混合，且將設備轉移至Haage Kothen手抄紙模具(可購自AB Lorentzen & Wettre,Sweden)之定紙框盒(deckle box)中。藉由經過100目成型線進行排水來形成直徑為7.9"之手抄紙。藉由將兩張吸墨紙及一塊金屬板置放於濕潤手抄紙上且六次經過25磅金 屬輥進行輥壓自薄片模具線壓出手抄紙。移除成型線及一張吸墨紙，且將一張新吸墨紙置於線側。隨後將夾心式手抄紙置於0.4-0.6 MPa壓力之真空下及92-97℃下之乾燥器中7分鐘。
將成品手抄紙在50%之相對濕度及23℃的TAPPI標準條件下儲存隔夜。量測基本重量(TAPPI測試方法T 410 om-98)、用於測定填料含量之灰含量(TAPPI測試方法T 211 om-93)及拉伸強度(TAPPI測試方法T 494 om-01)，且將其列於表1中。
在表1中，條件1為未添加強度促進劑且亦未添加乾強度劑之設備；條件2為僅含0.1磅/噸強度促進劑N-4690之設備；條件3及4分別為含3及6磅/噸強度劑N-64170的設備；且條件5及6分別為含0.1磅/噸強度促進劑加3及6磅/噸強度劑N-64170的設備。
實施例2
除強度促進劑替換為常用凝聚劑(亦即明礬及聚-DADMAC或N-7607(可購自Nalco公司，Naperville,IL,60563))以外，重複實施例1之方法。亦量測成品薄片性質，且將其列於表1中。在條件7至8中，將強度促進劑替換為常用無機凝聚劑明礬；且在條件9至10中，將其替換為常用有機凝聚劑聚-DADMAC N-7607。
與條件1相比，由強度促進劑自身處理之設備不提高薄片強度(條件2)。向設備中添加3及6磅/噸之強度劑N-64170(條件3及4)分別將拉伸強度提高18.5%及29%。由與3及6磅/噸強度劑組合之強度促進劑(條件5及6)處理之設備產生更大的強度改良，且分別將拉伸強度提高20.4%及33%。使用無機凝聚劑明礬(條件7及8)或有機凝聚劑N-7607(條件9及10)替換強度促進劑N-4690未改良N-64170之性能。
雖然本發明可以許多不同形式具體化，但在本文中詳細描述本發明之特定較佳具體實例。本發明為本發明之原理之例證，且不欲將本發明限於所說明之特定具體實例。本文中所提及之所有專利、專利申請案、科學論文及任何其他引用材料均以全文引用的方式併入本文中。此外，本發明涵蓋本文中所描述及本文中併入之多個具體實例中的一些或所有之任何可能的組合。
以上揭示內容意欲為說明性的而非詳盡的。本描述將 為一般技術者提出許多變化形式及替代方案。所有此等替代方案及變化形式均意欲包括在申請專利範圍之範疇內，其中術語「包含」意謂「包括(但不限於)」。熟習此項技術者可認識到本文中所描述之特定具體實例的其他等效形式，該等等效形式亦意欲由申請專利範圍所涵蓋。
本文中所揭示之所有範圍及參數均應理解為涵蓋任何及所有歸入其中之子範圍以及端點之間的每個數字。舉例而言，「1至10」之所述範圍應被視為包括介於最小值1與最大值10之間(且包括端點)的任何及所有子範圍；亦即自最小值1或超過1開始(例如1至6.1)且以最大值10或小於10結束(例如2.3至9.4、3至8、4至7)的所有子範圍，且最終至此範圍內所含的各數字1、2、3、4、5、6、7、8、9及10。
此完善了對本發明之較佳及替代性具體實例之描述。熟習此項技術者可認識到本文中所描述之特定具體實例的其他等效形式，該等等效形式意欲由隨附申請專利範圍所涵蓋。
圖1為展示本發明如何提高紙張產品之破裂強度的圖。
圖2為展示本發明如何提高紙張產品之耐折性的圖。

Claims (10)

  1. 一種提高紙張產品之強度的方法，該方法包含以下步驟：a.提供包含纖維之設備，該設備中之該等纖維由至少10%之含大量陰離子廢料之纖維構成，b.在將強度劑添加至該設備中之前將強度促進劑添加至該設備中，c.將強度劑添加至該設備中，d.根據造紙製程自該設備製造出紙張產品。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該強度促進劑之添加量等於每噸該設備0.01至3磅。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該強度促進劑之RSV在0.5至15之間。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該強度促進劑之RSV在1至12之間。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中該強度促進劑之RSV在2至8之間。
  6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中該強度促進劑之RSV在3至6之間。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該含陰離子廢料之設備為選自由再循環纖維或機械纖維及其任何組合組成之清單的設備。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該強度劑為乾強度劑。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該強度劑為澱粉、聚丙烯醯胺、乙醛酸化聚丙烯醯胺或其任何組合。
  10. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該強度劑為乾強度劑，添加量等於每噸設備0.5-10公斤。
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