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CN106794654A - 通过在含有淀粉的施胶压榨制剂中使用聚氯化铝来增加纸张表面强度的方法 - Google Patents

通过在含有淀粉的施胶压榨制剂中使用聚氯化铝来增加纸张表面强度的方法 Download PDF

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CN106794654A
CN106794654A CN201580045517.5A CN201580045517A CN106794654A CN 106794654 A CN106794654 A CN 106794654A CN 201580045517 A CN201580045517 A CN 201580045517A CN 106794654 A CN106794654 A CN 106794654A
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威廉姆·安德鲁斯
丹尼尔·E·施瓦茨
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Ecolab USA Inc
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Abstract

施胶压榨制剂及使用所述施胶压榨制剂处理基材的方法。施胶压榨制剂可包含固体。所述固体可包含聚氯化铝化合物、淀粉、光学增白剂和盐。合适的聚氯化铝化合物包括磷酸化聚氯化铝、硫酸化聚氯化铝、聚氯化铝、聚硫酸氯化铝硅、及其任意组合。

Description

通过在含有淀粉的施胶压榨制剂中使用聚氯化铝来增加纸张 表面强度的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年8月27日提交的美国专利申请No.14/470,686的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
背景技术
1.技术领域
本公开内容一般涉及用于处理基材的制剂。更具体地，本公开内容涉及施胶压榨制剂及使用所述施胶压榨制剂处理纸张的方法。
2.相关技术的描述
纸垫通常包含水和固体。固体部分包含纤维(通常是纤维素类纤维)，并且还可包含填料。增加纸垫的强度将允许增加固体的比例，即填料含量。这将是所期望的，原因是其降低了原材料成本、降低了造纸过程中所需的能量，并且增加了纸张的光学性能。
填料是在造纸过程中添加到纸垫中以增强所得的纸张的透明性和光反射性能的矿物颗粒。填料主要是用于增加纸张或纸板的不透明度或亮度、降低其孔隙率和/或降低其成本的无机颗粒或颜料。填料的一些实例包括高岭土、滑石、二氧化钛、三水合氧化铝、硫酸钡、氢氧化镁、颜料例如碳酸钙等。
碳酸钙填料有两种形式，即研磨碳酸钙(GCC)和沉淀碳酸钙(PCC)。GCC是天然存在的碳酸钙岩石，PCC是合成生产的碳酸钙。因为PCC具有更大的比表面积，其具有更大的光散射能力并为所得到的纸张提供更好的光学性能。然而，出于同样的原因，PCC填充的纸垫产生的纸张比GCC填充的纸垫产生的纸张更弱。
纸张强度是纸垫的交织纤维之间形成的键的数目和强度的函数。具有较大表面积的填料颗粒更可能与这些纤维接合并干扰那些键的数量和强度。由于其较大的表面积，PCC填料比GCC对那些键的干扰更多。因此，造纸商被迫做出不期望的取舍。他们必须选择具有优良强度但光学性能差的纸张或者他们必须选择具有优良光学性能但强度差的纸张。
由于光学性能的增加和填料颗粒与纤维之间的成本差异，期望增加填料装载量，例如PCC，同时保持未涂布的无磨木浆纸(free sheet)的基重。然而，如上所述，主要由于强度的净损失，造纸商在最终产品中的填料量方面受到限制。拉伸强度、z方向拉伸强度和在通常的处理过程(例如印刷)期间纸张掉落填料颗粒(即，掉粉)的趋势是一些主要受影响的性质。
发明内容
本公开内容涉及施胶压榨制剂及用施胶压榨制剂处理基材的方法。
在一个实施方案中，施胶压榨制剂包含固体，所述固体包含聚氯化铝化合物和淀粉。
在另一个实施方案中，干燥基材表面包含聚氯化铝化合物和淀粉。
在另一个实施方案中，公开了一种处理基材表面的方法。所述方法包括向基材表面添加包含固体的施胶压榨制剂，其中所述固体包含聚氯化铝化合物和淀粉。
上文已经相当广泛地概述了本公开内容的特征和技术优点以便可以更好地理解下面的详细描述。下文中将描述形成本申请权利要求的主题的本公开内容的附加特征和优点。本领域技术人员应理解，所公开的概念和具体实施方案可以容易地用作用于修改或设计其他实施方案用于实现本公开内容的相同目的的基础。本领域技术人员还应认识到，这样的等效实施方案不背离所附权利要求中阐述的本公开内容的精神和范围。
附图的若干视图的简要说明
不适用。
具体实施方式
下面描述本公开内容的多个实施方案。通过参考以下的详细描述可以更好地理解实施方案的多个要素的关系和功能。然而，实施方案不限于下面明确描述的那些。
在本公开内容中描述的方法可在常规的造纸设备上实施。虽然造纸设备在操作和机械设计方面不同，但是在不同设备上制造纸张的过程包含共同的阶段。造纸通常包括制浆阶段、漂白阶段、浆料制备阶段、湿部阶段和干部阶段。
在制浆阶段，单独的纤维素纤维通过机械和/或化学作用从纤维素源中释放出来。在浆料制备阶段将纸浆悬浮在水中。造纸过程的湿部阶段包括将浆料悬浮体或纸浆沉积在造纸机的网或毡上以形成连续的纤维纸幅、使纸幅排水、和使纸幅固结(“压制”)以形成纸页。在造纸过程的干部阶段，将纸幅干燥并且可进行额外的加工，例如使其通过施胶压榨机、压光、用表面改性剂喷涂、印刷、切割、起瓦楞等。除了使用施胶压榨机和/或压光机水匣之外，可以通过使用喷杆进行喷涂来涂布经干燥的纸张。
本公开内容构想在上述造纸过程的一个或更多个阶段中使用施胶压榨制剂。在一些实施方案中，施胶压榨制剂可以是乳剂或分散体的形式，在另一些实施方案中，所述制剂可以是水基溶液。所述制剂还可包含可用于典型的施胶压榨制剂的任何另外的化学品，例如二氧化硅或其他填料，光学增白剂、消泡剂、杀生物剂及其任意组合。
典型的造纸机包括例如干燥器、压光系统和表面施胶系统的部件。表面施胶系统包括施胶压榨机，其将表面施胶剂或其他化合物(例如光学增白剂、淀粉等)施加到纸张的表面。通常，施胶压榨机将多种溶液或制剂施加至纸张的表面。在通过施胶压榨机处理之前，纸张可能已经干燥或部分地干燥。施胶压榨机可使用例如辊之间的槽(puddle)和压区或通过将溶液计量到例如胶辊上来将制剂或化学品(例如表面施胶剂)的溶液添加到纸张。
在一些实施方案中，表面施胶剂是制剂(例如施胶压榨制剂)的一部分。施胶压榨制剂可以是例如水溶液或乳剂或分散体。该制剂包含施胶剂。这样的施胶压榨制剂可以涂布在纸页上。具体地，可在施胶压榨机中添加制剂以及制剂中没有的任何另外的施胶组分或试剂。
在一些实施方案中，将施胶压榨制剂施加到基材作为表面处理。可使用本领域普通技术人员已知的任何方法将施胶压榨制剂施加到基材(例如纸张)，并且其可施加到基材的一个、两个、三个或更多个不同侧。例如，如果基材是纸张，则施胶压榨制剂可施加到纸张的一侧或纸张的两侧。
尽管制剂当然可在造纸过程中的其他位置施用，但一般而言，施胶压榨制剂在施胶压榨机处或附近施用。在大多数情况下，施胶压榨机位于第一干燥部的下游。可以使用常规的施胶压榨机来施用施胶压榨制剂，尽管也可使用另一些部件/技术(例如喷雾、刮刀棒或其他常规使用的涂布设备)施用施胶压榨制剂。
应注意，在施胶压榨机处、附近或之后施加化学品可区别于在造纸机的湿部施加化学品。一个区别涉及纸张在到达施胶压榨机之前被干燥或至少略微被干燥的事实。
本发明公开的施胶压制制剂可包含多种组分。此外，所述制剂可以是水基的、烃基的、基于有机溶剂的、基于乳剂的(油包水、水包油)等。如上所述，在一些实施方案中，在施胶压榨机处或附近将施胶压榨制剂添加到基材。
关于施胶压榨制剂的组分(在某些实施方案中可称为“固体”)，可使用通常添加到未涂布纸张的任何常用的施胶压榨添加剂，例如淀粉或其他化学品。施胶压榨制剂还包含一种或更多种聚氯化铝化合物(PAC)。在一个方面，施胶压榨制剂可以是水基的，包含水、淀粉和一种或更多种PAC。
在一些实施方案中，施胶压榨配制剂是包含固体的水性制剂。固体可包含一种或更多种PAC。固体还可包含淀粉或淀粉与一种或更多种PAC的组合。此外，固体可包含通常在施胶压榨机中添加的任何其他添加剂，例如光学增白剂和盐。所述盐可以是例如氯化钠或氯化钙。
在本申请中，术语“固体”是指制剂的非水或非溶剂组分。这些组分的重量百分比通过在温和条件下(例如在105℃烘箱中蒸发)从制剂中提取水或溶剂后对残留的物质进行称重来确定。“固体”不一定是悬浮在溶液中的固相物质。事实上，大多数情况下，溶液中的“固体”是溶解的，因此，它们处于液相。
在一些实施方案中，施胶压榨制剂包含约10重量％至约15重量％的固体。在某些实施方案中，固体包含至少约80％的淀粉、约10％至约15％的盐和约5％至约10％的光学增白剂。在一些实施方案中，所述固体包含约5％至约20％的PAC。
如上所述，施胶压榨制剂的固体可包含约5％至约20％的一种或更多种PAC(以Al2O3的形式)。除非另有说明，否则本文所述的所有百分比均按重量计并视情况基于组合物、溶液、混合物或纸张的重量。在另一些方面，制剂的固体可包含约6％至约17％的一种或更多种PAC，其相当于每吨干纸约10磅至约30磅Al2O3(磅/吨)。在一个方面，水性制剂的固体包含约10％的一种或更多种PAC。
施胶压榨制剂的pH不特别限于任何特定的pH或pH范围。在一些实施方案中，施胶压榨制剂的pH为约3至约8。
关于施胶压榨制剂的PAC组分，根据本公开内容可使用任何PAC。在一些实施方案中，所述PAC选自：磷酸化聚氯化铝、硫酸化聚氯化铝、聚氯化铝、聚硫酸氯化铝硅(polyaluminum silica sulfate chloride)及其任意组合。在一个实施方案中，PAC是磷酸化聚氯化铝。
实施例
已经进行了若干实验室实验来测量多种PAC化合物增加纸张的表面强度以及改善着墨能力的能力。对于所有的研究，用含有期望化学物质的溶液使用降落法(drawdownmethod)涂布含有约16％灰分的未通过施胶压榨机的原纸。在涂布之前和之后将纸张称重以测定具体的化学剂量。纸张还通过使其在约95℃下通过鼓式干燥器一次进行干燥，然后使其在约23℃和约50％相对湿度下平衡至少12小时。
淀粉剂量以每吨干纸的干淀粉磅数为单位报道。PAC剂量以每单位干纸的干燥Al2O3当量的磅数为单位报道。
使用TAPPI(Technical Association of Pulp and Paper Industries，纸浆和造纸工业技术协会)方法T476om-01测量表面强度。在该测量中，表面强度与通过两个磨耗轮在转台上系统地“摩擦”之后纸张表面的质量损失量成反比。结果以每1,000转的损失材料的mg数来报道。数字越低，表面强度越高。
光密度是印刷的颜色强度的量度。使用典型的办公室喷墨打印机和仅黑色墨在经涂布的样品上印刷约2×4英寸2的黑色矩形。使经印刷的样品在受控的相对湿度(约50％)和温度(约23℃)下干燥几分钟(例如，约3至约10分钟)。使用X-RiteTM 500系列光密度计测量经印刷区域上的黑色光密度。
以下是在实验室中进行的研究的汇总。
研究1-筛选研究。
进行第一研究以测定含有PAC的两种不同的市售产品(PAC 1和PAC 2)的性能。PAC1是包含约15％的磷酸化聚氯化铝的水性制剂。PAC 2是包含约10％的硫酸化聚氯化铝的水性制剂。
表1
在表1中，条件1至3仅含有淀粉并且旨在提供淀粉作为表面强度添加剂的性能的量度。条件4至11与条件2进行比较，因为它们均含有相似量的淀粉。
结果清楚地显示，在约2磅/吨至约3磅/吨PAC之间的某处，所得的表面强度超过额外的7磅/吨淀粉(在条件2和3中的26磅/吨至33磅/吨淀粉之间)，同时提供适度增加的印刷光密度。
进行第二项研究以增强表1中观察到的PAC 1结果的分辨率并筛选几种另外的含氯化合物。表2以更大剂量再现了PAC 1早期观察。该研究还表明，氯化铝在光密度方面表现良好，但在相当水平淀粉下的表面强度方面不如PAC。含氯化合物COM 6和COM 7提供的性能水平是PAC 1提供的性能水平的一半。COM 6是包含用氨稳定的柠檬酸铝的水性制剂，COM 7是包含三乳酸铝的水性制剂，COM 5是包含乳酸铝的水性制剂。
表2
研究2-分离pH对表面强度的影响。
可假设PAC的强酸化作用是纸张表面强化的原因。更具体地，在酸溶液的涂布期间，CaCO3基填料被有效地溶剂化并解离，使得在纸张表面的再形成期间发生直接的纤维-纤维接触。因为这些更紧密的纤维-纤维接触是纸张强度的根本原因，所以所得到的干纸强度更高。
为了测试该假设，用已知pH的PAC制剂涂布纸页。然后通过添加盐酸(HCl)使仅含淀粉的制剂达到相同的pH。表3中所示的磨耗损失结果表明，pH调节的淀粉溶液不能够与含有PAC的制剂同样多地改善纸张的表面强度。事实上，结果的统计分析表明，含PAC的条件导致磨耗损失在统计学上显著降低(更高的表面强度)，而pH调节的溶液则不能(样品分布的95％置信区间为44mg/1000转，每个条件的重复数等于5)。
表3
研究3–PAC的pH控制。
将阻止造纸商在施胶压榨应用中使用某些PAC，因为有时存在对制剂的强酸化作用。为了避免这种pH效应，测试了pH值接近中性的两种不同的含氯化合物。COM 8是包含用乙二胺稳定的柠檬酸铝的水溶液，COM 9是用氨稳定的柠檬酸铝的实验室共混物。
表4
表4显示了含有pH接近中性的含氯化合物的溶液同样能够强化纸张表面。由于这些产品的制剂的性质，这两种产品之一对纸张的另一些性质即亮度和白度具有负面影响，同时仍稍微增强了印刷区域上的光密度。
研究4-最终筛选。
进行最终筛选研究以探测更大的PAC剂量范围以及研究另一些商业上可获得的PAC。
表5
条件 化学品 淀粉，磅/吨 剂量，磅/吨 磨耗损失，mg/1000转 光密度
1 -- 27 0 966 1.04
2 -- 33 0 800 1.07
3 -- 46 0 690 1.05
4 聚合物 29 5 755 1.05
5 聚合物 28 14 671 1.02
6 PAC 1 35 6 741 1.14
7 PAC 1 32 16 416 1.51
9 COM 3 33 16 645 1.50
10 PAC 2 28 5 819 1.12
11 PAC 2 25 12 602 1.51
12 COM 9 37 6 803 1.05
13 COM 9 35 17 734 1.07
16 PAC 4 33 5 669 1.18
17 PAC 4 25 12 419 1.37
18 PAC 10 36 6 726 1.13
19 PAC 10 31 15 438 1.50
表5示出了表面强度和光密度二者都对0磅/吨至15磅/吨范围内的PAC剂量(以Al2O3报道)做出正面响应，并且幅度随PAC类型而变化。标记为“聚合物”的行对应于非PAC有机聚合物，已知其增加纸张表面强度。PAC 4是包含聚氯化铝的水性制剂，PAC 10是包含约10％聚硫酸氯化铝硅的水性制剂。鉴于上文，可以清楚地看出，含有淀粉的施胶压榨制剂中的某些PAC化合物使纸张表面增强。
根据本公开内容，无需过多的实验就可制备并实施本文公开和要求保护的所有组合物和方法。尽管本发明可以以许多不同的形式体现，但是本文中详细描述了本发明的具体优选实施方案。本公开内容是本发明的原理的示例，并不旨在将本发明限制于所示的特定实施方案。此外，除非明确做出相反说明，否则术语“一种”的使用旨在包括“至少一种”或“一种或更多种”。例如，“一种PAC”旨在包括“至少一种PAC”或“一种或更多种PAC”。
以绝对术语或近似术语给出的任何范围旨在包括二者，并且本文使用的任何定义旨在阐明而非限制。尽管阐述本发明的宽范围的数值范围和参数是近似值，但是在具体实施例中阐述的数值尽可能精确地报道。然而，任何数值固有地包含由其各自的试验测量中存在的标准偏差必然产生的某些误差。此外，本文公开的所有范围应理解为包括其中包含的任何和所有子范围(包括所有分数和整数值)。
此外，本发明包括本文所述的多个实施方案中的一些或全部的任何和所有可能的组合。还应理解，对本文所述的目前优选实施方案的多种改变和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。在不脱离本发明的精神和范围并且不减少其预期优点的情况下，可以进行这样的改变和修改。因此，这些改变和修改旨在由所附权利要求覆盖。

Claims (20)

1.一种包含固体的施胶压榨制剂，所述固体包含聚氯化铝化合物(PAC)和淀粉。
2.根据权利要求1所述的制剂，其中所述固体还包含光学增白剂。
3.根据权利要求1所述的制剂，其中所述固体还包含盐。
4.根据权利要求1所述的制剂，还包含水。
5.根据权利要求1所述的制剂，其中所述制剂包含约10重量％至约15重量％的所述固体。
6.根据权利要求5所述的制剂，其中所述固体包含至少约80重量％的淀粉、约10重量％至约15重量％的盐和约5重量％至约10重量％的光学增白剂。
7.根据权利要求5所述的制剂，其中所述固体包含约5重量％至约20重量％的PAC。
8.根据权利要求1所述的制剂，其中所述制剂的pH为约3至约8。
9.根据权利要求1所述的制剂，其中所述PAC选自：磷酸化聚氯化铝、硫酸化聚氯化铝、聚氯化铝、聚硫酸氯化铝硅及其任意组合。
10.根据权利要求1所述的制剂，其中所述PAC是磷酸化聚氯化铝。
11.根据权利要求1所述的制剂，其中所述固体包含约10重量％的PAC。
12.一种包含PAC和淀粉的干燥基材表面。
13.根据权利要求12所述的干燥基材表面，其中所述基材是纸张。
14.根据权利要求12所述的干燥基材表面，还包含光学增白剂。
15.根据权利要求12所述的干燥基材表面，还包含盐。
16.根据权利要求12所述的干燥基材表面，其中所述PAC选自：磷酸化聚氯化铝、硫酸化聚氯化铝、聚氯化铝、聚硫酸氯化铝硅及其任意组合。
17.一种处理基材表面的方法，包括：
向所述基材表面添加包含固体的施胶压榨制剂，其中所述固体包含PAC和淀粉。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述固体包含至少约80重量％的淀粉和约5重量％至约20重量％的PAC。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述PAC选自：磷酸化聚氯化铝、硫酸化聚氯化铝、聚氯化铝、聚硫酸氯化铝硅及其任意组合。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述施胶压榨制剂还包含水、盐和/或光学增白剂。
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