紙和紙板的製造方法
2023-09-22 06:20:50
專利名稱：紙和紙板的製造方法
技術領域：
本發明涉及紙或紙板的生產，所用的方法包括形成一種纖維素水懸浮液，將一種保留體系加到該纖維素懸浮液中，將該懸浮液排放到一個隔板上形成紙張，然後乾燥該紙張，其中保留體系含有一種膨脹粘土。這類造紙的方法已在文獻中很好地證實，並包括例如Hydrocol(商標)方法，該法包括使用膨潤土(即陰離子膨脹粘土)作為保留體系的一部分。這類方法已在例如EP-A-235893，US-A-4913775和EP-A-707673中公開。
EP-A-235893提供一種方法，其中在剪切階段之前將基本上是水溶性的線型陽離子聚合物施加到造紙原料上，然後通過在剪切階段後引籬膨潤土再絮凝。這一方法提供了增強的排水，還有良好的形成和保留。這一由Ciba Specialty Chemicals以Hydrocol商標商業化的方法證明是很成功的已有10年以上時間。
已普遍地發現，造紙系統利用膨脹粘土作為保留體系的一部分提供了排水速率和保留的明顯改進。
通常膨脹粘土包括膨潤土、海泡石和矽鎂土等。膨潤土包括普通類型的粘土，被稱為綠土。它包括上述的粘土變種如蒙脫石、滑石粉、armargosite、囊脫石和鋰蒙脫石。在許多場合，含有膨脹粘土的保留體系甚至與利用例如膠態矽石和聚矽酸微粒子的其他體系比較時，提供了排水和保留的大量改進。
然而，粘土基保留體系的一個特定缺點是由其生產的紙趨向於蒙受光學性能的降低。雖然在應用膨潤土的造紙法中包括螢光增白劑(OBAs)可改善紙的白度，但這種改善通常是不明顯的，而且不足以產生高質量的紙，例如TAPPI白度值超過92，優選96-99或更高的高度光亮的紙。因此，為了提供這樣高度光亮的紙，一般認為膨脹粘土基保留體系是不適合的，因而應當避免。
WO-A-98/23815試圖通過把螢光增白劑與一種陰離子橋連促凝劑，如膨潤土混合，然後將其摻到造紙原料中來解決這個問題。儘管用這種方法實現了紙的白度的顯著改善，但我們發現，紙的白度仍需進一步加強，尤其是基本白度。
一般，當應用粘土基保留體系時，為了提供僅是適中白度的紙，會需要應用高含量的螢光增白劑(OBAs)。然而在高度填充的造紙法中，我們發現高含量螢光增白劑的存在時填料保持會產生有害的影響。
雖然為了改進螢光增白劑的效力已做出了各種嘗試，但迄今尚未開發出一種可以與膨脹粘土基保留體系一起使用的有效螢光增白劑。
因此仍然需要在使用膨脹粘土(例如膨潤土)基保留體系時改善紙或紙板白度的方法。尤其是需要提供一種結合了高填料和纖維保留及快速排水的優點的造紙方法，例如發現使用膨脹粘土基保留體系，同時提供具有高的總白度的紙，特別是使用減低含量的螢光增白劑。
此外還需要提供具有高程度白度和改進的填料保持的填充紙。
因此按照本發明，我們提供一種製造紙或紙板的方法，該方法包括形成一種纖維素水懸浮液，將一種保留體系加到該纖維素懸浮液中，將該懸浮液排放到一個隔板上，形成紙張和乾燥該紙張，該方法的特徵在於，保留體系含有TAPPI白度至少為70的膨脹粘土。
從而發現，通過應用TAPPI白度至少為70的膨脹粘土可改進紙的總白度。這種膨脹粘土可以是例如膨潤土，海泡石和矽鎂土等，條件是這些粘土顯示至少為70的TAPPI的白度。膨潤土包括通常類型稱為綠土的粘土，它包括上述粘土的變體，如蒙脫石、滑石粉、armargosite、囊脫石和鋰蒙脫石。優選該膨脹粘土是膨潤土。
TAPPI白度試驗是測定例如紙漿、紙和紙板的白度的標準試驗方法，但也可施用於膨脹粘土如膨潤土。此方法的具體細節在例如TAPPI出版的標準試驗方法T452，92(1992)中給出，題目為「紙漿、紙和紙板的白度」(在457nm的定向反射率)。
還發現，膨脹粘土，例如膨潤土在含有低量或微不足道含量的過渡金屬雜質時傾向於顯示至少為70的TAPPI白度值。尤其是我們發現，光亮的膨潤土傾向於含有低於1％的過渡金屬雜質它們可能是例如氧化鐵或其他鐵化合物。相反地我們發現，含有明顯大於1％重量過渡金屬的膨潤土所具有的白度值明顯低於70。這是特別純粹的膨潤土含有最高達10％的過渡金屬雜質，特別是這種雜質包括氧化鐵或其他鐵化合物的場合。
該膨脹粘土可以是任何號數的可商購粘土，它們顯示至少為70的TAPPI白度值。這種膨脹粘土可以是例如鈉膨潤土，含有低於1％的過渡金屬化合物的顯示出81的TAPPI白度值，它是由美國喬治亞州的Waverly廠生產的。
按照本發明的所有方面，我們進一步提供一種紙或紙板的製造方法，其包括形成一種纖維素的水懸浮液，將保留體系加到該纖維素懸浮液中，將該懸浮液排放到一個隔板上，形成紙張和將該紙張乾燥，此方法的特徵在於，保留體系包含一種膨脹粘土，此粘土含有少於1％重量的一種或多種過渡金屬化合物。
按照本發明的兩個方面，膨脹粘土作為多組分保留體系的一部分可以與其他保留助劑混合使用。因而在一個優選的體系中，我們提供一個造紙體系，它額外地包含一種聚合物保留助劑。這種聚合物保留體系可以與膨脹粘土同時加到纖維素懸浮液中，不過，優選聚合物保留助劑和膨脹粘土相繼加入。在本發明的一個優選的實施方案中，聚合物保留助劑是在膨脹粘土之前加到纖維素懸浮液中。在一個更優選的方法中，將聚合物保留助劑加到纖維懸浮液中，從而將纖維素懸浮液絮凝，任選地使絮凝的懸浮液通過一個或多個剪切步驟剪切懸浮液，這些步驟選自泵送、混合和洗滌步驟，然後加入膨脹粘土以使纖維懸浮液再絮凝。例如這些剪切步驟包括風扇泵(fan pumps)和中心隔板(Centri-screens)，但可以是任何方法中懸浮液剪切的其他步驟。
剪切步驟理想地以如此一種方式作用於絮凝的懸浮液，以致使絮凝物降解。絮凝體系的所有組分可在剪切階段之前加入，不過優選至少絮凝體系的最後一個組分是在該方法中在排放以形成紙張前基本上已經沒有剪切的特定時間加到纖維素懸浮液中。因而優選的是至少一個絮凝體系的組分加到纖維素懸浮液中和絮凝的懸浮液然後經受機械剪切，其中絮凝物被機械降解，和然後加入至少一個絮凝體系的組分，以在排放之前再絮凝該懸浮液。
聚合物保留助劑可得自任何合適的天然或合成聚合物。其可理想地選自特性粘數至少為1dl/g的水溶性天然聚合物和水溶性合成聚合物。這種聚合物保留助劑可以例如是水溶性澱粉，選自陽離子澱粉、兩性澱粉、陰離子和非離子澱粉。然而優選的是該聚合物保留助劑是合成的並含有高分子量的聚合物，這種聚合物是以離子性為特徵的。更優選由一種或多種烯屬不飽合單體所形成的水溶性陽離子合成聚合物，並具有至少為4dl/g的特性粘數。
水溶性合成聚合物可以由水溶性烯屬不飽和單體形成。對於水溶性，我們指的是水中溶解度至少為5g/100cc的單體。當聚合物是離子性的時，它由至少一種水溶性離子單體形成。該水溶性聚合物也可以是非離子的，因而由一種或多種非離子單體形成，例如丙烯醯胺、甲基丙烯醯胺、丙烯酸-2-羥乙基酯或N-乙烯基吡咯烷酮。水溶性陰離子聚合物可以由至少一種例如選自丙烯酸、甲基丙烯酸或2-丙烯醯胺-2-甲基丙烷磺酸的陰離子單體形成。理想的是該水溶性聚合物保留助劑是一種陽離子聚合物，這種陽離子聚合物可以由水溶性烯屬不飽和陽離子單體或其中在一種混合物中的至少一種單體是陽離子的或潛在陽離子的單體的混合物形成。該陽離子單體優選選自二烯丙基二烷基氯化銨，二烷基氨基烷基(甲基)丙烯酸或二烷基氨基烷基(甲基)丙烯醯胺的酸加成鹽或季銨鹽。該陽離子單體可單獨聚合或與水溶性非離子、陽離子或陰離子單體共聚。優選這種聚合物的特性粘數至少為3dl/g，例如高達16或18dl/g，但通常在7或8-14或15dl/g的範圍內。特別優選的陽離子聚合物包括二甲基氨基乙基丙烯酸或甲基丙烯酸的甲基氯季銨鹽的共聚物。
該水溶性陽離子聚合物也可具有少量的支化結構，例如通過引入少量的支化劑，例如最高達20ppm重量。一般該支化劑包括這裡所規定的適合於製備支化陰離子聚合物的任何支化劑。這種分支的聚合物也可通過包括把一種鏈轉移劑混入單體混合物中來製備。這種鏈轉移劑的含量可以至少為2ppm重量，也可以為最高達200ppm重量。一般鏈轉移劑的量為10-50ppm重量。這種鏈轉移劑可以是任何適宜的化學物質，例如次磷酸鈉，2-巰基乙醇，蘋果酸或巰基乙酸。含有鏈轉移劑的支化聚合物可使用較高含量的支化劑製備，例如最高達100或200ppm重量，條件是所用鏈轉移劑的量足以保證所生成的聚合物是水溶性的。一般支化的陽離子水溶性聚合物可由合有至少一種陽離子單體，至少10摩爾ppm的鏈轉移劑和低於20摩爾ppm的支化劑的水溶性單體混合物形成。優選該支化水溶性陽離子聚合物具有在0.005Hz(赫茲)下的高於0.7的tanΔ流變學振動值(由本文給出的方法定義的)。一般支化的陽離子聚合物具有的特性粘數至少為3dl/g，典型地該聚合物可具有的特性粘數為4或5-最高18或19dl/g。優選的聚合物具有7或8-約12或13dl/g的特性粘數。
該聚合物保留助劑還可以是兩性聚合物，在這種情況下，其含有陰離子和陽離子基團二者。因此，兩性聚合物可以由至少一種陽離子單體和至少一種陰離子單體和任選的一種非離子單體形成。從而兩性聚合物可以由前述的任何陰離子，陽離子和任選的非離子單體生成。
該水溶性聚合物保留助劑也可通過任何常規的方法製備，例如通過溶液聚合，油包水懸浮聚合或油包水乳液聚合製備。溶液聚合產生含水聚合物凝膠，它可被切割，乾燥和研磨，以提供一種粉末狀產品。該聚合物可通過懸浮聚合作為珠粒產生通過油包水乳液聚合作為油包水乳液或分散體產生，例如根據EP-A-150933和EP-A-102760或EP-A-126528所規定的方法。
在一個優選的造紙方法中，我們提供了這樣一種方法，其中陽離子聚合物是在聚合物保留助劑之前加入到纖維素懸浮液中。在一個方法中，先於聚合物保留助劑加入的陽離子聚合物是低分子量的陽離子促凝劑。優選該陽離子聚合物選自聚DADMAC，聚亞胺，聚胺和雙氰胺聚合物。
該造紙方法也可包括一種螢光增白劑。這種螢光增白劑可直接包含在纖維素懸浮液中或與保留體系的一個組分，例如膨脹粘土或聚合物保留助劑一起包含在纖維素懸浮液中。
螢光增白劑可施於形成的紙張的表面作為塗層色。例如一種塗層色組合物含有一種或多種填料或顏料，螢光增白劑(FWA)，粘合劑，流變學改進劑和任選的其他化學試劑。填料和顏料通常是白色無機粒狀材料，例如可選自碳酸鈣，優選粒狀碳酸鈣或磨碎的碳酸鈣，高嶺土，二氧化鈦和滑石。通常填料或顏料的量按塗層色組合物計為至少75％，經常為至少85％重量。
螢光增白劑(FWA)，也被稱為OBA，增強光反射質量，並因而增強了被塗附的紙張的白度。粘合劑把顏料粘附到被塗附的紙或紙板上，粘合劑通常是粘合聚合物材料，是一種含水膠乳的形式。塗層色組合物的流變學通常調節到適合於特定的應用。
在本發明中，螢光增白劑(OBA或FWA)可以是具有螢光能力的任何化學物質，它能吸收來自光譜中紫外部分的光並將其以可見光譜的形式發射出來。優選螢光增白劑是茋螢光增白劑，如在GB-A-2026566和GB-A-2026054中所述，或是雙-茋螢光增白劑，如在EP-A-624687中所述。該螢光增白劑包括二氨基茋二磺酸衍生物和四氨基雙-茋二磺酸和衍生物，四氨基雙-茋四磺酸和衍生物，以及四氨基雙-茋二六磺酸和衍生物。優選螢光增白劑以含水濃漿的形式提供，通常至少30％重量，例如約60％重量。
本發明的另一個實施方案涉及按照本發明的方法可得到的紙和紙板。
本發明的另一個實施方案涉及含有TAPPI白度至少為70的膨脹粘土和聚合物保留助劑的組合物。這種膨脹粘土和保留助劑的性質如上所述。
該組合物的一個優選實施方案涉及其中膨脹粘土是膨潤土的組合物。
本發明的另一個實施方案涉及將TAPPI白度至少為70的膨脹粘土用於紙或紙板的製造。
本發明的另一個實施方案涉及將上述組合物用於製造紙或紙板。
本發明的另一個實施方案涉及含有TAPPI白度至少為70的膨脹粘土的紙或紙板。
本發明的一個優選實施方案涉及上述紙或紙板，它們進一步包含一種聚合物保留助劑。
本發明的另一個實施方案涉及一種纖維素懸浮液，其包括含有膨脹粘土的保留體系，該膨脹粘土的TAPPI白度至少為70。
它的一個優選實施方案涉及進一步含有一種聚合物保留助劑的纖維素懸浮液。
下面的實施例用於說明本發明。
實施例1按稠度(固體含量)0.78％重量製備紙料，含37.5％重量硬木材，37.5％重量軟木材和25％重量沉澱碳酸鈣。向該紙料的500ml等分部分中加入丙烯醯胺與二甲基氨基乙基丙烯酸的甲基氯季銨鹽的特性粘數高於11.0dl/g的共聚物的溶液(75/25重量/重量)，按每一等分部分0.75磅/噸(375ppm)加入並混合10秒鐘。將由Waverly工廠(Georgia，USA)提供的白度為81的膨潤土A加到等分部分中，用量為4磅/噸(2000ppm)。以1000rpm剪切10秒鐘後，將該紙料注入手工抄紙模具中。對每個紙料的等分部分製備手抄紙一式三份並且測量白度、螢光和不透明性。對每張紙取兩個讀數的平均值。根據完成的光學測試確定紙張灰分含量。
實施例2-4利用膨潤土B(可商購的膨潤土，來源於Texas，USA並顯示56的白度值)，膨潤土C(來源於UK的可商購的膨潤土，白度值33)和聚二氧化矽微凝膠ParticolRTMBX(按照WO-A-98/30753的實施例1製備)以1磅/噸的用量(500ppm)重複實施例1。
實施例5-20重複實施例1-4，除了在丙烯醯胺共聚物加入之前，向每個等分部分中加入10，20，30，40和60磅/噸(分別為5,000ppm，10,000ppm，15,000ppm，20,000ppm和30,000ppm)的螢光增白劑(OBA)TinopalRTMPT Liquid New，加入後緩慢攪拌10分鐘，然後以1000rpm混合10秒鐘。
實施例1-20的結果示於表1中。
表1
總白度表1示出了以每個OBA含量製得的手抄紙的總白度。紙的白度隨著TinopalRTMPT Liquid New的添加的增加而增加。因而可以清楚地看出，紙張的白度通過應用具有較高片白度的膨潤土得以改進。也可看出，通過與具有較低白度的膨潤土比較，當應用膨潤土A時，需要很少的OBA。為了達到98的白度，用膨潤土A僅需OBA20磅/噸而為了達到同樣的白度用膨潤土B和C則分別需要OBA40和60磅/噸。
螢光在每種測試的膨潤土之間在螢光方面沒有發現明顯的差別。這表明OBA對於紙張的貢獻在每種情況下是相似的，和因此紙張的總白度根據膨潤土白度而變化(如從表1推斷的)。略高的螢光值是從用聚二氧化矽微凝膠Particol BX處理的紙張得到的。
基本白度表1也闡明了紙張的基本白度，即沒有被OBA增強的白度。數字表明對於每種測試的微粒基本白度隨著OBA用量的增加而減低。這是歸因於保留的降低，因為陰離子性(anionicity)隨Tinopal劑量而增加。在此項分析中首次合格的保留沒有維持恆定，為的是檢驗在共同的膨潤土填充物的情況下白度的差別。保留的減少減低了紙張的PCC(沉澱碳酸鈣)含量，這就影響了紙張的基本白度。
然而，基本紙張白度確切指明了膨潤土的白度影響了紙張的白度。表1還表明膨潤土C片的白度低於膨潤土B，而膨潤土B低於膨潤土A。應用膨潤土A提供了與Particol BX相似的白度。
不透明性正如就基本紙張白度所說明的，PCC含量隨著OBA劑量的增加而降低，這是因為增加了陰離子性。這種灰分保留的降低影響了紙張的不透明性以及白度。從表1也可清楚地看出，不透明性隨著OBA劑量的增加而降低。在微顆粒之間沒有發現不透明性的明顯差異。
紙張灰分針對此項分析中製備的每一紙張進行紙張灰分測量。表1表明紙張灰分隨著OBA劑量的增加而降低。這證實在持續的保留助劑劑量下由於較高的Tinopal含量，保留、基本紙張白度和不透明性降低。數字還表明用膨潤土A的紙張中保留的灰分比其他膨潤土或Particol BX多。
因而最終可以看出，利用白度值至少為70的膨潤土改善了用其他白度值較低的膨潤土製成的紙張的白度。
此外，可容易地看出，當使用較低白度的膨潤土時，為了達到相似的紙張白度需要較高含量的OBA。
利用白度值至少為70的膨潤土可以達到相當的總白度和較高的灰分保留。這意味著對於具有相當白度的紙張，應用白度值至少為70的膨潤土可實現較高的填料保留。
權利要求
1.一種製造紙或紙板的方法，包括形成一種纖維素水懸浮液，向該纖維素懸浮液中加入一種保留體系，將該懸浮液排放到一個隔板上形成紙張和乾燥該紙張，此法的特徵在於所說的保留體系包含TAPPI白度至少為70的膨脹粘土。
2.權利要求1的方法，其中膨脹粘土是膨潤土。
3.權利要求1或2的方法，其中該保留體系另含有一種聚合物保留助劑。
4.權利要求1-3任一項的方法，其中將一種用於紙和紙板的螢光增白劑加到該纖維素懸浮液中。
5.權利要求1-4任一項的方法，其中紙或紙板含有一種填料。
6.權利要求5的方法，其中填料選自沉澱碳酸鈣、磨碎的碳酸鈣、高嶺土、二氧化鈦和滑石。
7.權利要求1-6任一項的方法，其特徵在於該保留體系含有一種膨脹粘土，此膨脹粘土含有低於1％重量的一種或多種過渡金屬化合物。
8.按照權利要求1-7可得的紙和紙板。
9.一種包含TAPPI白度至少為70的膨脹粘土和一種聚合物保留助劑的組合物。
10.權利要求9的組合物，其中膨脹粘土是一種膨潤土。
11.將TAPPI白度至少為70的膨脹粘土用於製造紙或紙板。
12.將權利要求9的組合物用於製造紙或紙板。
13.含有TAPPI白度至少為70的膨脹粘土的紙或紙板。
14.權利要求13的紙或紙板，進一步含有一種聚合物保留助劑。
15.一種纖維素懸浮液，其含有一個保留體系，此保留體系含有TAPPI白度至少為70的膨脹粘土。
16.權利要求15的纖維素懸浮液，其進一步含有一種聚合物保留助劑。
全文摘要
一種製造紙或紙板的方法，其包括形成一種纖維素水懸浮液，將一個保留體系加到該纖維素懸浮液中，將該懸浮液排放到一個隔板上形成紙張和乾燥該紙張，其中該保留體系含有TAPPI(美國紙張與造紙工業技術協會)白度至少為70的一種膨脹粘土。
文檔編號D21H17/67GK1520482SQ02812653
公開日2004年8月11日 申請日期2002年6月18日 優先權日2001年6月25日
發明者G·C·陳, S·C·威廉斯, G C 陳, 威廉斯 申請人:西巴特殊化學水處理有限公司