Результат интеллектуальной деятельности: УПРОЧНЯЮЩЕЕ ВЕЩЕСТВО, ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ И СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ БУМАГИ

Настоящее изобретение предлагает упрочняющее вещество, его применение и способ улучшения прочностных свойств бумаги, картона или аналогичных материалов согласно преамбулам независимых пунктов прилагаемой формулы изобретения.

Синтетические катионные полимеры используются в качестве упрочняющих веществ в производстве бумаги и картона. Как правило, они добавляются в волокнистый материал, где с ними взаимодействуют волокна и другие компоненты материала. Однако согласно наблюдениям, синтетические полимеры имеют ограниченную способность улучшения прочностных свойств конечной бумаги или картона в тех случаях, где в волокнистом материале содержится механическая целлюлоза, восстановленная целлюлоза, и/или присутствует наполнитель в высоком содержании. В целом, в течение последних десятилетий в производстве бумаги и картона увеличивается применение дешевых источников волокон, таких как вторичный гофрированный упаковочный картон или переработанная бумага из макулатуры. Вторичный гофрированный упаковочный картон содержит, главным образом, регенерированные после использования небеленые или беленые сульфатные целлюлозные волокна, лиственные древесные полухимические целлюлозные волокна и/или травяные целлюлозные волокна. Кроме того, в производстве бумаги и картона увеличивается применение минеральных наполнителей. Следовательно, существует постоянная необходимость в поиске новых способов улучшения прочностных свойств бумаги или картона. В частности, существует необходимость в экономичных способах улучшения прочностных свойств бумаги и картона.

Для производства наноцеллюлозы используются разнообразные источники волокон, содержащие целлюлозные структуры, такие как древесная масса, сахарная свекла, сахарный тростник (багасса), конопля, лен, хлопок, манильская пенька (абака), джут, хлопковое дерево (капок) и шелковая нить низкой крутки. Наноцеллюлоза содержит высвобожденные полукристаллические целлюлозные нанофибриллы, имеющие высокое соотношение длины и ширины. Типичные целлюлозные нанофибриллы имеют ширину, составляющую от 5 до 60 нм и длину в интервале от десятков нанометров до нескольких микрометров. Согласно описанию в международной патентной заявке № WO 2013/072550, наноцеллюлоза может использоваться в производстве прокладочной бумаги для целей уменьшения поверхностной плотности и повышения начальной прочности полотна во влажном состоянии. Однако крупномасштабное производство наноцеллюлозы представляет собой более затруднительный процесс, включающий сложную химическую и/или механическую обработку.

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы сократить до минимума или полностью устранить существующие недостатки предшествующего уровня техники.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить упрочняющее вещество, которое обеспечивает улучшенные прочностные свойства конечной бумаги или картона, и производство которого оказывается упрощенным, в том числе в большом масштабе.

Следующая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ, посредством которого могут быть улучшены прочностные свойства конечной бумаги или картона.

Эти задачи решаются в рамках настоящего изобретения, имеющего отличительные признаки, представленные ниже в отличительных частях независимых пунктов формулы изобретения.

Некоторые предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Варианты осуществления, примеры и преимущества, которые представлены в данном документе, относятся, насколько это применимо, к способу, упрочняющему веществу, а также применению упрочняющего вещества, даже если это не всегда отмечается особо.

Согласно настоящему изобретению, типичное упрочняющее вещество для бумаги, картона или аналогичных материалов содержит:

- первый компонент, который представляет собой измельченные целлюлозные волокна имеющий степень измельчения, составляющую более чем 70°SR,

- второй компонент, который представляет собой синтетический катионный полимер, имеющий плотность заряда, определяемую при pH 2,7 и составляющую от 0,1 до 2,5 мэкв/г, и среднюю молекулярную массу, составляющую более чем 300000 г/моль.

Согласно настоящему изобретению, типичное применение упрочняющего вещества представляет собой улучшение прочностных свойств бумаги, картона или аналогичных материалов.

Согласно настоящему изобретению, типичный способ улучшения прочностных свойств бумаги, картона или аналогичных материалов включает:

- получение волокнистого материала,

- добавление в волокнистый материал упрочняющего вещества, содержащего первый компонент и второй компонент согласно настоящему изобретению.

В настоящее время неожиданно обнаружено, что прочностные свойства бумаги, картона или аналогичных материалов могут в значительной степени улучшаться посредством упрочняющего вещества, содержащего механически измельченное целлюлозное волокно, имеющее степень измельчения, составляющую более чем 70°SR, и представляющее собой первый компонент, и синтетический катионный полимер, имеющий четко определенную плотность заряда и среднюю молекулярную массу и представляющее собой второй компонент. В частности, стойкость к расслаиванию получаемой бумаги или картона неожиданно повышается посредством применения упрочняющего вещества согласно настоящему изобретению. Без намерения ограничиваться теорией, считается, что измельченные в высокой степени целлюлозные волокна способны эффективно увеличивать относительную площадь соединения между волокнами в структуре бумаги, и в то же время катионный упрочняющий полимер оптимизирует прочность соединения между различными компонентами.

В контексте настоящей заявки сокращение "SR" представляет собой значение Шоппер-Риглера (Schopper-Riegler), которое получается согласно процедуре, описанной в стандарте ISO 5267-1:1999. Значение Шоппер-Риглера представляет собой меру скорости, с которой происходит обезвоживание разбавленной целлюлозной суспензии. Способность осушения целлюлозы определяют длина, состояние поверхности и/или набухание волокон материала. По существу, значение Шоппер-Риглера представляет собой степень механической обработки, которой подвергаются целлюлозные волокна. Чем больше значение Шоппер-Риглера, которое имеет целлюлоза, тем больше степень измельчения волокон, которые содержатся в ней.

Целлюлозные волокна, которые являются подходящими для применения согласно настоящему изобретению в качестве первого компонента упрочняющего вещества, представляют собой лиственные древесные волокна, хвойные древесные волокна или недревесные волокна, источниками которых являются, например, бамбук или кенаф (гибискус коноплевый). Могут присутствовать беленые или небеленые волокна. Предпочтительные волокна представляют собой хвойные древесные волокна, и их источники могут представлять собой сосна, ель или пихта. Целлюлозные волокна производятся посредством сульфатной варки целлюлозы или сульфитной варки целлюлозы, предпочтительно посредством сульфатной варки целлюлозы. После сульфатной варки целлюлозы или сульфитной варки целлюлозы волокна предпочтительно подвергаются исключительно механическому измельчению до тех пор, пока не достигается желательное значение SR. Таким образом, производство целлюлозных волокон, подходящих для применения согласно настоящему изобретению осуществляется относительно легко и просто, и для этого не требуются какие-либо дополнительные устройства или химические реагенты.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, целлюлозные волокна, которые подвергаются механическому измельчению, представляют собой беленые хвойные древесные волокна, получаемые посредством сульфатной варки целлюлозы. Целлюлозные волокна могут иметь средневзвешенную длину выпрямленных волокон, составляющую более чем 1,5 мм, предпочтительно более чем 1,8 мм при исследовании с использованием анализатора KajaaniFibreLab™ от компании Metso, Inc. (Финляндия).

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, целлюлозные волокна, используемые в качестве первого компонента, имеют степень измельчения, составляющую от 70 до 98°SR, предпочтительно от 75 до 90°SR, предпочтительнее от 77 до 87°SR. Было обнаружено, что при таких степенях измельчения оказывается возможным получение эффекта упрочнения, достигаемого при одновременном сохранении используемой для измельчения энергии и способности осушения на приемлемом уровне. Измельченные целлюлозные волокна могут иметь средневзвешенную длину выпрямленных волокон, которая находится в интервале от 0,3 до 2,5 мм, предпочтительно от 0,4 до 2 мм, иногда от 0,3 до 0,8 мм или от 0,4 до 0,7 мм, и/или эти волокна могут иметь ширину в интервале от 5 до 60 мкм, предпочтительно от 10 до 40 мкм. Длина волокон и ширина волокон в случае измельченных волокон измеряются с использованием анализатора KajaaniFibreLab™ от компании Metso, Inc. (Финляндия).

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, второй компонент упрочняющего вещества представляет собой синтетический катионный полимер, в качестве которого выбираются сополимеры метакриламида или акриламида и, по меньшей мере, одного катионного мономера. Синтетический катионный полимер может быть неразветвленным или сшитым, предпочтительно неразветвленным. Катионный мономер может выбираться из группы, которую составляют хлорид метакрилоилоксиэтилтриметиламмония, хлорид акрилоилоксиэтилтриметиламмония, хлорид 3-(метакриламидо)пропилтриметиламмония, хлорид 3-(акрилоиламидо)пропилтриметиламмония, хлорид диаллилдиметиламмония, диметиламиноэтилакрилат, диметиламиноэтилметакрилат, диметиламино-пропилакриламид, диметиламинопропилметакриламид или аналогичные мономеры. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, синтетический катионный полимер представляет собой сополимер акриламида или метакриламида с хлоридом (мет)акрилоилоксиэтилтриметиламмония.

Упрочняющее вещество предпочтительно представляет собой синтетический полимер, который изготавливается посредством полимеризации в растворе или дисперсии.

Плотность заряда синтетического катионного полимера, который используется в качестве второго компонента, предпочтительно оптимизируется таким образом, что оказывается возможным получение максимального эффект упрочнения без избыточного катионирования дзета-потенциала (электрокинетического потенциала) целлюлозных волокон. Синтетический катионный полимер может иметь плотность заряда, составляющую при pH 2,7 от 0,2 до 2,5 мэкв/г, предпочтительно от 0,3 до 1,9 мэкв/г, предпочтительнее от 0,4 до 1,35 мэкв/г, еще предпочтительнее от 1,05 до 1,35 мэкв/г. Плотности заряда измеряются с использованием прибора Mütek PCD 03.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, синтетический катионный полимер, который представляет собой второй компонент, имеет среднюю молекулярную массу, составляющую от 300000 до 6000000 г/моль, предпочтительно от 400000 до 4000000 г/моль, предпочтительнее от 450000 до 2900000 г/моль, еще предпочтительнее от 500000 до 1900000 г/моль, еще предпочтительнее от 500000 до 1450000 г/моль. Молекулярная масса измеряется с использованием известных хроматографических методов, таких как гельпроникающая хроматография, в которой применяются эксклюзионные хроматографические колонки, и для калибровки применяется полиэтиленоксид (ПЭО). Если молекулярная масса полимера, измеряемая методом гельпроникающей хроматографии, превышает 1000000 г/моль, регистрируемая молекулярная масса определяется посредством измерения характеристической вязкости с использованием капиллярного вискозиметра Уббелоде (Ubbelohde).

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, упрочняющее вещество содержит от 70 до 99,8 мас.%, предпочтительно от 90 до 99 мас.% измельченных целлюлозных волокон, которые представляют собой первый компонент, и от 0,5 до 10 мас.%, предпочтительно от 1 до 5 мас.%, синтетического катионного полимера, который представляет собой второй компонент. Эти массовые процентные величины вычисляются по отношению к содержанию сухого упрочняющего вещества.

Упрочняющее вещество может содержать измельченные целлюлозные волокна и синтетический катионный полимер в соотношении, составляющем от 100:1 до 5:1, предпочтительно от 70:1 до 20:1.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, измельченные целлюлозные волокна и синтетический катионный полимер, представляющие собой первый и второй компонент, смешиваются друг с другом, образуя композицию упрочняющего вещества, прежде чем упрочняющее вещество добавляется в волокнистый материал. В качестве альтернативы, измельченные целлюлозные волокна и синтетический катионный полимер могут добавляться в волокнистый материал раздельно, но одновременно.

Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, первый компонент упрочняющего вещества сначала добавляется в материал, а затем второй компонент упрочняющего вещества добавляется в материал.

Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения, второй компонент упрочняющего вещества сначала добавляется в материал, а затем первый компонент упрочняющего вещества добавляется в материал.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, упрочняющее вещество может, помимо первого и второго компонентов, содержать также катионный или амфотерный крахмал. Катионный или амфотерный крахмал, как правило, имеет степень замещения (СЗ), которая представляет собой число среднее катионных групп в крахмале в расчете на одно глюкозное звено и находится в интервале от 0,01 до 0,5, предпочтительно от 0,04 до 0,3, предпочтительнее от 0,05 до 0,2.

Катионный крахмал может представлять собой любой подходящий катионный крахмал, используемый для изготовления бумаги, причем источником такого крахмала является картофель, рис, кукуруза, кукуруза восковой спелости, пшеница, ячмень или тапиока, и предпочтительно используется кукурузный крахмал или картофельный крахмал. Как правило, содержание амилопектина в крахмале находится в интервале от 65 до 90%, предпочтительно от 70 до 85%. Крахмал может быть катионизирован любым подходящим способом. Предпочтительно крахмал катионизируется посредством использования хлорида 2,3-эпоксипропилтриметиламмония или хлорида 3-хлор-2-гидроксипропилтриметиламмония, причем предпочтительным является хлорид 2,3-эпоксипропилтриметиламмония. Кроме того, оказывается возможным катионизирование крахмала посредством использования катионных производных акриламида, таких как хлорид (3-акриламидопропил)триметиламмония.

Согласно одному варианту осуществления, по меньшей мере, 70 мас.% крахмальных звеньев в катионном крахмале имеют среднюю молекулярную массу (MW), которая составляет более чем 20000000 г/моль, предпочтительно 50000000 г/моль, предпочтительнее 100000000 г/моль.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, компонент катионного крахмала не разлагается, и это означает, что крахмальный компонент модифицируется исключительно посредством катионирования, и его основная цепь не разрушается и не сшивается. Катионный неразложившийся крахмальный компонент имеет природное происхождение.

В качестве дополнения или в качестве альтернативы, упрочняющее вещество может содержать амфотерный крахмал. Амфотерный крахмал одновременно содержит анионные и катионные группы, и его чистый заряд может быть нейтральным, катионным или анионным, предпочтительно катионным.

Упрочняющее вещество может дополнительно содержать поверхностно-активные вещества, соли, наполнители, другие полимеры и/или другие подходящие дополнительные составляющие вещества. Эти дополнительные составляющие вещества могут улучшать эксплуатационные характеристики упрочняющего вещества, его совместимость с другими ингредиентами бумажного производства или его устойчивость при хранении.

Упрочняющее вещество может добавляться в целлюлозу в таком количестве, что доза первого компонента, представляющего собой измельченные целлюлозные волокна, находится в интервале от 0,1 до 10 мас.%, предпочтительно от 0,5 до 8 мас.%, предпочтительнее от 1,5 до 6 мас.%, и доза второго компонента, представляющего собой синтетический катионный полимер, находится в интервале от 0,02 до 0,5 мас.%, предпочтительно от 0,07 до 0,4 мас.%, предпочтительнее от 0,12 до 0,25 мас.% в расчете на сухой волокнистый материал.

Упрочняющее вещество, любые или все из его компонентов добавляются в волокнистый материал до напускного ящика бумагоделательной машины или не позднее чем в напускном ящике бумагоделательной машины.

Предпочтительно упрочняющее вещество, любые или все из его компонентов добавляются в густой волокнистый материал, который имеет консистенцию, составляющую, по меньшей мере, 20 г/л, предпочтительно более чем 25 г/л, предпочтительнее более чем 30 г/л. В контексте настоящего изобретения, термин "волокнистый материал" следует понимать как означающий водную суспензию, в которой содержатся волокна и необязательный неорганический минеральный наполнитель. Конечный продукт, представляющий собой бумагу или картон, который производится из волокнистого материала, может содержать, по меньшей мере, 5%, предпочтительно от 10 до 40%, предпочтительнее от 11 до 19% минерального наполнителя, содержание которого вычисляется как зольность не содержащего покрытия продукта, представляющего собой бумагу или картон. Минеральный наполнитель может представлять собой любой наполнитель, который традиционно используется в производстве бумаги и картона, такой как измельченный карбонат кальция, осажденный карбонат кальция, глина, тальк, гипс, диоксид титана, синтетический силикат, гидроксид алюминия, сульфат бария, оксид магния или любые их смеси.

По меньшей мере, часть волокон в волокнистом материале предпочтительно образуются в результате механической варки целлюлозы, предпочтительно в результате хемотермомеханической варки целлюлозы. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, волокнистый материал, который подвергается обработке, может содержать более чем 60 мас.% волокон, образующихся в результате механической варки целлюлозы. Согласно некоторым вариантам осуществления, волокнистый материал может содержать более чем 10 мас.% волокон, образующихся в результате химической варки целлюлозы. Согласно одному варианту осуществления, волокнистый материал может содержать менее чем 50 мас.% волокон, образующихся в результате химической варки целлюлозы.

Настоящее изобретение является подходящим для повышения прочности бумаги таких сортов, как суперкаландрированная (СК) бумага, сверхлегкая мелованная (СЛМ) бумага, легкая мелованная (ЛМ) бумага и газетная бумага, но не ограничиваясь ими. Поверхностная плотность конечного бумажного полотна может составлять от 30 до 800 г/м², как правило, от 30 до 600 г/м², более типично от 50 до 500 г/м², предпочтительно от 60 до 300 г/м², предпочтительнее от 60 до 120 г/м², еще предпочтительнее от 70 до 100 г/м².

Кроме того, настоящее изобретение является подходящим для повышения прочности картона, такого как облицовочный картон, гофрированный картон для складных коробок (ГСК), макулатурный мелованный картон (ММК), сплошной беленый сульфатный (СБС) картон, сплошной небеленый сульфатный (СНС) картон или картон для упаковки жидкостей (КУЖ), но не ограничиваясь ими. Картон может иметь поверхностную плотность, составляющую от 70 до 500 г/м².

Экспериментальная часть

Общий принцип производства отлитых листов с помощью устройства Rapid Kothen для формования отлитых листов заключается в следующем:

Формование листов осуществляется с помощью устройства Rapid Kothen для формования отлитых листов согласно стандарту ISO 5269/2. Волокнистая суспензия разбавляется до консистенции 0,5% водопроводной водой, электропроводность которой доводится с помощью NaCl до уровня 550 мкСм/см в целях соответствия электропроводности фактической технологической воды. Волокнистая суспензия перешивается при постоянной скорости перемешивания, составляющей 1000 об/мин, в резервуаре с помощью пропеллерной мешалки. Упрочняющее вещество согласно настоящему изобретению, предназначенное для улучшения прочностных свойств конечного листа, добавляется в суспензию и перемешивается в течение 60 секунд перед обезвоживанием. Все листы высушиваются в вакуумной сушилке в течение 5 минут при давлении 1000 мбар (0,1 МПа) и температуре 92°C. После высушивания листы подвергаются предварительному кондиционированию в течение 24 часов в условиях температуры 23°C и относительной влажности 50% перед исследованием прочности листов на растяжение.

Для измерения дзета-потенциала волокнистая суспензия разбавляется до консистенции 0,5% водопроводной водой, электропроводность которой доводится с помощью NaCl до уровня 550 мкСм/см в целях соответствия электропроводности фактической технологической воды.

Способы измерения и устройства, используемые для исследования образцов отлитых листов, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Измеренные свойства отлитых листов и стандартные методы и устройства, используемые для измерений.

Пример 1

Формование отлитых листов осуществлялось, как описано выше. Поверхностная плотность листов составляла 80 г/м².

Волокнистая суспензия содержала 50 мас.% длинноволокнистой фракции, в качестве которой присутствовала сосновая сульфатная целлюлоза, имеющая степень измельчения 18°SR, и 50 мас.% коротковолокнистой фракции, в качестве которой присутствовала эвкалиптовая целлюлоза, имеющая степень измельчения 18°SR.

Упрочняющее вещество содержало:

1) первый компонент, в качестве которой присутствовала сосновая сульфатная целлюлоза, имеющая степень измельчения 90°SR; измельчение сосновой сульфатной целлюлозы осуществляли, используя размольный станок Valley, и его содержание составляло 1,64 мас.% в расчете на сухое волокно, и

2) второй компонент, который представлял собой катионный полиакриламид, имеющий среднюю молекулярную массу 800000 г/моль и плотность заряда 1,3 мэкв/г.

Результаты примера 1 представлены в таблице 2. Все дозировки приведены в килограммах на тонну целлюлозы в расчете на активный компонент.

Таблица 2. Результаты примера 1

Из таблицы 2 можно видеть, что упрочняющее вещество согласно настоящему изобретению, содержащее одновременно измельченные целлюлозные волокна и синтетический катионный полимер, улучшает значения индекса прочности при растяжении и стойкости к расслаиванию получаемой бумаги. Кроме того, видно, что когда используется упрочняющее вещество, синтетический катионный полимер в меньшем количестве обеспечивает такие же результаты, как используемый в чистом виде синтетический катионный полимер в большем количестве. Это может свидетельствовать о том, что посредством применения настоящего изобретения можно использовать синтетические катионные полимеры в меньшем количестве, что производит общее положительное воздействие на экономичность процесса, поскольку синтетические полимеры, как правило, представляют собой дорогостоящие компоненты в производстве бумаги или картона.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на варианты осуществления, которые в настоящее время считаются наиболее практичными и предпочтительными, следует понимать, что настоящее изобретение не должно ограничиваться вариантами осуществления, которые описываются выше, но настоящее изобретение предназначается также для распространения на различные модификации и эквивалентные технические решения в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.