用于造紙中的填料的預(yù)絮凝的制作方法
【專利說明】用于造紙中的填料的預(yù)絮凝
[0001] 發(fā)明背景
[0002] 本發(fā)明涉及用于造紙中的填料的預(yù)絮凝（preflocculation)，特別地，公開了在高 填料固體下具有規(guī)定且可控的粒度分布的抗剪切填料絮凝物的生產(chǎn)。
[0003] 為了改善產(chǎn)品質(zhì)量以及降低原材料和能量成本，增加印刷紙和書寫紙中的填料含 量受到極大關(guān)注。然而，用如碳酸鈣和粘土的填料替代纖維素纖維降低成品片材的強(qiáng)度。當(dāng) 增加填料含量時(shí)的另一個(gè)問題是使填料遍及三維片材結(jié)構(gòu)保持平均分布的難度增大。降低 增加填料含量的這些負(fù)面影響的方法是在將填料添加到造紙機(jī)的濕部進(jìn)入系統(tǒng)中之前使 填料預(yù)絮凝。
[0004] 術(shù)語"預(yù)絮凝"的定義是在填料顆粒絮凝并添加到紙料（paper stock)之前，通過 用凝結(jié)劑和/或絮凝劑處理使填料顆粒改性成附聚體。該工藝的絮凝處理和剪切力決定絮 凝物在添加到紙料之前的粒度分布和穩(wěn)定性。存在于現(xiàn)代高速造紙中的化學(xué)環(huán)境和高流體 剪切率需要填料絮凝物穩(wěn)定并且抗剪切。通過預(yù)絮凝處理提供的絮凝物粒度分布應(yīng)在增加 填料含量的情況下使片材強(qiáng)度的降低最小化，使因填料顆粒引起的光效率損失最小化，且 使對(duì)片材均勻性和可印刷性的負(fù)面影響最小化。此外，整個(gè)系統(tǒng)必須是經(jīng)濟(jì)上可行的。
[0005] 因此，高剪切穩(wěn)定性與尖銳的粒度分布的組合對(duì)于填料預(yù)絮凝技術(shù)的成功至關(guān)重 要。然而，由低分子量凝結(jié)劑單獨(dú)形成的、包括常用淀粉的填料絮凝物傾向于具有相對(duì)較小 的粒度，其在造紙機(jī)的高剪切力下破裂。由單一高分子量絮凝劑形成的填料絮凝物傾向于 具有難以控制的寬粒度分布，且該粒度分布在較高填料固體含量下變差，這主要?dú)w因于粘 性絮凝劑溶液在漿料中的混合不良。因此，正存在對(duì)改善的預(yù)絮凝技術(shù)的需求。
[0006] 此部分中描述的技術(shù)不意圖構(gòu)成對(duì)本文所提及的任何專利、出版物或其他信息為 關(guān)于本發(fā)明的"現(xiàn)有技術(shù)"的承認(rèn)，除非明確指示如此。另外，此部分不應(yīng)被解釋為意指已 進(jìn)行檢索或不存在如在37C.F.R. §1.56 (a)中定義的其他相關(guān)信息。
[0007] 發(fā)明的簡要概述
[0008] 至少一個(gè)實(shí)施方案涉及一種制備用于造紙工藝中的具有特定粒度分布的絮凝的 填料顆粒的穩(wěn)定分散體的方法。該方法包括以下步驟：a)提供填料顆粒的水分散體；b)以 足以在所述分散體中均勻混合而不引起所述填料顆粒顯著絮凝的量向所述分散體添加第 一絮凝試劑，并且所述第一絮凝試劑是兩性的；c)在添加第一絮凝試劑之前、同時(shí)和/或之 后，且在添加第二絮凝試劑之前，以不足以引起填料顆粒顯著絮凝的量向分散體添加微粒； d)以足以在所述第一絮凝試劑的存在下引發(fā)所述填料顆粒的絮凝的量向所述分散體添加 所述第二絮凝試劑，其中所述第二絮凝試劑具有與所述第一兩性絮凝試劑的凈電荷相反的 電荷；e)剪切絮凝的分散體，以提供具有所需粒度的填料絮凝物的分散體；以及f)在向紙 料添加所述填料顆粒之前使所述填料顆粒絮凝，并且其中在所述絮凝期間不存在紙料。
[0009] 填料絮凝物可以具有10 μπι-100 μL?的中值粒度。填料可以選自由以下組成的組： 沉淀碳酸鈣、重質(zhì)碳酸鈣、高嶺粘土、滑石、二氧化鈦、三水合氧化鋁、硫酸鋇和氫氧化鎂、及 其混合物。第一絮凝試劑可以具有凈陰離子電荷。第二絮凝試劑可以是陽離子的，和/或 可以選自由以下組成的組：（甲基）丙烯酰胺與甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯（DMEM)、丙烯 酸二甲基氨基乙酯（DMAEA)、丙烯酸二乙基氨基乙酯（DEAEA)、甲基丙烯酸二乙基氨基乙酯 (DEAEM)或它們與硫酸二甲酯、甲基氯或苯甲基氯制得的季銨形式的共聚物和三元共聚物、 及其混合物。第二絮凝試劑可以是具有10-50摩爾％的陽離子電荷和至少15dL/g的RSV 的丙烯酰胺-丙烯酸二甲基氨基乙酯甲基氯季銨共聚物，和/或可以是具有〇. ldL/g-2dL/g 的RSV的二烯丙基二甲基氯化銨的均聚物。該方法還可以包括在添加第二絮凝試劑之后向 絮凝的分散體添加一種或更多種微粒。填料可以是陰離子分散的，并且在添加第一絮凝試 劑或微粒之前，將低分子量的、陽離子凝結(jié)劑添加到分散體以至少部分地中和其陰離子電 荷。也可以向填料顆粒的分散體添加溶脹淀粉。溶脹淀粉可以是陽離子的、陰離子的、兩性 的或非離子的，和/或可以是溶脹淀粉-膠乳配合物。微?？梢允沁x自由以下組成的清單 中的一項(xiàng)：硅質(zhì)材料、基于二氧化硅的顆粒、二氧化硅微凝膠、膠態(tài)二氧化硅、硅溶膠、硅膠、 聚硅酸鹽、陽離子二氧化硅、鋁硅酸鹽、聚鋁硅酸鹽、硼硅酸鹽、聚硼硅酸鹽、沸石、以及合成 或天然存在的膨脹粘土、陰離子聚合物微粒、陽離子聚合物微粒、兩性有機(jī)聚合物微粒、及 其任何組合。
[0010] 至少一個(gè)實(shí)施方案涉及一種紙產(chǎn)品，其并入如本文描述而制備的填料絮凝物。
[0011] 發(fā)明詳述
[0012] 提供以下定義以確定用于本申請(qǐng)中的術(shù)語、且特別是權(quán)利要求應(yīng)如何解釋。定義 的組織僅為了方便起見，并且不意圖將定義中的任何限制于任何特定類別。出于本申請(qǐng)的 目的，這些術(shù)語的定義如下：
[0013] "凝結(jié)劑"意指相比絮凝劑具有較高的電荷密度和較低的分子量的物質(zhì)的組合物， 當(dāng)被添加到含有細(xì)碎的懸浮顆粒的液體時(shí)，其通過離子電荷中和機(jī)制而使固體失穩(wěn)并聚 集。
[0014] "絮凝劑"意指具有低電荷密度和高分子量（超過1，000, 000)的物質(zhì)的組合物，當(dāng) 被添加到含有細(xì)碎的懸浮顆粒的液體時(shí)，其經(jīng)由顆粒間橋聯(lián)機(jī)制使固體失穩(wěn)并聚集。
[0015] "絮凝試劑"意指當(dāng)被添加到液體時(shí)，使液體中的膠態(tài)且細(xì)碎的懸浮顆粒失穩(wěn)并聚 集的物質(zhì)的組合物，絮凝劑和凝結(jié)劑可以是絮凝試劑。
[0016] "GCC"意指重質(zhì)碳酸鈣，其通過研磨天然存在的碳酸鈣巖石來制造。
[0017] "PCC"意指沉淀碳酸鈣，其被合成產(chǎn)生。
[0018] "微粒"意指尺寸在0.1 ym與100 μπι之間的顆粒，其可以構(gòu)成包括硅、陶瓷、玻璃、 聚合物和金屬的許多材料，因?yàn)槲⒘＞哂斜阮愃频暮暧^尺度尺寸的材料大得多的表面積體 積比，其性能可以相當(dāng)不同。
[0019] 在上述定義或本申請(qǐng)別處陳述的描述與字典中通常使用的或通過引用并入本 申請(qǐng)中的來源中陳述的含義（明確或隱含）不一致的情況下，本申請(qǐng)且特別是權(quán)利要 求的術(shù)語應(yīng)被理解為根據(jù)本申請(qǐng)中的定義或描述，而不根據(jù)常用定義、字典定義或通過 引用并入的定義來解釋。根據(jù)上文，在術(shù)語僅可以由字典解釋來理解的情況下，如果 該術(shù)語由 Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology,第 5 版，（2005)(由 Wiley, John&Sons公司出版）來定義，那么此定義應(yīng)控制該術(shù)語如何在權(quán)利要求中被定義。
[0020] 至少一個(gè)實(shí)施方案涉及一種制備用于造紙工藝中的具有特定粒度分布的絮凝的 填料顆粒的穩(wěn)定分散體的方法。以與分散體均勻混合而不引起填料顆粒的任何顯著絮凝的 量和條件，向填料顆粒的水分散體添加第一絮凝試劑。在添加第一絮凝試劑之前、期間或之 后，向分散體添加微粒。在已添加第一絮凝試劑和微粒之后，以足以在第一絮凝試劑的存在 下引發(fā)填料顆粒的絮凝的量和條件，向分散體添加第二絮凝試劑。在至少一個(gè)實(shí)施方案中， 第一試劑和第二試劑的類型及其使用和/或添加的方法是根據(jù)美國專利8, 088, 213中描述 的任何和所有的方法及程序。
[0021] 任選地，可以剪切絮凝的分散體以提供具有最佳粒度的填料絮凝物的分散體。
[0022] 雖然微粒先前已用于造紙工藝中，但其以此種方式使用相當(dāng)新穎。在一些現(xiàn)有技 術(shù)工藝中，在濕部添加微粒以防止材料從纖維-填料混合物損失。然而，在本發(fā)明中，在分 散體與用于造紙的纖維接觸之前，向填料的分散體添加微粒。
[0023] 本發(fā)明也不同于制備填料分散體的先前的微粒使用方法，其目的在于在所使用的 微粒（諸如美國公開專利申請(qǐng)2009/0267258的微粒）具有尖銳的粒度的同時(shí)具有最佳程 度的高剪切穩(wěn)定性。那些先前方法在第二（引發(fā)絮凝的）絮凝試劑之后使用微粒。在本發(fā) 明中，在引發(fā)絮凝之前將微粒添加到分散體。這是因?yàn)楸景l(fā)明利用這些微粒的先前未知的 特性。
[0024] 已知，微粒通過與絮凝試劑強(qiáng)烈相互作用以增強(qiáng)得到的顆粒附聚來促進(jìn)絮凝。因 此，先前已知的是，微粒僅有助于關(guān)注的兩種特性（剪切強(qiáng)度和尺寸）中的一種（剪切強(qiáng) 度）。
[0025] 然而，本發(fā)明利用以下新發(fā)現(xiàn)的事實(shí)：微粒可以在無任何絮凝發(fā)生的情況下與填 料顆粒積極地相互作用。不受理論或設(shè)計(jì)限制，相信，微