[发明专利]用于改进纸张强度的聚合物的表面施用

说明书

技术领域

本发明涉及用于纸张的表面施用的强度添加剂和用于制备这些添加剂的方法。特别地，本发明涉及表面强度添加剂，其包含丙烯酰胺聚合物或其与阳离子型乙烯基单体或阳离子型烯丙基单体或乙烯基甲酰胺的共聚物，或它们的水解产物。与表面施用的淀粉一起，这些添加剂向纸张提供优异的顶破(bursting)强度、抗压强度和其它此类性质。

背景技术

经济和环境需求推动纸张工业增加其对再生纤维的使用。使用再生纸的优点是节约成本、较少精制、容易获得和环境可持续性。然而，增加通过再生过程的次数使得再生纤维逐渐地变短并且更坚硬，导致纸浆强度以及纤维-纤维粘结强度的降低。强度是用于包装级纸张的整体性参数。恢复再生过程中的强度损失的一个方法是通过进一步精制，但在再生纤维的情况下，精制方法具有十分有限的窗口。另一个方法是在造纸过程中利用强度化学品。然而，再生添加剂的干扰、纸张的均匀形成、滤过性和生产率是需要纳入考虑的主要因素。

可以在纸片形成之前将添加剂加入纸浆浆液以改进机器运行性、生产率和纸张性质。这些包括湿强度和干强度添加剂(如阳离子型和阴离子型聚丙烯酰胺、具有表卤醇的官能化聚酰胺、聚乙烯胺)、助留剂和助滤剂(如明矾、聚亚烷基亚胺)、消泡剂、控制树脂和胶粘物的填料。还可添加赋予疏水性质的各种施胶剂、烷基烯酮二聚体(AKD)和烷基琥珀酸酐(ASA)。

用于增强成品纸片的干强度的常用湿部添加剂为淀粉或瓜尔胶。为了淀粉性能而对淀粉的改性已有详细记载。用于强度应用的淀粉的选择和类型因区域而异，并且取决于其成本和可获得性(参见“Starch and Starch Products in Paper Coating,”R.L.Kearney和H.W.Maurer,Ed.1990年)。

已采用交联淀粉以改进其强度增强性质。例如，Huang等人描述了在造纸过程中使用含硼化合物以交联淀粉，以产生改进的物理和机械性能(WO2004/027,149A1)。交联的淀粉组合物包含通过在胶凝过程中使淀粉浆液与硼酸或硼酸锌反应而形成的反应产物。

授予Floyd等人的美国专利US6,303,000公开与乙二醛树脂交联的胶凝淀粉组合物及其在造纸中的用途。在淀粉胶凝化过程中，淀粉与封端的乙二醛反应，这产生淀粉交联，并且在纸片形成之前将该混合物加入纸浆浆液。这些特定淀粉的交联化合物的局限在于可改进耐压性，但耐刺穿性往往不佳。

尤其在由再生纤维制成的纸张中，为了改进纸张强度而在湿部添加的强度添加剂包括基于丙烯酰胺的两性聚合物和凝聚(coacervate)技术。前者的例子描述于授予Oguni的美国专利US5,698,627中，该专利教导了基于丙烯酰胺的两性共聚物的合成，该共聚物可改进再生瓦楞基纸的游离度、驻留性和干强度。凝聚技术的实例描述于美国专利US6,294,645中。该湿部干强度体系由依次加入纸浆浆液的低电荷聚酰氨基胺-环氧氯丙烷和阴离子型聚丙烯酰胺构成。

聚乙烯胺已被用作造纸过程中的干强度和湿强度添加剂、以及助留剂和助滤剂。由于胺官能团的高密度，该聚合物拥有较高的电荷密度，并且最终在纤维素纤维和聚合物链之间具有增强的氢键。Weisgerber等人在美国专利US2,721,140中公开了将通过聚乙烯基N-邻苯二甲基酰亚胺水解制备的聚乙烯胺用作造纸用的湿强度添加剂。Tanaka和在J.Polym.Sci.Part A：Polymer Chemistry1989,(27)4329-4339中描述一种经由聚丙烯酰胺的Hoffman反应来制备聚乙烯胺的方法。授予Luu等人的美国专利US5,961,782公开了使用聚乙烯胺制成可交联的起绉粘合剂配制物。Niessner等人在美国专利US6,159,340中公开了将聚乙烯胺用作纸张和纸板生产中的干强度和湿强度添加剂。美国专利US4,421,602、6,616,807和6,797,785公开了将聚乙烯胺用作造纸中的助滤剂、絮凝剂和助留剂。

来自再生工艺的过量阴离子型废物的干扰与较的差纤维质量一起需要显著增大的添加剂水平。除了高成本之外，湿部添加剂会达到平台性能，也就是说，更多的化学品也不会提供提高的性能。造纸从业者通过在纸张形成之后施用添加剂已克服了这些缺陷。所采用的技术包括计量施胶压榨、池式(puddle)施胶压榨、喷涂、辊涂机、刮刀涂布机和气刀涂布机。常用的涂布或表面施胶添加剂是聚丙烯酸乳液、各种粒径的聚(苯乙烯-丁二烯)共聚乳液、聚(乙酸乙烯酯)和聚乙烯醇。因为这些添加剂具有良好的成膜性质，所以它们通常用于向各种液体赋予一定量的耐久性。