使用醛官能化聚合物提高造纸机性能并增强施胶的方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了用于改进纸和纸板生产的组合物和方法。更具体地，公开了使用醛 官能化聚合物作为用于施胶乳剂的乳剂稳定剂的组合物和方法。
【背景技术】
[0002] 造纸过程中使用施胶剂以提高木质纤维对液体渗透的抗性。当纸产品在转化过程 (打印或层合）期间被有意湿润，或者意外湿润（包装容器或报纸）时对液体吸收的抗性是 期望的。烯基琥珀酸酐（ASA)是内部施胶剂，其在造纸过程中常用于处理纤维，使其更为疏 水。内部施胶是指在形成湿纸幅之前对木质纤维的处理。ASA是水不溶性油，其本质上是基 本非离子性的。因此，在将ASA添加至造纸过程中之前必须对其进行乳化。ASA的乳化产生 了水包油乳剂并且还使ASA乳剂液滴阳离子化。使ASA液滴阳离子化有助于提高乳剂稳定 性并有助于ASA保留。阳离子乳化剂如衍生化淀粉和合成的基于丙烯酰胺的聚合物通常用 作ASA的乳化剂。
[0003] 尽管存在可用技术，但是在纸生产过程中仍然需要改善施胶性能和机器效率。在 造纸工业中还存在开发这样的施胶制剂和方法的持续工业需要，其改进了纸和纸板的施胶 并且还向造纸过程提供了其他提高以减少对多种化学品的需要。
【发明内容】
[0004] 在一方面中，本文公开了施胶乳剂，其包含：a)施胶剂、b)乳化剂和c)水性组分。
[0005] 在某些实施方案中，施胶剂选自烷基烯酮二聚体（"AKD"）和烯基琥珀酸酐（ASA)。
[0006] 在某些实施方案中，乳化剂选自：具有5摩尔％DADMAC单体含量的乙醛酸化 (glyoxalated)聚（DADMAC)/AcAm聚合物；具有5摩尔％DADMAC单体含量并且还包含 MgS04 ? 7H20的乙醛酸化聚（DADMAC)/AcAm聚合物；具有12摩尔％DADMAC单体含量的 乙醛酸化聚（DADMAC)/AcAm聚合物；以及具有12摩尔％DADMAC单体含量并且还包含 MgS04 ? 7H20的乙醛酸化聚（DADMAC)/AcAm聚合物。在某些实施方案中，乳化剂是具有5摩 #%DADMAC单体含量的乙醛酸化聚（DADMAC)/ACAm聚合物。在某些实施方案中，乳化剂是 具有5摩尔％DADMAC单体含量并且还包含MgS04 *7H20的乙醛酸化聚（DADMAC) /AcAm聚合 物。在某些实施方案中，乳化剂是具有12摩尔％DADMAC单体含量的乙醛酸化聚（DADMAC)/ AcAm聚合物。在某些实施方案中，乳化剂是具有12摩尔％DADMAC单体含量并且还包含 MgS04 ? 7H20的乙醛酸化聚（DADMAC)/AcAm聚合物。
[0007] 在某些实施方案中，乳化剂是重均分子量为至少约300千道尔顿（kD)的乙醛酸 化聚（DADMAC)/AcAm聚合物。在某些实施方案中，乳化剂是具有5摩尔％DADMAC单体含 量的乙醛酸化聚（DADMAC)/AcAm聚合物，所述聚合物的重均分子量为1000千道尔顿（kD) 至约2500kD。在某些实施方案中，乳化剂是具有5摩尔％DADMAC单体含量并且还包含 MgS04 ? 7H20的乙醛酸化聚（DADMAC)/AcAm聚合物，所述聚合物的重均分子量为600千道尔 顿（kD)至1500kD。在某些实施方案中，乳化剂是具有12摩尔％DADMAC单体含量的乙醛酸 化聚（DADMAC) /AcAm聚合物，所述聚合物的重均分子量为500千道尔顿（kD)至2,OOOkD。在 某些实施方案中，乳化剂是具有12摩尔％DADMAC单体含量并且还包含MgS04*7H20的乙醛 酸化聚（DADMAC)/AcAm聚合物，所述聚合物的重均分子量为500千道尔顿（kD)至2,OOOkD。
[0008] 在某些实施方案中，施胶乳剂的中值粒径小于或等于2. 5微米、小于或等于2. 0微 米、小于或等于1. 5微米、小于或等于1. 4微米、或者小于或等于1. 3微米。在某些实施方 案中，施胶乳剂的中值粒径在老化0分钟之后小于或等于1. 5微米，在老化30分钟之后小 于或等于1. 5微米，并且在老化60分钟之后小于或等于1. 5微米。
[0009] 在某些实施方案中，乳化剂与施胶剂之比为0.6 : 1.0至1.3 : 1.0。
[0010] 在另一方面中，本文公开了增强施胶的方法，所述方法包括在造纸过程中将有效 量的施胶乳剂添加至造纸机中，其中所述施胶乳剂包含a)施胶剂、b)乳化剂和c)水性组 分。
[0011] 在某些实施方案中，施胶剂选自烷基烯酮二聚体（"AKD"）和烯基琥珀酸酐（ASA)。
[0012] 在某些实施方案中，乳化剂选自：具有5摩尔％DADMAC单体含量的乙醛酸化聚 (DADMAC)/AcAm聚合物；具有5摩尔％DADMAC单体含量并且还包含MgS04 ? 7H20的乙醛 酸化聚（DADMAC)/AcAm聚合物；具有12摩尔％DADMAC单体含量的乙醛酸化聚（DADMAC)/ AcAm聚合物；以及具有12摩尔％DADMAC单体含量并且还包含MgS04 ? 7H20的乙醛酸化聚 (DADMAC)/AcAm聚合物。在某些实施方案中，乳化剂是具有5摩尔％DADMAC单体含量的乙 醛酸化聚（DADMAC) /AcAm聚合物。在某些实施方案中，乳化剂是具有5摩尔％DADMAC单体 含量并且还包含MgS04 ? 7H20的乙醛酸化聚（DADMAC) /AcAm聚合物。在某些实施方案中，乳 化剂是具有12摩尔％DADMAC单体含量的乙醛酸化聚（DADMAC) /AcAm聚合物。在某些实施 方案中，乳化剂是具有12摩尔％DADMAC单体含量并且还包含MgS04 ? 7H20的乙醛酸化聚 (DADMAC)/AcAm聚合物。
[0013] 在某些实施方案中，施胶乳剂的中值粒径小于或等于2. 5微米、小于或等于2. 0微 米、小于或等于1. 5微米、小于或等于1. 4微米、或者小于或等于1. 3微米。在某些实施方 案中，施胶乳剂的中值粒径在老化0分钟之后小于或等于1. 5微米，在老化30分钟之后小 于或等于1. 5微米，并且在老化60分钟之后小于或等于1. 5微米。
[0014] 在某些实施方案中，乳化剂与施胶剂之比基于体积为0.6 : 1.0至1.3 : 1.0。
[0015] 在某些实施方案中，施胶乳剂在高剪切均质器乳化单元中制备。乳化剂与ASA的 体积比可为0.6 : 1.0至1.0 : 1.0。乳化剂在涡轮回路中基于固体的百分比可为0.25% 至1. 2%。所得施胶乳剂的中值粒径（D5。）可为1. 4微米或更小。
[0016] 在某些实施方案中，施胶乳剂在高压涡轮乳化单元中制备。乳化剂与ASA的体积 比可为0.6 : 1.0至1.3 : 1.0。乳化剂在涡轮回路中的百分比基于固体可为0.5%至 1.8%。所得的施胶乳剂的中值粒径（D5。）可为2. 3微米或更小。
[0017] 在某些实施方案中，施胶乳剂在进入造纸机的流浆箱之前或与之同时用二次载体 溶液稀释。二次载体溶液可为包含乳化剂的水溶液。乳化剂可选自：具有5摩尔％DADMAC 单体含量的乙醛酸化聚（DADMAC)/AcAm聚合物；具有5摩尔％DADMAC单体含量并且还包 含MgS04 ? 7H20的乙醛酸化聚（DADMAC)/AcAm聚合物；具有12摩尔％DADMAC单体含量 的乙醛酸化聚（DADMAC)/AcAm聚合物；以及具有12摩尔％DADMAC单体含量并且还包含 MgS04*7H20的乙醛酸化聚（DADMAC)/AcAm聚合物。在某些实施方案中，二次载体溶液包含 约2重量％至约10重量％的乳化剂。在某些实施方案中，二次载体溶液是不含乳化剂的水 性溶液。在某些实施方案中，所添加的二次载体溶液与施胶乳剂之比为2 : 1至20 : 1。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明一个实施方案对纸卷水分和蒸汽压力的影响随时间变化的图示。
[0019] 图2示出了用包含表面活性剂的现有聚合物乳化剂和本发明聚合物制备的ASA乳 剂的MalvernMastersizer分布（具有给定直径的乳剂颗粒的体积％ )。
[0020] 图3示出了使用乙醛酸化聚合物乳剂，如通过Hercules施胶测试（Hercules SizingTest，"HST"）方法所测量的对实验室制备的手抄纸的施胶效果出人意料得更好。
[0021] 图4示出了GPAM乳化技术的施胶性能随乳化剂与ASA之比和施胶剂量的变化。
[0022] 图5示出了与常规乳化剂技术相比，GPAM乳化技术的施胶性能随乳化剂与ASA之 比和施胶剂量的变化。
[0023] 图6示出了使用大粒径GPAM/ASA乳剂的造纸机试验数据。
[0024] 图7至图10示出了当在没有乳化的情况下将GPAM和ASA引入造纸过程中时的施 胶效率。
[0025] 发明详述
[0026] 本文公开了包含至少一种施胶剂、至少一种乳化剂和至少一种水性组分的施胶乳 剂。出乎意料地发现，当一种或更多种醛官能化聚合物用作施胶乳剂中的乳化剂时，实现了 造纸机脱水的急剧增强以及纸产量的增加。此外，当与等量的由淀粉或低分子量至中等分 子量阳离子丙烯酰胺聚合物组成的聚合物稳定剂（即，造纸工业中目前使用的施胶乳剂稳 定剂）相比时，使用所公开的醛官能化聚合物实现了内部施胶的显著提高。
[0027] 本文还公开了制备施胶乳剂的方法。与常规施胶组合物和方法相比，所述方法提 供了表现出优异施胶性能的施胶乳剂。
[0028] 1 ?定义
[0029] 除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本领域普通技术人员 通常理解的相同含义。在有矛盾的情况下，以本文件（包括定义）为准。虽然以下描述了 优选的方法和材料，但是与本文所述的那些方法和材料相似或等效的方法和材料也可用于 本发明的实践或测试。本文提及的所有公开、专利申请、专利及其他参考文献都通过引用整 体并入。本文所公开的材料、方法和实例仅是说明性的而不旨在限制。
[0030] 本文使用的术语"包含"、"包括"、"含有"、"具有"、"可以"（"comprise^)"， "include(s) "，"having"，"has"，"can"，"contain(s) "）及其变体是指开放式过渡短语、术 语或词语，其不排除另外的行为或结构的可能性。除非上下文另有明确指示，否则单数形式 ("a"，"an"和"the"）包括复数对象。无论是否明确表述，本公开内容都还考虑了"包括" 本文所示实施方案或元素、"由其组成"和"基本上由其组成"的其他实施方案。
[0031] 以下的定义旨在说明而不作为限制。
[0032] "丙烯酰胺单体"是指￥
1单体，其中札是11或(：1-(： 4烷基并且尺2 是H、CfC4烷基、芳基或芳基烷基。优选的丙烯酰胺单体是丙烯酰胺和甲基丙烯酰胺。丙烯 酰胺是更优选的。
[0033] "醛"意指包含一个或更多个醛（-CH0)基或能够形成反应性醛基的基团的化合物， 其中醛基能够与本文所述聚合物的醛反应性基团（例如，氨基或酰胺基）反应。代表性的 醛包括甲醛、多聚甲醛、戊二醛、乙二醛等以及任何其他合适的单官能或多官能醛。乙二醛 是优选的。
[0034] "醛官能化"意指前体聚合物和醛的反应产物，其中前体聚合物的醛反应性基团与 醛的末端羰基反应。
[0035] "烷基"意指通过移除单个氢原子由直链或支链饱和烃衍生的单价基团。代表性的 烷基包括甲基、乙基、正丙基和异丙基、十八烷基等。
[0036] "亚烷基"意指通过移除两个氢原子由直链或支链饱和烃衍生的二价基团。代表性 的亚烷基基团包括亚甲基、亚乙基、亚丙基等。
[0037] "酰胺基"意指式的基团，其中Yi选自H、烷基、芳基和芳基烷基。
[0038] "氨基"意指式_NHY2的基团，其中Y2选自H、烷基、芳基和芳基烷基。
[0039] "两性"意指衍生自阳离子单体和阴离子单体二者并且可能还有其他非离子单体 的聚合物。代表性的两性聚合物包括由丙烯酸和DMAEA?MCQ构成的共聚物、由丙烯酸、 DADMAC和丙烯酰胺构成的三元共聚物等。
[0040] "芳基"意指约6至约10个碳原子的芳香族单环或多环环体系。芳基任选地被一 个或更多个(^至C2。烷基、烷氧基或卤代烷基取代。代表性的芳基包括苯基或萘基、或者经 取代的苯基或经取代的萘基。
[0041] "芳基烷基"意指"芳基-亚烷基基团，其中芳基和亚烷基是本文定义的。代表 性的芳基烷基包括苄基、苯乙基、苯丙基、1-萘甲基等。苄基是优选的。
[0042] 纸的"Cobb值"是纸吸收水的能力的度量。通常，这样进行Cobb方法：使面积为 100cm2的纸试样在60秒期间经受水的作用，随后以规定方式移除过量的水。从暴露之前或 之后纸的重量出发，确定所吸收的水的重量，得到Cobb值。高Cobb值意味着吸水能力高而 低Cobb值意味着吸水能力低。
[0043] "二烯丙基-N，N_二取代的卤化铵单体"是指下式的单体：
[0044] (H2C=CHCH2) 2N+R3R4X
[0045] 其中私和R4独立地为C1至C2。烷基、芳基或芳基烷基并且X是阴离子型反离子。 代表性的阴离子型反离子包括卤素、硫酸根、硝酸根、磷酸根等。优选的阴离子型反离子是 卤化物。氯化物是优选的。优选的二烯丙基-N，N-二取代的卤化铵单体是二烯丙基二甲基 氯化铵。
[0046] "分散聚合物"聚合物意指在包含一种或更多种有机盐或无机盐和/或一种或更 多种水性聚合物的水性连续相中分散的水溶性聚合物。在水性连续相中水溶性聚合物的 分散聚合的代表性实例可以在美国专利No. 5, 605, 970、5, 837, 776、5, 985, 992、4, 929, 655、 5, 006, 590、5, 597, 859 和 5, 597, 858 以及欧洲专利Nos. 183, 466、657, 478 和 630, 909 中发 现。
[0047] "乳剂"可指液体混合物，其中分散相液体（另外在连续相液体中不混溶）借助一 些化学品和/或过程有效地分布在整个连续相液体中。
[0048] "乳液聚合物"和"胶乳聚合物"意指包含水相中的根据本发明的醛官能化聚合物、 油相的烃油和油包水乳化剂的聚合物乳液。反相乳液聚合物是连续相的烃与分散在该烃 基质中的水溶性聚合物。反相乳液聚合物然后通过使用剪切、稀释以及通常另一种表面活 性剂