纳米晶纤维素和聚合物接枝的纳米晶纤维素用于在造纸工艺中增加保留率、湿强度和干 ...的制作方法
【专利说明】纳米晶纤维素和聚合物接枝的纳米晶纤维素用于在造纸工艺 中増加保留率、湿强度和干强度的用途
[0001]发明背景
[0002] 本发明涉及用于在造纸工艺中改善纸的排水保留率(drainage retention)、湿强 度和干强度的组合物、方法和设备。典型的造纸工艺包括以下步骤：1)对木材或造纸纤维的 一些其他来源进行制浆;2)由纸浆产生纸垫，所述纸垫是纤维素纤维的水性浆料，所述水性 浆料还可包含添加剂，例如无机矿物填料或颜料;3)使这种浆料沉积在移动的造纸网或织 物上;4)通过将水排出由浆料的固体组分形成纸页;5)压榨并干燥纸页以进一步除去水；以 及6)通过使干纸页经过施胶压榨机潜在地将其再润湿并进一步使其干燥以形成纸产品。
[0003] 当进行造纸工艺时，需要考虑许多问题以确保所得纸产品的品质。例如当将水从 浆料中排出时，尽可能多的纤维和化学添加剂应该被保留而不与水一起流出。同样地，所得 纸页应具有足够的湿强度和干强度。
[0004] 例如在美国专利7,473,334、6,605,674、6,071，379、5,254,221、6,592,718、5， 167,776和5,274,055中所述，可向浆料中添加多种助留剂如聚合物絮凝剂和二氧化硅基微 粒以利于排水保留。助留剂起到在将水从浆料中排出时使固体物质保留在浆料内的作用。 除了保留纤维以外，助留剂还应保留添加剂，例如光学增亮剂、填料和强度剂。这样的助留 剂的选择由于这样的事实而复杂化:所述助留剂必须既允许水从浆料中自由排出，又必须 不干扰或以另外方式降低所得纸产品中存在的其他添加剂的有效性。
[0005] 如例如在美国专利8,465,623、7，125,469、7,615，135和7,641，776中所述，多种材 料作为有效的干强度剂起作用。可以向浆料中添加这些试剂以增加所得纸页的强度特性。 然而，与助留剂一样，其必须既允许水从浆料中自由排出，又必须不干扰或以另外方式降低 所得纸产品中存在的其他添加剂的有效性。
[0006] 如例如美国专利8，414，739和8，382，947中所述，表面强度剂是增加所得纸产品对 磨蚀力的抗性的材料。表面强度剂通常在施胶压榨机作为涂料施用在所形成的纸页上。特 别重要的是，这样的试剂与涂料中存在的其他物质如施胶剂和光学增亮剂相容。此外，期望 的表面强度剂不能过度损害所得纸产品的柔性。
[0007] 由于难以增加纸的干强度、表面强度和/或排水保留率而不同时抑制纸或其中的 添加剂的其他属性，因此持续需要改善干强度、表面强度和/或排水保留率的改进方法。本 部分中描述的技术不旨在构成对本文提及的任何专利、公开或其他信息是关于本发明的 "现有技术"的承认，除非特别地如此指出。此外，本部分不应解释为意味着已进行了检索或 者不存在如37CFR§1.56(a)中限定的其他相关信息。
【发明内容】
[0008] 为了满足以上确定的长期存在但未解决的需要，本发明的至少一个实施方案涉及 改进用于造纸工艺的纸基质的方法。所述方法包括以下步骤:提供NCC-聚合物；以及在造纸 工艺的湿部中向纸基质中添加 NCC-聚合物，其中所述NCC-聚合物基本上分布在整个纸基质 中。
[0009] NCC-聚合物可包含与NCC核键合的聚合物链，并且该聚合物链由一种或更多种选 自以下的单体组成：
[0010] 醋酸乙烯酯、丙烯酸、丙烯酸钠、丙烯酸铵、丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、丙烯腈、N，N-二 甲基丙烯酰胺、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷-1-磺酸、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷-1-磺酸钠、 3_丙烯酰氨基丙基-三甲基-氯化铵、二烯丙基二甲基氯化铵、丙烯酸2-(二甲氨基）乙酯、2-(丙烯酰氧基)-N，N，N-三甲基氯化乙铵、丙烯酸N，N-二甲氨基乙酯苄基氯化物季盐、2-(丙 烯酰氧基)-N，N，N-三甲基乙铵硫酸甲酯、甲基丙烯酸2-(二甲氨基）乙酯、2-(甲基丙烯酰氧 基)-N，N，N-三甲基氯化乙铵、3-(二甲氨基)丙基甲基丙烯酰胺、2-(甲基丙烯酰氧基)-N，N， N-三甲基乙铵硫酸甲酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酐、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酰氧基乙 基三甲基氯化铵、3-甲基丙烯酰氨基丙基-三甲基-氯化铵、甲基丙烯酸十六烷基酯、甲基丙 烯酸十八烷基酯、丙烯酸二十二烷基酯、N-乙烯基吡咯烷酮、2-乙烯基吡啶、4-乙烯基吡啶、 表氯醇、N-乙烯基甲酰胺、N-乙烯基乙酰胺、丙烯酸2-羟乙酯甲基丙烯酸缩水甘油酯、3-(烯 丙氧基)-2_羟基丙烷-1-磺酸酯、2-(烯丙氧基）乙醇、环氧乙烷、环氧丙烷、2,3_环氧丙基三 甲基氯化铵、（3-缩水甘油氧基丙基)三甲氧基硅烷、表氯醇-二甲胺、乙烯基磺酸钠盐、4-苯 乙烯磺酸钠、己内酰胺及其任意组合。
[0011] NCC-聚合物可为具有至少部分通过聚合物链连接的至少两个NCC核的接枝聚合 物。NCC-聚合物可为这样的支化聚合物，所述支化聚合物具有由NCC核延伸出的第一聚合物 链和从第一聚合物链改向的至少一个支链。至少一个支链可由与第一聚合物链不同选择的 单体构成，所述不同选择为单体类型不同、单体比率不同或两者均不同。NCC-聚合物可增加 纸基质的湿强度。在将液体介质从纸基质中排出期间，NCC聚合物可增加对固体的保留率。
[0012] 本文中描述了另外的特征和优点，并且其通过以下详细描述将变得明显。
【附图说明】
[0013] 下文中具体参照附图对本发明进行了详细描述，所述附图中：
[0014] 图1是对形成NCC/AM/AA聚电解质共聚物的反应的第一说明。
[0015] 图2是对形成NCC/AM/AA聚电解质共聚物的反应的第二说明。
[0016] 出于本公开内容的目的，除非另行指出，否则附图中相同的附图标记是指相同的 特征。附图仅是对本发明原理的示例，并且不旨在将本发明限制于所说明的特定实施方案。 [00 17]发明详述
[0018] 提供下列定义以确定本申请中使用的术语、特别是权利要求如何解释。定义的组 织仅为了方便，而不旨在将任何定义限制于任何特定类别。
[0019] "湿部"意指造纸工艺中压榨部之前的部分，其中液体介质如水通常占多于45%的 基质质量，在湿部中添加的添加剂通常渗透并分布在浆料内。
[0020] "干部"意指造纸工艺中包括压榨部和压榨部之后的部分，其中液体介质如水通常 占少于45%的基质质量，干部包括但不限于造纸工艺的施胶压榨部，在干部中添加的添加 剂通常保留在浆料外的不同涂层中。
[0021] "基本由…组成"意指所述方法和组合物可包括另外的步骤、组分、成分等，但前提 是所述另外的步骤、组分和/或成分不实质性改变所要求保护的方法和组合物的基本特征 和新特征。
[0022] "絮凝剂"意指这样的物质组合物，在将所述物质组合物添加到某些颗粒热力学上 倾向于分散在其内的液体载体相中时，由于弱的物理力如表面张力和吸附力而引发那些颗 粒形成凝聚物，絮凝通常涉及形成离散的颗粒小球，所述颗粒小球与插入所聚集的小球之 间的液体载体膜一起聚集，如本文使用的絮凝包括ASTME20-85中叙述的那些说明，以及 Kirk-〇thmer Encyclopedia of Chemical Technology，第5版，（2005)(Wiley，John&Sons， Inc.出版)中所叙述的那些。
[0023] "表面强度"意指纸基质抵抗由于磨蚀力所致的损害的倾向。
[0024] "干强度"意指纸基质抵抗由于剪切力所致的损害的倾向，所述干强度包括但不限 于表面强度。
[0025] "湿强度"意指纸基质在再润湿时抵抗由于剪切力所致的损害的倾向。
[0026] "湿纸幅强度"意指纸基质在所述基质仍然湿润时抵抗剪切力的倾向。
[0027] "基质"意指包含正经历或已经历造纸工艺的纸纤维的物质，基质包括湿纸幅、纸 垫、浆料、纸页和纸产品。
[0028] "纸产品"意指造纸工艺的最终产品，其包括但不限于书写纸、打印纸、薄纸 (tissue paper)、卡纸板、纸板和包装纸。
[0029] "NCCT'或"NCC核"意指纳米晶纤维素。NCC核是聚合物可接枝到其上的NCC晶体的离 散物质。NCC或NCC核可能通过或可能不通过纤维素纤维的酸水解来形成，并且NCC或NCC核 可能通过或可能不通过这种水解改性以具有附加至其的官能团（包括但不限于硫酸酯）。
[0030] "NCC-聚合物"意指包含至少一个NCC核以及从其中延伸出来的至少一个聚合物链 的物质组合物。
[0031] "NCC偶联"意指包含至少两个NCC核的物质组合物，所述偶联可以是其中至少部分 聚合物链连接两个NCC核的聚合物连接物，或者其可以是其中两个(或更多个)NCC核通过次 级聚合物连接物(例如环氧化物)和/或一个或更多个NCC核原子的直接键合而彼此直接连 接的NCC对。
[0032] "基本由…组成"意指所述方法和组合物可包括另外的步骤、组分、成分等，但前提 是所述另外的步骤、组分和/或成分不实质性改变所要求保护的方法和组合物的基本特征 和新特征。
[0033] "浆料"意指包含液体介质例如水的混合物，在所述液体介质中分散或悬浮有固体 例如纤维(例如纤维素纤维)和任选的填料，使得浆料的>99质量％至45质量％是液体介质。
[0034] "表面活性剂"是广义术语，包括阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、阳离子表 面活性剂和两性离子表面活性剂。对表面活性剂的启用说明在Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology,第3版，第8卷，第900-912页以及McCutcheon's Emulsifiers and Detergents中陈述，二者通过引用并入本文。
[0035] "施胶压榨机"意指造纸机器的一部分，在其中通过施用包含表面添加剂如淀粉、 施胶剂和光学增亮剂的水基制剂使干纸再润湿，施胶压榨机的更详细的说明在参考文献 Gary A·Smook的Handbook for Pulp and Paper Technologists，第3版，，Angus Wilde Publications Inc. ,(2002)中描述。
[0036] 在本申请中上述定