专利名称：使用超声的asa乳化的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于基本上同时将烯基琥珀酸酐(ASA)乳化并喂送到造纸工艺的过程流中的方法和设备。ASA是一种造纸添加剂，其增强疏水纸张的多种性能。由于ASA 是不溶性油，因此在引入造纸工艺之前其必须被乳化。目前在造纸工艺中使用多种技术来促进ASA的乳化。
背景技术：
为了针对造纸工艺对ASA进行充分乳化，必须满足两个要求。首先，最终的乳液必须给予所制造纸张以良好的上浆(sizing)性能。第二，乳液还必须能够容易地穿过造纸机。目前已知的一种产生ASA乳化的方式，涉及使用机械乳液方法，但是该方式并不是形成乳液的有效方式。此外，在有最小量水的使用的精确化学计量条件以及与其它化学品一起的最佳驻留和接触时间出现的情况下，当ASA与其它化学品快速混合到过程流中时，发生ASA到过程流的最佳引入。结果，包含ASA和其它化学品的混合物应当在各种试剂已有足够的时间产生效果但又没有长到维持所期望的效果之后引入。由于目前乳化ASA的方法没有将乳液最佳地喂送到产品流中，并且由于它们没有有效地解决ASA乳液固有的两个需求，因此仍然需要改进的产生ASA乳液并有效地将其引入造纸工艺中的方法。本节中描述的技术并不旨在承认这里所提及的任意专利、公开出版物或其它信息是本发明的“现有技术”，除非做出这样的特别说明。另外，本节不应当被解释为意味着已做出研究，或者意味着37C. F. R. § 1. 56(a)中所定义的其它相关信息不存在。
发明内容
至少一个实施例致力于一种用于基本上同时将ASA乳化并喂送到造纸工艺的过程流中的方法和设备。ASA在预定条件(例如，剂量、浓度)下与用水稀释的乳化剂(例如聚合物或淀粉)进行预混合，然后使用超声处理器以连续模式对预混合后的溶液进行乳化。基本上同时将备好的乳液通过喂送器喂送到造纸工艺中。乳液可以被喂送到造纸工艺的湿部。
之后将具体参考附图对本发明进行详细描述，附图中
图1是用于将ASA乳化喂送到造纸工艺中的设备的透视图。图2是乳化和喂送设备的示意图。图3是用于制造上浆乳液的设备的示意图。图4是将超声乳化与机械乳化进行比较的图。图5是显示超声乳化的粒度的图。图6是将超声乳化的粒度与机械乳化的粒度进行比较的图。
具体实施例方式为本申请定义如下这些术语“ASA”是指烯烃基琥珀酸酐。“空化(Cavitation)，，是真空气泡在液体中的形成生长和溃破。“远端(Distal) ”意味着在连续过程中的特定步骤之后。“乳液”是指液体混合物，其中无法混合到连续相液体内的离散相液体借助于一些化学品和/或工艺有效地分布于整个连续相液体。“造纸工艺”是指从纸浆制作任何一种纸品(如纸张、薄纸、纸板等)的方法，包括形成水纤维素纸料、对纸料进行排水以形成薄片并对薄片进行干燥，并且还可以包括制浆阶段。“近端(Proximal) ”意味着在连续过程中的特定步骤之前。“制浆阶段”是指造纸工艺中的可选阶段，包括从木材和/或非木材原料制作纸浆和对纸浆进行选择性漂白以提高其亮度。“薄片”是指作为造纸工艺的结果或在造纸工艺期间形成的相对薄层的纸张前体。“上浆”是指用于降低纸张中纤维素的亲水性以增加其对印刷或书写油墨所导致的渗透的抵抗性的造纸工艺。“超声乳化”和“超声波乳化”是指通过高频声波产生乳液的方法，其被认为由空化效应所控制。“湿部”是指涉及方法体系、薄片形成段和/或压印段的造纸工艺的部分。ASA通常被添加到造纸工艺中以改善所制造纸张的上浆性能。ASA通常以乳液的形式添加。ASA乳液可以包括ASA与乳化剂、水、表面活性剂、和/或稳定剂中一种、一些或全部的结合。常用乳化剂的示例是聚合物、液体淀粉和熟淀粉。常用稳定剂的示例是表面活性剂。在至少一个实施例中，ASA乳液通过根据各种预定的上浆乳液化学和方案在受控制的条件下将其快速添加来制备并喂送到造纸工艺中，以控制水的吸收和所制造纸张的大小。受控制的条件包括精确控制各种化学品和组分彼此接触或离开的时间，和以超声方式形成ASA乳液与将乳液喂送到产品流之间的时间。由于ASA与水强烈反应，因此优选引入这种高效的ASA乳液制备，以避免水解和水解物的形成。欧洲专利EP 0961856中描述的一种现有技术是使用机械乳化，该机械乳化通过使用转子或定子来产生乳液。机械乳液涉及通过高速高剪切的涡轮泵传递ASA和聚合物 (淀粉)的混合物。然而，由于在ASA承载混合物中不可避免会出现研磨污染物，因此高剪切行为会造成设备磨损，而这会降低乳化装备的有效寿命。另外，有效的ASA乳液通常具有介于0. 5 μ m至5 μ m之间的粒度。ASA与通常在造纸工艺中添加的其它制剂之间的相互作用，抑制在此范围内的微粒的形成。只有使用大功率剪切才能克服这种抑制，这进一步增加了有害的研磨、升高了温度，并需要更多的能量。也可以通过使用更强的乳化剂来克服这种抑制，但这些更强的乳化剂往往会降低ASA乳液的上浆性能。机械乳化的一种替代方法是超声乳化。超声乳化承受研磨的部分少，不会过度升高温度，并且需要的能量小于机械乳化。在不受限于理论或设计的情况下，认为超声乳化是 “空化效应”的结果，“空化效应”定义如下当由声波以高强度进行声波处理时，液体在高压周期(浓缩)和低压周期(稀释)之间交替。这些周期率依赖于频率。在处于低压周期时， 高强度超声波在液体中创建空隙。当空隙变得太大时，他们可以不再吸收能量，并且在高压周期期间猛烈溃灭。这种空化效应引起表面侵蚀和液体中大微粒的尺寸减小，并且是形成乳液的有效方式。空化效应还引起适度的温度升高。ASA超声乳化的一个示例是在注册号为06 01232的法国专利申请中。但是为了使超声乳化最佳，ASA超声乳化也必须被最佳地引入造纸工艺的产品流中。这个最佳引入的特征是以使ASA乳化在造纸工艺中高度有效的方式快速、高效地引入。现在参见图1和图2，示出可以将ASA乳化最佳地引入中的喂送设备(1 。该设备包括第一导管(1)、第二导管(4)和混合室(7)。设备中每个元件的尺寸和几何形状取决于需要向造纸工艺中添加多少ASA或其他化学品，以及例如造纸设备的构建的其他因素。 喂送设备(1 可以由处理各类造纸化学品的任何合适的材料制成，例如由不锈钢制成。第一导管⑴具有一个或多个入口(2)和出口(3)，并且第二导管(4)有一个或多个入口(5)和出口(6)。ASA乳化可以被喂送到至少一个第一导管入口(2)和/或至少一个第二导管入口(5)。在至少一个实施例中，第一导管(1)具有头部(10)和锥形的部分 (11)。第二导管(4)被固定到第一导管的头部(10)。混合室(7)具有与第一导管(1)和第二导管⑷的出口都流体连通的一个或多个入口(17)和出口(18)。混合室(7)可以被固定到第二导管(4)。在至少一个实施例中，适配器(8)被固定到混合室(7)，并且与混合室(7)的出口 (31)连通。适配器出口(31)有利于移除在喂送设备(12)中形成的混合物，用于进行分析。 这种分析包括但不限于温度、粒度、PH和纯度。适配器(8)可通过本领域普通技术人员可以理解的任何紧固装置固定到混合室 (7)，例如，混合室(7)的至少一部分可以插入适配器(8)中。在至少一个实施例中，第二导管⑷的入口(5)垂直于第二导管⑷的出口。在至少一个实施例中，第一导管⑴穿过第二导管G)，垂直于第二导管的入口(5)。超声乳化器00)流体连通到喂送设备(1 。超声乳化器00)包括超声波发生器(sonotrode) (23)和超声波发生器流通池(4)。超声波发生器流通池04)接收原油乳液 09)，其包括纯ASA与乳化剂、水、表面活性剂和/或稳定剂中一种、一些或全部结合的混合物。来自超声波发生器的超声波能量的密集突发在原油混合物位于超声波发生器流通池04)内时被传输到该原油混合物。在至少一个实施例中，超声乳化器00)还包括变换器和助推器0幻。变换器将供应的动力变换为机械振荡。所供应的动力通常是电力。助推器0 对机械振荡的幅度和频率进行调制(提高和降低)。超声波发生器 (23)将振荡传送到超声波发生器流通池04)。
在至少一个实施例中，超声处理器控制本发明的装置的各个部分，包括但不限于超声乳化器00)。处理器还可以调节超声波发生器流通池04)内的环境。这种控制包括原油ASA乳液09)进入超声波发生器流通池04)的速率、ASA喂送泵02)的激活、以超声方式乳化的ASA退出到喂送设备(1 中的速率、超声波传输的持续时间、强度、模式、 频率和幅度、ASA乳液的温度以及将各种流体喂送到本发明装置的各种部件中的泵任意之一或全部。在至少一个实施例中，频率被校准到20kHz。在至少一个实施例中，频率可以高达MkHz或更高。在至少一个实施例中，ASA乳液的温度至少部分地由穿过超声波发生器流通池 (24)的软管0 调节，软管0 被调节通道06)围绕。流体(如来自流体源或管道GO) 的水)穿过调节通道06)以影响软管05)内的温度。软管05)可以由诸如玻璃之类的热传导材料构建，并且调节通道06)中的流体可以以与软管05)相反的方向流动，以最大化热传递。在至少一个实施例中，超声处理器(32)可以被构建并布置为，基于从对出口端口(31)的内容物执行分析的一个或多个装置接收到的数据，自动改变超声波发生器流通池04)内的环境。具体来说，超声处理器(3 可以响应于所测量的粒度对超声传输进行调制。在至少一个实施例中，喂送设备(1 被设计为从形成乳化的一个理想到在造纸工艺中使用的理想而改变ASA乳化的温度。实现这一目的的一个方法，是通过将ASA乳化喂送到其至少一部分穿过第二导管的第一导管(1)中。这种设计允许第二导管内的流体在ASA乳液与第二导管(4)的内容物相接触之前引起ASA乳液的温度变化。在至少一个实施例中，第一导管(1)具有不穿过所述第二导管(4)的头部(10)和穿过所述第二导管(4)的部分。穿过第二导管的部分(11)的形状是圆锥形，并且第一导管(1)的点与混合室(7)流体连通。来自第一导管(1)和第二导管(4)的流体在自由混合时在混合室(7)中形成快速移动的旋涡。流体在第(1)和第二(4)导管中的这种快速流动和高效混合，模拟了剪切效果，这保持/增强了以超声方成形成的ASA乳液。因为如此快速地将两种流体源混合在一起，因此混合物可以几乎与ASA乳液的形成同时并在乳液消散之前很长时间就被送入造纸工艺中。在至少一个实施例中，包括ASA乳液的各种化学品到过程流(13)的共同喂送可以通过以下步骤得到最佳实现至少两种化学品(其中之一是超声ASA乳液)被喂送到喂送设备(1 中，允许快速形成不同化学品的混合物，并将混合物快速分发到过程流(1 中； 或通过将一系列喂送设备(1 与分发的化学品对准。包括乳化的ASA的化学品可以以本领域普通技术人员所规定的任意顺序被添加到系统中。例如，化学品可以顺序地、同时或以预编程的顺序从一个或多个喂送设备添加。在至少一个实施例中，适配器(8)与造纸工艺的各种成分所通过的工艺管道、2Τ) 的壁直接接合。适配器(8)可以位于造纸工艺中的任何位置。在至少一个实施例中，喂送到ASA乳化不送入的导管中的化学品是诸如水或淀粉溶液的喂送液体，或者可以是另一种液体，包括但不限于淡水、来自制造厂的净化的生产用水、薄坯水(thin stock water)、明矾、澄清白水、阳离子聚合物淀粉、白水及其任意组合。在至少一个实施例中，喂送设备(1 在进入造纸工艺中的入口之上，超声波发生器流通池04)在喂送设备(1 之上，并且超声波发生器和/或超声处理器(32)横跨超声波发生器流通池04)。虽然这样的布置使用重力来加速化学品向造纸工艺中的流动，但可能使超声波发生器和/或超声处理器(3 从超声波发生器流通池04)向外凸出。在至少一个实施例中，支撑件08)支撑本发明的至少一个凸出部件。支撑件可以与喂送器喂送ASA乳化所进入的同一工艺管道、2Τ)接合。在ASA乳液被释放到造纸工艺中之前，机械乳化装置通常使ASA乳液保持与喂送液体相接触差不多10-60秒，而本发明的方法和设备可以在仅仅0. 1至0. 3秒之后将ASA乳液释放到造纸工艺中。这快速得足以防止几乎很小量的集聚和水解发生。另外，本发明的方法和设备可以产生0. 6 μ m与1. 2 μ m之间的平均粒度，其中小于10%的乳液有超过2 μ m 的粒度。缺少大比例的比期望范围大的粒度的ASA很重要，因为如果微粒变得过大，则他们无法被纸纤维保留，而会通过造纸工艺，并能水解且有害地沉积在造纸装备上。本领域普通技术人员会理解，向造纸工艺中添加多少ASA乳液，包括ASA乳液各成分之间的比例，取决于各种因素。举例来说，诸如造纸工艺类型的因素，例如纸张或纸板，可能会影响添加到造纸工艺中的化学品的量。在至少一个实施例中，ASA乳液以500-1500克 /吨(g/tn)(作为产品)的范围添加到造纸机中，并且以1000-3500g/tn的范围添加到纸板机中。现在参见图3，该图示出用于在将ASA传递到超声乳化器00)之前将ASA预混合到原油乳液中的方法和设备。在至少一个实施例中，至少有两个预混合装置(12a，12b)串联布置。这些混合装置中的一个或多个可以是先前所述的同一类型喂送设备(图1中的 12)，也可以是本领域中已知的机械混合器或任何其他混合装置。乳化剂(3 和喂送流体 (34)被添加到第一混合装置(12a)中，然后由此产生的第一混合物(3 被喂送到第二混合装置(12b)中。纯的ASA(36)也被喂送到第二混合装置(12b)中，这产生了原油ASA乳液 09)。然后，原油ASA乳液09)被喂送到先前所述的超声乳化器00)中。接着，超声乳化剂OO)要么直接喂送到造纸工艺中(例如喂送到工艺管道、2Τ)中)，要么以图2所示的方式喂送到第三混合装置中。本发明的超声乳化使得可以以比转子/定子乳化低的能耗产生类似的乳化结果。 这是因为空化效应的动力需求比控制转子/定子效应的高剪切力效应低。在一种情况下， 有效的ASA乳液以IKW的能量成本形成，而利用机械乳化设备形成的同等乳液具有7KW的能量成本。超声处理器和喂送器方法较传统的乳化和传统的喂送简单、可靠且易于运行和维护。此外，安装位置更加灵活，即它可以针对最好的上浆效果而安装在期望位置处的工艺管道上。装备的简单性使得可以以比转子/定子乳化装备更低的成本来生产它。另外，快速喂送还减小了所生产纸张的体积。在至少一个实施例中，喂送设备和用于超声乳化的设备在稀释的ASA乳液释放到造纸工艺中之前连续采集该稀释的ASA乳液的样品。这使得在线监控器能够控制乳液质量。监控可通过在线粒度测量获得。基于测量值，可以给定动力和幅度的设定点以保持上浆乳液的质量。这种在线监控可以与造纸工艺其他方面的在线监测集成在一起。在线监测和处理器控制还可以弓I导控制各种流体流的流动的一个或多个泵。示例提出下面的示例以描述本发明的实施例和应用，这些示例并不意味着限制本发明，除非在权利要求中另有陈述示例是在造纸机的全面生产运行期间获得的。为了满足目标纸片吸水性值，该值被表示为60秒内每平方米所吸收的水的克数(使用根据ISO 535标准的CcAb60进行测量)，所生产的每吨纸品所需的上浆化学品ASA的剂量为约600克。用于乳化的化学品是阳离子聚丙烯酰胺，并且没有使用表面活性剂。对于给定的ASA流速，将传统的转子/定子乳化方法与超声乳化方法进行比较。针对两种方法，在乳化之后，乳液用淡水稀释，并且在约20秒之后利用薄坯配料(质量浓度(mass consistency)小于1 % )释放到工艺管道中。 对于超声乳化，ASA的浓度、ASA/聚合物的比例和超声处理器的工艺条件被提前优化。图4示出针对给定且恒定的待乳化溶液流速，在乳液的粒度分布方面超声乳化与目前传统的转子/定子乳化之间的比较。使用HORIBA LA-300激光器散射粒度分布分析仪来测量粒度分布。图5示出在造纸机生产试验期间由传统的转子/定子方法(REF)和超声乳化所产生的乳液的平均粒度和粒度大于2μπι的百分比与时间的函数关系。图5还示出在造纸机生产试验期间纸片的CcAb60吸水性测试与时间的函数关系。试验中的上浆乳液由传统的转子/定子方法和超声乳化产生。CcAb60测试根据标准ISO 535进行测量。图4和5 —起示出超声乳化相比传统的转子/定子方法生产出具有较窄粒度分布的较小微粒。作为改善上浆乳液质量的结果，所生产的纸片的吸水性测试结果遵循相同的趋势。换句话说，使用超声乳化上浆乳液产生的纸片显示出在CcAb值方面比图6所示的传统的转子/定子方法平均(顶部/底部)有大约5%的改善。由于从上浆乳液的稀释到排出的20秒时间间隔都可能对两种乳化方法中的乳液稳定性和水解有一些负面影响，因此通过实施值得关注的本发明公开内容(即乳化和喂送基本上同时)，相信通过最小化从乳化到释放的时间会产生甚至更好的结果。虽然本发明可以以许多不同的形式体现，但附图中示出并在这里详细描述的是本发明的具体优选实施例。本公开内容是本发明原理的示例，并且并不意在将本发明限制为示出的特定实施例。此外，本发明包含这里所描述的各种实施例中的一些或全部的任意组合和全部可能的组合。本申请中引用的任意和所有专利、专利申请、科学论文和其它参考资料通过引用整体合并于此。以上公开内容意在示意，而不是排他。本描述为本领域普通技术人员提议了很多改变和替代。所有这些改变和替代都意在包括在权利要求的范围内，其中术语“包括”是指 “包括但不限于”。熟悉本领域的技术人员会认识到，与这里所描述的具体实施例等同的其它等同物也意在包含在权利要求中。至此完成了本发明优选实施例和替代实施例的描述。本领域技术人员会认识到， 与这里所描述的具体实施例等同的其它等同物也意在包含在所附的权利要求中。
权利要求
1.一种将ASA乳液喂送到造纸工艺中的方法，包括基本上同时制造所述乳液和将所述乳液喂送到造纸工艺的湿部中的工艺管道中，其中造纸配料具有0. 1% -5%之间的固有质量浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述乳液在距所述工艺管道极近距离的位置处被制造并且基本上同时被喂送到造纸工艺中。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述极近距离是从Ocm到大约2cm的距离。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括乳化剂。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述乳化剂是从有机聚合物类淀粉和合成聚合物类阳离子聚丙烯酰胺所组成的列表中选择的一种。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在乳化期间作为产品的ASA质量浓度的范围在总浓度的5-25%之间。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过向容纳ASA和成为所述乳液的连续相液体的至少一种液体的腔体中传输超声波来制造所述ASA乳液的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括以下步骤a)提供一个或多个喂送设备，每个喂送设备包括第一导管，具有一个或多个入口和出口 ；第二导管，具有一个或多个或更多入口和出口，其中所述第一导管固定到所述第二导管并穿过所述第二导管；混合室，具有一个或多个入口和出口，其中所述第二导管固定到所述混合室，并且其中所述第一导管的出口和所述第二导管的出口与所述混合室流体连通；以及适配器，与所述混合室的出口流体连通，并且固定到所述混合室；b)在所述工艺管道的开口上方安装包含适配器的至少一个喂送设备，c)通过将所述ASA乳液或一种或多种化学品引入所述第一导管和所述第二导管的入口，将所述ASA乳液和一种或多种化学品引入所述喂送设备的混合室中，所述ASA乳液与其超声制造几乎同时被引入；d)在所述喂送设备的混合室中混合所述ASA乳液和一种或多种化学品以形成混合物；以及e)通过所述喂送设备的与过程流连通的适配器将所述混合物分发到所述过程流中。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述适配器进一步包括测试出口，所述测试出口具有被构建并被布置为期望允许所述混合室中形成的混合物的样品被去除的可密封阀，所述方法进一步包括以下步骤经由所述测试出口去除所述混合物的样品，以及测量所述混合物的来自以下列表的至少一个属性，所述列表由粒度、温度、PH、浓度、纯度及其任意组合组成。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括提供处理器的步骤，所述处理器被构建并被布置为调制所述腔体的从以下列表中选择的至少一个属性，所述列表由所传输超声波的频率、所传输超声波的幅度、进入所述腔体的流速、从所述腔体出来的流速、所述腔体中的液体的温度及其任意组合组成。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述处理器被构建并被布置为接收所测量的所述混合物的样品的至少一个属性的输入数据，并响应于所述输入数据自动调制所述腔体的至少一个属性。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述处理器响应于所测量的所述混合物的样品的粒度而自动调制所传输的超声波。
13.根据权利要求9所述的方法，进一步包括提供第一混合器的步骤，所述第一混合器被构建并被布置为接收并混合至少两种液体流，并将所述两种液体流的混合物传送到所述腔体中，至少一种液体流包含ASA，所述两种液体流的混合物导致用于形成超声ASA乳液的 ASA的剂量最佳。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括提供第二混合器的步骤，所述第二混合器被构建并被布置为接收并混合至少两种液体流，并将混合物传送到由所述第一混合器接收的所述两种液体流之一中。
15.一种通过超声乳化产生上浆乳液的方法，所述乳液的平均粒度为Iym及以下，并且所述乳液中大于2 μ m的比例小于10%，其中小于30公升/小时的上浆溶液流速需要最大IkW的发音功率。
全文摘要
本发明提供一种用于将ASA乳液最佳地喂送到造纸工艺中的方法和设备。超声能量快速且高效的密集传输形成ASA乳液。与形成乳液几乎同时地，将乳液喂送到高速双导管喂送设备中，喂送设备将ASA乳液与其它化学品快速混合，并将混合物直接喂送到造纸工艺中。本发明操作得如此之快，以致事实上ASA的水解不发生。这不仅防止了对造纸机的损坏，也改善了所制造纸张的质量。本发明的操作速度比基于机械的乳化方法快10-20倍，并且需要最多1/7的能量来操作。本发明还对过程进行自监控，并且可以自动纠正所检测到的与所喂送ASA乳液相关的任何问题。
文档编号D21F1/00GK102308044SQ201080007185
公开日2012年1月4日 申请日期2010年2月8日 优先权日2009年2月9日
发明者亚历山大·托多罗维奇, 汤米·雅各布森 申请人:纳尔科公司