造纸中改进脱水效率、提高纸片湿纸幅强度、提高纸片湿强度和增强填料保持力的方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本发明涉及在造纸过程中改进脱水效率、提高纸片湿纸幅强度、提高纸片湿强度和增强填料保持力的方法。通常，在造纸过程中，在湿部中加入化学品以帮助浆料脱水、提高保持力和改善湿纸幅强度或干纸幅强度。造纸工艺的湿部是指造纸工艺中纤维以浆料形式分散到水中的阶段。然后纤维-水浆料经过排水装置和脱水工艺，形成湿纸幅。该湿纸幅形成工艺之后的固体含量为约50%。进一步干燥湿纸幅并形成纸垫(paper mat)的干片。纸垫包括水和固体，且一般含4%至8%的水。纸垫的固体部分包括纤维(通常为纤维素类纤维)，并且还可包括填料。
[0002]填料是在造纸工艺期间被添加到纸垫以增强所得纸张的不透明性和反光性的矿物颗粒。在美国专利第7，211，608号中描述了填料的一些实例。填料包括用来增加不透明性或亮度、减少孔隙率或降低纸或纸板片的成本的无机颗粒和有机颗粒或颜料。填料的一些实例包括下列中的一种或多种:高岭土、滑石、二氧化钛、氢氧化铝、硫酸钡、氢氧化镁、颜料(例如碳酸钙)等。
[0003]碳酸钙填料采用两种形式:GCC (研磨碳酸钙)和PCC (沉淀碳酸钙)。GCC是天然存在的碳酸钙岩石，而PCC是合成生产的碳酸钙。因为PCC具有更大的比表面积，所以PCC具有更强的光散射性能并且为所得纸张提供更好的光学性能。然而，由于同样的原因，PCC填充的纸垫所生产的纸张在干强度、湿强度和湿纸幅强度上弱于GCC填充的纸张。
[0004]填料通常比纤维要小得多，因此，填料具有比纤维大得多的比表面积。人们发现提高纸片中填料含量的挑战之一是高填料含量降低了湿部化学品的效率，例如脱水助剂、湿纸幅强度助剂和湿强度助剂的效率。本发明要提供新的填料预处理，以使其降低填料表面上湿部化学品的吸附，从而提高湿部化学品(例如脱水助剂、湿纸幅强度助剂和湿强度助剂)的效率。
[0005]纸张湿纸幅强度对于纸张生产商非常关键，因为提高的纸张湿纸幅强度会增加机器的运行性并减少纸片断裂和机器停机时间。纸张湿纸幅强度是纸垫的交织纤维之间形成的键的数量和强度的函数。具有较大表面积的填料颗粒更可能与那些纤维结合，并影响那些键的数量和强度。因为PCC填料的表面积较大，所以PCC填料比GCC更多地影响了那些键。
[0006]纸张脱水效率对于纸张生产商也非常关键，因为湿纸幅中脱水效率的降低会增加干燥操作中对蒸汽的需求，降低机器速度和生产效率。广泛使用脱水助剂来改进脱水效率，以降低能耗、提高机器速度和生产效率。
【发明内容】
[0007]为了满足上文确定的长期但未解决的需要，本发明的至少一个实施方式涉及一种包括填料的造纸方法，所述方法包括以下步骤:提供填料颗粒的共混物、至少一种排水添加剂或湿纸幅强度添加剂或湿强度助剂、和纤维素纤维储料，
[0008]在缺乏纤维素纤维储料的情况下用物质组合物处理所述填料颗粒，
[0009]将所述填料颗粒与所述纤维素纤维储料组合，
[0010]用至少一种湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水添加剂处理所述组合，以及
[0011]由所述组合形成纸垫，
[0012]其中至少10%的所述填料颗粒为沉淀碳酸钙，且至少10%的所述填料颗粒为研磨碳酸钙(GCC)，所述纤维素纤维储料包括多种纤维素纤维和水，且所述物质组合物增强所述纸垫中湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水添加剂的性能。
[0013]并且其中利用旋转掺混装置将至少一些所述物质组合物添加至所述填料，所述装置具有分配头，其通过驱动器旋转，布置于含有所述填料颗粒的浆料的容器中，并且与旋转平面交接(associated with)，且所述分配头沿着围绕旋转轴的其周长具有分布式出口，所述组合物从分布式出口通入到所述浆料和混合叶片，其特征在于所述出口形成为开口，并且所述混合叶片形成为横向延伸至所述旋转平面且具有等于所述浆料的管的内径的至少一半的长度的条带；
[0014]并且向所述分配头递送所述组合物以用于将所述组合物掺混至所述填料浆料。
[0015]另外的特征和优势在本文描述，且从以下具体描述中将显而易见。
【附图说明】
[0016]以下通过具体参照附图来详细描述本发明，其中:
[0017]图1为用于将本发明供料至填料颗粒的浆料的设备的截面图示。
[0018]图2为用于将本发明供料至填料颗粒的浆料的设备的截面图的分解图。
[0019]为了本公开的目的，除非另外指出，否则附图中相同的附图标记应指的是相同的特征。附图仅为本发明的原理的示例并且不旨在使本发明限于所示的特定实施方式。
【具体实施方式】
[0020]本发明的至少一个实施方式是制造包括填料的纸的方法。在本发明的至少一个实施方式中，造纸方法包括以下步骤:产生PCC和GCC的填料共混物，其中PCC占填料质量的至少10%并且GCC占填料质量的至少10%，用涂料预处理至少一些填料颗粒，所述涂料降低湿纸幅强度添加剂或排水助剂或湿强度助剂与填料颗粒之间的粘附，以及将填料共混物和湿纸幅强度添加剂或排水助剂或湿强度助剂加入纸垫中。
[0021]已知将湿纸幅强度添加剂或排水助剂或湿强度助剂加入纸垫中会增强所得纸张的湿纸幅强度或增强排水或改进机器速度和运行性或增强纸片湿强度。在美国专利7，125，469,7, 615，135和7，641，776中描述了湿强度助剂、湿纸幅强度添加剂和排水助剂的一些实例。
[0022]不幸的是，实践中并未加入大量湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂以补偿纸垫中大量填料引起的弱化。一个原因是因为那些添加剂很昂贵，并且使用大量添加剂会导致商业上不可行的生产成本。此外，加入过多添加剂对造纸方法有负面影响并且抑制各种形式的造纸设备的可操作性。而且纤维素纤维仅能吸收有限量的湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂。这对可使用多少添加剂造成限制。造成这样的一个原因是因为湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂易于中和阴离子纤维/填料电荷，并且当这些电荷被中和时，那些添加剂的进一步吸收受到抑制。
[0023]向纸垫中加入填料也降低了湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂的效率。那些添加剂易于包覆填料颗粒。存在的填料颗粒越多，包覆填料颗粒的添加剂越多，因此可用于将纤维素纤维结合在一起的湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂变少。因为存在一个可加入的湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂的最大量，所以更多的填料总意味着更少的有效强度添加剂。用PCC的该效果比GCC更明显，因为PCC的更大的表面积比GCC涂覆更多的添加剂。
[0024]在本发明至少一个实施方式中，用物质组合物预处理至少一些填料颗粒，以至少部分防止湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂粘附至填料颗粒。预处理希望用物质组合物完全涂覆一些或全部的一种或多种填料颗粒。或者，预处理希望将物质组合物仅涂布至一部分的一种或多种填料颗粒，或者希望完全涂覆一些填料颗粒并将物质组合物仅涂布一部分的一些其它颗粒。在至少一个实施方式中，用美国专利第5，221，435号所述的至少一些物质组合物进行预处理，并且具体为其中所述的带阳离子电荷物质。在至少一个实施方式中，用美国专利第6，592，718号所述的二烯丙基-N，N-二取代的卤化铵-丙烯酰胺共聚物进行预处理。
[0025]虽然预处理填料颗粒是本领域已知的，但是预处理填料颗粒的现有技术方法不涉及影响湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂与填料颗粒的粘附。实际上，许多现有技术预处理增加了强度添加剂与填料颗粒的粘附。例如，美国专利第7，211，608号描述了使用疏水性聚合物预处理填料颗粒的方法。然而，该预处理对强度添加剂与填料颗粒之间的粘附不起作用，并且仅排斥水以抵消强度添加剂所吸收的过量水。相反，本发明降低了湿强度助剂或湿纸幅强度添加剂或排水助剂与填料颗粒之间的相互作用，导致纸强度、纸片脱水和机器运行性的预料不到的增加。
[0026]当比较给定纸的抗张强度对填料占生产给定纸所用的纸垫的总固体部分的百分数时，结果清楚地表明在没有添加湿强度助剂63700 (临时的湿强度助剂)的情况下纸片具有极弱的湿强度。Velox (接触印像纸)可显著增加纸片湿强度。单独的填料预处理不增加纸片湿强度。然而，填料预处理进一步增强velox性能，这导致更高的纸片湿强度。
[0027]当比较给定纸的湿纸幅抗张强度对填料占生产给定纸所用的纸垫的总固体部分的百分数时，增加填料含量和降低纸张湿纸幅强度之间是线性关系。在没有加入纳尔科脱水助剂(湿纸幅强度助剂)63700时，纸片具有很差的湿纸幅强度。通过使用纳尔科脱水助剂63700可显著改进纸片湿纸幅强度。单独的填料预处理对纸张湿纸幅强度几乎没有影响。然而，填料预处理能进一步增强纳尔科脱水助剂63700的性能，并且通过较低灰分含量的填料预处理可实现额外20%的湿强度改进。对于较高灰分含量，63700的性能甚至增强大于20%。这是因为针对填料颗粒的强度添加剂的效率降低通过填料预