Способ и система для производства бумаги, картона или аналогичных материалов
Изобретение относится к бумагоделательной промышленности. Химическая система для дренирования и обезвоживания под прессом при производстве бумаги и картона включает амфотерный полиакриламид, неорганические микрочастицы кремнийсодержащего материала, такого как коллоидный оксид кремния или бентонит, и катионный коагулянт с большим зарядом. Амфотерный полиакриламид представляет собой сополимер, получаемый путем полимеризации (мет)акриламида и 1-80% мол. катионных мономеров и 0,1-70% мол. анионных мономеров. При этом полиакриламид характеризуется истинной вязкостью, лежащей в диапазоне 6-38 дл/г. Плотность заряда катионного коагулянта более 5 мэкв/г, определяемая при рН 6. Катионный коагулянт выбран из коагулянтов на основе алюминия, органических полимеров и их смесей. Обеспечивается улучшение прочностных свойств бумаги. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 12 табл., 4 пр.
Настоящее изобретение относится к способу и химической системе для производства бумаги, картона или тому подобного, соответствующим независимым пунктам прилагаемой формулы изобретения.
Бумагу и картон изготавливают путем обезвоживания волокнистой суспензии с образованием однородного полотна и сушки этого полотна. Во время производства бумаги обычно добавляют различные химикаты, способствующие повышению производительности и улучшению физических свойств бумаги. Например, удерживающие/дренажные добавки вводят в волокнистую суспензию для увеличения скорости обезвоживания. Обычно, одной из стадий, ограничивающих производительность изготовления бумаги или картона, является обезвоживание.
Для повышения прочности производимой бумаги или картона в сухом и/или в мокром состоянии добавляют упрочняющие полимеры. Амфотерный полиакриламид, представляющий собой сополимер акриламида и мономеров, содержащих анионные и катионные группы, уже используют в бумажной промышленности в качестве упрочняющей добавки для повышения прочности в сухом состоянии. Однако, амфотерные полиакриламиды неэффективны в отношении улучшения дренирования из-за заряда анионов полимера.
Было бы желательно разработать химическую систему, включающую общеупотребительные амфотерные полиакриламиды и позволяющую повысить как скорость дренирования, так и прочность бумаги.
Целью настоящего изобретения является сведение к минимуму или даже, возможно, устранение недостатков известного уровня техники.
Другой целью настоящего изобретения является обеспечение простого и эффективного способа производства бумаги, картона или тому подобных материалов с улучшенными параметрами дренирования и обезвоживания под прессом и улучшенными прочностными свойствами в сухом состоянии, такими как прочность на разрыв и/или сопротивление сжатию на коротком расстоянии (short span compression test - SCT).
Для достижения, помимо прочих, поставленных выше целей, настоящее изобретение отличается тем, что представлено в описывающих частях прилагаемой формулы изобретения.
В зависимых пунктах формулы изобретения описаны некоторые предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Упомянутые в настоящем описании варианты осуществления и преимущества изобретения относятся, где это применимо, и к системе, и к способу, а также к вариантам использования, соответствующим изобретению, если даже специально это не отмечено.
Типичная соответствующая настоящему изобретению химическая система для дренирования и обезвоживания под прессом при производстве бумаги, картона или подобного, включает:
(а) амфотерный полиакриламид, представляющий собой сополимер, получаемый путем полимеризации (мет)акриламида и 1-80% мол. катионных мономеров и 0,1-70% мол. анионных мономеров, при этом, полиакриламид характеризуется истинной вязкостью, лежащей в диапазоне 6-38 дл/г и определяемой в 1М NaCl при 25°С,
(b) неорганические микрочастицы кремнийсодержащего материала, такого как коллоидный оксид кремния или бентонит, и
(с) катионный коагулянт с большим зарядом, при этом, плотность заряда превышает 5 мэкв/г, предпочтительно, превышает 6 мэкв/г при определении с использованием Mütek PCD при рН 6, выбранный из коагулянтов на основе алюминия, органических полимеров и их смесей.
Типичный соответствующий изобретению способ производства бумаги, картона и т.п. включает стадии, на которых:
- получают волокнистое сырье, содержащее волокна, источником которых является вторичный волокнистый материал, небеленая крафт-целлюлоза и/или небеленая полуцеллюлоза, при этом, волокнистое сырье характеризуется электропроводностью, по меньшей мере, 1 мСм/см,
- добавляют в волокнистое сырье водный раствор водорастворимого амфотерного полиакриламида, который является сополимером, получаемым путем полимеризации (мет)акриламида и 1-80% мол. катионных мономеров и 0,1-70% мол. анионных мономеров, при этом, полиакриламид характеризуется истинной вязкостью, лежащей в диапазоне 6-38 дл/г и определяемой в 1М NaCl при 25°С,
- добавляют в волокнистое сырье неорганические микрочастицы кремнийсодержащего материала, такого как коллоидный оксид кремния или бентонит,
- добавляют в волокнистое сырье или в водный поток, подлежащий соединению с волокнистым сырьем, катионный коагулянт с большим зарядом, при этом, плотность заряда превышает 5 мэкв/г, предпочтительно, превышает 6 мэкв/г при определении с использованием Mütek PCD при рН 6, выбранный из коагулянтов на основе алюминия, органических полимеров и их смесей, и
- придают волокнистому сырью форму волокнистого полотна.
Авторами изобретения было неожиданно обнаружено, что при соединении амфотерного полиакриламида с неорганическими микрочастицами и катионным коагулянтом с большим зарядом наблюдается непредвиденный синергический эффект, ведущий к улучшению параметров дренирования и обезвоживания под прессом и прочностных свойств бумаги. Следовательно, настоящим изобретением обеспечивается 3-компонентная система, предназначенная для использования при производстве бумаги или картона с целью улучшения прочностных свойств бумаги. Типичное увеличение прочности на разрыв составляет 3-20% относительно прочности на разрыв соответствующей бумаги, произведенной без последовательного добавления амфотерного полиакриламида с неорганическими микрочастицами и катионным коагулянтом с большим зарядом, выбранным из коагулянта на основе алюминия, органических полимеров и их смесей. Добавление катионного коагулянта с большим зарядом, плотность которого превышает 5 мэкв/г при измерении при рН 6, и неорганических микрочастиц во вводимую в бумагу химическую систему на основе амфотерного полимера также позволяет увеличить скорость дренирования и содержание твердой фазы после обезвоживания под прессом.
Система, соответствующая изобретению, особенно хорошо подходит для использования при обработке волокнистого сырья, содержащего волокна, источником которых является старый гофрокартон (old corrugated carton - OCC), смешанные отходы вторичного волокна, небеленая крафт-целлюлоза и/или небеленая полуцеллюлоза. Обычно волокнистое сырье этого типа используют для производства упаковочной бумаги, при котором от волокнистого сырья требуется способность к дренированию, обезвоживанию и высокая прочность.
Изобретение основывается на том, что перед обезвоживанием волокнистое сырье обрабатывают сочетанием амфотерного полиакриламида, микрочастиц неорганического материала и катионного коагулянта с большим зарядом, такого как коагулянт на основе алюминия и/или неорганические полимеры, каждый из которых, предпочтительно, добавляют в волокнистое сырье по отдельности. Считается, что катионный коагулянт с большим зарядом взаимодействует с анионными группами амфотерного полиакриламида, а неорганические микрочастицы взаимодействуют с катионными группами амфотерного полиакриламида, и катионный заряд системы флоккулирует анионные компоненты волокнистого сырья. Помимо способности захватывать заряженные компоненты, тройственная композиция настоящей системы позволяет захватывать нейтральные компоненты сырья, такие как крахмал, источником которых являются вторичные волокна.
Удаление воды при производстве бумаги выполняют за несколько технологических стадий. Большую часть воды удаляют на начальной стадии дренирования при помощи вала или лопатки, установленных в сеточной части, после чего содержание сухой массы дополнительно увеличивают при помощи отсасывающих ящиков, расположенных далее в сеточной части. За сеточной частью находится прессовая часть, где вода из полотна переходит в войлок в зазоре между валами. Эффективная флоккуляция улучшает начальное дренирование, но не обязательно обеспечивает достаточное обезвоживание при помощи отсасывающих ящиков или обезвоживание под прессом. Слишком большой размер хлопьев может даже замедлять обезвоживание под прессом и сушку бумаги, увеличивать общее потребление пара и быть причиной неровностей, дефектов фактуры или даже мелких отверстий в бумаге. Трехкомпонентная система, соответствующая настоящему изобретению, обеспечивает небольшой размер хлопьев, что позволяет достичь и хорошего дренирования, и достаточного обезвоживания под прессом. Обычно, из-за большой дозы обычных высокомолекулярных удерживающих полимеров образуются большие хлопья, которые содержат значительное количество воды. Это неблагоприятно для обезвоживания под прессом. Трехкомпонентная система, соответствующая настоящему изобретению, позволяя регулировать размер хлопьев, способствует повышению содержания твердой фазы после прессования.
Кроме того, преимуществом трехкомпонентной системы, соответствующей настоящему изобретению, является способность системы к рефлоккуляции после возможного приложения усилия сдвига.
Соответствующая настоящему изобретению химическая система для дренирования и обезвоживания под прессом при производстве бумаги, картона и т.п. включает амфотерный полиакриламид, представляющий собой сополимер, получаемый путем полимеризации (мет)акриламида и 1-80% мол. катионных мономеров и 0,1-70% мол. анионных мономеров. В контексте настоящего изобретения термин «амфотерный полиакриламид» относится к полиакриламиду, в котором в водном растворе при рН 7 присутствуют и катионные, и анионные группы. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, амфотерный полимер получают путем полимеризации катионных, анионных и неионогенных мономеров. Предпочтительно, амфотерный полиакриламид получают путем сополимеризации акриламида с анионными и катионными мономерами. Считается, что благодаря присутствию и анионного, и катионного заряда, амфотерные полимеры способы образовывать петли в бумажной волокнистой суспензии, особенно при нейтральном рН, тем самым, предотвращая слишком интенсивную флоккуляцию, которая может ухудшать фактуру бумаги или обезвоживание бумажного полотна под прессом.
Амфотерный полиакриламид растворим в воде. В контексте настоящего изобретения под термином «водорастворимый» понимается, что амфотерный акриламид полностью смешивается с водой. При смешивании с избытком воды, амфотерный полиакриламид, предпочтительно, растворяется полностью, а получаемый раствор полимера, предпочтительно, по существу, не содержит дискретных частиц или гранул полимера.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, амфотерный полиакриламид характеризуется истинной вязкостью, лежащей в диапазоне 6-38 дл/г, предпочтительно, 6-20 дл/г, более предпочтительно, 7-15 дл/г. Истинную вязкость полиакриламида определяли известным способом в 1М NaCl при 25°С с использованием капиллярного вискозиметра Ubbelohde, рН раствора полимера для определения вязкости капиллярным вискозиметром доводили до 2,7. Истинная вязкость растворенного амфотерного полиакриламида сопоставима с его средним молекулярным весом. Для получения заданного эффекта в бумажном или картонном продукте, полимерная композиция, предпочтительно, характеризуется молекулярным весом, лежащим в определенных пределах, что может быть определено на основании вязкости растворенной композиции полимера.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, амфотерный полиакриламид имеет некоторый суммарный катионный заряд, определяемый при помощи Mütek PCD при рН 2,7. Это означает, что суммарный заряд амфотерного полиакриламида остается катионным, то есть, положительным, даже если полиакриламид содержит анионные группы. При катионном суммарном заряде улучшается взаимодействие амфотерного полиакриламида с волокнами. Суммарный заряд амфотерного полиакриламида рассчитывают, как сумму зарядов имеющихся катионных и анионных групп. Плотность катионного заряда амфотерного полиакриламида может лежать в диапазоне 0,2-4 мэкв/к, предпочтительно, 0,35-3 мэкв/к, более предпочтительно, 0,5-2 мэкв/к, еще более предпочтительно, 0,6-1,6 мэкв/к, при определении при помощи Mütek PCD при рН 2,7.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, амфотерный полиакриламид представляет собой полимер, полученный путем полимеризации (мет)акриламида и 3-50% мол., например, 3-25% мол., предпочтительно, 4-17% мол., более предпочтительно, 5-12% мол. катионных мономеров и 0,1-35% мол., например, 0,1-24% мол., предпочтительно, 0,1-15% мол., более предпочтительно, 0,5-9% мол., еще более предпочтительно, 0,1-8% мол. анионных мономеров. Было обнаружено, что когда количество полимеризуемых катионных мономеров составляет, самое большее, 25% мол., например, 3-25% мол., предпочтительно, 4-17% мол., более предпочтительно, 5-12% мол., флоккуляция посредством амфотерного полиакриламида происходит не только один раз с помощью катионных зарядов, но может и возобновляться путем взаимодействия между катионными и анионными группами после разрушения хлопьев по действием сдвиговых усилий на различных технологических стадиях, а количества катионных мономеров достаточно для интенсификации дренирования, тем самым дополнительно улучшаются параметры трехкомпонентной системы по дренированию и обезвоживанию под прессом.
Амфотерный полиакриламид может характеризоваться общей степенью ионности 4-26% мол. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, общая степень ионности амфотерного полиакриламида лежит в диапазоне 4-18% мол., предпочтительно, 5-13% мол., более предпочтительно, 6-12% мол., еще более предпочтительно, 6-10% мол. Общая степень ионности охватывает все группы амфотерного полиакриламида, имеющие ионный заряд, при этом, большая часть групп происходит из ионных мономеров, но также могут присутствовать другие заряженные группы, происходящие из агентов обрыва цепи и т.п. Оказалось, что общая степень ионности полимера, самое большее, 18% мол. является оптимальной, особенно, когда истинная вязкость составляет 6-38 дл/г или, предпочтительно, 6-20 дл/г. Более высокая степень ионности, особенно катионности, может вызвать чрезмерную катионизацию при использовании катионного продукта в повышенных дозах. Чрезмерная катионизация удерживающей системы может стать причиной проблем, связанных с образованием отложений или вспениванием.
Катионные мономеры могут быть выбраны из 2-(диметиламино)этилакрилата (ADAM), [2-(акрилоилокси)этил]триметиламмоний хлорида (ADAM-Cl), 2-(диметиламино)этилакрилат бензилхлорида, 2-(диметиламино)этилакрилат диметилсульфата, 2-диметиламиноэтилметакрилата (MADAM), [2-(метакрилоилокси)этил]триметиламмоний хлорида (MADAM-Cl), 2-диметиламиноэтилметакрилат диметилсульфата, [3-(акрилоиламино)пропил]триметиламмоний хлорида (APTAC), [3-(метакрилоиламино)пропил]триметиламмоний хлорида (MAPTAC), диаллилдиметиламмоний хлорида (DADMAC) и любых их смесей. Предпочтительно, катионные мономеры могут быть выбраны из [2- (акрилоилокси)этил]триметиламмоний хлорида (ADAM-Cl), [3-(акрилоиламино)пропил]триметиламмоний хлорида (APTAC) и [3-(метакрилоиламино)пропил]триметиламмоний хлорида (MAPTAC). Более предпочтительно, катионный мономер представляет собой [2-(акрилоилокси)этил]триметиламмоний хлорид (ADAM-Cl).
Анионные мономеры могут быть выбраны из ненасыщенных моно- или дикарбоновых кислот, таких как акриловая кислота, малеиновая кислота, фумаровая кислота, итаконовая кислота, аконитовая кислота, мезаконовая кислота, цитраконовая кислота, кротоновая кислота, изокротоновая кислота, ангеликовая кислота или тиглиновая кислота. Предпочтительно, анионные группы происходят из акриловой кислоты.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, амфотерный полиакриламид получен путем гель-полимеризации реакционной смеси, содержащей необходимые мономеры, в полимеризационной среде. Содержание мономеров в реакционной смеси в начале полимеризации может составлять, по меньшей мере, 20% вес. При гель-полимеризации содержание неводного растворителя в реакционной смеси, предпочтительно, меньше 10% вес., предпочтительно, меньше 5% вес., более предпочтительно, меньше 3% вес. Полимеризацию мономеров в реакционной смеси проводят в присутствии инициатора(ов) по механизму свободнорадикальной полимеризации. Температура в начале полимеризации может составлять менее 40°С или менее 30°С. Иногда температура в начале полимеризации может быть даже менее 5°С. Во время полимеризации температура может составлять 60-90°С. При свободнорадикальной полимеризации мономеров образуется амфотерный полиакриламид, который имеет форму геля или жидкости с большой вязкостью.
После гель-полимеризации амфотерный полиакриламид механически измельчают, например, разрезают или разрубают, а также сушат, тем самым, получая продукт в виде частиц. В зависимости от используемого реакционного устройства, резка или рубка может быть осуществлена в том же реакционном устройстве, в котором проводилась полимеризация. Например, полимеризация может быть проведена в первой зоне червячного смесителя, а резка полученного амфотерного полиакриламида - во второй зоне указанного червячного смесителя. Также возможно осуществление резки, рубки или иной регулировки размера в обрабатывающем устройстве, отдельном от реакционного устройства. Например, полученный водорастворимый амфотерный полиакриламид может быть подан из второго конца реакционного устройства, представляющего собой ленточный транспортер, на вращающееся барабанное сито и т.п., где происходит его резка или рубка на небольшие частицы. После резки или рубки размельченный полиакриламид сушат и размалывают до необходимого размера частиц. Высушенный полиакриламид легко хранить и транспортировать, он обладает превосходной устойчивостью при хранении и длительным сроком хранения.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, общее содержание полимера в полученном амфотерном полиакриламиде составляет, по меньшей мере, 60% вес., предпочтительно, лежит в диапазоне 70-98% вес., более предпочтительно, 75-95% вес., еще более предпочтительно, 80-95% вес., и еще более предпочтительно, 85-93% вес. Поскольку содержание полимера в амфотерном полиакриламиде высокое, то количество активного амфотерного полиакриламида также высоко. Содержание влаги в амфотерном полиакриламиде обычно составляет 5-12% вес.
Амфотерный полиакриламид, соответствующий изобретению, по существу, является линейным и несшитым. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, водорастворимый амфотерный полиакриламид получают, по существу, в отсутствие разветвляющих или сшивающих агентов. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, полимер включает <0,01% мол., предпочтительно, <0,005% мол., более предпочтительно, <0,001% мол. разветвляющего агента или сшивающего агента. По существу, линейный или несшитый амфотерный полиакриламид обладает преимуществом, заключающимся в обеспечении тех же параметров функционирования при использовании меньших доз по сравнению с, по существу, разветвленными или сшитыми полимерами. По существу, линейный или несшитый амфотерный полиакриламид характеризуется большей протяженностью и, следовательно, способен образовывать с микрочастицами и коагулянтом более крупные сети, таким образом, улучшается захватывание, например, крахмала. Кроме того, заряженные группы в этом случае лучше доступны для связывания по сравнению с, по существу, разветвленными или сшитыми полимерами.
Соответствующая настоящему изобретению химическая система для дренирования и обезвоживания под прессом при производстве бумаги, картона и т.п. включает неорганические микрочастицы кремнийсодержащего материала, такого как коллоидный оксид кремния или бентонит. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, неорганические микрочастицы кремнийсодержащего материала выбраны из частиц на основе оксида кремния, микрогелей оксида кремния, коллоидного оксида кремния, золей оксида кремния, гелей оксида кремния, полисиликатов, алюмосиликатов, полиалюмосиликатов, борсиликатов, полиборсиликатов, цеолитов и набухаемых глин, таких как бентонит. Предпочтительно, неорганические микрочастицы кремнийсодержащего материала представляют собой коллоидный оксид кремния или бентонит.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, коллоидный оксид кремния обычно используют в форме 0,5-25% вес. суспензии, размер его частиц может лежать в диапазоне 1-50 нм, предпочтительно, 2-30 нм. Величина S коллоидного оксида кремния может составлять, самое большее, 40%, например, 14-40%, предпочтительно, 25-38%. Бентонит обычно используют в форме 1-5% вес. суспензии, размер его частиц может лежать в диапазоне 200-800 нм, предпочтительно, 300-500 нм. Если нужно, суспензии бентонита и коллоидного оксида кремния перед введением в волокнистое сырье могут быть дополнительно разбавлены.
Кроме того, соответствующая настоящему изобретению химическая система для дренирования и обезвоживания под прессом при производстве бумаги, картона и т.п. включает катионный коагулянт с большим зарядом, характеризующийся плотностью заряда более 5 мэкв/г, предпочтительно, более 6 мэкв/г при определении с использованием Mütek PCD при рН 6. Катионный коагулянт с большим зарядом особенно эффективен в отношении захвата коллоидов и удерживания их в бумаге, тем самым, предотвращая блокирование ими сетки или войлока. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, катионный коагулянт с большим зарядом, характеризующийся плотностью заряда более 5 мэкв/г, предпочтительно, более 6 мэкв/г, выбран из коагулянтов на основе алюминия, органических полимеров и их смесей. Коагулянт на основе алюминия может быть выбран из группы, состоящей из сульфата алюминия, хлорида алюминия, хлорида полиалюминия (PAC), силиката полиалюминия, сульфата полиалюминия (PAS), силикасульфата полиалюминия, алюмината натрия, алюминиевых квасцов и любых их смесей. Органические катионные полимеры с большим зарядом могут быть выбраны из группы, состоящей из полиэтиленимина, полиамина, полиDADMAC, полиAPTAC, полиMAPTAC, поли-ADAM-Cl и их смесей. Предпочтительно, органические катионные полимеры с большим зарядом представляют собой полимеры, содержащие четвертичные аминогруппы, и, следовательно, характеризующиеся минимальным изменением или отсутствием изменения заряда с изменением рН, выбранные из группы, состоящей из полиаминов, которые являются сополимерами эпихлоргидрина и амина, полиDADMAC, полиAPTAC, полиMAPTAC, поли-ADAM-Cl и их смесей. Органические катионные полимеры с большим зарядом могут иметь средневесовой молекулярный вес 20-900 Да, предпочтительно, 40-400 Да, более предпочтительно, 50-250 Да с тем, чтобы функционировать более как коагулянт и менее как флоккулянт подобно коагулянтам на основе алюминия, тем самым обеспечивая в трехкомпонентной системе баланс между степенью нейтрализации заряда и перекрывающим эффектом. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, коагулянт представляет собой коагулянт на основе алюминия или разветвленный органический полимер, более предпочтительно, коагулянт на основе алюминия. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, коагулянт представляет собой коагулянт на основе алюминия, такой как полиалюминий хлорид или алюминиевые квасцы. Коагулянты на основе алюминия являются предпочтительными из-за свойственной им высокой плотности заряда и пригодности для изготовления в соответствии с функционированием именно при рН вторичной бумажной массы, рН которой обычно составляет 6-7,5. Разветвленные органические полимеры обеспечивают более высокий молекулярный вес при меньшей вязкости раствора, что благоприятно с точки зрения применения.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, система для дренирования и обезвоживания включает амфотерный полиакриламид, соответствующий настоящему описанию, неорганические микрочастицы кремнийсодержащего материала, такого как коллоидный оксид кремния или бентонит, и полиалюминий хлорид.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, коагулянт на основе алюминия, например, полиалюминий хлорид, характеризуется основностью, лежащей в диапазоне 20-90%, предпочтительно, 30-70%, более предпочтительно, 35-60%. Величина основности в процентах эквивалентна ОН-/моль Al х 100/3. Обычно полиалюминий хлорид характеризуется содержанием Al 4-16% вес., предпочтительно, 5-10% вес.
Когда систему для дренирования и обезвоживания под прессом, соответствующую изобретению, используют для производства бумаги, картона и т.п., амфотерный полиакриламид растворяют в воде, тем самым, получают водный раствор полиакриламида. Водный раствор полиакриламида может быть добавлен в волокнистое сырье как добавка на мокром этапе производства бумаги. Амфотерный полиакриламид может быть добавлен в количестве 100-1000 г/т сухого волокнистого сырья, предпочтительно, 200-900 г/т сухого волокнистого сырья, более предпочтительно, 300-700 г/т сухого волокнистого сырья.
Водный раствор амфотерного полиакриламида может быть добавлен либо в густое сырье, либо в разжиженное сырье. Под густым сырьем в настоящем контексте понимается волокнистое сырье или бумажная масса со степенью густоты >20 г/л, предпочтительно, >25 г/л, более предпочтительно, >30 г/л. Под разжиженным сырьем в настоящем контексте понимается волокнистое сырье или бумажная масса со степенью густоты 5-20 г/л. В типичном варианте осуществления изобретения амфотерный полимер добавляют в разжиженное сырье.
Когда водный раствор амфотерного полиакриламида добавляют в разжиженное сырье, то особенно выражено улучшение дренирования. В одном из вариантов осуществления изобретения, амфотерный полиакриламид может быть добавлен после стадии приложения сдвигового усилия, такого как подача насосом, перемешивание или обработка на сите. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, амфотерный полиакриламид добавляют после последней стадии приложения сдвигового усилия до напорного ящика бумагоделательной или картоноделательной машины. Чем ближе к напорному ящику добавляют амфотерный полиакриламид, тем более выраженный эффект коагуляции достигается.
Было обнаружено, что когда водный раствор амфотерного полиакриламида добавляют в густое сырье, то особенно выражено улучшение прочностных свойств готовой бумаги, картона и т.п. Без связи с какой-либо теорией предполагается, что амфотерный полиакриламид эффективно контактирует с волокнами, особенно в густом сырье, тем самым, образуются связи между заряженными группами полиакриламида и заряженной поверхностью волокон. Эти связи повышают прочность, приобретаемую готовой бумагой или картоном. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, добавление водного раствора амфотерного полиакриламида осуществляют после башен для хранения сырья, но до разбавления густого сырья в сборнике для подсеточной воды (внемашинный бункер) оборотной водой короткого контура. Для улучшенного дренирования может потребоваться дополнительное введение амфотерного полиакриламида или катионного полиакриламида, такого как СРАМ, характеризующегося содержанием катионного мономера 5-15% мол. и молекулярным весом 5-20 МДа, в разжиженное сырье, предпочтительно, вблизи напорного ящика, как описано выше. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, водный раствор амфотерного полиакриламида добавляют и в густое сырье, и в разжиженное сырье.
Катионный коагулянт с большим зарядом может быть добавлен непосредственно в волокнистое сырье, либо может быть добавлен сначала в водный поток, который затем соединяют с волокнистым сырьем в любом надлежащем месте, например, в любом месте на мокром этапе производства бумаги. Примерами таких временных точек или мест являются точки до или после рафинирования волокнистого сырья, возле смесительного насоса, до или возле напорного ящика.
Когда катионный коагулянт с большим зарядом представляет собой органический полимер, он может быть добавлен в количестве 50-1000 г/т сухой массы, предпочтительно, 100-500 г/т сухой массы. Когда катионный коагулянт с большим зарядом представляет собой коагулянт на основе алюминия, он может быть добавлен в количестве 100-700 г/т сухого волокнистого сырья в пересчете на Al3+.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, неорганические микрочастицы могут быть добавлены в разжиженное сырье со степенью густоты 5-20 г/л. В одном из вариантов осуществления изобретения, неорганические микрочастицы могут представлять собой коллоидный оксид кремния, который добавляют в количестве 100-600 г/т сухого волокнистого сырья, предпочтительно, 100-500 г/т сухого волокнистого сырья. В качестве альтернативы, неорганические микрочастицы могут представлять собой бентонит, который добавляют в количестве 1-4 кг/т сухого волокнистого сырья, предпочтительно, 1,5-3 кг/т сухого волокнистого сырья.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, неорганические микрочастицы и коагулянт могут быть добавлены до последней стадии приложения сдвигового усилия перед напорным ящиком бумагоделательной или картоноделательной машины. Обычно, перед смесительный насосом напорного ящика или ситом.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, амфотерный полиакриламид, неорганические микрочастицы и катионный коагулянт с большим зарядом добавляют отдельно друг от друга с целью предотвращения слишком раннего взаимодействия между указанными компонентами и, следовательно, например, их желирования. Например, амфотерный полиакриламид может быть добавлен в волокнистое сырье после добавления неорганических микрочастиц и катионного коагулянта. Каждый компонент системы для дренирования и обезвоживания под прессом может быть добавлен путем непосредственного введения в волокнистое сырье, например, путем инжектирования указанного компонента в волокнистое сырье перед подачей в напорный ящик. Трехкомпонентная система, соответствующая настоящему изобретению, устойчива к усилиям сдвига, например, на стадиях подачи насосом, перемешивания или обработки на сите, или к сдвиговым усилиям в турбулизаторе напорного ящика. Следовательно, трехкомпонентная система способна рефлоккулировать после стадии приложения усилия сдвига.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, коагулят отдельно добавляют в волокнистое сырье, после чего отдельно добавляют неорганические микрочастицы, такие как коллоидный оксид кремния, и только после следующей за этим стадии приложения сдвигового усилия добавляют в волокнистое сырье водный раствор, содержащий амфотерный полиакриламид.
Дополнительные добавки, такие как добавка, удерживающая катионный полиакриламид, и/или катионный сырой крахмал, могут быть введены для дополнительного повышения удерживания и прочности.
В настоящем контексте, и как уже использовано выше, термин «волокнистое сырье» означает водную суспензию, которая содержит волокна и, необязательно, наполнители. Волокнистое сырье также может быть названо «бумажная масса» или «волокнистая суспензия». Волокнистое сырье может содержать зольный остаток в количестве, по меньшей мере, 5% вес., по меньшей мере, 10% вес., предпочтительно, по меньшей мере, 14% вес., более предпочтительно, по меньшей мере, 16% вес. относительно общего содержания сухой твердой фазы, который может поступать с добавленным наполнителем или с наполнителями и/или минеральными пигментами вторичных волокон или брака бумагоделательной машины. Зольный остаток может лежать в диапазоне 10-30%, предпочтительно, в диапазоне 11-19%. Зольный остаток измеряют после сушки сырья. При проведения измерения зольного остатка следуют стандарту ISO 1762 при температуре 525°С. Зольный остаток может представлять собой любой наполнитель или пигмент, обычно используемый при производстве бумаги или картона, такой как размолотый карбонат кальция, осажденный карбонат кальция, глина, тальк, гипс, диоксид титана, искусственный силикат, тригидрат алюминия, сульфат бария, оксид магния или любые их смеси. Система настоящего изобретения обеспечивает повышенную прочность бумаги, улучшенное дренирование и удержание большого зольного остатка по сравнению с существующими системами, так как компоненты, соответствующие настоящему изобретению, не вызывают чрезмерной коагуляции, ведущей к неправильному расположению волокон, которое ухудшает прочностные свойства бумажного продукта. Следовательно, компоненты, соответствующие настоящему изобретению, могут быть использованы в количествах, которые существенно повышают удержание зольного остатка, улучшают дренирование и повышают прочность. Обычно, полотно с большим зольным остатком менее прочное, а при использовании системы настоящего изобретения прочность полотна в мокром состоянии может быть повышена за счет увеличения содержания сухой массы после прессования увлажненной массы, поэтому полотно менее подвержено разрывам, сокращаются потери производственного времени, облегчается достижение более высокой скорости производства.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, амфотерный полиакриламид, неорганические микрочастицы и катионный коагулянт с большим зарядом могут быть добавлены в волокнистое сырье, содержащее вторичный волокнистый материал. Это означает, что источником волокон волокнистого сырья является, предпочтительно, вторичная бумага и/или старый гофрокартон (ОСС). В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, подлежащее обработке волокнистое сырье содержит, по меньшей мере, 20% вес., предпочтительно, по меньшей мере, 50% вес. волокон, полученных из вторичного волокнистого материала. В некоторых вариантах осуществления изобретения волокнистое сырье может содержать даже >70% вес., иногда даже >80% вес. волокон, полученных из вторичного волокнистого материала. В некоторых вариантах своего осуществления система настоящего изобретения может быть применена к волокнистому сырью, содержащему 100% вторичного волокнистого материала, в качестве добавки для повышения прочности и улучшения дренирования с целью увеличения производительности. Трехкомпонентная система настоящего изобретения также может быть использована с другими целлюлозными волокнами, включающими беленую и небеленую крафт-целлюлозу.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, волокнистое сырье характеризуется электропроводностью, по меньшей мере, 2 мСм/см, более предпочтительно, по меньшей мере, 3 мСм/см, еще более предпочтительно, лежащей в диапазоне 3,5-10 мСм/см. При данных значениях электропроводности трехкомпонентная система, соответствующая изобретению, обладает хорошей удерживающей способностью, способностью удерживать крахмал, способностью повышать прочность и улучшать дренирование по сравнению с соответствующими параметрами традиционных химикатов для производства бумаги, таких как СРАМ, параметры которого начинают ухудшаться при повышении электропроводности. Параметры системы настоящего изобретения при повышении электропроводности не ухудшаются.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, волокнистое сырье характеризуется содержанием крахмала, по меньшей мере, 1% вес., предпочтительно, по меньшей мере, 3% вес., более предпочтительно, по меньшей мере, 4% вес. относительно общего содержания сухой твердой фазы в любой точке перед добавлением амфотерного полиакриламида настоящего изобретения. Содержание крахмала в волокнистом сырье может составлять 1-20% вес., предпочтительно, 2-10% вес., более предпочтительно, 4-8% вес. относительно общего содержания сухой твердой фазы в любой точке перед добавлением амфотерного полиакриламида настоящего изобретения. Система настоящего изобретения эффективно захватывает крахмал, источником которого является вторичный волокнистый материал, или крахмал, добавляемый в ходе технологического процесса, благодаря чему повышается выход бумаги, и снижается химическая потребность в кислороде (chemical oxygen demand - COD) сточных вод. Без связи с какой-либо теорией полагают, что компоненты системы настоящего изобретения образуют трехмерную структуру, способную эффективно захватывать даже незаряженный крахмал.
Система и способ настоящего изобретения могут быть применены к любому типу процессов изготовления бумаги и картона. При этом, включаются любые надлежащие типы и сорта бумаги и картона, такие как крафт-бумага, облицовочный картон, многослойный макулатурный картон, бумага для гофрирования, мешочная бумага, белый оклеенный макулатурный картон, картон для изготовления гильз или картон для складных коробок. Таким образом, изобретение относится к способу производства бумаги или картона из волокнистого сырья, обрабатываемого способом, соответствующим изобретению, при этом, обрабатываемому волокнистому сырью придают форму волокнистого полотна и сушат. Стадии придания волокнистому сырью формы, дренирования и сушки могут осуществляться любым надлежащим образом, широко известным специалистам в данной области.
ПРИМЕРЫ
Некоторые варианты осуществления изобретения показаны на нижеследующих не имеющих ограничительного характера примерах.
Производство амфотерного полиакриламида
Общее описание получения полимерного продукта
Ниже описан пример приготовления раствора мономера, другие растворы мономеров приготовлены аналогично. Использованные мономеры и их пропорции для каждого испытываемого полимерного продукта приведены в таблице 1.
После приготовления раствора мономера в соответствии с данным описанием, раствор мономера продувают потоком азота для удаления кислорода. В раствор мономера добавляют инициатор, 2-гидрокси-2-метилпропиофенон в смеси полиэтиленгликоль - вода (1:1 по весу), раствор мономера помещают на поддон слоем, примерно, 1 см под УФ-излучение. Уф-излучение соответствует, главным образом, диапазону 350-400 нм, например, могут быть использованы лампы Philips Actinic BL TL 40 Вт. Интенсивность излучения в ходе полимеризации увеличивают с целью ее завершения. Первые 10 минут интенсивность излучения составляет 550 мкВт/см2, следующие 30 минут - 2000 мкВт/см2. Полученный гель пропускают через экструдер и сушат до достижения влагосодержания менее 10% при температуре 60°С. Высушенный полимер размалывают и просеивают, получая частицы размером 0,5-1,0 мм.
Приготовление раствора мономера для Примера 1, в целом катионного амфотерного полимера, в котором катионным мономером является ADAM-Cl, а анионным мономером является акриловая кислота
Раствор мономера готовят путем смешивания 248,3 г 50% раствора акриламида, 0,01 г 40% раствора Na-соли DTPA, 2,9 г глюконата натрия, 4,4 г дипропиленгликоля, 1,9 г адипиновой кислоты и 7,2 г лимонной кислоты в лабораторном стеклянном реакторе с регулируемой температурой при 20-25°С. Смесь перемешивают до растворения твердых веществ. В раствор добавляют 32,6 г 80% ADAM-Cl. рН раствора доводят до 3,0 лимонной кислотой, и добавляют в раствор 2,8 г акриловой кислоты. Раствор инициатора представляет собой 5 мл 6% раствора 2-гидрокси-2-метилпропиофенона в смеси полиэтиленгликоль - вода (1:1 по весу). Приготовление продолжают, как описано в общем описании выше.
Приготовление раствора мономера для Примера 2, в целом нейтрального амфотерного полимера, в котором катионным мономером является МАТРАС, а анионным мономером является акриловая кислота
Раствор мономера готовят путем смешивания 241,4 г 50% раствора акриламида, 0,0085 г 40% раствора Na-соли DTPA, 2,8 г глюконата натрия, 1,8 г адипиновой кислоты и 6,5 г лимонной кислоты в лабораторном стеклянном реакторе с регулируемой температурой при 20-25°С. Смесь перемешивают до растворения твердых веществ. В раствор добавляют 41,7 г 50% МАТРАС. рН раствора доводят до 3,0 лимонной кислотой, и добавляют в раствор 6,8 г акриловой кислоты. Раствор инициатора представляет собой 6,5 мл 12% раствора 2-гидрокси-2-метилпропиофенона в смеси полиэтиленгликоль - вода (1:1 по весу). Приготовление продолжают, как описано в общем описании выше.
Приготовление раствора мономера для Примера 3, в целом анионного амфотерного полимера, в котором катионным мономером является МАТРАС, а анионным мономером является акриловая кислота
Раствор мономера готовят путем смешивания 255,3 г 50% раствора акриламида, 0,0085 г 40% раствора Na-соли DTPA, 2,8 г глюконата натрия, 6,5 г лимонной кислоты и 1,8 г адипиновой кислоты в лабораторном стеклянном реакторе с регулируемой температурой при 20-25°С. Смесь перемешивают до растворения твердых веществ. В раствор добавляют 22,1 г 50% МАТРАС. рН раствора доводят до 3,0 лимонной кислотой, и добавляют в раствор 11,6 г акриловой кислоты. Раствор инициатора представляет собой 6,5 мл 12% раствора 2-гидрокси-2-метилпропиофенона в смеси полиэтиленгликоль - вода (1:1 по весу). Приготовление продолжают, как описано в общем описании выше.
Истинную вязкость полимерных продуктов определяли при помощи капиллярного вискозиметра Ubbelohde в 1М NaCl при 25°С. рН полимерного раствора для измерения вязкости доводили до 2,7 муравьиной кислотой, чтобы исключить влияние до вязкость возможного полиионного комплексообразования. Молекулярный вес рассчитывали с использованием параметров «К» и «а» полиакриламида. Величина параметра «К» составляет 0,0191 мл/г, величина параметра «а» составляет 0,71. Полученные величины истинной вязкости и рассчитанные величины молекулярного веса испытываемых полимерных продуктов приведены в таблице 1.
Таблица 1. Мономеры, их пропорции, величины истинной вязкости и рассчитанные величины молекулярного веса для испытываемых полимерных продуктов
| № | Продукт | Акриламид | ADAM-Cl | MAPTAC | Акриловая кислота | Истинная вязкость | ИВ на основе молекулярного веса (коэфф. РАМ) |
| % мол. | % мол. | % мол. | % мол. | дл/г | мг/моль | ||
| 1 | Пример 1 | 91 | 7 | 2 | 7,2 | 2,8 | |
| 2 | Пример 2 | 90 | 5 | 5 | 7,9 | 3,2 | |
| 3 | Пример 3 | 89,5 | 2,5 | 8 | 7,6 | 3,0 |
*ИВ - истинная вязкость; РАМ - полиакриламид
Примеры применения
Способы
Устройства для определения параметров волокнистой массы и полотна и стандарты проведения измерения приведены в таблице 2. Величина прочности SCT представляет собой прочность, деленную на основной вес бумаги/картона.
Таблица 2. Стандарты и устройства для определения параметров волокнистой массы и полотна
| Измеряемый параметр | Устройство/Стандарт |
| pH | Knick Portamess 911 |
| Мутность, NTU | WTW Turb 555IR |
| Электропроводность, мСм/см | Knick Portamess 911 |
| Заряд, мэкв/л | Mütek PCD 03 |
| Дзета-потенциал, мВ | Mütek SZP-06 |
| Степень густоты, г/л | ISO 4119 |
| Основной вес | Mettler Toledo/ISO 536 |
| Зольный остаток, 525°C | ISO 1762 |
| SCT | ISO 9895 |
Пример применения 1
Приготовление волокнистой суспензии
В качестве исходного материала использовали европейский ОСС и крафт-целлюлозу (небеленую). ОСС содержал около 16% зольного остатка. Исходный крахмал суспензии ОСС был удален из образца в ходе хранения длительностью 1 неделя при +5°С. Свойства волокнистой суспензии и воды представлены в таблице 3. ОСС и крафт-целлюлозу смешали в соотношении 1:1 по сухому весу. Воду для разведения приготовили путем смешивания оборотной воды и чистого фильтрата в соотношении 1:1. Волокнистую массу разбавляли приготовленной водой до степени густоты 0,7%. Содержание крахмала в волокнистой суспензии составляло около 2,55 относительно общего содержания сухой твердой фазы.
Таблица 3. Свойства волокнистой суспензии и воды
| Измеряемый параметр | OCC | Крафт-целлюлоза | Оборотная вода | Чистый фильтрат |
| pH | 6,6 | 6,9 | 7,5 | 7,5 |
| Мутность, NTU | 615 | 33,1 | 24,9 | 31,2 |
| Электропроводность, мСм/см | 6,8 | 1,7 | 3,6 | 2,8 |
| Заряд, мэкв/л | -738 | -214 | -73 | -83 |
| Дзета-потенциал, мВ | -4,4 | -17,0 | ||
| Степень густоты, г/л | 50,2 | 30,6 |
Динамический анализ дренирования
Динамический анализатор дренирования (dynamic drainage analyzer - DDA) производства Akribi Kemi Konsulter, Швеция, использовали для исследования удерживания и дренирования. Для каждого измерения использовали 500 мл волокнистой суспензии. Перед дренированием алюминиевые квасцы и волокнистую суспензию помещали в лабораторный стакан объемом 500 мл при перемешивании магнитной мешалкой со скоростью 100 об/мин на 10 мин. Волокнистую суспензию наливали в DDA за 30 с до дренирования, мешалку DDA включали на 1000 об/мин. В таблице 4 время добавления химикатов указано как отрицательное время перед началом дренирования. Перемешивание останавливали за 2 с перед началом дренирования. Через 30 с после начала дренирования прикладывали разрежение 300 мбар, размер отверстий сетки составлял 0,25 мм.
Регистрировали время дренирования и одновременно измеряли мутность фильтрата. Влажное полотно взвешивали, прессование каждого полотна проводили отдельно сразу же после испытания на дренирование при помощи Lorenz & Wettre (папмашина, 1 мин под давлением 4 бар, 2 листа миллиметровой бумаги с обеих сторон осадка DDA). Отжатое полотно взвешивали, после чего полотно с сетки сушили в тарельчатой сушилке Lorenz & Wettre до абсолютной сухости для расчета удерживания. После сушки полотна взвешивали. Для полученных полотен измеряли SCT.
Определение количества растворимого крахмала в фильтрате DDA
В ходе испытаний использовали следующую процедуру, разработанную в рамках данного проекта для определения количества рециркулируемого волоконного крахмала:
25 мл фильтрата добавляли в 10 мл 10% вес. HCl. Смесь перемешивали 10 мин в лабораторном стакане объемом 50 мл при помощи магнитной мешалки, затем смесь отфильтровывали под действием силы тяжести в воронке с черной ленточной фильтровальной бумагой. 1 мл отфильтрованной смеси добавляли в 0,5 мл йодного реагента, который состоял из 7,5 г KI/л+5 г/л I2. Величину поглощения измеряли при 610 нм при помощи спектрофотометра Hach Lange DR 900. Установку спектрофотометра на ноль выполняли для образца перед добавлением йода.
В качестве стандарта для калибровочного уравнения для определения содержания крахмала использовали неионогенный разложенный крахмал C*film 07311. Содержание крахмала в исследуемой волокнистой суспензии определяли тем же способом, что и содержание крахмала в фильтрате DDA. Холостое испытание для определения поглощения раствора HCl-йод проводили для определения фоновой величины поглощения, вычитаемой из результата. Удерживание крахмала рассчитывали следующим образом: (крахмал волокнистой массы - крахмал фильтрата)/крахмал волокнистой массы*100%.
Химикаты:
Алюминиевые квасцы: Сульфат алюминия, сухой
Крахмал, добавляемый на мокром этапе производства: Meribond 155 производства Tate&Lyle, запаренный в концентрации 1% при 97°C 30 мин.
Крахмал поверхностной проклейки: C*film 07312 производства Cargill, запаренный в концентрации 1% при 97°C 30 мин.
Пример 1, амфотерный РAM, описанный в предыдущем примере, растворенный до 0,5% и дополнительно разбавленный до 0,05%.
CPAM1: FennoPol K6340T, сухой катионный полиакриламид для удерживания с большим молекулярным весом производства Kemira.
Бентонит: Altonite SF производства Kemira, удерживающий бентонит.
Результаты испытания
Программа испытания представлена в таблице 4. Полученные результаты (таблица 5) показывают, что по сравнению с экспериментом 3, отражающим типичную дренажную систему для облицовочного картона, система, соответствующая изобретению, в экспериментах 6-7 продемонстрировала одновременно быстрое дренирование, малую мутность фильтрата, высокую степень сухости после формования, высокое содержание твердой фазы после обезвоживания под прессом, удерживание, прочность SCT и удерживание зольного остатка, измеряемое по зольному остатку полотна. Эффект амфотерного полимера в эксперименте 9 также явно выражен по сравнению с экспериментом 8 без амфотерного полимера. Эксперимент 11 показал снижение прочности SCT при использовании больших доз обычного удерживающего полимера.
Таблица 4. Программа испытания
| Время, с | -600 | -40 | -40 | -30 | -20 | -10 |
| Эксперим. | Алюмин. квасцы, кг/т | Крахмал мокрого этапа, кг/т | Крахмал поверхн. проклейки, кг/т | Пример 1, кг/т | CPAM 1, кг/т | Бентонит, кг/т |
| 1 | 3,9 | 40 | ||||
| 2 | 3,9 | 40 | 3,5 | |||
| 3 | 3,9 | 40 | 0,2 | 3,5 | ||
| 4 | 3,9 | 40 | 0,4 | 3,5 | ||
| 5 | 8 | 3,9 | 40 | 0,2 | 0,1 | 3,5 |
| 6 | 8 | 3,9 | 40 | 0,4 | 0,1 | 3,5 |
| 7 | 8 | 3,9 | 40 | 0,6 | 0,1 | 3,5 |
| 8 | 8 | 3,9 | 40 | 3,5 | ||
| 9 | 8 | 3,9 | 40 | 0,6 | 3,5 | |
| 10 | 4 | 3,9 | 40 | 0,4 | 0,1 | 3,5 |
| 11 | 3,9 | 40 | 0,6 | 3,5 |
Таблица 5. Результаты испытания
| Эксперимент | Время дренирования, с | Мутность фильтрата, NTU | Степень сухости после формования, % | Удерживание, % | Содержание твердой фазы после прессования, % | Показатель SCT, Нм/г | Зольный остаток полотна, % |
| 1 | 5,2 | 393 | 16,7 | 86,9 | 43,4 | 23,8 | 6,4 |
| 2 | 5,5 | 272 | 16,7 | 89,7 | 42,8 | 23,2 | 7,1 |
| 3 | 4,5 | 212 | 16,9 | 92,3 | 43,9 | 24,0 | 7,3 |
| 4 | 3,9 | 143 | 17,4 | 92,8 | 44,5 | 22,1 | 7,6 |
| 5 | 4,8 | 172 | 17,4 | 92,1 | 44,4 | 23,5 | 7,6 |
| 6 | 4,2 | 137 | 17,4 | 93,2 | 44,0 | 25,4 | 7,7 |
| 7 | 3,6 | 115 | 17,6 | 94,8 | 44,8 | 24,8 | 7,7 |
| 8 | 6,1 | 322 | 17,0 | 92,7 | 43,9 | 24,3 | 6,8 |
| 9 | 4,3 | 133 | 17,6 | 95,2 | 45,1 | 25,3 | 7,6 |
| 10 | 4,0 | 124 | 17,7 | 95,4 | 43,9 | 25,5 | 7,6 |
| 11 | - | - | - | 93,7 | - | 21,4 | 7,6 |
Пример применения 2
Приготовление волокнистой суспензии
В качестве исходного материала использовали центрально-европейский целлюлозно-макулатурный картон. Целлюлозно-макулатурный картон содержал около 17% зольного остатка и 5% крахмала поверхностной проклейки, который представлял собой подвергнутый ферментативному разложению нативный кукурузный крахмал. Воду для разведения приготовили из водопроводной воды путем доведения концентрации Са2+ до 520 мг/л СаCl2 и доведения электропроводности до 4 мСм/см NaCl. Картон разрезали на квадраты со стороной 2 см. 2,7 л воды для разведения нагрели до 85°С. Куски картона перед измельчением замачивали 5 мин в воде для разведения с концентрацией 2%. Волокнистую суспензию измельчали дезинтеграторе Britt при 30000 об. Волокнистую суспензию разбавляли до 0,5% водой для разведения.
Динамический анализ дренирования
Динамический анализатор дренирования (DDA) производства Akribi Kemi Konsulter, Швеция, использовали для исследования удерживания и дренирования. Для каждого измерения использовали 500 мл волокнистой суспензии. Полиалюминий хлорид (РАС) и волокнистую суспензию помещали в лабораторный стакан объемом 500 мл при перемешивании магнитной мешалкой со скоростью 100 об/мин на 10 мин перед дренированием. В таблице 6 время добавления других химикатов указано как отрицательное время перед началом дренирования. Волокнистую суспензию наливали в DDA за 30 с до дренирования, мешалку DDA включали на 1000 об/мин. Перемешивание останавливали за 2 с перед началом дренирования. Через 30 с после начала дренирования прикладывали разрежение 300 мбар, размер отверстий сетки составлял 0,25 мм.
Регистрировали время дренирования и одновременно измеряли мутность фильтрата. Влажное полотно взвешивали, прессование каждого полотна проводили отдельно сразу же после испытания на дренирование при помощи папмашины Lorenz & Wettre в течение 1 мин под давлением 4 бар, 2 листа миллиметровой бумаги с обеих сторон осадка DDA. Отжатое полотно взвешивали. Полотно с сетки сушили в тарельчатой сушилке Lorenz & Wettre до абсолютной сухости для расчета удерживания. После сушки полотна взвешивали.
Определение количества растворимого крахмала в фильтрате DDA
Определение количества растворимого крахмала в фильтрате DDA осуществляли так же, как в предыдущем примере применения.
Химикаты:
PAC 3: Полиалюминий хлорид, 5,2% Al, основность 70%.
Оксид кремния: структурированный коллоидный оксид кремния, величина S: 34, площадь поверхности 750, pH: 10,6, водный раствор, разбавленный до 0,5%.
Пример 1, амфотерный РAM, описанный в предыдущем примере, растворенный до 0,5% и дополнительно разбавленный до 0,05%.
Пример 2, амфотерный РAM, описанный в предыдущем примере, растворенный до 0,5% и дополнительно разбавленный до 0,05%.
Пример 3, амфотерный РAM, описанный в предыдущем примере, растворенный до 0,5% и дополнительно разбавленный до 0,05%.
APAM: FennoPol A8050 R, сухой анионный полиакриламид для удерживания с большим молекулярным весом производства Kemira.
Результаты испытания
Программа и результаты испытания представлены в таблицах 6-7. В обычной дренажной системе (эксперименты 4-5) АРАМ используется в концентрации 0,1-0,2 кг/т, так как более высокая концентрация не вносит вклад в удерживание или дренирование. Системы, соответствующие изобретению (эксперименты 6-11) позволяют уменьшить время дренирования, мутность фильтрата, содержание крахмала в фильтрате и улучшить удерживание. В примере 1 параметры в целом катионного амфотерного полимера лучше, нежели нейтрального или анионного амфотерного полимера.
Таблица 6. Программа испытания, время дозирования и количество компонентов
| Время, с | -600 | -15 | -10 | -10 | -10 | -10 |
| Эксп. | PAC 3, кг/т как продукт | Оксид кремния, кг/т | APAM, кг/т | Пример 3, кг/т | Пример 2, кг/т | Пример 1, кг/т |
| 1 | ||||||
| 2 | 10 | |||||
| 3 | 10 | 0,45 | ||||
| 4 | 10 | 0,45 | 0,1 | |||
| 5 | 10 | 0,45 | 0,2 | |||
| 6 | 10 | 0,45 | 0,4 | |||
| 7 | 10 | 0,45 | 0,8 | |||
| 8 | 10 | 0,45 | 0,4 | |||
| 9 | 10 | 0,45 | 0,8 | |||
| 10 | 10 | 0,45 | 0,4 | |||
| 11 | 10 | 0,45 | 0,8 |
Таблица 7. Результаты испытания
| Эксперимент | Время дренирования, с | Мутность фильтрата, NTU | Поглощение крахмала в фильтрате | Восстановление крахмала в фильтрате, % | Удерживание, % |
| 1 | 11,2 | 707 | 0,649 | 0 | 90,6 |
| 2 | 7,27 | 557 | 0,589 | 9 | 90,4 |
| 3 | 15,15 | 538 | 0,564 | 13 | 91,0 |
| 4 | 10,02 | 176 | 0,551 | 15 | 92,5 |
| 5 | 8,15 | 102 | 0,527 | 19 | 92,3 |
| 6 | 7,85 | 103 | 0,541 | 17 | 92,7 |
| 7 | 5,85 | 96 | 0,528 | 19 | 93,6 |
| 8 | 9,15 | 86 | 0,517 | 20 | 92,8 |
| 9 | 8,41 | 95 | 0,532 | 18 | 93,9 |
| 10 | 7,34 | 102 | 0,508 | 22 | 94,0 |
| 11 | 6,28 | 75 | 0,509 | 22 | 92,4 |
Пример применения 3
Приготовление волокнистой суспензии, испытание DDA и определение количества растворимого крахмала осуществляли так же, как в предыдущем примере, однако, целлюлозно-макулатурный картон, поступивший из восточной Европы, содержал 16% зольного остатка и около 5% крахмала.
Химикаты:
PAC 1: Полиалюминий хлорид, 7,5% Al, основность 40%.
PAC 3: Полиалюминий хлорид, 5,2% Al, основность 70%.
Оксид кремния: структурированный коллоидный оксид кремния, величина S: 34, площадь поверхности 750, pH: 10,6, водный раствор, разбавленный до 0,5%.
Пример 2: амфотерный РAM, описанный в предыдущем примере, растворенный до 0,5% и дополнительно разбавленный до 0,05%.
Результаты испытания
В ходе испытаний сравнили коагулянты РАС (таблицы 8-9) и разное соотношение компонентов. И для РАС 1, и для РАС 3 получены хорошие результаты. Наилучшие результаты получены в эксперименте 8 с наибольшим содержанием компонентов. Эксперимент 2 показал, что количество РАС (0,375 кг/т в пересчете на Al) было слишком мало для достижения достаточного результата. Желательно поддерживать определенное соотношение компонентов системы с разными зарядами. В экспериментах 5-6 получены результаты, подобные экспериментам 3-4, что указывает на то, что вводимое количество Al является критически важным, и что диапазон основности 40-70% достаточен для данного варианта применения.
Таблица 8. Программа испытания, время дозирования и количество компонентов
| Время, с | -600 | -600 | -15 | -10 |
| Эксп. | PAC 1, кг/т как продукт | PAC 3, кг/т как продукт | Оксид кремния, кг/т | Пример 2, кг/т |
| 1 | 0 | |||
| 2 | 5 | 0,38 | 0,5 | |
| 3 | 10 | 0,38 | 0,5 | |
| 4 | 20 | 0,38 | 0,5 | |
| 5 | 7,5 | 0,38 | 0,5 | |
| 6 | 15 | 0,38 | 0,5 | |
| 7 | 20 | 0,38 | 1 | |
| 8 | 20 | 0,75 | 1 | |
| 9 | 10 | 0,75 | 0,5 | |
| 10 | 10 | 0,75 | 1 |
Таблица 9. Результаты испытания
| Эксперимент | Время дренирования, с | Удерживание, % | Мутность, NTU | Крахмал в фильтрате, частей на миллион |
| 1 | 11,6 | 96,5 | 721 | 298 |
| 2 | 8,7 | 98,9 | 157 | 283 |
| 3 | 7,6 | 100,0 | 115 | 249 |
| 4 | 7,5 | 99,7 | 113 | 224 |
| 5 | 7,5 | 99,0 | 105 | 252 |
| 6 | 7,1 | 99,3 | 105 | 228 |
| 7 | 6,0 | 99,0 | 76 | 227 |
| 8 | 5,3 | 98,8 | 94 | 209 |
| 9 | 7,3 | 99,4 | 122 | 241 |
| 10 | 6,0 | 98,8 | 120 | 239 |
Пример применения 4
Приготовление волокнистой суспензии, испытание DDA и определение количества растворимого крахмала осуществляли так же, как в предыдущем примере, однако, целлюлозно-макулатурный картон, поступивший из восточной Европы, измельчали в чистом фильтрате и добавляли 250 мл оборотной воды к 250 мл волокнистой суспензии со степенью густоты 1% в момент времени -30 с в ходе испытания DDA. Свойства воды представлены в таблице 10.
Таблица 10. Свойства воды для производства бумажной массы
| Чистый фильтрат | Оборотная вода | |
| pH | 6,8 | 6,7 |
| Мутность, NTU | 158 | 73,6 |
| Электропроводность, мСм/см | 1,79 | 2,23 |
| Заряд, мэкв/л | -21,4 | -22,76 |
| Степень густоты, г/л | 0,34 | 2,76 |
| Зольный остаток, % | 50,26 | 49,35 |
| Ca, мг/л | 460 | - |
| Взвешенные твердые частицы, г/л | 4,11 | - |
Химикаты:
PAC 3: Полиалюминий хлорид, 5,2% Al, основность 70%.
Пример 1: амфотерный РAM, описанный в предыдущем примере, растворенный до 0,5% и дополнительно разбавленный до 0,05%.
CPAM2: FennoPol K3500 Р, сухой катионный полиакриламид для удерживания со средним молекулярным весом производства Kemira.
Бентонит: Altonite SF производства Kemira, удерживающий бентонит.
Результаты испытания
Полученные результаты (таблицы 11-12) показывают, что благодаря системе настоящего изобретения (эксперименты 5-7) такие параметры, как время дренирования, содержание твердой фазы после формования и содержание твердой фазы после обезвоживания под прессом, могут быть улучшены одновременно по сравнению с системой без амфотерного полимера. В экспериментах 6-7, где содержание амфотерного полимера составляло 0,5-0,7 кг/т, была достигнута приемлемая мутность фильтрата. Амфотерный полимер также функционирует отдельно (эксперименты 2-3), но существенное улучшение времени дренирования и удерживания крахмала достигается только при использовании всех трех компонентов.
Таблица 11. Программа испытания, время дозирования и количество компонентов
| Время, с | -600 | -40 | -15 | -10 |
| Эксп. | PAC 3, кг/т как продукт | Пример 1, кг/т | CPAM2, кг/т | Бентонит, кг/т |
| 1 | 0 | |||
| 2 | 0,3 | |||
| 3 | 0,5 | |||
| 4 | 8 | 0,12 | 2 | |
| 5 | 8 | 0,3 | 0,12 | 2 |
| 6 | 8 | 0,5 | 0,12 | 2 |
| 7 | 8 | 0,7 | 0,12 | 2 |
Таблица 12. Результаты испытания
| Эксперимент | Время дренирования, с | Мутность фильтрата, NTU | Поглощение крахмала | Удерживание крахмала, % | Содержание твердой фазы после прессования, % | Содержание твердой фазы после формования, % | Удерживание, % |
| 1 | 9,44 | 1870 | 46,8 | 22,7 | 93,8 | ||
| 2 | 8,16 | 998 | 1,17 | 2,5 | 49,5 | 25,4 | 99,6 |
| 3 | 7,55 | 751 | 1,07 | 11,3 | 50,2 | 25,2 | 97,8 |
| 4 | 9,12 | 1165 | 0,97 | 20,6 | 49,2 | 25,3 | 97,0 |
| 5 | 7,02 | 751 | 0,99 | 19,0 | 50,1 | 25,7 | 98,2 |
| 6 | 6,17 | 583 | 0,98 | 19,4 | 49,7 | 25,3 | 97,3 |
| 7 | 4,59 | 508 | 0,99 | 19,1 | 50,9 | 25,3 | 96,2 |
Хотя изобретение было описано со ссылкой на варианты его осуществления, которые на настоящий момент представляются наиболее практичными и предпочтительными, принимается во внимание, что изобретение не ограничивается описанными выше вариантами осуществления, напротив, подразумевается, что изобретение также охватывается различные модификации и технические решения, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения.
1. Химическая система для дренирования и обезвоживания под прессом при производстве бумаги, картона, включающая:
(а) амфотерный полиакриламид, представляющий собой сополимер, получаемый путем полимеризации (мет)акриламида и 1-80% мол. катионных мономеров и 0,1-70% мол. анионных мономеров, при этом полиакриламид характеризуется истинной вязкостью, лежащей в диапазоне 6-38 дл/г, определяемой в 1М NaCl при 25°С,
(b) неорганические микрочастицы кремнийсодержащего материала, такого как коллоидный оксид кремния или бентонит, и
(с) катионный коагулянт с большим зарядом, при этом плотность заряда превышает 5 мэкв/г, предпочтительно превышает 6 мэкв/г, при определении при рН 6, выбранный из коагулянтов на основе алюминия, органических полимеров и их смесей.
2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что амфотерный полиакриламид характеризуется истинной вязкостью, лежащей в диапазоне, предпочтительно, 6-20 дл/г, более предпочтительно 7-15 дл/г, определяемой в 1М NaCl при 25°С.
3. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что амфотерный полиакриламид имеет суммарный катионный заряд, определяемый при помощи Mütek PCD при рН 2,7.
4. Система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что плотность катионного заряда амфотерного полиакриламида лежит в диапазоне 0,2-4 мэкв/к, предпочтительно 0,35-3 мэкв/к, более предпочтительно 0,5-2 мэкв/к, еще более предпочтительно 0,6-1,6 мэкв/к, при определении при помощи Mütek PCD при рН 2,7.
5. Система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что амфотерный полиакриламид представляет собой полимер, полученный путем полимеризации (мет)акриламида и 3-25% мол., предпочтительно 4-17% мол., более предпочтительно 5-12% мол., катионных мономеров и 0,1-24% мол., предпочтительно 0,1-15% мол., более предпочтительно 0,5-9% мол., анионных мономеров.
6. Система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что амфотерный полиакриламид получен путем гель-полимеризации, при которой содержание неводного растворителя меньше 10% вес., предпочтительно меньше 5% вес., более предпочтительно меньше 3% вес.
7. Система по п. 6, отличающаяся тем, что содержание полимера в амфотерном полиакриламиде составляет по меньшей мере 60% вес., предпочтительно лежит в диапазоне 70-98% вес., более предпочтительно 75-95% вес., еще более предпочтительно 80-95% вес. и еще более предпочтительно 85-93% вес.
8. Система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что амфотерный полиакриламид включает менее 0,01% мол., предпочтительно менее 0,005% мол., более предпочтительно менее 0,001% мол., разветвляющего агента или сшивающего агента.
9. Система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что катионный коагулянт с большим зарядом представляет собой:
- коагулянт на основе алюминия, который выбран из группы, состоящей из сульфата алюминия, хлорида алюминия, хлорида полиалюминия (PAC), силиката полиалюминия, сульфата полиалюминия (PAS), силикасульфата полиалюминия, алюмината натрия, алюминиевых квасцов и любых их смесей, и/или
- органический полимер, который выбран из группы, состоящей из полиэтиленимина, полиамина, полидиаллилдиметиламмоний хлорида (полиDADMAC), поли[3-(акрилоиламино)пропил]триметиламмоний хлорида (полиAPTAC), поли[3-(метакрилоиламино)пропил]триметиламмоний хлорида (полиMAPTAC), поли[2- (акрилоилокси)этил]триметиламмоний хлорида (поли-ADAM-Cl) и любых их смесей.
10. Система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что система дополнительно включает катионный крахмал и/или катионный полиакриламид.
11. Использование системы по любому из предшествующих пунктов при производстве крафт-бумаги, облицовочного картона, многослойного макулатурного картона, бумаги для гофрирования, мешочной бумаги, белого оклеенного макулатурного картона, картона для изготовления гильз или картона для складных коробок.
12. Способ производства бумаги, картона, включающий стадии, на которых:
- получают волокнистое сырье, содержащее волокна, источником которых является вторичный волокнистый материал, небеленая крафт-целлюлоза и/или небеленая полуцеллюлоза, при этом волокнистое сырье характеризуется электропроводностью по меньшей мере 1 мСм/см,
- добавляют в волокнистое сырье водный раствор водорастворимого амфотерного полиакриламида, который является сополимером, получаемым путем полимеризации (мет)акриламида и 1-80% мол. катионных мономеров и 0,1-70% мол. анионных мономеров, при этом полиакриламид характеризуется истинной вязкостью, лежащей в диапазоне 6-38 дл/г, определяемой в 1М NaCl при 25°С,
- добавляют в волокнистое сырье неорганические микрочастицы кремнийсодержащего материала, такого как коллоидный оксид кремния или бентонит,
- добавляют в волокнистое сырье или в водный поток, подлежащий соединению с волокнистым сырьем, катионный коагулянт с большим зарядом, при этом плотность заряда превышает 5 мэкв/г, предпочтительно превышает 6 мэкв/г, при определении при рН 6, выбранный из коагулянтов на основе алюминия, органических полимеров и их смесей, и
- придают волокнистому сырью форму волокнистого полотна.
13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что амфотерный полиакриламид добавляют в количестве 100-1000 г/т сухого волокнистого сырья, предпочтительно 200-900 г/т сухого волокнистого сырья, более предпочтительно 300-700 г/т сухого волокнистого сырья.
14. Способ по п. 12 или 13, отличающийся тем, что амфотерный полиакриламид добавляют в разжиженное сырье со степенью густоты 5-20 г/л с целью улучшения дренирования или в густое сырье со степенью густоты более 20 г/л с целью улучшения прочностных свойств бумаги.
15. Способ по любому из пп. 12-14, отличающийся тем, что амфотерный полиакриламид добавляют после последней стадии приложения сдвигового усилия до напорного ящика бумагоделательной или картоноделательной машины.
16. Способ по любому из пп. 12-15, отличающийся тем, что неорганические микрочастицы коллоидного оксида кремния добавляют в количестве 100-600 г/т сухого волокнистого сырья, либо неорганические микрочастицы бентонита добавляют в количестве 1-4 кг/т сухого волокнистого сырья.
17. Способ по любому из пп. 12-16, отличающийся тем, что неорганические микрочастицы добавляют в разжиженное сырье со степенью густоты 5-20 г/л.
18. Способ по любому из пп. 12-17, отличающийся тем, что амфотерный полиакриламид, неорганические микрочастицы и катионный коагулянт с большим зарядом добавляют отдельно друг от друга.
19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что амфотерный полиакриламид добавляют после добавления микрочастиц и катионного коагулянта с большим зарядом.
20. Способ по любому из пп. 12-19, отличающийся тем, что коагулянт представляет собой коагулянт на основе алюминия, который добавляют в количестве 100-700 г/т сухого волокнистого сырья в пересчете на Al3+, или коагулянт представляет собой органический полимер, который добавляют в количестве 50-1000 г/т сухой массы, предпочтительно 100-500 г/т сухой массы.
21. Способ по любому из пп. 12-20, отличающийся тем, что волокнистое сырье содержит по меньшей мере 20% вес., предпочтительно по меньшей мере 50% вес., более предпочтительно по меньшей мере 80% вес., волокон, полученных из вторичного волокнистого материала.
22. Способ по любому из пп. 12-21, отличающийся тем, что волокнистое сырье характеризуется электропроводностью по меньшей мере 2 мСм/см, более предпочтительно по меньшей мере 3 мСм/см, еще более предпочтительно лежащей в диапазоне 3,5-10 мСм/см.
23. Способ по любому из пп. 12-22, отличающийся тем, что волокнистое сырье характеризуется содержанием крахмала по меньшей мере 1% вес., предпочтительно по меньшей мере 3% вес., более предпочтительно по меньшей мере 4% вес., относительно общего содержания сухой твердой фазы.
24. Способ по любому из пп. 12-23, отличающийся тем, что волокнистое сырье содержит зольный остаток в количестве по меньшей мере 10% вес., предпочтительно по меньшей мере 14% вес., более предпочтительно по меньшей мере 16% вес., относительно общего содержания сухой твердой фазы.
