способ производства бумаги (варианты) и бумажный продукт, изготовленный этим способом

Формула изобретения

1. Способ производства бумаги, включающий в себя следующие операции:

а) использование крахмального компонента, который содержит катионизированный сшитый крахмал, имеющий вязкость горячей пасты в диапазоне ориентировочно от 10 до 3000 сП при измерении на вискозиметре Брукфильда при температуре около 95°С с использованием шпинделя № 21 при 20 об/мин, при содержании сухих веществ 2%;

б) варка первой порции крахмального компонента для получения сваренного крахмального компонента, причем указанная варка предусматривает варку крахмального компонента при первой температуре варки ниже 330°F (170°C) в течение первого периода времени;

в) обезвоживание композиции бумаги, причем композиция бумаги содержит

(i) целлюлозные волокна в водной суспензии,

(ii) микрочастицы, которые содержат, по меньшей мере, 50 вес.% частиц, имеющих средний размер частиц не более 1 мкм, и

(iii) сваренный крахмальный компонент; и

г) регулировка скорости обезвоживания за счет варки второй порции крахмального компонента при второй средней температуре варки, которая отличается, по меньшей мере, на 10°F от первой средней температуры варки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вторая средняя температура варки составляет от 200 до 250°F (от 90 до 120°С).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вторая средняя температура варки составляет менее 230°F (110°C).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что микрочастицы выбирают из группы, в которую входят кремнезем, глина, а также их комбинации.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно предусматривает определение удержания частиц и изменение температуры для регулировки удержания частиц.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что крахмальный компонент варят в струйном варочном котле.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что катионизированный сшитый крахмал содержит крахмал зубовидной кукурузы.

8. Способ по п.6, в котором крахмал варят в струйном варочном котле под давлением менее 150 фунтов на квадратный дюйм (10,5 кг/см²).

9. Способ по п.1, в котором крахмал вводят в струйный варочный котел при содержании сухих веществ от 1 до 10%.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что первая средняя температура варки составляет от 180 до 330°F (от 80 до 170°С).

11. Бумажный продукт, изготовленный способом по п.1.

12. Способ производства бумаги, включающий в себя следующие операции:

а) использование крахмального компонента, который содержит катионизированный сшитый крахмал, имеющий вязкость горячей пасты в диапазоне ориентировочно от 10 до 3000 сП при измерении на вискозиметре Брукфильда при температуре около 95°С с использованием шпинделя № 21 при 20 об/мин, при содержании сухих веществ 2%;

б) варка первой порции крахмального компонента для получения сваренного крахмального компонента, причем указанная варка предусматривает варку крахмального компонента при первой температуре варки ниже 330°F (170°C) в течение первого периода времени;

в) обезвоживание композиции бумаги, причем композиция бумаги содержит:

(i) целлюлозные волокна в водной суспензии,

(ii) микрочастицы, которые содержат по меньшей мере 50 вес.% частиц, имеющих средний размер частиц не более 1 мкм, и

(iii) сваренный крахмальный компонент; и

г) регулировка удержания первого прохода в ходе обезвоживания за счет варки второй порции крахмального компонента при второй средней температуре варки, которая отличается, по меньшей мере, на 10°F от первой средней температуры варки.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что вторая средняя температура варки составляет 200 до 250°F (от 90 до 120°С).

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что вторая средняя температура варки составляет менее 230°F (110°С).

15. Способ по п.12, отличающийся тем, что микрочастицы выбирают из группы, в которую входят кремнезем, глина, а также их комбинации.

16. Способ по п.12, отличающийся тем, что дополнительно предусматривает определение удержания частиц и изменение температуры для регулировки удержания частиц.

17. Способ по п.12, отличающийся тем, что крахмальный компонент варят в струйном варочном котле.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что крахмал варят в струйном варочном котле под давлением менее 150 фунтов на квадратный дюйм (10,5 кг/см²).

19. Способ по п.17, отличающийся тем, что крахмал вводят в струйный варочный котел при содержании сухих веществ от 1 до 3%.

20. Способ по п.12, отличающийся тем, что первая средняя температура варки составляет от 180 до 330°F (от 80 до 170°С).

21. Бумажный продукт, изготовленный способом по п.12.

Описание изобретения к патенту

Область применения изобретения

Настоящее изобретение относится к созданию улучшенных крахмальных композиций и способов использования улучшенных крахмальных композиций. В частности, настоящее изобретение направлено на создание крахмальных композиций, предназначенных для использования в процессах изготовления бумаги, а также на создание способов подготовки, обработки и использования крахмальных композиций в ходе производства бумажных продуктов.

Предпосылки к созданию изобретения

Различные бумажные продукты изготавливают из волокон, причем эти продукты часто изготавливают из водной суспензии, которая содержит модифицированные целлюлозные волокна, полученные из различных растений. Такую суспензию получают на мокром конце бумагоделательной машины, где из бумажного волокна образуют разбавленную водную суспензию и добавляют в нее различные материалы, ранее распределения на ленте бумагоделательной машины. Воду затем контролируемым образом удаляют из суспензии, для того, чтобы получить бумажное полотно, которое прессуют и сушат для создания готового бумажного продукта.

Различные добавки могут быть введены в суспензию для улучшения процесса изготовления бумаги и для улучшения эстетических и функциональных свойств готовой бумаги. Эти добавки могут содержать крахмальные композиции, которые вводят на мокром конце процесса изготовления бумаги, для улучшения осушения и удерживающей способности, повышения прочности и улучшения свойств формирования бумаги. Крахмальные композиции могут повышать время впитывания печатной краски, снижать боковое уширение (растекание) печатной краски, а также улучшать формирование изображений и контраст. Крахмальные композиции могут также повышать целостность поверхности бумаги, в результате чего снижается выщипывание при таком использовании, как печать и фотокопирование.

Другими ингредиентами, которые могут быть введены в бумагу, являются микрочастицы, в том числе частицы специальных глин и кремнезема, а также другие функциональные мелкие частицы, причем эти микрочастицы часто добавляют на мокром конце бумагоделательной машины. В зависимости от типа получаемой бумаги и от характеристик суспензии, могут быть введены различные микрочастицы. Одной из проблем, связанных с использованием микрочастиц в ходе процесса изготовления бумаги, является то, что не все микрочастицы удерживаются на бумажном полотне при формировании бумаги. Те микрочастицы, которые не удерживаются на полотне, часто уходят в отходы, что приводит к повышению стоимости производства бумаги. Поэтому желательно повысить удержание частиц.

Осушение или обезвоживание является другой важной характеристикой при производстве бумаги, так как она определяет быстроту, с которой бумагоделательная машина может удалять воду из полотна. Обычно улучшенное обезвоживание соответствует более высоким скоростям бумагоделательной машины и более высокому выходу бумаги, то есть приводит к повышению производительности. Изготовители бумаги обычно стремятся удержать все волокна и частицы на полотне при самой высокой экономически возможной скорости, без ухудшения качества продукта. Однако изготовители бумаги, в попытках поддержания качества бумаги, часто сталкиваются с ограничениями, связанными с осушением, поэтому желательно иметь высокие характеристики осушения, для того, чтобы можно было выпускать бумагу хорошего качества с высокими скоростями.

Несмотря на то, что изготовители бумаги и поставщики ингредиентов бумаги понимают, что желательны высокие характеристики удержания частиц и осушения, существенную проблему в гарантированном получении бумаги высокого качества создает то, что системы изготовления бумаги являются различными и могут иметь существенные отклонения. Эти отклонения могут быть как результатом изменений ингредиентов в композиции бумаги, так и допусков оборудования для изготовления бумаги. Эти отклонения затрудняют получение бумаги высокого качества с высокой скоростью из-за изменений характеристик удержания частиц и осушения.

В настоящее время большинство ингредиентов, которые добавляют в суспензию для изготовления бумаги, оптимизированы для использования при специфических условиях. Это справедливо, например, для крахмальных композиций, которые добавляют на мокром конце процесса изготовления бумаги. К сожалению, условия работы оборудования для изготовления бумаги с течением времени изменяются в результате изменения ингредиентов (суспензии) и параметров системы (изготовления бумаги). В связи с этим возникает необходимость обеспечения удовлетворительного осушения и удержания частиц в диапазоне различных условий процесса изготовления бумаги.

Краткое изложение изобретения

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию крахмалов, например, катионоактивных сшитых крахмалов, и к использованию указанных крахмалов при производстве бумаги. Более конкретно, настоящее изобретение направлено на создание крахмала и на его использование на мокром конце бумагоделательной машины. Настоящее изобретение предназначено, в частности, для задания свойств крахмала на мокром конце специфических систем и позволяет производить модифицирование свойств крахмала в соответствии с вариациями на мокром конце бумагоделательной машины.

Крахмал может быть также модифицирован в ходе производства за счет регулировки функциональных свойств крахмала в процессе изготовления бумаги. За счет избирательного изменения уровня сшивания крахмала можно изменять характеристики осушения и удержания частиц композиции бумаги, содержащей крахмал, что позволяет специально задавать свойства крахмала для обеспечения улучшенных эксплуатационных параметров, в зависимости от характеристик композиции бумаги, в которой он будет использован.

Свойства крахмала могут быть дополнительно заданы непосредственно перед его использованием на мокром конце бумагоделательной машины, для того, чтобы приспособить крахмал к специфическим условиям, существующим в бумагоделательной машине, за счет чего можно улучшить осушение и удержание частиц. Такую настройку производят, например, путем изменения температуры, при которой крахмальная композиция сварена, ранее ее добавки на мокром конце, а также путем изменения периода времени варки крахмала, изменения давления, под которым производят варку крахмала, и/или путем изменения содержания сухих веществ в крахмале до проведения варки. За счет изменения этих параметров, индивидуально или в совокупности, свойства крахмала могут быть изменены и приведены в соответствие со специфическими условиями различных процессов изготовления бумаги. Например, за счет варки при более высоких или более низких температурах, свойства крахмала могут быть изменены таким образом, чтобы улучшить эксплуатационные параметры на мокром конце.

В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, предлагается способ изготовления бумаги, который предусматривает использование композиции бумаги, содержащей целлюлозные волокна в водной суспензии, к которой добавляют крахмальную композицию. Крахмальная композиция обычно представляет собой сшитый катионоактивный крахмал. Крахмал сварен ранее его введения в композицию бумаги, при температуре варки ниже 330°F, а преимущественно от 180 до 250°F, а еще лучше, при температуре ниже 220°F или 230°F. Эти температуры варки представляют собой средние температуры варки, которые соответствуют средним температурам, полученным за счет усреднения двух или нескольких температур, измеренных в ходе варки.

Микрочастицы, в том числе наночастицы, вводят в композицию бумаги для повышения эксплуатационных параметров машины, таких как осушение и удержание частиц, причем указанные микрочастицы имеют средний диаметр менее 1.0 мкм, а преимущественно менее 0.1 мкм. Подходящими микрочастицами являются, например, частицы различных кремнеземов и глин.

Катионоактивный сшитый крахмал в соответствии с настоящим изобретением вводят в качестве добавки на мокром конце в композицию бумаги, которая имеет рН на мокром конце ориентировочно от 4.0 до 9.0. Общий процесс производства бумаги, в том числе и термин "на мокром конце", описан в книге Pulp & Paper Manufacture, Vol. III. Papermaking and Paperboard Making, R. G. McDonald, editor, J.N.Franklin, tech. editor, McGraw Hill Book Co., 1970.

В специфическом варианте осуществления настоящего изобретения, крахмал и способы его приготовления используют для улучшения обезвоживания композиций бумаги. Так как обезвоживание композиции бумаги происходит в ходе процесса изготовления бумаги, то производят оценку скорости обезвоживания. Если скорость обезвоживания недостаточна, то изменяют температуру варки крахмала, для того, чтобы изменить свойства обезвоживания. Изменение температуры варки должно быть достаточным для изменения обезвоживания или удержания при первом проходе композиции бумаги. Обычно изменение температуры превышает 1°F, a преимущественно составляет по меньшей мере 5°F. В специфических вариантах осуществления настоящего изобретения изменение температуры составляет от 5 до 10°F, а в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения изменение температуры составляет по меньшей мере около 10°F. Температуру повышают в некоторых вариантах и снижают в других вариантах, в зависимости от характеристик обезвоживания или осушения, ранее изменения температур варки.

Иногда необходимо определять надлежащее изменение температуры за счет повторяющихся изменений температуры, с последующей оценкой свойств бумаги. Такие повторяющиеся изменения температуры позволяют произвести ступенчатую оценку и регулировку свойств композиции бумаги. Например, в том случае, когда свойства обезвоживания являются неудовлетворительными или имеют тенденцию к ухудшению, температура первоначально может быть понижена на заданное значение (например, на 5°F). Если такое понижение температуры приводит к улучшению обезвоживания, то тогда температуру можно поддерживать на этом новом уровне. Альтернативно, температура может быть дополнительно понижена для еще большего улучшения обезвоживания. Если такое понижение температуры приводит к улучшению свойств обезвоживания, то тогда температуру можно поддерживать на этом новом уровне (или дополнительно понизить для еще большего улучшения обезвоживания). Однако если понижение температуры не приводит к улучшению свойств обезвоживания, то температура может быть вновь повышена до прежнего уровня. Альтернативно, температура может быть частично повышена до более высокого уровня.

Если первоначальное понижение температуры не приводит к улучшению свойств обезвоживания, то температуру обычно повышают относительно исходной температуры, чтобы добиться улучшения свойств обезвоживания. Если свойства обезвоживания не улучшаются, то тогда температура должна быть возвращена к исходной температуре или возвращена к промежуточной температуре, в диапазоне от исходной температуры до повышенной температуры. Если свойства обезвоживания улучшаются, то тогда температуру можно поддерживать на повышенном уровне, или вновь повысить до более высокой температуры.

Указанным и другим аналогичным образом используют температуру, при которой сварен крахмал, для изменения свойств полученного крахмала, в результате чего можно задавать эти свойства в зависимости от параметров на мокром конце бумагоделательной машины. В дополнение к регулировке свойств удержания и осушения за счет регулировки температуры варки крахмала, регулировка этих свойств может быть произведена за счет изменения давления в ходе варки крахмала и за счет изменения содержания сухих веществ в крахмале до его варки. Например, варку крахмала обычно осуществляют в струйном варочном котле под давлением менее 100 фунтов на квадратный дюйм; причем крахмал обычно вводят в струйный варочный котел при содержании сухих веществ менее 10 %. За счет изменения давления или содержания сухих веществ, можно изменять свойства крахмальной композиции в соответствии со специфическими свойствами композиции бумаги на мокром конце, в которую вводят крахмальную композицию.

Изменение температуры, давления и содержания сухих веществ может быть проведено не только индивидуально для улучшения эксплуатационных параметров на мокром конце, но и совместно, для того, чтобы изменить свойства крахмала. Например, могут быть изменены все три указанных параметра, а также могут быть изменены два параметра, например, температура и давление; температура и содержание сухих веществ; или давление и содержание сухих веществ. К тому же, кроме улучшения осушения и удержания, могут быть получены и другие улучшения свойств на мокром конце, такие как, например, улучшения линейной скорости, которые часто наблюдаются одновременно с улучшениями осушения и удержания.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения предлагается способ регулировки в ходе процесса изготовления бумаги. Этот способ предусматривает регулирование температуры варки крахмальной композиции, для того, чтобы получить улучшение свойств осушения или удержания композиции бумаги. Указанный способ предусматривает использование композиции бумаги, которая содержит целлюлозные волокна и микрочастицы в водной суспензии, и использование крахмальной композиции, состав которой выбран для введения в композицию бумаги. Порция крахмальной композиции сварена при начальной температуре и затем введена в композицию бумаги. Композиция бумаги затем обезвожена для формирования полотна целлюлозных волокон. Производят оценку скорости обезвоживания или удержания частиц водной суспензии, и если обезвоживание протекает с неудовлетворительной скоростью, то тогда изменяют температуру, при которой крахмальная композиция сварена, на другую температуру, для того, чтобы изменить скорость обезвоживания водной суспензии.

Приведенное краткое изложение изобретения не предназначено для описания всех его вариантов. Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан график распределения частиц по размерам для примерных крахмалов на мокром конце, один из которых является сшитым, а другой - не сшитым.

На фиг.2 показан график среднего размера частиц сшитого катионоактивного крахмала, сваренного при различных температурах струйной варки.

На фиг.3 показан график распределения частиц по размерам для примерных добавок на мокром конце.

На фиг.4 показан график осушения сшитого катионоактивного крахмала и не сшитого катионоактивного крахмала, которые были сварены при различных температурах.

На фиг.5 показан график вязкости сшитого катионоактивного крахмала и не сшитого катионоактивного крахмала, которые были сварены при различных температурах.

На фиг.6 показан 6 график среднего размера частиц сшитого катионоактивного крахмала и не сшитого катионоактивного крахмала, которые были сварены при различных температурах.

Несмотря на то, что в качестве примера детально описан предпочтительный специфический вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию крахмалов, в том числе катионоактивных сшитых крахмалов, и к использованию указанных крахмалов при изготовлении бумаги. Более конкретно, настоящее изобретение направлено на создание катионизированного сшитого крахмала и на использование такого крахмала на мокром конце бумагоделательной машины. Крахмал адаптирован к изменению условий на мокром конце и позволяет производить модифицирование (свойств крахмала) в соответствии с вариациями на мокром конце бумагоделательной машины.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, катионоактивный крахмал, который был сшит после катионизирования, добавляют в бумажную массу или в композицию бумаги в ходе изготовления бумаги. Крахмал сварен ранее введения на мокром конце бумагоделательной машины, причем параметры варки были заданы таким образом, чтобы улучшить свойства композиции бумаги на мокром конце, такие как удержание частиц и осушение композиции бумаги. Указанным образом задают свойства крахмала, так чтобы они соответствовали специфическим условиям на мокром конце бумагоделательной машины.

В приведенном далее подробном описании изобретения указаны специфические крахмальные композиции, способы задания (подгонки, регулировки) свойств крахмальных композиций в соответствии с условиями процесса изготовления бумаги, а также описаны улучшения эксплуатационных параметров процесса изготовления бумаги, в том числе улучшения осушения и улучшения удержания при первом проходе и удержания микрочастиц.

А. Модифицируемые крахмальные композиции

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предлагаются крахмальные композиции, которые пригодны для использования на мокром конце бумагоделательной машины. Крахмальные композиции в соответствии с настоящим изобретением обладают такими свойствами, которые позволяют их модифицировать в процессе варки, для того, чтобы улучшить эксплуатационные параметры в ходе процесса изготовления бумаги.

Крахмал может быть получен из кукурузы (такой как кукуруза восковой спелости или кукуруза зубовидная), картофеля, сорго, тапиоки, пшеницы, риса и т.п. Обычно используют кукурузный крахмал, преимущественно крахмал кукурузы зубовидной, а еще лучше, катионизированный крахмал кукурузы зубовидной. Крахмал должен иметь гидроксильные группы или другие функциональные группы, которые позволяют производить сшивание. Ниже описаны дополнительные свойства, связанные с уровнями сшивания, с вязкостью, с уровнями замещения и размером частиц.

Крахмал обычно бывает сшит при помощи сшивателя, который является химически активным по отношению к гидроксильным группам крахмала. Сшитый крахмал позволяет иметь больший диапазон размеров частиц по сравнению с не сшитым крахмалом. Этот больший диапазон размеров частиц создает расширенные возможности улучшения эксплуатационных параметров на мокром конце. Не ограничивая себя какой-либо теорией, можно все же полагать, что улучшение эксплуатационных параметров получают в том случае, когда размер частицы крахмала тесно коррелирует с размерами других частиц в композиции бумаги. Несмотря на то, что частицы крахмала могут быть меньшими, чем волокна бумаги, и более крупными, чем добавки микрочастиц, можно полагать, что существует взаимосвязь между размерами различных частиц (волокно, крахмал и микрочастица).

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показаны профили размера частиц не сшитого катионоактивного крахмала кукурузы зубовидной и сшитого катионоактивного крахмала кукурузы зубовидной. Можно видеть, что не сшитый катионоактивный крахмал кукурузы зубовидной имеет более узкое распределение частиц по размерам, в то время как сшитый катионоактивный крахмал имеет широкое распределение частиц по размерам. Можно полагать, что более широкое распределение частиц по размерам обеспечивает большую вероятность столкновения (взаимодействия) друг с другом частиц в композиции бумаги на мокром конце и частиц в крахмале, что приводит к улучшению удержания микрочастиц.

В состав крахмала входит сшиватель, в качестве которого может быть выбрано многофункциональное органическое или неорганическое соединение, причем функциональные группы в сшивателе, такие как эпоксидные или ангидридные, являются химически активными по отношению к гидроксильным группам в крахмале. Крахмал может быть сшит полиэпоксидными соединениями, такими как полиаминполиэпоксидная смола, оксихлорид фосфора, 1,4 бутандиол диглицидил эфир, диангидриды, ацетаты и полифункциональные силаны. В качестве сшивателя может быть использован также триметафосфат натрия. Указанные и другие сшиватели и способы сшивания описаны в патентах США № 3790829; 3391018; 3361590 и 5122231.

Вязкость крахмала

Обычно уровень сшивания существенно влияет на вязкость крахмала. Таким образом, изменение вязкости может быть задано частично за счет изменения уровня сшивания. Объем сшивания является функцией времени и вида сшивателя, а также условий реакции, причем все эти параметры выбирают для обеспечения вязкости в заданном диапазоне.

Катионоактивный сшитый крахмал обычно является сшитым до вязкости горячей пасты в диапазоне ориентировочно от 10 сантипуаз до 3000 сантипуаз, обычно ориентировочно от 50 сантипуаз до 3000 сантипуаз, а преимущественно ориентировочно от 200 сантипуаз до 3000 сантипуаз, при измерении на вискозиметре Брукфильда, при содержании в крахмале 2.0% сухих веществ при 95°С, при 20 об/мин, с использованием шпинделя номер 21, в соответствии с методикой, описанной в патенте США № 5122231.

Альтернативно, вязкость крахмала может быть измерена с использованием вязкости разрушения в соответствии с методикой, описанной в патенте США № 5368690, несмотря на то, что эта методика является менее точной при измерениях крахмалов высокой вязкости. Вязкость разрушения обычно составляет более 85%, а преимущественно более 90%. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения вязкость превышает 95%.

Уровни замещения крахмала

Подходящие крахмальные композиции преимущественно представляют собой катионоактивные крахмалы, которые сохраняют положительный заряд при растворении в воде. Такой крахмал преимущественно содержит четвертичный ион аммония, который обеспечивает повышенную трансформируемость по рН. Часто такой содержащий четвертичный ион аммония крахмал получают за счет эфиризации гидроксильных групп при помощи соответствующего агента эфиризации. В качестве имеющего катионоактивную характеристику агента эфиризации используют, например, (3-хлоро-2-гидроксипропил) триметил хлорид аммония, четвертичную соль метил хлорида N-(2,3-эпоксипропил) диметиламина или N-(2,3-эпоксипропил) дибутиламина или N-(2,3-эпоксипропил) метиланилина.

Используемый здесь термин "степень замещения" (DS) может быть определен как среднее число гидроксильных групп в каждом блоке ангидроглюкозы, полученных при помощи замещающих групп. DS используют в качестве меры заряда катионизированного и сшитого крахмала, причем степень замещения связана со средним числом однозарядных катионов гидроксильных групп в каждом блоке ангидроглюкозы.

Определение степени замещения содержится в публикации STARCH: Chemistry and Technology, second edition, R. L. Whister, J.N.Bemiller, and E. F. Paschall, editors. Academic Press, Inc., 1984. Крахмал обычно является катионизированным до степени замещения (DS) более 0.005, но не более 0.100, а типично ориентировочно от 0.030 до 0.070. Крахмал преимущественно имеет DS в диапазоне от 0.030 до 0.040.

Крахмал может быть катионизирован при помощи любого известного способа, такого как проведение реакции в щелочной среде с третичными или четвертичными аминами, с последующей возможной нейтрализацией, промывкой и сушкой. Известные способы катионизации крахмала описаны в патентах США № 4146515 и 4840705. В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, кукурузный крахмал катионизируют при помощи реакции крахмала с (3-хлоро-2 гидроксипропил) триметил хлоридом аммония в щелочной среде, образованной гидроксидом натрия, в результате чего получают катионоактивный (2-гидроксипропил) триметил хлорид аммония крахмал эфир с молярной степенью замещения (DS) эфира в крахмале в диапазоне от 0.030 до 0.040.

Размер частиц крахмала

Крахмальные композиции в соответствии с настоящим изобретением являются предпочтительными в том смысле, что они позволяют производить модификацию размера частиц с учетом природы крахмальной композиции и характеристик варки, в том числе температуры, давления и содержания сухих веществ. Это позволяет изменять размеры частиц для того, чтобы обеспечить наиболее благоприятные свойства в композиции бумаги на мокром конце. Размер частиц крахмала может быть определен с использованием анализа распределения размера частиц, например, с использованием Ми теории рассеяния, которую используют в анализаторах гранулометрического состава, выпускаемых фирмой Horiba, Inc., в том числе и в анализаторе гранулометрического состава типа LA910. Ми теория рассеяния не обеспечивает прямое измерение диаметра, а дает по меньшей мере относительный размер частиц.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.2, на которой показан пример распределения частиц по размерам в крахмальной композиции, изготовленной в соответствии с настоящим изобретением. Распределение частиц по размерам сшитого крахмала существенно меняется в зависимости от температуры варки, которая в данном примере изменяется от 190 до 265°F. Максимальный размер частиц получают при низких температурах варки. За счет изменения температуры варки можно изменять средний размер частиц, что позволяет точно задавать размер частиц в соответствии со специфической композицией бумаги на мокром конце, в которую вводят крахмал.

В. Ингредиенты микрочастиц

В композицию бумаги также вводят микрочастицы, так как они содействуют осушению и могут работать в качестве флокулянта. Подходящими микрочастицами являются частицы кремнеземов и глин. Концентрация микрочастиц, вводимых в композицию бумаги на мокром конце в соответствии с настоящим изобретением, варьирует в зависимости от желательных свойств готового бумажного продукта, вместе с полученными уровнями удержания частиц. Микрочастицы обычно вводят при концентрации менее 5.0 фунтов на тонну волокна, а преимущественно менее 2.0 фунтов на тонну волокна.

Микрочастицы обычно имеют средний диаметр менее 1.0 мкм, а преимущественно менее 0.5 мкм. Средство осушения, такое как коллоидный кремнезем, часто имеет средний диаметр частиц около 0.1 мкм, причем наполнители обычно имеют средний диаметр частиц от 1 до 50 мкм, конгломераты латекса имеют средний диаметр частиц от 10 до 100 мкм, а волокно часто имеет средний размер 200 мкм или больше.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.3, на которой показано распределение частиц по размерам (гранулометрический состав) для типичных ингредиентов на мокром конце, в том числе для кремнезема, диоксида титана, выпавшего в осадок карбоната кальция (РСС) и белой воды. Можно видеть, что размер частиц варьирует в зависимости от типа частиц. Кремнезем имеет размер частиц около 0.10 мкм, диоксид титана имеет средний размер частиц ориентировочно 0.8 мкм в диапазоне от 0.5 до 1.0 мкм. РСС имеет размер частиц в диапазоне ориентировочно от 1.0 мкм до более 10 мкм. Белая вода имеет размер частиц в диапазоне от менее 1.0 мкм до более 10 мкм. В зависимости от количества добавленных микрочастиц можно задавать оптимальное осушение и удержание частиц в крахмальной композиции. Часто необходимо задавать размер частиц крахмала таким образом, чтобы он соответствовал различным размерам микрочастиц. Это приходится делать в том случае, когда размеры микрочастиц варьируют в ходе процесса изготовления бумаги, за счет сознательного изменения размера частиц или концентрации, или в результате непреднамеренных изменений в процессе изготовления композиции бумаги.

С. Условия приготовления крахмала

Настоящее изобретение позволяет производить варку крахмальных композиций таким образом, что свойства крахмала, в том числе размер частиц и распределение частиц по размерам, будут оптимизированы для соответствия свойствам (композиции бумаги) на мокром конце, в том числе для соответствия размерам частиц и распределению частиц по размерам на мокром конце. Не ограничивая себя какой-либо теорией, все же можно полагать, что вариация размера частиц крахмальных композиций коррелирует с изменениями характеристик осушения и удержания частиц. В том случае, когда размер частиц крахмала надлежащим образом коррелирует с размерами органических и неорганических частиц (например, волокна, латекса), добавляемых в крахмал, то композиция бумаги получает улучшенные свойства осушения и удержания частиц, а также другие благоприятные свойства. Широкое распределение частиц по размерам в крахмале может быть получено за счет соответствующего выбора режимов варки крахмала в варочном котле. Способность такого изменения размера частиц и распределения частиц по размерам, которое обеспечивает совпадение с характеристиками на мокром конце бумагоделательной машины, позволяет получить лучшие свойства удержания частиц и осушения.

D. Способы регулировки свойств крахмальной композиции

Изменение температуры варки

В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, свойства крахмала модифицируют за счет изменения температуры варки крахмала, а в частности, температуры, при которой производят струйную варку крахмала. В специфических вариантах используют усовершенствованные способы регулировки температуры варки крахмала, позволяющие улучшить характеристики обезвоживания композиции бумаги и/или удержания микрочастиц. Так как обезвоживание композиции бумаги происходит в ходе процесса изготовления бумаги, то производят оценку скорости обезвоживания. Если скорость обезвоживания является неудовлетворительной, то температуру варки крахмала изменяют для того, чтобы изменить свойства обезвоживания.

Изменение температуры варки должно быть достаточным для надлежащего изменения обезвоживания или удержания первого прохода композиции бумаги. Следовательно, изменения температуры должны быть достаточно большими для того, чтобы оказать воздействие на свойства композиции бумаги. Обычно температуру изменяют на величину более 1°F, а преимущественно более 5°F. В специфических вариантах температуру изменяют на величину от 5 до 10°F, а в некоторых вариантах изменение температуры составляет по меньшей мере около 10°F, причем температуру в некоторых вариантах повышают, а в других вариантах снижают, в зависимости от свойств обезвоживания или осушения до начала изменения температуры варки.

В специфическом варианте процесс изготовления бумаги включает в себя операции варки крахмального компонента, обезвоживания композиции бумаги, а затем регулировки скорости обезвоживания за счет изменения температуры варки крахмального компонента. Первая операция, а именно, варка крахмального компонента, предусматривает проведение варки при первой средней температуре варки ниже 330°F, в течение первого периода времени, катионизированного сшитого крахмала, который имеет вязкость горячей пасты в диапазоне ориентировочно от 50 сантипуаз до 3000 сантипуаз, измеренную на вискозиметре Брукфильда при содержании сухих веществ в крахмале 2.0% при температуре около 95°С, при 20 об/мин, с использованием шпинделя No.21. Композиция бумаги содержит целлюлозные волокна в водной суспензии, неорганические частицы, которые составляют по меньшей мере 50 вес.% частиц, имеющих средний размер частиц не более 1 мкм, и сваренный крахмальный компонент. Скорость обезвоживания задают за счет варки крахмальной композиции при второй температуре, которая отличается по меньшей мере на 10°F от первой средней температуры варки. В специфических вариантах вторая средняя температура варки составляет от 200 до 250°F, а в других вариантах вторая средняя температура варки составляет менее 230°F. Микрочастицами могут быть частицы кремнезема, глины, а также их комбинации.

Дополнительные операции могут включать в себя определение удержания частиц и изменение температуры для регулировки удержания частиц. Крахмальная композиция может быть сварена в струйном варочном котле, под давлением менее 150 фунтов на квадратный дюйм. В специфических вариантах крахмал вводят в струйный варочный котел при содержании сухих веществ от 1 до 10%.

По причине сложности свойств композиции бумаги, иногда необходимо определять надлежащее изменение температуры за счет итеративных (повторяющихся) изменений температуры с последующей оценкой свойств бумаги. Такие изменения температуры производят начиная от исходной (начальной) температуры варки, причем после каждого изменения определяют, произошло ли улучшение удержания частиц, осушения или качества бумажного продукта. Такие изменения направлены на оптимизацию свойств крахмала за счет изменения температуры варки до тех пор, пока не будет достигнут предпочтительный диапазон свойств.

Например, в том случае, когда свойства обезвоживания являются неудовлетворительными или имеют тенденцию к ухудшению, температура первоначально может быть понижена на заданное значение (например, на 5°F). Если такое понижение температуры приводит к улучшению обезвоживания, то тогда температуру можно поддерживать на этом новом уровне. Альтернативно, температура может быть дополнительно понижена для еще большего улучшения обезвоживания. Если такое понижение температуры приводит к улучшению свойств обезвоживания, то тогда температуру можно поддерживать на этом новом уровне (или дополнительно понизить для еще большего улучшения обезвоживания). Однако если понижение температуры не приводит к улучшению свойств обезвоживания, то температура может быть вновь повышена до прежнего уровня.

Альтернативно, температура может быть частично повышена до более высокого уровня. Если первоначальное понижение температуры не приводит к улучшению свойств обезвоживания, то температуру обычно повышают относительно исходной температуры, чтобы добиться улучшения свойств обезвоживания. Если свойства обезвоживания не улучшаются, то тогда температура должна быть возвращена к исходной температуре или возвращена к промежуточной температуре, в диапазоне от исходной температуры до повышенной температуры. Если свойства обезвоживания улучшаются, то тогда температуру можно поддерживать на повышенном уровне, или вновь повысить до более высокой температуры. Указанным образом используют температуру, при которой сварен крахмал, для изменения свойств полученного крахмала, в результате чего можно задавать эти свойства в зависимости от параметров на мокром конце бумагоделательной машины.

Изменение давлений варки

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, свойства крахмала модифицируют за счет изменения давлений, при которых производят варку крахмала, а в частности давлений, при которых производят струйную варку крахмала. Так как в ходе процесса изготовления бумаги происходит обезвоживание композиции бумаги, то производят оценку скоростей обезвоживания или удержания частиц. Если скорости обезвоживания или удержания частиц являются неудовлетворительными, то производят изменение давления варки крахмала, для того, чтобы изменить свойства обезвоживания или удержания частиц. Изменение давления варки должно быть достаточным для надлежащего изменения обезвоживания или удержания первого прохода композиции бумаги.

Обычно изменение давления варки превышает по меньшей мере 1 psi (фунт на квадратный дюйм), а преимущественно превышает 5 psi. В специфических вариантах изменение давления варки составляет от 10 до 60 psi, причем в некоторых вариантах изменение давления составляет по меньшей мере около 20 psi, при этом в некоторых вариантах давление увеличивают, а в других вариантах давление снижают, в зависимости от характеристик обезвоживания или осушения ранее проведения изменений давления варки.

В специфическом варианте процесс изготовления бумаги включает в себя операции варки крахмального компонента, обезвоживания композиции бумаги, а затем регулировки скорости обезвоживания за счет изменения давления варки крахмального компонента. Первая операция, а именно, варка крахмального компонента, предусматривает проведение варки катионизированного сшитого крахмала, который имеет вязкость горячей пасты в диапазоне ориентировочно от 10 сантипуаз до 3000 сантипуаз, типично от 50 до 3000 сантипуаз, а преимущественно ориентировочно от 200 сантипуаз до 3000 сантипуаз, измеренную на вискозиметре Брукфильда при содержании сухих веществ в крахмале 2.0% при температуре около 95°С, с использованием шпинделя No. 21 при 20 об/мин.

Композиция бумаги содержит целлюлозные волокна в водной суспензии, неорганические частицы, которые составляют по меньшей мере 50 вес.% частиц, имеющих средний размер частиц не более 1 мкм, и сваренный крахмальный компонент. Скорость обезвоживания задают за счет варки крахмальной композиции при втором давлении, которое отличается по меньшей мере на 10 psi от первого среднего давления варки.

Дополнительные операции могут включать в себя определение удержания частиц и изменение давления для регулировки удержания частиц. В специфических вариантах крахмал вводят в струйный варочный котел при содержании сухих веществ от 1 до 10%.

По причине сложности свойств композиции бумаги, иногда необходимо определять надлежащее изменение давления за счет итеративных изменений давления с последующей оценкой свойств бумаги. Такие изменения давления производят начиная от исходного (начального) давления варки, причем после каждого изменения определяют, произошло ли улучшение удержания частиц, осушения или качества бумажного продукта. Такие изменения направлены на оптимизацию свойств крахмала за счет изменения давления варки до тех пор, пока не будет достигнут предпочтительный диапазон свойств.

Например, в том случае, когда свойства обезвоживания или удержания являются неудовлетворительными или имеют тенденцию к ухудшению, давление первоначально может быть понижено на заданную величину (например, на 10 psi). Если такое понижение приводит к улучшению обезвоживания или удержания, то тогда давление можно поддерживать на этом новом уровне. Альтернативно, давление может быть дополнительно понижено для еще большего улучшения обезвоживания или удержания. Если такое понижение давления приводит к улучшению свойств обезвоживания, то тогда давление можно поддерживать на этом новом уровне (или дополнительно понизить для еще большего улучшения обезвоживания). Однако если такое понижение давления не приводит к улучшению свойств обезвоживания, то тогда давление может быть вновь повышено до прежнего уровня.

Если первоначальное понижение давления не приводит к улучшению свойств обезвоживания или удержания, то давление обычно повышают относительно исходного значения, чтобы добиться улучшения свойств обезвоживания или удержания. Если указанные свойства не улучшаются, то тогда давление должно быть возвращено к исходному давлению или возвращено к промежуточному давлению, в диапазоне от исходного давления до повышенного давления. Если указанные свойства улучшаются, то тогда давление можно поддерживать на повышенном уровне, или вновь повысить до более высокого давления. Указанным и другим аналогичным образом используют давление, при котором сварен крахмал, для изменения свойств полученного крахмала, в результате чего можно задавать эти свойства в зависимости от параметров на мокром конце бумагоделательной машины.

Изменение содержания сухих веществ

В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения, свойства крахмала модифицируют за счет изменения содержания сухих веществ в крахмале, при котором производят варку крахмала, а в частности, содержания сухих веществ, при котором производят струйную варку крахмала. В специфических вариантах используют улучшенный крахмал и усовершенствованные способы для улучшения свойств обезвоживания композиции бумаги и/или удержания микрочастиц. Так как в ходе процесса изготовления бумаги происходит обезвоживание композиции бумаги, то производят оценку скорости обезвоживания. Если скорость обезвоживания является неудовлетворительной, то производят изменение содержания сухих веществ в крахмале, для того, чтобы изменить свойства обезвоживания.

Изменение содержания сухих веществ должно быть достаточным для надлежащего изменения обезвоживания или удержания первого прохода композиции бумаги. Обычно изменение содержания сухих веществ превышает 1%, а преимущественно превышает 2%. В специфических вариантах изменение содержания сухих веществ составляет от 3 до 10%, а в некоторых вариантах изменение содержания сухих веществ составляет по меньшей мере около 5%, причем содержание сухих веществ в некоторых вариантах увеличивают, а в других вариантах уменьшают, в зависимости от характеристик обезвоживания или осушения до проведения изменения содержания сухих веществ.

В специфическом варианте процесс изготовления бумаги включает в себя операции варки крахмального компонента, обезвоживания композиции бумаги, а затем регулировки скорости обезвоживания за счет изменения содержания сухих веществ в крахмальном компоненте ранее проведения варки в струйном варочном котле. Первая операция, а именно, варка крахмального компонента, предусматривает проведение варки катионизированного сшитого крахмала в струйном варочном котле. Крахмальный компонент до проведения варки имеет вязкость горячей пасты в диапазоне ориентировочно от 10 сантипуаз до 3000 сантипуаз, типично от 50 до 3000 сантипуаз, а преимущественно ориентировочно от 200 сантипуаз до 3000 сантипуаз, измеренную на вискозиметре Брукфильда с малым пробоотборником (Small Sample Brookfield Viscometer System (SSB)), с использованием шпинделя No.21 при 20 об/мин, при содержании сухих веществ в крахмале 2.0% при температуре около 95°С. Композиция бумаги содержит целлюлозные волокна в водной суспензии, неорганические частицы, которые составляют по меньшей мере 50 вес.% частиц, имеющих средний размер частиц не более 1 мкм, и сваренный крахмальный компонент. Скорость обезвоживания задают за счет варки крахмальной композиции при втором содержании сухих веществ, которое отличается по меньшей мере на 1% от первого среднего содержания сухих веществ.

В специфических вариантах второе среднее содержание сухих веществ составляет от 5 до 6%, а в других вариантах второе среднее содержание сухих веществ составляет менее 5%. Микрочастицы могут содержать кремнезем, глину, а также их комбинации.

Дополнительные операции могут включать в себя определение удержания частиц и изменение содержания сухих веществ для регулировки удержания частиц. В специфических вариантах крахмал варят в струйном варочном котле под давлением от 10 до 30 фунтов на квадратный дюйм и при температуре от 200 до 300° F.

По причине сложности свойств композиции бумаги, иногда необходимо определять надлежащее изменение содержания сухих веществ за счет итеративных изменений содержания сухих веществ с последующей оценкой свойств бумаги. Такие изменения производят начиная от исходного (начального) содержания сухих веществ, причем после каждого изменения определяют, произошло ли улучшение удержания частиц, осушения или качества бумажного продукта. Такие изменения направлены на оптимизацию свойств крахмала за счет изменения содержания сухих веществ до тех пор, пока не будет достигнут предпочтительный диапазон свойств.

Например, в том случае, когда свойства обезвоживания являются неудовлетворительными или имеют тенденцию к ухудшению, то содержание сухих веществ первоначально может быть понижено на заданную величину. Если такое понижение приводит к улучшению обезвоживания, то тогда содержание сухих веществ можно поддерживать на этом новом уровне. Альтернативно, содержание сухих веществ может быть дополнительно понижено для еще большего улучшения обезвоживания. Если такое понижение содержания сухих веществ приводит к улучшению свойств обезвоживания, то тогда содержание сухих веществ можно поддерживать на этом новом уровне (или дополнительно понизить для еще большего улучшения обезвоживания). Однако если такое понижение содержания сухих веществ не приводит к улучшению свойств обезвоживания, то тогда содержание сухих веществ может быть вновь повышено до прежнего уровня. Альтернативно, содержание сухих веществ может быть частично повышено до более высокого уровня.

D. Улучшение эксплуатационных параметров бумагоделательной машины

При некоторых условиях можно добиться улучшения эксплуатационных параметров бумагоделательной машины, например, за счет снижения числа отказов тиражеустойчивости, что позволяет повысить объем выпуска продукции. Такая повышенная производительность может быть результатом снижения количества бумаги, которая не отвечает техническим условиям, улучшения осушения бумажной массы и увеличения скорости машины.

Крахмал варят и добавляют на мокром конце бумагоделательной машины в композицию бумаги, которая содержит целлюлозные волокна. Композиция бумаги может содержать волокно твердой древесины, мягкой древесины, или же смесь волокон твердой и мягкой древесины. Введение катионизированного сшитого крахмала можно производить в различных точках процесса изготовления бумаги, в том числе ранее преобразования мокрой волокнистой массы в сухое бумажное полотно или лист. Таким образом, такой крахмал можно вводить в процесс, например, когда волокно находится в головной камере, размольном станке, гидропульпере или в баке для пульпы. Композиция бумаги может содержать добавки, красители и/или наполнители, такие как глины, СаСО₃, квасцы и т.п. Настоящее изобретение преимущественно позволяет использовать более высокие уровни крахмала и наполнителей вместо более дорогого целлюлозного волокна, в результате чего получают бумагу с повышенной прочностью, изготовленную из менее дорогого сырья в течение более короткого времени обработки, с улучшенным удержанием мелких частиц и наполнителей.

Е. Пример

Было приготовлено сырье для производства бумаги, предназначенное для проведения сравнения изменений удержания частиц, осушения и вязкости при использовании сшитого и не сшитого катионоактивного крахмала зубовидной кукурузы, причем сравнение проводили на основании изменения свойств варки. Для каждого типа крахмала производили добавку 30 фунтов крахмала на тонну сухого древесного волокна. Варку крахмалов проводили при температурах от 192 до 265°F, причем содержание сухих веществ поддерживали в диапазоне от 1.28 до 1.39%. Средний размер частиц крахмала измеряли с использованием анализатора распределения частиц по размерам LA910 Horiba, а осушение измеряли с использованием методики динамического осушения Jar. Характеристики соответствующих крахмалов приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 - Сшитый катионоактивный крахмал
Образец	Температура варки (°F)	Вязкость (сантипуаз)*	Разбавление сухих веществ (%)	Средний размер частиц (мкм)	Осушение (мл/20 сек)	Удержание
А	196	250	1.28	118	41.6	60.77
В	217	205	1.39	114	54.7	62.25
С	233	150	1.37	102	58.6	63.44
D	245	115	1.34	76	42.1	64.46
Е	265	95	1.28	61	38.5	61.91
*Вязкость по Брукфильду сваренного крахмала измеряли при 150°F, при содержании сухих веществ (%), приведенном в Таблице 1, с использованием шпинделя No.21 при 20 об/мин.

Таблица 2 - Не сшитый катионоактивный крахмал
Образец	Температура варки (°F)	Вязкость (сантипуаз)*	Разбавление сухих веществ (%)	Средний размер частиц (мкм)	Осушение (мл / 20 сек)	Удержание
F	192	40	1.66	34.1	33.8	61.71
G	218	30	1.43	8.4	31.4	60.78
Н	240	20	1.23	10.1	33.2	64.12
I	265	20	1.38	5.3	32.9	62.84
*Вязкость по Брукфильду сваренного крахмала измеряли при 150°F, при содержании сухих веществ (%), приведенном в Таблице 2, с использованием шпинделя No.21 при 20 об/мин.

Различие свойств для двух типов крахмала показаны на фиг.4, 5 и 6, на которых приведены графики осушения, вязкости и распределения частиц по размерам для сшитого катионоактивного крахмала зубовидной кукурузы и не сшитого катионоактивного крахмала зубовидной кукурузы, при различных температурах струйной варки. На фиг.4 показано, что в этом примере сшитый катионоактивный крахмал имеет динамическое осушение в диапазоне ориентировочно от 200 до 260°F, с пиком около 230°F. В отличие от этого, не сшитый катионоактивный крахмал имеет относительно плоскую характеристику осушения (при боле низком уровне, чем сшитый катионоактивный крахмал).

Более того, как это показано на фиг.5, сшитый катионоактивный крахмал имеет изменения вязкости в широком диапазоне температур. В примере, показанном на фиг.5, сшитый катионоактивный крахмал имеет самую высокую вязкость при низких температурах и самую низкую вязкость при повышенных температурах, причем диапазон температур простирается ориентировочно от 200°F до 265°F. Однако в этом же диапазоне температур не сшитый катионоактивный крахмал не имеет существенных изменений вязкости.

На фиг.6 показаны изменения распределения частиц по размерам в расширенном диапазоне струйной варки для сшитого катионоактивного крахмала и не сшитого катионоактивного крахмала. Изменение распределения частиц по размерам наибольшее при самой низкой температуре струйной варки и снижается при повышении температуры. Обычно в одном и том же диапазоне температур не сшитый крахмал имеет существенно меньшее изменение распределения частиц по размерам, чем сшитый крахмал.

Приведенные примеры показывают вариацию свойств крахмала в диапазоне температур варки, а в частности, показывают изменения осушения и удержания частиц при изменениях температур варки.