專利名稱：一種造紙填料在線表面改性的方法
技術領域：
本發明涉及一種造紙填料連續在線表面改性的方法。特別是利用一種特制的噴射混合裝置將改性淀粉以及助留劑對造紙填料在造紙廠進行連續在線表面改性的方法。
背景技術：
在加填紙張的生產過程中，填料一般添加在流漿箱之前的造紙漿料體系中，單元或雙元助留劑往往在填料加入點前后加入，以改善填料在成形網上的留著。在造紙漿料中添加填料不僅有助于改善紙張不透明性、白度、手感、印刷適應性等物理指標，還能加快濕紙頁的干燥速度，節約干燥蒸汽的消耗，更為重要的是，填料要遠比造紙纖維便宜，增加填料的使用量，有助于節約造紙成本，減輕生態環境負荷。但是，目前紙張填料的添加量只能保持在較低的水平，其中一個重要的制約因素是紙張填料用量的提高會引起紙張強度的下降。例如，紙張抗張強度的下降、耐折、耐破、抗壓性能的下降，分切、印刷過程中掉毛掉粉程度的增加等。提高紙張灰分含量的一個首要前提條件是提高填料的首程留著率，它要求填料在抄紙的剪切、紊流、真空條件下，具有較高的保留性和濾水性能。助留劑一般承擔填料的保留功能，且一般在填料加入點的前后單點或多點加入。這種體系的一個缺點是助留劑在與填料接觸之前，容易被長纖維、細小纖維、陰離子垃圾或其它化學品所捕獲，從而降低了助留劑與填料的接觸幾率。一種不得已的做法是提高助留劑的用量，但是助留劑用量增加容易產生較大直徑的紙漿絮團，影響紙張的勻度，這是造紙過程中不愿意看到的。通常紙張灰分含量的提高會導致紙張強度的下降，一方面是因為纖維比例的減少導致纖維間氫鍵結合點數量的減少；另一方面是因為填料本身并沒有氫鍵，填料與填料之間或者填料和纖維之間不能形成氫鍵結合力，而且填料夾在纖維與纖維之間，在空間上也阻止了纖維與纖維間的氫鍵結合。水溶性的天然或合成類聚合物往往被用來作為加填紙的增強劑使用。改性淀粉是其中應用最為廣泛，且成本最為經濟的增強和助留劑之一。改性淀粉尤其是陽離子淀粉或兩性淀粉經過蒸煮后用于造紙可以取得較為理想的增強、助留、施膠劑乳化等效果。在紙板的生產過程中，噴淋淀粉被經常作為層間增強劑使用。不經過溶脹的噴淋淀粉或者經過部分溶脹的噴淋淀粉都能夠達到較為理想的層間增強效果，因為在有水存在的條件下，噴淋淀粉能夠從紙機烘缸部位獲得足夠的膠化熱量。但是，這些噴淋淀粉多數集中分布在紙與紙的層間，難以達到提高紙張整體增強的效果。基于以上的背景，填料表面改性是增加造紙填料用量的合理途徑。CN02159775. 8 公開了一種造紙填料用改性劑的制備方法，該專利使用膠體硅作為主要改性劑，對造紙填料進行表面改性，然后將表面改性的造紙填料以20 60%的高加量加到紙中并保持75 85%的較高實際留著率，同時使紙的各項指標滿足有關標準，并使一些指標得到優化。 CN200810017751.9公開了一種微粒填料一淀粉復合物造紙填料的制備方法，首先，將淀粉或淀粉改性物溶液與微粒填料共混蒸煮攪拌進行反應；在反應液中加入交聯劑反應，向反
4應液中加入硫酸銨溶液，析出沉淀物；收集析出的沉淀物，將其沖洗、干燥、冷卻、粉碎成粒度不大于80目的顆粒。本發明制備的微粒填料一淀粉復合物造紙填料可部分替代植物纖維作為造紙填料，使用時占紙產品的重量為5 35%，但效果最佳的為8 25%，通過采用這些填料替代部分植物纖維生產的紙產品，該填料可顯著提高紙產品的物理性能和光學性能，并隨紙張中合成物含量的增加而改善。CN200810154080. 0公開了一種淀粉改性處理碳酸鈣的方法，以淀粉為原料，稱取淀粉2. 5克 7. 5克，配制成5% 10%的溶液，加入 0. 2 0. 7克的改性劑，用IM氫氧化鈉調至pH = 9，在60°C下，攪拌30 40min。在上面的反應液中加入15 30克的碳酸鈣，加熱70 80°C攪拌下蒸煮，反應時間20 40min。 反應后用IM鹽酸調至pH = 7。在烘箱中加熱干燥、冷卻、粉碎成100目的顆粒既得填料。 本發明制備的造紙填料有較高的留著率，裂斷長、耐破指數有較大的提高。可提高紙張的強度，可部分代替木材纖維并起到保護環境的作用，降低造紙的成本，提高紙的使用性能。 CN200910070785. 9公開了一種造紙填料碳酸鈣的改性方法，所述改性方法包括以下步驟 一、沉淀碳酸鈣(PCC)分散液的制備；二、控制PCC與陽離子苯乙烯-丙烯酸酯乳液反應條件；三、通過冷卻沉淀后得到改性PCC。改性過程中PCC與陽離子苯乙烯-丙烯酸酯質量比為75 1，溫度70°C，陽離子苯乙烯-丙烯酸酯改性PCC的包埋率接近99%。本發明改性 PCC作為造紙填料，其填加量范圍為10% 45% (基于絕干漿)，與雙元助留劑陽離子聚丙烯酰胺、陽離子淀粉一起復配使用加填到造紙濕部，不僅提高了紙張灰分含量，而且提高了紙張的光學性能和物理性能。本發明的改性方法簡單、易于操作，處理成本較低，并有效地降低原生纖維消耗和生產成本。從已經公開的造紙填料表面改性方法來看，基本上是采用間歇式的淀粉沉淀或交聯包覆造紙填料的方法，通過復雜的表面改性后，經加熱干燥、冷卻、粉碎等步驟得到商品形式的表面改性填料。這類做法所獲得的表面改性填料工藝復雜，生產成本高，質量不夠穩定，難以實現商業化大規模應用。
發明內容
本發明需要解決的技術問題是，克服現有技術的不足，提出一種在造紙現場連續進行填料表面改性的新方法，利用噴射混合裝置將改性淀粉以及助留劑對造紙填料進行表面改性，綜合考慮了造紙填料的增強性能和保留性能，可以較大幅度的增加低廉的造紙填料用量，減少造紙過程中纖維的用量，以達到提高紙張質量降低生產成本的目的，是一種較為理想的綠色環保工藝。本發明的造紙填料在線表面改性的方法，
1)預先制備1 30%濃度的造紙填料水懸浮液；所述的造紙填料水懸浮液選自(但不局限于)碳酸鈣(GCC/PCC)、滑石粉、高嶺土或二氧化鈦的水懸浮液，或造紙廢水沉淀泥漿中的一種或幾種的混合物。在選用填料時，需要考慮造紙工藝中對PH值、填料粒徑等方面的要求。預先制備濃度為0. 5% 洲的改性淀粉糊液；改性淀粉糊液原料選自(但不局限于)玉米淀粉、木薯淀粉、馬鈴薯淀粉、小麥淀粉改性的陽離子淀粉、陰離子淀粉、兩性淀粉或多元改性淀粉(優選為陽離子淀粉和多元改性淀粉)；改性淀粉糊液絕干用量為造紙填料水懸浮液絕干用量的1% 10%，(優選的用量為填料絕干用量的4% 7%);改性淀粉糊液的制備采用(包括但不局限于)連續式蒸煮或間歇式蒸煮或使用堿性化學品對淀粉進行部分溶脹或完全糊化的淀粉糊液。不同淀粉原料，不同改性方式和不同改性程度的改性淀粉需要控制的蒸煮溫度都不同(一般在90°C_130°C)。造紙填料用量的增加會使紙張強度以及首程留著率下降，因此，對造紙填料進行表面改性的方法需要兼顧增強和助留兩方面的因素。本發明使用改性淀粉作為造紙填料表面改性的主要增強化學品。沒有糊化的淀粉在紙漿體系中首程留著率很低，一般只有15%左右，不具備商業應用的價值。因此在紙漿濕部體系中添加的淀粉需要蒸煮后才能使用。多元改性淀粉是其中首選的改性淀粉，淀粉的陽離子化可以采用濕法、溶劑法、干法和半干法制造，陽離子醚化基取代基取代度DS達到0. 015 0. 050。陽離子取代度越高，改性淀粉對填料的包覆性越好，但同時也需要綜合考慮漿料體系的^ta電位，填料絮凝團團粒的大小等。優選的陽離子醚化基取代基取代度DS為0. 020 0. 040。預先制備濃度為0. 1% 0. 3%的助留劑；所述的助留劑選自(但不局限于)陽離子聚丙烯酰胺、陰離子聚丙烯酰胺、改性或非改性的羧甲基纖維素(優選為陽離子聚丙烯酰胺)；助留劑合適的用量為造紙填料水懸浮液絕干用量的10 lOOppm，(優選的用量為填料用量的20 50ppm)；
上述優選的改性淀粉及其用量，優選的助留劑及其用量有利于獲得更緊密的“填料——改性淀粉——助留劑”三位一體的微絮結構。2)噴射混合裝置，是一種同軸分布的文丘里噴射混合裝置，A、B、C三件同軸噴射器將空間區隔為a、b、c、d共4個腔室，a為噴射流體腔，b為化學品流體腔，c為擾動流流體腔，d為湍流混合區；噴射流、化學品流、擾動流分別在a、b、c腔內獲得噴射壓力；
噴射混合裝置是實現填料在線表面改性的關鍵。a腔文丘里噴射器流體線速度為10 25米/秒，優選的噴射器a流體線速度為16 20米/秒，噴射流流量越大，混合流體在軸向方向的分布越遠。b腔文丘里噴射器化學品流量范圍依據化學品的用量和濃度而定。c 腔文丘里噴射器擾動流流量為0. 5 5立方米/小時，擾動流流量越大，混合流體在截面方向的分布越寬。d區為湍流混合區，噴射流、化學品流、擾動流和紙漿在該區域內實現均勻混
I=I ο噴射流和擾動流優選使用造紙上網漿或造紙白水，以節約清水資源以及為加熱清水所需的熱能資源。為了獲得理想的噴射壓力和流速，可以使用離心泵或螺桿泵為噴射流和擾動流進行加壓，為了獲得精確計量的化學品流量，可以使用計量泵或螺桿泵對化學品進行計量添加。3)上述1)的三種組分通過一套安裝在紙機上網漿料輸送管道上的噴射混合裝置實現在線混合并均勻分布到造紙紙漿管道中
造紙填料水懸浮液通過噴射流體腔a射入，其線速度為10 25米/秒，噴射流量為 3 10立方米/小時(優選的速度為16 20米/秒，優選的噴射流流量為5 8立方米 /小時)；為了獲得理想的噴射流量和噴射線速度，可以從紙漿管路中連續抽出紙漿，經過增壓泵增壓后，帶動造紙填料水懸浮液共同通過噴射流體腔射入；
改性淀粉糊液和助留劑共同組成填料在線改性化學品，通過化學品流體腔b射入，并在d區域對噴射流中的造紙填料進行表面包覆改性。
擾動流流體是直接從造紙紙漿管道中抽出并經過加壓泵加壓的紙漿，從擾動流流體腔c射入；根據擾動流作用的輻射范圍不同，調節擾動流流體的流速和流量，擾動流流體的流速為1 4米/秒，流量為0. 5 5立方米/小時(優選的流速為2 3米/秒，流量為2 3立方米/小時)。在d區域噴射流、化學品流在擾動流的作用下，改變流體運動方向和速度，在造紙濕部紙漿管道內形成理想的均勻分布效果。當噴射混合裝置安裝在紙機紙漿管道上時，造紙填料計量加入噴射流中的上網漿或稀白水，共同形成主噴射介質。改性淀粉和助留劑作為化學品流的主要介質，在噴射流和化學品流的交匯區域與填料相互混合。助留劑將造紙填料和改性淀粉包覆在一個相對穩定的微絮凝團粒內。擾動流是一股從擾動流噴射器的底部的側面均布的孔洞中噴出的流體， 它形成的“水幕墻”將噴射流、化學品流和紙漿流形成紊亂的湍流流體，將表面改性的填料微絮凝團均勻的分布在紙漿內，送往流漿箱抄紙。這種微絮凝團在進入流漿箱之前不再受到紙漿泵、壓力篩等強烈的剪切作用。因此，微絮凝團的首程留著率較高。或者，上述1)的三種組分通過兩套噴射混合裝置實現在線混合并均勻分布到造紙紙漿管道中第一套噴射混合裝置安裝在紙機上網壓力篩前，造紙填料水懸浮液通過噴射流體腔a 射入，其線速度為10 25米/秒，噴射流量為3 10立方米/小時；改性淀粉糊液作為填料在線改性化學品通過化學品流體腔b射入，其流量按1)之用量確定，使改性淀粉對造紙填料進行一級在線表面改性；擾動流流體是直接從造紙紙漿管道中抽出并經過加壓泵加壓的紙漿，從擾動流流體腔c射入；擾動流流體合適的流速為1 4米/秒，流量為0. 5 5 立方米/小時(優選的流速為2 3米/秒，流量范圍為2 3立方米/小時)。噴射流、化學品流在擾動流的作用下，改變流體運動方向和速度，在造紙濕部紙漿管道內形成理想的均勻分布效果。第二套噴射混合裝置安裝在第一套噴射混合裝置下游1 6米處，第二套噴射混合裝置中的噴射流和擾動流均為加壓泵加壓后的紙漿，分別從噴射流腔a和擾動流腔c射入，噴射流體線速度為10 25米/秒，噴射流量為3 10立方米/小時，擾動流流體合適的流速為1 4米/秒，流量為0. 5 5立方米/小時；第二套噴射混合裝置中，助留劑通過化學品流體腔b射入，其流量按1)之用量確定。使得助留劑對經過第一級表面改性的填料進行進一步助留復合處理，最終實現造紙填料連續在線表面改性和應用。當噴射混合裝置分別安裝在紙機濕部壓力篩之前和之后兩處不同位置時，在壓力篩之前的噴射混合裝置將造紙填料計量加入噴射流中的上網漿或稀白水，共同形成主噴射介質。改性淀粉作為化學品流的主要介質，在噴射流和化學品流的交匯區域與填料相互混合。經過壓力篩的進一步混合以后，在壓力篩之后的噴射混合裝置將助留劑和纖維漿料、造紙填料以及改性淀粉包覆在一個相對穩定的微絮凝團粒內。然后共同送往流漿箱抄紙。這種微絮凝團中的填料經過了壓力篩的分散，填料在紙張里面的分布更為均勻。與已經公開的造紙填料表面改性專利相比較，本發明提出的在造紙現場連續進行填料表面改性的新方法，減少了填料改性過程中的加熱干燥、冷卻、粉碎等復雜表面改性程序，整個改性過程在造紙現場直接完成，具有成本低，制造方便，質量穩定，適用于大型紙機的應用等特點，可顯著改善紙張的機械和光學性能，并可部分代替木材纖維起到保護環境的作用。
本發明的改性淀粉糊液具有抗干擾性好、填料留著率高等優點。與傳統未經填料表面改性的造紙工藝比較，本發明的改性方法主要優點有改善了紙張表面和內結合強度， 節約了纖維用量，提高了紙張的灰分含量；工藝簡單，實際可操作性強，質量穩定，成本更低。
圖1是本發明工藝路線示意圖。
具體實施例方式下面通過實施例，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。實施例1
本例為典型的實驗室條件下的單層紙板抄紙工藝。準備
未漂針葉木漿和廢箱板紙紙漿按20 80的比例共同疏解制備成1%濃度的混合紙漿，紙漿打漿度為50度。填料選用重質碳酸鈣(GCC)，填料目數200目，選陽離子淀粉取代度DS: 0.020，助留劑選用陽離子聚丙烯酰胺，陽離子化摩爾比15%，分子量800萬。操作步驟
打開實驗室配漿槽的攪拌器，攪拌速度60轉/分鐘，然后依次加入314克清水，3. 14克混合紙漿，0. 03克陽離子淀粉，0. 47克填料，50ppm陽離子聚丙烯酰胺等。攪拌均勻后將配好的漿料在實驗室手抄紙成型機中抄造成型，紙樣經壓榨脫水、干燥、平衡等步驟后測試相關物理指標。在實驗室動態濾水儀中將上述配好的漿料進行動態濾水，測試其總的首程保留率以及填料首程保留率。實施例2:
本例為使用噴射混合裝置制漿并在實驗室條件下抄造單層紙板的抄紙工藝。準備 同實施例1。操作步驟
打開實驗室噴射混合裝置，加入314公斤清水和3. 14公斤混合紙漿，然后，調整噴射流流速達到18米/秒，調整擾動流流速達到3米/秒。然后通過噴射混合裝置同時加入31. 4 克陽離子淀粉，471克填料，以及50ppm陽離子聚丙烯酰胺等。噴射混合完成后，從配好的漿料中取出與實施例一相同絕干重量的濕漿，在實驗室手抄紙成型機中抄造成型，紙樣經壓榨脫水、干燥、平衡等步驟后測試相關物理指標。在實驗室動態濾水儀中將上述配好的漿料進行動態濾水，測試其總的首程保留率以及填料首程保留率。
權利要求
1.一種造紙填料在線表面改性的方法，其特征在于1)預先制備1 30%濃度的造紙填料水懸浮液，所述的造紙填料水懸浮液選自碳酸鈣、 滑石粉、高嶺土或二氧化鈦的水懸浮液，或造紙廢水沉淀泥漿中的一種或幾種的混合物；預先制備濃度為0.5% m的改性淀粉糊液，改性淀粉糊液原料選自玉米淀粉、木薯淀粉、馬鈴薯淀粉、小麥淀粉改性的陽離子淀粉、陰離子淀粉、兩性淀粉或多元改性淀粉；改性淀粉糊液絕干用量為造紙填料水懸浮液絕干用量的1% 10% ；改性淀粉糊液的制備采用連續式蒸煮或間歇式蒸煮，通過調整蒸煮溫度來控制淀粉糊液的溶脹程度；預先制備濃度為0. 1% 0. 3%的助留劑，所述的助留劑選自陽離子聚丙烯酰胺、陰離子聚丙烯酰胺、改性或非改性的羧甲基纖維素；助留劑的用量為造紙填料水懸浮液絕干用量的 10 IOOppm ；2)填料在線表面改性噴射混合裝置，是一種同軸分布的文丘里噴射混合裝置，A、B、C 三件同軸噴射器將空間區隔為a、b、c、d共4個腔室，a為噴射流體腔，b為化學品流體腔， c為擾動流流體腔，d為湍流混合區；3)上述1)的三種組分通過一套安裝在紙機上網漿料輸送管道上的填料在線表面改性噴射混合裝置實現在線混合并均勻分布到造紙紙漿管道中造紙填料水懸浮液通過噴射流體腔a射入，其線速度為10 25米/秒，噴射流量為 3 10立方米/小時；為了獲得理想的噴射流量和噴射線速度，可以從紙漿管路中連續抽出紙漿，經過增壓泵增壓后，帶動造紙填料水懸浮液共同通過噴射流體腔射入；改性淀粉糊液和助留劑共同組成填料在線改性化學品，通過化學品流體腔b射入，其流量按1)之用量確定，使改性淀粉和助留劑對造紙填料進行在線表面復合改性；擾動流流體是直接從造紙紙漿管道中抽出并經過加壓泵加壓的紙漿，從擾動流流體腔 c射入；擾動流流體的流速為1 4米/秒，流量范圍為0. 5 5立方米/小時；噴射流、化學品流在擾動流的作用下，改變流體運動方向和速度，在造紙濕部紙漿管道內形成理想的均勻分布效果；或者，上述1)的三種組分通過兩套填料在線表面改性噴射混合裝置實現在線混合并均勻分布到造紙紙漿管道中第一套噴射混合裝置安裝在紙機上網壓力篩前，造紙填料水懸浮液通過噴射流體腔a 射入，其線速度為10 25米/秒，噴射流量為3 10立方米/小時；改性淀粉糊液作為填料在線改性化學品通過化學品流體腔b射入，其流量按1)之用量確定；使改性淀粉對造紙填料進行一級在線表面改性；擾動流流體是直接從造紙紙漿管道中抽出并經過加壓泵加壓的紙漿，從擾動流流體腔c射入；擾動流流體合適的流速為1 4米/秒，流量為0. 5 5 立方米/小時；第二套噴射混合裝置安裝在第一套噴射混合裝置下游1 6米處，第二套噴射混合裝置中的噴射流和擾動流均為加壓泵加壓后的紙漿，分別從噴射流腔a和擾動流腔c射入，噴射流體線速度為10 25米/秒，噴射流量為3 10立方米/小時，擾動流流體合適的流速為1 4米/秒，流量為0. 5 5立方米/小時；第二套噴射混合裝置中，助留劑通過化學品流體腔b射入，其流量按1)之用量確定。
2.根據權利要求1所述的造紙填料在線表面改性的方法，其特征在于1)中，所述的改性淀粉糊液絕干用量為填料絕干用量的4% 7%;所述的助留劑用量為造紙填料水懸浮液絕干用量的20 50ppm ；3)所述的造紙填料水懸浮液優選的線速度為16 20米/秒，所述的噴射流流量范圍為5 8立方米/小時；所述的擾動流流體的流速為2 3米/秒，流量為2 3立方米/ 小時。
全文摘要
本發明涉及一種造紙填料在線表面改性的方法。它需要解決的技術問題是，較大幅度增加低廉的造紙填料用量，減少造紙過程中纖維的用量，以達到提高紙張質量降低生產成本的目的。本發明預先制備1～30%濃度的造紙填料水懸浮液，濃度為0.5%～2%的改性淀粉糊液和濃度為0.1%～0.3%的助留劑等三種組分。并通過安裝在紙機上網漿料輸送管道上的填料在線表面改性噴射混合裝置實現在線混合并均勻分布到造紙紙漿管道中，使改性淀粉和助留劑對造紙填料進行在線表面復合改性。
文檔編號D21H23/18GK102363932SQ201110296959
公開日2012年2月29日 申請日期2011年9月30日 優先權日2011年9月30日
發明者姚獻平, 田清泉, 鄭麗萍 申請人:杭州紙友科技有限公司