(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルケニルコハク酸無水物と植物原料または動物原料に由来する天然起源由来の溶剤とを含み、約２５ｃＰｓから約１００ｃＰｓの粘度を有し、
前記溶剤がジペンテンおよびリモネンの少なくとも１つを含む、水を含まない表面サイジング組成物。
【請求項２】
前記アルケニルコハク酸無水物は１６から２０個の炭素原子のアルケニル基を有するアルケニルコハク酸無水物を含む、請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
前記アルケニルコハク酸無水物は、ヘキサデセニルコハク酸無水物、オクタデセニルコハク酸無水物、およびそれらの組み合わせからなる群より選択されるアルケニルコハク酸無水物を含む、請求項１または２に記載の組成物。
【請求項４】
前記溶剤は、さらにバイオディーゼル、を含む、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項５】
前記溶剤は、さらに脂肪酸エステルを含む、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項６】
前記脂肪酸エステルは、８から１８個の炭素原子の脂肪族鎖を有する、請求項５に記載の組成物。
【請求項７】
前記溶剤は、さらに脂肪酸アミドを含む、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項８】
前記アルケニルコハク酸無水物は前記組成物中に、約１ｗｔ％から約８０ｗｔ％の濃度で存在する、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項９】
前記溶剤は前記組成物中に、約２０ｗｔ％から約９９ｗｔ％の濃度で存在する、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項１０】
表面を有する紙基材を処理する方法であって、
請求項１ないし９のいずれか一項に記載の組成物を前記紙基材の表面上に噴霧し、よって処理された基材を形成させる工程、および
前記基材を加熱する工程
を含む、方法。
【請求項１１】
請求項１ないし９のいずれか一項に記載の組成物の、紙製造プロセスにおけるサイズ剤としての使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１３年６月１３日に出願された米国仮特許出願第６１／８３４，５３０号（その開示は本明細書でその全体が参照により組み込まれる）の利益を主張する。
【０００２】
技術分野は、製紙業において有用なサイズ剤を含む組成物および紙基材をそのような組成物で処理する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
セルロースは、紙基材の主成分であり、親水性かつ極性である。これらの特性により、紙基材において急速な水の浸透が起こる。この現象は、紙基材の疎水化（hydrophobation）により遅延させることができる。この操作は「紙のサイジング」として知られている。この操作により、紙における極性液（例えば、水またはインク）の浸透が、セルロース繊維をサイズ剤と呼ばれる疎水性物質により再び覆うことにより遅延される。サイズ剤は通常、紙製造プロセスのウェットエンド部分において、紙パルプに添加され、セルロース繊維により保持される。これは、内添サイジングと呼ばれる。しかしながら、サイズ剤はまた、乾燥させた、または部分的に乾燥させた紙の表面に適用することができ、すなわち、表面サイジングである。
【０００４】
典型的なサイズ剤としては、ロジン、アルケニルコハク酸無水物（「ＡＳＡ」）およびアルキルケテン二量体（「ＡＫＤ」）が挙げられる。ＡＳＡは、セルロースのヒドロキシル基に対するそれらの高い反応性のために、紙基材の表面サイジングのための良好な候補である。ＡＳＡとセルロースの間の反応は、下記の通りに表すことができる：
【化１】
0006407984.tif 000002
セルロースとＡＳＡの間の共有結合の形成は、効率的なサイジングにつながり、得られた紙製品は、極性液浸透に対して良好な耐性を示す。
【０００５】
表面サイジング適用では、ＡＳＡは一般に水中で乳化され、そのエマルジョンが、サイジングプレスまたはコーターを使用して適用される。ＡＳＡエマルジョンはまた、頻度は低いものの、シャワーを用いて適用することができる。しかしながら、ＡＳＡ水エマルジョンをシャワーを用いて適用する場合、いくらかのカールの問題が観察されている。その上、効率の理由のために、かつ可能な限り均質なサイジングを得るために、粒子サイズが制御されるべきであり、制限された粒子サイズ範囲が得られなければならない。ＡＳＡを含む水エマルジョンはまた、ＡＳＡの加水分解（サイジングを妨害する生成物が生成される）を制限するために迅速に使用されなければならない。
【０００６】
ＡＳＡの加水分解を防止するための方法が提案されている。例えば、カチオン性デンプンを含む水エマルジョンは適用前できるだけ遅くに調製される。しかしながら、ＡＳＡをカチオン性デンプンと混合するためのプロセスはかなり複雑であり、複合機械を使用する。
【０００７】
紙の耐水性を増加させるために使用される別の公知の疎水化法はＡＳＡを紙表面上で蒸着させるものである。この場合、気相のＡＳＡは紙表面と接触し、セルロースのヒドロキシル基と反応する。しかしながら、そのような方法の工業規模での適用は、機械を取り巻く雰囲気中にＡＳＡを放出しないようにするために、複合システムを使用することを暗示するであろう。分子を気相に閉じ込めたまま、それらと連続して移動する紙シートとの接触を可能にするために複雑なシステムが必要とされるであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記を考慮すると、このように、ＡＳＡ水系組成物の代わりとして、新しいＡＳＡ含有サイジング組成物が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
よって、本発明の目的は、以上で言及された問題に対処することである。
【００１０】
１つの態様では、少なくとも１つのアルケニルコハク酸無水物と、紙表面上での噴霧を可能にするために組成物の粘度を調節するための少なくとも１つのバイオソルベントを含む水を含まない表面サイジング組成物が提供される。
【００１１】
別の態様では、紙基材を水を含まない表面サイジング組成物で処理するための方法であって、組成物を紙基材の表面上に噴霧する工程および組成物で処理された紙基材を加熱する工程を含む、方法が提供される。
【００１２】
別の態様では、耐水性を提供する、または紙基材の耐水性を改善するための、水を含まない表面サイジング組成物の使用が提供される。
【００１３】
本発明の他の目的、利点および特徴は、その実施形態の下記非制限的記載を読むと、より明らかになるであろう。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
紙基材の表面に耐水性を提供する水を含まないサイジング組成物が記載される。
【００１５】
この記載では、「紙基材」という表現は、任意の型のセルロース繊維系基材を示し、例えば、限定はされないが、任意の好適な木質繊維系材料、例えばリサイクルまたは未使用ライナー、媒体、チップボード、板紙、折畳み箱、クラフトパック紙（ｋｒａｆｔｐａｋ  ｐａｐｅｒ）、袋用紙、上質紙などが挙げられる。
【００１６】
セルロース繊維系基材中のセルロースは表面処理のためにアクセス可能（ａｃｃｅｓｓｉｂｌｅ）である。言い換えれば、紙基材に含まれるセルロースのヒドロキシル基は、水を含まない組成物のＡＳＡ分子と反応するためにアクセス可能である。紙基材中のセルロースが、例えば、デンプンで、前に表面処理されている場合、残りのヒドロキシル基は、水を含まない組成物のＡＳＡと反応するために、アクセス可能でなければならない。１つの実施形態では、ＡＳＡを含む水を含まないサイジング組成物で処理される紙基材中のセルロースは前の表面処理に供されていない。別の実施形態では、紙基材は、水を含まない組成物による表面処理の前に、内添サイジング処理に供されていてもよい。内添サイジング処理は内添処理のために当技術分野で知られている任意のサイズ剤を用いて実施されてもよい。例えば、内添サイズ剤はＡＫＤまたはＡＳＡとすることができる。ＡＳＡが内添サイズ剤として使用される場合、バイオソルベントを有する水を含まない組成物中に存在するＡＳＡと同じか、または異なっていてもよい。
【００１７】
広く説明すると、サイジング組成物は少なくとも１つのＡＳＡを含むバイオソルベントの、水を含まないまたは実質的に水を含まない溶液である。組成物は、これを紙基材に噴霧させることができる粘度を有する。
【００１８】
「噴霧された」または「噴霧」により、組成物が微小液滴に分割された液体として適用され、これらは吹き付けられ、放出され、または、空気を通って落下し、その後、紙基材の表面に到達することが意味される。一実施形態では、組成物は紙表面に液体状態で、シャワーを用いて、または加圧容器からのスプレーノズルによる放出により、適用される。
【００１９】
ＡＳＡは比較的高い粘度を有する液体製品である。ＡＳＡをバイオソルベントまたはバイオソルベントの混合物と混合すると、好ましくは、得られた組成物におけるＡＳＡの粘度が低減する。適切な粘度を有すると、組成物は噴霧により紙基材上に適用することができる。これにより、紙表面上へのＡＳＡの実質的に均質な分布が得られる。よって、ＡＳＡは紙基材中のセルロースのアクセス可能なヒドロキシル基と反応することができ、よって、紙基材の疎水性が増加される。
【００２０】
組成物において使用することができるＡＳＡとしては、製紙業において内添サイズ剤として一般に使用される任意のＡＳＡが挙げられる。組成物中で異なるＡＳＡの混合物を使用することも可能である。
【００２１】
一実施形態では、ＡＳＡは１６から２０個の炭素原子のアルケニル基を有する。別の実施形態では、ＡＳＡは１６から１８個の炭素原子のアルケニル基を有する。組成物がＡＳＡの混合物を含む場合、各々が、そのアルケニル基中に１６から２０個の炭素原子を有する。その上、アルケニル基の二重結合は、アルケニル鎖上の任意の位置に存在することができる。
【００２２】
別の実施形態によれば、組成物において使用されるＡＳＡとしてはヘキサデセニルコハク酸無水物、オクタデセニルコハク酸無水物またはそれらの任意の混合物が挙げられ、ここで、アルケニル基の二重結合はアルケニル鎖上の任意の位置に存在する。
【００２３】
別の実施形態では、組成物に添加されるＡＳＡは、ナルコカンパニー（Nalco Company）により販売されているナルサイズ（NALSIZE）（登録商標）７５４２、またはケミラケミカルズ（Kemira Chemicals）により販売されているハイドロレス（HYDRORES）（商標）ＡＳ２３００という製品中に存在している。ナルサイズ７５４２は、最大２％までの非イオン性界面活性剤を含むＡＳＡ（Ｃ１６−Ｃ１８）の混合物である。ハイドロレスＡＳ２３００は、１８個の炭素原子の直鎖アルケニル鎖を有するＡＳＡである。
【００２４】
組成物中では、ＡＳＡまたはＡＳＡの混合物はＡＳＡ（複数可）の粘度を低減させるために、少なくとも１つのバイオソルベントと組み合わされる。いくつかの実施形態では、バイオソルベントの混合物は、要求される粘度を達成するために使用することができる。混合物ＡＳＡ（複数可）−バイオソルベント（複数可）は実質的に均質な液体溶液である。
【００２５】
バイオソルベントは、石油由来の溶剤とは対照的に、処理または未処理の植物、動物または鉱物原料に由来する天然起源由来の溶剤である。
【００２６】
組成物において使用することができるバイオソルベントの例としては、バイオディーゼルが挙げられ、これらは長鎖アルキル（例えば、メチル、プロピルまたはエチル）エステル類を含む植物油系または動物性脂肪系ディーゼル燃料である。
【００２７】
バイオソルベントの他の例としては、ジペンテン、（＋）および（−）リモネンのラセミ体が挙げられる。リモネンの鏡像異性体の１つのみを使用することも可能である。
【００２８】
組成物において使用される他の可能なバイオソルベントとしては、脂肪酸エステル類および脂肪酸アミド類が挙げられる。脂肪酸エステル類またはアミド類は飽和もしくは不飽和のいずれかである。一実施形態では、脂肪酸エステル類は脂肪酸メチルエステル類であり、脂肪酸アミド類はＮ，Ｎ−ジメチル脂肪酸アミド類である。いくつかの実施形態では、脂肪酸エステル類の脂肪族鎖は８から１８個の炭素原子を有する。脂肪酸エステル類の例としては、カプリル酸メチル、ラウリン酸メチル、オレイン酸メチル（methyl oletate）、またはパルミチン酸メチルが挙げられる。いくつかの実施形態では、脂肪酸アミド類の脂肪族鎖は８または１０個の炭素原子を有する。脂肪酸アミド類は、Ｎ，Ｎ−ジメチルカプリルアミドまたはＮ，Ｎ−ジメチルカプラミドであってもよい。
【００２９】
前述したように、バイオソルベントまたはバイオソルベントの混合物の使用は、ＡＳＡの粘度を減少させるために使用することができ、よって、噴霧可能なサイジング組成物が得られる。一実施形態では、バイオソルベントおよび組成物中のその相対量は、約１００ｃＰｓまたはそれ以下の粘度を有する組成物が得られるように決定される。別の実施形態では、組成物は約２５から約１００ｃＰｓの粘度を有する。いくつかの実施形態では、組成物の粘度は約２５と約９０ｃＰｓの間とすることができる。
【００３０】
この記載で使用される「約」という用語は、当業者により決定される特定の値に対する許容誤差範囲内を意味し、一部、値がどのように測定されるか、または決定されるか、すなわち、測定システムの限界に依存するであろう。１０％精度の測定値が許容され、「約」という用語を含むことが一般に認められている。
【００３１】
別の実施形態では、サイジング組成物は、少なくとも約５０℃の引火点を有する。組成物の引火点の値は、主に組成物において使用されるバイオソルベント（複数可）の性質および割合に依存する。ＡＳＡの割合もまた考慮される。ＡＳＡは高い引火点を有し、組成物の引火点の増加の一因となる。当業者であれば、適切な引火点を有する組成物を得るために、適切なバイオソルベントを選択し、その割合を推定することができるであろう。いくつかの実施形態では、引火点は、ドライヤーにおける、またはサイジングプロセス中での高温表面との接触による、組成物の引火リスクを最小に抑えるように選択される。例えば、組成物の引火点は少なくとも約９３℃とすることができる。
【００３２】
表面サイジング組成物はＡＳＡまたはＡＳＡの混合物をバイオソルベントまたはバイオソルベントの混合物と混合することにより得られる。
【００３３】
一実施形態では、ＡＳＡまたはＡＳＡの混合物は組成物の重量の約１ｗｔ％から約８０ｗｔ％で添加される。別の実施形態では、ＡＳＡ（複数可）は、組成物の重量の約４０ｗｔ％から約７０ｗｔ％に相当する。
【００３４】
バイオソルベントまたはバイオソルベントの混合物は組成物の重量の約２０ｗｔ％から約９９ｗｔ％、または組成物の重量の約３０ｗｔ％から約６０ｗｔ％で存在することができる。
【００３５】
別の実施形態では、表面サイジング組成物は約６０％ｗ／ｗのＡＳＡと、約４０％ｗ／ｗのバイオソルベントまたはバイオソルベントの混合物とを含む。ＡＳＡはナルサイズ７５４２とすることができ、バイオソルベントは、バイオディーゼルおよびリモネンの混合物とすることができる。
【００３６】
下記表１は特定の実施形態によるサイジング組成物の例を示す。
【表１】
0006407984.tif 000003
【００３７】
紙基材をサイジング組成物で処理するための方法の一実施形態を以下、記載する。
【００３８】
方法は一般に、組成物を紙基材の表面上に噴霧する工程およびその後、処理された基材を加熱する工程を含む。
【００３９】
紙基材は、リサイクルまたは未使用ライナー、媒体、チップボード、折畳み箱、クラフトパック紙、板紙、袋用紙、上質紙または任意の他のセルロース繊維系基材とすることができ、サイジング機械に提供され、そこで、組成物はその表面上に噴霧器を使用して噴霧させることができる。
【００４０】
一実施形態では、組成物は、液体状態で、シャワーまたは当技術分野で一般に知られている任意の噴霧装置を用いて紙表面に適用される。例えば、組成物は、加圧容器からの、マルチノズル噴霧システムを介する放出により適用することができる。あるいは、組成物は、ローターダンピングシステム、例えばＷＥＫＯ−ＲＦＴローターダンピングシステムを使用して適用することができる。水を含まない組成物がマルチノズル噴霧システムを用いて噴霧される場合、ノズルは抄紙機の幅にわたって適切に配置することができる。スプレーノズルは、紙シート上での組成物の均一分布が確保されるように、設計され、間隔をあけて配置される。
【００４１】
一実施形態では、組成物は、室温で紙表面上に適用される。紙基材の表面に適用される組成物の量は、基材の型および意図される水バリアに依存し得る。一実施形態では、紙基材の表面に適用される組成物の量は約０．２から約１０ｇ／ｍ２である。別の実施形態では、紙基材の表面に適用される組成物の量は約０．２から約２ｇ／ｍ２である。
【００４２】
水を含まないサイジング組成物が紙の表面上で適用されると、処理された紙はその後、ドライヤーまたはヒーターに通過させられ、紙中に含まれるセルロースのヒドロキシル基とＡＳＡ分子との間の反応を可能にするのに必要なエネルギーが提供され、基材の表面が疎水性となる。
【００４３】
通常、紙製造プロセスにおいて一般に使用されるドライヤー／ヒーターは水を含まない組成物で処理された紙を加熱するために適合され、それらの温度を変更する必要はない。
【００４４】
前述したように、水を含まない表面サイジング組成物は、紙に適用されると、これを加熱した後、紙に良好な耐水特性を提供する。そのように処理された紙は約２７ｇ水／ｍ２から約５０ｇ水／ｍ２のＣｏｂｂ２ｍｉｎ値を示すことができる。そのように処理された紙は、多くの用途、例えば、印刷用紙、ライナーボード、折り畳み式の箱のためおよび保護ヘッダー（protective header）において使用することができる。
【００４５】
この水を含まないサイジング組成物およびこれを紙基材に適用する方法は、公知の紙のサイジング方法を超える様々な利点を示す。水を含まないサイジング組成物の使用により、シャワーを使用して水系サイジング組成物を適用した場合に観察され得る紙カールの問題を回避することができる。
【００４６】
この水を含まない組成物は、これが含むバイオソルベントのために、石油系溶剤を含む組成物よりも環境に優しい。
【００４７】
下記実施例はコーティングのいくつかの特性および利点を説明するために提供される。
【実施例】
【００４８】
実施例１：
水を含まない表面サイジング組成物は、表２で要約されているように調製された。それらの粘度および引火点は測定されており、これらもまた、表２に報告されている。
【表２】
0006407984.tif 000004
【００４９】
実施例２：
表１の組成物Ｂ１、Ｂ２およびＢ３を、それらのサイジング特性を評価するために試験した。
【００５０】
２．４ｇの紙のハンドシートを褐色パルプ（１００％の古い段ボール箱（「ＯＣＣ」））を使用して調製した。歩留系（retention system）は０．６ｋｇ／ｔのＰＥＲＣＯＬ（登録商標）３３２０ＣＢ（「Ｃ−ＰＡＭ」）（ポリアクリルアミド、ＢＡＳＦから入手可能）および４ｋｇ／ｔのＬＵＲＥＤＵＲ（登録商標）８０９７（部分的に加水分解されたポリビニルホルムアミド、ＢＡＳＦから入手可能）から構成した。組成物を適用する前の紙のハンドシートの乾燥度は３４％であった。
【００５１】
組成物を、２．４ｇの紙のハンドシートの表面上に、エアログラフ（aerograph）を用いて適用した。液体組成物を圧縮空気を使用して均一に蒸発させた。その後、ハンドシートを１０５℃で１５分乾燥させ、２３℃で５０％相対湿度下にて５日間放置した。Ｃｏｂｂ２ｍｉｎ値をその後、測定した。結果を、表３で報告する。測定はまた、比較のために未処理の紙のハンドシートに対して実施した。未処理基材に対するＣｏｂｂ２ｍｉｎは２２０ｇ水／ｍ２を超えた。
【表３】
0006407984.tif 000005
【００５２】
表３で提示される結果は、紙基材が組成物Ｂ１−Ｂ３でうまく処理されたことを示す。組成物Ｂ１−Ｂ３のいずれか１つで処理された紙基材は、非常に低い量のＡＳＡを含む組成物を用いた場合であっても、未処理基材と比べて改善された耐水性を有する。
【００５３】
実施例３：
組成物を、ＡＳＡとしての６０％（ｗ／ｗ）ナルサイズ７５４２と、バイオソルベントとしての３５％（ｗ／ｗ）バイオディーゼルおよび５％（ｗ／ｗ）リモネンの混合物を混合することにより調製した。組成物を、ボール紙（再生紙、坪量６７９ｇ／ｍ２）の表面に、ダイヤー（dyer）セクション前のミルで、スプレーガンを使用して適用した。サイジング効力を時間と共に、Ｃｏｂｂ値を１年と４ヶ月の期間内に４回測定することにより研究した。処理されたボール紙はオーブン乾燥させなかった。未処理表面では、Ｃｏｂｂ２ｍｉｎ試験において、ボール紙への水の浸透が得られた（約９６７ｇ水／ｍ２）。
【００５４】
Ｃｏｂｂ試験の結果を表４に示す。
【表４】
0006407984.tif 000006
【００５５】
Ｃｏｂｂ２ｍｉｎ（約３０ｇ水／ｍ２）およびＣｏｂｂ１５ｍｉｎ（約７０ｇ水／ｍ２）の値は、ＡＳＡを含むバイオソルベントの適用により、未処理ボール紙（約９６７ｇ水／ｍ２のＣｏｂｂ２ｍｉｎ）に比べ、ボール紙表面の疎水性が増加することを示す。
【００５６】
上記実施形態および実施例は全ての点で、例示にすぎず、制限するものではないと考えられ、本出願は、当業者に明らかなように、それらの全ての適応および変更を含むことが意図される。当然、当業者に明らかなように、発明の範囲から逸脱せずに、上記実施形態に対し多くの他の改変が可能であろう。
【００５７】
よって、発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されることが意図される。