ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ БУМАЖНОГО ПОЛОТНА И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ
HIGH PERFORMANCE PAPER WEB SEPARATION COMPOSITION AND USE THEREOF

В настоящей заявке испрашивается приоритет в связи с заявкой №61/813286, поданной 18 апреля 2013 г., содержание которой в полном объеме включено в настоящее описание в качестве ссылки.
Область техники
В настоящем изобретении предлагается композиция и способ для улучшения отделения бумаги «тиссью» (бумажного полотна) в областях применения, таких как способы изготовления туалетной бумаги и бумажных полотенец. Способ включает обработку поверхности тканевой основы на практике в областях изготовления структурированного полотна в бумагоделательной машине с использованием композиций, содержащих гидрофобные четвертичные амины в комбинации с другими гидрофобными материалами и ПАВ.
Предпосылки создания настоящего изобретения
Процесс изготовления бумаги «тиссью» (бумажного полотна) для изготовления продуктов, таких как носовые платки, туалетная бумага и бумажные полотенца, включает формирование влажного бумажного полотна из водной целлюлозной массы и химических добавок с последующим удалением воды из влажного полотна. Удаление воды можно осуществлять при прессовке влажной ткани, например, на барабане сушильной машины «Янки» или американском сушильном барабане, причем оба термина используются взаимозаменяемо. До настоящего времени бумагу тиссью (санитарно-гигиенического назначения) получали с использованием процессов сухого крепирования в сеточной части и сквозной сушки воздухом (TAD). Процессы сквозной сушки воздухом (TAD) включают перемещение бумажного полотна на тканевую основу для TAD, которая характеризуется трехмерной структурой и придает влажному полотну текстуру и рисунок, и таким образом после сушки рисунок сохраняется в ткани. Этот процесс осуществляют при пропускании горячего воздуха через влажное полотно, что обеспечивает удаление воды и сушку полотна. Затем структурированное или рисунчатое полотно переносят на барабан сушильной машины «Янки» для дальнейших сушки и крепирования. Процессы TAD обеспечивают более высокое качество бумаги тиссью с повышенными объемностью и мягкостью, прочностью на разрыв и абсорбционной способностью.
При уменьшении содержания воды волокна сближаются друг с другом и при этом значительно возрастает степень скопления и связывания волокон. Волокна не только прилипают друг к другу, но и прилипают к тканевой основе. Повышенная адгезия полотна к поверхности тканевой основы является нежелательной, так как она может влиять на структуру полотна, что в результате приводит к формированию отложения волокон на тканевой основе и к возникновению затруднений при отделении полотна от тканевой основы и при последующем его перемещении, например, на барабан сушильной машины «Янки». Чтобы исключить эти нежелательные эффекты, используют ряд обработок, включая модификацию материалов тканевой основы и/или применение различных агентов для отделения бумажного полотна для улучшения отделения полотна от тканевой основы. В основном агенты для отделения бумажного полотна наносят на поверхность тканевой основы перед перемещением полотна от формующей основы на разделяющую основу.
Недавние достижения в области производства бумажных тканей включают производство высоко объемистой ткани методом TAD и высокопроизводительную и энергосберегающую технологию сухого крепирования (DCT). Разработаны также процессы, такие как процессы NTT фирмы Metso и Advance Tissue Milding System (ATMOS) фирмы Voith с использованием текстурированных или структурированных тканевой основы или ленты транспортера.
Для обработки тканевой основы методом TAD используют гидрофобные материалы, такие как силиконовое масло, минеральные и растительные масла и поли-α-олефины. Применение этих реагентов не всегда является простым и эффективным, так как гидрофобные материалы обычно добавляют в водную систему. Во многих случаях эти гидрофобные материалы смешивают с ПАВ. Добавление ПАВ, таких как неионные ПАВ, к гидрофобным материалам оказывает благоприятное действие, так как ПАВ способствуют эмульгированию гидрофобных материалов (например, минеральных масел) и ускоряют более эффективную доставку и распределение гидрофобных веществ на поверхностях, таких как тканевая основа TAD или поверхности сушильной машины «Янки», а также могут оказывать благоприятное действие на металлические и волоконные поверхности и другие поверхности.
5
20
В патенте US №8071667 описаны один или более (поли)С-С-α-олефинов в комбинации с одним или более ПАВ для применения при отделении бумажного полотна от тканевой основы в процессе TAD и/или от поверхности барабана сушильной машины «Янки». Заявленные композиции включают от 99% до 60% α-олефинов и от 1% до 40% ПАВ.
В патенте US №2005/0241791 описан способ изготовления целлюлозного полотна при обработке тканевой основы бумагоделательной машины химическим реагентом для нарушения адгезии, который включает соединение олеилимидазолия. Композиция дополнительно содержит смазывающее вещество и ПАВ. Композицию наносят на бумажное полотно и реагент для нарушения адгезии распределяют по всей толщине полотна методом отсасывания в вакууме. Предполагается, что композицию наносят между операцией быстрого переноса и операцией сушки TAD или между операциями первой и второй сушки TAD.
Каждая ссылка, цитированная в настоящем описании, включая патенты, опубликованные заявки, научные статьи и другие публикации, включены в настоящее описание в полном объеме в виде ссылок.
Краткое описание настоящего изобретения
Настоящее изобретение относится к композициям и способам снижения адгезии между бумажным полотном и поверхностями, такими как структурированные или текстурированные тканевая основа, ленты транспортера, пластины и валы, используемые в процессах изготовления бумажных тканей, и следовательно, к улучшению отделения бумажного полотна, например, от поверхности тканевой основы TAD. Способ включает нанесение композиции, включающей гидрофобные аминоамидные четвертичные соединения в комбинации а) по крайней мере с одним гидрофобным компонентом, отличающимся от аминоамида, в) одним или более ПАВ и/или их смесей, например, на поверхность тканевой основы TAD, поверхность структурированной тканевой основы, поверхность транспортера бумагоделательной машины, текстурированную или структурированную тканевую основу транспортера, поверхности формного цилиндра или поверхности валов или поверхность барабана сушильной машины «Янки».
В одном варианте осуществления настоящего изобретения предлагается также способ снижения адгезии бумажного полотна к поверхностям тканевой основы при нанесении композиции четвертичных гидрофобных аминоамидов, циклических или с прямой цепью, или их смесей, минерального масла и ПАВ на поверхность тканевой основы. Предлагаемые композиции можно наносить на рабочие поверхности с помощью распыления или накатного валика.
Подробное описание настоящего изобретения
Настоящее изобретение относится к композициям и способам снижения адгезии между поверхностями формирующегося бумажного полотна и тканевой основы. Композиция включает гидрофобные амины, такие как низкомолекулярные гидрофобные имидазолины и нециклические гидрофобные аминоамидные четвертичные соединения и/или их смеси, в комбинации по крайней мере с одним а) другим гидрофобным компонентом, таким как минеральные или растительные масла, и/или б) ПАВ, таким как сложные эфиры полиэтиленгликоля с прямой цепью и моно- и диэфиры различных жирных кислот, таких как олеиновая, стеариновая и пальмитиновая кислоты, и в) их смесями.
Настоящее изобретение также относится к нанесению гидрофобной композиции или водной эмульсии на рабочую поверхность бумагоделательной машины и таким образом к снижению адгезии бумажного полотна к рабочей поверхности бумагоделательной машины и к улучшению отделения бумажного полотна.
Предусматривается также, что композицию по настоящему изобретению можно использовать на поверхностях в других областях изготовления бумажных полотен, таких как обработка структурированной тканевой основы, текстурированной или структурированной тканевой основы транспортера, формных цилиндров или валов, например текстурированных транпортеров в процессе NTT фирмы Metso или текстурированных или структурированных валов в системе Advance Tissue Milding System (ATMOS) фирмы Voith.
Термин «гидрофобные амины» означает любое низкомолекулярное соединение амина или аммония, содержащее азот в составе аминной или аммонийной группы, присоединенной к гидрофобной или жирной группе, такой как углеводородная или фторуглеводородная цепь. Амины могут представлять собой жирные алкиламины с прямой или разветвленной цепью, соединения аммония, циклические амидазолины, аминоамиды с прямой цепью и т.п.
Было установлено, что низкомолекулярные гидрофобные амины по настоящему изобретению проявляют чрезвычайно высокую эффективность при снижении адгезии бумажного полотна, например, к тканевой основе TAD и в областях применения для отделения бумажного полотна TAD. Гидрофобные амины включают, например, структуры четвертичных аминоамидов и/или циклические структуры четвертичных имидазолинов, содержащих одну или две присоединенные гидрофобные группы и их смеси. Композиция может включать четвертичные аминоамиды с прямой цепью, четвертичные циклические имидазолины и/или их смеси.
Типичные четвертичные аминоамиды, которые можно использовать в настоящем изобретении, представлены формулой I и формулой II:
и
где
1
12
22
16
18
Rможет означать насыщенные или ненасыщенные С-С алифатические группы и могут означать C-C алифатические группы с прямой или разветвленной цепью,
2
R может означать метильную или этильную группу, и
X может означать противоион, такой как этилсульфат или метилсульфат.
Амины по настоящему изобретению получают по реакции жирных кислот (например, олеиновой, пальмитиновой или стеариновой кислот) с диэтилентриамином или аминоэтилэтаноламином с последующей кватернизацией полученных аминоамидов в присутствии диэтилсульфата, диметилсульфата или уксусной кислоты. Число гидрофобных цепей зависит от соотношения жирной кислоты и амина, которое может составлять от приблизительно 1:1 до приблизительно 2:1.
Степень циклизации или замыкание цикла четвертичных имидазолиновых продуктов зависит от условий реакции. В определенных условиях степень циклизации может составлять вплоть до приблизительно 90%. В других случаях степень циклизации составляет всего лишь 10%, при этом образуется смесь циклических имидазолиновых четвертичных соединений и аминоамидных четвертичных соединений с прямой цепью. Имидазолины и нециклические аминоамидные четвертичные соединения в значительной степени абсорбируются
на отрицательно заряженных поверхностях материалов, таких как тканевые основы, металлы и волокна, и придают им гидрофобные свойства.
Термин «минеральное масло» означает масла из минеральных источников и может означать смесь ароматических углеводородов и углеводородов с прямой и разветвленной цепью, углеводородов парафинового ряда и восков. Термин «поверхностно-активные вещества (ПАВ) или неионные ПАВ», используют для определения композиций, включающих, но не ограничивающихся только ими, гликоль и моно- и диэфиры различных жирных кислот. Другие примеры неионных ПАВ могут включать, например, этоксилаты спиртов с прямой или разветвленной цепью, алкоксилаты спиртов с прямой или разветвленной цепью, блоксополимеры полиоксиэтилена и полиоксипропилена, алифатические простые полиэфиры, этоксилированные полиметилалкилсилоксаны, алкилполиглюкозид, этоксилированные производные сорбита, сложные эфиры сорбита и жирных кислот, алкилфенилэтоксилаты и алкоксилированные амины.
В результате расширенных исследований авторами было установлено, что смеси четвертичных имидазолинов и аминоамидов проявляют более высокую эффективность при снижении адгезии между бумажным полотном и поверхностью тканевой основы TAD по сравнению с минеральными маслами, поли-α-олефинами и другими гидрофобными материалами, которые обычно применяют для отделения полотна от тканевой основы. Авторами было также установлено, что четвертичные имидазолины и аминоамиды в комбинации с дополнительными гидрофобными материалами, такими как минеральные или растительные масла, проявляют более высокую эффективность на практике для отделения от тканевой основы TAD по сравнению с композициями, содержащими индивидуальные компоненты.
Авторами было установлено, что четвертичные имидазолины и аминоамиды являются более эффективными на практике для отделения от тканевой основы по сравнению с α-олефинами и минеральным маслом. Следовательно, можно было бы предположить, что увеличение содержания α-олефинов или минеральных масел в составах, содержащих четвертичные соединения имидазолинов, будет снижать эффективность смеси четвертичного имидазолина и минерального масла. Однако авторами было установлено, что отделение от тканевой основы улучшается, если поверхность тканевой основы была обработана композицией, содержащей смесь четвертичных аминоамидов и по крайней мере одного другого гидрофобного компонента, отличающегося от аминоамида, такого как, например, минеральное масло, причем содержание другого гидрофобного компонента составляет вплоть до приблизительно 60% в расчете на общую массу композиции и может составлять от приблизительно 5% до приблизительно 40% в расчете на общую массу композиции. Увеличение степени отделения от тканевой основы TAD при добавлении минерального масла в смесь четвертичного аминоамида было совершенно неожиданным. Кроме того, было установлено, что комбинации четвертичного аминоамида и по крайней мере одного другого гидрофобного активного агента, отличающегося от аминоамида, с неионным ПАВ приводит к снижению адгезии между бумажным полотном и тканевой основой TAD.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения композиция для отделения от тканевой основы при сквозной сушке воздухом (TAD) включает четвертичный аминоамид (аминоамиды), по крайней мере один гидрофобный компонент, отличающийся от аминоамида, и необязательно неионный ПАВ (ПАВы), где четвертичные аминоамиды представляют собой низкомолекулярный имидазолин и нециклические четвертичные соединения аминоамидов и/или их смеси, и составляет от 20% до 99% в расчете на общую массу композиции и может составлять от приблизительно 40% до 75% в расчете на общую массу композиции, при этом по крайней мере одним гидрофобным компонентом является минеральное масло, растительное масло, силиконовое масло, поли-α-олефины и/или их смеси, которые составляют вплоть до 60% в расчете на общую массу композиции, и может составлять от приблизительно 5% до приблизительно 40 мас. % в расчете на общую массу композиции, причем ПАВ представляет собой гликоль и/или его сложные эфиры, моно- и диэфиры жирных кислот и/или их смеси, и где неионный ПАВ составляет от 0% до приблизительно 40% и может составлять от приблизительно 10% до приблизительно 30% в расчете на общую массу композиции.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения состав, включающий а) смесь гидрофобного имидазолина и гидрофобного нециклического аминоамида, б) минеральное масло и в) сложные диэфиры полиэтиленгликоля, такие как эфиры олеиновой, стеариновой и пальмитиновой
кислот, используют для снижения адгезии между бумажным полотном и тканевой основой TAD.
В еще одном варианте композицию можно использовать для улучшения отделения в процессах изготовления бумажных тканей, например, на фабриках по производству бумажной продукции санитарно-гигиенического назначения при отделении бумажного полотна от барабана сушильной машины «Янки».
В следующем разделе настоящее изобретение описано со ссылкой на определенные примеры, которые следует рассматривать как иллюстративные и не ограничивающие объем настоящего изобретения.
Примеры
2
2
Настоящие композиции оценивали по их способности снижать адгезию влажного бумажного полотна к материалам тканевой основы TAD. Ряд составов испытывали на приборе для испытаний на отделение от тканевой основы TAD, разработанного фирмой Hercules Inc., для измерения действия композиций на адгезионную силу и на приборе для испытаний фирмы Zwick (см. Choi D.D., "New Simulation Capability Turns Art into Science for Structured Tissue and Towel Making Processes," Proceedings of Tissue 360 Forum, PaperCon 2013, 2013). Составы испытывали в виде водных растворов, при этом нагрузка при обработке композицией составляла 60 мг/м и 120 мг/м.
Имидазолины, перечисленные ниже в таблицах 1А, 1Б и 1В, включают:
имидазолин А, представляющий собой смесь циклического имидазолина и моно- или бис-амидов с прямой цепью, образующихся в результате реакции олеиновой кислоты и диэтилентриамина (в соотношении 2:1), кватернизированного диметилсульфатом.
Эффективность композиций по настоящему изобретению определяли при сравнении результатов экспериментов, проведенных на поверхностях тканевой основы TAD, обработанных композицией по настоящему изобретению по сравнению с контрольными экспериментами, в которых использовали поверхности тканевой основы TAD, не обработанные композицией по настоящему изобретению.
В таблице 1 суммированы результаты, которые регистрировали в виде абсолютных значений адгезионной силы для контроля (не обработанные поверхности) и для обработанных поверхностей (столбцы 3 и 4), а также в виде относительного эффекта, выраженного в процентах снижения адгезии по сравнению с контролем (столбцы 5 и 6). Данные представлены в виде среднего значения для 6 измерений на одну обработку.
Пример 1
2
2
Проводили ряд экспериментов по отделению от тканевой основы TAD с использованием смесей имидазолина А, минерального масла и неионного ПАВ, как описано выше. Содержание неионного ПАВ поддерживали на постоянном уровне 20%, а содержание иммидазолина А и минерального масла варьировали в интервале от 0% до 80%. Смеси оценивали по отделению от тканевой основы TAD, при этом нагрузка при нанесении композиций составляла 60 мг/м и 120 мг/м.
2
2
Вторую серию экспериментов проводили при постоянном содержании неионного ПАВ в смеси на уровне 10%. Содержание имидазолина А и минерального масла варьировали в интервале от 0% до 90%. Смеси испытывали на отделение от тканевой основы TAD по методикам, описанным выше, при этом нагрузка при нанесении композиций составляла 60 мг/м и 120 мг/м.
2
2
Третью серию экспериментов проводили при постоянном содержании неионного ПАВ в смеси на уровне 4%. Содержание имидазолина А и минерального масла варьировали в интервале от 0% до 96%. Смеси испытывали на отделение от тканевой основы TAD по методикам, описанным выше, при этом нагрузка при нанесении композиций составляла 60 мг/м и 120 мг/м.
Таблицы 1А, 1Б и 1В
Что касается индивидуальных компонентов, смешанных с фиксированными количествами ПАВ, можно видеть, что имидазолин А является более эффективным по сравнению с минеральным маслом (по данным испытаний на отделение от тканевой основы TAD). Значения адгезии для имидазодина А более низкие по сравнению с адгезией для минерального масла. По данным, представленным выше в примерах, можно также наблюдать, что во всех трех сериях испытаний смеси имидазолина А с минеральным маслом являются более эффективными по сравнению с действием имидазолина А самого по себе.
Например, в серии смесей с 20% ПАВ для каждого состава, а именно для смеси с 80% имидазолина А и смеси с 80% минерального масла, значения адгезии составляют 14,55 и 19,48 Н соответственно. Следовательно, следует ожидать, что для смеси, содержащей 40% имидазолина А и 40% минерального масла, значение адгезии будет составлять приблизительно 17,02 Н. В действительности, значение адгезии составляет 11,94 Н, что на 29,8% ниже ожидаемой величины. Аналогичным образом, в серии смесей с 4% ПАВ для каждого состава, а именно для смеси с 96% имидазолина А и с смеси с 96% минерального масла, значения адгезии составляют 17,56 и 21,31 Н соответственно. Для смеси, содержащей 64% имидазолина А и 32% минерального масла, значение адгезии составляет 15,42 Н, что на 20,3% ниже ожидаемого значения, рассчитанного из значений адгезии для индивидуальных компонентов. Увеличение эффективности имидазолина при смешивании с менее эффективным компонентом, минеральным маслом, являлось полностью неожиданным.
Было также установлено, что интервал процентного содержания имидазолина А и минерального масла, в пределах которого наблюдается увеличение отделения от тканевой основы, изменяется в зависимости от использования ПАВ и нагрузки ПАВ. Интервал увеличения определяют как интервал процентного содержания смесей минерального масла и имидазолина А, в пределах которого наблюдается более низкая адгезия по сравнению с имидазолином А в отдельности. Например, было установлено, что увеличение отделения от тканевой основы наблюдается в интервале содержания имидазолина А от 20% до 60% для составов, содержащих 20% ПАВ, в интервале от 30% до 75% имидазолина А для составов, содержащих 10% ПАВ, и в интервале от 48% до 80% имидазолина А для составов, содержащих 4% ПАВ. В целом, увеличение отделения от тканевой основы наблюдается для составов, содержащих имидазолин А в интервале от приблизительно 20% до приблизительно 80%. Дополнительное увеличение наблюдается для составов, содержащих от приблизительно 40% до приблизительно 75% имидазолина А.
Пример 2
Сравнительные испытания проводили на приборе для испытаний на отделение от тканевой основы TAD с использованием трех составов. Результаты представлены в таблице 2. Для испытаний использовали следующие образцы: контрольный образец, который не обрабатывали, продукт Б, полученный согласно настоящему изобретению и который представлял собой трехкомпонентный состав, содержащий имидазолин А, минеральное масло и неионный ПАВ. Эти образцы испытывали по сравнению с двухкомпонентными составами - минеральное масло/ПАВ и поли-α-олефин/ПАВ. Результаты испытаний свидетельствуют о том, что продукт Б, содержащий в качестве компонента имидазолин А, значительно превышает составы минерального масла и поли-α-олефина (ПАО) по степени снижения адгезии.
Несмотря на то что настоящее изобретение описано со ссылкой на отдельные варианты осуществления настоящего изобретения, для специалиста представляется очевидным, что существует ряд других форм и модификаций. Настоящее изобретение, которое описано в настоящей заявке, в основном следует рассматривать как включающее все такие очевидные формы и модификации, которые включены в истинный объем настоящего изобретения.