專利名稱：用于監(jiān)測造紙工藝中的有機材料的沉積的改善的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于造紙領域。具體地，本發(fā)明屬于造紙工藝中監(jiān)測有機沉積物形成的領域。
背景技術：
有機材料如浙青(pitch)、膠粘物(sticky)和粘性物(tacky)，是紙張制造中的主 要障礙，這是因為這些材料當在造紙工藝期間被釋放時，可變成造紙配料的不良組分且對 研磨裝置造成麻煩，例如當這些材料沉積在機械部分上時會阻止機械部分的正確操作。已知有機材料沉積在石英晶體微量天平傳感器的表面上。然而，由于標準表面對 疏水性有機材料的低的親合力，沉積速率通常是低的。因而，需要監(jiān)測有機材料的沉積的有效的和改善的方法。此外，還需要監(jiān)測在造紙 工藝中阻止/減少有機材料的沉積的抑制劑的有效性的方法。發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種用于在造紙工藝中監(jiān)測分散在含水介質中的一種或多種有機 材料的沉積的方法，該方法包括測量有機材料從含水介質到石英晶體微量天平上的沉積 速率，該石英晶體微量天平具有與含水介質接觸的頂面以及與含水介質分離的第二底面， 該頂面涂覆有包含固化的不溶脹環(huán)氧樹脂或含硅聚合物的層。本發(fā)明還提供了一種用于測量在造紙工藝中減少一種或多種有機材料的沉積的 抑制劑的有效性的方法，所述方法包括在實際的或模擬的造紙工藝中監(jiān)測分散在含水介 質中的一種或多種有機材料，該監(jiān)測包括測量有機材料從含水介質到石英晶體微量天平上 的沉積速率，該石英晶體微量天平具有與含水介質接觸的頂面以及與含水介質分離的第二 底面，所述頂面涂覆有包含不溶脹環(huán)氧樹脂或含硅聚合物的層；添加減少了來自含水介質 中的有機材料的沉積的抑制劑；以及重新測量有機材料從含水介質到石英晶體微量天平的 涂覆表面上的沉積速率。發(fā)明詳述a.定義“造紙工藝”指從紙漿制造任一種類的紙制品(例如紙、薄紙、紙板等)的方法，所 述方法包括形成含水纖維素造紙配料、對該配料進行濾水以形成紙張和干燥紙張。形成造 紙配料、濾水和干燥的步驟可以以本領域技術人員通常已知的任何常規(guī)方式來進行。造紙 工藝還可包括制漿階段，即從木質原材料制造紙漿；以及漂白階段，即為改善亮度而對紙 漿進行化學處理?！?QCM，，指石英晶體微量天平。“SRM”指積垢率監(jiān)測器(scale rate monitor)。美國專利第6，375，829號和美 國專利第6，942，782號描述了 Nalco的積垢率監(jiān)測器且通過引用而被并入本文。SRM包含 QCM。“RQCM”指研究石英晶體微量天平，其可從Maxtek，Inc.，Cypress, California商 購得到。
b.優(yōu)選的實施方案QCM在造紙領域是已知的。SRM和RQCM是使用QCM的儀器類型的示例。在一種實 施方案中，石英晶體微量天平的頂面由一種或多種導電材料制成，所述一種或多種導電材 料選自由鉬；鈦；銀；金；鉛；鎘；有或沒有注入離子的類金剛石薄膜電極；鈦、鈮和鉭的硅 化物；鉛硒合金；液態(tài)汞合金；和硅組成的組。
用含有不溶脹環(huán)氧樹脂或含硅聚合物的層涂覆石英晶體微量天平的頂面促進有 機沉積物附著到石英晶體微量天平的表面。應用于石英晶體微量天平的不溶脹環(huán)氧樹脂具有在含水環(huán)境，如造紙工藝的含水 介質中不會顯著溶脹的特征。本領域的普通技術人員無需過度的實驗就可確定樹脂是否是 不溶脹的。在一種實施方案中，所述樹脂選自由甲酚酚醛環(huán)氧樹脂；苯酚酚醛環(huán)氧樹脂；雙 酚F(4，4' - 二羥基二苯基甲烷、2，4' - 二羥基二苯基甲烷或2，2' -二羥基二苯基甲烷 或其混合物)環(huán)氧樹脂；多核苯酚縮水甘油醚衍生的樹脂；四縮水甘油基亞甲基雙苯胺衍 生的樹脂；三縮水甘油基對氨基苯酚衍生的樹脂；三嗪衍生的樹脂；和乙內(nèi)酰脲環(huán)氧樹脂 組成的組。在另一種實施方案中，所述樹脂衍生自表氯醇和4，4 ‘ - 二羥基-2，2- 二苯基丙烷 (雙酚A ；還可包含2，4'-異構體和/或2，2'-異構體)。在另一種實施方案中，所述樹脂包含芳族主鏈、脂族主鏈、脂環(huán)族主鏈或雜環(huán)主 鏈。含硅聚合物還可被應用于石英晶體微量天平的表面。在一種實施方案中，含硅氧烷的聚合物(silicone containing polymer)選自由 硅橡膠和室溫硫化的硅橡膠組成的組。偶聯(lián)劑可被用來促進樹脂附著到QCM表面。在一種實施方案中，所述偶聯(lián)劑是3-縮水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷，其可 從 Dow Corning Corporation 可得，如 DOW CORNING Z- 6040 SILANE。DOW CORNING Z- 6040 SILANE是雜化雙官能偶聯(lián)劑。在另外的實施方案中，DOW CORNING Z- 6040 SILANE被制備為酸化水中的 0. 1%-0. 5%溶液并被應用于晶體的有效表面(active face)，并且然后，在應用硅烷之后， 將晶體在104°C -121°C下干燥，這產(chǎn)生了共價連接到石英晶體的環(huán)氧化物官能化的表面。 該表面之后被涂覆環(huán)氧樹脂薄層。環(huán)氧樹脂和含硅聚合物可通過對于本領域的普通技術人員來說明顯的各種方法 而被應用于QCM表面。在一種實施方案中，環(huán)氧樹脂或含硅聚合物通過滴涂方法或旋涂方法而被應用于 QCM表面。在環(huán)氧樹脂或含硅聚合物被應用到QCM表面之后，該環(huán)氧樹脂和含硅聚合物被硬 化/固化。環(huán)氧樹脂通過固化劑來硬化/固化。所利用的固化劑的類型對于本領域的普通技 術人員來說是明顯的而不需要過度的實驗，并且被選擇以使得該樹脂變成固化/硬化的不 溶脹樹脂。
含硅氧烷的聚合物不需要固化劑。應該選擇含硅聚合物，以使含硅聚合物在其隨 后應用到QCM表面時變硬。這不需要過度的實驗就可以確定。在一種實施方案中，固化劑選自由下述物質組成的組短鏈脂族多胺；烷氧基化 的短鏈多胺；長鏈多胺加合物；芳族多胺；聚氨基酰胺；以及聚硫醇。各種類型的和各種組合的有機材料存在于造紙工藝中。本公開內(nèi)容中包含的方法 學起到監(jiān)測一種或多種有機材料/有機材料的組合的沉積的作用。在一種實施方案中，有機材料是疏水性的。在造紙工藝中，有機材料包括天然的和/或合成的污染物。以合成的污染物的名 義，存在膠粘物和粘性物。白樹脂(white pitch)是與膠粘物和粘性物有關的常用術語。在一種實施方案中，膠粘物是微膠粘物(microsticky)。在另一種實施方案中，微膠粘物的尺寸不超過約0. IOmm-O. 15mm。在另一種實施方案中，膠粘物和粘性物是印刷油墨的組分。在另一種實施方案中，膠粘物和粘性物選自由下述物質組成的組粘合劑；涂覆 粘結劑(coating binder)；苯乙烯丁二烯橡膠；乙烯醋酸乙烯酯；聚醋酸乙烯酯；聚丙烯酸 乙烯酯；聚乙烯醇縮丁醛；聚丁二烯；蠟；醇酸樹脂；多元醇丙烯酸酯；以及施膠化學品。以天然的污染物的名義，存在天然的木浙青?？梢栽谠旒埞に囍械牟煌恢锰幈O(jiān) 測一種或多種有機材料的沉積。在一種實施方案中，監(jiān)測發(fā)生在造紙工藝中的選自由下述位置組成的組的位置 處紙漿處理；循環(huán)；磨漿機，再調(diào)漿器；漂白漿池；脫墨階段；水回路；造紙機或薄頁紙造 紙機的流漿箱及其組合。本發(fā)明包括的造紙工藝包括但不限于，紙板制造以及涉及循環(huán)的紙漿和/或廢紙 的造紙工藝。造紙工藝中的含水介質包括液體和漿料。在一種實施方案中，含水介質是紙漿漿 料。為了在造紙工藝中減少有機材料的沉積，向造紙工藝中添加不同類型的抑制劑。 抑制劑在造紙工藝中起到減少/消除不期望的有機材料的沉積的作用。例如，存在許多目 前用于減少有機材料的沉積的抗浙青(anti-pitch)和抗粘處理。因此，通過使用本發(fā)明的 方案，可以確定這些抑制劑的功效。更具體地說，可以基于從本發(fā)明的監(jiān)測過程獲得的信息 來發(fā)展紙化學程序。而且，可以發(fā)展反饋方案以便不僅提供對添加到造紙工藝中的化學品 的監(jiān)測，而且還提供對其的控制，使得該工藝變得更有成本效益、更有效并產(chǎn)生更好的紙制品
實施例在下面討論的試驗中采用下述技術。用于涂覆使用在SRM和RQCM試驗中的晶體 的方法是基于當晶體被從傳感器上取下時，將環(huán)氧樹脂旋涂到晶體上。通過用丙酮洗滌，然 后用0. 5N HCl和去離子(“DI”)水洗滌使晶體清除掉任何有機污染物。在氮氣流中干燥 干凈的晶體并將其固定到旋涂機上。在按重量計10%的濃度的丙酮或四氫呋喃(THF)中使 兩部分環(huán)氧樹脂均勻化。將環(huán)氧樹脂溶液沉積到晶體的頂面，覆蓋整個表面。以每分鐘轉 數(shù)(RPM)為2500來旋轉晶體50秒，得到薄的環(huán)氧樹脂層，其被允許在室溫下固化三天。
在晶體被固定在儀器中的情形時，不同的方法用于施用環(huán)氧樹脂涂層。按照與用 于SRM和RQCM的晶體相同的方式來清潔晶體的表面，但在丙酮或THF中將均勻化的、兩部 分環(huán)氧樹脂進一步稀釋至按重量計5%的濃度。將大約100微升的此溶液從晶體表面上約 6英寸高滴落到晶體的表面上以促進溶液的散布。在快速蒸發(fā)丙酮之后，所得到的沉積到晶 體表面上的環(huán)氧樹脂薄層被允許在室溫下固化三天。方案A為了模擬沉積，將由乳化的丙烯酸酯微球組成的典型的膠粘物懸浮液添加到0.3% -3%的稠度的紙漿懸浮液中。此測試系統(tǒng)中的紙漿稠度對沉積速率的影響是與用于 碾磨應用的監(jiān)測技術的發(fā)展有關的重要問題。當紙漿以非常低的稠度存在時，采用磁力攪 拌器的標準SRM分批系統(tǒng)運轉良好，但是其不適合分析更高稠度的漿料。通過使用連接至 電動機寬螺旋漿攪拌器來改良此系統(tǒng)。將池牢固地連接至臺，且攪拌器通過蓋中的通常由 加熱棒使用的槽到達池。此系統(tǒng)提供了高達5%稠度的紙漿的400RPM的均勻攪拌。將由丙烯酸粘合劑組成的微膠粘物的乳液預混入按漿料的重量計0. 25%濃度的攪拌的紙漿漿料中。然后，用SRM監(jiān)測沉積到晶體表面的質量隨時間的變化。還記錄了在 持續(xù)進行的試驗過程中用此粘合劑乳液摻入(spike)系統(tǒng)的效應。為了觀察沉積物控制化 學的效果，加有丙烯酸粘合劑的漿料還被用膠粘物抑制劑預處理且按照與未處理的試驗相 同的方式進行監(jiān)測。方案B專門設計的流動池被使用在這些試驗中。此池允許對流動的紙漿漿料進行測 量，當傳感器安裝在造紙廠時，以便模擬傳感器經(jīng)歷的條件。在鍋中，主要由紙漿漿料的 儲備(reserve)組成，該鍋配備有連接至電動機的寬螺旋漿攪拌器和排泄閥。該閥連接 至離心泵，離心泵驅動漿料向上流動通過內(nèi)徑為2. 6cm的55cm長的管狀池，該池具有配 件(fittings)以容納三個單獨的QCM傳感器和溫度傳感器。當離開流動池時，將漿料通 過軟管引導返回至儲備鍋以便再循環(huán)。使用Maxtek RQCM儀器對全部三個晶體連續(xù)地記 錄沉積和溫度。就此系統(tǒng)而言，對具有與流漿箱的稠度(0. 1% -0. 5% )可比擬的稠度的 紙漿漿料收集數(shù)據(jù)。利用暴露于相同的流動的紙漿懸浮液的三個傳感器，能夠直接評估 不同的涂層吸引微膠粘物的效果。為了比較本文描述的環(huán)氧樹脂涂層與未涂覆的晶體和 聚苯乙烯涂層(由 Tsuji 等人，Method For Measuring Microstickies Using Quartz CrystalMicrobalance With Dissipation Monitoring(使用具有耗散監(jiān)測的石英晶體 微量天平來測量微膠粘物的方法)，Kami Parupu Kenkyu Happyokai KoenYoshishu 73， 126-129(2006)提出)，使流動池配備有這三個傳感器，并監(jiān)測來自流動的紙漿漿料的膠粘 物沉積隨時間的變化。此試驗證明了所提議的方法相比文獻中描述的方法具有明顯的優(yōu) 勢。在單獨的比較研究中，相同的三個晶體用于監(jiān)測來自替代流動的紙漿漿料的白水的沉 積。方案C在此應用中，將RQCM固定到方案B中描述的池并安裝在紙漿管線或造紙機/薄頁 紙造紙機中(側流連接)，以確保漿料(碾磨水)的連續(xù)流動。當紙漿漿料以每分鐘加侖數(shù) (gpm)為2. 0-3. O的速率流過傳感器的面時，連續(xù)地記錄沉積。實施例1
根據(jù)方案A使用SRM，在Nalco化學品存在和不存在時，基于涂覆環(huán)氧樹脂的晶體對人造膠粘物(丙烯酸粘合劑)的親和力來篩選涂覆環(huán)氧樹脂的晶體。無需進行處理，人 造膠粘物聚積在涂覆環(huán)氧樹脂的晶體上。如

圖1和圖2所示，在DVP60002 ( 一種可從Nalco Company, Naperville, IL獲得的表面活性劑)的存在下，人造膠粘物對涂覆環(huán)氧樹脂的晶 體無親和力。如圖3所示，環(huán)氧樹脂的可能的替代物，晶體被涂覆室溫硫化的(RTV)硅氧烷(可 從Dow Corning Corporation獲得)，測試了對人造膠粘物的確定的親和力。在對包含表面 活性劑DVP60002的稀紙漿漿料進行的空白試驗中，質量隨時間增大，正如圖4所示的。如 果沒有表面活性劑，則不會觀察到質量的增大，因此涂覆了疏水性RTV硅氧烷的晶體顯示 出將表面活性劑牽拉出漿料。在嘗試測試晶體涂層對不同組成的膠粘物的親合力時，通過再調(diào)漿P0St-It Notes (3M Corporation)和具有普通復印紙的粘合劑標簽形成了人造膠粘物配料。將再調(diào) 漿的配料稀釋至0. 5%的稠度并采用RQCM來測試涂覆和未涂覆環(huán)氧樹脂的晶體。如圖5所 示，涂覆環(huán)氧樹脂的晶體聚集了明顯更高量的質量(膠粘物)。在樣品離開再調(diào)漿器之后， 立即進行測量，且晶體上的大部分的質量在前30分鐘內(nèi)聚集。為了測試這是否是因為再調(diào) 漿引起的高剪切力之后，膠粘物的不穩(wěn)定性，在再調(diào)漿之后，在測量涂覆環(huán)氧樹脂的晶體之 前，攪拌漿料1. 5小時。觀察到了類似趨勢的沉積，證明了涂覆環(huán)氧樹脂的晶體檢測在溶液 中穩(wěn)定的膠粘物的能力。實施例2采用方案B，在去離子水和硫酸鹽漿料(0. 5%的稠度)中使用RQCM和循環(huán)流動池 測試了聚合物涂層在含水環(huán)境中的溶脹效應。如圖6所示，結果清楚地顯示出與從微膠粘 物觀察到的沉積相比，來自溶脹的信號極小。實施例3采用方案B，基于涂層吸引微膠粘物的有效性來篩選涂層。結果顯示在圖7、圖8 和圖9中。PVC和聚苯乙烯作為在漿料或磨蝕作用更低的白水中吸引微膠粘物的涂層并沒 有顯示出明顯的響應。如圖10所示，在測量之前，用表面活性劑預處理漿料使涂覆環(huán)氧樹脂的晶體上的 沉積減少了超過95%。實施例4根據(jù)方案A，采用SRM，在臺式試驗中測量合成浙青聚積(syntheticpitch accumulation) 0通過在633ml的異丙醇中混合5g的合成的軟木浙青(50%的松香酸、10% 的油酸、10%的棕櫚酸、10%的玉米油、5%的油醇、5%的硬脂酸甲酯、5 %的β -谷甾醇以 及5%的己酸膽甾醇酯的均勻混合物)來制備的合成浙青溶液。向ρΗ為7. 3的10L的 去離子水中添加Iml的此溶液。添加氯化鈣溶液(以Ca離子計為5000ppm，50ml)。如圖11所示，與具有拋光的金表面的未涂覆的晶體相比，涂覆環(huán)氧樹脂的晶體具 有在含水環(huán)境中檢測木浙青的增大的靈敏度。在此試驗中，將合成浙青的濃度有意地維持 在非常低的水平。雖然可以使用QCM監(jiān)測高濃度的木浙青，但是在低濃度時并不這樣做。該 試驗顯示出所要求保護的方法提高了該方法的靈敏度，從而可以進行這樣的監(jiān)測。實施例5
根據(jù)方案A，使用SRM，還測試了作為從循環(huán)的配料中吸引微膠粘物的晶 體涂層的 低密度聚乙烯(LDPE)。假設疏水性微膠粘物將被吸引到涂覆了高度疏水性的LDPE晶體上。 圖12中的結果顯示出并不是這種情形。
權利要求
一種用于在造紙工藝中監(jiān)測分散在含水介質中的一種或多種有機材料的沉積的方法，所述方法包括測量所述有機材料從所述含水介質到石英晶體微量天平上的沉積速率，所述石英晶體微量天平具有與所述含水介質接觸的頂面以及與所述含水介質分離的第二底面，所述頂面涂覆有包含固化的不溶脹環(huán)氧樹脂或含硅聚合物的層。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述造紙工藝涉及循環(huán)的紙漿和/或廢紙。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述有機材料是疏水性有機材料、膠粘物、粘性物、 白樹脂、造紙工藝中的合成的污染物、木浙青、造紙工藝中的天然的污染物或其組合。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述膠粘物是微膠粘物。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述微膠粘物不超過約0.IOmm-O. 15mm。
6.如權利要求3所述的方法，其中所述膠粘物和所述粘性物選自由下述物質組成的 組粘合劑；涂覆粘結劑；苯乙烯丁二烯橡膠；乙烯醋酸乙烯酯；聚醋酸乙烯酯；聚丙烯酸 乙烯酯；聚乙烯醇縮丁醛；聚丁二烯；蠟；醇酸樹脂；多元醇丙烯酸酯；以及施膠化學品。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述石英晶體微量天平的頂面由選自由下述物質組 成的組的一種或多種導電材料制成鉬；鈦；銀；金；鉛；鎘；有或沒有注入離子的類金剛石 薄膜電極；鈦、鈮和鉭的硅化物；鉛硒合金；液態(tài)汞合金；和硅。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述樹脂衍生自表氯醇和雙酚A。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述樹脂包含芳族主鏈、脂族主鏈、脂環(huán)族主鏈或雜 環(huán)主鏈。
10.如權利要求1所述的方法，其中所述樹脂選自由甲酚酚醛環(huán)氧樹脂；苯酚酚醛環(huán)氧 樹脂；雙酚F環(huán)氧樹脂；多核苯酚縮水甘油醚衍生的樹脂；四縮水甘油基亞甲基雙苯胺衍生 的樹脂；三縮水甘油基對氨基苯酚衍生的樹脂；三嗪衍生的樹脂；和乙內(nèi)酰脲環(huán)氧樹脂組 成的組。
11.如權利要求1所述的方法，其中含硅氧烷的聚合物選自由下述物質組成的組硅橡 膠和室溫硫化的硅橡膠。
12.如權利要求1所述的方法，其中所述監(jiān)測發(fā)生在造紙工藝中的選自由下述位置組 成的組的位置處紙漿處理；循環(huán)；磨漿機，再調(diào)漿器；漂白漿池；脫墨階段；水回路；造紙 機或薄頁紙造紙機的流漿箱及其組合。
13.如權利要求1所述的方法，其中所述含水介質是紙漿漿料。
14.一種用于測量在造紙工藝中減少一種或多種有機材料的沉積的抑制劑的有效性的 方法，所述方法包括a.在造紙工藝中監(jiān)測分散在含水介質中的一種或多種有機材料，所述監(jiān)測包括測量所 述有機材料從所述含水介質到石英晶體微量天平上的沉積速率，所述石英晶體微量天平具 有與所述含水介質接觸的頂面以及與所述含水介質分離的第二底面，所述頂面涂覆有包含 不溶脹環(huán)氧樹脂或含硅聚合物的層；b.添加減少了來自所述含水介質中的所述有機材料的沉積的抑制劑；以及c.重新測量所述有機材料從所述含水介質到所述石英晶體微量天平的涂覆表面上的 沉積速率。
15.一種用于測量在造紙工藝中減少一種或多種有機材料的沉積的抑制劑的有效性的 方法，所述方法包括a.監(jiān)測分散在模擬造紙工藝的含水介質中的一種或多種有機材料，所述監(jiān)測包括測量 所述有機材料從所述含水介質到石英晶體微量天平上的沉積速率，所述石英晶體微量天平 具有與所述含水介質接觸的頂面以及與所述含水介質分離的第二底面，所述頂面涂覆有包含不溶脹環(huán)氧樹脂或含硅聚合物的層；b.添加減少了來自所述含水介質中的所述有機材料的沉積的抑制劑；以及c.重新測量所述有機材料從所述含水介質到所述石英晶體微量天平的涂覆表面上的 沉積速率。
全文摘要
公開了一種用于在造紙工藝中監(jiān)測分散在含水介質中的一種或多種有機材料的沉積的方法，所述方法包括測量有機材料從含水介質到石英晶體微量天平上的沉積速率，該石英晶體微量天平具有與含水介質接觸的頂面以及與含水介質分離的第二底面，該頂面涂覆有包含不溶脹環(huán)氧樹脂或含硅聚合物的層。此外，還公開了一種用于測量在造紙工藝中減少有機材料的沉積的抑制劑的有效性的方法。
文檔編號G01N29/02GK101802605SQ200880104024
公開日2010年8月11日 申請日期2008年8月22日 優(yōu)先權日2007年8月29日
發(fā)明者羅德尼·H·班克斯, 謝爾蓋·M·舍甫琴科, 邁克爾·J·穆爾西亞 申請人:納爾科公司