[发明专利]用于乳化油和水的设备、系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于乳化油和水的设备、系统和方法，其特别用于制备施胶剂的水性乳液，所述施胶剂用于纸和纸板的内部施胶或表面施胶，或用于处理纸和纸板用的反转乳液聚合物产物的反转(inversion)。

背景技术

通常将纸工业中使用的向水性渗透剂赋予耐受性的添加剂称为施胶剂。两种最常见的合成施胶剂是烷基烯酮二聚体(AKD)和烯基琥珀酸酐(ASA)。

AKD和ASA是疏水性的水不溶性材料。在形成片材之前，可将这些材料加入纸浆中而称为内部施胶，或可涂布在所形成的网状物的表面上而称为表面施胶。对于各应用，施胶剂应良好地分散于水性体系中以便有效。为此，这些水不溶性添加剂通常以水性的水包油乳液的形式添加。

施胶剂水性乳液可以该形式供应至纸磨机，或可原位制备。实际上，对于一些合成的纤维素反应性施胶剂，有利的是原位乳化。例如由于在使用水乳化之后酸酐官能团的不稳定性而原位乳化ASA。

目前，在该工业中使用两类磨机中的乳化技术：(1)高剪切和(2)低剪切。高剪切乳化需要将ASA(或其他施胶剂)和保护性胶体、淀粉或合成性聚合物通过高剪切涡轮泵或匀化器，其添加有或未添加表面活性剂。该方法的限制在于需要“能够施加高度均匀的剪切和/或压力的相对复杂、昂贵和笨重的设备、以及有关乳化比例、温度等的严格步骤用于制备令人满意的特定粒径的稳定乳液。”(美国专利4,040,900)

为了解决高剪切乳化的限制，从1977年的Mazzarella(美国专利4,040,900)开始已提出低剪切乳化方法，其公开了ASA与3-20重量份的表面活性添加剂(表面活性剂)的混合物，其在非高剪切力和常压下仅通过搅拌、经过混合阀或常规抽吸器而可容易地用水乳化。”但是，这样的低剪切乳化可能造成发泡问题和不佳的施胶有效性，因此增大的表面活性剂含量造成表面活性剂累积在体系中。(C.E.Farley和R.B.Wasser，“Sizing with Alkenyl Succinic Anhydride”，The sizing of Paper中的第三章，第二版，W.F.Reynolds，Ed.，Tappi Press，1989，pp 51-62)

近来，Pawlowska等人(WO2006/096216)公开了“一种在湿端处对纸施胶的改进方法，其将使用较简单且较低成本的低剪切设备用于ASA乳化。”Pawlowska等人公开了一种施胶方法，其包括“在无高剪切力下形成水性施胶乳液，其包含烯基琥珀酸酐组分”，用阳离子组分将所述水性施胶乳液进行后稀释。Pawlowska和Mazzarella之间的主要差别在于使用阳离子组分后稀释乳液以提高驻留性。其实施例一致证实了使用阳离子淀粉后稀释的低剪切ASA乳液是比高剪切ASA乳液更低效的施胶剂，但认为低剪切ASA乳液的乳化方法的简易性向造纸工作者提供操作和成本上的益处。

其它专利公开了使用改性淀粉(如US 6,210,475)或聚合物(如US6,444,024B1)以增强低剪切乳化体系的性能，但没有解决低剪切体系性质中的基本性能和可运转性的问题。

在文献中，对于ASA乳化的“低剪切”条件和“高剪切”条件的定义倾向于是定性的。通常，使用一列不符合或符合描述词的设备。“高剪切”系统“存在于韦林氏捣切器、涡轮泵或其他极高速的搅拌器等”，并且“发现于活塞或其他类型的匀化设备中”(Mazzarella)。“低剪切”系统是：“仅搅拌、经过混合阀或常规抽吸器，或通过存在于备料体系中的搅拌器”(Mazzarella)或是“通过选自离心泵、静态在线混合器、蠕动泵及它们的组合装置产生的”剪切条件(Pawlowska)。但在商用乳化设备列表中使人混淆的这些定义暗示在低剪切类中存在符合的涡轮泵，所述商用乳化设备包括工业低压和高压单元如“Cytec Industries，Inc.，供应的Cytec低压涡轮乳化器、Nalco高压乳化系统和National Starch涡轮和文丘里乳化器”。此外，通过改变电压将韦林氏捣切器用于制备低能和高能的ASA乳液(Chen and Woodward，Tappi J.Aug，1986，pg 95)。所以通过设备类型不能简单地定义“低剪切”和“高剪切”系统。