專利名稱：具有高內結合強度的低密度多層紙板的制造方法
技術領域：
本申請涉及提高多層(multi-ply)紙板的結合強度，所述多層紙板具有存在于至少一層內的高交聯纖維素纖維。
發明概述本申請涉及提高紙板的內結合強度，所述紙板在至少一層中具有高于25％的交聯纖維。在本方法中，以各種組合和順序向漿料中加入添加劑，同時將漿料的離子需求量(ionic demand)保持在低于0。得到了具有高ZDT、高Scott Bond和高Taber剛度的紙板。
圖1所示為各種化學物的添加對3％-3.2％漿料的離子需求量的影響。
圖2所示為化學物的添加對采用聚丙烯酸交聯纖維素纖維的中間層模擬物(mid-ply simulation)的離子需求量的影響。
圖3所示為化學物的添加對采用檸檬酸交聯纖維素纖維的中間層模擬物的離子需求量的影響。
圖4所示為適合于實施本發明方法的成漿池(machine chest)和添加劑進入點的圖解表示。
圖5表示適合多層產品的多層紙板機。
發明內容
在內層含有高于約25％交聯纖維素纖維的單或多層紙板中，層(stratum)的密度會降至0.4g/cm3以下。其結果使內結合強度降至如此低，以至不僅遠低于將紙板轉化成包裝產品所需的水平，而且在常規提高內部強度的方法不能提供足以滿足轉化所需的最低水平的強度提高的水平以下。本申請提供了提高低密度紙板內結合強度的方法，使其內結合強度重新提高至可用于轉化的范圍。
本申請中，在生產低密度紙板的同時驗證了高濃度的濕端添加劑的使用。
本申請的區別特征在于，無論是單層或是多層結構的紙板，其至少一層含有交聯纖維素纖維和用于補償因加入交聯纖維素纖維而致的紙板強度損失的強度提高添加劑，所述添加劑例如陰離子和陽離子淀粉。交聯纖維素纖維提高了板的絕緣紙板特性的堆積密度。紙板還含有化學紙漿纖維。如本文所定義，可用于本申請的化學紙漿纖維主要源自木漿。適合用于本申請的木漿纖維可由公知化學方法得到，例如具有或不具有后續漂白的牛皮紙漿制法和亞硫酸鹽制漿方法。可使用軟木和硬木。選擇木漿纖維的詳情對本領域技術人員是公知的。例如，可用于本申請的、產自南方松的合適纖維素纖維可購自包括Weyerhaeuser Company的多個公司，商品名為C-Pine、Chinook、CF416、FR416和NB416。漂白的Kraft Douglas Fir紙漿、KKT、Prince AlbertSoftwood和Grande Prairie Softwood是可使用的北方軟木的實例，其全部由Weyerhaeuser制造。當與交聯纖維素纖維一道使用時，由BuckeyeTechnologies，Memphis TN制造的絲光化纖維例如HPZ和絲光化快干纖維例如HPZ III，以及可購自Rayonier Performance Fibers Division，Jessup，GA的Porosinier-J-HP也適合用于本申請中。其他非交聯纖維素纖維包括化學熱磨機械漿纖維(CTMP)、漂白化學熱磨機械漿纖維(BCTMP)、熱磨機械漿纖維(TMP)、盤磨木漿(refiner groundwoodpulp)纖維、磨木漿纖維、由Weyerhaeuser，Federal Way，WA制造的TMP(熱磨機械漿)，以及購自NORPAC，Longview，WA、商品名為CTMPNORPAC Newsprint Grade的CTMP(化學熱磨機械漿)，由Weyerhaeuser Company通過2004年8月20日提交的美國申請10/923,447所述方法制造的噴射干燥纖維素纖維以及處理的噴射干燥纖維素纖維。這些纖維被纏繞成結并卷曲。其他的纖維包括快干纖維和處理的快干纖維，如美國專利6,837,970中所述。
適合用于制造交聯纖維的交聯劑包括羧酸交聯劑例如多元羧酸。多元羧酸交聯劑(例如檸檬酸、丙烷三羧酸和丁烷四羧酸)和催化劑如美國專利3,526,048；4,820,307；4,936,865；4,975,209和5,221,285中所述。將含有至少三個羧基的C2-C9多元羧酸(例如檸檬酸和氧二琥珀酸)用作交聯劑描述于美國專利5,137,537；5,183,707；5,190,563；5,562,740和5,873,979中。
聚合多元羧酸也是適合制造交聯纖維的交聯劑。其包括如美國專利4,391,878；4,420,368；4,431,481；5,049,235；5,160,789；5,442,899；5,698,074；5,496,476；5,496,477；5,728,771；5,705,475和5,981,739中所述的聚合多元羧酸交聯劑。作為交聯劑的聚丙烯酸及其相關共聚物描述于美國專利5,549,791和5,998,511中。聚馬來酸交聯劑描述于美國專利5,998,511和美國專利申請第09/886,821號中。在本工作中使用作為檸檬酸交聯纖維素纖維的CHB405和作為聚丙烯酸交聯纖維素纖維的CHB505，二者均可購自Weyerhaeuser Company，Federal Way，WA。
在單或多層紙板結構中，采用了木漿纖維和交聯纖維素纖維的混合物。在一個實施方案中，交聯纖維素纖維存在于至少一層中，其水平為板層纖維總重的25％-80％。在另一實施方案中，交聯纖維的存在水平為板層纖維總重的40％-75％，在另一實施方案中，其存在水平為板層纖維總重的50％-70％。
發明人制作了單層手抄紙(handsheet)，用以模擬低密度多層紙板的中間層。在該研究中采用了0.015％至0.035％稠度的漿料。手抄紙制造設備是標準的8”×8”片料成型模，其以擴展的流漿箱(headbox)進行修改，從而可使用兩倍的原料正常體積。在采用用于產生高膨(high bulk)材料例如交聯纖維素纖維時，該修改對于改進手抄紙的形成是必要的。纖維重量表示為纖維總干重的重量百分比；添加劑基于纖維的干重。
采用不同水平的濕端(wet end)添加劑和不同添加順序制造了一系列手抄紙，用以驗證可由填充料片(web)的淀粉所產生的內結合強度水平。以經過每一樣品行的順序將添加劑加入漿料中，并在每次添加后攪拌漿料。陰離子淀粉AvebeAP25購自Carolina Starches，NorthCharleston，SC，陽離子淀粉Stay-Lok300和Stay-Lok330購自Tateand Lyle，Decatur的子公司A.E.Staley，IL Kymene購自Hercules，Wilmington DE，RediBOND3050購自National Starch，IndianapolisIN。然后以購自Celanese Ltd.，Houston，TX的聚乙烯醇(PVA)涂料Celvol V24203涂覆各手抄紙。總涂料重量為約50g/m2，并等量地分配至紙片的各側面。將涂料添加至表面，以便于Z向張力(ZDT)和InternalScott Bond的測定，因為無涂料的低密度結構傾向于在帶子(tape)處而不是紙片內分離開。對各紙片評價數個物理性能，包括基重、ZDT、Internal Scott Bond和Taber剛度(15°)。如下表I示出了這些關鍵特性的結果。
表I 手抄紙配方和添加順序
D.Fir，Douglas Fir
ZDT(Z向張力)強度由TAPPI方法T 541om-05確定，Scott Bond強度由TAPPI 569om-00確定，Taber剛度由TAPPI T 489om-04確定。
樣品1是用于制造(deliver)低密度紙并使用常規濕化學法的纖維配方。其結果ZDT和Scott Bond極低。樣品2表明通過向配料中加入4％的總淀粉，ZDT和Scott Bond基本上加倍。樣品3表明當將陰離子淀粉用量加倍，將陽離子淀粉保持恒定并采用比該陽離子淀粉(+0.3毫當量(meq)/克，表III)具有更高離子需求量的陽離子聚合物(+2.2毫當量/g)，用于平衡另外的陰離子電荷時，其結果內結合進一步提高，ZDT比對照提高了500％；Scott Bond幾乎加倍。
數據表明，陰離子淀粉與陽離子固定劑相結合使得淀粉可有效保持于濕端。如此處所定義，固定劑是以離子方式通過離子鍵結合至相反電荷分子的帶電聚合物。固定劑的實例包括但不限于陽離子淀粉、多胺、Polyaluminum chloride(PAC)、poly DADMAC(聚二烯丙基二甲基氯化銨)、EPEDMA、Kymene、PAAE(聚酰胺胺-表氯醇)，PASS(polyaluminiumsilicasulate)，PEI(聚乙撐亞胺)和陽離子聚丙烯酰胺。
在一個實施方案中，將陽離子固定劑加入至漿料中，然后加入陰離子淀粉，隨后加入陽離子淀粉。在各情況下，加入添加劑后，漿料的離子需求量低于0。在另一實施方案中，在加入陰離子淀粉之前向漿料中加入陽離子淀粉，并在加入陰離子淀粉之后加入陽離子固定劑。在另一實施方案中，將陽離子固定劑加入漿料中，并在加入陽離子固定劑之后將陰離子淀粉加入漿料中。在各情況下，陰離子淀粉加入漿料中，然后加入陽離子淀粉。加入淀粉之后漿料的離子需求量低于0。
在一個實施方案中，以2.5磅/噸至20磅/噸的水平加入Kymene。在另一實施方案中，其以5磅/噸至15磅/噸的水平加入，在另一實施方案中，其以8磅/噸至10磅/噸的水平加入。
通常，淀粉裝載量對15°彎曲時的taber剛度的影響小。對于單層手抄紙這是合理的，因為厚度(caliper)是影響彎曲剛度的主要變量。淀粉裝載量對密度的影響足夠小，以至由于淀粉裝載帶來的紙片的彈性模數增長補償了厚度的小變化。在多層料片中預計會有相同的反應。
不同陰離子和陽離子淀粉的比較表II示出了本研究制作手抄紙中所用的基本配方和條件。
表II.手抄紙配方、添加順序和紙片性能
所有的樣品在添加陰離子淀粉之前均添加了5磅/噸Kymene，并在添加陽離子淀粉Sta-Loc330之后均添加了4.5磅/噸Aquapel。
在這些研究中，陰離子和陽離子淀粉的添加水平以及淀粉的離子需求量均有變化。離子需求量是指要使給定體積的配料的凈電荷達到0所需的電荷數量(正或負)。陽離子需求量是指要使樣品凈電荷為0所需的陽離子電荷量。具有陽離子需求量的樣品是凈陰離子的。陰離子需求量是指要使樣品凈電荷為0所需的陰離子電荷量。具有陰離子需求量的樣品是凈陽離子的。
將AniofaxAP25(-0.25毫當量/克離子需求量)與具有約-0.19毫當量/克的更低離子需求量的Hercules RediBOND3050調換。另外將離子需求量為+0.30毫當量/克的Sta-Loc300換成離子當量約+0.41毫當量/克的Sta-Lok330。表II中所示結果表明，與AniofaxAP25相等質量的RediBOND3050會使ZDT降低約10％。這一減少相信是由于RediBOND3050更低的電荷貢獻使得隨后加入的淀粉的保留更低。但是，Scott Bond和Taber剛度的變化幾乎相同(樣品序號5vs.6，7vs.8和9vs.10)。
離子需求量平衡該技術依賴于在造紙機的濕端平衡離子需求量的能力，從而1)陰離子聚合材料能保留在纖維和細粉(fines)上，而不會過度殘留在水系中，2)纖維和體系不會經過使保留和排水(drainage)不穩定的0電荷點，3)由于紙漿纖維是陰離子的，可加入一些陽離子材料，但加入過量離子材料而不平衡過量陰離子需求量則會使纖維發生絮凝而減少成形(flocculate reducing formation)，和/或引起排水下降，從而影響運轉性能。
1.使用儀器背面上的電源開關打開Mutek。
2.將10mL良好混合的樣品置于樣品容器內。將柱塞(plunger)和洗滌器(washer)插入容器內。樣品稠度應不高于0.83。稠的原料樣品應稀釋。
3.隨著開啟儀器，柱塞應上下運動，并應顯示mV電勢。電勢符號(+或-)指示樣品是陽離子(+)還是陰離子(-)的。
4.以合適的滴定劑滴定樣品，直至mV電勢讀數0mV(PolyDADMAC為陽離子聚合物，用于滴定陰離子樣品；PVSK或PESNa為陰離子聚合物，用于滴定陽離子樣品)。可使用滴定管或注射器將滴定劑遞送至樣品。進行滴定的滴定劑不應超過4mL，因為更大的體積會導致測量不準確。如果樣品需要大于4mL的滴定劑，則應將樣品稀釋或應采用更濃縮的滴定劑。
5.記錄用于滴定樣品的滴定劑的量。使用如下方程式計算體系的離子需求量。
“離子需求量”(微當量(ueq)/升)＝(滴定劑毫升數)×(滴定劑稀釋度百分比)×(樣品稀釋度)通過Mutek方法測量離子需求量的具體組分如表III中所述，其他組分值得自供應商。
表III具體組分的離子需求量
(a)由Mutek方法確定；其他值得自供應商。
存在過量離子材料時，加入漿料中用以提高內結合強度的材料可由該過量的離子材料所消耗。同樣，紙漿上的可利用離子位點也依賴于精練(refining)到什么程度，以及依賴于基本的纖維形態，即纖維或部分纖維越小，可利用的表面積就越大，從而可利用的離子需求量就越高。
通常可認為，纖維漿料起始是陰離子的，整個造紙過程中應保持陰離子性，即漿料的離子需求量應小于0。
計算平衡為了本研究目的，采用表III中的離子需求量值計算了表I和II中所列配方的離子需求量，忽略漿料中除所列材料之外的離子材料。
在成形法(forming process)過程中的任意時刻，離子添加劑的添加順序和添加量指示了原料配料的離子需求量。這些實驗的估測離子需求量如表IV和V所示。
表IV.表I各添加步驟中漿料的計算的累積離子需求量
注所有的添加均基于烘干基重。
單元格中的第二項是組分的離子需求量貢獻表V.表II各添加步驟中漿料的計算的累積離子需求量
注將1kg烘干配料用作基料。單元格中的第二項是組分的離子需求量貢獻表VI.各種化學物添加后中間層原料的測量離子需求量
表VI表示采用稀釋用工廠白水(mill white water)，在0.5％漿料稠度時，所測得的類似添加劑組合的離子需求量量。
對于陽離子材料全部在其他陰離子淀粉之前加入的情況，則體系的離子需求量越過0電荷點，如表VI的12、14和圖1。已經知道這會使細粉(fines)保留不穩定，并影響機器濕端的絮凝和排水，潛在地會導致ZDT損失。圖1中，添加點如下A是原漿配料，B是Kymene添加，C對13、15和16是Hercules RediBOND3050添加，對12和14是Sta-Loc300添加，D是Hercules RediBOND添加。樣品11-16由CHB405制成，樣品17-19由CHB505制成。樣品16和19各自含有0.5磅/噸PSM ParticolBX，其于添加HRB3050之后加入。對以CHB405(檸檬酸交聯纖維)和CHB505(聚丙烯酸交聯纖維)制成的樣品進行比較，表VI的15和16vs 18和19，圖2和3表明兩種交聯纖維素纖維級別之間的離子需求量差別小。凈結果是對用于保留結合材料的可利用位點的數量無特別影響。加入相同量的Kymene產生出相同的離子需求量這一事實支持了上述觀點。
可采用3％-3.2％漿料稠度、50/50干重比的交聯纖維例如聚丙烯酸交聯纖維(CHB505)和Douglas Fir纖維制造單或多層紙板。也可采用0.05％至4％的漿料稠度用于制備紙板。術語“稠度”指固體和液體的混合物中固體含量的百分比，例如，2％稠度指在一百克纖維與液體中存在兩克纖維素纖維。此處所定義的干重指將代表性的纖維在105℃+/-2℃干燥，并每隔一小時進行稱重，直至得到恒重。實際操作中，商品級纖維的含濕量為約9％。Douglas Fir在加入成漿池之前可精練(refined)至500CSF或更低。在流漿箱前面可采用標準4mm阻擋篩板(barrier screen)。各種添加劑如Kymene、陰離子和陽離子淀粉的添加點如圖4所示。所形成的紙板可具有200-500g/m2基重，表面層各占總纖維干重的15％-25％，中間層占總纖維干重的50％-70％。在一個實施方案中制成了單層紙板。在另一實施方案中制成了至少具有兩層的紙板。交聯纖維素纖維可同時存在于兩個層中，或僅存在于一層中。在另一實施方案中，可制成具有三層的紙板。各層可完全相同、完全不同，或者可以是各種層的組合。
淀粉和其他添加劑可在圖4所示位置處加入。
如圖5所示，采用常規長網造紙(Fourdrinier)技術以約0.6％的原料稠度可分別由中間層形成表面層。
采用Beloit頂網成形機(top former)，可直接于長網造紙臺上的底層上形成中間層。通過頂網(top wire)排水單元可完成脫水。
通過領紙輥可使頂層與底層和中間層結合。隨后通過典型的造紙機單元操作可對結合形成的料片(web)進行處理以常規氈制濕壓機進行濕壓，以蒸汽發生器進行干燥，進行施膠(size press)，此時可將基于干重纖維的約2％-2.5％淀粉施用至料片，然后以蒸汽發生器干燥至6.5％濕含量，并進行濕壓光、干壓光和卷繞(winding)。
權利要求
1.一種形成紙板的方法，其包含如下步驟形成包含交聯纖維的纖維素纖維漿料；加入陽離子固定劑并與所述漿料混合；在加入所述陽離子固定劑之后，加入陰離子淀粉；在加入所述陰離子淀粉之后，加入陽離子淀粉；其中在各添加步驟之后，漿料的離子需求量小于0；從所述漿料抽出液體，從而形成纖維質料片層；干燥所述料片從而形成紙板。
2.權利要求1的方法，其中所述交聯纖維以纖維總重的25％至80％水平存在于紙板的至少一層內。
3.權利要求2的方法，其中所述交聯纖維以纖維總干重的40％至75％水平存在于紙板的至少一層內。
4.權利要求1的方法，其中淀粉總水平為50至120磅/噸。
5.權利要求1的方法，其中淀粉總水平為60至100磅/噸。
6.權利要求1的方法，其中淀粉總水平為80至90磅/噸。
7.權利要求1的方法，其中在添加陰離子淀粉之前向配料中加入陽離子淀粉，在添加陰離子淀粉之后加入陽離子固定劑。
8.一種形成紙板的方法，其包含如下步驟形成包含交聯纖維的纖維素纖維漿料；加入陽離子固定劑并與所述漿料混合；在加入所述陽離子固定劑之后，加入陰離子淀粉；其中在各添加步驟之后，漿料的離子需求量小于0；從所述漿料抽出液體，從而形成纖維質料片層；干燥所述料片從而形成紙板。
9.權利要求8的方法，其中在添加陽離子固定劑之前向漿料中加入陰離子淀粉。
10.權利要求8的方法，其中所述交聯纖維以纖維總重的25％至80％水平存在于紙板的至少一層內。
11.權利要求8的方法，其中所述交聯纖維以纖維總干重的40％至60％水平存在于紙板的至少一層內。
12.權利要求8的方法，其中淀粉總水平為50至120磅/噸。
13.權利要求8的方法，其中淀粉總水平為60至100磅/噸。
14.權利要求8的方法，其中淀粉總水平為80至90磅/噸。
15.一種形成紙板的方法，其包含如下步驟形成包含交聯纖維的纖維素纖維漿料；加入陽離子淀粉并與所述漿料混合；在加入所述陽離子固定劑之后，加入陰離子淀粉；其中在各添加步驟之后，漿料的離子需求量小于0；從所述漿料抽出液體，從而形成纖維質料片層；干燥所述料片從而形成紙板。
16.權利要求15的方法，其中在添加陽離子固定劑之前向漿料中加入陰離子淀粉。
17.權利要求15的方法，其中所述交聯纖維以纖維總重的25％至80％水平存在于紙板的至少一層內。
18.權利要求15的方法，其中所述交聯纖維以纖維總干重的40％至60％水平存在于紙板的至少一層內。
19.權利要求15的方法，其中淀粉總水平為50至120磅/噸。
20.權利要求15的方法，其中淀粉總水平為60至100磅/噸。
21.權利要求15的方法，其中淀粉總水平為80至90磅/噸。
全文摘要
本發明描述了紙板內結合強度的提高方法，所述紙板在至少一層中帶有高于25％的交聯纖維。在該方法中，將添加劑以各種組合和順序加入漿料中，同時將漿料的離子需求量保持在低于0。由此得到具有高ZDT、高Scott Bond和高Taber剛度的紙板。
文檔編號D21J1/00GK1837466SQ2006100682
公開日2006年9月27日 申請日期2006年3月22日 優先權日2005年3月22日
發明者丹尼爾·T·邦克 申請人:韋爾豪澤公司