紙或紙板的纖維幅材及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及纖維幅材產品如紙，和用于制備這種纖維幅材的方法。根據該方法，將微纖化纖維素(MFC)與較大纖維長度的紙漿如化學熱磨機械紙漿(CTMP)一起，與水和表面活性劑的泡沫混合，將該泡沫提供到紙或紙板機的成形織物，通過經由成形織物的空氣的抽吸脫水，并干燥為最終的幅材產品。該方法帶來了高松厚度和高Scott結合值的組合，為紙和紙板產品提供了改善的濕和干拉伸強度。
【專利說明】紙或紙板的纖維幅材及其制備方法
[0001]本發明涉及用于制備紙或紙板的纖維幅材的方法，通過該方法獲得的纖維幅材，以及包含這種幅材作為至少一層的多層紙板。作為特別的方面，發泡技術在本發明中用于制備纖維幅材。
[0002]發明背景
[0003]在造紙工業中，已經在幅材形成工藝和幅材涂覆工藝兩者中使用了泡沫技術，其中使用泡沫作為材料的載體相。該技術描述于例如以下出版物中:Radvan, B., Gatward,A.P.J.,通過發泡過程形成濕鋪幅材(The format1n of wet-laid webs by a foamingprocess), Tappi,第 55 卷(1972)第 748 頁；ffiggins Teape Research and DevelopmentLtd.的報告，在造紙中利用泡沫而非避免泡沫的新工藝(New process uses foam inpapermaking instead ofavoiding it), Paper Trade Journal,1971 年 11 月 29 日；和Smith, Μ.K.，Punton, V.ff.，Rixson, A.G.,通過發泡過程形成的紙的結構和性能(Thestructure and properties of paper formed by a foaming process), TAPPI,1974 年 I月，第57卷，第I號，第107-111頁。
[0004]在GB I 395 757中，描述了一種用于在紙張制造中使用的用于制備發泡纖維分散體的裝置。將表面活性劑加入至纖維長度超過約3_的纖維漿，以提供具有至少65%的空氣含量的分散體，其被排放到造紙機的成形織物上。目的是在織物上實現纖維幅材的均勻成形。
[0005]到上世紀70年代中期為止，泡沫成形工藝已經在生產機器上成功地得到證明。在Wiggins Teape Radfoam工藝(Arjo Wiggins)中，將纖維以在水性泡沫中的懸浮體的形式遞送到常規的長網造紙機的絲網。該開發小組獲得了在于長網造紙機上使用泡沫以非常高的水中纖維濃度(3-5% )制得的紙中的非層狀3D結構。
[0006]當比較泡沫成形法和水成形法時，一個趨勢是明顯的。使用泡沫成形，松厚度更大，但是拉伸指數更小。伴隨著更松散的結構，結構更加多孔，這導致較小的拉伸指數值。來自水成形樣品和泡沫成形樣品的比較的一個有趣的結果是，即使泡沫成形的樣品松散得多，但在兩種情況下拉伸剛度指數卻非常接近。對此的原因目前尚屬未知，并需要進一步的研究。
[0007]在發泡過程中使用的表面活性劑對于紙張幅材的干拉伸強度和濕拉伸強度兩者都有負面的影響。
[0008]拉伸強度的損失可以通過當表面活性劑吸附在纖維表面上阻礙了纖維之間的氫鍵合時紙張的干拉伸強度下降解釋。初始濕強度也由表面活性劑降低，特別是對于8-25%的干含量，這歸因于表面張力的降低，其是由將濕紙張保持在一起的主要的力的減弱造成的。
[0009]根據目前的理解，妨礙泡沫成形成為紙、紙板和卡片紙板生產中標準的幅材形成技術的主要問題是:
[0010]-在某些應用中過高的多孔性，
[0011]-與普通低稠度濕法成形相比降低的強度性能，
[0012]-較差的Scott結合
[0013]-較差的拉伸強度，和
[0014]-較差的彈性模量。
[0015]與普通濕法成形相比，使用泡沫成形可以獲得更高的松厚度(更低的密度)。對于典型的印刷和包裝紙和紙板級別來說，主要的缺點是彈性模量(“柔軟性”)的和內部強度(Scott結合或Z-強度)的損失。然而，同樣的特征在面巾紙制造中是優點。因此，在面巾紙產品中，泡沫成形已經更加普遍。
[0016]為了提高在成形織物上形成的纖維幅材中造紙化學品的脫水和保持，改進造紙的一個更近來的目標是將微纖化纖維素(MFC)結合在紙漿懸浮液中。US 6，602，994 BI教導了使用具有靜電或空間功能性的衍生的MFC用于甚至包括更好的幅材形成的多種目的。根據該參考文獻，微纖具有在5至10nm的范圍內的直徑。
[0017]然而，伴隨MFC而來的缺點是紙的致密化和高干燥收縮，以及MFC吸收和保持大量水的傾向，這增加了干燥所需的能量，并且降低了造紙機速度和生產力。因為這些原因，迄今為止MFC尚未在造紙工業中贏得廣泛的使用。
[0018]發明概述
[0019]本發明的目的在于，通過找到一種制備泡沫成形的纖維幅材的方法，其賦予紙和紙板產品大大增加的強度同時保持低密度，以在印刷和包裝紙和紙板方面克服或大大減少上述問題。根據本發明的方案是，通過以下步驟制備幅材:(i)提供水和表面活性劑的泡沫，(ii)在所述泡沫中將微纖化纖維素與較大纖維長度的紙漿結合在一起，(iii)將所述泡沫提供到成形織物上，(iv)將所述泡沫在所述成形織物上經由抽吸脫水，以形成幅材，以及(V)對所述幅材進行最終干燥。
[0020]特別地，出人意料地發現，高纖維長度的機械或化學紙漿可以與微纖化纖維素組合有利地用在泡沫成形中。即使在造紙中MFC的使用同樣是已知的，據 申請人:所知，在現有技術中尚未建議將MFC結合到泡沫中，并且其益處對于技術人員來說不是可預知的。
[0021 ] MFC的微原纖維典型地具有約10nm至10 μ m的纖維長度和約3至50nm的纖維直徑。當用于限定本發明時，術語微纖化纖維素(MFC)也涵蓋納米原纖化纖維素(NFC)。按照定義，與MFC組合的紙漿具有較大的纖維長度，優選約Imm以上。特別適合用于本發明的紙漿是化學熱磨機械紙漿(CTMP)。
[0022]除了 CTMP之外，其他可用于本發明的長纖維紙漿是化學漿、化學機械紙漿(CMP)、熱磨機械紙漿(TMP)、Gff以及其他高收率紙漿如APMP和NSSC。
[0023]不限定于任何理論，據信在該組合中，CTMP等的長纖維提供了松散的結構，并且MFC提供了長纖維之間的連接。已經發現，根據本發明的方法獲得至少2.5cm3/g、優選3至7cm3/g的松厚度。還證實了，該方法用CTMP研磨次品也很好地工作,對于產品例如折疊紙盒紙板中間層，顯示使用更少精制紙漿的可能性。
[0024]在泡沫成形中，單獨的長纖維或MFC自身都不能夠形成絮凝物，然而，MFC能夠在單獨的長纖維之間建立橋，因此出人意料地賦予幅材良好的強度性能。
[0025]當泡沫成形妨礙在長纖維之間形成絮凝物時，可以獲得非常好的克重構造。這改善了印刷品質的均勻性，因為在紙和紙板中品質變化較少。
[0026]這些剛性的CTMP的長纖維能夠在濕壓榨中和干燥中保持松散結構，因此對紙片提供了出人意料的良好的松厚度。
[0027]在水成形樣品和泡沫成形樣品的比較中，一個有趣的結果是，即使泡沫成形的樣品松散得多，但在兩種情況下拉伸剛度指數卻非常接近。對此的原因目前尚屬未知，并需要進一步的研究。
[0028]根據本發明的一個實施方案，在紙或紙板機的連續運行的成形織物上以工業規模形成連續的纖維幅材，通過經過幅材和成形織物的抽吸脫水，并最終在紙或紙板機的干燥部中干燥。
[0029]本發明的另一個實施方案包括，通過在最多0.6巴的壓力下經過幅材和成形織物的空氣的抽吸將幅材脫水，之后在最多約0.3巴的壓力下通過空氣的抽吸預干燥。
[0030]根據本發明的進一步的實施方案，結合在泡沫中的纖維組分由約5至40重量％、優選10至40重量％的MFC和約60至95重量％、優選60至90重量％的具有較長纖維的紙衆構成。
[0031]根據本發明的再進一步的實施方案，在將泡沫提供到成形織物上之前，使其達到60至70體積％的空氣含量。進行發泡的紙漿的稠度基于水的量為I至2%。在泡沫中的表面活性劑的合適的量可以在0.05至2.5重量％的范圍內，但是將可以由技術人員簡單地確定。
[0032]用于本發明的優選的表面活性劑是十二烷基硫酸鈉(SDS)，但也可以是用其他典型的表面活性劑。
[0033]通過在泡沫中使用長纖維素纖維和外加的微纖化纖維素，泡沫成形因此是一種非常合適和有前途的用于制備所有需要最佳可能的成形與最佳可能的彎曲剛性的組合的紙和紙板級別的方法。
[0034]這樣的產品包括例如所有紙板級別，如:
[0035]-紙箱紙板，包括折疊紙盒紙板、掛面白紙板、單一漂白漿紙板、單一未漂漿紙板、液體包裝紙板等，
[0036]-容器紙板，包括掛面紙板、瓦楞原紙等，
[0037]-特種紙板，包括芯層用紙板、壁紙原紙、書皮紙板、木漿紙板等。
[0038]產品還包括例如紙級別如新聞用紙、改良新聞用紙、凹版印刷紙、MFC、LWC、WFC、銅版紙和ULWC。
[0039]根據本發明獲得的高松厚度高強度結構也可以例如用于:
[0040]-用作多層結構(紙和紙板)中的中間層，
[0041]-用于層壓到其他紙結構體和/或塑料膜層，
[0042]-用作用于與塑料一起擠出涂覆的纖維基料，
[0043]-用作隔熱、隔噪音、液體和水分吸收體，
[0044]-用作模制結構體如托盤、杯子、容器的可成形層。
[0045]通過上述方法獲得的根據本發明的纖維幅材包含微纖化纖維素(MFC)和較大纖維長度的紙衆的混合物，并且具有至少2.5cm3/g的松厚度,優選3至7cm3/g的松厚度。
[0046]根據本發明的纖維幅材可以具有至少50J/m2、優選120至200J/m2的Scott結合值。
[0047]根據本發明的纖維幅材中的較大纖維長度的紙漿可以是機械紙漿，優選CTMP。通常，該纖維幅材包含約5至40重量％的MFC和約60至95重量％的較大纖維長度的紙漿。
[0048]當根據本發明的纖維幅材用作多層紙板或卡片紙板中的單一層時，它優選定位為中間層，而外表面層可以是比所述中間層松厚度低的纖維幅材。例如，通過標準造紙技術制成的具有高彈性模量的更致密的打印紙層可以構成這樣的外層。可以通過使用本發明獲得的多層產品包括例如折疊紙盒紙板、液體包裝紙板和杯紙板。然而，可以通過根據本發明的泡沫成形技術制備多層紙板的所有層。
實施例
[0049]通過以下程序制備尺寸38.5cm x 26.5cm的泡沫成形手抄紙:通過使用鉆機(3500rpm)，將水與作為表面活性劑的十二烷基硫酸鈉(SDS)以0.15-0.2g/l的比例混合制備泡沫，直到泡沫中的空氣含量為60-70%。泡沫的目標空氣含量由發泡裝置決定；當泡沫達到目標空氣含量時，泡沫表面的水平面不再上升，并且所述混合開始減小泡沫的氣泡尺寸。當泡沫準備好時，將包含CTMP和NFC(Daicel KY-100G，10.7% )的纖維懸浮液與預制的泡沫混合。繼續混合，直至再次達到目標空氣含量。在穩定條件下，在泡沫中纖維粒子之間的距離保持恒定，并且沒有絮凝發生。此后，將泡沫傾析到手抄紙模具中，并使用排氣機和真空室通過長網過濾。長網是常規用于水基成形的類型的。之后，將長網和在其上形成的手抄紙從模具移除，并通過使用排氣機在抽吸臺上預干燥。抽吸臺具有抽吸槽，寬度5_，其以0.2巴的真空穿過紙張抽吸空氣。
[0050]根據上述程序，從具有與CTMP合格品(379CSF)、次品或稍微細磨的CTMP相混合的，不同份額，S卩5、10、15、20、30和40%的NFC的紙漿制備手抄紙。制備僅含有100%的CTMP (O % NFC)的手抄紙用于比較。
[0051]通過對每個紙片測量松厚度和修正的Scott結合測試干燥的手抄紙。結果圖形化地示于圖1中。NFC的份額標記在各測量結果的旁邊。該圖還包括一定數量的通過常規的非泡沫造紙技術制得的現有產品用于比較。
[0052]測試顯示，例如與CTMP合格品紙漿混合的20 %的NFC將Scott結合值從55J/m2提高至190J/m2，相應的松厚度值為6g/m3和4g/m3。在CTMP次品紙片中的增加為Scott結合從50至127J/m2,并且相應的松厚度值為7.4g/m3和5.8g/m3。折疊紙盒紙板的中間層的目標值為至少2.5g/m3的松厚度和> 100的Scott結合。結果顯示,通過泡沫成形,可以從與NFC混合的粗糙的纖維材料，制備具有所需的內部強度性能的折疊紙盒紙板的高松厚度中間層。結果還顯示了由較少精制的CTMP紙漿形成折疊紙盒紙板的中間層的可能性。本發明的商業影響是節約了紙漿的精制能量和泡沫成形的幅材的干燥能量。而且，泡沫成形的益處，即無視纖維長度的出色成形，使得折疊紙盒紙板的更薄的表面層和涂覆層成為可能。
[0053]試驗還顯示了在流動的泡沫中的纖維粒子之間的距離保持恒定，即纖維不絮凝。當幅材由此種泡沫制成時，例如通過經過造紙機的成形織物的抽吸，纖維保持它們未絮凝的狀態并且形成具有出色構造的幅材。與常規的水移除相比，當泡沫被移除時施加在該結構上的結構壓力要小得多，因此形成高的松厚度。將泡沫成形與通過經過幅材抽吸空氣的干燥(例如，通過使用抽吸槽)相組合，可以達到超過70%的幅材固體含量并保持高松厚度。加入到將被發泡的纖維材料中的納米纖維素(NFC)提高了所形成的幅材的內部強度性倉泛。
【權利要求】
1.一種用于制備紙或紙板的纖維幅材的方法，所述方法包括以下步驟: -提供水和表面活性劑的泡沫， -在所述泡沫中將微纖化纖維素(MFC)與較大纖維長度的紙漿結合在一起， -將所述泡沫提供至成形織物上， -將所述泡沫在所述成形織物上經由抽吸脫水，以形成幅材，以及 -對所述幅材進行最終干燥。
2.權利要求1所述的方法，其特征在于連續的纖維幅材在紙或紙板機的運行的成形織物上形成，通過經由所述幅材和所述成形織物的抽吸脫水，并最終在所述紙或紙板機的干燥部中干燥。
3.權利要求1或2所述的方法，其特征在于通過在最多0.6巴的壓力下經由所述幅材和所述成形織物的空氣的抽吸將所述幅材脫水，之后在最多約0.3巴的壓力下通過空氣的抽吸預干燥。
4.在前權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于將機械紙漿，如化學熱磨機械紙漿(CTMP)結合在所述泡沫中。
5.在前權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于結合在所述泡沫中的纖維組分由約5至40重量％的MFC和約60至95重量％的具有較長纖維的紙漿組成。
6.在前權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于將所述泡沫提供至所述成形織物上之前，使所述泡沫達到60至70體積％的空氣含量。
7.在前權利要求中的任一項所述的方法，其特征在于所述表面活性劑是十二烷基硫酸鈉(SDS)。
8.—種通過在前權利要求中的任一項所述的方法獲得的纖維幅材，其特征在于所述幅材包含微纖化纖維素(MFC)和較長纖維長度的紙漿的混合物，并且所述幅材具有至少2.5cm3/g的松厚度。
9.權利要求8所述的纖維幅材，其特征在于所述幅材具有3至7cm3/g的松厚度。
10.權利要求8或9所述的纖維幅材，其特征在于所述幅材具有至少50J/m2、優選120至200J/m2的Scott結合值。
11.權利要求8-10中的任一項所述的纖維幅材，其特征在于所述較大纖維長度的紙漿是機械紙漿，優選CTMP。
12.權利要求8-11中任一項所述的纖維幅材，其特征在于所述幅材包含約5至40重量％的MFC和約60至95重量％的較大纖維長度的紙漿。
13.一種多層紙板，其特征在于多個層中至少一層是根據權利要求8-12中的任一項所述的纖維幅材。
14.權利要求13所述的多層紙板，其特征在于所述紙板包含根據權利要求8-12中的任一項所述的纖維幅材作為中間層，以及具有比所述中間層低的松厚度的外層。
【文檔編號】D21H21/56GK104302834SQ201380021542
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年4月24日 優先權日:2012年4月26日
【發明者】卡里塔·金努寧, 圖奧莫·耶爾特 申請人:斯塔諾 阿埃索 澳吉有限公司