CN101203644A - 制造纤维纸幅的方法 - Google Patents

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Abstract

制造含填料的纤维纸幅的方法。按照该方法，将填料加入纤维淤浆，并由该含有填料的纤维淤浆形成纤维纸幅，将该纸幅在造纸机或纸板机上干燥。所用填料是包含纤维素或木质纤维素原纤的复合材料，其上已经沉淀了光散射材料粒子。根据本发明，该填料在混入纤维淤浆之前与分散剂接触。使用这种溶液能够在不降低填料留着率的情况下明显改进纸张和纸板的光散射性。

Description

制造纤维纸幅的方法
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的制造含填料的纤维纸幅(fibrous web)的方法。
在此类方法中，将填料加入含植物纤维的淤浆(slush)中，此后纤维淤浆形成纤维纸幅，将其在纸或纸板机上干燥。
本发明还涉及根据权利要求14的用途。
FI专利说明书100729描述了造纸中使用的填料，其包含由已经沉淀到细纤维(fines)表面上的碳酸钙粒子形成的多孔聚集体。根据该专利说明书，这种新型填料的特征在于碳酸钙已经沉淀到由纤维素纤维和/或机械纸浆纤维通过精制法制成的细小原纤上。细小纤维级分的尺寸分布在大多数情况下等于网筛的P100级分。在下文中，也用其产品名“SuperFill”称呼这种填料。
根据所述专利说明书，使用该填料可以提高纸张的碳酸钙百分比，在这种情况下纸张的每平方米克重(grammage)降低。在具有相对较高的新鲜填料百分比的产品组中，所述产品产生显著优点。
在本发明中，“绘图纸”是指例如用于海报、图书封面、广告、地图、带插图的书籍和用作档案纸的纸张类型。换句话说，它们被用于重视光滑度、光泽度和颜色质量的用途。
在涂布的绘图纸中，废纸中的颜料量大，这限制了新鲜填料的量，其它复合填料，如SuperFill也受到限制。因此，在这些情况下，不能充分利用例如SuperFill提高纸张光散射性的能力。
本发明的目的在于消除与现有技术有关的缺陷，并创造全新的生产纸张与类似纤维产品的方法。特别地，本发明的目的是创造一种可用于制造具有良好的机械和绘图性能的纤维产品的方法。本发明的另一目的是创造一种在低的新鲜填料百分比下提高纸张的光散射系数的解决方案。
本发明基于这样的理念——通过在复合填料中配入分散剂来提高填料分布的均匀性，在此情况下，碳酸钙晶体的附聚降低，并由此提高了光散射。
在填料应用中，分散剂早先主要用于改善填料浆料的泵送性。文献提及，分散剂可以用于提高填料分布的均匀性(Weigl，J.和Ritter，E.，“DieBedeutung der
Figure S200680022555XD00021
und-form 
Figure S200680022555XD00022
 sowie deren Verteilungenbei der SC-Papierherstellung”，Wochenblatt für Papierfabrikation，1995，no.17，第739-747页)。
复合填料的性质又因使用多种颜料而改变。相应地，EP专利申请公开0 892 019描述了CaCO3或另一种不溶的白色颜料如何沉积在细纤维(原纤)上。此后，加入另一颜料以使沉淀的颜料将第二颜料与细纤维粘合在一起，由此生成复合颜料，这种颜料与昂贵的颜料(TiO2)本身相比更好地与纸结合。
当分散剂与传统填料一起使用时，该填料的留着性极大地丧失。出人意料的是，现在已经发现，在根据本发明操作时，情况并非如此。原因在于，SuperFill之类的复合填料在已经分散时也可以保留在纸张(或相应的纤维纸幅)上。在这方面，其看上去与传统填料明显不同。
因此，根据本发明，使用复合填料作为纸张和纸板中的填料以改进纤维纸幅的光散射性。该填料在与纤维淤浆混合之前与分散剂接触。更具体地，根据本发明，纤维纸幅(例如纸张或纸板)主要以权利要求1特征部分中陈述的内容为特征。
根据本发明的用途又以权利要求14中陈述的内容为特征。
用本发明获得显著优点。由此，本发明可以在不降低填料留着率的情况下改进纸张与纸板的光散射性。根据本发明，可以使填料在所有三个方向上均匀分布，而使用上述解决方案中的分散剂(其中论述了微粒形式的填料的使用)主要引起z-方向上分布的改善。
本文提出的解决方案在填料(特别是新鲜填料)的百分比相对较小的纸张的品质中特别产生改进的光散射性。这类产品尤其是上述绘图纸：海报纸、书籍封面和广告中使用的纸张与纸板、地图纸、插图类书籍用纸和档案纸。
下面将借助附图和详细解释更详细地考察本发明。
图1显示了含有三种不同填料的纸张的光散射系数的柱形图。
在本发明的方法中，在例如造纸机或纸板机上，采用本身已知的方法制备含填料的纤维纸幅。下面更详细地描述该制造过程。
纤维纸幅中的填料是复合材料，其包含纤维素或木质纤维素原纤，其上已经沉淀了光散射材料粒子。为了改进纤维纸幅的光散射性，填料在混入纤维淤浆之前与分散剂接触。至少大部分分散剂附着到填料的材料粒子上。
分散剂的量随分散剂和材料粒子而改变。为了确定分散剂添加的上限，在实践中可以如下进行：形成矿物粒子(不含原纤基质)的水分散体，此后在该分散体中加入分散剂。由此，分散剂添加的上限是与产生最低浆料粘度时相同的量。通常，随分散剂的量而变的粘度图是U型的，在此情况下，在本发明中，选择与U型底部对应的量作为分散剂的添加量。
所用分散剂可以是传统的阴离子型聚合物，如阴离子型聚丙烯酸盐，例如阴离子型聚丙烯酸钠，或多磷酸盐。聚丙烯酸钠以产品名Fennodispo A 40和A 41(供应商Kemira Oyj)出售，其中A代表丙烯酸盐，40和41分别指明其水溶液的百分比。另一相应的产品是DispexN40，其也是聚丙烯酸钠，供应商是Ciba Specialty Chemicals。也可以使用氨基醇。
对于上述材料，添加量为纤维纸幅干重量的大约0.05-1重量％。通常，合适的添加量为大约0.08-0.5重量％，尤其是大约0.1-0.35重量％，最适宜为大约0.1-0.3重量％。这些界限尤其与阴离子型聚丙烯酸盐，尤其是阴离子型聚丙烯酸钠相关。
本发明特别适于包含少量或平均量填料的纤维纸幅。通常，填料的总百分比最大为该纸幅干物质的大约25重量％，尤其最大为大约20重量％，优选最大为大约15重量％。最低百分比为大约0.1重量％。包含复合填料的该填料的新鲜进料量最适合为要制备的纸幅的干物质的大约0.1-15，优选大约0.5-12重量％。
本发明中所用的填料尤其衍生自获自化学纸浆的原纤。在此，化学纸浆是指已经用蒸煮化学品处理过以将纤维素纤维去木质素的纸浆。根据一个优选实施方案，通过将使用硫酸盐法或另一碱性法制成的纸浆精制来获得原纤。本发明不仅适用于改性化学纸浆，还适于改性由化学-机械和机械纸浆获得的原纤。
通常，纤维素或木质纤维素原纤的平均厚度小于5微米，通常小于1微米。该原纤具有以下一种或两种特征：
a.它们对应于穿过50(或优选100)筛目的级分；和
b.它们的平均厚度为0.01-10微米(优选最大5微米，更优选最大1微米)，且其平均长度为10-1500微米。
通过用纸浆精制机精制该原纤的初始材料，即纤维素或其它纤维基细纤维来将其原纤化。当需要时，可以使用筛子分离所需级分，但并非总是需要将该细纤维分级。级分P50-P400是适合的原纤级分。优选使用具有槽纹刮刀(grooved blades)的精制机。
填料的光散射粒子是无机或有机盐，可以由其初始材料通过在含水中间剂中沉淀来形成。此类化合物为碳酸钙、草酸钙、硫酸钙、硫酸钡及其混合物。该材料粒子已经沉淀到纤维上。相对于原纤量，无机盐化合物的量由填料的量计算为大约0.0001-95重量％，优选大约0.1-90重量％，最适宜大约60-80重量％，由纸张计算为大约0.1-80重量％，优选大约0.5-50重量％。
下面尤其以FI专利说明书100729的产品为基础描述本发明。但是，显而易见的是，本发明可以通过对光散射颜料的初始材料进行必要改变来应用于其它上述产品。
通过将无机颜料沉淀到由纤维素纤维和/或机械纸浆纤维制成的细小原纤表面上来制造填料。例如碳酸钙的沉淀可以如下方式进行：将可能包含固体氢氧化钙的氢氧化钙水溶液，和包含碳酸根离子并至少部分溶解在水中的化合物加入原纤的水淤浆中。还可以在水相中引入二氧化碳气体。在存在氢氧化钙的情况下，该二氧化碳生成碳酸钙。生成珠状碳酸钙晶体聚集体，其通过原纤，即细长丝结合在一起，并且其中碳酸钙粒子沉淀并附着到细纤维的长丝上。细长丝与碳酸钙一起形成珠状长丝，其在堆积时主要类似于珍珠项链。在水(淤浆)中，聚集体的有效体积和质量之间的比率与用作传统填料的碳酸钙的相应比率相比非常大。术语有效体积在此是指颜料所需的体积。
聚集体中碳酸钙粒子的直径为大约0.1-5微米，通常大约0.2-3微米。原纤的尺寸尤其对应于纸幅筛的级分P50(或P100)-P400。在该填料中，至少80％，优选甚至90％的沉淀的光散射颜料粒子附着到原纤上。
根据本发明，颜料粒子的体积效率为(填料重量的)至少60重量％，优选70重量％或更高，但低于85重量％。在此范围内，在造纸机或纸板机上实现良好的脱水，也实现了纤维纸幅中恒定的透气性。
复合填料在加入造纸机或纸板机中之前用分散剂改性。可以通过将预定量的分散剂与该填料在混合槽中混合而简单地进行改性，其中在混合过程中使分散剂吸附或以其它方式附着到该填料的至少矿物粒子上。混合时间尤其为大约1分钟-24小时，最适宜为大约5分钟-10小时。尤其在相对较高的干物质百分比下进行混合，该百分比甚至可以因加入分散剂而提高。通常，干物质百分比为大约40-80重量％。
除混合槽外，也可以使用连续混合机，其中，在管道中进行填料浆料与分散剂的混合，可能借助于在管道内部的静态混合机。
添加到该填料分散体中的分散剂的大部分，通常至少80重量％，优选至少90重量％足够好地附着到该填料上以使其在流浆箱(headbox)条件下基本不会从填料上脱落。在流浆箱中，任何剩余的游离分散剂会容易地附着到例如可能在从造纸机或纸板机到流浆箱的短或长循环水中循环的粒状填料上。如果分散传统填料，这类填料的留着率显著降低。
因此，任何保持未附着的分散剂(的部分)优选循环回到复合填料的淘析阶段中以便其尽可能有效地附着到正好相同的填料上。
将分散的复合填料进料并混入纤维淤浆。在此情况下，纸张或纸板浆的纤维原材料首先以本身已知的方式制浆至合适的稠度(通常至大约0.1-1％的固体百分比)。最好在造纸机或纸板机的流浆箱中向纤维淤浆中加入通常为该纤维纸浆的纤维重量的大约1-25重量％的上述填料。在实践中，至少在制造涂布的纸张和纸板时，废纸中颜料的量过大以致新鲜进料的量必须限制在小于添加到流浆箱中的纤维干重量的15重量％。
纸幅的填料总量中复合填料的百分比为至少20重量％，优选至少大约30重量％，最适宜至少40重量％，尤其50重量％。更优选地，所述填料的75-100重量％是复合填料。
在造纸机或纸板机中，将纤维纸浆成幅以形成纸张或纸板纸幅。此后，将该纸幅由压榨部转向干燥部，在此以本身已知的方法将其干燥。将纤维纸幅干燥，并可以涂布，并任选例如通过砑光法进行后处理。
也可以制造多层产品，其尤其在该产品表面层中包含本发明的填料。多层成幅技术可用于制造此类产品。例如在FI专利说明书105 118和EP已公开专利申请824 157中已经描述了合适的纸浆进料构造。多层流浆箱最适宜与夹网式成形器(gap former)一起使用。在此类装置中，将由流浆箱形成的上网浆流(slice jet)通入两层金属丝网(wire)之间，并通过金属丝网在两个不同方向上从纸浆中除去水。采用夹网式成形器能够使细纤维聚集在该层表面上，由此产生弧形填料分布——类似于微笑的形状。当多层流浆箱与夹网式成形器一起使用时，通过上述方法在金属丝网之间分层注入纸张或纸板纸浆，由此简单地产生所需多层结构。该技术也可用于制造层的厚度小于使用常规多层技术时的层厚度的产品。
根据本发明制成的纸张或纸板产品可以涂布，或其可以未涂布即运送。
涂布可以以单次涂布或二次涂布方式进行，因此，涂布浆可以用作单次涂布浆，和用作预涂布及表面涂布浆。三重涂布也是可以的。通常，本发明的涂布色料包含10-100重量份的至少一种颜料或颜料混合物、0.1-30重量份的至少一种粘合剂和1-10重量份的其它本身已知的添加剂。此类颜料的例子是沉淀碳酸钙、研磨碳酸钙、硫酸钙、草酸钙、硅酸铝、高岭土(水合硅酸铝)、氢氧化铝、硅酸镁、滑石(水合硅酸镁)、二氧化钛和硫酸钡，以及它们的混合物。也可以使用合成颜料。在上述颜料中，主要颜料是高岭土、碳酸钙、沉淀碳酸钙和石膏，其通常构成涂布混合物中干固体的超过50％。煅烧高岭土、二氧化钛、缎光白、氢氧化铝、硅铝酸钠和塑料颜料是附加颜料，它们的量通常小于该混合物中干固体的25％。在特殊颜料中，可以提及与硫酸钡和氧化锌一起的特种高岭土和碳酸钙。
涂布混合物可以以本身已知的方式涂敷到材料纸幅上。本发明的用于涂布纸张和/或纸板的方法可以采用传统涂布装置进行，即，通过刮刀涂布、或薄膜涂布或表面喷涂(喷射涂敷)进行。
当涂布纸幅的至少一个表面、优选两个表面时，形成涂层，其每平方米克重为5-30克/平方米。可以经由例如表面施胶法处理未涂布的一侧。
此外，此后将该产品离线砑光。无疑，也可以在造纸机上(在线)进行砑光。
通过本发明的方法，能够制造含纤维素和木质纤维素的材料纸幅，其具有极佳的可印刷性、良好的光滑度和高不透明性与亮度。在此，“含纤维素”的材料通常是指纸或纸板或相应的含纤维素的材料，其源自含木质纤维素的原材料，尤其是木头或一年生植物或多年生植物。所述材料可以是含木头的或不含木头的，并可以由机械、化学-机械或化学纸浆制备。该纸浆和机械纸浆可以是漂白的或未漂白的。该材料还可以含有回收纤维，尤其是回收纸或回收纸板。由该材料形成的纸幅的每平方米克重通常可以为35至500克/平方米，尤其是大约50至450克/平方米不等。
通常，原纸的每平方米克重为20-250克/平方米，优选30-80克/平方米。通过以2-20克涂料/平方米每侧来涂布每平方米克重为大约50-70克/平方米的这类原纸并将该纸砑光，产生每平方米克重为50-110克/平方米，亮度为至少90％且不透明度为至少90％的产品。
下列非限制性实施例例示了本发明。采用下列标准方法测定实施例中纸张性能的测量结果：
表面结构：SCAN-P76：95
空气阻力：SCAN-M8，P19
实施例1
使用硬木浆与软木浆之间比率为70/30(表1)且打浆度为22.2SR(硬木)和25.3SR(软木)的原料组合物，测量分散填料用以改进光散射系数的方式。
                表1
  主要原料   纸浆   百分比
  短纤维浆料   混合的硬木浆   70％
  长纤维浆料   软木浆   30％
通过测量作为剂量的函数的PCC填料浆料的粘度(表2)，测定分散剂剂量(以颜料的百分比记)。由粘度的最低点获得合适的剂量范围。所用量为碳酸钙的0.10、0.15和0.20份。
由于该浆料含有极少量固体材料，在此类测量中不一定出现粘度响应。因此，也可以进行浓缩的市售PCC的测量，其具有与SuperFill相同的晶体结构。采用适当的精确度，无论淤浆的组成如何，最佳工作剂量可以是相同的。该材料主要吸附在碳酸钙上，而非吸附在纸浆的细纤维上。
使用no.2芯轴，通过在100rpm下旋转15秒以防止SuperFill沉降，由此进行粘度测量。
                        表2
含量   温度℃ BF(m Pas)
  不含分散剂的SuperFill具有A40的SuperFill″″不含分散剂的Albacar LO具有A40的Albacar″″   -0.100.150.200.100.150.20   2020202020202020   ～130～124～117～110～131～39～26～27
所选剂量为(碳酸钙的)0.2份分散剂(Kemira’s Fennodispo A40)，其加入到SuperFill填料中。
实施例2
当测量光散射系数时(表3)，使用适当的分散剂剂量。使用PAC和用于PCC的阴离子聚丙烯酰胺作为助留剂。所用助留剂的量总是保持为最小。
                            表3
  试验号   44   片材号   1   2   3   4   5   6   7   8
  剂量   化学/片
  原料的淀粉填料1填料2填料3助留剂   C*BOND 35845ALBACAR LOSUPERFILL Ref.具有A40的SUPERFILLPAC 18PERCOL HC 4000(阴离子型)   ％″″″″″   0.5010.00.250.04   0.5020.00.250.04   0.5010.00.250.02   0.5020.00.250.02   0.5010.00.250.02   0.5020.00.250.02   0.500.250.02   0.500.250.02
在测量过程中使用下列调整(表4)。
                    表4
Figure S200680022555XD00091
用本发明获得的优点显示在附图中。在图1中，对于分散的SuperFill、未分散的相同SuperFill和具有相应粒径分布的市售PCC(Albacar LO)，将纸张的光散射系数内推至相同的拉伸指数水平(39Nm/g)。
填料量大约为11％，硬木浆和软木浆之间的比率如上所述为70/30，打浆度为SR 22.2(硬木浆)和25.3(软木浆)。
如图所示，与未分散的相同SuperFill填料相比，SuperFill的分散极大地改进光散射系数。分散的效果是明显的，尤其在填料的低或中范围百分比下。
对产品进行进一步分析，并且发现，无论改变的条件如何，纸张的其它性质(密度、强度、不透明度和亮度)都保持良好。

Claims (18)

1.制造含填料的纤维纸幅的方法，根据该方法
-将填料混入纤维淤浆中，并
-由含填料的纤维淤浆形成纤维纸幅，并将该纸幅在造纸机或纸板机上干燥，由此
-使用包含纤维素或木质纤维素原纤的复合材料作为填料，其上已经沉淀了光散射材料粒子，
其特征在于
-为了改进纤维纸幅的光散射性，所述填料在混入纤维淤浆之前与分散剂接触。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于分散剂的添加上限是与由分散剂和填料中的矿物粒子形成的水悬浮体的最低粘度对应的分散剂百分比。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于所用分散剂是阴离子型聚丙烯酸盐或多磷酸盐。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于所用分散剂是阴离子型聚丙烯酸盐，其百分比为纤维纸幅干物质的大约0.05-0.3重量％。
5.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于制备纤维纸幅，其填料百分比最大为该纸幅干重量的大约15重量％。
6.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于填料包含纤维素或木质纤维素原纤，其由植物纤维通过精制和筛分制备，且其厚度小于5微米。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于光散射材料粒子已经沉淀在此类原纤上，其尺寸对应于穿过50目筛的级分，和/或其平均厚度为0.1-10微米，平均长度10-1500微米。
8.根据权利要求6或7的方法，其特征在于光散射材料粒子是无机盐，其可以由其初始材料通过在含水中间剂中沉淀来形成。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于光散射材料粒子是碳酸钙、草酸钙、硫酸钙、硫酸钡或其混合物。
10.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于填料重量中无机盐的百分比为75-85重量％。
11.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于制备纤维纸幅，其中至少大部分分散剂附着到填料的材料粒子上。
12.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于作为新鲜物料添加到淤浆中的填料基本上仅包含原纤基复合材料。
13.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于制备纤维纸幅，其不仅包含复合材料，还包含由循环水携带的粒状填料。
14.分散剂改进此类纤维纸幅的光散射性的用途，该纤维纸幅包含填料，填料又包含纤维素或木质纤维素原纤和已经沉淀到原纤上的光散射矿物粒子，在此情况下至少大部分分散剂附着到填料的矿物粒子上。
15.根据权利要求14的用途，其特征在于分散剂的添加上限与由分散剂和填料中的矿物粒子形成的水悬浮体的最低粘度对应的分散剂百分比相同。
16.根据权利要求14或15的用途，其特征在于使用阴离子型聚丙烯酸盐或多磷酸盐作为分散剂。
17.根据权利要求16的用途，其特征在于使用百分比为纤维纸幅干物质的大约0.05-0.3重量％的阴离子型聚丙烯酸盐作为分散剂。
18.根据前述权利要求任一项的用途，其特征在于制备纤维纸幅，其填料百分比最大为该纸幅干重量的大约15重量％。
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