CN112575618A - 多层纸板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多层纸板。本发明披露了包括纤维素纤维浆的多层纸板，其中所述纸板的总纤维含量的100％为硬木纤维。与普遍的想法相反，已令人惊讶地发现可制造与包括软木浆的多层纸板相比具有相当的强度、较高的体积和较高的抗弯曲性的100％硬木浆的多层纸板。由于软木浆的获取在世界的大部分地区是有限的，所以100％硬木浆的使用在经济上是有利的。此外，在纸板中高含量的硬木浆改善了纸板的表面性能和光学性能。

Description

多层纸板
本申请是申请号为201410465297.9、申请日为2014年09月12日、发明名称为“多层纸板”的专利申请的分案申请。
技术领域
一种包括纤维素纤维的化学浆和机械浆的多层纸板。
背景技术
存在大量使用纸板的应用。所有这些应用对于纸板具有它们自己的具体要求，因此，根据预定的最终用途，纸板的性质必然有所不同。
在快速运行的自动机械上转换(例如，涂覆、印刷、切割、折和叠)成包装的纸板必须具有所需的强度，从而经受住在转换期间产生的应变和应力。纸板还必须具有高抗弯曲性，从而不仅在转换期间能实现良好的运行能力，而且对于所需的包装性能也是至关重要的。对于保存期限长的产品，包装还必须具有良好的对光、氧气和湿气的阻隔性能。诸如平整度和尺寸稳定性的性质在转换期间也是重要的。
可获得的最高质量的纸板完全由化学浆(例如，SBS(固体的漂白硫酸盐))制备。这样的纸板具有非常良好的外观，但是为了获得所需的抗弯曲性，其需要具有高克重。这种固体纸板通常用于例如香烟或液体瓶的包装中。然而，由于较高的材料成本，由这种纸板制备的包装较不合算。并非所有的应用都需要这种突出的质量，因此，已开发了具有不同质量的其它纸板类型。
纸板通常包括1-5层(板层)。待转换的纸板通常包括超过一个板层。相较于单层纸板，多层纸板通常显示出较高的抗弯曲指数。由三个或更多个板层组成的纸板包括面层和背层以及一个或多个中间层。
化学浆常常用于纸板的面层和背层中，以提供具有强度和良好印刷性能的纸板。在本领域中，面层和背层通常包括大量的软木纤维，这是因为认为这有助于增加强度和抗弯曲性。得自软木的纤维长于得自硬木的纤维，因此得自软木的纤维提供了优于硬木的较短纤维的内部结合。
纸板的中间层可以含有机械浆和/或化学浆。机械浆(如CTMP)是合乎期望的原料，这是因为它与化学浆相比具有相对低的密度且可以以较低的成本制造。此外，机械浆具有较高的得率，因而其具有较高的原料使用效率。在高质量纸板中，软木CTMP是最普遍的用于中间层的机械浆，这是因为除了高的体积(bulk)之外，软木CTMP还具有可以提供良好的内部结合的长纤维。通常，化学浆还与由于其高强度性能而作为增强剂的机械浆结合起来用于中间层中。
软木CTMP由于其结合了高体积和高内部结合的能力而成为高质量纸板制造中的主要原料。遗憾地是，高质量软木仅可在世界上有限的地区中获得，相对于全球对高质量纸板的需求，在纸板制造中可获得的软木CTMP供应是不够的。在本领域中，已尝试增加在纸板中的硬木量。
专利说明书WO2006084883披露了具有包括高含量的硬木CTMP的中间层的高质量纸板。然而，中间层还包括少量的软木浆，此外，外层包括软木浆。
专利说明书US2005257909涉及包括减少不期望气味的物质的纸板。一个实施例提到，使用包括70％漂白的硬木浆的配料来制造板层。
然而，当今普遍的想法是，为了实现可接受的内部强度和抗弯曲性，在高质量纸板的制造中需要一定量的软木浆。
发明内容
本发明披露了包括纤维素纤维浆的多层纸板，其中所述纸板的总纤维含量的100％为硬木纤维。与普遍的想法相反，已令人惊讶地发现可制造与包括软木浆的多层纸板相比具有相当的强度、较高的体积和较高的抗弯曲性的100％硬木浆的多层纸板。由于软木浆的获取在世界的大部分地区是有限的，所以100％硬木浆的使用在经济上是有利的。此外，在纸板中高含量的硬木浆改善了纸板的表面性能和光学性能。
本发明的纸板显示出：至少100J/m2的Scott结合值(Scott Bond value)和至少5Nm6/kg3的抗弯曲指数。因此，纸板的强度性能与部分地包括软木纤维的常规纸板的那些强度性能相当。
优选的是，多层纸板包括30wt％-70wt％的硬木CTMP和剩余重量百分数的硬木化学浆，优选牛皮纸浆，所有的百分数根据所述纸板的总纤维重量进行计算。这产生了具有高强度、良好防护性能和高水平外观的高质量纸板。
该纸板可以包括面层、背层和至少一个布置在所述面层和所述背层之间的中间层。
优选的是，所述面层和背层包括超过90wt％、或超过95wt％、或甚至是100wt％的硬木化学浆，根据所述面层和背层的总纤维重量计算得到。在面层和背层中的高含量的硬木化学浆有助于良好的强度和亮度性能。
中间层可以包括15wt％-25wt％的硬木牛皮纸浆和75wt％-90wt％的硬木CTMP，根据所述中间层的总纤维重量计算得到。优选的是，中间层包括80％的硬木CTMP和20％的硬木牛皮纸浆。
在本发明的一种优选实施方式中，背层由100％未经漂白的硬木浆制备。已显示，未经漂白的硬木浆的抗张刚度(tensile stiffness)显著高于漂白的硬木浆的抗张刚度。因此，未经漂白的硬木浆的抗张刚度与漂白的软木浆的抗张刚度几乎相同。传统上，高用量的漂白的软木浆被用于纸板产品(如用于液体包装或食品包装的纸板产品)的背层中。然而，已发现当在背层中改为使用未经漂白的硬木浆时，强度性能得到提高，由此可以制造具有可接受强度性能的由100％硬木浆制备的纸板产品。
本发明纸板的板层中的至少一个，优选中间层，可以包括干强度添加剂(drystrength additives)，如淀粉和/或羧甲基纤维素(CMC)和/或纳米原纤化(nanofibrillated)或微原纤化(microfibrillated)的多糖。这提高了纸板的强度性能，且使得硬木纤维的使用能够达到100％。在一种优选的实施方式中，至少一个板层包括至少一种阳离子型聚合物(如阳离子型淀粉)和至少一种阴离子型聚合物(如阴离子型CMC)。在后续步骤中所述阳离子型聚合物和阴离子型聚合物可以添加到形成所述层的配料中。这甚至进一步地改善了所得纸板产品的强度。
本发明包括以下内容：
实施方式1.包括面层、背层和至少一个布置在所述面层和所述背层之间的中间层的多层高质量纸板，其中所述纸板包含纤维素纤维的化学浆和机械浆，其中所述纸板由硬木纤维制成。
实施方式2.实施方式1的纸板，其中所述纸板显示出：至少100J/m2的Scott结合值和至少5Nm6/kg3的抗弯曲指数(GM)。
实施方式3.实施方式1-2的任一项的纸板，其中所述纸板包括硬木CTMP和硬木化学浆。
实施方式4.实施方式1的纸板，其中所述面层和背层由硬木化学浆制成。
实施方式5.实施方式1的纸板，其中所述至少一个中间层包括硬木化学浆和硬木CTMP。
实施方式6.实施方式1的纸板，其中所述背层由未经漂白的硬木浆制成。
实施方式7.实施方式1-2的任一项的纸板，其中所述层中的至少一个包括干强度添加剂，如阳离子型淀粉和/或阴离子型羧甲基纤维素(CMC)和/或纳米原纤化多糖。
实施方式8.实施方式7的纸板，其中所述层中的至少一个包括至少一种阴离子型聚合物和至少一种阳离子型聚合物。
实施方式9.用于承装液体的纸板，其特征在于它由实施方式1-8的任一项的纸板制备得到。
实施方式10.用于承装食品的纸板，其特征在于它由实施方式1-8的任一项的纸板制备得到。
本发明还包括以下内容：
实施方式1.一种多层高质量纸板，包括纤维素纤维的化学浆和机械浆，其中所述纸板100％的总纤维含量为硬木纤维。
实施方式2.实施方式1的纸板，其中所述纸板显示出：至少100J/m2的Scott结合值和至少5Nm6/kg3的抗弯曲指数(GM)。
实施方式3.实施方式1-2中任一项的纸板，其中所述纸板包括30wt％-70wt％的硬木CTMP和剩余重量百分数的硬木化学浆，所有百分数根据所述纸板的总纤维重量计算。
实施方式4.实施方式1-3中任一项的纸板，包括面层、背层和布置在所述面层和所述背层之间的至少一个中间层。
实施方式5.实施方式4的纸板，其中所述面层和背层包括95wt％，优选100wt％的硬木化学浆，根据所述面层和背层的总纤维重量计算得到。
实施方式6.实施方式4-5中任一项的纸板，其中所述至少一个中间层包括15wt％-25wt％的硬木化学浆和75wt％-90wt％的硬木CTMP，根据所述中间层的总纤维重量计算得到。
实施方式7.实施方式4-6中任一项的纸板，其中所述背层由100wt％的未经漂白的硬木浆制成。
实施方式8.实施方式1-7中任一项的纸板，其中所述层中的至少一个包括干强度添加剂。
实施方式9.实施方式8的纸板，其中所述层中的至少一个包括至少一种阴离子型聚合物和至少一种阳离子型聚合物。
实施方式10.实施方式8的纸板，其中所述干强度添加剂包括阳离子型淀粉和/或阴离子型羧甲基纤维素(CMC)和/或纳米原纤化多糖。
实施方式11.实施方式9的纸板，其中聚合物在后续步骤中被添加到形成所述层的配料中。
实施方式12.一种用于承装液体的纸板，其特征在于它由如实施方式1-11中任一项所述的纸板制备得到。
实施方式13.一种用于承装食品的纸板，其特征在于它由如实施方式1-11中任一项所述的纸板制备得到。
具体实施方式
本发明的纸板是适合用作例如液体包装纸板、食品服务纸板(food serviceboard)、绘画纸板或香烟纸板的高质量纸板。
高质量纸板是具有高强度(为了能够经受住转换过程)、良好的防护性能以及高水平外观的纸板。
本发明的纸板可以包括化学浆(例如，牛皮纸浆)和/或机械浆(例如，磨碎木料、CTMP(化学热磨机械浆)或TMP(热磨机械浆))。根据本发明使用的硬木浆可以为，例如，桉树的、白杨的和桦树的。优选的是，硬木浆是桉树的，这是因为桉树尤其适合作为对生态环境友好的种植树木，且在软木纤维资源稀缺的地区中可广泛地获得。
优选的是，本发明的多层纸板包括三层：面层、背层和至少一个中间层。该纸板可以包括布置在所述外层和所述中间层之间的其它层。这些中间介入的(intermediate)层可以具有与中间层相同或不同的纤维组成。例如，纸板可以包括总共四层或五层。
面层优选由硬木化学浆制备，这赋予了产品良好的强度和印刷性能。中间层优选包括大量的硬木CTMP，这为纸板提供了高体积，同时在最终纸板产品的强度上没有任何显著的降低。背层也可以由硬木化学浆制备。在一种优选的方式中，背层由未经漂白的硬木化学浆制备，已显示其赋予了增加的强度和提高的光学阻隔性能。在一种方式中，纸板是三层纸板，其中面层包括达到100％的硬木化学浆，背层包括达到100％的未经漂白的硬木化学浆，中间层包括80％的硬木CTMP和20％的硬木牛皮纸浆。
令人惊讶地，已显示，可制造包括100％硬木浆的纸板，该纸板显示出至少100J/m2、或至少150J/m2、或甚至至少200J/m2的Scott结合值和至少5Nm6/kg3、或甚至至少10Nm6/kg3的抗弯曲指数。本发明的纸板还可以显示出至少200kPa或甚至至少300kPa或至少400kPa的z-强度。
本发明的纸板还可以包括干强度添加剂。可以使用的干强度添加剂包括但不限于淀粉、聚丙烯酰胺(polyacrylamide)、羧甲基纤维素(CMC)和/或纳米原纤化的多糖(nanofibrillated polysaccharide)。在上下文中，纳米原纤化的多糖应包括采用传统纺丝技术或静电纺丝所纺制的细菌纤维素或纳米纤维素。在本申请中，微原纤化纤维素(MFC)(又称为纳米纤维素)，纤维素晶须，微晶纤维素(MCC)，纳米晶纤维素(NCC)或再生纤维素纤维和颗粒也包括在纳米原纤化多糖的定义内。
在一种实施方式中，各层中的一个，优选中间层，包括阳离子型淀粉和阴离子型CMC。阳离子型淀粉和阴离子型CMC可以在后续步骤中添加到各层中的一个(优选中间层)中。例如，这可以根据WO2006120235或WO2006041401中披露的方法完成。其已显示出，甚至进一步增加了所得纸板产品的强度性能。优选的是，中间层包括达到至少10kg/吨(或优选至少15kg/吨)含量的阳离子型淀粉和达到至少0.5kg/吨或0.8kg/吨的含量的CMC。
测试和评价方法
以下方法和标准适用于所附权利要求的限定和在以下实施例中所实施的测试二者中。
抗张指数：ISO 1924-3:2005
撕裂指数：ISO 1974:1990
SCT指数：ISO 9895:2008
Scott结合：TAPPI UM-403
Z-强度：SCAN-P 80:98
抗弯曲指数：ISO 2493-1:2010恒速偏转。出现在所附权利要求中和以下实施例中所实施的测试中的抗弯曲指数(GM)指在加工方向上的抗弯曲指数和在横穿加工方向上的抗弯曲指数的几何平均值(GM)。
成形指数：依照AMBERTEC Beta成形测试仪进行测试
Bendtsen粗糙度：SCAN-P84:02
Gurley L&W空气阻力：SCAN P26:78
密度(纸板，样品1–5，表2)：ISO 534:2011
透光度：ISO 22891:2013，不使用420nm截止滤光片(cut-off filter)。
排水阻力(Drainage resistance)：SCAN M3:65
破坏应变：ISO 1924-3:2005
抗张能量吸收指数(Tensile energy abs.index)：ISO 1924-3:2005
抗张刚度指数：ISO 1924-3:2005
密度(浆片密度，表1)：ISO 534:2005
实施例
为了评价本发明的高质量纸板，进行了一个测试系列，其中将包括100％的具有不同组成的硬木浆的纸板与包括软木浆的常规纸板进行比较。在测试中，所有的纸板均为三层构造，具有面层和背层和中间层。
研究了不同纸板的强度性能、表面性能和光学性能。根据如上所指示的方法和标准进行所有测试，依照可获得的标准在23℃、50％RH调节之后实施所有的分析。
纸板样品
使用自动化动力学纸页成形器(Automatic Dymanic Sheet Former)(FormetteDynamique)制造5个三层的纸板，它们各自具有面层和背层和中间层。纸板的基本重量为约185gsm，其中重量分布为：面层-中间层-背层＝40-110-35gsm。
用于纸板样品中的纸浆的性质示于表1中。
表1
UBHKP BHKP BSKP CTMP
排水阻力(°SR) 34.8 30.1 30.7 37.1
密度(kg/m3) 713 737 748 336.6
抗张指数(Nm/g) 92.7 72.0 78.0 18.9
破坏应变(％) 3.87 4.07 4.00 1.12
抗张能量吸收指数(J/g) 2.43 2.03 2.11 0.15
抗张刚度指数(kNm/g) 8.66 7.02 7.35 3.07
UBHK＝未经漂白的桉树的硬木牛皮纸浆SR°35
BHKP＝漂白的桉树的硬木牛皮纸浆SR°31
BSKP＝漂白的云杉/松树的软木牛皮纸浆SR°30
CTMP＝桉树的化学热磨机械硬木浆
在表2中可以看到五个不同的纸板的组成。
表2
Figure BDA0002802081950000081
将阳离子型淀粉和/或阴离子型羧甲基纤维素(CMC)添加到形成各板层的配料中。表3示出了在不同层中淀粉和/或CMC的含量。在两个后续的步骤中采用阳离子型淀粉和阴离子型CMC处理形成样品3和4的纸板的中间层的配料。
表3
Figure BDA0002802081950000091
在包括软木浆的常规纸板(对照)和包括100％硬木浆的纸板(本发明)上进行对比测试。所测试的强度性能为抗张指数、撕裂指数、压缩强度(SCT)、内部结合(Scott结合)、抗弯曲性(抗弯曲指数)和z-强度。在压延之前进行测试。纸板的强度性能总结于表4中。
表4
Figure BDA0002802081950000101
比较表明，包括100％硬木纤维的纸板的抗张强度和撕裂强度稍稍低于对照纸板的抗张强度和撕裂强度，但仍很好地高于可接受的水平。令人惊讶地，通过添加淀粉和CMC(样品3和4)以及通过在背层中使用未经漂白的硬木浆(样品5)，使得抗张指数和撕裂强度得到改善。
本发明纸板的内部结合(scott-结合和z-强度)与对照纸板的内部结合相当。这些值可以通过在后续步骤中添加阳离子型淀粉和阴离子型CMC(样品3和4)来得到显著改善。
短暂(short moment)压缩强度测试(SCT)显示了所有纸板样品具有可接受的值。压缩强度还可以通过在后续步骤中添加阳离子型淀粉和阴离子型CMC(样品3和4)来得到显著改善。
本发明纸板的抗弯曲指数值甚至高于对照纸板的抗弯曲指数值。其原因可能是本发明纸板的体积高于对照纸板的体积。
因此，这些对比测试表明，由100％硬木浆制备的纸板的强度性能可类似于或甚至高于部分地包括软木浆的常规纸板的强度性能。
此外，测试了纸板的表面性能和光学性能。这些性能总结于表5中。
表5
Figure BDA0002802081950000111
在表5中可见，本发明的纸板显示了改善的成形性。此外，本发明的纸板显示了明显较为光滑的纸板表面(粗糙度)和较低的空气阻力。增加的硬木纤维的量进一步地得到了改进的光学阻隔性能(较低的透光度)。在背层中包括未经漂白的硬木浆的纸板(样品5)显示了最低的透光度。如此良好的阻隔性能降低了对于阻隔涂层(如铝膜)的需要，从而可以降低环境的碳足迹。
已就优选实施方式描述了本发明。然而，在不脱离本申请所述的本发明范围的情况下可以进行多种变型和修改，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。

Claims (11)

1.一种多层高质量纸板，包括纤维素纤维的化学浆和机械浆，其中所述纸板100％的总纤维含量为硬木纤维。
2.如权利要求1所述的纸板，其中所述纸板显示出：至少100J/m2的Scott结合值和至少5Nm6/kg3的抗弯曲指数(GM)。
3.如权利要求1-2中任一项所述的纸板，其中所述纸板包括30wt％-70wt％的硬木CTMP和剩余重量百分数的硬木化学浆，所有百分数根据所述纸板的总纤维重量计算。
4.如权利要求1-3中任一项所述的纸板，包括面层、背层和布置在所述面层和所述背层之间的至少一个中间层。
5.如权利要求4所述的纸板，其中所述面层和背层包括95wt％，优选100wt％的硬木化学浆，根据所述面层和背层的总纤维重量计算得到。
6.如权利要求4-5中任一项所述的纸板，其中所述至少一个中间层包括15wt％-25wt％的硬木化学浆和75wt％-90wt％的硬木CTMP，根据所述中间层的总纤维重量计算得到。
7.如权利要求4-6中任一项所述的纸板，其中所述背层由100wt％的未经漂白的硬木浆制成。
8.如权利要求1-7中任一项所述的纸板，其中所述层中的至少一个包括干强度添加剂，如阳离子型淀粉和/或阴离子型羧甲基纤维素(CMC)和/或纳米原纤化多糖。
9.如权利要求8所述的纸板，其中所述层中的至少一个包括至少一种阴离子型聚合物和至少一种阳离子型聚合物，其中优选地聚合物在后续步骤中被添加到形成所述层的配料中。
10.一种用于承装液体的纸板，其特征在于它由如权利要求1-9中任一项所述的纸板制备得到。
11.一种用于承装食品的纸板，其特征在于它由如权利要求1-9中任一项所述的纸板制备得到。
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