DE69533030T2

DE69533030T2 - Mit voluminösen zellstofffasern hergestellte zellstoffprodukte

Info

Publication number: DE69533030T2
Application number: DE69533030T
Authority: DE
Inventors: Hugh West; N. Amar NEOGI; Albert Dudley Ii Dwight; M. Dwayne SHEARER; Richard Albert Jewell
Original assignee: Weyerhaeuser Co
Current assignee: Weyerhaeuser Co
Priority date: 1994-03-25
Filing date: 1995-03-20
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2015-03-21
Also published as: JP3629034B2; EP1217124A2; EP0899377A2; ES2220926T3; US5840787A; DE69533030D1; JPH09511029A; ES2324928T3; ATE266767T1; JP2004092015A; EP0752028B1; EP1217124A3; EP0752028A1; EP0899377B1; EP0899377A3; DE69535960D1; JP2006336186A; WO1995026440A1; ATE432385T1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Cellulose-Produkte und ein Verfahren zur Herstellung solcher Produkte unter Verwendung einer Zusammensetzung, die chemisch vernetzte Cellulose-Fasern und wasserverträgliche Bindemittel umfasst.
Hintergrund der Erfindung
Expandiertes Polystyrol besitzt eine niedrige Dichte und eine relativ hohe physikalische Festigkeit. Es kann leicht in bestimmte Formen geformt werden und besitzt gute Isoliereigenschaften. Es wird z. B. als Becher für heiße Getränke und als Nahrungsmittelverpackungen wie Eierkartons und Fast-Food-Behälter verwendet. Leider ist es nicht biologisch abbaubar und verbraucht nicht erneuerbare Ressourcen bei seiner Herstellung.
Produkte aus Cellulose-Fasern stellen eine attraktive Alternative dar, da sie biologisch abbaubar sind, aus erneuerbaren Ressourcen hergestellt werden und recycelt werden können. Ihr Hauptnachteil besteht darin, dass ein typisches Cellulose-Produkt eine relativ hohe Dichte oder eine niedrige Voluminösität (Volumen) aufweist. Die Voluminösität ist der reziproke Wert der Dichte, und ist das Volumen, das durch ein spezifisches Gewicht des Materials eingenommen wird und wird in cm³/g angegeben. Die Menge des Cellulose-Materials, die erforderlich ist, die notwendige Festigkeit zu verleihen, erzeugt ein schweres Produkt. Es verfügt über geringe Wärmeisolationseigenschaften.
In einer Broschüre aus 1990 der Weyerhaeuser Company wird eine chemisch vernetzte Cellulose-Faser, die als „High Bulk"-Additiv oder HBA bekannt ist, und die Verwendung von HBA in Filterpapieren, Tränkungspapieren, Tissue- und Handtuchpapieren, Pappepapieren und Absorptionsmittel-Produkten beschrieben. Die Broschüre gibt an, dass die HBA-Fasern Pappe in Mengen von 5 bis 15% eingefügt werden können. Die Broschüre gibt ebenfalls an, dass HBA in der Mittellage einer dreilagigen Pappe verwendet werden kann. Die Pappe wurde mit einer konventionellen dreilagigen Pappe verglichen. Das Basisgewicht war um 25% reduziert, die Taber-Steifheit blieb konstant; aber die Bruchkraft war verringert von 25 kN/m auf 16 kN/m in Maschinenrichtung und von 9 kN/m auf 6 kN/m in Querrichtung.
Knudsen et al., US-A-4 913 773 beschreibt ein Produkt, das eine erhöhte Steifheit besitzt, ohne Erhöhung des Basisgewichtes. Sie schlagen eine dreilagige Unterlage aus Pappe mit einer Innenlage von gewundenen Fasern (anfractuous fibers) zwischen zwei äußeren Lagen konventioneller Fasern vor. Diese Struktur, die eine Mittellage vollständig aus gewundenen Fasern enthält, wurde mit Einzellagen-Unterlagen mit konventionellen und gewundenen Fasern und Doppel- und Dreifachlagenaufbauten verschiedener konventioneller Fasern verglichen. Knudsen et al. brauchten mindestens 10 Gew.-% gewundener Fasern in der Innenlage, um die notwendige Steifheit zu erzielen. Knudsen et al. offenbaren ein Einzellagen-Bedienfeld, das aus gewundenen Fasern besteht.
Knudsen et al. erhalten die gewundenen Fasern durch mechanische Behandlung, durch chemische Behandlung mit Ammoniak oder Ätzmittel oder durch Kombination einer mechanischen und chemischen Behandlung. Knudsen et al. können Bindemittel mit bestimmten Mehrfachlagenaufbauten verwenden. Knudsen et al. offenbaren die Zugabe von 1% Stärke zu 100 behandelter Faser, um eine mehrlagige Pappe mit geeigneter Bindung zu erhalten. Knudsen offenbart auch eine Anzahl von Bindemitteln im ersten vollständigen Absatz der Spalte 5.
Die EP-A-0 440 472 (Kokko) diskutiert hochvoluminöse Fasern. Die Fasern werden hergestellt durch chemisches Vernetzen von Holzpulpe unter Verwendung von Polycarbonsäuren. Kokko bezieht sich auf individualisierte vernetzte Fasern und hochvoluminöse und absorbierende Papierprodukte aus diesen Fasern.
Kokko verwendet eine Mischung von 75% unbehandelten Fasern und 25% behandelten Fasern. Das maximale Trockenvolumen erreicht durch Kokko beträgt 5,2 cm³/g unter Verwendung von 25% Zitronensäure-behandelten Fasern und 5,5 cm³/g unter Verwendung von 25% Zitronensäure/ Mononatriumphosphat-behandelten Fasern.
Kokko stellt auch fest, dass Polycarbonsäure-vernetzte Fasern empfänglicher für kationische Additive, wie kationische Festigkeitsharze, sein sollten, was wichtig für die Papierherstellung ist, und dass die Festigkeit von Bögen, die aus den vernetzten Fasern hergestellt sind, aufrechterhalten bleiben sollte, ohne Beeinträchtigung der Volumenverbesserung durch Einfügen eines kationischen Feucht-Festigkeitsharzes. Es gibt keinen Hinweis, dass Kokko tatsächlich kationische Festigkeitsadditive versucht hat oder irgend welche anderen Festigkeitsadditive mit vernetzten Fasern. Folglich beschreibt Kokko keine Menge des kationischen Additivs, die man hätte verwenden können. Die Behandlung anionischer Fasern, wie durch Kokko beschrieben, mit kationischen Additiven, führt im wesentlichen zur vollständigen Beschichtung der gesamten Oberfläche der Fasern mit dem Additiv. Dies wird durch Kokko in einem Experiment mit Methylenblau-Farbstoff festgestellt. Das kationische Additiv wird von der gesamten Oberfläche der anionischen Fasern angezogen. Es wird mehr Additiv gebraucht als erforderlich ist, um Bindemittel an den Faser-zu-Faser-Kontaktpunkten bereitzustellen, da die gesamte Faser beschichtet wird.
Young et al., US-A-5 21 7 445, offenbaren eine Aufnahme/Verteilungszone einer Windel. Sie umfasst 50 bis 100 Gew.-% chemisch versteifter Cellulose-Fasern und 0 bis 50 Gew.-% Bindemittel. Die Bindemittel können andere, nichtversteifte, Cellulose-Materialien, synthetische Fasern, chemische Additive und thermoplastische Fasern sein. Das Material besitzt eine Trockendichte von weniger als ungefähr 0,30 g/cm³, eine Voluminösität von 3,33 cm³/g.
Dessauer, US-A-4 124 439, offenbart ein Papier, das Festigkeit und Steifheit aufweist, das geeignet ist, für eine xerographische Ausrüstung, hergestellt durch Kombination von Cellulose-Fasern, imprägniert mit einem Polymer, das verfügbare Hydroxyl- oder Aminogruppen aufweist, wovon eine ausreichende Anzahl vernetzt miteinander ist, um Inter-Faser-Vernetzungen mit anderen Fasern zu bilden, die nicht mit dem Polymer imprägniert sind.
Die EP-A-0 429 112 offenbart Weichabsorptionsmittel-Produkte, worin intrafaservernetzte Fasern verwendet wurden.
Zusammenfassung der Erfindung
Es besteht ein Bedarf nach neuen Cellulose-Produkten, die sowohl eine hohe Voluminösität als auch Festigkeitseigenschaften besitzen, die es erlauben, solche Produkte geformten Kunststoffen anzugleichen. Solche Produkte sollten eine Voluminösität von mehr als 5 cm³/g aufweisen. Es würde auch vorteilhaft sein, wenn das Produkt unter Verwendung von hochvoluminösen Fasern, die nicht notwendigerweise anionisch sind, und eines Bindemittels, das aus verschiedenen wasserlöslichen oder wasserdispergierbaren Bindemitteln ausgewählt wird, hergestellt werden kann, anders als auf kationische Bindemittel eingeschränkt zu sein.
Die vorliegende Erfindung stellt hochvoluminöse Fasern/ wasserverträgliche Bindemittel-Zusammensetzung bereit. Die hochvoluminöse Faser ist ein chemisch intrafaservernetztes Cellulose-Material, das ein Volumen (Voluminösität, Fülligkeit) von ungefähr 1 cm³/g bis ungefähr 40 cm³/g aufweist. Das Volumen solcher Fasern ist typischerweise größer als ungefähr 5 cm³/g. Die geeigneten Vernetzungsmittel sind im allgemeinen vom bifunktionellen Typ, die fähig zur Bindung mit Hydroxylgruppen sind, um kovalent gebundene Brücken zwischen Hydroxylgruppen auf den Cellulose-Molekülen mit der Faser zu erzeugen. Die Verwendung von Polycarbonsäure-Vernetzungsmitteln wie Zitronensäure erzeugt ein Produkt, das besonders geeignet für Verpackungsmaterialien ist.
Die Zugabe bestimmter Gewichtsprozentsätze wasserverträglicher Bindemittel wie Stärke und Polyvinylalkohol zu chemisch vernetzten hochvoluminösen Fasern erzeugt eine Zusammensetzung mit physikalischen Eigenschaften, die denen von hochvoluminösen Fasern allein, konventionellen Fasern allein oder Mischungen von hochvoluminösen Fasern und konventionellen Fasern ohne solche Bindemittel überlegen ist. Das Material besitzt die gewünschte Festigkeit und die hohe Voluminösität von expandiertem Polystyrol. Es erzeugt auch ein Material, das weniger Fasern, verglichen zu konventionellen Fasern, erfordert, um die interne Festigkeit zu erzeugen.
1 ist ein Blockdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung der hochvoluminösen chemisch vernetzten Faser zeigt.
2 ist eine Rasterelektronen-mikroskopische Aufnahme (SEM) einer High Bulk-Additiv (HBA) Faser/wasserverträgliches Bindemittel-Zusammensetzung, hergestellt gemäß dieser Erfindung.
Die 3A und 3B sind Diagramme einer Plattenherstellungsmaschine.
4 ist eine graphische Darstellung der Pressfeststoffe gegen den Belastungsdruck und zeigt die Zunahme in der Produktivität, die möglich ist, wenn hochvoluminöse Fasern in den Papierrohstoffen enthalten sind.
5 ist eine graphische Darstellung von Kanten-Wicking (Kantendochtwirkung) vs. Abnahme des Absorptionsvermögens, wenn hochvoluminöse Fasern in Papierrohstoffe eingefügt werden.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung stellt eine Zusammensetzung bereit, die chemisch vernetzte Cellulose-Fasern und wasserverträgliche Bindemittel umfasst. Sie wird kombiniert mit konventionellen Papier-erzeugenden Faserrohstoffen in Mengen von 0,5% bis 99 Gew.-% des Gesamtgewichtes des lufttrockenen Rohstoffes für die Papiererzeugung. Konventionelle Papiererzeugende Faserpapierrohstoffe beziehen sich auf Papier-erzeugende Fasern, die aus irgend einer Spezies hergestellt wird, einschließlich Harthölzern und Weichhölzern und auf Fasern, auf die ein Ablösungsmittel (debonder) angewendet wurde, die aber anders chemisch nicht behandelt wurden nach dem Aufschlussverfahren.
Die Cellulose-Faser kann erhalten werden aus irgend einer Quelle, einschließlich Baumwolle, Hanf, Gräsern, Binsen, Hülsen, Getreidehalmen oder anderen geeigneten Quellen. Chemische Holzpulpe ist die bevorzugte Cellulose-Faser.
Die hochvoluminöse chemisch vernetzte Cellulosefaser ist eine Intra-Faser-vernetzte Cellulose-Faser, die vernetzt werden kann mit einer Anzahl verschiedener Vernetzungsmittel. Die individuellen Fasern sind jeweils aufgebaut aus mehreren Cellulose-Molekülen und mindestens ein Teil der Hydroxylgruppen auf den Cellulose-Molekülen sind mit anderen Hydroxylgruppen an Cellulose-Molekülen in der gleichen Faser durch Vernetzungsreaktion mit Vernetzungsmitteln gebunden. Die vernetzte Faser kann in Form einer Matte mit einer Voluminösität von ungefähr 1 cm³/g bis ungefähr 50 cm³/g, typisch von ungefähr 10 cm³/g bis ungefähr 30 cm³/g und gewöhnlich von ungefähr 15 cm³/g bis ungefähr 25 cm³/g gebildet sein.
Das Vernetzungsmittel ist eine flüssige Lösung irgend eines einer Auswahl von vernetzenden, gelösten Substanzen, die im Stand der Technik bekannt sind. Geeignete Vernetzungsmittel sind im allgemeinen solche des bifunktionellen Typs, die fähig sind, zur Bindung mit Hydroxylgruppen und kovalent gebundene Brücken zwischen Hydroxylgruppen auf den Cellulosefasern innerhalb der Fasern zu erzeugen. Bevorzugte Vernetzungsmittel werden ausgewählt aus Harnstoff-Derivaten, wie methyliertem Harnstoff, methylierten cyclischen Harnstoffen, methylierten Niederalkyl-substituierten cyclischen Harnstoffen, cyclischen methylierten Dihydroxy-Harnstoffen. Bevorzugte Harnstoff-Derivat-Vernetzungsmittel sind Dimethyloldihydroxyethylen-Harnstoff (DMDHEU) und Dimethyldihydroxyethylen-Harnstoff. Mischungen der Harnstoff-Derivate können ebenfalls verwendet werden. Bevorzugte Polycarbonsäure-Vernetzungsmittel sind Zitronensäure, Weinsäure, Äpfelsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure und Citraconsäure. Diese Polycarbonsäure-Vernetzungsmittel sind besonders nützlich, wenn die vorgeschlagene Anwendung des Materials die Nahrungsmittelverpackung ist. Andere Polycarbonsäure-Vernetzungsmittel, die verwendet werden können, sind Poly(acrylsäure), Poly(methacrylsäure), Poly(maleinsäure), Poly(methylvinylether-co-maleat)-Copolymer, Poly(methylvinylether-co-itakonat)-Copolymer, Maleinsäure, Itakonsäure und 2-(1,2-Dicarboxy-ethoxy)-3-hydroxybernsteinsäure (tartrate monosuccinic acid). Mischungen von Polycarbonsäuren können ebenfalls verwendet werden.
Andere Vernetzungsmittel sind beschrieben in Chung US-A-3 440 135, Lash et al. US-A-4 935 022, Herron et al. US-A-4 889 595, Shaw et al. US-A-3 819 470, Steijer et al. US-A-3 658 613, Dean et al. US-A-4 822 453 und Graef et al. US-A-4 583 086.
Das Vernetzungsmittel kann einen Katalysator einschließen, um die Bindungsreaktion zwischen dem Vernetzungsmittel und dem Cellulosemolekül zu beschleunigen, aber die meisten Vernetzungsmittel erfordern keinen Katalysator. Geeignete Katalysatoren schließen saure Salze ein, die nützlich sein können, wenn Vernetzungssubstanzen auf Harnstoffbasis verwendet werden. Solche Salze schließen Ammoniumchlorid, Ammoniumsulfat, Ammoniumchlorid, Magnesiumchlorid oder Mischungen dieser oder anderer ähnlicher Verbindungen ein. Alkalimetallsalze von Phosphor-enthaltenden Säuren können ebenfalls verwendet werden.
Das Vernetzungsmittel wird typischerweise in einer Menge angewendet, die im Bereich zwischen 2 kg bis ungefähr 200 kg der Chemikalie pro Tonne Cellulosefaser liegt und bevorzugt von ungefähr 20 kg bis ungefähr 100 kg der Chemikalie pro Tonne der Cellulose-Faser.
Die Cellulose-Faser kann behandelt werden mit einem Ablösungsmittel (debonding agent) vor der Behandlung mit dem Vernetzungsmittel. Ablösungsmittel neigen dazu, die Inter-Faser-Bindung zu minimieren und erlauben es die Fasern leichter voneinander zu trennen. Die Ablösungsmittel können kationisch, nicht-ionisch oder anionisch sein. Kationische Ablösungsmittel scheinen nicht-ionischen oder anionischen Ablösungsmitteln überlegen zu sein. Die Ablösungsmittel werden typischerweise zur Cellulose-Faser-Masse gegeben.
Geeignete kationische Ablösungsmittel schließen quaternäre Ammoniumsalze ein. Diese Salze besitzen typischerweise ein oder zwei niedere Alkylsubstituenten und ein oder zwei Substituenten, bei denen es sich um relativ langkettige Fett-Kohlenwasserstoffe handelt oder solche, die sie enthalten. Nicht-ionische Ablösungsmittel umfassen typischerweise aliphatische Fettalkohole, Fettalkylphenole und aromatische und aliphatische Fettsäuren, die mit Ethylenoxid, Propylenoxid oder Mischungen dieser beiden Materialien umgesetzt sind.
Beispiele der Ablösungsmittel können gefunden werden in Hervey et al. US-A-3 395 708 und 3 544 862, Emanuelsson et al. US-A-4 144 122, Forssblad et al. US-A-3 677 886, Osborne III US-A-4 351 699, Hellston et al. US-A-4 476 323 und Laursen US-A-4 303 471. Ein geeignetes Ablösungsmittel ist Berocell 584 der Berol Chemicals, Incorporated of Metairie, Louisiana. Es kann in einer Menge von 0,25 Gew.-% des Ablösungsmittels bezogen auf das Gewicht der Faser verwendet werden. Erneut ein Ablösungsmittel ist nicht erforderlich.
Eine hochvoluminöse Faser ist erhältlich von Weyerhaeuser Company. Es ist die HBA-Faser, und sie ist in einer Anzahl von Qualitätsstufen verfügbar. Die Geeignetheit irgend einer dieser Qualitätsstufen wird von dem herzustellenden Endprodukt abhängen. Einige können geeigneter für Nahrungsmittel-Qualitäten-Anwendungen sein als andere. Die US-Patentanmeldungen Nrn. 07/395 208 und 07/607 268 beschreiben ein Verfahren und eine Apparatur zur Herstellung von HBA-Fasern. Diese Anwendungen sind vollständig hier als Referenz enthalten.
Im wesentlichen transportiert ein Fördermittel 12 (1) ein Cellulose-Faser-Material 14 durch eine Faser-Behandlungszone 16, wo ein Applikator 18 das Vernetzungsmittel auf die Matte 14 aufträgt, Typischerweise werden die Chemikalien gleichförmig von beiden Seiten der Matte aufgetragen. Die Matte 14 wird in im wesentlichen nicht gebrochene Einzelfasern durch einen Zerfaserer 20 getrennt. Hammermühlen und Scheibenmahlmaschinen können für die Zerfaserung verwendet werden. Die Fasern werden dann getrocknet und das Vernetzungsmittel in einer Trockenapparatur 22 gehärtet.
Die hochvoluminösen Fasern erzeugen Cellulose-Produkte mit einer geringen Faser-zu-Faser-Bindungsfestigkeit. Eine der Wege der Messung der Faser-zu-Faser-Bindungsfestigkeit ist der Dehnindex. Der Dehnindex (tensile index) ist eine Messgröße der Zugfestigkeit einer Schicht, die normalisiert ist im Hinblick auf das Basisgewicht der Schicht und stellt eine Messgröße der inhärenten Zugfestigkeit des Materials bereit. Eine nassgelegte Schicht, hergestellt aus nicht-modifizierten und nicht-geklopften Cellulose-Fasern, aus denen nachfolgend das HBA hergestellt wurde, besaß einen Zugindex von ungefähr 1,1 Nm/g, wohingegen eine ähnliche feuchtgelegte Schicht, hergestellt aus chemisch vernetzten hochvoluminösen Fasern einen Zugindex von nur ungefähr 0,008 Nm/g besaß, eine 140-fache Abnahme. Die Fasern können leicht von Ballen des hochvoluminösen Materials entfernt werden, durch einfaches Blasen von Luft durch den Ballen.
Die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung erfordert ein wasserverträgliches Bindemittel. Dieses erzeugt ein Produkt, das eine erhöhte Voluminösität, eine verminderte Dichte und eine Festigkeit besitzt, die im wesentlichen die gleiche ist wie von Produkten, die ohne hochvoluminöse Fasern hergestellt wurden. Der Ausdruck wasserverträglich, meint irgendein Bindemittel, das fähig ist, von Wasser aufgenommen zu werden und schießt Bindemittel ein, die löslich, dispergierbar in Wasser sind oder in Wasser eine Suspension bilden. Geeignete wasserverträgliche Bindemittel schließen ein: Stärke, modifizierte Stärke, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Polyethylen/Acrylsäure-Copolymer, Acrylsäurepolymere, Polyacrylate, Polyacrylamide, Polyamine, Guargum, oxidiertes Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polyvinylchlorid/Acrylsäure-Copolymere, Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymere und Polyacrylnitril. Viele davon werden als Latexpolymere für die Dispersion oder Suspension in Wasser gebildet. Besonders geeignete Bindemittel schließen Stärke, Polyvinylalkohol und Polyvinylacetat ein. Der Zweck des Bindemittels besteht darin die Gesamtbindung der hochvoluminösen Fasern innerhalb der Schicht zu erhöhen.
Verschiedene Mengen des wasserverträglichen Bindemittels können verwendet werden. Die Menge des Bindemittels, die verwendet wird, kann ausgedrückt werden als Beladungsniveau. Dies ist die Menge des Bindemittels relativ zum Trockengewicht der Faser und des Bindemittels. Geeignete Bindemittel-Beladungsniveaus liegen von ungefähr 0,1 Gew.-% bis ungefähr 6 Gew.-%, bevorzugt von ungefähr 2,0 Gew.-% bis ungefähr 5,0 Gew.-% und am meisten bevorzugt von ungefähr 2,5 Gew.-% bis ungefähr 4,5 Gew.-%.
Das Bindemittel kann auf das hochvoluminöse Faserkissen aufgebracht werden und durch die Schicht durch Vakuum angesaugt werden. Der Überschuss des Bindemittels wird entfernt, zum Beispiel durch Löschen bzw. Aufsaugen (blotting). Die Schichten werden weiter getrocknet durch Ziehen von 140°C heißer Luft durch die Kissen. Die behandelten Kissen besitzen eine niedrige Dichte und eine gute Steifheit. Die Kissen können leicht mit einem scharfen Messer geschnitten werden. Das Material gleicht stark expandiertem Polystyrol in seiner Erscheinung und seiner Griffigkeit.
Das Material kann entweder allein oder gemischt mit konventionellen Fasern als einlagige, faltbare Graupappe und in der Bildung von Faltschachtelkartons verwendet werden. Die Verwendung von bis zu 20 hochvoluminöser Additivfasern, bezogen auf das Gewicht der Gesamtfasern in der Graupappe, kann das Bildungs-, Press- und Trocknungsverfahren und das Kalandrieren bei der Herstellung der Graupappe beschleunigen, abhängig davon welches die limitierenden Schritte in dem Verfahren sind.
Beispiel 1
20 g kommerziell erhältliche HBA-Faser wurde in 9,5 Liter Wasser dispergiert, um eine HBA/Wasser-Aufschlämmung mit einer Konsistenz von 0,21 zu bilden. Die Konsistenz ist das Gewicht der luftgetrockneten Pulpe als Prozentsatz des Pulpe/Wasser-Aufschlämmungs-Gewichtes. Die Aufschlämmung wurde in einer 0,2 m × 0,2 m (8'' × 8'')-Laborbogenform angeordnet. Die Aufschlämmung wurde entwässert um ein Kissen zu bilden, zunächst durch Absaugen, anschließend durch Handpressen zwischen Löschpapieren und schließlich durch Trocknen in einem Ofen bei einer Temperatur von 105°C. Das resultierende Cellulose-Kissen besaß eine Dichte von 0,02 g/cm³, eine Voluminösität von 50 cm³/g. Die Dichte des kommerziell erhältlichen Papiers liegt typischerweise im Bereich von ungefähr 0,5 g/cm³ bis ungefähr 1 g/cm³, ihre Voluminösität bei ungefähr 2 cm³/g bis 2 cm³/g. Die Dichte der feuchtgelegten HBA-Faserkissen ist ungefähr um das 25- bis 50fache niedriger als die Dichten typischer Papierschichten, und die Voluminösität ist ungefähr 50 bis 100 mal höher als die Voluminösität von typischen Papierschichten. Die Fasern konnten aus den HBA-Faserkissen durch Einblasen von Luft durch die Schicht entfernt werden.
Beispiel 2
6,5 g HBA-Fasern wurden in 8 Liter Wasser dispergiert, um eine Cellulose-Wasser-Aufschlämmung mit einer Konsistenz von ungefähr 0,08 bereitzustellen. Die Aufschlämmung wurde in Kissen in einer 0,15 m (sechs Inch) Durchmesser-Laborbogenform geformt. Die Aufschlämmung wurde wie in Beispiel 2 entwässert. Das resultierende Kissen besaß eine Dichte von 0,025 g/cm³ und eine Voluminösität von 40 cm³/g.
Zugindices für dieses Kissen wurden bestimmt. Die Zugindices für das HBA-Faserkissen und für ein Kontrollkissen, hergestellt aus NB316, eine Ausgangspulpe für ein kommerziell erhältliches HBA. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Kissen der HBA-Faser, hergestellt durch Luftlegen, besaßen einen ähnlich niedrigen Zugindex.
Hochvoluminöse Additivschichten wurden wie in Beispiel 1 hergestellt. Wässrige Lösungen von wasserverträglichen Bindemitteln wurden auf diese Schichten aufgetragen. Die Lösung wird typischerweise durch die Schicht mittels Vakuum gesaugt. Überschüssige Bindemittellösung wird aus den Schichten zunächst durch Löschen bzw. Aufsaugen entfernt. Die Schichten werden weiter durch Ziehen von Luft durch die Kissen getrocknet. Die Luft besitzt eine Temperatur von ungefähr 140°C.
Trockene Kissen, hergestellt unter Verwendung dieses Verfahrens, besitzen eine gute Dichte und eine gute Steifheit. Die Festigkeit der Schichten war deutlich erhöht relativ zu hochvoluminösen Additivschichten, hergestellt ohne Bindemittel. Das Produkt konnte leicht mit einem Messer geschnitten werden. Das Material glich stark expandiertem Polystyrol in seiner Erscheinung und seiner Griffigkeit.
Beispiel 3
0,15 m (sechs Inch) Durchmesser Kissen wurden hergestellt aus hochvoluminösen Additiv-Fasern unter Verwendung entweder eines Luftlege- oder eines Feuchtlege-Verfahrens. Jeder Prozeß bildet im wesentlichen nicht gebundene hochvoluminöse Additiv-Kissen. Die Kissen wurden gewogen und in einen 0,15 m (sechs Inch) Durchmesser Büchner-Trichter gegeben.
Die Kissen wurden mit einer wässrigen Lösung von entweder Stärke oder Polyvinylalkohol gesättigt. Die Stärke war HAMACO 277 Stärke von A. E. Staley Manufacturing Company. Der Polyvinylalkohol war ELVANOL HV von DuPont Chemical Company, Die Menge der Bindemittel in den Lösungen lag im Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis ungefähr 5 Gew.-% des Gesamtgewichtes der Lösung.
Die Kissen wurden von dem Büchner-Trichter entfernt und zwischen Schichten von synthetischen Faservliesen angebracht. Ein geeignetes Faservlies ist James River 1,7 × 10^–2 kg/m² (0,5 oz/yd²) Cerex 23 Faservlies. Die geträgerten Kissen wurden zwischen Löschpapiere gequetscht, um einen Überschuss von Flüssigkeit aus den gesättigten Schichten zu entfernen. Die Kissen wurden anschließend mit Heißluft getrocknet bei ungefähr 140°C, durch die Kissen unter Verwendung eines Labor-Thermobonders. Bindemittel-Beladungsniveaus von ungefähr 2,5 bis ungefähr 5% des Gewichtes der Faser in dem Kissen wurden erhalten unter Verwendung dieses Verfahrens. Bindemittel-Beladungsniveaus liegen typischerweise bei ungefähr 3 bis ungefähr 4,5 Gew.-% der Fasern in dem Kissen.
Die Pulpen-Dichten und die Zug-Indices wurden wie in Beispiel 2 bestimmt, NB316 mit und ohne Bindemittel und HBA-Fasern ohne Bindemittel wurde als Kontrollen verwendet. Die Proben und die Ergebnisse sind in Tabelle II gegeben, Es ist zu erkennen, dass die meisten der mit dem Bindemittel behandelten HBA-Faserkissen einen Zugindex gleich oder größer als 1,15 Nm/g Zugindex von NB316 ohne Bindemittel aufwiesen, obwohl die Dichten der HBA-Kissen weniger als die Hälfte der 0,220 g/cm³/Dichte des NB316-Kissens betrugen. Es ist weiterhin zu erkennen, dass Polyvinylalkohol den Zugindex der HBA-Faserkissen stark erhöht. Polyvinylalkohol-gebundene HBA-Faserkissen besaßen eine Dichte von einem Drittel der von Stärke-gebundenen NB316-Fasern, besaßen aber einen Zugindex der annährend gleich war dem von Stärke-gebundenen NB316. Die Dichte der weiteren Probe der Polyvinylalkoholgebundenen HBA-Faserkissen war weniger als die Hälfte der Dichte der Stärkegebundenen NB316, aber ihr Zugindex war mehr als das zweifache dessen von Stärke-gebundenen NB316.
Aus Tabelle II ist ersichtlich, dass die Stärke-gebundene Mischung von HBA-Fasern und konventionellen Zellstoff-Fasern ein Produkt bereitstellen können, dass eine niedrige Dichte besitzt und einen Zugindex, der annährend der gleiche ist, wie der konventioneller Zellstoff-Fasern allein.
2 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer HBA/wasserverträgliches Bindemittel-Zusammensetzung, hergestellt wie in Beispiel 3. 2 zeigt, dass sich die wasserverträglichen Bindemittel im wesentlichen vollständig an den Kreuzungs- oder Kontaktpunkten zwischen den Fasern sammeln. Ohne die Erfindung auf eine Theorie ihrer Funktionsweise einzuschränken, wird angenommen, dass das Polymer an den Kreuzungs- oder Kontaktpunkten hauptsächlich durch Kapillarwirkung eingezogen bzw. konzentriert wird. Die Mehrzahl des Bindemittels ist dort angeordnet, wo es gebraucht wird.
Beispiel 4
0,15 m (sechs Inch) Durchmesser luftgelegte HBA-Faserkissen wurden gewogen und in einen 0,15 (sechs Inch) Durchmesser-Büchner-Trichter angeordnet. Wässrige Lösungen von Polyvinylacetat-Latexpolymer, Reichold PVAc-Latex 40-800 bei Konzentrationen des Polymers von 2% und 5% des Gesamtgewichtes der Lösung. Die Lösungen wurden durch die Kissen in den Trichtern gegeben. Die Kissen wurden in der gleichen Weise wie die Kissen in Beispiel 4 getrocknet. Die Beladungsniveaus der polymeren Bindemittel betrugen von ungefähr 2 Gew.-% bis ungefähr 4 Gew.-%. Die resultierenden Kissen war gut verbunden.
Beispiel 5
9,95 g einer 10/90-Gewichtsverhältnis-Mischung chemisch vernetzter hochvoluminöser Faser und NB316 konventionelle Pulpe wurden in 9,5 Liter Wasser dispergiert. Das Wasser enthielt 0,8 Gew.-% wasserlösliche kationische Kartoffelstärke, D. S. 0,3 „ACCOSIZE 80"-Stärke. Die Cellulose-Dispersion wurde in eine 0,20 m × 0,20 m (8'' × 8'') Laborbogenform gegeben, um ein Kissen mit einem Basisgewicht von ungefähr 240 g/m² zu erzeugen. Überschüssige Feuchtigkeit wurde aus dem Kissen durch Pressen zwischen Löschpapieren entfernt, und das Kissen wurde in einem Lüfteröfen bei 105°C getrocknet.
Das trockene Kissen wurden hinsichtlich Dichte, Taber-Steifheit und thermischer Beständigkeit untersucht. Die gleichen Werte wurden erhalten für expandiertes Polystyrol vom Deckel einer Venusmuschel-Verpackungsbox, verwendet von McDonald's Corporation. Die Kosten des Materials pro Einheitsfläche in dem Cellulose-Kissen und in dem Polystyroldeckel waren im wesentlichen gleich. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in Tabelle III gegeben.
Die Fasermischung schnitt im Vergleich mit Styrofoam-Material vorteilhaft ab.
Beispiel 6
Die Cellulose-Faser/Bindemittel-Zusammensetzung kann verwendet werden, um Formprodukte zu bilden, die Eigenschaften besitzen, die ähnlich denjenigen von geformtem Styrofoam sind. Sie können z. B. unter anderem für Nahrungsmittel-Produktbehälter verwendet werden.
Die Faser/Bindemittel-Zusammensetzung wurde verwendet, um eine geformte Platte zu bilden. Eine 90/10 Gewichtsprozent Fasermischung von 2708,5 g konventionell gebleichtem Kiefernkraft-Fluffzellstoff (NB316) und 300,5 g individualisierter chemisch vernetzter Fasern (HBA) wurden in 433 Liter Wasser aufgeschlämmt. Das Wasser enthielt 1 Gew.-% Polyvinylalkohol, DuPont Elvanol HV. 50 ppm eines Anti-Schäumungsmittels, Cynol 420, wurde zu der Aufschlämmung gegeben, um die Schaumbildung zu verhindern. Die Aufschlämmung wurde in 0,25 m (10'') Durchmesser Essensplatten unter Verwendung einer Emery International Plattenformmaschine geformt. In dieser Maschine, 3, rührt ein Zellstoffrührer 40 kontinuierlich die Zellstoff-Aufschlämmung 42 in einem Aufschlämmungstank 44. Ein poröses Formpapier-Maschinensieb 46 wurde in die Zellstoff-Aufschlämmung eingetaucht und Wasser wurde von dem Sieb durch eine Entwässerungspumpe 48 entfernt. Das Sieb wurde von der Aufschlämmung entfernt, wenn eine ausreichende Menge der Pulpe 50 auf dem Sieb 46 war. Die Pulpenplatte 50 wird überführt in die Überführungsform 52 und durch Vakuum, erzeugt durch die Vakuumpumpe 54, gehalten. Die Platte 50 wird aus der Form 52 entfernt und im Ofen getrocknet.
Die thermische Beständigkeit der resultierenden Platten war hoch. Die resultierenden Platten besaßen eine Dichte von ungefähr 0,1 6 g/cm³, verglichen mit einer Dichte von 0,25 bis 0,5 g/cm³ für konventionell geformte Zellstoff-Artikel, hergestellt aus recycelter Zellstoff-Faser.
Beispiel 7
Die Kantendochtbildung von Schichten konventioneller Fasern und Schichten einer Mischung konventioneller Fasern und hochvoluminöse Additiv-Fasern wurden verglichen. Tappi-Laborbögen wurden hergestellt. Sie enthielten 4,54 kg (10 Pounds) Stärke pro 4,07 × 10² kg (lufttrockene Tonne) Faser und 2,25 kg (5 Pounds) Kymene per 9,07 × 10² kg (lufttrockene Tonne) der Faser. Zwei Faser-Papierrohstoffe wurden verwendet. Der erste Papierrohstoff enthielt konventionelle Zellstoff-Fasern. Der zweite enthielt 90 Gew.-% konventionelle Zellstoff-Fasern und 10 Gew.-% hochvoluminöse Additiv-Faser. Die feuchten Laborblätter wurden zu verschiedenen Dichten gepresst und verglichen hinsichtlich ihrer Kantendochtbildung (edge wicking). Die Schichten wurden gewogen und die Kanten der Schichten bzw. Blätter angeordnet in einer Flüssigkeit für eine spezifische Zeit. Die Schichten wurden erneut gewogen. Die Dochtbildung wird ausgedrückt als Gramm Flüssigkeit absorbiert pro 2,54 m (100 Inch) der Kante. Die Ergebnisse sind in 4 gezeigt. Bei einer gegebenen Dichte absorbierte die konventionelle Faser mehr Flüssigkeit als konventionelle Fasern/hochvoluminöse Additiv-Fasermischungen.
Beispiel 8
Die Feststoff-Gehalte der Blätter konventioneller Faser und einer Mischung konventioneller Faser und hochvoluminösen Fasern nach dem Feuchtpressen wurden verglichen. Zwei Faser-Rohstoffe wurden verwendet. Der erste Zellstoff enthielt konventionelle Zellstoff-Fasern. Der zweite enthielt 90 Gew.-% konventionelle Zellstoff-Fasern und 10 Gew.-% hochvoluminöse Additiv-Fasern. Feuchte Laborblätter wurden walzengepresst bei verschiedenen Belastungsdrücken und die Feststoffniveaus der Schichten nach dem Pressen wurden als Gewichtsprozent bestimmt. Die Ergebnisse sind in 5 gezeigt. Die Schichten einer Mischung einer konventionellen Faser und hochvoluminöse Additiv-Fasern besaßen ein höheres Feststoffniveau, d. h. sie waren trockener nach dem Pressen als konventionelle Faserblätter. Die konventionelle Faser ist als fette Linie gedruckt, und die konventionelle Faser/hochvoluminöse Additiv-Mischung ist als gepunktete Linie gezeigt.
Beispiel 9
Einzellagen-Laborblätter wurden hergestellt auf einem 0,20 m × 0,20 m (8'' × 8'') Former, ausgestattet mit einer Prozesswasser-Recyclingeinrichtung. Die Zellstoffe, die verwendet wurden, waren gebleichte Kraft-Douglas-Tannen und HBA, das früher beschrieben wurde. Das HBA wurde verwendet, ohne Klopfen, aber vor der Verwendung wurde es 30 Sekunden einer Zerfaserung in einem Waning-Mischer (0,2% Konsistenz in Wasser) unterworfen, um beliebige feste Faserbündel zu entfernen.
Wenn Stärke hinzugegeben wurde, wurde das Prozesswasser recycelt, um eine Anzahl von Laborblättern zu ermöglichen, die aus jeder Charge Stärke hergestellt wurde. Die Stärke war „Acosize 80", kationische Stärke, Raison Inc., PA. Es wurde zunächst bei 4% Feststoff gekocht und anschließend auf ein gewünschtes Niveau im Prozesswasser verdünnt. Die Laborblätter waren aus Pulpen gebildet bei einer Konsistenz von ungefähr 0,1 bis 0,2%. Im dritten Lauf basiert der Pulpen-Prozentsatz auf dem Ofen-Trockengewicht. Im vierten Lauf bezieht sich der Prozentsatz Feststoff Stärke auf das Stärkeniveau gelöst im Prozesswasser und nicht auf die Beladung in dem Blatt.
Die Laborblätter wurden auf einem Laboratorium-„Dampf-Kanister"-Trockner getrocknet. Es wurde kein Kalandrieren durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle IV gezeigt. Die Zugabe des Bindemittels verbessert die Steifheit der HBA-Schichten.
Für die Fachleute ist deutlich, dass die Beschreibung und die Beispiele lediglich exemplarisch sind und dass der Umfang der Erfindung sich in den folgenden Patentansprüchen verkörpert.

Claims

Faser-/Bindemittel-Zusammensetzung, die umfasst: (A) chemisch intrafaser-vernetzte, hoch-voluminöse Cellulosefasern und (B) von ungefähr 0,1 bis ungefähr 6 Gew.-% eines wasserverträglichen Bindemittels; wobei die genannte Zusammensetzung ein Volumen von 1 cm³/g bis 40 cm³/g besitzt.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 , worin das wasserverträgliche Bindemittel anionisch oder nicht-ionisch ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 , worin das wasserverträgliche Bindemittel aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Stärke, modifizierter Stärke, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Polyethylen/Acrylsäure-Copolymer, Acrylsäurepolymer, Polyacrylat, Polyacrylamid, Polyamin, Guar Gum, oxidiertem Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polyvinylchlorid/Acrylsäure-Copolymer, Acrylnitril/ Butadien/Styrol-Copolymer und Polyacrylnitril besteht.
Zusammensetzung nach Anspruch 3, worin das Bindemittel aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Stärke und modifizierter Stärke besteht.
Zusammensetzung nach Anspruch 3, worin das Bindemittel Polyvinylalkohol ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 , worin die Zusammensetzung von ungefähr 0,25 Gew.-% bis ungefähr 5 Gew.-% des wasserverträglichen Bindemittels aufweist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 , worin die hochvoluminösen Cellulosefasern intrafaser-vernetzt sind durch ein Vernetzungsmittel, das aus der Gruppe der Harnstoff-Derivate ausgewählt wird, die aus methyliertem Harnstoff, methylierten cyclischen Harnstoffen, methylierten Niederalkyl-substituierten Harnstoffen, cyclischen Dihydroxyharnstoffen, cyclischen methylierten Dihydroxyharnstoffen und Mischungen davon besteht.
Zusammensetzung nach Anspruch 7, worin das Vernetzungsmittel aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Dimethylolharnstoff, Dimethyloldihydroxyethylenharnstoff, Dihydroxyethylenharnstoff, Dimethylolethylenharnstoff und 4,5-Dihydroxy-1,3-dimethyl-2-imidazolidinon besteht.
Zusammensetzung nach Anspruch 7, worin das Vernetzungsmittel eine Polycarbonsäure ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 , worin die Polycarbonsäure aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Zitronensäure, Weinsäure, Äpfelsäure, Glutarsäure, Citraconsäure und Mischungen davon besteht.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, worin die Polycarbonsäure aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Poly(acrylsäure), Poly(methacrylsäure), Poly(maleinsäure), Poly(methylvinylether-co-maleat)copolymer, Poly(methylvinylether-coitaconat)copolymer, Maleinsäure, Itaconsäure, 2-(1,2-Dicarboxy-ethoxy)-3-hydroxy-bernsteinsäure besteht.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 , die weiterhin von ungefähr 5 Gew.-% bis ungefähr 99,5 Gew.-% konventionelle Faserrohstoffe enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 , die weiterhin mindestens ungefähr 90 Gew.-% konventionelle Faserrohstoffe enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 , die weiterhin mindestens ungefähr 80 Gew.-% konventionelle Faserrohstoffe enthält.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 , worin benachbarte Fasern in Kontakt sind und eine Mehrzahl von Faser-Kreuzungspunkten bilden, wobei der überwiegende Teil des genannten wasserverträglichen Bindemittels an den Faser-Faser-Kreuzungspunkten lokalisiert ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 , worin die genannten hoch-voluminösen Fasern individualisiert sind.
Verfahren zur Herstellung eines Faserproduktes, das umfasst: (A) Bilden eines Vlieses, das chemisch intrafaser-vernetzte, hochvoluminöse Fasern und ungefähr 0,1 bis ungefähr 6 Gew.-% eines wasserverträglichen Bindemittels umfasst, worin die Faser-/Bindemittel-Zusammensetzung ein Volumen von 1 cm³/g bis 40 cm³/g besitzt; und (B) Trocknen und Pressen des genannten Vlieses, um eine Bindemittel-/Faser-Zusammensetzung zu bilden, die eine Dichte von mindestens 0,35 g/cm³ besitzt.
Verfahren nach Anspruch 17, worin das genannte Bindemittel aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Stärke, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetatlatex, Polyethylen-Acrylsäure-Copolymer, Acrylsäurepolymer, oxidiertem Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polyvinylchlorid/ Acrylsäure-Copolymer, Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymer und Polyacrylnitril besteht.
Verfahren nach Anspruch 17, worin die genannte hochvoluminöse Faser mit ungefähr 5 Gew.-% bis ungefähr 99 Gew.-% konventioneller Faserrohstoffe vor dem genannten Trocknungsschritt vermischt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, worin in dem genannten Trocknungsschritt das genannte Vlies in eine geformte Packung geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, worin in dem genannten Trocknungsschritt das genannte Vlies zu einer Pappe geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, worin das genannte Bindemittel aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Stärke und Polyvinylalkohol besteht.
Verfahren nach Anspruch 17, worin das genannte Bindemittel Stärke ist.
Verfahren nach Anspruch 17, worin das genannte Bindemittel Polyvinylalkohol ist.
Verfahren nach Anspruch 17, worin die genannten hochvoluminösen Fasern mit einem die Trennung erlaubenden Mittel behandelt sind.
Verfahren nach Anspruch 17, worin die genannten hochvoluminösen Fasern vernetzt sind mit einem Vernetzungsmittel, das eine Polycarbonsäure ist oder aus der Gruppe der Harnstoff-Derivate ausgewählt wird, die aus methyliertem Harnstoff, methylierten cyclischen Harnstoffen, methylierten Niederalkyl-substituierten Harnstoffen, cyclischen Dihydroxyharnstoffen und methylierten cyclischen Dihydroxyharnstoffen und Mischungen davon besteht.
Verfahren nach Anspruch 17, worin das Vernetzungsmittel aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Dimethylolharnstoff, Dimethyloldihydroxyethylenharnstoff, Dihydroxyethylenharnstoff, Dimethyolethylenharnstoff und 4,5-Dihydroxy-1,3-dimethyl-2-imidazolidinon besteht.
Verfahren nach Anspruch 17, worin die Polycarbonsäure aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Zitronensäure, Weinsäure, Äpfelsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Citraconsäure und Mischungen davon besteht.
Verfahren nach Anspruch 17, worin die Polycarbonsäure aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Poly(acrylsäure), Poly(methacrylsäure), Poly(maleinsäure), Poly(methylvinylether-comaleat)copolymer, Poly(methylvinylether-co-itaconat)copolymer, Maleinsäure, Itaconsäure, 2-(1,2-Dicarboxy-ethoxy)-3-hydroxybernsteinsäure und Mischungen davon besteht.
Celluloseprodukt, gebildet aus der Zusammensetzung definiert nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 16.