專利名稱：輕質(zhì)環(huán)保石頭紙及制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種以無機粉體材料為主要原料的環(huán)保石頭紙，特別是一種低比重輕 質(zhì)環(huán)保石頭紙，及其制備方法。
背景技術(shù)：
環(huán)保石頭紙是以無機材料粉體微粒為主要原料，與一定的高分子聚合物材料混合 均勻后，經(jīng)螺桿擠出機擠出，最后經(jīng)吹塑、流延、延壓等成型設備加工而成的紙產(chǎn)品。利用廉 價的石頭等礦產(chǎn)資源造紙，相對于傳統(tǒng)造紙而言，不僅減少了目前日益稀缺和昂貴的木材 原料和設備部投入，也減少了生產(chǎn)、管理投入。由于整個造紙過程的生產(chǎn)工藝清潔，無需水 及添加的強酸、強奸、漂白劑及眾多有機氯化物，徹底革除了傳統(tǒng)造紙中的蒸煮、洗滌、漂白 等嚴重污染環(huán)境的環(huán)節(jié)，近年來得到較快的發(fā)展。在目前已有報道的文獻中，大多數(shù)的石頭紙都采用的是先對無機礦物粉體進行表 面偶聯(lián)活化處理，改善其與聚合物的相容性，然后再利用螺桿反應機擠出時產(chǎn)生的剪切作 用或密煉機產(chǎn)生的捏合作用將無機礦物粉體分散于高分子聚合物中。如公開號CN1202166C 的中國專利文獻中，報道了將超細碳酸鈣經(jīng)偶聯(lián)劑表面處理后，依次與抗靜電劑、著色劑、 潤滑劑和聚烯烴樹脂混煉擠出后送至延壓機延壓成型的制造方法；CN101462387A同樣報 道了將超細無機粉體經(jīng)鋁酸酯偶聯(lián)處理后與高密度聚乙烯熔融擠出得到造紙用粒料的方 法；CN1651649A和CN1378909A等也報道了將無機礦物粉活化處理后與聚烯烴為主要原料 共混擠出的制備方法等。由于無機粉體具有較大的密度，通常為2. 5 2. 9g/cm3,隨著無機粉體含量的逐步 增加，紙張克重增加，因此目前的石頭紙松厚度通常小于0. 8cm7g，手感較沉，特別是在逐 步提高石頭紙中的無機粉體用量后，紙張明顯偏重，手感明顯較差，缺少傳統(tǒng)紙張的輕質(zhì)柔 軟的質(zhì)感，成為影響其進一步推廣使用的因素之一。CN101831835A報道了在“0”型模嘴出 料時通過瞬間發(fā)泡減輕紙張克重，依靠發(fā)泡可有效降低紙張的密度，但在石頭紙的生產(chǎn)制 備過程中，隨著無機粉體含量的逐步提高，高分子聚合物基體越來越少，其分散的難度也越 來越大，直接瞬時發(fā)泡會降低紙張成型的穩(wěn)定性和紙張強度。因此，制備中首先要解決的關(guān) 鍵問題，就是如何使無機礦物粉體材料與高分子聚合物材料實現(xiàn)有效的分散。對于高比例 用量的無機礦物粉體成分而言，僅僅依賴對粉體的表面處理，以及擠出機、密煉機等設備的 剪切分散，要徹底改善其在聚合物中的有效分散效果，是遠遠不夠的。螺桿擠出設備在擠出 過程中的熔體剪切強度和剪切速率有限，難以將大量的微細粉體材料在30-60秒的短時間 內(nèi)進行迅速有效的分散，而只能適用于對適量且相對粒徑不大的顆粒進行剪切分散，對于 制備高填充量超細無機礦物粉體的石頭紙，其分散效果遠達不到相應的技術(shù)要求，從而嚴 重影響到紙張的后期加工成型，并導致成品紙張定量、比重過大，油墨吸收性和印刷適應性 下降，缺少傳統(tǒng)紙張柔軟且蓬松的質(zhì)感而更加偏似于塑料制品，阻礙了環(huán)保石頭紙的生產(chǎn) 和應用推廣。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述情況，本發(fā)明將提供一種新型的環(huán)保石頭紙，即輕質(zhì)環(huán)保石頭紙，以克服 目前同類技術(shù)中存在的上述問題。在此基礎上，本發(fā)明還將提供一種該輕質(zhì)環(huán)保石頭紙的 制備方法。本發(fā)明的輕質(zhì)環(huán)保石頭紙，其各成分的重量組成為無機粉體材料75 85 %，高分子聚合物10 20%，輔助成分3 8%。組成中的無機粉體材料的平均粒徑為1250目 2500目(相當于粒徑5 10 μ m)。 特別優(yōu)選的是如硅灰石、膨潤土、高嶺土、硅藻土、滑石粉和碳酸鈣等天然無機礦物中的一 種。所說的高分子聚合物，一般可為熔體指數(shù)為5 20g/10min聚乙烯或聚丙烯，或是 具有生物降解性能的聚3-羥基丁酸酯、聚3-羥基戊酸酯、聚丁二酸-丁二醇酯、聚己內(nèi)酯、 聚乳酸、脂肪族聚碳酸酯中的至少一種。其中優(yōu)選的是熔體指數(shù)為5-15g/10min的聚乙烯、 聚丙烯，或者是熔體指數(shù)為5 20g/10min的聚3-羥基丁酸酯、聚3-羥基戊酸酯、聚丁二 酸-丁二醇酯、聚己內(nèi)酯、聚乳酸、脂肪族聚碳酸酯等可具有生物降解性能高分子聚合物中 的一種。輔助成分至少包括含量分別1 3%的表面活性劑、潤滑劑和發(fā)泡劑，其中所說 的表面活性劑可以選擇如鋅酸酯、磷酸酯、鉻酸酯、鈦酸酯、鋁酸酯或硬脂酸鹽等中的至少 一種；所說的潤滑劑可以選擇如聚乙烯蠟、微晶石蠟、礦物油、白油、聚丙烯蠟等中的至少一 種；所說的發(fā)泡劑可以選擇如偶氮二甲酰胺(AC)、偶氮胺基苯(DAB)、偶氮異丁腈(AIBN)、 苯磺酰胼(BSH)或?qū)妆交酋ｋ?TSH)等中的至少一種。本發(fā)明上述輕質(zhì)環(huán)保石頭紙的基本制備方法，是將所說的各原料成分充分混合均 勻后，經(jīng)反應型螺桿擠出機于120°C 220°C溫度條件下擠出得到造紙用的粒料，該粒料送 入常規(guī)的紙膜設備或壓延設備制備成相應的紙張。例如，采用紙膜吹塑成型設備時，可以采用如ZM-55、ZM-60、ZM-65等目前已有的 紙膜機組，在主機轉(zhuǎn)速400 800轉(zhuǎn)/分，170°C 220°C將加熱至熔融態(tài)的物料由紙膜機 模頭充氣吹制成紙膜，調(diào)節(jié)紙膜吹脹比2. 5 3. 5，牽引比4 8，再按需要經(jīng)縱/橫雙向拉 伸，即可制備成所要求厚度的平面延展紙張并冷卻成型，得到所需厚度的紙張。在采用壓延設備制備紙張時，可以使經(jīng)密煉式三螺桿反應擠出機的物料直接通過 其 τ 型模頭，進入如 SYS6S-0 230 X 630、SYS6S_0 300 X 950、SYS6S_0 360 X 1120 等 S 型六 輥壓延機組或相應的壓延成型設備，在輥溫160°C 180°C，輥速45 SOm/min，經(jīng)縱橫雙向 擴幅拉伸并冷卻成型，得到所要求厚度的平面延展紙張。為避免粒徑極小的無機粉體材料團聚，進一步提高物料混合的均勻性，在所說物 料進行混合時，可以使所說的無機粉體材料先在100°c 120°c條件下進行預熱后，再用于 與其它原料進行混合，可有利于保證和提高無機礦物粉體材料的表面反應活性，也有利于 滿足表面活性劑活化粉體的需要。預熱時，還可以在高速分散機中以1500-3000轉(zhuǎn)/分的 高速進行分散，以實現(xiàn)更好的充分均勻混合，提高與化學助劑的共混反應的均勻性。為進一步提高各物料成分的充分均勻混合程度，提高所得到紙產(chǎn)品的質(zhì)量，上述制備方法中所說的無機粉體材料原料、高分子聚合物原料及各輔助成分在混合時，優(yōu)選采 用分步依次間隔加入的方式混合。例如，可以在無機粉體材料原料中分步依次間隔加入包 括表面活性劑、潤滑劑、發(fā)泡劑的輔助成分及高分子聚合物，待已加入的成分充分混合后， 再加入另一成分，實現(xiàn)物料成分的充分均勻混合。對充分混合均勻物料的熔融混煉時，優(yōu)選采用的是密煉式三螺桿反應型擠出設 備，特別是螺桿長徑比>22 1的密煉式三螺桿反應型擠出設備。因其可具有超強壓縮比， 在相同停留時間內(nèi)對物料的剪切強度和速率都遠優(yōu)于普通雙螺桿擠出機。利用密煉式三螺 桿反應擠出機進行擠出發(fā)泡，在無機粉體和高熔指高分子聚合物共混擠出過程中，發(fā)泡劑 產(chǎn)生瞬時氣泡，周圍的高分子聚合物熔體受到的拉伸速率的數(shù)量級可達IO6 · s—1，由于氣泡 的快速膨脹，使粘附于高熔指聚合物的無機粉產(chǎn)生快速拉伸作用，對高分子聚合物熔體中 的無機礦物粉體分散相起到有效的拉伸分散。采用所說的密煉式三螺桿擠出設備對混合物料進行處理時，一種可供參考的優(yōu)選 條件為主機轉(zhuǎn)速100 600轉(zhuǎn)/分鐘；喂料機轉(zhuǎn)速8 30轉(zhuǎn)/分鐘；擠出溫度為一至三 區(qū)120°C 140°C，四至六區(qū)150°C 200°C，七至九區(qū)170°C 220°C，十至十二區(qū)160°C 2100C ；發(fā)泡階段時保持真空度為0. 02 0. 08Mpa ；機頭壓力為20 30MPa。在目前石頭紙制備過程中，雖然通過采用雙向拉伸，可以使高分子材料與無機微 粒填充料之間形成一些小間隙，降低了石頭紙的比重，并更有紙的質(zhì)感，但無論是設備還是 材料本身，進行雙向拉伸是有限度的，尤其在無機粉體高含量狀態(tài)時拉伸更為困難。為使 具有含量高無機粉體微粒的石頭紙更具有傳統(tǒng)紙的密度和質(zhì)感，本發(fā)明利用螺桿反應擠出 設備，特別是密煉式三螺桿反應擠出機進行擠出發(fā)泡，在無機粉體和高熔指高分子聚合物 共混擠出過程中，發(fā)泡劑產(chǎn)生瞬時氣泡，當氣泡膨脹時，周圍的高分子聚合物熔體受到的拉 伸速率的數(shù)量級可達IO6 · S-1,比螺桿擠出過程中熔體獲得的剪切速率(IO3 IO4 · S-1)高 2 3個數(shù)量級。由于氣泡的快速膨脹，使粘附于高熔指聚合物的無機粉體產(chǎn)生快速拉伸作 用，對高分子聚合物熔體中的無機礦物粉體分散相起到有效的拉伸分散。因此，在螺桿設備 的剪切和聚合物熔體拉伸共同作用下，無機粉體能夠快速均勻分散開來，并在無機粉體間 產(chǎn)生微小氣泡，得到的微發(fā)泡粒料送入紙膜設備中吹塑或壓延成型，從而有效降低了紙張 的比重，賦予了紙張比重小，具有質(zhì)輕、蓬松、柔軟特點的良好紙感，以及良好的書寫性和油 墨吸收性及良好的紙張外觀，有利于實現(xiàn)環(huán)保石頭紙的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和推廣。以下通過實施例的具體實施方式
再對本發(fā)明的上述內(nèi)容作進一步的詳細說明。但 不應將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想 情況下，根據(jù)本領域普通技術(shù)知識和慣用手段做出的各種替換或變更，均應包括在本發(fā)明 的范圍內(nèi)。
具體實施例方式實施例1原料(均以總重量計，以下同)平均粒徑1250 2500目(以下同)的硅灰石 75%，熔體指數(shù)為llg/lOmin的HDPE 20%，鋁酸酯2%，偶氮二甲酰胺1%，白油2%。制備將硅灰石在100°C 120°C進行攪拌預熱，依次分步間隔加入鋁酸酯、白 油、偶氮二甲酰胺和HDPE進行高速分散混合，間隔加料時間為3 20分鐘，放料并冷卻至30°C 40°C。(以下同此)。將上述混合物經(jīng)THJ-60型密煉式三螺桿反應型擠出機(螺桿長徑比彡22 1， 以下同此)共混擠出造粒，主機轉(zhuǎn)速100 600轉(zhuǎn)/分鐘，喂料機轉(zhuǎn)速8 30轉(zhuǎn)/分鐘，溫 度控制一至三區(qū)120°C 140°C，四至六區(qū)150°C 200°C，七至九區(qū)220°C 170°C，十至 十二區(qū)210°C 160°C，真空度0. 02 0. 08Mpa，機頭壓力保持為20 30Mpa(以下同此)。將所得粒料送至前述的ZM-65紙膜機組，在170°C 220°C將熔融的物料充氣吹制 成紙膜，主機轉(zhuǎn)速400 800轉(zhuǎn)/分，吹脹比2. 5 3. 5，牽引比4 8，經(jīng)雙向拉伸裝置進 行縱橫雙向拉伸，最后通過送入冷卻機組冷卻成型。成型后可直接卷取得0. 05mm厚度的輕 質(zhì)環(huán)保石頭紙。實施例2原料滑石粉80%，熔體指數(shù)為18g/10min的脂肪族聚碳酸酯15%，鈦酸酯2%， 偶氮胺基苯1%，礦物油2%。制備將滑石粉在100°C 120°C進行攪拌預熱，依次加入鈦酸酯、礦物油、偶氮胺 基苯和脂肪族聚碳酸酯保持高速分散混合，最后放料、冷卻。將上述混合物經(jīng)密煉式三螺桿反應型擠出機T型模頭擠出后送至前述的 SYS6S-0 230X630六輥壓延機組，選擇輥溫160°C 180°C，輥速45 80/m · mirT1經(jīng)縱橫 雙向擴幅拉伸并冷卻成型，成型后可直接卷取得0. 06mm厚度的輕質(zhì)環(huán)保石頭紙。實施例3原料碳酸鈣85%，熔體指數(shù)為20g/10min的聚丁二酸-丁二醇酯5%，聚己內(nèi)酯 5(%，硬脂酸2(%，偶氮異丁腈2(%，PE蠟1(%。制備將碳酸鈣在100°C 120°C攪拌預熱，依次加入硬脂酸、PE蠟、偶氮異丁腈和 聚丁二酸-丁二醇酯、聚己內(nèi)酯高速分散混合，最后放料、冷卻。將上述混合物按實施例2方式，經(jīng)密煉式三螺桿反應型擠出機T型模頭擠出后送 至六輥壓延機組壓延成型和縱橫雙向擴幅拉伸加工成厚度0. 8mm的輕質(zhì)環(huán)保石頭紙。實施例4原料高嶺土 80%，熔體指數(shù)為6g/10min的PPK6712315%，磷酸酯1%，對甲苯磺 酰胼1%，微晶石蠟3%制備將高嶺土在100°C 120°C攪拌預熱，依次加入磷酸酯、微晶石蠟、對甲苯磺 酰胼和PPK67123高速分散混合，最后放料、冷卻。將上述混合物經(jīng)密煉式三螺反應擠出機擠出造粒，所得到的物料按實施例1方 式，經(jīng)紙膜吹塑設備雙向拉伸加工成0. 05mm厚度的輕質(zhì)環(huán)保石頭紙。上述各實施例的輕質(zhì)環(huán)保石頭紙產(chǎn)品，與CN1378909A文獻中的石頭紙(對照石頭 紙)的主要技術(shù)指標檢測結(jié)果對比如表1所示。對比結(jié)果表明，本發(fā)明的輕質(zhì)環(huán)保石頭紙 的比重明顯降低，綜合性能均優(yōu)于對照石頭紙。表1本發(fā)明輕質(zhì)環(huán)保石頭紙與對照普通石頭紙的主要技術(shù)檢測指標對比
權(quán)利要求
1.輕質(zhì)環(huán)保石頭紙，其特征是各成分的重量組成為無機粉體材料75 85%，高分子聚合物10 20%，輔助成分3 8%，所說的無機粉體材料的平均粒徑為1250目 2500目；高分子聚合物為熔體指數(shù)為 5 20g/10min的聚乙烯、聚丙烯、聚3-羥基丁酸酯、聚3-羥基戊酸酯、聚丁二酸-丁二醇 酯、聚己內(nèi)酯、聚乳酸、脂肪族聚碳酸酯中的至少一種；輔助成分至少包括含量分別1 3% 的表面活性劑、潤滑劑和發(fā)泡劑，其中所說的表面活性劑為鋅酸酯、磷酸酯、鉻酸酯、鈦酸 酯、鋁酸酯或硬脂酸鹽中的至少一種，所說的潤滑劑為聚乙烯蠟、微晶石蠟、礦物油、白油、 聚丙烯蠟中的至少一種，所說的發(fā)泡劑為偶氮二甲酰胺、偶氮胺基苯、偶氮異丁腈、苯磺酰 胼或?qū)妆交酋ｋ葜械闹辽僖环N。
2.如權(quán)利要求1所述的輕質(zhì)環(huán)保石頭紙，其特征是所說的無機礦物成分是硅灰石、膨 潤土、高嶺土、硅藻土、滑石粉和碳酸鈣天然無機礦物中的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的輕質(zhì)環(huán)保石頭紙，其特征是所說的高分子聚合物是熔體指數(shù)為 5-15g/10min的聚乙烯、聚丙烯。
4.如權(quán)利要求1所述的輕質(zhì)環(huán)保石頭紙，其特征是所說的高分子聚合物是熔體指數(shù)為 5 20g/10min的聚3-羥基丁酸酯、聚3-羥基戊酸酯、聚丁二酸-丁二醇酯、聚己內(nèi)酯、聚 乳酸、脂肪族聚碳酸酯中的一種。
5.權(quán)利要求1至4的輕質(zhì)環(huán)保石頭紙的制備方法，其特征是將所說的各原料成分充分 混合均勻后，經(jīng)反應型螺桿擠出機于120°C 220°C溫度條件下擠出得到造紙用的粒料，該 粒料送入紙膜設備或壓延設備，在170°C 220°C條件下將熔融態(tài)的物料由紙膜機模頭充 氣吹制成紙膜后，再經(jīng)縱/橫雙向拉伸，得到所需厚度的平面延展紙張并冷卻成型，或在壓 延設備中于160°C 180°C壓延成型，經(jīng)縱/橫雙向擴幅拉伸并冷卻成型，得到所需厚度的 紙張。
6.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征是所說的經(jīng)反應型螺桿擠出機的T型模頭擠 出的物料直接送入六輥壓延機組中壓延成型。
7.如權(quán)利要求5或6所述的制備方法，其特征是所說的反應型螺桿擠出機為螺桿長徑 比>22 1的密煉式三螺桿反應型擠出設備。
8.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征是所說的密煉式三螺桿擠出設備對混合物料 的處理條件為主機轉(zhuǎn)速100 600轉(zhuǎn)/分鐘；喂料機轉(zhuǎn)速8 30轉(zhuǎn)/分鐘；擠出溫度為 一至三區(qū)120°C 140°C，四至六區(qū)150°C 200°C，七至九區(qū)170°C 220°C，十至十二區(qū) 160°C 210°C ；發(fā)泡階段時保持真空度為0. 02 0. 08Mpa ；機頭壓力為20 30MPa。
9.如權(quán)利要求5至8之一所述的制備方法，其特征是所說的無機粉體材料原料先在 100°C 120°c條件下進行預熱后，再用于與其它原料進行混合。
10.如權(quán)利要求5至8之一所述的制備方法，其特征是所說的無機粉體材料原料、高分 子聚合物原料及各輔助成分在混合時，采用分步依次間隔加入的方式混合，在無機粉體材 料原料中分步依次間隔加入包括表面活性劑、潤滑劑、發(fā)泡劑的輔助成分及高分子聚合物， 待已加入的成分充分混合后，再加入另一成分，實現(xiàn)物料成分的充分均勻混合。
全文摘要
輕質(zhì)環(huán)保石頭紙及制備方法。該石頭紙的各成分重量組成為平均粒徑1250～2500目的無機粉體材料75～85％，熔體指數(shù)為5～20g/10min的高分子聚合物10～20％，至少包括表面活性劑、潤滑劑和發(fā)泡劑輔助成分3～8％。該輕質(zhì)環(huán)保石頭紙具有質(zhì)輕、蓬松、柔軟的特點，油墨吸收性和印刷適應性方面性能優(yōu)越，且具有良好的紙張外觀和質(zhì)感。
文檔編號C04B38/02GK102060564SQ20101054555
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月16日
發(fā)明者劉宏, 曾軍堂, 陳兵, 陳慶 申請人:成都新柯力化工科技有限公司