專利名稱：造紙方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及含纖維-填料復(fù)合物的紙張或紙板基片以及所述基片的制備和使用方法。
背景技術(shù)：
在造紙過程中，無機材料如沉淀的碳酸鈣(PCC)、研磨碳酸鈣(GCC)、粘土和滑石廣泛地用作填料。在目前的造紙策略中，填料加入量通常為12-25重量％，以便改善紙張的光學(xué)性能如白度和不透明度。在有些情況下，出于經(jīng)濟上的考慮，人們往往會用廉價填料替換昂貴的纖維。
為了保證填料保留在纖維幅中，并最終保留在紙產(chǎn)品中，將使用助留劑。通常，助留劑是使造紙配料絮凝并增強填料-纖維“附著”的長鏈聚合物。然而，部分由助留劑所引起的高絮凝水平將在紙幅中形成不均勻性并形成質(zhì)量差的紙張。
為解決該問題，在法國專利92-04474和US5,731,080和5,824,364(Cousin等人)中披露了直接將填料附著至纖維表面上的方法。在此通過引用將其全部內(nèi)容引入。在這些專利中，紙漿配料的滑流(slip stream)精制至低游離度(＜70加拿大標準游離度[csf]與典型的450csf)，然后處理產(chǎn)生高填載的填料-纖維復(fù)合物。當(dāng)將這些復(fù)合物重新與未經(jīng)處理的紙漿進行混合時，能夠?qū)崿F(xiàn)任何希望的填料量。
另一種可供選擇的方法描述于美國專利5,679,220(Matthew等人)和美國專利5,665,205(Srivatsa等人)中，在此通過引入將其全部內(nèi)容并入。在Srivatsa和Matthew的專利中，在沒有將紙漿經(jīng)受高精制處理(低游離度)的情況下，將所有配料處理成標稱的填料加入量。然而，由于對較大體積的紙漿進行處理，這種方法將使成本和操作費用增加。因此，在本領(lǐng)域中一直需要容易廉價地產(chǎn)生填料-纖維復(fù)合物。
在本領(lǐng)域中，已知的是，通過使纖維漿液與消石灰和二氧化碳氣體接觸沉淀碳酸鈣(PCC)來生產(chǎn)纖維-填料復(fù)合物。所述的方法描述于Cousin等人，Srivatsa和Matthew等人的專利中。Cousin等人的專利描述了一種獲得纖維-基復(fù)合物的方法，所述復(fù)合物是通過在擴大表面積的纖維(其表面上具有微纖維)的水懸浮液中就地沉淀碳酸鈣而生產(chǎn)的。沉淀的碳酸鈣(PCC)的晶體在沒有任何粘合劑或助留劑的情況下基本上以直接接枝到微纖維上的顆粒簇排列，因此，所述晶體通過可靠的和不易發(fā)生變化的鍵合來俘獲微纖維。Srivatsa等人描述了有關(guān)二次纖維配料的就地沉淀。而就形成纖維-填料復(fù)合物來說，Cousin等人的專利描述了間歇反應(yīng)方法，Matthew等人描述了連續(xù)方法。
通常，當(dāng)對紙漿進行精制時，在纖維上將產(chǎn)生更大的表面積，并形成另外的錨接位置。然而，通過在造紙過程中從生產(chǎn)液流中獲取纖維，美國專利6,592,712(在此通過引入將其全部內(nèi)容并入)提供了一種在不需要另外精制的情況下具有大表面積的纖維源。然而，含再循環(huán)纖維(也稱之為“細小纖維(fine)”)的內(nèi)部再循環(huán)大表面積纖維流，由于除染料和顏料以外其還包含殘余的未處理填料和其它造紙材料如施膠劑、光學(xué)增白劑，因此，在使用時十分易變。這些化學(xué)物質(zhì)在其隨后的使用中將引起一系列的問題，如當(dāng)暴露至高pH環(huán)境中，如在開始形成PCC時所要求的環(huán)境中時，將降低剩余施膠劑和OBA的使用效果。另外，利用含“細小纖維”的十分易變的配料將在由其制得的紙基(paper substrate)中造成不均勻性的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面是紙基，其包含平均長度大于或等于75微米的得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維和附著至部分所述纖維上的填料，另外還包含以所述紙基的總重量計低于50重量％的平均長度小于75微米的纖維。闊葉木、針葉木或它們的混合物的纖維，其加拿大標準游離度為300-600，并且可以是原生纖維(virgin fiber)。平均長度小于75微米的纖維可以是回用纖維(recycled fiber)、再循環(huán)纖維、廢纖維、或它們的混合物。長度小于75微米的纖維以紙基總重量計其量為0.1-20重量％。
本發(fā)明的另一方面是紙基，其包含平均長度大于或等于75微米的得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維和附著至部分所述纖維上的填料，另外還包含以所述紙基的總重量計低于50重量％、平均長度小于75微米的纖維；其中，以紙基的總重量計填料的量為1-30重量％。所述填料可以以0.3-8的填料/纖維的重量比附著。所述填料可以是沉淀的。另外，所述填料可以是沉淀的碳酸鈣。另外，所述填料還可以是選自立方形、scalenohdral、斜方形和文石中的至少一種形狀。填料的平均粒度為0.01-20微米。
本發(fā)明的另一方面是如下所述紙基的制備方法使平均長度大于或等于75微米的得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維(且部分所述纖維附著有填料)與以所述紙基的總重量計平均長度小于75微米的纖維相接觸。
本發(fā)明的另一方面是通過使平均長度大于或等于75微米、得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維同時和/或順序地與氫氧化鈣和/或二氧化碳相接觸而制備紙基的方法。
本發(fā)明的另一方面是通過使平均長度大于或等于75微米、得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維在線地與氫氧化鈣相接觸形成固體低于5％的漿液而制備紙基的方法。
本發(fā)明的另一方面是通過使平均長度大于或等于75微米、得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維在與氫氧化鈣接觸之前先與二氧化碳氣體相接觸而制備紙基的方法。
本發(fā)明的另一方面是通過使平均長度大于或等于75微米、得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維在與氫氧化鈣接觸之前先與二氧化碳氣體相接觸而制備紙基的方法。
本發(fā)明的另一方面是通過使平均長度大于或等于75微米、得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維在pH為7.5-11的環(huán)境下同時和/或順序地與氫氧化鈣和/或二氧化碳相接觸而制備紙基的方法。
本發(fā)明的另一方面是通過使平均長度大于或等于75微米、得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維在管式反應(yīng)器中同時和/或順序地與氫氧化鈣和/或二氧化碳相接觸而制備紙基的方法，其中于多個添加位置將二氧化碳添加至反應(yīng)器中。
本發(fā)明的另一方面是通過使平均長度大于或等于75微米、得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維在一系列的連續(xù)攪拌的罐式反應(yīng)器中同時和/或順序地與氫氧化鈣和/或二氧化碳相接觸而制備紙基的方法；其中將二氧化碳添加至該系列中的每一個連續(xù)攪拌的罐式反應(yīng)器中。
本發(fā)明的另一方面是通過使平均長度大于或等于75微米、得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維和平均長度小于75微米的纖維在一系列連續(xù)攪拌的罐式反應(yīng)器中同時和/或順序地與氫氧化鈣和/或二氧化碳相接觸而制備紙基的方法，其中將二氧化碳添加至該系列中的每一個連續(xù)攪拌的罐式反應(yīng)器中。


圖1是紙基ID側(cè)的謝菲爾德平滑度(謝菲爾德單位(SU))對包含在紙基中灰分重量％的圖。
圖2是紙基NS側(cè)的謝菲爾德平滑度(謝菲爾德單位(SU))對包含在紙基中灰分重量％的圖。
圖3是在試樣反應(yīng)形成細小纖維-填料復(fù)合物之前和之后，對由得自回收纖維(SaveAll fiber)的細小纖維流試樣的殘余OBA的熒光性的對比表。
圖4是采用若干個本發(fā)明的特征的方法的示意圖。
圖5是實施本發(fā)明方法的一個裝置實施方案的簡圖。
圖6是與實施本發(fā)明方法的裝置相結(jié)合、所述方法的一個實施方案的簡圖。
圖7是制備纖維-填料復(fù)合物的方法的一個實施方案的簡圖，其中，使用(活塞流)反應(yīng)器并在各個反應(yīng)器中添加二氧化碳。
圖8是制備纖維-填料方法的一個實施方案的簡圖，其中，使用串聯(lián)的多個連續(xù)攪拌的罐式反應(yīng)器。
圖9是以沉淀填料的形態(tài)為函數(shù)的紙基的對比圖。
圖10是顯示管式反應(yīng)器形態(tài)結(jié)果的SEM。
圖11是顯示CSTR反應(yīng)器形態(tài)結(jié)果的第一SEM。
圖12是顯示CSTR反應(yīng)器形態(tài)結(jié)果的第二SEM。
圖13是顯示立方形態(tài)的第一SEM。
圖14是顯示立方形態(tài)的第二SEM。
圖15是顯示立方形態(tài)的第三SEM。
圖16是顯示立方形態(tài)的第四SEM。
圖17是HST施膠度對PCC％的圖。
圖18是模量對PCC％的圖。
圖19是內(nèi)部結(jié)合力對PCC％的圖。
圖20是GM裂斷長度對PCC％的圖。
圖21是GM Taber挺度對PCC％的圖。
圖22是白度(UV)對PCC％的圖。
圖23是沒有UV的白度對PCC％的圖。
圖24是熒光度(Δ白度)對PCC％的圖。
圖25是制造纖維填料復(fù)合物的方法的一個特別優(yōu)選的實施方案。
發(fā)明詳述本發(fā)明人業(yè)已發(fā)現(xiàn)了一種含纖維-填料復(fù)合物的紙基或紙板基及其制備方法。在利用傳統(tǒng)紙基和方法的同時，解決了上面所述的所有問題。
所述紙基包含纖維素纖維幅。本發(fā)明的紙基可以包含回用纖維和/或原生纖維?；赜美w維與原生纖維的不同之處在于回用纖維已經(jīng)經(jīng)過若干次的干燥過程。
以紙基的總重量計，本發(fā)明的紙基可以包含1-99重量％，優(yōu)選5-95重量％，最優(yōu)選60-80重量％的纖維素纖維，包括1、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和99重量％，并且還包括其中的任一和所有的范圍和子范圍。
優(yōu)選的是，纖維素纖維源得自針葉木和/或闊葉木。以紙基中纖維素纖維的總量計，本發(fā)明的紙基可以包含1-99重量％、優(yōu)選5-95重量％的源自針葉木類的纖維素纖維。以紙基中纖維素纖維的總量計，該范圍包括1、2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100重量％，包括其中的任一和所有的范圍和子范圍。
以紙基的總重量計，本發(fā)明的紙基可以另外地或交叉地包含0.01-100重量％，優(yōu)選0.01-50重量％，最優(yōu)選5-40重量％的針葉木纖維。以紙基的總重量計，所述紙基包含不多于0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100重量％的細小纖維，包括其中的任一和所有范圍和子范圍。
所述紙基可以包含得自針葉木類的針葉木纖維，其加拿大標準游離度(CSF)300-700，更優(yōu)選為250-650，最優(yōu)選為400-550csf。該范圍包括300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、510、520、530、540、和550csf，包括其中的任一和所有的范圍和子范圍。以紙基中纖維素纖維的總量計，本發(fā)明的紙基可以包含1-99重量％，優(yōu)選5-95重量％的源自闊葉木類的纖維素纖維。以紙基中纖維素纖維的總量計，該范圍包括1、2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100重量％，包括其中的任一和所有的范圍和子范圍。
以紙基的總重量計，本發(fā)明的紙基可以另外地或交叉地包含0.01-100重量％，優(yōu)選50-100重量％，最優(yōu)選60-99重量％的闊葉木纖維。以紙基的總重量計，所述紙基包含不多于0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、99和100重量％的細小纖維，包括其中的任一和所有范圍和子范圍。
所述紙基可以包含得自闊葉木類的針葉木纖維，其加拿大標準游離度(CSF)300-700，更優(yōu)選為250-650，最優(yōu)選為400-550 csf。該范圍包括300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、510、520、530、540和550 csf，包括其中的任一和所有的范圍和子范圍。
當(dāng)紙基包含闊葉樹纖維和針葉樹纖維時，優(yōu)選的是闊葉木/針葉木之比從0.001至1000。該范圍包括0.001、0.002、0.005、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、200、300、400、500、600、700、800、900和1000，包括其中的任一和所有的范圍和子范圍，以及所述比值倒數(shù)內(nèi)的任一和所有的范圍和子范圍。
闊葉木和針葉木纖維的平均長度優(yōu)選不小于75微米，更優(yōu)選不小于80微米，最優(yōu)選不小于100微米。這些纖維的長度大于或等于75、77、80、82、85、87、90、92、95、97和100微米，包括其中的任一和所有的范圍和子范圍。
此外，本發(fā)明的紙基所包含的針葉木纖維和/闊葉木纖維可以通過物理方法和/或化學(xué)方法改性。物理方法的例子包括但不局限于電磁方法和機械法。電改性的方法包括但不局限于使纖維與電磁能源如光和/或電流接觸的方法。機械改性的方法包括但不局限于使無生物物體與纖維接觸的方法。所述無生物物體的例子包括帶有鋒利和/或鈍邊緣的那些。所述的方法還包括例如切割、捏合、搗碎、穿刺等方法。
化學(xué)方法的例子包括但不局限于常規(guī)的化學(xué)纖維改性方法，包括在復(fù)合物上的交聯(lián)和沉淀。纖維所述改性的例子可以在下列專利文獻中找到，但并不局限于這些文獻6,592,717、6,592,712、6,582,557、6,579,415、6,579,414、6,506,282、6,471,824、6,361,651、6,146,494、H1/704、5,731,080、5,698,688、5,698,074、5,667,637、5,662,773、5,531,728、5,443,899、5,360,420、5,266,250、5,209,953、5,160,789、5,049,235、4,986,882、4,496,427、4,431,481、4,174,417、4,166,894、4,075,136和4,022,965，在此將這些文獻通過引入并入。
“細小纖維”源可以在回收纖維中、再循環(huán)液流、排出的液流、廢纖維液流中找到?！凹毿±w維”在紙基中的含量通過改變所述液流添加至造紙過程中的比例來加以改變。
所述紙基優(yōu)選包含闊葉木纖維、針葉木纖維和“細小纖維”的混合物。如上所述，“細小纖維”被再循環(huán)，并且其平均長度通常不大于100微米，優(yōu)選不大于90微米，更優(yōu)選不大于80微米，最為優(yōu)選的是不大于75微米。所述細小纖維的長度優(yōu)選不大于5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100微米，包括其中的任一和所有的范圍和子范圍。
以紙基的總重量計，所述紙基包含0.01-100重量％，優(yōu)選0.01-50重量％、最優(yōu)選0.01-15重量％的細小纖維。以紙基的總重量計，所述紙基包含不大于0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100重量％的細小纖維，包括其中的任一個和所有的范圍和子范圍。
以紙基所包含的纖維的總重量計，所述紙基可以另外或交叉地包含0.01-100重量％，優(yōu)選0.01-50重量％、最優(yōu)選0.01-15重量％的細小纖維。以紙基所包含的纖維的總重量計，所述紙基包含不大于0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100重量％的細小纖維，包括其中的任一個和所有的范圍和子范圍。
在本發(fā)明的一實施方案中，所述紙基可以包含更少的“細小纖維”和更長的新鮮闊葉木和/或針葉木纖維，優(yōu)選原生纖維。與如果紙基中存在著更高量的“細小纖維”相比，對紙基的最終影響在于能夠獲得更為解離(de-bonded)的纖維素纖維幅。與細小纖維相比，大量使用較長的硬長的新鮮闊葉木和/或針葉木纖維，優(yōu)選是原生纖維，可能會形成具有更高松厚性的、更不致密的紙頁，所述紙頁可能是更易壓縮和均勻的；在壓榨和/或壓光之后，這將導(dǎo)致改性的平滑度。該理想狀態(tài)將通過如下實施例1、結(jié)合圖1和圖2來解釋，圖1和圖2分別示出了紙基的ID和NS側(cè)的謝菲爾德平滑度(謝菲爾德單位(SU))與包含在所述紙基中灰分的重量％的圖。一種紙基包含高度精制的、高表面積的回收紙漿，而另一種紙基包含未精制的紙漿。在相同灰分含量時，包含未精制紙漿的紙基與包含高度精制的和/或再循環(huán)和/或回收紙漿的那些紙基相比，其具有更為平滑的表面。
本發(fā)明的紙基可以包含填料。
填料可以為無機填料。填料的例子包括但不局限于粘土、滑石、碳酸鈣、硫酸鈣半水化物和脫水硫酸鈣。優(yōu)選的填料是碳酸鈣。盡管也可以是研磨碳酸鈣，但優(yōu)選的形式是沉淀的碳酸鈣。
以紙基的總重量計，本發(fā)明的紙基可以包含0.001-50重量％，優(yōu)選0.01-40重量％，最優(yōu)選1-30重量％的至少一種所述的填料。以紙基總重量計，所述范圍包括0.001、0.002、0.005、0.006、0.008、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、4、5、6、8、10、12、14、15、16、18、20、22、25、30、35、40、45和50重量％，包括其中的任一個和所有的范圍和子范圍。
紙基優(yōu)選包含纖維-填料復(fù)合物，更優(yōu)選的是纖維-碳酸鈣復(fù)合物。纖維-填料是其中纖維和填料以化學(xué)和/或物理作用而相互結(jié)合在一起的復(fù)合物。纖維-填料復(fù)合物的制備方法可以是任何常規(guī)的方法，包括描述于法國專利92-04474和US5,731,080、5,824,364、5,679,220、6,592,712和5,665,205中的那些方法，在此通過引用將其全部并入。制備纖維-填料復(fù)合物進一步的實施方案如圖4-6所示。
所述紙基優(yōu)選包含優(yōu)選通過在此所述的方法制備的纖維-填料復(fù)合物。纖維-填料是其中纖維和填料以化學(xué)和/或物理作用而相互結(jié)合在一起的復(fù)合物。填料/纖維的比例可為任何比例。填料/纖維比例可以為0.001-1000。填料/纖維比例可為0.001、0.005、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、3.0、4、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、225、250、300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950和1000，包括其中的任一個和所有的范圍和子范圍。
當(dāng)存在于纖維填料復(fù)合物中時，填料的平均粒度可以是任何粒度。在纖維填料復(fù)合物中，填料平均粒度的例子是0.01-20微米。填料的平均粒度可為0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.12、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.2、5.5、5.7、6.0、6.2、6.5、6.7、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19和20，包括其中的任一個和所有的范圍和子范圍。
纖維填料復(fù)合物中填料顆粒的平均表面積可以是任何表面積。在纖維填料復(fù)合物中，填料顆粒表面積的例子是0.1-20m2/g。纖維填料復(fù)合物中填料顆粒的表面積可為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.12、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.2、5.5、5.7、6.0、6.2、6.5、6.7、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19和20，包括其中的任一個和所有的范圍和子范圍。
在纖維填料復(fù)合物中，附著至纖維上的填料量，以添加至反應(yīng)器中填料的總量計，可以為1-100重量％，優(yōu)選至少為9重量％，更優(yōu)選至少為15重量％，最為優(yōu)選至少為20重量％。在纖維填料復(fù)合物中，附著至纖維上的填料量至少可以是1、2、3、5、7、10、12、15、17、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、80、95和99重量％，包括其中的任一個和所有的范圍和子范圍。
當(dāng)存在于纖維填料復(fù)合物中時，所述填料優(yōu)選為沉淀的。當(dāng)為沉淀的填料時，所述填料可以是可以形成沉淀結(jié)晶通常已知的任何形狀。所述形狀的例子可以是立方形、scalenohdral、斜方形和/或文石形。優(yōu)選的形狀是立方形和/或文石形。
以紙基的總重量計，所述紙基可以包含0.1-100重量％的纖維填料復(fù)合物，包括0.1、0.2、0.5、1、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100重量％，并且還包括其中的任一個和所有的范圍和子范圍。
可以使纖維與氫氧化鈣和/或二氧化碳同時和/或順序地接觸形成纖維-碳酸鈣復(fù)合物而制備所述纖維填料復(fù)合物。
要添加以便形成纖維-填料復(fù)合物的纖維的表面積可為3-200m2/g，包括3、5、10、15、20、25、30、40、50、60、70、80、90、100、125、150、175、200、225、250、275和300m2/g，包括其中的任一個和所有的范圍和子范圍。
以反應(yīng)物的重量計，通過添加小于或等于5％(固體)的氫氧化鈣，包括小于或等于0.1、0.2、0.3、0.5、0.75、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0％(固體)的氫氧化鈣而制備纖維-填料復(fù)合物，包括其中的任一個和所有的范圍和子范圍。然而，可以使用任意％固體的氫氧化鈣。
以反應(yīng)物的重量計，通過添加小于或等于5％(固體)的二氧化碳，包括小于或等于0.1、0.2、0.3、0.5、0.75、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0％(固體)的二氧化碳而制備纖維-填料復(fù)合物，包括其中的任一個和所有的范圍和子范圍。然而，可以使用任意％固體的二氧化碳。
在優(yōu)選實施方案中，使纖維與二氧化碳接觸。
纖維源可以是任何纖維。此外，纖維可以預(yù)先與氣體、液體和/或固體的載體例如水進行混合，但這不是必須的。
氫氧化鈣源可以是任何來源的氫氧化鈣。此外，氫氧化鈣和/或其來源可以呈氣體、液體和/或固體狀態(tài)。再者，氫氧化鈣和/或其來源可以預(yù)先與氣體、液體和/或固體的載體例如水進行混合，但這不是必須的。氫氧化鈣源優(yōu)選是石灰。
二氧化碳源可以是任何來源的二氧化碳。此外，二氧化碳和/或其來源可以呈氣體、液體和/或固體狀態(tài)。再者，二氧化碳和/或其來源可以預(yù)先與氣體、液體和/或固體的載體例如水進行混合，但這不是必須的。二氧化碳優(yōu)選呈氣體和/或液體狀。
二氧化碳可在制備纖維-填料復(fù)合物過程中的任何時候添加至纖維中。亦即，二氧化碳可以在纖維進入反應(yīng)器、反應(yīng)區(qū)和/或接觸區(qū)之前添加至纖維中。另外，二氧化碳也可以在纖維進入反應(yīng)器、反應(yīng)區(qū)和/或接觸區(qū)時添加至纖維中。
在本發(fā)明的一實施方案中，纖維-填料復(fù)合物通過在纖維與氫氧化鈣接觸之前使纖維與二氧化碳接觸而制得。
在本發(fā)明的一實施方案中，纖維-填料復(fù)合物通過在線地使呈石灰形式的氫氧化鈣與纖維混合而制得。
在另一實施方案中，使纖維與二氧化碳接觸，然后在線地與石灰形式的氫氧化鈣混合。纖維和石灰形式的氫氧化鈣形成小于或等于5％固體，優(yōu)選1-4％固體，最優(yōu)選1.5-2.5％固體的漿液。漿液的％固體可以包括0.1、0.2、0.3、0.5、0.75、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0重量％，包括其中的任一個和所有的范圍和子范圍。
可以任何pH下使纖維、氫氧化鈣和/或二氧化碳在一起接觸。優(yōu)選的是，pH值大于或等于6，更優(yōu)選的pH值為6-12，最優(yōu)選為8-10.5。PH值可以為1、2、3、4、5、6、7、7.5、8、8.5、8、9.5、10、10.5、11、11.5、12、12.5、13和14，包括其中的任一個和所有的范圍及子范圍。
纖維、氫氧化鈣和/或二氧化碳可以任何方式在一起接觸。優(yōu)選所述接觸在至少一個反應(yīng)器中進行。反應(yīng)器的例子包括管式反應(yīng)器，罐式反應(yīng)器、連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器(CSTR)、連續(xù)管式反應(yīng)器和/或活塞流反應(yīng)器。優(yōu)選使用管式(活塞流)反應(yīng)器和/或一系列的連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)堆。
當(dāng)通過至少一次將二氧化碳添加至反應(yīng)器而將其進一步添加至所述過程中時，還優(yōu)選在整個反應(yīng)器中進行一系列的二氧化碳添加。
當(dāng)使用連續(xù)管式(活塞流)反應(yīng)器時，優(yōu)選的是，在整個反應(yīng)器中進行一系列的二氧化碳添加。這實施方案可參見圖7。
當(dāng)使用連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器時，優(yōu)選使用多個串聯(lián)的連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器。該實施方案可參見圖8。
反應(yīng)條件以促進通過化學(xué)和/或物理作用使纖維和填料結(jié)合為準。
所述纖維填料復(fù)合物的制備方法用于任何傳統(tǒng)的造紙方法中。用于制備紙基和與紙相關(guān)的材料的方法和裝置在紙和紙板領(lǐng)域中為大家所熟知。例如可參見上面參考的G.A.Smook和其中引證的參考文獻。在此將其通過引入全部并入。所有這些已知的造紙方法均可用于實施本發(fā)明，并將不會進行詳細描述?？梢酝耆?或部分地替換常規(guī)的纖維的方式，將纖維填料復(fù)合物添加至造紙過程中。所述纖維填料復(fù)合物可以以任何濃度和/或用量添加至造紙過程中，所述任何濃度和用量指的是在由纖維填料復(fù)合物制備的紙基中，為了使纖維填料復(fù)合物獲得希望的留著率所希望的濃度和/或用量。
纖維填料復(fù)合物可以在造紙過程的任何位置與紙基接觸。所述接觸可以在造紙過程的任何時間進行，包括但不局限于濃漿、稀漿、流漿箱、施膠機、水箱和涂布機。此外，添加位置還包括紙機貯漿池(machine chest)、料箱，以及漿泵的抽吸位置。
本發(fā)明的紙基還可以包括任選的物質(zhì)，包括顏料、染料、光學(xué)增白劑、不是呈纖維-填料復(fù)合物形式的填料、助留劑、施膠劑(例如AKD和ASA)、粘合劑、增稠劑和防腐劑。粘合劑的例子包括但不局限于聚乙烯醇、Amres(Kymene類)、Bayer Parez、多氯化物乳液、改性淀粉如羥乙基淀粉、淀粉、聚丙烯酰胺、改性聚丙烯酰胺、多元醇、多元醇羰基加成物、乙二醛/多元醇縮合物、聚酰胺、表氯醇、乙二醛、乙二醛脲、乙二醛、脂族聚異氰酸酯、異氰酸酯、1，6-六亞甲基二異氰酸酯、二異氰酸酯、聚異氰酸酯、聚酯、聚酯樹脂、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸酯樹脂、丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯。其它任選的物質(zhì)包括但不局限于二氧化硅，如硅膠和/或硅溶膠。二氧化硅的例子包括但不局限于硅酸鈉和/或硼硅酸鹽。任選的物質(zhì)另外的例子是溶劑，包括但不局限于水。
本發(fā)明的紙基可以包含各種助留劑，它們選自分散于松厚性和多孔性增強添加劑和纖維素纖維內(nèi)的凝結(jié)劑、絮凝劑和包埋劑(entrapment agent)。
以紙基總重量計，本發(fā)明的紙基可以包含0.001-50重量％，優(yōu)選0.01-10重量％，最優(yōu)選0.1-5.0重量％的至少一種所述的任選的物質(zhì)。以紙基總重量計，所述范圍包括0.001、0.002、0.005、0.006、0.008、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、4、5、6、8、10、12、14、15、16、18、20、22、25、30、35、40、45和50重量％，包括其中的任一個和所有的范圍和子范圍。
任選的物質(zhì)可以分散在紙基的整個橫截面上，或者可以是在紙基橫截面內(nèi)部更為富集。此外，其它的任選的物質(zhì)如粘合劑，在朝向紙基橫截面外表面處可以更為富集。
本發(fā)明的紙基另外還可以包含表面施膠劑，如淀粉和/或其改性和/或功能等效物，以紙基的總重量計，其含量為0.05-50重量％，優(yōu)選為5-15重量％。以紙基總重量計，紙基所包含的淀粉的重量％可以為0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、4、5、6、8、10、12、14、15、16、18、20、22、25、30、35、40、45和50重量％，包括其中的任一個和所有的范圍和子范圍。改性淀粉的例子包括例如，氧化淀粉、陽離子淀粉、乙基化淀粉、水合乙氧基化(hydroethoxylate)淀粉等。功能等效物的例子為(但不局限于)聚乙烯醇、聚乙烯胺、藻酸鹽、羧甲基纖維素等。
紙基可以在包含一個或更多個壓區(qū)(nip)的壓榨部進行壓榨。然而，可以使用造紙領(lǐng)域中熟知的任何壓榨方式。所述壓區(qū)可是(但不局限于)單毯壓區(qū)、雙毯壓區(qū)、壓輥、以及壓機中延伸的壓區(qū)。然而，可以使用造紙領(lǐng)域中熟知的任何壓區(qū)。
紙基可以在干燥部進行干燥。可以使用造紙領(lǐng)域中熟知的任何干燥方式。干燥部可以包括且包含烘缸、滾筒干燥、Condebelt干燥、紅外干燥，或本領(lǐng)域已知的其它干燥手段和機構(gòu)。可以對紙基進行干燥，以便使其包含任何選定的水含量。優(yōu)選的是，將紙基干燥至包含小于或等于10％的水含量。
可以使紙基通過施膠機，在施膠機中，造紙行業(yè)中已知的任何施膠手段均可以接受。施膠機例如可以是池式施膠機(puddle mode sizepress)(例如，傾斜、垂直、水平的)或計量施膠機(例如刮刀計量，刮棒計量)。在施膠機處，施膠劑如粘合劑可以與紙基接觸。另外，如果需要的話，還可以在造紙過程的濕部添加相同的施膠劑。施膠之后，所述紙基可以根據(jù)上面列舉的手段以及在造紙領(lǐng)域中其他已知的干燥手段再次進行干燥或者不再進行干燥?？梢詫埢M行干燥，以便使其包含任何選定的水含量。優(yōu)選的是，將紙基干燥至包含小于或等于10％的水含量。
可以使用造紙領(lǐng)域中熟知的任何壓光手段對紙基進行壓光。更具體地說，例如可以采用濕部雙輥壓光(wet stack calendering)，干燥部雙輥壓光(dry stack calendering)，鋼壓區(qū)壓光(steel nip calendaring)，柔軟的熱壓光或延伸壓區(qū)的壓光等。盡管不希望被任何理論所束縛，但是據(jù)認為，本發(fā)明所存在的可膨脹的微球體和/或組合物和/或顆粒，對于某些紙基，取決于其預(yù)定的用途，可降低且緩和苛刻的壓光手段和環(huán)境的要求。
根據(jù)造紙領(lǐng)域中任何已知的微整飾(microfinish)手段，可以使紙基微整飾。微整飾是涉及摩擦處理以便整飾紙基表面的一種手段。順序和/或同時可利用或不用對其施加的壓光手段對紙基進行微整飾。微整飾的例子可參見US20040123966和其中引用的參考文獻，在此通過引入將其全部內(nèi)容并入。
下面將借助實施例更為詳細地解釋本發(fā)明，所述實施例并不以任何方式對本發(fā)明的范圍進行限定。
具體實施例方式
實施例實施例1制備含不同灰分含量的兩種紙基手抄紙組。手抄紙組1包含具有高表面積的回收細小纖維，而另一手抄紙組2包含未精制的纖維。圖1和圖2分別示出了紙基的ID和NS側(cè)的謝菲爾德平滑度(謝菲爾德單位(SU))與包含在所述紙基中灰分的重量％的圖。在相同灰分含量時，包含未精制紙漿的紙基與包含高度精制的和/或再循環(huán)和/或回收紙漿的那些紙基相比，前者具有更為平滑的表面。
實施例2回收細小纖維試樣從紙漿廠液流中收集并且包含提供CIE-白度值為46的螢光物質(zhì)。當(dāng)該試樣與氫氧化鈣混合，然后再與二氧化碳反應(yīng)形成碳酸鈣，從而形成纖維-碳酸鈣復(fù)合物時，該試樣將提供的CIE-白度值為23，CIE-白度值下降了23。由于當(dāng)添加氫氧化鈣時，pH值將增加至大于12，因此，殘余OBA效率的這種下降可歸因于殘余OBA在回收紙漿中的猝滅(quench)。圖3的表格進一步示出了回收細小纖維紙漿以及形成纖維碳酸鈣復(fù)合物之后相同的紙漿通過CIE-白度測量的熒光數(shù)據(jù)。如圖3中所示出的數(shù)據(jù)那樣，將氫氧化鈣添加至纖維中將使pH值增加至12以上，并使殘余OBA的效率變得更低。
實施例3在本實施例中將概述旨在表征纖維-填料復(fù)合物的JEP研究，所述復(fù)合物需要滿足JDA目標(參見圖2)。
JEP-3該研究的目的在于為了使松厚性和紙頁強度最大化，確定在纖維-填料復(fù)合物中附著的PCC的最佳形狀和尺寸(即形態(tài))。利用SMI的4G法生產(chǎn)這些試樣，其中生產(chǎn)帶有PCC組分的纖維-填料的目的在于與新的SMI“3G”產(chǎn)品(例如Megafil-4000、UltraBulk-II、Albacar-SP等)相比較。圖4概述了這些試樣的物理試驗性能，并將其與Saillat Megafil-2000(aka，Megafil-S)對照試樣進行對比。如該圖所示，與Megafil-S相比，UltraBulk-II復(fù)合物具有最佳的松厚性和挺度，同時還降低了對AKD施膠劑和OBA的需求。令人遺憾的是，由于“4G”法的性質(zhì)所致，即在添加纖維之前將使PCC的預(yù)-充碳酸氣大于90％，因此，對于這些試樣將觀察到PCC與纖維特別低的附著性(參見表6)。如表6所示，UltraBulk-II復(fù)合物的附著性比Carthago管式反應(yīng)器試樣的一半還低。JEP-4研究著手尋找改善PCC與纖維附著性的方法，但在該領(lǐng)域中絕大多數(shù)的進展卻在JEP 7-8研究中獲得，后者平行完成，在SMRC實驗室中完成JEP-7和在Easton中試裝置完成JEP-8。
JEP-7JEP-7的目標是探索影響PCC與纖維附著性的工藝參數(shù)，與形態(tài)無關(guān)。利用位于SMI的Easton中試裝置的IP管生產(chǎn)JEP-7的試樣，并將結(jié)果概述于表-7和圖5中。如表7和圖5所示，在該研究中獲得了各種各樣的立方形產(chǎn)品。這些大的立方形PCC結(jié)構(gòu)，與所使用的Megafil-S對照物相比，給出了更好的施膠性能和OBA性能，但不透明度稍差。項目研究小組認為所述的光學(xué)性能缺陷可通過增加目標填料量而得以克服。作為該研究的結(jié)果，建立了兩種工藝改變從而改善了附著性，并且試圖將形態(tài)向大的立方形引導(dǎo)。這些改變是(1)在添加石灰之前用二氧化碳使纖維預(yù)氣化(pregass)。該工藝變化似乎具有改善PCC與纖維附著性的作用。
(2)使石灰和纖維進行在線混合而不是在充碳酸氣(carbonation)之前使其預(yù)混合。該工藝變化似乎能使PCC的形態(tài)更趨向于立方形。
表-6顯示JEP-3產(chǎn)品的粒度(APS)，表面積(SSA)和％附著性的摘要信息。
表-7顯示JEP-7產(chǎn)品％附著性、形態(tài)特性和充碳酸氣狀態(tài)的摘要信息。需要指出的是，即使不確定具體的形態(tài)，由所使用的工藝條件常常會得到大的立方形PCC。此外，這些大的立方形PCC很好地附著至纖維上。另外，在該研究中，需要指出的是，使纖維的預(yù)氣化(即預(yù)充碳酸氣)將更有利于形成大的立方形PCC。

JEP-8JEP-8的目的在于改善在JEP-3研究中確定的UltraBulk-II形態(tài)的附著性；所述JEP-8與JEP-7平行地進行。此項工作利用實驗室CSTR反應(yīng)體系在SMRC中進行。在該項研究中，進行了超過50個的試驗，試圖獲得PCC與纖維附著性良好的同時仍然保持在JEP-3研究中確定的UltraBulk-II形態(tài)的參數(shù)。被評估的一些參數(shù)包括在添加纖維之前PCC的預(yù)轉(zhuǎn)化度、化學(xué)添加劑、溫度、壓力、反應(yīng)器類型、纖維來源、預(yù)氣化纖維、各種晶種的使用等。最后的結(jié)論為(1)為了使PCC很好地附著至纖維上，反應(yīng)一開始就需要添加纖維。如果石灰在添加纖維之前進行預(yù)-充碳酸氣的話，如果預(yù)-轉(zhuǎn)化程度太低(例如小于50％)，將導(dǎo)致差的形態(tài)；如果預(yù)-轉(zhuǎn)化程度太高，將導(dǎo)致差的附著性能。
(2)當(dāng)從充碳酸氣一開始就添加纖維時，形態(tài)的控制將變得十分困難。事實上，當(dāng)在充碳酸氣一開始就添加纖維時，將不可能獲得類似于UltraBulk-II PCC的任何結(jié)構(gòu)。正如JEP-7研究的那樣，許多JEP-8試樣形成了立方PCC結(jié)構(gòu)，因此，決定將致力于評估立方纖維-填料復(fù)合物結(jié)構(gòu)(JEP-9)。
表-8和圖-6概述了JEP-7產(chǎn)品及其規(guī)格。JEP-7立方形試樣的手抄紙性能類似于JEP-7的立方形試樣，就AKD和OBA需要量而言前者具有更好的性能，光學(xué)性能更差，并且在松厚性方面稍好(1-3％)。
表-8除了進行生產(chǎn)所使用的某些工藝操作條件以外，還示出了纖維-填料復(fù)合物的附著性和形態(tài)的JEP-7產(chǎn)品的概要信息。

JEP-9JEP-9研究的目的在于確認在手抄紙中立方纖維-填料復(fù)合物結(jié)構(gòu)的性能。2004年3月向IP-SMI Executive Committees and Saillatmill提供了JEP-9的結(jié)果。圖-7示出了JEP-9研究的立方結(jié)構(gòu)。JEP-9研究的DSF手抄紙結(jié)果概述于圖8-14中。
根據(jù)上述教導(dǎo)可對本發(fā)明進行許多的改進和變更。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，在所附的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，除在此具體描述的以外，也可以實施本發(fā)明。
正如在整個說明書中所使用的那樣，所有范圍均用作簡化描述在所述范圍內(nèi)的每一個值。
相對于與本發(fā)明主題以及所有實施方案相關(guān)的相應(yīng)部分，在此將所引用的所有參考文獻以及它們所引用的參考文獻通過引用并入。
權(quán)利要求
1.一種紙基，包含多種得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的纖維，所述纖維的平均長度大于或等于75微米并且所述多種纖維的一部分上附著有填料；以紙基的總重量計小于50重量％的平均長度小于75微米的纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的紙基，其中，所述得自闊葉木、針葉木的多種纖維是原生纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的紙基，其中，所述得自闊葉木、針葉木的多種纖維其加拿大標準游離度為300-600。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的紙基，其中，所述平均長度小于75微米的纖維是回用纖維、再循環(huán)纖維、廢纖維或它們的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的紙基，其中，以填料-纖維重量比為0.3-8的比例附著所述填料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的紙基，其中，以所述紙基的總重量計，所述填料的量為1-30重量％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的紙基，以所述紙基總重量計，包含0.1-20重量％的長度小于75微米的所述纖維。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的紙基，其中，所述填料是沉淀的碳酸鈣。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的紙基，其中，所述填料以選自立方形、scalenohdral、斜方形、和文石形中的至少一種形狀沉淀。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的紙基，其中，所述填料的平均粒度為0.01-20微米。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的紙基，其中，所述填料的平均粒度為0.01-10微米。
12.一種根據(jù)權(quán)利要求1的紙基的制備方法，包括使所述平均長度大于或等于75微米并且其一部分上附著有填料的得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維與以所述紙基的總重量計平均長度小于75微米的纖維相接觸。
13.權(quán)利要求12的方法，另外還包括使所述平均長度大于或等于75微米的得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維同時和/或順序地與氫氧化鈣和/或二氧化碳接觸。
14.權(quán)利要求13的方法，另外還包括使所述平均長度大于或等于75微米的得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維在線地與氫氧化鈣接觸，以便形成固體小于5％的漿液。
15.權(quán)利要求13的方法，另外還包括使所述平均長度大于或等于75微米的得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維在與氫氧化鈣接觸之前與二氧化碳氣體接觸。
16.權(quán)利要求13的方法，另外還包括使所述平均長度大于或等于75微米的得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維在與氫氧化鈣接觸之前與二氧化碳氣體接觸。
17.權(quán)利要求12的方法，另外還包括使所述平均長度大于或等于75微米的得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維在7.5-11的pH下同時和/或順序地與氫氧化鈣和/或二氧化碳接觸。
18.權(quán)利要求12的方法，另外還包括在管式反應(yīng)器中，使所述平均長度大于或等于75微米的得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維同時和/或順序地與氫氧化鈣和/或二氧化碳接觸，其中，在多個添加位置將二氧化碳添加至所述反應(yīng)器中。
19.權(quán)利要求12的方法，另外還包括在一系列連續(xù)攪拌的罐式反應(yīng)器中，使所述平均長度大于或等于75微米的得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維同時和/或順序地與氫氧化鈣和/或二氧化碳接觸，其中，將二氧化碳添加至所述系列中的每一個連續(xù)攪拌的罐式反應(yīng)器中。
20.權(quán)利要求12的方法，另外還包括在一系列連續(xù)攪拌的罐式反應(yīng)器中，使所述平均長度大于或等于75微米的得自闊葉木、針葉木或它們的混合物的多種纖維與平均長度小于75微米的纖維一起同時和/或順序地與氫氧化鈣和/或二氧化碳接觸，其中，將二氧化碳添加至該系列中的每一個連續(xù)攪拌的罐式反應(yīng)器中。
全文摘要
本發(fā)明涉及含纖維－填料復(fù)合物的紙張或紙板基片以及所述基片的制備和使用方法。
文檔編號D21H21/00GK101031686SQ200580027922
公開日2007年9月5日 申請日期2005年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月14日
發(fā)明者蒂莫西·S·薩馬爾科, 阿格尼·斯韋林, P·弗洛斯 申請人:國際紙業(yè)公司