CN101553622A - 制造多层纤维产品的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了制造多层纤维产品的方法。该产品含有至少两层重叠的层，每层具有不同的纤维组成，以及在制造产品时至少部分地使用化学短纤维浆料。在该方法中，使短纤维浆料经过筛选阶段，其中通过具有0.2－1.5mm平均孔尺寸的筛子的细小纤维被从中分离出来，以便制备至少两种具有不同的纤维组成的纤维级分，回收所产生的级分，使其包括在同一纤维产品的不同层中。使用本发明，可筛选原材料并形成与相应的仅仅原材料纸浆经过精制的产品相比具有更好的性能的产品。
Description
根据权利要求1的前序部分，本发明涉及制造多层纤维产品的方法。
诸如这样的产品通常包含至少两层重叠的层，每层具有不同的纤维组成。在生产该产品时，至少部分地使用化学短纤维浆料。
用来生产纸或纸板的纤维纸浆分级法以及在不同的层中使用级分的方法已经被应用了多年，特别是对于由再生纤维制备的纸板和薄纸。长纤维浆料的分级法也是常见的。现在，分级法以及在不同的层中利用级分还可以用来制造印刷纸，当印刷纸是利用多层纸幅技术制造的时。
分级法已经使用了相当长的时间，但是其主要局限于处理机械纸浆和再生纤维。化学纸浆分级法的应用比再生纤维或机械纸浆的分级法要少得多，甚至其主要应用于软木纸浆。纸浆的分级法能够产生最佳的结构，特别是在利用多层技术制造的产品中。使用分级法从纸浆中分离出细小纤维也是可能的，在这种情况下，当与在相同的游离度水平下相比时，剩余的长纤维浆料级分改善了拉伸强度。分级法可以采用离心净浆器或采用筛或这些的组合来进行。筛使得主要根据纤维的长度来给纤维分级成为可能，而离心净浆器根据它们的密度和比容来分级。
软木纸浆的分级法已经在下面的出版物中进行了描述：Sari Panula-Ontto，″Sellun fraktioinnilla
tuotteisiin″，KCL Linkki 3/2003，第7页，SariPanula-Ontto，″Fractionation of unbleached softwood kraft pulp with wedge wirepressure screen and hydrocyclone″，Licentiate thesis，2003，Allison & J.Olson，″Optimization of multiple screening stages for fibre length fractionation：Two stagecase″，Journal of Pulp and Paper Science，no.3，2000，pp 113-119。
上面所述的离心清洁技术不能在工业上应用，这是因为浓度值是如此之小以致于所需的分离浓缩方法花费过高。
Kari Koskenhely等在他们的出版物，″Effect of refining intensity on pressurescreen fractionated softwood kraft″，Nordic Pulp & Paper Research Journal，nr 2，2005，pp.169-175中写到，基于软木纸浆分级法的原则是级分可以分别地以最佳方式精制，然后应用于适当的产品，或者二者择一地用于多层纸板的不同的层中。例如，低强度研磨改善了长纤维浆料级分的拉伸强度/滤阻性能比。
在美国专利No.6068732描述的发明中，通过利用分级法增强了具有最少三层的纸板的挺度，其以利用孔筛将软木纸浆分级为短和长纤维级分的方式而进行。然后将长纤维级分应用于纸板的表层，而将短纤维级分用于和硬木纸浆混合用于中间层。该纤维混合物也可用作表层纤维混合物的一部分。此外，中间层也可以包含20-50％的机械纸浆。所用纸浆为漂白化学热法机械木浆(BCTMP)。
芬兰(FI)专利No.75200描述了将基本纸浆分级为长和短纤维级分。长纤维级分用于和网直接接触的层，短纤维级分用于中间层，或在长网的情况下用于网层的上网。在这种方式中，特别改善了保留率。在分级之后，长纤维级分得到了精制并被再分级。然后将得到的短纤维级分与第一次分级得到的短纤维级分相混合。基本纸浆可以是化学和机械纸浆的混合物，但是其也可以只包含具有不同长度纤维的化学纸浆。基本纸浆也含有损纸。
根据T.Bliss的″Pulp fractionation can benefit multilayer paperboard operations″，Pulp & Paper，no 2，1987，pp.104-107，再生纤维分级的通常目的是改善级分的强度/游离度之比，从而节省用于精制的能量或者最小化在精制过程中产生细小纤维。对于合适的层选择合适的级分可以调整多层纸板的性质。
Risto Weckroth在他的硕士论文″Koivusulfaattimassan ominaisuudet ja laadunparantaminen kolmikerroskartongin valmistuksen kannalta″，硕士论文，HelsinkiUniversity of Technology，1991)中写到，为了除去细小纤维或与短纤维在一起的细小纤维，尤其对桦木纸浆已经进行了分级。然而，仅仅研究了分级对桦木纸浆松厚的影响，特别是关于其在纸板中间层中的使用。
完全利用由分级法产生的级分一直是困难的。分级法从来都是不完全的，因为它是一种统计学上方法。当利用离心清洁技术时，只可能分离大约一半的长纤维为不同的级分。结果，产生原样适合于所需纤维层的级分。然而，如何利用剩余纸浆的问题依然没有答案，该问题提出造纸工艺和经济上的两个问题。
纸板，特别是折叠纸板的弯曲强度是其最重要的质量性能之一。通过增加抗张挺度，即表面和衬里层(其典型地包含纸浆)的弹性模量，或通过增大结构，特别是中间层的尺寸，可以改善它。通过增加精制可以提高纸浆的抗张挺度(弹性模量)，但是精制方法产生了更为紧凑的纤维网络，其反过来显著地阻碍了中间层的脱水，在这样情况下限制了容量或引起发泡和分层现象(＝表层的局部膨胀和层的分离)。
在短纤维浆料之中，在制造纸板时桦木纸浆是令人感兴趣的原材料，因为其具有良好强度和显著好于软木纸浆的光学性质的组合。当精制桦木纸浆增加时，网脱水变差，反过来引起纸板机上的运转性能问题，并且当孔隙率下降时产品中开始出现分层。
本发明的目的是消除至少一部分与已知技术相关的缺点以及提供生产多层纤维产品的新方法，特别是用短纤维浆料来生产。本发明是基于这样的构思：短纤维浆料，即实践中的硬木纸浆，在成纸幅之前，使其经过机械分级，其中首先将细小纤维从纸浆中分离出来。最合适地，通过具有大约0.2-1.5mm平均孔尺寸的筛子的细小纤维被分离。分级利用筛子进行。之后，将细小纤维和未过筛物分别回收以提供两种不同的纤维材料级分，这些级分可以加入到多层产品的不同层中。在这种情况下，在必须具有良好的拉伸强度的层中，更优选使用未过筛物，即“长纤维级分”。我们发现，通过从象这样的通常形成表层的级分中除去细小纤维，可以提高精制纸浆的程度，而在脱水或孔隙率方面没有任何显著的劣化。
更具体地说，根据本发明的方法主要以权利要求1的特征部分中所述的为特征。
采用本发明获得相当可观的优点。在分级即筛分中所产生的长纤维级分的拉伸强度和抗张挺度得到改善，并且在相应的排水和孔隙率的水平下，它们显著地好于料浆的。
通过受控除去细小纤维(精制前或后)，在研磨方法中，可以改善短纤维浆料例如桦木纸浆的弹性模量，而不损失很多孔隙率。在分级中分离出的细小纤维可以应用于例如三层纸板，如折叠纸板的中间层，在这样情况下有可能提高内部强度以及凝固能力。与此同时，不含细小纤维的表层的挺度和孔隙率得到了改善。当细小纤维的百分比增加时中间层的内部结合强度得到了改善，例如当用于代替通常用于中间层的部分损纸纸浆时。
因此，有可能减少层中一定量的损纸纸浆的精制和/或质量，在这种情况下结构的松厚得到改善。
然而，制备诸如薄纸或类似产品也是有可能的，在这些产品中长纤维级分在多层产品内部，而富含细小纤维的级分形成其表层。
我们发现当含有抽提物和小颗粒的级分被插入多层产品的中间层时，返黄现象减少。当表面含有更少的抽提物时，产品也更洁净。
因为在分级中应用了筛子，细小纤维级分的浓度是如此之高以致于无须单独的脱水阶段。取而代之的是，回收从筛子中得到的细小纤维级分，并原样以纤维材料的含水悬浮液的形式应用。
在下面，借助于详细说明和参考附图将对本发明进行更仔细的说明。
图1a是根据本发明处理短纤维浆料的示意图；
图1b显示了在低浓度下回收细小纤维级分的条件下对纸浆的处理，和
图1c显示了不经过分级精制纸浆；
图2是抗张指数与SR值的函数图；
图3是抗张挺度与SR值的函数图；
图4是抗张挺度与孔隙率(Gurley值)的函数图；
图5是SR值与SEC的函数图；
图6是在不同的层组成下复合纸中间层的松厚图；
图7是在不同的层组成下复合纸的内部结合强度图；和
图8是不同的复合纸浆的内部结合强度与松厚的函数图。
在本发明中，进行桦木的分级(特别是利用多孔筛的分级)是为了改善桦木纸浆的质量。从图1a中明显看出，使用筛子10对桦木纸浆分级，以除去细小纤维。结果，可以提高剩余纤维纸浆的精制11，而不经过脱水或者使得纸浆的孔隙率有显著的劣化。因此，长纤维浆料级分和细小纤维可以最佳地用来改善折叠纸板不同层中的强度性能。所产生的细小纤维级分可以用于中间层作为“粘合剂”给予结构更高的强度，在这种情况下也无须太多精制该层的纤维。取而代之的是，纤维网络保持得更大并且整个层结构的弯曲强度也得到了改善。
因此，根据本发明，可以利用料浆作为总体通过将长纤维浆料级分和短纤维浆料/细小纤维级分彼此分离来制备产品，在这种情况下，如果需要，在将级分输入到同一多层产品的不同层之前，可以进一步地分别进行处理。如果需要，一种或两种级分的一部分原则上可用于生产另外的产品，但是自然地最为合理的是使用料浆作为总体来制备一种单一产品。
优选，用于本发明的短纤维浆料是化学纸浆，其利用碱煮法由硬木制备。它通过利用桦木属、白杨属、桉树属或阿卡斯阿木(Akasia)属或这些的两种或多种的混合物的木材作为原材料来制备。
可以全部由硬木制备产品，典型地化学上制备的硬木纤维的百分比为表层纸浆的50-100wt％，但是也可以使用软木纸浆和硬木纸浆的混合物。最合适地，由化学纸浆制备的软木纤维的最大百分比为50％。硬木纤维的长度自然地大约为软木纤维长度的三分之一。因此，通过较少的精制就有可能从硬木中产生细小纤维。因为例如与许多其它硬木种类相比桦木纸浆具有良好的强度性能，其最适合于多层纸板的层，赋予纸板弯曲强度。在三层纸板中，该层优选是表面层和/或衬里层。在改善纸板弯曲强度时，它的(每平方米)克重也可减少。
在未分级桦木纸浆中，细小纤维的组成百分比大约是4-6.5％，通过DDJ方法测量，即典型地级分通过200目的筛子。通过精制纤维，细小纤维的数量增加。根据本发明，利用分级可以使折叠纸板中桦木纸浆的细小纤维级分的细小纤维百分比增加到折叠多达8-9％，其中有利的分级参数多达11-12％。在其它产品中，级分百分比根据产品变化。改变分级和精制参数可以改变分级的比例。
根据本发明，使用筛子从纸浆中分离出的纤维材料部分为至少大约5wt％，最合适地为大约5-30wt％，特别是大约7-25wt％，按纸浆纤维材料计算，并且该部分含有通过0.2-1.5mm筛子的细小纤维。对于折叠纸板应用，所使用的筛子的平均孔尺寸优选大约为1.0mm或稍小一些，例如大约0.8mm。筛子的纯面积(即没有孔的面积)通常大约为其总面积的20-80％，特别是大约25-75％。
从筛子获得的细小纤维级分以纤维材料的含水悬浮液的形式回收。为了制备纤维产品，纤维材料和水的该悬浮液可以原样与其它的中间层纸浆组分混合，而不单独脱水。纤维材料的该悬浮液的浓度为大约0.5-2wt％，特别是大约0.8-1.5wt％。
如果分级是例如利用离心清洁技术进行的(图1b)，则分级20产生的细小纤维悬浮液的浓度小于0.1wt％，在这种情况下，其必须进行脱水22，例如机械地或通过蒸发，在该级分可以同中间层的其它纸浆组分相混合之前。可以以传统的方式精制21长纤维浆料级分，但是如果待除去的细小纤维份额不够大的话，精制必须受到限制以避免孔隙率的损失。图1c显示了传统的处理，其中级分精制31以本身已知的方式进行。
根据本发明，在筛选阶段10还回收了一种级分，其细小纤维的百分比已经显著地减少(“长纤维浆料级分”或未过筛物)。含有较少细小纤维的级分被带至精制阶段11，在其中被精制到预定的滤水性能。任选地，含有较少细小纤维的级分用来制备这种需要良好拉伸强度性能的纤维层。因此，可以利用含有较少细小纤维的级分和含有较多细小纤维的级分两者。
在制备纤维层时细小纤维级分基本上不精制或稍微精制而使用，如图1a所示。典型地，用来精制的能量消耗为大约0-30kWh/吨。优选，细小纤维级分与机械纸浆，最合适地为磨木浆、精制机械纸浆或化学热机械纸浆，工艺损纸或这些的组合混合，之后产生的混合物用来制备多层产品的至少一个纤维层。混合物的细小纤维级分的份额大约为混合物总重量的5-50wt％，优选大约10-30wt％。
现代的纸和纸板机仅产生了少量的损纸。在产生相对很少损纸的情况下，必须使用原浆代替胶合松厚层，这是昂贵的。本发明通过利用细小纤维代替损纸或与损纸结合使用避免了这些问题。所得到的产品非常结实，以致纸板能够经得起其生产和使用的机械张力。
通过利用不同的级分，制备了纤维产品，优选纸板，最合适地为折叠纸板，其具有至少两层重叠的纤维层。
根据优选的实施方案，制备了三层产品，其中细小纤维包括在产品的中间层中。中间层构成纸板产品所有纤维量的30-75wt％。产品可以是对称的，在这种情况下表层和衬里层是等厚的，或者表层可以例如比衬里层厚大约1.1-3.0倍。
这种多层纸板的一个例子为这样一种产品，其包含作为组合的下列层：
-具有外表面和内表面的初始纤维层，
-第二纤维层，其具有外表面的和内表面，和第一层设置有距离，在这种情况下第二纤维层的内表面设置在第一纤维层的内侧上，和
-第三纤维层，其设置在第一和第二纤维层之间，
该多层纸板可以被涂布、不涂布或仅仅涂布一个外表面。
多层产品的亚层主要通过氢键彼此连接。必要时，可以通过利用通常已知的粘合剂来改善连结。
三层产品的典型(每平方米)克重为50-500g/m2，其中表层和衬里层的(每平方米)克重为大约20-200g/m2，中间层的为10-450g/m2。
在薄纸应用中，可以制备包含中间层和表面层的产品，所述中间层具有良好的拉伸强度，并且其包含长纤维浆料级分，所述表层包含细小纤维，并且其提供柔软的和吸收性的表面。
根据另一个优选的实施方案，制备了双层产品，其中细小纤维级包括在产品的表层或衬里层中。含有细小纤维级分的层优选为纸板所有纤维的大约50-80wt％。这些产品的典型(每平方米)克重为50-400g/m2，在这种情况下表层和衬里层的(每平方米)克重各自为大约25-200g/m2。
显然在细小纤维级分和未过筛物即长纤维浆料级分中都可以混合其它的纸浆，以便增加级分的数量以及改变它的性能。然而，在含有细小纤维级分产品的层中通过筛选产生的细小纤维级分的量优选构成纤维干重量的至少50％，优选至少75％和优选80-100％。相对地，通过筛选产生的的长纤维浆料级分构成含有长纤维浆料级的层的主要部分或甚至80-100％(基于该纤维材料的干重)。因此，使用该优选的溶液可以获得这样的产品，其由一种原材料通过筛选产生，并且该产品与对应的原材料纸浆仅仅经过精制的产品相比具有显著更好的性能。
下面实施例的目的是用来描述本发明而非限制它。
实施例1
使用
的孔筛对KSK桦木(从Oy
-Botnia Ab，Kaskinen Mills获得的商业桦木纸浆产品)进行分级。
分级：
筛子： RADISCREEN
孔尺寸： 
长纤维浆料份额(Rm)： 85％
进料浓度： 3.1％
长纤维浆料级分浓度： 4.6％
短纤维浆料级分浓度： 1.1％
温度： 20℃
使用盘磨机在四种不同的特定能量消耗水平(43、56、68和87kWh/吨)下精制“长纤维浆料级分”。分析样品和测试纸页。
分级和精制如图1a所示，所参照的未分级纸浆的精制如图1c所示。
其中，未精制纸浆的SR值(21-＞19，细小纤维30)在分级中显著变化，显示出纤维分布显著变化。分级的长纤维浆料级分的拉伸强度(在恒定SR值)比参照纸浆(褐色对比青绿色)高大约6％，图2(抗张指数与SR值的函数关系)。
相似地，对于长纤维浆料级分，在恒定SR值(30)时抗张挺度与普通的未分级的桦木纸浆相比(褐色对比青绿色)提高了大约5％，(图3)(抗张挺度与SR值的函数关系)。
对于长纤维浆料级分，抗张挺度在恒定Gurley值(50s)时与普通的未分级的桦木纸浆相比提高了大约4％(图4)(抗张挺度与(Gurley)孔隙率的函数关系)。
当使用分级的纤维级分时，以恒定SR值(30)精制所用能量增加了大约12％(55kWh/吨-＞62kWh/吨)(图5)(SR值与SEC的函数关系)。
当采用分级时，与普通的KSK桦木纸浆相比，可以稍微减少“长纤维浆料级分”中细小纤维的数量，但是通过进一步地调整分级参数可以更多地减少细小纤维的数量。
通过利用复合纸页测试，利用分级的细小纤维来代替使用未精制的损纸可以改善中间层的松厚(图6-复合纸页松厚)。当使用更多的细小纤维来代替由该方法产生的损纸时，内部结合强度稍有改善(图7-复合纸的内部结合强度)。在精制用于中间层的机械纸浆时可以利用该替换，通过提高其CSF目标，在这种情况下其松厚也得到了改善。
当损纸纸浆完全地由通过分级得到的细小纤维代替时(绿x，BCTMP 85/损纸0/细小纤维15)，有可能在同一水平保持内结合强度的同时增加混合物的松厚(图8-不同的复合纸浆的内部结合强度与松厚的函数关系)。
Claims (19)
1.制造多层纤维产品的方法，该产品包含至少两层重叠的层，每层具有不同的纤维组成，并且该产品通过至少部分地使用化学短纤维浆料制造，其特征在于：
-使短纤维浆料经过筛选，其中将细小纤维从中分离，该细小纤维具有通过具有0.2-1.5mm平均孔尺寸的筛子的尺寸，以便形成至少两种具有不同纤维组成的纤维材料级分，和
-回收所获得的级分并将其引入同一纤维产品的不同层中。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：通过使用筛子，从纸浆分离出大约5-30wt％份额的纤维材料，该份额包含通过0.2-1.5mm筛子的细小纤维。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：利用具有大约1.0mm平均孔尺寸的筛子，从纸浆中分离出至少大约7wt％，最合适地大约5-30wt％的纸浆纤维材料。
4.根据前面权利要求任意一项的方法，其特征在于：从筛子所获得的细小纤维以纤维材料的含水悬浮液的形式回收。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于：为了制备纤维产品，由从筛子获得的纤维材料和水形成的悬浮液原样使用而没有单独的脱水。
6.根据权利要求4或5的方法，其特征在于：从筛子获得的细小纤维级分以纤维材料悬浮液的形式回收，悬浮液具有大约0.5-2wt％，特别是大约0.8-1.5wt％的浓度。
7.根据前面权利要求任意一项的方法，其特征在于：细小纤维级分与机械纸浆、加工过程中的损纸或它们的组合混合，然后使用所产生的混合物来制备多层产品的至少一个纤维层。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于：混合物中细小纤维级分的份额为混合物总重量的大约5-50wt％，优选大约10-40wt％。
9.根据前面权利要求任意一项的方法，其特征在于：细小纤维级分基本上未精制而用于制备纤维层。
10.根据前面权利要求任意一项的方法，其特征在于：在筛选阶段，回收具有显著地减少的细小纤维百分比的级分。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于：对包含较少细小纤维物质的级分进行精制，从而将其精制到预定的滤水性能和孔隙率。
12.根据权利要求10或11的方法，其特征在于：包含较少细小纤维物质的级分用来制备要求良好拉伸强度性能的纤维层。
13.根据前面权利要求任意一项的方法，其特征在于：制备了三层产品，在这种情况下，细小纤维级分包括在产品的中间层中。
14.根据权利要求1-13任意一项的方法，其特征在于：制备了双层产品，在这种情况下，细小纤维级分包括在产品的表层或衬里层中。
15.根据前面权利要求任意一项的方法，其特征在于：短纤维浆料为通过使用碱煮法由硬木制备的化学纸浆。
16.根据前面权利要求任意一项的方法，其特征在于：短纤维浆料通过使用桦木属、白杨属、桉树属或阿卡斯阿木属或这些的混合物的木材作为原材料来制备的。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于：所制造的纤维产品中50-100％的纤维包含短纤维浆料。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于：所制造的纤维产品中100％的新进料纤维包含短纤维浆料。
19.根据权利要求1-17任意一项的方法，其特征在于：所制造的纤维产品中1-50％，优选大约10-45％的纤维包含软木纤维。
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