CN101827974A - 处理基材的方法 - Google Patents

Abstract

描述了处理基材的方法。根据一个方面，该方法包括将聚合物涂料施涂到基材上，和，在聚合物涂层仍然处于湿状态时让聚合物涂层与加热表面在加压辊隙中接触。任选地，聚合物涂料可以包括可交联的材料，并且交联剂可用来促进交联。聚合物涂层重现该加热表面。还公开了根据上述方法生产的产品。该产品体现特征于具有在涂层内的表面下空隙。

Description

处理基材的方法

相关申请的参考

本专利申请要求了2007年8月17日提交的、现已放弃的美国申请No.11,893,736，和2007年8月17日提交的、现已撤回的国际专利申请No.PCT/US07/18418；和要求2007年8月23日提交的悬而未决的美国临时申请No.60/957,478；以及要求2007年9月13日提交的悬而未决的国际专利申请No.PCT/US07/19917的优先权，所有这些以全部内容内引入这里供参考。

本发明的背景

本公开物涉及用聚合物膜形成用组合物处理基材的方法。更具体地说，本公开物涉及纸或纸板制造方法，该方法包括将聚合物膜形成用涂料施涂到基材上和趁聚合物涂层仍然处于湿状态下让聚合物涂层与加热表面接触的步骤。所得到的聚合物层具有光滑表面，后者仅仅在表面之下有空隙(例如，气泡)。在某些实施方案中，聚合物涂层可以包括可交联的水凝胶，和交联溶液可以施涂到基材表面上的聚合物涂层上，因此形成至少部分地交联的聚合物涂层，然后与加热表面接触。本公开物还涉及处理的基材产品。本公开物还涉及用聚合物膜形成用组合物处理基材并让该基材与加热表面在加压辊隙之间接触的方法。

通过基本上连续的生产过程来制造纸，其中纤维素纤维的稀水性淤浆流入到造纸机的湿端，且无限长度的固结干燥纸幅连续地从造纸机干端输出。造纸机的湿端包括一个或多个流浆箱，滤水区段和压制区段。现代造纸机的干端包括多个的蒸汽加热的、旋转壳式的滚筒，这些滚筒沿着在热限制罩结构之下的蜿蜒纸幅运行路线进行分布。虽然对于这些造纸机区段中的每一个有许多设计变化，但是商业上最主要的变型是长网造纸机，其中流浆箱将淤浆的宽幅喷射流排放到极细筛孔的运动筛之上。

该筛经过构造设计并作为在多个载体辊或箔上运载的环形皮带来驱动。从与纸浆接触的那一侧到相对侧跨越该筛的压差使得纸浆中的水从筛中滤出，同时筛的该区段沿着该筛路线回路的平台部分运行。随着纸浆稀释水被提取，纸浆的纤维成分作为湿的但基本上固结的毡片聚集在筛表面上。在到达筛回路平台长度的末端时，该毡已经聚集足够的质量和拉伸强度从而可以被携带穿过在筛和第一个压辊之间的短物理缝隙。该第一个压辊携带毡片进入到第一个辊隙中，其中保留在毡片中的大量体积的水通过辊隙压挤被除去。后面可以跟有一个或多个附加的辊隙。

从压制区段出来，该毡连续体(现在通常为纸幅)进入到造纸机的干燥区段中，以便以热力学方式除去剩余水分。

一般而言，造纸用的最重要的纤维是从软木和阔叶树材料获得的。然而，在某些情况下已经使用从稻草或甘蔗渣获得的纤维。现有技术中已知的化学和机械分离纤维的方法用于从天然植物的组成中分离出造纸纤维。通过化学分离纤维工艺和方法所获得的造纸纤维通称化学纸浆，而从机械分离纤维方法获得的造纸纤维可以称作磨木纸浆或机械纸浆。还有相结合的分离纤维工艺如半化学、热化学或热机械法。树材料的任何一种能够通过化学或机械法被分离纤维。然而，一些材料和分离纤维工艺比其它有更好的经济或功能匹配。

在化学和机械纸浆之间的重要区别是机械纸浆可以直接从分离纤维阶段通入到造纸机中。另一方面化学纸浆必须以机械方式分离纤维，洗涤和过筛，至少在化学消化后。通常，在过筛和在造纸机之前化学纸浆也以机械方式精制。另外，机械纸浆的纤维平均长度一般比化学纸浆的纤维平均长度更短。然而，纤维长度也高度取决于衍生出纤维的木材种类。软木纤维通常比硬木纤维长大约3倍。

具体纸张的最终性能主要是由所使用的原材料的种类以及造纸机和纸幅成形工艺处理这些原材料的方式所决定的。在形成纸幅的机构中的重要运转部件是流浆箱和筛。

用于印刷和用于包装的涂层纸或纸板一般要求具有高水平的光泽，优异的光滑度，和优异的可印刷性，以及某些强度和劲度特性。

如果该涂层纸或纸板具有高劲度，它能够平滑地通过高速印刷机或包装机，而具有更低的进纸卡纸(feeding jam)。更高劲度的纸能够理想地用于书、杂志和图书目录，因为它提供与精装书类似的硬度或重量感觉。对于包装材料，高劲度是在填装过程中和在后续的应用中维持纸板产品的结构完整性所需要的。

劲度具有与纸张的基重和密度之间的紧密的关系。有一个总趋势：劲度随着基重提高而提高(对于给定的纸厚度)，和随着纸密度提高而下降(对于给定的基重)。劲度和其它性质能够通过提高基重而改进。然而，这将导致使用更多纤维的产品，这增加成本和重量。因此，具有高劲度但是中等基重的涂层纸或纸板是令人想望的。具有中等基重的纸张也是更经济的，因为使用较少的原材料(纤维)。另外，以重量为基础的运输费用对于低基重纸来说是较低的。

除高劲度之外，必须印刷的涂层纸或纸板常常具有高光泽和光滑度。为了让涂层纸或纸板具有该质量特性，密度典型地必须提高到允许有可使用的印刷表面的某种程度。光滑度通常通过压延来实现。然而，压延将引起纸厚度的减少，典型地导致劲度的相应减少。压延过程通过显著减少纸厚度和提高密度而损害纸的劲度。普通的涂覆纸板等级的基础纸片典型地通过压延而重度地致密化，从而提供足够低的表面粗糙度以生产出为工业可接受的最终涂层光滑度。这些压延过程包括湿堆叠处理可以使密度提高20％-25％。

因此，对于给定量的纤维/每单位面积，在光泽和劲度之间的关系以及在光滑度和劲度之间的关系一般彼此成反比。各种纸张包装品等级是以纸厚度为基础进行销售的，因此减少纸厚度(提高纸版密度)的制造方法会降低售价。引起较低程度的纸厚度减少的工艺可节约材料成本。纸厚度是以“点数”测量的，其中一个点＝0.001英寸。例如，制造10点纸版的普通方法需要在压延之前使用具有大于12点的厚度的纸版。希望能够生产出具有与起始基材大约相同厚度的成品纸版。

在包括湿气梯度压延、热压延、软压延和传送带压延法在内的压延方法的诸多改进将对于给定的纸厚度稍微地改进劲度，但是不改变在纸厚度、劲度、光滑度和印刷性质之间的根本比率。

已经提出了各种建议来改进涂层纸或纸板的劲度，无需印刷用的压延。例如，几个建议包括：在原材料中高软木含量，特殊设计的纤维在原材料中的添加，高度支化聚合物在原材料中的添加，以及在涂料配制剂中高用量的具有高玻璃化转变温度(通常称为“Tg”)的淀粉或共聚物胶乳。

然而，劲度改进的这些方法的潜在缺点是虽然它们可用于改进纸劲度，但是它们能够潜在地降低所获得的涂层纸的光滑度，光泽，和/或可印刷性。

对于上述原因，在不提高密度的情况下已经很难获得令人满意的纸光滑度。其它方法能够用于改变在纸和纸板产品等级中密度/光滑度关系。施涂纸张涂料是增强纸的表面性质但不引起纸密度的显著提高(典型地与为了获得一定水平的光滑度所需要的压延水平相关)的一种非常普通的方式。优选，最终的涂层表面应该是均匀的以提供可接受的外观和印刷性能。

因此，希望提供具有所需性能的纸或纸板产品，同时维持纸片的初始密度或最大程度减少密度的提高。此外，希望提供显示出改进的光滑度但没有与产生光滑度的普通方法相关的伴随性密度增高的纸或纸板。现有浇铸涂覆方法用于生产非常光滑的表面，但是这些方法典型地在比许多造纸机的速度更缓慢的生产速率下运行。

发明概述

在一个实施方案中，公开了产品，它包括在基材上有涂层的基材。该涂料包括水溶性聚合物和脱模剂。在涂料内有形成空隙。

在另一个实施方案中公开了产品，它包括在基材上有涂层的基材。该涂料包括水溶性聚合物和基本上没有弹性体材料。在涂料内有形成的空隙。

在另一个实施方案中公开了产品，它包括在基材上有涂层的基材。该涂层包括表面，并且该表面具有低于约300单位的谢菲尔德(Sheffield)光滑度。在涂层的表面下有形成的空隙。

在另一个实施方案中公开了产品，它包括在基材上有涂层的基材。该涂料包括水溶性聚合物、脱模剂、和基本上没有弹性体材料。该涂层包括表面，并且该表面具有低于约300单位的谢菲尔德光滑度。在涂层的表面下有形成的空隙。

在另一个实施方案中公开了处理基材的方法。水性聚合物溶液(aqueous polymer solution)的湿膜被施涂于基材上。水性聚合物溶液是通过让该溶液与加热表面接触以引起水性聚合物溶液沸腾，并且至少部分地干燥该水性聚合物溶液而固定(immobilize)。

在另一个实施方案中公开了处理基材的方法。水性聚合物溶液的湿膜被施涂于基材上。水性聚合物溶液是通过让该溶液与加热表面接触引起水性聚合物溶液沸腾并形成保留在水性聚合物溶液中的空隙，和至少部分地干燥该水性聚合物溶液而固定。

在另一个实施方案中公开了处理基材的方法。水性聚合物溶液的涂层作为湿膜被施涂于基材上。涂料包括水溶性聚合物和脱模剂。该膜是通过让它与加热表面在约150℃以上的温度接触低于约3秒以引起水性聚合物溶液沸腾并在膜中形成空隙，和至少部分地干燥该膜而固定。

在另一个实施方案中公开了处理基材的方法。水性聚合物溶液的涂层作为湿膜被施涂于基材上。涂料包括水溶性聚合物和基本上没有弹性体材料。该膜是通过让它与加热表面在约150℃以上的温度接触低于约3秒以引起水性聚合物溶液沸腾并在膜中形成空隙，和至少部分地干燥该膜而固定。

在另一个实施方案中公开了处理基材的方法。水性聚合物溶液的涂层作为湿膜被施涂于基材上。涂料包括水溶性聚合物和基本上没有弹性体材料。该膜是通过让它与加热表面在约150℃以上的温度接触低于约3秒以引起水性聚合物溶液沸腾并在膜中形成空隙，和至少部分地干燥该膜而固定。在干燥之后涂层表面具有低于约300单位的谢菲尔德光滑度。

在另一个实施方案中公开了处理基材的方法。水性聚合物溶液的涂层作为湿膜被施涂于基材上。涂料包括水溶性聚合物，脱模剂，和基本上没有弹性体材料。该膜是通过让它与加热表面在约150℃以上的温度接触低于约3秒以引起水性聚合物溶液沸腾并在膜中形成空隙，和至少部分地干燥该膜而固定。在干燥之后涂层表面具有低于约300单位的谢菲尔德光滑度。

在另一个实施方案中公开了处理纤维素基材的方法。水性聚合物溶液的湿膜被施涂于基材上。该水性聚合物溶液包括至少约60％干重的水溶性聚合物，和至多10％干重的防粘剂。该水性聚合物溶液是通过让该溶液与加热表面在约150℃以上的温度接触低于约3秒以引起水性聚合物溶液沸腾并在水性聚合物溶液中形成空隙，和至少部分地干燥该水性聚合物溶液而固定。

在另一个实施方案中，公开一种方法，该方法包括将涂膜施涂于基材上，让膜与加热表面在辊隙中接触，该辊隙局部压力最初增大和该膜被加热但没有蒸气形成，该辊隙局部压力然后减少和该涂膜沸腾并在膜中形成空隙，该膜至少部分地干燥。

在另一个实施方案中，公开一种方法，该方法包括将涂料膜(该涂料包括水溶性聚合物和脱模剂)施涂于基材上，让膜与加热表面在辊隙中接触，该辊隙局部压力最初增大和该膜被加热但没有蒸气形成，该辊隙局部压力然后减少和该涂料膜沸腾并在膜中形成空隙，该膜至少部分地干燥。

在另一个实施方案中，公开一种方法，该方法包括将涂料膜施涂于基材上，让该膜与具有约150℃以上的温度的加热表面在辊隙中接触低于约3秒，该辊隙局部压力最初增大和该膜被加热但没有蒸气形成，该辊隙局部压力然后减少和该涂料膜沸腾并在膜中形成空隙，该膜至少部分地干燥。

在另一个实施方案中，公开了处理纸幅基材的装置，该装置包括涂料施涂机，直径在约24-84英寸之间的圆筒(drum)，与圆筒形成辊隙的且辊隙停留时间在约1-60毫秒之间的压辊，该纸幅基材在约300-3000fpm之间穿过辊隙，和用于维持圆筒温度高于涂料的沸点的能源。

在另一个实施方案中，公开了处理纸幅基材的装置，该装置包括涂料施涂机，直径在约24-84英寸之间的圆筒，与圆筒形成辊隙的且辊隙停留时间在约1-225毫秒之间的带式的靴型装置(belted shoe device)，该纸幅基材在约300-3000fpm之间穿过辊隙，和用于维持圆筒温度高于涂料的沸点的能源。

在另一个实施方案中，公开一种方法，该方法包括将涂料膜施涂于基材上，在一定压力下加热该膜但没有蒸气形成，和降低该压力以使该膜沸腾并形成保留在膜中的空隙。

在另一个实施方案中，公开一种方法，该方法包括将涂料膜(其中该涂料包括水溶性聚合物和脱模剂)施涂于基材上，在一定压力下加热该膜但没有蒸气形成，和降低该压力以使该膜沸腾并形成保留在膜中的空隙。

在另一个实施方案中，公开一种方法，该方法包括将涂料膜施涂于基材上，让该膜与具有约150℃以上的温度的加热表面接触低于约3秒，其中该接触包括与加热表面之间的辊隙接触，然后在一定的压力下加热该膜但没有蒸气形成，然后降低该压力以使该膜沸腾并形成保留在膜中的空隙。

附图的简述

图1是根据本发明的一个实施方案的用聚合物涂料处理基材的装置的示意性视图。

图2-9是显示了根据本发明的一个实施方案所制备的并且具有外涂层(top coating)的样品的形态的横截面显微照片。

图10-12是显示了根据本发明的一个实施方案所制备的和没有外涂层的样品的形态的横截面显微照片。

图13-14是显示了根据本发明的一个实施方案所制备的和没有外涂层的样品的形态的由扫描电子显微镜获得的表面显微照片。

图15-16是显示了根据本发明的一个实施方案所制备的和没有外涂层的样品的形态的由反向散射扫描电子显微镜获得的表面显微照片。

图17是显示了根据本发明的一个实施方案制备的样品中空隙尺寸的分布的曲线图。

图18是根据本发明的某些实施方案的用聚合物涂料处理基材的装置的详细图。

图19是显示了在传热速率和温差之间的关系的曲线图。

本发明的详细说明

在描述优选实施方案时，为了清楚起见采用了某些术语。因此希望此类术语不仅包括所列举的实施方案而且包括为了类似目的按照类似方式操作的全部技术等同方案，以获得类似的结果。任何文件的引证不被认为承认它是就本发明而言的先有技术。除非另外指明或除非这里另外建议，否则全部重量，百分数和比率是按重量。

本发明涉及用聚合物膜形成用涂料处理基材的方法。更具体地说，本发明涉及纸或纸板制造方法，它包括将聚合物涂料施涂到基材上，和，在聚合物涂层仍然处于湿状态时让聚合物涂层与加热表面接触的步骤。使聚合物涂层中的水沸腾会引起在表面之下形成空隙，但是膜的表面因为与加热表面紧密接触而是光滑的。根据本发明的某些实施方案生产的纸或纸板显示出所需水平的表面平坦度和光滑度但没有原纸(basepaper)的显著密实化。在某些实施方案中，聚合物涂层可以包括可交联的材料，和交联溶液可以施涂到基材表面上的聚合物涂层上，因此形成至少部分地交联的聚合物膜形成用组合物。在此情况下，聚合物涂料典型地首先被施涂于纸幅上，然后在该处理的纸幅接触加热表面之前施涂交联用溶液。对于弱交联型聚合物，有可能在涂料本身中提供交联用溶液。

根据本发明的用聚合物膜形成用涂料处理基材的一个优点涉及在没有显著提高纸片的密度或减少纸片厚度的情况下所能够获得的光滑度和/或平坦度的改进。不需要与普通技术相关的纤维素纸幅的重度压延来生产具有与普通涂层纸相当的印刷质量的纸。此外，即使当纤维素纸幅是光滑的时，能够施加低得多的压力在具有增大劲度的纸张上提供类似的印刷质量。根据本发明的某些实施方案，该纤维素纸幅是光滑化的，使得纸厚度减少不多于约7％和典型地减少了约2％-5％。取决于基材的性质，纸厚度减少可以是更低的。如果该纸幅已经重度压延，则纸厚度减少幅度可以是在0和5％之间。比较起来，普通的涂层纸和纸板典型地在涂覆前在高得多的压力下被压延，这会引起约20-25％的密度增高。根据本发明的一个方面，纤维素纸幅可以在聚合物膜的施涂之前被压延至在约2和6微米之间的Parker Print Surf光滑度。然而，可以使用具有更高Parker Print Surf值的基材。例如，可以使用具有约9微米的ParkerPrint Surf光滑度的基材。根据TAPPI标准T 555om-99测定Parker PrintSurf光滑度。

图1举例说明了可用于实施本发明的某些实施方案的装置10。基材12在其一个表面上用可交联的聚合物涂料14处理，以在基材12上形成聚合物涂料层16。当聚合物涂层仍然湿的时候，将任选的交联溶液18施涂到聚合物涂料层16上，因此在基材12上形成交联的聚合物涂层20。聚合物涂层20典型地是至少部分地交联的。在通过用压辊24将纸幅12加压贴合在热的抛光圆筒22表面上而与该圆筒22接触之前，聚合物涂层仍然处于湿状态下。来自圆筒表面的热量引起在湿聚合物涂层内的沸腾，这样在表面之下的聚合物中形成空隙。交联溶液引起聚合物涂层交联和凝胶化，成为基本上连续的层或膜。典型地，所得到的膜将比原纸显示出改进的强度。聚合物处理的纸片没有充分地干燥，这样它经由二级加热器26传输。能够使用任何类型的二级加热设备，该设备能够干燥所处理的纸片但没有不利地影响纸片的性能。处理的纸片作为聚合物膜处理的基材28从二级加热器26中输出，该基材体现特征于改进的平坦度和光滑度。任选地，附加的涂覆工艺30(和其它工艺如涂覆，光泽压延，等等)可用来形成有涂层的产品32。

如图1中所示，该纸幅包裹热抛光圆筒22的相当大部分。包裹的量可以取决于操作条件如纸幅速度，聚合物膜形成用组合物20的水分含量，圆筒的温度，和其它工艺因素。有可能的是，与热抛光圆筒22之间的少量接触时间就是足够的。除提供纸幅形式的基材外，它也能够以片状提供。

可交联的聚合物涂层和任选的交联溶液可以通过许多技术如浸涂、杆涂、刮刀涂、凹版辊涂(gravure roll coating)、逆辊涂布、计量的施胶压机、光面辊涂、挤出涂覆、幕涂、喷涂等等来施涂。可交联的聚合物涂层和交联溶液可通过相同的涂布技术来施涂或各自可使用不同的方法。

根据本发明的一个实施方案是以在聚乙烯醇和硼砂之间发生的凝聚或凝胶化为基础的。根据这一类型的体系，聚乙烯醇(PVOH)是可交联的聚合物的例子和硼砂溶液是相应交联剂的例子。一旦施涂PVOH溶液14，在约25％固体含量和约5g/m²的干重的覆盖率(coverage)下，交联剂溶液16是以一定的速率和溶液固体含量施涂，得到至少约0.1g/m²的干重的硼砂覆盖率。这一湿、交联的聚合物膜20然后通过用压辊24将纸幅12加压贴合在热的抛光圆筒22表面上来与圆筒22接触。圆筒表面温度是至少约150℃，或根据某些实施方案，是至少约190℃，这样涂层能够被干燥和从圆筒表面上脱离。聚合物膜与圆筒的接触时间可以是在至多约3.0秒的范围内，更具体地说在约0.5-2.0秒之间。这对于聚合物膜固定和固化是足够的时间，使得聚合物膜的表面具有镜面反映该圆筒表面的平整光滑涂饰层。固定化聚合物膜包括至少部分地干燥该膜。当该涂层离开圆筒时涂层不一定完全地干燥，这样需要附加的干燥26。该纸幅然后继续通过该工艺过程并且可接受附加涂层例如普通的涂层，然后被卷绕。聚合物涂层可以用作单层或作为两个或两个以上的层被施涂。有限的实验同时还建议聚合物膜可以通过与加热圆筒的仅仅瞬时接触而固定或固化，这可通过使用压辊24将纸幅12加压贴合在热圆筒22上来实现，无需纸幅环绕热圆筒的任何附加卷绕。然而，可以设想，可以实现热圆筒的一些卷绕，和任选地毡23可用来帮助对纸幅加压使纸幅与热圆筒接触。如果毡(felt)23用来帮助将纸幅加压使纸幅与热圆筒接触，则毡23可以被携带在压辊24和加热圆筒22之间通过。

在聚合物膜和热圆筒之间的接触引起在聚合物膜中发生沸腾，在膜中产生空隙或气泡。辊隙条件应该加以调节，以便沸腾可以发生。用回弹性压辊、9”宽纸幅和在约15-约30磅/每英寸(PLI)之间的辊隙荷载可获得令人满意的实验室结果。取决于压辊硬度和热圆筒和压辊的直径，各种条件需要调节。

可用于本发明的某些实施方案中的可交联的聚合物的特定例子包括可交联的水凝胶。下列可交联的水凝胶是特别有用的：淀粉，蜡质种玉米(waxy maize)，蛋白质，聚乙烯醇，酪蛋白，明胶，大豆蛋白，和藻酸盐。能够使用选自以上列举的那些中的一种或多种聚合物。可交联的聚合物典型地以溶液形式和通常作为水溶液被施涂。在溶液中聚合物的浓度没有特别限制，但是能够由本领域中的普通技术人员容易地测定。例如，如下所述，可以使用约20％淀粉的溶液。可以施涂可交联的聚合物，以获得约3-约15gsm(g/m²)，更具体地约4-约8gsm的表面覆盖率(干基(dry basis))。根据本发明的特殊实施方案，可交联的聚合物能够以干燥材料的约60％-约100wt％的量使用。

交联剂的特定例子包括硼酸盐，醛，铵盐，钙化合物和它们的衍生物。如果使用，交联剂典型地是以溶液形式和通常作为水溶液被施涂。在溶液中交联剂的浓度没有特别限制，但是能够由本领域中的普通技术人员容易地测定。可以施涂交联剂，以得到约0.1-约0.5gsm，更具体地说约0.2-约0.3gsm的表面覆盖率(干基)。

加热的表面的温度超过典型地用于浇铸涂覆的温度。更高的温度应该允许更高的运行速度。可以预料，根据本发明的某些实施方案所生产的纸或纸板可以在约750至3000fpm之间，更具体地说约1500到1800fpm之间的速度下生产。虽然不希望受理论束缚，但是需要选择更高的温度和更长的停留时间，使得涂料组合物被加热并且看来好像当涂料沸腾时它与圆筒保持接触一段时间。该接触得到了显示出改进光滑度和光泽的聚合物膜表面。此外，该处理的表面是吸油墨的。当涂层在抛光圆筒表面上变光滑时，涂层的沸腾看起来显著地改进成品聚合物膜处理的基材的光泽和光滑度。

在基材上的聚合物涂层典型地被加压贴合在加热表面上保持足够的时间段，以便允许涂层沸腾和然后固化成光滑、有光泽的涂饰。根据特殊的实施方案，正在形成的聚合物膜与圆筒的接触时间是在至多约3.0秒，更具体地说至多约2.0秒，和最特别地至多约0.5秒的范围内。

聚合物涂层也可包括一种或多种颜料。有用颜料的例子包括，但不限于，高岭土，滑石，碳酸钙，乙酸钙，二氧化钛，粘土，氧化锌，氧化铝，氢氧化铝，和合成硅石如非结晶的硅石、无定形硅石或精细分散的硅石是它的例子。也可使用有机颜料。

可交联的聚合物涂层和/或交联溶液可以进一步包括一种或多种防粘剂。在这里有用的防粘剂的特定例子包括，没有限制，蜡，如石油，植物的、动物的和合成的蜡；脂肪酸金属皂，如金属硬脂酸盐，长链烷基衍生物如脂肪酸酯，脂肪酰胺，脂肪胺，脂肪酸，和脂肪醇；聚合物类，如聚烯烃，硅酮聚合物，氟聚合物，和天然聚合物；氟化化合物，如氟化脂肪酸和它们的组合。本领域中的普通技术人员能够容易地确定在特殊应用中使用的防粘剂的量。典型地，涂料可以含有约0.3-10％，更具体地说约2-5wt％的防粘剂。代替在涂层中的防粘剂或除在涂层中的防粘剂之外，防粘剂可以被喷雾到涂层表面上，或施涂于加热圆筒表面上。如果在加热圆筒上提供非粘性表面，不论通过脱模剂或其它方式，则脱模剂在涂层中的应用或脱模剂在涂层表面上的应用也许不是需要的。

用于本发明的某些实施方案中的聚合物涂层，其中含有至少上述聚合物，通常是以水性组合物的形式制备的。取决于聚合物组成、应用条件等等，在这些成分之间的合适比率是不同的，但是它没有特殊的限制，只要所生产的处理纸能够满足它的预期用途所需要的质量就行。此外，根据本发明的某些实施方案的聚合物涂层能够任选地含有添加剂，如分散剂，保水剂(water retaining agent)，增稠剂，消泡剂，防腐剂，着色剂，防水剂，润湿剂，干燥剂，引发剂，增塑剂，荧光染料，紫外线吸收剂，脱模剂，润滑剂和阳离子聚合电解质。

根据本发明的特殊实施方案，该基材在造纸机的中部(如施胶压机(size press)位置)附近用聚合物涂料处理。此外，用于施涂聚合物涂料到基材上的装置可以相对于造纸机来定位，以便将聚合物膜施涂到正在形成的纸幅的任一个表面上。可以使用一个以上的装置来将聚合物膜施涂到正在形成的纸幅的各侧上。

这些优点允许轻度压延纸或纸板的使用，因此保存劲度且同时提供良好的印刷性能。

该基础纸片(base sheet)典型地是从通常用于此类目的的纤维形成的，并且根据特殊的实施方案，包括未漂白的或漂白的牛皮纸浆(kraftpulp)。该纸浆可以由硬木或软木或它们的结合物组成。纤维素纤维层的基重可以是约30到约500gsm，和更特别地，约150到约350gsm。该基础纸片也可含有有机和无机填料，施胶剂，助留剂(retention agent)，以及现有技术中已知的其它助剂。最终的纸产品能够含有一种或多种纤维素纤维层、聚合物膜层、和根据某些实施方案的其它功能层。

根据某些实施方案，本发明提供用于印刷或包装的一面或两面涂层纸或纸板，当根据TAPPI纸和纸浆试验方法No.5A测量时，在涂覆和涂饰过程之后纸或纸版的Parker Print Surf光滑度值是低于约2-3微米。

在这里描述的纸或纸板可以进一步提供一个或多个附加涂层。可以提供含有普通组分的外涂层以改进纸或纸板的某些性能。此类普通组分的例子包括颜料，粘结剂，填料和其它特殊添加剂。该外涂层，当存在时，能够以比普通涂层低得多的涂层重量被施涂，并且仍然得到类似的印刷性能。因此，外涂层重量对于作为单涂层可以是约4-9gsm或对于作为双涂层可以是约8-18gsm。相反，普通的涂层纸典型地对于作为单涂层需要约10-20gsm或对于作为双涂层需要18-30gsm，以提供类似的表面性质。该纸或纸板也可以在具有未处理表面的纸片的一侧上被涂覆。

在给出了本公开物的教导之后，现在通过特定的实施例来举例说明，这些实施例无论如何不应该认为限制权利要求的范围。

具有约10点的纸厚度，约9微米的Parker Print Surf(PPS)值(10kg压力，有软背衬层)和约310的谢菲尔德光滑度的基础纸片能够根据本发明的某些实施方案进行处理，得到具有改进光滑度且仅仅纸厚度有最低程度减少的处理的纸片。该基础纸片可以通过将大约25％固体含量的PVOH溶液施涂到基础纸片上获得约5g/m²干重的覆盖率而处理。接着，交联剂溶液能够以一定速率和一定溶液固体含量施涂，得到至少约0.1g/m²干重的硼砂覆盖率。湿的、交联的聚合物膜能够通过将该纸片加压贴合在圆筒表面上来与热的抛光圆筒接触。该圆筒表面温度可以是至少约190℃。涂层然后被干燥和从圆筒表面上脱离。聚合物膜与圆筒的接触时间典型地是在约0.5-2.0秒的范围内。处理的纸片将具有在约9.6点和10.0点之间的纸厚度、约2.4-3.0的PPS值和约140-170的谢菲尔德光滑度。

在优选的实施方案中，该淀粉溶液可以用作在聚合物涂料中的聚合物材料。

本发明的一个方面涉及纸或纸板制造方法。根据本发明的一个实施方案，该方法包括将包含可交联水凝胶的聚合物涂料施涂到基材上，将交联溶液施涂到在基材表面上的聚合物涂层上，从而形成至少部分地交联的聚合物膜形成用涂层并在聚合物膜形成用涂层仍然处于湿状态下的同时让聚合物膜形成用涂层与加热表面接触。加热表面可以是具有平整光滑涂饰的热抛光圆筒。加热表面的温度典型地是在约150℃到约240℃的范围内。可以使用更高的温度，例如高达约300℃。根据某些实施方案的加热表面的温度是在180℃到约200℃范围内，和根据某些实施方案是至少约190℃。

根据本发明的特殊实施方案，可交联的聚合物可以选自于淀粉，蜡质种玉米，蛋白质，聚乙烯醇，酪蛋白，明胶，大豆蛋白，和藻酸盐。根据本发明的某些方面，该可交联的聚合物能够以干燥材料的约60-约100wt％的量使用。

在一些形式中，该交联剂可以是硼酸盐或硼酸盐衍生物如硼砂，四硼酸钠，硼酸，苯基硼酸，或丁基硼酸。该交联剂能够以基于可交联聚合物的约1-约12％的用量使用。

本发明还涉及根据这里所述的方法生产的处理的纸。与原始的纸片材相比，该处理的纸体现特征于改进的光滑度连同密度的相对较小提高。

当涂层接触加热圆筒时希望涂层处于湿状态下，该涂层例如可通过施加水来润湿。一种方法是在涂层接触热圆筒之前将水喷雾到涂层上。然而，在某些实施方案中，也有可能在没有任何附加润湿的情况下进行操作。

在某些实施方案中，淀粉可以用作可溶性聚合物。在某些实施方案中，在没有交联剂的情况下淀粉型涂层能够成功地运行，并且在没有凝胶化(也称作凝聚)的情况下可获得良好的结果。

有2-5％的脱模剂的淀粉溶液在如上所述的条件下与加热圆筒接触。在某些条件下，如果涂层的润湿是所希望的，则水单独可以用作该喷雾并且实现抛光表面的良好再现。如果涂料固体含量是足够低的，则在没有润湿水喷雾的情况下该工艺进行操作。将20％固体含量的淀粉涂料施涂到纸幅上并与加热圆筒接触，并实现良好的再现。

淀粉涂层也以具有25％和30％的固体含量来进行试验。这两种涂层在没有任何粘附的情况下从圆筒上脱离，但是没有良好的表面再现。该25％固体含量的涂层实现中等的再现，但是30％固体含量的涂层不是非常光滑的。看来好像在该表面上存在的一定量的水可以帮助在整个涂层上蔓延沸腾。低于一定量的表面水，局部的表面区域仍然可以有足够的沸腾而实现圆筒表面的良好再现，但是其它表面区域则不会。因此，在表面没有用喷水来润湿时，随着固体含量增至20％以上，再现光滑圆筒表面的该区域的百分比随着提高的涂料的固体含量而下降，直至在约30％的涂料固体含量，几乎没有实现表面光滑度再现。如果在涂层接触加热圆筒之前将足够的水喷雾在30％固体含量的涂层的表面上，则能够获得完整的表面再现。我们预期到这一关系也受到原料吸收率，涂布重量(coat weight)，涂料粘度和加工速度所影响。通过进一步实验应该有可能确定这些参数的效果。

如上所述的实施例是利用在加热圆筒的铬表面来进行的。如下所述的实施例是在圆筒重新涂覆碳化钨涂层之后进行的。在这些实施例中的每一个中，进行几个“运转(run)”来收集数据。运转由以下组成：该圆筒被加热至大约190℃，设定喷雾水平，涂料通过计量杆(metered rod)方法被施涂于纸幅上，任选接着是润湿喷雾(它任选可以含有交联剂)，然后是纸幅与圆筒在35fpm下接触。在一个运转中圆筒温度是在180℃和190℃之间变化。在一个运转中，改变的唯一变量是通过计量杆施涂的涂料重量。在该设备上的不同实验运转中进行在涂料类型、涂料固体含量或喷雾水平上的变化。涂布重量是由差别重量测量的并且以完全干燥的量(bone-dry)报道。一些的实验是用交联剂在涂料本身中进行的，例如当使用材料如淀粉时，它没有强烈地交联。

实施例1

具有111lb/3000ft²的基重的最低限度压制的基础纸片用作基材，在该基材上施涂和处理简单的涂料组合物。第一涂层是95％干重的CELVOL 203S聚乙烯醇(PVOH)和5％的Emtal 50VCS，三酸甘油酯用作脱模剂(CELVOL是由Celanese制造的)。涂料固体含量是20％重量。涂料通过计量杆施涂。表1是样品和试验条件的列表。样品1.1是通过用含有3wt％的硼砂和1wt％的磺化蓖麻油作为防粘剂的交联溶液喷雾该涂层来制备的。该喷雾速率是48毫升/每分钟。样品很好地重现(replicate)该圆筒(表面)并且在没有粘附的情况下从圆筒上脱离。以纸厚度的最低损失获得了光滑度的显著改进。对于样品1.2，条件是相同的，只是在喷雾溶液中没有使用硼砂。没有硼砂交联该聚乙烯醇，涂层无法从表面上脱离，并且膜的一部分仍然保留在圆筒表面上。这一实验清楚地显示了交联该聚乙烯醇的益处。

表1

样品和试验条件

                        涂料固                                                   从圆筒上

样品     涂料            体含量    润湿喷雾        喷雾速率    复制              的脱离

         95w％PVOH，               1w％蓖麻油，

1.1      5％三酸甘油酯   20w％     3w％硼砂        48ml/min    好                是

         95w％PVOH，

1.2      5％三酸甘油酯   20w％     1w％蓖麻油      48ml/min    N/A               否

         95w％CMC，                1w％蓖麻油，                不如PVOH

1.3-1.4  5％三酸甘油酯   7w％      3w％硼砂        48ml/min    (1.1)那么好       是

         95w％CMC，                                            比用硼砂

1.5      5％三酸甘油酯   7w％      1w％蓖麻油      48ml/min    (1.3，1.4)更好    是

         95w％淀粉                 1w％蓖麻油，

2.1      5％三酸甘油酯   20w％     3w％硼砂        46ml/min     好               是

         95w％淀粉

2.2-2.5  5％三酸甘油酯   20w％     1w％蓖麻油      46ml/min     好               是

                                                                不如用喷雾

         95w％淀粉                                              (2.2-2.5)

2.6-2.7  5％三酸甘油酯   20w％     没有喷雾        0            那么好           是

         95w％淀粉

3.1-3.2  5％三酸甘油酯   23w％     没有喷雾        0            好               是

         95w％淀粉

3.3-3.4  5％三酸甘油酯   25.7w％   没有喷雾        0            90-95％          是

         95w％淀粉

3.5-3.6  5％三酸甘油酯   25.7w％   1w％蓖麻油      48ml/min     100％            是

         95w％淀粉

3.7      5％三酸甘油酯   30w％     没有喷雾        0            差               是

         95w％淀粉                                              斑点化

3.8      5％三酸甘油酯   30w％     1w％蓖麻油      48ml/min     (mottled)        是

          95w％淀粉

3.9-3.12  5％三酸甘油酯    30w％    1w％蓖麻油    98ml/min    100％    是

          95w％淀粉

3.13-3.14 5％三酸甘油酯    17.5w％  没有喷雾      0           100％    是

          95w％淀粉

3.15      5％三酸甘油酯    10w％    没有喷雾      0           差

在另一个实验运转中，羧甲基纤维素(CMC)代替该聚乙烯醇来比较聚合物特性。羧甲基纤维素是FINNFIX 30(由Huber的分公司Noviant制造)，由于涂料粘度，它只能仅仅在7％的固体含量下运行。涂料是用95％聚合物和5％Emtal配制的。样品1.3和1.4是用48ml/min的硼砂喷雾量喷雾的两种不同的涂布重量。涂层很好地重现该圆筒表面并且完全地从圆筒上脱离。改进了光滑度，伴以纸厚度的最低损失，但是光滑度不如对于聚乙烯醇那么好。对于生产样品1.5的实验运转，没有硼砂用于该喷雾。涂层很好地重现该圆筒表面并且完全地从圆筒上脱离。光滑度通过除去硼砂而改进。这表明未交联的涂层能够重现圆筒表面并从圆筒上脱离，从而显示在这一过程中能够使用除可交联的材料之外的材料。

实施例2

具有111lbb/3000ft²的基重的最低限度压制的基础纸片用作基材，在该基材上施涂和处理简单的涂料组合物。第一涂层是95％干重的CLEER-COTE 625淀粉(粘度改进的蜡质种玉米淀粉，由Tate&Lyle公司的分公司A.E.Staley制造)和5％的Emtal 50VCS，三酸甘油酯用作脱模剂。涂料的固体含量是20％按重量。涂料通过计量杆施涂。样品2.1是通过用含有3wt％硼砂和1wt％的磺化蓖麻油作为防粘剂的交联溶液喷雾该涂层来制备的。该喷雾速率是46毫升/每分钟。样品很好地重现该圆筒(表面)并且在没有粘附的情况下从圆筒上脱离。获得了光滑度的显著改进，伴以纸厚度的最低损失。样品2.2，2.3，2.4和2.5是用同样涂料的不同涂布重量来进行的，但是喷雾不含有硼砂。全部的样品很好地重现圆筒表面并且完全地从该圆筒上脱离。样品2.6和2.7是在根本没有任何喷雾的情况下进行的。样品很好地重现圆筒表面和完全地脱离。光滑度值不是相当的好，但是样品仍然具有显著地改进的光滑度伴以纸厚度的最低减少。这表明该工艺能够在没有任何润湿喷雾的情况下进行。

实施例3

这一实验是探索涂料的固体含量的影响的实施例2的继续。样品3.1和3.2是在没有任何润湿喷雾的情况下在23％的涂料固体含量下进行的。获得了良好的重现和脱离。对于样品3.3和3.4，涂料固体含量增加到25.7％，再次在没有润湿喷雾的情况下施涂。获得完全的脱离，但是实现了该表面的不完全的重现。以目测检查为基础，仅仅约90-95％的表面重现该圆筒表面。对于样品3.5和3.6，同样的25.7％的固体含量涂料进行实验，施加48ml/分钟的润湿喷雾。表面重现是完整的和光滑度值大大地改进。对于样品3.7至3.12，使用30％固体含量的涂料。当不使用润湿喷雾(3.7)时，实现完全的脱离，但是仅仅较少百分数的表面被重现。当使用48ml/min的润湿喷雾量(3.8)时，该重现大大地被改进，但是表面仍然有斑点，具有较差重现的区域。当该润湿喷雾量增加到98ml/min(3.9，3.10，3.11&3.12)时，该重现是完全的并且光滑度大大地改进伴以纸厚度的最低减少。接着，涂料固体含量降低。在没有润湿喷雾应用的情况下的17.5％涂料固体含量(3.13，3.14)下，获得良好的脱离和完全的重现。在没有润湿喷雾应用条件下的10％固体含量(3.15)下，低涂料粘度导致减少的涂布重量和增大的涂料在纸片中的吸收量，因此发生较差的重现。

使用淀粉作为聚合物涂料(在20％的固体含量下)所生产的光滑产品的样品在表面上涂有普通含颜料的粘土涂料(大约三分之二的粘土和三分之一的碳酸盐，与胶乳粘合剂一起，以约10lb/3000ft²的单个涂层施涂)，该粘土涂料施涂在光滑的聚合物层之上。这些样品然后横断以考察涂层的形态。横断是通过将样品在液氮中冷冻，然后让样品断裂为两部分(冷冻断裂)。在显微镜下观察样品的破裂边缘(例如截面)。

显微照片揭示了空隙存在于聚合物涂层中，如图2至9中所示，它包括测量条以标明它们的尺度。对于图2-5，显微镜放大率是1000倍，和测量条是20微米长。在作为例子的图2中，所显示的结构包括纸板基材110。基材厚度通常在显微照片的区域之下延伸。因为该冷冻断裂过程，在显微照片中所示的基材110有时与聚合物层120分开或部分地分开。因此基材110的上边界可以仅仅大致由表示基材的括弧内距离来显示。

如前所述，在这些样品中，聚合物涂层120已经被施涂到基材110上，然后贴合在加热圆筒上被干燥。然后施涂外层涂层130，然后干燥。该术语“聚合物涂层”在这里用于描述按以上所述方法施涂的涂层，然后在湿润时接触在加热圆筒上。该术语“外涂层”用来描述作为一个层施涂的外层。显然该“外涂层”能够以一个以上的层施涂并且能够属于与这里所使用的那些不同的涂料。

空隙121在聚合物涂层120中是明显的，如图2-9中所示。图2例如显示了在聚合物涂层120中的几个空隙121，其中空隙似乎具有大约5-20微米的横向尺寸。可以假设，它们“深入到”该破裂试样中的尺寸是在大约相同的范围内。空隙典型地在“垂直”方向上似乎多少有些“扁平”，那就是说，深入到样品厚度中。该空隙也似乎看起来具有较光滑和一般薄的“壁”。这些薄壁在相邻空隙之间观察是最清楚的。在空隙壁靠近外涂层130的地方，它的厚度难于看见，但是它的存在可以通过与空隙邻近的外涂层130的光滑下部轮廓来推断。

图3是显示了在聚合物涂层中几个空隙121的显微照片例子。该空隙看起来似乎在相当于有涂层表面面积的多于一半的面积上延伸。该聚合物涂层在这一显微照片中不是轮廓分明的。

图4是显示了在聚合物涂层120中几个空隙121的显微照片例子。空隙的壁看起来是较薄的，这可通过在两个空隙的壁中的稍微半透明的(translucent)外观来证明。

对于图5-9，显微镜放大率是500倍，和测量条是50微米长。图5显示在聚合物层120中的几个空隙121，其中单个测量条显示了所选择空隙的尺寸，例如，一般从左至右移动，垂直距离10.5微米、横向距离36微米、垂直距离10.6微米和横向距离36.3微米的多个测量值。再次，该空隙看起来似乎在大约相当于有涂层表面面积的一半的面积上延伸。

图6显示具有类似测量条的另一个样品，例如，一般从左至右移动，垂直距离8.66微米、横向距离32.1微米、垂直距离11.8微米和横向距离22.7微米的多个测量值。测量值如图5和6中的这些测量值被收集来用于后面在图17中讨论的曲线图中。

图7显示在聚合物层120中的空隙121，其中包括显示一般扁平形状的几个空隙。该空隙看起来似乎在相当于几乎全部涂层表面面积的面积上延伸。图8显示了具有类似分布广泛的空隙121的另一个样品。几个空隙的壁区域是可见的。图9显示又一个样品，其中空隙121看起来似乎在相当于几乎全部有涂层表面面积的面积上延伸。

通过使用淀粉作为聚合物涂料(在20％固体含量下)生产的光滑产品的其它样品没有涂覆外涂层。这些样品然后横断以考察涂层的形态。横断是通过将样品在液氮中冷冻，然后让样品断裂为两部分(冷冻断裂)进行。然后在显微镜下观察样品的破裂边缘(例如截面)，如图10至12中所示，它包括测量条以标明它们的尺度。显微镜放大率是1000倍，和测量条是20微米长。图10显示聚合物层120，它含有空隙121和具有非常光滑的外表面。聚合物层位于纸板基材110上，并且表示了纤维素纤维112中的一个。基材厚度通常在显微照片的区域之下延伸。

图11和12显示了涂覆了聚合物但没有进行涂覆外涂层的样品的附加显微照片。再次，聚合物层120的光滑度是明显的，底下的空隙121也是如此。空隙的壁常常与聚合物涂层的表面相符。

图13(在200x放大倍数下)和图14(在500x放大倍数下)显示了在扫描电子显微镜下看见的样品的表面。这些样品都没有外涂层130。较大的绳索状(string-like)结构112是基材110的纤维素纤维。作为微细网络或网孔出现的较小泡孔状(cell-like)结构122是在聚合物层120中的单个的空隙。聚合物层这里看起来是基本上透明的，但空隙的壁除外。

图15和16显示了在反向散射扫描电子显微镜下观察的样品的表面。这些样品都没有外涂层130。较大的绳索状结构112是基材110的纤维素纤维。作为微细网络或网孔出现的较小泡孔状结构122是在聚合物层120中的单个空隙的壁。聚合物层这里看起来似乎基本上透明的，但空隙的壁除外。这些空隙看起来似乎分布在整个表面上。

图17是曲线图，它显示了以空隙宽度(在显微照片中的横向尺寸)和空隙高度(在显微照片中的垂直尺寸)中每一个的大约90个测量值为基础的空隙尺寸的分布。该测量值显示了约19微米的平均空隙宽度(在与样品的厚度平行的方向上测量)，具有约9微米的标准偏差。该测量值显示了约10微米的平均空隙高度(在“深入到”样品厚度的方向上测量)，具有约4微米的标准偏差。

这些空隙尺寸看起来似乎是这里研究的样品的代表。然而，它们没有限制意义，因为在材料或加工条件上的变化可以得到其它尺寸。

很难直接观察或测量在辊隙内的各个过程，但是看起来似乎是，在涂层与加热圆筒接触时蒸汽气泡产生这些空隙，并且该气泡提供力来帮助保持涂层与圆筒接触。所得到的空隙典型地帮助桥连在其它粗糙基材层110与加热圆筒的光滑表面之间的缝隙。因此该干燥聚合物涂层具有光滑的重现表面，它比基材层110更光滑。看起来似乎是，当施涂外涂层130时，许多或大部分的空隙保持完整。因此该外涂层比较光滑地终结，归因于相对光滑的下面的聚合物层120。这被看作由本发明实现的优点。除空隙帮助产生光滑的重现表面的影响之外，该空隙还有助于产品的较低密度。

在压辊24和热圆筒22之间的辊隙中的条件影响到在聚合物涂层中的空隙形式。取决于压辊硬度、以及压辊和热圆筒的直径，需要调节辊隙荷载(例如，在辊隙上的PLI荷载)，以便实现产生空隙的在辊隙中的沸腾。

以我们的实验的结果为基础，重现过程似乎以下列方式发生，如在图18中所描绘。聚合物涂布的基材220进入到在压辊224和热抛光圆筒222之间的辊隙。在热的抛光圆筒和压辊之间存在辊隙压力分布图250。辊隙压力分布图具有进入部分252和输出部分254。辊隙压力分布图250的形状仅仅是一个例子而已。在分布图的任一点上存在辊隙局部压力，正如辊隙压力分布图250所显示，和辊隙局部压力在经过该辊隙时发生改变。例如，在辊隙的进入侧上它可以增大，在辊隙的输出侧会减少。也存在辊隙平均压力256。

在辊隙的进入侧，由于在热抛光圆筒222和聚合物涂布的基材220之间的密切接触和由于在热圆筒和聚合物涂布基材之间高的温差，存在着高的热转移速率。同样在辊隙的进入侧，该压力是逐渐增大的和因此不许涂料蒸发，但是相反使该液相过热。在辊隙的输出侧，热传递仍然是非常高的，但是该压力减少和在从辊隙出来的一些点上，该液相能够闪蒸(沸腾)成蒸气并在涂层中产生高体积的空隙221，这能够帮助重现热的抛光圆筒222的表面。因为该液体是过热的，也就是说，被加热超过它的大气压沸点，不仅有足够的能量蒸发液体和产生气泡或空隙，而且有足够的能量充分地干燥聚合物涂层(如在气泡周围，例如在气泡的壁中)，因此在离开该辊隙之后，涂层与它的空隙和光滑表面保留其结构。该蒸气，当它从涂层中选出时，因此帮助干燥涂层。在离开辊隙之后不久，该纸幅230从热的圆筒上脱离，并且表面重现过程得以完成。在优选的实施方案中，在涂层中的水蒸发而形成空隙。然而，其它实施方案可以利用除水以外的液体在辊隙中蒸发并在涂层中形成空隙。

优选，在辊隙中的压力是足够的大以促进高的热传递速率，并导致在涂层中的过热条件。然而，如果该压力太大，它可能导致纸厚度的减少，这是不希望的。过大的压力也许可能迫使涂料进入到基材中，使得有较差的表面重现。因此看起来似乎是，有温度(足够高以便为蒸发和干燥提供足够的热)、压力(足够高以促进高的热转移和过热，但不致于高到驱使太多的涂料进入到基材中)以及辊隙停留时间(足够高以便允许足够的热传递发生)的最佳范围。

在图18中描绘的过程是在热圆筒温度和辊隙宽度(与在辊隙中的时间相关)的一定范围内发生。描述热传递的基本方程式是：q＝h(T_s-T_sat)，其中q是传热速率，h是传热系数，T_s是加热表面的温度，和T_sat是液体的饱和温度。T_sat随压力而变。为了方便起见，温度差异(T_s-T_sat)有时称作delta T(ΔT)。

图19显示从加热表面到经历相变的液体的热传递q的示例性曲线。描绘在图19中的热传递行为是众所周知的现象。log-log曲线图显示了传热速率q针对温差ΔT。符号“C”表示最大值或“临界”热传递速率。为了使水沸腾，这一最大值热传递速率在约50℃的ΔT下发生。可以理解的是，在压力辊隙中聚合物涂布基材的临界热传递速率可以不同于这一特殊ΔT，但是曲线的一般形状和底下的物理过程，仍然适用。

在充分低于与临界热传递速率相关的值的ΔT下，热传递不足以供应从涂料中蒸发足够的水以实现表面重现所需要的能量。此外，如图19中所示，随着ΔT提高到通过了与临界热传递速率相关的“C”点，在热表面上形成足够的蒸气而开始抑制热传递，这归因于降低的热传递系数。

对于在约800fpm下的操作，和在约2.8-3.6lb/3000ft²之间的涂布重量(干基)下，从约9-10千焦耳/每平方英尺的热传递速率得到可接受的结果。这似乎大约是干燥涂层所需的热量。随着涂布重量增加，每平方英尺所需热量因此预计会增加。

因为在图19中所示的热传递行为，可以预期在点“C”左右会有实现最佳表面重现的最佳温度范围。这一温度范围可以取决于在辊隙内的压力。看起来似乎是，对于典型的水性聚合物溶液或含颜料的涂料，最佳的热圆筒温度是在200-260℃(400-500°F)的范围内。如果用于涂料中的材料改变该蒸气压(例如，氨或醇)，则温度范围会降低。

对于在试验台面(benchtop)速度至2000fpm或更高的生产速度之间的速度范围内进行的工序，有利的是获知和甚至控制在辊隙中的时间，在该时间中该工序可将圆筒表面重现到涂层上。在两个辊之间辊隙宽度的传统Hertzian方程式是

$w=\sqrt{\frac{2L}{\mathrm{\Π}}*\frac{d_1*d_2}{d_1+d_2}*(\frac{1-v_1^2}{E_1}+\frac{1-v_2^2}{E_2})}$ 方程式1

w＝辊隙宽度(英寸)

L＝辊隙荷载(每英寸磅数，PLI)

E₁，E₂＝辊1、2的模量(psi)

d₁，d₂＝辊1、2的直径(英寸)

v₁，v₂＝辊1、2的泊松比

本领域中一些技术人员会认识到，这些变量中的某些，如模量或泊松比率，可以受到温度的影响。根据方程式1，这进而影响辊隙宽度。本领域中的那些技术人员也会认识到，为了对具体条件提供更好的拟合，该方程式可以改进，例如以经验数据为基础，或可以使用其它方程式。

在这里描述的实施方案中，辊隙停留时间似乎是重要的参数。与ΔT一起，它在测量在辊隙中传递的能量上起着重要的作用。为了使能量转移最大化，热圆筒温度Ts和辊隙压力可以加以控制以实现在热传递曲线上接近“C”点的操作。由适当地调节在辊隙中的压力，沸腾可以最初被抑制(例如在压力增大的辊隙的进入侧)，因此具有非常高的热传递速率，允许过量的能量转移到涂层。该多余的能量可以描述为“过热”。随着基材向前运行和在辊隙的输出侧上压力下降，饱和温度T_sat(它与压力有关)快速地下降和过热水作为蒸汽闪蒸。

ΔT可以优选地被优化。例如为了在一定的速度下运行，参数如辊直径和硬度和辊隙荷载，可以选择以获得足够的停留时间。操作条件可以选择来实现所需的ΔT，例如，以便在接近目标值如50℃进行操作。

能够使用方程式1(或类似的方程式)，与辊的物理性能和尺寸一起，来测定在辊隙中获得合适时间的合适操作条件。因为不同变量的相互作用，需要一些试验与误差来优化该工艺。当利用实验室规模装置的运转已测定为了制造具有所需的含空隙的涂层的合格产品所需要的热圆筒温度、辊隙压力和辊隙停留时间的合适结合时，该理论可用来确定较大规模装置的近似操作条件。

例如，假定实验室规模装置对于特定的辊隙压力和辊隙停留时间使用约220℃(425°F)的热圆筒温度制造合格产品。对于第一次近似，假定等同的条件可以在较大装置如生产设备上生产令人满意的产品。优选该较大装置将能够用约220℃的热圆筒温度来运行。在获知所需的运行速度和合适的辊隙停留时间之后，可以计算目标辊隙宽度。

在测定目标辊隙宽度之后，方程式如方程式1(或其它合适的理论、经验或导出的方程式)可用来直接地、间接地、重述地或另外地测定生产设备的一组或多组的操作条件，这将得到所需的目标辊隙宽度。所要考虑的因素是热圆筒和压辊的直径、压辊的硬度(或它的表面覆盖层的硬度和厚度)、和适用于辊隙荷载的工作范围(例如装置的PLI范围)。这些因素可以适用于现有的安装好的(in-place)设备，或适用于替代使用的替换设备。例如，通过使用方程式1，可以产生成列的(a list of)备选的(candidate)压辊覆盖层的列表，利用它们的各自厚度和硬度，它们每一个适合于提供目标辊隙宽度。备选压辊覆盖层中的合适的一种然后以可利用性、给定的温度下的耐久性、表面性质等等为基础来选择。

聚合物涂布的基材与热圆筒表面之间的接触时间包括辊隙停留时间和也可包括附加的时间，优选在离开该辊隙之后，在该时间中基材与热圆筒表面接触。

在实验设备(pilot equipment)上运行的实验的结果列于表2中。热圆筒具有46”的直径，具有已抛光到2微米涂饰层的碳化钨表面。该压辊具有38”的直径，具有30肖氏D硬度的软覆盖层。纸幅宽度是36”和辊隙荷载是约570PLI。这将提供约500psi的估测平均辊隙压力。该基础纸片是具有204lb/3000ft²的标称基重的漂白板。涂层在与加热圆筒接触之前通过使用杆涂布器被施涂于纸幅上。实施例A使用由97wt％的CLEER-COTE(由Tate&Lyle的分公司A.E.Staley制造)低粘度淀粉和3wt％的均匀化植物油防粘剂(三酸甘油酯Emtal 50VCS)组成的涂料。涂料固体含量是17.1％。实施例B使用97wt％的PG270(由Penford Products制备)中等粘度淀粉和3％植物油防粘剂。虽然实施例B基片的纸厚度低于实施例B处理的纸板的纸厚度，但是这能够归因于该纸板的可变性。

在800fpm的纸幅速度下加热的圆筒温度是约450°F(约230℃)。在更高的纸幅速度下，该温度是更低的。当操作条件被调节时，水性聚合物涂层可以为新条件而优化。例如，看起来似乎表明，随着速度提高，涂料固体含量可以稍微地减少以提供最佳结果。

实验条件是在一定范围的停留时间中运行的，这取决于辊隙宽度和纸幅速度。例如，在约200fpm下以约27毫秒的辊隙停留时间和在约900fpm下以约6毫秒的辊隙停留时间获得良好的结果。在约1500fpm下以约3毫秒的辊隙停留时间获得不太令人满意的结果。这些停留时间对应于约1.1英寸的辊隙宽度。

在实验室规模设备上，在约25fpm下以约60毫秒的辊隙停留时间获得良好的结果，对应于约0.3英寸的辊隙宽度。尽管高于约1500fpm的速度没有进行试验，例如由于其它操作系数，如纸幅水分，有可能的是更高的速度可能需要更长的停留时间。

尽管一定的上述条件得到令人满意的结果，可以设想的是该工艺可以被调节到在一定范围的条件下运行。例如可以设想的是，操作条件可以调节以便允许在约70psi和约700psi之间，或更特别地在约150psi和550psi之间的辊隙压力下获得令人满意的结果。

各种热源可用来加热该热圆筒。例如，该加热可以通过电阻式加热，电诱导加热，燃气式加热，热油加热，这些的结合，或现有技术中已知的其它加热方法来进行。

尽管这里所述的运转使用圆柱形热圆筒和圆柱形压辊在两者之间形成辊隙，但是可以设想到的是，该工艺也可用能够提供加热的加压辊隙(基材通过该辊隙)的其它几何结构来实施。能够提供热的加压辊隙的其它几何结构例如可以在带式的靴型压辊或带式的靴型压延设备中实现。在这里公开的工艺没有使用带式的靴型设备进行试验，并且需要测定合适的操作条件。带式的靴型设备可具有比在圆筒与压辊之间的辊隙略微更长的辊隙，和相应地更长的辊隙停留时间。对于这些设备，停留时间可以是约3毫秒(例如，在3000fpm下运行的两英寸靴)到约225毫秒(例如，如果18英寸靴在400fpm下可运行)之间。

在这里实施方案的某些叙述使用术语“纸”或“纸板”来描述基材。这些术语不是用于限制基材的类型，因为可以设想，这里的方法可适合于各种基材，其中没有限制地包括纸或纸板。由该方法生产的聚合物涂覆的纸或纸板可用于希望有光滑基材或成品的地方。有聚合物涂层的纸或纸板可以原样使用(例如，如图10-16中所示)，或它可用作需要在其上施加附加涂层或采用其它处理(例如在图2-9中所示的外涂层130，或其它涂层)的基材。在有或没有附加涂层的情况下，附加的涂饰材料或工艺可以应用于聚合物涂覆的纸或纸板。例如，可施涂一个或多个附加涂层，典型的是底涂层，外涂层，和普通纸或纸板基材的三道涂层。在任选的附加涂覆之前或之后，可以采用压延工序。例如可以采用一个或多个附加涂层，之后是光泽压光步骤。

制造和使用根据本发明的聚合物涂覆材料的方法应该容易地从正如在这里所提供的材料和工艺的纯粹叙述中清楚地看出。因此，此类材料或方法的进一步讨论或说明被认为没有必要。

尽管已经描述和说明了本发明的优选实施方案，很显然，在不脱离本发明的精神或范围的情况下能够对本发明的实施方案和实施方式作许多改进。虽然在这里说明的优选实施方案已经针对纸或纸板基材进行了描述，但是这些实施方案可以根据本发明容易地在其它结构中实施，其中包括但不限于纺织品，无纺织物，纤维材料，聚乳酸基材，和多孔膜。

因此需要理解的是，本发明不局限于在这里公开(或从公开内容明显看出)的具体实施方案，但仅仅由所附权利要求来限定。

表2

样品和试验条件

Claims (31)

1.处理基材的方法，包括以下步骤：

在基材上以膜形式施涂水性聚合物溶液的第一涂层，

其中该第一涂层包括水溶性聚合物和脱模剂，

让该膜与在辊隙中的加热表面接触，

该辊隙具有辊隙停留时间、辊隙局部压力和辊隙平均压力，其中在辊隙停留时间的第一部分中该辊隙局部压力提高和该膜经历加热但基本上没有蒸气形成，并且在辊隙停留时间的第二部分中辊隙局部压力下降和水性聚合物溶液沸腾且形成保留在膜中的空隙，和

至少部分地干燥该膜。

2.权利要求1的方法，其中辊隙平均压力是在选自在约70psi到约700psi之间和在约150psi到约550psi之间的范围中。

3.处理基材的方法，包括以下步骤：

在基材上以膜形式施涂水性聚合物溶液的第一涂层，

让膜与具有约150℃以上的温度的加热表面接触短于约3秒，

其中该接触包括与加热表面之间的辊隙式接触(nipped contact)，

其中辊隙式接触具有与其相关的辊隙局部压力，

其中辊隙式接触包括第一个时间段，在这一时间段中辊隙局部压力提高和膜经历加热且基本上没有蒸气形成，和第二个时间段，在该时间段中辊隙局部压力下降和水性聚合物溶液沸腾并形成保留在膜中的空隙。

4.权利要求3的方法，其中第一涂层包括水溶性聚合物。

5.权利要求3的方法，其中第一涂层基本上不含弹性体材料。

6.权利要求3的方法，其中水性聚合物溶液包括至少约60％干重的水溶性聚合物，和至多10％干重的防粘剂。

7.权利要求3的方法，其中辊隙式接触具有一段停留时间且该停留时间是选自约1毫秒到约60毫秒之间、约4毫秒到约25毫秒之间、和约6毫秒到约10毫秒之间中的一个。

8.权利要求3的方法，其中辊隙式接触具有与其相关的辊隙平均压力，其中该辊隙平均压力是在约70psi到约700psi之间。

9.权利要求3的方法，其中第一涂层包括具有在选自低于约200单位和低于约150单位中的一个的范围的谢菲尔德光滑度的表面。

10.权利要求3的方法，其中第一涂层包括表面和第一涂层表面的至少50％具有至少5微米的横向尺寸的表面下空隙。

11.处理基材的方法，包括以下步骤：

在基材上施涂水性聚合物溶液的膜，

让该膜与在辊隙中的加热表面接触，

该辊隙具有辊隙停留时间、辊隙局部压力和辊隙平均压力，其中在辊隙停留时间的第一部分中辊隙局部压力提高和该膜经历加热但基本上没有蒸气形成，并且在辊隙停留时间的第二部分中辊隙局部压力下降和水性聚合物溶液沸腾且形成保留在该膜中的空隙，和

至少部分地干燥该膜。

12.权利要求1或11的方法，其中该辊隙停留时间具有选自约1毫秒和约60毫秒之间、约4毫秒和约25毫秒之间以及约6毫秒和约10毫秒之间的一个的数值范围。

13.权利要求11的方法，其中该辊隙平均压力是在约70psi和约700psi之间。

14.处理基材的方法，包括以下步骤：

在基材上施涂水性聚合物溶液的膜；

在第一种压力下且基本上没有蒸气形成的情况下加热该膜；和

降低第一种压力，以使得水性聚合物溶液沸腾和形成保留在膜中的空隙。

15.处理基材的方法，包括以下步骤：

在基材上以膜形式施涂水性聚合物溶液的第一涂层；

其中第一涂层包括水溶性聚合物和脱模剂，

在第一种压力下且基本上没有蒸气形成的情况下加热该膜；和

降低第一种压力，以使得水性聚合物溶液沸腾和形成保留在膜中的空隙。

16.权利要求1或11的方法，其中该加热表面是在约150℃以上的温度。

17.权利要求14或15的方法，其中在第一种压力下加热该膜和降低第一种压力是至少部分地在加压辊隙中进行。

18.权利要求17的方法，其中该加压辊隙体现特征于在约70psi和约700psi之间的辊隙平均压力。

19.权利要求17的方法，其中加压辊隙具有选自约1毫秒和约60毫秒之间、约4毫秒和约25毫秒之间以及约6毫秒和约10毫秒之间的一个的范围的辊隙停留时间。

20.权利要求17的方法，其中加压辊隙体现特征于在选自约70psi到约700psi之间和约150psi到约550psi之间的一个的范围中的辊隙平均压力。

21.权利要求17的方法，其中加压辊隙具有选自约1毫秒和约60毫秒之间、约4毫秒和约25毫秒之间、以及约6毫秒和约10毫秒之间的一个的范围的辊隙停留时间。

22.权利要求1或15的方法，其中水性聚合物溶液基本上不含弹性体材料。

23.权利要求1或15的方法，进一步包括在至少部分地干燥该膜之后施涂第二涂层的步骤。

24.处理基材的方法，包括以下步骤：

在基材上以膜形式施涂水性聚合物溶液的第一涂层，

其中该基材是纤维素基材；

让膜与具有约150℃以上的温度的加热表面接触短于约3秒，

其中该接触包括与加热表面之间的辊隙式接触，其中该辊隙式接触具有与其相关的辊隙平均压力，其中该辊隙平均压力是在约70psi到约700psi之间，

其中与加热表面之间的辊隙式接触包括选自约1毫秒和约60毫秒之间、约4毫秒和约25毫秒之间以及约6毫秒和约10毫秒之间的范围中的辊隙停留时间；

在第一种压力下且基本上没有蒸气形成的情况下加热该膜；

降低第一种压力，以使得水性聚合物溶液沸腾和形成保留在该膜中的空隙，

和至少部分地干燥该膜；

其中第一涂层包括含有脱模剂和基本上不含弹性体材料的水溶性聚合物；

其中该水性聚合物溶液包括至少约60％干重的水溶性聚合物，和至多10％干重的防粘剂，其中第一涂层包括表面和第一涂层表面的至少50％具有至少5微米的横向尺寸的表面下空隙；其中该第一涂层表面具有选自低于约300单位、低于约200单位和低于约150单位中的谢菲尔德光滑度。

25.处理基材的装置，包括：

在基材上以膜的形式施涂水性涂料的施涂器，

具有在约24英寸和约84英寸之间的直径的圆筒，

能够与圆筒形成辊隙的压辊，和

用于获得高于水性涂料的沸点的圆筒温度的能源，

其中该施涂器、圆筒和压辊经过构型设计以让基材以约300fpm和约3000fpm之间的速度穿过辊隙，

和其中该辊隙提供选自约1毫秒和约60毫秒之间、约4毫秒和约25毫秒之间、和约6毫秒和约10毫秒之间的范围中的停留时间。

26.权利要求25的装置，其中压辊具有选自约12英寸到约72英寸之间、和约24英寸到约48英寸之间的一个的直径。

27.权利要求25的装置，其中该水性涂料是湿膜。

28.处理基材的装置，包括：

在该基材上以膜的形式施涂水性涂料的施涂器，

具有在约24英寸和约84英寸之间的直径的圆筒，

能够与圆筒形成辊隙的带式的靴型装置，和

用于获得高于水性涂料的沸点的圆筒温度的能源，

其中该施涂器、圆筒和带式的靴型装置经过构型设计以让基材以约300fpm和约3000fpm之间的速度穿过辊隙，

和其中该辊隙提供选自约1毫秒和约225毫秒之间、约4毫秒和约150毫秒之间、和约6毫秒和约60毫秒之间的停留时间。

29.权利要求25或28的装置，其中该辊隙提供在约70psi和约700psi之间的辊隙平均压力。

30.权利要求28的装置，其中在基材运行的方向上的辊隙长度是在约0.1英寸和约18英寸之间。

31.权利要求28的装置，其中该水性涂料是湿膜。

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