CN104302834A - 纸或纸板的纤维幅材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纤维幅材产品如纸，和用于制备这种纤维幅材的方法。根据该方法，将微纤化纤维素(MFC)与较大纤维长度的纸浆如化学热磨机械纸浆(CTMP)一起，与水和表面活性剂的泡沫混合，将该泡沫提供到纸或纸板机的成形织物，通过经由成形织物的空气的抽吸脱水，并干燥为最终的幅材产品。该方法带来了高松厚度和高Scott结合值的组合，为纸和纸板产品提供了改善的湿和干拉伸强度。

Description

纸或纸板的纤维幅材及其制备方法
本发明涉及用于制备纸或纸板的纤维幅材的方法，通过该方法获得的纤维幅材，以及包含这种幅材作为至少一层的多层纸板。作为特别的方面，发泡技术在本发明中用于制备纤维幅材。
发明背景
在造纸工业中，已经在幅材形成工艺和幅材涂覆工艺两者中使用了泡沫技术，其中使用泡沫作为材料的载体相。该技术描述于例如以下出版物中：Radvan，B.，Gatward，A.P.J.，通过发泡过程形成湿铺幅材(Theformation of wet-laid webs by a foaming process)，Tappi，第55卷(1972)第748页；Wiggins Teape Research and Development Ltd.的报告，在造纸中利用泡沫而非避免泡沫的新工艺(New process uses foam in papermakinginstead ofavoiding it)，Paper Trade Journal，1971年11月29日；和Smith，M.K.，Punton，V.W.，Rixson，A.G.，通过发泡过程形成的纸的结构和性能(The structure and properties of paper formed by a foaming process)，TAPPI，1974年1月，第57卷，第1号，第107-111页。
在GB 1 395 757中，描述了一种用于在纸张制造中使用的用于制备发泡纤维分散体的装置。将表面活性剂加入至纤维长度超过约3mm的纤维浆，以提供具有至少65％的空气含量的分散体，其被排放到造纸机的成形织物上。目的是在织物上实现纤维幅材的均匀成形。
到上世纪70年代中期为止，泡沫成形工艺已经在生产机器上成功地得到证明。在Wiggins Teape Radfoam工艺(Arjo Wiggins)中，将纤维以在水性泡沫中的悬浮体的形式递送到常规的长网造纸机的丝网。该开发小组获得了在于长网造纸机上使用泡沫以非常高的水中纤维浓度(3-5％)制得的纸中的非层状3D结构。
当比较泡沫成形法和水成形法时，一个趋势是明显的。使用泡沫成形，松厚度更大，但是拉伸指数更小。伴随着更松散的结构，结构更加多孔，这导致较小的拉伸指数值。来自水成形样品和泡沫成形样品的比较的一个有趣的结果是，即使泡沫成形的样品松散得多，但在两种情况下拉伸刚度指数却非常接近。对此的原因目前尚属未知，并需要进一步的研究。
在发泡过程中使用的表面活性剂对于纸张幅材的干拉伸强度和湿拉伸强度两者都有负面的影响。
拉伸强度的损失可以通过当表面活性剂吸附在纤维表面上阻碍了纤维之间的氢键合时纸张的干拉伸强度下降解释。初始湿强度也由表面活性剂降低，特别是对于8-25％的干含量，这归因于表面张力的降低，其是由将湿纸张保持在一起的主要的力的减弱造成的。
根据目前的理解，妨碍泡沫成形成为纸、纸板和卡片纸板生产中标准的幅材形成技术的主要问题是：
-在某些应用中过高的多孔性，
-与普通低稠度湿法成形相比降低的强度性能，
-较差的Scott结合
-较差的拉伸强度，和
-较差的弹性模量。
与普通湿法成形相比，使用泡沫成形可以获得更高的松厚度(更低的密度)。对于典型的印刷和包装纸和纸板级别来说，主要的缺点是弹性模量(“柔软性”)的和内部强度(Scott结合或z-强度)的损失。然而，同样的特征在面巾纸制造中是优点。因此，在面巾纸产品中，泡沫成形已经更加普遍。
为了提高在成形织物上形成的纤维幅材中造纸化学品的脱水和保持，改进造纸的一个更近来的目标是将微纤化纤维素(MFC)结合在纸浆悬浮液中。US 6,602,994 B1教导了使用具有静电或空间功能性的衍生的MFC用于甚至包括更好的幅材形成的多种目的。根据该参考文献，微纤具有在5至100nm的范围内的直径。
然而，伴随MFC而来的缺点是纸的致密化和高干燥收缩，以及MFC吸收和保持大量水的倾向，这增加了干燥所需的能量，并且降低了造纸机速度和生产力。因为这些原因，迄今为止MFC尚未在造纸工业中赢得广泛的使用。
发明概述
本发明的目的在于，通过找到一种制备泡沫成形的纤维幅材的方法，其赋予纸和纸板产品大大增加的强度同时保持低密度，以在印刷和包装纸和纸板方面克服或大大减少上述问题。根据本发明的方案是，通过以下步骤制备幅材：(i)提供水和表面活性剂的泡沫，(ii)在所述泡沫中将微纤化纤维素与较大纤维长度的纸浆结合在一起，(iii)将所述泡沫提供到成形织物上，(iv)将所述泡沫在所述成形织物上经由抽吸脱水，以形成幅材，以及(v)对所述幅材进行最终干燥。
特别地，出人意料地发现，高纤维长度的机械或化学纸浆可以与微纤化纤维素组合有利地用在泡沫成形中。即使在造纸中MFC的使用同样是已知的，据申请人所知，在现有技术中尚未建议将MFC结合到泡沫中，并且其益处对于技术人员来说不是可预知的。
MFC的微原纤维典型地具有约100nm至10μm的纤维长度和约3至50nm的纤维直径。当用于限定本发明时，术语微纤化纤维素(MFC)也涵盖纳米原纤化纤维素(NFC)。按照定义，与MFC组合的纸浆具有较大的纤维长度，优选约1mm以上。特别适合用于本发明的纸浆是化学热磨机械纸浆(CTMP)。
除了CTMP之外，其他可用于本发明的长纤维纸浆是化学浆、化学机械纸浆(CMP)、热磨机械纸浆(TMP)、GW以及其他高收率纸浆如APMP和NSSC。
不限定于任何理论，据信在该组合中，CTMP等的长纤维提供了松散的结构，并且MFC提供了长纤维之间的连接。已经发现，根据本发明的方法获得至少2.5cm3/g、优选3至7cm3/g的松厚度。还证实了，该方法用CTMP研磨次品也很好地工作，对于产品例如折叠纸盒纸板中间层，显示使用更少精制纸浆的可能性。
在泡沫成形中，单独的长纤维或MFC自身都不能够形成絮凝物，然而，MFC能够在单独的长纤维之间建立桥，因此出人意料地赋予幅材良好的强度性能。
当泡沫成形妨碍在长纤维之间形成絮凝物时，可以获得非常好的克重构造。这改善了印刷品质的均匀性，因为在纸和纸板中品质变化较少。
这些刚性的CTMP的长纤维能够在湿压榨中和干燥中保持松散结构，因此对纸片提供了出人意料的良好的松厚度。
在水成形样品和泡沫成形样品的比较中，一个有趣的结果是，即使泡沫成形的样品松散得多，但在两种情况下拉伸刚度指数却非常接近。对此的原因目前尚属未知，并需要进一步的研究。
根据本发明的一个实施方案，在纸或纸板机的连续运行的成形织物上以工业规模形成连续的纤维幅材，通过经过幅材和成形织物的抽吸脱水，并最终在纸或纸板机的干燥部中干燥。
本发明的另一个实施方案包括，通过在最多0.6巴的压力下经过幅材和成形织物的空气的抽吸将幅材脱水，之后在最多约0.3巴的压力下通过空气的抽吸预干燥。
根据本发明的进一步的实施方案，结合在泡沫中的纤维组分由约5至40重量％、优选10至40重量％的MFC和约60至95重量％、优选60至90重量％的具有较长纤维的纸浆构成。
根据本发明的再进一步的实施方案，在将泡沫提供到成形织物上之前，使其达到60至70体积％的空气含量。进行发泡的纸浆的稠度基于水的量为1至2％。在泡沫中的表面活性剂的合适的量可以在0.05至2.5重量％的范围内，但是将可以由技术人员简单地确定。
用于本发明的优选的表面活性剂是十二烷基硫酸钠(SDS)，但也可以是用其他典型的表面活性剂。
通过在泡沫中使用长纤维素纤维和外加的微纤化纤维素，泡沫成形因此是一种非常合适和有前途的用于制备所有需要最佳可能的成形与最佳可能的弯曲刚性的组合的纸和纸板级别的方法。
这样的产品包括例如所有纸板级别，如：
-纸箱纸板，包括折叠纸盒纸板、挂面白纸板、单一漂白浆纸板、单一未漂浆纸板、液体包装纸板等，
-容器纸板，包括挂面纸板、瓦楞原纸等，
-特种纸板，包括芯层用纸板、壁纸原纸、书皮纸板、木浆纸板等。
产品还包括例如纸级别如新闻用纸、改良新闻用纸、凹版印刷纸、MFC、LWC、WFC、铜版纸和ULWC。
根据本发明获得的高松厚度高强度结构也可以例如用于：
-用作多层结构(纸和纸板)中的中间层，
-用于层压到其他纸结构体和/或塑料膜层，
-用作用于与塑料一起挤出涂覆的纤维基料，
-用作隔热、隔噪音、液体和水分吸收体，
-用作模制结构体如托盘、杯子、容器的可成形层。
通过上述方法获得的根据本发明的纤维幅材包含微纤化纤维素(MFC)和较大纤维长度的纸浆的混合物，并且具有至少2.5cm3/g的松厚度，优选3至7cm3/g的松厚度。
根据本发明的纤维幅材可以具有至少50J/m2、优选120至200J/m2的Scott结合值。
根据本发明的纤维幅材中的较大纤维长度的纸浆可以是机械纸浆，优选CTMP。通常，该纤维幅材包含约5至40重量％的MFC和约60至95重量％的较大纤维长度的纸浆。
当根据本发明的纤维幅材用作多层纸板或卡片纸板中的单一层时，它优选定位为中间层，而外表面层可以是比所述中间层松厚度低的纤维幅材。例如，通过标准造纸技术制成的具有高弹性模量的更致密的打印纸层可以构成这样的外层。可以通过使用本发明获得的多层产品包括例如折叠纸盒纸板、液体包装纸板和杯纸板。然而，可以通过根据本发明的泡沫成形技术制备多层纸板的所有层。
实施例
通过以下程序制备尺寸38.5cm x 26.5cm的泡沫成形手抄纸：通过使用钻机(3500rpm)，将水与作为表面活性剂的十二烷基硫酸钠(SDS)以0.15-0.2g/l的比例混合制备泡沫，直到泡沫中的空气含量为60-70％。泡沫的目标空气含量由发泡装置决定；当泡沫达到目标空气含量时，泡沫表面的水平面不再上升，并且所述混合开始减小泡沫的气泡尺寸。当泡沫准备好时，将包含CTMP和NFC(Daicel KY-100G，10.7％)的纤维悬浮液与预制的泡沫混合。继续混合，直至再次达到目标空气含量。在稳定条件下，在泡沫中纤维粒子之间的距离保持恒定，并且没有絮凝发生。此后，将泡沫倾析到手抄纸模具中，并使用排气机和真空室通过长网过滤。长网是常规用于水基成形的类型的。之后，将长网和在其上形成的手抄纸从模具移除，并通过使用排气机在抽吸台上预干燥。抽吸台具有抽吸槽，宽度5mm，其以0.2巴的真空穿过纸张抽吸空气。
根据上述程序，从具有与CTMP合格品(379CSF)、次品或稍微细磨的CTMP相混合的，不同份额，即5、10、15、20、30和40％的NFC的纸浆制备手抄纸。制备仅含有100％的CTMP(0％NFC)的手抄纸用于比较。
通过对每个纸片测量松厚度和修正的Scott结合测试干燥的手抄纸。结果图形化地示于图1中。NFC的份额标记在各测量结果的旁边。该图还包括一定数量的通过常规的非泡沫造纸技术制得的现有产品用于比较。
测试显示，例如与CTMP合格品纸浆混合的20％的NFC将Scott结合值从55J/m2提高至190J/m2，相应的松厚度值为6g/m3和4g/m3。在CTMP次品纸片中的增加为Scott结合从50至127J/m2，并且相应的松厚度值为7.4g/m3和5.8g/m3。折叠纸盒纸板的中间层的目标值为至少2.5g/m3的松厚度和＞100的Scott结合。结果显示，通过泡沫成形，可以从与NFC混合的粗糙的纤维材料，制备具有所需的内部强度性能的折叠纸盒纸板的高松厚度中间层。结果还显示了由较少精制的CTMP纸浆形成折叠纸盒纸板的中间层的可能性。本发明的商业影响是节约了纸浆的精制能量和泡沫成形的幅材的干燥能量。而且，泡沫成形的益处，即无视纤维长度的出色成形，使得折叠纸盒纸板的更薄的表面层和涂覆层成为可能。
试验还显示了在流动的泡沫中的纤维粒子之间的距离保持恒定，即纤维不絮凝。当幅材由此种泡沫制成时，例如通过经过造纸机的成形织物的抽吸，纤维保持它们未絮凝的状态并且形成具有出色构造的幅材。与常规的水移除相比，当泡沫被移除时施加在该结构上的结构压力要小得多，因此形成高的松厚度。将泡沫成形与通过经过幅材抽吸空气的干燥(例如，通过使用抽吸槽)相组合，可以达到超过70％的幅材固体含量并保持高松厚度。加入到将被发泡的纤维材料中的纳米纤维素(NFC)提高了所形成的幅材的内部强度性能。

Claims (14)

1.一种用于制备纸或纸板的纤维幅材的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供水和表面活性剂的泡沫，
-在所述泡沫中将微纤化纤维素(MFC)与较大纤维长度的纸浆结合在一起，
-将所述泡沫提供至成形织物上，
-将所述泡沫在所述成形织物上经由抽吸脱水，以形成幅材，以及
-对所述幅材进行最终干燥。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于连续的纤维幅材在纸或纸板机的运行的成形织物上形成，通过经由所述幅材和所述成形织物的抽吸脱水，并最终在所述纸或纸板机的干燥部中干燥。
3.权利要求1或2所述的方法，其特征在于通过在最多0.6巴的压力下经由所述幅材和所述成形织物的空气的抽吸将所述幅材脱水，之后在最多约0.3巴的压力下通过空气的抽吸预干燥。
4.在前权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于将机械纸浆，如化学热磨机械纸浆(CTMP)结合在所述泡沫中。
5.在前权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于结合在所述泡沫中的纤维组分由约5至40重量％的MFC和约60至95重量％的具有较长纤维的纸浆组成。
6.在前权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于将所述泡沫提供至所述成形织物上之前，使所述泡沫达到60至70体积％的空气含量。
7.在前权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于所述表面活性剂是十二烷基硫酸钠(SDS)。
8.一种通过在前权利要求中的任一项所述的方法获得的纤维幅材，其特征在于所述幅材包含微纤化纤维素(MFC)和较长纤维长度的纸浆的混合物，并且所述幅材具有至少2.5cm3/g的松厚度。
9.权利要求8所述的纤维幅材，其特征在于所述幅材具有3至7cm3/g的松厚度。
10.权利要求8或9所述的纤维幅材，其特征在于所述幅材具有至少50J/m2、优选120至200J/m2的Scott结合值。
11.权利要求8-10中的任一项所述的纤维幅材，其特征在于所述较大纤维长度的纸浆是机械纸浆，优选CTMP。
12.权利要求8-11中任一项所述的纤维幅材，其特征在于所述幅材包含约5至40重量％的MFC和约60至95重量％的较大纤维长度的纸浆。
13.一种多层纸板，其特征在于多个层中至少一层是根据权利要求8-12中的任一项所述的纤维幅材。
14.权利要求13所述的多层纸板，其特征在于所述纸板包含根据权利要求8-12中的任一项所述的纤维幅材作为中间层，以及具有比所述中间层低的松厚度的外层。
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