CN104583491A - 制备纸产品的方法以及纸产品 - Google Patents

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Abstract

由含有纤维和填料的水性配料为原料制备的纸产品。将带阴离子电荷的纳米原纤纤维素(B)和阳离子强度添加剂(A)加入水性配料(1)中，通过对该配料进行脱水(D)将该配料制成纸产品。纸产品的填料含量可以增加到高于40重量％。

Description

制备纸产品的方法以及纸产品
发明领域
本发明涉及一种由包含纤维和填料的水性配料为原料制备纸产品的方法。本发明还涉及一种由配料制备且包含纤维和填料的纸产品。
发明背景
人们希望提高纸产品中填料的比例，从而减少纤维的使用。除了价格低并且容易获得，填料还能提高纸的可印刷性和光学性质。但是，将纸产品中的填料含量提高到高于30重量％是有挑战性的，特别是当纸产品是低重量纸级别时。填料在纸中较差的保留性造成造纸工艺循环水中填料的含量升高，这可能导致工艺中出现问题。化学助留剂如c-PAM(阳离子聚丙烯酰胺)的使用也有其上限。
关于较高填料比例的另一个问题是会减弱纸产品的机械性质，这是因为填料会干扰纤维之间的结合，而纤维之间的结合主要通过纤维素分子之间的氢键产生纸产品的结构完整性。填料的差保留性和削弱的纸产品机械性质都是由于纤维网络中纤维-填料之间的结合较差造成的。
发明内容
因此，需要一种新颖的方法，通过提高填料对纤维网络的亲合力，使得填料的比例提高，同时填料颗粒仍然保留在纤维网络中，并且不会过多地影响纸产品的强度性质。
依据一种方法满足了所述需要，该方法中将带阴离子电荷的纳米原纤纤维素和阳离子强度添加剂加入到水性配料中。通过对这样获得的含有纤维、填料、阳离子强度添加剂和带阴离子电荷的纳米原纤纤维素的水性配料进行脱水而由该配料制成纸产品。由该配料经过脱水制备的纸产品具有目标基重，并且含有纤维、填料、阳离子强度添加剂和带阴离子电荷的纳米原纤纤维素。
通过在添加阳离子强度添加剂的同时或之后向配料中加入带阴离子电荷的纳米原纤纤维素，可以观察到纸产品中填料含量的增加。可以从造纸工艺的循环水中收集填料，并固定到纸产品中，由此得到更清澈的循环水。可以对填料和带阴离子电荷的纳米原纤纤维素的用量进行调节，使得填料的保留最大化，也就是说尽可能减少最终循环水中填料的量。配料中填料的用量应使得基于未涂覆的纸产品的重量，填料含量大于35重量％，优选大于40重量％。
依据该方法的一个实施方式，还可以向配料中加入助留剂。可以在带阴离子电荷的纳米原纤纤维素添加后，向配料中加入助留剂。助留剂可以是c-PAM(阳离子聚丙烯酰胺)或其他助留剂。
依据一个实施方式，阳离子强度添加剂是阳离子聚合物(聚合电解质)。阳离子淀粉是广泛用于造纸中的干强度添加剂，可依据该方法的一个实施方式使用。
带阴离子电荷的纳米原纤纤维素是其中纤维素分子经过改性使得它们含有阴离子基团的纳米原纤纤维素。例如，纤维素的羟基可以氧化为羧酸根基团。可使用的带阴离子电荷的纳米原纤纤维素的一个例子是其中羧酸根基团是由于催化N-氧基介导氧化得到的纳米原纤纤维素，例如纤维素的2,2,6,6-四甲基-1-哌啶N-氧化物介导(“TEMPO”介导)氧化。通过氧化得到的羧酸根基团还能使纤维素不稳定，以至于在较低的能量下纤维就可以分裂为原纤。另一种可选的带阴离子电荷的纳米原纤纤维素是其中纤维素被羧甲基化的纳米原纤纤维素。该原纤纤维素也可以通过纤维的化学改性(羧甲基化)以及随后纤维分裂为原纤而制得。
依据一个实施方式，添加到配料中的带阴离子电荷的纳米原纤纤维素的量是未涂覆纸产品干重的0.1-5重量％，优选0.5-2.0重量％。
依据一个实施方式，基于未涂覆纸的干重，纸产品含有超过35重量％的填料，特别是超过40重量％的填料。填料量例如可以在40-50重量％的范围内。
依据一个实施方式，由该配料制备的未涂覆纸的基重为30-80g/m2，优选为40-70g/m2。因此，该方法可特别用于其中填料负载难度最大的低基重级别。因为改善的保留性，这些低重量纸级别可以具有上述填料量。
形成纸结构体的配料中的纤维网络形式的纤维组分(造纸纤维)可以是原生纸浆或循环纸浆。在后一种情况中，配料还可以包含制成循环纸浆的纸或废纸中存在的物质。
除了上述材料以外，配料以及由该配料制备的纸产品还可以包含其他添加剂。这些添加剂包括明矾，膨润土和胶体氧化硅。
在该方法中，带阴离子电荷的纳米原纤纤维素作为一种将填料结合到造纸纤维的纤维网络中的原纤助留剂，它们是正常尺寸的纤维，可由各种浆料制成，因此可以基于许多纤维素原料。纳米原纤纤维素的特征是与造纸纤维相比明显更小的尺寸，以及由于阴离子基团(特别是羧酸根)导致的原纤表面上的阴离子电荷。
该方法与之前填料颗粒的表面被原纤纤维素改性的技术的不同之处在于，纳米原纤纤维素是直接加入到含纤维、阳离子强度添加剂和填料的混合物的水性配料中，不需要对填料进行预处理以提高其保留性。
附图说明
参考附图，更详细地描述所述方法，其变体以及由其制备的纸产品，其中：
图1示意性地示出制备纸产品的方法。
发明详述
在图1所示的方法中，用箭头1表示来自备料系统的配料。配料在线坑(wire pit)中用水稀释，然后在造纸机器的短循环中在所谓的工艺流系统(approach flow system)中流动。工艺系统的泵和筛网未示出。水性配料中的纤维和填料可以是在典型造纸厂工艺中常用于造纸和制造纸板的填料和纤维，将配料供应到进料装置2，该装置将配料均匀地铺展在多孔移动支承件3上(成形织物)，在该支承件3上开始进行脱水，开始形成纤维网W。在脱水和干燥步骤后，得到纸产品。在成形过程中，最初从网中排出的水用向下的箭头D表示。可以使用该方法减少该循环回备料系统的水D中的填料含量。
图1仅是造纸开始阶段的示意图。成形器可具有两个相对的多孔支承件，将配料供应到这两个支承件之间，通过这两个支承件在两个方向上进行脱水(称为双网成形器)。
沿着工艺系统随后的加料点如图所示。阳离子强度添加剂在位置A加入配料中，然后阴离子纳米原纤纤维素在位置B加入，然后助留剂在位置C加入。在第一加料位置之前，配料已经按照调节的比例含有纤维和填料。
加料顺序可以改变。还可以将阳离子强度添加剂和阴离子纳米原纤纤维素同时加入配料流中，或者先加入阴离子纳米原纤纤维素再加入阳离子强度添加剂。还可以在两个不同的位置分批加入阴离子纳米原纤纤维素。例如，第一部分可以在添加阳离子强度添加剂之前加入，第二部分可以与阳离子强度添加剂同时加入或者在阳离子强度添加剂之后加入。助留剂最后加入配料流中。
一部分阳离子强度添加剂可以已经添加到包含纤维和填料的原始配料中，余下的阳离子强度添加剂如图1所示加入工艺流系统中。
添加阴离子纳米原纤纤维素，使得其在脱水和纸幅开始形成之前在料流中的保留时间较短。与所预期的相反，阴离子纳米原纤纤维素不是开始就与纤维和填料混合而是当配料在工艺流系统中流动时将阴离子纳米原纤纤维素加入配料中时，阴离子纳米原纤纤维素表现出最佳的效果，脱水开始的延迟(图1中B点-支承件3)较短，小于1分钟。
通过该方法生产的纸产品可以是纸或纸板。该方法特别适用于制备重量较轻的印刷纸级别，例如WFC原纸和SC纸。印刷纸级别的优选基重为30-80g/m2未涂敷纸，优选40-70g/m2未涂敷纸。
将带阴离子电荷的纳米原纤纤维素或“阴离子纳米原纤纤维素”加入配料中，由此增加填料在所形成的纸幅中的保留。纳米原纤纤维素指从纤维素原料中得到的分离的纤维素微原纤或微原纤束的集合。纳米原纤纤维素通常具有高纵横比：长度可超过1微米，而数均直径通常低于200纳米。纳米原纤束的直径也可以较大，但是通常小于5微米。最小的纳米原纤类似于所谓的初级原纤，其直径通常为2-12纳米。原纤或原纤束的尺寸取决于原料和分裂方法。纳米原纤纤维素还可以包含一些半纤维素；其量取决于植物源。用合适的设备例如精制机、研磨机、均质机、胶化器(colloider)、摩擦研磨机(friction grinder)、超声波破碎器、流化器如微型流化器、大型流化器或流化器型均质机由纤维素原料、纤维素纸浆或精制纸浆进行纳米原纤纤维素的机械分裂。
纳米原纤纤维素优选由植物材料制备。一种替代方式是由非薄壁组织植物材料制备原纤，该情况中由次细胞壁得到原纤。纤维素原纤的一种丰富来源是木纤维。纳米原纤化纤维素通过对来自木材的纤维原料进行均质化制得，所述纤维原料可以是化学纸浆。在上述一些设备中的分裂产生直径仅为数纳米的原纤，其直径最多为50纳米，得到在水中的原纤分散体。原纤的尺寸可以减少到大部分原纤的直径仅在2-20纳米的范围内。来源于次细胞壁的原纤基本为晶体，其结晶度至少为55％。
所用的纳米原纤纤维素是含有带阴离子电荷的基团的纳米原纤纤维素(带阴离子电荷的纳米原纤纤维素)。这种带阴离子电荷的纳米原纤纤维素可以是例如化学改性的纤维素，其含有通过改性引入的羧基。通过N氧基介导的催化氧化(例如通过2,2,6,6-四甲基-1-哌啶N-氧化物，“TEMPO”)得到的纤维素或羧甲基化的纤维素是带阴离子电荷的纳米原纤纤维素的例子，其中阴离子电荷来源于解离的羧酸部分。通常通过对纸浆进行化学改性，然后使纸浆的纤维分裂为纳米原纤纤维素来制备带阴离子电荷的纳米原纤纤维素。
填料可以是任何用于造纸的填料，例如沉淀碳酸钙(PCC)，研磨碳酸钙(GCC)，高岭粘土，滑石或石膏。
在该方法中，向配料中加入填料可以实现纸产品中高填料含量，这可能是因为保留能力增加。填料的添加量应使得基于未涂覆的纸产品的重量，最终填料含量大于35重量％，特别是大于40重量％。通过该方法容易实现50重量％的填料含量。例如，填料含量可以是未涂覆纸重量的40-50重量％，高于之前可能获得的含量，特别是对于较轻重量的印刷纸级别。添加到配料中的阴离子纳米原纤纤维素的量是未涂覆纸干重的0.1-5重量％，优选0.5-2.0重量％。
阳离子强度添加剂是强阳离子聚合物(聚合电解质)，它可以是任何用于造纸的干强度添加剂，例如阳离子淀粉或阳离子聚乙烯基胺。优选的阳离子聚合电解质是阳离子淀粉(CS)。阳离子强度添加剂的添加量是未涂覆纸干重的0.1-2.5重量％，优选0.5-1.0重量％。
助留剂还可以是阳离子聚合物(聚合电解质)，它可以是用于造纸中提高纸中填料和细料保留的任何助留剂。助留剂可以是阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)，聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDADMAC)或聚乙烯亚胺。也可以使用这些不同聚合电解质的组合。
进行以下实施例来说明所述方法。所述实施例不旨在限制本发明的范围。
中试
将WFC原纸的卷筒纸和含木材的印刷纸浆化，用作中试纸机器的配料。制备的纸的基重设定为50-80g/m2。向机器备料中分批加入新鲜填料。在参考的情况中，仅使用c-PAM作为助留剂运行配料。在之后的步骤中，向机器配料中按剂量加入阳离子淀粉或阳离子聚乙烯基胺，然后按剂量添加c-PAM。c-PAM的剂量保持不变。纸中的填料量实际保持不变，但是线坑中填料的含量增加，这是因为必须向系统中按剂量加入大量填料以实现纸中目标的填料含量水平。
下一步是在阳离子淀粉或阳离子聚乙烯基胺之后但是c-PAM之前添加阴离子纳米原纤纤维素(通过氧化制备的带阴离子电荷的纳米原纤纤维素)。观察到填料保留的明显提高，纸中的填料含量升高约10％个单位或更多。在这些测试中，可以实现高达50％的填料含量。

Claims (15)

1.一种由包含纤维和填料的水性配料为原料制备纸产品的方法，其中将带阴离子电荷的纳米原纤纤维素和阳离子强度添加剂添加到水性配料中，通过对该配料进行脱水，将该配料制成纸产品。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还向配料中加入阳离子助留剂。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在配料向脱水操作流动的位置向工艺流中加入带阴离子电荷的纳米原纤纤维素，优选加入的位置是在脱水开始前停留时间小于1分钟的位置。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还在配料流向脱水操作的的位置向工艺流中添加阳离子强度添加剂，优选该添加阳离子强度添加剂的操作是在带阴离子电荷的纳米原纤纤维素添加之前进行或与带阴离子电荷的纳米原纤纤维素的添加同时进行。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，在添加带阴离子电荷的纳米原纤纤维素之后并且添加阳离子强度添加剂之后，向工艺流中添加阳离子助留剂。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述阳离子强度添加剂是阳离子聚合物(聚合电解质)，例如阳离子淀粉。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，带阴离子电荷的纳米原纤纤维素是其中纤维素羟基被氧化为羧酸根基团的纳米原纤纤维素或者是其中纤维素被羧甲基化的纳米原纤纤维素。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，基于未涂覆纸的干重计算，添加到配料中的带阴离子电荷的纳米原纤纤维素的量为0.1-5重量％，优选0.5-2.0重量％。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所制备的纸产品的基重为30-80g/m2未涂敷纸，优选40-70g/m2未涂敷纸。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，填料是沉淀碳酸钙(PCC)，研磨碳酸钙(GCC)，粘土，滑石或石膏。
11.纸产品，其由配料通过脱水制备，其包含纤维、填料、阳离子强度添加剂和带阴离子电荷的纳米原纤纤维素。
12.如权利要求11所述的纸产品，其特征在于，所述纸产品还包含阳离子助留剂。
13.如权利要求11或12所述的纸产品，其特征在于，基于未涂覆纸的干重，填料含量大于35重量％，优选大于40重量％。
14.如权利要求11-13中任一项所述的纸产品，其特征在于，填料是沉淀碳酸钙(PCC)，研磨碳酸钙(GCC)，高岭粘土，滑石或石膏。
15.如权利要求11-14中任一项所述的纸产品，其特征在于，纸产品的基重为30-80g/m2未涂敷纸，优选40-70g/m2未涂敷纸。
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