CN104928961A - 改性牛皮纸纤维 - Google Patents

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CN104928961A CN201510254628.9A CN201510254628A CN104928961A CN 104928961 A CN104928961 A CN 104928961A CN 201510254628 A CN201510254628 A CN 201510254628A CN 104928961 A CN104928961 A CN 104928961A
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Abstract

制备改性纸浆的方法，其包括以抽提工艺处理木片以除去半纤维素，从而形成处理过的木片；并将所述处理过的木片进行化学或半化学制浆以形成改性牛皮纸浆，其中在所述改性牛皮纸浆中包含的半纤维素的量为所述改性纸浆干重的约5-约10％。

Description

改性牛皮纸纤维
本申请是申请人为“国际纸业公司”、申请日为2007年10月04日、申请号为“200780039106.0”、发明名称为“改性牛皮纸纤维”的中国发明专利申请的分案申请。
相关专利申请
这是一份非临时申请，其要求2005年5月24日提交的U.S.临时专利申请60/684,018和2006年5月24日提交的US专利申请11/439,659的优先权。
技术领域
本发明涉及用来制备纸浆的改进方法、根据该方法制得的纸浆和由本发明的漂白纸浆制得的纸张和纸板制品。更特别地，本发明涉及用于制备具有降低的半纤维素含量并显示出一种或多种有利性能的纸浆的改进方法。
背景技术
蒸煮木片以形成纸浆的方法和漂白纸浆以及在纸张、纸板和吸收制品的制造中使用漂白纸浆的方法都是已知的。例如见US专利6,063,982、5,766,159、5,902,454和6,464,832。
发明内容
本发明的一个方面涉及用于纸张、纸板和纸浆制品的改性牛皮纸浆的制备方法，其包括：
在抽提工艺中用蒸汽、包含水的液体或它们的组合来处理木片以除去半纤维素，从而形成处理过的木片；和
对所述处理过的木片进行牛皮制浆以形成改性牛皮纸浆，其中在所述改性牛皮纸浆中包含的半纤维素的量为所述改性纸浆干重的约5-约10％。
本发明的另一方面涉及制备改性牛皮纸浆的方法，包括用蒸汽、包含水的液体或它们的组合来处理牛皮纸浆优选漂白的牛皮硬木纸浆，以从所述纸浆中提取半纤维素，从而形成改性牛皮纸浆，其中在所述改性牛皮纸浆中的半纤维素的量为所述改性纸浆干重的约5-约10％。
本发明的另一方面涉及由本发明所述方法形成的改性牛皮纸浆。本发明的所述改性牛皮纸浆显示了一种或多种优点。这些优点包括与未改性纸浆相比改善的滤水性(drainage)，其提高了使用本发明所述纸浆的造纸速度。与未改性牛皮纸浆相比，这些优点还包括更高的游离度(freeness)、增强的漂白率、脱水性、干燥性或上述两种或多种的组合。
本发明的又一个方面涉及由本发明改性纸浆制备的纸张、纸板、纸浆和吸收制品。
本发明的再个方面涉及吸收流体的个人卫生制品，所述制品包含：
至少一个流体可渗透的顶片层和至少一个基本上流体不可渗透的底片层；和
置于所述顶片层和所述底片层之间的吸收亚层材料，所述亚层材料包含本发明的改性纸浆。
附图说明
在附图中：
图1是在作为抽提时间函数的不同温度下去除的半纤维素％的曲线。
图2是本发明的改性纸浆和相同的未改性纸浆的保水性对滤水度的曲线。
图3是本发明的改性纸浆和相同的未改性纸浆的松厚度(bulk)对Sheffield平滑度的曲线。
具体实施方式
在本发明方法中，用蒸汽、包含水的液体或者它们的组合来抽提木片或牛皮纸浆以减少和除去半纤维素，从而形成处理过的木片。用于本发明方法的木片或纸浆的类型并不重要，并可使用来自于所有类型木材的木片或纸浆。例如，有用的木片或纸浆包括来自于硬木树(hardwood tree)、软木树(softwood tree)或硬木树与软木树的组合的那些。这里所用的术语“硬木树”是指落叶树(被子植物)如白杨和枫木，这里所用的术语“软木树”是指针叶树(裸子植物)如南方松(southern pine)。在本发明的优选实施方式中，使用来自硬木的木片或纸浆。
用蒸汽、包含水的液体或它们的组合来抽提所述木片或纸浆。在本发明的优选实施方式中，用包含水的液体抽提所述木片或纸浆。所述液体可单独由水组成或包含一种或多种其它物质。该其它物质可广泛变化并包括有机酸如乙酸、丙酸、氨基磺酸、乳酸、柠檬酸等，和包括无机酸如硫酸、亚硫酸、磷酸、盐酸、硝酸、硼酸等。有用的其它物质还包括无机碱如氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化铵。在本发明的实践中优选使用有机酸和无机酸，且更优选无机酸。
在本发明的优选实施方式中，用含水酸性组合物将所述木片或纸浆抽提到终点pH小于7。使用含水酸性溶液使得所述抽提可在较低温度如室温或环境温度下进行更短的抽提时间。终点pH优选等于或小于约6，更优选等于或小于约5，最优选为约2-约4。
在所述抽提之前或期间，可用过氧氢化物(如过氧化氢、过硼酸盐、过碳酸盐、过硫酸盐、过一硫酸(或过硫酸氢钾试剂(Oxone))或过乙酸)在酸性pH(优选加入过渡金属催化剂、如铁盐、铜盐、锰盐或钴盐)下处理所述木片或牛皮纸浆。抽提的半纤维素(或水解产物)具有更低的分子量，因此在给定固体含量下具有更低的溶液粘度，该更低溶液粘度提高了泵送抽提的半纤维素(或水解产物)的流动性或容易度。所述催化的过氧化物处理也可只用于抽提的半纤维素(水解产物)部分，在给定的固体含量下降低溶液粘度方面实现与上述相同的目的。上述过程的结果不但具有能够以实际和经济效益处理抽提的半纤维素的更高含量固体的优点，而且也能够氧化半纤维素的糖结构(尤其是在木糖部分的情况下)，这提高了例如在用于乙醇制备或其它化学品制备的所述抽提半纤维素的提纯中半纤维素对生物学发酵的敏感性。
处理温度可宽泛地进行改变，并可使用足够用来形成所要求的抽提木片或牛皮纸浆的任何温度。所述处理温度通常为至少约20℃，但是如果能有效地提供所述要求的处理木片或牛皮纸浆也可使用更低的温度。所述处理温度优选为约20℃-约200℃，更优选约50℃-约190℃，最优选约100℃-约180℃，在选择的实施方式中，温度为约110℃-约170℃。
处理时间可宽泛地进行改变，并可使用足够形成所要求的处理木片或牛皮纸浆的任何时间。所述处理时间通常为至少约5分钟，但是如果能有效地提供所要求的木质纤维素材料也可使用更长的处理时间。所述处理时间优选为约5分钟-约20小时，更优选约15分钟-约10小时，最优选约30分钟-约4小时。
如果在所述抽提的牛皮纸浆中和在本发明方法第二步骤中所述抽提木片的牛皮制浆后的改性纸浆中残留的半纤维素的量为所述改性纸浆干重的约5％-约10％，则从所述抽提木片或牛皮纸浆中除去的所述半纤维素的量可宽泛地进行改变。例如，基于在木片或牛皮纸浆中的半纤维素的总量，在第一步骤中除去的半纤维素的量可为约5重量％或更低-约20重量％或更高。在本发明的优选实施方式中，基于在木片或牛皮纸浆中半纤维素的总量，在第一步骤中除去的半纤维素的量可为约10重量％-约15重量％。
抽提的半纤维素可在缩粒机锅炉(hog boiler)或其它类型的生物质锅炉中进行燃烧，例如通过将其喷雾到生物质燃料进料(树皮、松木片、锯末、煤等)中，因此在压榨机中保持能量平衡。或者，可将所述抽提的半纤维素用作用来发酵的进料以制备燃料化学品。所述抽提的半纤维素可以被氧化或衍生具有醚官能基或阳离子电荷。如此处理的半纤维素可随后用作造纸添加剂如加入到造纸机湿部，或与淀粉混合用于施胶压榨(size-press)或涂覆。在所述抽提木片的随后牛皮制浆中，可将所述抽提的半纤维素从制浆工艺液流中移走，从而降低牛皮纸黑液回收锅炉热负荷(通常是生产能力的瓶颈)。
当对木片进行抽提时，对所述处理或抽提的木片进行化学或半化学制浆处理。该处理对本领域熟练技术人员是公知的和不再以任何更具体的细节进行描述。例如参见“Handbook for Pulp&Paper Technologies”，2nd版，G.A.Smook Angus Wilde Publications(1992)和其中所引用的参考文献，所有这些均在此通过引用而并入进来。有用的化学和半化学制浆方法的示例为碳酸盐制浆法、绿液制浆法、牛皮制浆法或蒸煮亚硫酸盐制浆法。在本发明的操作中优选使用牛皮制浆法。
在所述改性牛皮纸浆中的半纤维素的量为所述改性纸浆干重的约3-约15％。在所述改性牛皮纸浆中的半纤维素的量为所述改性纸浆干重的约4-约13％。在所述改性牛皮纸浆中的半纤维素的量更优选为所述改性纸浆干重的约5-约10％，最优选为所述改性纸浆干重的约6-约8％。与未改性纸浆相比，该改性牛皮纸浆(硬木或软木材)显示出了显著的更高白度和具有改善的滤水性和干燥能力的纸张本体。
在本发明的优选实施方式中，本发明的改性牛皮纸浆包含少于未改性相同纸浆至少约1重量％的半纤维素。在本发明的这些优选实施方式中，所述改性牛皮纸浆包含比未改性相同纸浆少约1％-约20％重量％的半纤维素。在本发明的这些优选实施方式中，所述改性牛皮纸浆包含比未改性相同纸浆少约1％-约20％重量％的半纤维素。在本发明的这些优选实施方式中，所述改性牛皮纸浆优选包含比未改性相同纸浆少约1％-约16％重量％的半纤维素。在本发明的这些优选实施方式中，所述改性牛皮纸浆更优选包含比未改性相同纸浆少约2％-约16％重量％的半纤维素。在本发明的这些优选实施方式中，所述改性牛皮纸浆最优选包含比未改性相同纸浆少约2％-约8％重量％的半纤维素。
在本发明的优选实施方式中，本发明的所述改性纸浆显示出了通过T227om-99方法测定的更高游离度。游离度的增大量优选比未改性纸浆的增大量高出至少约20CSF单位。在本发明的更优选实施方式中，游离度的增大量比未改性纸浆的增大量高至少约50CSF单位，在本发明的最优选实施方式中，游离度的增大量比未改性纸浆的增大量高约50-约200CSF单位。
在本发明的优选实施方式中，与未改性纸浆相比，本发明的改性纸浆显示出降低的保水值(WRV)(如通过下面实施例中描述的方法所测量的)。在本发明的这些优选实施方式中，保水值的减小量优选等于或大于约0.1g/g。在本发明的更优选实施方式中，保水值的减小量优选等于或大于约0.15g/g。在本发明的最优选实施方式中，保水值的减小量优选等于或大于约0.2g/g。在选择的实施方式中，保水值的减小量为约0.2g/g-约0.5g/g。
可以对本发明的所述改性纸浆进行一种或多种后制浆处理，例如用常规漂白剂如二氧化氯、元素氯、臭氧和过氧化物，利用“Handbook for Pulp&Paper Technologies”，2nd版，G.A.Smook Angus Wilde Publications(1992)和其中所引用的参考文献中描述的方法和仪器来进行漂白。还可对所述纸浆进行抽提，如优选在过氧化物存在下使用碱进行氧脱木素或抽提。在本发明的优选实施方式中，本发明的所述改性纸浆显示出改善的漂白率。改善的漂白率的益处是可降低所使用的漂白化学剂量的量(kappa因数)，同时取得与未改性纸浆相同的白度，因此节省了化学品成本。改善的漂白率的另一个益处是可使用与未改性纸浆情况相同的量的漂白化学品，特别是在早期漂白阶段，从而降低了得到相同白度所需的漂白阶段的数目(节省了资金和能源)。改善的漂白率的又一个益处是可制备非常高白度的纸浆，该纸浆事实上不能用未改性纸浆制得。例如，不能用适当量的漂白剂如二氧化氯将牛皮纸浆事实上漂白超过89ISO的白度已是公知的事实。然而，在本发明的优选实施方式中，针对这种改性牛皮纸浆，使用应用量的漂白化学品可得到等于或大于约90ISO白度和优选约90-约95ISO白度的高白度水平。
在本发明的其它优选实施方式中，所述改性纸浆具有更少的阴离子电荷或更小的水合纤维表面，并显示出了对于纸张化学品如胶料、染料和光学增白剂的更好亲合力。在本发明的另一个优选实施方式中，包含更少半纤维素的所述改性牛皮纸浆具有更小的湿度敏感性并在水膨胀性方面显示了改善的性能。
本发明的所述改性纸浆可用于制备纸浆制品如绒毛浆。本发明的所述改性纸浆可用于制备纸张和包装制品如打印纸、书写纸、书刊纸和封皮纸以及纸板制品。这些制品和它们的制备方法的实例是USP Nos.5,902,454和6,464,832中描述的那些。
在纸张或纸板制备方法中，可使用没有精制或稍微精制的本发明所述改性纸浆，且在取决于纸张类型以不同量用于纸张或纸板的制造之前，所述改性纸浆可与完全精制的未改性纸浆特别是未改性软木浆如南方松纸浆进行混合。例如，基于所述纸浆混合物的总重量，本发明所述改性纸浆与未改性软木浆的混合物例如可包含约10-约90重量％的本发明改性硬木纸浆，优选包含约15-约85重量％的本发明的改性硬木纸浆，更优选包含约20-约80重量％的本发明的改性硬木纸浆。
将本发明的所述改性纸浆或包含本发明所述改性纸浆的纸浆混合物配制成含水造纸原料，该原料还包含能赋予或提高特定片材性能或控制其它工艺参数的一种或多种添加剂。该添加剂的实例是用来控制pH、在纸浆纤维上固定添加剂并改善所述纸浆纤维在造纸机上的留着率的明矾。可加入到所述原料中的其它铝基化学品为铝酸钠、聚合硅酸硫酸铝(poly aluminumsilicate sulfate)和聚合氯化铝(poly aluminum chloride)。在所述造纸原料中包括的用于常规目的的其它湿部化合物为酸和碱、施胶剂、干强度树脂、湿强度树脂、填料、着色物质、助留剂、纤维絮凝剂、消泡剂、滤水助剂(drainage aid)、光学增白剂、树脂控制化学品(pitch control chemical)、杀粘菌剂、杀生物剂，专用化学品如阻蚀剂、防火化学品和防锈化学品等。用于配制机械漂白纸浆、铝基湿端化学品和其它任选湿端化学品的方法和步骤在本领域中是公知的，且不再以任何详细细节进行描述。例如参见“Handbookfor Pulp&Paper Technologies”，2nd版，G.A.Smook Angus Wilde Publications(1992)及其中引用的参考文献，所有这些文献均通过引用而并入进来。
将包含漂白机械纸浆和铝基化合物的所述含水造纸原料沉积在常规造纸机的成型网上以形成纸张或纸板的湿的沉积纸幅，对纸张或纸板的湿的沉积纸幅进行干燥以形成纸张或纸板的干燥纸幅。造纸机和用来造纸的其用途在本领域中是公知的，并不再以详细细节进行描述。例如见Handbook for Pulp &Paper Technologies，supra。例如，从合适的造纸机如双网或单网福德林尼尔造纸机的流浆箱中沉积出包含纸浆、铝基及其它任选添加剂且通常具有约0.3％-约1％稠度的所述含水造纸原料。在成型部通过真空将所述沉积的造纸原料脱水。通过除去水并固结纸幅的一系列辊压区在特定构造的毛毯上将将所述脱水原料从成型部传送到压榨部，并随后传送到干燥部，在干燥部对湿纸幅进行干燥以形成本发明的干燥纸幅。干燥后，可任选对干燥纸幅进行多个干部操作和多种表面处理，例如涂覆和施胶以及砑光。
在本发明的优选实施方式中，改性纸浆形成了纸制品，这些制品显示出大于由相同或基本上相同的未改性纸浆所显示的松厚度。松厚度等于厚度除以定量(basis weight)。可通过T410om-02方法确定基重和通过T41lom-05方法确定厚度。在本发明的这些优选实施方式中，改性纸浆形成了纸制品，这些纸制品显示出至少大于由相同或基本上相同的未改性纸浆约2％的松厚度。在本发明的这些优选实施方式中，改性纸浆形成了纸制品，这些纸制品显示出优选至少大于由相同或基本上相同的未改性纸浆约5％的松厚度。在本发明的这些优选实施方式中，改性纸浆形成了纸制品，这些纸制品显示出更优选至少大于由相同或基本上相同的未改性纸浆约5％-约40％的松厚度。在本发明的这些优选实施方式中，改性纸浆形成了纸制品，这些纸制品显示出最优选至少大于由相同或基本上相同的未改性纸浆约5％-约30％的松厚度。
根据本发明制备的纸张可用于常规目的。例如所述纸张可用作打印纸、书刊纸、新闻纸等。
例如可使用常规方法，将本发明的所述改性纸浆用来制备吸收制品如尿布、面纸、毛巾、个人卫生制品。这些制品和它们的制备方法对本领域熟练技术人员来说是公知的，且不再进行详细描述。例如，参见US专利号6,063,982和5,766,159以及其中描述的参考文献。本发明的所述改性纸浆可用来制备饱和牛皮纸。饱和牛皮纸是由未漂白牛皮纸浆(主要是硬木和一些软木如南方松的混合物)制得的，所述未漂白牛皮纸浆用作用来浸透和用树脂聚合物固化的底物。将饱和牛皮纸用作家庭和办公楼材料如厨房柜台顶面。
将参考以下实施例描述本发明。所述实施例意图是示例性的，且本发明并不局限于所述实施例中所列的材料、条件或工艺参数。
实施例1
在160℃下使用水抽提北部硬木木片(主要是枫树)。工艺条件和除去的质量％列于下表I和图1中。
表1
然后将抽提的木片通过牛皮制浆蒸煮到Kappa值为25。作为对照，将未抽提木片也进行牛皮纸蒸煮至达到目标Kappa值为25。通过示于下表II中的顺序，将处理的纸浆和对照纸浆均进行漂白。
表II漂白顺序
白度结果示于下表III中。
表III
*高锰酸盐值
显然地，所述处理纸浆更容易进行漂白。在该实施例中，制造1吨纸浆，ClO2剂量节省大于11lb。这是非常显著的经济效益。此外，也表明如果在D0阶段(即kappa因数为0.14-0.2)中使用了用于改性牛皮纸浆的“正常”剂量的ClO2时，则可制得非常高白度的纸浆(远高于～90ISO白度的常规纸浆白度的最高限度)。事实上，非常高白度的纸浆可用于高白度纸张的制备并节省了光学增白剂的使用。
实施例2
将已使用实施例1中相同剂量ClO2漂白化学品漂白过的所述改性纸浆和对照纸浆磨浆(refine)至不同水平的游离度。通过上述方法确定松厚度，并通过T538om-01(TIP#202)方法确定平滑度。使用以下装置和步骤确定保水性。
I.装置
1.具有自由摆动头的实验室离心机
2.离心杯
3.具有精细筛网(100筛目)和定制的螺旋帽(WRV单元)的滤管
4.具有适合离心杯的橡胶接头的2-升真空瓶
5.带橡胶头的玻璃棒或等同物
6.烧杯，250ml
7.称重天平
8.保迹铅笔
9.干燥箱(105℃)
10.析象罐(dissector jar)
II.步骤
1.测定纸浆样品的稠度并称重出足够的样品以提供1克绝干纤维/1份样品。
2.小心地将样品放于烧杯中并用蒸馏水稀释至约0.5％的稠度。
3.将WRV单元安装在吸滤瓶上。在打旋样品时，倾倒到所述单元中足够的量至几乎完全充满。施加真空直至消耗掉大部分水，但不吸入空气通过衬垫(pad)。重复填充和消耗直至所有纤维都在衬垫上，并消耗掉大部分水。使用刮勺，必要时使所有纤维都位于垫子(mat)上。
4.使用另一个WRV单元和一些相同纸浆(完全相同)进行相同操作。
5.将WRV单元放置在离心机中，并以2000rpm旋转30分钟。
6.除去塞子，并用保迹铅笔标记所述塞子。
7.称重湿塞子并记录重量。
8.在105℃干燥塞子4小时。
9.在热天平上称重干燥塞子。记录干重。
结果列于下表IV和图2与3中。
表IV
游离度和保水值是纸张滤水性和脱水性的指标。如图2中所示，数据显示所述改性纸浆可以比未改性纸浆更快地在造纸机上进行脱水和干燥。数据也证明可显著地改善纸张松厚度。如图3中所示，当在相同的纸张平滑度下比较松厚度的增加时，情况更是如此。
实施例3
也可从南方松木片制得改性牛皮纸浆。与硬木的情况一样，可显著节省漂白成本。下表V显示了在相同kappa值26下，改性纸浆相对于对照纸浆具有降低的纤维粗糙度。使用Kajaani FiberLab试验仪完成了该测试。
表V
实施例4
用NaOH溶液(基于纸浆和水的总体系，NaOH的浓度为5％)在环境温度下处理漂白的南方硬木牛皮纸浆15分钟。这是从所述纤维中抽提半纤维素的替代方法。然后将所述纸浆彻底用水洗涤，并制成Tappi手抄纸。由所述改性纸浆制得的纸张的纸张松厚度为2.03cc/g，而对照纸张的松厚度为1.85cc/g。白度也从对照的ISO 86.4增大到改性纸浆的ISO 89.2。

Claims (10)

1.制备改性纸浆的方法，其包括：
在抽提工艺中使用蒸汽、包含水的液体或者它们的组合来处理木片以除去半纤维素，从而形成处理过的木片；和
对所述处理过的木片进行化学或半化学制浆以形成改性牛皮纸浆，其中在所述改性牛皮纸浆中包含的半纤维素的量为所述改性纸浆烘干重量的约3-约15％。
2.权利要求1的方法，其中在所述改性牛皮纸浆中包含的半纤维素的量为所述改性纸浆烘干重量的约5-约10％。
3.权利要求2的方法，其中在所述改性牛皮纸浆中包含的半纤维素的量为所述改性纸浆烘干重量的约6-约10％。
4.权利要求3的方法，其中在所述改性牛皮纸浆中包含的半纤维素的量为所述改性纸浆烘干重量的约6-约8％。
5.权利要求1的方法，其中所述改性牛皮纸浆包括更高松厚度、更高白度、更优滤水性和脱水作用或干燥性或其组合所限定的改进性能。
6.权利要求1的方法，其中处理木片的步骤是制备改性牛皮纸浆，所述改性牛皮纸浆具有比未改性的相同纸浆少至少约1重量％的半纤维素。
7.权利要求1的方法，其中处理木片的步骤是制备改性牛皮纸浆，所述改性牛皮纸浆具有比未改性的相同纸浆少约1％-约20重量％的半纤维素。
8.权利要求7的方法，其中处理木片的步骤是制备改性牛皮纸浆，所述改性牛皮纸浆具有比未改性的相同纸浆少约1％-约16重量％的半纤维素。
9.权利要求1的方法，其中处理木片的步骤是制备改性牛皮纸浆，所述改性牛皮纸浆具有比未改性的相同纸浆少约2％-约8重量％的半纤维素。
10.权利要求1的方法，使用含水酸性组合物处理木片至最终pH小于7。
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