CN108130781A - 表面增强纸浆纤维及其制备方法，混入了该纤维的产品及其制备方法 - Google Patents

表面增强纸浆纤维及其制备方法，混入了该纤维的产品及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的多个实施方案涉及表面增强纸浆纤维，混入了表面增强纸浆纤维的多种产品以及制备表面增强纸浆纤维的方法和体系。与常规精磨的纤维相比，表面增强纸浆纤维的多个实施方案具有显著增加的表面积，而有利地使精磨后长度减少最小化。表面增强纸浆纤维可以混入多种产品中，所述产品可以受益于这些性质，包括例如纸张产品、纸板产品、纤维水泥板、纤维增强塑料、绒毛浆、水凝胶、醋酸纤维素产品和羧甲基纤维素产品。在一些实施方案中，多个表面增强纸浆纤维具有至少大约0.3毫米的长度加权平均纤维长度和至少大约10平方米/克的平均水力比表面积，其中在烘干的基础上，表面增强纸浆纤维的数量为至少12000根纤维/毫克。

Description

表面增强纸浆纤维及其制备方法，混入了该纤维的产品及其 制备方法
相关申请
本申请是申请日为2013年8月21日的发明名称为“表面增强纸浆纤维，制备该表面增强纸浆纤维的方法，混入了表面增强纸浆纤维的产品，以及制备该混入了表面增强纸浆纤维的产品的方法”的申请号为201380054919.2的中国专利申请的分案申请。
本申请要求了2012年08月24日提交的美国在先专利申请系列No.61/692,880和2013年03月15日提交的美国非在先专利申请系列No.13/836,760的优先权，因此它们中的每一个都通过参考文献如同完整阐述于本申请中而并入本申请。
技术领域
本发明一般涉及例如可以用于纸浆、纸张、纸板、生物纤维复合物(例如纤维水泥板、纤维增强塑料等)、吸收产品(例如绒毛浆、水凝胶等)、衍生自纤维素的特制化学品(例如醋酸纤维素、羧甲基纤维素(CMC)等)和其他产品的表面增强纸浆纤维。本发明还涉及制备表面增强纸浆纤维的方法、混入了表面增强纸浆纤维的产品，以及制备该混入了表面增强纸浆纤维的产品的方法。
背景技术
纸浆纤维，例如木质纸浆纤维用于多种产品中，例如包括纸浆、纸张、纸板、生物纤维复合物(例如纤维水泥板、纤维增强塑料等)、吸收产品(例如绒毛浆、水凝胶等)、衍生自纤维素的特制化学品(例如醋酸纤维素、羧甲基纤维素(CMC)等)以及其他产品。纸浆纤维可以由多种木材类物质获得，包括硬木(例如橡树、橡胶树、枫树、白杨、桉树、山杨、桦树等)、软木(例如云杉、松树、杉树、铁杉、南方松树、红杉等)以及非木材(例如洋麻、大麻、稻草、甘蔗渣等)。纸浆纤维的性质可以影响最终产品，例如纸张的性质，影响中间产品的性质以及影响用于制备产品(例如造纸机的生产力和制造成本)的制造方法的实现。纸浆纤维可以多种方法进行处理以获得不同的性质。在一些现有的方法中，一些纸浆纤维可以在混合到终端产品中之前进行精磨。取决于精磨的条件，精磨方法可以导致纤维长度的明显降低，对于某些应用来说，可产生不期望量的细料，并且另外会以对终端产品、中间产品和/或制造方法具有不良影响的方式影响纤维。例如，细料的产生对一些应用不利，因为细料会缓慢排出，增加保水量，并且在造纸时增加末端润湿的化学品消耗，这在一些方法和应用中是不期望的。
在加工成纸浆、纸张、纸板、生物纤维复合物(例如纤维水泥板、纤维增强塑料等)、吸收产品(例如绒毛浆、水凝胶等)、衍生自纤维素的特制化学品(例如醋酸纤维素、羧甲基纤维素(CMC)等)和类似产品之前，木浆中的纤维典型的具有在0.5到3.0毫米之间的范围内的长度加权平均纤维长度。精磨和其他处理步骤会缩短纸浆纤维的长度。在常规的精磨技术中，纤维通常使用相对低的能量(例如对于硬木纤维来说为大约20-80kWh/吨)并且对于硬木使用大约0.4-0.8Ws/m的比边载荷仅通过精磨机一次，但是一般不超过2-3次以制备典型的精制纸张。
发明内容
本发明一般涉及多个表面增强纸浆纤维，制备、应用和运输表面增强纸浆纤维，混入了表面增强纸浆纤维的产品以及用于制备、应用和运输混入了表面增强纸浆纤维的方法的多个实施方案，并且还涉及本发明中描述的多个其他方案。
在不同的实施方案中，与常规精磨的纤维相比，本发明的表面增强纸浆纤维具有明显更高的表面积而在纤维长度方面没有明显的降低，并且在原纤化期间没有产生显著量的细料。在一个实施方案中，多个表面增强纸浆纤维具有至少大约0.3毫米的长度加权平均纤维长度和至少大约10平方米/克的平均水力比表面积，其中在烘干的基础上表面增强纸浆纤维的数目为至少12000根纤维/毫克。在进一步的实施方案中纤维具有至少大约0.35毫米的长度加权平均纤维长度，并且在其他方案中为至少大约0.4毫米。在一些实施方案中，纤维具有至少大约12平方米/克的平均水力比表面积。在一些实施方案中，当具有0.2毫米或更小长度的纤维作为细料分类时，多个表面增强纸浆纤维具有少于40％的长度加权细料值。在其他实施方案中，纤维具有小于22％的长度加权细料值。
在本发明的一些实施方案中，多个表面增强纸浆纤维具有是其原纤化前长度加权平均长度的至少60％的长度加权平均长度和是原纤化前的纤维平均比表面积至少4倍的平均水力比表面积。在一些其他的实施方案中，多个表面增强纸浆纤维具有是原纤化前纤维的长度加权平均长度的至少70％的长度加权平均长度。在一些其他的实施方案中，多个表面增强纸浆纤维具有是原纤化前纤维的平均水力比表面积至少8倍的平均水力比表面积。在一些其他的实施方案中，大量表面增强纸浆纤维具有至少大约0.3毫米的长度加权平均纤维长度(Lw)和至少大约10平方米/克的平均水力比表面积，其中在烘干的基础上，表面增强纸浆纤维的数量为至少12000根纤维/毫克。在一些其他的实施方案中，多个表面增强纸浆纤维具有至少大约0.4毫米的长度加权平均纤维长度(Lw)和至少大约12平方米/克的平均水力比表面积，其中在烘干的基础上，表面增强纸浆纤维的数量为至少12000根纤维/毫克。在一些实施方案中，当具有0.2毫米或更小长度的纤维作为细料分类时，多个表面增强纸浆纤维具有小于40％的长度加权细料值。在一些实施方案中，多个表面增强纸浆纤维具有小于22％的长度加权细料值。
在不同的实施方案中，多个表面增强纸浆纤维可以源自于硬木或软木。
本发明还涉及混入了根据本发明的不同实施方案的多个表面增强纸浆纤维的制造制品。这些制造的制品的实例包括但不限于纸张产品，纸板产品，纤维水泥板，纤维增强塑料，绒毛浆和水凝胶。
本发明还涉及由根据本发明不同实施方案的多个表面增强纸浆纤维形成的制造制品。这些制造制品的实例包括但不限于醋酸纤维素产品和羧甲基纤维素产品。
本发明还涉及制备表面增强纸浆纤维的不同方法。在一些实施方案中，制备表面增强纸浆纤维的方法包括将未精磨的纸浆纤维引入到机械精磨机中，其包括一对精磨盘，其中该盘具有1.3毫米或更小的棒宽度和2.5毫米或更小的沟纹宽度，并且使纤维精磨直到对于精磨机来说达到至少300kWh/吨的能量消耗以制备表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，该盘具有1.0毫米或更小的棒宽度和1.6毫米或更小的沟纹宽度。在一些实施方案中，纤维进行精磨直到对于精磨机来说达到至少450kWh/吨的能量消耗，或者在其他实施方案中直到达到对于精磨机来说至少650kWh/吨的能量消耗。在一些实施方案中，纤维进行精磨直到对于精磨机来说达到大约300kWh/吨到大约650kWh/吨之间的能量消耗。在一些其他的实施方案中，纤维进行精磨直到对于精磨机来说达到大约450kWh/吨到大约650kWh/吨之间的能量消耗。在一些实施方案中，精磨机在大约0.1到大约0.3Ws/m之间的比边载荷下操作，并且在其他实施方案中在大约0.1到大约0.2Ws/m的比边载荷下操作。
在一些实施方案中，纤维可以再循环通过精磨机。例如，在一些实施方案中，纤维多次再循环通过精磨机直到达到至少300kWh/吨的能量消耗。在一些实施方案中，纤维再循环通过精磨机至少3次。在一些实施方案中，除去一部分纤维并且另一部分再循环。因此本发明方法的一些实施方案进一步包括从机械精磨机中连续的除去大部分纤维，其中一部分除去的纤维是表面增强纸浆纤维，并且超过大约80％的除去的纤维再循环回到机械精磨机中用于进一步精磨。
本发明方法的一些实施方案使用两个或多个机械精磨机。在一些这样的实施方案中，制备表面增强纸浆纤维的方法包括将未精磨的纸浆纤维引入到包括一对精磨盘的第一机械精磨机中，其中该盘具有1.3毫米或更小的棒宽度和2.5毫米或更小的沟纹宽度，在第一机械精磨机中使纤维精磨，将纤维输送到至少一个另外的包括一对精磨盘的机械精磨机中，其中该盘具有1.3毫米或更小的棒宽度和2.5毫米或更小的沟纹宽度，并且在至少一个另外的机械精磨机中使纤维精磨直到对于精磨机来说达到至少300kWh/吨的总能量消耗以制备表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，纤维在第一机械精磨机中通过使至少一部分纤维多次再循环通过第一机械精磨机精磨。在一些实施方案中，纤维多次再循环通过另外的机械精磨机。在一些其他的实施方案中，第一机械精磨机中的精磨盘具有大于1.0毫米的棒宽度和大于或等于2.0毫米的沟纹宽度，并且在至少一个另外的机械精磨机中的精磨盘具有1.0毫米或更小的棒宽度和1.6毫米或更小的沟纹宽度。
在一些实施方案中，制备表面增强纸浆纤维的方法包括将未精磨的纸浆纤维引入到包括一对精磨盘的机械精磨机中，其中该盘具有1.0毫米或更小的棒宽度和2.0毫米或更小的沟纹宽度，使纤维精磨，从机械精磨机中连续的除去大量纤维，其中一部分除去的纤维是表面增强纸浆纤维，并且使超过80％的除去的纤维再循环回到机械精磨机中用于进一步精磨。
在一些实施方案中，通过本发明的方法制备的表面增强纸浆纤维可以具有本文描述的一种或多种性质。例如，根据一些实施方案，这些表面增强纸浆纤维具有未精磨纸浆纤维长度加权平均长度的至少60％的长度加权平均长度和是未精磨纸浆纤维的平均比表面积的至少4倍的平均水力比表面积。
这些和其他实施方案更详细的提供于以下详细描述的内容中。
附图概述
图1是说明根据本发明一个非限制性实施方案制备纸张产品的体系的方框图。
图2是说明根据本发明一个非限制性实施方案的包括第二精磨机的制备纸张产品的体系的方框图。
具体实施方式
本发明的实施方案一般涉及表面增强纸浆纤维，制备、应用和运输表面增强纸浆的方法，混入了表面增强纸浆纤维的产品，以及制备、应用和运输混入了表面增强纸浆纤维的方法，并且还涉及由以下描述将显而易见的其他方案。表面增强纸浆纤维原纤化到提供以下列出的期望性质的程度并且可以表征为高度原纤化的。在不同的实施方案中，与常规精磨的纤维相比，本发明的表面增强纸浆纤维具有明显更高的表面积，而在纤维长度方面没有明显的降低，并且在原纤化期间没有产生显著量的细料。这些表面增强纸浆纤维可以用于纸浆、纸张和本文描述的其他产品的制备。
根据本发明的实施方案可被表面增强的纸浆纤维可以源自于多种木材种类，包括硬木和软木。可以用于本发明一些实施方案中的硬木纸浆纤维的非限制性实例包括但不限于橡树、橡胶树、枫树、白杨、桉树、欧洲山杨、桦树和其他本领域技术人员已知的硬木。可以用于本发明一些实施方案中的软木纸浆纤维的非限制性实例包括但不限于云杉、松树、杉树、铁杉、南方松树、红杉和其他本领域技术人员已知的软木。纸浆纤维可以由化学来源(例如硫酸盐法，亚硫酸盐法，苏打制浆法等)、机械来源(例如热机械法(TMP)、漂白化学-热机械法(BCTMP)等)或它们的联合获得。纸浆纤维还可以源自于非木材纤维，例如亚麻、棉、甘蔗渣、大麻、稻草洋麻等。随着木质素含量程度和其他杂质的变化，纸浆纤维可以是漂白的、部分漂白的或未漂白的。在一些实施方案中，纸浆纤维可以是再循环纤维或消费后的纤维。
根据本发明不同实施方案的表面增强纸浆纤维可以根据不同的性质和性质的联合进行表征，包括例如长度，比表面积，长度变化，比表面积变化，表面性质(例如表面活性，表面能等)，细料的百分数，滤水性能(例如Schopper-Riegler)，粉状纤维测量(原纤化)、吸水性(例如保水值，芯吸速率等)以及它们中的多种联合。虽然以下描述可能未特别标识不同的性质联合中的每一种，应当理解的是表面增强纸浆纤维的不同实施方案可以具有本文描述的性质中的一种、多于一种或全部。
本发明的一些实施方案涉及大量的表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，大量的表面增强纸浆纤维具有至少大约0.3毫米的长度加权平均纤维长度，优选至少大约0.35毫米，具有大约0.4毫米的长度是最优选的，其中在烘干的基础上，表面增强纸浆纤维的数量为至少12000根/毫克。正如本发明中使用的，“烘干的基础”表示样品在设定为105℃的烘箱中干燥24小时。通常，纤维的长度越长，纤维和最终混入了这种纤维的产品的强度越大。这些实施方案中的表面增强纸浆纤维例如可以用于造纸应用。正如本发明中使用的，长度加权平均长度使用LDA02 Fiber Quality Analyzer或LDA96 Fiber Quality Analyzer测量，其中的每一种都来自于Hawkesbury,Ontario,Canada的OpTest Equipment,Inc，并且根据Fiber Quality Analyzer附上的手册指定的合适过程测量。正如本发明中使用的，长度加权平均长度(LW)根据下式计算：
其中i指的是类别(或料仓)号(例如1、2…..N)，ni指的是第i类别中的纤维数量，并且Li指的是伸直长度-第i类别中柱状图类中心长度。
正如以上指出的，本发明的纤维增强纸浆纤维一方面是原纤化后纤维长度的保留。在一些实施方案中，多个表面增强纸浆纤维可以具有原纤化之前纤维的长度加权平均长度的至少60％的长度加权平均长度。根据一些实施方案，多个表面增强纸浆纤维具有原纤化之前纤维的长度加权平均长度的至少70％的长度加权平均长度。在测定长度保留百分数中，多个纤维的长度加权平均长度可以在原纤化之前和之后测量(如上所述)并且该值可以使用以下公式对比：
本发明的表面增强纸浆纤维有利地具有大的水力比表面积，其可以用于一些应用中，例如造纸。在一些实施方案中，本发明涉及多个表面增强纸浆纤维，其中该纤维具有至少大约10平方米/克的平均水力比表面积，并且更优选为至少大约12平方米/克。基于说明的目的，典型的未精磨的造纸纤维将具有2m2/g的水力比表面积。正如本文中使用的，水力比表面积依照，由http://www.tappi.org/Hide/Events/12PaperCon/Papers/12PAP116.aspx获得的Characterizing the drainage resistance of pulp andmicrofibrillar suspensions using hydrodynamic flow measurements,N.Lavrykova-Marrain and B.Ramarao,TAPPI's PaperCon 2012Conference中规定的过程使用水力流体测量进行测量,通过参考将其并入本文。
本发明的一个优点在于表面增强纸浆纤维的水力比表面积显著高于原纤化之前的纤维。在一些实施方案中，多个表面增强纸浆纤维可以具有是原纤化之前纤维的平均比表面积的至少4倍的平均水力比表面积，优选比原纤化之前纤维的平均比表面积高至少6倍，并且最优选比原纤化之前纤维的平均比表面积高至少8倍。
这些实施方案的表面增强纸浆纤维例如可以用于造纸应用。通常，水力比表面积是表面活性的良好指示，使得在一些实施方案中，本发明的表面增强纸浆纤维可以预期具有良好的粘性和保水性，并且可以预期在增强应用中表现良好。
正如以上指出的，在一些实施方案中，本发明的表面增强纸浆纤维有利地具有增加的水力比表面积而保留了纤维长度。取决于其用途，增加的水力比表面积可以具有很多优点，包括但不限于提供增加的纤维粘性、吸水或其他物质、有机物保留、较高的表面能和其他。
本发明的实施方案涉及多种表面增强纸浆纤维，其中多个表面增强纸浆纤维具有至少大约0.3毫米的长度加权平均纤维长度和至少大约10平方米/克的平均水力比表面积，其中在烘干的基础上，表面增强纸浆纤维的数量为至少12000根/毫克。在优选的实施方案中，多个表面增强纸浆纤维具有至少大约0.35毫米的长度加权平均纤维长度和至少大约12平方米/克的平均水力比表面积，其中在烘干的基础上，表面增强纸浆纤维的数量为至少12000根/毫克。在最优选的实施方案中，多个表面增强纸浆纤维具有至少大约0.4毫米的长中平均纤维长度和至少大约12平方米/克的平均水力比表面积，其中在烘干的基础上，表面增强纸浆纤维的数量为至少12000根/毫克。这些实施方案中的表面增强纸浆纤维例如可以用于造纸应用中。
在纸浆纤维的精磨以提供本发明的表面增强纸浆纤维时，一些实施方案优选最小化细料的产生。正如本发明使用的，术语“细料”用于指代具有0.2毫米或更小长度的纸浆纤维。在一些实施方案中，表面增强纸浆纤维具有小于40％的长度加权细料值，更优选小于22％，且小于20％是最优选的。这些实施方案的表面增强纸浆纤维例如可以用于造纸应用。正如本发明中使用的，使用每一种都来自Hawkesbury,Ontario,Canada的OpTestEquipment,Inc.的LDA02 Fiber Quality Analyzer或LDA96Fiber Quality Analyzer并且根据Fiber Quality Analyzer附上的手册中指定的合适的过程测量“长度加权细料值”。正如本文中使用的，长度加权细料的百分数根据下式计算：
其中n指的是具有小于0.2毫米长度的纤维数，Li指的是细料类的中点长度，且LT指的是总纤维长度。
在优选的实施方案中，本发明的表面增强纸浆纤维同时还提供了保留长度和相对高的比表面积，而不损害大量细料的生成的优点。此外，根据不同的实施方案，多个表面增强纸浆纤维可以同时具有一种或多种其他以上指出的性质(例如长度加权平均纤维长度，平均水力比表面积的改变，和/或表面活性性质)并且还具有相对低的细料百分数。在一些实施方案中，这些纤维可以将对滤水性能的负面影响最小化而同时保持或改进其中它们混入的产品的长度。
当纤维加工成其他产品时，可以体现表面增强纸浆纤维的其他有利的性质并且将在以下描述了制备表面增强纸浆纤维的方法之后进行描述。
本发明的实施方案还涉及制备表面增强纸浆纤维的方法。用于本发明方法中的精磨技术可以有利地保留纤维的长度，而同样增加表面积的量。在优选的实施方案中，这种方法还使细料的量最小化，和/或在一些实施方案中改进混入了表面增强纸浆纤维的产品的强度(例如拉伸强度、高级证券纸强度、纸张产品的湿网强度)。
在一个实施方案中，制备表面增强纸浆纤维的方法包括将未精磨的纸浆纤维引入到包括一对精磨盘的机械精磨机中，其中该盘具有1.3毫米或更小的棒宽度和2.5毫米或更小的沟纹宽度，并且使纤维精磨直到对于精磨机来说达到至少300kWh/吨的能量消耗以制备表面增强纸浆纤维。本领域技术人员熟悉与精磨盘相关的棒宽度和沟纹宽度的尺寸。在一定程度上寻找另外的信息，参考Christopher J.Biermann,Handbook of Pulping andPapermaking(第2版，1996)第145页，将其通过参考并入本发明。在优选的实施方案中，该盘具有1.0毫米或更小的棒宽度和1.6毫米或更小的沟纹宽度，并且使纤维进行精磨直到对于精磨机来说达到至少300kWh/吨的能量消耗以制备表面增强纸浆纤维。在最优选的实施方案中，该盘具有1.0毫米或更小的棒宽度和1.3毫米或更小的沟纹宽度，并且纤维可以进行精磨直到对于精磨机来说达到至少300kWh/吨的能量消耗以制备表面增强纸浆纤维。正如本文中使用的并且被本领域技术人员理解的，关于本文中能量消耗或精磨能量使用的单位kWh/吨，以“/吨”或“每吨”理解，指的是在干燥的基础上，通过精磨机的纸浆吨数。在一些实施方案中，使纤维进行精磨直到对于精磨机来说达到至少650kWh/吨的能量消耗。大量的纤维可以进行精磨直到它们具有一种或多种本文所述的涉及本发明表面增强纸浆纤维的性质。正如以下详细描述的，本领域技术人员将认识到对于某些类型的木材纤维，可能要求精磨能量显著高于300kWh/吨并且将期望性质赋予纸浆纤维所需要的精磨能量也可能变化。
在一个实施方案中，将未精磨的纤维引入包括一对精磨盘的机械精磨机或一系列精磨机中。未精磨的纸浆纤维可以包括本文描述的任何纸浆纤维，例如硬木纸浆纤维或软木纸浆纤维或非木材纸浆纤维，其来自本文描述的多种方法(例如机械、化学等)。此外，可以在捆扎或经冲浆(slushed)的条件下提供未精磨的纸浆纤维或纸浆纤维源。例如，在一个实施方案中，捆扎的纸浆纤维源可以包含大约7到大约11％的水和大约89到大约93％的固体。同样的，例如，在一个实施方案中，经冲浆供给的纸浆纤维可以包含大约95％的水和大约5％的固体。在一些实施方案中，纸浆纤维源不在纸浆干燥机中干燥。
可以用于制备根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维的精磨机的非限制性实例包括双盘精磨机、锥形精磨机、单盘精磨机、多盘精磨机或锥形和盘式精磨机的联合。双盘精磨机的非限制性实例包括Beloit DD 3000、Beloit DD 4000或Andritz DO精磨机。锥形精磨机的非限制性实例是Sunds JCOl、Sunds JC 02和Sunds JC03精磨机。
精磨盘的设计以及操作条件在制备表面增强纸浆纤维的一些实施方案中是重要的。棒宽度、沟纹宽度和沟纹深度是用于表征精磨机盘的精磨机盘参数。通常，用于本发明不同实施方案的精磨盘可以表征为精细沟纹化。这种盘可以具有1.3毫米或更小的棒宽度和2.5毫米或更小的沟纹宽度。在一些实施方案中，这种盘可以具有1.3毫米或更小的棒宽度和1.6毫米或更小的沟纹宽度。在一些实施方案中，这种盘可以具有1.0毫米或更小的棒宽度和1.6毫米或更小的沟纹宽度。在一些实施方案中，这种盘可以具有1.0毫米或更小的棒宽度和1.3毫米或更小的沟纹宽度。具有1.0毫米或更小的棒宽度和1.6毫米或更小的沟纹宽度的精磨盘还可以指的是超精细精磨盘。这种盘可以由Aikawa Fiber Technologies(AFT)以的商标获得。在合适的操作条件下，这种精细沟纹化的盘对于纸浆纤维可以增加原纤的数量(即增加原纤化)而保留了纤维长度并且使细料的产生最小化。常规的盘(例如超过1.3毫米的棒宽度和/或超过2.0毫米的沟纹宽度)和/或不适当的操作条件会显著增加纸浆纤维中的纤维切断和/或产生不希望水平的细料。
精磨机的操作条件对于制备表面增强纸浆纤维的一些实施方案也是重要的。在一些实施方案中，表面增强纸浆纤维可以通过最初未精磨的纸浆纤维再循环通过精磨机直到达到至少大约300kWh/吨的能量消耗而制备。在一些实施方案中，表面增强纸浆纤维可以通过最初未精磨的纸浆纤维再循环通过精磨机直到达到至少大约450kWh/吨的能量消耗而制备。在一些实施方案中，纤维可以在精磨机中再循环直到达到大约450kWh/吨到大约650kWh/吨之间的能量消耗。在一些实施方案中，精磨机可以在大约0.1到大约0.3Ws/m之间的比边载荷下操作。在其他实施方案中，精磨机可以在大约0.15到大约0.2Ws/m的比边载荷下操作。在一些实施方案中，使用大约0.1Ws/m到大约0.2Ws/m之间的比边载荷达到大约450到大约650kWh/吨之间的能量消耗以制备表面增强纸浆纤维。比边载荷(或SEL)是本领域技术人员理解的术语，其指的是净使用动力除以旋转速度和边缘长度的乘积的商。SEL用于表征精磨的强度并且表达为瓦特-秒/米(Ws/m)。
正如以下更详细描述的，本领域技术人员将认识到对于某些类型的木材纤维可能要求明显高于400kWh/吨的精磨能量并且将期望性质赋予纸浆纤维所需要的精磨能量的量也可能变化。例如，南方混合硬木纤维(例如橡树、橡胶树、榆树等)可能要求大约450-650kWh/吨之间的精磨能量。相比之下，北方硬木纤维(例如枫树、桦树、白杨、山毛榉等)可能要求大约350到大约500kWh/吨之间的精磨能量，因为北方硬木纤维不及南方硬木纤维粗糙。同样的，南方软木纤维(例如松树)可能要求甚至更多量的精磨能。例如，在一些实施方案中，根据一些实施方案，精磨南方软木纤维可能显著更高(例如至少1000kWh/吨)。
还可以以多种方式提供精磨能，这取决于单程通过精磨机待提供的精磨能的量和所希望的程数。在一些实施方案中，用于一些方法中的精磨机可以在每程以较低的精磨能进行操作(例如100kWh/吨/次通过或更低)以至于需要多程或需要多个精磨机以提供指定的精磨能。例如，在一些实施方案中，单精磨机可以在50kWh/吨/程下操作，并且纸浆纤维可以再循环通过精磨机，总共通过9次以提供450kWh/吨的精磨。在一些实施方案中，多个精磨机可以串联提供以便给予精磨能。
在一些实施方案中，其中通过使纤维再循环通过单精磨机使纸浆纤维达到期望的精磨能，纸浆纤维可以至少两次循环通过精磨机以获得期望的原纤化程度。在一些实施方案中，纸浆纤维可以循环通过精磨机大约6到大约25次以获得期望程度的原纤化。纸浆纤维可以在单精磨机中通过间歇式方法再循环而原纤化。
在一些实施方案中，纸浆纤维可以在单精磨机中使用连续的方法原纤化。例如，在一些实施方案中，这种方法可以包括从精磨机中连续除去大部分纤维，其中一部分除去的纤维是表面增强纸浆纤维，并且使超过大约80％的除去的纤维再循环回到机械精磨机中用于进一步精磨。在一些实施方案中，超过大约90％的除去的纤维可以再循环回到机械精磨机中用于进一步精磨。在这些实施方案中，引入到精磨机中的未精磨的纤维的量和从没有再循环的纤维中除去的纤维的量可以进行控制使得预定量的纤维连续通过精磨机。换句话说，由于从与精磨机相关的再循环回路中除去了一些量的纤维，应当将相应量的未精磨纤维添加到精磨机中以便保持期望水平的纤维循环通过精磨机。为了方便具有特殊性质(例如长度加权平均纤维长度，水力比表面积等)的表面增强纸浆纤维的制备，在处理期间随着程数的增加，将需要降低每程的精磨强度(即，比边载荷)。
在其他实施方案中，两个或多个精磨机可以串联排列以循环纸浆纤维以获得期望程度的原纤化。应当理解多种多重精磨机排列可以用于制备根据本发明的表面增强纸浆纤维。例如，在一些实施方案中，多重精磨机可以串联排列，其使用相同的精磨盘并且在相同的精磨参数(例如每程的精磨能，比边载荷等)下操作。在一些这种实施方案中，纤维仅一次经过精磨机中的一个和/或多次通过精磨机中的另一个。
在一个示例性的实施方案中，制备表面增强纸浆纤维的方法包括将未精磨的纸浆纤维引入到包括一对精磨盘的第一机械精磨机中，其中该盘具有1.3毫米或更小的棒宽度和2.5毫米或更小的沟纹宽度，使纤维在第一机械精磨机中精磨，将纤维输送到至少一个包括一对精磨盘的另外的机械精磨机中，其中该盘具有1.3毫米或更小的棒宽度和2.5毫米或更小的沟纹宽度，并且使纤维在所述至少一个另外的机械精磨机中精磨直到对于精磨机来说达到至少300kWh/吨的能量消耗以制备表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，纤维可以多次再循环通过第一机械精磨机。在一些实施方案中，该纤维可以多次再循环通过所述另外的机械精磨机。在一些实施方案中，纤维可以多次再循环通过两个或多个机械精磨机。
在一些使用多个精磨机制备表面增强纸浆纤维的方法的实施方案中，第一机械精磨机可以用于提供相对少的细料，最初精磨步骤并且一个或多个后续的精磨机可以用于提供根据本发明实施方案的表面增强纸浆纤维。例如，在这些实施方案中的第一机械精磨机可以使用常规的精磨盘(例如大于1.0mm的棒宽度和1.6mm或更大的沟纹宽度)并且在常规的精磨条件下(例如0.25Ws/m的比边载荷)操作以便对纤维提供最初的、相对少的细料原纤化。在一个实施方案中，施用于第一机械精磨机中的精磨能的量可以为大约100kWh/吨或更少。在第一机械精磨机之后，可以将纤维提供给一个或多个后续的使用超精细精磨盘(例如1.0mm或更小的棒宽度和1.6mm或更小的沟纹宽度)的精磨机并且在足以产生根据本发明的一些实施方案的表面增强纸浆纤维的条件下操作(例如0.13Ws/m的比边载荷)。例如，在一些实施方案中，取决于精磨盘之间的差异，在使用常规精磨盘精磨和使用超精细精磨盘精磨之间增加切削刃长度(CEL)。切削刃长度(或CEL)是棒边缘长度和旋转速率的乘积。正如以上阐述的，纤维可以多次经过或再循环通过精磨机以获得期望的精磨能和/或多重精磨机可用于获得期望的精磨能。
在一个示例性的实施方案中，用于制备表面增强纸浆纤维的方法包括将未精磨的纸浆纤维引入到包含一对精磨盘的第一机械精磨机中，其中该盘具有大于1.0毫米的棒宽度和2.0毫米或更大的沟纹宽度。在一些实施方案中，在第一机械精磨机中精磨纤维可以用于提供相对少的细料，最初精磨纤维。纤维在第一机械精磨机中精磨后，将纤维输送到至少一个包含一对精磨盘的另外的机械精磨机中，其中该盘具有1.0毫米或更小的棒宽度和1.6毫米或更小的沟纹宽度。在一个或多个另外的机械精磨机中，纤维可以进行精磨直到对于精磨机来说达到至少300kWh/吨的总能量消耗以制备表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，纤维多次再循环通过第一机械精磨机。在一些实施方案中，纤维多次再循环通过一个或多个另外的机械精磨机。
关于本文描述的不同方法，在一些实施方案中，纸浆纤维可以以低浓度(例如在3到5％之间)进行精磨。本领域技术人员将理解浓度指的是烘干纤维与烘干纤维和水的联合量的比。换句话说，例如3％的浓度将反映出在100毫升的纸浆悬浮液中存在3克烘干纤维。
与操作精磨机以制备表面增强纸浆纤维相关的其他参数可以使用本领域技术人员已知的技术易于测定。同样的，本领域技术人员可以调整不同的参数(例如总精磨能，每程的精磨能，程数，精磨机的数目和类型，比边载荷等)以制备本发明的表面增强纸浆纤维。例如，使用多程体系每程施用于纤维的精磨强度或精磨能应当随着经过的精磨机的数目增加而逐渐降低，以便在一些实施方案中获得具有期望性质的表面增强纸浆纤维。
本发明的表面增强纸浆纤维的不同实施方案可以混入到多种终端产品中。本发明的表面增强纸浆纤维的一些实施方案可以将良好的性质赋予终端产品，其中它们混入一些实施方案中。这些产品的非限制性实例包括纸浆、纸张、纸板、生物纤维复合物(例如纤维水泥板、纤维增强塑料等)、吸收产品(例如绒毛浆、水凝胶等)、衍生自纤维素的特制化学品(例如乙酸纤维素，羧甲基纤维素(CMC)等)，以及其他产品。本领域技术人员可以识别其中表面增强纸浆纤维可以特别基于纤维的性质进行混合的其他产品。例如，在一些实施方案中，通过增加表面增强纸浆纤维的比表面积(并且由此的表面活性)，表面增强纸浆纤维的使用可以有利地增加一些终端产品的强度性质(例如干拉伸强度)，虽然使用了大约相同量的总纤维和/或在终端产品中提供可对比的强度性质，但是在终端产品中基于重量基础使用了较少的纤维。
除了以下进一步讨论的物理性质，在某些应用中，根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维的使用可以具有某些制造优点和/或成本节约。例如，在一些实施方案中，将大量的根据本发明的表面增强纸浆纤维混合到纸张产品中可以在配料中降低纤维的总成本(即通过用低成本的表面增强纸浆纤维代替高成本纤维)。例如，较长的软木纤维典型地比较短的硬木纤维昂贵。在一些实施方案中，混入了至少2重量％的根据本发明的表面增强纸浆纤维的纸张产品可以产生大约5％的较高成本软木纤维的移除，而仍然保持了纸张强度，保持了造纸机器的运转能力，保持了加工性能并且改进了印刷性能。在一些实施方案中，混入了大约2到大约8重量％之间的根据本发明的表面增强纸浆纤维的纸张产品可以导致大约5％到大约20％的较高成本软木纤维的移除，而保持了纸张强度并且改进了印刷性能。在一些实施方案中，当与以相同的方式只显著上不使用表面增强纸浆纤维的纸张产品进行对比时，混入了大约2到大约8重量％的根据本发明的表面增强纸浆纤维有助于显著降低造纸成本。
其中本发明的表面增强纸浆纤维可以使用的一种应用是纸张产品。在使用本发明的表面增强纸浆纤维的纸张产品的制备中，用于纸张制备的表面增强纸浆纤维的量是重要的。例如，并且不受限制，使用一些量的表面增强纸浆纤维可以具有增加纸张产品的拉伸强度和/或增加湿网强度的优点，而使潜在的不利影响，例如滤水最小化。在一些实施方案中，纸张产品可以包含超过大约2重量％的表面增强纸浆纤维(基于纸张产品的总重量)。在一些实施方案中，纸张产品可以包含超过大约4重量％的表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，纸张产品可以包含少于大约15重量％的表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，纸张产品可以包含少于大约10重量％的表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，纸张产品可以包含在大约2到大约15重量％的表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，纸张产品可以包含在大约4到大约10重量％的表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，用于纸张产品的表面增强纸浆纤维可以基本上或全部是硬木纸浆纤维。
在一些实施方案中，当本发明的表面增强纸浆纤维混合到纸张产品中时，可以替代的软木纤维的相对量是使用的表面增强纸浆纤维的量的大约1到大约2.5倍之间(基于纸张产品的总重量)，余量由常规精磨的硬木纤维替代。换句话说，并且作为一个非限制性实例，大约10重量％的常规精磨软木纤维可以被大约5重量％的表面增强纸浆纤维(假定2重量％的软木纤维/1重量％的表面增强纸浆纤维的替代)和大约5重量％的常规精磨硬木纤维代替。在一些实施方案中，会发生这种替代，而不降低纸张产品的物理性质。
关于物理性质，根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维可以改进纸张产品的强度。例如，将大量根据本发明的表面增强纸浆纤维混合到纸张产品中可以改进最终产品的强度。在一些实施方案中，混入了至少5重量％的根据本发明的表面增强纸浆纤维的纸张产品可以产生较高的湿网强度和/或干强度特性，可以改进高速下造纸机的运转能力，和/或可以改进加工性能，同时还可以改进生产。在一些实施方案中，当与以相同的方式基本上不使用根据本发明的表面增强纸浆纤维制备类似的产品相比时，混合大约2到大约10重量％之间的根据本发明的表面增强的纸浆纤维可以有助于显著改进纸张产品的强度和性能。
作为另一个实例，混入了大约2到大约8重量％的根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维，并且具有减少大约5到大约20重量％的软木纤维的纸张产品可以具有与使用软木纤维但不使用表面增强纸浆纤维的类似纸张产品相似的湿网拉伸强度。在一些实施方案中，混入了大量根据本发明的表面增强纸浆纤维的纸张产品可以具有至少150米的湿网拉伸强度。在一些实施方案中，根据本发明的一些实施方案，混入了至少5重量％的表面增强纸浆纤维和少了10重量％的软木纤维的纸张产品可以具有至少166米的湿网拉伸强度(在30％的浓度下)。当与以相同的方式基本上不使用表面增强纸浆纤维制备的纸张产品相比，混合大约2到大约8重量％的根据本发明的表面增强纸浆纤维可以改进纸张产品的湿网拉伸强度，使得混入了表面增强纸浆纤维的纸张产品的一些实施方案可以具有期望的湿网拉伸强度和更少的软木纤维。在一些实施方案中，在纸张产品中混入了至少大约2重量％的本发明的表面增强纸浆纤维可以在不同实施方案中改进其他性质，包括但不限于浊度、孔隙度、吸光度、拉伸能量吸收、高级证券纸/内粘合和/或印刷性质(例如油墨密度印刷斑点、光斑)。
作为另一个实例，在一些实施方案中，混入了大量的根据本发明的表面增强纸浆纤维的纸张产品可以具有期望的干拉伸强度。在一些实施方案中，混入了至少5重量％的表面增强纸浆纤维的纸张产品可以具有期望的干拉伸强度。混入了大约5到大约15重量％之间的根据本发明的表面增强纸浆纤维的纸张产品可以具有期望的干拉伸强度。在一些实施方案中，当与以相同的方式基本上不使用表面增强纸浆纤维制备的纸张产品相比，混合大约5到大约15重量％之间的根据本发明的表面增强纸浆纤维可以改进纸张产品的干拉伸强度。
在一些实施方案中，混入了至少大约5重量％的本发明的表面增强纸浆纤维在不同实施方案中可以改进其他性质，包括但不限于浊度、孔隙度、吸光度、和/或印刷性质(例如油墨密度印刷斑点、光斑)。
在这些混入了多个表面增强纸浆纤维的产品的一些实施方案中，在一些情况下某些性质的改进可以成比例地超过包括的表面增强纸浆纤维的量。换句话说，并且作为实例，在一些实施方案中，如果纸张产品混入了大约5重量％的表面增强纸浆纤维，相应的干拉伸强度的增加可以明显高于5％。
除了以上讨论的纸张产品，在一些实施方案中，混入了大量根据本发明的表面增强纸浆纤维的纸浆可以具有改进的性质，例如，不受限制，改进的表面活性或增强潜力，较高的片材拉伸强度(即改进的纸张强度)和更少的总精磨能，改进的吸水性和/或其他性质。
作为另一个实例，在一些实施方案中，混入了大约1到大约10重量％的表面增强纸浆纤维的中间体纸浆和纸张产品(例如绒毛浆、用于纸张级的增强纸浆，用于薄纸的销售纸浆，用于纸张级的销售纸浆等)可以提供改进的性质。中间体纸浆和纸张产品的改进性质的非限制性实例可以包括增加的湿网拉伸强度，可对比的湿网拉伸强度，改进的吸水性和/或其他性质。
作为另一个实例，在一些实施方案中，混入了表面增强纸浆纤维的中间体纸张产品(例如捆扎的浆板或卷筒等)可以在最终产品性能和性质方面提供不成比例的改进，具有至少1重量％的表面增强纸浆纤维是更优选的。在一些实施方案中，中间体纸张产品可以混合1重量％到10重量％之间的表面增强纸浆纤维。这些中间体纸张产品的改进性质的非限制性实例可以包括增加的湿网拉伸强度、可相比湿网拉伸强度下更好的滤水性能，在相似的硬木与软木比例下改进的强度，和/或在更高的硬木与软木比例下的可对比的强度。
在制造根据本发明一些实施方案的纸张产品中，本发明的表面增强纸浆纤维可以在常规的造纸方法中作为滑流提供。例如，本发明的表面增强纸浆纤维可以在常规的条件下与使用常规精磨盘精磨的硬木纤维物流混合。硬木纸浆纤维的合并物流之后可以与软木纸浆纤维合并并且用于使用常规技术的造纸。
本发明的其他实施方案涉及包括大量根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维的纸板。根据本发明实施方案的纸板可以使用本领域技术人员已知的技术制造，除了混合一些量的本发明的表面增强纸浆纤维，具有至少2％的表面增强纸浆纤维是更优选的。在一些实施方案中，可以使用本领域技术人员已知的方法制造纸板，除了使用大约2％到大约3％之间的本发明的表面增强纸浆纤维。
本发明的其他实施方案还涉及包括大量根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维的生物纤维复合物(例如纤维水泥板，纤维增强塑料等)。本发明的纤维水泥板通常可以使用本领域技术人员已知的技术制造，除了混合根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维，至少3％的表面增强纸浆纤维是更优选的。在一些实施方案中，本发明的纤维水泥板通常可以使用本领域技术人员已知的技术制造，除了使用大约3％到大约5％之间的本发明的表面增强纸浆纤维。
本发明的其他实施方案还涉及包括大量根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维的吸水性物质。这种吸水性物质可以使用本领域技术人员已知的技术使用根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维制造。这些吸水性物质的非限制性实例包括但不限于绒毛浆和薄纸级纸浆。
图1说明了一个可以用于制备混入了本发明的表面增强纸浆纤维的纸张产品的体系的示例性实施方案。包含例如纸浆基形式的硬木纤维的未精磨储罐100与临时储罐102相连，该临时储罐与原纤化精磨机104以选择性的闭合回路连接方式相连。正如以上指出的，在特殊的实施方案中，原纤化精磨机104是提供有合适参数的精磨机以制备本文所述的表面增强纸浆纤维。例如，原纤化精磨机104可以是具有精磨盘对的双盘精磨机，每一个都具有1.0毫米的棒宽度和1.3毫米的沟纹宽度，并且具有大约0.1-0.3Ws/m的比边载荷。保持临时储罐102和原纤化精磨机104之间的闭合回路直到纤维以期望数目的次数循环通过精磨机104，例如直到达到大约400-650kWh/吨的能量消耗。
出口管线从原纤化精磨机104处延伸到存储储罐105，该管线保持闭合直到纤维以适当的次数循环通过精磨机104。存储储罐105与离开常规精磨机110的流体相连，该常规精磨机提供有常规的参数以制备常规的精磨纤维。在一些实施方案中，并不使用存储储罐105并且原纤化精磨机104与离开常规精磨机110的流体口相连。
在特殊的实施方案中，常规精磨机110也与未精磨储罐100相连，以便使单一来源的未精磨纤维(例如单一来源的硬木纤维)用于精磨和原纤化处理过程。在另一个实施方案中，不同的未精磨储罐112与常规精磨机110相连以提供常规的精磨纤维。在这种情况中，储罐100、112在其中可以包括相同或不同的纤维。
可以理解的是除了阀门(未显示)或其他适合用于选择性封闭其中需要的连接的设备之外，体系不同组件之间的所有连接可以包括泵(未显示)或其他合适的设备用于根据需要驱动它们之间流动。同样的，其他的储罐(未显示)可以位于体系的连续组件之间。
在使用中且根据特殊的实施方案，将未精磨的纤维引入到机械精磨过程中，其中在其上施加相对低的比边载荷(SEL)，例如大约0.1-0.3Ws/m，例如使其通过以上描述的精磨盘。在显示的实施方案中，通过将未精磨的纤维从储罐100循环到临时储罐102实现这一点，并且之后在原纤化精磨机104和临时储罐102之间循环。继续机械精磨过程直到达到相对高的能量消耗，例如大约450-650kWh/吨。在显示的实施方案中，通过使纤维在原纤化精磨机104和临时储罐102之间再循环直到纤维经过精磨机104“n”次来实现这一点。在一个实施方案中，n至少为3，且在一些实施方案中其可以在6到25之间。可以选择n以提供具有性能(例如长度，长度加权平均值，比表面积，细料等)的表面增强纸浆纤维，例如在给出的范围内和/或本文描述的值。
然后表面增强纸浆纤维流离开原纤化精磨机104，去往储存储罐105。表面增强纸浆纤维流离开储存储罐105并且之后添加到已经在常规精磨机110中精磨的常规精磨纤维流体中以获得造纸的原料组合物。原料组合物中表面增强纸浆纤维和常规精磨纤维之间的比例可以通过将允许制备的纸张具有合适性质的表面增强纸浆纤维的最大比例限制。在一个实施方案中，通过表面增强纸浆纤维(即存在于原料组合物中的大约4到15％的纤维是表面增强纸浆纤维)形成大约4到15％之间的原料组合物的纤维含量。在一些实施方案中，原料组合物中存在的大约5到大约10％之间的纤维是表面增强纸浆纤维。本文还描述了表面增强纸浆纤维的其他比例并且可以使用这些比例。
然后可以将精磨纤维和表面增强纸浆纤维的原料组合物输送到造纸过程的剩余部分中，在那里使用本领域技术人员已知的技术形成纸张。
图2说明了图1显示的示例性实施方案的变形，其中原纤化精磨机104被两个串联排列的精磨机202、204替代。在这个实施方案中，初始精磨机202提供相对少的细料，初始精磨步骤，并且第二个精磨机201继续使纤维精磨以提供表面增强纸浆纤维。如图2所示，纤维可以在第二精磨机204中再循环直到纤维以期望的次数循环通过精磨机204，例如，直到达到期望的能量消耗。可替代地，纤维不在第二精磨机204中再循环，另外的精磨机可以在第二精磨机204之后串联排列以进一步精磨纤维，并且如果期望的话，任何这种精磨机都可以包括再循环回路。虽然图1中未显示，但是取决于初始精磨机202的能量输出以及在初始精磨步骤中期望施加给纤维的能量，一些实施方案可以包括在输送到第二精磨机204之前，纤维再循环通过初始精磨机202。精磨机的数目，使用再循环的潜力，以及其他用于提供表面增强纸浆纤维的涉及精磨机排列的决定可取决于多种因素，包括可获得的制造空间的量，精磨机的成本，任何制造者已经拥有的精磨机，精磨机的潜在能量输出，期望的精磨机能量输出以及其他因素。
在一个非限制性的实施方案中，初始精磨机202可以使用一对精磨盘，每一个都具有1.0毫米的棒宽度和2.0毫米的沟纹宽度。第二精磨机204可以具有一对精磨盘，每一个都具有1.0毫米的棒宽度和1.3毫米的沟纹宽度。在这一实施方案中的纤维可以在第一精磨机中以0.25Ws/m的比边载荷精磨直到达到大约80kWh/吨的能量消耗。之后可以将纤维输送到第二精磨机204处，在那里它们可以以0.13Ws/m的比边载荷精磨和再循环直到达到大约300kWh/吨的总能量消耗。
图2显示的体系实施方案的剩余步骤和特征可以与图1的相同。
本发明不同的非限制性实施方案现在将在以下非限制性实施例中进行说明。
实施例
实施例1
在本实施例中，对根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维评价它们在增强湿网强度方面的潜力。湿网强度通常理解为与纸浆纤维的造纸机运转能力相互关联。作为参考点，在给定的自由度下，常规精磨的软木纤维具有两倍于常规精磨的硬木纤维的湿网强度。例如在400CSF的自由度下，由常规精磨的软木纤维形成的纸张湿片可以具有200米的湿网拉伸强度，而由常规精磨的硬木纤维形成的纸张湿片可以具有100米的湿网拉伸强度。
在以下实施例中，将根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维添加到典型的纸张级配料中，该配料包括常规精磨的硬木纤维和常规精磨的软木纤维的混合物。表1和2中指定了硬木纤维、软木纤维和表面增强纸浆纤维的相对量。
表1对比了实施例1-8的湿网性质，其将根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维混合到仅由常规精磨的硬木和软木纤维形成的对照A中。对照A和实施例1-8中使用的常规精磨的硬木纤维是精磨至435mL CSF的南方硬木纤维。对照A和实施例1-8中使用的常规精磨的软木纤维是精磨至601mL CSF的南方软木纤维。
根据本发明的一些实施方案，用于实施例1-8的表面增强纸浆纤维由典型的未精磨的南方硬木纤维形成。在0.2Ws/m的比边载荷下将该未精磨的硬木纤维引入到具有一对精磨盘的盘式精磨机中，每个盘都具有1.0毫米的棒宽度和1.3毫米的沟纹宽度。纤维以间歇式精磨直到达到400或600kWh/吨的能量消耗(如表1所指出的)。精磨直到达到400kWh/吨能量消耗的表面增强纸浆纤维具有0.81毫米的长度加权平均纤维长度，且精磨直到达到600kWh/吨能量消耗的表面增强纸浆纤维具有0.68毫米的长度加权平均纤维长度。该长度加权平均纤维长度使用LDA 96Fiber Quality Analyzer根据Fiber Quality Analyzer附上的手册指定的过程进行测量。使用以上提供的用于(Lw)的公式计算该长度加权平均纤维长度。
在将来自使用常规精磨的硬木纤维和常规精磨的软木纤维的批次的其他表面增强纸浆纤维合并以形成手抄纸并且用于如以下结合实施例1-8所列举进行评价之前，单独评价来自这些批次的一些表面增强纸浆纤维的湿网拉伸强度。使用表面增强纸浆纤维制备典型的纸张级配料。由该配料形成标准20GSM(克/平方米)手抄纸并且根据Pulp and PaperTechnical Association of Canada(“PAPTAC”)Standard D.23P测试在30％干燥度下的湿网强度。由进行精磨直到400kWh/吨能量消耗的表面增强纸浆纤维形成的手抄纸具有8.91千米的湿网拉伸强度。由进行精磨直到600kWh/吨能量消耗的表面增强纸浆纤维形成的手抄纸具有9.33千米的湿网拉伸强度。
使用指定量的硬木纤维、软木纤维和表面增强纸浆纤维制备典型的纸张级配料。由该配料形成标准60GSM(克/平方米)手抄纸并且根据Pulp and Paper TechnicalAssociation of Canada(“PAPTAC”)Standard D.23P进行测试30％干燥度下的湿网强度。表1提供了测试结果，且“Hwd”指的是常规精磨的硬木纤维，“Swd”指的是常规精磨的软木纤维，“SEPF”指的是根据本发明实施方案的表面增强纸浆纤维。“SEPF精磨能”指的是用于形成表面增强纸浆纤维的精磨能。“WW拉伸％增加”指的是与对照A对比的湿网拉伸强度的增加，并且“湿网TEA”指的是湿网拉伸能量吸收。将相同的常规精磨的硬木纤维和常规精磨的软木纤维用于对照A和实施例1-8中。
表1
如上所示，添加5％的根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维可以使湿网拉伸强度增加8-20％。同样的，添加10％的根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维可以使湿网拉伸强度增加21-50％。
表2对比了实施例9-13的湿网性质，其将根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维混合到了仅由常规精磨的硬木和软木纤维形成的对照B中。用于对照B和实施例9-13中的常规精磨的硬木纤维是精磨至247mL CSF的北方硬木纤维。用于对照B和实施例9-13的常规精磨的软木纤维是精磨至259mLCSF的北方软木纤维。
用于实施例9-13的表面增强纸浆纤维由典型的未精磨的南方硬木纤维形成。在0.2Ws/m的比边载荷下将该未精磨的硬木纤维引入到具有一对精磨盘的盘式精磨机中，该盘具有1.0毫米的棒宽度和1.3毫米的沟纹宽度。纤维以间歇式进行精磨直到达到400kWh/吨或600kWh/吨的能量消耗(如表2指出的)。
使用指定量的硬木纤维、软木纤维和表面增强纸浆纤维制备典型的纸张级配料。由该配料形成标准60GSM(克/平方米)手抄纸并且根据PAPTAC Standard D.23P测试30％干燥度下的湿网强度。表2提供了测试结果，且“Hwd”指的是常规精磨的硬木纤维，“Swd”指的是常规精磨的软木纤维，“SEPF”指的是根据本发明实施方案的表面增强纸浆纤维。“SEPF精磨能”指的是用于形成表面增强纸浆纤维的精磨能。“WW拉伸％增加”指的是与对照B对比的湿网拉伸强度的增加，并且“湿网TEA”指的是湿网拉伸能量吸收。将相同的常规精磨的硬木纤维和常规精磨的软木纤维用于对照B和实施例9-13中。
表2
如上所示，添加25％的根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维可以使湿网拉伸强度增加45-653％。同样的，添加50％的根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维可以使湿网拉伸强度增加673％及更高。
总之，实施例1-13清楚表明当将表面增强纸浆纤维混合到配料中时，由该配料形成的纸张湿片的湿网拉伸强度增强。这同样说明了对于造纸机操作的大量潜在益处，例如包括改进的运转能力，在配料中使用较低量的软木纤维时相当的或改进的运转能力，配料中增加填料而并不影响机器运转能力，以及其他益处。
实施例II
在本实施例中，制造并且测试混入了根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维的纸张样品以确定与混合表面增强纸浆纤维相关的潜在益处。
以下实施例中，使用常规的纸张制造技术制备纸张样品，仅有的差异是硬木纤维、软木纤维和表面增强纸浆纤维的相对量。用于对照C和
实施例14-15中的常规精磨的硬木纤维是进行精磨直到达到大约50kWh/吨的能量消耗的南方硬木纤维。用于对照C和实施例14-15中的常规精磨的软木纤维是进行精磨直到达到大约100kWh/吨的能量消耗的南方软木纤维。
用于实施例14-15的表面增强纸浆纤维由典型的未精磨的南方硬木纤维形成。将该未精磨的硬木纤维引入到串联排列的双盘精磨机中。第一精磨机具有一对精磨盘，每个盘都具有1.0毫米的棒宽度和2.0毫米的沟纹宽度。第二精磨机具有一对精磨盘，每个盘都具有1.0毫米的棒宽度和1.3毫米的沟纹宽度。纤维以0.25Ws/m的比边载荷在第一精磨机中精磨，之后它们以0.13Ws/m的比边载荷在第二精磨机中精磨直到达到大约400kWh/吨的能量消耗。测量表面增强纸浆纤维的长度加权平均纤维长度为0.40毫米，其中在烘干的基础上，表面增强纸浆纤维的数目为12000根纤维/毫克。使用LDA 96 Fiber Quality Analyzer根据Fiber Quality Analyzer附上的手册指定的过程测量长度加权平均纤维长度。使用以上提供的用于(Lw)的公式计算该长度加权平均纤维长度。
使用指定量的硬木纤维、软木纤维和表面增强纸浆纤维制备典型的纸张级配料。之后使用常规制造技术将该配料加工成纸张样品。该纸张样品具有69.58g/m2(对照C)、70.10g/m2(实施例14)和69.87g/m2(实施例15)的基本重量。测试该纸张样品的堆积性能(bulk)、拉伸强度、孔隙度和硬度、亮度、浊度和其他性质。将该纸张样品送去商业印刷测试以评价它们整体的印刷性能。根据PAPTAC Procedure No.D.12测量在机器方向和横向上的拉伸强度。使用Gurley Densometer根据PAPTAC Procedure No.D.14测量孔隙度。使用Taber型测试仪根据PAPTAC Procedure No.D.28P测量在机器方向和横向上的硬度。表3中报告的其他性质中的每一个都根据PAPTAC的测试过程测量。表3提供了测试结果，且“Hwd”指的是常规精磨的硬木纤维，“Swd”指的是常规精磨的软木纤维，“SEPF”指的是根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维，“md”与多种性能相关，其指的是机器方向上的性能值，并且“cd”与多种性能相关，其指的是横向上的性能值。
表3
表3中的数据表明，纸张样品中软木纤维的量可以减少22％到5％，并且添加10％的根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维，而使纸张的卡钳和物理强度性质保持在纸张级的规格内，并且不影响滤水性能和造纸机运转能力。
实施例III
在本实施例中测量了不同表面增强纸浆纤维的平均水力比表面积。这些实施例中的一些表示本发明的表面增强纸浆纤维的实施方案，而一些并不是。
用于实施例16-30的表面增强纸浆纤维由典型的未精磨的南方硬木纤维形成。在0.25Ws/m的比边载荷下将该未精磨的硬木纤维引入到具有一对精磨盘的盘式精磨机中。正如以下表4中列出的，一些硬木纤维使用具有1.0毫米的棒宽度和1.3毫米的沟纹宽的的盘进行精磨，并且其他的使用具有1.0毫米的棒宽度和2.0毫米的沟纹宽度的盘进行精磨。纤维以间歇式精磨直到达到表4中规定的能量消耗。
依照从http:/www.tappi.org/Hide/Events/12PaperCon Papers/12PAP116.aspx获得的、表征纸浆和原纤悬浮液的耐滤水性能规定的过程使用水力流动测量法，N.Lavrykova-Marrain and B.Ramarao,TAPPI's PaperCon 2012Conference测量表面增强纸浆纤维的水力比表面积。表4提供了结果。
表4
实施例 盘尺寸(棒宽度×沟纹宽度) SPEF精磨能(kWh/吨) 平均水力比表面积(m2/g)
16 1.0mm×1.3mm 0 1.9
17 1.0mm×1.3mm 41 2.8
18 1.0mm×1.3mm 82 3.3
19 1.0mm×1.3mm 123 4.9
20 1.0mm×1.3mm 165 6.9
21 1.0mm×1.3mm 206 8.2
22 1.0mm×1.3mm 441 23.3
23 1.0mm×1.3mm 615 48.7
24 1.0mm×2.0mm 0 1.9
25 1.0mm×2.0mm 40 2.2
26 1.0mm×2.0mm 80 3.5
27 1.0mm×2.0mm 120 4.6
28 1.0mm×2.0mm 160 6.3
29 1.0mm×2.0mm 200 13.5
30 1.0mm×2.0mm 400 16.2
来自表4的数据表明精磨盘上更精细的棒导致更大的原纤化和更高的比表面积。
概要
除非另有说明，本说明书中列举的数字参数都是可以取决于待通过本发明获得的所寻求的期望性质而变化的约数。至少，并且不意欲限制与权利要求范围等价的原则的应用，每个数字参数都应当至少按照报告的有效数字的数并且应用常规舍入法而进行解释。
尽管数字范围和列出本发明宽范围的参数是约数，但是在特殊实施例中列举的数值是尽可能精确报告的。然而，任何数值固有地包含在相应的测试测量中发现的由标准偏差必然导致的某些误差。此外，本文公开的所有范围都理解为涵盖任何和全部包含于其中的子范围。例如，记载的“1到10”的范围应当认为其包括在最小值1和最大值10之间(并且包含端点)的任何和所有子范围；即，所有以最小值1或更大的数开始，例如1到6.1，并且以最大值10或更小的数结束，例如5.5到10的子范围。此外，任何指的是“并入本文”的参考都理解为其整体并入。
进一步指出，用于本说明书中的单数形式“一”和“该”包括复数指代物，除非另外清楚且不含糊限制为一个指代物。
应当理解，本说明书说明了与清楚理解本发明相关的本发明的方面。因此，对本领域技术人员显而易见的本发明的某些方面以及因此不有助于更好理解本发明的那些都未呈现出来以便简化本说明书。虽然结合某些实施方案描述了本发明，但是本发明并不限于公开的特殊的实施方案，而是意在覆盖通过附属的权利要求书限定的在本发明精神和范围内的改进形式。

Claims (20)

1.多个表面增强纸浆纤维，其包括
在具有一对超精细精磨盘的精磨机中由多个硬木纤维形成的多个精磨的硬木纸浆纤维，所述多个精磨的硬木纸浆纤维在小于0.2Ws/m的比边载荷下进行精磨直到达到至少450kWh/吨的能量消耗之后，具有至少大约0.3毫米的长度加权平均纤维长度和至少大约10平方米/克的平均水力比表面积，
其中在烘干的基础上，所述多个精磨的硬木纸浆纤维的纤维数量为至少12000根纤维/毫克，和其中所述多个精磨的硬木纸浆纤维的长度加权平均长度是在引入到精磨机之前的多个硬木纤维的长度加权平均长度的至少60％。
2.权利要求1的多个表面增强纸浆纤维，其中所述多个精磨的硬木纸浆纤维具有至少大约0.4毫米的长度加权平均纤维长度。
3.权利要求1的多个表面增强纸浆纤维，其中所述多个精磨的硬木纸浆纤维具有至少大约12平方米/克的平均水力比表面积。
4.权利要求1的多个表面增强纸浆纤维，其中当具有0.2毫米或更小长度的纤维分类为细料时，所述多个精磨的硬木纸浆纤维具有小于40％的长度加权细料值。
5.权利要求1的多个表面增强纸浆纤维，其中所述多个精磨的硬木纸浆纤维的平均水力比表面积比在引入到精磨机之前的多个硬木纤维的平均水力比表面积高至少6倍。
6.权利要求1的多个表面增强纸浆纤维，其中所述精磨盘具有1.0毫米或更小的棒宽度和1.3毫米或更小的沟纹宽度。
7.权利要求1的多个表面增强纸浆纤维，其中在大约0.1到大约0.2Ws/m的比边载荷下操作所述精磨机。
8.权利要求1的多个表面增强纸浆纤维，其中在大约0.15到大约0.2Ws/m的比边载荷下操作所述精磨机。
9.权利要求1的多个表面增强纸浆纤维，其中所述多个精磨的硬木纸浆纤维的长度加权平均长度是在引入到精磨机之前的多个硬木纤维的长度加权平均长度的至少70％。
10.一种包含权利要求1的表面增强纸浆纤维的制造制品。
11.多个表面增强纸浆纤维，其包括
在大约0.1到大约0.2Ws/m的比边载荷下操作的具有一对超精细精磨盘的精磨机中由多个硬木纤维形成的多个精磨的硬木纸浆纤维，所述多个精磨的硬木纸浆纤维在进行精磨直到达到至少450kWh/吨的能量消耗之后，具有至少大约0.3毫米的长度加权平均纤维长度和至少大约10平方米/克的平均水力比表面积，
其中所述多个精磨的硬木纸浆纤维的长度加权平均长度是在引入到精磨机之前的多个硬木纤维的长度加权平均长度的至少70％；和
其中所述多个精磨的硬木纸浆纤维的平均水力比表面积比在引入到精磨机之前的多个硬木纤维的平均水力比表面积高至少6倍。
12.权利要求11的多个表面增强纸浆纤维，其中所述多个精磨的硬木纸浆纤维的平均水力比表面积比在引入到精磨机之前的纤维的平均水力比表面积高至少8倍。
13.权利要求11的多个表面增强纸浆纤维，其中多个硬木纤维进行精磨直到达到至少650kWh/吨的能量消耗。
14.权利要求11的多个表面增强纸浆纤维，其中当具有0.2毫米或更小长度的纤维分类为细料时，所述多个精磨的硬木纸浆纤维具有小于40％的长度加权细料值。
15.权利要求11的多个表面增强纸浆纤维，其中超精细精磨盘具有1.0毫米或更小的棒宽度和1.3毫米或更小的沟纹宽度。
16.多个表面增强纸浆纤维，其包括
在小于0.2的比边载荷下操作的具有一对超精细精磨盘的机械精磨机中由多个硬木纤维形成的多个精磨的硬木纸浆纤维，所述多个精磨的硬木纸浆纤维在进行精磨直到达到至少450kWh/吨的能量消耗之后，具有至少大约0.3毫米的长度加权平均纤维长度和至少大约10平方米/克的平均水力比表面积，
其中所述多个精磨的硬木纸浆纤维的长度加权平均长度是在引入到精磨机之前的多个硬木纤维的长度加权平均长度的至少60％；和
其中所述多个精磨的硬木纸浆纤维的平均水力比表面积比在引入到机械精磨机之前的多个硬木纤维的平均水力比表面积高至少6倍。
17.权利要求16的多个表面增强纸浆纤维，其中所述多个精磨的硬木纸浆纤维的平均水力比表面积比在引入到机械精磨机之前的纤维的平均水力比表面积高至少8倍。
18.权利要求16的多个表面增强纸浆纤维，其中多个硬木纤维进行精磨直到达到至少650kWh/吨的能量消耗。
19.权利要求16的多个表面增强纸浆纤维，其中所述一对超精细精磨盘具有1.0毫米或更小的棒宽度和1.6毫米或更小的沟纹宽度，和在大约0.1到大约0.2Ws/m的比边载荷下操作。
20.权利要求19的多个表面增强纸浆纤维，其中超精细精磨盘具有1.0毫米或更小的棒宽度和1.3毫米或更小的沟纹宽度。
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