CN108560316A - 提高强度和保持力的方法以及纸张产品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及提高纸张制造中的强度和保持力的方法。根据本发明，在纤维悬浮液中提供包含微纤丝化纤维素的组合物，加入占纤维悬浮液质量为0.1‑10重量％的微纤丝化纤维素，从而提高要形成的产品的强度和保持力。而且，本发明涉及相应的纸张产品。

Description

提高强度和保持力的方法以及纸张产品
发明领域
本发明涉及如权利要求1前序中所述的用于提高造纸中的强度和保持力的方法，还涉及如权利要求18前序中所述的纸张产品。
技术背景
由现有技术已知，有许多不同的方法可用于制造纸浆和纸张产品。
而且，由现有技术已知，可通过与造纸相关的不同填料和涂料例如颜料来提高纸张产品的性质。已知造纸的目的是为纸张产品提供可能的最佳性质。
已知造纸中存在保持力和强度问题。要形成的产品的强度、尤其是干强度，是特别希望提高的重要产品性质。而且，小颗粒如填料和细粒的保持力，在造纸中很重要。保持力是指保留在金属丝上的纤维和填料相对于供给的材料的比值，即，保持力是指金属丝保持纤维浆液的能力。已知有许多不同的保持剂可用于提高保持力。保持剂能使纤维、填料以及纤维浆液的其他化学品适当地固定到网状物。已知的保持剂包括，例如聚丙烯酰胺和组合的保持剂，后者例如阴离子型和阳离子型保持剂的组合。而且，已知可使用聚丙烯酰胺和微颗粒的组合作为保持剂。
另一方面，由现有技术已知，可制造微纤丝化纤维素并将其用于制造纸浆和纸张产品。在对微纤丝化纤维素进行研究时，已经发现微纤丝化纤维素能提高纸张强度，即，微纤丝化纤维素具有较大的比表面积，因此具有较大的粘结面积/材料重量比。
发明目的
本发明的目的是揭示一种提高造纸中的强度和保持力的新型方法，以及相应的纸张产品。
发明概述
根据本发明的方法和相应的纸张产品的特征如权利要求中所述。
本发明基于提高造纸中的强度和保持力的方法。根据本发明，在纤维悬浮液、优选在纸浆中提供包含微纤丝化纤维素的组合物，加入占纤维悬浮液质量为0.1-10重量％的微纤丝化纤维素来提高强度如干强度、干纸张的抗张强度、内部粘结强度和/或初始湿强度、以及要形成的产品的保持力。
本文所述的纤维悬浮液是指基于纤维的浆液的任何悬浮液，该悬浮液包含基于纤维的组合物，该组合物可以由任何基于植物的原料形成，例如基于木材的原料，如硬木原料或软木原料，或者该组合物可以由包含纤维如纤维素纤维的其他植物原料形成。纤维悬浮液可以是通过化学方法形成的基于纤维的浆液，在该化学方法中，将纤维互相分离，通过化学方法用化学品除去大部分木质素，该化学方法可以是例如硫酸盐工艺、亚硫酸盐工艺、苏打工艺、基于有机溶剂的工艺、或本领域中已知的其他化学处理工艺。或者，纤维悬浮液可以是通过机械方法形成的基于纤维的浆液，该机械方法是例如TMP、PGW或CTMP等。
在一种实施方式中，包含微纤丝化纤维素的组合物可以是分散体的形式，例如是凝胶类型或凝胶状形式或是稀释的分散体形式，或者是悬浮液形式，例如水性悬浮液。优选包含微纤丝化纤维素的组合物是水性悬浮液的形式。组合物可包含大于0％至小于100重量％的微纤丝化纤维素。在一种实施方式中，组合物可主要包含微纤丝化纤维素。除了微纤丝化纤维素，组合物可包含其他合适的组分，例如可以从任何基于植物的原料形成的纤维，和/或不同添加剂和/或填料。
本文所述的微纤丝化纤维素(microfibrillated cellulose)是指包含微纤丝的纤维素，即，一组分离的纤维素微纤丝和/或由纤维素原料得到的微纤丝束。纤维素纤维包含作为其股状结构组分的微纤丝。通过纤丝化使得纤维素纤维成为纤维状(fibrous)。微纤丝的长宽比特别高；独立微纤丝的长度可以超过1微米，数均直径通常小于20纳米。微纤丝束的直径可以比较大，但通常小于1微米。最小的微纤丝类似于所谓初级纤丝(elementaryfibril)，其直径通常为2-4纳米。微纤丝和微纤丝束的尺寸和结构取决于原料和生产方法。
微纤丝化纤维素可以从任何基于植物的原料形成，例如基于木材的原料，如硬木原料或软木原料，或者从其他包含纤维素的基于植物的原料形成。基于植物的原料可包括，例如农业废物、草、秸杆、树皮、颖果(caryopse)、果皮、花、蔬菜、棉花、玉米、小麦、燕麦、黑麦、大麦、水稻、亚麻、大麻、麻蕉、剑麻、洋麻、黄麻、苎麻、甘蔗渣、竹或芦苇或其不同组合。
微纤丝化纤维素还可包括半纤维素、木质素和/或提取物，其量取决于所用原料。通过适合于分离目的的设备从上述包含纤维素的原料分离微纤丝化纤维素，所述设备是例如研磨机、粉碎机、均化器、流化器、微观流化器或宏观流化器、低温碾压机和/或超声破碎机。还可利用微生物通过发酵过程直接获得微纤丝化纤维素，所述微生物来自例如醋菌属(genera Acetobacter)、农杆菌(Agrobacterium)、根瘤菌(Rhizobium)、假单孢菌(Pseudomonas)或碱杆菌(Alcailgenes)，最优选来自醋菌属，最优选全部来自木醋杆菌种(species Acetobacter)或巴斯德醋杆菌(Acetobacter pasteurianus)。微纤丝化纤维素的原料还可包括，例如被囊类(拉丁文：tunicata)以及属于囊泡藻界组别(拉丁文：chromalveolata)的生物体，例如水霉(拉丁文：oomycete)，它们产生纤维素。
在一种实施方式中，微纤丝化纤维素可以是纤维素或包含微纤丝的微纤丝束的任意化学或物理改性的衍生物。化学改性可基于例如纤维素分子的羧甲基化、氧化、酯化和醚化反应。还可通过将阴离子型、阳离子型或非离子型试剂或其组合物理吸附到纤维素表面上来进行改性。可以在微纤丝化纤维素的制造之前、过程中或之后进行改性。
微纤丝化纤维素可通过本领域已知的任何方式从基于纤维素的原料来形成。在一种实施方式中，通过纤丝化从干燥和/或浓缩的纤维素原料形成微纤丝化纤维素。在一种实施方式中，纤维素原料经过浓缩。在一种实施方式中，纤维素原料经过干燥。在一种实施方式中，纤维素原料经过干燥和浓缩。在一种实施方式中，纤维素原料经过化学预处理，从而更容易破碎(即不稳定(labilized))，该情况中的微纤丝化纤维素从化学不稳定的纤维素原料形成。例如N-烃氧基(例如2,2,6,6-四甲基-1-哌啶N-氧化物)介导的氧化反应能提供非常不稳定的纤维素原料，该原料特别容易破碎成微纤丝化纤维素。例如在专利申请WO09/084566和JP 20070340371中描述了这种化学预处理。
微纤丝化纤维素的纤丝是长度远大于直径的纤维。微纤丝化纤维素具有较大的比表面积。因此，微纤丝化纤维素能形成多重键，并结合许多颗粒。而且，微纤丝化纤维素具有优良的强度性质。
在一种实施方式中，微纤丝化纤维素至少部分或主要是纳米纤维素。纳米纤维素至少主要由纳米尺寸级别的纤丝组成，其直径小于100纳米，但其长度也可以是微米尺寸级别或以下。或者，微纤丝化纤维素也可称为纳纤丝化纤维素、纳纤丝纤维素、纤维素的纳米纤维、纳米尺度的纤丝化纤维素、微纤丝纤维素、或纤维素的微纤丝。优选本文所述的微纤丝化纤维素并非是指所谓纤维素纳米晶须或微晶纤维素(MCC)。
在本发明的一种实施方式中，在纤维悬浮液中加入包含阳离子型微纤丝化纤维素的组合物。
在本发明的一种实施方式中，在纤维悬浮液中加入包含阴离子型微纤丝化纤维素的组合物。
在本发明的一种实施方式中，所述组合物包含含有微纤丝化纤维素的组分，和填料，例如PCC。
在本发明的一种实施方式中，所述组合物包含含有微纤丝化纤维素的组分，和基于纤维的固体材料，例如细粒。
在一种实施方式中，组合物包含添加剂，例如AKD过筛试剂、ASA过筛试剂或相应的添加剂。
在本发明的一种实施方式中，组合物中包含微纤丝化纤维素的组分是阴离子型的。在一种实施方式中，包含微纤丝化纤维素的组分是阴离子型的，填料是阳离子型的。
在本发明的一种实施方式中，组合物中包含微纤丝化纤维素的组分是阳离子型的。在一种实施方式中，包含微纤丝化纤维素的组分是阳离子型的，填料是阴离子型的。
在本发明的一种实施方式中，在包含填料的纤维悬浮液中加入包含阴离子型和/或阳离子型微纤丝化纤维素的组合物。在一种实施方式中，在包含阳离子型填料如PCC作为填料的纤维悬浮液中加入包含阴离子型微纤丝化纤维素的组合物。
在本发明的一种实施方式中，在包含细粒的纤维悬浮液中加入包含阴离子型和/或阳离子型微纤丝化纤维素的组合物，在一种实施方式中，所述细粒是基于纤维的细粒。
在一种实施方式中，将包含阴离子型和/或阳离子型微纤丝化纤维素的组合物加到包含添加剂的纤维悬浮液中。
在一种实施方式中，将包含阴离子型和/或阳离子型微纤丝化纤维素的组合物加到包含填料、细粒和/或添加剂的纤维悬浮液中。
在本发明的一种实施方式中，将阳离子型聚合电解质加到包含微纤丝化纤维素的组合物中。
在本发明的一种实施方式中，将阴离子型聚合电解质加到包含微纤丝化纤维素的组合物中。
在本发明的一种实施方式中，将无机纳米颗粒和/或无机微米颗粒如SiO2颗粒加到包含微纤丝化纤维素的组合物中。在一种实施方式中，将无机纳米颗粒和/或微米颗粒加到包含阳离子型微纤丝化纤维素的组合物中。在一种实施方式中，将聚合电解质以及无机纳米颗粒和/或无机微米颗粒加到包含微纤丝化纤维素的组合物中。
在本发明的一种实施方式中，将占纤维悬浮液质量为1-5重量％、在一种优选实施方式中为1-3重量％的微纤丝化纤维素加到所述纤维悬浮液中。
在本发明的一种实施方式中，用包含微纤丝化纤维素的组合物代替至少部分的保持化学剂和/或强度化学剂。在一种实施方式中，用包含微纤丝化纤维素的组合物代替部分的常规的保持化学剂和/或强度化学剂。在一种实施方式中，用包含微纤丝化纤维素的组合物完全代替常规的保持化学剂和/或强度化学剂。在其中的常规保持化学剂被完全代替的一种实施方式中，使用同时包含阳离子型微纤丝化纤维素和阴离子型微纤丝化纤维素的组合物。在一种实施方式中，对2组分保持组合中的一种组分进行代替，例如聚合物组分或微米颗粒(microparticle)组分。在其中的聚合物组分被代替的一种实施方式中，使用包含阳离子型微纤丝化纤维素的组合物。在其中的微米颗粒组分被代替的一种实施方式中，使用包含阴离子型微纤丝化纤维素的组合物。在一种实施方式中，对多组分保持组合中的至少一种组分进行代替。
在本发明的一种实施方式中，使用该方法来制造包含微纤丝化纤维素的纤维悬浮液。在本发明的一种实施方式中，使用该方法来制造纸浆。
在本发明的一种实施方式中，使用该方法来造纸。根据本发明的方法可用于制造不同的纸张产品，其中该纸张产品从基于纤维的组合物形成。本文所述的纸张产品是指任何基于纤维的纸张、纸板或纤维产品，或者等同产品。可以从化学浆液、机械浆液、化学机械浆液、再循环浆液、纤维浆液和/或基于植物的浆液形成纸张产品。纸张产品可包含适当的填料和添加剂，以及不同的表面处理剂和涂覆剂。
在本发明的一种实施方式中，使用该方法来制造包含微纤丝化纤维素的产品，例如用于制造不同的组合物和混合物，优选用于制造沉淀的组合物和混合物，用于制造不同的膜，用于制造不同的复合产品，或用于等同情况。在一种实施方式中，主要使用该方法来制造包含微纤丝化纤维素的产品，例如用于制造沉淀的微纤丝纤维素悬浮液，或者用于制造从微纤丝化纤维素形成的膜。
而且，本发明以从基于纤维的组合物形成的相应纸张产品为基础。根据本发明，纸张产品包含微纤丝化纤维素，将包含微纤丝化纤维素的组合物加到纤维悬浮液中，所含的基于纤维的组合物量占纤维悬浮液质量的0.1-10重量％，纸张产品具有改善的保持力和强度。
本发明提供了相对于现有技术相当大的进步。
通过本发明能提高包含微纤丝化纤维素的纸张产品的保持力和强度。通过根据本发明的方法，能对填料的保持力或添加剂的保持力或整个纤维悬浮液的保持力产生影响。
通过本发明能改善所形成的纸张产品的品质，并能降低原料和能量成本。
根据本发明的方法很容易使用到工业中。
而且，本发明提供了一种使用微纤丝化纤维素的新方法。
发明详述
以下通过所附实施例更详细地描述本发明。
实施例1
对包含PCC的纤维悬浮液的保持力进行了研究。将纳米纤维素加到纤维悬浮液中。纤维悬浮液是用于制造纸张产品的浆液。
使用阴离子型纳米纤维素来粘结阳离子型颗粒，例如沉淀的碳酸钙(PCC)，从而提高纤维悬浮液中细粒的保持力。将3重量％的阴离子型纳米纤维素加到包含20重量％沉淀碳酸钙(PCC)的纤维悬浮液中。从纤维悬浮液形成薄片。对通过加入纳米纤维素而获得的薄片的保持力进行测定。作为参比，还对从包含20重量％沉淀碳酸钙(PCC)但不含纳米纤维素的纤维悬浮液形成的薄片的保持力进行测定。而且，对这两种薄片的强度进行测定。
发现通过根据本发明的方案能显著提高填料(即PCC)的保持力。保持力从62％提高到84％。而且，发现产品的干强度得到提高。发现该效果是由于纳米纤维素的物理和化学性质而提供的。由于纳米纤维素具有宽泛的比表面积而且微纤丝具有高的长宽比，所以纳米纤维素能在非常稀的水性悬浮液中在产物组合物内形成网络结构，从而提高强度和保持力。发现阴离子型纳米纤维素使阳离子型PCC群集，从而能更有效地被纤维保留。
而且，研究了加入纳米纤维素的量对保持力的影响。发现随着包含20重量％沉淀碳酸钙的纤维悬浮液中的纳米纤维素量从1重量％增加到3重量％，沉淀碳酸钙的保持力从75％增加到82％。而且，发现随着纳米纤维素量从3重量％增加到6％重量％，沉淀碳酸钙的保持力进一步略微增加，但并非显著增加。
实施例2
利用抗张指数研究了加入阳离子型纳米纤维素对产品干强度的影响。将20、30和45毫克/克阳离子型纳米纤维素加到包含少量细粒(10分钟研磨)的纤维浆液1以及包含较多细粒(30分钟研磨)的纤维浆液2中。从纤维浆液形成薄片，测定强度。使用松木化学浆液作为纤维浆液。
发现从纤维浆液1形成的薄片强度小于从参比组合物形成的产品强度，该参比组合物包含10毫克/克的阳离子型淀粉以及20、30和45毫克/克的阴离子型纳米纤维素。而且，发现从纤维浆液2形成的薄片强度明显优于从纤维浆液1形成的薄片强度。因此，阳离子型纳米纤维素对强度的影响明显较高，这是因为阳离子型纳米纤维素能保留细粒，从而提高了薄片强度。在此基础上，可以为了强化目的而用纳米纤维素代替淀粉。
根据本发明的方法可适合于多种不同的应用，从而制造非常不同的产品。
本发明并不仅仅限于上述实施例，相反，在权利要求限定的本发明理念范围内可以有许多变化。

Claims (16)

1.一种提高形成产品的造纸中的强度和保持力的方法，其特征在于，对微纤丝化纤维素进行改性，从而形成阴离子改性的微纤丝化纤维素，向包含阳离子型填料的纤维悬浮液中加入包含阴离子改性的微纤丝化纤维素的组合物，加入占所述纤维悬浮液质量为0.1-10重量％的阴离子改性的微纤丝化纤维素，从而提高要形成的产品的保持力并提高强度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对纤维素或由微纤丝构成的微纤丝束进行改性并微纤丝化，从而形成阴离子改性的微纤丝化纤维素。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述组合物包含含有阴离子改性的微纤丝化纤维素的组分和填料。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述组合物包含含有阴离子改性的微纤丝化纤维素的组分和基于纤维的固体材料。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述包含阴离子改性的微纤丝化纤维素的组合物加到包含填料的纤维悬浮液中。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述包含阴离子改性的微纤丝化纤维素的组合物加到包含细粒的纤维悬浮液中。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将阳离子型聚合电解质加到所述包含微纤丝化纤维素的组合物中。
8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将阴离子型聚合电解质加到所述包含阴离子改性的微纤丝化纤维素的组合物中。
9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将无机纳米颗粒和/或无机微米颗粒加到所述包含阴离子改性的微纤丝化纤维素的组合物中。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将占纤维悬浮液质量为1-5重量％的阴离子改性的微纤丝化纤维素加到所述纤维悬浮液中。
11.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用所述包含阴离子改性的微纤丝化纤维素的组合物代替至少部分的保持化学剂和/或强度化学剂。
12.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将包含阳离子型微纤丝化纤维素的组合物加到所述纤维悬浮液中。
13.如权利要求1-12中任一项所述的方法的应用，其特征在于，将所述方法用于制造纤维悬浮液。
14.如权利要求1-12中任一项所述的方法的应用，其特征在于，将所述方法用于造纸。
15.如权利要求1-12中任一项所述的方法的应用，其特征在于，将所述方法用于制造包含阴离子改性的微纤丝化纤维素的产品。
16.从基于纤维的组合物形成的纸张产品，其特征在于，所述纸张产品包含阴离子改性的微纤丝化纤维素，并且所述纸张产品由包含基于纤维的组合物和阳离子填料的纤维悬浮液和包含阴离子改性的微纤丝化纤维素的组合物形成，所述包含阴离子改性的微纤丝化纤维素的组合物加到纤维悬浮液中，加入量占纤维悬浮液质量为0.1-10重量％，所述纸张产品具有提高的强度。
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