CN112534099A - 在纤维素纸浆中使用微纤化纤维素的纸和造纸方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及牛皮纸、袋式牛皮纸或纸板的造纸方法，所述造纸方法包括添加1.0重量％至1.5重量％的具有在1纳米与568纳米之间的优选平均直径的MFC和范围从1.0kg/吨至10.0kg/吨、优选5.0kg/吨的淀粉，产生具有较高浓度的微纤维和改善的强度的纸浆，以及因此，具有范围从60g/m2至440g/m2克重以及改善的强度特性的最终纸，以用于包装材料。

Description

在纤维素纸浆中使用微纤化纤维素的纸和造纸方法
技术领域
本发明涉及造纸方法，所述造纸方法包括向纤维素纸浆中添加微纤化纤维素(microfibrillated cellulose；MFC)，产生具有特殊克重和改善的机械强度特性的纸。本发明涉及造纸领域。
背景技术
在国家议程中对环境的关注日益突出，所述国家议程制定了法律来管理废物的产生及其终点。所有此类工作源自以下认识：在工业生产过程中必须使用来自可再生来源的原材料。
纸浆和纸生产链的特征在于高的投资程度并且在规模经济中具有重要地位，因为从森林开发到商业化都存在。
工厂的位置与森林资产的集中度有关，并且原材料的生产与工业过程之间存在强烈的依赖性。
因此，减少对原材料的依赖性和提取并且赋予纸(使用整合到造纸方法的微纤化纤维素(MFC)代替使用大量的添加剂产生的)更大的机械强度的造纸方法减少了损失，使得所述方法比较便宜并且对环境的危害更少。
WO 2011/068457涉及用于生产具有改善的克重和强度的纸或纸板的方法，所述纸或纸板包含成型基料，所述成型基料包含纤维素纤维，其中分别添加2至15重量％的阳离子淀粉和1至15重量％的MFC。据报道，大量淀粉会增加所产生的纸的强度，并且MFC有助于淀粉保留。然而，此现有技术文献没有讨论克重，也没有讨论证明所产生的纸的更大强度的测试。
WO 2010/125247涉及用于生产要在纸和纸板的制造中使用的水性纸糊(paperpaste)的方法，所述水性纸糊包含阳离子聚电解质(如淀粉)和纳米纤维化(nanofibrillated)纤维素(其定义涵盖MFC)，通过所述方法，所述纸和纸板获得了高负载含量和良好的机械强度。1.5重量％和3重量％的MFC被用于生产具有在55g/m2与60g/m2之间克重的纸。因此，此现有技术文献描述了使用量大得多的MFC并且产生具有较小克重的纸的方法。
最后，文章“Cellulose nanofibrils-adsorption with poly(amideamine)epichlorohydrin studied by QCM-D and application to paper strength additive”(Ahola等人，Cellulose(2008)15:303-314)描述了随着微纤化纤维素浓度的增加，纸的湿强度和干强度增加。以纤维素纸浆的1重量％、2重量％、4重量％、6重量％和10重量％添加MFC，产生了具有60g/m2的克重的纸，即，使用量大得多的MFC，产生了具有较小克重的纸。
尽管一些现有技术涉及在纤维素纸浆中使用MFC来提高纸的物理和机械特性(如阻力)，但没有现有技术描述在使用非常低量MFC的情况下就能够产生高克重的方法，因此证明了所提出的方法在原材料使用少和生物精制概念方面的优势。
根据本发明的纸具有改善的物理特性，例如强度和克重。所述纸是通过纤维素纸浆的制造方法产生的，所述纤维素纸浆包含按纤维素纸浆的重量计从1％至1.5％的MFC以及在1.0kg/吨至10.0kg/吨范围内、优选5.0kg/吨的淀粉，从而在纸生产线中从所述纸浆产生最终纸，所述最终纸具有范围从60g/m2至440g/m2的克重，并且这样的方法既不需要大量的稀释剂也不需要大量的添加剂。因此，通过这种方法，使用较少量的原材料产生了具有更好的物理和机械特性的纸。此外，添加MFC导致这种纸浆的排水阻力(drain resistance)的显著变化(如通过°SR度测量的)。°SR度是纸浆排水阻力程度的量度，所述排水阻力程度随着纤维素纸浆精制负载(refinement load)的增加而增加。通过将MFC添加到纤维素纸浆中，观察到了相同的性能，因此证明了在纸浆厂中添加MFC在部分替代精制操作中的增强作用之一。
发明内容
在第一方面，本发明描述了具有改善的克重和强度的包含微纤化纤维素的纸。
本发明的第一目的是具有特殊克重的包含微纤化纤维素的纸。
在优选的实施方式中，所产生的纸的克重范围从60g/m2至440g/m2，并且所述纸中的微纤化纤维素的量的范围从纸质量的1.0％至1.5％。
本发明的另一个特征涉及牛皮纸(Kraft)、袋式牛皮纸(sackraft)、仿牛卡纸(testliner)、瓦楞纸或板类型的纸。
在第二方面，本发明描述了使用MFC的造纸方法。
本发明的第二目的是造纸方法，所述造纸方法包括向纤维素纸浆中添加微纤化纤维素和淀粉。
在优选的实施方式中，微纤化纤维素的添加量为纤维素纸浆的1重量％至1.5重量％，并且添加到纤维素纸浆的淀粉的量为5.0kg/吨纸浆。
权利要求的另一个特征是以下事实：使用的纤维素纸浆可以是漂白的、褐色的或机械的。
本发明的这些和其他目的将在附图和下面的说明中详细说明。
附图说明
图1示出了在其组成中具有和不具有MFC的纤维素层之间的差异的示意图，因此证明了游离羟基之间的更大数目的键。
图2示出了(A)纤维素纸浆的以微米计的褐色短纤维以及(B)以纳米计的褐色短纤维MFC的尺寸分布。
图3分别示出了褐色短纤维和用所述纤维产生的MFC的200x大小的光学显微术图像(A)和23900x大小的另一电子显微术图像。
图4示出了纤维素纸浆中的褐色长纤维的微米(A)尺寸分布和用这种纤维素纸浆产生的MFC的纳米(B)尺寸分布。
图5分别示出了褐色长纤维和用所述纤维素纸浆产生的MFC的100x大小的光学显微术图像(A)和7540x大小的另一电子显微术图像。
图6示出了(A)以微米计的漂白的短纤维和(B)由所述漂白的短纤维产生的MFC的尺寸分布。
图7示出了漂白的短纤维和用所述纸浆产生的MFC的200x大小的光学显微术图像(A)和33000x大小的另一电子显微术图像。
图8示出了随着用于产生牛皮卡纸(kraftliner paper)的包含长纤维和短纤维的混合物的纤维素纸浆中MFC浓度的增加，Schopper Riegler度(°SR)的变化，并且也代表了在任何类型的牛皮纸、半化学或商业纤维素纸浆中添加MFC的性能。
图9示出了在用于产生牛皮卡纸的包含长纤维和短纤维的混合物的纤维素纸浆中不同浓度的MFC下，随着时间增加的排水性能。
图10示出了：随着时间的推移，工业造纸机的匀染箱(level box)和输入箱中MFC剂量对Schopper Riegler度(°SR)的影响。
图11示出了：随着时间的推移，工业造纸机中MFC配量对伏辊(Couch roll)的真空度的影响。
图12示出了：随着时间的推移，工业造纸机中MFC配量对Turbair系统的真空度的影响。
图13示出了：随着时间的推移，工业造纸机中MFC配量对平台(flat table)保留的影响。
图14示出了：随着时间的推移，工业造纸机中MFC配量对白水(white water)浊度的影响。
图15示出了参考纸与用具有MFC的纤维素纸浆在不同批次中产生的纸的纵向抗张强度的比较。
图16示出了参考纸与用具有MFC的纤维素纸浆在不同批次中产生的纸的横向抗张强度的比较。
图17示出了参考纸与用具有MFC的纤维素纸浆在不同批次中产生的纸的纵向拉伸的比较。
图18示出了参考纸与用具有MFC的纤维素纸浆在不同批次中产生的纸的横向拉伸的比较。
图19示出了参考纸与用具有MFC的纤维素纸浆在不同批次中产生的纸的纵向抗张能量吸收(TEA)的比较。
图20示出了参考纸与用具有MFC的纤维素纸浆在不同批次中产生的纸的横向抗张能量吸收(TEA)的比较。
图21示出了参考纸与用具有MFC的纤维素纸浆在不同批次中产生的纸的短压碎测试(Short Crush Test)(SCT)的比较。
图22示出了参考纸与用具有MFC的纤维素纸浆在不同批次中产生的纸的环形压碎测试(Ring Crush Test)(RCT)的比较。
图23示出了参考纸与用具有MFC的纤维素纸浆在不同批次中产生的纸的耐破性(bursting resistance)的比较。
图24示出了参考纸与用具有MFC的纤维素纸浆在不同批次中产生的纸的斯科特(层间)粘合(Scott(Ply)Bond)的比较。
图25示出了参考纸与用具有MFC的纤维素纸浆在不同批次中产生的纸的气流阻力(葛尔莱(Gurley))的比较。
图26示出了以不同的Schopper Riegler度或°SR以及不同水平的MFC添加而制成的袋式牛皮纸的撕裂指数的比较。
图27示出了以不同的Schopper Riegler度或°SR以及不同水平的MFC添加而制成的袋式牛皮纸的抗张指数的比较。
图28示出了以不同的Schopper Riegler度或°SR以及不同水平的MFC添加而制成的袋式牛皮纸的耐破指数的比较。
图29示出了以不同的Schopper Riegler度或°SR以及不同水平的MFC添加而制成的袋式牛皮纸的抗张能量吸收(TEA)的比较。
图30示出了以不同的Schopper Riegler度或°SR以及不同水平的MFC添加而制成的袋式牛皮纸的拉伸的比较。
图31示出了以不同的Schopper Riegler度或°SR以及不同水平的MFC添加而制成的袋式牛皮纸的气流阻力(葛尔莱)的比较。
图32示出了以不同的Schopper Riegler度或°SR以及不同水平的MFC添加而制成的袋式牛皮纸的排水的比较。
图33示出了以不同的克重以及不同水平的MFC添加而制成的袋式牛皮纸的撕裂的比较。
图34示出了以不同的克重以及不同水平的MFC添加而制成的袋式牛皮纸的抗张强度的比较。
图35示出了以不同的克重以及不同水平的MFC添加而制成的袋式牛皮纸的耐破度(bursting)的比较。
图36示出了以不同的克重以及不同水平的MFC添加而制成的袋式牛皮纸的抗张能量吸收(TEA)的比较。
图37示出了以不同的克重以及不同水平的MFC添加而制成的袋式牛皮纸的拉伸的比较。
图38示出了以不同的克重以及不同水平的MFC添加而制成的袋式牛皮纸的气流阻力(葛尔莱)的比较。
图39示出了所制造的纸板的覆盖层的Schopper Riegler度或°SR以及不同水平的MFC添加的比较。
图40示出了以不同浓度的MFC添加到纸板覆盖层的纤维素纸浆中制成的纸板覆盖层的保水值(WRV)的比较。
图41示出了以不同浓度的MFC添加到纸板覆盖层的纤维素纸浆中制成的纸板覆盖层的排水(排水游离度保留(Drainage Freeness Retention)或DFR)的比较。
图42示出了以不同浓度的MFC添加到纸板覆盖层的纤维素纸浆中制成的纸板覆盖层的抗张指数(IT)的比较。
图43示出了以不同浓度的MFC添加到纸板覆盖层的纤维素纸浆中制成的纸板覆盖层的耐破指数的比较。
图44示出了以不同浓度的MFC添加到纸板覆盖层的纤维素纸浆中制成的纸板覆盖层的抗张能量吸收(TEA)的比较。
图45示出了以不同浓度的MFC添加到纸板覆盖层的纤维素纸浆中制成的纸板覆盖层的气流阻力(葛尔莱)的比较。
图46示出了以不同浓度的MFC添加到纸板覆盖层的纤维素纸浆中制成的纸板覆盖层的粗糙度的比较。
图47示出了以不同浓度的MFC添加到纸板中间层的纤维素纸浆中制成的纸板中间层的排水阻力(通过Schopper Riegler度或°SR指示)的比较。
图48示出了以不同浓度的MFC添加到纸板中间层的纤维素纸浆中制成的纸板中间层的保水值(WRV)的比较。
图49示出了以不同浓度的MFC添加到纸板中间层的纤维素纸浆中制成的纸板中间层的排水(排水游离度保留或DFR)的比较。
图50示出了以不同浓度的MFC添加到纸板中间层的纤维素纸浆中制成的纸板中间层的抗张指数(IT)的比较。
图51示出了以不同浓度的MFC添加到纸板中间层的纤维素纸浆中制成的纸板中间层的耐破度的比较。
图52示出了以不同浓度的MFC添加到纸板中间层的纤维素纸浆中制成的纸板中间层的抗张能量吸收(TEA)的比较。
图53示出了以不同浓度的MFC添加到纸板中间层的纤维素纸浆中制成的纸板中间层的气流阻力(葛尔莱)的比较。
图54示出了以不同浓度的MFC添加到纸板底层的纤维素纸浆中制成的纸板底层的Schopper Riegler度或°SR的比较。
图55示出了以不同浓度的MFC添加到纸板底层的纤维素纸浆中制成的纸板底层的保水值(WRV)或保水值的比较。
图56示出了以不同浓度的MFC添加到纸板底层的纤维素纸浆中制成的纸板底层的排水(排水游离度保留或DFR)的比较。
图57示出了以不同浓度的MFC添加到纸板底层的纤维素纸浆中制成的纸板底层的抗张指数(IT)的比较。
图58示出了以不同浓度的MFC添加到纸板底层的纤维素纸浆中制成的纸板底层的耐破度的比较。
图59示出了以不同浓度的MFC添加到纸板底层的纤维素纸浆中制成的纸板底层的抗张能量吸收(TEA)的比较。
图60示出了以不同浓度的MFC添加到纸板底层的纤维素纸浆中制成的纸板底层的气流阻力(葛尔莱)的比较。
图61示出了市场上可获得的具有不同浓度的MFC的纤维素纸浆的SchopperRiegler度或°SR的比较。
图62示出了市场上可获得的具有不同浓度的MFC的纤维素纸浆的保水值(WRV)的比较。
图63示出了市场上可获得的具有不同浓度的MFC的纤维素纸浆的排水(排水游离度保留或DFR)的比较。
图64示出了市场上可获得的具有不同浓度的MFC的纤维素纸浆的抗张指数(IT)的比较。
图65示出了市场上可获得的具有不同浓度的MFC的纤维素纸浆的耐破度的比较。
图66示出了市场上可获得的具有不同浓度的MFC的纤维素纸浆的抗张能量吸收(TEA)的比较。
图67示出了市场上可获得的具有不同浓度的MFC的纤维素纸浆的气流阻力(葛尔莱)的比较。
图68示出了市场上可获得的具有不同浓度的MFC的纤维素纸浆的拉伸的比较。
图69示出了市场上可获得的具有不同浓度的MFC的纤维素纸浆的撕裂的比较。
图70示出了市场上可获得的具有不同浓度的MFC的纤维素纸浆的弹性模量(MOE)的比较。
具体实施方式
本文示出的示例仅旨在说明本发明的众多实施方式中的一些，并且不应被解释为限制本发明的范围，而仅仅是例示大量可能的实施方式。
实现本发明提出的结果的量或参数的微小改变应被认为在本发明的范围内。
微纤化纤维素(MFC)
微纤化纤维素、微原纤维纤维素(microfibril cellulose)、纳米纤维化纤维素或甚至纳米纤维或纳米纤维素是常见的术语，所述术语是指直径在小于1000nm范围内的纤维素原纤维的缠绕物，并且所述缠绕物具有无定形和结晶区域，构成其结构。MFC的特征为如下类型的纤维素，其中微纤维分裂成大量的微原纤维或甚至更细的原纤维。这产生了增加的表面积，赋予产品新特性。MFC在本发明中主要用作用于内部纸粘合的增强剂和用作物理纸结构的改性剂。
MFC通常源自木材来源并且是市场上最可持续的替代品之一。然而，除了源自木材和非木材的任何生物质来源之外，MFC还可以由任何纤维素纤维来源(无论其是机械的、未漂白的和漂白的)产生。
MFC表面积是这种物质的特殊特性：仅用一克MFC，就可以覆盖多达200m2的物理空间。这种特性是由于微纤维中可用的大量羟基(-OH)，这些羟基是高度亲水的并捕获附近的水。MFC微纤维能够捕获比其自身重量多40倍的水。
由于MFC是高度亲水的材料，因此MFC能够充当高级流变改性剂，提供非常有趣的喷雾特性和极高的静止粘度。MFC以其剪切和非牛顿性能而著称，并且MFC还显示出作为稳定剂的潜力，尤其是在稳定乳液(油包水或水包油)方面。
MFC是纸层之间的大型粘合网络，确保纸层之间的纤维-MFC-纤维粘合界面表现出其最大的潜能(由于暴露的OH基团(图1))及其高表面积。MFC填充了所产生的纸的大孔隙和微孔隙二者，改变了层之间的粘合结构并形成了完美的粘合。
MFC多功能性还允许其部分采取添加剂和稳定成分，如表面活性剂。此外，MFC潜在地是强度添加剂。由于这些特性，对在例如涂料、粘合剂、电子产品、化妆品以及许多其他领域等的应用中使用MFC越来越感兴趣。
MFC微纤维尺寸对于决定其功能性也是重要的。微纤维长度的增加对木材和纸中复合材料的张力、弹性和阻力特性具有有益的影响。
MFC生产
根据本发明，MFC的生产可以细分为5个主要步骤：
1.第一稀释；
2.处理；
3.机械加工；
4.第二稀释；以及
5.储存。
第一步骤包括将漂白或未漂白的牛皮纸浆稀释至2％的稠度，所述稠度对于MFC加工是理想的。
第二步骤是化学-酶处理。在此步骤中，进行用于加工的纸浆的制备。首先，使用硫酸铝(Al2(SO4)3)将每个容器的pH调节至6.0。将中性介质中的纸浆加热到35℃-40℃，持续50-60分钟，然后用125g酶/吨干纸浆进行处理，其中这种酶属于内切葡聚糖酶家族。将产物在考雷司(cowles)摇动器中保持分散，持续25分钟。在这段时间之后，通过用约200g/吨纸浆剂量的液体苏打(氢氧化钠，NaOH)将pH调节到13-14来停止酶作用。
第三步骤是加工步骤，其中将纸浆通过泵转移到立式机械磨机中并进行加工。所述磨机包含2％cSt(稠度)的氧化铝石(Al2O3)。将所述过程进行两次，并且必须注意的是，在第一次研磨之后，仍可以看到完整纤维，但是在第二次研磨中却看不到，因此证明了纤维的微米/纳米尺度。在表1中示出了在此步骤之后产生的微纤维的尺寸，而表2示出了在2％cst下的微纤维的不同表征参数。
表1-每个生产步骤的纤维素微原纤维的纸浆直径范围和频率：
Figure BDA0002799816390000091
表2-2％cSt下的纸浆和微纤维的表征参数：
参数/阶段 纸浆 经处理的纸浆 第一遍 第二遍
pH 6.7 12.9 12.9 12.7
粘度(cps) 1123.5 689.3 2030.0 4893.3
浊度(NTU) 13.8 17.4 28.9 91.8
第四步骤是以下步骤：在罐中稀释经处理和加工的纸浆直至其达到0.8％cSt稠度，其中所述纸浆经由开口进入和离开过滤器，以及用桨叶电动机搅拌以避免沉降。随后通过0.05mm过滤器过滤纸浆。
第五步骤也是最后一步是储存，其中在搅拌下将经稀释的纸浆引导到合适的罐中。
可以使用以下公式来进行CFM生产的理论能耗的计算：
Figure BDA0002799816390000101
其中v是张力(V)，i是平均电流(A)，fp是以马力(horse)计的电动机功率因数(cv)，并且P是产量/小时(干kg数)。制备两罐的总能量消耗估计为7075.6KW.h/t。
必须注意的是，本发明也可以仅使用步骤3(机械加工)来进行以生产MFC，从而减少了方法的能量消耗。
纤维素纸浆中使用的MFC纤维的表征
纤维素纸浆富含纤维，但是所述纤维并不是它们拥有的唯一结构元素。纤维、纤维碎片、木质素、薄壁组织细胞和导管分子被组合成丰富的共混物。包含所有这些有机组分的纸浆被认为是牛皮纸浆。
为了通过除去其他不期望的组分(木质素、提取物和生色团)来纯化褐色纸浆，进行了漂白。漂白是工厂操作，其中纤维素纸浆接受还原和氧化化学处理，然后接受洗涤或不接受洗涤。这些不期望的组分在洗涤期间被除去。从增加盈利性的观点和从强度的观点出发，都期望在此过程期间发生纤维的最少降解。漂白后，纸浆被认为是白色的/漂白的。
本发明在漂白之前和之后都进行了纤维素纤维的表征。然而，应注意，取决于要生产的纸的类型，本发明可以使用褐色的、漂白的或机械的纸浆。实际的示例(但不限于此)有：用褐色长纤维MFC产生的袋式牛皮纸，和在覆盖层中用漂白的短纤维MFC以及在中间层和底层中用褐色短纤维MFC产生的纸板。
最初，短褐色纤维的表征是通过光学显微术和电子显微术进行的，在这种纤维的MFC的电子显微术中获得了较大的代表性范围(直径从0至568纳米变化)(图2)。电子显微术成像对于限定来自纤维的MFC的实际尺寸是必要的。对于光学显微术和电子显微术分别为200倍和23900倍大小的图像反映了投影中纤维和MFC的尺寸(图3)。
然后，再次通过光学显微术和电子显微术二者进行褐色长纤维的表征。通过电子显微术，获得了MFC的较大的代表性范围(直径从9至568纳米变化)(图4)。电子显微术成像对于限定来自e纤维的MFC的实际尺寸是必要的。对于光学显微术和电子显微术分别为100倍和7400倍大小的图像反映了投影中纤维和MFC的尺寸(图5)。
最后，再次通过光学显微术和电子显微术二者进行漂白的短纤维的表征。通过电子显微术，获得了MFC的较大的代表性范围(直径从11至98纳米变化)(尽管其他范围，例如33-43，也很重要)(图6)。电子显微术成像对于限定来自纤维的MFC的实际尺寸是必要的。对于光学显微术和电子显微术分别为200倍和33000倍大小的图像反映了投影中纤维和MFC的尺寸(图7)。
因此，对于生产具有改善的特性的纸，褐色的和漂白的短纤维以及褐色长纤维的MFC被认为具有令人满意的尺寸。
还测量了所产生的MFC的ζ电势。ζ电势是稳定性参数，因为表面上的残留电荷可能彼此排斥，并使包含它们的介质不稳定。微原纤维的不同尺寸可能导致交错，所述交错影响值差。另外，由于残留半纤维素的凝集能力，残留半纤维素的存在也可改变此参数的读数。发现的值与微原纤维的ζ电势(在-56.96mV与-26.86mV之间的电势)一致。
表3-从ζ电势分析获得的值：
样品 值1 值2 平均值(mV) 标准偏差
褐色短纤维MFC -37.6 -36.8 -37.2 0.57
褐色长纤维MFC -33.7 -40.3 -37.1 4.67
白色短纤维MFC -33.1 -32.8 -33.0 0.21
去离子水 -19.3 -19.3 -19.3 0.00
将MFC应用于纸浆以生产牛皮纸
牛皮纸或牛皮卡纸是用短纤维素纤维和长纤维素纤维的混合物制成的或不是用所述混合物制成的，来自木材牛皮纸浆的一种类型的纸。
在造纸机4(MP4)中的牛皮纸生产中，评价了微纤化纤维素作为强度添加剂的用途。在混合罐中加入1.0％-1.5％之间的MFC以及5.0kg/t阳离子淀粉。无需降低机器速度，没有由于因排水遇到的困难而导致的生产中断，纸保留水平保持高并且，另外，纸形成保持良好而无需对机器进行另外的调整。
可以观察到，MFC添加导致物理纸结构的改变，所述改变影响物理纸结构形成期间的水排放和移动现象。这种增加是预料中的，因为由于MFC的高比表面而增加了粘合的数量和频率，所述高比表面促进与形成纸的纤维表面的界面处的强的相互作用。因此，MFC与构成纸结构的纤维的表面的最大数目的粘合和相互作用证明了具有改善的物理和机械特性的纸的产生。
这些物理和机械特性一般是通过纸生产和纤维素工业常用的测试的比较来测量的。例如Schopper Riegler度或°SR、抗张强度(直到纸破损的强度)、拉伸(直到纸破损的另一种强度量度)、耐破度或耐破性(至纸破损开始的强度)、抗撕裂性(保持纸破损直到完全分离所需的强度)、抗张能量吸收(TEA)(总纸破损的另一种强度量度)、短压碎测试(SCT)(抗压强度)、环形压碎测试(RCT)(抗压强度的另一种量度)、斯科特(层间)粘合(对层离或层损失的抗性)、葛尔莱(气流阻力，其指示纸的大孔隙和微孔隙的性能)、保水值(WRV)(纸中保留的水的量的量度)、排水游离度保留(DFR)(排水时间)和弹性模量(MOE)(材料刚度的量度)等的测量。应当注意，一些测试是以指数来测量的，所述指数是通过纸重量分析的强度的商。
当在纤维素纸浆中添加多达1.5质量％的MFC时，纸浆的°SR可增加多达3个点(图8)，而对于排水曲线，可以观察到在纸形成的前10秒内排放的水减少多达100ml或更多(图9)。
来自匀染箱和输入箱中的纸浆的排水阻力受1.0％至1.5％剂量的MFC的显著影响，°SR增加约20％(图10)。伏辊(具有其自己的真空系统的机器的湿部分的辊)和Turbair系统(整合到机器中的真空系统)中的真空度增加了约10％(图11和12)，而平台保留(水镜前进(water mirror advance))在所有生产期间保持是高的，高于93％并且几乎恒定，尽管MFC的量增加(图13)。这些值表明平台处的排水困难更大。然而，没有必要降低机器速度以在最终纸上产生令人满意的结果。白水的浊度(图14)增加了约40％，这表明纤维素纤维或甚至MFC到水中的损失。然而，该值可以通过纸浆中的高纤维浓度来解释。
将抗张强度、拉伸和TEA计算为在MD(机器方向，或造纸机方向)和CD(横向，或与造纸机相对的方向)上的张力测量的几何平均值，以便在没有纸取向影响的情况下评价物理和机械特性。与参考纸相比时，抗张强度平均增加了12％(图15和16)。伸长率增加(图17和18)，TEA MD和CD增加分别为24％和29％(图19和20)。使用MFC的纸的SCT具有7％的小幅增加(图21)，而RCT几乎没有增加(图22)。使用MFC的纸的耐破性增加了约10％(图23)，而斯科特(层间)粘合增加了约13％(图24)。存在通过气流阻力(葛尔莱)观察到的物理纸结构的明显变化，所述变化在添加1.0％MFC的情况下加倍(图25)。
通常，添加MFC倾向于增加纸密度，这是由于强纤维网络的构建而发生的，强纤维网络归因于MFC纤维的高粘合能力，因此发生纸强度特性的稳定增加，如在所获得的结果中能够观察到的。
经证实的增加的强度指示了使用纸用于转化成包装的益处(通过增加包装的强度或通过减少纸克重的可行性)。此外，弹性特性的大幅增强公开了MFC在纸板外层中的潜在用途，所述用途能够增加纸板的挠曲强度并随后减少纸板的克重。
将MFC应用于纸浆以生产袋式牛皮纸
MFC被应用在袋式牛皮纸上以改善撕裂强度和/或减重。袋式牛皮纸是具有更大弹性和强度的多孔牛皮纸。
通过在纤维素纸浆中使用MFC来增加袋式牛皮纸的撕裂强度
MFC的应用会补偿精制程度的降低，并产生具有更好机械特性的纸。
此外，MFC的应用允许袋式牛皮纸多达10g/m2的减少。当应用MFC时，纸的整体结构被改变，并且然后可以产生具有不同大孔隙和微孔隙的纸，这允许将这些纸归类为用于屏障(barriers)应用的新的原材料，所述屏障已经将MFC作为可再生底料(primer)掺入到其结构中。
因此，纸孔隙率的改变为不同和差异化产品的开发留出了空间，因为所述产品的结构可以完全改变。还可以与MFC一起用于获得改善的机械特性的本发明的纸的示例有仿牛卡纸和瓦楞纸，但不限于它们。
已知撕裂指数倾向于随着精制而降低。因此，较低的精制水平倾向于进一步保持纤维壁结构。较低的精制强度表明撕裂指数的改善。另一方面，很少精制不会发展同样重要的其他特性，如张力和耐破度。为了保持这些其他特性，将MFC应用到具有中等精制水平的纸浆中。例如，标准纸浆的抗张指数(°SR 18)可以用精制至°SR 14的纸浆+4％的MFC来实现。
在这些条件下，撕裂指数上升了8％(图26)，而抗张指数和耐破指数得以保持(图27和28)。最后，TEA升高了约20％(图29)，伸长率增加了15％(图30)，并且葛尔莱升高了37％(图31)。
结果显示，在这种情况下，MFC作为内部粘合剂的应用补偿了对精制的需求，并且需要更少的精制能量。
另外，MFC被认为是高度吸湿的材料，这可能对纸排水过程具有影响。能够证实的是，由于中等精制的较低°SR，MFC的应用不导致排水损失(图32)。实际上，在一些样品中，排水已被证明甚至比标准纸更好，这能够带来纸生产过程中的节省。
通过在纤维素纸浆中使用MFC来减少袋式牛皮纸的克重
与先前的方案相反，此方案旨在减少克重作为用于批准使用MFC的重点。因此，测试了两种水平的MFC(2％和5％)，并且以5g/m2的步幅(step)减少克重。
要注意，本发明的区别因素是MFC的使用以及源自该使用的结果。首先，将纸克重固定，并添加不同浓度的MFC，旨在改变克重(除其他因素)。克重减少的探索源自对纤维素纸浆中不同浓度的MFC的研究。
正如预料的那样，在相同基质纸浆中使用MFC倾向于负面影响撕裂特性，这是由于更大的纸增厚(图33)。另一方面，仅考虑当前的85g/m2克重，MFC提高了张力(图34)、耐破度(图35)、TEA(图36)和拉伸(37)特性。有趣的是，注意到了，在所有机械特性中，MFC的应用补偿了克重。例如，通过应用2％MFC的10g/m2减少(85至75g/m2)表明保持了当前产品的规格。因此，木材生产链和工业转换二者都受益于更少的原材料使用。最终，葛尔莱特性具有约400％的增加(图38)，这证明了MFC作为袋式牛皮纸上的可再生底料的用途。
将MFC应用于纸浆以生产纸板
在用于制造纸板的纤维素纸浆中使用MFC可以在纸的不同层中发生，因为具有覆盖层和底层是纸板的固有特征，所述覆盖层和底层通过中间层粘合。这些层中的每一个都可以用具有较小克重的几个内层来制造，但是本发明中的MFC评价的意图仅涉及3个主要层。
使用MFC制造纸板覆盖层
此部分示出了在纸板覆盖层的纤维素纸浆中添加MFC的性能。可以注意到随着纸浆中使用的MFC含量的增加的°SR和保水值(WRV)的增加(图39和40)。°SR的增加指示水的物理排放更困难，而WRV的增加指示水与纤维素纤维的更强相互作用(高比表面积)，这通过排水性能(DFR)的变化得到了证明(图41)。
还研究了通过向纸浆中添加MFC而产生的纸板覆盖层的物理和机械强度。例如抗张指数(IT)、耐破度和TEA等的特性显示出增加的发展趋势，这表明产生了更大阻力的覆盖层(图42、43和44)。粗糙度的降低(图46)能够通过纸的大孔隙和微孔隙的改变来解释，所述改变通过气流阻力(葛尔莱)增加来指示(图45)。
使用MFC制造纸板中间层
就像覆盖层研究一样，中间层°SR的增加(图47)指示水物理排放更困难，而WRV的增加(图48)显示MFC的添加还促进(由于其更大的比表面)与水相互作用的频率更高，这还通过改变的排水性能来指示(图49)。然而，可以观察到，由于纸板中间层的组成，当与覆盖层相比时，存在与排水和与水的物理化学相互作用有关的特性的较小增量，这表明纤维组成影响纤维-MFC-纤维界面处的粘合机制和纤维网络的形成。
纸板中间层通常是纸板表面与基底之间的粘合层。通过将MFC添加到其纤维组成中，在覆盖层的测试中观察到了物理和机械强度特性的增加(图50、51、52和53)。
使用MFC制造纸板底层
板底层显示出与在覆盖层和中间层情况下先前观察到的相同的效果。当将MFC添加到纤维素纸浆中时，发生°SR的增加，这指示水的物理排放更困难，这还通过改变的排水性能来指示(图54、55和56)。
然而，关于物理和机械强度特性，仅抗张指数(IT)和葛尔莱指数增加(图57和60)，与覆盖层和中间层不同。耐破指数和TEA特性保持接近初始值(图58和59)，指示MFC对纸浆纤维素纤维的较低锚固性(anchorage)。
将MFC应用于市场上可获得的纤维素纸浆
此应用对应于将MFC添加到可商购的纤维素纸浆中，这是对于已经具有纤维素纸浆库存并计划生产具有改善的特性的纸的纸生产商而言可行的替代方案。
因此，迄今为止进行的测试是直接在纤维素纸浆上进行的。可以观察到，在添加MFC的情况下，由于通过纤维+MFC组合物形成的毯状物的排水结构的改变，°SR值增加(图61)。WRV特性发生相同的反应(图62)，这表明根据图的值的稍微增加，并指示纤维素纸浆中MFC含量的增加可以增强与介质中存在的水的物理化学相互作用(也可以在获得的排水曲线中观察到的现象)(图63)。
还评价了添加MFC的纤维素纸浆的强度特性。值得注意的是，当在漂白的短纤维纤维素纸浆中添加MFC时，可以观察到高于50％的机械强度增加，如在耐破指数(图65)和TEA(图66)方面，而其他机械强度测试，例如拉伸(图68)、撕裂指数(图69)和弹性模量(MOE)(图70)显示出非常接近50％的增长。然而，葛尔莱(图67)也增加，正如预料的那样。
在市场上可获得的纤维素纸浆的组合物中添加生物聚合物(例如MFC)的效果能够积极影响在客户端的最终产品的特性。因此，当使用包含CFM的市场纤维素纸浆时，将可以减少精制纸浆所需的能量输入，并产生具有独特机械强度特性的最终产品。

Claims (13)

1.一种包含纤维素纤维的纸，其特征在于，所述纸包含在1.0重量％至1.5重量％之间的微纤化纤维素并且具有范围从60g/m2至440g/m2的克重。
2.根据权利要求1所述的纸，其特征在于，所述微纤化纤维素具有小于1000纳米的平均直径。
3.根据权利要求1和2所述的纸，其特征在于，所述微纤化纤维素具有优选地在1纳米与568纳米之间的平均直径。
4.根据权利要求1所述的纸，其特征在于，所述纸是牛皮纸、袋式牛皮纸或纸板。
5.一种包含纤维素纤维的牛皮纸、袋式牛皮纸或纸板纸，其特征在于，所述牛皮纸、袋式牛皮纸或纸板纸包含在1.0重量％与1.5重量％之间的具有在1纳米与568纳米之间的平均直径的微纤化纤维素，并且具有在60g/m2与440g/m2之间的克重。
6.一种造纸方法，其特征在于，所述造纸方法包括将1.0重量％至1.5重量％的微纤化纤维素添加到纤维素纸浆中。
7.根据权利要求6所述的造纸方法，其特征在于，所述纤维素纸浆是褐色的、漂白的或机械的。
8.根据权利要求6和7所述的造纸方法，其特征在于，将1.0重量％至1.5重量％的褐色短微纤化纤维素添加到褐色纤维素纸浆中，用于生产牛皮纸。
9.根据权利要求6和7所述的造纸方法，其特征在于，将1.0重量％至1.5重量％的褐色长微纤化纤维素添加到褐色纤维素纸浆中，用于生产袋式牛皮纸。
10.根据权利要求6和7所述的造纸方法，其特征在于，将1.0重量％至1.5重量％的漂白的短微纤化纤维素添加到漂白的纤维素纸浆中，用于生产纸板的覆盖层。
11.根据权利要求6和7所述的造纸方法，其特征在于，将1.0重量％至1.5重量％的未漂白的短微纤化纤维素添加到机械纤维素纸浆和牛皮纸中，用于生产纸板的中间层和底层。
12.一种纤维素纸浆，其特征在于，所述纤维素纸浆包含从1.0重量％至1.5重量％的具有在1纳米与568纳米之间的直径的微纤化纤维素。
13.根据权利要求12所述的纸浆，其特征在于，所述纸浆是褐色类型的、漂白类型的或机械类型的。
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