FI98548C - Monikerroksinen paperi ja menetelmä sen valmistamiseksi - Google Patents

Description

98548

Monikerroksinen paperi ja menetelmä sen valmistamiseksi

Keksinnön tausta

Keksinnön ala 5 Tämä keksintö koskee yleisesti monikerroksisia pa perituotteita. Erityisemmin se koskee parannettuja tapoja valmistaa monikerroksisia papereita, joilla on hyvä pinnan tasaisuus sekä parantunut jäykkyys.

Tekniikan tason kuvaus 10 Tärkein paperinvalmistuksessa käytetty raakamate- riaali on puusta peräisin oleva kuitu. Kuidut erotetaan puusta kemiallisella tai mekaanisella kuidutusprosessilla. Kemiallisella menetelmällä saatua kuitumateriaalia kutsutaan yleensä kemialliseksi massaksi, kun taas mekaanisesti 15 tuotettua kuitumateriaalia kutsutaan mekaaniseksi massaksi .

Paperinvalmistusprosessissa kuidut suspendoidaan veteen, jolloin muodostuu laimea kuitu/vesi-suspensio, joka sitten ajetaan paperikoneeseen paperin muodostamisek-20 si.

Useimmissa paperitehtaissa raakamateriaalien seos- suhde on taloudellisesti rajoittunut välittömästi ympäröi- 'vältä alueelta saatavissa olevien puiden käyttöön. Useissa paperitehtaissa käytetään sekä havupuita että lehtipuita, :·· : 25 kunkin käytetyn puun %-osuuden vaihdellessa paperitehtaan • · · • · · : .* sijainnista riippuen. Eräs lisäsyy kuituseosten käytölle • · · : on, että eri kuidut antavat paperille erilaisia ominai suuksia. Siten jotkin kuidut antavat paperille lisäänty-neen lujuuden, kun taas toiset kuitutyypit voivat parantaa 30 muita ominaisuuksia, esimerkiksi vaaleutta, pinnan tasai- .* . suutta, opasiteettia tai huokoisuutta. Siten erityyppisten • · · *;paperien valmistukseen käytetään lukuisia kuituyhdistel-miä.

: Viime aikoina paperiteollisuus on törmännyt usei- 35 siin vakaviin ongelmiin. Puumassan hinta on kohonnut. Li- 2 98548 säksi paperinvalmistuksen energiakustannukset ovat kohonneet. Nämä seikat ovat saattaneet paperiteollisuuden ja sen asiakkaat tilanteeseen, jossa on tehtävä valinta. On joko maksettava korkeammat kustannukset tai on käytettävä 5 huonompilaatuisia kuituja. Korkeampien kustannusten välttämiseksi käytettäessä samalla nykyisiä paperinvalmistus-tekniikoita paperituotteiden laatu, erityisesti painetta-vuusominaisuudet jonkin verran huononivat. Vastauksena näihin teollisuuden ongelmiin kokonaisuutena on ollut mo-10 nikerrosvalmistustekniikoiden kehittäminen. Monikerrostek-niikat otettiin ensin käyttöön kartongin tuotannossa. Pian havaittiin, että tämä tekniikka salli eri massatyyppien sijoittamisen eri kerroksiin eri seossuhteiden käytön optimoimiseksi. Strukturoidun rainan muodostus on nykyisin 15 kartonki- ja silkkipaperituotteiden vakiintunut käsite. Esimerkiksi lainerikartonkia valmistetaan kaksikerroksisena struktuurina. Motivaatio tähän oli taloudellinen - tausta-arkkiin voitiin sijoittaa sekä huokeita kuituja että jätettä, kun taas yläarkkiin, jossa ulkonäöllä on merki-20 tystä, voitiin sijoittaa primaarikuituja. Monikerrostek-niikoita ei kuitenkaan ole kehitetty hienojen painolaa-tuisten paperien valmistuksessa käytettäväksi.

Kuten mainittiin, tällaista monikerrosteknologian aikaisempaa käyttöä on perusteltu useilla seikoilla. Pääl- ··· · 25 limmäinen seikka on ollut taloudellinen. Monikerrostekno-•» « : .* logiaa on käytetty sallimaan huokeampien materiaalien ku- • · « ·*.· : ten kemitermomekaanisten massojen (CTMP) ja jätteen pii lottamisen sisäkerrokseen. Eräs lisäetu on ollut, että on : .. saatu aikaan laadun paranemisia sijoittamalla materiaalit 30 sinne, missä ne ovat lopullisen käytön kannalta edullisiin- . pia, sen sijaan että ne sekoitettaisiin sattumanvaraises- • · · ; / ti. Eräs toinen esimerkki tästä on jäykkyyden paraneminen, mikä johtuu bulkkisen keskikerroksen sijoittamisesta kemiallisen primaarimassan kahden kerroksen väliin. Moniker-35 rostekniikoiden käyttö on sallinut paperinvalmistajalle 3 98548 myös jonkin verran vapautta käsitellä kerrokset erikseen ja saavuttaa ylivoimaiset ominaisuudet verrattuna ominaisuuksiin, jotka saavutettaisiin jos koko sulpun koostumus käsiteltäisiin tasaisesti.

5 Eräs toinen monikerrosteknologian esimerkki on leh tipuun ja havupuun erottaminen silkkipaperissa, jolloin pehmeämpi lehtipuumassa sijoitetaan arkin ulkopuolelle, jossa kuluttaja koskee sitä, ja vahvempi havupuumassa sisäkerrokseen .

10 Monikerroksisen paperin fysikaaliset ominaisuudet voidaan jakaa kahteen luokkaan. Jotkut ominaisuudet, kuten vetolujuus, repäisylujuus, puhkaisulujuus, tilavuuspaino ja opasiteetti noudattavat seosten lakia ja ovat samat arkeille, jotka on valmistettu joko homogeenisesti sekoi-15 tetusta massakoostumuksesta tai kolmikerroksisella struktuurilla, jossa massakoostumuksen komponentit on erotettu toisistaan. Näiden ominaisuuksien kohdalla kolmikerroksisen arkin tekemisestä ei olisi luontaista etua. Muut ominaisuudet, kuten taivutusjäykkyys, taittolujuus, vaaleus, 20 pinnan tasaisuus, pinnan kokoonpuristuvuus ja painettavuus voivat kolmikerroksisessa arkissa olla kuitenkin erilaisia verrattuna ominaisuuksiin, jotka havaitaan arkilla, joka on valmistettu samasta massakoostumuksesta, joka on sekoitettu homogeeniseksi, ja ne vaikuttavat painolaatuisten XV 25 paperien tuotantoon.

• · · • Taivutusjäykkyyttä voidaan lisätä monikerroksisella « · · V * arkilla, kun heikompi, alhaisemman tilavuuspainon omaava komponentti keskitetään sisäkerrokseen ja lujempi, suurem- • *· · man tilavuuspainon omaava komponentti keskitetään ulkoker- 30 roksiin.

; Tekniikan tasolla kuvataan myös, että ulkokerros- • · · kuidut määräävät monikerroksisten paperien pintaominaisuu-;· det ja painettavuuden. On tunnettua, että pinnan tasaisuus ·,· · ja painettavuus ovat suoraan verrannollisia kuituominai- : 35 suuteen, joka tunnetaan karkeutena. Karkeus on mitta pai- 4 98548 non suhde yksikköpituuteen, ja se heijastaa kuidun halkaisijaa ja soluseinämän paksuutta ja tilavuuspainoa. Karkeuden käänteisarvoa kutsutaan toisinaan nimellä hienorakei-suus (fineness). Sen vuoksi monikerroksisen arkin ulkoker-5 roksessa olevien kuitujen karkeuden tai karheuden on yleensä ennustettu määräävän arkin pinnan tasaisuuden ja painettavuuden. Katso esimerkiksi J. A. Bristow ja N. Pau-ler, "Multilayer Structures in Printing Papers," 1983 SVENSK PAPPERSTIDNING R 164, R 168 - 69. Tässä julkaisussa 10 valmistettiin monikerroksisia arkkeja käyttäen määrätyissä kerroksissa kemiallista massaa ja mekaanista massaa toisissa. Erityisiä testejä niiden vaikutusten tutkimiseksi, joita eri tyyppisten raakamateriaalien käytöllä lähtömateriaalina on kokonaan kemiallisesta massasta valmistetussa 15 monikerroksisessa arkissa, ei suoritettu.

Kokoonpuristuvuus voi myös vaikuttaa painettavuus-ominaisuuksiin. Voidaan nähdä, että mekaaniset massat ovat tyypillisesti kokoonpuristuvampia ja että monikerroksisella rakenteella, jossa mekaaninen massa on ulkokerroksissa 20 ja kemiallinen massa keskikerroksessa, on samanlaisempi kokoonpuristuvuus ja painettavuus täysin mekaanisesta mas-sasta tehtyyn arkkiin nähden kuin täysin kemiallisesta massasta tehtyyn arkkiin nähden.

. Kuten aikaisemmin kuvattiin, koostuu paperinvalmis- IIV 25 tuksessa käytetty kuituseossuhde usein useammasta kuin i · : mmtl yhdestä komponentista. Täten on tunnettua, että moniker- • · · *·* * rosteknologiassa voidaan parantunut jäykkyys havaita homo geeniseen seokseen verrattuna sijoittamalla vahvemmat, « t • *·· tiheämmät, suuremman moduulin omaavat kuidut ulompaan ker- • · · ί.ί ·' 30 rokseen ja heikomman, alhaisemman tilavuuspainon omaava .·. j massa sisäkerrokseen. Määrätyissä tapauksissa vahvemmat • · · Γ..' kuidut ovat myös karkeampia kuin heikommat kuidut erityi- sessä sulppukoostumuksessa. Kun näin on, tapahtuu teknii- 4 * ;,· · kan tason huomioiden ja ennustusten mukaan ominaisuuksien 35 lehmänkauppaa: voimakkaampien ja karkeampien kuitujen si- 5 98548 joittamisesta ulkokerrokseen ja heikompien ja hienompien kuitujen sijoittamisesta sisäkerrokseen saadaan tulokseksi monikerroksinen arkki, jolla on parantunut jäykkyys mutta huonompi pinnan tasaisuus ja painettavuus. Kääntäen, hie-5 nompien (vähemmän karkeiden) kuitujen sijoittaminen ulkokerrokseen antaa parantuneen pintatasaisuuden mutta huonomman jäykkyyden. Siten vaikuttaa siltä, että monikerroksiset arkit, joiden pintapaino on suuri ja jotka on tehty karkeista kuiduista, jotka ovat ulkokerroksessa, on huono 10 pinnan tasaisuus ja painettavuus. Siten tämä lujuus/pinta-tasaisuus-lehmänkauppa ei ole antanut aihetta valmistaa painopapereita tällä tavalla.

Tämä pätee erityisesti kohopaino- ja syväpainopa-pereilla, joissa pinnan tasaisuus on kriittinen seikka. 15 Rajallisempaa pinnantasaisuusastetta vaaditaan myös offset- ja fleksopainoprosesseissa, joissa käytetään joustavaa painamismuottia. Pinnan tasaisuutta vaaditaan, koska karkeiden arkkien painanteet eivät peity musteella, mistä on tuloksena joko tahrat täyspainetuilla alueilla tai 20 tarkkuuden puute puolisävyissä. Useat muut painotyön laa-dun tunnusmerkit ovat tärkeitä, mutta jos painojäljellä on huono peittoaste, sen muilla ominaispiirteillä ei ole mer-kitystä.

Samalla painopaperien tuottajia on kehotettu tuot- *;*.* 25 tamaan sileitä arkkeja korkeammalla pinopaksuudella. Suun- : · : · taus alhaisemman pintapainon papereihin on korostanut tar- • · * V ’ vettä saada suuri pinopaksuus jäykkyyden säilyttämiseksi.

Siitä huolimatta näillä papereilla on silti säilyttävä • '·· hyvää painettavuutta varten hyvät pinnan tasaisuusominai- 30 suudet.

.·] . Paperikonekonstruktioiden tekniset edistysaskeleet • · · ovat nyt tehneet mahdolliseksi käyttää monikerrosrakentei- i ta ei ainoastaan kartongissa vaan myös ohuemmassa paperis-: ; · sa kuten sanomalehtipaperissa, hienopapereissa ja silkki- : : 35 papereissa. Katso esimerkiksi julkaisua J. A. Bristow ja 6 98548 N. Pauler, "Multilayer Structures in Printing Papers," 1983 SVENSK PAPPERSTIDNING R 164, jossa käsitellään kemiallisen ja mekaanisen massan käyttöä vuorottaisissa kerroksissa.

5 US-patenttijulkaisussa 4 781 793, Halme, otsikolla "Method for Improving Paper Properties Using Long and Short Fiber Layers," kuvataan menetelmä paperiarkin muodostamiseksi, jossa arkissa on pääasiassa pitkiä kuituja ulkopinnalla ja hienompia kuituja keskellä. Kuvattu mene-10 telmä käsittää perussulppukoostumuksen muodostamisen ja sitten sulppukoostumuksen erottamisen komponenteiksi, joista toinen sisältää pääasiassa pitkiä kuituja mutta myös lyhyitä kuituja, ja toinen sisältää pääasiassa lyhyitä kuituja mutta voisi sisältää yhä pitkiä kuituja, täyt-15 eaineita ja hienojakoisia aineita ja vastaavia. Kuituseos-ten, ts. lyhyempien ja pitempien kuitukomponenttien käytön mainitaan auttavan retentiota ja myös parantavan määrättyjä paperiominaisuuksia. Käytettyjen sulppukoostumusten kuvataan koostuvan lyhyempien kuitujen kohdalla kemialli-20 sesta massasta ja pitempien kuitujen kohdalla mekaanisesta massasta. Vaikka kerrokset voivat olla erilaiset, niin kukin on jossain määrin komposiitti, joka koostuu molemmista kuitutyypeistä, ts. pitkistä ja lyhyistä kuiduista.

US-patenttijulkaisussa 2 881 669, Thompson et ai., jlV 25 otsikolla "Paper or Board Products", kuvataan paperi- tai kartonkituote, jossa mainitaan olevan pitkiä kuituja • · « ·' ’ pääasiassa lyhytkuituisen sisävyöhykkeen vastakkaisilla puolilla. Tämän sanotaan toteutuvan paperikoneen luontai- • « : ** sista vedenpoisto-ominaispiirteistä johtuen, jolloin pit- I I · V * 30 kiliä kuiduilla on taipumus pidättyä kun paperikone muo-.·. : dostaa alkupinnan, ja sitten lyhyemmät kuidut ja lisäksi «·, pitkiä kuituja kerääntyy myös alkuperäisen pitkäkuituisen kerroksen päälle. Sen vuoksi tulokseksi saadulla paperilla i ; on asteittainen rakenne, jossa on pääasiassa pitkiä kuitu- 35 ja ulkopinnalla ja pääasiassa lyhyempiä kuituja sisäosas- 7 98548 sa. Paperilla ei kuitenkaan ole tarkalleen määrättyä monikerroksista rakennetta, jossa karkeita kuituja on ulkopinnalla ja hienoja kuituja sisäosassa.

Toisessc1. patenttijulkaisussa, US-patenttijulkaisus-5 sa 4 888 092, Prusas et ai., kuvataan kolmikerroksinen arkki, jossa ulommat kerrokset on tehty hienojakoisesta aineksesta pinnan tasaisuuden parantamiseksi.

Siitä huolimatta jäljellä on lujuuden ja pinnan tasaisuuden välisten lehmänkauppojen voittaminen eri lähiö töainemassojen välillä. Niinpä on olemassa tarvetta menetelmälle tuotteiden tuottamiseksi, joilla on parantuneet jäykkyysominaisuudet samalla kun säilyy korkealaatuiset pinnan tasaisuus- ja painettavuusominaispiirteet.

Keksinnön yhteenveto 15 Tämä keksintö kohdistuu monikerroksiseen paperi tuotteeseen ja menetelmiin valmistaa monikerroksisia paperituotteita, joilla on parantunut jäykkyys sekä pinnan tasaisuus. Tätä varten muodostetaan kemiallisesta massasta monikerroksisia papereita, joissa ulkokerrokset ovat kar-20 keammista, vahvemmista kuiduista ja sisäkerros hienommasta mutta heikommasta kuidusta, jolla on suurempi kokoonpuristuvuus kuin ulkokerrosten kuiduilla.

Tällaisella monikerroksisella paperilla on parantunut jäykkyys ja lujuus johtuen siitä, että vahvemmat kui- ***.’ 25 dut sijaitsevat ulkokerroksessa ilman, että menetetään i * : hienompien sisäkerroskuitujen edullinen pinnan tasaisuus.

• · e *«* ' Tarkemmin ottaen keksintö koskee monikerroksista paperiarkkia, joka koostuu kemiallisista massoista ja joka 4 « • '·· käsittää ensimmäisen kerroksen, joka koostuu ensimmäisistä '·/· i 30 kuiduista, ja toisen kerroksen, joka on välittömästi sen .·! ; vieressä ja koostuu toisista kuiduista. Tälle paperiarkil- • · · le on tunnusomaista, että ensimmäisten kuitujen keskimää-*" räinen karkeus on suurempi kuin toisten kuitujen keskimää- :.· · räinen karkeus; ja mainittu välittömästi ensimmäisen ker- ; : 35 roksen vieressä oleva toinen kerros on kokoonpuristuvampi 8 98548 kuin mainittu ensimmäinen kerros; ja monikerroksisen arkin pinnan tasaisuutta luonnehtii pääasiallisesti mainitun toisen kerroksen pinnan tasaisuusominaisuudet.

Keksintö koskee myös menetelmää kemiallisesta mas-5 sasta olevan monikerroksisen paperiarkin valmistamiseksi, jossa paperiarkissa on yksi tai useita ulkokerroksia, jotka koostuvat ensimmäisistä kuiduista, ja yksi tai useita sisäkerroksia, jotka koostuvat toisista kuiduista ja ovat välittömästi ulkokerrosten vieressä. Menetelmälle on tun-10 nusomaista, että valmistetaan ulkokerros tai ulkokerrokset sisältämään ensimmäiset kuidut, joilla on keskimääräinen karkeus, joka on ainakin 5 mg/100 m suurempi kuin välittömästi sen vieressä olevan sisäkerroksen tai sisäkerrosten toisilla kuiduilla; ja valitaan välittömästi viereisen 15 sisäkerroksen tai sisäkerrosten toiset kuidut niin, että mainittu välittömästi viereinen sisäkerros tai sisäkerrokset ovat kokoonpuristuvampia kuin ulkokerros tai ulkokerrokset .

Erään edullisen suoritusmuodon yksityiskohtainen 20 kuvaus Tämä keksintö esittää hämmästyttävän tuloksen, että karkeiden kuitujen käyttö monikerroksisen paperin pintakerroksessa voi silti antaa tasaisia paperituotteita, joilla on pääasiassa hienokuituisen sisäkerroksen pinnan- • ·. 25 tasaisuusominaispiirteet. Tämä keksintö perustuu siihen, I · että muodostetaan monikerroksinen arkki kemiallisesta mas- • ♦ ♦ • · « • sasta, joka täyttää useita vaatimuksia. Ensiksikin arkin ulkokerrosten pitäisi koostua ensimmäisistä kuiduista, • « • ** jotka ovat karkeampia, vahvempia kuituja kuin toiset kui- ·♦ * V * 30 dut, joita käytetään sisäkerroksessa. Toiseksi sisäkerrok- j*.J sen muodostamalla kuitumatolla pitäisi olla suurempi ko- • · ,···. koonpuristuvuus kuin ulkokerrosten muodostamalla kuituma tolla.

· Selitystä lukemalla ymmärretään, että ensimmäiset 35 kuidut viittaavat niihin kuituihin, tyypillisesti "Sout- 9 98548 hern"-havupuusta oleviin valkaistuihin kraftmassakuitui-hin, joita esiintyy ulkokerroksessa tai ensimmäisessä tai toisessa ulkokerroksessa tai ulkokerroskomponentissa, kuten tässä käytetään. Toiset kuidut viittaavat niihin kui-5 tuihin, tyypillisesti valkaistuihin "Southern"-lehtipuu-kraftmassakuituihin, joita esiintyy sisäkerroksessa tai sisäkerroksissa tai toisessa kerroksessa tai sisäkerros-komponentissa, kuten tässä käytetään. Ensimmäisillä kuiduilla on keskimääräinen karkeus ja lujuus, joka on suu-10 rempi kuin toisten kuitujen keskimääräinen karkeus ja lujuus.

Lisäksi aste, jolla ulkokerroksen ensimmäiset kuidut peittävät sisäkerroksen, voi myös vaikuttaa lopullisiin paperin ominaispiirteisiin. Siten ulkokerroksissa 15 käytettävien karkeiden ensimmäisten kuitujen pintapainolla on yläraja, jossa vielä nähdään keksinnön mukaiset edut. Tämä raja riippuu sisäkerroksen pintapainosta samoin kuin muista tekijöistä, kuten käytetyistä kuitupituuksista, sisäkerroksen kokoonpuristuvuudesta ja vastaavista.

20 Nämä kriteerit täyttävillä papereilla on hämmästyt tävällä tavalla havaittu, että arkin pinnan tasaisuuden ja painettavuuden määrää pääasiassa sisäkerroskomponentin ominaisuudet paremminkin kuin ulkokerroskomponentin ominaisuudet. Tämä tulos on vastakohta tekniikan tason esi-25 tyksille ja vallitsevalle tietämykselle, jotka olisivat t · : antaneet aihetta odottaa juuri päinvastaisia tuloksia.

• t « *·* * Suoritettiin testejä käyttäen valkaistua "Sout hern "-havupuukraftmassaa (mänty) ja valkaistua "Southern"-; *· lehtipuukraftmassaa monikerroksisten paperien valmistamiin I 30 seksi, joissa on vain yhtä näistä kahdesta materiaalista .·[ ; kussakin kerroksessa. Tämän jälkeen näistä arkeista tes- • · · tattiin kohopainopinnantasaisuus (LSS). Tässä testissä i : mainittuja sulppukoostumuksia käyttäen havupuu oli arkissa j.j · karkeampaa ja vahvempaa massaa. Monikerroksisilla arkeil- : : 35 la, joissa on havupuu-ulkokerrokset, suoritettiin LSS-tes- 10 98548 tit, joissa havupuu/lehtipuu/havupuu-pintapainosuhteet asetettiin tasoille 10/80/10, 20/60/20, 30/40/30, 40/20/ 40, 100 % havupuuta ja 100 % lehtipuuta. Ulkokerrosten pintapainot vaihtelivat alueella 3 lb/3 000 ft2 (4,9 g/m2) 5 10/80/10-paperissa - 35 lb/3 000 ft2 (57 g/m3) 30/40/30-paperissa. Kun näiden erilaisten monikerroksisten paperien LSS-arvoja verrattiin puhtaalle havupuulle ja puhtaalle lehtipuulle ennustettuihin arvoihin, odottamattomat tulokset osoittivat, että testatuilla painoilla ja alueilla 10 kaikki arkit, joissa on karkeampaa, vahvempaa havupuuta ulkokerroksissa, oli tasaisempi pinnan tasaisuus kuin mitä olisi voitu ennustaa jos olisi käytetty puhdasta havupuuta. Mitä ohuemmat ulkokerrokset ja/tai paksummat sisäkerrokset, sitä määräävämmät sisäkerrosten pinnantasaisuus-15 ominaispiirteet olivat lopullisessa tuotteessa. Samanlaiset suuntaukset nähtiin muilla painettavuus- ja pinnanta-saisuustesteillä, kuten "Parker-Print Surf" (PPS), Shef-field-pinnantasaisuus- ja karkeuskeskiarvon profilometri-testissä.

20 Vaikka ei aiotakaan sitoutua mihinkään erityiseen • ^ teoriaan tai selitykseen, siitä huolimatta uskotaan, että osa näiden hämmästyttävien tulosten selityksestä johtuu ;· sisäkerroksen suuremmasta kokoonpuristuvuudesta ulkoker roksiin verrattuna. Monikerroksisen arkin kokoonpuristumi- l i « 25 nen puristamisen ja kalanteroinnin aikana pakottaa kark- I · • · #···# eammat kuidut hienompien, enemmän kokoonpuristuvien kuitu- • · « jen alla olevaan kerrokseen, mitä voidaan kuvata "beam-on-a-mattress"-vaikutukseksi. Näin ollen, samalla kun vahvem- * · • “ mat, karkeammat kuidut pysyvät oleellisesti pinnalla an- *.*’ 30 taen arkille ylimääräistä jäykkyyttä, niitä puristetaan :*·.· hienompikuituiseen kerrokseen. Täten sisäkerroksen hienom- • · pia kuituja on läsnä myös pinnalla aikaansaaden pinnan tasaisuusominaispiirteet.

• · ’· ' Tämän olettamuksen seurauksena hienompien kuitujen '...· 35 minimaalisen pintapainon käytön ulkokerrosten muodostami- 11 98548 seen pitäisi tuottaa monikerroksisen arkin, jolla yhä on hienompien kuitujen pinnantasaisuusominaispiirteet. Ts. hienojen kuitujen minimaalisen pintapainon tai karkeampien kuitujen minkä hyvänsä kohtuullisen pintapainon käyttö 5 monikerroksisen paperiarkin valmistukseen antavat molemmat tulokseksi arkin, jolla on hienojen kuitujen pinnantasaisuusominaispiirteet .

Tukea tälle olettamukselle saatiin yksinkertaisesta kokeesta. Valmistettiin kolmea arkkityyppiä: 100 % mäntyä, 10 100 % lehtipuuta ja monikerroksinen, jossa oli pintapainon mukaan 10 % mäntyä ulkokerroksina ja pintapainon mukaan 80 % lehtipuuta sisäkerroksena. Kaikki arkit valmistettiin pintapainolla 50 lb/3 000 ft2 (81 g/m2) niin, että monikerroksisessa arkissa oli 5 lb/3 000 ft2 (8,1 g/m2) mäntyä 15 kussakin ulkokerroksessa; tällaisella reseptillä keksinnön mukainen menetelmä toimii helposti.

Näillä arkeilla suoritettiin kahdentyyppiset mittaukset: pinopaksuus ja keskimääräinen karkeus profilomet-risesti. Kukin arkki mitattiin paperinvalmistusprosessin 20 kolmessa vaiheessa: formaation jälkeen, puristuksen jäl-v.: keen ja kalanteroinnin jälkeen. Lehtipuun pinopaksuuden : : : havaittiin pienenevän samoissa puristusolosuhteissa paljon enemmän kuin männyn pinopaksuuden. Tämä on toinen tapa : sanoa, että lehtipuulla on paljon suurempi kokoonpuristu- 25 vuus kuin männyllä. Profilometrimittaukset suoritettiin • ·

Tencor P-l-profilometrillä. Tiedot osoittivat, että for- • · « maation ja puristamisen jälkeen monikerroksisella arkilla, .. jossa oli ulkokerroksessa mäntyä, on edelleen sama keski- • · *#i] määräinen karkeus kuin täysmäntyisellä arkilla. Kalante- • # · * 30 roinnin jälkeen monikerroksisella arkilla on kuitenkin täyslehtipuuarkin pinnan tasaisuus. Vaikka tämä keskimää- • · i"*: räisten karkeusarvojen vertailu ei verrannut arkkeja yhtä- . suurella pinopaksuudella, luotiin teoreettisia yhtälöitä, ;;/ jotka varmistivat, että monikerroksisella arkilla olisi « « · 12 98548 näissä olosuhteissa sama pinnan tasaisuus kuin lehtipuu-arkilla.

LSS- ja PPS-testit tukivat edelleen "beam-on-a-mattress"-teoriaa monikerroksisten papereiden kohdalla, 5 joissa ulkokerrokset sisälsivät lehtipuuosuuden. Näissä olosuhteissa lopullisen tuotteen pinnan tasaisuuden määräsi edelleen lehtipuufraktion hienoisuus, jolloin karkeammalla sisäkerroksella oli vähäinen vaikutus tai ei lainkaan vaikutusta. Teorian mukaan tätä voitaisiin odottaa, 10 koska kokoonpuristuvampi ulkokerros yksinkertaisesti peittäisi karkeamman sisäkerroksen "mattress-on-a-beam." Tämän keksinnön havainto on kaupallisesti merkittävä siinä, että se sallii paperinvalmistajan paeta perinteistä jäykkyys/pinnantasaisuus-lehmänkauppaa, joka on 15 ennustettu ja aikaisemmin havaittu monikerroksisilla arkeilla kun käytetään useita erilaisia havupuu/lehtipuu-sulppukoostumuksia, joita nykyisin on saatavissa keskitetyissä paperitehtaissa. Tämän keksinnön mukaan 50 lb/3 000 ft2 (81 g/m2) arkilla, joka on valmistettu 10-15 %:ista 20 "Southern"-havupuuta kummassakin ulkokerroksessa ja 80 - 70 %:ista "Southern"-lehtipuuta sisäkerroksessa, on sama pinnan tasaisuus kuin arkilla, joka on valmistettu 100-%:isesta "Southern"-lehtipuusta. Kuitenkin koska "Sout-, hern"-havupuu on vahvempaa kuin lehtipuu, tällä sileällä 25 arkilla on myös parantuneet jäykkyysominaispiirteet ver- S ·*; • · rattuna homogeenisesti sekoitettuun arkkiin, jolla on sama ·«« * kokona!skoostumus ja pintapaino. Ts. voidaan saavuttaa sekä pinnan tasaisuuden että jäykkyyden edut sen sijaan, • < • että toisesta olisi luovuttava toisen vuoksi.

30 Vaikka tätä keksintöä voidaan käyttää edullisesti . paperituotteiden laajan valikoiman valmistuksessa, edulli- • ·< sissa suoritusmuodoissa valmistetaan yleensä hienoja pape- reita, joiden kokonaispintapaino on alle noin 75 lb/3 000 ft2 (122 g/m2) sisäkerroksen pintapainon ollessa ainakin 15 35 lb/3 000 ft2 (24 g/m2) (siten, että kumpikin ulkokerros on i : 13 98548 korkeintaan 30 lb/3 000 ft2 (49 g/m2)). Tyypilliset sulppu-koostumukset koostuvat ainakin 50 %:sta lehtipuita, jotka ovat tyyppiä, joita voitaisiin lisätä keksinnön mukaiseen sisäkerrokseen, verrattaessa täydentäviin havupuihin, jot-5 ka käsittävät sulppukoostumuksesta loput 100 %:iin. Näin ollen kokonaispintapainolla 75 lb/3 000 ft2 (122 g/m2) sisäkerroksessa on ainakin noin 38 lb/3 000 ft2 (62 g/m2), jolloin kummassakin ulkokerroksessa on 18 lb/3 000 ft2 (29 g/m2) tai alle.

10 Lisäksi on edullista, että vähemmän karkealla sisä- kerrosmateriaalilla on sellainen kokoonpuristuvuus ulkokerroksen materiaaliin verrattuna, että sen tiheytyminen päättyy noin kaksinkertaisella tasolla pintakerroksiin verrattuna. Siitä huolimatta tämä keksintö on käytettävis-15 sä materiaalin kokoonpuristuvuuden ja kokoonpuristuvuus-erojen laajalla alueella.

Vaikka nykyinen testaus on käsittänyt vain kolmikerroksiset paperituotteet, ei ole syytä ajatella, ettei tätä keksintöä voitaisi soveltaa monikerroksisille tuot-20 teille, jotka sisältävät kaksi kerrosta tai useampia kuin kolme kerrosta. Tällaisilla papereilla pinnantasaisuusomi-:; naispiirteet määräytyvät sisäkerroksista, jotka ovat vä littömästi ulkokerrosten viereissä. Kaksikerroksisen tuotteen tapauksessa paperiarkissa on ensimmäinen kerros, joka jV. 25 koostuu ensimmäisistä kuiduista, ja toinen kerros, joka • » • •’t koostuu toisista kuiduista, joka toinen kerros on välittö mästi ensimmäisen kerroksen vieressä ja on kokoonpuristu-vampi kuin ensimmäinen kerros. Ensimmäisen kerroksen en- • · \ ' simmäisillä kuiduilla on keskimääräinen karkeus ja lujuus, « « * *.* ‘ 30 jotka ovat suurempia kuin toisen kerroksen toisten kuitu- :**.· jen keskimääräinen karkeus ja lujuus.

• · Tämän keksinnön vaikutukset ovat yhtä lailla sovellettavissa kaksikerroksisille paperituotteille. Näissä ta-·;· : pauksissa ensimmäinen ulkokerros on välittömästi sisäker- '··' 35 roksen ensimmäisen pinnan vieressä, ja toinen ulkokerros 14 98548 on välittömästi sisäkerroksen toisen pinnan vieressä, joka toinen pinta on ensimmäisen pinnan kanssa oleellisesti yhdensuuntainen. On toivottavaa, että monikerroksisen arkin pinnan tasaisuudelle on tunnusomaista pinnan tasaisuus, 5 joka on arkilla, joka koostuu kokonaan toisessa kerroksessa käytetyistä toisista kuiduista.

Tämän keksinnön vaikutukset voidaan nähdä laajalla kuitukarkeuksien alueella, sillä ehdolla, että ulkokerrosten ja sisäkerroksen karkeuden välillä esiintyy minimaali-10 nen keskimääräisen karkeuden ero. Siten ulkokerrosten keskimääräinen karkeus on edullisesti alueella noin 15 - 40 mg/100 m, edullisimman keskimääräisen karkeuden ollessa noin 22 mg/100 m. Sisäkerroksen keskimääräinen karkeus on edullisesti välillä noin 5-17 mg/100 m, edullisimman 15 keskimääräisen karkeuden ollessa noin 12 mg/100 m. Keskimääräisen karkeuseron pitäisi edullisesti olla ainakin 5 mg/100 m, edullisempi keskimääräinen karkeusero on ainakin 10 mg/100 m.

Tämän keksinnön mukaisessa menetelmässä käytetään 20 edullisesti ulkokerroksia, joiden pintapainot ovat jopa noin 30 lb/3 000 ft2 (49 g/m2), vaikka vaikuttaa siltä, että voidaan käyttää suurempia ulkopinnan pintapainoja

• I I

(kuten 35 lb/3 000 ft2 (57 g/m2)), sillä ehdolla, että täl-. laisten ulkokerrosten yhteydessä käytetään riittäviä sisä- « i · t i · ‘1*.* 25 kerrospintapainoja. Lisäksi vaikka voidaan käyttää laajaa * * : \t· sisäkerrospintapamojen aluetta, niin sisäkerroksen edul- <·* * linen minimaalinen pintapaino on noin 15 lb/3 000 ft2 (24 g/m2).

»· • *«· Voidaan helposti kuvitella useita keksinnön mukai- 30 sen menetelmän käyttöjä ja etuja. Ensiksikin, ja selvim- p.* . min, millä hyvänsä kemiallisella massakoostumuksella voi- • ·· daan saada parantunut jäykkyys ilman pinnan tasaisuuden j « ·;' menetystä yksinkertaisesti vaihtamalla yksikerroksisesta, ; ; [ homogeenisesta konstruktiosta kerrostettuun tai moniker- ;35 roksiseen muodostukseen, jossa karkeammat kuidut sijaitse- 15 98548 vat ulkokerroksissa. Tämä tekniikka olisi erityisen arvokas määrätyillä paperilaaduilla, kuten kirjekuorella.

Vaihtoehtoisesti kaikki paperituotteet eivät suoraan hyötyisi kasvaneesta jäykkyydestä. Tätä lisääntynyttä 5 jäykkyyttä voidaan kuitenkin käyttää saavuttamaan epäsuoria mutta merkittäviä tuotantotehokkuuksia. Tyypillisesti märkäpuristuspaine säädetään niin, että märkäpuristimesta tuleva paperi ei ole liian ohutta, jolloin sillä säilyy riittävä jäykkyys. Keksinnön mukaista menetelmää käytet-10 täessä paperilla on kuitenkin suurempi jäykkyys samassa paksuudessa kuin tekniikan tason papereilla havaittaisiin. Sen vuoksi tällaisella monikerroksisella arkilla voidaan käyttää korkeampia märkäpuristinpaineita, jolloin tuotetaan ohuempi arkki, jolla on yhä sama lopullinen jäykkyys 15 kuin aikaisemmilla papereilla, mutta korkeampi rainapuris-timesta tulevien kiintoaineiden %-osuus. Tämä kyky poistaa enemmän vettä märkäpuristimessa tuo selviä tuottavuuden parannuksia. Kuivurissa on poistettava vähemmän vettä, ja viime kädessä saman paperimäärän valmistukseen vaaditaan 20 vähemmän energiaa.

Keksinnön mukaisilla monikerroksisilla arkeilla olevaa lisääntynyttä jäykkyyttä voidaan edelleen käyttää tuottamaan kasvaneen kalanterointipaineen kautta sileämpi arkki. Paljon märkäpuristimen suhteen edellä kuvatun mah- *Vj 25 dollisuuden tavoin voidaan kalanterointipainetta kohottaa * · /ϊ\ tuottamaan hieman ohuempi valmis arkki, jolla säilyy sama * jäykkyys kuin tekniikan tason papereilla. Kyvystä kohottaa j.( kalanterointipainetta on tuloksena tasaisempi valmis arkki

« L

\,r samoin kuin energiansäästöt.

i · _ _ 30 Juuri kuvattuja kohonneiden märkäpuristuspaineiden • · ·/·· ja kohonneiden kalanterointipaineiden etuja voidaan myös yhdistää eri asteisesti koko valmistusprosessin optimoimi-. seksi, kunhan vain säilytetään lopullinen haluttu jäyk- I f · ,;,' kyys.

i · < · 4 1« 16 98548

Keksinnön mukaisen monikerroksisen arkin eräs etu on vielä kyky peittää putkilosegmenttejä, jotka voisivat huonontaa valmistettavan paperin yleislaatua. Kuten aikaisemmin mainittiin, useimmissa sulppukoostumuksissa havu-5 puuosa on karkeampi ja vahvempi osa sulppumassasta, ja käytettäisiin keksinnön mukaisesti ulkokerrosten muodostukseen. Joissakin lehtipuufraktioissa on läsnä putki-losegmenttejä, jotka heikentävät paperin pinnalla näkyessään valmiin tuotteen laatua. Nämä putkilosegmentit voivat 10 irrota painamisprosessin aikana. Keksinnön mukaisessa prosessissa nämä putkilosegmentit sijoitetaan sisäkerrokseen eivätkä ne sen vuoksi ilmesty paperin pinnalle eivätkä ole irtoamisen kohteena.

Täten kuvataan menetelmiä valmistaa monikerroksisia 15 papereja, joilla on parantuneet lujuus- ja jäykkyysomi-naispiirteet, sekä tällaisilla menetelmillä saatavia monikerroksisia papereita.

·· ♦ ♦ · · • · • · ·«· « · • * · • * « « · « > « • · · • « c ♦ « • · • ♦ · • «· • · « « ·

Claims (17)

98548

1. Monikerroksinen paperiarkki, joka koostuu kemiallisista massoista ja joka käsittää ensimmäisen kerrok- 5 sen, joka koostuu ensimmäisistä kuiduista, ja toisen kerroksen, joka on välittömästi sen vieressä ja koostuu toisista kuiduista, tunnettu siitä, että: ensimmäisten kuitujen keskimääräinen karkeus on suurempi kuin toisten kuitujen keskimääräinen karkeus; ja 10 mainittu välittömästi ensimmäisen kerroksen vieres sä oleva toinen kerros on kokoonpuristuvampi kuin mainittu ensimmäinen kerros; ja monikerroksisen arkin pinnan tasaisuutta luonnehtii pääasiallisesti mainitun toisen kerroksen pinnan tasai-15 suusominaisuudet.

2. Monikerroksinen paperiarkki, joka on valmistettu kemiallisista massoista, tunnettu siitä, että arkki käsittää ensimmäinen ulkokerroksen ja toisen ulkokerroksen, jolloin ensimmäinen ja toinen ulkokerros koos- 20 tuvat ensimmäisistä kuiduista, ja näiden väliin sijoitetun sisäkerroksen, mainitun sisäkerroksen koostuessa toisista : : kuiduista ja ollessa kokoonpuristuvampi kuin ensimmäinen ja toinen ulkokerros, ensimmäinen ulkokerros on välittömästi sisäkerrok-25 sen ensimmäisen pinnan vieressä, ja toinen ulkokerros on • · välittömästi sisäkerroksen toisen pinnan vieressä, toisen • · · pinnan ollessa oleellisesti samansuuntainen ensimmäisen pinnan kanssa; • ** ensimmäisten kuitujen keskimääräinen karkeus on • · · V ’ 30 ainakin 5 mg/100 m suurempi kuin toisten kuitujen keski- :*·.· määräinen karkeus; • · ", ensimmäisten kuitujen keskimääräinen karkeus ja lujuus ovat suurempia kuin toisten kuitujen keskimääräinen :·· '· karkeus ja lujuus; ja » # 98548 monikerroksisen arkin pinnan tasaisuutta luonnehtii pääasiallisesti mainitun sisäkerroksen pinnan tasaisuus-ominaisuudet.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen monikerroksinen 5 paperiarkki, tunnettu siitä, että ulkokerrosten ensimmäisten kuitujen keskimääräinen karkeus on ainakin 10 mg/100 m suurempi kuin välittömästi ulompien kerrosten vieressä olevan sisäkerroksen toisten kuitujen keskimääräinen karkeus.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen monikerroksinen paperiarkki, tunnettu siitä, että ulkokerrosten ensimmäisten kuitujen keskimääräinen karkeus on 15 40 mg/100 m ja välittömästi niiden vieressä olevan sisäkerroksen toisten kuitujen keskimääräinen karkeus on 5 -15 17 mg/100 m, samalla kun ulkokerrosten ensimmäisten kuitu jen keskimääräinen karkeus on ainakin 5 mg/100 m suurempi kuin välittömästi ulkokerrosten vieressä olevan sisäkerroksen toisten kuitujen keskimääräinen karkeus.

5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen monikerroksinen 20 paperiarkki, tunnettu siitä, että ulkokerrosten ensimmäisten kuitujen keskimääräinen karkeus on noin 22 mg/100 m ja välittömästi niiden vieressä olevan sisäker-·: roksen toisten kuitujen keskimääräinen karkeus on noin 12 ; mg/100 m.

6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen monikerroksinen • · • · paperiarkki, tunnettu siitä, että monikerroksisen • » * arkin pintapaino ei ole yli 122 g/m2 (75 lb/3 000 ft2) ja .. välittömästi viereisen sisäkerroksen pintapaino on ainakin « « ‘ 24 g/m2 (15 lb/3 000 ft2). • <» · *·' 30

7. Patenttivaatimuksen 2 mukainen monikerroksinen :*·.· paperiarkki, tunnettu siitä, että kummankin uiko- • · kerroksen pintapaino ei ole välittömästi viereisen sisä-, ‘. kerroksen pintapainoa suurempi kuin korkeintaan 24 g/m2 ;;/· (15 Ib/ 3 000 ft2). « · · 98548

8. Kemiallisista massoista koostuva monikerroksinen paperiarkki, jossa on kaksi ulkokerrosta, jotka koostuvat ensimmäisistä kuiduista, ja näiden välissä yksi tai useita sisäkerroksia, jotka koostuvat toisista kuiduista, 5 tunnettu siitä, että: monikerroksisen arkin pintapaino ei ole yli 122 g/m2 (75 lb/3 000 ft2); ulkokerrosten ensimmäisten kuitujen keskimääräinen karkeus on 15 - 40 mg/100 m; 10 yhden tai useamman sisäkerroksen toisten kuitujen keskimääräinen karkeus on 5 - 17 mg/100 m, samalla kun säilytetään keskimääräinen karkeus, joka on ainakin 10 mg/100 m alhaisempi kuin ulkokerrosten ensimmäisten kuitujen keskimääräinen karkeus; 15 mainittu yksi tai useampi sisäkerros on kokoonpu- ristuvampi kuin mainitut ulkokerrokset; ja monikerroksisen arkin pinnan tasaisuus on määräytynyt pääasiassa sellaisen arkin pinnan tasaisuudella, joka koostuu kokonaan yhdessä tai useammassa sisäkerroksessa 20 käytetyistä toisista kuiduista.

9. Menetelmä kemiallisesta massasta olevan monikerroksisen paperiarkin valmistamiseksi, jossa paperiarkissa on yksi tai useita ulkokerroksia, jotka koostuvat ensimmäisistä kuiduista, ja yksi tai useita sisäkerroksia, jot- 25 ka koostuvat toisista kuiduista ja ovat välittömästi ui- « · ··· kokerrosten vieressä, tunnettu siitä, että • · « · 9 • · · valmistetaan ulkokerros tai ulkokerrokset sisältä-mään ensimmäiset kuidut, joilla on keskimääräinen karkeus, • * joka on ainakin 5 mg/100 m suurempi kuin välittömästi sen • · « 30 vieressä olevan sisäkerroksen tai sisäkerrosten toisilla :*·.· kuiduilla; ja • ♦ valitaan välittömästi viereisen sisäkerroksen tai sisäkerrosten toiset kuidut niin, että mainittu välittö- mästi viereinen sisäkerros tai sisäkerrokset ovat kokoon- .·.* 35 puristuvampia kuin ulkokerros tai ulkokerrokset. 98548

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lisäksi valitaan kunkin kerroksen pintapaino ja/tai kussakin kerroksessa käytetty seossuhde niin, että monikerroksisen arkin pinnan tasai- 5 suuden määrää pääasiassa pinnan tasaisuus arkilla, joka koostuu kokonaan toisista kuiduista, joita käytetään välittömästi viereisessä sisäkerroksessa tai sisäkerroksissa.

11. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, 10 tunnettu siitä, että ulkokerroksen tai ulkokerrosten ensimmäiset kuidut valitaan niin, että niillä on keskimääräinen karkeus, joka on ainakin 10 mg/100 m suurempi kuin välittömästi ulkokerroksen tai ulkokerrosten vieressä olevan sisäkerroksen tai sisäkerrosten toisten kuitujen 15 keskimääräinen karkeus.

12. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ulkokerroksen tai ulkokerrosten ensimmäiset kuidut valitaan niin, että niillä on keskimääräinen karkeus 15 - 40 mg/100 m, ja välittömästi ul- 20 kokerroksen vieressä olevan sisäkerroksen tai sisäkerros ten toiset kuidut valitaan niin, että niiden keskimääräinen karkeus on 5 - 17 mg/100 m, samalla kun ulkokerroksen tai ulkokerrosten ensimmäisten kuitujen keskimääräinen karkeus on ainakin 5 mg/100 m suurempi kuin välittömästi \ 25 ulkokerroksen tai ulkokerrosten vieressä olevan sisäker- :i : roksen tai sisäkerrosten toisten kuitujen keskimääräinen karkeus.

:*< 13. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, .·!· tunnettu siitä, että ulkokerroksen tai ulkokerros- • · 30 ten ensimmäiset kuidut valitaan niin, että niillä on kes- • « • · · ’. *ί kimääräinen karkeus noin 22 mg/100 m, ja välittömästi ui- • · · kokerroksen vieressä olevan sisäkerroksen tai sisäkerros-. \ ten toiset kuidut valitaan niin, että niiden keskimääräi- .··. nen karkeus on noin 12 mg/100 m. 98548

14. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ulkokerros tai ulkokerrokset valmistetaan niin, että kullakin on pintapaino alle 57 g/m2 (35 lb/3 000 ft2).

15. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että monikerroksisen arkin pinta-paino valitaan olemaan korkeintaan 122 g/m2 (75 lb/3 000 ft2), ja välittömästi viereisen sisäkerroksen tai sisäkerrosten pintapaino valitaan olemaan ainakin 24 g/m2 (15 Ib/ 10 3 000 ft2).

16. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kummankin ulkokerroksen pintapaino valitaan niin, että se ei ole välittömästi viereisen sisäkerroksen tai sisäkerrosten pintapainoa suurempi 15 kuin korkeintaan 24 g/m2 (15 lb/3 000 ft2).

17. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että välittömästi viereisen sisäkerroksen tai sisäkerrosten pinnan tasaisuus valitaan antamaan arkille haluttu pinnan tasaisuus. • · i 1 : • · • · · • · « • · · • · • ♦ • «. · « ♦ 4 • · 4 • · · i ! · • · · • ·· • · 98548