KR101516901B1 - 충전제 조성물 및 복합체 물질을 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

충전제 물질을 결합제 및 반응물질과 반응시킴으로써 제조되는, 복합체, 예컨대, 종이 및 판지에서 사용하기 위한 개질된 충전제 조성물이 개시된다. 또한, 상기 개질된 충전제 조성물을 함유하는 복합체, 예컨대, 종이 및 판지를 제조하는 방법이 개시된다.

Description

충전제 조성물 및 복합체 물질을 제조하는 방법{FILLER COMPOSITION AND METHOD OF PRODUCING COMPOSITE MATERIALS}
본 발명은 조성물에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 다른 물질과 조합되어 조성물을 형성하는 충전제 물질에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 제지 산업(그러나, 이로 한정되지 않음)에서 사용될 충전제 기제 조성물 및 이러한 물질을 제조하는 방법에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 교차 참조
본원은 정규출원으로서 2010년 10월 15일자로 출원된 동일한 발명자들의 미국 가특허출원 제61/393,373호를 우선권으로 주장한다. 상기 우선권 출원의 전체 내용을 본원에 참고로 인용한다.
충전제 또는 안료는 물리적 또는 광학적 성질을 개선하고/하거나 물질의 비용을 낮추기 위해 복합체, 예컨대, 종이, 판지 또는 플라스틱 내로 종종 도입된다. 충전제, 보다 구체적으로 무기 안료는 표면 평활도, 인쇄 품질, 불투명도 및 휘도를 개선하고 보다 비싼 섬유를 대체하여 이러한 제품의 제조 비용을 감소시키기 위해 종이 복합체에 종종 첨가된다. 그러나, 충전제는 종이의 강도를 감소시키고 통상의 제지 섬유에 비해 상대적으로 작은 그들의 물리적 크기로 인해 웹 성형 공정에서 보유하기 어렵다. 이들 한계점들은 종종 종이 제제 내로 도입될 수 있는 충전제의 양을 제한한다.
생성된 종이 또는 판지의 강도 손실을 최소화하면서 종이 및 판지에서 원하는 광학적 성질을 부여하는 충전제를 제조하고자 하는 상당한 노력이 있다. 제지 공정에서 사용될 개질된 충전제의 제조를 수반하는 한 방법, 및 이에 의해 제조된 개질된 충전제 및 종이가 기재되어 왔다. 상기 방법은 하나 이상의 지방산, 로진산 또는 황산암모늄을 포함하는 반응 혼합물에 전분을 첨가하고 충전제를 상기 반응 혼합물에 첨가하여 개질된 충전제를 형성함으로써 개질된 충전제를 제조하는 것을 포함한다.
또 다른 방법은 하나 이상의 미분된 중합체-안료 하이브리드의 수성 현탁액을 지료(paper stock) 및 지료의 배수물에 첨가하여 종이 시트를 형성함으로써 충전제 함유 종이 및 충전제 함유 종이 제품을 제조한다. 상기 중합체-안료 하이브리드는, 하나 이상의 결합제의 존재 하에 하나 이상의 무기 안료의 수성 현탁액을 제분하고 적절한 경우 이로써 수득가능한 상기 수성 현탁액을 건조하고 건조된 중합체-안료 하이브리드를 물에 재분산시킴으로써 수득된다. 중합체-안료 하이브리드가 충전제 함유 종이 또는 충전제 함유 종이 제품의 제조를 위한 충전제로서 사용될 수 있는 것으로 이해된다.
이들 예는 개질된 충전제가 제지용으로 고려되었다는 것을 예시하지만, 충전된 종이 및 다른 종류의 최종 제품의 제조를 위해 사용될 수 있는 충전제로서, 경제적으로 실용적인 비용으로 적합한 강도 특징을 유지하면서 이러한 제품에 요구되는 광학적 성질을 갖는 충전제에 대한 필요성이 여전히 존재한다. 지금까지, 종이 및 다른 제품에서 사용되고 있는 충전제는 강도 손실 및 단순하게 만족스럽지 않은 다른 특성 보유 결핍을 발생시키고, 그 결과, 비용 절약을 발생시킬 수 있는 충전제 및 충전제 기제 조성물이 의미 있는 방식으로 실행될 수 없다.
필요한 것은 일차 구조적 물질의 원하는 광학적, 물리적 및 가공 특징을, 상기 일차 물질을 함유하는 최종 제품을 그의 의도된 목적에 부적합하게 만드는 수준까지 감소시키지 않는, 일차 물질과 함께 사용될 충전제 물질 또는 충전제 기제 조성물이다. 또한, 필요한 것은 상기 최종 제품의 전체 비용을 감소시키거나 적어도 상기 전체 비용을 증가시키지 않는 이러한 충전제 물질 및/또는 충전제 기제 조성물이다.
본 발명의 목적은 일차 구조적 물질의 원하는 광학적, 물리적 및 가공 특징을, 상기 일차 물질을 함유하는 최종 제품을 그의 의도된 목적에 부적합하게 만드는 수준까지 감소시키지 않는, 일차 물질과 함께 사용될 개질된 충전제 조성물을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 상기 최종 제품의 전체 비용을 감소시키거나 적어도 상기 전체 비용을 증가시키지 않는 이러한 개질된 충전제 조성물을 제공하는 것이다. 추가로, 본 발명의 목적은 이러한 개질된 충전제 조성물을 제조하는 하나 이상의 방법을 제공하는 것이다. 추가로, 본 발명의 목적은 상기 개질된 충전제 조성물의 하나 이상의 용도를 제공하는 것이다.
본 발명의 이들 목적 및 다른 목적은 종이 제품, 다른 형태의 셀룰로스-기제 제품 및 충전제 물질이 바람직한 다른 제품을 위해 사용될 수 있는 개질된 충전제 조성물로서, 이것을 함유하는 제품의 원하는 특징을 유의하게 감소시키지 않고/않거나, 이러한 제품과 관련된 비용을 감소시키고/시키거나, 기존 제품 제조 공정 내로 도입될 수 있는 개질된 충전제 조성물의 형성에 의해 달성된다. 개질된 충전제 조성물은 제품의 실용적인(viable) 성분이 되도록 구성된다. 상기 조성물은 선택된 충전제 물질과, 결합제 및 반응물질 및 가능하게는 원하는 특징을 갖는 하나 이상의 다른 성분의 조합물을 포함한다. 예를 들면, 종이 기제 제품의 경우, 충전제는 섬유일 수 있고, 결합제는 전분일 수 있다. 반응물질은 충전제 물질과 결합제, 일차 구조적 물질 및/또는 하나 이상의 다른 성분의 효과적인 조합을 허용할 정도로 충분히 상기 충전제 물질을 개질시킨다. 그 결과, 보다 많은 충전제 물질이 최종 제품의 강도를 포함하나 이것으로 한정되지 않는 일차 구조적 물질의 원하는 특징에서 부적합한 감소를 야기하지 않으면서 상기 일차 구조적 물질과 함께 사용될 수 있다. 본 발명은 개질된 충전제 조성물, 및/또는 상기 개질된 충전제 조성물을 포함하는 복합체를 포함하는, 개질된 충전제 조성물, 복합체 및 최종 제품을 제조하기 위한 일련의 가공 단계의 확립을 포함한다.
본 발명의 개질된 충전제 조성물의 사용은 실용적인 최종 제품이 감소된 비용으로 제조될 수 있게 한다. 본 발명의 이들 장점 및 다른 장점은 하기 상세한 설명, 첨부된 도면 및 첨부된 특허청구범위의 검토시 보다 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예를 위한 개질된 충전제의 포함에 의해 제공된 종이 제품의 인장 강도의 증가를 보여주는 그래프이고, 이때 상기 종이 제품 내의 충전제의 중량 함량은 회분(ash)으로서 지칭되고, 회분은 통상적인 충전제 옴야필(Omyafil)® 탄산칼슘이거나, 또는 옴야필® 제품을 포함하는 본 발명의 개질된 충전제이다.
도 2는 본 발명의 제4 실시예를 위한 개질된 충전제의 포함에 의해 제공된 종이 제품의 인장 강도의 증가를 보여주는 그래프이고, 이때 상기 종이 제품 내의 충전제의 중량 함량은 회분로서 지칭되고, 회분은 통상적인 충전제 카올린 점토이거나, 또는 카올린 점토 제품을 포함하는 본 발명의 개질된 충전제이다.
도 3은 본 발명의 제4 실시예의 종이 제품의 결합 강도의 증가를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 충전제, 결합제 및 반응물질을 함유하는 개질된 충전제 조성물이다. 상기 3종의 성분들은 바람직하게는 이들에 의해 대체되는 일차 구조적 물질 성분보다 덜 비싸다. 상기 조성물은 다른 성분들에 직접적으로 첨가되어 개질된 복합체 물질을 제조할 수 있는 개질된 충전제 입자의 형성을 가능하게 한다. 이러한 개질된 복합체 물질의 일례는 종이 및 판지 제품의 기초를 형성하는 섬유 슬러리이다.
결합제는 원하는 개질된 복합체 물질의 개별 성분들 중 하나 이상과 결합하는 것으로 공지된 물질들로부터 선택된다. 결합 목적을 위해 관심 있는 개별 주성분의 일례는 최종 제품의 일차 구조적 물질일 수 있다. 종이 및 판지가 최종 제품인 경우, 상기 주성분은 일반적으로 셀룰로스 섬유이다. 셀룰로스-기제 제품에 적합한 결합제는 천연 전분 및 변성된 전분, 검(gum), 라텍스 또는 유도체화된 셀룰로스 생성물을 포함하나 이들로 한정되지 않는다. 전분은 옥수수, 찰옥수수, 감자, 타피오카, 밀 또는 쌀로부터 단리될 수 있다. 전분은 산화된 전분, 양이온성 전분, 음이온성 전분, 산-희석된 전분, 에틸화된 전분 및 알데하이드 전분으로 더 개질될 수 있다.
충전제는 일차 구조적 물질을 보충할 충전제로서 적합하다고 간주되는 임의의 물질이다. 충전제는 바람직하게는 입자 형태로 제공되지만 이것으로 한정되지 않는다. 충전제는 섬유, 분쇄된 탄산칼슘, 침전된 탄산칼슘, 카올린 점토, 하소된 점토, 물-세척된 점토, 이산화티탄, 운모, 활석, 무증자(uncooked) 전분 과립, 건조된 증류기 그레인(grain), 쌀겨, 분쇄된 견과류외피, 귀리겨, 또는 유사한 물질 및 이들의 블렌드를 포함하나 이들로 한정되지 않는 물질들로부터 선택된다. 섬유가 충전제 물질로서 선택되는 경우, 상기 섬유는 임의의 셀룰로스성 섬유, 및 기계적, 화학적 또는 재활용된 펄프를 포함하는 임의의 펄프 중 어느 하나 이상일 수 있다.
반응물질은 결합제와 충전제 물질을 함께 화학적으로 결합하기에 적합한 임의의 물질이고 이러한 성분들을 포함하는 최종 제품의 원하는 특징에 대한 부정적인 영향을 최소화하기 위해 최종 제품의 일차 구조적 물질 및 다른 물질과 충분히 상용가능하도록 선택된다. 구체적으로, 반응물질은 충전제가 예를 들면, 종이 기제 제품의 섬유를 포함하는 최종 제품의 일차 구조적 물질에 미칠 수 있는 임의의 불리한 영향을 감소시키기 위해 결합제 물질과 반응하여 충전제 물질을 캡슐화하도록 선택된다. 본 발명 이전에, 충전제 물질은 섬유와 구조적 물질을 함께 결합하는 공정을 방해하는 경향을 가졌다. 본 발명의 반응물질은 충전제가 이러한 방해를 야기하지 않도록 상기 충전제를 캡슐화하거나 단리하는 작용을 한다. 상기 반응물질은 알데하이드, 다이알데하이드(차단된 직쇄 또는 비차단된 글라이옥살-기제 불용화제를 포함하는, 글라이옥살로도 지칭되는 에탄다이알을 포함하나 이것으로 한정되지 않음), 지방족 에폭시 수지, 멜라민 포름알데하이드 수지, 탄산지르코늄암모늄, 탄산지르코늄칼륨, 차단된 이소사이아네이트 및 이들의 혼합물을 포함하나 이들로 한정되지 않는 물질들로부터 선택된다.
본 발명의 개질된 충전제 조성물의 제조 공정은 결합제를 약 140℉ 내지 약 320℉의 범위 내의 온도까지 가열하는 단계를 포함한다. 상기 결합제는 전분 또는 다른 폴리사카라이드인 경우 배치 증자기(cooker) 또는 연속 제트 증자기 내에서 가열될 수 있다. 상기 결합제는 이 결합제를 약 180℉의 온도까지 가열하기 전에, 가열하는 동안에 또는 가열한 후에 충전제 입자와 조합된다. 상기 결합제와 충전제는 약 300 부의 결합제 대 약 1 부의 충전제(상대적으로 높은 최종 비) 내지 약 0.05 부의 결합제 대 약 1 부의 충전제(상대적으로 낮은 최종 비)의 범위 내의 비로 함께 조합되고, 이때 상기 비는 건조 중량 기준으로 표현된다.
그 다음, 상기 공정의 다음 단계에서, 반응물질이 결합제와 충전제의 조합물에 첨가되고, 3종의 성분들이 약 120℉ 내지 약 330℉의 범위 내의 선택가능한 온도에서 함께 혼합된다. 결합제-충전제 조합물과 반응물질은 약 9 부의 반응물질 대 약 100 부의 결합제(상대적으로 높은 최종 비) 내지 약 0.05 부의 반응물질 대 약 100 부의 결합제(상대적으로 낮은 최종 비)의 범위 내의 비로 함께 조합되고, 이때 상기 비는 건조 중량 기준으로 표현된다. 그 다음, 반응이 충분히 완료될 때까지 결합제, 충전제 및 반응물질의 분산액이 혼합된다. 무엇이 3종의 성분들의 조합물의 충분히 완료된 반응을 구성하는지는 각각의 성분에 대해 선택된 구체적인 물질 및 선택된 혼합 온도에 의해 좌우된다. 예를 들면(그러나, 한정하기 위한 것이 아님), 상기 3종의 성분들이 약 180℉의 온도에서 조합되고 혼합된 셀룰로스 섬유, 전분 및 글라이옥살인 경우, 반응은 약 1분 이내에 충분히 완료된다. 충분히 완료된 반응임을 확인시켜주는 개질된 충전제 조성물의 특징은 상기 충전제가 결합제에 의해 충분히 캡슐화되어 있거나 포획되어 있다는 것을 포함한다. 조성물의 희석된(2% 미만의 고체) 슬러리를 표준 필터지(예를 들면, 와트만 #4 필터지)에 통과시킨 후 10 중량% 미만의 결합제가 여과액에 존재하는 경우 반응은 완료된 것으로 간주된다. 이와 관련하여, 조성물이 겔화되어 있거나 거의 겔화되어 있는 경우, 반응은 충전제가 적절하게 캡슐화되고 추가 성분들과 조합되어 최종 제품을 형성할 준비가 되도록 충분히 완료되어야 한다.
본 발명의 조성물의 5개 예가 제조되었고 종이 제품의 제조에 사용되었다. 제조된 종이 제품은 유사하게 제조된 종이 제품과 비교되면서 시험되었고, 이때 상기 유사하게 제조된 종이 제품은 본 발명의 개질된 충전제 조성물을 포함하지 않았다. 시험 결과는 상기 개질된 충전제 조성물이 제조된 제품의 효과적인 성분이었고 물리적 및 광학적 성질을 포함하는 관심 있는 성질의 유의한 감소 없이 제품의 감소된 양의 일차 구조적 성분을 사용할 수 있게 하였다.
실시예 I
본 발명의 제1 실시예에서, 증자(cooked) 진주 옥수수 전분의 분산액 및 분쇄된 탄산칼슘의 분산액을 동등한 건조 중량 기준으로 용기 내에 함께 첨가하였다. 약 4 부의 물 대 약 1 부의 상기 2-성분 분산액 혼합물의 부피 비로 물을 상기 용기에 첨가하여 조합 분산액을 약 20% 총 고체 함량까지 조절하였다. 액체 혼합물을 약 140℉의 온도까지 가열하였다. 건조 중량 기준으로 약 3 부의 반응물질 대 약 100 부의 전분의 농도로 글라이옥살 반응물질, 예컨대, BASF로부터 입수가능한 글라이옥살 40% 고체를 상기 용기에 첨가하고 온도를 약 140℉에서 실질적으로 유지하면서 약 3시간 동안 주기적으로 혼합하였다.
생성된 개질된 충전제 조성물을 일차 구조적 물질(종이 제품의 경우 셀룰로스 섬유)와 조합하고 평가하였다. 상기 조성물이 개선된 결합 특징 및 섬유 물질에 대한 보다 용이하게 보유된 입자 크기 분포를 나타낸다는 것이 관찰되었다. 또한, 제조된 개질된 충전제 조성물이 슬러리로서 사용되거나, 임의적으로 건조되고 추후 재분산에서 셀룰로스 섬유를 포함하는 추가 성분의 가공에서 사용되는 건조된 충전제 물질로서 제공되어 종이 또는 판지 복합체를 생성할 있다는 것이 관찰되었다. 즉, 본 발명의 개질된 충전제 조성물은 공정의 한 단계에서 제품 제조 공정 내로 도입될 액화된 형태로 제공될 수 있거나, 제품 제조 공정의 상이한 단계에서 도입될 건조된 미립자 형태로 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 개질된 충전제 조성물은 젖은 형태 또는 건조된 형태로 제지 공정의 습단부에서 첨가될 수 있다. 이러한 형태의 그의 사용에서, 상기 개질된 충전제 조성물은 복합체의 제조를 위해 사용될 수 있고, 이때 상기 개질된 충전제 조성물은 다른 성분들과 함께 분산되고 복합체로 제조된다. 대안적으로, 상기 개질된 충전제 조성물은 코팅물의 성분으로서 사용될 수 있고 이로써 개질된 코팅물은 복합체 또는 기판의 표면에 도포될 수 있다.
복합체 제품의 강도는 개질된 충전제 조성물이 기존 통상적인 충전제에 대한 대체물로서 사용되는 경우 상기 개질된 충전제 조성물의 사용에 의해 증가될 수 있다. 전술된 예시적 실시양태는 펄프 및 종이 산업의 기술협회(TAPPI) 표준 방법 T-205에 따라 표준 수초지(handsheet) 주형을 이용하는 종이 제품의 제조 공정에서 사용되었고 TAPPI 표준 시험 방법 T-569("종이의 내부 결합 강도(스콧 타입)") 및 T-404("종이의 인장 파단 강도 및 연신")에 따라 강도 성질에 대해 시험되었다. 시험될 종이는 통상적인 충전제, 분쇄된 탄산칼슘, 예컨대, 미국 버몬트주 프록터 소재의 옴야 컴퍼니(Omya company)로부터 입수가능한 옴야필® 탄산칼슘 제품, 및 전술된 개질된 충전제 조성물을 사용하여 제조하였다. 통상적인 충전제는 총 종이 제품 중량의 약 10 중량%, 약 20 중량% 및 약 30 중량%의 비로 종이 제품의 셀룰로스 섬유 및 다른 표준 성분들과 함께 도입되었다. 보다 더 많은 본 발명의 개질된 충전제 조성물은 총 종이 중량의 약 12.5 중량%, 약 22.5 중량% 및 약 32.5 중량%의 비로 종이 제품의 셀룰로스 섬유 및 다른 표준 성분들과 함께 도입되었다. 통상적인 충전제를 사용하는 경우 보다 많은 충전제의 첨가가 종이의 인장 강도를 보다 더 낮출 것이라는 것이 예측될 것이다.
충전제 함량이 "회분" 함량으로서 지칭되어 있는 도 1에 예시된 바와 같이, 본 발명의 개질된 충전제 조성물을 갖는 종이의 인장 강도는 통상적인 충전제를 갖는 종이의 인장 강도보다 유의하게 더 높다. 구체적으로, 12.5%의 개질된 충전제 조성물을 갖는 종이는 단지 10%의 통상적인 충전제를 갖는 종이보다 약 20% 더 강하고, 22.5%의 개질된 충전제 조성물을 갖는 종이는 단지 20%의 통상적인 충전제를 갖는 종이보다 약 25% 더 강하고, 32.5%의 개질된 충전제 조성물을 갖는 종이는 단지 30%의 통상적인 충전제를 갖는 종이보다 약 20% 더 강하다. 이들 결과는 적어도 셀룰로스-기제 최종 제품이 이 최종 제품의 하나 이상의 다른 성분보다 덜 비싼 보다 많은 충전제에 의해 제조될 수 있고, 상기 충전제가 상기 최종 제품의 강도를 감소시키지 않고 사실상 개선하면서 대신 사용될 수 있다는 것을 명확히 보여준다.
실시예 II
본 발명의 개질된 충전제 조성물의 제2 실시예에서, 상업적 재활용된 섬유(캐나다 퀘벡주 몬트리얼의 피브렉 인코포레이티드(Fibrek, Inc.)에 의해 제조된 인쇄 및 필기 등급의 재활용된 섬유)의 샘플을 TAPPI 표준 방법 T-205에 따라 수초지로 만들었고 TAPPI 표준 시험 방법 T-569("종이의 내부 결합 강도(스콧 타입)") 및 T-404("종이의 인장 파단 강도 및 연신")에 따라 강도 성질에 대해 시험하였다. 이들 종이는 표 1에서 "대조군"으로서 확인된다. 제2 수초지 세트를 유사하게 제조하였고 10%의 처리된 재활용된 섬유를 첨가하여 시험하였다. 처리된 재활용된 섬유의 3개 버전(본 발명의 개질된 충전제 조성물의 상이한 반응물질을 각각 포함함)을 제조하였다. 처리된 섬유는 10% 고체 함량의 비개질된 옥수수 전분을 190℉에서 30분 동안 증자한 후 건조 중량 기준으로 동등한 양의 비처리된 재활용된 섬유를 증자 전분 페이스트에 첨가하여 제조하였다. 3%(전분 고체를 기준으로 한 건조 중량 기준)의 반응물질을 격렬한 교반 하에 슬러리에 첨가하였다. 그 다음, 이 처리된 섬유 슬러리를 건조 고체 중량 기준으로 10% 적재량(loading)으로 비처리된 재활용된 섬유 샘플에 첨가하였다. 시험의 결과는 3종의 상이한 반응물질들을 함유하는 강도 부가 조성물에 대해 표 1에 제시되어 있다. 상이한 처리된 재활용된 섬유 수초지의 제조에 사용된 상기 3종의 상이한 반응물질들은 다음과 같았다: A - 실시예 I의 개질된 충전제 조성물의 형성에 사용된 글라이옥살 40% 고체; B - 미국 뉴저지주 플레밍톤 소재의 멜 케미칼스 인코포레이티드(Mel Chemicals, Inc.)로부터 입수가능한 상표명 바코트(Bacote) 20 하에 제공된 형태의 탄산지르코늄암모늄; 및 C - 마찬가지로 멜 케미칼스 인코포레이티드로부터 입수가능한 상표명 지르멜(Zirmel) 100 하에 제공된 형태의 탄산지르코늄칼륨. 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 모든 처리된 섬유 조건은 대조군에 비해 인장 강도 및 스콧 결합 강도에서 상당한 개선을 보인다.
Figure 112013042320177-pct00001
실시예 III
본 발명의 개질된 충전제 조성물의 제3 실시예에서, 상업적 북부 표백 침엽수 크래프트(Northern Bleached Softwood Kraft)(NBSK) 펄프(캐나다 퀘벡주 몬트리얼 소재의 피브렉 인코포레이티드에 의해 제조된 세인트 펠리시엔 NBSK 펄프)를 TAPPI 표준 방법 T-205에 따라 수초지로 만들었고 TAPPI 표준 시험 방법 T-569("종이의 내부 결합 강도(스콧 타입)") 및 T-404("종이의 인장 파단 강도 및 연신")에 따라 강도 성질에 대해 시험하였다. 이들 종이는 표 2에서 "대조군"으로서 확인된다. 3개 상이한 버전의 제2 수초지 세트를 유사하게 제조하여 시험하였다. 제1 버전은 95% 비처리된 NBSK 및 본 발명의 개질된 충전제 조성물의 한 형태로 처리된 5% NBSK로 형성되었다. 제2 버전은 95% 비처리된 NBSK 및 동일한 형태의 개질된 충전제 조성물로 처리된 10% NBSK로 형성되었다. 제3 버전은 80% NBSK 및 동일한 형태의 개질된 충전제 조성물로 처리된 20% NBSK로 형성되었다. 처리된 NBSK 섬유는 10% 고체 함량의 비개질된 옥수수 전분을 190℉에서 30분 동안 증자한 후 건조 중량 기준으로 동등한 양의 비처리된 NBSK 섬유를 증자 전분 페이스트에 첨가하여 제조하였다. 3%(전분 고체를 기준으로 한 건조 중량 기준)의 반응물질을 격렬한 교반 하에 슬러리에 첨가하였다. 본 실시예에서 반응물질은 실시예 I에서 사용된 반응물질과 동일한 글라이옥살 40%이었다. 그 다음, 이 처리된 섬유 슬러리를 건조 고체 중량 기준으로 5%, 10% 및 20% 적재량으로 비처리된 NBSK 섬유 샘플에 첨가하였다. 시험의 결과는 표 2에 제시되어 있다. 모든 처리된 섬유 조건은 대조군에 비해 인장 강도 및 스콧 결합 강도에서 상당한 개선을 보인다.
Figure 112013042320177-pct00002
실시예 IV
본 발명의 개질된 충전제 조성물의 제4 실시예에서, 25 중량% NBSK 펄프, 45 중량% 쇄목펄프 및 30 중량% 열기계 펄프의 블렌드를 포함하는 섬유 슬러리를 제조하였고, TAPPI 표준 방법 T-205에 따라 수초지로 성형하기 전에, 다양한 양의 카올린 점토(비처리된 카올린 점토, 및 본 발명의 개질된 충전제 조성물의 사용에 의해 처리된 카올린 점토 둘다) 및 통상적인 가공 보조제를 섬유 슬러리에 첨가하였다. 수초지를 성형하기 전에, 하기 공정 보조제를 각각의 슬러리 분취액에 첨가하였다(표 3).
Figure 112013042320177-pct00003
비처리된 카올린 점토를 종이 톤(ton) 당 100 lb, 200 lb 및 400 lb의 속도로 섬유 슬러리에 첨가하였고, 생성된 혼합물로부터 수초지 세트를 제조하였다.
처리된 충전제는 10% 고체 함량의 비개질된 옥수수 전분을 190℉에서 30분 동안 증자한 후 건조 중량 기준으로 동등한 양의 비처리된 카올린 점토를 증자 전분 페이스트에 첨가하여 제조하였다. 3%(전분 고체를 기준으로 한 건조 중량 기준)의 글라이옥살 40% 반응물질을 격렬한 교반 하에 혼합물에 첨가하였다. 예시적 제품의 3개 상이한 버전에서 종이 톤 당 0 lb, 100 lb 및 300 lb의 속도로 첨가되는 비처리된 카올린 점토와 함께 처리된 충전제를 종이 톤 당 200 lb의 속도로 섬유 슬러리에 첨가하였다. 생성된 혼합물로부터 수초지 세트를 제조하였다. 각각의 수초지 세트를 TAPPI 표준 시험 방법 T-569("종이의 내부 결합 강도(스콧 타입)"), T-404("종이의 인장 파단 강도 및 연신") 및 T-211("525 C에서 종이-연소의 회분 함량")에 따라 강도 성질에 대해 시험하였다. 결과는 표 4, 도 2 및 도 3에 제시되어 있고, 이때 모든 처리된 충전제 조성물들은 제품의 비처리된 충전제 버전에 비해 인장 강도 및 스콧 결합 강도에서 상당한 개선을 보인다.
Figure 112013042320177-pct00004
실시예 V
본 발명의 개질된 충전제 조성물의 제5 실시예에서, 미국 메인주 오로노 소재의 메인 대학에서 파일럿 제지 기계를 이용하여 30 중량% NBSK 펄프와 70 중량% 북부 표백 활엽수 크라프트(northern bleached hardwood kraft) 펄프의 블렌드를 포함하는 섬유 슬러리를 사용하여 공칭 평량(basis weight)이 75 gm(+/- 6 gm)인 비코팅된 종이를 제조하였다. 분쇄된 탄산칼슘(GCC) 안료 옴야필®을 지료에 첨가하여 충전제 함량을 약 10 중량% 내지 17 중량%로 조절하였다. 이들 종이는 표 5 및 6에서 조건 A, B 및 C로서 확인된다. 종이의 제조를 돕기 위해 하기 제지 첨가제를 공급물에 첨가하였다: (1) 증자 양이온성 전분(미국 일리노이주 데카투르 소재의 테이트 앤드 라일(Tate & Lyle)로부터 입수가능한 Sta-Lok 160), (2) 양이온성 응고제(미국 일리노이주 나퍼빌 소재의 날코 케미칼 컴파니(Nalco Chemical Co.)로부터 입수가능한 날코 7607), (3) 보유 보조제(BASF로부터 입수가능한 텔리오포름(Telioform)), 및 (4) 배수 보조제(BASF로부터 입수가능한 벤토나이트). 첨가제 및 용량의 요약은 표 5에 제시되어 있다.
Figure 112013042320177-pct00005
또한, GCC 안료를 본 발명에 따라 개질시켜 개질된 충전제 조성물을 생성하였다. 처리된 GCC 충전제를 포함하는 예시적 종이 제품의 3개 버전을 만들었고, 이들 버전은 본원에서 표 5에 나타낸 바와 같이 종이 조건 D, E 및 F로서 지칭되었다. 조건 D 종이에서 사용된 처리된 충전제는 약 10% 고체 함량의 에틸화된 옥수수 전분(테이트 앤드 라일로부터 입수가능한 에틸렉스(Ethylex) 2026)을 190℉에서 30분 동안 증자한 후 건조 중량 기준으로 동등한 양의 비처리된 GCC를 증자 전분 페이스트에 첨가함으로써 제조하였다. 그 다음, 2 중량%(전분 고체를 기준으로 한 건조 중량 기준)의 반응물질 글라이옥살 40%를 격렬한 교반 하에 혼합물에 첨가하였다. 처리된 충전제 슬러리(3 중량%, 또는 60 lb/톤, 추가물)를 통상적인 크기 프레스 코팅기를 이용하여 코팅제로서 종이 웹의 표면에 첨가하였다.
조건 E 종이에서 사용된 처리된 충전제는 30%의 양이온성 옥수수 전분 Sta-Lok 160과 70%의 비개질된 옥수수 전분, 예컨대, 테이트 앤드 라일로부터 입수가능한 진주 옥수수 전분의 블렌드(약 10% 고체 함량)를 190℉에서 30분 동안 증자한 후 건조 중량 기준으로 동등한 양의 비처리된 GCC를 증자 전분 페이스트에 첨가함으로써 제조하였다. 그 다음, 2 중량%(전분 고체를 기준으로 한 건조 중량 기준)의 반응물질 글라이옥살 40%를 격렬한 교반 하에 혼합물에 첨가하였다. 그 다음, 슬러리를 종이 웹으로 성형하기 전에, 처리된 충전제 슬러리를 종이 톤 당 200 lb의 용량으로 섬유 슬러리에 첨가하였다.
조건 F에서 사용된 처리된 충전제는 30%의 양이온성 옥수수 전분 Sta-Lok 160과 70%의 비개질된 감자 전분(미국 메인주 포트 페어필드 소재의 아루스투크 스타치(Aroostook Starch)로부터 입수가능한 상표명 포테이토 스타치에 의해 확인됨)의 블렌드(약 10% 고체 함량)를 190℉에서 30분 동안 증자한 후 건조 중량 기준으로 1.5배의 비처리된 GCC를 증자 전분 페이스트에 첨가함으로써 제조하였다. 그 다음, 2 중량%(전분 고체를 기준으로 한 건조 중량 기준)의 반응물질 글라이옥살 40%를 격렬한 교반 하에 혼합물에 첨가하였다. 그 다음, 슬러리를 종이 웹으로 성형하기 전에, 처리된 충전제 슬러리를 종이 톤 당 300 lb의 용량으로 섬유 슬러리에 첨가하였다.
각각의 조건으로부터의 종이 샘플을 TAPPI 표준 시험 방법 T-569("종이의 내부 결합 강도(스콧 타입)"), T-404("종이의 인장 파단 강도 및 연신") 및 T-211("525 C에서 종이-연소의 회분 함량")에 따라 강도 성질에 대해 시험하였다. 결과는 표 6에 제시되어 있다. 모든 처리된 충전제 종이 제품들(조건 D, E 및 F)은 인장 강도 및 스콧 결합 강도에 의해 측정될 때 비처리된 충전제 종이 제품(조건 A, B 및 C)에 비해 강도에서 유의한 개선을 보인다.
Figure 112013042320177-pct00006
본 발명의 개질된 충전제 조성물은 마감처리된 제품으로서 제공될 수 있고, 이때 전술된 바와 같이 상기 조성물을 제조하는 단계는 최종 제품의 제조에 사용되기 위해 운반되기 전에 완료된다. 임의적으로, 3종의 주성분, 즉 충전제 물질, 결합제 물질 및 반응물질은 별개의 성분으로서 제공될 수 있고, 본원에 기재된 단계를 수행하여 상기 개질된 충전제 조성물을 제조하기 위한 설명서가 제공될 수 있다. 추가로, 상기 충전제 물질 및 결합제 물질은 반응물질의 첨가 전에 함께 조합되어 본원에 기재된 충전제-결합제 조성물을 형성할 수 있고, 상기 반응물질과 상기 충전제-결합제 조성물을 조합하여 개질된 충전제 조성물을 형성하는 단계를 완료하기 위한 설명서가 제공될 수 있다.
상기 개질된 충전제 조성물은 원하는 최종 제품의 제조 공정의 일부로서 상기 원하는 최종 제품, 예컨대, 종이 제품의 형성을 위해 사용되는 추가 성분과 조합될 수 있다. 대안적으로, 상기 개질된 충전제 조성물은 하나 이상의 다른 성분과 조합되어 코팅제를 형성할 수 있다. 그 다음, 상기 코팅제는 이미 제조된 최종 제품, 예컨대, 종이 제품에 도포될 수 있다. 예를 들면(그러나, 결코 한정하기 위한 것이 아님), 상기 개질된 충전제 조성물은 크기 프레스 코팅 도포에서 사용되는 코팅 제품 내로 도입될 수 있거나 상기 코팅 제품일 수 있다.
추가로, 본 발명의 개질된 충전제 조성물은 다른 물질과 함께 사용되어 다른 제품의 특징의 개선에 있어서 상기 다른 물질의 효능을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 개질된 충전제 조성물은 미국 특허 제5,928,474호, 제5,859,128호, 제6,699,363호 및 제6,048,929호(이들의 전체 내용을 본원에 참고로 인용함)에 기재된 물질과 함께 사용되어 개선된 특징을 갖는 하나 이상의 셀룰로스-기제 제품을 생성할 수 있다.
본 발명은 개질된 충전제 조성물, 이러한 조성물의 제조 방법 및 이러한 조성물의 용도의 여러 예시적 실시양태에 대하여 기재되어 있지만, 명시적으로 기재된 본 발명을 벗어나지 않으면서 대안, 변형 및 변경을 달성할 수 있다는 것이 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 전술된 본 발명의 바람직한 실시양태는 예시하기 위한 것이지 한정하기 위한 것이 아니다. 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변화가 이루어질 수 있다.

Claims (20)

  1. 하나 이상의 최종 제품의 제조에 사용하기 위한 혼합물에 첨가되는 개질된 충전제 조성물로서,
    a. 충전제 물질;
    b. 결합제 물질; 및
    c. 반응물질
    을 포함하되, 이때
    상기 반응물질은 상기 조성물 중의 충전제 물질을 캡슐화하거나 단리하도록 선택되고,
    상기 조성물은, 상기 조성물의 희석된 슬러리를 표준 필터지에 통과시킨 후 10 중량% 미만의 결합제를 포함하는, 개질된 충전제 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    결합제 물질 대 충전제 물질의 중량비가 300 부의 결합제 물질 대 1 부의 충전제 물질 내지 0.05 부의 결합제 물질 대 1 부의 충전제 물질의 범위 내에 있는, 개질된 충전제 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    결합제 물질 대 충전제 물질의 중량비가 1 대 1인, 개질된 충전제 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    반응물질 대 결합제 물질의 중량비가 9 부의 반응물질 대 100 부의 결합제 물질 내지 0.05 부의 반응물질 대 100 부의 결합제 물질의 범위 내에 있는, 개질된 충전제 조성물.
  5. 제2항에 있어서,
    반응물질 대 결합제 물질의 중량비가 9 부의 반응물질 대 100 부의 결합제 물질 내지 0.05 부의 반응물질 대 100 부의 결합제 물질의 범위 내에 있는, 개질된 충전제 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    물을 추가로 포함하고, 이때 물이 조성물의 80%를 차지하는, 개질된 충전제 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    a. 충전제 물질이 섬유, 분쇄된(ground) 탄산칼슘, 침전된 탄산칼슘, 카올린 점토, 하소된 점토, 물-세척된 점토, 이산화티탄, 운모, 활석, 무증자(uncooked) 전분 과립, 건조된 증류기 그레인(grain), 쌀겨, 분쇄된 견과류외피, 및 귀리겨로 구성된 군으로부터 선택되고;
    b. 결합제 물질이 천연 전분 및 변성된 전분, 검(gum), 라텍스 및 유도체화된 셀룰로스 생성물로 구성된 군으로부터 선택되고, 이때 상기 천연 전분 및 변성된 전분이 옥수수, 찰옥수수, 감자, 타피오카, 밀 또는 쌀로부터 단리된 전분, 및 산화된 전분, 양이온성 전분, 음이온성 전분, 산-희석된 전분, 에틸화된 전분 및 알데하이드 전분으로 변성된 전분으로 구성된 군으로부터 선택되고;
    c. 반응물질이 알데하이드, 다이알데하이드, 글라이옥살, 차단된(blocked) 직쇄 또는 비차단된 글라이옥살-기제(based) 불용화제, 지방족 에폭시 수지, 멜라민 포름알데하이드 수지, 탄산지르코늄암모늄, 탄산지르코늄칼륨, 차단된 이소사이아네이트 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는, 개질된 충전제 조성물.
  8. 제7항에 있어서,
    충전제 물질이 셀룰로스 섬유이고, 결합제 물질이 전분이고, 반응물질이 글라이옥살인, 개질된 충전제 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    셀룰로스 섬유와 추가로 조합되어 종이 제품을 형성하는 개질된 충전제 조성물.
  10. a. 충전제 물질 및 결합제 물질을 함께 분산시켜 충전제-결합제 조성물을 형성하는 단계;
    b. 상기 충전제-결합제 조성물을 가열하는 단계;
    c. 반응물질을 상기 충전제-결합제 조성물에 첨가하여 충전제-결합제-반응물질 조성물을 형성하는 단계; 및
    d. 상기 충전제-결합제-반응물질 조성물을 가열하여 개질된 충전제 조성물을 제조하는 단계
    를 포함하되, 이때
    상기 반응물질은 상기 조성물 중의 충전제 물질을 캡슐화하거나 단리하도록 선택되고,
    상기 조성물은, 상기 조성물의 희석된 슬러리를 표준 필터지에 통과시킨 후 10 중량% 미만의 결합제를 포함하는,
    개질된 충전제 조성물을 제조하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    개질된 충전제 조성물을 셀룰로스-기제 최종 제품의 제조를 위한 하나 이상의 추가 성분과 조합하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    조합하는 단계가 셀룰로스-기제 최종 제품의 제조 전에 하나 이상의 추가 성분을 개질된 충전제 조성물에 분산시키는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    개질된 충전제 조성물을 포함하는 코팅물을 형성하는 단계를 추가로 포함하고, 이때
    조합하는 단계가 상기 코팅물을 상기 하나 이상의 추가 성분을 함유하는 최종 제품에 도포하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    충전제 물질 및 결합제 물질을 함께 분산시키기 전에 상기 결합제 물질을 가열하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    제2 가열 단계 전에 물을 충전제-결합제-반응물질 조성물에 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    충전제 물질이 섬유이고, 결합제 물질이 전분이고, 반응물질이 글라이옥살인, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    충전제-결합제 조성물을 가열하는 단계 및 충전제-결합제-반응물질 조성물을 가열하는 단계 둘다가 140℉의 온도에서 수행되는, 방법.
  18. (a) 셀룰로스 섬유; 및
    (b) (i) 충전제 물질; (ii) 결합제 물질; 및 (iii) 반응물질을 포함하는 조성물
    을 포함하는 종이 제품으로서,
    상기 반응물질은 상기 조성물 중의 충전제 물질을 캡슐화하거나 단리하도록 선택되고,
    상기 조성물은, 상기 조성물의 희석된 슬러리를 표준 필터지에 통과시킨 후 10 중량% 미만의 결합제를 포함하는, 종이 제품.
  19. 제18항에 있어서,
    충전제 물질이 섬유이고, 결합제 물질이 전분이고, 반응물질이 글라이옥살인, 종이 제품.
  20. 제19항에 있어서,
    섬유 및 전분이 1 대 1 중량비로 존재하고, 글라이옥살 및 전분이 3 대 100 중량비로 존재하는, 종이 제품.
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