KR20230066009A - 개선된 기계적 특성을 갖는 종이 및 판지 적용을 위한 미소섬유화된 셀룰로오스 및 미세다공성 무기 미립자 물질 복합재를 포함하는 충전제 조성물 - Google Patents

개선된 기계적 특성을 갖는 종이 및 판지 적용을 위한 미소섬유화된 셀룰로오스 및 미세다공성 무기 미립자 물질 복합재를 포함하는 충전제 조성물 Download PDF

Info

Publication number
KR20230066009A
KR20230066009A KR1020237009976A KR20237009976A KR20230066009A KR 20230066009 A KR20230066009 A KR 20230066009A KR 1020237009976 A KR1020237009976 A KR 1020237009976A KR 20237009976 A KR20237009976 A KR 20237009976A KR 20230066009 A KR20230066009 A KR 20230066009A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
inorganic particulate
microporous inorganic
microporous
filler composition
particulate materials
Prior art date
Application number
KR1020237009976A
Other languages
English (en)
Inventor
데이빗 스쿠스
조나단 핍스
토마스 리브-라슨
Original Assignee
파이버린 테크놀로지스 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 파이버린 테크놀로지스 리미티드 filed Critical 파이버린 테크놀로지스 리미티드
Publication of KR20230066009A publication Critical patent/KR20230066009A/ko

Links

Images

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H11/00—Pulp or paper, comprising cellulose or lignocellulose fibres of natural origin only
    • D21H11/16—Pulp or paper, comprising cellulose or lignocellulose fibres of natural origin only modified by a particular after-treatment
    • D21H11/18—Highly hydrated, swollen or fibrillatable fibres
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C9/00—After-treatment of cellulose pulp, e.g. of wood pulp, or cotton linters ; Treatment of dilute or dewatered pulp or process improvement taking place after obtaining the raw cellulosic material and not provided for elsewhere
    • D21C9/001—Modification of pulp properties
    • D21C9/002—Modification of pulp properties by chemical means; preparation of dewatered pulp, e.g. in sheet or bulk form, containing special additives
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H11/00—Pulp or paper, comprising cellulose or lignocellulose fibres of natural origin only
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H17/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its constitution; Paper-impregnating material characterised by its constitution
    • D21H17/63—Inorganic compounds
    • D21H17/64—Alkaline compounds
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H17/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its constitution; Paper-impregnating material characterised by its constitution
    • D21H17/63—Inorganic compounds
    • D21H17/67—Water-insoluble compounds, e.g. fillers, pigments
    • D21H17/675—Oxides, hydroxides or carbonates
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H17/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its constitution; Paper-impregnating material characterised by its constitution
    • D21H17/63—Inorganic compounds
    • D21H17/67—Water-insoluble compounds, e.g. fillers, pigments
    • D21H17/68—Water-insoluble compounds, e.g. fillers, pigments siliceous, e.g. clays
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H17/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its constitution; Paper-impregnating material characterised by its constitution
    • D21H17/71—Mixtures of material ; Pulp or paper comprising several different materials not incorporated by special processes
    • D21H17/74—Mixtures of material ; Pulp or paper comprising several different materials not incorporated by special processes of organic and inorganic material
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H21/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its function, form or properties; Paper-impregnating or coating material, characterised by its function, form or properties
    • D21H21/14—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its function, form or properties; Paper-impregnating or coating material, characterised by its function, form or properties characterised by function or properties in or on the paper
    • D21H21/18—Reinforcing agents
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H21/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its function, form or properties; Paper-impregnating or coating material, characterised by its function, form or properties
    • D21H21/14—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its function, form or properties; Paper-impregnating or coating material, characterised by its function, form or properties characterised by function or properties in or on the paper
    • D21H21/22—Agents rendering paper porous, absorbent or bulky
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H21/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its function, form or properties; Paper-impregnating or coating material, characterised by its function, form or properties
    • D21H21/50—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its function, form or properties; Paper-impregnating or coating material, characterised by its function, form or properties characterised by form
    • D21H21/52—Additives of definite length or shape
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H23/00—Processes or apparatus for adding material to the pulp or to the paper
    • D21H23/02—Processes or apparatus for adding material to the pulp or to the paper characterised by the manner in which substances are added
    • D21H23/04—Addition to the pulp; After-treatment of added substances in the pulp
    • D21H23/06—Controlling the addition
    • D21H23/08—Controlling the addition by measuring pulp properties, e.g. zeta potential, pH
    • D21H23/10—Controlling the addition by measuring pulp properties, e.g. zeta potential, pH at least two kinds of compounds being added

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Paper (AREA)

Abstract

미소섬유화된 셀룰로오스 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물을 제조하는 방법 및 미소섬유화된 셀룰로오스 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 제지 퍼니시 및 종이 생성물을 제조하는 방법.

Description

개선된 기계적 특성을 갖는 종이 및 판지 적용을 위한 미소섬유화된 셀룰로오스 및 미세다공성 무기 미립자 물질 복합재를 포함하는 충전제 조성물
본 발명은 최적의 입자 크기 및 입자 크기 분포를 갖는 부피가 큰 미세다공성(bulky microporous) 무기 미립자 물질의 선택을 통해 개선된 기계적 특성을 갖는 미소섬유화된 셀룰로오스(microfibrillated cellulose, "MFC") 및 부피가 큰 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 종이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
무기 미립자 물질은 일반적으로 광학 및 인쇄 특성을 고양시키기 위해 그래픽 용지에 사용된다. 무기 미립자 물질(본 명세서에서 "광물" 및 "충전제"로도 지칭됨)은 펄프 섬유보다 실질적으로 저렴하기 때문에 무기 미립자 물질을 사용하면 제지업체가 또한 비용을 절감할 수 있다. 사용될 수 있는 무기 미립자 물질의 양은 무기 미립자 물질이 제조 동안 및 건조 후 습윤 상태 둘 모두에서 종이의 강도 특성에 대해 갖는 영향 때문에 제한된다.
제조 동안에 무기 미립자 물질 함량을 제한하는 가장 중요한 특성은 압착 후 습윤 종이의 인장 강도이다. 대부분의 제지 기계에서 종이는 지지되지 않은 상태로 프레스에서 건조기 부문으로 통과되고 따라서 최대 60%의 상대적으로 높은-물 함량을 유지하면서 장력을 유지한다.
건조 후, 많은 종이 등급은 인쇄 및 전환 공정 동안 손상에 저항하기 위해 'Z' 방향(종이의 평면에 수직)의 인장 강도뿐만 아니라, 최소 인장, 파열 및 인열 강도를 요한다. 다른 중요한 시트 특성은 굽힘 저항성 및 시트 벌크 또는 두께를 포함한다.
미소섬유화된 셀룰로오스(MFC)의 첨가는 제조 동안 습윤 강도를 포함한, 종이의 많은 중요한 강도 특성을 증가시키는 비용-효율적인 방법으로 확립되었고, 따라서 더 높은 무기 미립자 물질 함량을 사용하고 비용을 절감할 수 있다. 그러나, MFC의 첨가와 무기 미립자 물질 함량의 증가는 둘 모두 전형적으로 종이를 고밀도화하는 효과가 있어 시트 두께의 감소로 이어진다.
중질 탄산칼슘(GCC) 및 카올린과 같은 제지에서 사용되는 종래의 충전제 조성물은 섬유의 단위 질량당 종이의 두께에서 약간의 증가를 제공할 수 있는데, 이는 일부 무기 미립자 물질 입자가 그렇지 않으면 함께 단단히 결합되고 섬유 사이의 간격을 증가시키는 중첩하는 섬유 사이의 영역을 차지하기 때문이다. 그러나, 대부분의 입자는 그렇지 않으면 비어 있을 섬유 네트워크에서 빈 공간에 위치되고, 섬유에 비해 그 밀도가 더 높으면 섬유를 충전제로 대체하는 순 효과는 종이를 조밀하게 만드는 것이다.
MFC는 섬유에 강력하게 결합하고 섬유를 함께 잡아당겨, 종이 벌크 및 두께를 또한 감소시킨다. 종이 시트의 굽힘 강성은 그 두께에 매우 민감하기 때문에, 무기 미립자 물질 함량을 증가시키기 위한 MFC의 사용은 또한 이 특성에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 결과적으로, MFC를 추가하여 달성할 수 있는 무기 미립자 물질 함량에서의 증가는 종종 종이의 강도보다는 종이의 벌크 및 강성에 의해 제한된다.
미세다공성 무기 미립자 물질
하소된 점토와 편삼각면체 및 아라고나이트 침강성 탄산칼슘(PCC)과 같은 일부 유형의 충전제는 개방 다공성 구조를 갖는 입자의 응집체로 구성된다(즉, 이들은 미세다공성 무기 미립자 물질의 예이다). 하소된 점토는 미국 특허 번호 3,586,523에 기재되어 있으며, 그 전문이 본 명세서에 참고로 포함된다. 이러한 하소된 카올린 점토는 특정 유형의 카올린 점토, 예를 들어 경질 퇴적 카올린 점토를 하소함에 의해 얻어지는 실질적으로 무수, 비정질 규산알루미늄이다.
클러스터 형태에서의 침강성 탄산칼슘(PCC)은 미국 특허 번호 5,695,733에 개시된 바와 같이 당업계에 공지되어 있으며, 그 전문이 본 명세서에 참고로 포함된다. PCC는 프리즘의 형태를 갖는 입자의 상당한 비율을 갖는 독특한 클러스터 형태로 생성된다. PCC를 생성하기 위해 이용되는 용액 환경, 즉 석회(산화칼슘)의 슬레이킹, 탄산화 온도 및 이산화탄소의 도입 속도를 제어함에 의해 방해석, 아라고나이트 또는 바테라이트가 생성된다. 다시 말하지만, 방해석은 공정 조건에 따라 각기둥, 편삼각면체 또는 능면체 결정 형태를 가질 수 있다.
미세다공성 무기 미립자 물질의 다른 예는 화학적으로 응집된 충전제 물질을 포함한다. 이러한 화학적으로 응집된 충전제의 예는 미국 특허 번호 4,072,537에서 찾아볼 수 있으며, 그 전문이 본 명세서에 포함된다. 이러한 미세다공성 무기 미립자 물질은 점토 성분 및 금속 규산염 성분을 포함하는 복합 규산염 물질을 포함한다. 점토 성분은 전형적으로 카올린 점토 또는 카올리나이트이고 금속 규산염 물질은 전형적으로 수용성 알칼리 금속 규산염, 예를 들어 규산나트륨이다.
'537 특허에 기술된 바와 같이, 복합 안료를 제조하는 바람직한 방법은 (a) 점토 안료의 수성 현탁액을 형성하는 단계, (b) 일정량의 염 예컨대 염화칼슘을 점토 슬러리 안으로 블렌딩하는 단계, (c) 고전단에서 일정량의 규산염 성분 예컨대 규산나트륨을 점토 및 염의 슬러리 안으로 계량하는 단계, 및 선택적으로, (d) 명반을 첨가하여 슬러리의 pH를 pH 4 이상인 pH로 조정하는 단계, 그 후 (e) 임의의 용해성 염을 제거하기 위해 침전된 생성물을 여과 및 세정하는 단계를 포함한다. 이러한 미세다공성 복합 규산염 물질은 제지 공정에서 직접적으로 사용하거나 건조하고 그 후에 사용한다. 추가적인 미세다공성 무기 미립자 물질은 규조토 및 팽창 펄라이트와 같은 물질을 포함한다.
전술한 모든 물질인 미세다공성 무기 미립자 물질은 종이 압착 및 건조를 통해 지속되는 강성 내부 공극 공간을 함유하고 캘린더링 후에도 대체로 온전한 상태를 유지해야하는 입자로 구성된다.
편삼각면체 PCC, 하소된 점토 및 화학적으로 응집된 충전제는 더 작은 입자의 개방 응집체를 형성하고 입자가 서로 접촉하는 곳에서 입자를 강하게 결합함으로써 이 구조를 달성한다. 규조토는 자연적으로 세공을 함유하는 입자로 구성된다. 분쇄된 팽창 펄라이트(milled expanded perlite)는 미크론-크기의 유리 거품의 단편으로 구성된다. 따라서, 미세다공성 무기 미립자 물질은 수 미크론의 외부 치수를 갖는 개별 입자 또는 입자의 응집체를 포함하며, 이는 상기 외부 치수보다 몇 배 더 작은 외부 치수에 의해 한정된 부피 내에 공극 공간을 함유한다. 집합적으로, 전술한 무기 미립자 물질은 본 명세서에서 본 발명의 목적을 위해 "미세다공성 무기 미립자 물질"로 지정된다.
종이에 사용될 때, 이들 미세다공성 무기 미립자 물질은 추가된 미립자 물질의 단위 질량당 섬유의 간격에 대해 고체 충전제 입자보다 훨씬 더 큰 영향을 미친다. 이는 그것을 종이 강도에 더 해롭게 하지만 광학 특성에 유익한 증가된 광 산란을 생성한다.
무기 미립자 물질의 또 다른 효과는 항상 시트 다공성(공기 투과성)을 증가시키는 것이며, 이는 인쇄 및 변환 공정에서 중요한 단점이다. 미세다공성 무기 미립자 물질의 유효 밀도도 고체 충전제의 밀도보다 낮고, 이들 효과의 조합은 섬유가 충전제를 대체함에 따라 시트 벌크 및 두께에서의 증가를 야기할 수 있다.
편삼각면체 PCC(미세다공성 무기 미립자 물질의 예)의 경우, 강도에 대한 응집의 효과는 입자 크기 분포를 좁은 범위로 제어(따라서 종이 강도에 매우 해로운 초미세 입자를 제거)하고 광 산란에 최적인 것보다 더 큰 중간 입자 크기를 사용함으로써 다소 상쇄될 수 있다. 그러나, 입자 또는 응집체 크기가 너무 크면 광 산란 효율이 손실된다.
미소섬유화된 셀룰로오스
미소섬유화된 셀룰로오스("MFC")를 생산하는 다양한 방법이 당업계에 공지되어 있다. 미소섬유화된 셀룰로오스를 포함하는 특정 방법 및 조성물은 WO-A-2010/131016에 기술된 분쇄 절차에 의해 생산된다. Husband, J. C., Svending, P., Skuse, D. R., Motsi, T., Likitalo, M., Coles, A., FiberLean Technologies Ltd., 2015, "Paper filler composition", PCT 국제 출원 번호 WO-A-2010/131016은 그 전문이 참고로 본 명세서에 포함된다. 기술된 분쇄 공정에 의해 생성된 MFC는 무기 미립자 물질과 함께 셀룰로오스-함유 섬유의 공동 분쇄를 포함할 수 있다. 대안적으로, MFC는 무기 미립자 물질 이외의 분쇄 매질의 존재 하에 셀룰로오스 섬유를 분쇄함으로써 생성될 수 있다. 이러한 미소섬유화된 셀룰로오스를 포함하는 종이 제품은 종이 파열 및 인장 강도와 같은 월등한 종이 특성을 나타내는 것으로 나타났다. WO-A-2010/131016에 기술된 방법은 또한 미소섬유화된 셀룰로오스의 경제적인 생산을 가능하게 한다.
WO2010/131016은 무기 미립자 물질을 갖거나 갖지 않는 미소섬유화된 셀룰로오스의 제조를 위한 분쇄 절차를 기술한다. 이러한 분쇄 절차는 아래에 기술되어 있다. WO-A-2010/131016에 제시된 공정의 실시형태에서, 공정은 셀룰로오스 전-처리를 필요로 하지 않고 미소섬유화된 셀룰로오스("MFC")를 비용-효율적이고 대규모로 생산하기 위해 셀룰로오스 섬유의 기계적 분해를 이용한다. 이 방법의 실시형태는 분쇄 매질 비드를 교반함에 의해 섬유를 MFC로 분해하는, 교반 매질 디트리터 분쇄 기술을 사용한다. 이 공정에서 탄산칼슘이나 카올린과 같은 광물이 분쇄 보조제로 첨가되어, 필요한 에너지를 크게 줄인다. Husband, J. C., Svending, P., Skuse, D. R., Motsi, T., Likitalo, M., Coles, A., FiberLean Technologies Ltd., 2015, "Paper filler composition", 미국 특허 US9127405B2은 그 전문이 본 명세서에 참고로 포함된다.
전술한 진보에도 불구하고, 무기 미립자 물질 입자 크기 및 입자 크기 분포의 신중한 선택 및 제어를 통해 MFC 및 무기 미립자 물질을 포함하는 종이 충전제 조성물을 최적화하여, 충분히 낮은 다공성, 높은 밝기 및 불투명도와 최소 인장, 파열 및 인열 강도뿐만 아니라 종이 및 판지의 'Z' 방향(종이의 평면에 수직)의 인장 강도를 포함하는, 습윤 및 건조 강도 특성 둘 모두를 유지하고 굽힘 및 시트 벌크 또는 두께에 대한 저항을 최적화하면서 인쇄 및 변환 공정 동안 손상에 저항하는 요구가 여전히 남아있다.
본 명세서의 설명, 도면, 실시예 및 청구범위에 따르면, 발명자들은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 입자 크기 및 입자 크기 분포에 기초한 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 제조 및 사용을 통해 개선된 기계적 특성을 갖는 종이 및 판지의 제조에 대한 공정을 발견하였다.
본 발명은 미소섬유화된 셀룰로오스 및 미세다공성 무기 미립자 물질의 사용을 기반으로 하며, 이는 MFC 및 미세다공성 무기 미립자 물질의 조성물이 MFC 및 종래의 무기 미립자 물질 단독 대신에 이용될 때 실질적으로 열화되지 않거나 유지되거나 또는 심지어 개선되는 증강된 기계적 특성을 갖는 종이 및 판지를 생산하기 위해 제지 퍼니시(papermaking furnish)에 첨가된다. 미소섬유화된 셀룰로오스 및 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물로서 또는 별도로 제지 퍼니시에 첨가될 수 있다.
본 발명자들은 놀랍게도 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질, 즉 종래의 입자 및 응집체 크기보다 더 거친(더 큰) 무기 미립자 물질과 조합된 MFC의 사용이 필요한 강도, 벌크, 강성 및 다공성 특성을 유지하면서 그래픽 용지의 무기 미립자 물질 함량에서의 실질적인 증가를 허용할 수 있다는 것을 발견하였다. MFC의 사용으로 인한 벌크 및 강성에서의 손실은 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질로부터의 높은 벌크 기여로 상쇄되고, 고함량의 미세다공성 무기 미립자 물질 사용으로 인한 강도에서의 손실은 MFC의 사용에 의하여 상쇄된다. MFC는 또한 미세다공성 무기 미립자 물질와 연관된 다공성에서의 전형적인 증가를 상쇄하고 MFC 및 미세다공성 무기 미립자 물질의 증가된 함량은 최적 입자 크기보다 더 거친 미세다공성 무기 미립자 물질을 사용하는 것과 연관된 광 산란 효율의 손실을 상쇄한다.
본 개시내용의 다양한 양태 및 실시형태에 따르면 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 본 명세서에 기술되고 당업계에 공지된 침강 방법에 의해 측정될 때 약 3μm 내지 약 50μm, 예컨대 예를 들어 약 5μm 내지 약 30μm, 약 10μm 내지 약 30μm, 약 15μm 내지 약 25μm, 약 20μm 내지 약 30μm, 약 3μm 내지 약 15μm, 약 5μm 내지 약 15μm, 약 5μm 내지 약 10μm, 약 2μm 내지 약 6μm, 특히 바람직하게는 3μm 내지 6μm의 범위인 중간 입자 크기(d50)를 갖는 거친 입자 크기 미세다공성 무기 미립자 물질의 응집체 및 거친 입자 크기 무기 미립자 물질을 포함한다.
또한 본 개시내용의 다양한 양태 및 실시형태에 따르면, 기계적 특성이라는 용어는 인장 연신율(Tensile Elongation), 인장 강성, 벌크 및 굽힘 강성 중 하나 이상을 포함한다. 전술한 특성은 본 명세서에 기재된 방법뿐 아니라 종이 및 판지 제조 분야에 잘 알려진 방법에 의해 측정될 수 있다.
본 개시내용의 양태에서, 종이 또는 판지의 제조를 위한 제지 퍼니시에 첨가하기 위한 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 종이 또는 판지 충전제 조성물이 개시되며, 여기서 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 제품에 비해 개선된 기계적 특성을 종이 또는 판지에 부여한다.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, 종이 또는 판지의 제조를 위한 제지 퍼니시를 제조하기 위한 방법에 사용하기 위한 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 종이 또는 판지 충전제 조성물이 개시되며, 여기서 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 제품에 비해 개선된 기계적 특성을 종이 또는 판지에 부여한다.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, 종이 또는 판지의 제조를 위한 제지 퍼니시에 첨가하기 위한, 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 종이 또는 판지 충전제 조성물이 개시되며, 여기서 MFC는 동일하거나 상이한 미세다공성 무기 미립자 물질 및/또는 통상의 비응집된 무기 미립자 물질 및 셀룰로오스를 함유하는 섬유성 기재(fibrous substrate)를 사용하는 공동 분쇄 공정에 의해 얻어지고; 여기서 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 상기 종이 또는 판지에 부여한다.
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 하소된 점토, 카올린, 카올리나이트, 비정질 규산알루미늄, 편삼각면체 침강성 염화칼슘, 아라고나이트 침강성 탄산칼슘, 화학적으로 응집된 충전제 물질, 규조토 및 분쇄된 팽창 펄라이트를 포함한다(또는 이들로 구성된 군으로부터 선택된다).
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 하소된 점토를 포함한다(또는 이로 필수적으로 구성되거나 이로 구성된다).
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 카올린을 포함한다(또는 이로 필수적으로 구성되거나 이로 구성된다).
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 카올리나이트를 포함한다(또는 이로 필수적으로 구성되거나 이로 구성된다).
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 비정질 규산알루미늄를 포함한다(또는 이로 필수적으로 구성되거나 이로 구성된다).
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 편삼각면체 침강성 탄산칼슘을 포함한다(또는 이로 필수적으로 구성되거나 이로 구성된다).
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 아라고나이트 침강성 탄산칼슘을 포함한다(또는 이로 필수적으로 구성되거나 이로 구성된다).
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 화학적으로 응집된 충전제 물질을 포함한다(또는 이로 필수적으로 구성되거나 이로 구성된다).
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 규조토를 포함한다(또는 이들로 필수적으로 구성되거나 이로 구성된다).
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 분쇄된 팽창 펄라이트를 포함한다(또는 이들로 필수적으로 구성되거나 이로 구성된다).
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 별도로 첨가될 수 있거나 충전제 조성물로서 제지 퍼니시에 함께 첨가될 수 있다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 제지 퍼니시는 침엽수 펄프로부터 선택되는 하나 이상의 펄프를 포함한다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 침엽수 펄프는 가문비나무, 소나무, 전나무, 낙엽송 및 미국솔송나무 및 혼합 침엽수 펄프로부터 선택된다(또는 이들로 구성된 군으로부터 선택된다).
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 제지 퍼니시는 활엽수 펄프로부터 선택되는(또는 이들로 구성된 군으로부터 선택되는) 하나 이상의 펄프를 포함한다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 활엽수 펄프는 유칼립투스, 아스펜 및 자작나무, 및 혼합 활엽수 펄프로부터 선택된다(또는 이들로 구성된 군으로부터 선택된다).
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 제지 퍼니시용 펄프 공급원은 유칼립투스 펄프, 가문비나무 펄프, 소나무 펄프, 너도밤나무 펄프, 대마 펄프, 면 펄프, 아카시아 및 이의 혼합물로부터 선택된다(또는 이들로 필수적으로 구성되거나 이들로 구성된다).
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 제지 퍼니시용 펄프 공급원은 북유럽 소나무, 블랙 가문비나무, 라디에타 소나무, 남부 소나무, 효소-처리된 북유럽 소나무, 더글러스 전나무, 용해 펄프, 자작나무(본 명세서에 제시된 자작나무 #1, 자작나무 #2 포함), 유칼립투스, 아카시아, 혼합된 유럽 활엽수, 혼합된 태국 활엽수, 재생 종이, 면, 아바카, 아카시아, 사이잘, 바가스, 케나프, 억새, 수수, 물대 및 아마로부터 선택된다(또는 이들로 필수적으로 구성되거나 이들로 구성된다).
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 기계적 특성은 인장 강도, 인장 연신율, 벌크, 인장 강성, 굽힘 강성, 다공성, 파열, 인열 강도 및 'Z' 방향의 인장 강도 중 하나 이상으로부터 선택된다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 기계적 특성은 인장 강도이다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 기계적 특성은 인장 연신율이다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 기계적 특성은 벌크이다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 기계적 특성은 인장 강성이다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 기계적 특성은 굽힘 강성이다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 기계적 특성은 다공성이다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 기계적 특성은 파열이다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 기계적 특성은 인열 강도이다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 기계적 특성은 'Z' 방향의 인장 강도이다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 미소섬유화된 셀룰로오스는 약 0.1μm-500μm의 범위인 모달 섬유 입자 크기(modal fibre particle size)를 갖는다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 미소섬유화된 셀룰로오스는 적어도 약 0.5μm, 적어도 약 10μm, 적어도 약 50μm, 적어도 약 100μm, 적어도 약 150μm, 적어도 약 200μm, 적어도 약 300μm, 또는 적어도 약 400μm의 모달 섬유 입자 크기를 갖는다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 레이저 광 산란에 의해 측정된 약 3μm 내지 약 50μm, 약 5μm 내지 약 30μm, 약 10μm 내지 약 30μm, 약 15μm 내지 약 25μm, 약 20μm 내지 약 30μm, 약 3μm 내지 약 15μm, 약 5μm 내지 약 15μm, 약 5μm 내지 약 10μm, 약 3μm 내지 약 6μm, 또는 약 3 내지 약 5μm의 범위인 중간 입자 크기(d50)를 갖는다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질 및 미소섬유화된 셀룰로오스 복합재는 폴리카르복실산 및/또는 그의 염 또는 유도체, 아크릴산, 메타크릴산, 말레산, 푸마르산, 이타콘산에 기반한 에스테르의 단독중합체 또는 공중합체; 아크릴 아미드 또는 아크릴 에스테르, 메틸메타크릴레이트 또는 이의 혼합물; 알칼리 폴리포스페이트, 포스폰산, 시트르산 및 타르타르산 및 이의 염 또는 에스테르; 및 이의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택된(또는 이들로 구성된 군으로부터 선정된) 것들과 같은 하나 이상의 분산제와 회합될 수 있다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질 및 미소섬유화된 셀룰로오스 복합재는 분말의 형태로 제공된다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질 및 미소섬유화된 셀룰로오스 복합재는 현탁액 또는 수성 현탁액의 형태로 제공되고, 대안적인 실시형태에서 수성 현탁액은 펌핑 가능한 액체이다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 여기서 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 제1 및 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 블렌드를 포함하며, 여기서 제1 미세다공성 무기 미립자 물질 대 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 비율은 중량으로 약 10:90 내지 약 90:10, 또는 중량으로 약 20:80 내지 약 80:20, 또는 중량으로 약 25:75 내지 약 75:25, 또는 중량으로 약 40:60 내지 약 60:40, 또는 중량으로 약 50:50의 범위일 수 있다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 결합제 조성물은 결합제를 추가로 포함하고, 일 실시형태에서 무기 또는 유기 결합제일 수 있다. 다른 실시형태에서, 결합제는 규산나트륨 또는 규산칼륨과 같은 알칼리 금속 규산염일 수 있다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 결합제 조성물은 1:5 내지 5:1, 또는 1:3 내지 3:1, 또는 1:2 내지 2:1, 또는 1:1.5 내지 1.5 대 1, 또는 1:1인, 건조 중량 기준으로 미소섬유화된 셀룰로오스 대 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 중량비를 갖는다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 총 함량은 충전제 조성물의 건조 중량 기준으로 10 wt% 내지 95 wt%, 또는 충전제 조성물의 건조 중량 기준으로 15 wt% 내지 90 wt%, 또는 20 내지 75 wt%, 또는 25 wt% 내지 67 wt%, 또는 33 내지 50 wt%의 양으로 존재한다.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 제지 퍼니시를 제조하는 방법이 개시되며, 상기 방법은 하기 단계를 포함한다:
하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계;
제지 퍼니시에 MFC를 첨가하는 단계로서; 여기서 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 미소섬유화된 셀룰로오스 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 종이 또는 판지에 부여하는, 단계.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 제지 퍼니시의 제조하는 방법이 개시되며, 상기 방법은 하기 단계를 포함한다:
하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계;
제지 퍼니시에 MFC를 첨가하는 단계로서; 여기서 MFC는 동일하거나 상이한 미세다공성 무기 미립자 물질 및/또는 통상의 비응집된 무기 미립자 물질 및 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재를 사용하는 공동-마쇄 공정에 의해 얻어지고; MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 미소섬유화된 셀룰로오스 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 종이 또는 판지에 부여하는, 단계.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 제지 퍼니시를 제조하는 방법이 개시되며, 상기 방법은 하기 단계를 포함한다:
MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계로서; 여기서 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 미소섬유화된 셀룰로오스 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 종이 또는 판지에 부여하는, 단계.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 제지 퍼니시가 개시되며, 방법은 하기 단계를 포함한다:
MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계로서; 여기서 MFC는 동일하거나 상이한 미세다공성 무기 미립자 물질 및/또는 통상의 비응집된 무기 미립자 물질 및 셀룰로오스를 포함하는 섬유 기재를 사용하는 공동 분쇄(co-grinding) 공정에 의해 얻어지고; MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 미소섬유화된 셀룰로오스 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 상기 종이 또는 판지에 부여하는, 단계.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 또는 판지가 개시되며, 방법은 하기 단계를 포함한다:
MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계로서; 여기서 충전제 조성물은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 상기 종이 또는 판지에 부여하는, 단계.
개선된 기계적 특성을 갖는 종이 또는 판지를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은 종이 또는 판지의 제조를 위한 제지 퍼니시를 준비하는 단계; 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계; 제지 퍼니시에 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC)를 첨가하는 단계로서; 여기서 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물로서 또는 제지 퍼니시에 별도로 첨가되는, 단계; 제지 퍼니시를 탈수 및 건조시킴에 의해 제지 퍼니시로부터 종이 또는 판지를 제조하는 단계로서; 여기서 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 종이 또는 판지에 부여하는, 단계를 포함한다.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 제지 퍼니시로부터 종이 또는 판지를 제조하는 제조 방법의 방법으로서, 상기 방법은 하기 단계를 포함한다:
MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계로서; 여기서 MFC는 동일하거나 상이한 미세다공성 무기 미립자 물질 및/또는 통상의 비응집된 무기 미립자 물질 및 셀룰로오스를 포함하는 섬유 기재를 사용하는 공동 분쇄 공정에 의해 얻어지고; 여기서 충전제 조성물은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 상기 종이 또는 판지에 부여하는, 단계. 실시형태에서, MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물로서 또는 제지 퍼니시에 별도로 첨가된다.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 제지 퍼니시로부터 종이 또는 판지를 제조하는 방법이 있으며, 상기 방법은 하기 단계를 포함한다:
하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계;
제지 퍼니시에 MFC를 첨가하는 단계로서; 여기서 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 미소섬유화된 셀룰로오스 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 상기 종이 또는 판지에 부여하는, 단계. 실시형태에서, MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물로서 또는 제지 퍼니시에 별도로 첨가된다.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 제지 퍼니시로부터 종이 또는 판지를 제조하는 방법이 있으며, 상기 방법은 하기 단계를 포함한다:
하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계;
MFC를 제지 퍼니시에 첨가하는 단계로서;
여기서 MFC는 동일하거나 상이한 미세다공성 무기 미립자 물질 및/또는 통상의 비응집된 무기 미립자 물질 및 셀룰로오스를 포함하는 섬유 기재를 사용하는 공동 분쇄 공정에 의해 얻어지고; 여기서 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 하나 또는 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 상기 종이 또는 판지에 부여하는, 단계. 실시형태에서, MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물로서 또는 제지 퍼니시에 별도로 첨가된다.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, 개선된 기계적 특성을 갖는 종이 또는 판지를 제조하는 방법이 있으며, 상기 방법은: 종이 또는 판지의 생산을 위한 제지 퍼니시를 준비하는 단계; 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물을 준비하는 단계; 충전제 조성물을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계; 제지 퍼니시를 탈수 및 건조시킴에 의해 제지 퍼니시로부터 종이 또는 판지를 제조하는 단계로서; 여기서 충전제 조성물은 MFC 및 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 상기 종이 또는 판지에 부여하는, 단계를 포함한다. 실시형태에서, MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물로서 또는 제지 퍼니시에 별도로 첨가된다.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, 개선된 기계적 특성을 갖는 종이 또는 판지를 제조하는 방법이 있으며, 상기 방법은 종이 또는 판지의 생산을 위한 제지 퍼니시를 준비하는 단계; 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물을 준비하는 단계; 충전제 조성물을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계; 제지 퍼니시를 탈수 및 건조시킴에 의해 제지 퍼니시로부터 종이 또는 판지를 제조하는 단계로서; 여기서 MFC는 동일하거나 상이한 미세다공성 무기 미립자 물질 및/또는 통상의 비응집된 무기 미립자 물질 및 셀룰로오스를 포함하는 섬유 기재를 사용하는 공동 분쇄 공정에 의해 얻어지고; 여기서 충전제 조성물은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질이 아닌 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 상기 종이 또는 판지에 부여하는, 단계를 포함한다. 실시형태에서, MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물로서 또는 제지 퍼니시에 별도로 첨가된다.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, 개선된 기계적 특성을 갖는 종이 또는 판지를 제조하는 방법이 있으며, 개선은 종이 또는 판지의 생산을 위한 제지 퍼니시를 준비하는 단계; 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계; 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC)를 제지 퍼니시에 첨가하는 단계; 제지 퍼니시를 탈수 및 건조시킴에 의해 제지 퍼니시로부터 종이 또는 판지를 제조하는 단계로서; 여기서 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 제품에 비해 개선된 기계적 특성을 상기 종이 또는 판지에 부여하는, 단계를 포함한다. 실시형태에서, MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물로서 또는 제지 퍼니시에 별도로 첨가된다.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, 개선된 기계적 특성을 갖는 종이 또는 판지를 제조하는 방법이 있으며, 개선은 종이 또는 판지의 생산을 위한 제지 퍼니시를 준비하는 단계; 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계; 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC)를 제지 퍼니시에 첨가하는 단계; 제지 퍼니시를 탈수 및 건조시킴에 의해 제지 퍼니시로부터 종이 또는 판지를 제조하는 단계로서; 여기서 MFC는 동일하거나 상이한 미세다공성 무기 미립자 물질 및/또는 통상의 비응집된 무기 미립자 물질 및 셀룰로오스를 포함하는 섬유 기재를 사용하는 공동 분쇄 공정에 의해 얻어지고; 여기서 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 상기 종이 또는 판지에 부여하는, 단계를 포함한다. 실시형태에서, MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물로서 또는 제지 퍼니시에 별도로 첨가된다.
전술한 양태의 추가 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 하소된 점토, 카올린, 카올리나이트, 비정질 규산알루미늄, 편삼각면체 침강성 염화칼슘, 아라고나이트 침강성 탄산칼슘, 화학적으로 응집된 충전제, 규조토 또는 분쇄된 팽창 펄라이트를 포함하는 군으로부터 선택된다(또는 이들로 구성된 군으로부터 선택된다).
실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 하소된 점토를 포함하거나 하소된 점토이다.
실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 카올린을 포함하거나 카올린이다.
실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 카올리나이트를 포함하거나 카올리나이트이다.
실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 비정질 규산알루미늄을 포함하거나 비정질 규산알루미늄이다.
실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 편삼각면체 침강성 탄산칼슘을 포함하거나 편삼각면체 침강성 탄산칼슘이다.
실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 아라고나이트 침강 탄산칼슘을 포함하거나 아라고나이트 침강 탄산칼슘이다.
실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 화학적으로 응집된 충전제 물질을 포함하거나 화학적으로 응집된 충전제 물질이다.
실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 규조토를 포함하거나 규조토이다.
실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 분쇄된 팽창 펄라이트를 포함하거나 분쇄된 팽창 펄라이트이다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 제지 퍼니시는 침엽수 펄프로부터 선택되는 하나 이상의 펄프를 포함한다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 침엽수 펄프는 가문비나무, 소나무, 전나무, 낙엽송 및 미국솔송나무 또는 혼합된 침엽수 펄프로부터 선택된다(또는 이들로 구성된 군으로부터 선택된다).
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 제지 퍼니시는 활엽수 펄프로부터 선택되는 하나 이상의 펄프를 포함한다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 활엽수 펄프는 유칼립투스, 아스펜 및 자작나무, 또는 혼합된 활엽수 펄프로부터 선택된다(또는 이들로 구성된 군으로부터 선택된다).
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 제지 퍼니시용 펄프 공급원은 유칼립투스 펄프, 가문비나무 펄프, 소나무 펄프, 너도밤나무 펄프, 대마 펄프, 아카시아, 면 펄프 및 이들의 혼합물로부터 선택된다(또는 이들로 구성된 군으로부터 선택된다).
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 제지 퍼니시용 펄프 공급원은 북유럽 소나무, 블랙 가문비나무, 라디에타 소나무, 남부 소나무, 효소-처리된 북유럽 소나무, 더글러스 전나무, 용해 펄프, 자작나무(본 명세서에 제시된 자작나무 #1, 자작나무 #2 포함), 유칼립투스, 아카시아, 혼합된 유럽 활엽수, 혼합된 태국 활엽수, 재생 종이, 면, 아바카, 사이잘삼, 바가스, 케나프, 억새, 수수, 물대, 아마로부터 선택된다(또는 이들로 구성된 군으로부터 선택된다).
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 미소섬유화된 셀룰로오스는 미소섬유화된 셀룰로오스 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질 복합물의 제조에 이용되는 하나 이상의 비응집된 무기 미립자 물질과 함께 공동 분쇄 공정에 의해 제조된다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 미소섬유화된 셀룰로오스는 약 20 내지 약 50의 섬유 경사도(fibre steepness)를 갖는다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 미소섬유화된 셀룰로오스는 레이저 광 산란에 의해 측정시 약 5 내지 약 500μm의 범위인 d50을 갖는다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 미소섬유화된 셀룰로오스는 레이저 광 산란에 의해 측정시 약 400μm 이하의 d50을 갖는다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 미소섬유화된 셀룰로오스는 레이저 광 산란에 의해 측정시 약 200μm 이하의 d50을 갖는다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 미소섬유화된 셀룰로오스는 레이저 광 산란에 의해 측정시 약 200μm 이하의 d50을 갖는다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 미소섬유화된 셀룰로오스는 레이저 광 산란에 의해 측정시 약 150μm 이하의 d50을 갖는다.
그리고
본 개시내용의 양태의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질 및 미소섬유화된 셀룰로오스 복합재는 분말의 형태로 제공된다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질 및 미소섬유화된 셀룰로오스 복합재는 현탁액의 형태로 제공된다. 다른 실시형태에서, 현탁액은 수성 현탁액일 수 있다. 추가 실시형태에서, 수성 현탁액은 펌핑가능한 액체이다.
본 발명의 양태의 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 제1 및 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 블렌드를 포함하며, 여기서 제1 미세다공성 무기 미립자 물질 대 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 비율은 중량으로 약 10:90 내지 약 90:10, 중량으로 약 20:80 내지 약 80:20, 또는 중량으로 약 25:75 내지 약 75:25, 또는 중량으로 약 40:60 내지 약 60:40 또는 중량으로 약 50:50의 범위일 수 있다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서, 방법은 결합제를 추가로 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 결합제는 유기 또는 무기 결합제이다. 추가 실시형태에서, 결합제는 규산나트륨 또는 규산칼륨과 같은 알칼리 금속 규산염이다.
본 개시내용의 양태의 추가 실시형태에서, 건조 중량 기준으로 미소섬유화된 셀룰로오스 대 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 중량비는 1:5 내지 5:1, 또는 1:3 내지 3:1, 또는 1:2 내지 2:1, 또는 1:1.5 내지 1.5 대 1, 또는 약 1:1이다.
본 개시내용의 양태의 추가 실시형태에서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 총 함량은 충전제 조성물의 건조 중량 기준으로 10wt% 내지 95wt%, 충전제 조성물의 건조 중량 기준으로 15wt% 내지 90wt%, 또는 20 내지 75wt%, 또는 25wt% 내지 67wt%, 또는 33 내지 50wt%의 양으로 존재한다.
달리 언급하지 않는 한, 무기 미립자 물질에 대해 본 명세서에 언급된 입자 크기 특성은, 본 명세서에서는 "Micromeritics Sedigraph 5100 유닛"으로 언급된, 미국 조지아주 노크로스 소재의 Micromeritics Instruments Corporation(전화: +1 770 662 3620; 웹사이트: www.micromeritics.com)에 의해 공급되는 Sedigraph 5100 기계를 사용하여 수성 매질에서 완전히 분산된 상태에서 미립자 물질의 침강에 의한 잘 알려진 방식으로 측정된 바와 같다. 이러한 기계는 당업계에서 '등가 구형 직경'(e.s.d)으로 지칭되는 크기가 주어진 e.s.d 값보다 작은 값을 갖는 입자의 중량에 의한 누적 백분율의 측정치 및 플롯을 제공한다. 평균 입자 크기 d50은 d50 값보다 작은 등가 구형 직경을 갖는 입자의 50 중량%가 있는 입자 e.s.d의 이러한 방식으로 결정된 값이다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 제1 및 제2 무기 미립자 물질의 블렌드와 결합제 용액은 제1 또는 제2 무기 미립자 물질의 구조를 손상시키지 않으면서 제1 및 제2 무기 미립자 물질의 블렌드의 응집 접점 중 결합제 조성물(슬러리 또는 현탁액)을 적어도 실질적으로 균일하게 분포시키기에 충분한 교반으로 혼합될 수 있다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 접촉은 저-전단 혼합 장치에서 수행된다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 혼합은 약 실온(즉, 약 20℃ 내지 약 23℃)에서 일어날 수 있다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 혼합은 약 실온(즉, 약 20℃ 내지 약 50℃)에서 일어날 수 있다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 혼합은 약 실온(즉, 약 30℃ 내지 약 45℃)에서 일어날 수 있다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 혼합은 약 실온(즉, 약 35℃ 내지 약 45℃)에서 일어날 수 있다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 접촉시키는 것은 제1 및/또는 제1 및 제2 무기 미립자 물질의 블렌드를 결합제 조성물(슬러리 또는 현탁액)과 분무하는 것을 포함할 수 있다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 접촉시키는 것은 간헐적이다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 접촉시키는 것은 연속적이다.
본 개시내용의 양태의 실시형태에서 결합제는 결합제 용액의 중량에 대해 약 40 중량% 미만의 양으로 결합제 조성물(슬러리 또는 현탁액)에 존재할 수 있다. 일부 실시형태에서, 결합제는 약 1 중량% 내지 약 10 중량%의 범위일 수 있다.
전술한 내용은 이어지는 발명의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 본 발명의 특징 및 기술적 이점을 다소 광범위하게 약술하였다. 발명의 청구범위의 대상를 형성하는 발명의 추가적인 특징 및 이점이 본 명세서에 기술될 것이다. 본 명세서에 개시된 임의의 개념 및 특정 실시형태는 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위한 다른 수단을 변형하거나 설계하기 위한 기초로서 용이하게 이용될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해되어야 한다. 또한 그러한 동등한 수단이 첨부된 청구범위에 제시된 바와 같은 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않는다는 것이 당업자에 의해 인식되어야 한다. 발명의 구성 및 작동 방법 둘 모두에 대해 발명의 특징으로 여겨지는 신규한 특징은 추가 목적 및 이점과 함께 첨부된 도면과 관련하여 고려될 때 다음 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다. 그러나, 임의의 설명, 도면, 실시예 등은 단지 예시 및 설명의 목적으로 제공되며 결코 발명을 제한하려는 의도가 아님을 분명히 이해해야 한다.
본 명세서에 개시된 원리 및 그 장점의 보다 완전한 이해를 위해, 다음과 같은 첨부하는 도면과 연계하여 취해진 다음의 설명을 참조한다:
도 1은 MFC가 있거나 없는 20% 및 30% 수준에서의 침강성 탄산칼슘(PCC) 조성물과 비교하여 MFC가 있거나 없는 20% 및 30% 수준에서의 중질 탄산칼슘(GCC) 조성물을 포함하는 조성물에 대한 스콧 본드, 굽힘 강성, 인장 지수, 벌크 및 광 산란 특성의 플롯이다.
도 2는 mN.m 단위에서의 굽힘 강성 대 PCC(나머지는 GCC임)를 포함하는 백분율 충전제 비율의 그래프이다.
도 3은 cm2g-1 단위에서의 광산란 계수(F10) 대 PCC(나머지는 GCC임)를 포함하는 백분율 충전제 비율의 그래프이다.
도 4는 N.m/g 단위에서의 인장 지수 대 PCC(나머지는 GCC임)를 포함하는 백분율 충전제 비율의 그래프이다.
도 5는 J/m2 단위에서의 스콧 본드 대 PCC(나머지는 GCC임)를 포함하는 백분율 충전제 비율의 그래프이다.
도 6은 N.m/g 단위에서의 인장 지수 대 백분율 PCC 함량에서 시트 충전제 함량의 그래프이다.
도 7은 광 산란(F10 S) 대 백분율 PCC 함량에서 시트 충전제 함량의 그래프이다.
도 8은 mN 단위에서의 굽힘 강성 대 백분율 PCC 함량에서 시트 충전제 함량의 그래프이다.
본 명세서에 제공된 명칭, 표제 및 소표제는 개시내용의 다양한 양태를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 따라서, 아래에 정의된 용어들은 명세서를 그 전체로 참조함에 의해 보다 완전하게 정의된다. 본 명세서에 인용된 모든 참조는 그 전체가 참조로 포함된다.
본 발명은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질 없이 제조된 종이 및 판지에 비해 개선된 기계적 특성을 갖는 종이 및 판지의 생산을 위한 제지 퍼니시에 이용되는 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질 복합재를 포함하는 충전제 조성물에 관한 것이다.
정의 및 표제
본 명세서에 제공된 명칭, 표제 및 소표제는 개시내용의 다양한 양태를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 따라서, 아래에 정의된 용어들은 명세서를 그 전체로 참조함에 의해 보다 완전하게 정의된다. 본 명세서에 인용된 모든 참조는 그 전체가 참조로 포함된다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 과학 및 기술 용어는 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 의미를 가질 것이다. 더욱이, 문맥상 달리 요구되지 않는 한, 단수 용어는 복수를 포함하고 복수 용어는 단수를 포함한다.
본 출원에서 "또는"의 사용은 달리 언급되지 않는 한 "및/또는"을 의미한다. 다중 종속항의 맥락에서 "또는"의 사용은 대안에서만 하나 초과의 이전 독립항 또는 종속항을 다시 지칭한다.
용어 "포함하는"과 연계하여 사용될 때 단어 "a" 또는 "an"의 사용은 "하나"를 의미할 수 있지만, 그것은 또한 "하나 이상", "적어도 하나", 및 "하나 또는 하나 초과"의 의미와도 일치한다. 용어 "또는"의 사용은 대안이 상호 배타적인 경우에만 대안을 지칭하도록 명시적으로 나타내지 않는 한 "및/또는"을 의미하는데 사용되지만, 개시내용은 대안 및 "및/또는"만을 지칭하는 정의를 지원한다. 본 출원 전반에 걸쳐, 용어 "약"은 값이, 값을 결정하기 위해 이용되는 정량화 장치, 방법에 대한 고유한 오류의 변동 또는 연구 대상 중에 존재하는 변동을 포함함을 나타내기 위해 사용된다. 예를 들어, 그러나 제한 없이, 용어 "약"이 사용될 때, 지정된 값은 플러스 또는 마이너스 12 퍼센트, 또는 11 퍼센트, 또는 10 퍼센트, 또는 9 퍼센트, 또는 8 퍼센트, 또는 7 퍼센트, 또는 6 퍼센트, 또는 5 퍼센트, 또는 4 퍼센트, 또는 3 퍼센트, 또는 2 퍼센트, 또는 1 퍼센트로 달라질 수 있다. 용어 "적어도 하나"의 사용은 일뿐만 아니라 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 100 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 일보다 많은 임의의 양을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 용어 "적어도 하나"는 그것이 부착되는 용어에 따라 최대 100 또는 1000 이상까지 확장될 수 있다. 부가하여, 100/1000의 양은 하한 또는 상한도 만족스러운 결과를 생성할 수 있으므로 제한하는 것으로 간주되지 않는다. 부가하여, "X, Y 및 Z 중 적어도 하나"라는 용어의 사용은 X 단독, Y 단독 및 Z 단독뿐만 아니라 X, Y 및 Z의 임의의 조합을 포함하는 것으로 이해될 것이다.
서수 용어(예를 들어, "제1", "제2", "제3", "제4" 등)의 사용은 둘 이상의 항목 간을 구분하기 위한 목적으로만 사용되고 달리 명시되지 않는 한, 다른 항목이나 추가 순서에 비해 한 항목에 대한 서열이나 순서 또는 중요성을 암시하는 것을 의미하지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 본 명세서에 기재되고 당업계에 알려진 침강 방법에 의해 측정된, 약 3μm 내지 약 50μm, 예컨대, 예를 들어, 약 5μm 내지 약 30μm, 약 10μm 내지 약 30μm, 약 15μm 내지 약 25μm, 약 20μm 내지 약 30μm, 약 3μm 내지 약 15μm, 약 5μm 내지 약 15μm, 약 5μm 내지 약 10μm, 약 2μm 내지 약 6μm, 특히 바람직하게는 3μm 내지 6μm의 범위인 중간 입자 크기(d50)를 갖는 거친 입자 크기 무기 미립자 물질 및 거친 입자 크기 무기 미립자 물질의 응집체를 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "포함하는"(및 "포함하다", "포함한다" 및 "포함하는"과 같은 포함하는의 임의의 형태), "갖는"(및 "가지다" 및 "갖다"와 같은 갖는의 임의의 형태), "포괄하는"(및 "포괄하다" 및 "포괄한다"와 같은 포괄하는의 임의의 형태) 또는 "함유하는"(및 "함유하다" 및 "함유한다"와 같은 함유하는의 임의의 형태)은 포괄적이거나 개방적이고 추가의, 언급되지 않은 요소 또는 방법 단계를 제외하지 않는다. 부가적으로, "포함하는"이라는 용어와 연계하여 사용되는 용어는 또한 "구성된" 또는 "본질적으로 구성된"이라는 용어와 연계하여 사용될 수 있는 것으로 이해된다. 유사하게, "로부터 선택된"이라는 문구 및 이와 유사한 의미의 단어는 "로 구성된 그룹으로부터 선택된"이라는 문구도 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어 "포함하다" 및 이의 문법적 변형은 비제한적인 것으로 의도되어, 목록에 있는 항목의 인용이 열거된 항목에 대체되거나 추가될 수 있는 다른 유사 항목을 배제하는 것이 아니다.
셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재(본 명세서에서는 "셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재", "셀룰로오스 섬유", "섬유성 셀룰로오스 공급원료", "셀룰로오스 공급원료" 및 "셀룰로오스-함유 섬유(또는 섬유성" 등)로 다양하게 지칭됨)는 버진 펄프 또는 재활용 펄프 또는 제지공장 파쇄물 및/또는 산업 폐기물, 또는 제지공장으로부터 광물 충전제 및 셀룰로오스 물질이 풍부한 종이 스트림에서 유래될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 기계적 특성은 다음 특성 중 하나 이상을 포함한다: 인장 강도, 인장 연신율, 벌크, 인장 강성, 굽힘 강성, 다공성, 인장, 파열, 인열 강도, 및 'Z' 방향에서 인장 강도.
본 명세서에서 사용된 용어 "실질적으로"는 이후에 기술된 사건 또는 상황이 완전히 발생하거나 이후에 기술된 사건 또는 상황이 상당한 범위 또는 정도로 발생함을 의미한다. 예를 들어, 특정 사건 또는 상황과 연관될 때 용어 "실질적으로"는 이후에 기술된 사건 또는 상황이 시간의 적어도 80%, 또는 시간의 적어도 85% 또는 시간의 적어도 90%, 또는 시간의 적어도 95%에서 발생한다는 것을 의미한다. 반대로, 인장 강도 및/또는 굽힘 강성과 같은 기계적 특성이 "실질적으로 저하되지 않음" 또는 이와 유사한 표현을 나타내기 위해 사용되는 경우, 인장 강도 및/또는 굽힘 강성의 저하는 대조군의 특성으로부터 15% 초과, 또는 10% 초과 또는 5% 초과로 감소되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 어구 "X에서 Y까지의 정수"는 종점을 포함하는 임의의 정수를 의미한다. 예를 들어 어구 "1에서 5까지의 정수"는 1, 2, 3, 4 또는 5를 의미한다.
미소섬유화된 셀룰로오스
미소섬유화된 셀룰로오스(MFC)는 당업계에 잘 알려져 있고 기술되어 있지만, 현재 개시 및/또는 청구된 발명의 개념(들)의 목적을 위해, 미소섬유화된 셀룰로오스는 단리된 셀룰로오스 미소섬유 및/또는 셀룰로오스의 미소섬유 다발의 형태인 미소섬유로 구성된 셀룰로오스로 정의되며, 둘 모두는 셀룰로오스 원료에서 유래된다. 따라서, 미소섬유화된 셀룰로오스는 부분적으로 또는 전체적으로 피브릴화된 셀룰로오스 또는 리그노셀룰로오스 섬유를 포함하는 것으로 이해되어야 하며, 이는 당업계에 공지된 다양한 공정에 의해 달성될 수 있다.
본 명세서에 사용된 "미소섬유화된 셀룰로오스"는 "미소섬유의 셀룰로오스", "나노피브릴화된 셀룰로오스", "나노피브릴 셀룰로오스", "셀룰로오스의 나노섬유", "나노스케일 피브릴화된 셀룰로오스", "셀룰로오스의 미소섬유" 및 /또는 단순히 "MFC"와 상호교환가능하게 사용될 수 있다. 부가적으로, 본 명세서에 사용된 바와 같이, "미소섬유화된 셀룰로오스"와 상호교환가능한 상기에 열거된 용어는 완전히 미소섬유화된 셀룰로오스 또는 실질적으로 미소섬유화되었지만 본 명세서에 기재 및/또는 청구된 미소섬유화된 셀룰로오스의 이점을 방해하지 않는 수준의 비-미소섬유화된 셀룰로오스 양을 여전히 함유하는 셀룰로오스를 지칭할 수 있다.
"미소섬유화"는 셀룰로오스의 미소섬유가 사전-미소섬유화된 펄프의 섬유와 비교하여 개별 종으로서 또는 작은 응집체로서 유리되거나 부분적으로 유리되는 공정을 의미한다. 제지용으로 적합한 전형적인 셀룰로오스 섬유(즉, 사전-미소섬유화된 펄프)는 수백 또는 수천 개의 개별 셀룰로오스 피브릴의 더 큰 응집체를 포함한다.
미소섬유화된 셀룰로오스는 반복되는 글루코스 단위를 포함하는 자연적으로 발생하는 중합체인 셀룰로오스를 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, MFC로도 표시되는, 용어 "미소섬유화된 셀룰로오스"는 미소섬유화된/미소섬유의 셀룰로오스 및 나노-피브릴화된/나노섬유의 셀룰로오스(NFC)를 포함하며, 이들 물질은 나노셀룰로오스로도 지칭된다.
미소섬유화된 셀룰로오스는 기계적 전단을 통해 노출될 수 있는 셀룰로오스 섬유의 외층을 사전 효소 또는 화학적 처리를 하거나 하지 않고 벗겨냄에 의해 제조된다. 당업계에 공지된 미소섬유화된 셀룰로오스를 제조하는 수많은 방법이 있다.
비제한적인 예에서, 용어 미소섬유화된 셀룰로오스는 종종 100nm 미만의 적어도 하나의 치수를 갖는 나노스케일 셀룰로오스 입자 섬유 또는 피브릴을 포함하는 피브릴화된 셀룰로오스를 기술하기 위해 사용된다. 셀룰로오스 섬유에서 유리될 때 피브릴은 전형적으로 100nm 미만의 직경을 갖는다. 셀룰로오스 피브릴의 실제 직경은 공급원과 제조 방법에 따라 다르다.
피브릴화된 셀룰로오스 섬유에 부착되거나 유리된 미소섬유로서 셀룰로오스 미소섬유의 입자 크기 분포 및/또는 종횡비(길이/너비)는 미소섬유화 공정에서 이용되는 공급원 및 제조 방법에 따라 다르다.
비제한적인 예에서, 미소섬유의 종횡비는 전형적으로 높고 개별 미소섬유의 길이는 일 마이크로미터 초과일 수 있고 직경은 전형적으로 20nm 미만의 수-평균 직경으로 약 5 내지 60nm의 범위 내에 있을 수 있다. 미소섬유 다발의 직경은 1 미크론보다 클 수 있지만 일반적으로 일 미만이다.
비제한적인 예에서, 가장 작은 피브릴은 일반적으로 대략적으로 2-4nm의 직경을 갖는 기본 피브릴로 통상적으로 지칭된다. 또한 기본 피브릴이 응집하는 것이 일반적이며, 이는 또한 미소섬유로 간주될 수 있다.
비제한적인 예에서, 미소섬유화된 셀룰로오스는 적어도 부분적으로 나노셀룰로오스를 포함할 수 있다. 나노셀룰로오스는 주로 100nm 미만의 직경 및 미크론-범위 이하일 수 있는 길이를 갖는 나노-크기의 피브릴을 포함할 수 있다. 가장 작은 미소섬유는 그 직경이 전형적으로 2 내지 4nm인 소위 기본 피브릴과 유사하다. 물론, 미소섬유와 미소섬유 다발의 치수와 구조는 미소섬유화된 셀룰로오스를 생산하는 방법 외에도 사용되는 원료에 따라 다르다. 그럼에도 불구하고, 당업자는 현재 개시 및/또는 청구된 발명 개념(들)의 맥락에서 "미소섬유화된 셀룰로오스"의 의미를 이해할 것으로 예상된다.
셀룰로오스 섬유의 공급원 및 셀룰로오스 섬유를 미소섬유화하기 위해 이용되는 제조 공정에 의존하여, 피브릴의 길이는 종종 약 1 내지 10 마이크로미터 초과로 변할 수 있다.
거친 MFC 등급은 피브릴화된 섬유, 즉 세관으로부터 돌출된 피브릴(셀룰로오스 섬유)의 상당한 부획을 함유할 수 있고, 세관으로부터 유리된 특정 양의 피브릴(셀룰로오스 섬유)을 가질 수 있다.
실시형태에서, 미소섬유화된 셀룰로오스는 또한 재활용 펄프 또는 제지공장 파쇄물 및/또는 산업 폐기물, 또는 제지공장으로부터의 광물 충전제 및 셀룰로오스 물질이 풍부한 종이 스트림으로부터 제조될 수 있다.
셀룰로오스를 포함하는 섬유 기재는 건조 상태의 셀룰로오스를 포함하는 분쇄 용기 섬유성 기재에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 건조 종이 파쇄물은 분쇄기 용기에 직접적으로 첨가될 수 있다. 분쇄기 용기에서 수성 환경은 그 다음 펄프의 형성을 촉진할 것이다.
미소섬유화된 셀룰로오스와 무기 미립자 물질의 공동 분쇄 공정
실시형태에서, 본 발명은 WO-A-2010/131016에 기재된 방법 및 조성물에 대한 변형, 예를 들어 개선에 관한 것이며, 그의 전체 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.
WO-A-2010/131016은 선택적으로 분쇄 매질 및 무기 미립자 물질의 존재에서 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 물질을, 예를 들어 분쇄에 의해 미소섬유화하는 것을 포함하는 미소섬유화된 셀룰로오스를 제조하는 공정을 개시한다. 예를 들어, 종래의 광물 충전제를 대체하거나 부분적으로 대체하기 위해 종이에 충전제로 사용되는 경우, 선택적으로 무기 미립자 물질과 조합하여 상기 공정에 의해 얻어진 미소섬유화된 셀룰로오스는 뜻밖에도 종이의 파열 강도 특성을 개선하는 것으로 밝혀졌다. 즉, 광물 충진제로만 충전된 종이에 비해 미소섬유화된 셀룰로오스로 충전된 종이는 개선된 파열 강도를 갖는 것으로 나타났다. 즉, 미소섬유화된 셀룰로오스 충전제는 종이 파열 강도 향상 속성을 갖는 것으로 밝혀졌다. 그 발명의 하나의 특히 유리한 실시형태에서, 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 물질은 선택적으로 무기 미립자 물질와 조합된 분쇄 매질의 존재에서 분쇄되어 20 내지 약 50의 섬유 경사도를 갖는 미소섬유화된 셀룰로오스를 얻었다.
셀룰로오스 및 적어도 하나의 무기 미립자 물질을 포함하는 섬유성 기재의 공동-처리
본 명세서에 사용된 용어 "미소섬유화된 셀룰로오스 및 무기 미립자 물질의 공동 분쇄(또는 "공동 마쇄") 복합재"는 "공동 분쇄 미소섬유화 공정"에 의해 수득된 복합재를 지칭하며, 여기서 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재는 적어도 하나의 무기 미립자 물질 및 선택적으로 적어도 하나의 무기 미립자 물질 이외의 분쇄 매질의 존재에서 분쇄 장치(grinding apparatus)에서 수성 환경에서 미소섬유화된다(또는 다르게는 습윤 분쇄 장치에서 적어도 하나의 무기 미립자 물질의 존재에서 및 선택적으로, 미소섬유화된 셀룰로오스를 생성하기 위해 분쇄 후에 제거되는, 적어도 하나의 무기 미립자 물질 이외의 분쇄 매질의 존재에서 셀룰로오스를 포함하는 섬유 기재를 "공동-처리함"에 의해 표현된다). 예시적인 미소섬유화 공정 및 습윤-분쇄 공정에 대한 아래 설명을 참조한다.
공동-처리된 미소섬유화된 셀룰로오스 및 무기 미립자 물질 복합재를 형성하기 위한 공동-처리 후, 추가적인 무기 미립자 물질이 공동-처리된 미소섬유화된 셀룰로오스 및 무기 미립자 물질 복합재의 미소섬유화된 셀룰로오스 함량을 감소시키기 위해 (예를 들어, 블렌딩 또는 혼합에 의해) 첨가될 수 있다.
실시형태에서, MFC는 타워 밀 또는 스크리닝된 그라인딩 밀 예컨대 교반 매질 디트리터를 사용하여 제조될 수 있다.
교반 매질 밀은 전단력, 압축력 및 충격력의 조합을 통해 충전물을 분쇄하는 작은 분쇄 매질 비드에 운동 에너지를 전달하는 회전 임펠러로 구성된다. 예를 들어 타워 밀, 스크리닝된 그라인딩 밀 또는 교반 매질 디트리터를 포함하는 다양한 분쇄 장치가 본 명세서에 개시된 방법에 의해 MFC를 생산하는데 사용될 수 있다.
미소섬유화 과정
본 개시내용의 추가 양태 및 실시형태에 따르면, 적어도 하나의 무기 미립자 물질의 존재에서 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재를 미소섬유화하는 방법이 제공된다. 본 방법의 특정 실시형태에 따르면, 미소섬유화 단계는 미소섬유화제로 작용하는 무기 미립자 물질의 존재에서 수행된다. 또 다른 실시형태에 따르면 미소섬유화 단계는 무기 미립자 물질 및, 분쇄 후에 제거되는 적어도 하나의 무기 미립자 물질 이외의 분쇄 매질의 존재에서 수행된다.
그러나, 본 발명에서 이용되는 미소섬유화된 셀룰로오스는 단일 제조 방법에 한정되지 않는다. 이러한 미소섬유화된 공정은 예시적인 목적으로 제시된다.
"미소섬유화"는 셀룰로오스의 미소섬유가 사전-미소섬유화된 셀룰로오스-함유 펄프의 섬유와 비교하여 개별 종으로서 또는 작은 응집체로서 유리되거나 부분적으로 유리되는 공정을 의미한다. 제지용으로 적합한 전형적인 셀룰로오스 섬유(즉, 사전-미소섬유화된 셀룰로오스-함유 펄프)는 수백 또는 수천 개의 개별 셀룰로오스 미소섬유의 더 큰 응집체를 포함한다. 셀룰로오스를 미소섬유화함에 의해, 본 명세서에 기술된 특징 및 특성을 포함하지만 이에 제한되지 않는 특정 특성 및 특성이 미소섬유화된 셀룰로오스 및 미소섬유화된 셀룰로오스와 적어도 하나의 무기 미립자 물질을 포함하는 조성물에 부여된다.
미소섬유화의 단계는 임의의 적합한 장치에서 수행될 수 있다. 일 실시형태에서, 미소섬유화 단계는 습윤-분쇄 조건 하에 분쇄 용기에서 수행된다. 또 다른 실시형태에서, 미소섬유화 단계는 균질화기에서 수행된다. 이들 실시형태 각각은 아래에서 더 상세히 기술된다.
습윤-분쇄 미소섬유화 공정
분쇄는 분쇄 매질의 존재에서 마멸 분쇄 공정일 수 있거나, 자생 분쇄 공정, 즉 분쇄 매질 없이 수행되는 것일 수 있다. 분쇄 매질은 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재와 공동-분쇄되는 적어도 하나의 무기 미립자 물질 이외의 매질을 의미한다.
존재하는 경우 분쇄 매질은 천연 또는 합성 재료일 수 있다. 분쇄 매질은 예를 들어 임의의 단단한 광물, 세라믹 또는 금속 물질의 볼, 비드 또는 펠릿을 포함할 수 있다. 이러한 물질은 예를 들어 알루미나, 지르코니아, 규산지르코늄, 규산알루미늄 또는 약 1300℃ 내지 약 1800℃의 범위인 온도에서 카올리나이트질 점토(kaolinitic clay)를 하소함에 의해 생성되는 멀라이트-풍부 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서 Carbolite® 분쇄 매질이 사용된다. 대안적으로, 적절한 입자 크기의 천연 모래의 입자가 사용될 수 있다.
일반적으로, 발명에 사용하기 위해 선택되는 분쇄 매질의 유형 및 입자 크기는 예를 들어 분쇄될 물질의 공급 현탁액의 입자 크기 및 화학적 조성과 같은 특성에 따라 달라질 수 있다. 바람직하게는, 미립자 분쇄 매질은 약 0.1mm 내지 약 6.0mm의 범위, 보다 바람직하게는 약 0.2mm 내지 약 4.0mm의 범위인 평균 직경을 갖는 입자를 포함한다. 분쇄 매질(또는 매질들)은 충전물의 부피로 최대 약 70%의 양으로 존재할 수 있다. 분쇄 매질은 충전물의 부피로 적어도 약 10%, 예를 들어 충전물의 부피로 적어도 약 20%, 또는 충전물의 부피로 적어도 약 30%, 또는 충전물의 부피로 적어도 약 40%, 또는 충전물의 부피로 적어도 약 50%, 또는 충전물의 부피로 적어도 약 60%의 양으로 존재할 수 있다.
분쇄는 하나 이상의 단계로 수행될 수 있다. 예를 들어, 거친 무기 미립자 물질은 분쇄기 용기에서 미리결정된 입자 크기 분포로 분쇄될 수 있으며, 그 후 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 물질이 추가되고 원하는 수준의 미소섬유화가 얻어질 때까지 분쇄가 계속된다. 본 발명의 제1 양태에 따라 사용되는 거친 무기 미립자 물질은 초기에 입자의 약 20 중량% 미만이 2μm 미만의 필수 구형 직경(e.s.d)을 가지고, 예를 들어 입자의 약 15 중량% 미만, 또는 약 10 중량% 미만이 2μm 미만의 e.s.d.를 갖는 입자 크기 분포를 가질 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 본 발명의 제1 양태에 따라 사용되는 거친 무기 미립자 물질은 초기에 Malvern Mastersizer S 기계를 사용하여 측정된 입자 크기 분포를 가질 수 있으며, 여기서 입자의 약 20 부피% 미만은 2μm 미만의 e.s.d를 가지고, 예를 들어 입자의 약 15 부피% 미만, 또는 약 10 부피% 미만은 2μm 미만의 e.s.d.를 갖는다.
거친 무기 미립자 물질은 분쇄 매질의 부재 또는 존재에서 습윤 또는 건조 분쇄될 수 있다. 습윤 분쇄 단계의 경우, 거친 무기 미립자 물질은 바람직하게는 분쇄 매질의 존재에서 수성 현탁액에서 분쇄된다. 이러한 현탁액에서, 거친 무기 미립자 물질은 바람직하게는 현탁액의 약 5 중량% 내지 약 85 중량%; 보다 바람직하게는 현탁액의 약 20 중량% 내지 약 80 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 가장 바람직하게는, 거친 무기 미립자 물질은 현탁액의 약 30 중량% 내지 약 75 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 상술한 바와 같이, 거친 무기 미립자 물질은 입자의 적어도 약 10 중량%가 2μm 미만의 e.s.d를 갖는, 예를 들어 입자의 적어도 약 20 중량%, 또는 적어도 약 30 중량%, 또는 적어도 약 40 중량%, 또는 적어도 약 50 중량%, 또는 적어도 약 60 중량%, 또는 적어도 약 70 중량%, 또는 적어도 약 80 중량%, 또는 적어도 약 90 중량%, 또는 적어도 약 95 중량%, 또는 약 100 중량%가 2μm 미만의 e.s.d를 갖는 입자 크기 분포로 분쇄될 수 있으며, 그 후에 셀룰로오스 펄프가 첨가되고 두 구성요소는 셀룰로오스 펄프의 섬유를 미소섬유화하기 위해 공동 분쇄된다.
또 다른 실시형태에서, 거친 무기 미립자 물질은 입자의 적어도 약 10 부피%가 2μm 미만의 e.s.d를 갖도록, 예를 들어 입자의 적어도 약 20 부피%, 또는 적어도 약 30 부피%, 또는 적어도 약 40 부피%, 또는 적어도 약 50 부피%, 또는 적어도 약 60 부피%, 또는 적어도 약 70 부피%, 또는 적어도 약 80 부피%, 또는 적어도 약 90 부피%, 또는 적어도 약 95 부피%, 또는 약 100 부피%가 2μm 미만의 e.s.d를 갖도록 Malvern Mastersizer S 기계를 사용하여 측정된 입자 크기 분포로 분쇄되며, 그 후에 셀룰로오스 펄프가 첨가되고 두 성분은 셀룰로오스 펄프의 섬유를 미소섬유화하기 위해 공동 분쇄된다.
일 실시형태에서, 무기 미립자 물질의 평균 입자 크기(d50)는 공동 분쇄 공정 동안 감소된다. 예를 들어, 무기 미립자 물질의 d50은 (Malvern Mastersizer S 기계에 의해 측정된 바와 같이) 적어도 약 10% 감소될 수 있고, 예를 들어 무기 미립자 물질의 d50은 적어도 약 20% 감소될 수 있거나, 또는 적어도 약 30% 감소, 또는 적어도 약 50% 감소, 또는 적어도 약 50% 감소, 또는 적어도 약 60% 감소, 또는 적어도 약 70% 감소, 또는 적어도 약 80% 감소, 또는 적어도 약 90% 감소될 수 있다. 예를 들어, 공동 분쇄 이전 2.5μm의 d50 및 공동 분쇄 후 1.5μm의 d50을 갖는 무기 미립자 물질은 입자 크기가 40% 감소될 것이다. 특정 실시형태에서, 무기 미립자 물질의 평균 입자 크기는 공동 분쇄 공정 동안 실질적으로 감소되지 않는다. '실질적으로 감소되지 않음'은 무기 미립자 물질의 d50이 약 10% 미만 감소됨, 예를 들어 무기 미립자 물질의 d50이 약 5% 미만 감소됨을 의미한다.
셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재는 적어도 하나의 무기 미립자 물질의 존재에서 미소섬유화되어 레이저 광 산란에 의해 측정될 때 약 5μm 내지 약 500μm의 범위인 d50을 갖는 미소섬유화된 셀룰로오스를 얻을 수 있다. 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재는 무기 미립자 물질의 존재에서 미소섬유화되어 약 400μm 이하, 예를 들어 약 300μm 이하, 또는 약 200μm 이하 또는 약 150μm 이하, 또는 약 125μm 이하, 또는 약 100μm 이하, 또는 약 90μm 이하, 또는 약 80μm 이하 또는 약 70μm 이하, 또는 약 60μm 이하, 또는 약 50μm 이하, 또는 약 40μm 이하, 또는 약 30μm 이하, 또는 약 20μm 이하, 또는 약 10μm 이하의 d50을 갖는 미소섬유화된 셀룰로오스를 얻을 수 있다.
셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재는 무기 미립자 물질의 존재에서 미소섬유화되어 약 0.1-500μm의 범위인 모달 섬유 입자 크기 및 0.25-20μm의 범위인 모달 무기 미립자 물질 입자 크기를 갖는 미소섬유화된 셀룰로오스를 얻을 수 있다. 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재는 무기 미립자 물질의 존재에서 미소섬유화되어 적어도 약 0.5μm, 예를 들어 적어도 약 10μm, 또는 적어도 약 50μm, 또는 적어도 약 100μm, 또는 적어도 약 150μm, 또는 적어도 약 200μm, 또는 적어도 약 300μm, 또는 적어도 약 400μm의 모달 섬유 입자 크기를 갖는 미소섬유화된 셀룰로오스를 얻을 수 있다.
셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재는 무기 미립자 물질의 존재에서 미소섬유화되어 Malvern에 의해 측정된 바와 같이 약 10 이상의 섬유 경사도를 갖는 미소섬유화된 셀룰로오스를 얻을 수 있다. 섬유 경사도(즉, 섬유의 입자 크기 분포의 경사도)는 다음 공식에 의해 결정된다: 경사도 = 100 X (d30/d70).
미소섬유화된 셀룰로오스는 약 100 이하의 섬유 경사도를 가질 수 있다. 미소섬유화된 셀룰로오스는 약 75 이하, 또는 약 50 이하, 또는 약 40 이하, 또는 약 30 이하의 섬유 경사도를 가질 수 있다. 미소섬유화된 셀룰로오스는 약 20 내지 약 50, 또는 약 25 내지 약 40, 또는 약 25 내지 약 35, 또는 약 30 내지 약 40의 섬유 경사도를 가질 수 있다.
분쇄는 텀블링 밀(예를 들어, 로드, 볼 및 자생), 교반 밀(예를 들어, SAM 또는 IsaMill), 타워 밀, 교반 매질 디트리터(SMD)와 같은 분쇄 용기 또는 그 사이에 분쇄될 공급물이 공급되는 회전하는 평행 분쇄 플레이트를 포함하는 분쇄 용기에서 적합하게 수행된다.
일 실시형태에서, 분쇄 용기는 타워 밀이다. 타워 밀은 하나 이상의 분쇄 구역 위에 정지 구역을 포함할 수 있다. 정지 구역은 분쇄가 최소로 발생하거나 발생하지 않고 미소섬유화된 셀룰로오스 및 무기 미립자 물질을 포함하는 타워 밀의 내부의 상단을 향해 위치한 영역이다. 정지 구역은 분쇄 매질의 입자가 타워 밀의 하나 이상의 분쇄 구역 안으로 침전되는 영역이다.
타워 밀은 하나 이상의 분쇄 구역 위에 분류기를 포함할 수 있다. 실시형태에서, 분류기는 정지 구역 상단에 장착되고 그에 인접하여 위치된다. 분류기는 하이드로사이클론일 수 있다.
타워 밀은 하나 이상의 분쇄 구역 위에 스크린을 포함할 수 있다. 실시형태에서, 스크린은 정지 구역 및/또는 분류기에 인접하여 위치된다. 스크린은 미소섬유화된 셀룰로오스 및 무기 미립자 물질을 포함하는 생성물 수성 현탁액으로부터 분쇄 매질을 분리하고 분쇄 매질 침강을 향상시키기 위한 크기일 수 있다.
실시형태에서, 분쇄는 플러그 흐름 조건 하에서 수행된다. 플러그 흐름 조건 하에서 타워를 통한 흐름은 타워를 통한 분쇄 물질의 혼합이 제한되는 것과 같다. 이것은 타워 밀의 길이를 따라 다른 지점에서 수성 환경의 점도가 미소섬유화된 셀룰로오스의 미세도가 증가함에 따라 변할 것임을 의미한다. 따라서, 사실상 타워 밀에서 분쇄 영역은 특징적인 점도를 갖는 하나 이상의 분쇄 구역을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 당업자는 점도와 관련하여 인접한 분쇄 구역 사이에 뚜렷한 경계가 없다는 것을 이해할 것이다.
실시형태에서, 정지 구역 또는 하나 이상의 분쇄 구역 위의 분류기 또는 스크린에 근접한 밀의 상부에서 물이 첨가되어 밀에서의 이들 구역에서 미소섬유화된 셀룰로오스 및 무기 미립자 물질을 포함하는 수성 현탁액의 점도를 감소시킨다. 밀에서의 이 지점에서 생성물 미소섬유화된 셀룰로오스 및 무기 미립자 물질 복합재를 희석함에 의해 정지 구역 및/또는 분류기 및/또는 스크린 상으로 분쇄 매질 이동의 방지가 개선된다는 것이 밝혀졌다. 더욱이, 타워를 통한 제한된 혼합은 타워 아래로 더 높은 고형분에서 처리할 수 있게 하고 하나 이상의 분쇄 구역 안으로 타워 아래로 다시 희석수의 제한된 역류로 상단에서 희석한다. 미소섬유화된 셀룰로오스 및 무기 미립자 물질을 포함하는 생성물 수성 현탁액의 점도를 희석시키는데 효과적인 임의의 적합한 양의 물이 첨가될 수 있다. 물은 분쇄 공정 동안 계속적으로 첨가되거나, 일정 간격으로 또는 불규칙한 간격으로 첨가될 수 있다.
다른 실시형태에서, 물은 타워 밀의 길이를 따라 위치된 하나 이상의 물 주입 지점을 통해 하나 이상의 분쇄 구역에 첨가될 수 있거나, 또는 각각의 물 주입 지점은 하나 이상의 분쇄 구역에 상응하는 위치에 위치된다. 유리하게는, 타워를 따라 다양한 지점에서 물을 첨가하는 능력은 밀을 따라 임의의 위치 또는 모든 위치에서 분쇄 조건을 추가로 조정할 수 있게 한다.
타워 밀은 그 길이 전반에 걸쳐 일련의 임펠러 로터 디스크가 장착된 수직 임펠러 샤프트를 포함할 수 있다. 임펠러 로터 디스크의 작용은 밀 전반에 걸쳐 일련의 별도의 분쇄 구역을 생성한다.
또 다른 실시형태에서, 분쇄는 스크리닝된 분쇄기, 바람직하게는 교반 매질 디트리터에서 수행된다. 스크리닝된 분쇄기는 공칭 구멍 크기가 적어도 약 250μm인 하나 이상의 스크린(들)을 포함할 수 있으며, 예를 들어 하나 이상의 스크린은 적어도 약 300μm, 또는 적어도 약 350μm, 또는 적어도 약 400μm, 또는 적어도 약 450μm, 또는 적어도 약 500μm, 또는 적어도 약 550μm, 또는 적어도 약 600μm, 또는 적어도 약 650μm, 또는 적어도 약 700μm, 또는 적어도 약 750μm, 또는 적어도 약 800μm, 또는 적어도 약 850μm, 또는 적어도 약 900μm, 또는 적어도 약 1000μm의 공칭 구멍 크기를 가질 수 있다.
바로 위에서 언급된 스크린 크기는 위에서 기술된 타워 밀 실시형태에 적용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 분쇄는 분쇄 매질의 존재에서 수행될 수 있다. 실시형태에서, 분쇄 매질은 약 1mm 내지 약 6mm의 범위, 예를 들어 약 2mm, 또는 약 3mm, 또는 약 4mm, 또는 약 5mm인 평균 직경을 갖는 입자를 포함하는 거친 매질이다.
다른 실시형태에서, 분쇄 매질은 적어도 약 2.5, 예를 들어, 적어도 약 3, 또는 적어도 약 3.5, 또는 적어도 약 4.0, 또는 적어도 약 4.5, 또는 적어도 약 5.0, 또는 적어도 약 5.5, 또는 적어도 약 6.0의 비중을 갖는다.
또 다른 실시형태에서, 분쇄 매질은 약 1mm 내지 약 6mm의 범위인 평균 직경을 갖는 입자를 포함하고 적어도 약 2.5의 비중을 갖는다.
상기에 기술된 바와 같이, 분쇄 매질(또는 매질들)은 최대 충전물의 약 70 부피%의 양으로 존재할 수 있다. 분쇄 매질은 충전물의 적어도 약 10 부피%, 예를 들어 충전물의 적어도 약 20 부피% 또는 충전물의 적어도 약 30 부피% 또는 충전물의 적어도 약 40 부피% 또는 충전물의 적어도 약 50 부피% 또는 충전물의 적어도 약 60 부피%의 양으로 존재할 수 있다.
일 실시형태에서, 분쇄 매질은 충전물의 약 50 부피%의 양으로 존재한다.
'충전물'은 분쇄기 용기에 공급되는 공급물인 조성물을 의미한다. 충전물은 물, 분쇄 매질, 셀룰로오스 및 무기 미립자 물질을 포함하는 섬유성 기재, 및 본 명세서에 기술된 바와 같은 임의의 다른 선택적인 첨가제를 포함한다. 상대적으로 거친 및/또는 조밀한 매질의 사용은 침강 속도가 개선되고(즉, 더 빠르고) 정지 구역 및/또는 분류기 및/또는 스크린(들)을 통해 그 위로 매질 전달이 감소한다는 이점이 있다.
상대적으로 거친 분쇄 매질을 사용하는 것에서의 추가 이점은 무기 미립자 물질의 평균 입자 크기(d50)가 분쇄 시스템에 부여된 에너지가 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재를 미소섬유화하는데 주로 소비되도록 분쇄 공정 동안 유의하게 감소되지 않을 수 있다는 것이다.
상대적으로 거친 스크린을 사용하는 것에서의 추가 이점은 상대적으로 거칠거나 조밀한 분쇄 매질이 미소섬유화 단계에서 사용될 수 있다는 것이다. 부가하여, 상대적으로 거친 스크린(즉, 적어도 약 250μm의 공칭 구멍을 가짐)을 사용하면 상대적으로 높은 고형물 생성물이 가공되고 분쇄기에서 제거되도록 할 수 있으며, 이는 상대적으로 높은 고형물 공급물(셀룰로오스 및 무기 미립자 물질을 포함하는 섬유성 기재를 포함함)이 경제적으로 실행가능한 공정에서 처리될 수 있게 한다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 높은 초기 고형물 함량을 갖는 공급물이 에너지 충분성의 관점에서 바람직한 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 더 낮은 고형물에서 (주어진 에너지에서) 생산된 제품은 더 거친 입자 크기 분포를 갖는다는 것도 밝혀졌다.
따라서, 일 실시형태에 따르면, 셀룰로오스 및 무기 미립자 물질을 포함하는 섬유성 기재는 적어도 약 4 wt%의 초기 고형분 함량에서의 수성 환경에 존재하며, 이 중 적어도 약 2 중량%는 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재이다. 초기 고형분 함량은 적어도 약 10 wt%, 또는 적어도 약 20 wt%, 또는 적어도 약 30 wt%, 또는 적어도 약 40 wt%일 수 있다. 초기 고형분 함량의 적어도 약 5 중량%는 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재일 수 있으며, 예를 들어 초기 고형분 함량의 적어도 약 10 중량% 또는 적어도 약 15 중량% 또는 적어도 약 20 중량%가 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재일 수 있다.
다른 실시형태에서, 분쇄는 분쇄 용기의 캐스케이드에서 수행되며, 그 중 하나 이상은 하나 이상의 분쇄 구역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 셀룰로오스 및 무기 미립자 물질을 포함하는 섬유성 기재는 2개 이상의 분쇄 용기의 캐스케이드, 예를 들어 3개 이상의 분쇄 용기의 캐스케이드, 또는 4개 이상의 분쇄 용기의 캐스케이드, 또는 5개 이상의 분쇄 용기의 캐스케이드, 또는 6개 이상의 분쇄 용기의 캐스케이드, 또는 7개 이상의 분쇄 용기의 캐스케이드, 또는 8개 이상의 분쇄 용기의 캐스케이드, 또는 9개 이상의 분쇄 용기의 캐스케이드, 또는 최대 10개의 분쇄 용기를 포함하는 캐스케이드에서 분쇄될 수 있다. 분쇄 용기의 캐스케이드는 직렬 또는 병렬로 또는 직렬과 병렬의 조합으로 작동가능하게 연결될 수 있다. 캐스케이드에서 하나 이상의 분쇄 용기로부터의 출력 및/또는 이들로의 입력은 하나 이상의 스크리닝 단계 및/또는 하나 이상의 분류 단계를 거칠 수 있다.
미소섬유화 공정에서 소비되는 총 에너지는 캐스케이드에서 각각의 분쇄 용기에 걸쳐 균등하게 분배될 수 있다. 대안적으로, 에너지 입력은 캐스케이드에서의 일부 또는 모든 분쇄 용기 간에 다를 수 있다.
당업자는 용기당 소비되는 에너지가 각 용기에서 미소섬유화되는 섬유성 기재의 양, 및 선택적으로 각 용기에서의 분쇄의 속도, 각 용기에서 분쇄의 기간, 각 용기에서 분쇄 매질의 유형 및 무기 미립자 물질의 유형과 양에 의존하여 캐스케이드에서의 용기 간에 다양할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 분쇄 조건은 미소섬유화된 셀룰로오스와 무기 미립자 물질 둘 모두의 입자 크기 분포를 제어하기 위해 캐스케이드에서의 각 용기에서 달라질 수 있다. 예를 들어, 분쇄 매질 크기는 무기 미립자 물질의 분쇄를 감소시키고 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재의 분쇄를 목표로 하기 위해 캐스케이드에서의 연속적인 용기 사이에서 달라질 수 있다.
실시형태에서 분쇄는 폐쇄 회로에서 수행된다. 다른 실시형태에서, 분쇄는 개방 회로에서 수행된다. 분쇄는 배치 모드에서 수행될 수 있다. 분쇄는 재-순환하는 배치 모드에서 수행될 수 있다. 다른 실시형태에서, 분쇄는 본 명세서의 다른 곳에 기술된 바와 같이 연속 모드에서 수행될 수 있다.
상술한 바와 같이, 분쇄 회로는 거친 무기 미립자를 분쇄기 용기에서 미리결정된 입자 크기 분포로 분쇄하는 사전-분쇄 단계를 포함할 수 있고, 그 후 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 물질은 사전-분쇄된 무기 미립자 물질과 조합되고 원하는 수준의 미소섬유화가 얻어질 때까지 동일한 또는 상이한 분쇄 용기에서 분쇄가 지속된다.
분쇄되는 물질의 현탁액은 비교적 높은 점도의 것일 수 있으므로, 적절한 분산제가 바람직하기로는 분쇄 이전에 현탁액에 첨가될 수 있다. 분산제는, 예를 들어, 수용성 축합 인산염, 폴리규산 또는 그의 염, 또는 고분자 전해질, 예를 들어 80,000 이하의 수 평균 분자량을 갖는 폴리(아크릴산) 또는 폴리(메타크릴산)의 수용성 염일 수 있다. 사용되는 분산제의 양은 일반적으로 건조 무기 미립자 고형 물질의 중량을 기준으로 0.1 내지 2.0 중량%의 범위 내이다. 현탁액은 4℃ 내지 100℃의 범위인 온도에서 적절하게 분쇄될 수 있다.
미소섬유화 단계 동안 포함될 수 있는 다른 첨가제는 카르복시메틸 셀룰로오스, 양쪽성 카르복시메틸 셀룰로오스, 산화제, 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실(TEMPO), TEMPO 유도체 및 목재 분해 효소를 포함한다.
분쇄되는 물질의 현탁액의 pH는 약 7 또는 약 7 초과(즉, 염기성)일 수 있고, 예를 들어 현탁액의 pH는 약 8, 또는 약 9, 또는 약 10, 또는 약 11일 수 있다. 분쇄되는 물질의 현탁액의 pH는 약 7 미만(즉, 산성)일 수 있고, 예를 들어 현탁액의 pH는 약 6, 또는 약 5, 또는 약 4, 또는 약 3일 수 있다. 분쇄되는 물질의 현탁액의 pH는 적절한 양의 산 또는 염기의 첨가에 의해 조정될 수 있다. 적합한 염기는 예를 들어 NaOH와 같은 알칼리 금속 수산화물을 포함한다. 다른 적합한 염기는 탄산나트륨 및 암모니아이다. 적합한 산은 염산 및 황산과 같은 무기산 또는 유기산을 포함한다. 예시적인 산은 오르토인산이다.
공동 분쇄되는 혼합물 내 무기 미립자 물질 및 셀룰로오스 펄프의 양은 무기 미립자 물질의 건조 중량 및 펄프 내 건조 섬유의 양을 기준으로 약 99.5:0.5 내지 약 0.5:99.5의 비율, 예를 들어, 무기 미립자 물질의 건조 중량 및 펄프 내 건조 섬유의 양을 기준으로 약 99.5:0.5 내지 약 50:50의 비율로 다양할 수 있다. 예를 들어, 무기 미립자 물질과 건조 섬유의 양의 비율은 약 99.5:0.5 내지 약 70:30일 수 있다. 실시형태에서, 무기 미립자 물질 대 건조 섬유의 비율은 약 80:20, 또는 예를 들어, 약 85:15, 또는 약 90:10, 또는 약 91:9, 또는 약 92:8, 또는 약 93: 7, 또는 약 94:6, 또는 약 95:5, 또는 약 96:4, 또는 약 97:3, 또는 약 98:2, 또는 약 99:1이다. 바람직한 실시형태에서, 무기 미립자 물질 대 건조 섬유의 중량비는 약 95:5이다. 다른 바람직한 실시형태에서, 무기 미립자 물질 대 건조 섬유의 중량비는 약 90:10이다. 다른 바람직한 실시형태에서, 무기 미립자 물질 대 건조 섬유의 중량비는 약 85:15이다. 다른 바람직한 실시형태에서, 무기 미립자 물질 대 건조 섬유의 중량비는 약 80:20이다.
원하는 수성 현탁액 조성물을 얻기 위한 전형적인 분쇄 공정에서의 총 에너지 입력은 전형적으로 무기 미립자 충전제의 총 건조 중량을 기준으로 약 100 내지 1500kWht-1일 수 있다. 총 에너지 입력은 약 1000kWht-1 미만, 예를 들어 약 800kWht-1 미만, 약 600kWht-1 미만, 약 500kWht-1 미만, 약 kWht-1 미만, 약 300kWht-1 또는 약 200kWht-1 미만일 수 있다. 이와 같이, 본 발명자들은 셀룰로오스 펄프가 무기 미립자 물질의 존재에서 공동 분쇄될 때 상대적으로 낮은 에너지 입력에서 미소섬유화될 수 있다는 것을 놀랍게도 발견하였다. 자명한 바와 같이, 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재에서 건조 섬유의 톤당 총 에너지 입력은 약 10,000kWht-1 미만, 예를 들어 약 9000kWht-1 미만, 또는 약 8000kWht-1 미만, 또는 약 7000kWht-1 미만, 또는 약 6000kWht-1 미만, 또는 약 5000kWht-1 미만, 예를 들어 약 4000kWht-1 미만, 약 3000kWht-1 미만, 약 2000kWht-1 미만, 약 1500kWht-1 미만, 약 1200kWht-1 미만, 약 1000kWht-1 미만, 또는 약 800kWht-1 미만일 것이다. 총 에너지 입력은 미소섬유화되는 섬유성 기재에서 건조 섬유의 양과 선택적으로 분쇄의 속도 및 분쇄의 기간에 따라 달라진다.
다른 실시형태에서, 분쇄 매질은 약 3mm의 평균 직경 및 약 2.7의 비중을 갖는 입자를 포함한다.
또 다른 실시형태에서, MFC는 WO-A-2010/131016에 기술된 방법에 따라 제조되며, 이는 분쇄의 완료 후 제거되어 지는 미립자 분쇄 매질의 존재에서 분쇄에 의해 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재를 미소섬유화하는 단계를 포함한다. "미소섬유화"는 셀룰로오스의 미소섬유가 사전-미소섬유화된 펄프의 섬유와 비교하여 개별 종으로서 또는 작은 응집체로서 유리되거나 부분적으로 유리되는 공정을 의미한다. 제지용으로 적합한 전형적인 셀룰로오스 섬유(즉, 사전-미소섬유화된 펄프)는 수백 또는 수천 개의 개별 셀룰로오스 피브릴의 더 큰 응집체를 포함한다. 셀룰로오스를 미소섬유화함에 의해, 본 명세서에 기재된 특징 및 특성을 포함하는 특정한 특징 및 특성이 MFC 및 MFC를 포함하는 조성물에 부여된다.
셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재(본 명세서에서는 "셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재", "셀룰로오스 섬유", "섬유성 셀룰로오스 공급원료", "셀룰로오스 공급원료" 및 "셀룰로오스-함유 섬유(또는 섬유성" 등)로 다양하게 지칭됨)는 재활용 펄프 또는 제지공장 파쇄물 및/또는 산업 폐기물, 또는 제지공장으로부터 광물 충전제 및 셀룰로오스 물질이 풍부한 종이 스트림에서 유래될 수 있다.
셀룰로오스 펄프는 ㎤ 단위로 캐나다 표준 여수도(CSF)로 당업계에 보고된 임의의 미리 결정된 여수도로 (예를 들어 밸리 비터에서) 고해되고/되거나 달리는 (예를 들어, 원추형 또는 플레이트 정제기에서 가공하여) 정제될 수 있다. CSF는 펄프의 현탁액이 배수될 수 있는 속도로 측정된 펄프의 여수도 또는 배수율에 대한 값을 의미하고, 이 시험은 T 227 cm-09 TAPPI 표준에 따라 수행된다. 예를 들어, 셀룰로오스 펄프는 미소섬유화되기 이전에 약 10㎤ 이상의 캐나다 표준 여수도를 가질 수 있다. 셀룰로오스 펄프는 약 700㎤ 이하, 예를 들어 약 650㎤ 이하, 또는 약 600㎤ 이하, 또는 약 550㎤ 이하, 또는 약 500㎤ 이하, 또는 약 450㎤ 이하, 또는 약 400㎤ 이하, 또는 약 350㎤ 이하, 또는 약 300㎤ 이하, 또는 약 250㎤ 이하, 또는 약 200㎤ 이하, 또는 약 150㎤ 이하, 또는 약 100㎤ 이하, 또는 약 50㎤ 이하의 CSF를 가질 수 있다. 셀룰로오스 펄프는 약 20 내지 약 700의 CSF를 가질 수 있다. 셀룰로오스 펄프는 그 다음 당업계에 잘 알려진 방법에 의해 탈수될 수 있으며, 예를 들어 펄프는 적어도 약 10% 고형분, 예를 들어 적어도 약 15% 고형분, 또는 적어도 약 20% 고형분, 또는 적어도 약 30% 고형분, 또는 적어도 약 40% 고형분 또는 적어도 50% 고형분을 포함하는 습윤 시트를 얻기 위해 스크린을 통해 여과될 수 있다. 펄프는 미정제된 상태, 즉 고해되거나 탈수되거나 또는 달리 정제되지 않은 상태로 이용될 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 미소섬유화된 셀룰로오스는 분쇄의 완료 후 제거될 분쇄 매질의 존재에서 분쇄함에 의해 수성 환경에서 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재를 미소섬유화하는 단계를 포함하는 방법에 따라 제조되며, 여기서 분쇄는 타워 밀 또는 스크리닝된 분쇄기에서 수행되고, 분쇄는 분쇄가능한 무기 미립자 물질의 부재에서 수행된다.
분쇄가능한 무기 미립자 물질은 분쇄 매질의 존재에서 분쇄되는 물질이다.
미립자 분쇄 매질은 천연 또는 합성 물질의 것일 수 있다. 분쇄 매질은, 예를 들어, 임의의 단단한 광물, 세라믹 또는 금속성 물질의 볼, 비드 또는 펠릿을 포함할 수 있다. 그러한 물질은, 예를 들어, 알루미나, 지르코니아, 규산지르코늄, 규산알루미늄 또는 약 1300℃ 내지 약 1800℃의 범위인 온도에서 카올리나이트질 점토를 하소함에 의해 생성되는 멀라이트-풍부 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서 Carbolite® 분쇄 매질이 바람직하다. 대안적으로, 적절한 입자 크기의 천연 모래 입자를 사용할 수 있다.
일반적으로, 발명에 사용하기 위해 선택되는 분쇄 매질의 유형 및 입자 크기는, 예를 들어, 분쇄되는 물질의 공급 현탁액의 입자 크기 및 화학적 조성과 같은 특성에 따라 달라질 수 있다. 바람직하게는, 미립자 분쇄 매질은 평균 직경이 약 0.5mm 내지 약 6mm의 범위인 입자를 포함한다. 일 실시형태에서, 입자는 적어도 약 3mm의 평균 직경을 갖는다.
분쇄 매질은 적어도 약 2.5의 비중을 갖는 입자를 포함할 수 있다. 분쇄 매질은 적어도 약 3, 적어도 약 4, 적어도 약 5, 또는 적어도 약 6의 비중을 갖는 입자를 포함할 수 있다.
분쇄 매질(또는 매질들)은 충전물의 최대 약 70 부피%의 양으로 존재할 수 있다. 분쇄 매질은 충전물의 적어도 약 10 부피%, 예를 들어 충전물의 적어도 약 20 부피%, 또는 충전물의 적어도 약 30 부피%, 또는 충전물의 적어도 약 40 부피%, 또는 충전물의 적어도 약 50 부피%, 또는 충전물의 적어도 약 60 부피%의 양으로 존재할 수 있다.
셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재는 미소섬유화되어 레이저 광 산란에 의해 측정될 때 약 5μm 내지 약 500μm의 범위인 d50을 갖는 미소섬유화된 셀룰로오스를 얻을 수 있다. 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재는 미소섬유화되어 약 400μm 이하, 예를 들어 약 300μm 이하, 또는 약 200μm 이하, 또는 약 150μm 이하, 또는 약 125μm 이하, 또는 약 100μm 이하, 또는 약 90μm 이하, 또는 약 80μm 이하, 또는 약 70μm 이하, 또는 약 60μm 이하, 또는 약 50μm 이하, 또는 약 40μm 이하, 또는 약 30μm 이하, 또는 약 20μm 이하, 또는 약 10μm 이하의 d50을 갖는 미소섬유화된 셀룰로오스를 얻을 수 있다.
셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재는 약 0.1-500μm의 범위인 모달 섬유 입자 크기를 갖는 미소섬유화된 셀룰로오스를 얻기 위해 미소섬유화될 수 있다. 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재는 적어도 약 0.5μm, 예를 들어 적어도 약 10μm, 또는 적어도 약 50μm, 또는 적어도 약 100μm, 또는 적어도 약 150μm, 또는 적어도 약 200μm, 또는 적어도 약 300μm, 또는 적어도 약 400μm의 모달 섬유 입자 크기를 갖는 미소섬유화된 셀룰로오스를 얻기 위해 존재에서 미소섬유화될 수 있다.
셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재는 미소섬유화되어 Malvern에 의해 측정된 섬유 경사도가 약 10 이상인 미소섬유화된 셀룰로오스를 얻을 수 있다. 섬유 경사도(즉, 섬유의 입자 크기 분포의 경사도)는 다음 공식으로 결정된다:
경사도 = 100 x (d3o/d7o)
미소섬유화된 셀룰로오스는 약 100 이하의 섬유 경사도를 가질 수 있다. 미소섬유화된 셀룰로오스는 약 75 이하, 또는 약 50 이하, 또는 약 40 이하, 또는 약 30 이하의 섬유 경사도를 가질 수 있다. 미소섬유화된 셀룰로오스는 약 20 내지 약 50, 또는 약 25 내지 약 40, 또는 약 25 내지 약 35, 또는 약 30 내지 약 40의 섬유 경사도를 가질 수 있다. 실시형태에서, 바람직한 경사도 범위는 약 20 내지 약 50이다.
MFC 섬유 및 무기 미립자 물질의 섬유 경사도의 계산은 당업계에 잘 알려져 있다. 예를 들어, 5g의 건조 물질을 제공하기에 충분한 공동 분쇄된 슬러리의 샘플을 비이커에 칭량하고, 탈이온수로 60g으로 희석하고, 1.0wt% 탄산나트륨 및 0.5wt% 헥사메타인산나트륨의 용액 5㎤와 혼합한다. 80g의 최종 슬러리 중량으로 교반하면서 추가의 탈이온수를 첨가한다. 그런 다음 슬러리를 최적의 차광 수준이 표시될 때까지(정상적으로 10-15%) Mastersizer S(또는 Mastersizer Insitec 또는 기타 유사한 장치)에 부착된 샘플 준비 장치에서의 물에 1㎤ 할당량으로 첨가한다. 그런 다음 광 산란 분석 절차가 수행된다. 선택된 기기 범위는 300RF : 0.05-900이고, 빔 길이는 2.4mm로 설정되었다. 탄산칼슘과 섬유를 함유하는 공동 분쇄된 샘플의 경우 탄산칼슘의 굴절률(1.596)이 사용된다. 카올린과 섬유의 공동 분쇄된 샘플의 경우 카올린에 대한 RI(1.5295)가 사용된다. 입자 크기 분포는 Mie 이론에서 계산되고 차등 부피 기반 분포로 출력을 제공한다. 2개의 뚜렷한 피크의 존재는 광물(더 미세한 피크)과 섬유(거친 피크)에서 발생하는 것으로 해석된다.
더 미세한 광물 피크는 측정된 데이터 포인트에 맞춰지고 분포로부터 수학적으로 차감되어 누적 분포로 변환되는 섬유 피크를 남긴다. 유사하게, 섬유 피크는 원래 분포로부터 수학적으로 차감되어 또한 누적 분포로 변환되는 광물 피크를 남긴다. 이들 양자의 누적 곡선은 그 다음 평균 입자 크기(d5o)와 분포의 경사도(d30/d70 x 100)를 계산하는데 사용될 수 있다. 미분 곡선은 광물 및 섬유 분획 둘 모두에 대한 모달 입자 크기를 찾는데 사용될 수 있다.
일 실시형태에서, 분쇄 용기는 타워 밀이다. 타워 밀은 하나 이상의 분쇄 구역 위에 정지 구역을 포함할 수 있다. 정지 구역은 분쇄가 최소로 발생하거나 전혀 발생하지 않는 타워 밀의 내부 상단을 향해 위치한 영역이고 미소섬유화된 셀룰로오스 및 무기 미립자 물질을 포함한다. 정지 구역은 분쇄 매질의 입자가 타워 밀의 하나 이상의 분쇄 구역 안으로 침강되는 영역이다.
타워 밀은 하나 이상의 분쇄 구역 위에 분류기를 포함할 수 있다. 실시형태에서, 분류기는 상단에 장착되고 정지 구역에 인접하게 위치된다. 분류기는 하이드로사이클론일 수 있다.
타워 밀은 하나 이상의 분쇄 구역 위에 스크린을 포함할 수 있다. 실시형태에서, 스크린은 정지 구역 및/또는 분류기에 인접하여 위치된다. 스크린은 미소섬유화된 셀룰로오스를 포함하는 생성물 수성 현탁액으로부터 분쇄 매질을 분리하고 분쇄 매질 침강을 증강시키기 위한 크기일 수 있다.
실시형태에서, 분쇄는 플러그 흐름 조건 하에서 수행된다. 플러그 흐름 조건 하에서 타워를 통한 흐름은 타워를 통한 분쇄 물질의 혼합이 제한되는 것과 같다. 이것은 타워 밀의 길이를 따라 상이한 지점에서 수성 환경의 점도가 미소섬유화된 셀룰로오스의 미세도가 증가함에 따라 변할 것임을 의미한다. 따라서, 사실상 타워 밀에서 분쇄 영역은 특징적인 점도를 갖는 하나 이상의 분쇄 구역을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 당업자는 점도와 관련하여 인접한 분쇄 구역 사이에 뚜렷한 경계가 없다는 것을 이해할 것이다.
실시형태에서, 물이 정지 구역 또는 하나 이상의 분쇄 구역 위의 분류기 또는 스크린에 근접한 밀의 상부에서 첨가되어 밀 내 이들 구역에서 미소섬유화된 셀룰로오스를 포함하는 수성 현탁액의 점도를 감소시킨다. 밀 내 이 지점에서 생성물 미소섬유화된 셀룰로오스를 희석함에 의해 정지 구역 및/또는 분류기 및/또는 스크린 상으로 분쇄 매질 이동의 방지가 개선된다는 것이 밝혀졌다. 더욱이, 타워를 통한 제한된 혼합은 타워 아래로 더 높은 고형분에서 처리할 수 있게 하고 하나 이상의 분쇄 구역 안으로 타워 아래로 다시 희석수의 제한된 역류로 상단에서 희석한다. 미소섬유화된 셀룰로오스를 포함하는 생성물 수성 현탁액의 점도를 희석시키는데 효과적인 임의의 적합한 양의 물이 첨가될 수 있다. 물은 분쇄 공정 동안 계속적으로 첨가되거나, 일정 간격으로 또는 불규칙한 간격으로 첨가될 수 있다.
다른 실시형태에서, 물은 타워 밀의 길이를 따라 위치된 하나 이상의 물 주입 지점을 통해 하나 이상의 분쇄 구역에 첨가될 수 있으며, 각각의 물 주입 지점은 하나 이상의 분쇄 구역에 상응하는 위치에 위치된다. 유리하게는, 타워를 따라 다양한 지점에서 물을 첨가하는 능력은 밀을 따라 임의의 위치 또는 모든 위치에서 분쇄 조건을 추가로 조정할 수 있게 한다.
타워 밀은 그 길이 전반에 걸쳐 일련의 임펠러 로터 디스크가 장착된 수직 임펠러 샤프트를 포함할 수 있다. 임펠러 로터 디스크의 작용은 밀 전반에 걸쳐 일련의 별개 분쇄 구역을 생성한다.
또 다른 실시형태에서, 분쇄는 스크리닝된 분쇄기, 바람직하게는 교반 매질 디트리터에서 수행된다. 스크리닝된 분쇄기는 공칭 구멍 크기가 적어도 약 250μm인 하나 이상의 스크린(들)을 포함할 수 있으며, 예를 들어 하나 이상의 스크린은 적어도 약 300μm, 또는 적어도 약 350μm, 또는 적어도 약 400μm, 또는 적어도 약 450μm, 또는 적어도 약 500μm, 또는 적어도 약 550μm, 또는 적어도 약 600μm, 또는 적어도 약 650μm, 또는 적어도 약 700μm, 또는 적어도 약 750μm, 또는 적어도 약 800μm, 또는 적어도 약 850μm, 또는 적어도 약 900μm, 또는 적어도 약 1000μm, 또는 적어도 약 1,250μm, 또는 적어도 약 1,500μm의 공칭 구멍 크기를 가질 수 있다.
바로 위에서 언급한 스크린 크기는 위에서 기술한 타워 밀 실시형태에 적용가능하다.
상술한 바와 같이, 분쇄는 분쇄 매질의 존재하에 수행된다. 실시형태에서, 분쇄 매질은 약 1mm 내지 약 6mm의 범위, 예를 들어 약 2mm, 또는 약 3mm, 또는 약 4mm, 또는 약 5mm인 평균 직경을 갖는 입자를 포함하는 거친 매질이다.
다른 실시형태에서, 분쇄 매질은 적어도 약 2.5, 예를 들어, 적어도 약 3, 또는 적어도 약 3.5, 또는 적어도 약 4.0, 또는 적어도 약 4.5, 또는 적어도 약 5.0, 또는 적어도 약 5.5, 또는 적어도 약 6.0의 비중을 갖는다.
전술한 바와 같이, 분쇄 매질(또는 매질들)은 충전물의 최대 약 70 부피%의 양으로 존재할 수 있다. 분쇄 매질은 충전물의 적어도 약 10 부피%, 예를 들어 충전물의 적어도 약 20 부피%, 또는 충전물의 적어도 약 30 부피%, 또는 충전물의 적어도 약 40 부피%, 또는 충전물의 적어도 약 50 부피%, 또는 충전물의 적어도 약 60 부피%의 양으로 존재할 수 있다.
일 실시형태에서, 분쇄 매질은 충전물의 약 50 부피%의 양으로 존재한다.
'충전물'은 분쇄기 용기에 공급되는 공급물인 조성물을 의미한다. 충전물은 물, 분쇄 매질, 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재 및 임의의 다른 선택적 첨가제(본 명세서에 기재된 이외의 것)를 포함한다.
상대적으로 거친 및/또는 조밀한 매질의 사용은 침강 속도가 개선되고(즉, 더 빠르고) 정지 구역 및/또는 분류기 및/또는 스크린(들)을 통해 그 위로 매질 전달이 감소한다는 이점이 있다.
상대적으로 거친 스크린을 사용하는 것에서의 추가 이점은 상대적으로 거칠거나 조밀한 분쇄 매질이 미소섬유화 단계에서 사용될 수 있다는 것이다. 부가하여, 상대적으로 거친 스크린(즉, 적어도 약 250μm의 공칭 구멍을 가짐)을 사용하면 상대적으로 높은 고형물 생성물이 가공되고 분쇄기에서 제거되도록 할 수 있으며, 이는 상대적으로 높은 고형물 공급물(셀룰로오스 및 무기 미립자 물질을 포함하는 섬유성 기재를 포함함)이 경제적으로 실행가능한 공정에서 처리될 수 있게 한다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 높은 초기 고형물 함량을 갖는 공급물이 에너지 충분성의 관점에서 바람직한 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 더 낮은 고형물에서 (주어진 에너지에서) 생산된 제품은 더 거친 입자 크기 분포를 갖는다는 것도 밝혀졌다.
일 실시형태에 따르면, 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재는 적어도 약 1wt.%의 초기 고형분 함량에서 수성 환경에 존재한다. 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재는 수성 환경에서 적어도 약 2wt%, 예를 들어 적어도 약 3wt%, 또는 적어도 약 4wt%의 초기 고형분 함량에서 수성 환경에 존재할 수 있다. 전형적으로 초기 고형분 함량은 약 10wt% 이하일 것이다.
다른 실시형태에서, 분쇄는 분쇄 용기의 캐스케이드에서 수행되며, 그 중 하나 이상은 하나 이상의 분쇄 구역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재는 2개 이상의 분쇄 용기의 캐스케이드, 예를 들어 직렬로 3개 이상의 분쇄 용기의 캐스케이드, 또는 4개 이상의 분쇄 용기의 캐스케이드, 또는 5개 이상의 분쇄 용기의 캐스케이드, 또는 6개 이상의 분쇄 용기의 캐스케이드, 또는 7개 이상의 분쇄 용기의 캐스케이드, 또는 8개 이상의 분쇄 용기의 캐스케이드, 또는 9개 이상의 분쇄 용기의 캐스케이드, 또는 최대 10개의 분쇄 용기를 포함하는 캐스케이드에서 분쇄될 수 있다. 분쇄 용기의 캐스케이드는 직렬 또는 병렬로 또는 직렬과 병렬의 조합으로 작동가능하게 잉크될 수 있다. 캐스케이드에서 하나 이상의 분쇄 용기로부터의 출력 및/또는 이들로의 입력은 하나 이상의 스크리닝 단계 및/또는 하나 이상의 분류 단계를 거칠 수 있다.
미소섬유화 공정에서 소비되는 총 에너지는 캐스케이드에서 각각의 분쇄 용기에 걸쳐 균등하게 분배될 수 있다. 대안적으로, 에너지 입력은 캐스케이드에서의 일부 또는 모든 분쇄 용기 간에 다를 수 있다.
당업자는 용기당 소비되는 에너지가 각 용기에서 미소섬유화되는 섬유성 기재의 양, 및 선택적으로 각 용기에서의 분쇄의 속도, 각 용기에서 분쇄의 기간, 각 용기에서 분쇄 매질의 유형에 의존하여 캐스케이드에서의 용기 간에 다양할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 분쇄 조건은 미소섬유화된 셀룰로오스의 입자 크기 분포를 제어하기 위해 캐스케이드에서의 각 용기에서 달라질 수 있다.
실시형태에서 분쇄는 폐쇄 회로에서 수행된다. 다른 실시형태에서, 분쇄는 개방 회로에서 수행된다.
분쇄되는 물질의 현탁액은 비교적 높은 점도를 가질 수 있으므로, 적절한 분산제가 바람직하게는 분쇄 이전에 현탁액에 첨가될 수 있다. 분산제는, 예를 들어, 수용성 축합 인산염, 폴리규산 또는 그의 염, 또는 고분자 전해질, 예를 들어 80,000 이하의 수 평균 분자량을 갖는 폴리(아크릴산) 또는 폴리(메타크릴산)의 수용성 염일 수 있다. 사용되는 분산제의 양은 일반적으로 건조 무기 미립자 고형 물질의 중량을 기준으로 0.1 내지 2.0 중량%의 범위 내이다. 현탁액은 4℃ 내지 100℃의 범위인 온도에서 적절하게 분쇄될 수 있다.
미소섬유화 단계 동안 포함될 수 있는 다른 첨가제는 카르복시메틸셀룰로오스, 양쪽성 카르복시메틸셀룰로오스, 산화제, 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실(TEMPO), TEMPO 유도체 및 목재 분해 효소를 포함한다.
분쇄되는 물질의 현탁액의 pH는 약 7 또는 약 7 초과(즉, 염기성)일 수 있고, 예를 들어 현탁액의 pH는 약 8, 또는 약 9, 또는 약 10, 또는 약 11일 수 있다. 분쇄되는 물질의 현탁액의 pH는 약 7 미만(즉, 산성)일 수 있고, 예를 들어 현탁액의 pH는 약 6, 또는 약 5, 또는 약 4, 또는 약 3일 수 있다. 분쇄되는 물질 현탁액의 pH는 적절한 양의 산 또는 염기를 첨가하여 조정할 수 있다. 적합한 염기는 예를 들어 NaOH와 같은 알칼리 금속 수산화물을 포함한다. 다른 적합한 염기는 탄산나트륨 및 암모니아이다. 적합한 산은 무기산 예컨대 염산 및 황산, 또는 유기산을 포함한다. 예시적인 산은 오르토인산이다.
원하는 수성 현탁액 조성물을 얻기 위한 전형적인 분쇄 공정에서의 총 에너지 입력은 전형적으로 무기 미립자 충전제의 총 건조 중량을 기준으로 약 100 내지 1500kWht1일 수 있다. 총 에너지 입력은 약 1000kWht-1 미만, 예를 들어 약 800kWht-1 미만, 약 600kWht-1 미만, 약 500kWht-1 미만, 약 kWht-1 미만, 약 300kWht-1 또는 약 200kWht-1 미만일 수 있다. 이와 같이, 본 발명자들은 셀룰로오스 펄프가 무기 미립자 물질의 존재에서 공동 분쇄될 때 상대적으로 낮은 에너지 입력에서 미소섬유화될 수 있다는 것을 놀랍게도 발견하였다. 자명한 바와 같이, 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재에서 건조 섬유의 톤당 총 에너지 입력은 약 10,000kWht-1 미만, 예를 들어 약 9000kWht-1 미만, 또는 약 8000kWht-1 미만, 또는 약 7000kWht-1 미만, 또는 약 6000kWht-1 미만, 또는 약 5000kWht-1 미만, 예를 들어 약 4000kWht-1 미만, 약 3000kWht-1 미만, 약 2000kWht-1 미만, 약 1500kWht-1 미만, 약 1200kWht-1 미만, 약 1000kWht-1 미만, 또는 약 800kWht-1 미만일 것이다. 총 에너지 입력은 미소섬유화되는 섬유성 기재에서 건조 섬유의 양과 선택적으로 분쇄의 속도 및 분쇄의 기간에 따라 달라진다.
발명의 다양한 양태는 다음 하위 섹션에서 더 상세히 기술된다. 하위 섹션의 사용은 발명을 제한하는 것을 의미하지 않는다. 각 하위 섹션은 발명의 임의의 양태에 적용될 수 있다. 본 출원에서, "또는"의 사용은 달리 언급하지 않는 한 "및/또는"을 의미한다.
MFC는 연속 또는 배치 모드로 생산될 수 있다. MFC는 미소섬유화된 셀룰로오스와 무기 미립자 물질의 수성 현탁액 혼합물이다. 실시형태에서, MFC는 습윤 수직으로 교반된 매질 밀에서 무기 미립자 물질 입자의 존재에서 셀룰로오스 목재 펄프의 저 고형분 수성 현탁액을 공동 분쇄함에 의해 제조된다. 광물 입자는 분쇄 보조제 역할을 하고 펄프 정제와 유사한 공정에서 미소섬유로 펄프 섬유의 비용 효율적인 미소섬유형성을 용이하게 한다.
사용되는 무기 미립자 물질은 표준 종이 충전제, 종종 탄산칼슘 또는 카올린이다. 대부분의 공정은 카올린, 중질 탄산칼슘 또는 침강성 탄산칼슘을 사용한다. 무기 미립자 물질은 수성 슬러리 형태일 것이다.
사용되는 셀룰로오스는 전형적으로 제지공장의 펄프 공급원(>99% 셀룰로오스)으로부터의 정제되지 않은 크라프트 또는 설파이트 펄프 또는 종이 및 보드 재활용 활동으로부터의 재활용 펄프이다. 펄프는 일반적으로 대략 약 4-5wt% 고형분에서의 수성 슬러리로 제지공장에서 받는다. 사용되는 물은 공장의 공정 흐름 또는 경우에 따라 의회(도시) 물에서 나온다. 세라믹 분쇄 매질은 전형적으로 하소된 카올린으로 만든 3mm 직경의 비드이다. 재활용 펄프를 사용하는 일부 경우에, 펄프는 이미 일부 무기 미립자 물질을 함유할 것이다.
예시적인 레시피에서: 대략적으로 4% 고형분의 크라프트 펄프 및 대략적으로 66% 고형분의 함수 카올린 또는 대략적으로 75% 고형분의 탄산칼슘 슬러리 및 물을 분쇄기에 연속적으로 첨가한다. 분쇄기에는 총 충전량의 대략적으로 50%가 매질이 차지하도록 3mm 직경의 멀라이트 분쇄 매질이 장입된다(총 충전량 = 멀라이트 + 펄프 + 카올린 + 물이 차지하는 부피). 처리량은 펄프와 광물 혼합물이 최적화된 기간 동안 공동 분쇄되도록 제어된다. 전형적으로 이 최적 기간은 최대 점도 및 인장 특성의 발달에 상응한다. 전형적으로 대략 1500 - 5000kWhr/건조 톤의 MFC가 적용된다. 분쇄기에서 온도는 분쇄하는 동안 약 섭씨 65도에 도달한다. MFC 생성물은 수성 슬러리 형태로 된다.
일부 경우에는 연속적으로 실행하기보다는 동일한 공정이 배치식으로 작동된다. 이 경우 성분들은 배치의 시작 시 추가된 다음 분쇄기는 1500-5000kWhr/건조 톤의 MFC가 적용되고 그 다음 배치의 종료 시에 추가 물이 첨가되고 공정이 반복되기 전에 생성물이 배출되도록 할당된 시간 동안 가동된다.
무기 미립자 물질이 최종 사용 적용에서 용인될 수 없는 일부 경우에, 임의의 무기 미립자 물질을 추가함이 없이 상기 공정을 수행한다.
분쇄 및 스크리닝 공정으로부터 생성된 상기 MFC 생성물은 성능을 감소시고 매우 미세한 스크리닝을 받는 경우 막힘을 야기할 수 있는 응집체를 함유한다. 이들 응집체는 균질화기를 사용하여 감소시킬 수 있다.
일부 경우에 MFC 생성물과 회합된 물의 일부는 운송 비용을 낮추기 위해 제거된다. 이것은 벨트 프레스를 통한 탈수 및/또는 열풍 건조기를 사용한 건조 또는 당업계에 알려진 다른 수단의 사용에 의해 달성된다. 탈수 및 건조된 생성물을 준비할 때 저장 수명을 증가시키고 분해로부터 생성물을 보호하기 위해 때때로 살생물제가 첨가된다. 살생물제는, 예를 들어, 쟁기 전단 혼합기를 사용하여 MFC 안으로 혼합된다. 탈수 및 부분적으로 건조된 생성물은 일반적으로 벌크 백에서 수송된다.
사용된 살생물제는 DBNPA(2,2-디브로모-3-니트릴로프로피온아미드), 및 CMIT/MIT(5-클로로-2-메틸-2H-이소티아졸-3-온/2-메틸-2H이소티아졸-3-온(CMIT/MIT) 또는 부분적으로 건조된 생성물 및 OIT(2-옥틸-2H-이소티아졸-3-온)이다.
연속 생산 공정은 셀룰로오스, 무기 미립자 물질 및 물이 밀로부터 공급되고 처리 후 밀로 반환되는 패스-쓰로우 공정이다.
생산을 제어하기 위해 사용될 수 있는 매개변수는 레이저 광 산란에 의해 측정된 생성물 d50 및 점도 또는 인장 특성, 예를 들어 본 명세서에서 다른 곳에 기재된 FLT 인장 지수이다.
발명의 다양한 양태는 다음 하위 섹션에서 더 상세히 기술된다. 하위 섹션의 사용은 발명을 제한하는 것을 의미하지 않는다. 각 하위 섹션은 발명의 임의의 양태에 적용될 수 있다. 본 출원에서 "또는"의 사용은 달리 언급하지 않는 한 "및/또는"을 의미한다.
미세다공성 무기 미립자 물질 복합재
하소된 점토 및 편삼각면체 및 아라고나이트 침강성 탄산칼슘(PCC)과 같은 일부 유형의 충전제는 개방형 다공성 구조를 갖는 입자의 응집체로 구성된다(즉, 이들은 미세다공성 무기 미립자 물질의 예이다). 하소된 점토는 미국 특허 번호 3,586,523에 기술되어 있으며, 이는 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다. 이러한 하소된 카올린 점토는 특정 유형의 카올린 점토, 예를 들어 중질 퇴적 카올린 점토를 하소함에 의해 얻어지는 실질적으로 무수 비정질 규산알루미늄이다.
클러스터된 형태에서의 침강성 탄산칼슘(PCC)은 미국 특허 번호 5,695,733에 개시된 바와 같이 당업계에 공지되어 있으며, 이는 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다. PCC는 프리즘 형태를 갖는 입자의 상당한 비율을 갖는 독특한 클러스터된 형태로 생성된다. PCC를 생성하는데 이용되는 용액 환경, 즉 석회(산화칼슘)의 슬레이킹, 탄산화의 온도 및 이산화탄소의 도입 속도를 제어함에 의해 방해석, 아라고나이트 또는 바테라이트가 생성된다. 다시 말하지만, 방해석은 공정 조건에 따라 각기둥, 편삼각면체 또는 능면체 결정 형태를 가질 수 있다.
미세다공성 무기 미립자 물질의 다른 예는 화학적으로 응집된 충전제 물질을 포함한다. 이러한 화학적으로 응집된 충전제의 예는 미국 특허 번호 4,072,537에서 찾아볼 수 있으며, 이는 그 전체가 본 명세서에 포함된다. 이러한 미세다공성 무기 미립자 물질은 점토 성분 및 금속 규산염 성분을 포함하는 복합재 규산염 물질을 포함한다. 점토 성분은 전형적으로 카올린 점토 또는 카올리나이트이고 금속 규산염 물질은 전형적으로 수용성 알칼리 금속 규산염, 예를 들어 규산나트륨이다.
'537 특허에 기술된 바와 같이, 복합 안료를 제조하는 바람직한 방법은 (a) 점토 안료의 수성 현탁액을 형성하는 단계, (b) 일정량의 염 예컨대 염화칼슘을 점토 슬러리 안으로 블렌딩하는 단계, (c) 고전단에서 일정량의 규산염 성분 예컨대 규산나트륨을 점토 및 염의 슬러리 안으로 계량하는 단계, 선택적으로, (d) 명반을 첨가하여 슬러리의 pH를 pH 4 이상인 pH로 조정하는 단계, 그 후 (e) 임의의 용해성 염을 제거하기 위해 침전된 생성물을 여과 및 세정하는 단계를 포함한다. 이러한 미세다공성 복합 규산염 물질은 제지 공정에서 직접적으로 사용하거나 건조하고 그 후에 사용한다. 추가적인 미세다공성 무기 미립자 물질은 규조토 및 팽창 펄라이트와 같은 물질을 포함한다.
전술한 모든 물질은 종이 압착 및 건조를 통해 지속되는 강성 내부 공극 공간을 함유하는 입자로 구성되고 캘린더링 후에도 대체로 온전한 상태로 유지되어야 한다.
편삼각면체 PCC, 하소된 점토 및 화학적으로 응집된 충전제는 더 작은 입자의 열린 응집체를 형성하고 입자가 서로 접촉하는 곳에서 강하게 결합함에 의해 이 구조를 달성한다. 규조토는 자연적으로 세공을 함유하는 입자로 구성된다. 분쇄된 팽창 펄라이트는 미크론-크기의 유리 거품의 분획으로 구성된다. 따라서, 미세다공성 무기 미립자 물질은 외부 치수에 의해 한정된 부피 내에 공극 공간을 함유하고 상기 외부 치수보다 몇 배 작은, 수 미크론의 외부 치수를 갖는 별도의 입자 또는 입자의 응집체를 포함한다. 집합적으로, 전술한 무기 미립자 물질은 본 명세서에서 본 발명의 목적을 위해 "미세다공성 무기 미립자 물질"로 지정된다.
종이에 사용될 때, 이들 미세다공성 무기 미립자 물질은 고형물 충전제 입자보다 섬유의 간격에 대한 충전제의 단위 질량당 훨씬 더 큰 영향을 미친다. 이는 종이 강도에 더 해롭지만 광학 특성에 유익한 증가된 광 산란을 생성한다.
무기 미립자 물질의 또 다른 효과는 항상 시트 다공성(공기 투과성)을 증가시키는 것이며, 이는 인쇄 및 변환 공정에서 유의한 단점이다. 미세다공성 무기 미립자 물질의 유효 밀도는 또한 고체 충전제의 것보다 낮고, 이들 효과의 조합은 섬유가 충전제를 대체함에 따라 시트 벌크 및 두께에서의 증가로 이어질 수 있다.
편삼각면체 PCC(미세다공성 무기 미립자 물질의 예)의 경우, 강도에 대한 응집 효과는 입자 크기 분포를 좁은 범위로 제어함(따라서 종이 강도에 매우 해로운 초미세 입자를 제거함)에 의해 그리고 광 산란에 최적인 것보다 더 큰 중간 입자 크기를 사용함에 의해 다소 상쇄될 수 있다. 그러나, 입자 또는 응집체 크기가 너무 크면, 광 산란 효율이 손실된다.
본 개시내용의 양태에서, 미세다공성 무기 미립자 물질 복합재는 약 10μm 미만 및 약 3μm 초과, 또는 약 3μm 내지 약 6μm의 중간 입자 크기(d50)를 갖는다.
본 개시내용의 양태에서, 미세다공성 무기 미립자 물질 복합재, 미세다공성 광물 복합재의 d50은 미세다공성 광물 복합재를 형성하는데 사용된 동일한 성분의 비응집된 혼합물의 d50에 비해 실질적으로 더 크다.
미세다공성 무기 미립자 물질 및 미소섬유화된 셀룰로오스 복합재는 분말의 형태로 제공될 수 있지만, 그것은 바람직하게는 수성 현탁액과 같은 현탁액의 형태로 첨가된다. 이 경우 현탁액의 고형분 함량은 그것이 펌핑가능한 액체인 한 중요하지 않다.
중량 중간 입자 크기 d50의 결정을 위해, 0.5μm보다 큰 d50을 갖는 입자에 대해, 미국 Micromeritics 사로부터의 Sedigraph 5100 장치가 사용될 수 있다. 측정은 0.1wt% Na4P2O7의 수성 용액에서 수행될 수 있다. 샘플은 고속 교반기 및 초음파를 사용하여 분산될 수 있다. d50 ≤ 500nm를 갖는 입자에 대한 부피 중간 입자 크기의 결정을 위해 영국 Malvern 사로부터의 Malvern Mastersizer가 사용될 수 있다. 측정은 0.1wt% Na4P2O7의 수성 용액에서 수행될 수 있다. 샘플은 고속 교반기 및 초음파를 사용하여 분산될 수 있다. Sedigraph 5100은 당업계에서 "등가 구형 직경" 또는 "esd"로 지칭되는 크기를 갖는 입자의 중량 기준 누적 백분율의 플롯 및 측정값을 제공한다. 대안적으로, 미세다공성 광물 복합재의 입자 크기 특성은 공급업체 지침을 이용하여 Malvern Mastersizer 또는 Microtrac 레이저 입자 크기 분포 분석기에 의해 측정될 수 있다.
본 개시내용의 양태에서, 제1 무기 미립자 물질 대 제2 무기 미립자 물질의 비율은 중량으로 약 10:90 내지 약 90:10, 예를 들어 중량으로 약 20:80 내지 약 80:20, 중량으로 약 25:75 내지 75:25, 중량으로 약 40:60 내지 약 60:40, 또는 중량으로 약 50:50의 범위일 수 있다.
결합제
본 개시내용의 양태에서, 결합제는 제1 미세다공성 무기 미립자 물질 및/또는 미소섬유화된 셀룰로오스에 대한 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 응집을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 결합제는 알칼리 실리카 결합제일 수 있다.
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 결합제는 무기 결합제 또는 유기 결합제 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 결합제는 또한 미세다공성 광물 복합재의 성분 사이의 접착 및 기계적 강도를 개선할 수 있다.
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 결합제는 알칼리 금속 규산염와 같은 무기 결합제를 포함할 수 있다.
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 결합제 용액을 무기 미립자 물질의 블렌드와 혼합함에 의해 무기 미립자 물질의 블렌드를 결합제 용액과 접촉시킬 수 있다.
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 혼합은 교반을 포함할 수 있다.
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 제1 및 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 블렌드와 결합제 용액은 결합제 용액을 제1 및/또는 제1 및 제2 무기 미립자 물질의 접촉의 응집 지점 중에서 적어도 실질적으로 균일하게 분포시키기에 충분하게 혼합된다.
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 제1 및 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 블렌드와 결합제 용액은 제1 또는 제2 무기 미립자 물질의 구조를 손상시키지 않으면서 제1 및 제2 무기 미립자 물질의 블렌드의 접촉의 응집 지점 중에서 결합제 용액을 적어도 실질적으로 균일하게 분포시키기에 충분한 교반으로 혼합될 수 있다.
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 접촉은 저-전단 혼합을 포함할 수 있다.
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 혼합은 약 실온(즉, 약 20℃ 내지 약 23℃)에서 일어날 수 있다. 다른 실시형태에서, 혼합은 약 20℃ 내지 약 50℃의 범위인 온도에서 일어날 수 있다. 추가 실시형태에서, 혼합은 약 30℃ 내지 약 45℃의 범위인 온도에서 일어날 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 혼합은 약 35℃ 내지 약 40℃의 온도에서 일어날 수 있다.
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 접촉시키는 것은 제1 및/또는 제1 및 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 블렌드를 결합제 용액과 분무하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 분무하는 것은 간헐적일 수 있다. 다른 실시형태에서, 분무하는 것은 연속적일 수 있다. 추가 실시형태에서, 분무하는 것은, 예를 들어, 상이한 접촉의 응집 지점을 분무에 노출시키기 위해 결합제 용액으로 분무하는 동안 제1 및 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 블렌드를 혼합하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 그러한 혼합하는 것은 간헐적일 수 있다. 다른 실시형태에서, 그러한 혼합하는 것은 연속적일 수 있다.
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 결합제는 결합제 용액의 중량에 대해 약 40 중량% 미만의 양으로 결합제 용액에 존재할 수 있다. 일부 실시형태에서, 결합제는 약 1 중량% 내지 약 10 중량%의 범위일 수 있다. 추가 실시형태에서, 결합제는 약 1 중량% 내지 약 5 중량%의 범위일 수 있다.
전술한 양태의 실시형태 및 본 개시내용의 실시형태에서, 결합제는 제1 미세다공성 무기 미립자 물질에 대한 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 응집을 촉진한다. 일부 실시형태에 따르면, 제2 미세다공성 무기 미립자 물질은 제1 미세다공성 무기 미립자 물질보다 더 작은 직경을 갖는다.
본 개시내용의 양태에서, 미세다공성 무기 미립자 물질 및 미소섬유화된 셀룰로오스 복합재는 폴리카르복실산 및/또는 그의 염 또는 유도체 예컨대, 예를 들어, 아크릴산, 메타크릴산, 말레산, 푸마르산, 이타콘산에 기반한 에스테르의 단독중합체 또는 공중합체; 예를 들어 아크릴 아미드 또는 아크릴 에스테르 예컨대 메틸메타크릴레이트 또는 이의 혼합물; 알칼리 폴리포스페이트, 포스폰산, 시트르산 및 타르타르산 및 이의 염 또는 에스테르; 또는 이의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택되는 것들과 같은 분산제와 회합될 수 있다.
본 개시내용의 양태에서, 미소섬유화된 셀룰로오스와 미세다공성 무기 미립자 물질의 조합은 미세다공성 무기 미립자 물질을 하나 또는 여러 단계에서 MFC에 첨가함에 의해 수행될 수 있다.
본 개시내용의 양태에서, 미세다공성 무기 미립자 물질의 조합은 하나 또는 여러 단계에서 MFC에 첨가될 수 있다. 미소섬유화된 셀룰로오스 및 미세다공성 무기 미립자 물질은 소섬유화 단계 후에 전체적으로 또는 부분적으로 첨가될 수 있다.
본 발명의 양태에서, MFC 대 미세다공성 무기 미립자 물질의 건조 중량 기준 중량비는 1:33 내지 10:1, 보다 바람직하게는 1:10 내지 7:1, 더욱 더 바람직하게는 1:5 내지 5:1, 전형적으로 1:3 내지 3:1, 특히 1:2 내지 2:1, 가장 바람직하게는 1:1.5 내지 1.5:1, 예를 들어 1:1이다.
본 개시내용의 양태에서, 미세다공성 무기 미립자 물질의 총 함량은 복합재 물질의 건조 중량을 기준으로 10wt% 내지 95wt%, 바람직하게는 15wt% 내지 90wt%, 더 바람직하게는 20 내지 75wt%, 보다 더 바람직하게는 25wt% 내지 67wt%, 특히 33 내지 50wt%의 양으로 존재한다.
침강성 탄산칼슘
침강성 탄산칼슘(PCC)은 본 발명에서 미립자 탄산칼슘의 공급원으로 사용될 수 있고, 당업계에서 이용가능한 임의의 공지된 방법에 의해 생성될 수 있다. TAPPI Monograph Series No 30, 'Paper Coating Pigments', 34-35쪽은 제지 산업에서 사용하기 위한 생성물을 준비하는데 사용하기에 적합하지만, 또한 본 발명의 실행에 사용될 수 있는 침강성 탄산칼슘을 제조하기 위한 3가지 주요 상업적 공정을 기술한다. 3공정 모두에서 석회석과 같은 탄산칼슘 공급 물질을 먼저 하소하여 생석회를 생산하고, 그 다음 생석회를 물에 소석하여 수산화칼슘 또는 석회유를 생성한다. 제1 공정에서 석회유는 이산화탄소 가스로 직접적으로 탄산화된다. 이 공정은 부산물이 형성되지 않고 탄산칼슘 생성물의 성상 및 순도 조절이 상대적으로 용이하다는 이점이 있다. 제2 공정에서 석회유는 소다회와 접촉하여 이중 분해에 의해 탄산칼슘 침전물과 수산화나트륨 용액을 생성한다. 수산화나트륨은 이 공정이 상업적으로 사용되는 경우 탄산칼슘으로부터 실질적으로 완전히 분리될 수 있다. 제3 주요 상업 공정에서 석회유는 먼저 염화암모늄과 접촉하여 염화칼슘 용액과 암모니아 가스를 제공한다. 염화칼슘 용액은 그 다음 소다회와 접촉되어 이중 분해에 의해 침강성 탄산칼슘 및 염화나트륨 용액을 생산한다. 결정은 사용되는 특정 반응 공정에 따라 다양한 모양과 크기로 생산될 수 있다. PCC 결정의 3가지 주요 형태는 아라고나이트, 능면체 및 편삼각면체이며, 이들 모두는 이의 혼합물을 포함하여 본 발명에 사용하기에 적합하다.
특정 실시형태에서, PCC는 미소섬유화된 셀룰로오스를 생산하는 공정 동안 형성될 수 있다.
탄산칼슘의 습윤 분쇄는 탄산칼슘의 수성 현탁액의 형성을 수반하며 이는 그 다음 선택적으로 적합한 분산제의 존재에서 분쇄될 수 있다. 예를 들어, 탄산칼슘의 습윤 분쇄에 관한 더 많은 정보를 위해 EP-A-614948(그 내용은 그 전체가 참조로 포함됨)을 참조할 수 있다.
일부 환경에서, 다른 광물의 소량 첨가가 포함될 수 있으며, 예를 들어 카올린, 하소된 카올린, 규회석, 보크사이트, 활석 또는 운모 중 하나 이상이 또한 존재할 수 있다.
실시예
실시예 1. 충전제 함량을 증가시킬 때 벌크 및 강성을 유지하기 위한 거친 편삼각면체 PCC 및 FiberLean MFC의 사용.
퍼니시는 450 CSF(28.5°S.R.)로 공동-정제된 70% 활엽수(Eucalyptus, ex. UPM Uruguay) 및 30% 침엽수(BOTNIA RMA90 Pine, ex. Mets
Figure pct00001
)로 제조되었다.
연구 설계는 GCC(60% < 2μm) 첨가로부터 발생하는 19%의 출발 충전제 함량을 갖는 80g/㎡ UWF 종이를 표적으로 하였다.
사용된 MFC 생성물은 NBSK Botnia RMA90 및 GCC 광물(60% < 2μm)로 구성된 50% POP MFC슬러리였다.
유지 보조제는 건조 시트 중량을 기준으로 0.12%로 첨가하였다. 유지 보조제는 양이온성 폴리아크릴아미드(Percol 292NS, ex. BASF)였다. 백색수는 시트-형성 동안 재-순환되었다(각 시트로부터의 백색수를 사용하여 시험 포인트 시리즈에서 후속 시트를 형성하여 각각의 제형으로 유지 평형에 도달했음을 보장함). 시트 형성 방법론에 대한 자세한 내용은 부록에 나타나 있다.
실시형태 1의 결과는 표 1에 요약되어 있다.
표 1: 충전제 함량을 증가시킬 때 벌크 및 강성을 회복하기 위해 MFC로 PCC를 사용할 때 결과의 요약.
Figure pct00002
참고: 퍼니시(70% 유칼립투스/30% 소나무)는 펄프 퍼니시의 100%를 나타내며, 이는 그 다음 시트당 전체 질량의 관점에서 충전제와 MFC로 표시된 비율로 대체되었다.
이들 결과는 다음을 나타낸다:
3% MFC를 갖는 표준 GCC(IC60, 중간 크기 1.6μm)를 사용하여 충전제 함량을 20%에서 30%로 증가시키면 강도에서 약간의 감소를 제공하지만 벌크 및 강성의 유의한 손실을 제공한다.
증가된 MFC 용량은 더 큰 벌크 손실을 초래할 것이다.
거친 PCC(중간 크기 3.1μm)를 사용하여 충전제 함량을 20%에서 30%로 증가시키면 매우 높은 다공성 및 낮은 강도를 제공한다.
30% PCC 및 4% MFC의 조합은 높은 벌크, 허용가능한 다공성 및 강도와 20% GCC 충전된 종이와 유사한 강성을 제공한다.
종합하면, 실시예는 다음을 증명한다:
MFC 첨가는 기계적 특성, 불투명도, 다공성 및 거칠기를 개선한다. 이들 개선사항에 대한 대가로 다음 몇 가지 가능성이 제시된다:
퍼니시 조정: 감소된 장섬유 또는 증가된 CTMP 함량(단섬유 함량을 비례적으로 조정).
사용된 충전제 유형의 변경 및 충전제 함량 증가.
두 가능성 모두 잠재적인 비용 절감을 제시한다.
MFC의 사용은 또한 벌크를 감소시키고, 이는 다시 강성에 해를 끼친다. 더욱이, 충전제 수준을 증가시키기 위해 MFC를 사용하는 것은 강성이 더 크게 손상될 수 있다.
이들 벌크/강성 손실은 다음에 의해 상쇄될 수 있다:
더 거칠고/부피가 더 큰 충전제로 전환.
퍼니시에서 장섬유 함량 감소.
퍼니시에서 기계적 펄프 함량 증가
MFC를 사용할 때 이들 다양한 레버의 최적화는 비용 절감 및 전체 종이 특성을 최대화할 수 있다.
모든 종이 테스트는 다음 TAPPI 표준에 따라 수행되었다:
내부 결합 강도(Scott Bond): T 569
인장 특성: T494
Bendtsen 다공성: T460
두께(벌크 계산용 캘리퍼스): T411
기본 중량: T410
불투명도: T425
회분 함량: T413 및 T211
인장 강도
파열 강도: T403
인열 강도
'Z' 방향(종이의 평면에 수직)의 인장 강도
굽힘 강성: T535
벌크 또는 두께.
거칠기: T555
시트 준비
모든 핸드시트는 TAPPI 표준 T205에 따라 Rapid K
Figure pct00003
then 시트 성형기에서 제조되었다. 시트를 만드는데 사용되는 퍼니시의 모든 성분의 매우 높은 전반적인 보유를 보장하기 위해 각 시트를 형성한 후 백수를 재순환시켜 다음 시트를 만드는데 사용되는 퍼니시의 희석에 사용했다. 각 조성의 처음 5개 시트를 폐기하여 재순환 수에 유지되지 않은 물질이 안정 상태로 축적되도록 하고, 그 후 추가 7개 시트를 형성하고 압착하고 시험을 위해 건조했다. 목표 충전제 장입은 모든 경우에 2 퍼센트 포인트 내에서 달성되었다. 양이온 보유 보조제(Percol 292NS, BASF)를 퍼니시의 총 고형분을 기준으로 0.12%의 수준으로 각 퍼니시에 첨가하였다. 관련 TAPPI 표준에 따라 종이 특성을 측정했다. 충전제 함량은 450℃에서 2시간 동안 용광로에 시트를 위치시킨 후 측정된 잔류 회분 중량으로부터 계산되었다. 이 온도에서, 사용된 탄산칼슘 충전제에 대해 연소에 대한 손실은 발생하지 않는다.
실시예 2
핸드시트는 70% 활엽수(Eucalyptus, UPM Uruguay) 및 30% 침엽수(Pine, Metsa Botnia RMA90)를 포함하는 표백된 크라프트 펄프의 블렌드로부터 만들어졌다. 이들은 실험실 밸리 비터에서 450ml CSF(28.5°S.R.)의 여수도로 공동-정제되었다. 각 시트는 20 중량% 또는 30 중량%의 목표 충전제 함량을 갖는 80gsm의 목표 물질로 만들어졌다.
MFC는 Botnia RMA90 표백된 크라프트 소나무 펄프를 표준 충전제 등급 분쇄 탄산칼슘(GCC, Intracarb 60, 중량 기준 60% < 2μm, d50 1.4μm, Imerys)과 함께 50/50의 중량 비율로 교반 매질 디트리터 밀을 사용하여 공동 분쇄함에 의하여 생산되었다.
GCC(Intracarb 60) 또는 편삼각면체 PCC(Syncarb S350, Omya, 3.5μm d50)를 각 시트에 대한 퍼니시에 첨가하여 공동 분쇄된 MFC와 함께 첨가된 충전제를 포함하는 그의 총 충전제 함량을 최종 시트에 대한 목표 값에 일치시킨다.
형성된 핸드시트의 종이 특성을 하기 오류! 참조 소스를 찾을 수 없음에 나타내었다.
표 2
Figure pct00004
아래의 표 3 및 도 1은 20% GCC로 충전된 참조 시트와 비교하여 각 조성의 주요 특성에서 상대적인 변화를 보여준다. GCC로 충전제 함량을 30%까지 증가시키면 기계적 특성의 유의한 손실을 야기하며, 이는 3% MFC의 추가에 의해 부분적으로 복원된다. 20% 하중에서 GCC로부터 거친 PCC로 전환하면 인장 지수와 스콧 본드의 희생에서 벌크와 강성에서 유의한 증가를 야기하고 30% PCC로 추가 증가하면 후자가 GCC의 수준 아래로 감소하면서 또한 강성을 기준 이하로 감소시킨다. 4% MFC의 추가는 강성을 그 원래 값의 5% 이내로 복원하면서, 기준에 비해 벌크, 스콧 본드 및 광 산란에서 개선을 제공한다.
표 3
Figure pct00005
실시예 3
핸드시트는 95% 표백된 유칼립투스 크라프트 펄프와 5% 표백된 화학-열기계 펄프(BCTMP)의 블렌드로부터 만들어졌다. 크라프트 펄프를 실험실 밸리 비터에서 여수도 330ml CSF(37.5°S.R.)로 정제하였다. 각 시트는 25 중량% 또는 35 중량%의 목표 충전제 함량을 갖는 75gsm의 목표 물질로 만들어졌다.
MFC는 표백된 유칼립투스 크래프트 펄프를 표준 충전제 등급 중질 탄산칼슘(GCC, Hydrocarb 60, 중량 기준 60% < 2μm, d50 1.4μm, Omya)과 함께 50/50 중량 비율에서 교반 매질 디트리터 밀을 사용하여 공동 분쇄함에 의하여 생산되었다.
참조 시트는 25% GCC를 함유하였다. 다른 모든 시트에 대해, 2% MFC를 첨가하고 GCC(Hydrocarb 60)와 편삼각면체 PCC(제지공장에서 위성 PCC 공장에서 얻은 3.1μm d50)의 블렌드를 각 시트에 대한 퍼니시에 첨가하여 공동 분쇄된 MFC와 함께 추가된 충전제를 포함한 그의 총 충전제 함량은 35%이고 블렌드에서 PCC 충전제의 비율은 0 내지 100%의 고정된 값이다.
형성된 핸드시트의 종이 특성은 아래 4에 나타나 있다
표 4
Figure pct00006
GCC로부터 거친 PCC로 변경하는 효과는 아래 오류! 참조 소스를 찾을 수 없음에서 오류! 참조 소스를 찾을 수 없음에 나타나 있다. 오류! 참조 소스를 찾을 수 없음는 GCC 충전제를 25%에서 35%로 증가시키면 2% MFC의 첨가에도 굽힘 강성에서 실질적인 하락을 야기하지만 추가된 GCC를 거친 PCC로 대체하면 기준 값으로 복원됨을 나타낸다. 오류! 참조 소스를 찾을 수 없음은 GCC를 PCC로 대체하면 충전제 함량의 증가에 의해 이미 달성된 것 이상으로 종이의 광 산란 계수가 증가함을 나타낸다. 오류! 참조 소스를 찾을 수 없음 및 오류! 참조 소스를 찾을 수 없음는 2% MFC의 첨가에도 불구하고 이 고도로 정제된 퍼니시에서 충전제 증가로 인장 지수 및 스콧 본드에서 약간의 하락이 있지만 GCC를 PCC로 대체해도 이에 큰 영향을 미치지 않음을 나타낸다.
실시예 4
핸드시트는 70% 유칼립투스 및 30% 소나무를 포함하는 표백 크라프트 펄프의 블렌드로부터 만들어졌다. 이들은 실험실 밸리 비터에서 여수도 350ml CSF(36°S.R.)로 공동-정제되었다. 각 시트는 16 중량% 내지 35 중량%의 범위인 목표 충전제 함량을 갖는 80gsm의 목표 물질로 만들어졌다.
표준 충전제 등급 편삼각면체 PCC(제지공장에서 위성 PCC 공장으로부터 얻은 2.3μm d50) 또는 거친 등급 편삼각면체 PCC(Syncarb S300, Omya, 3.0μm d50)를 각 시트에 대한 퍼니시에 첨가하여 공동 분쇄된 MFC와 함께 첨가된 충전제를 포함하는 그의 총 충전제 함량을 최종 시트에 대한 목표 값에 일치시킨다.
형성된 핸드시트의 종이 특성은 하기 5에 나타내었다.
표 5
Figure pct00007
오류! 참조 소스를 찾을 수 없음은 일정한 인장 지수의 경우 1% MFC의 첨가는 충전제 함량이 표준 PCC로는 3.5% 증가하지만 거친 PCC로는 6% 증가함을 나타낸다.
오류! 참조 소스를 찾을 수 없음은 광 산란이 표준 2.3μm 충전제에서 3.5% 증가에 대해 100cm2 g-1 증가하고 거친 3.0μm 충전제에서 6% 증가에 대해 80cm2 g-1 증가함을 나타낸다.
오류! 참조 소스를 찾을 수 없음은 이들 증가가 2.3μm 충전제에 대해 동등한 강성을 제공하지만 거친 3.0μm 충전제에 대해 0.04mNm(7%)의 증가를 제공한다는 것을 나타낸다.cc
당업자는 단지 일상적인 실험을 사용하여 본 명세서에 기술된 발명의 특정 실시형태에 대한 많은 등가물을 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 본 발명의 범주는 상기 설명으로 제한되는 것이 아니라 다음 특허청구범위에 제시된 바와 같다.
청구항 요소를 변형하기 위해 청구항에서 "제1", "제2", "제3" 등과 같은 서수 용어의 사용은 그 자체로 하나의 청구항 요소가 다른 것에 대한 우선권, 선행 또는 순서 또는 방법의 동작이 수행되는 시간적 순서를 의미하지 않지만, 청구항 요소를 구별하기 위해 (단 서수 용어의 사용에 대해) 특정 이름을 갖는 하나의 청구항 요소를 동일한 이름을 갖는 다른 요소와 구별하기 위한 표시로만 사용된다.
명세서 및 청구범위에서 본 명세서에 사용된 관사 "a" 및 "an"은 명백히 달리 나타내지 않는 한 복수의 대상을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그룹의 하나 이상의 구성원 사이에 "또는"을 포함하는 청구항 또는 설명은 반대로 명시되지 않는 한 또는 그렇지 않으면 문맥에서 분명한한 그룹 구성원 중 하나, 하나 초과 또는 모두가 주어진 생성물 또는 공정에 존재하거나 이용되거나 달리 관련이 있는 경우 충족되는 것으로 간주된다. 발명은 그룹의 정확히 하나의 구성원이 주어진 생성물 또는 공정에 존재하거나, 이용되거나, 그렇지 않으면 이와 관련되는 실시형태를 포함한다. 발명은 또한 주어진 생성물 또는 공정에 하나 초과 또는 전체 그룹 구성원이 존재하거나, 이용되거나, 그렇지 않으면 이와 관련되는 실시형태를 포함한다. 더욱이, 발명은 나열된 청구범위 중 하나 이상으로부터의 하나 이상의 제한, 요소, 절, 설명 용어 등이, 달리 명시되지 않는 한, 또는 모순이나 불일치가 발생한다는 것이 당업자에게 명백하지 않는 한, 동일한 기본 청구항(또는 관련된 다른 임의의 청구항)에 의존하는 다른 청구항에 도입되는 모든 변형, 조합 및 순열을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 요소가 목록으로 표시되는 경우(예를 들어, 마쿠시 그룹 또는 유사한 형식) 요소의 각 하위 그룹도 개시되고 임의의 요소(들)는 그룹에서 제거될 수 있음을 이해해야 한다. 일반적으로, 발명 또는 발명의 양태가 특정 요소, 특징 등을 포함하는 것으로 언급되는 경우, 발명의 특정 실시형태 또는 발명의 양태는 그러한 요소, 특징 등으로 구성되거나 본질적으로 구성됨을 이해해야 한다. 단순화의 목적을 위해 이들 실시형태는 모든 경우에 본 명세서에서 그렇게 많은 단어로 구체적으로 제시되지 않았다. 또한 발명의 임의의 실시형태 또는 양태는 특정 배제가 명세서에 인용되는지 여부에 관계없이 청구항에서 명시적으로 배제될 수 있음을 이해해야 한다. 발명의 배경을 기술하고 그 실행에 관한 추가 세부사항을 제공하기 위해 본 명세서에서 참조된 간행물, 웹사이트 및 기타 참고 자료는 본 명세서에 참고로 포함된다.

Claims (120)

  1. 종이 또는 판지의 제조를 위한 제지 퍼니시에 첨가하기 위한, 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 종이 또는 판지 충전제 조성물로서, 여기서 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물에 비해 개선된 기계적 특성을 종이 또는 판지에 부여하는, 충전제 조성물.
  2. 제1항에 있어서, MFC는 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재가 동일하거나 상이한 미세다공성 무기 미립자 물질 및/또는 통상의 비응집된 무기 미립자 물질의 존재 하에 분쇄 장치 내 수성 환경에서 미소섬유화되는 공동 분쇄 미소섬유화 공정에 의해 얻어지며; 여기서 섬유성 기재 대 무기 미립자 물질은 약 99.5:0.5 내지 약 0.5:99.5의 비율인, 충전제 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 하소된 점토, 카올린, 카올리나이트, 비정질 규산알루미늄, 편삼각면체 침강성 탄산칼슘, 아라고나이트 침강성 탄산칼슘, 화학적으로 응집된 충전제 물질, 규조토 및 분쇄된 팽창 펄라이트를 포함하는 충전제 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 미세다공성 무기 물질은 하소된 점토를 포함하는, 충전제 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 미세다공성 무기 물질은 카올린을 포함하는, 충전제 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 미세다공성 무기 물질은 카올리나이트를 포함하는, 충전제 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 미세다공성 무기 물질은 하소된 점토를 포함하는, 충전제 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 미세다공성 무기 물질은 비정질 규산알루미늄을 포함하는, 충전제 조성물.
  9. 제1항에 있어서, 미세다공성 무기 물질은 편삼각면체 침강성 탄산칼슘을 포함하는, 충전제 조성물.
  10. 제1항에 있어서, 미세다공성 무기 미립자 물질은 하소된 점토, 카올린, 카올리나이트, 비정질 규산알루미늄, 편삼각면체 침강성 염화칼슘, 아라고나이트 침강성 탄산칼슘, 화학적으로 응집된 충전제 물질, 규조토, 분쇄된 팽창 펄라이트 중 적어도 2개를 포함하는, 충전제 조성물.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제지 퍼니시는 침엽수 펄프로부터 선택되는 하나 이상의 펄프를 포함하는, 충전제 조성물.
  12. 제11항에 있어서, 침엽수 펄프는 가문비나무, 소나무, 전나무, 낙엽송 및 미국솔송나무 또는 혼합된 침엽수 펄프로부터 선택되는, 충전제 조성물.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제지 퍼니시는 활엽수 펄프로부터 선택되는 하나 이상의 펄프를 포함하는, 충전제 조성물.
  14. 제13항에 있어서, 활엽수 펄프는 유칼립투스, 아스펜 및 자작나무, 또는 혼합된 활엽수 펄프로부터 선택되는, 충전제 조성물.
  15. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제지 퍼니시용 펄프 공급원은 유칼립투스 펄프, 가문비나무 펄프, 소나무 펄프, 너도밤나무 펄프, 대마 펄프, 아카시아, 면 펄프 및 이들의 혼합물로부터 선택되는, 충전제 조성물.
  16. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제지 퍼니시용 펄프 공급원은 북유럽 소나무, 블랙 가문비나무, 라디에타 소나무, 남부 소나무, 효소-처리된 북유럽 소나무, 더글러스 전나무, 용해 펄프, 자작나무, 유칼립투스, 아카시아, 혼합된 유럽 활엽수, 혼합된 태국 활엽수, 티슈 더스트, 면, 아바카, 사이잘, 바가스, 케나프, 억새, 수수, 물대 및 아마로부터 선택되는, 충전제 조성물.
  17. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 기계적 특성은 인장 강도, 인장 연신율, 벌크, 인장 강성, 굽힘 강성, 다공성, 파열 및 인열 강도, 및 'Z' 방향의 인장 강도 중 하나 이상으로부터 선택되는, 충전제 조성물.
  18. 제17항에 있어서, 기계적 특성은 인장 강도인, 충전제 조성물.
  19. 제17항에 있어서, 기계적 특성은 인장 연신율인, 충전제 조성물.
  20. 제17항에 있어서, 기계적 특성은 벌크인, 충전제 조성물.
  21. 제17항에 있어서, 기계적 특성은 인장 강성인, 충전제 조성물.
  22. 제17항에 있어서, 기계적 특성은 굽힘 강성인, 충전제 조성물.
  23. 제17항에 있어서, 기계적 특성은 다공성인, 충전제 조성물.
  24. 제17항에 있어서, 기계적 특성은 파열인, 충전제 조성물.
  25. 제17항에 있어서, 기계적 특성은 인열 강도인, 충전제 조성물.
  26. 제17항에 있어서, 기계적 특성은 'Z' 방향의 인장 강도인, 충전제 조성물.
  27. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 미소섬유화된 셀룰로오스는 약 0.1μm - 500μm의 범위인 모달 섬유 입자 크기를 갖는, 충전제 조성물.
  28. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 미소섬유화된 셀룰로오스는 적어도 약 0.5μm, 적어도 약 10μm, 적어도 약 50μm, 적어도 약 100μm, 적어도 약 150μm, 적어도 약 200μm, 적어도 약 300μm, 또는 적어도 약 400μm의 모달 섬유 입자 크기를 갖는, 방법.
  29. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 침강에 의해 측정된 약 3μm 내지 약 50μm, 또는 약 5μm 내지 약 30μm, 또는 약 10μm 내지 약 30μm, 또는 약 15μm 내지 약 25μm, 또는 약 20μm 내지 약 30μm, 또는 약 3μm 내지 약 15μm, 또는 약 5μm 내지 약 15μm, 또는 약 5μm 내지 약 10μm, 또는 약 2μm 내지 약 6μm, 및 특히 바람직하게는 3μm 내지 6μm의 범위인 중간 입자 크기(d50)를 갖는, 충전제 조성물.
  30. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 약 3μm 내지 약 6μm의 범위인 중간 입자 크기(d50)를 갖는, 충전제 조성물.
  31. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질 및 미소섬유화된 셀룰로오스 복합재는 폴리카르복실산 및/또는 이의 염 또는 유도체, 아크릴산, 메타크릴산, 말레산, 푸마르산, 이타콘산에 기반한 에스테르의 단독중합체 또는 공중합체; 아크릴 아미드 또는 아크릴 에스테르, 메틸메타크릴레이트 또는 이들의 혼합물; 알칼리 폴리포스페이트, 포스폰산, 시트르산 및 타르타르산 및 이들의 염 또는 에스테르; 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택된 것들과 같은 하나 이상의 분산제와 회합될 수 있는, 충전제 조성물.
  32. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질 및 미소섬유화된 셀룰로오스 복합재는 분말의 형태로 제공되는, 충전제 조성물.
  33. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질 및 미소섬유화된 셀룰로오스 복합재는 현탁액의 형태로 제공되는, 충전제 조성물.
  34. 제33항에 있어서, 현탁액은 수성 현탁액인, 충전제 조성물.
  35. 제34항에 있어서, 수성 현탁액은 펌핑가능한 액체인, 충전제 조성물.
  36. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 제1 및 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 블렌드를 포함하며, 여기서 제1 미세다공성 무기 미립자 물질 대 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 비율은 중량으로 약 10:90 내지 약 90:10의 범위일 수 있는, 충전제 조성물.
  37. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 제1 및 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 블렌드를 포함하며, 여기서 제1 미세다공성 무기 미립자 물질 대 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 비율은 중량으로 약 20:80 내지 약 80:20의 범위일 수 있는, 충전제 조성물.
  38. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 제1 및 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 블렌드를 포함하며, 여기서 제1 미세다공성 무기 미립자 물질 대 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 비율은 중량으로 약 25:75 내지 약 75:25의 범위일 수 있는, 충전제 조성물.
  39. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 제1 및 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 블렌드를 포함하며, 여기서 제1 미세다공성 무기 미립자 물질 대 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 비율은 중량으로 약 40:60 내지 약 60:40의 범위일 수 있는, 충전제 조성물.
  40. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 제1 및 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 블렌드를 포함하며, 여기서 제1 무기 미립자 물질 대 제2 무기 미립자 물질의 비율은 중량으로 약 50:50의 범위일 수 있는, 충전제 조성물.
  41. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 결합제를 추가로 포함하는, 충전제 조성물.
  42. 제41항에 있어서, 결합제는 무기 또는 유기 결합제인, 충전제 조성물.
  43. 제41항에 있어서, 결합제는 알칼리 금속 규산염인, 충전제 조성물.
  44. 제43항에 있어서, 알칼리 금속 규산염은 규산나트륨인, 충전제 조성물.
  45. 제43항에 있어서, 알칼리 금속 규산염은 규산칼륨인, 충전제 조성물.
  46. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 건조 중량 기준으로 미소섬유화된 셀룰로오스 대 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 중량비는 1:5 내지 5:1인, 충전제 조성물.
  47. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 건조 중량 기준으로 미소섬유화된 셀룰로오스 대 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 중량비는 1:3 내지 3:1인, 충전제 조성물.
  48. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 건조 중량 기준으로 미소섬유화된 셀룰로오스 대 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 중량비는 1:2 내지 2:1인, 충전제 조성물.
  49. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 건조 중량 기준으로 미소섬유화된 셀룰로오스 대 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 중량비는 1:1.5 내지 1.5:1인, 충전제 조성물.
  50. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 건조 중량 기준으로 미소섬유화된 셀룰로오스 대 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 중량비는 약 1:1인, 충전제 조성물.
  51. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 총 함량은 충전제 조성물의 건조 중량 기준으로 10wt-% 내지 95wt-%의 양으로 존재하는, 충전제 조성물.
  52. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 총 함량은 충전제 조성물의 건조 중량 기준으로 15wt.% 내지 90wt.%의 양으로 존재하는, 충전제 조성물.
  53. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 총 함량은 충전제 조성물의 건조 중량 기준으로 20 내지 75wt.%의 양으로 존재하는, 충전제 조성물.
  54. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 총 함량은 충전제 조성물의 건조 중량 기준으로 25wt.% 내지 67wt.%의 양으로 존재하는, 충전제 조성물.
  55. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 총 함량은 충전제 조성물의 건조 중량 기준으로 33 내지 50wt.-%의 양으로 존재하는, 충전제 조성물.
  56. 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 제지 퍼니시를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은
    하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계;
    MFC를 제지 퍼니시에 첨가하는 단계;
    를 포함하며,
    여기서 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 미소섬유화된 셀룰로오스 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 종이 또는 판지에 부여하는, 방법.
  57. 제56항에 있어서, MFC는 동일하거나 상이한 미세다공성 무기 미립자 물질 및/또는 통상의 비응집된 무기 미립자 물질 및 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재를 사용하는 공동 분쇄 공정에 의해 얻어지는, 방법.
  58. 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 제지 퍼니시를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은
    MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계;
    를 포함하며,
    여기서 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 미소섬유화된 셀룰로오스 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 종이 또는 판지에 부여하는, 방법.
  59. 제58항에 있어서, MFC는 동일하거나 상이한 미세다공성 무기 미립자 물질 및/또는 통상의 비응집된 무기 미립자 물질 및 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재를 사용하는 공동 분쇄 공정에 의해 얻어지는, 방법.
  60. 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 제지 퍼니시로부터 종이 또는 판지를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은
    MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계;
    를 포함하며,
    여기서 충전제 조성물은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 상기 종이 또는 판지에 부여하는, 방법.
  61. 제60항에 있어서, MFC는 동일하거나 상이한 미세다공성 무기 미립자 물질 및/또는 통상의 비응집된 무기 미립자 물질 및 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재를 사용하는 공동 분쇄 공정에 의해 얻어지는, 방법.
  62. 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 제지 퍼니시로부터 종이 또는 판지를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은
    하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계;
    MFC를 제지 퍼니시에 첨가하는 단계;
    를 포함하며,
    여기서 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 미소섬유화된 셀룰로오스 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 상기 종이 또는 판지에 부여하는, 방법.
  63. 제62항에 있어서, MFC는 동일하거나 상이한 미세다공성 무기 미립자 물질 및/또는 통상의 비응집된 무기 미립자 물질 및 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재를 사용하는 공동 분쇄 공정에 의해 얻어지는, 방법.
  64. 개선된 기계적 특성을 갖는 종이 또는 판지를 제조하는 방법으로서, 개선은 종이 또는 판지의 생산을 위한 제지 퍼니시를 준비하는 단계; 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC) 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 포함하는 충전제 조성물을 준비하는 단계; 충전제 조성물을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계; 제지 퍼니시를 탈수 및 건조시킴으로써 제지 퍼니시로부터 종이 또는 판지를 제조하는 단계;를 포함하며, 여기서 충전제 조성물은 MFC 및 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 상기 종이 또는 판지에 부여하는, 방법.
  65. 제64항에 있어서, MFC는 동일하거나 상이한 미세다공성 무기 미립자 물질 및/또는 통상의 비응집된 무기 미립자 물질 및 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재를 사용하는 공동 분쇄 공정에 의해 얻어지는, 방법.
  66. 개선된 기계적 특성을 갖는 종이 또는 판지를 제조하는 방법으로서, 개선은 종이 또는 판지의 생산을 위한 제지 퍼니시를 준비하는 단계; 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 제지 퍼니시에 첨가하는 단계; 미소섬유화된 셀룰로오스(MFC)를 제지 퍼니시에 첨가하는 단계; 제지 퍼니시를 탈수 및 건조시킴으로써 제지 퍼니시로부터 종이 또는 판지를 제조하는 단계;를 포함하며, 여기서 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물에 비해 개선된 기계적 특성을 상기 종이 또는 판지에 부여하는, 방법.
  67. 제66항에 있어서, MFC는 동일하거나 상이한 미세다공성 무기 미립자 물질 및/또는 통상의 비응집된 무기 미립자 물질 및 셀룰로오스를 포함하는 섬유성 기재를 사용하는 공동 분쇄 공정에 의해 얻어지고; 여기서 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 MFC 및 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질을 함유하지 않는 동일한 제지 퍼니시로부터 제조된 종이 및 판지 생성물과 비교하여 개선된 기계적 특성을 상기 종이 또는 판지에 부여하는, 방법.
  68. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 하소된 점토, 카올린, 카올리나이트, 비정질 규산알루미늄, 편삼각면체 침강성 염화칼슘, 아라고나이트 침강성 탄산칼슘, 화학적으로 응집된 충전제 물질, 규조토 또는 분쇄된 팽창 펄라이트를 포함하는 군으로부터 선택되는, 방법.
  69. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 미세다공성 무기 물질은 하소된 점토를 포함하는, 방법.
  70. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 미세다공성 무기 물질은 카올린을 포함하는, 방법.
  71. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 미세다공성 무기 물질은 카올리나이트를 포함하는, 방법.
  72. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 미세다공성 무기 물질은 하소된 점토를 포함하는, 방법.
  73. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 미세다공성 무기 물질은 비정질 규산알루미늄을 포함하는, 방법.
  74. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 미세다공성 무기 물질은 편삼각면체 침강성 탄산칼슘을 포함하는, 방법.
  75. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 미세다공성 무기 미립자 물질은 하소된 점토, 카올린, 카올리나이트, 비정질 규산알루미늄, 편삼각면체 침강성 염화칼슘, 아라고나이트 침강성 탄산칼슘, 화학적으로 응집된 충전제 물질, 규조토, 분쇄된 팽창 펄라이트 중 적어도 2개를 포함하는, 방법.
  76. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 제지 퍼니시는 침엽수 펄프로부터 선택되는 하나 이상의 펄프를 포함하는, 방법.
  77. 제76항에 있어서, 침엽수 펄프는 가문비나무, 소나무, 전나무, 낙엽송 및 미국솔송나무 또는 혼합된 침엽수 펄프를 포함하는 군으로부터 선택되는, 방법.
  78. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 제지 퍼니시는 활엽수 펄프로부터 선택되는 하나 이상의 펄프를 포함하는, 방법.
  79. 제78항에 있어서, 활엽수 펄프는 유칼립투스, 아스펜 및 자작나무, 또는 혼합된 활엽수 펄프를 포함하는 군으로부터 선택되는, 방법.
  80. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 제지 퍼니시용 펄프 공급원은 유칼립투스 펄프, 가문비나무 펄프, 소나무 펄프, 너도밤나무 펄프, 대마 펄프, 아카시아, 면 펄프 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택되는, 방법.
  81. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 제지 퍼니시용 펄프 공급원은 북유럽 소나무, 블랙 가문비나무, 라디에타 소나무, 남부 소나무, 효소-처리된 북유럽 소나무, 더글러스 전나무, 용해 펄프, 자작나무, 유칼립투스, 아카시아, 혼합된 유럽 활엽수, 혼합된 태국 활엽수, 티슈 더스트, 면, 아바카, 사이잘, 바가스, 케나프, 억새, 수수, 물대 및 아마를 포함하는 군으로부터 선택되는, 방법.
  82. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 기계적 특성은 인장 강도, 인장 연신율, 벌크, 인장 강성, 굽힘 강성, 다공성, 파열 및 인열 강도, 및 'Z' 방향의 인장 강도 중 하나 이상으로부터 선택되는, 방법.
  83. 제82항에 있어서, 기계적 특성은 인장 강도인, 방법.
  84. 제82항에 있어서, 기계적 특성은 인장 연신율인, 방법.
  85. 제82항에 있어서, 기계적 특성은 벌크인, 방법.
  86. 제82항에 있어서, 기계적 특성은 인장 강성인, 방법.
  87. 제82항에 있어서, 기계적 특성은 굽힘 강성인, 방법.
  88. 제82항에 있어서, 기계적 특성은 다공성인, 방법.
  89. 제82항에 있어서, 기계적 특성은 파열인, 방법.
  90. 제82항에 있어서, 기계적 특성은 인열 강도인, 방법.
  91. 제82항에 있어서, 기계적 특성은 'Z' 방향의 인장 강도인, 방법.
  92. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 미소섬유화된 셀룰로오스는 약 0.1μm - 500μm의 범위인 모달 섬유 입자 크기를 갖는, 방법.
  93. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 미소섬유화된 셀룰로오스는 적어도 약 0.5μm, 적어도 약 10μm, 적어도 약 50μm, 적어도 약 100μm, 적어도 약 150μm, 적어도 약 200μm, 적어도 약 300μm, 또는 적어도 약 400μm의 모달 섬유 입자 크기를 갖는, 방법.
  94. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 침강에 의해 측정된 약 3μm 내지 약 50μm, 또는 약 5μm 내지 약 30μm, 또는 약 10μm 내지 약 30μm, 또는 약 15μm 내지 약 25μm, 또는 약 20μm 내지 약 30μm, 또는 약 3μm 내지 약 15μm, 또는 약 5μm 내지 약 15μm, 또는 약 5μm 내지 약 10μm, 또는 약 2μm 내지 약 6μm, 및 특히 바람직하게는 3μm 내지 6μm의 범위인 중간 입자 크기(d50)를 갖는, 방법.
  95. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 광물 복합재는 약 3μm 내지 약 6μm의 범위인 중간 입자 크기(d50)를 갖는, 방법.
  96. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질 및 미소섬유화된 셀룰로오스 복합재는 폴리카르복실산 및/또는 이의 염 또는 유도체, 아크릴산, 메타크릴산, 말레산, 푸마르산, 이타콘산에 기반한 에스테르의 단독중합체 또는 공중합체; 아크릴 아미드 또는 아크릴 에스테르, 메틸메타크릴레이트 또는 이들의 혼합물; 알칼리 폴리포스페이트, 포스폰산, 시트르산 및 타르타르산 및 이들의 염 또는 에스테르; 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택된 것들과 같은 하나 이상의 분산제와 회합될 수 있는, 방법.
  97. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질 및 미소섬유화된 셀룰로오스 복합재는 분말의 형태로 제공되는, 방법.
  98. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질 및 미소섬유화된 셀룰로오스 복합재는 현탁액의 형태로 제공되는, 방법.
  99. 제98항에 있어서, 현탁액은 수성 현탁액인, 방법.
  100. 제99항에 있어서, 수성 현탁액은 펌핑가능한 액체인, 방법.
  101. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 제1 및 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 블렌드를 포함하며, 여기서 제1 미세다공성 무기 미립자 물질 대 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 비율은 중량으로 약 10:90 내지 약 90:10의 범위일 수 있는, 방법.
  102. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 제1 및 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 블렌드를 포함하며, 여기서 제1 미세다공성 무기 미립자 물질 대 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 비율은 중량으로 약 20:80 내지 약 80:20의 범위일 수 있는, 방법.
  103. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 제1 및 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 블렌드를 포함하며, 여기서 제1 미세다공성 무기 미립자 물질 대 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 비율은 중량으로 약 25:75 내지 약 75:25의 범위일 수 있는, 방법.
  104. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 제1 및 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 블렌드를 포함하며, 여기서 제1 미세다공성 무기 미립자 물질 대 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 비율은 중량으로 약 40:60 내지 약 60:40의 범위일 수 있는, 방법.
  105. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질은 제1 및 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 블렌드를 포함하며, 여기서 제1 미세다공성 무기 미립자 물질 대 제2 미세다공성 무기 미립자 물질의 비율은 중량으로 약 50:50의 범위일 수 있는, 방법.
  106. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 결합제를 추가로 포함하는, 방법.
  107. 제106항에 있어서, 결합제는 무기 또는 유기 결합제인, 방법.
  108. 제106항에 있어서, 결합제는 알칼리 금속 규산염인, 방법.
  109. 제108항에 있어서, 알칼리 금속 규산염은 규산나트륨인, 방법.
  110. 제108항에 있어서, 알칼리 금속 규산염은 규산칼륨인, 방법.
  111. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 건조 중량 기준으로 미소섬유화된 셀룰로오스 대 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 중량비는 1:5 내지 5:1인, 방법.
  112. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 건조 중량 기준으로 미소섬유화된 셀룰로오스 대 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 중량비는 1:3 내지 3:1인, 방법.
  113. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 건조 중량 기준으로 미소섬유화된 셀룰로오스 대 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 중량비는 1:2 내지 2:1인, 방법.
  114. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 건조 중량 기준으로 미소섬유화된 셀룰로오스 대 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 중량비는 1:1.5 내지 1.5:1인, 방법.
  115. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 건조 중량 기준으로 미소섬유화된 셀룰로오스 대 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 중량비는 약 1:1인, 방법.
  116. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 총 함량은 충전제 조성물의 건조 중량 기준으로 10wt-% 내지 95wt-%의 양으로 존재하는, 방법.
  117. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 총 함량은 충전제 조성물의 건조 중량 기준으로 15wt-% 내지 90wt-%의 양으로 존재하는, 방법.
  118. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 총 함량은 충전제 조성물의 건조 중량 기준으로 20 내지 75wt-%의 양으로 존재하는, 방법.
  119. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 총 함량은 충전제 조성물의 건조 중량 기준으로 25wt-% 내지 67wt-%의 양으로 존재하는, 방법.
  120. 제56항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 미세다공성 무기 미립자 물질의 총 함량은 충전제 조성물의 건조 중량 기준으로 33 내지 50wt.-%의 양으로 존재하는, 방법.
KR1020237009976A 2020-09-11 2021-09-03 개선된 기계적 특성을 갖는 종이 및 판지 적용을 위한 미소섬유화된 셀룰로오스 및 미세다공성 무기 미립자 물질 복합재를 포함하는 충전제 조성물 KR20230066009A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202063077167P 2020-09-11 2020-09-11
US63/077,167 2020-09-11
PCT/IB2021/000613 WO2022053869A1 (en) 2020-09-11 2021-09-03 Filler compositions comprising microfibrillated cellulose and microporous inorganic particulate material composites for paper and paperboard application with improved mechanical properties

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230066009A true KR20230066009A (ko) 2023-05-12

Family

ID=78087411

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237009976A KR20230066009A (ko) 2020-09-11 2021-09-03 개선된 기계적 특성을 갖는 종이 및 판지 적용을 위한 미소섬유화된 셀룰로오스 및 미세다공성 무기 미립자 물질 복합재를 포함하는 충전제 조성물

Country Status (9)

Country Link
EP (1) EP4185748A1 (ko)
JP (1) JP2023544488A (ko)
KR (1) KR20230066009A (ko)
CN (1) CN116157571A (ko)
AU (1) AU2021339980A1 (ko)
BR (1) BR112023004460A2 (ko)
CA (1) CA3189813A1 (ko)
MX (1) MX2023002583A (ko)
WO (1) WO2022053869A1 (ko)

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3586523A (en) 1968-01-15 1971-06-22 Engelhard Min & Chem Calcined kaolin clay pigment
US4072537A (en) 1976-03-19 1978-02-07 Westvaco Corporation Composite silicate pigment
JPH07509684A (ja) 1992-04-03 1995-10-26 ミネラルズ・テクノロジーズ・インコーポレーテッド クラスター状沈降炭酸カルシウム粒子
GB2275876B (en) 1993-03-12 1996-07-17 Ecc Int Ltd Grinding alkaline earth metal pigments
FI20085760L (fi) * 2008-08-04 2010-03-17 Teknillinen Korkeakoulu Muunnettu komposiittituote ja menetelmä sen valmistamiseksi
PL3617400T3 (pl) * 2009-03-30 2023-01-02 Fiberlean Technologies Limited Zastosowanie zawiesin nanofibrylarnej celulozy
GB0908401D0 (en) 2009-05-15 2009-06-24 Imerys Minerals Ltd Paper filler composition
CN110714359B (zh) * 2013-03-15 2022-04-26 纤维精益技术有限公司 处理微纤化纤维素的方法
EP3362508B1 (en) * 2015-10-14 2019-06-26 FiberLean Technologies Limited 3d-formable sheet material
BR112019021778A2 (pt) * 2017-04-21 2020-05-05 Fiberlean Tech Ltd celulose microfibrilada com propriedades melhoradas e métodos para produzir a mesma
SE543549C2 (en) * 2018-03-02 2021-03-23 Stora Enso Oyj Method for manufacturing a composition comprising microfibrillated cellulose

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023544488A (ja) 2023-10-24
WO2022053869A1 (en) 2022-03-17
AU2021339980A1 (en) 2023-03-02
CN116157571A (zh) 2023-05-23
CA3189813A1 (en) 2022-03-17
BR112023004460A2 (pt) 2023-05-09
EP4185748A1 (en) 2023-05-31
MX2023002583A (es) 2023-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110892111B (zh) 具有增强特性的微纤化纤维素及其制备方法
JP6400797B2 (ja) 紙填料組成物
KR101920037B1 (ko) 나노피브릴 셀룰로스 현탁액의 제조 방법
KR102251141B1 (ko) 재분산된 미세섬유상 셀룰로오스
KR20230066013A (ko) 개선된 기계적 특성을 갖는 펄프 시트를 함유하는 미소섬유화된 셀룰로오스
US20220081839A1 (en) Filler compositions comprising microfibrillated cellulose and microporous inorganic particulate material composites for paper and paperboard applications with improved mechanical properties
WO2023037167A1 (en) Mobile dispersion system and methods for the resuspension of dried microfibrillated cellulose
KR20230066009A (ko) 개선된 기계적 특성을 갖는 종이 및 판지 적용을 위한 미소섬유화된 셀룰로오스 및 미세다공성 무기 미립자 물질 복합재를 포함하는 충전제 조성물
US20210025112A1 (en) Compositions and methods for producing microfibrillated cellulose with increased tensile properties
US20230279612A1 (en) Mobile dispersion system and methods for the resuspension of dried microfibrillated cellulose
US20230092526A1 (en) Mobile dispersion system and methods for the resuspension of partially-dried microfibrillated cellulose
KR20220035871A (ko) 인장 특성이 향상된 마이크로피브릴화 셀룰로스를 제조하기 위한 조성물 및 방법