KR20230107397A - 표면 증강 펄프 섬유, 표면 증강 펄프 섬유의 제조방법, 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 제품, 및 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 제품의 제조 방법 - Google Patents

표면 증강 펄프 섬유, 표면 증강 펄프 섬유의 제조방법, 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 제품, 및 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 제품의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 다양한 실시양태는 표면 증강 펄프 섬유, 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 다양한 제품, 및 표면 증강 펄프 섬유 제조 방법 및 시스템에 관한 것이다. 표면 증강 펄프 섬유의 다양한 실시양태는 통상적으로 고해된 섬유에 비해 상당히 증가된 표면적을 가지고, 유리하게, 고해 후 길이 감소를 최소화한다. 표면 증강 펄프 섬유는 예를 들어 종이 제품, 판지 제품, 섬유 시멘트 보드, 섬유 강화 플라스틱, 플러프 펄프, 히드로겔, 셀룰로오스 아세테이트 제품, 및 카르복시메틸 셀룰로오스 제품을 포함하는, 이러한 성질로부터 이익을 얻는 많은 제품에 포함될 수 있다. 일부 실시양태에서, 복수의 표면 증강 펄프 섬유는 적어도 약 0.3 ㎜의 길이 가중 평균 섬유 길이 및 적어도 약 10 ㎡/g의 평균 수력학적 비표면적을 가지고, 여기서 표면 증강 펄프 섬유의 수는 오븐 건조 기준으로 적어도 12000 섬유/㎎이다.

Description

표면 증강 펄프 섬유, 표면 증강 펄프 섬유의 제조 방법, 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 제품, 및 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 제품의 제조 방법{SURFACE ENHANCED PULP FIBERS, METHODS OF MAKING SURFACE ENHANCED PULP FIBERS, PRODUCTS INCORPORATING SURFACE ENHANCED PULP FIBERS, AND METHODS OF MAKING PRODUCTS INCORPORATING SURFACE ENHANCED PULP FIBERS}
관련 출원 상호 참조
본 출원은 2012년 8월 24일에 출원된 미국 특허 가출원 제61/692,880호 및 2013년 3월 15일에 출원된 미국 특허 정규 출원 제13/836,760호의 우선권을 주장하고, 각각은 마치 본원에 전부 제시된 것처럼 본원에 참고로 포함된다.
발명의 분야
일반적으로, 본 발명은 예를 들어 펄프, 종이, 판지, 바이오섬유 복합재(예를 들어, 섬유 시멘트 보드, 섬유 강화 플라스틱 등), 흡수 제품(예를 들어, 플러프 펄프, 히드로겔 등), 셀룰로오스로부터 유래된 특수 화학물질(예를 들어, 셀룰로오스 아세테이트, 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 등), 및 다른 제품에 이용될 수 있는 표면 증강 펄프 섬유에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 표면 증강 펄프 섬유의 제조 방법, 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 제품, 및 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 제품의 제조 방법에 관한 것이다.
펄프 섬유, 예컨대 목재 펄프 섬유는 예를 들어 펄프, 종이, 판지, 바이오섬유 복합재(예를 들어, 섬유 시멘트 보드, 섬유 강화 플라스틱 등), 흡수 제품(예를 들어, 플러프 펄프, 히드로겔 등), 셀룰로오스로부터 유래된 특수 화학물질(예를 들어, 셀룰로오스 아세테이트, 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 등), 및 다른 제품을 포함하는 다양한 제품에 이용된다. 펄프 섬유는 경질목재(예를 들어, 오크나무, 검, 단풍나무, 포플러, 유칼립투스, 사시나무, 자작나무 등), 연질목재(예를 들어, 가문비나무, 소나무, 전나무, 솔송나무, 남부 소나무, 적목 등) 및 비목재(예를 들어, 양마, 대마, 짚, 버개스 등)를 포함하는 다양한 목재 유형으로부터 얻을 수 있다. 펄프 섬유의 성질은 궁극적 최종 제품, 예컨대 종이의 성질, 중간 제품의 성질, 및 제품 제조에 이용되는 제조 공정의 성능(예를 들어, 종이 기계 생산성 및 제조 비용)에 영향을 줄 수 있다. 펄프 섬유는 상이한 성질을 달성하기 위해 많은 방식으로 가공될 수 있다. 일부 현존 방법에서, 일부 펄프 섬유는 최종 제품에 포함되기 전에 고해된다. 고해 조건에 의존해서, 고해 공정은 섬유 길이의 상당한 감소를 야기할 수 있고/있거나, 일부 응용의 경우에는 바람직하지 않은 양의 미세분을 발생할 수 있고, 그 밖에는 최종 제품, 중간 제품 및/또는 제조 공정에 불리하게 영향을 미칠 수 있는 방식으로 섬유에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 미세분은 탈수를 더디게 할 수 있고 물 저류를 증가시킬 수 있으며 제지에서 습부 화학물질 소비를 증가시킬 수 있고 이는 일부 공정 및 응용에서 바람직하지 않을 수 있기 때문에, 일부 응용에서는 미세분 발생이 불리할 수 있다.
목재 펄프의 섬유는 대표적으로 펄프, 종이, 판지, 바이오섬유 복합재(예를 들어, 섬유 시멘트 보드, 섬유 강화 플라스틱 등), 흡수 제품(예를 들어, 플러프 펄프, 히드로겔 등), 셀룰로오스로부터 유래되는 특수 화학물질(예를 들어, 셀룰로오스 아세테이트, 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 등) 및 유사 제품으로 가공하기 전에 0.5 내지 3.0 ㎜의 범위의 길이 가중 평균 섬유 길이를 가진다. 고해 및 다른 가공 단계는 펄프 섬유의 길이를 짧아지게 할 수 있다. 통상적인 고해 기술에서는, 상대적으로 낮은 에너지(예를 들어, 경질목재 섬유의 경우, 약 20 - 80 kWh/톤)를 이용하고 경질목재 섬유의 경우 약 0.4 - 0.8 Ws/m의 비가장자리하중(specific edge load)을 이용하여 고해기를 통해 보통은 1회만, 하지만 일반적으로는 2 - 3 회 이하 섬유를 통과시켜서 대표적인 백상지를 제조한다.
일반적으로, 본 발명은 표면 증강 펄프 섬유, 표면 증강 펄프 섬유의 제조, 응용 및 전달 방법, 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 제품, 및 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 제품의 제조, 응용 및 전달 방법, 및 본원에 기술된 다양한 다른 것들에 관한 것이다.
다양한 실시양태에서, 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유는 통상적으로 고해된 섬유에 비해 상당히 더 높은 표면적을 가지고 섬유 길이의 상당한 감소가 없으며, 피브릴화 동안에 실질적인 양의 미세분이 발생하지 않는다. 한 실시양태에서, 복수의 표면 증강 펄프 섬유는 적어도 약 0.3 ㎜의 길이 가중 평균 섬유 길이 및 적어도 약 10 ㎡/g의 평균 수력학적 비표면적을 가지고, 여기서 표면 증강 펄프 섬유의 수는 오븐 건조 기준으로 적어도 12000 섬유/㎎이다. 섬유는 추가의 실시양태에서는 적어도 약 0.35 ㎜ 및 다른 실시양태에서는 적어도 약 0.4 ㎜의 길이 가중 평균 섬유 길이를 가진다. 일부 실시양태에서, 섬유는 적어도 약 12 ㎡/g의 평균 수력학적 비표면적을 가진다. 0.2 ㎜ 이하의 길이를 가지는 섬유가 미세분으로 분류될 때, 일부 실시양태에서 복수의 표면 증강 펄프 섬유는 40% 미만의 길이 가중 미세분 값을 가진다. 추가의 실시양태에서, 섬유는 22% 미만의 길이 가중 미세분 값을 가진다.
본 발명의 일부 실시양태에서, 복수의 표면 증강 펄프 섬유는 피브릴화 전 섬유의 길이 가중 평균 길이의 적어도 60%인 길이 가중 평균 길이 및 피브릴화 전 섬유의 평균 비표면적보다 적어도 4배 큰 평균 수력학적 비표면적을 가진다. 일부 추가 실시양태에서, 복수의 표면 증강 펄프 섬유는 피브릴화 전 섬유의 길이 가중 평균 길이의 적어도 70%인 길이 가중 평균 길이를 가진다. 일부 추가 실시양태에서, 복수의 표면 증강 펄프 섬유는 피브릴화 전 섬유의 평균 수력학적 비표면적보다 적어도 8배 큰 평균 수력학적 비표면적을 가진다. 일부 추가 실시양태에서, 복수의 표면 증강 펄프 섬유는 적어도 약 0.3 ㎜의 길이 가중 평균 섬유 길이(Lw) 및 적어도 약 10 ㎡/g의 평균 수력학적 비표면적을 가지고, 여기서 표면 증강 펄프 섬유의 수는 오븐 건조 기준으로 적어도 12000 섬유/㎎이다. 일부 추가 실시양태에서, 복수의 표면 증강 펄프 섬유는 적어도 약 0.4 ㎜의 길이 가중 평균 섬유 길이(Lw) 및 적어도 약 12 ㎡/g의 평균 수력학적 비표면적을 가지고, 여기서, 표면 증강 펄프 섬유의 수는 오븐 건조 기준으로 적어도 12000 섬유/㎎이다. 일부 실시양태에서, 0.2 ㎜ 이하의 길이를 가지는 섬유가 미세분으로 분류될 때, 복수의 표면 증강 펄프 섬유는 40% 미만의 길이 가중 미세분 값을 가진다. 일부 실시양태에서, 복수의 표면 증강 펄프 섬유는 22% 미만의 길이 가중 미세분 값을 가진다.
다양한 실시양태에서, 복수의 표면 증강 펄프 섬유는 경질목재 또는 연질 목재로부터 유래할 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명의 다양한 실시양태에 따르는 복수의 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 제조 물품에 관한 것이다. 이러한 제조 물품의 예는 종이 제품, 판지 제품, 섬유 시멘트 보드, 섬유 강화 플라스틱, 플러프 펄프 및 히드로겔을 비제한적으로 포함한다.
또한, 본 발명은 본 발명의 다양한 실시양태에 따르는 복수의 표면 증강 펄프 섬유로부터 형성된 제조 물품에 관한 것이다. 이러한 제조 물품의 예는 셀룰로오스 아세테이트 제품 및 카르복시메틸 셀룰로오스 제품을 비제한적으로 포함한다.
또한, 본 발명은 다양한 표면 증강 펄프 섬유 제조 방법에 관한 것이다. 일부 실시양태에서, 표면 증강 펄프 섬유 제조 방법은 1.3 ㎜ 이하의 바(bar) 폭 및 2.5 ㎜ 이하의 홈 폭을 가지는 1쌍의 고해기 플레이트를 포함하는 기계식 고해기에 비고해된 펄프 섬유를 도입하고, 적어도 300 kWh/톤의 고해기 에너지 소비에 달할 때까지 섬유를 고해하여 표면 증강 펄프 섬유를 제조하는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서, 플레이트는 1.0 ㎜ 이하의 바 폭 및 1.6 ㎜ 이하의 홈 폭을 가진다. 일부 실시양태에서는, 적어도 450 kWh/톤의 고해기 에너지 소비에 달할 때까지, 또는 추가의 실시양태에서는 적어도 650 kWh/톤의 고해기 에너지 소비에 달할 때까지 섬유가 고해된다. 일부 실시양태에서는, 약 300 kWh/톤 내지 약 650 kWh/톤의 고해기 에너지 소비에 달할 때까지 섬유가 고해된다. 일부 추가 실시양태에서는, 약 450 kWh/톤 내지 약 650 kWh/톤의 고해기 에너지 소비에 달할 때까지 섬유가 고해된다. 고해기는 일부 실시양태에서는 약 0.1 내지 약 0.3 Ws/m의 비가장자리하중으로 및 다른 실시양태에서는 약 0.1 내지 약 0.2 Ws/m의 비가장자리하중으로 작동한다.
일부 실시양태에서는, 섬유가 고해기를 통해 재순환될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서는, 적어도 300 kWh/톤의 에너지 소비에 달할 때까지 섬유가 고해기를 통해 복수회 재순환된다. 일부 실시양태에서는, 섬유가 고해기를 통해 적어도 3회 재순환된다. 일부 실시양태에서는, 섬유의 일부는 제거되고, 또 다른 일부는 재순환된다. 따라서, 본 발명의 방법의 일부 실시양태는 기계식 고해기로부터 다수의 섬유를 연속으로 제거하고, 일부가 표면 증강 펄프 섬유인 제거된 섬유의 약 80% 초과를 추가의 고해를 위해 기계식 고해기로 다시 재순환시키는 것을 추가로 포함한다.
본 발명의 방법의 일부 실시양태는 둘 이상의 기계식 고해기를 이용한다. 일부 이러한 실시양태에서, 표면 증강 펄프 섬유 제조 방법은 1.3 ㎜ 이하의 바 폭 및 2.5 ㎜ 이하의 홈 폭을 가지는 1쌍의 고해기 플레이트를 포함하는 제1 기계식 고해기에 비고해된 펄프 섬유를 도입하고, 제1 기계식 고해기에서 섬유를 고해하고, 1.3 ㎜ 이하의 바 폭 및 2.5 ㎜ 이하의 홈 폭을 가지는 1쌍의 고해기 플레이트를 포함하는 적어도 하나의 추가의 기계식 고해기에 섬유를 운반하고, 적어도 300 kWh/톤의 고해기 총 에너지 소비에 달할 때까지 이 적어도 하나의 추가의 기계식 고해기에서 섬유를 고해하여 표면 증강 펄프 섬유를 제조하는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서는 섬유의 적어도 일부를 제1 기계식 고해기를 통해 복수회 재순환시킴으로써 섬유가 제1 기계식 고해기에서 고해된다. 일부 실시양태에서는, 섬유가 추가의 기계식 고해기를 통해 복수회 재순환된다. 일부 추가 실시양태에서는, 제1 기계식 고해기에서 고해기 플레이트가 1.0 ㎜ 초과의 바 폭 및 2.0 ㎜ 이상의 홈 폭을 가지고, 적어도 하나의 추가의 기계식 고해기에서 고해기 플레이트가 1.0 ㎜ 이하의 바 폭 및 1.6 ㎜ 이하의 홈 폭을 가진다.
일부 실시양태에서, 표면 증강 펄프 섬유 제조 방법은 비고해된 펄프 섬유를 1.0 ㎜ 이하의 바 폭 및 2.0 ㎜ 이하의 홈 폭을 가지는 1쌍의 고해기 플레이트를 포함하는 기계식 고해기에 도입하고, 섬유를 고해하고, 기계식 고해기로부터 다수의 섬유를 연속으로 제거하고, 일부가 표면 증강 펄프 섬유인 제거된 섬유의 약 80% 초과를 추가 고해를 위해 기계식 고해기로 다시 재순환시키는 것을 포함한다.
일부 실시양태에서, 본 발명의 방법으로 제조된 표면 증강 펄프 섬유는 본원에 기술된 성질 중 하나 이상을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에 따르면, 이러한 표면 증강 펄프 섬유는 비고해된 펄프 섬유의 길이 가중 평균 길이의 적어도 60%인 길이 가중 평균 길이 및 비고해된 펄프 섬유의 평균 비표면적보다 적어도 4배 큰 평균 수력학적 비표면적을 가진다.
이들 실시양태 및 다른 실시양태를 다음 상세한 설명에서 더 상세히 제시한다.
도 1은 본 발명의 한 비제한적 실시양태에 따르는 종이 제품 제조 시스템을 도시하는 블럭 도표.
도 2는 본 발명의 한 비제한적 실시양태에 따르는 제2 고해기를 포함하는 종이 제품 제조 시스템을 도시하는 블럭 도표.
상세한 설명
일반적으로, 본 발명의 실시양태는 표면 증강 펄프 섬유, 표면 증강 펄프 섬유의 제조, 응용 및 전달 방법, 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 제품, 및 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 제품의 제조, 응용 및 전달 방법, 및 다음 설명으로부터 명백해지는 다른 것들에 관한 것이다. 표면 증강 펄프 섬유는 아래에 제시된 바람직한 성질을 제공하고 고도로 피브릴화된 것이라고 특성화될 수 있는 정도로 피브릴화된다. 다양한 실시양태에서, 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유는 통상적으로 고해된 섬유에 비해 섬유 길이가 상당히 감소하지 않으면서 상당히 더 높은 표면적을 가지고, 피브릴화 동안에 실질적인 양의 미세분이 발생하지 않는다. 이러한 표면 증강 펄프 섬유는 펄프, 종이 및 본원에 기술된 다른 제품의 제조에 유용할 수 있다.
본 발명의 실시양태에 따라서 표면 증강될 수 있는 펄프 섬유는 경질목재 및 연질목재를 포함해서 다양한 목재 유형으로부터 유래할 수 있다. 본 발명의 일부 실시양태에서 이용될 수 있는 경질목재 펄프 섬유의 비제한적 예는 오크나무, 검, 단풍나무, 포플러, 유칼립투스, 사시나무, 자작나무 및 관련 분야의 기술자에게 알려진 다른 것들을 비제한적으로 포함한다. 본 발명의 일부 실시양태에서 이용될 수 있는 연질목재 펄프 섬유의 비제한적 예는 가문비나무, 소나무, 전나무, 솔송나무, 남부 소나무, 적목 및 관련 분야의 기술자에게 알려진 다른 것들을 비제한적으로 포함한다. 펄프 섬유는 화학적 원천(예를 들어, 크라프트 공정, 술파이트 공정, 소다 펄프화 공정 등), 기계적 원천(예를 들어, 열기계적 공정(TMP), 표백된 화학열기계적 공정(BCTMP) 등) 또는 그의 조합으로부터 얻을 수 있다. 또한, 펄프 섬유는 비목재 섬유, 예컨대 린넨, 면, 버개스, 대마, 짚, 케나프 등으로부터 유래할 수 있다. 펄프 섬유는 표백될 수 있거나, 부분 표백될 수 있거나, 또는 표백되지 않을 수 있고, 다양한 정도의 리그닌 함량 및 다른 불순물을 가진다. 일부 실시양태에서, 펄프 섬유는 재활용 섬유 또는 소비후 섬유일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유는 예를 들어 길이, 비표면적, 길이 변화, 비표면적 변화, 표면 성질(예를 들어, 표면 활성, 표면 에너지 등), 미세분의 백분율, 탈수 성질(예를 들어, 스코퍼-리에글러(Schopper-Riegler)), 크릴 측정(crill measurement)(피브릴화), 물 흡수 성질(예를 들어, 물 저류 값, 흡상률 등) 및 그의 다양한 조합을 포함하는 다양한 성질 및 성질의 조합에 따라서 특성화될 수 있다. 다음 설명은 성질의 다양한 조합을 각각 구체적으로 확인할 수는 없지만, 표면 증강 펄프 섬유의 상이한 실시양태가 본원에 기술된 성질 중 하나, 하나 초과 또는 전부를 가질 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본 발명의 일부 실시양태는 복수의 표면 증강 펄프 섬유에 관한 것이다. 일부 실시양태에서, 복수의 표면 증강 펄프 섬유는 적어도 약 0.3 ㎜, 바람직하게는 적어도 약 0.35 ㎜의 길이 가중 평균 섬유 길이를 가지고, 약 0.4 ㎜의 길이가 가장 바람직하고, 표면 증강 펄프 섬유의 수는 오븐 건조 기준으로 적어도 12000/㎎이다. 본원에서 이용되는 "오븐 건조 기준"은 샘플이 105 ℃로 설정된 오븐에서 24 시간 동안 건조되는 것을 의미한다. 일반적으로, 섬유의 길이가 길수록, 섬유의 강도 및 이러한 섬유를 포함하는 결과적으로 얻는 제품의 강도가 커진다. 이러한 실시양태의 표면 증강 펄프 섬유는 예를 들어 제지 응용에서 유용할 수 있다. 본원에서 이용되는 길이 가중 평균 길이는 옵테스트 이큅먼트, 인크.(OpTest Equipment, Inc., 캐나다 온타리오주 호크스베리)로부터의 LDA02 파이버 퀄리티 어낼라이저(Fiber Quality Analyzer) 또는 LDA96 파이버 퀄리티 어낼라이저를 이용해서 파이버 퀄리티 어낼라이저에 첨부된 매뉴얼에 명시된 적당한 절차에 따라서 측정한다. 본원에서 이용되는 길이 가중 평균 길이(Lw)는 다음 식에 따라서 계산한다:
Figure pat00001
여기서, i는 카테고리(또는 빈(bin)) 번호(예를 들어, 1, 2, ... N)를 의미하고, ni는 i번째 카테고리에서의 섬유 카운트를 의미하고, Li는 i번째 카테고리에서의 윤곽선 길이 - 히스토그램 계급 중심 길이를 의미한다.
위에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유의 한 측면은 피브릴화 후 섬유 길이의 보존이다. 일부 실시양태에서, 복수의 표면 증강 펄프 섬유는 피브릴화 전 섬유의 길이 가중 평균 길이의 적어도 60%인 길이 가중 평균 길이를 가질 수 있다. 일부 실시양태에 따르면, 복수의 표면 증강 펄프 섬유는 피브릴화 전 섬유의 길이 가중 평균 길이의 적어도 70%인 길이 가중 평균 길이를 가질 수 있다. % 길이 보존을 결정할 때는, 다수의 섬유의 길이 가중 평균 길이를 피브릴화 전 및 후 둘 모두에서 (위에서 기술한 바와 같이) 측정할 수 있고, 그 값을 다음 식을 이용해서 비교할 수 있다:
Figure pat00002
본 발명의 표면 증강 펄프 섬유는 유리하게 일부 응용, 예컨대 제지에서 유용할 수 있는 큰 수력학적 비표면적을 가진다. 일부 실시양태에서, 본 발명은 적어도 약 10 ㎡/g, 및 더 바람직하게는 적어도 약 12 ㎡/g의 평균 수력학적 비표면적을 가지는 복수의 표면 증강 펄프 섬유에 관한 것이다. 예시 목적으로, 대표적인 고해되지 않은 제지 섬유는 2 ㎡/g의 수력학적 비표면적을 가질 것이다. 본원에서 이용되는 수력학적 비표면적은 본원에 참고로 포함되는 http://www.tappi.org/Hide/Events/12PaperCon/Papers/12PAP116.aspx에서 입수가능한 [Characterizing the drainage resistance of pulp and microfibrillar suspensions using hydrodynamic flow measurements, N. Lavrykova-Marrain and B. Ramarao, TAPPI's PaperCon 2012 Conference]에 명시된 절차에 따라서 측정한다.
본 발명의 한 이점은 표면 증강 펄프 섬유의 수력학적 비표면적이 피브릴화 전 섬유의 수력학적 비표면적보다 상당히 더 크다는 것이다. 일부 실시양태에서, 복수의 표면 증강 펄프 섬유는 피브릴화 전 섬유의 평균 비표면적보다 적어도 4 배 큰, 바람직하게는 피브릴화 전 섬유의 평균 비표면적보다 적어도 6 배 큰, 가장 바람직하게는 피브릴화 전 섬유의 평균 비표면적보다 적어도 8 배 큰 평균 수력학적 비표면적을 가질 수 있다. 이러한 실시양태의 표면 증강 펄프 섬유는 예를 들어 제지 응용에서 유용할 수 있다. 일반적으로, 수력학적 비표면적은 표면 활성의 좋은 지시자이고, 이렇게 해서 일부 실시양태에서는 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유가 좋은 결합 및 물 저류 성질을 가질 것으로 예상될 수 있고, 보강 응용에서 잘 기능할 것으로 예상될 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 일부 실시양태에서, 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유는 유리하게는 섬유 길이를 보존하면서 증가된 수력학적 비표면적을 가진다. 수력학적 비표면적을 증가시키는 것은 용도에 의존해서 증가된 섬유 결합 제공, 물 또는 다른 물질 흡수, 유기물질 저류, 더 높은 표면 에너지 및 다른 것들을 비제한적으로 포함하는 많은 이점을 가질 수 있다.
본 발명의 실시양태는 적어도 약 0.3 ㎜의 길이 가중 평균 섬유 길이 및 적어도 약 10 ㎡/g의 평균 수력학적 비표면적을 가지고 표면 증강 펄프 섬유의 수가 오븐 건조 기준으로 적어도 12000/㎎인 복수의 표면 증강 펄프 섬유에 관한 것이다. 바람직한 실시양태에서, 복수의 표면 증강 펄프 섬유는 적어도 약 0.35 ㎜의 길이 가중 평균 섬유 길이 및 적어도 약 12 ㎡/g의 평균 수력학적 비표면적을 가지고 표면 증강 펄프 섬유의 수가 오븐 건조 기준으로 적어도 12000/㎎이다. 가장 바람직한 실시양태에서, 복수의 표면 증강 펄프 섬유는 적어도 약 0.4 ㎜의 길이 가중 평균 섬유 길이 및 적어도 약 12 ㎡/g의 평균 수력학적 비표면적을 가지고 표면 증강 펄프 섬유의 수가 오븐 건조 기준으로 적어도 12000/㎎이다. 이러한 실시양태의 표면 증강 펄프 섬유는 예를 들어 제지 응용에서 유용할 수 있다.
본 발명의 표면 증강 펄프 섬유를 제공하는 펄프 섬유의 고해에서, 일부 실시양태는 바람직하게는 미세분의 발생을 최소화한다. 본원에서 이용되는 "미세분"이라는 용어는 0.2 ㎜ 이하의 길이를 가지는 펄프 섬유를 의미하는 데 이용된다. 일부 실시양태에서, 표면 증강 펄프 섬유는 40% 미만, 더 바람직하게는 22% 미만의 길이 가중 미세분 값을 가지고, 20% 미만이 가장 바람직하다. 이러한 실시양태의 표면 증강 펄프 섬유는 예를 들어 제지 응용에서 유용할 수 있다. 본원에서 이용되는 "길이 가중 미세분 값"은 옵테스트 이큅먼트, 인크.(캐나다 온타리오주 호크스베리)로부터의 LDA02 파이버 퀄리티 어낼라이저 또는 LDA96 파이버 퀄리티 어낼라이저를 이용해서 파이버 퀄리티 어낼라이저에 첨부된 매뉴얼에 명시된 적당한 절차에 따라서 측정한다. 본원에서 이용되는 길이 가중 미세분의 백분율은 다음 식에 따라서 계산한다:
길이 가중 미세분의 백분율(%) =
Figure pat00003
여기서, n은 0.2 ㎜ 미만의 길이를 가지는 섬유의 수를 의미하고, Li는 미세분 계급 중점 길이를 의미하고, LT는 총 섬유 길이를 의미한다.
본 발명의 표면 증강 펄프 섬유는 길이 보존 및 상대적으로 높은 비표면적의 이점을 동시에 제공하고, 바람직한 실시양태에서는 많은 미세분 발생의 손해가 없다. 추가로, 다양한 실시양태에 따르면, 복수의 표면 증강 펄프 섬유는 위에서 언급한 다른 성질(예를 들어, 길이 가중 평균 섬유 길이, 평균 수력학적 비표면적의 변화 및/또는 표면 활성 성질) 중 하나 이상을 동시에 가질 수 있고, 또한 상대적으로 낮은 백분율의 미세분을 가진다. 일부 실시양태에서, 이러한 섬유는 탈수에 대한 부정적 영향을 최소화할 수 있고, 또한 이러한 섬유가 포함된 제품의 강도를 유지하거나 또는 개선한다.
표면 증강 펄프 섬유의 다른 유리한 성질은 섬유가 다른 제품으로 가공될 때 특성화될 수 있고, 아래에서 표면 증강 펄프 섬유 제조 방법에 대한 설명 다음에 기술될 것이다.
또한, 본 발명의 실시양태는 표면 증강 펄프 섬유의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 이용되는 고해 기술은 유리하게 섬유의 길이를 보존할 수 있고, 마찬가지로 표면적의 양을 증가시킬 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 또한, 이러한 방법은 미세분의 양을 최소화하고/최소화하거나 일부 실시양태에서 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 제품의 강도(예를 들어, 종이 제품의 인장 강도, 스콧(scott) 결합 강도, 습윤 웹 강도)를 개선한다.
한 실시양태에서, 표면 증강 펄프 섬유의 제조 방법은 1.3 ㎜ 이하의 바 폭 및 2.5 ㎜ 이하의 홈 폭을 가지는 1쌍의 고해기 플레이트를 포함하는 기계식 고해기에 고해되지 않은 펄프 섬유를 도입하고, 적어도 300 kWh/톤의 고해기 에너지 소비에 달할 때까지 섬유를 고해하여 표면 증강 펄프 섬유를 제조하는 것을 포함한다. 관련 분야의 통상의 기술자는 고해기 플레이트와 관련해서 바 폭 및 홈 폭의 치수를 잘 안다. 추가 정보를 찾는 정도로, 본원에 참고로 포함되는 [Christopher J. Biermann, Handbook of Pulping and Papermaking(2d Ed.1996) at p. 145]을 참고한다. 바람직한 실시양태에서, 플레이트는 1.0 ㎜ 이하의 바 폭 및 1.6 ㎜ 이하의 홈 폭을 가지고, 적어도 300 kWh/톤의 고해기 에너지 소비에 달할 때까지 섬유를 고해하여 표면 증강 펄프 섬유를 제조할 수 있다. 가장 바람직한 실시양태에서, 플레이트는 1.0 ㎜ 이하의 바 폭 및 1.3 ㎜ 이하의 홈 폭을 가지고, 적어도 300 kWh/톤의 고해기 에너지 소비에 달할 때까지 섬유를 고해하여 표면 증강 펄프 섬유를 제조할 수 있다. 본원에서 이용되고 관련 분야 통상의 기술자가 이해하는 바와 같이, 본원의 에너지 소비 또는 고해 에너지에 대한 언급은 kWh/톤이라는 단위를 이용하고, "/톤" 또는 "톤 당"은 건조 기준으로 고해기를 통과하는 펄프의 톤을 의미하는 것으로 이해한다. 일부 실시양태에서는, 적어도 650 kWh/톤의 고해기 에너지 소비에 달할 때까지 섬유가 고해된다. 다수의 섬유는 그들이 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유와 관련된 본원에 기술된 성질 중 하나 이상을 가질 때까지 고해될 수 있다. 아래에서 더 상세히 기술하는 바와 같이, 관련 분야의 기술자는 일부 유형의 목재 섬유의 경우 300 kWh/톤보다 상당히 더 큰 고해 에너지가 요구될 수 있다는 것 및 또한, 펄프 섬유에 요망되는 성질을 부여하는 데 필요한 고해 에너지의 양이 달라질 수 있다는 것을 인식할 것이다.
한 실시양태에서, 고해되지 않은 펄프 섬유는 1쌍의 고해기 플레이트 또는 일련의 고해기를 포함하는 기계식 고해기에 도입된다. 고해되지 않은 펄프 섬유는 본원에 기술된 다양한 방법(예를 들어, 기계적, 화학적 등)으로부터 본원에 기술된 펄프 섬유 중 어느 것이라도 포함할 수 있고, 예컨대, 예를 들어 경질목재 펄프 섬유 또는 연질목재 펄프 섬유 또는 비목재 펄프 섬유를 포함할 수 있다. 추가로, 고해되지 않은 펄프 섬유 또는 펄프 섬유 원천은 베일 또는 슬러쉬 상태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 한 실시양태에서, 베일 상태 펄프 섬유 원천은 약 7 내지 약 11%의 물 및 약 89% 내지 약 93%의 고상물을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 예를 들어, 한 실시양태에서 펄프 섬유의 슬러쉬 공급원은 약 95%의 물 및 약 5%의 고상물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 펄프 섬유 원천은 펄프 건조기로 건조되지 않는다.
본 발명의 일부 실시양태에 따라서 표면 증강 펄프 섬유를 제조하는 데 이용될 수 있는 고해기의 비제한적 예는 이중 원반 고해기, 원뿔 고해기, 단일 원반 고해기, 다중 원반 고해기, 또는 원뿔 고해기 및 원반(들) 고해기의 조합을 포함한다. 이중 원반 고해기의 비제한적 예는 벨로이트(Beloit) DD 3000, 벨로이트 DD 4000 또는 안드리쯔(Andritz) DO 고해기를 포함한다. 원뿔 고해기의 비제한적 예는 선즈(Sunds) JC01, 선즈 JC 02 및 선즈 JC03 고해기이다.
표면 증강 펄프 섬유의 일부 실시양태의 제조에는 고해 플레이트의 디자인 뿐만 아니라 작동 조건도 중요하다. 바 폭, 홈 폭 및 홈 깊이가 고해기 플레이트를 특성화하는 데 이용되는 고해기 플레이트 매개변수이다. 일반적으로, 본 발명의 다양한 실시양태에 이용하기 위한 고해 플레이트는 미세한 홈을 가진 것으로 특성화될 수 있다. 이러한 플레이트는 1.3 ㎜ 이하의 바 폭 및 2.5 ㎜ 이하의 홈 폭을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 이러한 플레이트는 1.3 ㎜ 이하의 바 폭 및 1.6 ㎜ 이하의 홈 폭을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 이러한 플레이트는 1.0 ㎜ 이하의 바 폭 및 1.6 ㎜ 이하의 홈 폭을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 이러한 플레이트는 1.0 ㎜ 이하의 바 폭 및 1.3 ㎜ 이하의 홈 폭을 가질 수 있다. 또한, 1.0 ㎜ 이하의 바 폭 및 1.6 ㎜ 이하의 홈 폭을 가지는 고해 플레이트는 초미세 고해 플레이트라고 부를 수 있다. 이러한 플레이트는 아이카와 파이버 테크놀로지즈(Aikawa Fiber Technologies, AFT)로부터의 파인바(FINEBAR)® 상표로 입수가능하다. 적당한 작동 조건 하에서, 이러한 미세한 홈을 갖는 플레이트는 펄프 섬유에서 피브릴의 수를 증가시킬 수 있고(즉, 피브릴화를 증가시킬 수 있고), 한편, 섬유 길이를 보존하고 미세분 생성을 최소화한다. 통상적인 플레이트(예를 들어, 1.3 ㎜ 초과의 바 폭 및/또는 2.0 ㎜ 초과의 홈 폭) 및/또는 부적절한 작동 조건은 펄프 섬유에서 섬유 절단을 상당히 증강할 수 있고/있거나 바람직하지 않은 수준의 미세분을 발생할 수 있다.
또한, 고해기의 작동 조건은 일부 실시양태의 표면 증강 펄프 섬유의 제조에 중요할 수 있다. 일부 실시양태에서, 표면 증강 펄프 섬유는 원래 고해되지 않은 펄프 섬유를 적어도 약 300 kWh/톤의 에너지 소비에 달할 때까지 고해기(들)를 통해 재순환시킴으로써 제조될 수 있다. 일부 실시양태에서, 표면 증강 펄프 섬유는 원래 고해되지 않은 펄프 섬유를 적어도 약 450 kWh/톤의 에너지 소비에 달할 때까지 고해기(들)를 통해 재순환시킴으로써 제조될 수 있다. 일부 실시양태에서는, 섬유가 고해기에서 약 450 내지 약 650 kWh/톤의 에너지 소비에 달할 때까지 재순환될 수 있다. 일부 실시양태에서는, 약 0.1 내지 약 0.3 Ws/m의 비가장자리하중으로 작동할 수 있다. 다른 실시양태에서, 고해기는 약 0.15 내지 약 0.2 Ws/m의 비가장자리하중으로 작동할 수 있다. 일부 실시양태에서는, 약 0.1 Ws/m 내지 약 0.2 Ws/m의 비가장자리하중을 이용하여 약 450 내지 약 650 kWh/톤의 에너지 소비에 달해서 표면 증강 펄프 섬유를 제조한다. 비가장자리하중(또는 SEL)은 관련 분야의 통상의 기술자에게는 순 적용 전력을 회전 속도 및 가장자리 길이의 곱으로 나눈 몫을 의미하는 것으로 이해되는 용어이다. SEL은 고해의 세기를 특성화하는 데 이용되고, 와트-초/m(Ws/m)로 표현된다.
아래에서 더 상세히 기술하는 바와 같이, 관련 분야의 기술자는 일부 유형의 목재 섬유의 경우에는 400 kWh/톤보다 상당히 더 큰 고해 에너지가 요구될 수 있다는 것 및 또한, 펄프 섬유에 요망되는 성질을 부여하는 데 필요한 고해 에너지의 양이 달라질 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 남부 혼합 경질목재 섬유(예를 들어, 오크나무, 검, 느릅나무 등)는 약 450 - 650 kWh/톤의 고해 에너지를 요구할 수 있다. 대조적으로, 북부 경질목재 섬유가 남부 경질목재 섬유보다 덜 거칠기 때문에, 북부 경질목재 섬유(예를 들어, 단풍나무, 자작나무, 사시나무, 너도밤나무 등)는 약 350 내지 약 500 kWh/톤의 고해 에너지를 요구할 수 있다. 마찬가지로, 남부 연질목재 섬유(예를 들어, 소나무)는 훨씬 더 많은 양의 고해 에너지를 요구할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서는, 일부 실시양태에 따라서 남부 연질목재 섬유를 고해하는 것이 상당히 더 높을 수 있다(예를 들어, 적어도 1000 kWh/톤).
또한, 고해 에너지는 고해기를 통해 단일 통과로 제공되는 고해 에너지의 양 및 요망되는 통과 횟수에 의존해서 많은 방법으로 제공될 수 있다. 일부 실시양태에서는, 일부 방법에서 이용되는 고해기가 더 낮은 고해 에너지/통과(예를 들어, 100 kWh/톤/통과 이하)로 작동할 수 있고, 이렇게 해서 명시된 고해 에너지를 제공하는 데 다중 통과 또는 다수의 고해기가 필요하다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 단일 고해기는 50 kWh/톤/통과로 작동할 수 있고, 450 kWh/톤의 고해를 제공하기 위해서는 펄프 섬유가 고해기를 통해 총 9회 통과 동안 재순환될 수 있다. 일부 실시양태에서는, 다수의 고해기가 직렬로 제공되어서 고해 에너지를 부여할 수 있다.
단일 고해기를 통해 섬유를 재순환시킴으로써 펄프 섬유가 요망되는 고해 에너지에 달하는 일부 실시양태에서는, 펄프 섬유가 고해기를 통해 적어도 2회 순환되어서 요망되는 정도의 피브릴화를 얻을 수 있다. 일부 실시양태에서는, 펄프 섬유가 고해기를 통해 약 6 회 내지 약 25 회 순환되어서 요망되는 정도의 피브릴화를 얻을 수 있다. 펄프 섬유는 회분 공정으로 재순환에 의해 단일 고해기에서 피브릴화될 수 있다.
일부 실시양태에서, 펄프 섬유는 연속 공정을 이용해서 단일 고해기에서 피브릴화될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서 이러한 방법은 고해기로부터 다수의 섬유를 연속으로 제거하고, 일부가 표면 증강 펄프 섬유인 제거된 섬유의 약 80% 초과를 추가 고해를 위해 기계식 고해기로 다시 재순환시키는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서는, 제거된 섬유의 약 90% 초과가 추가 고해를 위해 기계식 고해기로 다시 재순환될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 고해기에 도입되는 고해되지 않은 섬유의 양 및 재순환되지 않고 섬유로부터 제거되는 섬유의 양은 미리 결정된 양의 섬유가 고해기를 통해 연속으로 통과하도록 조절될 수 있다. 환언하면, 섬유의 일부 양이 고해기와 관련된 재순환 루프로부터 제거되기 때문에, 고해기를 통해 순환하는 요망되는 수준의 섬유를 유지하기 위해서는 상응하는 양의 고해되지 않은 섬유가 고해기에 첨가되어야 한다. 특별한 성질(예를 들어, 길이 가중 평균 섬유 길이, 수력학적 비표면적 등)을 가지는 표면 증강 펄프 섬유의 제조를 용이하게 하기 위해, 통과 횟수가 증가함에 따라 그 공정 동안에 통과 당 고해 세기(즉, 비가장자리하중)를 감소시킬 필요가 있을 것이다.
다른 실시양태에서는, 둘 이상의 고해기를 직렬로 배열하여 펄프 섬유를 순환시켜서 요망되는 정도의 피브릴화를 얻을 수 있다. 본 발명에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 제조하기 위해 다양한 다중 고해기 배열이 이용될 수 있다는 것을 인식해야 한다. 예를 들어, 일부 실시양태에서는, 동일한 고해 플레이트를 이용하고 동일한 고해 매개변수(예를 들어, 통과 당 고해 에너지, 비가장자리하중 등) 하에서 작동하는 다수의 고해기가 직렬로 배열될 수 있다. 일부 이러한 실시양태에서는, 섬유가 고해기 중 하나를 통해 1회만 및/또는 고해기 중 또 다른 하나를 통해 복수회 통과할 수 있다.
한 전형적인 실시양태에서, 표면 증강 펄프 섬유의 제조 방법은 1.3 ㎜ 이하의 바 폭 및 2.5 ㎜ 이하의 홈 폭을 가지는 1쌍의 고해기 플레이트를 포함하는 제1 기계식 고해기에 고해되지 않은 펄프 섬유를 도입하고, 제1 기계식 고해기에서 섬유를 고해하고, 섬유를 1.3 ㎜ 이하의 바 폭 및 2.5 ㎜ 이하의 홈 폭을 가지는 1쌍의 고해기 플레이트를 포함하는 적어도 하나의 추가의 기계식 고해기에 운반하고, 적어도 300 kWh/톤의 고해기 총 에너지 소비에 달할 때까지 이 적어도 하나의 추가의 기계식 고해기에서 섬유를 고해하여 표면 증강 펄프 섬유를 제조하는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서, 섬유는 제1 기계식 고해기를 통해 복수회 재순환될 수 있다. 일부 실시양태에서, 섬유는 추가의 기계식 고해기를 통해 복수회 재순환될 수 있다. 일부 실시양태에서, 섬유는 둘 이상의 기계식 고해기를 통해 복수회 재순환될 수 있다.
다수의 고해기를 이용하여 표면 증강 펄프 섬유를 제조하는 방법의 일부 실시양태에서는, 제1 기계식 고해기를 이용해서 상대적으로 덜 미세한 초기 고해 단계를 제공할 수 있고, 하나 이상의 그 뒤의 고해기를 이용해서 본 발명의 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 제공할 수 있다. 예를 들어, 이러한 실시양태에서 제1 기계식 고해기는 통상적인 고해 플레이트(예를 들어, 1.0 ㎜ 초과의 바 폭 및 1.6 ㎜ 이상의 홈 폭)를 이용하고 통상적인 고해 조건(예를 들어, 0.25 Ws/m의 비가장자리하중) 하에서 작동하여 섬유에 상대적으로 덜 미세한 초기 피브릴화를 제공할 수 있다. 한 실시양태에서, 제1 기계식 고해기에서 적용되는 고해 에너지의 양은 약 100 kWh/톤 이하일 수 있다. 제1 기계식 고해기 후, 그 다음에 섬유는 초미세 고해 플레이트(예를 들어 1.0 ㎜ 이하의 바 폭 및 1.6 ㎜ 이하의 홈 폭)를 이용하고 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 제조하기에 충분한 조건(예를 들어, 0.13 Ws/m의 비가장자리하중) 하에서 작동하는 하나 이상의 그 뒤의 고해기에 제공될 수 있다. 일부 실시양태에서, 예를 들어, 절단 가장자리 길이(CEL)는 고해 플레이트의 차이에 의존해서 통상적인 고해 플레이트를 이용하는 고해와 초미세 고해 플레이트를 이용하는 고해 사이에서 증가할 수 있다. 절단 가장자리 길이(또는 CEL)는 바 가장자리 길이와 회전 속도의 곱이다. 위에서 제시한 바와 같이, 섬유가 고해기를 통해 복수회 통과하거나 또는 재순환해서 요망되는 고해 에너지를 달성할 수 있고/있거나 다수의 고해기를 이용해서 요망되는 고해 에너지를 달성할 수 있다.
한 전형적인 실시양태에서, 표면 증강 펄프 섬유 제조 방법은 1.0 ㎜ 초과의 바 폭 및 2.0 ㎜ 이상의 홈 폭을 가지는 1쌍의 고해기 플레이트를 포함하는 제1 기계식 고해기에 고해되지 않은 펄프 섬유를 도입하는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서는 제1 기계식 고해기에서 섬유를 고해하는 것을 이용해서 섬유에 상대적으로 덜 미세한 초기 고해를 제공할 수 있다. 제1 기계식 고해기에서 섬유를 고해한 후, 섬유를 1.0 ㎜ 이하의 바 폭 및 1.6 ㎜ 이하의 홈 폭을 가지는 1쌍의 고해기 플레이트를 포함하는 적어도 하나의 추가의 기계식 고해기에 운반한다. 하나 이상의 추가의 기계식 고해기에서, 적어도 300 kWh/톤의 고해기 총 에너지 소비에 달할 때까지 섬유를 고해하여 표면 증강 펄프 섬유를 제조할 수 있다. 일부 실시양태에서는, 섬유가 제1 기계식 고해기를 통해 복수회 재순환된다. 일부 실시양태에서는, 섬유가 하나 이상의 추가의 기계식 고해기를 통해 복수회 재순환된다.
본원에 기술된 다양한 방법에 관해서, 일부 실시양태에서는 펄프 섬유가 낮은 컨시스턴시(예를 들어, 3 내지 5%)로 고해될 수 있다. 관련 분야의 통상의 기술자는 오븐 건조된 섬유 및 물의 합한 양에 대한 오븐 건조된 섬유의 비를 말하는 컨시스턴시를 이해할 것이다. 다시 말해서, 예를 들어, 3%의 컨시스턴시는 100 ㎖의 펄프 현탁액 중에 3 g의 오븐 건조된 섬유의 존재를 나타낼 것이다.
표면 증강 펄프 섬유를 제조하기 위해 고해기 작동과 관련된 다른 매개변수는 관련 분야의 기술자에게 알려진 기술을 이용해서 쉽게 결정할 수 있다. 마찬가지로, 관련 분야의 통상의 기술자는 다양한 매개변수(예를 들어, 총 고해 에너지, 통과 당 고해 에너지, 통과 횟수, 고해기의 수 및 유형, 비가장자리하중 등)를 조정하여 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유를 제조할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서 바람직한 성질을 가지는 표면 증강 펄프 섬유를 얻기 위해, 고해 강도, 또는, 다중-통과 시스템을 이용하여 통과 당 섬유에 적용되는 고해 에너지는 고해기를 통한 통과 횟수가 증가함에 따라 점차 감소되어야 한다.
본 발명의 표면 증강 펄프 섬유의 다양한 실시양태는 다양한 최종 제품에 포함될 수 있다. 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유의 일부 실시양태는 일부 실시양태에서 그것이 포함되는 최종 제품에 유리한 성질을 부여할 수 있다. 이러한 제품의 비제한적 예는 펄프, 종이, 판지, 바이오섬유 복합재(예를 들어, 섬유 시멘트 보드, 섬유 강화 플라스틱 등), 흡수 제품(예를 들어, 플러프 펄프, 히드로겔 등), 셀룰로오스로부터 유래되는 특수 화학물질(예를 들어, 셀룰로오스 아세테이트, 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 등) 및 다른 제품을 포함한다. 관련 분야의 기술자는 특히 섬유의 성질에 기초하여 표면 증강 펄프 섬유가 포함될 다른 제품을 식별할 수 있다. 예를 들어, 표면 증강 펄프 섬유의 비표면적(및 이렇게 해서, 표면 활성)을 증가시킴으로써, 표면 증강 펄프 섬유의 이용은 유리하게 거의 동일한 양의 총 섬유를 이용하지만 일부 최종 제품의 강도 성질(예를 들어, 건조 인장 강도)을 증가시킬 수 있고/있거나 일부 실시양태에서는 최종 제품에서 중량 기준으로 더 적은 섬유를 이용하지만 최종 제품에 대등한 강도 성질을 제공할 수 있다.
이하에서 더 논의되는 물리적 성질에 추가하여, 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유의 이용은 일부 응용에서 일부 제조 이점 및/또는 비용 절약을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 본 발명에 따르는 복수의 표면 증강 펄프 섬유를 종이 제품에 포함시키는 것은 지료에서 섬유의 총 비용을 낮출 수 있다(즉, 높은 비용의 섬유를 더 낮은 비용의 표면 증강 펄프 섬유로 대체함으로써). 예를 들어, 더 긴 연질목재 섬유는 대표적으로 더 짧은 경질목재 섬유보다 더 많은 비용이 든다. 일부 실시양태에서, 적어도 2 중량%의 본 발명에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 종이 제품은 여전히 종이 강도를 유지하고 종이 기계의 작업성을 유지하고 공정 성능을 유지하고 인쇄 성능을 유지하면서 약 5%의 더 높은 비용 연질목재 섬유를 제거하는 결과를 낳을 수 있다. 일부 실시양태에서, 약 2 내지 약 8 중량%의 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 종이 제품은 종이 강도를 유지하고 인쇄 성능을 개선하면서 약 5% 내지 약 20%의 더 높은 비용 연질목재 섬유를 제거하는 결과를 낳을 수 있다. 일부 실시양태에서 약 2 내지 약 8 중량%의 본 발명에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 포함시키는 것은 표면 증강 펄프 섬유가 실질적으로 없는 동일한 방식으로 제조되는 종이 제품에 비해 종이 제조 비용을 상당히 낮추는 것을 도울 수 있다.
본 발명의 표면 증강 펄프 섬유가 이용될 수 있는 한 응용은 종이 제품이다. 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유를 이용하는 종이 제품 제조에서는 종이 제조에 이용되는 표면 증강 펄프 섬유의 양이 중요할 수 있다. 예를 들어, 비제한적으로, 어느 정도 양의 표면 증강 펄프 섬유를 이용하는 것은 탈수 같은 잠재적 불리한 영향을 최소화하면서 종이 제품의 인장 강도 증가 및/또는 습윤 웹 강도 증가라는 이점을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 종이 제품은 (종이 제품의 총 중량을 기준으로) 약 2 중량% 초과의 표면 증강 펄프 섬유를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 종이 제품은 약 4 중량% 초과의 표면 증강 펄프 섬유를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 종이 제품은 약 15 중량% 미만의 표면 증강 펄프 섬유를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 종이 제품은 약 10 중량% 미만의 표면 증강 펄프 섬유를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 종이 제품은 약 2 내지 약 15 중량%의 표면 증강 펄프 섬유를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 종이 제품은 약 4 내지 약 10 중량%의 표면 증강 펄프 섬유를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 종이 제품에 이용되는 표면 증강 펄프 섬유는 경질목재 펄프 섬유를 실질적으로 또는 전부 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유가 종이 제품에 포함될 때, 대체될 수 있는 연질목재 섬유의 상대적 양은 (종이 제품의 총 중량을 기준으로) 이용되는 표면 증강 펄프 섬유의 양의 약 1 내지 약 2.5 배이고, 대체량의 나머지는 통상적으로 고해된 경질목재 섬유로부터 제공된다. 다시 말해서, 한 비제한적 예로서, 약 10 중량%의 통상적으로 고해된 연질목재 섬유는 약 5 중량%의 표면 증강 펄프 섬유(표면 증강 펄프 섬유 1 중량% 당 2 중량%의 연질목재 섬유를 대체한다고 가정할 때) 및 약 5 중량%의 통상적으로 고해된 경질목재 섬유로 대체될 수 있다. 일부 실시양태에서, 이러한 대체는 종이 제품의 물리적 성질을 손상시키지 않으면서 일어날 수 있다.
물리적 성질에 관해서, 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유는 종이 제품의 강도를 개선할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 복수의 표면 증강 펄프 섬유를 종이 제품에 포함시키는 것은 최종 제품의 강도를 개선할 수 있다. 일부 실시양태에서, 적어도 5 중량%의 본 발명에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 종이 제품은 더 높은 습윤 웹 강도 및/또는 건조 강도 특성을 얻을 수 있고/있거나, 종이 기계의 작업성을 더 높은 속도로 개선할 수 있고/있거나, 공정 성능을 개선할 수 있고, 또한 제조를 개선할 수 있다. 일부 실시양태에서, 약 2 내지 약 10 중량%의 본 발명에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 것은 본 발명에 따르는 표면 증강 펄프 섬유가 실질적으로 없는 동일한 방식으로 제조된 유사한 제품과 비교할 때 종이 제품의 강도 및 성능을 상당히 개선하는 것을 도울 수 있다.
또 다른 예로서, 약 2 내지 약 8 중량%의 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 포함하고 약 5 내지 약 20 중량% 더 적은 연질목재 섬유를 갖는 종이 제품은 표면 증강 펄프 섬유가 없고 연질목재 섬유를 갖는 유사한 종이 제품과 유사한 습윤 웹 인장 강도를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 본 발명에 따르는 복수의 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 종이 제품은 적어도 150 m의 습윤 웹 인장 강도를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서는, 본 발명의 일부 실시양태에 따라서 적어도 5 중량%의 표면 증강 펄프 섬유를 포함하고 10 중량% 더 적은 연질목재 섬유를 갖는 종이 제품은 적어도 166 m의 습윤 웹 인장강도(30% 컨시스턴시)를 가질 수 있다. 약 2 내지 약 8 중량%의 본 발명에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 것은 표면 증강 펄프 섬유가 실질적으로 없는 동일한 방식으로 제조된 종이 제품과 비교할 때 종이 제품의 습윤 웹 인장 강도를 개선할 수 있고, 이렇게 해서 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 종이 제품의 일부 실시양태는 더 적은 연질목재 섬유로 바람직한 습윤 웹 인장 강도를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 적어도 약 2 중량%의 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 것은 다양한 실시양태에서 불투명도, 기공도, 흡수성, 인장 에너지 흡수, 스콧 결합/내부 결합 및/또는 인쇄 성질(예를 들어, 잉크 밀도 인쇄 모틀, 광택 모틀)을 포함하는 다른 성질을 개선할 수 있다.
또 다른 예로서, 일부 실시양태에서, 본 발명에 따르는 복수의 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 종이 제품은 바람직한 건조 인장 강도를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 적어도 5 중량%의 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 종이 제품은 바람직한 건조 인장 강도를 가질 수 있다. 약 5 내지 약 15 중량%의 본 발명에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 종이 제품은 바람직한 건조 인장 강도를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 약 5 내지 약 15 중량%의 본 발명에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 것은 표면 증강 펄프 섬유가 실질적으로 없는 동일한 방식으로 제조된 종이 제품과 비교할 때 종이 제품의 건조 인장 강도를 개선할 수 있다.
일부 실시양태에서, 적어도 약 5 중량%의 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 것은 다양한 실시양태에서 불투명도, 기공도, 흡수성 및/또는 인쇄 성질(예를 들어, 잉크 밀도 인쇄 모틀, 광택 모틀 등)을 비제한적으로 포함하는 다른 성질을 개선할 수 있다.
복수의 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 이러한 제품의 일부 실시양태에서는, 일부 경우에서 일부 성질의 개선이 포함된 표면 증강 펄프 섬유의 양보다 비례해서 더 클 수 있다. 다시 말해서, 한 예로서, 일부 실시양태에서 종이 제품이 약 5 중량%의 표면 증강 펄프 섬유를 포함하면, 상응하는 건조 인장 강도 증가가 5%보다 상당히 더 클 수 있다.
위에서 논의한 종이 제품에 추가하여, 일부 실시양태에서, 본 발명에 따르는 복수의 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 펄프는 개선된 성질, 예컨대, 비제한적으로, 개선된 표면 활성 또는 강화 퍼텐셜, 더 적은 총 고해 에너지로 더 높은 시트 인장 강도(즉, 개선된 종이 강도), 개선된 물 흡수성, 및/또는 다른 것들을 가질 수 있다.
또 다른 예로서, 일부 실시양태에서는, 약 1 내지 약 10 중량%의 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 중간 펄프 및 종이 제품(예를 들어, 플러프 펄프, 종이 등급용 강화 펄프, 티슈용 마켓 펄프, 종이 등급용 마켓 펄프 등)이 개선된 성질을 제공할 수 있다. 중간 펄프 및 종이 제품의 개선된 성질의 비제한적 예는 증가된 습윤 웹 인장 강도, 대등한 습윤 웹 인장 강도, 개선된 흡수성 및/또는 다른 것들을 포함할 수 있다.
또 다른 예로서, 일부 실시양태에서는, 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 중간 종이 제품(예를 들어, 베일 상태 펄프 시트 또는 롤 등)이 최종 제품 성능 및 성질의 불균형적 개선을 제공할 수 있고, 적어도 1 중량%의 표면 증강 펄프 섬유가 더 바람직하다. 일부 실시양태에서, 중간 종이 제품은 1 중량% 내지 10 중량%의 표면 증강 펄프 섬유를 포함할 수 있다. 이러한 중간 종이 제품의 개선된 성질의 비제한적 예는 증가된 습윤 웹 인장 강도, 대등한 습윤 웹 인장 강도에서 더 나은 탈수 성질, 유사한 경질목재 대 연질목재 비에서 개선된 강도, 및/또는 더 높은 경질목재 대 연질목재 비에서 대등한 강도를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시양태에 따르는 종이 제품 제조에서, 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유는 통상적인 종이 제조 공정에서 슬립스트림으로서 제공될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유는 통상적인 조건 하에서 통상적인 고해 플레이트를 이용해서 고해된 경질목재 섬유의 스트림과 혼합될 수 있다. 그 다음, 경질목재 펄프 섬유의 조합 스트림은 연질목재 펄프 섬유와 조합되어 통상적인 기술을 이용해서 종이를 제조하는 데 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시양태는 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 복수의 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 판지에 관한 것이다. 본 발명의 실시양태에 따르는 판지는 어느 정도 양의 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 것을 제외하고는 관련 분야의 기술자에게 알려진 기술을 이용해서 제조될 수 있고, 적어도 2%의 표면 증강 펄프 섬유가 더 바람직하다. 일부 실시양태에서, 판지는 약 2% 내지 약 3%의 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유를 이용하는 것을 제외하고는 관련 분야의 기술자에게 알려진 기술을 이용해서 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시양태는 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 복수의 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 바이오섬유 복합재(예를 들어, 섬유 시멘트 보드, 섬유 강화 플라스틱 등)에 관한 것이다. 본 발명의 섬유 시멘트 보드는 일반적으로 본 발명의 일부 실시양태에 따라서 표면 증강 펄프 섬유를 포함시키는 것을 제외하고는 관련 분야의 기술자에게 알려진 기술을 이용해서 제조할 수 있고, 적어도 3%의 표면 증강 펄프 섬유가 더 바람직하다. 일부 실시양태에서, 본 발명의 섬유 시멘트 보드는 일반적으로 약 3% 내지 약 5%의 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유를 이용하는 것을 제외하고는 관련 분야의 기술자에게 알려진 기술을 이용해서 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시양태는 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 복수의 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 물 흡수성 물질에 관한 것이다. 이러한 물 흡수성 물질은 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 이용해서 관련 분야의 기술자에게 알려진 기술을 이용해서 제조할 수 있다. 이러한 물 흡수성 물질의 비제한적 예는 플러프 펄프 및 티슈 등급 펄프를 비제한적으로 포함한다.
도 1은 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 종이 제품을 제조하는 데 이용될 수 있는 시스템의 한 전형적인 실시양태를 도시한다. 고해되지 않은 경질목재 섬유를 예를 들어 펄프 베이스 형태로 함유하는 고해되지 않는 저장기 (100)가 임시 저장기 (102)에 연결되고, 임시 저장기 (102)가 피브릴화 고해기 (104)에 선택적 폐쇄 회로 연결로 연결된다. 위에서 언급한 바와 같이, 한 특별한 실시양태에서, 피브릴화 고해기 (104)는 본원에 기술된 표면 증강 펄프 섬유를 제조하기에 적당한 매개변수로 설정된 고해기이다. 예를 들어, 피브릴화 고해기 (104)는 약 0.1 - 0.3 Ws/m의 비가장자리하중으로 작동하는, 각 원반이 1.0 ㎜의 바 폭 및 1.3 ㎜의 홈 폭을 가지는 1쌍의 고해 원반을 가지는 이중 원반 고해기일 수 있다. 섬유가 고해기 (104)를 통해 요망되는 횟수만큼 순환할 때까지, 예를 들어 약 400 - 650 kWh/톤의 에너지 소비에 달할 때까지, 임시 저장기 (102)와 피브릴화 고해기 (104) 사이에 폐쇄 회로가 유지될 수 있다.
배출 라인이 피브릴화 고해기 (104)에서부터 보관 저장기 (105)까지 연장되고, 이 라인은 섬유가 고해기 (104)를 통해 적당한 횟수만큼 순환할 때까지 그대로 페쇄된다. 보관 저장기 (105)는 통상적으로 고해된 섬유를 제조하는 통상적인 매개변수로 설정된 통상적인 고해기 (110)로부터 나가는 흐름과 연결된다. 일부 실시양태에서는, 보관 저장기 (105)가 이용되지 않고, 피브릴화 고해기 (104)가 통상적인 고해기 (110)로부터 나가는 흐름과 연결된다.
한 특별한 실시양태에서는, 또한, 통상적인 고해기 (110)가 고해되지 않는 저장기 (100)에 연결되고, 이렇게 해서 고해 공정 및 피브릴화 공정 둘 모두에서 비고해된 섬유의 단일 원천(예를 들어, 경질목재 섬유의 단일 원천)이 이용된다. 또 다른 실시양태에서는, 상이한 고해되지 않는 저장기 (112)가 통상적인 고해기 (110)에 연결되어 통상적으로 고해된 섬유를 제공한다. 이 경우, 두 저장기 (100),(112)는 그 안에 유사한 또는 상이한 섬유를 포함할 수 있다.
시스템의 상이한 요소들 사이의 모든 연결은 요구되는 경우 연결을 선택적으로 폐쇄하기 위한 밸브(나타내지 않음) 또는 다른 적당한 장비에 추가해서, 그 사이의 흐름을 요구되는 대로 강제하기 위한 펌프(나타내지 않음) 또는 다른 적당한 장비를 포함할 수 있다는 것을 이해한다. 또한, 추가의 저장기(나타내지 않음)가 이 시스템의 연속하는 요소들 사이에 위치할 수 있다.
사용시 및 특별한 실시양태에 따라서, 고해되지 않은 섬유는 예를 들어 약 0.1 - 0.3 Ws/m의 상대적으로 낮은 비가장자리하중(SEL)이 적용되는 기계식 고해 공정에 예를 들어 상기한 고해 플레이트를 통해 도입된다. 나타낸 실시양태에서, 이것은 고해되지 않은 섬유를 저장기 (100)로부터 임시 저장기 (102)로, 및 그 다음에, 피브릴화 고해기 (104)와 임시 저장기 (102) 사이로 순환시킴으로써 행해진다. 기계식 고해 공정은 예를 들어 약 450 - 650 kWh/톤의 상대적으로 높은 에너지 소비에 달할 때까지 계속된다. 나타낸 실시양태에서, 이것은 섬유가 고해기 (104)를 "n"회 통과할 때까지 피브릴화 고해기 (104)와 임시 저장기 (102) 사이에서 섬유를 재순환시킴으로써 행해진다. 한 실시양태에서, n은 적어도 3이고, 일부 실시양태에서는 6 내지 25일 수 있다. n은 예를 들어 본원에 기술된 주어진 범위 및/또는 값 내의 성질(예를 들어, 길이, 길이 가중 평균, 비표면적, 미세분 등)을 갖는 표면 증강 펄프 섬유를 제공하도록 선택될 수 있다.
그 다음, 표면 증강 펄프 섬유 흐름은 피브릴화 고해기 (104)를 나가서 보관 저장기 (105)로 흐른다. 표면 증강 펄프 섬유 흐름은 보관 저장기 (105)를 나가고, 그 다음에 통상적인 고해기 (110)에서 고해된 통상적으로 고해된 섬유의 흐름에 첨가되어 종이 제조용 제지 원료 조성물을 얻는다. 제지 원료 조성물에서 표면 증강 펄프 섬유와 통상적으로 고해된 섬유 사이의 비율은 제조되는 종이의 적당한 성질을 허용하는 표면 증강 펄프 섬유의 최대 비율에 의해 제한될 수 있다. 한 실시양태에서는, 제지 원료 조성물의 섬유 함량의 약 4 내지 15%가 표면 증강 펄프 섬유에 의해 형성된다(즉, 제지 원료 조성물에 존재하는 섬유의 약 4 내지 15%가 표면 증강 펄프 섬유이다). 일부 실시양태에서는, 제지 원료 조성물에 존재하는 섬유의 약 5 내지 약 10%가 표면 증강 펄프 섬유이다. 표면 증강 펄프 섬유의 다른 비율이 본원에 기술되어 있고, 이용될 수 있다.
그 다음, 고해된 섬유와 표면 증강 펄프 섬유의 제지 원료 조성물이 제지 공정의 나머지에 전달되고, 여기서는 관련 분야의 기술자에게 알려진 기술을 이용해서 종이가 형성될 수 있다.
도 2는 피브릴화 고해기 (104)가 직렬로 배열된 2 개의 고해기 (202),(204)로 대체된 도 1에 나타낸 전형적인 실시양태의 변형을 도시한다. 이 실시양태에서는, 초기 고해기 (202)가 상대적으로 덜 미세한 초기 고해 단계를 제공하고, 제2 고해기 (204)가 계속해서 섬유를 고해하여 표면 증강 펄프 섬유를 제공한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 섬유가 고해기 (204)를 통해 요망되는 횟수만큼 순환할 때까지, 예를 들어 요망되는 에너지 소비에 달할 때까지, 섬유가 제2 고해기 (204)에서 재순환될 수 있다. 별법으로, 제2 고해기 (204)에서 섬유를 재순환시키는 대신, 섬유를 더 고해하기 위해 제2 고해기 (204) 다음에 추가의 고해기가 직렬로 배열될 수 있고, 요망되는 경우, 이러한 고해기는 재순환 루프를 포함할 수 있다. 도 1에는 나타내지 않지만, 초기 고해기 (202)의 에너지 출력 및 초기 고해 단계에서 섬유에 적용되는 요망되는 에너지에 의존해서, 일부 실시양태는 제2 고해기 (204)로 운반 전에 초기 고해기 (202)를 통한 섬유의 재순환을 포함할 수 있다. 고해기의 수, 잠재적인 재순환 이용, 및 표면 증강 펄프 섬유를 제공하기 위한 고해기의 배열과 관련된 다른 결정들은 이용가능한 제조 공간의 양, 고해기의 비용, 제조사가 이미 소유한 고해기, 고해기의 잠재적 에너지 출력, 고해기의 요망되는 에너지 출력 및 다른 요인을 포함하는 많은 요인에 의존할 수 있다.
한 비제한적 실시양태에서, 초기 고해기 (202)는 각 원반이 1.0 ㎜의 바 폭 및 2.0 ㎜의 홈 폭을 가지는 1쌍의 고해 원반을 이용할 수 있다. 제2 고해기 (204)는 각 원반이 1.0 ㎜의 바 폭 및 1.3 ㎜의 홈 폭을 가지는 1쌍의 고해 원반을 가질 수 있다. 이러한 실시양태에서는, 섬유가 제1 고해기에서 0.25 Ws/m의 비가장자리하중으로 약 80 kWh/톤의 총 에너지 소비에 달할 때까지 고해될 수 있다. 그 다음, 섬유가 제2 고해기 (204)에 운반될 수 있고, 여기서는 0.13 Ws/m의 비가장자리하중으로 약 300 kWh/톤의 총 에너지 소비에 달할 때까지 섬유가 고해되고 재순환될 수 있다.
도 2에 나타낸 시스템 실시양태의 나머지 단계 및 특징은 도 1과 동일할 수 있다.
이제, 본 발명의 다양한 비제한적 실시양태를 다음 비제한적 예에서 예시할 것이다.
실시예
실시예 I
이 실시예에서는, 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 습윤 웹 강도 증강에 있어서의 그의 가능성에 대해 평가하였다. 습윤 웹 강도가 일반적으로 펄프 섬유의 종이 기계 작업성과 상관 있다는 것을 이해한다. 기준점으로서, 통상적으로 고해된 연질목재 섬유는 주어진 여수도에서 통상적으로 고해된 경질목재 섬유의 습윤 웹 강도의 2 배를 가진다. 예를 들어, 400 CSF의 여수도에서, 통상적으로 고해된 연질목재 섬유로부터 형성되는 습윤 종이 시트는 200 m의 습윤 웹 인장 강도를 가지는 반면, 통상적으로 고해된 경질목재 섬유로부터 형성되는 습윤 종이 시트는 100 m의 습윤 웹 인장 강도를 가질 것이다.
아래의 실시예에서는, 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 통상적으로 고해된 경질목재 섬유 및 통상적으로 고해된 연질목재 섬유의 혼합물을 포함하는 대표적 종이 등급 지료에 첨가하였다. 경질목재 섬유, 연질목재 섬유 및 표면 증강 펄프 섬유의 상대적인 양을 표 1 및 2에 명시하였다.
표 1은 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 실시예 1 - 8의 습윤 웹 성질을 통상적으로 고해된 경질목재 섬유 및 연질목재 섬유로만 형성된 대조예 A와 비교한다. 대조예 A 및 실시예 1 - 8에서 이용되는 통상적으로 고해된 경질목재 섬유는 435 mL CSF로 고해된 남부 경질목재 섬유였다. 대조예 A 및 실시예 1 - 8에서 이용되는 통상적으로 고해된 연질목재 섬유는 601 mL CSF로 고해된 남부 연질목재 섬유였다.
실시예 1 - 8에서 이용되는 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유는 대표적인 고해되지 않은 남부 경질목재 섬유로부터 형성하였다. 고해되지 않은 경질목재 섬유를 0.2 Ws/m의 비가장자리하중으로 작동하는, 각 원반이 1.0 ㎜의 바 폭 및 1.3 ㎜의 홈 폭을 가지는 1쌍의 고해 원반을 갖는 원반 고해기에 도입하였다. 400 또는 600 kWh/톤(표 1에 명시됨)의 에너지 소비에 달할 때까지 섬유를 회분으로서 고해하였다. 400 kWh/톤의 에너지 소비에 달할 때까지 고해된 표면 증강 펄프 섬유는 0.81 ㎜의 길이 가중 평균 섬유 길이를 가졌고, 600 kWh/톤의 에너지 소비에 달할 때까지 고해된 표면 증강 펄프 섬유는 0.68 ㎜의 길이 가중 평균 섬유 길이를 가졌다. 길이 가중 평균 섬유 길이는 LDA 96 파이버 퀄리티 어낼라이저를 이용해서 파이버 퀄리티 어낼라이저에 첨부된 매뉴얼에 명시된 절차에 따라서 측정하였다. 길이 가중 평균 섬유 길이는 위에서 제공된 (Lw)에 관한 식을 이용해서 계산하였다.
이 회분들로부터의 일부 표면 증강 펄프 섬유의 습윤 웹 인장 강도는 이 회분들로부터의 다른 표면 증강 펄프 섬유를 통상적으로 고해된 경질목재 섬유 및 통상적으로 고해된 연질목재 섬유와 조합하여 핸드시트를 형성하기 전에 및 실시예 1 - 8과 관련하여 아래에 제시된 바와 같은 평가를 위해 개별적으로 평가하였다. 대표적 종이 등급 지료는 표면 증강 펄프 섬유를 이용해서 제조하였다. 지료로부터 스탠더드 20 GSM(g/㎡) 핸드시트를 형성하였고, 캐나다펄프제지기술협회(Pulp and Paper Technical Association of Canada; "PAPTAC") 스탠더드 D.23P에 따라서 30% 건조도에서 습윤 웹 강도에 대해 시험하였다. 400 kWh/톤의 에너지 소비에 달할 때까지 고해된 표면 증강 펄프 섬유로부터 형성된 핸드시트는 8.91 ㎞의 습윤 웹 인장 강도를 가졌다. 600 kWh/톤의 에너지 소비에 달할 때까지 고해된 표면 증강 펄프 섬유로부터 형성된 핸드시트는 9.33 ㎞의 습윤 웹 인장 강도를 가졌다.
대표적인 종이 등급 지료는 명시된 양의 경질목재 섬유, 연질목재 섬유 및 표면 증강 펄프 섬유를 이용해서 제조하였다. 스탠더드 60 GSM(g/㎡) 핸드시트를 지료로부터 형성하였고, 캐나다펄프제지기술협회(PAPTAC) 스탠더드 D.23P에 따라서 30% 건조도에서 습윤 웹 강도에 대해 시험하였다. 시험 결과를 표 1에 제공하였고, "Hwd"는 통상적으로 고해된 경질목재 섬유를 의미하고, "Swd"는 통상적으로 고해된 연질목재 섬유를 의미하고, "SEPF"는 본 발명의 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 의미하고, "SEPF 고해 에너지"는 표면 증강 펄프 섬유를 형성하는 데 이용되는 고해 에너지를 의미하고, "WW 인장 %증가"는 대조예 A와 비교한 습윤 웹 인장 강도의 증가를 의미하고, "습윤 웹 TEA"는 습윤 웹 인장 에너지 흡수를 의미한다. 대조예 A 및 실시예 1 - 8에서는 동일한 통상적으로 고해된 경질목재 섬유 및 통상적으로 고해된 연질목재 섬유를 이용하였다.
실시예 섬유 함량 SEPF
고해 에너지
(kWh/톤)		 습윤 웹 인장
(m)		 WW 인장
%증가		 습윤 웹 신장
(m)		 습윤 웹 TEA
(J/㎡)
대조예 A 60% Hwd
40% Swd		 - 142 - 7.3 4.4
1 55% Hwd
40% Swd
5% SEPF		 400 154 8 9.6 7.3
2 50% Hwd
40% Swd
10% SEPF		 400 178 25 13.0 7.3
3 65% Hwd
30% Swd
5% SEPF		 400 157 11 9.5 6.4
4 70% Hwd
20% Swd
10% SEPF		 400 177 25 9.6 6.8
5 55% Hwd
40% Swd
5% SEPF		 600 171 20 10.4 7.3
6 50% Hwd
40% Swd
10% SEPF		 600 213 50 14.4 10.3
7 65% Hwd
30% Swd
5% SEPF		 600 154 8 7.5 5.1
8 70% Hwd
20% Swd
10% SEPF		 600 180 27 7.5 7.5
위에 나타낸 바와 같이, 5%의 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유의 첨가는 습윤 웹 인장 강도를 8 - 20% 증가시킬 수 있다. 마찬가지로, 10%의 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유의 첨가는 습윤 웹 인장 강도를 21 - 50% 증가시킬 수 있다.표 2는 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 실시예 9 - 13의 습윤 웹 성질을 통상적으로 고해된 경질목재 섬유 및 연질목재 섬유로만 형성된 대조예 B와 비교한다. 대조예 B 및 실시예 9 - 13에서 이용되는 통상적으로 고해된 경질목재 섬유는 247 mL CSF로 고해된 북부 경질목재 섬유였다. 대조예 B 및 실시예 9 - 13에서 이용되는 통상적으로 고해된 연질목재 섬유는 259 mL CSF로 고해된 북부 연질목재 섬유였다.
실시예 9 - 13에서 이용되는 표면 증강 펄프 섬유는 대표적인 고해되지 않은 남부 경질목재 섬유로부터 형성하였다. 고해되지 않은 경질목재 섬유를 0.2 Ws/m의 비가장자리하중으로 작동하는, 각 원반이 1.0 ㎜의 바 폭 및 1.3 ㎜의 홈 폭을 가지는 1쌍의 고해 원반을 갖는 원반 고해기에 도입하였다. 섬유를 400 kWh/톤 또는 600 kWh/톤의 에너지 소비에 달할 때까지(표 2에 명시됨) 회분으로서 고해하였다.
대표적인 종이 등급 지료는 명시된 양의 경질목재 섬유, 연질목재 섬유, 및 표면 증강 펄프 섬유를 이용해서 제조하였다. 스탠더드60 GSM(g/㎡) 핸드시트를 지료로부터 형성하고, PAPTAC 스탠더드 D.23P에 따라서 30% 건조도에서 습윤 웹 강도에 대해 시험하였다. 시험 결과를 표 2에 제공하였고, "Hwd"는 통상적으로 고해된 경질목재 섬유를 의미하고, "Swd"는 통상적으로 고해된 연질목재 섬유를 의미하고, "SEPF"는 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 의미하고, "SEPF 고해 에너지"는 표면 증강 펄프 섬유를 형성하는 데 이용되는 고해 에너지를 의미하고, "WW 인장 %증가"는 대조예 B와 비교한 습윤 웹 인장 강도의 증가를 의미하고, "습윤 웹 TEA"는 습윤 웹 인장 에너지 흡수를 의미한다. 대조예 B 및 실시예 9 - 13에서는 동일한 통상적으로 고해된 경질목재 섬유 및 통상적으로 고해된 연질목재 섬유를 이용하였다.
실시예 섬유 함량 SEPF
고해 에너지
(kWh/톤)		 습윤 웹 인장
(m)		 WW 인장
%증가		 습윤 웹 신장
(m)		 습윤 웹 TEA
(J/㎡)
대조예 B 50% Hwd
50% Swd		 - 279 - 9.7 13.1
9 25% Hwd
50% Swd
25% SEPF		 400 405 45 12.6 17.8
10 10% Hwd
40% Swd
50% SEPF		 400 2158 673 13.6 26.6
11 25% Hwd
50% Swd
25% SEPF		 600 2103 654 13.6 24.0
12 10% Hwd
40% Swd
50% SEPF		 600 2172 678 13.5 27.7
13 40% Hwd
50% Swd
10% SEPF		 400 359 29 11.7 15.7
위에 나타낸 바와 같이, 25%의 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유의 첨가는 습윤 웹 인장 강도를 45 - 653% 증가시킬 수 있다. 마찬가지로, 50%의 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유의 첨가는 습윤 웹 인장 강도를 673% 이상 증가시킬 수 있다.요약하면, 실시예 1 - 13은 표면 증강 펄프 섬유가 지료에 포함될 때, 지료로부터 형성된 습윤 종이 시트의 습윤 웹 인장 강도가 증강된다는 것을 명료하게 나타낸다. 마찬가지로, 이것은 예를 들어 개선된 작업성, 지료에 더 적은 양의 연질목재 섬유로 동등한 또는 개선된 작업성, 기계 작업성에 영향을 주지 않으면서 지료에 증가된 충전제, 및 다른 것들을 포함해서 종이 기계 작업을 위한 많은 잠재적 이익을 나타낸다.
실시예 II
이 실시예에서는, 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 포함하는 종이 샘플을 제조하고, 표면 증강 펄프 섬유의 포함과 관련된 잠재적 이익을 결정하기 위해 시험하였다.
아래 실시예에서는, 경질목재 섬유, 연질목재 섬유 및 표면 증강 펄프 섬유의 상대적인 양만 다르게 하여 종이 제조 기술을 이용해서 종이 샘플을 제조하였다. 대조예 C 및 실시예 14 - 15에서 이용되는 통상적으로 고해되는 경질목재 섬유는 약 50 kWh/톤의 에너지 소비에 달할 때까지 고해된 남부 경질목재 섬유였다. 대조예 C 및 실시예 14 - 15에서 이용되는 통상적으로 고해된 연질목재 섬유는 약 100 kWh/톤의 에너지 소비에 달할 때까지 고해된 남부 연질목재 섬유였다.
실시예 14 - 15에서 이용되는 표면 증강 펄프 섬유는 대표적인 고해되지 않은 남부 경질목재 섬유로부터 형성하였다. 고해되지 않은 경질목재 섬유를 직렬로 정렬된 2 개의 원반 고해기에 도입하였다. 각 원반이 1.0 ㎜의 바 폭 및 2.0 ㎜의 홈 폭을 가지는 1쌍의 고해 원반을 가졌다. 제2 고해기는 각 원반이 1.0 ㎜의 바 폭 및 1.3 ㎜의 홈 폭을 가지는 1쌍의 고해 원반을 가졌다. 제1 고해기에서 0.25 Ws/m의 비가장자리하중으로 섬유를 고해한 후 제2 고해기에서 0.13 Ws/m의 비가장자리하중으로 약 400 kWh/톤의 총 에너지 소비에 달할 때까지 섬유를 고해하였다. 표면 증강 펄프 섬유의 길이 가중 평균 섬유 길이는 0.40 ㎜인 것으로 측정되었고, 여기서 표면 증강 펄프 섬유의 수는 오븐 건조 기준으로 12000 섬유/㎎이었다. 길이 가중 평균 섬유 길이는 LDA 96 파이버 퀄리티 어낼라이저를 이용해서 파이버 퀄리티 어낼라이저에 첨부된 매뉴얼에 명시된 절차에 따라서 측정하였다. 길이 가중 평균 섬유 길이는 위에서 제공된 Lw에 관한 식을 이용해서 계산하였다.
대표적인 종이 등급 지료는 명시된 양의 경질목재 섬유, 연질목재 섬유 및 표면 증강 펄프 섬유를 이용해서 제조하였다. 그 다음, 지료를 통상적인 제조 기술을 이용해서 종이 샘플로 가공하였다. 종이 샘플은 69.58 g/㎡(대조예 C), 70.10 g/㎡(실시예 14), 및 69.87 g/㎡(실시예 15)의 기초중량을 가졌다. 종이 샘플을 벌크, 인장 강도, 다공도 및 강성, 밝기, 불투명도 및 다른 성질에 대해 시험하였다. 또한, 종이 샘플을 그의 전체 인쇄 성능을 평가하기 위해 상업용 인쇄 시험을 위해 보냈다. 기계 방향 및 교차 방향에서의 인장 강도를 PAPTAC 절차 D.12에 따라서 측정하였다. PAPTAC 절차 D.14에 따라서 걸리 덴소미터(Gurley Densometer)를 이용하여 기공도를 측정하였다. 기계 방향 및 교차 방향에서의 강성은 PAPTAC 절차 D.28P에 따라서 테이버(Taber) 유형 시험기를 이용해서 측정하였다. 표 3에 보고된 다른 성질들은 각각 적당한 PAPTAC 시험 절차에 따라서 측정하였다. 시험 결과를 표 3에 제공하였고, "Hwd"는 통상적으로 고해된 경질목재 섬유를 의미하고, "Swd"는 통상적으로 고해된 연질목재 섬유를 의미하고, "SEPF"는 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유를 의미하고, 다양한 성질과 관련해서 "md"는 기계 방향에서의 성질의 값을 의미하고, 다양한 성질과 관련해서 "cd"는 교차 방향에서의 성질의 값을 의미한다.
대조예 C 실시예 14 실시예 15
섬유 함량 78% Hwd
22% Swd
 75% Hwd
20% Swd
5% SEPF		 85% Hwd
5% Swd
10% SEPF
벌크 (cm3/g) 1.41 1.45 1.43
파열 지수
(kPa·m2/g)		 2.72 2.73 2.75
인열 지수(4-겹),md
(mN·m2/g)		 6.13 6.17 6.05
인열 지수 (4-겹),cd
(mN·㎡/g)		 6.87 7.08 6.49
인장 지수, md
(N·m/g)		 69.1 68.4 68.9
인장 지수, cd
(N·m/g)		 33.2 32.5 33.8
인장, md (km) 7.04 6.97 7.02
인장, cd (km) 3.38 3.32 3.44
신장, md (%) 1.69 1.65 1.70
신장, cd (%) 5.24 5.46 5.49
인장에너지 흡수, md
(J/m2)		 52.8 51.7 53.6
인장에너지 흡수, cd
(J/m2)		 86.8 91.4 94.8
기공도, 걸리 (sec/100 mL) 15 19 20
강성, 테이버, md
(g·m)		 2.12 2.36 2.40
강성, 테이버, cd
(g·m)		 1.28 1.30 1.30
내부결합, md
(0.001 ft·lb/in2)		 214 223 220
내부결합, cd
(0.001 ft·lb/in2)		 225 246 233
Figure pat00004
표 3의 데이터는 10%의 본 발명의 일부 실시양태에 따르는 표면 증강 펄프 섬유의 첨가로 종이 샘플에서 연질목재 섬유의 양을 22%에서 5%로 감소시킬 수 있고, 종이의 캘리퍼 및 물리적 강도 성질을 종이 등급의 규격 내에서 유지하고 종이 기계의 탈수 및 작업성에 영향을 주지 않는다는 것을 입증한다.
실시예 III
이 실시예에서는 다양한 표면 증강 펄프 섬유의 평균 수력학적 비표면적을 측정하였다. 이 실시예 중 일부는 본 발명의 표면 증강 펄프 섬유의 실시양태를 나타내고, 반면에 일부는 그렇지 않다.
실시예 16 - 30에서 이용되는 표면 증강 펄프 섬유는 대표적인 고해되지 않은 남부 경질목재 섬유로부터 형성하였다. 고해되지 않은 경질목재 섬유를 0.25 Ws/m의 비가장자리하중으로 작동하는 1쌍의 고해 원반을 갖는 원반 고해기에 도입하였다. 아래 표 4에 제시된 바와 같이, 경질목재 섬유 중 일부는 1.0 ㎜의 바 폭 및 1.3 ㎜의 홈 폭을 가지는 원반을 이용해서 고해하였고, 일부는 1.0 ㎜의 바 폭 및 2.0 ㎜의 홈 폭을 가지는 원반을 이용해서 고해하였다. 섬유를 회분으로서 표 4에 명시된 에너지 소비에 달할 때까지 고해하였다.
표면 증강 펄프 섬유의 수력학적 비표면적을 http://www.tappi.org/Hide/Events/12PaperCon/Papers/12PAP116.aspx에서 입수가능한 [Characterizing the drainage resistance of pulp and microfibrillar suspensions using hydrodynamic flow measurements, N. Lavrykova-Marrain and B. Ramarao, TAPPI's PaperCon 2012 Conference]에 명시된 절차에 따라서 측정하였다. 결과를 하기 표 4에 제공하였다.
실시예 원반 치수(바 폭 x 홈 폭) SEPF 고해 에너지
(kWh/톤)		 평균 수력학적 비표면적
(㎡/g)
16 1.0 mm x 1.3 mm 0 1.9
17 1.0 mm x 1.3 mm 41 2.8
18 1.0 mm x 1.3 mm 82 3.3
19 1.0 mm x 1.3 mm 123 4.9
20 1.0 mm x 1.3 mm 165 6.9
21 1.0 mm x 1.3 mm 206 8.2
22 1.0 mm x 1.3 mm 441 23.3
23 1.0 mm x 1.3 mm 615 48.7
24 1.0 mm x 2.0 mm 0 1.9
25 1.0 mm x 2.0 mm 40 2.2
26 1.0 mm x 2.0 mm 80 3.5
27 1.0 mm x 2.0 mm 120 4.6
28 1.0 mm x 2.0 mm 160 6.3
29 1.0 mm x 2.0 mm 200 13.5
30 1.0 mm x 2.0 mm 400 16.2
표 4로부터의 데이터는 고해기 플레이트의 더 미세한 바가 더 큰 피브릴화 및 더 높은 비표면적을 달성하는 결과를 가져온다는 것을 입증한다.
일반 원리
반대로 지시되지 않으면, 본 명세서에 제시된 수치 매개변수는 본 발명이 얻고자 하는 요망되는 성질에 의존해서 달라질 수 있는 근사치이다. 적어도, 특허청구범위의 범위에 균등론 적용을 제한하려는 시도 없이, 각 수치 매개변수는 적어도 보고된 유효숫자의 수에 비추어서 보통의 반올림 기술을 적용함으로써 해석해야 한다.
본 발명의 넓은 범위를 제시하는 수치 범위 및 매개변수가 근사치임에도 불구하고, 구체적인 예에 제시된 수치 값은 가능한 한 정확하게 보고한다. 그러나, 어떠한 수치 값도 본래 각각의 시험 측정에서 발견되는 표준편차에 필연적으로 기인하는 어느 정도의 오차를 함유한다. 게다가, 본원에 게재된 모든 범위가 그 안에 포괄되는 모든 하위범위를 포함한다는 것을 이해한다. 예를 들어, "1" 내지 "10"이라는 언급된 범위는 최소값 1과 최대값 10 사이(최소값 1 및 최대값 10을 포함함)의 모든 하위범위, 즉, 1 또는 그 초과, 예를 들어 1 내지 6.1의 최소값부터 시작하여 10 또는 그 미만, 예를 들어 5.5 내지 10의 최대값으로 끝나는 모든 하위범위를 포함하는 것으로 여겨야 한다. 추가로, "본원에 포함되는"이라고 하는 어떠한 언급도 전부가 포함되는 것으로 이해해야 한다.
추가로, 명확하게 및 명료하게 하나의 지시 대상으로 제한되지 않으면, 본 명세서에 이용되는 단수형은 복수 지시대상을 포함한다는 것을 주목한다.
본 설명이 본 발명의 명료한 이해에 적절한 본 발명의 측면을 예시한다는 것을 이해한다. 본 설명을 단순화하기 위해 관련 분야의 통상의 기술자에게 명백하고 따라서 본 발명의 더 나은 이해를 촉진하지 않는 본 발명의 일부 측면은 제시하지 않았다. 본 발명을 일부 실시양태와 관련해서 기술하였지만, 본 발명이 게재된 특별한 실시양태에 제한되지 않고, 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 정신 및 범위 내에 있는 변형을 포함하는 것을 의도한다.

Claims (7)

  1. 복수의 경질 목재 펄프 섬유이며,
    길이 가중 평균 섬유 길이는 적어도 0.3 mm이고,
    평균 수력학적 비표면적은 적어도 10 ㎡/g인, 경질 목재 펄프 섬유.
  2. 제1항에 있어서,
    경질 목재 펄프 섬유의 수는 오븐 건조 기준으로 적어도 12,000 섬유/mg인, 경질 목재 펄프 섬유.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 경질 목재 펄프 섬유는 적어도 0.4 mm의 길이 가중 평균 섬유 길이를 갖는, 경질 목재 펄프 섬유.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 경질 목재 펄프 섬유는 적어도 12 ㎡/g의 평균 수력학적 비표면적을 갖는, 경질 목재 펄프 섬유.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 경질 목재 펄프 섬유는 적어도 0.35 mm의 길이 가중 평균 섬유 길이를 갖는, 경질 목재 펄프 섬유.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 경질 목재 펄프 섬유는, 0.2 ㎜ 이하의 길이를 가지는 섬유가 미세분으로 분류될 때, 40% 미만의 길이 가중 미세분 값을 갖는, 경질 목재 펄프 섬유.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 경질 목재 펄프 섬유는, 0.2 ㎜ 이하의 길이를 가지는 섬유가 미세분으로 분류될 때, 22% 미만의 길이 가중 미세분 값을 갖는, 경질 목재 펄프 섬유.
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