具有高内结合强度的低密度多层纸板的制造方法

专利名称：具有高内结合强度的低密度多层纸板的制造方法
技术领域：
本申请涉及提高多层(multi-ply)纸板的结合强度，所述多层纸板具有存在于至少一层内的高交联纤维素纤维。
发明概述本申请涉及提高纸板的内结合强度，所述纸板在至少一层中具有高于25％的交联纤维。在本方法中，以各种组合和顺序向浆料中加入添加剂，同时将浆料的离子需求量(ionic demand)保持在低于0。得到了具有高ZDT、高Scott Bond和高Taber刚度的纸板。


图1所示为各种化学物的添加对3％-3.2％浆料的离子需求量的影响。
图2所示为化学物的添加对采用聚丙烯酸交联纤维素纤维的中间层模拟物(mid-ply simulation)的离子需求量的影响。
图3所示为化学物的添加对采用柠檬酸交联纤维素纤维的中间层模拟物的离子需求量的影响。
图4所示为适合于实施本发明方法的成浆池(machine chest)和添加剂进入点的图解表示。
图5表示适合多层产品的多层纸板机。

发明内容
在内层含有高于约25％交联纤维素纤维的单或多层纸板中，层(stratum)的密度会降至0.4g/cm3以下。其结果使内结合强度降至如此低，以至不仅远低于将纸板转化成包装产品所需的水平，而且在常规提高内部强度的方法不能提供足以满足转化所需的最低水平的强度提高的水平以下。本申请提供了提高低密度纸板内结合强度的方法，使其内结合强度重新提高至可用于转化的范围。
本申请中，在生产低密度纸板的同时验证了高浓度的湿端添加剂的使用。
本申请的区别特征在于，无论是单层或是多层结构的纸板，其至少一层含有交联纤维素纤维和用于补偿因加入交联纤维素纤维而致的纸板强度损失的强度提高添加剂，所述添加剂例如阴离子和阳离子淀粉。交联纤维素纤维提高了板的绝缘纸板特性的堆积密度。纸板还含有化学纸浆纤维。如本文所定义，可用于本申请的化学纸浆纤维主要源自木浆。适合用于本申请的木浆纤维可由公知化学方法得到，例如具有或不具有后续漂白的牛皮纸浆制法和亚硫酸盐制浆方法。可使用软木和硬木。选择木浆纤维的详情对本领域技术人员是公知的。例如，可用于本申请的、产自南方松的合适纤维素纤维可购自包括Weyerhaeuser Company的多个公司，商品名为C-Pine、Chinook、CF416、FR416和NB416。漂白的Kraft Douglas Fir纸浆、KKT、Prince AlbertSoftwood和Grande Prairie Softwood是可使用的北方软木的实例，其全部由Weyerhaeuser制造。当与交联纤维素纤维一道使用时，由BuckeyeTechnologies，Memphis TN制造的丝光化纤维例如HPZ和丝光化快干纤维例如HPZ III，以及可购自Rayonier Performance Fibers Division，Jessup，GA的Porosinier-J-HP也适合用于本申请中。其他非交联纤维素纤维包括化学热磨机械浆纤维(CTMP)、漂白化学热磨机械浆纤维(BCTMP)、热磨机械浆纤维(TMP)、盘磨木浆(refiner groundwoodpulp)纤维、磨木浆纤维、由Weyerhaeuser，Federal Way，WA制造的TMP(热磨机械浆)，以及购自NORPAC，Longview，WA、商品名为CTMPNORPAC Newsprint Grade的CTMP(化学热磨机械浆)，由Weyerhaeuser Company通过2004年8月20日提交的美国申请10/923,447所述方法制造的喷射干燥纤维素纤维以及处理的喷射干燥纤维素纤维。这些纤维被缠绕成结并卷曲。其他的纤维包括快干纤维和处理的快干纤维，如美国专利6,837,970中所述。
适合用于制造交联纤维的交联剂包括羧酸交联剂例如多元羧酸。多元羧酸交联剂(例如柠檬酸、丙烷三羧酸和丁烷四羧酸)和催化剂如美国专利3,526,048；4,820,307；4,936,865；4,975,209和5,221,285中所述。将含有至少三个羧基的C2-C9多元羧酸(例如柠檬酸和氧二琥珀酸)用作交联剂描述于美国专利5,137,537；5,183,707；5,190,563；5,562,740和5,873,979中。
聚合多元羧酸也是适合制造交联纤维的交联剂。其包括如美国专利4,391,878；4,420,368；4,431,481；5,049,235；5,160,789；5,442,899；5,698,074；5,496,476；5,496,477；5,728,771；5,705,475和5,981,739中所述的聚合多元羧酸交联剂。作为交联剂的聚丙烯酸及其相关共聚物描述于美国专利5,549,791和5,998,511中。聚马来酸交联剂描述于美国专利5,998,511和美国专利申请第09/886,821号中。在本工作中使用作为柠檬酸交联纤维素纤维的CHB405和作为聚丙烯酸交联纤维素纤维的CHB505，二者均可购自Weyerhaeuser Company，Federal Way，WA。
在单或多层纸板结构中，采用了木浆纤维和交联纤维素纤维的混合物。在一个实施方案中，交联纤维素纤维存在于至少一层中，其水平为板层纤维总重的25％-80％。在另一实施方案中，交联纤维的存在水平为板层纤维总重的40％-75％，在另一实施方案中，其存在水平为板层纤维总重的50％-70％。
发明人制作了单层手抄纸(handsheet)，用以模拟低密度多层纸板的中间层。在该研究中采用了0.015％至0.035％稠度的浆料。手抄纸制造设备是标准的8”×8”片料成型模，其以扩展的流浆箱(headbox)进行修改，从而可使用两倍的原料正常体积。在采用用于产生高膨(high bulk)材料例如交联纤维素纤维时，该修改对于改进手抄纸的形成是必要的。纤维重量表示为纤维总干重的重量百分比；添加剂基于纤维的干重。
采用不同水平的湿端(wet end)添加剂和不同添加顺序制造了一系列手抄纸，用以验证可由填充料片(web)的淀粉所产生的内结合强度水平。以经过每一样品行的顺序将添加剂加入浆料中，并在每次添加后搅拌浆料。阴离子淀粉AvebeAP25购自Carolina Starches，NorthCharleston，SC，阳离子淀粉Stay-Lok300和Stay-Lok330购自Tateand Lyle，Decatur的子公司A.E.Staley，IL Kymene购自Hercules，Wilmington DE，RediBOND3050购自National Starch，IndianapolisIN。然后以购自Celanese Ltd.，Houston，TX的聚乙烯醇(PVA)涂料Celvol V24203涂覆各手抄纸。总涂料重量为约50g/m2，并等量地分配至纸片的各侧面。将涂料添加至表面，以便于Z向张力(ZDT)和InternalScott Bond的测定，因为无涂料的低密度结构倾向于在带子(tape)处而不是纸片内分离开。对各纸片评价数个物理性能，包括基重、ZDT、Internal Scott Bond和Taber刚度(15°)。如下表I示出了这些关键特性的结果。
表I 手抄纸配方和添加顺序

D.Fir，Douglas Fir
ZDT(Z向张力)强度由TAPPI方法T 541om-05确定，Scott Bond强度由TAPPI 569om-00确定，Taber刚度由TAPPI T 489om-04确定。
样品1是用于制造(deliver)低密度纸并使用常规湿化学法的纤维配方。其结果ZDT和Scott Bond极低。样品2表明通过向配料中加入4％的总淀粉，ZDT和Scott Bond基本上加倍。样品3表明当将阴离子淀粉用量加倍，将阳离子淀粉保持恒定并采用比该阳离子淀粉(+0.3毫当量(meq)/克，表III)具有更高离子需求量的阳离子聚合物(+2.2毫当量/g)，用于平衡另外的阴离子电荷时，其结果内结合进一步提高，ZDT比对照提高了500％；Scott Bond几乎加倍。
数据表明，阴离子淀粉与阳离子固定剂相结合使得淀粉可有效保持于湿端。如此处所定义，固定剂是以离子方式通过离子键结合至相反电荷分子的带电聚合物。固定剂的实例包括但不限于阳离子淀粉、多胺、Polyaluminum chloride(PAC)、poly DADMAC(聚二烯丙基二甲基氯化铵)、EPEDMA、Kymene、PAAE(聚酰胺胺-表氯醇)，PASS(polyaluminiumsilicasulate)，PEI(聚乙撑亚胺)和阳离子聚丙烯酰胺。
在一个实施方案中，将阳离子固定剂加入至浆料中，然后加入阴离子淀粉，随后加入阳离子淀粉。在各情况下，加入添加剂后，浆料的离子需求量低于0。在另一实施方案中，在加入阴离子淀粉之前向浆料中加入阳离子淀粉，并在加入阴离子淀粉之后加入阳离子固定剂。在另一实施方案中，将阳离子固定剂加入浆料中，并在加入阳离子固定剂之后将阴离子淀粉加入浆料中。在各情况下，阴离子淀粉加入浆料中，然后加入阳离子淀粉。加入淀粉之后浆料的离子需求量低于0。
在一个实施方案中，以2.5磅/吨至20磅/吨的水平加入Kymene。在另一实施方案中，其以5磅/吨至15磅/吨的水平加入，在另一实施方案中，其以8磅/吨至10磅/吨的水平加入。
通常，淀粉装载量对15°弯曲时的taber刚度的影响小。对于单层手抄纸这是合理的，因为厚度(caliper)是影响弯曲刚度的主要变量。淀粉装载量对密度的影响足够小，以至由于淀粉装载带来的纸片的弹性模数增长补偿了厚度的小变化。在多层料片中预计会有相同的反应。
不同阴离子和阳离子淀粉的比较表II示出了本研究制作手抄纸中所用的基本配方和条件。
表II.手抄纸配方、添加顺序和纸片性能

所有的样品在添加阴离子淀粉之前均添加了5磅/吨Kymene，并在添加阳离子淀粉Sta-Loc330之后均添加了4.5磅/吨Aquapel。
在这些研究中，阴离子和阳离子淀粉的添加水平以及淀粉的离子需求量均有变化。离子需求量是指要使给定体积的配料的净电荷达到0所需的电荷数量(正或负)。阳离子需求量是指要使样品净电荷为0所需的阳离子电荷量。具有阳离子需求量的样品是净阴离子的。阴离子需求量是指要使样品净电荷为0所需的阴离子电荷量。具有阴离子需求量的样品是净阳离子的。
将AniofaxAP25(-0.25毫当量/克离子需求量)与具有约-0.19毫当量/克的更低离子需求量的Hercules RediBOND3050调换。另外将离子需求量为+0.30毫当量/克的Sta-Loc300换成离子当量约+0.41毫当量/克的Sta-Lok330。表II中所示结果表明，与AniofaxAP25相等质量的RediBOND3050会使ZDT降低约10％。这一减少相信是由于RediBOND3050更低的电荷贡献使得随后加入的淀粉的保留更低。但是，Scott Bond和Taber刚度的变化几乎相同(样品序号5vs.6，7vs.8和9vs.10)。
离子需求量平衡该技术依赖于在造纸机的湿端平衡离子需求量的能力，从而1)阴离子聚合材料能保留在纤维和细粉(fines)上，而不会过度残留在水系中，2)纤维和体系不会经过使保留和排水(drainage)不稳定的0电荷点，3)由于纸浆纤维是阴离子的，可加入一些阳离子材料，但加入过量离子材料而不平衡过量阴离子需求量则会使纤维发生絮凝而减少成形(flocculate reducing formation)，和/或引起排水下降，从而影响运转性能。
1.使用仪器背面上的电源开关打开Mutek。
2.将10mL良好混合的样品置于样品容器内。将柱塞(plunger)和洗涤器(washer)插入容器内。样品稠度应不高于0.83。稠的原料样品应稀释。
3.随着开启仪器，柱塞应上下运动，并应显示mV电势。电势符号(+或-)指示样品是阳离子(+)还是阴离子(-)的。
4.以合适的滴定剂滴定样品，直至mV电势读数0mV(PolyDADMAC为阳离子聚合物，用于滴定阴离子样品；PVSK或PESNa为阴离子聚合物，用于滴定阳离子样品)。可使用滴定管或注射器将滴定剂递送至样品。进行滴定的滴定剂不应超过4mL，因为更大的体积会导致测量不准确。如果样品需要大于4mL的滴定剂，则应将样品稀释或应采用更浓缩的滴定剂。
5.记录用于滴定样品的滴定剂的量。使用如下方程式计算体系的离子需求量。
“离子需求量”(微当量(ueq)/升)＝(滴定剂毫升数)×(滴定剂稀释度百分比)×(样品稀释度)通过Mutek方法测量离子需求量的具体组分如表III中所述，其他组分值得自供应商。
表III具体组分的离子需求量

(a)由Mutek方法确定；其他值得自供应商。
存在过量离子材料时，加入浆料中用以提高内结合强度的材料可由该过量的离子材料所消耗。同样，纸浆上的可利用离子位点也依赖于精练(refining)到什么程度，以及依赖于基本的纤维形态，即纤维或部分纤维越小，可利用的表面积就越大，从而可利用的离子需求量就越高。
通常可认为，纤维浆料起始是阴离子的，整个造纸过程中应保持阴离子性，即浆料的离子需求量应小于0。
计算平衡为了本研究目的，采用表III中的离子需求量值计算了表I和II中所列配方的离子需求量，忽略浆料中除所列材料之外的离子材料。
在成形法(forming process)过程中的任意时刻，离子添加剂的添加顺序和添加量指示了原料配料的离子需求量。这些实验的估测离子需求量如表IV和V所示。
表IV.表I各添加步骤中浆料的计算的累积离子需求量

注所有的添加均基于烘干基重。
单元格中的第二项是组分的离子需求量贡献表V.表II各添加步骤中浆料的计算的累积离子需求量

注将1kg烘干配料用作基料。单元格中的第二项是组分的离子需求量贡献表VI.各种化学物添加后中间层原料的测量离子需求量

表VI表示采用稀释用工厂白水(mill white water)，在0.5％浆料稠度时，所测得的类似添加剂组合的离子需求量量。
对于阳离子材料全部在其他阴离子淀粉之前加入的情况，则体系的离子需求量越过0电荷点，如表VI的12、14和图1。已经知道这会使细粉(fines)保留不稳定，并影响机器湿端的絮凝和排水，潜在地会导致ZDT损失。图1中，添加点如下A是原浆配料，B是Kymene添加，C对13、15和16是Hercules RediBOND3050添加，对12和14是Sta-Loc300添加，D是Hercules RediBOND添加。样品11-16由CHB405制成，样品17-19由CHB505制成。样品16和19各自含有0.5磅/吨PSM ParticolBX，其于添加HRB3050之后加入。对以CHB405(柠檬酸交联纤维)和CHB505(聚丙烯酸交联纤维)制成的样品进行比较，表VI的15和16vs 18和19，图2和3表明两种交联纤维素纤维级别之间的离子需求量差别小。净结果是对用于保留结合材料的可利用位点的数量无特别影响。加入相同量的Kymene产生出相同的离子需求量这一事实支持了上述观点。
可采用3％-3.2％浆料稠度、50/50干重比的交联纤维例如聚丙烯酸交联纤维(CHB505)和Douglas Fir纤维制造单或多层纸板。也可采用0.05％至4％的浆料稠度用于制备纸板。术语“稠度”指固体和液体的混合物中固体含量的百分比，例如，2％稠度指在一百克纤维与液体中存在两克纤维素纤维。此处所定义的干重指将代表性的纤维在105℃+/-2℃干燥，并每隔一小时进行称重，直至得到恒重。实际操作中，商品级纤维的含湿量为约9％。Douglas Fir在加入成浆池之前可精练(refined)至500CSF或更低。在流浆箱前面可采用标准4mm阻挡筛板(barrier screen)。各种添加剂如Kymene、阴离子和阳离子淀粉的添加点如图4所示。所形成的纸板可具有200-500g/m2基重，表面层各占总纤维干重的15％-25％，中间层占总纤维干重的50％-70％。在一个实施方案中制成了单层纸板。在另一实施方案中制成了至少具有两层的纸板。交联纤维素纤维可同时存在于两个层中，或仅存在于一层中。在另一实施方案中，可制成具有三层的纸板。各层可完全相同、完全不同，或者可以是各种层的组合。
淀粉和其他添加剂可在图4所示位置处加入。
如图5所示，采用常规长网造纸(Fourdrinier)技术以约0.6％的原料稠度可分别由中间层形成表面层。
采用Beloit顶网成形机(top former)，可直接于长网造纸台上的底层上形成中间层。通过顶网(top wire)排水单元可完成脱水。
通过领纸辊可使顶层与底层和中间层结合。随后通过典型的造纸机单元操作可对结合形成的料片(web)进行处理以常规毡制湿压机进行湿压，以蒸汽发生器进行干燥，进行施胶(size press)，此时可将基于干重纤维的约2％-2.5％淀粉施用至料片，然后以蒸汽发生器干燥至6.5％湿含量，并进行湿压光、干压光和卷绕(winding)。
权利要求
1.一种形成纸板的方法，其包含如下步骤形成包含交联纤维的纤维素纤维浆料；加入阳离子固定剂并与所述浆料混合；在加入所述阳离子固定剂之后，加入阴离子淀粉；在加入所述阴离子淀粉之后，加入阳离子淀粉；其中在各添加步骤之后，浆料的离子需求量小于0；从所述浆料抽出液体，从而形成纤维质料片层；干燥所述料片从而形成纸板。
2.权利要求1的方法，其中所述交联纤维以纤维总重的25％至80％水平存在于纸板的至少一层内。
3.权利要求2的方法，其中所述交联纤维以纤维总干重的40％至75％水平存在于纸板的至少一层内。
4.权利要求1的方法，其中淀粉总水平为50至120磅/吨。
5.权利要求1的方法，其中淀粉总水平为60至100磅/吨。
6.权利要求1的方法，其中淀粉总水平为80至90磅/吨。
7.权利要求1的方法，其中在添加阴离子淀粉之前向配料中加入阳离子淀粉，在添加阴离子淀粉之后加入阳离子固定剂。
8.一种形成纸板的方法，其包含如下步骤形成包含交联纤维的纤维素纤维浆料；加入阳离子固定剂并与所述浆料混合；在加入所述阳离子固定剂之后，加入阴离子淀粉；其中在各添加步骤之后，浆料的离子需求量小于0；从所述浆料抽出液体，从而形成纤维质料片层；干燥所述料片从而形成纸板。
9.权利要求8的方法，其中在添加阳离子固定剂之前向浆料中加入阴离子淀粉。
10.权利要求8的方法，其中所述交联纤维以纤维总重的25％至80％水平存在于纸板的至少一层内。
11.权利要求8的方法，其中所述交联纤维以纤维总干重的40％至60％水平存在于纸板的至少一层内。
12.权利要求8的方法，其中淀粉总水平为50至120磅/吨。
13.权利要求8的方法，其中淀粉总水平为60至100磅/吨。
14.权利要求8的方法，其中淀粉总水平为80至90磅/吨。
15.一种形成纸板的方法，其包含如下步骤形成包含交联纤维的纤维素纤维浆料；加入阳离子淀粉并与所述浆料混合；在加入所述阳离子固定剂之后，加入阴离子淀粉；其中在各添加步骤之后，浆料的离子需求量小于0；从所述浆料抽出液体，从而形成纤维质料片层；干燥所述料片从而形成纸板。
16.权利要求15的方法，其中在添加阳离子固定剂之前向浆料中加入阴离子淀粉。
17.权利要求15的方法，其中所述交联纤维以纤维总重的25％至80％水平存在于纸板的至少一层内。
18.权利要求15的方法，其中所述交联纤维以纤维总干重的40％至60％水平存在于纸板的至少一层内。
19.权利要求15的方法，其中淀粉总水平为50至120磅/吨。
20.权利要求15的方法，其中淀粉总水平为60至100磅/吨。
21.权利要求15的方法，其中淀粉总水平为80至90磅/吨。
全文摘要
本发明描述了纸板内结合强度的提高方法，所述纸板在至少一层中带有高于25％的交联纤维。在该方法中，将添加剂以各种组合和顺序加入浆料中，同时将浆料的离子需求量保持在低于0。由此得到具有高ZDT、高Scott Bond和高Taber刚度的纸板。
文档编号D21J1/00GK1837466SQ2006100682
公开日2006年9月27日 申请日期2006年3月22日 优先权日2005年3月22日
发明者丹尼尔·T·邦克 申请人:韦尔豪泽公司