纤维素衍生组合物的制作方法

纤维素衍生组合物的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种包含微纤化纤维素和可选的无机颗粒材料的组合物，一种制造该 组合物的方法，以及包含所述包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物的造纸组合物和 纸制品。
【背景技术】
[0002] 无机颗粒材料、例如碱土金属碳酸盐（例如碳酸钙）或高岭土被广泛地用于大量 应用。这些应用包括生产可用于造纸或纸张涂料的含有矿物的组合物。在纸制品中，通常 添加此类填料来代替一部分其他更昂贵的纸制品组分。也可以出于修改纸制品的物理、机 械和/或光学要求的目的而添加填料。很明显，可纳入的填料的量越大，则成本节约的可能 性越高。然而，所添加的填料的量和相关的成本节约必须要和最终纸制品的物理、机械和光 学要求取得平衡。因此，对于可以以高填充量使用而不会对纸制品的物理、机械和/或光学 要求产生不利影响的纸用填料的开发一直存在着需求。对于开发经济地制备所述填料的方 法也存在需求。
[0003] 本发明试图提供一种纸制品用替代性和/或改进的填料，其可以以相对高填充量 并入纸制品中，同时可保持或甚至改善纸制品的物理、机械和/或光学性质。本发明还试图 提供一种经济的制备所述填料的方法。
[0004] 此外，本发明试图解决以工业规模经济地制备微纤化纤维素的问题。当前的纤维 素材料的微纤化方法需要相对较高的能量，部分归结于原料和微纤化产物的相对高粘度。

【发明内容】

[0005] 根据本发明的第一方面，提供一种组合物，其包含微纤化纤维素和可选的无机颗 粒材料，其中所述组合物包含：（i)基于组合物中纤维素材料的总重，不超过约5. 0重量％ 的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝，和/或（ii)基于组合物中纤维素材料的总重，不超过 约30重量％的纤丝直径小于IOOnm的纤维素纤丝。在某些实施方式中，组合物包含无机颗 粒材料。
[0006] 根据本发明的第二方面，提供一种造纸组合物，其包含根据本发明第一方面的组 合物。
[0007] 根据本发明的第三方面，提供一种纸制品，其中该纸制品（i)包含根据本发明第 一方面的组合物，或（ii)由根据本发明第二方面的造纸组合物获得。
[0008] 根据本发明的第四方面，提供一种制造根据本发明第一方面的组合物的方法，其 包括在研磨介质存在下以及可选地在无机颗粒材料存在下将包含纤维素的纤维性基材微 纤化，其中微纤化工序过程中的能量输入为每吨包含纤维素的纤维性基材约500kWh~ 20, OOOkWh (kWh/t)，例如约 1250kWh/t ~10, 000kWh/t，或者例如约 1750kWh/t ~4000kWh/ t，以获得包含微纤化纤维素和可选的无机颗粒材料的组合物，其中所述组合物包含：（i) 基于组合物中纤维素材料的总重，不超过约5. 0重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤 丝，和/或（ii)基于组合物中纤维素材料的总重，不超过约30重量％的纤丝直径小于 IOOnm的纤维素纤丝。
【具体实施方式】
[0009] 包含微纤化纤维素和可选的无机颗粒材料的组合物
[0010] 组合物包含：（i)基于组合物的总重，不超过约5. 0重量％的纤丝直径小于IOnm 的纤维素纤丝，和/或（ii)基于组合物的总重，不超过约30重量％的纤丝直径小于IOOnm 的纤维素纤丝。在某些实施方式中，组合物包含不超过约4. 5重量％的纤丝直径小于IOnm 的纤维素纤丝，例如，不超过约4. 0重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝，或不超过 约3. 8重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝，或不超过约3. 6重量％的纤丝直径小于 IOnm的纤维素纤丝，或不超过约3. 4重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝，或不超过 约3. 2重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝，或不超过约3. 0重量％的纤丝直径小于 IOnm的纤维素纤丝，或不超过约2. 8重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝，或不超过 约2. 6重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝，或不超过约2. 4重量％的纤丝直径小于 IOnm的纤维素纤丝，或不超过约2. 2重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝。在某些实 施方式中，基于组合物的总重，组合物包含不超过约29重量％的纤丝直径小于IOOnm的纤 维素纤丝，例如，不超过约28重量％的纤丝直径小于IOOnm的纤维素纤丝，或不超过约27 重量％的纤丝直径小于IOOnm的纤维素纤丝，或不超过约26重量％的纤丝直径小于IOOnm 的纤维素纤丝，或不超过约25重量％的纤丝直径小于IOOnm的纤维素纤丝，或不超过约24 重量％的纤丝直径小于IOOnm的纤维素纤丝，或不超过约23重量％的纤丝直径小于IOOnm 的纤维素纤丝，或不超过约22重量％的纤丝直径小于IOOnm的纤维素纤丝，或不超过约21 重量％的纤丝直径小于IOOnm的纤维素纤丝。
[0011] 纤维素纤丝的纤丝直径及其量可以根据以下方法确定。将包含微纤化纤维素和无 机颗粒材料的组合物用蒸馏水稀释，并通过来自Whatman的Cyclopore(RTM)膜过滤。该 膜由聚碳酸醋制造，具有0.4 μπι的孔径和13mm的直径。制造商分类号为7060-1304。样 品保留在膜上。将一部分此膜固定于直径为12. 5mm的铝短销柱（pin stub)。然后将该短 柱置于Polaron SC7640溅射镀膜机上，并用金溅射90秒。在两种放大率下于JEOL 6700F FESEM显微镜中分析该样品短柱。以5000x和150, OOOx的放大率记录至少20张图像，以 使纤丝直径分布能够得到量化。然后将这些图像显示在图像分析软件平台（来自Nikon的 NIS-Elements)中，并测量和记录各个纤丝直径。在此不考虑纤维上的溅射金涂层。通过假 定所有纤维为圆柱形的并且等长，将所获得的数量分布转化为重量分布。
[0012] 纤丝直径d5(l为按照重量划分的平均纤丝直径。
[0013] 在某些实施方式中，组合物包含：（i)不超过约2.0重量％的纤丝直径小于IOnm 的纤维素纤丝，和/或（ii)不超过约20重量％的纤丝直径小于IOOnm的纤维素纤丝。在 某些实施方式中，组合物包含不超过约1. 9重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝，例 如，不超过约1. 8重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝，或不超过约1. 7重量％的纤 丝直径小于IOnm的纤维素纤丝，或不超过约L 6重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤 丝，或不超过约1. 5重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝，或不超过约1. 4重量％的 纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝，或不超过约L 3重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素 纤丝，或不超过约I. 2重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝，或不超过约I. 1重量％ 的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝。在某些实施方式中，组合物包含不超过约19重量％ 的纤丝直径小于IOOnm的纤维素纤丝，例如，不超过约18重量％的纤丝直径小于IOOnm的 纤维素纤丝，或不超过约17重量％的纤丝直径小于IOOnm的纤维素纤丝，或不超过约16重 量％的纤丝直径小于IOOnm的纤维素纤丝。
[0014] 在某些实施方式中，组合物包含：（i)不超过约1.5重量％的纤丝直径小于IOnm 的纤维素纤丝，和/或（ii)不超过约15重量％的纤丝直径小于IOOnm的纤维素纤丝。在 某些实施方式中，组合物包含不超过约1.4重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝，例 如，不超过约1. 3重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝，或不超过约1. 2重量％的纤 丝直径小于IOnm的纤维素纤丝，或不超过约I. 1重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤 丝。在某些实施方式中，组合物包含不超过约14重量％的纤丝直径小于IOOnm的纤维素纤 丝，例如，不超过约13重量％的纤丝直径小于IOOnm的纤维素纤丝，或不超过约12重量％ 的纤丝直径小于IOOnm的纤维素纤丝，或不超过约11重量％的纤丝直径小于IOOnm的纤维 素纤丝，或不超过约10重量％的纤丝直径小于IOOnm的纤维素纤丝。
[0015] 在某些实施方式中，组合物包含不超过约I. 0重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维 素纤丝。
[0016] 在某些实施方式中，组合物包含至少约0. 25重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维 素纤丝，例如，至少约0. 50重量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝，或至少约0. 75重 量％的纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝。在某些实施方式中，组合物包含至少约2. 0重 量％的纤丝直径小于IOOnm的纤维素纤丝，例如，至少约5. 0重量％的纤丝直径小于IOOnm 的纤维素纤丝，或至少约7. 0重量％的或至少约10重量％的或至少约12重量％的纤丝直 径小于IOOnm的纤维素纤丝。
[0017] 在某些实施方式中，组合物基本不含纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝。"基本不 含"是指纤丝直径小于IOnm的纤维素纤丝的量是如此之小，以致使用本文中所述的测量方 法无法对该量进行量化。
[0018] 基于上述测量方法，纤维素纤丝可以基于组合物中纤维素材料的总重而具有 约IOOnm~700nm的纤丝直径d 5(l。在某些实施方式中，纤丝直径d5(l可以为约120nm~ 约600nm，例如，约140nm~约500nm，或约160nm~450nm，或约180nm~约400nm，或约 200nm ~约 350nm，或约 200nm ~约 300nm，或约 250nm ~约 300nm。
[0019] -纤维素的来源
[0020] 微纤化纤维素可以来自任何适当来源，如下文中将在"微纤化工序"下所详述。
[0021] -无机颗粒材料
[0022] 无机颗粒材料可以是，例如，碱土金属碳酸盐或硫酸盐，如碳酸钙、碳酸镁、白云 石、石膏；无水高岭石族粘土，如高岭土、埃洛石或球粘土；无水（煅烧的）高岭石族粘土， 如偏高岭土或完全煅烧的高岭土、滑石、云母、珍珠岩或硅藻土；或氢氧化镁；或三水合铝； 或者其组合。
[0023] 在某些实施方式中，无机颗粒材料包含碳酸钙或者为碳酸钙。下文中，将根据采用 碳酸钙以及涉及碳酸钙被加工和/或处理的方面来讨论本发明。本发明不应被理解为局限 于这些实施方式。
[0024] 本发明中所使用的颗粒状碳酸钙可以通过研磨由天然来源获得。经研磨的碳酸钙 (GCC)通常通过下述方式获得：将如白垩、大理石或石灰石等矿物源先粉碎随后研磨，然后 进行粒径分级步骤，以便获得具有所需细度的产物。也可以使用如漂白、浮选和磁性分离等 其他技术来获得具有所需细度和/或颜色的产物。颗粒状固体材料可以被自体研磨，即通 过固体材料自身颗粒之间的摩擦而得到研磨，作为另外一种选择，也可以在包含不同于被 研磨的碳酸钙的材料颗粒的颗粒状研磨介质存在下进行研磨。这些工艺可以在存在或不存 在分散剂和杀生物剂下执行，所述分散剂和杀生物剂可以在所述过程的任何阶段添加。
[0025] 沉淀碳酸钙（PCC)可以用作本发明中的颗粒状碳酸钙的来源，并可以通过本领域