CN102007248A - 增强的多孔纤维产品 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包含化学浆料或木材纤维的多孔纤维产品，在该纤维间结合有结构的填料颗粒，以及涉及制造该产品的方法，其中由该填料的水性溶液在喷雾干燥机中生产填料滴，当水被蒸发时该滴形成填料颗粒，该颗粒结合到化学浆料或木材纤维上。

Description

增强的多孔纤维产品

本发明涉及包含化学浆料纤维或木材纤维和填料颗粒的多孔纤维产品，和涉及制造该产品的方法。尤其，本发明涉及袋纸(sack paper)、具有纤维的袋、包装材料、过滤材料和多孔印刷纸的生产方法。

传统地，多孔袋纸或用于生产载物袋(carrier bag)的纸已经在没有填充剂的情况下生产。强度性能是尤其重要的，特别地在袋纸的情况下，并且填料减弱强度。在另一方面，使用填料将包括能够降低昂贵的化学浆料纤维的量的优点，同时提供提高的可印刷性和纸板机(board machine)的可运行性，因为填料并不如化学浆料纤维吸收同样多的水。通常地，纸袋的强度通过精制(refine)纸浆、使用化学浆料纤维和通过在网部(wire section)的适合的纤维取向获得。对于由袋纸制成的袋子必须具有孔隙度，使得当填装它时空气能够迅速从袋内部去除。如果空气没有快速去除，则该袋的填装被很大程度地减慢。一般地，袋由几种袋纸制成，但对于单层牛皮纸(kraft paper)还必需具有孔隙度。

包装材料的孔隙度主要以Gurley值测量或，另外地，通过Bendtsen仪器测量。Gurley可以用于测量在1.22kPa的压力下对于100cm3的空气花费多长时间流过1平方英寸的样品区域。通常地，高度多孔的袋纸的Gurley值应该小于10秒和，在一些情况下，低至5秒。一般来说，获得袋纸、单层牛皮纸或制造袋的纸所需的理想Gurley值是相当困难的。

通常地，通过合适的选择和纤维浆料的精制提供孔隙度。但是，这导致机器的生产性的降低，因为对于在该工艺中精制需要更多的时间并且增加了能量消耗。提高浆料的精制也降低了在网部去除水的速度，这意味着传送到压榨部分(press section)的纸网幅包含更多水分。也可以通过特定的化学品例如助留剂(retention agent)提供孔隙度。

在一些情况下，通过在填装袋前再成品袋纸中制成所需数量的针孔(pinhole)来提供所需的孔隙度。在此情况下，该针孔机械地在袋中制成。但是，机械处理会损坏袋纸。而且，这还需要额外的加工时间和能量花费。

如上所述，提供袋纸所需的孔隙度的通常方法是高浓磨浆(high-density refining)。由于撕裂强度，尤其纤维取向是重要的因素，其应该在网部被考虑进去。一般地，使用淀粉以提高纸的强度。在此情况下，淀粉按剂量加入到高稠度(consistency)浆料中。

在造纸工艺中，需要结合孔隙度、强度、可印刷性、在网部更快的水去除、和用更价廉的材料代替较贵的化学浆料纤维例如填料聚结物(agglomerate)。而且，优选能够达到高孔隙度水平而没有机械地穿孔该材料。

本发明的目的是提供多孔纤维产品，尽管填料包含在其中，但其保持了高强度性能。

令人惊讶地，与使用常规填料相比，已经观察到通过使用填料颗粒，例如聚结物，很大程度地防止了在强度上的降低而没有聚集。

本发明因此涉及包含化学浆料或木材纤维的多孔纤维产品。

更精确地，根据本发明的产品体现特征于在权利要求1的特征部分所提出的内容。

根据本发明的方法体现特征于在权利要求13的特征部分所提出的内容，和根据本发明的产品的用途体现特征于在权利要求12的特征部分所提出的内容。

本发明提供纤维制品，优选纸或纸板产品，更优选袋纸产品，其时多孔的并具有与通过已知方法生产的产品相比高的强度水平和提高的劲度。尤其，通过本发明提供的产品具有良好的可印刷性和可涂覆性，高强度，良好的水分分布(moisture profile)和厚度，尤其在制袋机(sack machine)中，良好的T.E.A.值(拉伸能量吸收)和撕裂强度、高劲度和孔隙度。根据本发明的该袋纸产品可通过使用一层而非常规的四层制造。换而言之，关于孔隙度，可以获得技术上改进的袋产品，其是比相应的已知产品更有利的并在没有机械穿孔的情况下被制成多孔的。

本发明的其他细节和优点在以下详细说明中公开。

图1显示了三种不同袋纸的拉伸强度指数的图形比较，该纸的一种没有使用填料，第二种使用高岭土作为填料，和第三种根据本发明使用偏高岭土颗粒作为填料；

图2A和2B显示了不同袋纸的撕裂强度的图形对比；

图3A-K显示了不图袋纸的性能的图形对比；图3A和3B显示该纸的拉伸强度，图3C和3D显示它们的撕裂强度，图3E和3F显它们的拉伸能量吸收值，图3G和3H显示伸长率，图3I显示多孔性，图3J显示该纸的Gurley值和图3K显示该纸的劲度(stiffness)；

图4A和4B显示根据本发明的纤维产品的电子显微图；在图4A中显示200倍(fold)放大图和图4B中显示1000倍放大图。

本发明涉及包含化学浆料或木材纤维的多孔纤维产品，其中在纤维间结合(attach)有结构的填料颗粒(structural filler particles)。这些颗粒提高该产品的孔隙度和将该纤维彼此粘结，由此该强度保持维未改变或甚至相比于没有包含填料的原始纤维产品是提高的。

该纤维产品优选由纸或纸板，更优选牛皮纸，尤其袋纸(图4中的显微图)、单层牛皮纸或过滤纸组成。所使用的纤维优选包含化学浆料或是机械浆料纤维、精制机械浆料纤维(refiner mechanical pulp fibres)或化学-机械精制浆料纤维，该包含化学浆料的纤维是通过硫酸盐方法生产的，包含木质素并特别适合例如用于生产牛皮纸。

根据优选的实施方案，该纤维制品的孔隙度按Gurley值测量是在10秒/100ml以下。但是，根据本发明，可获得具有低至5秒/100ml的Gurley值的高度多孔的产品。

各种矿物填料，优选偏高岭土，可以颗粒形式作为填料使用。

“填料颗粒”在此文中是指包含填料的聚结物、烧结物或微粒颗粒。它们优选包含偏高岭土且它们可以称为“偏高岭土烧结物”(MKS)。不管使用填料颗粒与否，根据本发明的最终产品，即多孔的最终产品保持了其良好的强度水平(图1、2和3)。

偏高岭土作为粘固剂(cement)的添加剂的使用是公知的。US专利说明书6,027,561尤其描述了包含粘固剂和偏高岭土的组合物。其通过热处理高岭土、在水中淘析(elutriating)和通过喷雾干燥该淤浆制备，由此形成聚结的珠粒，其粒径为至少10微米。

使用偏高岭土作为粘固剂的添加剂的其它专利包括US专利5,976,241，5,958,131，5,626,665，5,122,191和5,788,762。

在本发明中，填料或颜料的颗粒例如聚结物的生产，可以尤其通过化学品或加热或混合或它们的组合进行，优选通过喷雾干燥和由此产生的热和粘结剂(binder)。

该粘结剂的使用进一步提高了改填料颗粒的强度水平。尤其，具有胶体的(colloidal)尺寸的硅酸盐可作为粘结剂使用。当选择硅酸盐时，部分硅酸盐的尺寸是在胶体的范围，即1μm-1nm，是关键的。胶体尺寸的硅酸盐可以尤其包括胶体硅酸盐、硅酸盐微凝胶(silicate micro gel)或结构硅酸盐(structured silicate)。该胶体尺寸硅酸盐还能包括铁、铝、镁或锰离子。

如果胶体尺寸的硅酸盐与填料的水溶液混合，与只使用填料颗粒相比，观察到最终产品的以下改进：

1.强度水平提高

2.劲度提高

3.保持了高孔隙度。

令人惊讶地，还观察到，如果胶体尺寸的硅酸盐加入到填料的水溶液中，当混合和填加酸性化学品时，可以提供下列的有益变化：

1.强度水平进一步提高

2.劲度进一步提高

3.获得了高孔隙度水平。

该酸性化学品可以是酸、硫酸铝或另外的具有硫酸根的化学品。

在填料的含水溶液中使用醛和明矾(alum)代替二氧化硅或与二氧化硅一起还该进了产品的强度性能。

通过使用上述粘结剂，其优选包括二氧化硅、明矾和醛，更适合地二氧化硅或明矾，进行填料颗粒、优选偏高岭土颗粒至化学浆料纤维或木材纤维的结合，同时该颗粒优选是烧结的或延性的形式。该醛优选乙二醛。该二氧化硅的用量为优选0.5-20％重量，更优选0.5-5％重量，最优选1-3％重量。该明矾的用量继而为优选0.5-10％重量，更优选0.5-3％重量。相应地，乙二醛的用量优选为0.5-20％重量，更优选为0.5-5％重量。

该结合是成功的，因为该化学浆料或木材纤维的原纤是两性的，即它们既起到酸的作用又起到碱的作用。在它们的端部，具有充足的带负电的OH^-基团，当该纤维分散于水中时该基团形成，即该原纤是极性的。与极性水分子一起，这些极性原纤因此形成对水流的阻挡物(barrier)。该偏高岭土颗粒断裂了由水和在该纤维中的OH^-基团形成的氢键，由此产生开孔结构(open pore structure)和更易于干燥的产品。在此孔结构中引入该颗粒后，该粘结剂，如二氧化硅、明矾和乙二醛，使该化学浆料或木材纤维彼此紧密地结合，形成硬的(stiff)纸网幅和，同时，这些粘结剂使该填料颗粒结合于该纤维。这样，得到纤维产品，其孔隙度足以满足尤其袋纸的需要。

当在该结合中使用二氧化硅时，至少部分地利用新氢键的形成：

…H-SiO₂-O…

如上所诉，由于它们的两性性质，该化学浆料或木材纤维既起到酸的作用又起到碱的作用。因此，二氧化硅和明矾两者都用作粘结剂，即使它们以不同的PH范围起作用。二氧化硅产生来自该纤维原纤的酸性侧的键，而明矾产生了来自碱性侧的键。

该所用的二氧化硅优选二氧化硅微凝胶或二氧化硅溶胶。该微凝胶由非晶颗粒和硅酸形成。它在＜12的PH范围(优选约2)起作用。相应地，所用的明矾，即Al(SO₄)₃·14-18H₂O在＜7的PH范围起作用。它们还可以一起使用。

作为本发明的替代生产方法，可使用在在先专利FI 115046中描述的产品的生产方法，其中，生产了球形多孔聚结物，其至少部分地由偏高岭土颗粒组成，由此单一多孔聚结物的尺寸为2-500微米，更优选20-40微米，和它们的表面部分的密度低于内部部分的密度。在表面部分和内部部分的孔结构基本上是相同的。根据该方法，首先由高岭土形成高岭土聚结物，它们的平均粒径为约2-100微米，和这些聚结物之后煅烧成偏高岭土，由此得到聚结物，其具有开孔结构，它们的表面部分的密度低于内部部分的密度，且它们的孔结构在表面部分和内部部分是相同的。

典型地，在本发明中所用的MKS颗粒的特别优选的粒径为20-40微米且它们具有基本上球形形式。通过在该颗粒的生产中使用喷雾干燥，可以获得10-40微米粒径的颗粒。

下述非限制性的实施例举例说明了本发明和其优点。

实施例

在下述实施例中所用的偏高岭土聚结物是使用碳酸氢盐和加热制造的，其作为喷雾干燥和部分煅烧的结果获得。通过向填料聚结物的含水溶液中加入约3％重量的无机二氧化硅或约1％重量的明矾(由该填料聚结物的重量计算)，获得最佳结果。通过加入约5％重量的乙二醛得到几乎同等优良的结果。

实施例1

使用袋纸浆料(UPM Kymmene)，其稠度为4.3％和其SR数在第一测试系列中为10和在第二和第三测试系列中为15。下列组分以干燥形式(按所示顺序)加入到此粘性浆料中，在每一填加后混合60秒：

10 千克/公吨的淀粉(Raisamyl 70021)

2.5 千克的树脂粘合剂(Raisize K35 AS)

8 千克/公吨的明矾

在筛前，在向浆料中加入另一200克/公吨的聚丙烯酰胺(P3320)后，在动力片材成型机(dynamic sheet former，DSF)中生产袋纸片材。该片材的所需基重为100克/米²。

在下表1中示出分析结果，其比较不包含填料的纸(对照)、包含高岭土(Capim DG)作为填料的纸、和包含根据本发明所用的填料颗粒(MKS)的纸。该结果分别在图1中进行比较。

实施例2

如实施例1制造袋纸片材。分析结果示于下表2中，它比较不包含填料的纸(对照)、包含高岭土(Capim DG)作为填料的纸、和包含根据本发明所用的填料颗粒(MKS)的纸，由此在MKS部分中，使用不同量的二氧化硅作为粘结剂。该结果示于图2A和2B中。

实施例3

如实施例1制造袋纸片材。分析结果示于下表3中，它比较由两种不同高岭土源(Kaolin和MKS)和未处理的湿法洗涤的(wet-cleaned)高岭土(Capim)制备的偏高岭土烧结物的结果，在具有或不具有提高强度的各种化学品的情况下。结果示于图3A-3K中。所用的湿法洗涤的高岭土是Capim DG。

在表和图中的标记代表以下：

对照1    5千克/公吨淀粉(R70021)和高稠度浆料

对照2    15千克/公吨淀粉(R70021)和高稠度浆料

A    高岭土+3％SiO2+1％明矾

B    MKS+3％SiO2+1％明矾

C    高岭土+5％乙二醛

D    MKS+5％乙二醛

E    高岭土+3％SiO2

F    MKS+3％SiO2

G    高岭土

H    MKS

I    高岭土+2％SiO2+5％乙二醛

J    MKS+2％SiO2+5％乙二醛

K    高岭土+1％SiO2

L    MKS+1％SiO2

M    高岭土+2％SiO2

N    MKS+2％SiO2

S    Capim

T    Capim+5％乙二醛

换而言之，如上述实施例所示，根据本发明的填料聚结物改善了袋纸的透气性和该纸的劲度。该透气性提高了3-3.5倍和劲度提高了约1.5倍。对于袋纸或相似材料的其他重要性能，如强度，成功地保持在有利的水平或甚至提高了。同时，袋纸的化学浆料纤维的量降低了12-13％重量。

Claims (15)

1.包含化学浆料或木材纤维的多孔纤维产品，其特征在于在该纤维间结合有结构的填料颗粒。

2.根据权利要求1的产品，其特征在于该填料颗粒由偏高岭土的聚结物、颗粒或烧结物组成。

3.根据权利要求1或2的产品，其特征在于，在纤维之间和在纤维和颗粒之间，具有用作粘结剂的材料，该材料优选由二氧化硅、明矾或醛或其混合物制得。

4.根据权利要求3的产品，其特征在于二氧化硅的量为0.5-50％重量，更优选0.5-3％重量。

5.根据权利要求3的产品，其特征在于明矾的量为0.5-50％重量，更优选0.5-3％重量。

6.根据权利要求3的产品，其特征在于醛的量为0.5-50％重量，更优选0.5-5％重量。

7.根据权利要求3或4的产品，其特征在于该二氧化硅是二氧化硅微凝胶或二氧化硅溶胶。

8.根据权利要求3或6的产品，其特征在于该醛是乙二醛。

9.根据权利要求1-8中任意一项的产品，其特征在于该产品包含由干物质计算的25％重量的填料颗粒。

10.根据权利要求1-9中任意一项的产品，其特征在于该填料颗粒具有基本上球形的形状和10-40微米、优选20-40微米的粒度。

11.根据权利要求1-10中任意一项的产品，其特征在于该产品是袋纸产品。

12.根据权利要求1-10中任意一项的产品在袋纸和纸袋的生产中的用途。

13.生产根据权利要求1-11中任意一项的产品的方法，其特征在于：

-形成该填料的水性溶液；

-由该水性溶液在喷雾干燥机中生产填料滴(drops)，由此还蒸发出过量的水和形成填料颗粒；和

-将所形成的烧结的或延性形式的填料颗粒结合到在其水性分散体中的化学浆料或木材纤维上。

14.根据权利要求13的方法，其特征在于在混合下将粘结剂加入到该填料的水性溶液中。

15.根据权利要求14的方法，其特征在于，在加入该粘结剂后，加入酸性化学品，该化学品优选为酸、硫酸铝或另外的具有硫酸根基团的化学品。

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