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CN1279243C - 纤维网及其制备方法 - Google Patents

纤维网及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纤维网及其制备方法。该纤维网包含一种含填料底网，后者可以涂布一个含颜料涂层。按照本发明，该底网中填料的5～100%是由有光散射材料微粒沉积于其上的纤维素原纤维或木质纤维素原纤维构成的。这些有涂层的纤维素原纤维或木质纤维素原纤维最多占该底网重量的大约70%。按照本发明的底网，与有相同构造但其中填料的95%以上是由本身已知的填料微粒制成的网相比，少含20%以上保留剂。

Description

纤维网及其制备方法
本发明涉及按照权利要求1的前序部分的纤维网。
像这样的一种纤维网，一般来说，包含一种可以有一个含颜料涂层的含填料底网(base web)。
本发明也涉及从一种纤维材料制备一种用来在一台纸或纸板机上形成一种纤维网的纸浆用于制备一种纤维网的方法。
造纸稀纸浆由纤维素纤维或木质纤维素纤维、细屑和填料构成。其中许多成分、尤其填料是粒度如此之小，以致它们不会机械地粘附到金属丝上而且它们不得不结合到较大的纤维上或通过絮凝作用互相结合。为了絮凝，使用的是在该网形成之前添加到该稀纸浆中的保留化学品。要提到的保留化学品包括聚合物产品，例如聚氮丙啶、低摩尔质量聚丙烯酰胺和聚胺，以及与胶体状硅石、矾土或蒙脱土组合的阳离子型淀粉、瓜耳胶或聚丙烯酰胺。保留化学品的数量一般是该纤维干物质的至少0.5％，典型地是该纤维干物质的大约0.6～1％。
在造纸中，纤维网的均匀性即构造(formation)和各稀纸浆成分在金属-丝网上的剩余率即保留率(retention)通常总是有某种程度的折衷，当其中之一得到改善时另一种就恶化。这是合乎逻辑的，因为保留通常需要小微粒絮凝成簇状物，而此时纸的均匀性(即构造)就会恶化。由于这个理由，通常有必要运行保留率比所希望的低的纸以期生产均匀的纸，这增加了循环水体中固体的数量并产生了各种问题。进而，目前商业上可得的保留体系对循环水中的化学变化是非常敏感的。
本发明的一个目的是消除与业内现状相联系的缺点，并提供一种同时兼备良好保留率和良好构造的纤维网的生产的一种全新解决办法。
本发明是以如下观察为基础的：通过用一种含有沉积在各细屑(fines)表面上的光散射材料微粒的复合颜料代替惯常矿物填料即粉状矿物颜料的至少一部分，可以显著减少惯常保留剂的数量。这种类型的一种填料产品是从FI专利公报100729得知的。该产品包含由沉积在各细屑上的碳酸钙微粒和微细原纤维构成的珍珠串。按照该专利公报，这种新型填料的特征是使碳酸钙沉积在用打浆法从纤维素纤维和/或机械浆纤维制备的微细原纤维上。该细屑部分的粒度分布主要对应于金属丝网级分P100。
根据所述专利公报，借助于该填料，可以提高纸中碳酸钙的浓度，从而无需改变该纸的“其它重要”性能就可以降低该纸的单位面积克数。填料保留率良好。该公报的结果依据的是分别用标准SCAN-C 26:76和SCAN-M 5:76从实验室数据单确定的结果。在该实验室数据单中，阳离子型淀粉的使用量是该纤维质量的0.65％，硅石的使用量是该纤维质量的0.15％。
联系到本发明，已经意外地观察到，用以上所述的复合填料，在高水平构造上得到的是纸和纸板机中如此高的纤维稀纸浆保留率，以致惯常的保留剂是根本不需要的，或其数量与惯常底网中的相比是颇低的。
按照本发明，该底网中填料的10～100％是由有光散射材料微粒沉积于其上的纤维素原纤维或木质纤维素原纤维构成的，而且这些有涂层的纤维素或木质纤维素原纤维最多占该底网重量的大约70％。
更准确地说，按照本发明的纤维网的特征在于：
-该底网中填料的5～100％由有光散射材料微粒沉积于其上的纤维素原纤维或木质纤维素原纤维构成，且
-该有涂层的纤维素原纤维或木质纤维素原纤维最多占该底网重量的70％，
其中该底网在10的β构造水平上含有其量为该纤维质量的0～0.40wt％的选自阳离子型淀粉和硅石的保留剂。
按照本发明用于制备一种纤维网的方法是按照该方法从一种纤维材料制备一种用来在一台纸或纸板机上形成一种纤维网的纸浆，
其特征在于
-向该纤维材料泥浆中添加一种作为填料的、包含有光散射材料微粒沉积于其上的纤维素原纤维或木质纤维素原纤维的产品，这种产品占该填料的5～100％且其数量最多是该纤维材料质量的70％，和
-选自阳离子型淀粉和硅石的保留剂以该纤维材料质量的0～0.40wt％的数量投加到该泥浆中。
本发明提供颇多优点。因此，借助于本发明，可以生产质量均匀以及构造水平高且保留率高的纸；此外，循环水体是实质上较清洁的而且减少了保留剂要求。本发明不需要该填料的任何絮凝作用，与商业上可得的保留体系相反；这一点对构造和填料的光学效果产生了根本性影响。
更好的构造(formation)导致更平滑和更具光泽的纸。如果该纸是涂布的，则该涂层所提供的覆盖就更好，这使更少量的涂料成为可能。减少了与光泽和印刷质量的不均匀性相联系的问题。
该底网不含有任何惯常的保留剂，或其数量与具有相同构造水平且含有惯常颗粒状填料的纤维网的该数量相比少20％以上、较好少可多达50％。因此，按照本发明的方案降低了纤维网制备中的化学品成本，也便利了纸或纸板机上水体的再循环。按照本发明，有可能减少惯常使用的纳米微粒和聚合物(见上文)两者或它们当中任意一种的数量。因此，所述20％的减少可以从这些成分之一或从两种成分合计分别计算。在以下实施例3中，当纳米微粒的数量保持不变时，聚合物成分的数量减少了稍低于30wt％。
以下将借助于详细说明和少数几个实施方案实例，更详细地描述本发明。
图1显示实施例2的结果的纤维网构造与总保留率的函数关系，图2显示该构造与金属丝网水稠度的函数关系。
在以下实施例中，所使用的填料含有一种包含从一种化学浆得到的原纤维的细屑级分。所谓“化学浆”，在本文中系指一种已经用纤维素纤维脱木质素用蒸煮化学品处理的纸浆。按照一种较好实施方案，本发明中使用的原纤维是通过从用硫酸盐法和用其它碱法制备的纸浆进行打浆得到的原纤维。除化学浆外，本发明也适用于用从化学-机械浆和机械浆得到的原纤维生产的填料。
典型地说，纤维素或木质纤维素原纤维的平均粗细度小于1μm。该原纤维是用下列基准中的一条或两条表征的：
a.它们对应于一个能通过50目筛网的级分；
b.它们的平均粗细度是0.01～10μm(最好是最大5μm)且它们的平均长度是10～1500μm。
原纤维即基于纤维素纤维或其它纤维的细屑的源材料是通过在一台纸浆精制机中打浆来原纤化的。所希望的级分必要时可以用筛网分离，但该细屑不一定总是过筛。适用的原纤维级分包括金属丝网筛级分P50-P400。较好使用有槽式刀口的纸浆磨浆机。
填料中的光散射材料微粒是可以通过在一种水基介质中沉淀而从其源材料生成的无机盐或有机盐。这样的化合物包括碳酸钙、草酸钙、硫酸钙、硫酸钡、及其混合物。把这些材料微粒沉淀在原纤维上，以期产生一种像珍珠串一样的附聚物。该无机盐化合物的数量从填料数量计算时是大约0.0001～95wt％、较好大约0.1～90wt％、最好大约60～80wt％，而且是纸的大约0.1～60wt％、较好大约0.5～50wt％。
以下使用按照FI专利公报100729的产品作为一个实例来讨论本发明，但清楚的是在本发明中可以使用以上提到的含有各种光散射颜料的产品中的任何其它种。
该填料是通过将矿物颜料沉积在从纤维素纤维和/或机械浆纤维制备微细原纤维的表面上来制备的。例如，碳酸钙的沉淀可以通过向一种水基原纤维浆中进料一种水基氢氧化钙混合物来进行，该混合物可以含有固体氢氧化钙和一种含有碳酸根离子且至少部分地溶于水的化合物。也可以将二氧化碳气体导入该水相中，该气体在氢氧化钙的存在下产生碳酸钙。在此形成了珍珠串一样的碳酸钙结晶附聚物，这些附聚物由原纤维即细线固定在一起，且其中该碳酸钙微粒沉积到该细原纤维上并附着到它们上面。与碳酸钙一起的细原纤维形成珍珠串一样的线，这些线大体上像码成一堆的珍珠串。在水(稀纸浆)中，该附聚物与该浆粕的有效体积之比，与作为填料使用的惯常碳酸钙的对应比值相比，是非常高的。所谓“有效体积”系指该颜料所需要的体积。
该附聚物中碳酸钙微粒的直径是大约0.1～5μm，典型地大约0.2～3μm。通常使用主要(至少55％以上)对应于金属丝网筛级分P50～P400的原纤维。
将纸浆以一种本身已知的方式调成适用稠度(典型地固体含量为大约0.1～1％)的稀纸浆并铺展到金属丝网上。向最好在纸或纸板机的高位调浆箱中的纤维浆中添加以上提到的填料，其数量通常为该纤维浆中纤维重量的大约1～100wt％，换言之，填料的数量可以高达等于该实际纤维浆的数量。通常，所公开的填料占该底网中填料的至少5wt％、最好10～100wt％、且分别为该底网中纤维材料的10～50wt％。原则上也可以制备一种底网，其中，该纤维材料全部由填料原纤维构成，因此，一般来说，本填料可以占该底网中纤维材料的1～100wt％。较好，有涂层的纤维素原纤维或木质纤维素原纤维最多占该底网的大约70wt％、例如大约10～65wt％，在这种情况下，该网的其余部分包含造纸中使用的惯常机械浆和/或化学浆和/或惯常填料和/或其它添加剂。
该泥浆中使用的填料的一部分(最多该填料总量的95wt％、通常90～10wt％)可以由惯常填料例如碳酸钙(天然的或沉淀的)、高岭土、滑石、加氢氧化铝(三氢氧化铝)、硫酸钙、硫酸钡、草酸钙、或二氧化钛组成。然而，较好该沉淀的光散射颜料微粒的至少80％、特别好至少90％附着到原纤维上。
所谓“惯常填料”在此系指一种粉末状的、包含松散微粒的颗粒状填料，而在本发明中所使用的填料主要是一种其中该微粒不是松散的而是附着到原纤维上的产品。按照本发明的一种观点，通过使用该填料中一个呈一种与原纤维结合的形式的部分，改善了纸的构造和保留率。因此，按照这种实施方案，所使用的填料至少部分地是例如碳酸钙、草酸钙、硫酸钙或硫酸钡，其中一部分呈粉末状形式、一部分呈附着到原纤维上的形式。在这种实施方案中，为了改善构造，该粉末状填料的一部分(至少约5wt％、较好至少10wt％、最好至少20wt％)用一种附着到原纤维上的产品代替。
在纸或纸板机上，该纤维浆成形为一种纸或纸板网。使该纤维网干燥、最好进行涂布、且任选地通过例如压光进行后处理。
该纤维网可以涂布例如碳酸钙、石膏、硅酸铝、高岭土、氢氧化铝、硅酸镁、滑石、二氧化钛、硫酸钡、氧化锌、合成颜料、或其混合物。
该纤维网中填料的光散射材料微粒是以实质上未絮凝的形式存在于该纤维网中的。这意味着该纤维网的构造是相当良好的。因此，在构造水平10上，该纤维网含有惯常保留剂，例如阳离子型淀粉和/或硅石，合计最多为该纤维质量的0.40wt％。按照一种特别好的实施方案，该纤维网实质上没有或完全没有离子型保留型。“惯常保留剂”具体地包括与惯常填料一起使用的那些。
借助于本发明，可以生产有涂层的且任选地也有压光的、印刷性能优异、光滑度高、以及不透明度和白度高的含纤维素材料网。所谓“含纤维素材料”在此一般指从一种含木质纤维素原材料尤其木材或者一年生或多年生植物衍生的纸、纸板或一种对应含纤维素材料。所述材料可以是含木材的或无木材的，而且它可以从机械浆、半机械(化学机械)浆或化学浆制备。该化学浆和该机械浆可以是漂白的或未漂白的。该材料也可以含有再循环纤维、尤其再循环纸或再循环纸板。该材料网的单位面积克数典型地在35～500g/m2范围内变化，具体地说，它是大约50～450g/m2。
一般来说，底纸(base paper)的单位面积克数是20～250g/m2、较好30～80g/m2。通过用10～20g涂料/m2/面涂布这种类型的、单位面积克数为约50～70g/m2的底纸并将该纸压光，得到了一种单位面积克数为70～110g/m2、白度为至少90％、不透明度为至少90％的产品。一种特别好的产品是一种兼备高光泽、高不透明性和松密度的涂布胶版印纸。本发明也适合于生产也可以含有机械浆的涂布精细纸品以及写字纸和印刷用纸。
下列非限定性实施例说明本发明。这些实施例中指出的纸的性能的测定结果是用下列标准方法测定的：
表面糙度：SCAN-P76：95
孔隙率：SCAN-P60
抗气性(不透气度)：SCAN-M8，P19
实施例1填料制备
化学浆的打浆
桦木硫酸盐浆在Valmet公司的JC-01精制机中打浆，产生一种适用于填料制备的纸浆。该打浆期间的稠度是大约4％，其总能量消耗为343kWh/t，其比刀口负荷为0.5J/m。
该产品的性能列于表1中。
表1打浆前后的纤维性能
  打浆前   机浆后
  纤维长度(长度)，mm   0.86   0.58
  纤维长度(重量)，mm   1.00   0.77
  SR°   16   86
纤维浆的碳酸盐化
碳酸盐化是按照FI专利公报100729中公开的方法在自来水中进行的。得到一种干物质含量为2.22％的水基稀纸浆。最终产品中CaCO3的浓度是69.7％，其比表面积是10.6m2/g。PCC粒度的量级对应于FI专利的实施例1中的该量级。
实施例2
使用实施例1中所述的产品作为涂布精细纸品中的填料。下表列出了在斯德哥尔摩用STFI公司的试验机器(FEX)进行的一项精细纸试验的结果：
表2精细纸试验结果
  填料浓度，％   金属丝网水稠度，g/l   总保留率，％   构造，％
  PCC   18.8   2.03   72.9   10.6
  PCC   21.0   2.68   66.9   11.1
  SuperFill   17.8   0.48   91.1   10.4
  SuperFill   22.4   0.67   88.3   9.5
这些试验中使用的PCC是Specialty Minerals公司供应的AlbacarLO产品。
当以附图1和2中所示的方式在同一坐标系中同时考察各性能时，本发明的优点是显而易见的。
这种方法所提供的特殊价值在于如下事实：以上所述性能组合是与较好的光学性能和强度同时达到的。
实施例3纸厂试验
含填料底纸的制备
为了涂布之目的，在纸厂条件下制备了单位面积克数为56g/m2的底纸。该稀纸浆由桦木浆(74％)和松木浆(24％)的混合物组成。打浆后，松木浆的SR值是32-34°，桦木浆的SR值是22-25°。高位调浆箱中纸浆的SR值是35-40°。
该纸机的金属丝网段是Valmet公司的混合金属丝网(Sym-former)，湿压端包含Valmet公司的有一组三压辊和一个惯常干燥段的Sym-Press II。
在该底纸中使用三种不同的填料，即Finntalc F 15SL(MondoMinerals公司的滑石)、Albacar HO(Specialty Minerals公司的PCC)、和实施例1中所述的复合填料，其中的“SuperFill”这个名称也在以下使用。滑石以10％和15％的数量、PCC和SuperFill以10％、15％和20％的数量用来作为填料。
所使用的保留化学品是纳米微粒和阳离子型淀粉(Compozil Plus：EKA NP 780纳米微粒和EKA PL 1510C-Pam，供应商：EKA Chemicals公司)。对于滑石和PCC，其剂量如下：纳米微粒280g/t，聚合物70g/t；而对于SuperFill，其剂量为：纳米微粒280g/t，聚合物50g/t。阳离子型淀粉和树脂施胶剂的用量是8kg/t和5.2kg/t。对于滑石，硫酸铝的投药量是13kg/t；对于PCC和SuperFill，硫酸铝的投药量是19kg/t。
结果
不同的填料显示出循环水电导率、COD、pH、阳离子需要量、或溶解钙浓度等无显著差异。填料保留率是用SuperFill时最好(40～50％)，尽管保留聚合物的剂量与其它填料的相比是颇小的。用滑石和PCC时填料保留率仅为30～40％。SuperFill的良好保留率，与其它填料相比，显著降低了循环水的稠度和浊度。在不同的填料和填料浓度之间，未观察到β-构造方面的任何差异。

Claims (22)

1.一种纤维网，包含
-一种含填料底网，该底网非必要地涂布一个含颜料涂层，
其特征在于
-该底网中填料的5～100％由有光散射材料微粒沉积于其上的纤维素原纤维或木质纤维素原纤维构成，且
-该有涂层的纤维素原纤维或木质纤维素原纤维最多占该底网重量的70％，
其中该底网在10的β构造水平上含有其量为该纤维质量的0～0.40wt％的选自阳离子型淀粉和硅石的保留剂。
2.按照权利要求1的纤维网，其特征在于该填料包含通过打浆和过筛从植物纤维制备的、其平均粗细度小于10μm的纤维素原纤维或木质纤维素原纤维。
3.按照权利要求1的纤维网，其特征在于该填料包含通过打浆和过筛从植物纤维制备的、其平均粗细度最大5μm的纤维素原纤维或木质纤维素原纤维。
4.按照权利要求2的纤维网，其特征在于该光散射材料微粒沉积在原纤维上，该原纤维对应于能通过50目筛网的级分和/或其平均粗细度为0.01～5μm且平均长度为10～1500μm。
5.按照权利要求1～4中任何一项的纤维网，其特征在于该光散射材料微粒是无机盐或有机盐，这些盐是通过在一种水介质中沉淀而从其源材料生成的。
6.按照权利要求5的纤维网，其特征在于该光散射材料微粒是碳酸钙、草酸钙、硫酸钙、硫酸钡或其混合物。
7.按照权利要求1～4中任何一项的纤维网，其特征在于该材料微粒沉积在原纤维上以期产生一种珍珠串一样的填料。
8.按照权利要求7的纤维网，其特征在于以与该纤维数量成比例的该钙化合物的数量是0.0001～90wt％。
9.按照权利要求1～4中任何一项的纤维网，其特征在于它涂布了碳酸钙、石膏、硅酸铝、高岭土、氢氧化铝、硅酸镁、滑石、二氧化钛、硫酸钡、氧化锌、合成颜料、或其混合物。
10.按照权利要求1～4中任何一项的纤维网，其特征在于包含有光散射材料微粒沉积于其上的纤维素原纤维或木质纤维素原纤维的填料占该底网中填料的10～100wt％。
11.按照权利要求1～4中任何一项的纤维网，其特征在于包含有光散射材料微粒沉积于其上的纤维素原纤维或木质纤维素原纤维的填料占该底网中纤维材料的10～50wt％。
12.按照权利要求1～4中任何一项的纤维网，其特征在于该网的填料中的光散射材料微粒是以一种实质上未絮凝的形式存在于该纤维网中的。
13.按照权利要求1～4中任何一项的纤维网，其特征在于它包含涂布精细纸或印刷用纸或书写用纸。
14.按照权利要求1～4中任何一项的纤维网，其特征在于该底网中填料的5～90％由有光散射材料微粒沉积于其上的纤维素纤维或木质纤维素纤维构成。
15.按照权利要求14的纤维网，其特征在于该余额由选自下述的惯常粉末状填料构成：天然的或沉淀的碳酸钙、高岭土、滑石、氢氧化铝、硫酸钙、硫酸钡、草酸钙和二氧化钛。
16.按照权利要求13的纤维网，其特征在于它实质上没有离子型保留剂。
17.一种制备纤维网的方法，按照该方法从一种纤维材料制备一种用来在一台纸或纸板机上形成一种纤维网的纸浆，
其特征在于
-向该纤维材料泥浆中添加一种作为填料的、包含有光散射材料微粒沉积于其上的纤维素原纤维或木质纤维素原纤维的产品，这种产品占该填料的5～100％且其数量最多是该纤维材料质量的70％，和
-选自阳离子型淀粉和硅石的保留剂以该纤维材料质量的0～0.40wt％的数量投加到该泥浆中。
18.按照权利要求17的方法，其特征在于使用一种填料，该填料包含通过打浆和过筛从植物纤维制备的、其平均粗细度小于10μm的纤维素原纤维或木质纤维素原纤维。
19.按照权利要求17的方法，其特征在于使用一种填料，该填料包含通过打浆和过筛从植物纤维制备的、其平均粗细度最大5μm的纤维素原纤维或木质纤维素原纤维。
20.按照权利要求18的方法，其特征在于使用一种填料，其中该光散射材料微粒沉积在原纤维上，该原纤维对应于一种能通过50目筛的级分和/或其平均粗细度是0.1～5μm、平均长度是10～1500μm。
21.按照权利要求17～20中任何一项的方法，其特征在于使用一种填料，其中该沉淀的光散射颜料微粒的至少90％附着到原纤维上。
22.按照权利要求21的方法，其特征在于该底网在造纸机上涂布一种含颜料的涂料混合物。
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