塗覆的纖維網及其製備方法
2023-09-22 06:26:20 2
專利名稱：塗覆的纖維網及其製備方法
技術領域：
本發明涉及權利要求1前序部分中所述的塗覆的纖維網。
這類纖維網通常含有基網和填充劑，在至少一個表面上有含顏料的塗層。
本發明還涉及權利要求12前序部分中所述的製備塗覆的纖維網的方法。
紙張和板材的可印刷性-印刷表面和印刷過程的性質-可通過用不同礦物塗料塗覆紙張得到改善。塗覆的目的是覆蓋紙張和板材的纖維及纖維簇，並通過這些手段，降低表面的粗糙度及表面孔的尺寸。塗料通常由顏料和粘合劑以及各種添加劑組成。
紙張的可塗覆性，即基紙被塗料覆蓋的能力，隨著日益提高的對輕質紙張的需求變得更加重要。儘管覆蓋可能受到塗覆混合物性質及塗覆方式的影響，但基紙的質量也是重要的。好的結構和光滑度以及適宜的不透氣性和孔隙度是影響可塗覆性的最重要的因素，特別是在需要用少量的塗料得到好的質量時。待塗覆的纖維網通常含有填充劑。填充劑通過填充纖維間的空隙改善紙張的結構。同樣網的不透明性也可通過填充劑得到改善。
芬蘭專利說明書100729公開了一種造紙填充劑，其含有在微粒表面上沉澱碳酸鈣顆粒形成的多孔聚集體。根據該專利說明書，這種新型填充劑的特徵在於碳酸鈣沉澱在通過精製纖維素纖維和/或機械紙漿纖維形成的微粒纖維上。微粒部分的粒徑分布主要對應於P100的篩網部分。
基於所述專利說明書，可以提高碳酸鈣在紙張中的含量，從而紙張的克數可以在不改變紙張其他重要特性的前提下得到降低。出版物的結果是基於實驗室的紙張，分別根據標準SCAN-C2676和SCAN-M576測量得到的數據。出版物中未提及紙張的可塗覆性。
根據本發明，現在發現，令人十分吃驚的是通過用上述填充劑填充紙張或板材網或相應的纖維網，不僅紙張的其他重要特性保持不變，而且纖維網的可塗覆性得到顯著改善。
另外，在本發明範圍內還發現，其他至少部分由纖維素或木質素原纖維組成，並在其上沉澱了光散射物質顆粒的填充劑也可用作填充劑。這些顆粒典型地為在水相中沉澱的無機鹽，如碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇和草酸鈣。
更具體地說，本發明方法的主要特徵如權利要求1的特徵部分所述。
本發明所述方法的特徵如權利要求12的特徵部分所述。
本發明提供了顯著的優點。因此，發現由原纖維和礦物顏料組成的複合填充劑可使基紙的塗覆性優於目前市售的填充劑可達到的特性。由於本發明所用複合填充劑可令人吃驚地顯著改善纖維網的結構而不影響其牢固性，因此可通過本發明方法得到非常光滑的塗覆基質。表面的光滑度也可提高。另外，基於微粒的載體部分使基紙的表面更為緻密，從而塗料不會過多透入纖維網絡中。基於以上原因，甚至少量的塗料也可提供好的遮蓋性和高質量的塗覆，從而提高成本效益。
以下，本發明將通過詳細的描述與一些工作實施例得到更詳盡的檢驗。
在以下實施例中，本發明所用填充劑基於得自化學紙漿的原纖維。在此，化學紙漿指這樣的紙漿，該紙漿經化學品蒸煮處理脫除了纖維素纖維中的木質素。根據一個優選的實施方案，原纖維得自硫酸鹽工藝或另一個鹼性製漿工藝所得紙漿的精製。除化學紙漿的原纖維外，本發明還可用於調節得自化學機械和機械紙漿的原纖維。
典型地，纖維素或木質纖維素原纖維的平均厚度小於5μm，通常小於1μm。原纖維的特徵在於滿足至少一個下述標準a.其對應於可通過50目(或優選，100目)篩網的部分；和b.其平均厚度為0.01-10μm(優選最大為5μm，特別是最大為1μm)且平均長度為10-1500μm。
原纖維的原材料，即，基於纖維素或其他纖維的微粒，通過在紙漿精製機中擊打而被纖維化。所需部分可以在需要時使用篩網分離出來，但微粒不總是需要篩分。適合的原纖維部分包括P50-P400的篩網部分。優選使用帶有槽刀片的精製機。
填充劑中的光散射材料顆粒為無機或有機鹽，其可在水介質中由其源物質沉澱形成。這樣的化合物包括碳酸鈣、草酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇及其混合物。物質顆粒沉澱在原纖維上。無機鹽化合物的量佔原纖維量的比例，以填充劑的量計算為大約為0.0001-95wt％，優選約0.1-90wt％，最適合地為約60-80％，以紙的重量計算約為0.1-80wt％，優選約0.5-50wt％。
以下，本發明具體參考FI專利說明書100729所述產品來進行檢驗，但很清楚，通過適當改變光散射顏料的原材料，本發明可適用於上文所述其他產品。
填充劑通過將礦物顏料沉澱在由纖維素纖維和/或機械紙漿纖維製備的細粒原纖維表面上製得。例如，碳酸鈣沉澱可通過如下方法進行將可能含有固體氫氧化鈣的氫氧化鈣水溶液，和至少部分溶於水的含有碳酸根離子的化合物(如碳酸鈉或碳酸銨)送入原纖維的水漿中。也可將二氧化碳氣體引入到水相中，其在氫氧化鈣存在下產生碳酸鈣。其形成象珍珠鏈一樣的碳酸鈣晶體聚集體，它們通過原纖維，即細線保持在一起，且在其中碳酸鈣顆粒沉澱在細粒原纖維上並附著在其上。細粒原纖維與碳酸鈣一同形成珍珠鏈一樣的串，且碳酸鈣聚集體基本組成了堆疊的珍珠線。在水(漿)中聚集體的有效體積對紙漿的比與用作填充劑的傳統碳酸鈣的相應比例相比非常高。此處「有效體積」指顏料所需體積。
聚集體中碳酸鈣顆粒的直徑約為0.1-5μm，典型地約0.2-3μm。特別地，原纖維對應於P50(或P100)至P400篩網的篩過部分。填充劑中至少80％，優選最高至90％的光散射顏料附著在原纖維上。
紙漿用本身已知的方法漿化(典型的固體含量約為0.1-1％)並塗布到篩網上。上述填充劑加入纖維漿中最適宜的方法是加入紙張或板材機械的進料盒中，通常其量為紙漿纖維的約1-100wt％。換言之，填充劑的量可高至等於或大於實際紙漿的量。原則上，也可能生產一種基網，基網的纖維材料全部由填充劑的原纖維組成，這就意味著本填充劑可成為基網纖維材料的1至100wt％。
紙漿在紙張或板材機械中網絡化以形成紙張或板材網。纖維網被乾燥並塗覆並可能進行進一步加工，如砑光。
塗覆可通過一次塗覆或兩次塗覆進行，因此塗覆色可作為一次塗覆混合物和所謂預塗覆和表面塗覆混合物。也可能進行三次塗覆。通常，本發明塗覆色含有至少一種顏料或顏料混合物，其含量為10至100重量份，至少一種粘合劑，其含量為0.1至30重量份和1至10重量份的其他已知添加劑。
預塗覆混合物的典型組成如下塗覆顏料(如，粗碳酸鈣)，100重量份粘合劑，顏料的1-20wt％添加劑和助劑，顏料的0.1-10wt％其他為水預塗覆混合物中水的加入量使固體含量通常為40-70％。
根據本發明，表面塗覆混合物或一次塗覆混合物的組成如下塗覆顏料I(如，細碳酸鹽)， 10-90重量份塗覆顏料II(如，細高嶺土)，10-90重量份顏料總和 100重量份粘合劑， 1-20重量份添加劑和助劑，0.1-10重量份其他為水塗覆顏料中水的加入量使幹固體含量通常為50-75％。
根據本發明，上述塗覆顏料中可使用具有窄粒徑分布的顏料，如顏料顆粒中最多35％小於0.5μm，優選最多15％小於0.2μm。
本發明可用於任何顏料。可引述於此作為顏料示例的有沉澱碳酸鈣，研磨碳酸鈣，硫酸鈣，草酸鈣，矽鋁酸鹽，高嶺土(水合矽鋁酸鹽)，氫氧化鋁，矽酸鎂，滑石(水合矽酸鎂)，二氧化鈦和硫酸鋇，及其混合物。也可使用合成顏料。在上述顏料中，主要顏料為高嶺土，碳酸鈣，沉澱碳酸鈣和石膏，它們基本佔到塗覆混合物幹固體的50％以上。焙燒高嶺土，二氧化鈦，緞光白，氫氧化鋁，矽鋁酸鈉和塑料顏料是另外的顏料，它們的量佔混合物中幹固體量的不足25％。在特殊的顏料中，應當提到的是高質量高嶺土和碳酸鈣，還有硫酸鋇和氧化鋅。
本發明特別優選使用碳酸鈣，硫酸鈣，矽鋁酸鹽和氫氧化鋁，矽酸鎂，二氧化鈦和/或硫酸鋇，及其混合物，其中，特別優選，預塗覆混合物中主顏料為碳酸鈣或石膏，而在表面塗覆混合物和一次塗覆混合物中主顏料由碳酸鈣或石膏與高嶺土的混合物組成。
可以使用任何已知的通常用於紙張生產的粘合劑作為塗覆色料中的粘合劑。除單獨的粘合劑外，還可使用粘合劑混合物。典型的粘合劑的例子有烯屬不飽和化合物的聚合物或共聚物製得的合成乳膠，如丁二烯-苯乙烯型共聚物，其還可含有一個含羧基的共聚單體，如丙烯酸，衣康酸或馬來酸，和具有含羧基的共聚單體的醋酸聚乙烯酯。與上述物質一同，還可使用如水溶性聚合物，澱粉，CMC，羥乙基纖維素和聚乙烯醇作為粘合劑。
另外，在塗料組合物中可以使用傳統添加劑和助劑，如分散劑(如聚丙烯酸鈉鹽)，可改變混合物粘度和水張力的試劑(如CMC，羥乙基纖維素，聚丙烯酸酯，藻蛋白酸鹽，安息香酸鹽)，所謂的潤滑劑，用於改善水張力的硬化劑，光學助劑，消泡劑，PH控制劑，和防腐劑。潤滑劑的實例包括磺化油，酯，胺，硬脂酸鈣或銨；改善水張力的試劑，甘油；光學助劑，二胺基茋二磺酸衍生物；消泡劑，磷酸酯，矽酮，醇，酯，植物油；pH控制劑，氫氧化鈉，氨；最後是防腐劑，甲醛，酚，季銨鹽。
塗覆混合物可以已知的方法塗覆到材料網上。本發明塗覆紙張和/或板材的方法可使用傳統的塗覆設備，即，使用刮刀塗覆，或使用膜塗覆或JET塗覆。
塗覆時，至少一個表面上，優選在兩個表面上都形成克數為5-30g/m2的塗覆層。未塗覆的面可用例如上漿的方法處理。
在本發明幫助下，可以得到塗覆的並任選砑光的含纖維素材料網，其具有優異的印刷性質，好的光滑性和高的不透明性及亮度。我們用「含纖維素材料」指紙張或板材或相應的衍生自含木質纖維素的原材料，特別是衍生自木材或一年生植物或多年生植物的纖維質材料。所述材料可以含有或不含有木材，且可通過機械，半機械(化學機械)或化學紙漿生產。化學紙漿或機械紙漿可以漂白也可不漂白。材料還可含有再生纖維，特別是再生紙或再生板材。材料還可含有再生纖維，特別是再生紙或再生板材。材料網的克數典型地為35-500g/m2，典型地約為50-450g/m2。
通常基紙的克數為20-250g/m2，優選30-80g/m2。通過塗覆這種基紙，基紙的克數約為50-70g/m2，塗覆量為10-20克塗料/m2/面並砑光紙張，可製備出克數為70-110g/m2，亮度至少為90％，不透明度為至少90％的產品。特別優選的產品是一種塗覆的膠印紙，其中結合有高的光澤度和高的不透明性及體積。本發明還適於生產塗覆的高級紙張，也可用於含機械紙漿的紙張。
以下非限制性的實施例描述了本發明。實施例中所標示的紙張性質的測量結果是根據以下標準方法得出的表面粗糙度SCAN-P7695孔隙度SCAN-P60抗空氣透過性SCAN-M8，P19實施例1填充劑的製備化學紙漿的精製樺樹硫酸鹽紙漿用Valmet JC-10精製機精製以製備適合生產填充劑的紙漿。精製的一致性約為4％，總能量消耗為343kWh/t，比邊緣荷載為0.5J/m。
產品性質列於表1表1.精製前後纖維的性質
紙漿碳酸化碳酸化根據FI專利說明書100729在自來水中進行。得到水漿，其乾物質含量為2.22％，總量為248m3。最終產物的CaCO3含量為69.7％，比表面積為10.6m2/kg。
實施例2基紙的製備實施例1所得產品用作塗覆的高級紙張的填充劑。下表列出了測試所得結果，其中高級紙張在斯得哥爾摩STFI中試機(FEX)上製備。
表2.高級紙張的表面性質
表中結果表明本發明所述以細粒為基礎的填充劑與市售的PCC填充劑相比改善了基紙的結構和光滑度，其對紙張可塗覆性具有出人意料的良好影響。效果的提高與填充劑的用量直接相關。而且，使用所討論的填充劑(SuperFill)時表面的不滲透性或密度更高，這一性質是有利的，特別是在考慮到輕質紙張時，因為混合物的可塗覆性更好。
實施例3研磨實驗A1.含填充劑的紙產品克數為56g/m2的基紙在工廠條件下製備以備塗覆。漿液含有樺樹紙漿(74％)和松樹紙漿(24％)的混合物。精製後，松樹的SR值為32-34°而樺樹為22-25°。紙漿進料盒中紙漿的SR值為35-40°。
造紙機的線倉中有氫化的Valmet(Sym-former)線，而溼壓倉中有一個具有三次壓縮機和一個傳統乾燥段的Valmet Sym-Press II。
將三種不同填充劑用於基紙，它們分別為Finntalc F 15 SL(MondMinerals的滑石)，Albacor HO(Specialty Minerals的PCC)和實施例1中描述的複合填加劑，下文稱之為「 SuperFill」。用作填充劑的滑石的量為10％至15％而SuperFill的量為10％，15％和20％。
納米顆粒和陽離子澱粉(Compozil PlusEKA NP 780納米顆粒和EKA PL 1510 C-PAM，供應商EKA Chemicals)用作化學保持劑。使用滑石和PCC時的加入量如下納米顆粒280g/t，聚合物70g/t，使用SuperFill時納米顆粒280g/t，聚合物50g/t。陽離子澱粉和樹脂粘合劑的用量為8kg/t和5.2g/t。明礬的加入量為對滑石13kg/t，而對PCC和SuperFill為19kg/t。
A2.結果測量基紙樣品的Coulter油孔隙度。低填充劑含量時未觀察到孔徑分布的明顯區別。75％的孔分布在1.2至1.8μm(在最大值附近)範圍內。填充劑含量提高到20％時，觀察到明顯的不同。使用PCC時，孔徑中值隨填充劑量的增加而提高。使用SuperFill時，孔徑中值下降且分布變窄，且75％值在0.8μm左右。使用滑石時可觀察到同樣的效果但幅度較小。當使用SuperFill作為填充劑，填充劑含量為20％時，孔徑中值僅為PCC相應值的60％，而孔徑分布的寬度(75％值)僅為PCC所得值的34％。
因此，可從數據看出SuperFill的紙張比用PCC填充的紙張表面更為封閉，這利於塗覆且因更好的覆蓋度而使紙張質量提高。換言之，由於塗覆顏料不能輕易地穿透進入基紙而得到了更光滑且更光潔的表面。
B1.在線塗覆上文所述基紙一面進行塗覆，另一面進行表面上膠。使用BTG的ABC單刀塗覆器進行塗覆。表面上膠是通過在塗覆機的工作輥上進行膜傳輸而在同一單元內進行的。機器速度為750m/min，網卷取機的長度為252cm。第四乾燥組後進行在線塗覆且塗料在乾燥筒(第五乾燥組)中進行乾燥。
針對分別含有15％滑石或SuperFill的基紙進行在線塗覆。僅對線面進行塗覆(13g/m2)，對表面一面進行表面上膠(0.5g/m2)。
使用SuperFill時在線塗覆的流動性好。塗覆條件保持一致並列於表3。塗覆混合物的組成或固體成份在測試過程中沒有改變。
表3 塗覆條件
測定塗覆且砑光後紙的性質。
含有SuperFill的塗覆且砑光後的紙較相應用滑石填充的紙光澤好約5％單位，光滑度好0.1pps單位。考慮到SuperFill紙的塗覆量甚至稍微更低一些，這是一個很好的結果。SuperFill紙的光散射參數和亮度也明顯好於相應的用滑石填充的紙。
基於這些結果，可以認為使用複合顏料可使塗覆色彩向基紙內的滲透顯著降低且可得到更好覆蓋度和光澤的塗覆。這可能是因為紙的孔徑小，孔徑分布窄且基紙的光滑度特別好。
權利要求
1.塗覆的纖維網，其包括含有填充劑的基網，基網的至少一個表面具有含顏料的塗料層，其特徵在於基網填充劑至少部分由其上沉澱了光散射物質顆粒的纖維素或木質纖維素原纖維組成。
2.根據權利要求1的纖維網，其特徵在於填充劑含有平均厚度小於5μm、通過精製和篩分植物纖維製備的纖維素或木質纖維素原纖維。
3.根據權利要求2的纖維網，其特徵在於光散射物質顆粒沉澱在原纖維上，原纖維對應於通過50目篩和/或平均厚度為0.01至5μm且平均長度為10至1500μm的部分。
4.根據權利要求1至3中任一項的纖維網，其特徵在於光散射物質顆粒為無機鹽，其可通過其源物質在水介質中沉澱形成。
5.根據權利要求4的纖維網，其特徵在於光散射物質顆粒為碳酸鈣，草酸鈣，硫酸鈣，硫酸鋇或其混合物。
6.根據權利要求1至5中任一項的纖維網，其特徵在於物質顆粒沉澱在原纖維上。
7.根據權利要求6的纖維網，其特徵在於光散射物質顆粒的量佔原纖維量的比例基於填充劑的量時為0.0001至95wt％，優選約0.1至90wt％，最適合為約60至80wt％，基於紙重量時約為0.1至60wt％，優選0.5至50wt％。
8.根據在前權利要求中任一項的纖維網，其特徵在於用碳酸鈣，石膏，矽鋁酸鹽，高嶺土，氫氧化鋁，矽酸鎂，滑石，二氧化鈦，硫酸鋇，氧化鋅，合成顏料或其混合物塗覆。
9.根據在前權利要求中任一項的纖維網，其特徵在於含有其上沉澱了光散射物質顆粒的纖維素或木質纖維素原纖維的填充劑構成了基紙填充劑重量的10至100wt％。
10.根據在前權利要求中任一項的纖維網，其特徵在於含有其上沉澱了光散射物質顆粒的纖維素或木質纖維素原纖維的填充劑構成了基網纖維材料重量的10至100wt％。
11.根據在前權利要求中任一項的纖維網，其特徵在於包括塗覆的，含木材或不含木材紙張。
12.一種製備纖維網的方法，根據這一方法，含有顏料的塗覆層被塗覆到含纖維材料基網的至少一個表面上，其特徵在於從纖維材料漿液形成基網，並向其中加入含有其上沉澱了光散射物質顆粒的纖維素或木質纖維素原纖維的產物作為填充劑。
13.根據權利要求12的方法，其特徵在於使用一種填充劑，其含有通過精製並篩分植物纖維得到的平均厚度小於5μm的纖維素或木質纖維素原纖維。
14.根據權利要求12的方法，其特徵在於使用一種填充劑，填充劑的光散射物質顆粒已沉澱在原纖維上，所述原纖維對應於通過50目篩和/或平均厚度為0.1到10μm，平均長度為10至1500μm的部分。
15.根據權利要求12至14中任一項的方法，其特徵在於所用填充劑中至少80％的光散射顏料顆粒附著在原纖維上。
16.根據權利要求12的方法，其特徵在於在造紙機中用含有顏料的塗覆混合物塗覆基網。
全文摘要
本發明涉及塗覆的纖維網及其製備方法。根據本發明，塗覆的纖維網含有含填充劑的，在至少一個表面上有含顏料的塗層的基網。基網的填充劑至少部分由在其表面上沉積了光散射物質顆粒的纖維素或木質纖維素原纖維組成。該填充劑含有平均厚度小於5μm、通過精製和篩分植物纖維得到的纖維素或木質纖維素原纖維。通過本發明得到明顯的好處。在複合填充劑的幫助下，纖維網的形成可明顯改善，同時不影響其牢固性，這樣就可以得到特別光滑的塗覆基質。表面的光滑性也可得到提高。另外，填充劑的細粒載體部分不會過分進入纖維骨架。基於以上原因，甚至少量的塗覆就可得到好的遮蓋和質量，從而提高了效益。
文檔編號D21H15/12GK1520484SQ02812660
公開日2004年8月11日 申請日期2002年4月24日 優先權日2001年4月24日
發明者P·西萊紐斯, J·默伊羅寧, M·萊斯克萊, P 西萊紐斯, 箍死, 諒弈 申請人:M-真實公司