含有含硼化合物的紙及其生產方法

2023-08-09 23:48:01

專利名稱：含有含硼化合物的紙及其生產方法
技術領域：
本發明涉及紙和紙板製品領域，特別是涉及具有改進的尺寸穩定性能的紙和紙板製品。本發明的另一個方面涉及一種生產本發明紙和紙板製品的方法。
背景技術：
在造紙領域中的持續問題是紙在基於環境溼度條件的尺寸膨脹或收縮趨勢。在高溼度環境中，紙纖維一般吸收水分並膨脹。隨著纖維的膨脹，整個紙的尺寸也伸長，這種現象稱為吸溼膨脹。另一方面，當紙暴露於特別乾燥的環境條件下時，紙纖維會釋放出以前保 留的水分，導致纖維和紙收縮。另外，溼度條件的變化會導致其它變化和紙尺寸的不穩定，包括捲曲和起皺。此外，暴露於高溼度水平下會導致紙的強度和挺度性能下降。這在用於包裝的厚重紙板中特別存在問題，其中需要保持高強度和挺度。所以，需要對環境條件敏感性較小的、不因局部溼度條件而有膨脹或收縮趨勢的紙。發明概述考慮到上述和其它目的和優點，本發明提供一種形成紙或紙板的方法。該方法包括提供含有纖維素纖維、澱粉和含硼化合物的造紙配料。澱粉化合物的量可以在寬範圍內變化，例如等於或小於約2001bs/噸纖維，優選等於或小於約1701bs/噸纖維，更優選約2-約1501bs/噸纖維，最優選約2-約IOOlbs/噸纖維，其中在選擇的實施方案中更優選的量是約3-約501bs澱粉/噸纖維。含硼化合物的量也可以在寬範圍內變化。在優選實施方案中，含硼化合物的量將取決於澱粉的量。在這些優選實施方案中，該化合物的存在量是等於或小於加入配料中的澱粉的約7重量％，優選等於或小於加入配料中的澱粉的約5重量％，更優選等於或小於加入配料中的澱粉的約3重量％，優選是加入配料中的澱粉的約0. 2-約2重量％。在選擇的實施方案中，澱粉的量是加入配料中的澱粉的約0. 7-約0. 8重量％。該方法還包括從造紙配料形成纖維紙幅和乾燥該紙幅。在優選的本發明實施方案中，乾燥的紙幅被壓光以提供成品紙或紙板。在另一方面，本發明涉及通過本發明方法形成的紙或紙板。該紙或紙板包含從含有纖維素纖維、澱粉和含硼化合物的紙漿配料形成的紙幅。在一個實施方案中，澱粉和含硼化合物的主要部分(例如大於50%，優選大於75%和更優選大於約80%至約90%)是處於紙幅的表面或在紙幅表面附近.在另一個實施方案中，澱粉和含硼化合物的主要部分(例如大於50%，優選大於75%和更優選大於約80%至約90% )分散在該整個紙幅中。在形成紙或紙板的過程中，優選將煮製的澱粉和至少一部分含硼化合物彼此預先混合以提供漿液，所得的漿液然後加入到紙漿配料中。在特定的實施方案中，還優選的是將未轉化的澱粉和至少一部分含硼化合物彼此預先混合以提供漿液，所得的漿液然後煮製以將澱粉轉化，然後將漿液加入到紙漿配料中。但是，在特定的本發明其它實施方案中，優選的是含硼化合物直接被加入到紙漿配料中。在還有另一個方面，本發明提供一種形成紙或紙板的方法，包括以下步驟提供含有纖維素纖維的造紙配料，從該造紙配料形成纖維紙幅，乾燥該紙幅，和通過向該紙幅塗覆漿液而將該紙幅上膠，其中所述漿液含有澱粉固體和含硼化合物。含硼化合物的量也可以在寬範圍內變化。在優選的實施方案中，含硼化合物的量將取決於澱粉的量.在這些優選的實施方案中，該化合物的存在量是等於或小於加入配料中的澱粉的約7重量％，優選等於或小於加入配料中的澱粉的約5重量％，更優選等於或小於加入配料中的澱粉的約3重量％，優選是加入配料中的澱粉的約0. 2-約2重量％。在選擇的實施方案中，澱粉的量是加入配料中的澱粉的約0. 7-約0. 8重量％。在優選的本發明實施方案中，乾燥的紙幅被壓光以提供成品的紙或紙板.在再另一個方面，本發明涉及通過本發明方法形成的紙或紙板。該紙或紙板包含從含有纖維素纖維的紙漿配料形成的紙幅並且具有施塗到紙幅上的膠料，該膠料包括以上述量存在的澱粉固體和含硼化合物。 有用的含硼化合物例如是硼酸和金屬硼酸鹽。優選的用於本發明的含硼化合物可以選自硼酸、硼砂和硼酸鋅。用於本發明的澱粉可以是陰離子澱粉、陽離子澱粉或是兩親性的，這取決於特定的實施方案.優選的澱粉來源可以選自玉米澱粉、小麥澱粉、土豆澱粉、米澱粉、木薯澱粉和西米澱粉.本發明的詳細描述本發明涉及具有內部澱粉或施膠壓榨塗覆的澱粉以及相對於澱粉按比例加入的含硼化合物的紙，其中認為含硼化合物與澱粉發生相互作用以提供紙的改進物理和機械性能。(在這裡使用的「紙」表示和包括紙和紙板，除非另有說明)。紙是作為紙幅提供的，含有纖維素紙漿纖維，例如從闊葉樹、針葉樹或闊葉樹和針葉樹結合得到的、通過任何已知合適的蒸煮、磨漿和漂白操作製備的在造紙配料中使用的纖維。在優選的實施方案中，在紙中的纖維素纖維包括約0-約40重量％乾重的軟木纖維和約100-約60重量％乾重的硬木纖維。在特定的實施方案中，至少一部分纖維可以從非木類的草本植物提供，包括、但不限于洋麻、大麻、黃麻、亞麻、劍麻或馬尼拉麻，儘管法律限制和其它考慮可能不允許使用大麻和其它纖維來源。紙也可以包括其它常規添加劑，例如澱粉、礦物填料、上膠劑、助留劑和增強聚合物。可以使用的填料是有機和無機顏料，例如聚合物顆粒，例如聚苯乙烯膠乳和聚甲基丙烯酸甲酯，以及礦物，例如碳酸鈣、高嶺土和滑石。在一些情況下，紙也可以包括中空微球.各種紙和紙板可以通過本發明提供，具有各種各樣的紙張定量，和從種種纖維素纖維形成。這些包括、但不限於辦公用紙、表格紙、信封用紙、標籤紙、光澤紙以及印刷和出版用紙，以及漂白的紙板和掛麵紙板。根據本發明形成的辦公用紙，優選在紙壓光後具有最終的厚度，和任何捏壓(niping)或壓榨例如可以結合隨後的約3. 5-約10密耳的塗層.本發明的辦公用紙還優選顯示約18 lb/1300ft2-約321b/1300ft2的紙張定量.根據本發明形成的漂白紙板優選在紙板壓光後具有最終的厚度，和任何捏壓或壓榨例如可以結合隨後的至多約45密耳的塗層。本發明的漂白紙板還典型地顯示約40 lb/1000ft2-約901b/1000ft2的紙張定量。根據本發明形成的掛麵紙板優選在紙板壓光後具有最終的厚度，和任何捏壓或壓榨例如可以結合隨後的至多約45密耳的塗層。本發明的掛麵紙板還優選顯示約251b/1000ft2-約 1001b/1000ft2 的紙張定量。重要的是，本發明的紙包括含硼化合物和澱粉。含硼化合物優選選自硼酸和無水和水合的金屬硼酸鹽。特別優選的含硼化合物包括無水和水合的硼酸鈉(硼砂)、硼酸鉀、氧化硼、硼酸和硼酸鋅。含硼化合物按照與加入澱粉成比例的量加入，該量可以在寬範圍內變化。在優選的實施方案中，含硼化合物的量將取決於澱粉的量。在這些優選的實施方案中，該化合物的存在量是等於或小於加入配料中的澱粉的約7重量％，優選等於或小於加入配料中的澱粉的約5重量％，更優選等於或小於加入配料中的澱粉的約3重量％，優選是加入配料中的澱粉的約0. 2-約2重量％。在選擇的實施方案中，澱粉的量是加入配料中的澱粉的約0. 7-約0.8重量％。澱粉溶液與含硼化合物一起被加入到紙中。澱粉溶液可以包括陽離子澱粉、陰離 子澱粉、兩親性澱粉以及一種或多種這些澱粉的組合。合適的澱粉來源包括玉米澱粉、小麥澱粉、土豆澱粉、米澱粉、木薯澱粉和西米澱粉。加入到紙中的澱粉的種類和量可以根據本發明的特定實施方案而變化，將在下面詳細說明。向紙中加入澱粉和含硼化合物可以根據本發明的特定實施方案而變化.在本發明的一個實施方案中，澱粉和含硼化合物在造紙機上形成紙幅之前加入配料中。在另一個實施方案中，澱粉和含硼化合物的組合在已經形成紙幅和至少部分乾燥之後在上膠壓機中加入.已經觀察到根據本發明的紙具有改進的耐吸溼膨脹性和耐收縮性。也就是說，這些紙當處於水分或潮溼環境中時比常規紙顯示更少的纖維膨脹，以及在特別乾燥的環境中還顯示更少的纖維收縮。在本發明的一些實施方案中，這些紙顯示強度和挺度性能，包括Gurley挺度、彈性模量、抗張能量吸收和/或抗張強度的改進。形成本發明紙材料的方法包括提供最初的紙配料。該配料的纖維素纖維成分，合適的是化學法紙漿，例如漂白的牛皮紙漿(儘管不認為本發明限於牛皮紙漿)，和可以與其它化學紙漿一起使用並獲得良好的效果，例如亞硫酸鹽紙漿、機械紙漿例如磨木紙漿，和其它種類紙漿，以及它們的混合物，例如化學-機械和熱-機械紙漿。雖然對於本發明而言不是關鍵的，但是紙漿優選按照本領域公知的一種或多種漂白處理進行漂白以除去木素和達到所需要的紙漿亮度，包括例如基於元素氯的漂白程序，基於二氧化氯的漂白程序，不含氯的漂白程序，不含元素氯的漂白程序，以及任何上述的各階段和其它漂白相關程序階段的組合或變化。在完成漂白以及洗滌和篩分漿料之後，通常進行一個或多個磨漿步驟。然後，精製的漿料通入混合漿池，在那裡與通常引入造紙配料中的各種添加劑和填料以及其它漿料例如未漂白的漿料和/或回收利用的或廢漿料混合。添加劑可以包括所謂的「漿內施膠」劑，主要用於提高極性液體接觸紙表面的接觸角，例如是鏈烯基琥珀酸酐(ASA)、烷基乙烯酮二聚體(AKD)和松香膠。助留劑也可以在該階段加入，包括陽離子和陰離子助留劑兩者.適量的漿內澱粉通常也在此時加入到紙配料中。在本發明的一個實施方案中，含硼化合物與澱粉一起加入到配料中。在該實施方案中，通常將澱粉以如上所述的量加到配料中，例如約3 Ibs澱粉/噸紙到約30 Ibs澱粉/噸紙.含硼化合物也通常按照基於加入到配料中的上述量澱粉的量加入到配料中.在該實施方案中，優選含硼化合物具有較高的水溶解度。優選將已轉化(煮製的)澱粉溶液和含硼化合物彼此預先混合，從而提供澱粉和含硼化合物的漿料，然後將該漿料混合物在隨後步驟中加入到配料中。在該實施方案中，優選的含硼化合物是硼酸.還優選被加入配料中的澱粉是陽離子澱粉。本發明可以使用預先轉化的澱粉，也就是，澱粉已經預先與添加劑例如過硫酸銨和/或轉化酶反應以將高度支化的原料澱粉分子結構部分地轉化成更多直鏈和更少支化的結構.但是，如果澱粉沒有進行預先轉化，則其可以進行與含硼化合物在漿料中在約95-100°C的溫度下煮製和轉化，然後在加入到配料中之前冷卻到約40-60°C .在本發明的另一個實施方案中，含硼化合物可以直接加入到配料混合物中，另外，澱粉溶液可以直接加入到配料中.如果含硼化合物具有較低的水溶解度例如是硼酸鋅，則這是優選的。
製備後，將配料在造紙機例如Fourdrinier機或任何其它合適的本領域公知以及可能將來知道的造紙機上形成為單層或多層紙幅。在各種結構的造紙機上造紙涉及的基本方法學是本領域技術人員公知的，因此在這裡不再詳細描述。通常，由含有較低稠度的紙漿纖維的水漿液(通常約0. I-約I. 0% )和分散在其中的微球和各種添加劑和填料組成的配料從紙幅前箱噴射到多孔的循環移動成形板或網上，在那裡該液體逐漸從網中的小孔漏幹，直到在網上形成紙漿纖維和其它材料的氈。仍然溼的氈或紙幅被從線上轉移到溼壓機上，在那裡出現更多的纖維-纖維固結，水分進一步減少.該紙幅然後通入到初始的乾燥機階段以除去大多數未保留的水分和進一步固結紙幅中的纖維。在初始乾燥之後，該紙幅可以進一步使用上膠壓機處理，在那裡額外的澱粉、顏料和其它添加劑可以塗覆到紙幅上和通過壓榨作用引入。在本發明的另一個實施方案中，除了含硼化合物與溼部內部澱粉一起加入外或者代替這種加入，含硼化合物還可以與這種澱粉加入一起加入到紙中。在該實施方案中，澱粉通常按照所需要的量在上膠壓機上加入，例如澱粉吸液率為約40-約150 Ibs澱粉/噸紙，含硼化合物通常與澱粉一起按照所需要的量在上膠壓機上加入，基於加入的澱粉固體的重量計，例如是澱粉的約0. 2-約0. I重量％ (優選約0. 7-約0. 8重量％ )。在該實施方案中，可以優選的是澱粉和含硼化合物預先混入漿料.另外，如果該澱粉是原始的未轉化的澱粉例如珠狀澱粉，則可以優選將原料澱粉與含硼化合物混合，然後將所得的漿液煮製以在上膠壓機上塗覆之前轉化澱粉。轉化可以使用添加劑例如過硫酸銨和轉化酶協助進行。轉化可以在約100-105°C的溫度下進行。在轉化之後，澱粉然後保持在約60-70°C，直到將其塗覆在上膠壓機上。對於在上膠壓機上的塗覆，優選的含硼化合物是硼砂(硼酸鈉)。在上膠壓機中處理和隨後乾燥之後，紙優選進行壓光以達到所需要的最終的上述厚度，以改進紙幅的光滑性和其它性能.壓光可以通過在足以提供所需厚度的壓區壓力下進行鋼-鋼壓光來完成。應當理解，紙的最終厚度總是主要通過壓區壓力的選擇來決定。如上所述，觀察到所得的紙具有改進的耐吸溼膨脹性和對高溼度環境的其它有害作用例如捲曲和起皺的抵抗性。不囿於任何理論，認為含硼化合物的引入通過促進形成澱粉分子與含硼化合物之間的配合物而達到了該效果。認為這種配合限制了澱粉穿透入纖維素纖維中。認為澱粉固體穿透入纖維素纖維中會提供水分穿透入纖維中的路徑。因此，澱粉的添加通常使得紙更易於在高溼度環境下發生吸溼膨脹和其它尺寸不穩定性。但是，通過促進澱粉分子彼此之間的配合，能穿透纖維素纖維的澱粉的量降低。因此，纖維不太易於被水分穿透，並在改變環境條件時顯示較少的尺寸變化。驚奇的是，還觀察到在一些實施方案中，含硼化合物的使用導致根據本發明形成的紙的強度和挺度性能得到改進。這些紙還顯示Gurley挺度、彈性模量、抗張能吸收和/或抗張強度的改進.以下的非限定性實施例將說明本發明的各個其它方面。除非另有說明，溫度是。C，百分比是以重量計，任何紙漿添加劑或水分的百分比均基於紙漿的烘箱乾燥重量。實施例I
生產一系列掛麵紙板的手工紙樣品以測定向紙漿配料中添加含硼化合物和澱粉的效果.該紙板是從約80%硬木和約20%軟木的紙漿混合物形成。第一個(對比)樣品是在沒有任何內部澱粉或含硼化含物的情況下形成。樣品2是從相同的配料形成，只是將澱粉以約20 Ibs澱粉/噸紙漿纖維的比例在配料形成手工紙之前加入配料混合物中.此外，在該配料中不包含含硼化合物。在樣品3中，使用該紙漿混合物，和在該樣品中，該配料與約20 Ibs澱粉/噸紙漿纖維和基於加入的澱粉重量計的約I%的硼酸混合。澱粉和硼酸先彼此混合形成漿液.該漿液經煮製，然後在形成手工紙之前加入到配料中。在樣品4中，硼酸鋅以約20 Ibs硼酸鋅/噸紙漿纖維的比例加入到紙漿混合物中。在紙漿混合物中不加入內部澱粉。在樣品5中，約20 Ib的澱粉/噸紙漿纖維和約20 Ib硼酸鋅/噸紙漿纖維加入到配料中。在澱粉中不包含硼酸。最後，在樣品6中，約20 Ib的澱粉/噸紙漿纖維(約1%硼酸，基於加入的澱粉的重量)和約20 Ib硼酸鋅/噸紙漿纖維加入到配料中。然後檢測每個手工紙樣品的物理和機械性能。結果列在表I中。
權利要求
1.一種製備紙或紙板的方法，包括 提供含有纖維素纖維的造紙配料； 從該造紙配料形成纖維紙幅； 乾燥該紙幅；和 通過向該紙幅塗覆漿液而將該紙幅上膠，其中所述漿液含有澱粉固體和含硼化合物。
2.權利要求I的方法，其中澱粉的量是等於或小於200Ibs/噸纖維。
3.權利要求I的方法，其中含硼化合物選自硼酸和金屬硼酸鹽。
4.權利要求I的方法，其中含硼化合物選自硼酸、硼砂和硼酸鋅。
5.權利要求I的方法，其中含硼化合物和澱粉形成配合物。
6.權利要求I的方法，其中澱粉是陰離子澱粉。
7.權利要求I的方法，其中澱粉是陽離子澱粉。
8.權利要求I的方法，其中澱粉是兩親性澱粉。
9.權利要求I的方法，其中澱粉選自玉米澱粉、小麥澱粉、土豆澱粉、米澱粉、木薯澱粉和西米澱粉。
10.權利要求I的方法，進一步包括將所述澱粉和所述含硼化合物混合以提供漿液
11.權利要求I的方法，進一步包括將澱粉和至少一部分含硼化合物混合以提供漿液，並蒸煮所得的漿液。
12.權利要求I的方法，進一步包括壓光該上膠的紙幅以提供成品紙或紙板。
13.權利要求I的方法，其中含硼化合物的量是澱粉重量的O.2% -1%。
14.權利要求I的方法，其中含硼化合物的量是澱粉重量的O.7% -O. 8%。
15.權利要求I的方法，其中所述紙或紙板選自辦公用紙、表格紙、信封用紙、標籤紙、光澤紙、印刷用紙、出版用紙、漂白的紙板和掛麵紙板。
16.權利要求I的方法，其中造紙配料還包括中空微球。
17.—種紙或紙板，其包含含有纖維素纖維的紙幅，並將該紙幅上膠，所述上膠後的紙幅含有澱粉固體和含硼化合物。
18.權利要求17的紙或紙板，其中澱粉的量是等於或小於2001bs/噸纖維。
19.權利要求17的紙或紙板，其中含硼化合物選自硼酸和金屬硼酸鹽。
20.權利要求17的紙或紙板，其中含硼化合物選自硼酸、硼砂和硼酸鋅。
21.權利要求17的紙或紙板，其中含硼化合物和澱粉形成配合物。
22.權利要求17的紙或紙板，其中澱粉是陰離子澱粉。
23.權利要求17的紙或紙板，其中澱粉是陽離子澱粉。
24.權利要求17的紙或紙板，其中澱粉是兩親性澱粉。
25.權利要求17的紙或紙板,其中澱粉選自玉米澱粉、小麥澱粉、土豆澱粉、米澱粉、木薯澱粉和西米澱粉。
26.權利要求17的紙或紙板，其中含硼化合物的量是澱粉重量的O.2% -1%。
27.權利要求17的紙或紙板，其中含硼化合物的量是澱粉重量的O.7% -O. 8%。
28.權利要求17的紙或紙板，其中所述紙或紙板選自辦公用紙、表格紙、信封用紙、標籤紙、光澤紙、印刷用紙、出版用紙、漂白的紙板和掛麵紙板。
29.權利要求17的紙或紙板，其中還包括中空微球。
全文摘要
本發明涉及具有內部澱粉或施膠壓榨塗覆的澱粉以及含硼化合物的紙，其中含硼化合物按照與澱粉成比例地添加，和認為含硼化合物與澱粉相互作用提供了紙的改進的物理和機械性能。還描述了形成所述紙的方法。
文檔編號D21H21/18GK102767114SQ201210079
公開日2012年11月7日 申請日期2003年9月17日 優先權日2002年9月17日
發明者K·M·辛, M·B·萊恩, 洪耀良, 黃衍初 申請人:國際紙業公司