含有含硼化合物的纸及其生产方法

专利名称：含有含硼化合物的纸及其生产方法
技术领域：
本发明涉及纸和纸板制品领域，特别是涉及具有改进的尺寸稳定性能的纸和纸板制品。本发明的另一个方面涉及一种生产本发明纸和纸板制品的方法。
背景技术：
在造纸领域中的持续问题是纸在基于环境湿度条件的尺寸膨胀或收缩趋势。在高湿度环境中，纸纤维一般吸收水分并膨胀。随着纤维的膨胀，整个纸的尺寸也伸长，这种现象称为吸湿膨胀。另一方面，当纸暴露于特别干燥的环境条件下时，纸纤维会释放出以前保留的水分，导致纤维和纸收缩。另外，湿度条件的变化会导致其它变化和纸尺寸的不稳定，包括卷曲和起皱。
此外，暴露于高湿度水平下会导致纸的强度和挺度性能下降。这在用于包装的厚重纸板中特别存在问题，其中需要保持高强度和挺度。
所以，需要对环境条件敏感性较小的、不因局部湿度条件而有膨胀或收缩趋势的纸。
发明概述考虑到上述和其它目的和优点，本发明提供一种形成纸或纸板的方法。该方法包括提供含有纤维素纤维、淀粉和含硼化合物的造纸配料。淀粉化合物的量可以在宽范围内变化，例如等于或小于约200lbs/吨纤维，优选等于或小于约170lbs/吨纤维，更优选约2-约150lbs/吨纤维，最优选约2-约100lbs/吨纤维，其中在选择的实施方案中更优选的量是约3-约50lbs淀粉/吨纤维。含硼化合物的量也可以在宽范围内变化。在优选实施方案中，含硼化合物的量将取决于淀粉的量。在这些优选实施方案中，该化合物的存在量是等于或小于加入配料中的淀粉的约7重量％，优选等于或小于加入配料中的淀粉的约5重量％，更优选等于或小于加入配料中的淀粉的约3重量％，优选是加入配料中的淀粉的约0.2-约2重量％。在选择的实施方案中，淀粉的量是加入配料中的淀粉的约0.7-约0.8重量％。该方法还包括从造纸配料形成纤维纸幅和干燥该纸幅。在优选的本发明实施方案中，干燥的纸幅被压光以提供成品纸或纸板。
在另一方面，本发明涉及通过本发明方法形成的纸或纸板。该纸或纸板包含从含有纤维素纤维、淀粉和含硼化合物的纸浆配料形成的纸幅。在一个实施方案中，淀粉和含硼化合物的主要部分(例如大于50％，优选大于75％和更优选大于约80％至约90％)是处于纸幅的表面或在纸幅表面附近。在另一个实施方案中，淀粉和含硼化合物的主要部分(例如大于50％，优选大于75％和更优选大于约80％至约90％)分散在该整个纸幅中。
在形成纸或纸板的过程中，优选将煮制的淀粉和至少一部分含硼化合物彼此预先混合以提供浆液，所得的浆液然后加入到纸浆配料中。在特定的实施方案中，还优选的是将未转化的淀粉和至少一部分含硼化合物彼此预先混合以提供浆液，所得的浆液然后煮制以将淀粉转化，然后将浆液加入到纸浆配料中。但是，在特定的本发明其它实施方案中，优选的是含硼化合物直接被加入到纸浆配料中。
在还有另一个方面，本发明提供一种形成纸或纸板的方法，包括以下步骤提供含有纤维素纤维的造纸配料，从该造纸配料形成纤维纸幅，干燥该纸幅，和通过向该纸幅涂覆浆液而将该纸幅上胶，其中所述浆液含有淀粉固体和含硼化合物。含硼化合物的量也可以在宽范围内变化。在优选的实施方案中，含硼化合物的量将取决于淀粉的量。在这些优选的实施方案中，该化合物的存在量是等于或小于加入配料中的淀粉的约7重量％，优选等于或小于加入配料中的淀粉的约5重量％，更优选等于或小于加入配料中的淀粉的约3重量％，优选是加入配料中的淀粉的约0.2-约2重量％。在选择的实施方案中，淀粉的量是加入配料中的淀粉的约0.7-约0.8重量％。在优选的本发明实施方案中，干燥的纸幅被压光以提供成品的纸或纸板。
在再另一个方面，本发明涉及通过本发明方法形成的纸或纸板。该纸或纸板包含从含有纤维素纤维的纸浆配料形成的纸幅并且具有施涂到纸幅上的胶料，该胶料包括以上述量存在的淀粉固体和含硼化合物。
有用的含硼化合物例如是硼酸和金属硼酸盐。优选的用于本发明的含硼化合物可以选自硼酸、硼砂和硼酸锌。
用于本发明的淀粉可以是阴离子淀粉、阳离子淀粉或是两亲性的，这取决于特定的实施方案。优选的淀粉来源可以选自玉米淀粉、小麦淀粉、土豆淀粉、米淀粉、木薯淀粉和西米淀粉。
本发明的详细描述本发明涉及具有内部淀粉或施胶压榨涂覆的淀粉以及相对于淀粉按比例加入的含硼化合物的纸，其中认为含硼化合物与淀粉发生相互作用以提供纸的改进物理和机械性能。(在这里使用的“纸”表示和包括纸和纸板，除非另有说明)。
纸是作为纸幅提供的，含有纤维素纸浆纤维，例如从阔叶树、针叶树或阔叶树和针叶树结合得到的、通过任何已知合适的蒸煮、磨浆和漂白操作制备的在造纸配料中使用的纤维。在优选的实施方案中，在纸中的纤维素纤维包括约0-约40重量％干重的软木纤维和约100-约60重量％干重的硬木纤维。在特定的实施方案中，至少一部分纤维可以从非木类的草本植物提供，包括、但不限于洋麻、大麻、黄麻、亚麻、剑麻或马尼拉麻，尽管法律限制和其它考虑可能不允许使用大麻和其它纤维来源。纸也可以包括其它常规添加剂，例如淀粉、矿物填料、上胶剂、助留剂和增强聚合物。可以使用的填料是有机和无机颜料，例如聚合物颗粒，例如聚苯乙烯胶乳和聚甲基丙烯酸甲酯，以及矿物，例如碳酸钙、高岭土和滑石。在一些情况下，纸也可以包括中空微球。
各种纸和纸板可以通过本发明提供，具有各种各样的纸张定量，和从种种纤维素纤维形成。这些包括、但不限于办公用纸、表格纸、信封用纸、标签纸、光泽纸以及印刷和出版用纸，以及漂白的纸板和挂面纸板。
根据本发明形成的办公用纸，优选在纸压光后具有最终的厚度，和任何捏压(nipping)或压榨例如可以结合随后的约3.5-约10密耳的涂层。本发明的办公用纸还优选显示约18lb/1300ft2-约32lb/1300ft2的纸张定量。根据本发明形成的漂白纸板优选在纸板压光后具有最终的厚度，和任何捏压或压榨例如可以结合随后的至多约45密耳的涂层。本发明的漂白纸板还典型地显示约40lb/1000ft2-约90lb/1000ft2的纸张定量。
根据本发明形成的挂面纸板优选在纸板压光后具有最终的厚度，和任何捏压或压榨例如可以结合随后的至多约45密耳的涂层。本发明的挂面纸板还优选显示约25lb/1000ft2-约100lb/1000ft2的纸张定量。
重要的是，本发明的纸包括含硼化合物和淀粉。含硼化合物优选选自硼酸和无水和水合的金属硼酸盐。特别优选的含硼化合物包括无水和水合的硼酸钠(硼砂)、硼酸钾、氧化硼、硼酸和硼酸锌。含硼化合物按照与加入淀粉成比例的量加入，该量可以在宽范围内变化。在优选的实施方案中，含硼化合物的量将取决于淀粉的量。在这些优选的实施方案中，该化合物的存在量是等于或小于加入配料中的淀粉的约7重量％，优选等于或小于加入配料中的淀粉的约5重量％，更优选等于或小于加入配料中的淀粉的约3重量％，优选是加入配料中的淀粉的约0.2-约2重量％。在选择的实施方案中，淀粉的量是加入配料中的淀粉的约0.7-约0.8重量％。
淀粉溶液与含硼化合物一起被加入到纸中。淀粉溶液可以包括阳离子淀粉、阴离子淀粉、两亲性淀粉以及一种或多种这些淀粉的组合。合适的淀粉来源包括玉米淀粉、小麦淀粉、土豆淀粉、米淀粉、木薯淀粉和西米淀粉。加入到纸中的淀粉的种类和量可以根据本发明的特定实施方案而变化，将在下面详细说明。
向纸中加入淀粉和含硼化合物可以根据本发明的特定实施方案而变化。在本发明的一个实施方案中，淀粉和含硼化合物在造纸机上形成纸幅之前加入配料中。在另一个实施方案中，淀粉和含硼化合物的组合在已经形成纸幅和至少部分干燥之后在上胶压机中加入。已经观察到根据本发明的纸具有改进的耐吸湿膨胀性和耐收缩性。也就是说，这些纸当处于水分或潮湿环境中时比常规纸显示更少的纤维膨胀，以及在特别干燥的环境中还显示更少的纤维收缩。在本发明的一些实施方案中，这些纸显示强度和挺度性能，包括Gurley挺度、弹性模量、抗张能量吸收和/或抗张强度的改进。
形成本发明纸材料的方法包括提供最初的纸配料。该配料的纤维素纤维成分，合适的是化学法纸浆，例如漂白的牛皮纸浆(尽管不认为本发明限于牛皮纸浆)，和可以与其它化学纸浆一起使用并获得良好的效果，例如亚硫酸盐纸浆、机械纸浆例如磨木纸浆，和其它种类纸浆，以及它们的混合物，例如化学-机械和热-机械纸浆。
虽然对于本发明而言不是关键的，但是纸浆优选按照本领域公知的一种或多种漂白处理进行漂白以除去木素和达到所需要的纸浆亮度，包括例如基于元素氯的漂白程序，基于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，以及任何上述的各阶段和其它漂白相关程序阶段的组合或变化。
在完成漂白以及洗涤和筛分浆料之后，通常进行一个或多个磨浆步骤。然后，精制的浆料通入混合浆池，在那里与通常引入造纸配料中的各种添加剂和填料以及其它浆料例如未漂白的浆料和/或回收利用的或废浆料混合。添加剂可以包括所谓的“浆内施胶”剂，主要用于提高极性液体接触纸表面的接触角，例如是链烯基琥珀酸酐(ASA)、烷基乙烯酮二聚体(AKD)和松香胶。助留剂也可以在该阶段加入，包括阳离子和阴离子助留剂两者。
适量的浆内淀粉通常也在此时加入到纸配料中。在本发明的一个实施方案中，含硼化合物与淀粉一起加入到配料中。在该实施方案中，通常将淀粉以如上所述的量加到配料中，例如约3lbs淀粉/吨纸到约30lbs淀粉/吨纸。含硼化合物也通常按照基于加入到配料中的上述量淀粉的量加入到配料中。
在该实施方案中，优选含硼化合物具有较高的水溶解度。优选将已转化(煮制的)淀粉溶液和含硼化合物彼此预先混合，从而提供淀粉和含硼化合物的浆料，然后将该浆料混合物在随后步骤中加入到配料中。
在该实施方案中，优选的含硼化合物是硼酸。还优选被加入配料中的淀粉是阳离子淀粉。本发明可以使用预先转化的淀粉，也就是，淀粉已经预先与添加剂例如过硫酸铵和/或转化酶反应以将高度支化的原料淀粉分子结构部分地转化成更多直链和更少支化的结构。但是，如果淀粉没有进行预先转化，则其可以进行与含硼化合物在浆料中在约95-100℃的温度下煮制和转化，然后在加入到配料中之前冷却到约40-60℃。
在本发明的另一个实施方案中，含硼化合物可以直接加入到配料混合物中，另外，淀粉溶液可以直接加入到配料中。如果含硼化合物具有较低的水溶解度例如是硼酸锌，则这是优选的。
制备后，将配料在造纸机例如Fourdrinier机或任何其它合适的本领域公知以及可能将来知道的造纸机上形成为单层或多层纸幅。在各种结构的造纸机上造纸涉及的基本方法学是本领域技术人员公知的，因此在这里不再详细描述。通常，由含有较低稠度的纸浆纤维的水浆液(通常约0.1-约1.0％)和分散在其中的微球和各种添加剂和填料组成的配料从纸幅前箱喷射到多孔的循环移动成形板或网上，在那里该液体逐渐从网中的小孔漏干，直到在网上形成纸浆纤维和其它材料的毡。仍然湿的毡或纸幅被从线上转移到湿压机上，在那里出现更多的纤维-纤维固结，水分进一步减少。该纸幅然后通入到初始的干燥机阶段以除去大多数未保留的水分和进一步固结纸幅中的纤维。在初始干燥之后，该纸幅可以进一步使用上胶压机处理，在那里额外的淀粉、颜料和其它添加剂可以涂覆到纸幅上和通过压榨作用引入。
在本发明的另一个实施方案中，除了含硼化合物与湿部内部淀粉一起加入外或者代替这种加入，含硼化合物还可以与这种淀粉加入一起加入到纸中。在该实施方案中，淀粉通常按照所需要的量在上胶压机上加入，例如淀粉吸液率为约40-约150lbs淀粉/吨纸，含硼化合物通常与淀粉一起按照所需要的量在上胶压机上加入，基于加入的淀粉固体的重量计，例如是淀粉的约0.2-约0.1重量％(优选约0.7-约0.8重量％)。
在该实施方案中，可以优选的是淀粉和含硼化合物预先混入浆料。另外，如果该淀粉是原始的未转化的淀粉例如珠状淀粉，则可以优选将原料淀粉与含硼化合物混合，然后将所得的浆液煮制以在上胶压机上涂覆之前转化淀粉。转化可以使用添加剂例如过硫酸铵和转化酶协助进行。转化可以在约100-105℃的温度下进行。在转化之后，淀粉然后保持在约60-70℃，直到将其涂覆在上胶压机上。对于在上胶压机上的涂覆，优选的含硼化合物是硼砂(硼酸钠)。
在上胶压机中处理和随后干燥之后，纸优选进行压光以达到所需要的最终的上述厚度，以改进纸幅的光滑性和其它性能。压光可以通过在足以提供所需厚度的压区压力下进行钢-钢压光来完成。应当理解，纸的最终厚度总是主要通过压区压力的选择来决定。
如上所述，观察到所得的纸具有改进的耐吸湿膨胀性和对高湿度环境的其它有害作用例如卷曲和起皱的抵抗性。不囿于任何理论，认为含硼化合物的引入通过促进形成淀粉分子与含硼化合物之间的配合物而达到了该效果。认为这种配合限制了淀粉穿透入纤维素纤维中。
认为淀粉固体穿透入纤维素纤维中会提供水分穿透入纤维中的路径。因此，淀粉的添加通常使得纸更易于在高湿度环境下发生吸湿膨胀和其它尺寸不稳定性。但是，通过促进淀粉分子彼此之间的配合，能穿透纤维素纤维的淀粉的量降低。因此，纤维不太易于被水分穿透，并在改变环境条件时显示较少的尺寸变化。
惊奇的是，还观察到在一些实施方案中，含硼化合物的使用导致根据本发明形成的纸的强度和挺度性能得到改进。这些纸还显示Gurley挺度、弹性模量、抗张能吸收和/或抗张强度的改进。
以下的非限定性实施例将说明本发明的各个其它方面。除非另有说明，温度是℃，百分比是以重量计，任何纸浆添加剂或水分的百分比均基于纸浆的烘箱干燥重量。
实施例I生产一系列挂面纸板的手工纸样品以测定向纸浆配料中添加含硼化合物和淀粉的效果。该纸板是从约80％硬木和约20％软木的纸浆混合物形成。第一个(对比)样品是在没有任何内部淀粉或含硼化合物的情况下形成。
样品2是从相同的配料形成，只是将淀粉以约20lbs淀粉/吨纸浆纤维的比例在配料形成手工纸之前加入配料混合物中。此外，在该配料中不包含含硼化合物。
在样品3中，使用该纸浆混合物，和在该样品中，该配料与约20lbs淀粉/吨纸浆纤维和基于加入的淀粉重量计的约1％的硼酸混合。淀粉和硼酸先彼此混合形成浆液。该浆液经煮制，然后在形成手工纸之前加入到配料中。
在样品4中，硼酸锌以约20lbs硼酸锌/吨纸浆纤维的比例加入到纸浆混合物中。在纸浆混合物中不加入内部淀粉。
在样品5中，约20lb的淀粉/吨纸浆纤维和约20lb硼酸锌/吨纸浆纤维加入到配料中。在淀粉中不包含硼酸。
最后，在样品6中，约20lb的淀粉/吨纸浆纤维(约1％硼酸，基于加入的淀粉的重量)和约20lb硼酸锌/吨纸浆纤维加入到配料中。
然后检测每个手工纸样品的物理和机械性能。结果列在表I中。
表I
实施例II生产一系列胶版印刷纸的手工纸样品以测定在上胶压机中将纸上胶中添加含硼化合物和淀粉的效果。该纸板是从约80％硬木和约20％软木的纸浆混合物形成。第一个(对比)样品是作为对比样品形成的。该纸样在上胶压机中没有用淀粉或含硼化合物处理。
在样品2中，根据样品1形成的厚纸样(base sheet)通过用棒式计量设备涂覆16％淀粉固体混合物和使用Beloit上胶压机来上胶。在上胶淀粉中不包含含硼化合物。淀粉是使用过硫酸铵转化的StaleyPearl AP淀粉。该淀粉以约100lb/吨原纸样的吸液率涂覆。
在样品3中，纸样如样品2中那样形成和上胶，只是淀粉固体以10％固含量而不是16％固含量涂覆。此外，在上胶淀粉中不包含含硼化合物。
在样品4中，按照样品1中形成的原纸样通过涂覆包含16％淀粉固体和硼砂(硼酸钠五水合物)的混合物进行上胶。硼砂在混合物中与淀粉固体的比率(重量比)是约0.25％。在涂覆到该纸样上之前，淀粉和硼砂的混合物与过硫酸铵一起煮制以将淀粉转化。该混合物用棒计量设备涂覆，和使用Beloit上胶压机将该纸上胶。
在样品5中，上胶按照样品4进行，只是硼砂与淀粉固体的重量比是0.50％而不是0.25％。
在样品6中，淀粉以在混合物中的10％淀粉固体浓度涂覆。硼砂以0.50％硼砂与淀粉固体重量比添加。最后，棒计量设备的吸液率从100lb/吨降低到60lb/吨。
然后检测每个手工纸样的物理和机械性能。结果列在表II中。
表II
虽然描述了本发明的各方面和优选的实施方案，但是应该认识到本领域技术人员可以在所附权利要求的精神和范围内进行各种改进、改变和替换。
权利要求
1.一种形成纸或纸板的方法，包括提供含有纤维素纤维、淀粉和含硼化合物的造纸配料；从造纸配料形成纤维纸幅；和干燥该纸幅。
2.权利要求1的方法，进一步包括压光该纸幅以提供成品纸或纸板。
3.权利要求1的方法，其中淀粉的量是等于或小于约200lbs/吨纤维。
4.权利要求1的方法，其中含硼化合物的量是等于或小于淀粉的约7重量％。
5.权利要求1的方法，进一步包括将已转化的淀粉和至少一部分含硼化合物混合以提供浆液，将所得的浆液加入到纤维素纤维配料中以提供造纸配料。
6.权利要求5的方法，进一步包括将未转化的淀粉和至少一部分含硼化合物混合以提供浆液，将所得的浆液蒸煮以将淀粉转化，并将蒸煮的浆液加入到纤维素纤维配料中以提供造纸配料。
7.权利要求1的方法，进一步包括将含硼化合物和已转化的淀粉分别加入到纤维素纤维配料中以提供造纸配料。
8.权利要求1的方法，其中含硼化合物选自硼酸和金属硼酸盐。
9.权利要求8的方法，其中含硼化合物选自硼酸、硼砂和硼酸锌。
10.权利要求1的方法，其中含硼化合物和淀粉形成配合物。
11.权利要求1的方法，其中淀粉是阴离子淀粉。
12.权利要求1的方法，其中淀粉是阳离子淀粉。
13.权利要求1的方法，其中淀粉是两亲性淀粉。
14.权利要求1的方法，其中淀粉选自玉米淀粉、小麦淀粉、土豆淀粉、米淀粉、木薯淀粉和西米淀粉。
15.一种纸或纸板，包含含有纤维素纤维、淀粉和含硼化合物的纸幅。
16.权利要求14的纸或纸板，其中淀粉的量是等于或小于约200lbs/吨纤维。
17.权利要求14的纸或纸板，其中含硼化合物的量是等于或小于淀粉的约7重量％。
18.权利要求14的纸或纸板，其中含硼化合物选自硼酸和金属硼酸盐。
19.权利要求17的纸或纸板，其中含硼化合物选自硼酸、硼砂和硼酸锌。
20.权利要求14的纸或纸板，其中含硼化合物和淀粉形成配合物。
21.权利要求11的纸或纸板，其中淀粉是阴离子淀粉。
22.权利要求11的纸或纸板，其中淀粉是阳离子淀粉。
23.权利要求11的纸或纸板，其中淀粉是两亲性淀粉。
24.权利要求11的纸或纸板，其中淀粉选自玉米淀粉、小麦淀粉、土豆淀粉、米淀粉、木薯淀粉和西米淀粉。
25.一种形成纸或纸板的方法，包括提供含有纤维素纤维的造纸配料；从该造纸配料形成纤维纸幅；干燥该纸幅；和通过向该纸幅涂覆浆液而将该纸幅上胶，其中所述浆液含有淀粉固体和含硼化合物。
26.权利要求24的方法，进一步包括压光该纸幅以提供成品纸或纸板。
27.权利要求24的方法，其中浆液进行蒸煮以在涂覆到纸幅上之前转化淀粉。
28.权利要求24的方法，其中淀粉的量是等于或小于约200lbs/吨纤维。
29.权利要求24的方法，其中含硼化合物的量是等于或小于淀粉的约7重量％。
30.权利要求24的方法，其中含硼化合物选自硼酸和金属硼酸盐。
31.权利要求29的方法，其中含硼化合物选自硼酸、硼砂和硼酸锌。
32.权利要求29的方法，其中含硼化合物和淀粉形成配合物。
33.权利要求29的方法，其中淀粉是阴离子淀粉。
34.权利要求29的方法，其中淀粉是阳离子淀粉。
35.权利要求29的方法，其中淀粉是两亲性淀粉。
36.权利要求29的方法，其中淀粉选自玉米淀粉、小麦淀粉、土豆淀粉、米淀粉、木薯淀粉和西米淀粉。
37.一种纸或纸板，包含含有纤维素纤维的纸幅并且在纸幅上具有涂覆的胶料，该胶料包括淀粉固体和含硼化合物。
38.权利要求36的纸或纸板，其中淀粉的量是等于或小于约200lbs/吨纤维。
39.权利要求36的纸或纸板，其中含硼化合物的量是等于或小于淀粉的约7重量％。
40.权利要求36的纸或纸板，其中含硼化合物选自硼酸和金属硼酸盐。
41.权利要求39的纸或纸板，其中含硼化合物选自硼酸、硼砂和硼酸锌。
42.权利要求36的纸或纸板，其中含硼化合物和淀粉形成配合物。
43.权利要求36的纸或纸板，其中淀粉是阴离子淀粉。
44.权利要求36的纸或纸板，其中淀粉是阳离子淀粉。
45.权利要求36的纸或纸板，其中淀粉是两亲性淀粉。
46.权利要求36的纸或纸板，其中淀粉选自玉米淀粉、小麦淀粉、土豆淀粉、米淀粉、木薯淀粉和西米淀粉。
47.权利要求14的纸或纸板，其中含硼化合物和淀粉的主要部分处于所述纸幅的表面或在所述纸幅表面的附近。
48.权利要求14的纸或纸板，其中含硼化合物和淀粉的主要部分分布在整个所述纸幅中。
全文摘要
本发明涉及具有内部淀粉或施胶压榨涂覆的淀粉以及含硼化合物的纸，其中含硼化合物按照与淀粉成比例地添加，和认为含硼化合物与淀粉相互作用提供了纸的改进的物理和机械性能。还描述了形成所述纸的方法。
文档编号D21H21/18GK1705797SQ03825229
公开日2005年12月7日 申请日期2003年9月17日 优先权日2002年9月17日
发明者黄衍初, M·B·莱恩, K·M·辛, 洪耀良 申请人:国际纸业公司