专利名称：使用含有高水平交联纤维素纤维的高浓浆料的方法
技术领域：
本申请涉及使用含有高水平纤维内交联的纤维素纤维的高浓纸浆浆料的方法。
发明概述本申请涉及使用含有高水平交联的纤维素纤维的高浓纸浆浆料的方法，该方法采用筛中转子分散纤维于所述筛中，然后将所述纤维通过孔径至少2mm的筛，并在输送支持物(foraminous support)上形成纤维素纤维。
附图简述本发明公开的上述方面和许多附带的优点通过参考以下详细说明，结合附图而更透彻地理解时将变得更容易被接受，其中
图1是本申请使用的设备部件的示意图。
图2是叶形转子(lobed rotor)。
图3是翼形转子(foil rotor)。
图4是块形转子(bump rotor)。
图5是双层纸板剖面示意图。
图6显示热杯容器壁剖面。
发明详述含有高水平的交联纤维素纤维的高浓浆料由于浆料中的高水平交联纤维素纤维堵塞筛而不能用于纸板机。已经发现一种使用含有高水平交联纤维素纤维的高浓浆料的方法，其克服了这个问题。
参照图1，在浆料罐10内的分散介质比如水中，形成纤维素纤维的高浓浆料。得到的浆料然后被泵送到浓度调节器12，在那儿添加稀释水以保持固定浓度。随后浆料被泵送到成浆池14，然后进入筛筐16，筛筐可以直立或水平安装。各种类型的转子可以安装在筛筐，比如由GL&V，Watertown，NY制造的叶形转子，翼形转子或块形转子。转子用来在筛中分散纤维并迫使合格纤维通过筛筐然后到达网前箱18。不合格纤维通过平板筛16a，在那儿它们被进一步分离为被丢弃的筛渣，和被返回到成浆池14的合格纤维。网前箱可以是单层网前箱，多层网前箱，或两个或更多单层网前箱，通过排列而组合来自各单层网前箱的一个层以形成两个或多个层。从网前箱出来的纸浆在网20上形成，脱水并干燥。
在本方法的一个实施方案中，在含水分散体介质中形成纤维素纤维的至少一种高浓浆料。既包括交联的纤维素纤维又包括普通纤维素纤维的纤维素纤维通过筛内的转子被分散在筛中，然后通过具有孔径至少1.5mm的筛。纤维素纤维在输送支持物上形成。转子可以是各种类型，比如叶形，翼形，块形和S转子；上述列举不是对适于本申请类型的限制，并且是本领域技术人员所公知的。在另一个实施方案中，纤维通过孔径至少2mm的筛。可以使用筛孔大小直至6mm。此处使用的术语“浓度(consistency)”表示液体和固体混合物的固体含量百分数，例如浓度2％的纤维素纤维表示在一百克纤维和液体中有两克纤维素纤维。在另一个实施方案中，浆料浓度至少2.5％和在另一实施方案中浆料浓度至少3％。高浓浆料表示3％到4％的固体含量，中浓浆料表示1％到2％的固体含量，而低浓浆料表示固体含量小于1％。
交联纤维素纤维可在高浓浆料中以至少35％的总纤维重量的水平存在于所述高浓浆料中。在一个实施方案中，它们以至少40wt％的总纤维含量的水平存在于高浓浆料中。在另一个实施方案中，它们以至少50wt％的总纤维含量的水平存在于高浓浆料中，而在另一实施方案中，它们以至少60wt％的总纤维含量的水平存在于高浓浆料中。
供本申请中使用的优选的交联纤维素纤维是交联纤维素纤维。必要时，许多交联剂和交联催化剂中的任何一种可用于提供包含在所述层(layer)内的交联纤维。以下列举了代表性的有用的交联剂和催化剂。下列的每一专利在此处以其全文引作参考。
合适的基于脲的交联剂包括取代的脲，比如羟甲基化的脲，羟甲基化的环脲，羟甲基化的低级烷基环脲，羟甲基化的二羟基环脲，二羟基环脲，以及低级烷基取代的环脲。具体的基于脲的交联剂包括二甲基二羟基脲(DMDHU，1，3-二甲基-4，5-二羟基-2-咪唑啉酮)，二羟甲基二羟基亚乙基脲(DMDHEU，1，3-二羟甲基-4，5-二羟基-2-咪唑啉酮)，二羟甲基脲(DMU，双[N-羟甲基]脲)，二羟基亚乙基脲(DHEU，4，5-二羟基-2-咪唑啉酮)，二羟甲基亚乙基脲(DMEU，1，3-二羟甲基-2-咪唑啉酮)，和二甲基二羟基亚乙基脲(DMeDHEU或DDI，4，5-二羟基-1，3-二甲基-2-咪唑啉酮)。
合适的交联剂包括二醛，比如C2-C8二醛(例如，乙二醛)，具有至少一个醛基的C2-C8二醛酸类似物，和这些醛和二醛酸类似物的低聚物，如下列美国专利4,822,453；4,888,093；4,889,595；4,889,596；4,889,597；和4,898,642中的描述。其它合适的二醛交联剂包括那些在美国专利4,853,086；4,900,324；和5,843,061中的描述。其它合适的交联剂包括醛和基于脲的甲醛加成产品。参见，例如，美国专利3,224,926；3,241,533；3,932,209；4,035,147；3,756,913；4,689,118；4,822,453；3,440,135；4,935,022；3,819,470；和3,658,613。合适的交联剂还可以包括脲的乙二醛加成物，例如，美国专利4,968,774，和乙二醛/环脲加成物，如美国专利4,285,690；4,332,586；4,396,391；4,455,416；和4,505,712中的描述。
其它合适的交联剂包括羧酸交联剂比如多元羧酸。多元羧酸交联剂(例如，柠檬酸，丙烷三羧酸，和丁烷四羧酸)以及催化剂描述于美国专利3,526,048；4,820,307；4,936,865；4,975,209；和5,221,285中。美国专利5,137,537；5,183,707；和5,190,563；5,562,740和5,873,979描述使用包含至少三个羧基的C2-C9多元羧酸(例如，柠檬酸和氧代二琥珀酸)作为交联剂。
聚合的多元羧酸也是合适的交联剂。合适的聚合多元羧酸交联剂描述于美国专利4,391,878；4,420,368；4,431,481；5,049,235；5,160,789；5,442,899；5,698,074；5,496,476；5,496,477；5,728,771；5,705,475；和5,981,739。聚丙烯酸和有关的共聚物作为交联剂描述于美国专利5,549,791和5,998,511。聚马来酸交联剂描述于美国专利5,998,511和美国专利申请序号09/886,821。
具体的合适的多元羧酸交联剂包括柠檬酸，酒石酸，苹果酸，琥珀酸，戊二酸，柠康酸，衣康酸，单琥珀酸酒石酸酯，马来酸，聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚马来酸，聚甲基乙烯基醚-共-马来酸酯共聚物，聚甲基乙烯基醚-共-衣康酸酯共聚物，丙烯酸共聚物，和马来酸共聚物。其它合适的交联剂描述于美国专利5,225,047；5,366,591；5,556,976；和5,536,369。
合适的交联催化剂包括酸式盐，比如氯化铵，硫酸铵，氯化铝，氯化镁，硝酸镁和含磷的酸的碱金属盐。在一个实施方案中，所述交联催化剂是次磷酸钠。
所述交联剂在纤维素纤维被生产时以足够实现纤维内交联的量被施用于纤维素纤维。施加到纤维素纤维的量可以是基于纤维总重量的大约1wt％到大约25wt％。在一个实施方案中，交联剂的量为基于纤维总重量的大约4wt％到大约6wt％。可以使用交联剂的混合物或掺合物。
尽管可以从其它来源中获得，本申请可用的非交联的纤维素纤维主要来自木浆。供本申请应用的合适的木浆纤维可在有或没有随后漂白的情形下而从已知的化学方法比如牛皮浆和亚硫酸盐法获得。纸浆纤维还可以通过热机械方法，化学热机械方法，或其组合处理。优选的纸浆纤维通过化学方法产生。可以使用磨木浆纤维，再循环或次生木材纸浆纤维，和漂白和未漂白的木浆纤维。可以使用软木和硬木。选择木浆纤维的细节是本领域技术人员熟知的。这些纤维可以从许多公司购买到，包括本发明的受让人Weyerhaeuser公司。例如，可用于本申请中的由南方松生产的合适的纤维素纤维可以从Weyerhaeuser公司以以下名称购得CF416，CF405，NF405，PL416，FR416，FR516和NB416。来自北方软木的溶解浆包括α含量皆为95％的MAC11亚硫酸盐纸浆，M919，WEYCELL和TR978，以及α含量为91％的PH。高纯度丝光处理的纸浆，比如可以从Buckeye获得的HPZ，HPZ111，HPZ4，和HPZ-XS和从Rayonier获得的Porosonier J也是合适的。
筛孔直径可以变化。在一个实施方案中，所述孔径至少2毫米，在另一个实施方案中，所述孔径至少3毫米。在筛中用于分散纤维和使所述纤维通过筛的转子可以是叶形，块形或翼形转子。翼形转子可以具有四到十个薄片(foil)。
热的食品，特别是热液体，通常通过一次性容器供应并消费。这些容器由包括纸板和发泡的聚合板材的多种材料制成。一种最便宜的纸板材料来源是纤维素纤维。纤维素纤维被用于制造为生产热杯，纸盘及其他饮食容器的优良纸板。然而从纤维素纤维生产的常规纸板是相对致密的，因此，其比例如发泡聚合板材更容易传递热。因此，热液体通常以双杯或含有多层常规纸板的杯供应。
合意的是制造从具有优良绝缘特性的纤维素材料生产的纸板，其允许用户感到容器中的食品是温的或热的，而同时允许所述容器中的食品或饮料的消费者拿着该容器一段较长的时间而不感觉太烫。更合意的是提供可被特制以提供各种绝缘特性的纸板。
参照图5，本申请中绝缘纸板52的基层50以常规方法从容易获得的纤维比如纤维素纤维生产。纸板的至少一个层54包含交联纤维。本申请的纸板可依照要求以单层，双层，或多层结构而制造。虽然本申请的纸板可以使用上述合成纤维，但最优选的是纸板包含所有或基本上所有的纤维素纤维。
本申请的显著特点在于无论是单层还是多层结构的纸板，其至少一层包含交联的纤维素纤维。所述交联纤维素纤维增加纸板的容积密度并因此增加绝缘特征。此处使用的交联纤维素纤维是扭结、缠绕、卷曲的纤维素纤维。然而优选的是，如早先的描述，通过纤维内交联纤维素纤维而生产纤维。
本申请的纸板可以具有广泛的特性。例如，其基重可从200gsm到500gsm，更优选，从250gsm到400gsm。最优选，纸板的基重等于或大于250gsm。为达到本发明的绝缘特性，优选的纸板密度小于0.5g/cc，更优选，从0.3g/cc到0.45g/cc，而最优选，从0.35g/cc到0.40g/cc。
当根据本发明所述纸板的至少一层包含交联纤维素纤维时，可以实现有利的温度下降特性。这些温度下降特性的实现可以通过改变引入纸板的交联纤维素纤维的量，通过调整纸板的基重，在纸板已被生产之后通过运行纸板，例如经由压料辊而调整纸版厚度(caliper)，以及当然，通过改变掺入到纸板结构中的附加层的数目和厚度。如下定义，优选纸板的厚度大于或等于0.5毫米，基重等于或大于250gsm，密度小于0.5g/cc。
本申请的纸板可以是单层产品。当采用单层产品时，纸板的低密度特性允许以合理的基重制造更厚的纸板。为达到相同的绝缘特性，相对于本发明纸板而言普通纸板的厚度必须加倍。使用本发明的交联纤维素纤维，可以制造具有与普通纸板相同基重的绝缘纸板。这有效使得在现有的纸板机上以较少的更改和较少的生产力损失来制造绝缘纸板。此外，一层纸板有下列好处，即整体结构是低密度的。
可选择的是，本申请的纸板可以是多层产品，包括两个，三个，或更多层。包含超过一个单层的纸板可以在干燥之前或之后通过组合所述层而制备。然而优选的是多层纸板通过使用多个顺序排列的网前箱以湿成形方法制备，或通过使用具有接收容量的挡板网前箱然后放置多个纸浆配料(furnishes)而制备。多层产品的单个层可以是相同或不同的。
本申请的纸板可以使用常规的造纸机包括例如，真空圆网抄纸机(rotoformer)，福德林尼尔造纸机，圆筒，斜网Delta成形机，和双网成板机而形成。
当单层纸板用于本发明时，它优选在组合物中是均相的。然而所述单层可以就组合物而言分层，并使得一层富含交联纤维素纤维而另一层富含非交联纤维素纤维。例如纸板的一个表面可以富含交联纤维素纤维以增加其表面的容积而另一个表面富含非交联纤维以提供平整的，更致密的较少孔的表面。
生产的最经济的纸板在组合物是均相的。交联纤维素纤维与通常的纤维素纤维均匀掺合。例如，在网前箱配料中，优选交联纤维素纤维以大约25％到大约100％的量，更优选以大约30％到大约70％的量存在于高浓浆料中。在一个实施方案中，所述交联纤维素纤维以总纤维含量至少35wt％的水平存在。在另一个实施方案中，所述交联纤维以总纤维含量的至少50wt％存在。在另一实施方案中，交联纤维以总纤维含量的至少60wt％存在。在双层结构中，例如，第一层可以包含100％非交联纤维素纤维，而第二层可以包含从25％到100％的交联纤维素纤维或从30％到70％的交联纤维素纤维。在三层结构中，例如底层和顶层可以包含100％的非交联纤维素纤维而中间层包含大约25％到大约100％，优选大约30％到大约70％的交联纤维素纤维。
当依照本发明将交联纤维素纤维用于纸板时，已经发现退出造纸机的纸板可以被压缩到不同程度以调整横跨纸板的温度下降特性。纸板一旦离开造纸机可以在厚度上被压缩或减少直至50％，和更优选从15％到25％。可以通过降低纸板的基重达到相同的结果。
本申请的纸板可以用于制造各种结构，特别是要求具有绝缘特性的容器。这些容器中最常见的一种是用于热饮料比如咖啡，茶等等的随处可见的热杯。其它的绝缘容器比如普通的纸盘也可以包含本发明的纸板。此外，从纸板或发泡材料常规生产的外携容器也可以使用本发明的纸板。图6显示生产的热杯式容器的壁剖面，其可以包含一个层或多个层62和64，在这种情况下，其中一个层64包含交联纤维素纤维。在这个实施方案中，所述交联纤维素纤维位于内部层64中。液体不能渗透的纸坯优选挤出或塑胶涂布于该内部层。纸坯可以包含，例如，各种热塑性材料，比如聚乙烯。优选用于杯底的纸板不包含松厚纤维。
实施例1-9以3.2％浓度制备含有50-65wt％的柠檬酸交联的纤维素纤维的高浓浆料。交联纤维用标准Beloit Jones磨浆机以零载荷被高频疏解(deflaked)。花旗松(Douglas Fir)纤维素纤维用作高浓浆料中的另一组分。在有些情况下，所述花旗松被磨浆为650 CSF。2毫米筛孔大小用于所有情况。由GL&V，Watertown，NY制造的具有六个薄片的转子，块形转子和叶形转子，都是本领域公知的，用于不同试验的筛中。在GL&V，Watertown，NY的中试筛选机上进行试验，该机允许浆料再循环通过单元回到筛选槽泵。流速范围从大约3785l/m(1000gpm)到5678l/m(1500gpm)。运行的纤维筛渣率为10-13％。
表1筛选试验
条件2在筛渣率10％和进料率3255l/m(860gpm)到5300l/m(1400gpm)运转良好。条件1在筛渣率17％运转，但是当筛渣率降低，筛渣行(reject line)塞入具有稠浆料的筛选筐的中心。
条件3以GL&V的梭鱼(barracuda)转子，块形转子以随机模式运行。所述运行以全部筛渣行开始，但是一旦良浆行(accept line)打开，流量由于浆料变稠而开始下降。转子有倾向于将纤维分级的特点。
所有剩余运行如下运转良好条件4，所述运行以11％筛渣率，筛压差0.14kpa(31b)和转子转速900RPM进行。增加转子转速到1000RPM没有影响。
条件5，所述转子转速下降到800RPM，在该点筛渣流量开始到下降并且转子转速回到900。
条件6同条件4。
条件7，所述入口压力增加0.48kPa(10lb)，进料流量从900GPM增加到4164l/m(1100GPM)和所述压差增加到0.17(3.5lb)。该条件运转良好。
条件8以筛渣率15％，3123l/m(825GPM)进料流速运行。
条件9以筛渣率13％，3785l/m(1000GPM)进料流速运行。
这些结果表明在3.2％浓度和HBA 50％到65％用叶型转子设计的筛选是成功的。
纤维样品从进料浆料中获得，良浆行和筛渣行在显微镜下分析纤维含量。所述结果显示于表2，表明使用各种转子和2毫米大小筛孔，交联纤维没有选择性的分级。
表2显微结构-筛选稀浆样品
F＝进料浆料；A＝良浆；R＝筛渣实施例10制备含有40wt％的交联纤维素纤维的3-3.2％高浓浆料；花旗松(Douglas Fir)湿抄(wet lap)用作通常的纤维。在中间层网前箱之前使用孔径4mm和六个翼形转子的筛。只含有花旗松(Douglas Fir)或松木纤维的单独的浆料被磨浆到500CSF并在泵送浆料到外面的网前箱之前稀释到0.5％浓度。在500cm纸板机上形成纸板。
实施例11制备含有40wt％的交联纤维素纤维的3-3.2％高浓浆料；花旗松(Douglas Fir)湿抄用作通常的纤维。在中间层网前箱之前使用孔径2mm和叶形转子的筛。只含有花旗松(Douglas Fir)或松木纤维的单独的浆料被磨浆到500CSF并在泵送浆料到外面的网前箱之前稀释到0.5％浓度。在500cm纸板机上形成纸板。
实施例12制备含有50wt％的交联纤维素纤维的3-3.2％高浓浆料；花旗松(Douglas Fir)湿抄用作通常的纤维。在中间层网前箱之前使用孔径2mm和叶形转子的筛。只含有花旗松(Douglas Fir)或松木纤维的单独的浆料被磨浆到500CSF并在泵送浆料到外面的网前箱之前稀释到0.5％浓度。在500cm纸板机上形成纸板。
实施例13制备含有55wt％的交联纤维素纤维的3-3.2％高浓浆料；花旗松(Douglas Fir)湿抄用作通常的纤维。在中间层网前箱之前使用孔径2mm和叶形转子的筛。只含有花旗松(Douglas Fir)或松木纤维的单独的浆料被磨浆到500CSF并在泵送浆料到外面的网前箱之前稀释到0.5％浓度。在500cm纸板机上形成纸板。
权利要求
1.使用高浓纸浆的方法，包括以下步骤在水性分散介质中形成纤维素纤维的至少一种高浓浆料，其中所述纤维素纤维包含交联纤维；通过筛中转子以分散所述纤维于所述筛中；将所述纤维通过孔径为至少2mm的筛；在输送支持物上形成所述纤维素纤维。
2.权利要求1的方法，其中浆料浓度按纤维干重计算至少2.5％。
3.权利要求1的方法，其中高浓浆料包含按纤维干重计算至少40％水平的交联纤维素纤维。
4.权利要求3的方法，其中交联纤维以至少50wt％的水平存在于浆料中。
5.权利要求4的方法，其中交联纤维以至少60wt％的水平存在于浆料中。
6.权利要求1的方法，其中所述筛孔径至少2mm。
7.权利要求1的方法，其中所述筛孔径至少3mm。
8.权利要求1的方法，其中所述转子是叶形转子。
全文摘要
本发明公开了使用含有高水平交联纤维素纤维的高浓浆料的方法。在所述方法中，高浓浆料中的纤维用转子分散于筛中，而通过筛的纤维形成于输送支持物上。
文档编号D21D5/16GK1796658SQ2005101341
公开日2006年7月5日 申请日期2005年12月27日 优先权日2004年12月30日
发明者保罗·A·施翁克 申请人:韦尔豪泽公司