专利名称：造纸方法
技术领域：
本发明涉及含纤维-填料复合物的纸张或纸板基片以及所述基片的制备和使用方法。
背景技术：
在造纸过程中，无机材料如沉淀的碳酸钙(PCC)、研磨碳酸钙(GCC)、粘土和滑石广泛地用作填料。在目前的造纸策略中，填料加入量通常为12-25重量％，以便改善纸张的光学性能如白度和不透明度。在有些情况下，出于经济上的考虑，人们往往会用廉价填料替换昂贵的纤维。
为了保证填料保留在纤维幅中，并最终保留在纸产品中，将使用助留剂。通常，助留剂是使造纸配料絮凝并增强填料-纤维“附着”的长链聚合物。然而，部分由助留剂所引起的高絮凝水平将在纸幅中形成不均匀性并形成质量差的纸张。
为解决该问题，在法国专利92-04474和US5,731,080和5,824,364(Cousin等人)中披露了直接将填料附着至纤维表面上的方法。在此通过引用将其全部内容引入。在这些专利中，纸浆配料的滑流(slip stream)精制至低游离度(＜70加拿大标准游离度[csf]与典型的450csf)，然后处理产生高填载的填料-纤维复合物。当将这些复合物重新与未经处理的纸浆进行混合时，能够实现任何希望的填料量。
另一种可供选择的方法描述于美国专利5,679,220(Matthew等人)和美国专利5,665,205(Srivatsa等人)中，在此通过引入将其全部内容并入。在Srivatsa和Matthew的专利中，在没有将纸浆经受高精制处理(低游离度)的情况下，将所有配料处理成标称的填料加入量。然而，由于对较大体积的纸浆进行处理，这种方法将使成本和操作费用增加。因此，在本领域中一直需要容易廉价地产生填料-纤维复合物。
在本领域中，已知的是，通过使纤维浆液与消石灰和二氧化碳气体接触沉淀碳酸钙(PCC)来生产纤维-填料复合物。所述的方法描述于Cousin等人，Srivatsa和Matthew等人的专利中。Cousin等人的专利描述了一种获得纤维-基复合物的方法，所述复合物是通过在扩大表面积的纤维(其表面上具有微纤维)的水悬浮液中就地沉淀碳酸钙而生产的。沉淀的碳酸钙(PCC)的晶体在没有任何粘合剂或助留剂的情况下基本上以直接接枝到微纤维上的颗粒簇排列，因此，所述晶体通过可靠的和不易发生变化的键合来俘获微纤维。Srivatsa等人描述了有关二次纤维配料的就地沉淀。而就形成纤维-填料复合物来说，Cousin等人的专利描述了间歇反应方法，Matthew等人描述了连续方法。
通常，当对纸浆进行精制时，在纤维上将产生更大的表面积，并形成另外的锚接位置。然而，通过在造纸过程中从生产液流中获取纤维，美国专利6,592,712(在此通过引入将其全部内容并入)提供了一种在不需要另外精制的情况下具有大表面积的纤维源。然而，含再循环纤维(也称之为“细小纤维(fine)”)的内部再循环大表面积纤维流，由于除染料和颜料以外其还包含残余的未处理填料和其它造纸材料如施胶剂、光学增白剂，因此，在使用时十分易变。这些化学物质在其随后的使用中将引起一系列的问题，如当暴露至高pH环境中，如在开始形成PCC时所要求的环境中时，将降低剩余施胶剂和OBA的使用效果。另外，利用含“细小纤维”的十分易变的配料将在由其制得的纸基(paper substrate)中造成不均匀性的问题。
发明内容
本发明的一方面是纸基，其包含平均长度大于或等于75微米的得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维和附着至部分所述纤维上的填料，另外还包含以所述纸基的总重量计低于50重量％的平均长度小于75微米的纤维。阔叶木、针叶木或它们的混合物的纤维，其加拿大标准游离度为300-600，并且可以是原生纤维(virgin fiber)。平均长度小于75微米的纤维可以是回用纤维(recycled fiber)、再循环纤维、废纤维、或它们的混合物。长度小于75微米的纤维以纸基总重量计其量为0.1-20重量％。
本发明的另一方面是纸基，其包含平均长度大于或等于75微米的得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维和附着至部分所述纤维上的填料，另外还包含以所述纸基的总重量计低于50重量％、平均长度小于75微米的纤维；其中，以纸基的总重量计填料的量为1-30重量％。所述填料可以以0.3-8的填料/纤维的重量比附着。所述填料可以是沉淀的。另外，所述填料可以是沉淀的碳酸钙。另外，所述填料还可以是选自立方形、scalenohdral、斜方形和文石中的至少一种形状。填料的平均粒度为0.01-20微米。
本发明的另一方面是如下所述纸基的制备方法使平均长度大于或等于75微米的得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维(且部分所述纤维附着有填料)与以所述纸基的总重量计平均长度小于75微米的纤维相接触。
本发明的另一方面是通过使平均长度大于或等于75微米、得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维同时和/或顺序地与氢氧化钙和/或二氧化碳相接触而制备纸基的方法。
本发明的另一方面是通过使平均长度大于或等于75微米、得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维在线地与氢氧化钙相接触形成固体低于5％的浆液而制备纸基的方法。
本发明的另一方面是通过使平均长度大于或等于75微米、得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维在与氢氧化钙接触之前先与二氧化碳气体相接触而制备纸基的方法。
本发明的另一方面是通过使平均长度大于或等于75微米、得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维在与氢氧化钙接触之前先与二氧化碳气体相接触而制备纸基的方法。
本发明的另一方面是通过使平均长度大于或等于75微米、得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维在pH为7.5-11的环境下同时和/或顺序地与氢氧化钙和/或二氧化碳相接触而制备纸基的方法。
本发明的另一方面是通过使平均长度大于或等于75微米、得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维在管式反应器中同时和/或顺序地与氢氧化钙和/或二氧化碳相接触而制备纸基的方法，其中于多个添加位置将二氧化碳添加至反应器中。
本发明的另一方面是通过使平均长度大于或等于75微米、得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维在一系列的连续搅拌的罐式反应器中同时和/或顺序地与氢氧化钙和/或二氧化碳相接触而制备纸基的方法；其中将二氧化碳添加至该系列中的每一个连续搅拌的罐式反应器中。
本发明的另一方面是通过使平均长度大于或等于75微米、得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维和平均长度小于75微米的纤维在一系列连续搅拌的罐式反应器中同时和/或顺序地与氢氧化钙和/或二氧化碳相接触而制备纸基的方法，其中将二氧化碳添加至该系列中的每一个连续搅拌的罐式反应器中。
图1是纸基ID侧的谢菲尔德平滑度(谢菲尔德单位(SU))对包含在纸基中灰分重量％的图。
图2是纸基NS侧的谢菲尔德平滑度(谢菲尔德单位(SU))对包含在纸基中灰分重量％的图。
图3是在试样反应形成细小纤维-填料复合物之前和之后，对由得自回收纤维(SaveAll fiber)的细小纤维流试样的残余OBA的荧光性的对比表。
图4是采用若干个本发明的特征的方法的示意图。
图5是实施本发明方法的一个装置实施方案的简图。
图6是与实施本发明方法的装置相结合、所述方法的一个实施方案的简图。
图7是制备纤维-填料复合物的方法的一个实施方案的简图，其中，使用(活塞流)反应器并在各个反应器中添加二氧化碳。
图8是制备纤维-填料方法的一个实施方案的简图，其中，使用串联的多个连续搅拌的罐式反应器。
图9是以沉淀填料的形态为函数的纸基的对比图。
图10是显示管式反应器形态结果的SEM。
图11是显示CSTR反应器形态结果的第一SEM。
图12是显示CSTR反应器形态结果的第二SEM。
图13是显示立方形态的第一SEM。
图14是显示立方形态的第二SEM。
图15是显示立方形态的第三SEM。
图16是显示立方形态的第四SEM。
图17是HST施胶度对PCC％的图。
图18是模量对PCC％的图。
图19是内部结合力对PCC％的图。
图20是GM裂断长度对PCC％的图。
图21是GM Taber挺度对PCC％的图。
图22是白度(UV)对PCC％的图。
图23是没有UV的白度对PCC％的图。
图24是荧光度(Δ白度)对PCC％的图。
图25是制造纤维填料复合物的方法的一个特别优选的实施方案。
发明详述本发明人业已发现了一种含纤维-填料复合物的纸基或纸板基及其制备方法。在利用传统纸基和方法的同时，解决了上面所述的所有问题。
所述纸基包含纤维素纤维幅。本发明的纸基可以包含回用纤维和/或原生纤维。回用纤维与原生纤维的不同之处在于回用纤维已经经过若干次的干燥过程。
以纸基的总重量计，本发明的纸基可以包含1-99重量％，优选5-95重量％，最优选60-80重量％的纤维素纤维，包括1、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和99重量％，并且还包括其中的任一和所有的范围和子范围。
优选的是，纤维素纤维源得自针叶木和/或阔叶木。以纸基中纤维素纤维的总量计，本发明的纸基可以包含1-99重量％、优选5-95重量％的源自针叶木类的纤维素纤维。以纸基中纤维素纤维的总量计，该范围包括1、2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100重量％，包括其中的任一和所有的范围和子范围。
以纸基的总重量计，本发明的纸基可以另外地或交叉地包含0.01-100重量％，优选0.01-50重量％，最优选5-40重量％的针叶木纤维。以纸基的总重量计，所述纸基包含不多于0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100重量％的细小纤维，包括其中的任一和所有范围和子范围。
所述纸基可以包含得自针叶木类的针叶木纤维，其加拿大标准游离度(CSF)300-700，更优选为250-650，最优选为400-550csf。该范围包括300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、510、520、530、540、和550csf，包括其中的任一和所有的范围和子范围。以纸基中纤维素纤维的总量计，本发明的纸基可以包含1-99重量％，优选5-95重量％的源自阔叶木类的纤维素纤维。以纸基中纤维素纤维的总量计，该范围包括1、2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100重量％，包括其中的任一和所有的范围和子范围。
以纸基的总重量计，本发明的纸基可以另外地或交叉地包含0.01-100重量％，优选50-100重量％，最优选60-99重量％的阔叶木纤维。以纸基的总重量计，所述纸基包含不多于0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、99和100重量％的细小纤维，包括其中的任一和所有范围和子范围。
所述纸基可以包含得自阔叶木类的针叶木纤维，其加拿大标准游离度(CSF)300-700，更优选为250-650，最优选为400-550 csf。该范围包括300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、510、520、530、540和550 csf，包括其中的任一和所有的范围和子范围。
当纸基包含阔叶树纤维和针叶树纤维时，优选的是阔叶木/针叶木之比从0.001至1000。该范围包括0.001、0.002、0.005、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、200、300、400、500、600、700、800、900和1000，包括其中的任一和所有的范围和子范围，以及所述比值倒数内的任一和所有的范围和子范围。
阔叶木和针叶木纤维的平均长度优选不小于75微米，更优选不小于80微米，最优选不小于100微米。这些纤维的长度大于或等于75、77、80、82、85、87、90、92、95、97和100微米，包括其中的任一和所有的范围和子范围。
此外，本发明的纸基所包含的针叶木纤维和/阔叶木纤维可以通过物理方法和/或化学方法改性。物理方法的例子包括但不局限于电磁方法和机械法。电改性的方法包括但不局限于使纤维与电磁能源如光和/或电流接触的方法。机械改性的方法包括但不局限于使无生物物体与纤维接触的方法。所述无生物物体的例子包括带有锋利和/或钝边缘的那些。所述的方法还包括例如切割、捏合、捣碎、穿刺等方法。
化学方法的例子包括但不局限于常规的化学纤维改性方法，包括在复合物上的交联和沉淀。纤维所述改性的例子可以在下列专利文献中找到，但并不局限于这些文献6,592,717、6,592,712、6,582,557、6,579,415、6,579,414、6,506,282、6,471,824、6,361,651、6,146,494、H1/704、5,731,080、5,698,688、5,698,074、5,667,637、5,662,773、5,531,728、5,443,899、5,360,420、5,266,250、5,209,953、5,160,789、5,049,235、4,986,882、4,496,427、4,431,481、4,174,417、4,166,894、4,075,136和4,022,965，在此将这些文献通过引入并入。
“细小纤维”源可以在回收纤维中、再循环液流、排出的液流、废纤维液流中找到。“细小纤维”在纸基中的含量通过改变所述液流添加至造纸过程中的比例来加以改变。
所述纸基优选包含阔叶木纤维、针叶木纤维和“细小纤维”的混合物。如上所述，“细小纤维”被再循环，并且其平均长度通常不大于100微米，优选不大于90微米，更优选不大于80微米，最为优选的是不大于75微米。所述细小纤维的长度优选不大于5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100微米，包括其中的任一和所有的范围和子范围。
以纸基的总重量计，所述纸基包含0.01-100重量％，优选0.01-50重量％、最优选0.01-15重量％的细小纤维。以纸基的总重量计，所述纸基包含不大于0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100重量％的细小纤维，包括其中的任一个和所有的范围和子范围。
以纸基所包含的纤维的总重量计，所述纸基可以另外或交叉地包含0.01-100重量％，优选0.01-50重量％、最优选0.01-15重量％的细小纤维。以纸基所包含的纤维的总重量计，所述纸基包含不大于0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100重量％的细小纤维，包括其中的任一个和所有的范围和子范围。
在本发明的一实施方案中，所述纸基可以包含更少的“细小纤维”和更长的新鲜阔叶木和/或针叶木纤维，优选原生纤维。与如果纸基中存在着更高量的“细小纤维”相比，对纸基的最终影响在于能够获得更为解离(de-bonded)的纤维素纤维幅。与细小纤维相比，大量使用较长的硬长的新鲜阔叶木和/或针叶木纤维，优选是原生纤维，可能会形成具有更高松厚性的、更不致密的纸页，所述纸页可能是更易压缩和均匀的；在压榨和/或压光之后，这将导致改性的平滑度。该理想状态将通过如下实施例1、结合图1和图2来解释，图1和图2分别示出了纸基的ID和NS侧的谢菲尔德平滑度(谢菲尔德单位(SU))与包含在所述纸基中灰分的重量％的图。一种纸基包含高度精制的、高表面积的回收纸浆，而另一种纸基包含未精制的纸浆。在相同灰分含量时，包含未精制纸浆的纸基与包含高度精制的和/或再循环和/或回收纸浆的那些纸基相比，其具有更为平滑的表面。
本发明的纸基可以包含填料。
填料可以为无机填料。填料的例子包括但不局限于粘土、滑石、碳酸钙、硫酸钙半水化物和脱水硫酸钙。优选的填料是碳酸钙。尽管也可以是研磨碳酸钙，但优选的形式是沉淀的碳酸钙。
以纸基的总重量计，本发明的纸基可以包含0.001-50重量％，优选0.01-40重量％，最优选1-30重量％的至少一种所述的填料。以纸基总重量计，所述范围包括0.001、0.002、0.005、0.006、0.008、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、4、5、6、8、10、12、14、15、16、18、20、22、25、30、35、40、45和50重量％，包括其中的任一个和所有的范围和子范围。
纸基优选包含纤维-填料复合物，更优选的是纤维-碳酸钙复合物。纤维-填料是其中纤维和填料以化学和/或物理作用而相互结合在一起的复合物。纤维-填料复合物的制备方法可以是任何常规的方法，包括描述于法国专利92-04474和US5,731,080、5,824,364、5,679,220、6,592,712和5,665,205中的那些方法，在此通过引用将其全部并入。制备纤维-填料复合物进一步的实施方案如图4-6所示。
所述纸基优选包含优选通过在此所述的方法制备的纤维-填料复合物。纤维-填料是其中纤维和填料以化学和/或物理作用而相互结合在一起的复合物。填料/纤维的比例可为任何比例。填料/纤维比例可以为0.001-1000。填料/纤维比例可为0.001、0.005、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、3.0、4、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、225、250、300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950和1000，包括其中的任一个和所有的范围和子范围。
当存在于纤维填料复合物中时，填料的平均粒度可以是任何粒度。在纤维填料复合物中，填料平均粒度的例子是0.01-20微米。填料的平均粒度可为0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.12、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.2、5.5、5.7、6.0、6.2、6.5、6.7、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19和20，包括其中的任一个和所有的范围和子范围。
纤维填料复合物中填料颗粒的平均表面积可以是任何表面积。在纤维填料复合物中，填料颗粒表面积的例子是0.1-20m2/g。纤维填料复合物中填料颗粒的表面积可为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.12、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.2、5.5、5.7、6.0、6.2、6.5、6.7、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19和20，包括其中的任一个和所有的范围和子范围。
在纤维填料复合物中，附着至纤维上的填料量，以添加至反应器中填料的总量计，可以为1-100重量％，优选至少为9重量％，更优选至少为15重量％，最为优选至少为20重量％。在纤维填料复合物中，附着至纤维上的填料量至少可以是1、2、3、5、7、10、12、15、17、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、80、95和99重量％，包括其中的任一个和所有的范围和子范围。
当存在于纤维填料复合物中时，所述填料优选为沉淀的。当为沉淀的填料时，所述填料可以是可以形成沉淀结晶通常已知的任何形状。所述形状的例子可以是立方形、scalenohdral、斜方形和/或文石形。优选的形状是立方形和/或文石形。
以纸基的总重量计，所述纸基可以包含0.1-100重量％的纤维填料复合物，包括0.1、0.2、0.5、1、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100重量％，并且还包括其中的任一个和所有的范围和子范围。
可以使纤维与氢氧化钙和/或二氧化碳同时和/或顺序地接触形成纤维-碳酸钙复合物而制备所述纤维填料复合物。
要添加以便形成纤维-填料复合物的纤维的表面积可为3-200m2/g，包括3、5、10、15、20、25、30、40、50、60、70、80、90、100、125、150、175、200、225、250、275和300m2/g，包括其中的任一个和所有的范围和子范围。
以反应物的重量计，通过添加小于或等于5％(固体)的氢氧化钙，包括小于或等于0.1、0.2、0.3、0.5、0.75、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0％(固体)的氢氧化钙而制备纤维-填料复合物，包括其中的任一个和所有的范围和子范围。然而，可以使用任意％固体的氢氧化钙。
以反应物的重量计，通过添加小于或等于5％(固体)的二氧化碳，包括小于或等于0.1、0.2、0.3、0.5、0.75、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0％(固体)的二氧化碳而制备纤维-填料复合物，包括其中的任一个和所有的范围和子范围。然而，可以使用任意％固体的二氧化碳。
在优选实施方案中，使纤维与二氧化碳接触。
纤维源可以是任何纤维。此外，纤维可以预先与气体、液体和/或固体的载体例如水进行混合，但这不是必须的。
氢氧化钙源可以是任何来源的氢氧化钙。此外，氢氧化钙和/或其来源可以呈气体、液体和/或固体状态。再者，氢氧化钙和/或其来源可以预先与气体、液体和/或固体的载体例如水进行混合，但这不是必须的。氢氧化钙源优选是石灰。
二氧化碳源可以是任何来源的二氧化碳。此外，二氧化碳和/或其来源可以呈气体、液体和/或固体状态。再者，二氧化碳和/或其来源可以预先与气体、液体和/或固体的载体例如水进行混合，但这不是必须的。二氧化碳优选呈气体和/或液体状。
二氧化碳可在制备纤维-填料复合物过程中的任何时候添加至纤维中。亦即，二氧化碳可以在纤维进入反应器、反应区和/或接触区之前添加至纤维中。另外，二氧化碳也可以在纤维进入反应器、反应区和/或接触区时添加至纤维中。
在本发明的一实施方案中，纤维-填料复合物通过在纤维与氢氧化钙接触之前使纤维与二氧化碳接触而制得。
在本发明的一实施方案中，纤维-填料复合物通过在线地使呈石灰形式的氢氧化钙与纤维混合而制得。
在另一实施方案中，使纤维与二氧化碳接触，然后在线地与石灰形式的氢氧化钙混合。纤维和石灰形式的氢氧化钙形成小于或等于5％固体，优选1-4％固体，最优选1.5-2.5％固体的浆液。浆液的％固体可以包括0.1、0.2、0.3、0.5、0.75、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0重量％，包括其中的任一个和所有的范围和子范围。
可以任何pH下使纤维、氢氧化钙和/或二氧化碳在一起接触。优选的是，pH值大于或等于6，更优选的pH值为6-12，最优选为8-10.5。PH值可以为1、2、3、4、5、6、7、7.5、8、8.5、8、9.5、10、10.5、11、11.5、12、12.5、13和14，包括其中的任一个和所有的范围及子范围。
纤维、氢氧化钙和/或二氧化碳可以任何方式在一起接触。优选所述接触在至少一个反应器中进行。反应器的例子包括管式反应器，罐式反应器、连续搅拌罐式反应器(CSTR)、连续管式反应器和/或活塞流反应器。优选使用管式(活塞流)反应器和/或一系列的连续搅拌罐式反应堆。
当通过至少一次将二氧化碳添加至反应器而将其进一步添加至所述过程中时，还优选在整个反应器中进行一系列的二氧化碳添加。
当使用连续管式(活塞流)反应器时，优选的是，在整个反应器中进行一系列的二氧化碳添加。这实施方案可参见图7。
当使用连续搅拌罐式反应器时，优选使用多个串联的连续搅拌罐式反应器。该实施方案可参见图8。
反应条件以促进通过化学和/或物理作用使纤维和填料结合为准。
所述纤维填料复合物的制备方法用于任何传统的造纸方法中。用于制备纸基和与纸相关的材料的方法和装置在纸和纸板领域中为大家所熟知。例如可参见上面参考的G.A.Smook和其中引证的参考文献。在此将其通过引入全部并入。所有这些已知的造纸方法均可用于实施本发明，并将不会进行详细描述。可以完全和/或部分地替换常规的纤维的方式，将纤维填料复合物添加至造纸过程中。所述纤维填料复合物可以以任何浓度和/或用量添加至造纸过程中，所述任何浓度和用量指的是在由纤维填料复合物制备的纸基中，为了使纤维填料复合物获得希望的留着率所希望的浓度和/或用量。
纤维填料复合物可以在造纸过程的任何位置与纸基接触。所述接触可以在造纸过程的任何时间进行，包括但不局限于浓浆、稀浆、流浆箱、施胶机、水箱和涂布机。此外，添加位置还包括纸机贮浆池(machine chest)、料箱，以及浆泵的抽吸位置。
本发明的纸基还可以包括任选的物质，包括颜料、染料、光学增白剂、不是呈纤维-填料复合物形式的填料、助留剂、施胶剂(例如AKD和ASA)、粘合剂、增稠剂和防腐剂。粘合剂的例子包括但不局限于聚乙烯醇、Amres(Kymene类)、Bayer Parez、多氯化物乳液、改性淀粉如羟乙基淀粉、淀粉、聚丙烯酰胺、改性聚丙烯酰胺、多元醇、多元醇羰基加成物、乙二醛/多元醇缩合物、聚酰胺、表氯醇、乙二醛、乙二醛脲、乙二醛、脂族聚异氰酸酯、异氰酸酯、1，6-六亚甲基二异氰酸酯、二异氰酸酯、聚异氰酸酯、聚酯、聚酯树脂、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸酯树脂、丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯。其它任选的物质包括但不局限于二氧化硅，如硅胶和/或硅溶胶。二氧化硅的例子包括但不局限于硅酸钠和/或硼硅酸盐。任选的物质另外的例子是溶剂，包括但不局限于水。
本发明的纸基可以包含各种助留剂，它们选自分散于松厚性和多孔性增强添加剂和纤维素纤维内的凝结剂、絮凝剂和包埋剂(entrapment agent)。
以纸基总重量计，本发明的纸基可以包含0.001-50重量％，优选0.01-10重量％，最优选0.1-5.0重量％的至少一种所述的任选的物质。以纸基总重量计，所述范围包括0.001、0.002、0.005、0.006、0.008、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、4、5、6、8、10、12、14、15、16、18、20、22、25、30、35、40、45和50重量％，包括其中的任一个和所有的范围和子范围。
任选的物质可以分散在纸基的整个横截面上，或者可以是在纸基横截面内部更为富集。此外，其它的任选的物质如粘合剂，在朝向纸基横截面外表面处可以更为富集。
本发明的纸基另外还可以包含表面施胶剂，如淀粉和/或其改性和/或功能等效物，以纸基的总重量计，其含量为0.05-50重量％，优选为5-15重量％。以纸基总重量计，纸基所包含的淀粉的重量％可以为0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、4、5、6、8、10、12、14、15、16、18、20、22、25、30、35、40、45和50重量％，包括其中的任一个和所有的范围和子范围。改性淀粉的例子包括例如，氧化淀粉、阳离子淀粉、乙基化淀粉、水合乙氧基化(hydroethoxylate)淀粉等。功能等效物的例子为(但不局限于)聚乙烯醇、聚乙烯胺、藻酸盐、羧甲基纤维素等。
纸基可以在包含一个或更多个压区(nip)的压榨部进行压榨。然而，可以使用造纸领域中熟知的任何压榨方式。所述压区可是(但不局限于)单毯压区、双毯压区、压辊、以及压机中延伸的压区。然而，可以使用造纸领域中熟知的任何压区。
纸基可以在干燥部进行干燥。可以使用造纸领域中熟知的任何干燥方式。干燥部可以包括且包含烘缸、滚筒干燥、Condebelt干燥、红外干燥，或本领域已知的其它干燥手段和机构。可以对纸基进行干燥，以便使其包含任何选定的水含量。优选的是，将纸基干燥至包含小于或等于10％的水含量。
可以使纸基通过施胶机，在施胶机中，造纸行业中已知的任何施胶手段均可以接受。施胶机例如可以是池式施胶机(puddle mode sizepress)(例如，倾斜、垂直、水平的)或计量施胶机(例如刮刀计量，刮棒计量)。在施胶机处，施胶剂如粘合剂可以与纸基接触。另外，如果需要的话，还可以在造纸过程的湿部添加相同的施胶剂。施胶之后，所述纸基可以根据上面列举的手段以及在造纸领域中其他已知的干燥手段再次进行干燥或者不再进行干燥。可以对纸基进行干燥，以便使其包含任何选定的水含量。优选的是，将纸基干燥至包含小于或等于10％的水含量。
可以使用造纸领域中熟知的任何压光手段对纸基进行压光。更具体地说，例如可以采用湿部双辊压光(wet stack calendering)，干燥部双辊压光(dry stack calendering)，钢压区压光(steel nip calendaring)，柔软的热压光或延伸压区的压光等。尽管不希望被任何理论所束缚，但是据认为，本发明所存在的可膨胀的微球体和/或组合物和/或颗粒，对于某些纸基，取决于其预定的用途，可降低且缓和苛刻的压光手段和环境的要求。
根据造纸领域中任何已知的微整饰(microfinish)手段，可以使纸基微整饰。微整饰是涉及摩擦处理以便整饰纸基表面的一种手段。顺序和/或同时可利用或不用对其施加的压光手段对纸基进行微整饰。微整饰的例子可参见US20040123966和其中引用的参考文献，在此通过引入将其全部内容并入。
下面将借助实施例更为详细地解释本发明，所述实施例并不以任何方式对本发明的范围进行限定。
具体实施例方式
实施例实施例1制备含不同灰分含量的两种纸基手抄纸组。手抄纸组1包含具有高表面积的回收细小纤维，而另一手抄纸组2包含未精制的纤维。图1和图2分别示出了纸基的ID和NS侧的谢菲尔德平滑度(谢菲尔德单位(SU))与包含在所述纸基中灰分的重量％的图。在相同灰分含量时，包含未精制纸浆的纸基与包含高度精制的和/或再循环和/或回收纸浆的那些纸基相比，前者具有更为平滑的表面。
实施例2回收细小纤维试样从纸浆厂液流中收集并且包含提供CIE-白度值为46的萤光物质。当该试样与氢氧化钙混合，然后再与二氧化碳反应形成碳酸钙，从而形成纤维-碳酸钙复合物时，该试样将提供的CIE-白度值为23，CIE-白度值下降了23。由于当添加氢氧化钙时，pH值将增加至大于12，因此，残余OBA效率的这种下降可归因于残余OBA在回收纸浆中的猝灭(quench)。图3的表格进一步示出了回收细小纤维纸浆以及形成纤维碳酸钙复合物之后相同的纸浆通过CIE-白度测量的荧光数据。如图3中所示出的数据那样，将氢氧化钙添加至纤维中将使pH值增加至12以上，并使残余OBA的效率变得更低。
实施例3在本实施例中将概述旨在表征纤维-填料复合物的JEP研究，所述复合物需要满足JDA目标(参见图2)。
JEP-3该研究的目的在于为了使松厚性和纸页强度最大化，确定在纤维-填料复合物中附着的PCC的最佳形状和尺寸(即形态)。利用SMI的4G法生产这些试样，其中生产带有PCC组分的纤维-填料的目的在于与新的SMI“3G”产品(例如Megafil-4000、UltraBulk-II、Albacar-SP等)相比较。图4概述了这些试样的物理试验性能，并将其与Saillat Megafil-2000(aka，Megafil-S)对照试样进行对比。如该图所示，与Megafil-S相比，UltraBulk-II复合物具有最佳的松厚性和挺度，同时还降低了对AKD施胶剂和OBA的需求。令人遗憾的是，由于“4G”法的性质所致，即在添加纤维之前将使PCC的预-充碳酸气大于90％，因此，对于这些试样将观察到PCC与纤维特别低的附着性(参见表6)。如表6所示，UltraBulk-II复合物的附着性比Carthago管式反应器试样的一半还低。JEP-4研究着手寻找改善PCC与纤维附着性的方法，但在该领域中绝大多数的进展却在JEP 7-8研究中获得，后者平行完成，在SMRC实验室中完成JEP-7和在Easton中试装置完成JEP-8。
JEP-7JEP-7的目标是探索影响PCC与纤维附着性的工艺参数，与形态无关。利用位于SMI的Easton中试装置的IP管生产JEP-7的试样，并将结果概述于表-7和图5中。如表7和图5所示，在该研究中获得了各种各样的立方形产品。这些大的立方形PCC结构，与所使用的Megafil-S对照物相比，给出了更好的施胶性能和OBA性能，但不透明度稍差。项目研究小组认为所述的光学性能缺陷可通过增加目标填料量而得以克服。作为该研究的结果，建立了两种工艺改变从而改善了附着性，并且试图将形态向大的立方形引导。这些改变是(1)在添加石灰之前用二氧化碳使纤维预气化(pregass)。该工艺变化似乎具有改善PCC与纤维附着性的作用。
(2)使石灰和纤维进行在线混合而不是在充碳酸气(carbonation)之前使其预混合。该工艺变化似乎能使PCC的形态更趋向于立方形。
表-6显示JEP-3产品的粒度(APS)，表面积(SSA)和％附着性的摘要信息。
表-7显示JEP-7产品％附着性、形态特性和充碳酸气状态的摘要信息。需要指出的是，即使不确定具体的形态，由所使用的工艺条件常常会得到大的立方形PCC。此外，这些大的立方形PCC很好地附着至纤维上。另外，在该研究中，需要指出的是，使纤维的预气化(即预充碳酸气)将更有利于形成大的立方形PCC。
JEP-8JEP-8的目的在于改善在JEP-3研究中确定的UltraBulk-II形态的附着性；所述JEP-8与JEP-7平行地进行。此项工作利用实验室CSTR反应体系在SMRC中进行。在该项研究中，进行了超过50个的试验，试图获得PCC与纤维附着性良好的同时仍然保持在JEP-3研究中确定的UltraBulk-II形态的参数。被评估的一些参数包括在添加纤维之前PCC的预转化度、化学添加剂、温度、压力、反应器类型、纤维来源、预气化纤维、各种晶种的使用等。最后的结论为(1)为了使PCC很好地附着至纤维上，反应一开始就需要添加纤维。如果石灰在添加纤维之前进行预-充碳酸气的话，如果预-转化程度太低(例如小于50％)，将导致差的形态；如果预-转化程度太高，将导致差的附着性能。
(2)当从充碳酸气一开始就添加纤维时，形态的控制将变得十分困难。事实上，当在充碳酸气一开始就添加纤维时，将不可能获得类似于UltraBulk-II PCC的任何结构。正如JEP-7研究的那样，许多JEP-8试样形成了立方PCC结构，因此，决定将致力于评估立方纤维-填料复合物结构(JEP-9)。
表-8和图-6概述了JEP-7产品及其规格。JEP-7立方形试样的手抄纸性能类似于JEP-7的立方形试样，就AKD和OBA需要量而言前者具有更好的性能，光学性能更差，并且在松厚性方面稍好(1-3％)。
表-8除了进行生产所使用的某些工艺操作条件以外，还示出了纤维-填料复合物的附着性和形态的JEP-7产品的概要信息。
JEP-9JEP-9研究的目的在于确认在手抄纸中立方纤维-填料复合物结构的性能。2004年3月向IP-SMI Executive Committees and Saillatmill提供了JEP-9的结果。图-7示出了JEP-9研究的立方结构。JEP-9研究的DSF手抄纸结果概述于图8-14中。
根据上述教导可对本发明进行许多的改进和变更。因此，应当理解的是，在所附的权利要求书的范围内，除在此具体描述的以外，也可以实施本发明。
正如在整个说明书中所使用的那样，所有范围均用作简化描述在所述范围内的每一个值。
相对于与本发明主题以及所有实施方案相关的相应部分，在此将所引用的所有参考文献以及它们所引用的参考文献通过引用并入。
权利要求
1.一种纸基，包含多种得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的纤维，所述纤维的平均长度大于或等于75微米并且所述多种纤维的一部分上附着有填料；以纸基的总重量计小于50重量％的平均长度小于75微米的纤维。
2.根据权利要求1的纸基，其中，所述得自阔叶木、针叶木的多种纤维是原生纤维。
3.根据权利要求1的纸基，其中，所述得自阔叶木、针叶木的多种纤维其加拿大标准游离度为300-600。
4.根据权利要求1的纸基，其中，所述平均长度小于75微米的纤维是回用纤维、再循环纤维、废纤维或它们的混合物。
5.根据权利要求1的纸基，其中，以填料-纤维重量比为0.3-8的比例附着所述填料。
6.根据权利要求1的纸基，其中，以所述纸基的总重量计，所述填料的量为1-30重量％。
7.根据权利要求1的纸基，以所述纸基总重量计，包含0.1-20重量％的长度小于75微米的所述纤维。
8.根据权利要求1的纸基，其中，所述填料是沉淀的碳酸钙。
9.根据权利要求1的纸基，其中，所述填料以选自立方形、scalenohdral、斜方形、和文石形中的至少一种形状沉淀。
10.根据权利要求9的纸基，其中，所述填料的平均粒度为0.01-20微米。
11.根据权利要求9的纸基，其中，所述填料的平均粒度为0.01-10微米。
12.一种根据权利要求1的纸基的制备方法，包括使所述平均长度大于或等于75微米并且其一部分上附着有填料的得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维与以所述纸基的总重量计平均长度小于75微米的纤维相接触。
13.权利要求12的方法，另外还包括使所述平均长度大于或等于75微米的得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维同时和/或顺序地与氢氧化钙和/或二氧化碳接触。
14.权利要求13的方法，另外还包括使所述平均长度大于或等于75微米的得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维在线地与氢氧化钙接触，以便形成固体小于5％的浆液。
15.权利要求13的方法，另外还包括使所述平均长度大于或等于75微米的得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维在与氢氧化钙接触之前与二氧化碳气体接触。
16.权利要求13的方法，另外还包括使所述平均长度大于或等于75微米的得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维在与氢氧化钙接触之前与二氧化碳气体接触。
17.权利要求12的方法，另外还包括使所述平均长度大于或等于75微米的得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维在7.5-11的pH下同时和/或顺序地与氢氧化钙和/或二氧化碳接触。
18.权利要求12的方法，另外还包括在管式反应器中，使所述平均长度大于或等于75微米的得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维同时和/或顺序地与氢氧化钙和/或二氧化碳接触，其中，在多个添加位置将二氧化碳添加至所述反应器中。
19.权利要求12的方法，另外还包括在一系列连续搅拌的罐式反应器中，使所述平均长度大于或等于75微米的得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维同时和/或顺序地与氢氧化钙和/或二氧化碳接触，其中，将二氧化碳添加至所述系列中的每一个连续搅拌的罐式反应器中。
20.权利要求12的方法，另外还包括在一系列连续搅拌的罐式反应器中，使所述平均长度大于或等于75微米的得自阔叶木、针叶木或它们的混合物的多种纤维与平均长度小于75微米的纤维一起同时和/或顺序地与氢氧化钙和/或二氧化碳接触，其中，将二氧化碳添加至该系列中的每一个连续搅拌的罐式反应器中。
全文摘要
本发明涉及含纤维－填料复合物的纸张或纸板基片以及所述基片的制备和使用方法。
文档编号D21H21/00GK101031686SQ200580027922
公开日2007年9月5日 申请日期2005年7月14日 优先权日2004年7月14日
发明者蒂莫西·S·萨马尔科, 阿格尼·斯韦林, P·弗洛斯 申请人:国际纸业公司