填料悬浮液及其在造纸中的应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种含有填料颗粒、离子淀粉和互补离子共添加剂的填料悬浮液。还 提供了使用所述悬浮液制备纸配料的方法及由所述配料造纸的方法。
【背景技术】
[0002] 在填料纸的制造中，在将填料浆料转移到造纸机的成形部之前，常规地将其添加 到纸浆悬浮液中。通常将助留剂或含有几个组分的助留剂体系添加到纸浆/填料悬浮液来 形成造纸领域中所称的"配料"，从而将填料留着在所得到的纸张中。
[0003] 向纸添加填料可以使纸张性能得到许多改善，包括改善的不透明度、亮度、质感和 印刷清晰度。另外，当填料比纸楽便宜时，添加填料至纸张使成本节约。当使用低成本填料 (例如沉淀碳酸钙（PCC))替代昂贵的化学纸浆纤维时，这种节约可以很大。此外，填料纸可 以比不含填料的纸更容易干燥，结果是造纸机可以运行得更快，消耗更少的蒸汽，这可进一 步降低成本和改善生产力。
[0004] 然而，对于一个给定的纸张重量，对可添加的填料量有多种限制。得到的纸的强度 是主要因素，加上造纸机的效率，一起限制了填料含量，尽管也要考虑其它因素，例如留着 率、脱水率（drainage)和施胶。
[0005] 制造具有高填料含量的纸需要一个有效的助留体系。助流剂应该在造纸过程中 发生的高剪切以及紊流下提供良好的填料留着率，并应改善脱水率而不损害构成。通常在 造纸机的流浆箱的入口之前或在造纸机的流浆箱的入口处，将助留剂化学物质添加到配料 中。所述助留剂典型地是通过桥接和/或絮凝机理改善填料和细小纤维留着率的一种、两 种或三种组分化学添加剂。所述化学物质有助于将填料颗粒和细小纤维（小纤维碎片）附 着到长纤维或引起它们聚集成更容易留着于网中的较大絮凝颗粒。为了产生所述附着和絮 凝，所述化学物质必须吸附在填料、细小纤维和纤维的表面上。所述化学物质的吸附度和附 着力受许多因素影响，包括配料清洁度和配料化学特征、所添加化学物质的性质、在造纸过 程中的剪切程度以及助留剂和配料组分之间的接触时间。
[0006] 现行的行业趋势是增加纸中的填料含量从而进一步降低成本。但是，由于用填料 代替了纤维，纸张强度被降低，这不仅是因为纸张中有更少的纤维从而降低了纤维-纤维 结合的数目，还因为所述填料的存在降低了剩余的纤维之间的接触。填料颗粒本身之间不 发生结合，并且它们在纤维-纤维结合区域中的位置阻止了纸浆纤维之间产生氢键结合。 其结果是，高量的填料会产生在造纸机、施胶机（size press)、涂布机、络筒机和印刷机上 可能更容易断裂的较弱的纸张。较弱的纤维_纤维结合也降低了纸张的表面强度，导致抗 剥性的降低和纸毛脱落的增加。纤维结构中的填料颗粒的不良结合也可能增加印刷车间内 的粉尘。
[0007] 一般而言，已知通常用于造纸的所有无机填料例如但不限于粘土、研磨碳酸钙 (GCC)、沉淀碳酸钙（PCC)、白垩、滑石、二氧化钛、研磨硫酸钙（GCS)和沉淀硫酸钙（PCS)都 会损害纸张的强度并增加对化学物质的需求。具有高表面积的填料对强度具有实质性的负 面影响，并增加对用于强度、施胶和留着的添加剂的化学要求。由于其形状和窄粒度分布， PCC具有以下趋势：比其它普通造纸填料（例如白垩、GCC和粘土）更多地减少纸张中的结 合，并且还给予纸张使其可渗透或多孔的开放结构。当配料中填料含量增加时，对施胶化学 物质例如烷基烯酮二聚物（AKD)和链烯基琥珀酸酐（ASA)的需求增加以保持所需的施胶度 /疏水性。这是因为一部分不成比例的施胶化学物质被吸附在填料颗粒上。近年来，许多 制造含木纸等级用纸的造纸厂已经转变为中性造纸，以允许使用亮的碳酸钙填料，例如GCC 和PCC。但是，在这些等级的纸张中使用碳酸钙的主要顾虑仍在于（尤其是）留着率、纸张 强度和打印操作方面。
[0008]另一个现行的行业趋势是减少纸张克重从而降低成本。遗憾的是，随着克重下降， 几乎所有纸张性能都会恶化，包括不透明度、抗弯刚度和渗透率的限制因素。减少克重也可 能降低造纸过程中填料的留着率，并增加纸张在造纸机上及在转变和印刷过程中破损的频 率。为克服纸张不透明度的损失，造纸者可以添加更多的不透明度高的填料，但这可能导致 纸张强度进一步恶化。行业需要有成本效益的技术来生产具有良好填料留着率和脱水率以 及可接受的强度、构成、光学性能和印刷性能的轻质等级用纸。
【发明内容】
[0009]因此，本发明的一个方面是一种用于造纸的填料悬浮液，其包括填料颗粒、离子淀 粉和互补离子共添加剂。
[0010]在本发明的一个方面，所述填料颗粒选自由以下组成的组：粘土、滑石、合成硅酸 盐、硅铝酸钠镁、硅铝酸钠、研磨碳酸钙（GCC)、白垩、沉淀碳酸钙（PCC)、研磨硫酸钙（GCS)、 沉淀硫酸钙（PCS)、二氧化钛及它们的组合。
[0011] 在本发明的一个方面，所述离子淀粉是生淀粉。
[0012]在本发明的一个方面，所述离子淀粉是溶胀的离子淀粉。
[0013]在本发明的一个方面，所述离子淀粉是熟化的离子淀粉。
[0014]在本发明的一个方面，所述离子淀粉是阳离子的。
[0015]在本发明的一个方面，所述离子淀粉是阴离子的。
[0016]在本发明的一个方面，所述离子淀粉是两性的。
[0017]在本发明的一个方面，所述离子淀粉选自由以下组成的组：玉米淀粉、水稻淀粉、 马铃薯淀粉、木番薯淀粉（cassava starch)、木薯淀粉（tapioca starch)、錯质玉米淀粉、 小麦淀粉、高粱淀粉和蜡质高粱淀粉。
[0018]在本发明的一个方面，通过在生淀粉的凝胶点温度±10°C下加热生淀粉的水性悬 浮液形成所述溶胀的离子淀粉。
[0019]在本发明的一个方面，通过在所述淀粉的凝胶点温度至所述淀粉的凝胶点温度 +l〇°C的温度范围中加热生淀粉的水性悬浮液形成所述溶胀的离子淀粉。
[0020]在本发明的一个方面，所述互补离子共添加剂是阴离子絮凝剂。
[0021]在本发明的一个方面，所述阴离子絮凝剂包括丙烯酰胺和丙烯酸钠的共聚物。
[0022] 在本发明的一个方面，所述互补离子共添加剂选自由以下组成的组：NALC0 61815、Nalc。61816、Nalc。61830、Fennosil?ES210、Fennosil? ES211> Telioform? M305〇
[0023] 在本发明的一个方面，所述互补离子共添加剂是阴离子无机微粒。
[0024] 在本发明的一个方面，所述阴离子无机颗粒选自由以下组成的组：膨润土、胶体二 氧化硅、硼硅酸钠、氢氧化铝或它们的组合。
[0025] 在本发明的一个方面，所述互补离子共添加剂是纳米纤维素。
[0026] 在本发明的一个方面，所述互补离子共添加剂是聚乙烯醇。
[0027] 在本发明的一个方面，所述互补离子共添加剂是阴离子PVAm或两性PVAm。
[0028] 在本发明的一个方面，所述互补离子共添加剂是生物聚合物。
[0029] 在本发明的一个方面，所述生物聚合物是基于淀粉的。
[0030] 在本发明的一个方面，所述淀粉基生物聚合物是.EcoSphere? 2202粘合剂。
[0031] 在本发明的一个方面，所述互补离子共添加剂是阴离子聚丙烯酸或聚丙烯酸的钠 盐。
[0032] 在本发明的一个方面，所述互补离子共添加剂是天然聚合物。
[0033] 在本发明的一个方面，所述天然聚合物选自由以下组成的组：羧甲基纤维素、天热 树胶、大豆聚合物或它们的组合。
[0034] 在本发明的一个方面，所述填料颗粒是沉淀碳酸钙。
[0035] 本发明的一个方面是一种纸浆配料，其包含纸浆纤维和本发明的填料悬浮液。
[0036] 在本发明的一个方面，上述纸浆配料还包含选自由以下组成的组的添加剂：施胶 剂、干强剂、湿强剂、助留剂和其它功能化学物质例如光学增白剂、染料、去沫剂、二糖苷及 它们的组合。
[0037] 本发明的一个方面是一种纸制品，其包含上述纸浆配料。
【附图说明】
[0038] 图1是一种造纸方法的示意图，其中离子淀粉、互补离子共添加剂和填料颗粒基 本上同时被添加到水性介质中。
[0039] 图2是一种造纸方法的示意图，其中在添加填料颗粒之前，将互补离子共添加剂 与离子淀粉在水性介质中预混合。
[0040] 图3是一种造纸方法的示意图，其中在添加离子淀粉之前，将互补离子共添加剂 与填料颗粒在水性介质中预混合。
[0041] 图4是一种造纸方法的示意图，其中在添加互补离子共添加剂之前，将离子淀粉 与填料颗粒在水性介质中预混合。
[0042] 图5是当加热至马铃薯淀粉的凝胶温度及高于马铃薯淀粉的凝胶温度时，马铃薯 淀粉的粘度反应的曲线图。
[0043] 图6包括马铃薯淀粉粒在不同温度的水中加热时的显微图像。
[0044] 图7是给出使用包括本发明那些填料组合物的多种填料组合物制成的纸张的拉 伸强度的曲线图。
[0045] 图8是给出使用包括本发明那些填料组合物的多种填料组合物制成的纸张硬度 的曲线图。
【具体实施方式】
[0046] 表格说明
[0047] 表1示出了使用包含溶胀阳离子淀粉的填料组合