专利名称：具有两面涂层的低密度纸张和纸板的制作方法
具有两面涂层的低密度纸张和纸板优先权本申请要求2009年2月10日提交的美国序列号61/151，323的优先权，其全部内容通过引用结合进来。
背景技术：
本专利申请涉及低密度纸张和纸板，尤其涉及具有平滑的、双面涂布表面的低密度纸张和纸板。纸板通常用于各种包装用途。例如，高端个人护理或商业印刷应用等等。纸板通常会接受大量的图形处理来增强它在货架上的视觉效果。同样的，作为印刷介质使用的高质量纸张也要求具有极少缺陷的平滑的涂布表面以利于印刷高质量的文本和图形。通常，平滑度是通过压光实现的。压光用于机械地压挤纸页，从而提供足够低的表面粗糙度以产生工业可接受的最终涂布平滑度。然而，这种压挤导致纸页的严重致密。因此，典型地，平滑的纸张和纸板比不平滑的纸张和纸板更致密(即松厚度更低)。当纸板的两面都需要为平滑的涂布印刷表面时，这种影响会被放大。例如，图1绘制了某些现有技术两面(C2Q涂布的全硫酸盐漂白浆板(SBQ纸板制品和C2S细纸产品的以磅/令(1令=3000平方英尺)计的纸张定量(basis weight) 对厚度(caliper thickness) (1点(point) = 0. 001英寸=1密尔)的关系图，由此提供了现有技术纸张和纸板密度(即纸张定量除以厚度)的直观表示。可以看出，为了得到需要的表面平滑度，对于给定的厚度，纸页通常会被压制到给定的密度范围。然而，低密度是很多纸张和纸板应用中所需的品质。但是，使用传统的压光工艺制备平滑表面却需要显著提高该纤维结构的密度。因此，需要提供低密度纸张和纸板，其两面都能够提供对于高品质印刷所需要的平滑度，同时降低原料成本。
发明内容
一方面，所公开的低密度纸张或纸板可以包括纤维基底和施加到该纤维基底的每一面上的涂层以形成涂覆结构，该涂覆结构在每一面上具有至多约2微米的Parker Print Surf平滑度(PPS10，软辊筒(soft platen))、厚度和纸张定量，该纸张定量小于约Y1，其中 Y1是以点为单位的厚度(X)的函数，并使用如下的方程1计算Y1 = 29. 15+11. 95X-0. 07415X2(方程 1)另一方面，所公开的低密度纸板可以包括纤维基底和施加到该纤维基底的每一面上的涂层以形成涂覆结构，该涂覆结构在每一面上具有至多约2微米的Parker Print Surf 平滑度、厚度和纸张定量，该纸张定量为至多约Y2，其中t是以点为单位的厚度(X)的函数， 并使用如下的方程2计算Y2 = 28. 41+11. 73X-0. 07324X2(方程 2)另一方面，所公开的低密度纸板可以包括纤维基底和施加到该纤维基底的每一面上的涂层以形成涂覆结构，该涂覆结构在每一面上具有至多约2微米的Parker Print Surf平滑度、厚度和纸张定量，该纸张定量为至多约Y3，其中Y3是以点为单位的纸张厚度(X)的函数，并使用如下的方程3计算Y3 = 27. 78+11. 5IX-0. 07207X2(方程 3)另一方面，所公开的低密度纸板可以包括纤维基底和施加到该纤维基底每一面上的涂层以形成涂覆结构，该涂覆结构在每一面上具有至多约2微米的Parker Print Surf 平滑度、厚度和纸张定量，该纸张定量为至多约Y4，其中Y4是以点为单位的纸张厚度(X)的函数，并使用如下的方程4计算Y4 = 26. 89+11. 17X-0. 07034X2 (方程 4)另一方面，所公开的低密度纸板可以包括纤维基底、表面涂层和位于该纤维基底和该表面涂层之间的涂层，该纤维基底、底涂层和该表面涂层形成涂覆结构，其中该涂覆结构具有至多约2微米的Parker Print Surf平滑度、厚度和纸张定量，该纸张定量介于约Y1 和约Y5之间，其中1和\是以点为单位的纸张厚度⑴的函数，并使用如上的方程1和如下的方程5计算Y5 = 26. 15+10. 83X-0. 06815X2(方程 5)从以下描述、附图和所附权利要求中，所公开的低密度纸板的其他方面将变得显而易见。
图1是某些现有技术纸张和纸板材料与根据本公开的纸张和纸板之间的密度与厚度关系的比较图；图2是所公开的低密度纸张或纸板的一方面的横截面视图；图3是所公开的低密度纸板的各种示例性方面的纸张定量与厚度的关系的图示；图4是用于制备所公开的低密度纸板的方法的第一方面的图示；图5是用于制备所公开的低密度纸板的方法的第二方面的图示；图6是某些现有技术10点(厚度)产品的密度与平滑度(Parker Print Surf) 的关系图示；图7是某些现有技术12点(厚度)产品的密度与平滑度值(Parker Print Surf) 的关系图示；发明详述参照图2，所公开的低密度纸板(通常标记为10)的一方面，可以包括纤维基底 12、底涂层14a，14b和任选地表面涂层16a，16b。涂料配制剂可以从面-到面在配方以及施加量上不同。另外，一面可以只有底涂层，而另一面可以既有底涂层也有表面涂层。该纸板10可以具有厚度T和可以在其上印刷图像的各面上的的涂层。在不脱离本发明的范围的情况下可以使用附加的层。一方面，该纤维基底12可以是纸张或纸板基底。此处所用的“纤维基底”广义地表示能够涂覆以底涂层的任意纸张或纸板材料，且可以是单层或多层基底。本领域的技术人员将认识到该纤维基底可以是经漂白或未经漂白的。通常，这里所述的纤维基底具有约65 磅/3000ft2或更大的未涂覆纸张定量。适合的基底的实例包括纸封面原料(paper cover stock)、挂面纸板和全硫酸盐漂白浆板(SBS)。在一个特别方面，该纤维基底12可以包括基本上化学(而非机械)处理的纤维，例如基本上100%化学处理的纤维。适合的化学处理的纤维基底12的实例包括全硫酸盐漂白纸板或全本色硫酸盐纸板(solid unbleached sulfate paperboard)0在不脱离本发明范围的情况下，可以在该纤维基底12中添加附加组分，例如粘结剂、填料和颜料等。进一步地，该纤维基底12可以基本上不含用于增大松厚度(bulk)的塑性颜料或其它化学蓬松剂，例如中空塑性颜料或可膨胀的微球。更进一步地，该纤维基底12 可以基本不含磨木浆颗粒(ground wood particles)。所述表面涂层16a，16b是任选的层，且可以是任意适合的表面涂层。例如，该表面涂层16a，16b可以包括碳酸钙、粘土和各种其他组分，且可以以浆液形式施加到所述底涂层14a，14b。表面涂层是本领域技术人员公知的，且在不脱离本发明范围的情况下，可以使用任意常规或非常规的表面涂层16a，16b。所述底涂层14a，16b可以是这样的任意涂层，其在没有实质减小该纸板10的厚度 T的情况下提高该纸板10的表面平滑度的，由此生成平滑的(例如Parker Print Surf平滑度低于约2. 0微米)和低密度纸或纸板。本领域的技术人员将认识到该底涂层14a，14b 以及用于将该底涂层14a，14b施加到该纤维基底12的方法(下面讨论)，可以是保持低密
度产品的重要因素。第一方面，该底涂层14a，14b可以是碳酸盐/粘土底涂层。该碳酸盐/粘土底涂层可以包括重质碳酸钙组分、片状粘土组分和各种任选组分，例如胶乳粘合剂和增稠剂等。 该碳酸盐/粘土底涂层可以分散在水中以使其可以以浆液形式使用例如刮刀涂布机施加到该纤维基底12上，使得该碳酸盐/粘土底涂层基本上填充该纤维基底12中的纹孔(pit) 和裂缝，而基本上不会涂覆该纤维基底12的整个表面。适合的碳酸盐/粘土底涂层和用于将该底涂层施加到纤维基底12上的方法的特定实例公开在2008年12月2日提交的美国专利申请序列号12/3 ，430中，其全部内容通过引用结合进来。于是，一方面，可以通过图4中所示的方法20制备低密度纸板10。该方法20可以从流浆箱22开始，其可以将纤维浆液排放到长网造纸机M上以形成纸幅26。该纸幅沈可以通过一个或多个湿压机观，且任选地通过一个或多个干燥器30。可以使用施胶压机32， 其可略微减少该纸幅26的厚度，和任选地干燥器34可以另外干燥该纸幅26。一方面，该纸幅沈可以通过压光机36，其中压区负荷显著减少以使厚度的减少最小化或者避免。优选地，该压光机36作为干燥压光机运转。在另一方面，可以忽略或省略该压光机36。然后， 该纸幅沈可以通过另一任选的干燥器38并到达第一涂覆机40a。该第一涂覆机40a可以是刮刀涂覆机等，且可以将该碳酸盐/粘土底涂层Ha施加到该纸幅沈上。在第二涂覆机 44a施加任选的表面涂层16a之前，任选的干燥器4 可以至少部分干燥该碳酸盐/粘土底涂层14a。任选的干燥器46a可以干燥表面涂层16a。同样，经由通过可以为刮刀涂布机或类似涂布机的涂布机40b，涂布可以施加到纸页的另一面，并且可以将底涂层14b施加到纸幅沈上。在涂布机44b施加任选的表面涂层16b之前，任选的干燥器42b可以至少部分地干燥底涂层14b。另一任选的干燥器46b可以完成该干燥过程，然后该纸幅沈前进到任选的光泽压光机48，并将该纸幅沈卷绕到卷轴50上。在第二方面中，该底涂层14a，14b可以是施加到该纤维基底12上并然后与压区中的已加热表面接触的成膜聚合物溶液，从而使该溶液沸腾并在该膜中产生在该膜干燥后仍保留的空隙，由此产生平滑的表面。该成膜聚合物可以是淀粉，该已加热表面可以是加热的棍。适合的成膜聚合物的特别实例以及用于将该聚合物施加到纤维基底上的方法公开在2007年2月22日提交的PCT/US07/04742(其全部内容通过引用结合进来)、2007年 8月23日提交的美国序列号60/957，478(其全部内容通过引用结合进来)和2007年9月 13日提交的PCT/US07/19917(其全部内容通过引用结合进来)中。因此，另一方面，可以通过图5中所示的方法60制备低密度纸张或纸板10。该方法60可以在流浆箱62处开始，该流浆箱可以将纤维浆液排放到长网造纸机64上以形成纸幅66。该纸幅66可以通过一个或多个湿压机68，且任选地通过一个或多个干燥器70。可以使用施胶压机72，其可能略微降低该纸幅66的厚度，和任选的干燥器74可以另外干燥该纸幅66。一方面，该纸幅66可以通过压光机76，其中压区负荷显著减小以使厚度的减少最小化或者避免。如果使用，该压光机76可以作为干燥压光机运转。另一方面，可以忽略或省略该压光机76。然后，该纸幅66可以传送至成膜聚合物的施加78，然后在压区中与加热辊80和压辊接触以形成在该聚合物膜中具有空隙的平滑表面。在该成膜聚合物的施加和热/压处理之后，该纸幅66可以通过另外任选的干燥器82并到达第一涂布机84a。该第一涂布机8 可以是刮刀涂布机等且可以将常规底涂层(例如作为第二底涂层)施加到淀粉涂布的纸幅66上。在第二涂覆机88a施加任选的表面涂层之前，任选的干燥器86a可以至少部分干燥该底涂层。干燥器90a可以干燥表面涂层。然后，可以通过可以为刮刀涂布机或类似涂布机的涂布机84b来涂布纸页的另一面，并且可以将传统的底涂层施加到纸幅66上。在下一个涂布机88b施加任选的表面涂层之前，任选的干燥器86b可以至少部分干燥该底涂层。另一任选的干燥器90b可以完成干燥，然后该纸幅66前进到任选的光泽压光机92，并将最终的产品卷绕到卷轴94上。该光泽压光机92可以是软压区压光机(soft nip calender)、硬压区压光机，或者可以被忽略或省略。在这一点上，本领域的技术人员将认识到该底涂层14a，14b，表面涂层16a，16b和上述的相关施加方法可以显著提高所得的纸张或纸板10的平滑度，而不显著增加纸张或纸板10的密度(例如在整个涂覆过程中基本保持该纤维基底12的厚度)。附图6和7显示了典型趋势，即产品越致密，其可以越平滑。从图中可以明显看出， 在新的低密度水平下依然保持低Parker print surf值的能力上，本文所述的实施例1和 2中形成的产品在此方面与其它产品明显不同。
实施例下面呈现了依照本发明制备的平滑的低密度纸板的具体实施例。实施例1使用全规模制备方法制备具有约1251bs/3000ft2纸张定量的低密度未涂覆全硫酸盐漂白(SBQ纸板。制备具有以下组成的高松厚度的碳酸盐/粘土底涂层(1)50份获自Lnerys Pigments, Inc.的 XP 6170 (高纵横比粘土)；(2) 50 份获自 Omya，Inc.的 Hydracarb 60(重质碳酸钙)；03)18份胶乳粘合剂，和(4)合成增稠剂，其用量足以将该混合物通过
6Brookfield粘度计、在20rpm下测得的粘度提高到2000厘泊。制备具有以下组成的表面涂层70份细碳酸盐；30份细粘土 ；14份胶乳粘合剂； 和少量的涂布润滑剂、分散剂、合成粘度改性剂、消泡剂和染料。使用拖弯刀施涂机(trailing bent blade applicator)将底涂层施加到该未涂覆的纸板。利用四个涂布头完成两面涂层施加。在本实施例中，在纸页的各面上的涂层(表面涂层和底涂层)在成分上是一样的。施加该底涂层使得最少量的所需底涂料以在该纸页上保持的纸页粗糙度来填充空隙，并同时将过量的底涂料由该纸页刮下以在该纤维表面的平面之上留下最少量的底涂料。该底涂层以约71bs/3000ft2的涂覆重量施加。在该底涂层上施加表面涂层以进一步改善该表面平滑度。该表面涂层以约71bs/3000ft2的涂布重量施加。每面的涂层重量是大致相同的。所得到的涂布结构具有约1531bs/3000ft2的总纸张定量，约0. 012英寸(12点) 的厚度和约1. 10微米的在反面上的Parker Print Surf (PPS 10S)平滑度，1. 30微米的在正面上的 Parker Print Surf (PPS 10S)平滑度。实施例2使用试制生产工艺制备具有约1101bs/3000ft2纸张定量的低密度未涂覆纸板。制备具有以下组成的高松厚度的碳酸盐/粘土底涂层(1)50份获自Lnerys Pigments, Inc.的 XP 6170 (高纵横比粘土)；(2) 50 份获自 Omya，Inc.的 Hydracarb 60(重质碳酸钙)；03)18份胶乳粘合剂，和(4)合成增稠剂，其用量足以将该混合物通过 Brookfield粘度计、在20rpm下测得的粘度提高到2000厘泊。制备具有以下组成的表面涂层70份细碳酸盐；30份细粘土 ；14份胶乳粘合剂； 和少量的涂布润滑剂、分散剂、合成粘度改性剂、消泡剂和染料。使用拖弯刀施涂机在该未涂覆的板上施加底涂层。利用四个涂布头完成两面涂层的施加。在本实施例中，纸页的各面上的涂层(表面涂层和底涂层)在成分上是一样的。施加该底涂层使得最少量的所需底涂料以在该纸页上保持的纸页粗糙度来填充空隙，同时将过量的底涂料从该纸页刮下以在该纤维表面的平面之上留下最少量的底涂料。该底涂层以约71bs/3000ft2的涂布重量施加。在该底涂层上施加表面涂层以进一步改善表面平滑度。 该表面涂层以约71bs/3000ft2的涂布重量施加。各面的涂层重量是大致相同的。所得到的涂覆结构具有约1341bs/3000ft2的总纸张定量，约0. 010英寸(10点) 的厚度和约1.20微米的在反面上的Parker Print Surf (PPS 10S)平滑度，1. 30微米的在正面上的 Parker Print Surf (PPS 10S)平滑度。图3中绘制了实施例1和2的纸张定量对厚度数据的关系图，以及对于现有技术的纸张定量对厚度数据的关系图(图1)。实施例1和2的数据点落在方程1的图的曲线Y1 的下方，而发现所有现有技术数据都在曲线Y1上方。尽管对于各种厚度范围，纸张定量数据目前仅在图3中呈现，但本领域技术人员将认识到因为在约10和12点厚度时所公开的涂层和方法能够获得令人惊讶的低密度，预期在其他厚度时可以获得类似的低密度。因此，本公开的两面涂布的纸板提供了所需的平滑度(例如PPS 10S平滑度低于 2微米，甚至低于1. 5微米)，同时保持低密度(例如纸张定量低于所公开的作为厚度的函数的阈值)。尽管一直希望拥有这种纸板，但我们相信在现有技术中尚不能得到这种纸板。
尽管已经显示和描述了公开的低密度纸张和纸板的各方面，在阅读本说明书之后本领域技术人员可以进行改进。本专利申请包括这种改进且仅由权利要求的范围限定。
权利要求
1.纸张或纸板，包括具有第一面和第二面的纸张或全硫酸盐漂白(SBQ纸板基底；和施加到所述第一面的第一涂层和施加于所述第二面的第二涂层以形成涂布结构，所述涂布结构具有纸张定量、厚度和Parker Print Surf平滑度，所述Parker Print Surf平滑度为至多约2微米，所述纸张定量小于约Y1磅/3000ft2，其中Y1是以点为单位的所述厚度 (X)的函数且按如下计算Y1 = 29. 15+11. 95X-0. 07415X2。
2.权利要求1的纸张或纸板，其中所述的第一涂层和第二涂层的至少之一包括底涂层和表面涂层，其中所述底涂层位于所述表面涂层和所述基底之间。
3.权利要求2的纸张或纸板，其中所述第一涂层和第二涂层的至少之一进一步包括位于所述底涂层和所述表面涂层之间的中间涂层。
4.权利要求1的纸张或纸板，其中所述第一涂层和第二涂层的至少之一包括淀粉。
5.权利要求1的纸张或纸板，其中所述第一涂层和第二涂层的至少之一包括粗的重质碳酸钙和高纵横比粘土。
6.权利要求1的纸张或纸板，其中所述纸张定量小于约\磅/3000ft2，其中\按如下计算Y2 = 28. 41+11. 73X-0. 07324X2。
7.权利要求1的纸张或纸板，其中所述纸张定量小于约Y3磅/3000ft2，其中Y3按如下计算Y3 = 27. 78+11. 5IX-0. 07207X2。
8.权利要求1的纸张或纸板，其中所述纸张定量小于约Y4磅/3000ft2，其中Y4按如下计算Y4 = 26. 89+11. 17X-0. 07034X2。
9.权利要求1的纸张或纸板，其中所述纸张定量至少为约Y5磅/3000ft2，其中Y5按如下计算Y5 = 26. 15+10. 83X-0. 06815X2。
10.权利要求1的纸张或纸板，其中所述ParkerPrint Surf平滑度为至多约1. 7微米。
11.权利要求1的纸张或纸板，其中所述ParkerPrint Surf平滑度为至多约1. 5微米。
12.权利要求1的纸张或纸板，其中所述第一涂层和第二涂层的至少之一包括至少一种颜料，和其中所述涂层中每种所述颜料是无机颜料。
13.权利要求1的纸张或纸板，其中限制条件是所述基底基本上不含化学蓬松剂。
14.权利要求1的纸张或纸板，其中所述基底具有至少65磅/3000ft2的纸张定量。
15.权利要求1的纸张或纸板，其中所述基底是单层基底。
16.权利要求1的纸张或纸板，其中所述基底基本上由化学浆构成。
全文摘要
本发明涉及纸或纸板，包括纤维素基底和施加到纸板基底的各面上的涂层以形成涂布结构，该涂布结构具有纸张定量、厚度和Parker Print Surf平滑度，该Parker Print Surf平滑度为至多约2微米，该纸张定量小于约Y1磅/3000ft2，其中Y1是以点为单位的所述纸张厚度(X)的函数，且按如下计算Y1＝29.15+11.95X-0.07415X2。
文档编号D21H19/84GK102362030SQ201080007255
公开日2012年2月22日 申请日期2010年2月5日 优先权日2009年2月10日
发明者G·富吉特, J·R·霍根, S·布什豪斯, S·帕克, S·金瑟, T·格林, W-H·何 申请人:米德韦斯瓦科公司