纤维水泥中的表面增强纸浆纤维的制作方法

本申请要求保护2014年2月21日提交的美国临时专利申请序列号61/942,708的优先权，该临时专利申请据此通过引用并入，如同在此完全阐述一样。

技术领域

本发明涉及表面增强纸浆纤维(SEPF)在纤维水泥中的用途。此处的前提是在纤维水泥中表面增强纸浆纤维的使用增强了水泥板的制造和制成性质。

发明背景

纤维水泥板用于各种建筑应用中—包括外挡板、装饰、内部天花板瓷砖和瓷砖背衬板。在北美这些产品的制造商包括James Hardie Co.(HardiePanel,HardieBcker)；CertainTeed Corporation(Weatherboard)和Nichiha(Nichiboard)。

纤维水泥由水泥和长软木纤维素纤维的混合物制成。纤维素纤维在板的制造和成品强度上均起到重要作用。在制造过程中，精磨纤维帮助截留和保持水泥颗粒以允许混凝土基体的固化和形成。在成品中，长纤维提供对于板的处理、安装和安装后耐久性而言必不可少的柔性和韧性。

纸浆纤维，如木质纸浆纤维用于多种产品中，包括例如纸浆、纸张、纸板、生物纤维复合材料(例如纤维水泥板、纤维增强塑料等)、吸收产品(例如绒毛浆、水凝胶等)、衍生自纤维素的特制化学品(例如醋酸纤维素、羧甲基纤维素(CMC)等)以及其它产品。纸浆纤维可以由多种木材类物质获得，包括硬木(例如橡树、橡胶树、枫树、白杨、桉树、山杨、桦树等)、软木(例如云杉、松树、杉树、铁杉、南方松树、红杉等)以及非木材(例如洋麻、大麻、稻草、甘蔗渣等)。纸浆纤维的性质可以影响最终产品，例如纸张的性质，影响中间产品的性质以及影响用于制备产品(例如造纸机的生产力和生产成本)的生产方法的实现。纸浆纤维可以多种方式进行处理以获得不同性质。在一些现有的方法中，一些纸浆纤维可以在混合到最终产品中之前进行精磨。根据精磨条件，精磨方法可以导致纤维长度的明显减小，对于某些应用而言，可产生不期望量的细料，并且另外会以对最终产品、中间产品和/或生产方法具有不良影响的方式影响纤维。例如，细料的产生在一些应用中不利，因为细料会缓慢排出，增加保水量，并且在造纸时增加湿部化学品消耗，这在一些方法和应用中是不期望的。

在加工成纸浆、纸张、纸板、生物纤维复合材料(例如纤维水泥板、纤维增强塑料等)、吸收产品(例如绒毛浆、水凝胶等)、衍生自纤维素的特制化学品(例如醋酸纤维素、羧甲基纤维素(CMC)等)和类似产品之前，木浆中的纤维通常具有范围介于0.5和3.0毫米之间的长度加权平均纤维长度。精磨和其它加工步骤可缩短纸浆纤维的长度。在常规的精磨技术中，纤维通常使用相对低的能量(例如对于硬木纤维而言为约20-80kWh/吨)并且对于硬木纤维而言使用约0.4-0.8Ws/m的比边缘载荷仅通过精磨机一次，但是一般不超过2-3次以生产典型的精制纸张。

发明概要

本发明涉及一种制造纤维增强水泥基复合材料的方法，所述复合材料在多种建筑和相关应用中得到广泛应用。所述复合材料包含纤维素纤维材料以便提供具有期望的性能特征的复合材料。显著地，至少一部分所述纤维素纤维材料包含表面增强纸浆纤维，其理想地增强所述材料的加工特性，也增强了复合材料成品的特征。

根据本发明，制造纤维增强水泥基复合材料的方法包括提供水泥基组合物，并且提供纤维素纤维材料的步骤。本方法还包括掺合所述水泥基组合物和所述纤维素纤维材料以形成水泥基复合材料。如指出的那样，纤维素纤维材料有利地包含用于增强加工和复合材料成品的表面增强纸浆纤维。在本发明的一个方面，所述表面增强纸浆纤维按重量计占所述纤维素纤维材料的大约1-10％。另一方面，所述纤维素纤维材料表现出增强的Bauer-McNett长纤维部分。

在本发明的另一方面，与无表面增强纸浆纤维的纤维素纤维材料相比，所述纤维素纤维材料在长度加权平均纤维长度(LWAFL)上表现出至少10％的增加。与无表面增强纸浆纤维的纤维素纤维材料相比，所述纤维素纤维材料需要相对降低的精磨能，以达到预定游离度CSF(加拿大标准游离度)值。

根据本方法，所述表面增强纸浆纤维具有至少约0.3毫米的长度加权平均纤维长度和至少约10平方米/克的平均水力比表面积，其中表面增强纸浆纤维的数量在烘干的基础上为至少12,000根纤维/毫克。在本发明的另一方面，所述表面增强纸浆纤维具有的长度加权平均纤维长度为通过原纤化表面增强之前所述纤维的长度加权平均长度的至少60％，并且具有的平均水力比表面积比原纤化之前所述纤维的平均比表面积大至少4倍。另一方面，所述表面增强纸浆纤维经至少约300千瓦时/吨的能量输入精磨。

这些和其它实施方案更详细地呈现于以下的详细描述中。

附图简述

图1是根据本发明的一个非限制性实施方案说明制造纸产品的系统的方框图。

图2是根据本发明的一个非限制性实施方案说明包括第二精磨机的制造纸产品的系统的方框图。

具体实施方式

本发明涉及一种制造纤维增强水泥基复合材料的方法，所述复合材料在多种建筑和相关应用中得到广泛应用。所述复合材料包含纤维素纤维材料以便提供具有期望的性能特征的复合材料。显著地，至少一部分所述纤维素纤维材料包含表面增强纸浆纤维，其理想地增强所述材料的加工特性，也增强了复合材料成品的特征。

根据本发明，制造纤维增强水泥基复合材料的方法包括提供水泥基组合物，并且提供纤维素纤维材料的步骤。本方法还包括掺合所述水泥基组合物和所述纤维素纤维材料以形成水泥基复合材料。如指出的那样，纤维素纤维材料有利地包含用于增强加工和复合材料成品的表面增强纸浆纤维。在本发明的一个方面，所述表面增强纸浆纤维按重量计占所述纤维素纤维材料的大约1-10％。另一方面，所述纤维素纤维材料表现出增强的Bauer-McNett长纤维部分。

在本发明的另一方面，与无表面增强纸浆纤维的纤维素纤维材料相比，所述纤维素纤维材料在长度加权平均纤维长度(LWAFL)上表现出至少10％的增加。与无表面增强纸浆纤维的纤维素纤维材料相比，所述纤维素纤维材料需要相对降低的精磨能，以达到预定游离度CSF(加拿大标准游离度)值。

根据本方法，所述表面增强纸浆纤维具有至少约0.2毫米的长度加权平均纤维长度和至少约10平方米/克的平均水力比表面积，其中表面增强纸浆纤维的数量在烘干的基础上为至少12,000根纤维/毫克。在本发明的另一方面，所述表面增强纸浆纤维具有的长度加权平均纤维长度为通过原纤化表面增强之前所述纤维的长度加权平均长度的至少60％，并且具有的平均水力比表面积比原纤化之前所述纤维的平均比表面积大至少4倍。另一方面，所述表面增强纸浆纤维经至少约300千瓦时/吨的能量输入精磨。

表面增强纸浆纤维(SEPF)提供了几种独特益处以帮助制造和改善纤维素基纤维水泥板的性能。这些包括加工相关的和成品改善。

·成品中更高的韧性，这归因于成品中显著更高的LWAFL。

SEPF将被用作添加剂，代替大约6％目前专用的常规、长纤维软木。在此类混合物中，这会降低掺合物的CSF。为了达到对于Hatschek法而言的期望游离度目标，这又将需要更少精磨。掺合物更少精磨，将保留更大百分比的最长纤维。这些长纤维提供了具有所需韧性和柔性的水泥板。

我们的结果显示与常规100％软木配料相比，用6％SEPF掺合物，共同精磨到450CSF，Bauer-McNett长纤维部分(+4、+14)增加17.6％。

未精磨的北方漂白软木牛皮纸(NBSK)具有大约2.60mm的FQA LWAFL。在SUNY ESF试验的2012年5月配料样品显示出100％SWD，精磨到483CSF的Escher-Wyss具有2.08mm的LWAFL。具有6％SEPF、共同精磨到475CSF的样品具有2.33mm的LWAFL，与100％SWD对照相比，纤维长度上增加0.25mm或12％。

越长的纤维是制造期间未被压成高密度的特别有价值的板。较高密度提高了强度，但使得板更脆且更易于在处理中受损，并且更难以钉牢。

·达到所需游离度目标的总精磨能减少。

在最初一轮的纤维水泥板实验室试验中，测量了各种配料的Escher-Wyss精磨能。6％SEPF掺合物在精磨能上提供了26％的节约。

通过减少所需精磨的量，还将存在精磨机维护减少和精磨盘寿命更长的益处。

·纤维成本降低。

在SEPF掺合物的纤维长度增加无益的产品中，可通过减少软木纤维的量并将其用更短且成本更低的纤维素纤维代替来降低纤维成本。

·水泥颗粒的保持增加

水泥板形成期间，水泥颗粒可流过纤维水泥板并且进入Hatschek机器的水系统。这样可增加该过程中混凝土的堆积，需要停工以清洁该过程。游离水泥颗粒也可以进入排放系统，造成潜在的环境问题。SEPF增强的表面性质提高了纤维水泥垫在截留和保持水泥颗粒上的能力，从而提高生产率并减少维护和环境问题。

据信，使用SEPF制造水泥基复合材料可理想地实现相冲突的纤维特征的平衡。一方面，保持纤维长度是理想的，因为其起到增强纤维在用于水泥基复合材料中时的加固特征。另一方面，高的纸浆游离度利于加工期间的滤水(游离度值越高与滤水越快相关)。然而，水泥基复合材料形成期间过度滤水可导致不合需要的水泥颗粒滤水，由于水泥颗粒趋于开始固化，无法容易地将其重新引入到所述过程中。

因此，通过使用SEPF，维持期望的纤维长度，而纤维的高度原纤化特性和高表面积理想地起到保持水泥颗粒的作用，同时仍允许在复合材料生产期间的必要滤水。

显著地，可通过用常规泵掺合SEPF材料(即产生混合物)来促进用于后续加工的SEPF材料的输送。可以产生包含按重量计大约10-30％的SEPF与常规纸浆的掺合物，然后形成捆或板材料以促进SEPF的有效运输和使用。

实验结果：

1.未漂白软木、硬木的Escher Wyss(E-W)精磨

2.在实验室规模、试验条件T1和T5、8％总纤维含量下制造的水泥板

精磨能

T-1 100％NBSK对照 475CSF 146.4kWh/t

T-5 94％NBSK、6％SEPF 483CSF 108.3kWh/t

·总精磨能降低26％

°纤维长度(在SUNY ESF试验)

·未精磨的NBSK，742CSF-2.60mm

·100％NBSK E-W，精磨到483CSF-2.08mm

·6％SEPF、94％未精磨的NBSK，共同精磨到475CSF-2.33mm

实验数据

纤维长度对载荷的影响

正如将从以下描述显而易见的那样，本发明的实施方案总体上涉及表面增强纸浆纤维，生产、应用和输送表面增强纸浆的方法，混入表面增强纸浆纤维的产品，及生产、应用和输送混入表面增强纸浆纤维的产品的方法，等等。表面增强纸浆纤维原纤化到提供如下所述的理想性质的程度并且可表征为高度原纤化。在各个实施方案中，本发明的表面增强纸浆纤维与常规精磨纤维相比具有明显更高的表面积，而纤维长度无明显减小，并且在原纤化期间未产生大量的细料。此类表面增强纸浆纤维可用于生产纸浆、纸和本文所述的其它产品。

根据本发明的实施方案可经表面增强的纸浆纤维可源自于多种木材种类，包括硬木和软木。可用于本发明一些实施方案中的硬木纸浆纤维的非限制性实例包括但不限于橡树、橡胶树、枫树、白杨、桉树、欧洲山杨、桦树和本领域技术人员已知的其它硬木。可用于本发明一些实施方案中的软木纸浆纤维的非限制性实例包括但不限于云杉、松树、冷杉、铁杉、南方松树、红杉和本领域技术人员已知的其它软木。纸浆纤维可以由化学来源(例如硫酸盐法(Kraft process)、亚硫酸盐法、苏打制浆法等)、机械来源(例如热机械法(TMP)、漂白化学-热机械法(BCTMP)等)或其组合获得。纸浆纤维还可以源自于非木材纤维，例如亚麻、棉、甘蔗渣、大麻、稻草、洋麻等。随着木质素含量和其它杂质的程度变化，纸浆纤维可以经漂白、部分漂白或未漂白。在一些实施方案中，纸浆纤维可以是再生纤维或消费后的纤维。

根据本发明各个实施方案的表面增强纸浆纤维可以根据不同的性质和性质组合进行表征，包括例如长度、比表面积、长度变化、比表面积变化、表面性质(例如表面活性、表面能等)，细料的百分比、滤水性能(例如Schopper-Riegler)、粉状纤维测量(原纤化)、吸水性(例如保水值、芯吸速率等)及其各种组合。虽然以下描述可能未特别指明不同性质组合中的每一种，但是应当理解的是表面增强纸浆纤维的不同实施方案可以具有本文描述的性质中的一种、一种以上或全部。

本发明的一些实施方案涉及多种表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，多种表面增强纸浆纤维具有至少约0.2毫米，优选至少约0.25毫米的长度加权平均纤维长度，最优选约0.3毫米的长度，其中在烘干的基础上，表面增强纸浆纤维的数量为至少12,000/根/毫克。如本文中所用，“烘干的基础”意指样品在设定为105℃的烘箱中干燥24小时。一般而言，纤维的长度越长，纤维和混入了此类纤维的所得产品的强度越高。此类实施方案的表面增强纸浆纤维例如可以用于造纸应用。如本文中所用，使用LDA02纤维质量分析仪或LDA96纤维质量分析仪测量长度加权平均长度，其中的每一种都来自于Hawkesbury,Ontario,Canada的OpTest Equipment,Inc，并且根据纤维质量分析仪附上的手册种指定的适当程序测量。如本文中所用，长度加权平均长度(L_W)根据下式计算：

L_W＝Σn_iL_i²/Σn_iL_i

其中i是指类别(或料仓)号(例如1、2、…N)，n_i是指第i类别中的纤维数量，并且L_i是指伸直长度-第i类别中柱状图类中心长度。

正如以上指出的，本发明的纤维增强纸浆纤维的一方面是原纤化后纤维长度的保留。在一些实施方案中，多种表面增强纸浆纤维可以具有为原纤化之前纤维的长度加权平均长度的至少60％的长度加权平均长度。根据一些实施方案，多种表面增强纸浆纤维具有为原纤化之前纤维的长度加权平均长度的至少70％的长度加权平均长度。在测定长度保留百分比中，可以在原纤化之前和之后测量(如上所述)多种纤维的长度加权平均长度并且该值可以使用下式比较：

L_W(之前)-L_W(之后)/L_W(之前)

本发明的表面增强纸浆纤维有利地具有较大水力比表面积，其可以用于一些应用中，如造纸。在一些实施方案中，本发明涉及多种表面增强纸浆纤维，其中该纤维具有至少约10平方米/克且更优选为至少约12平方米/克的平均水力比表面积。为了说明的目的，典型的未精磨的造纸纤维将具有2m²/g的水力比表面积。如本文中所用，水力比表面积依照据此通过引用并入本文的http://www.tappi.org/Hide/Events/12PaperCon/Papers/12PAP116.aspx上可用的Characterizing the drainage resistance of pulp and microfibrillar suspensions using hydrodynamic flow measurements(使用水力流体测量表征纸浆和微原纤的滤阻性能),N.Lavrykova-Marrain and B.Ramarao,TAPPI's PaperCon 2012Conference中规定的程序进行测量。

本发明的一个优点在于表面增强纸浆纤维的水力比表面积显著高于原纤化之前的纤维。在一些实施方案中，多种表面增强纸浆纤维可以具有是原纤化之前纤维的平均比表面积的至少4倍的平均水力比表面积，优选比原纤化之前纤维的平均比表面积高至少6倍，并且最优选比原纤化之前纤维的平均比表面积高至少8倍。此类实施方案的表面增强纸浆纤维例如可以用于造纸应用。一般而言，水力比表面积是表面活性的良好指标，使得在一些实施方案中，本发明的表面增强纸浆纤维可以预期具有良好的粘性和保水性，并且可以预期在增强应用中表现良好。

正如以上指出的，在一些实施方案中，本发明的表面增强纸浆纤维有利地具有增加的水力比表面积而保留了纤维长度。根据其用途，增加水力比表面积可以具有很多优点，包括但不限于提供增加的纤维粘性、吸水或其它物质、有机物保留、较高的表面能，等等。

本发明的实施方案涉及多种表面增强纸浆纤维，其中多种表面增强纸浆纤维具有至少约0.2毫米的长度加权平均纤维长度和至少约10平方米/克的平均水力比表面积，其中在烘干的基础上，表面增强纸浆纤维的数量为至少12,000根/毫克。在优选的实施方案中，多种表面增强纸浆纤维具有至少约0.25毫米的长度加权平均纤维长度和至少约12平方米/克的平均水力比表面积，其中在烘干的基础上，表面增强纸浆纤维的数量为至少12,000根/毫克。在最优选的实施方案中，多种表面增强纸浆纤维具有至少约0.3毫米的长中平均纤维长度和至少约12平方米/克的平均水力比表面积，其中在烘干的基础上，表面增强纸浆纤维的数量为至少12,000根/毫克。此类实施方案的表面增强纸浆纤维例如可以用于纤维水泥应用中。

在精磨纸浆纤维以提供本发明的表面增强纸浆纤维时，一些实施方案优选将细料的产生减到最少。如本文中所用，术语“细料”用于指具有0.2毫米或更小长度的纸浆纤维。在一些实施方案中，表面增强纸浆纤维具有小于40％的长度加权细料值，更优选小于22％，最优选小于20％。此类实施方案的表面增强纸浆纤维例如可以用于造纸应用。如本文中所用，使用各自来自于Hawkesbury,Ontario,Canada的OpTest Equipment,Inc.的LDA02纤维质量分析仪或LDA96纤维质量分析仪并且根据纤维质量分析仪附上的手册中指定的适当程序测量“长度加权细料值”。如本文中所用，长度加权细料的百分比根据下式计算：

长度加权细料％＝100XΣn_iL_i/L_T

其中n是指具有小于0.2毫米长度的纤维数量，L是指细料类中点长度，且L_T是指总纤维长度。

本发明的表面增强纸浆纤维同时还提供了保留长度和相对高的比表面积，而在优选的实施方案中，不损害大量细料生成的优点。进一步地，根据各个实施方案，多种表面增强纸浆纤维可以同时具有一种或多种其它以上提及的性质(例如长度加权平均纤维长度、平均水力比表面积的变化和/或表面活性性质)，同时还具有相对低的细料百分比。在一些实施方案中，此列纤维可以将对滤水性能的负面影响减到最低，同时保持或提高将它们混入其中的产品的强度。

将纤维加工成其它产品时，可以表征表面增强纸浆纤维的其它有利性质并且将在以下描述了制备表面增强纸浆纤维的方法之后进行描述。

本发明的实施方案还涉及生产表面增强纸浆纤维的方法。用于本发明方法中的精磨技术可以有利地保留纤维的长度，而同样地增加表面积的量。在优选的实施方案中，此类方法还将细料的量减到最少，和/或在一些实施方案中提高了混入表面增强纸浆纤维的产品的强度(例如纸产品的拉伸强度、高级证券纸(scott bond)强度、湿网强度)。

在一个实施方案中，生产表面增强纸浆纤维的方法包括将未精磨的纸浆纤维引入到包括一对精磨盘的机械精磨机中，其中该盘具有1.3毫米或更小的棒宽和2.5毫米或更小的槽宽，并且使纤维精磨直至对于精磨机而言达到至少300kWh/吨的能量消耗以生产表面增强纸浆纤维。本领域技术人员熟悉与精磨盘相关的棒宽和槽宽的尺寸。在一定程度上寻找另外的信息，参考Christopher J.Biermann,Handbook of Pulping and Papermaking(1996年第2版)第145页，其据此通过引用并入。在优选的实施方案中，该盘具有1.0毫米或更小的棒宽和1.6毫米或更小的槽宽，并且使纤维进行精磨直至对于精磨机而言达到至少300kWh/吨的能量消耗以生产表面增强纸浆纤维。在最优选的实施方案中，该盘具有1.0毫米或更小的棒宽和1.3毫米或更小的槽宽，并且可以使纤维进行精磨直至对于精磨机而言达到至少300kWh/吨的能量消耗以生产表面增强纸浆纤维。如本文中所用并且如本领域普通技术人员理解的那样，关于本文中能量消耗或精磨能量使用单位kWh/吨，认为“/吨”或“每吨”是指在干燥的基础上，通过精磨机的纸浆吨数。在一些实施方案中，使纤维进行精磨直至对于精磨机而言达到至少650kWh/吨的能量消耗。多种纤维可以进行精磨直至其具有本文所述与本发明表面增强纸浆纤维相关的一种或多种性质。正如以下更加详细描述的，本领域技术人员将认识到对于某些类型的木材纤维，可能要求精磨能量显著高于300kWh/吨并且将赋予纸浆纤维期望性质所需要的精磨能量也可变化。

在一个实施方案中，将未精磨的纸浆纤维引入包括一对精磨盘的机械精磨机或一系列精磨机中。未精磨的纸浆纤维可以包括本文描述的任何纸浆纤维，诸如，例如硬木纸浆纤维或软木纸浆纤维或非木材纸浆纤维，其来自本文描述的多种方法(例如机械、化学等)。另外，可以在捆扎或经冲浆(slushed)的条件下提供未精磨的纸浆纤维或纸浆纤维源。例如，在一个实施方案中，捆扎的纸浆纤维源可以包含约7至约11％的水和约89至约93％的固体。同样，例如，在一个实施方案中，经冲浆供给的纸浆纤维可包含约95％的水和约5％的固体。在一些实施方案中，纸浆纤维源尚未在纸浆干燥机中干燥。

可用于生产根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维的精磨机的非限制性实例包括双盘精磨机、锥形精磨机、单盘精磨机、多盘精磨机或组合的锥形和盘式精磨机。双盘精磨机的非限制性实例包括Beloit DD 3000、Beloit DD 4000或Andritz DO精磨机。锥形精磨机的非限制性实例是Sunds JC01、Sunds JC 02和Sunds JC03精磨机。

精磨盘的设计以及操作条件在产生表面增强纸浆纤维的一些实施方案中是重要的。棒宽、槽宽和槽深是用于表征精磨机盘的精磨机盘参数。一般而言，用于本发明各个实施方案中的精磨盘可以表征为细槽化。这种盘可以具有1.3毫米或更小的棒宽和2.5毫米或更小的槽宽。在一些实施方案中，这种盘可以具有1.3毫米或更小的棒宽和1.6毫米或更小的槽宽。在一些实施方案中，这种盘可以具有1.0毫米或更小的棒宽和1.6毫米或更小的槽宽。在一些实施方案中，这种盘可以具有1.0毫米或更小的棒宽和1.3毫米或更小的槽宽。具有1.0毫米或更小的棒宽和1.6毫米或更小的槽宽的精磨盘也可以称为超精细精磨盘。这种盘可以由Aikawa Fiber Technologies(AFT)以FINEBAR.RTM商标获得。在适当的操作条件下，这种细槽化盘可以增加纸浆纤维上原纤的数量(即增加原纤化)，同时保留纤维长度并且将细料的产生减到最少。常规盘(例如大于1.3毫米的棒宽和/或大于2.0毫米的槽宽)和/或不恰当的操作条件会显著增加纸浆纤维中的纤维切断和/或产生不希望水平的细料。

精磨机的操作条件在产生表面增强纸浆纤维的一些实施方案中也很重要。在一些实施方案中，可以通过使初始未精磨的纸浆纤维再循环通过精磨机直至达到至少约300kWh/吨的能量消耗而生产表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，可以通过使初始未精磨的纸浆纤维再循环通过精磨机直至达到至少约450kWh/吨的能量消耗而生产表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，纤维可以在精磨机中再循环直至达到介于约450kWh/吨和约650kWh/吨之间的能量消耗。在一些实施方案中，精磨机可以在介于约0.1和约0.3Ws/m之间的比边缘载荷下操作。在其它实施方案中，精磨机可以在介于约0.15和约0.2Ws/m之间的比边缘载荷下操作。在一些实施方案中，使用介于约0.1Ws/m和约0.2Ws/m之间的比边缘载荷达到介于约450和约650kWh/吨之间的能量消耗以生产表面增强纸浆纤维。比边缘载荷(或SEL)是本领域普通技术人员理解为是指净施加动力除以旋转速度和边缘长度的乘积的商。SEL用于表征精磨的强度并且表示为瓦特-秒/米(Ws/m)。

正如以下更详细描述的，本领域技术人员将认识到对于某些类型的木材纤维可能要求明显高于400kWh/吨的精磨能量并且将赋予纸浆纤维期望性质所需要的精磨能量的量也可变化。例如，南方混合硬木纤维(例如橡树、橡胶树、榆树等)可能要求介于约450-650kWh/吨之间的精磨能量。相比之下，北方硬木纤维(例如枫树、桦树、白杨、山毛榉等)可能要求介于约350和约500kWh/吨之间的精磨能量，因为北方硬木纤维不及南方硬木纤维粗糙。类似地，南方软木纤维(例如松树)可能要求甚至更高量的精磨能。例如，在一些实施方案中，根据一些实施方案的精磨南方软木纤维可能显著更高(例如至少1000kWh/吨)。

还可以根据单程通过精磨机待提供的精磨能的量和所期望的程数，以多种方式提供精磨能。在一些实施方案中，用于一些方法中的精磨机可在每程以较低精磨能进行操作(例如100kWh/吨/程或更低)，以致需要多程或多个精磨机以提供指定的精磨能。例如，在一些实施方案中，单精磨机可以在50kWh/吨/程下操作，并且纸浆纤维可以再循环通过精磨机，总共9程以提供450kWh/吨的精磨。在一些实施方案中，可以串联提供多个精磨机以赋予精磨能。

在一些实施方案中，其中通过使纤维再循环通过单精磨机使纸浆纤维达到期望的精磨能，纸浆纤维可以至少两次循环通过精磨机以获得期望的原纤化程度。在一些实施方案中，纸浆纤维可以循环通过精磨机约6至约25次以获得期望程度的原纤化。纸浆纤维可以在单精磨机中通过间歇式方法再循环而原纤化。

在一些实施方案中，纸浆纤维可以在单精磨机中使用连续法原纤化。例如，在一些实施方案中，此类方法可以包括从精磨机中连续取出多根纤维，其中一部分取出纤维是表面增强纸浆纤维，并且使超过约80％的取出纤维再循环回到机械精磨机中用于进一步精磨。在一些实施方案中，超过约90％的取出纤维可以再循环回到机械精磨机中用于进一步精磨。在此类实施方案中，可以控制引入到精磨机中的未精磨的纤维的量和从没有再循环的纤维中取出的纤维的量，使得预定量的纤维连续通过精磨机。换句话说，由于从与精磨机相关的再循环回路中取出了一定量的纤维，应当将相应量的未精磨纤维添加到精磨机中以便保持期望水平的纤维循环通过精磨机。为利于具有特定性质(例如长度加权平均纤维长度、水力比表面积等)的表面增强纸浆纤维的生产，在该过程期间随着程数的增加，将需要降低每程的精磨强度(即，比边缘载荷)。

在其它实施方案中，两个或多个精磨机可以串联排列以使纸浆纤维循环以获得期望程度的原纤化。应当理解多种多精磨机排列可用于生产根据本发明的表面增强纸浆纤维。例如，在一些实施方案中，多个精磨机可以串联排列，其利用相同的精磨盘并且在相同的精磨参数(例如每程的精磨能、比边缘载荷等)下操作。在一些这种实施方案中，纤维仅一次通过精磨机中的一个和/或多次通过精磨机中的另一个。

在一个示例性的实施方案中，生产表面增强纸浆纤维的方法包括将未精磨的纸浆纤维引入到包括一对精磨盘的第一机械精磨机中，其中该盘具有1.3毫米或更小的棒宽和2.5毫米或更小的槽宽，使纤维在第一机械精磨机中精磨，将纤维输送到至少一个另外的包括一对精磨盘的机械精磨机中，其中该盘具有1.3毫米或更小的棒宽和2.5毫米或更小的槽宽，并且使纤维在至少一个另外的机械精磨机中精磨直至对于精磨机而言达到至少300kWh/吨的总能量消耗以生产表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，纤维可以多次再循环通过第一机械精磨机。在一些实施方案中，纤维可以多次再循环通过另外的机械精磨机。在一些实施方案中，纤维可以多次再循环通过两个或多个机械精磨机。

在使用多个精磨机生产表面增强纸浆纤维的方法的一些实施方案中，第一机械精磨机可用于提供相对不那么精细的初始精磨步骤并且一个或多个后续精磨机可用于提供根据本发明实施方案的表面增强纸浆纤维。例如，在此类实施方案中的第一机械精磨机可以利用常规精磨盘(例如大于1.0mm的棒宽和1.6mm或更大的槽宽)并且在常规精磨条件(例如0.25Ws/m的比边缘载荷)下操作以便对纤维提供初始、相对不那么精细的原纤化。在一个实施方案中，在第一机械精磨机中施加的精磨能的量可以为约100kWh/吨或更少。在第一机械精磨机之后，则可以将纤维提供给一个或多个使用超精细精磨盘(例如1.0mm或更小的棒宽和1.6mm或更小的槽宽)的后续精磨机并且在足以产生根据本发明的一些实施方案的表面增强纸浆纤维的条件(例如0.13Ws/m的比边缘载荷)下操作。例如，在一些实施方案中，根据精磨盘之间的差异，在使用常规精磨盘精磨和使用超精细精磨盘精磨之间可增加切削刃长度(CEL)。切削刃长度(或CEL)是棒边缘长度和旋转速率的乘积。如上所述，纤维可以多次经过或再循环通过精磨机以获得期望的精磨能和/或可以使用多个精磨机以获得期望的精磨能。

在一个示例性的实施方案中，生产表面增强纸浆纤维的方法包括将未精磨的纸浆纤维引入到包含一对精磨盘的第一机械精磨机中，其中该盘具有大于1.0毫米的棒宽和2.0毫米或更大的槽宽。在一些实施方案中，在第一机械精磨机中精磨纤维可以用于为纤维提供相对不那么精细的初始精磨。在第一机械精磨机中精磨纤维后，将纤维输送到至少一个另外的包含一对精磨盘的机械精磨机中，其中该盘具有1.0毫米或更小的棒宽和1.6毫米或更小的槽宽。在一个或多个另外的机械精磨机中，纤维可以进行精磨直至对于精磨机而言达到至少300kWh/吨的总能量消耗以生产表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，纤维多次再循环通过第一机械精磨机。在一些实施方案中，纤维多次再循环通过一个或多个另外的机械精磨机。

关于本文描述的不同方法，在一些实施方案中，纸浆纤维可以以低浓度(例如介于3到5％之间)进行精磨。本领域普通技术人员将理解浓度是指烘干纤维与烘干纤维和水的组合量之比。换言之，例如3％的浓度将反映出在100毫升的纸浆悬浮液中存在3克烘干纤维。

与操作精磨机以生产表面增强纸浆纤维相关的其它参数可以使用本领域技术人员已知的技术容易地测定。类似地，本领域普通技术人员可以调整各种参数(例如总精磨能、每程的精磨能、程数、精磨机的数目和类型、比边缘载荷等)以生产本发明的表面增强纸浆纤维。例如，利用多程体系每程施加于纤维的精磨强度或精磨能应当随着通过的精磨机的数量增加而逐渐降低，以便在一些实施方案中获得具有期望性质的表面增强纸浆纤维。

本发明的表面增强纸浆纤维的各个实施方案可以混入到多种终端产品中。本发明的表面增强纸浆纤维的一些实施方案可以赋予终端产品良好的性质，其中它们混入一些实施方案中。此类产品的非限制性实例包括纸浆、纸、纸板、生物纤维复合材料(例如纤维水泥板、纤维增强塑料等)、吸收产品(例如绒毛浆、水凝胶等)、衍生自纤维素的特制化学品(例如醋酸纤维素、羧甲基纤维素(CMC)等)，以及其它产品。本领域技术人员可以识别特别基于纤维的性质，表面增强纸浆纤维可以混入其中的其它产品。例如，在一些实施方案中，通过增加表面增强纸浆纤维的比表面积(并且由此增加表面活性)，利用表面增强纸浆纤维可以有利地在使用大致相同量的总纤维的同时增加一些终端产品的强度性质(例如干拉强度)，和/或按重量计在终端产品中使用更少纤维的同时在终端产品中提供同等强度性质。

除了以下进一步讨论的物理性质外，在某些应用中根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维的使用可以具有某些制造优点和/或成本节约。例如，在一些实施方案中，将多种根据本发明的表面增强纸浆纤维混合到纸产品中可以降低配料中纤维的总成本(即通过用低成本的表面增强纸浆纤维代替高成本纤维)。例如，较长的软木纤维通常比较短的硬木纤维昂贵。在一些实施方案中，混入至少2重量％的根据本发明的表面增强纸浆纤维的纸产品可以导致去除约5％的较高成本软木纤维，同时仍然保持纸强度，保持造纸机的运行性能，保持加工性能并且提高印刷性能。在一些实施方案中，混入介于约2至约8重量％之间的根据本发明的表面增强纸浆纤维的纸产品可以导致去除约5％至约20％的较高成本软木纤维，同时保持纸强度并且提高印刷性能。在一些实施方案中，当与以相同的方式基本上不使用表面增强纸浆纤维制备的纸产品相比时，混入介于约2至约8重量％之间的根据本发明的表面增强纸浆纤维可帮助显著降低造纸成本。

其中可以使用本发明的表面增强纸浆纤维的一种应用是纸产品。在使用本发明的表面增强纸浆纤维的纸产品的生产中，用于纸生产的表面增强纸浆纤维的量很重要。例如，并且不受限制，使用一定量的表面增强纸浆纤维可以具有增加纸产品的拉伸强度和/或增加湿网强度的优点，同时将潜在的不利影响如滤水减到最低程度。在一些实施方案中，纸产品可以包含高于约2重量％的表面增强纸浆纤维(按纸产品的总重量计)。在一些实施方案中，纸产品可以包含高于约4重量％的表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，纸产品可以包含低于约15重量％的表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，纸产品可以包含低于约10重量％的表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，纸产品可以包含介于约2至约15重量％之间的表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，纸产品可以包含介于约4至约10重量％之间的表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，用于纸产品中的表面增强纸浆纤维可以基本上或完全是硬木纸浆纤维。

在一些实施方案中，当本发明的表面增强纸浆纤维混入到纸产品中时，可以替代的软木纤维的相对量是所用表面增强纸浆纤维的量的约1至约2.5倍之间(按纸产品的总重量计)，替代的余量来自于常规精磨的硬木纤维。换言之，并且作为一个非限制性实例，约10重量％的常规精磨软木纤维可以被约5重量％的表面增强纸浆纤维(假定替代2重量％的软木纤维/1重量％的表面增强纸浆纤维)和约5重量％的常规精磨硬木纤维代替。在一些实施方案中，可进行这种替代，而不损害纸产品的物理性质。

关于物理性质，根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维可以提高纸产品的强度。例如，将多种根据本发明的表面增强纸浆纤维混入到纸产品中可以提高最终产品的强度。在一些实施方案中，混入至少5重量％的根据本发明的表面增强纸浆纤维的纸产品可以产生较高的湿网强度和/或干强度特征，可以提高高速下造纸机的运行性能，和/或可以提高加工性能，同时还可以提高生产。在一些实施方案中，当与以相同的方式基本上不使用根据本发明的表面增强纸浆纤维制备的类似产品相比时，混入介于约2至约10重量％之间的根据本发明的表面增强纸浆纤维可以帮助显著提高纸产品的强度和性能。

作为另一个实例，混入介于约2至约8重量％的根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维，并且具有少约5至约20重量％的软木纤维的纸产品可以具有与有软木纤维而无表面增强纸浆纤维的类似纸产品相似的湿网拉伸强度。在一些实施方案中，混入多种根据本发明的表面增强纸浆纤维的纸产品可以具有至少150米的湿网拉伸强度。在一些实施方案中，根据本发明的一些实施方案，混入至少5重量％的表面增强纸浆纤维和少了10重量％的软木纤维的纸产品可以具有至少166米的湿网拉伸强度(在30％的浓度下)。当与以相同的方式基本上不使用表面增强纸浆纤维制备的纸产品相比，混入介于约2至约8重量％之间的根据本发明的表面增强纸浆纤维可以提高纸产品的湿网拉伸强度，使得混入表面增强纸浆纤维的纸产品的一些实施方案可以具有期望的湿网拉伸强度和更少的软木纤维。在一些实施方案中，在纸产品中混入至少约2重量％的本发明的表面增强纸浆纤维可以在各个实施方案中改善其它性质，包括但不限于浊度、孔隙度、吸光度、拉伸能量吸收、高级证券纸/内粘合和/或印刷性质(例如油墨密度印刷斑点、光斑)。

作为另一个实例，在一些实施方案中，混入多种根据本发明的表面增强纸浆纤维的纸产品可以具有期望的干拉强度。在一些实施方案中，混入至少5重量％的表面增强纸浆纤维的纸产品可以具有期望的干拉强度。混入介于约5至约15重量％之间的根据本发明的表面增强纸浆纤维的纸产品可以具有期望的干拉强度。在一些实施方案中，当与以相同的方式基本上不使用表面增强纸浆纤维制备的纸产品相比，混入介于约5至约15重量％之间的根据本发明的表面增强纸浆纤维可以提高纸产品的干拉强度。

在一些实施方案中，混入至少约5重量％的本发明的表面增强纸浆纤维在各个实施方案中可以改善其它性质，包括但不限于浊度、孔隙度、吸光度和/或印刷性质(例如油墨密度印刷斑点、光斑)。

在此类混入了多种表面增强纸浆纤维的产品的一些实施方案中，在一些情况下某些性质的改善可以成比例地高于所包括的表面增强纸浆纤维的量。换言之，并且作为实例，在一些实施方案中，如果纸产品混入约5重量％的表面增强纸浆纤维，相应的干拉强度的增加可以明显高于5％。

除了上面已经讨论的纸产品外，在一些实施方案中，混入多种根据本发明的表面增强纸浆纤维的纸浆可以具有改善的性质，例如但不限于，改善的表面活性或增强潜力，更高的片材拉伸强度(即改善的纸张强度)和更少的总精磨能，改善的吸水性和/或其它性质。

作为另一个实例，在一些实施方案中，混入介于约1至约10重量％的表面增强纸浆纤维的中间纸浆和纸产品(例如绒毛浆、用于纸张级的增强纸浆、用于薄纸的销售纸浆、用于纸张级的销售纸浆等)可以提供改善的性质。中间纸浆和纸产品改善的性质的非限制性实例可以包括增加的湿网拉伸强度、同等湿网拉伸强度、改善的吸水性和/或其它性质。

作为另一个实例，在一些实施方案中，混入表面增强纸浆纤维的中间纸产品(例如捆扎的浆板或卷筒等)可以在最终产品性能和性质方面提供不成比例的改善，更优选至少1重量％的表面增强纸浆纤维。在一些实施方案中，中间纸产品可以混入介于1重量％至10重量％之间的表面增强纸浆纤维。此类中间纸产品改善的性质的非限制性实例可包括增加的湿网拉伸强度、同等湿网拉伸强度下更好的滤水性能、在类似的硬木与软木比率下提高的强度，和/或在更高硬木与软木比率下的同等强度。

在制造根据本发明一些实施方案的纸产品中，本发明的表面增强纸浆纤维可以在常规的造纸方法中作为滑流提供。例如，本发明的表面增强纸浆纤维可以与使用常规精磨盘并且在常规的条件下精磨的硬木纤维流混合。硬木纸浆纤维的合并流之后可以与软木纸浆纤维合并并且用于使用常规技术生产纸。

本发明的其它实施方案涉及包括多种根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维的纸板。除了混入一定量的本发明的表面增强纸浆纤维，更优选至少2％的表面增强纸浆纤维外，可以使用本领域技术人员已知的技术制造根据本发明实施方案的纸板。在一些实施方案中，除了使用介于约2％至约3％之间的本发明的表面增强纸浆纤维外，可以使用本领域技术人员已知的方法制造纸板。

本发明的其它实施方案还涉及包括多种根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维的生物纤维复合材料(例如纤维水泥板、纤维增强塑料等)。除了混入根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维，更优选至少3％的表面增强纸浆纤维外，通常可以使用本领域技术人员已知的技术制造本发明的纤维水泥板。在一些实施方案中，除了利用介于约3％至约5％之间的本发明的表面增强纸浆纤维外，通常可以使用本领域技术人员已知的技术制造本发明的纤维水泥板。

本发明的其它实施方案还涉及包括多种根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维的吸水性物质。此类吸水性物质可以使用本领域技术人员已知的技术，利用根据本发明一些实施方案的表面增强纸浆纤维制造。此类吸水性物质的非限制性实例包括但不限于绒毛浆和薄纸级纸浆。

图1说明了可以用于制造混入了本发明的表面增强纸浆纤维的纸产品的系统的一个示例性实施方案。含有例如呈纸浆基形式的未精磨硬木纤维的未精磨储罐100与临时储罐102相连，该临时储罐与原纤化精磨机104以选择性闭合回路连接方式相连。正如以上提到的，在特定实施方案中，原纤化精磨机104是设有合适参数的精磨机以生产本文所述的表面增强纸浆纤维。例如，原纤化精磨机104可以是具有一对精磨盘的双盘精磨机，每个精磨盘都具有1.0毫米的棒宽和1.3毫米的槽宽，并且具有约0.1-0.3Ws/m的比边缘载荷。保持临时储罐102和原纤化精磨机104之间的闭合回路直至纤维循环通过精磨机104期望次数，例如直至达到约400-650kWh/吨的能量消耗。

出口管线从原纤化精磨机104延伸到存储储罐105，该管线保持闭合直至纤维循环通过精磨机104足够次数。存储储罐105与离开常规精磨机110的流体相连，该常规精磨机设有常规参数以生产常规精磨纤维。在一些实施方案中，并不使用存储储罐105并且原纤化精磨机104与离开常规精磨机110的流体相连。

在特定实施方案中，常规精磨机110也与未精磨储罐100相连，使得单一来源的未精磨纤维(例如单一来源的硬木纤维)用于精磨和原纤化过程。在另一个实施方案中，不同的未精磨储罐112与常规精磨机110相连以提供常规的精磨纤维。在这种情况下，储罐100、112两者在其中可以包括相似或不同的纤维。

可以理解的是除了阀门(未示出)或其它适于选择性封闭其中需要的连接的设备以外，系统不同组件之间的所有连接均可包括泵(未示出)或其它适于根据需要驱动其间的流体的设备。同样，另外的储罐(未示出)可以位于系统的连续组件之间。

在使用中且根据特定实施方案，将未精磨的纤维引入到机械精磨过程中，例如使其通过以上描述的精磨盘，其中在其上施加相对低的比边缘载荷(SEL)，例如约0.1-0.3Ws/m。在所示实施方案中，这通过使未精磨的纤维从储罐100循环到临时储罐102，并且之后在原纤化精磨机104和临时储罐102之间循环来实现。继续机械精磨过程直至达到相对高的能量消耗，例如约450-650kWh/吨。在所示实施方案中，这通过使纤维在原纤化精磨机104和临时储罐102之间再循环直至纤维经过精磨机104“n”次来实现。在一个实施方案中，n至少为3，并且在一些实施方案中其可介于6至25之间。可以选择n以提供具有例如在给定范围和/或本文描述的值以内的性能(例如长度、长度加权平均值、比表面积、细料等)的表面增强纸浆纤维。

然后表面增强纸浆纤维流离开原纤化精磨机104，到达储存储罐105。表面增强纸浆纤维流离开储存储罐105并且之后被添加到已经在常规精磨机110中精磨的常规精磨纤维流中以获得用于造纸的原料组合物。原料组合物中表面增强纸浆纤维和常规精磨纤维之间的比例可以通过将允许生产的纸具有适当性质的表面增强纸浆纤维的最大比例限制。在一个实施方案中，原料组合物介于约4至15％之间的纤维含量由表面增强纸浆纤维形成(即原料组合物中存在的约4至15％的纤维是表面增强纸浆纤维)。在一些实施方案中，原料组合物中存在的约5至约10％之间的纤维是表面增强纸浆纤维。本文还描述了并且可以使用表面增强纸浆纤维的其它比例。

然后可以将精磨纤维和表面增强纸浆纤维的原料组合物输送到造纸过程的其余部分中，在那里使用本领域技术人员已知的技术形成纸。

图2说明了图1显示的示例性实施方案的变形，其中原纤化精磨机104被两个串联排列的精磨机202、204代替。在这个实施方案中，初始精磨机202提供相对不那么精细的初始精磨步骤，并且第二精磨机204继续使纤维精磨以提供表面增强纸浆纤维。如图2所示，纤维可以在第二精磨机204中再循环直至纤维循环通过精磨机204期望次数，例如直至达到期望的能量消耗。可选地，不使纤维在第二精磨机204中再循环，可以在第二精磨机204之后串联排列另外的精磨机以进一步精磨纤维，并且若需要，任何此类精磨机都可以包括再循环回路。虽然图1中未示出，但是根据初始精磨机202的能量输出以及在初始精磨步骤中要施加给纤维的期望能量，一些实施方案可包括在输送到第二精磨机204之前，纤维再循环通过初始精磨机202。精磨机的数量、再循环的潜在使用及关于用于提供表面增强纸浆纤维的精磨机排列的其它决定可取决于许多因素，包括可用制造空间的量、精磨机成本、制造商已经拥有的任何精磨机、精磨机的潜在能量输出、期望的精磨机能量输出以及其它因素。

在一个非限制性实施方案中，初始精磨机202可以利用一对精磨盘，每一个精磨盘都具有1.0毫米的棒宽和2.0毫米的槽宽。第二精磨机204可以具有一对精磨盘，每一个精磨盘都具有1.0毫米的棒宽和1.3毫米的槽宽。在这一实施方案中，纤维可以在第一精磨机中以0.25Ws/m的比边缘载荷精磨直至达到约80kWh/吨的能量消耗。之后可以将纤维输送到第二精磨机204处，在那里它们可以以0.13Ws/m的比边缘载荷精磨和再循环直至达到约300kWh/吨的总能量消耗。

图2显示的系统实施方案的剩余步骤和特征可与图1的相同。

综述

除非指出相反，否则本说明书中列举的数字参数都可以根据设法通过本发明获得的期望性质而变化的近似值。至少，并且不意欲将等同原则的应用限于权利要求的范围，每个数字参数都应至少按照报告的有效数位的数并且通过应用常规舍入法进行解释。

尽管列出本发明宽范围的数字范围和参数是近似值，但是在特定实施例中列举的数值是尽可能精确地报告的。然而，任何数值固有地含有在其各自的测试测量中发现的由标准偏差所必然产生的某些误差。而且，本文公开的所有范围都理解为涵盖任何和全部其中所包含的子范围。例如，“1至10”的规定范围应被视为包括介于最小值1和最大值10之间(并且包含端点)的任何和所有子范围；即，所有以最小值1或更大的数，例如1至6.1开始，并且以最大值10或更小的数，例如5.5至10结束的子范围。另外，任何称为“并入本文”的参考文件都应被理解为其整体并入。

进一步指出，如本说明书中所用，单数形式“一”和“所述(该)”包括复数指代物，除非另外清楚且不含糊地限制为一个指代物。

2014年2月27日公开的美国专利申请第2014/0057105号据此通过引用并入。

应当理解，本说明书说明了与清楚理解本发明相关的本发明的方面。因此，对于本领域普通技术人员将显而易见并且因此将不利于更好理解本发明的本发明的某些方面尚未呈现以便简化本说明书。虽然已结合某些实施方案描述了本发明，但是本发明并不限于公开的特定实施方案，而是意在覆盖通过所附权利要求书限定的在本发明精神和范围内的修改。