金属螯合物作为用于改善纸和纸板的磨损性和/或泰伯刚度的表面应用的用途

文档序号:1850688 发布日期:2021-11-16 浏览:16次 >En<

阅读说明:本技术 金属螯合物作为用于改善纸和纸板的磨损性和/或泰伯刚度的表面应用的用途 (Use of metal chelates as surface applications for improving the abrasiveness and/or taber stiffness of paper and board ) 是由 乔治·戈登·巴格 于 2020-04-01 设计创作,主要内容包括:本发明的实施方式总体上涉及i)具有改善的抗磨损性和/或泰伯刚度的纸和纸板或模制产品,ii)用于制造具有改善的抗磨损性和/或泰伯刚度的纸和纸板或模制产品的方法,以及iii)用于通过使用金属螯合物如碳酸锆铵(AZC)或碳酸锆钾(PZC)改善纸和纸板或模制产品的抗磨损性和/或泰伯刚度的方法。本发明的实施方式的进一步优点对于本公开的读者将显而易见。(Embodiments of the present invention generally relate to i) paper and paperboard or molded products having improved abrasion resistance and/or taber stiffness, ii) a method for manufacturing paper and paperboard or molded products having improved abrasion resistance and/or taber stiffness, and iii) a method for improving abrasion resistance and/or taber stiffness of paper and paperboard or molded products by using a metal chelate such as Ammonium Zirconium Carbonate (AZC) or Potassium Zirconium Carbonate (PZC). Further advantages of embodiments of the present invention will be apparent to the reader of this disclosure.)

金属螯合物作为用于改善纸和纸板的磨损性和/或泰伯刚度 的表面应用的用途

发明人:戈登·巴格

优先权

本申请要求2019年4月2日提交的美国临时申请号62/828,021和2019年5月29日提交的芬兰国家申请号20195451的优先权,两者的内容通过引证以其整体并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及i)具有改善的抗磨损性和/或泰伯刚度(taber stiffness)的纸和纸板或模制产品,ii)用于制造具有改善的抗磨损性和/或泰伯刚度的纸和纸板或模制产品的方法,以及iii)通过使用金属螯合物,诸如碳酸锆铵(AZC)或碳酸锆钾(PZC),改善纸和纸板或模制产品的抗磨损性和/或泰伯刚度的方法。

背景技术

为了满足在造纸过程中特定的泰伯刚度(抗弯曲性)、抗磨损性(耐擦性)和一般强度要求,已经开发了各种化学品和纤维处理的概念。虽然一些个别化学品和纤维处理的概念已被证明提供针对性的纸强度规格,但其中许多仅在用于某些纤维原料和/或在受限的工艺条件下才得以良好执行,并且对于其它纤维原料和/或工艺条件而言最好地情况下只是满意,或者一点也不满意。

提供化学品和纤维处理的概念的一些强度还被发现对其它方面具有负面影响,例如损害机器线(machine wire)(或成形织物)上或湿压榨部(wet press section,湿压制部,湿压部)处的脱水速率,引起沉积,干扰纤维悬浮液的电荷相关键合等。

典型地,所测量的泰伯刚度是板的截面厚度、密度和构成片材(sheet,片,板)的纤维混合物类型的函数。纸和纸板的生产“工厂”具有卡尺(厚度)和基重(例如给定表面积的质量,例如,#每3300ft2)规范。问题是,为了满足泰伯刚度等规范,工厂通常别无选择,只能添加更多的纤维,以便形成a)更厚或b)更致密的片材,以满足这些规范。然而,添加更多的纤维是非常昂贵的,因此必须添加(例如工厂术语“运行重(running heavy)”)的任何过量的纤维对工厂而言是纯损失。具有提高泰伯刚度的一种替代方法,即使提高<10%的当前值,也可以为工厂从$12MM USD/年节省至$70MM USD/年,这取决于正在生产的纸(纸或纸板)的种类。

在此之上,考虑节约的纤维随后可用于生产另外吨重的纸。另一方面,抗磨损性更难以量化,并且结果是寻求以个别工厂质量投诉量来确定潜在的商业价值。

由于提高的环境意识和法规,造纸工艺变得越来越封闭,这意味着使用更少的淡水,导致纤维悬浮液中的电导率或总离子强度(即盐浓度)增加。同时,作为造纸过程中的纤维来源,再循环纤维量也在不断增加。从再循环纤维材料中获得的纤维可能经历了几轮循环,这恶化了纤维的固有强度和一般质量,如纤维长度,从而恶化了纸的最终使用性能,特别是强度。降低的固有强度会增加纸幅破损的风险,从而对生产率和整个工艺效率产生负面影响。

因此,补偿强度损失的一个常见措施是提高纤维材料的精细化水平(refininglevel)。提高精细化的目的是通过以下来开发纤维与纤维键合:通过切割和原纤化来增加纤维的表面积,从而增加潜在的键合位(羟基)的数量,从而增加纤维与其它纤维素纤维和纤维素细粒产生更多氢键的能力,进而提高纸的泰伯刚度、抗磨损性和总强度。这种操作(精细化)导致加拿大标准游离度(CSF)的下降,这是纸浆排水的常见措施。较低的CSF降低了排水速率,从而降低了造纸速率,弱再循环纤维对附加的精细化的响应有限。再循环纤维经过有限量的精细化后,纤维长度会急剧减小,导致各种强度性能降低。

除了低质量的纤维外,再循环纤维材料可能会给造纸过程带来大量有害物质。这可能包括来自涂覆颜料、淀粉、施胶剂(sizing agent)、溶解和胶体物质的灰分。这些携带到造纸过程中的物质可能会进一步增加纤维悬浮液的总胶体负荷和电导率,在工艺水电路中积累。这些材料会在设备和生产的纸上造成堵塞和沉积物以及干扰纤维与纤维键合。

石膏板,通常称为干墙,是制造商对初级石膏芯、每面的面纸的特定板所使用的技术产品名称。在石膏板的制造、搬运和安装过程中,面纸在湿状态和干状态下都受到磨损力。即使面纸只占成品石膏板的很小一部分,但其缺陷如缺乏抗磨损性不仅影响美观,而且可能导致整个成品石膏板报废。根据美国环境保护署的数据,在再循环的石膏板中,64%是来自建筑业的未安装石膏板,12%是石膏板制造过程中的不良品,24%是拆除和翻新过程中的废物。虽然再循环石膏有几种再利用的可能性,例如用作肥料、土壤改良剂、新石膏板、水泥成分或堆肥添加剂,但再循环面纸废物的可能性较小,例如用于农业、动物垫料或吊顶板。在制造、搬运或安装过程中,由于面纸的性能不足而被拒收的石膏板的数量应尽量减少。

以前,通过在纸或涂料树脂混合物中加入小的、坚硬的耐磨颗粒,即“砂砾”,来提高石膏板面纸的耐磨性。这种方法的缺点是对设备造成划痕和损坏,例如在纸制造过程中使用的辊。另一种方法是向纤维原料和/或纸表面加入强度添加剂,如US2005155731中公开的,其向纤维原料添加阳离子干强度剂或湿强度剂,并向纸张表面添加阴离子干强度剂,以改善石膏板面纸的抗磨损性。另一种方法是在造纸过程中加入润滑剂。然而,在纸张制造过程中,需要在不同的应用点应用多种添加剂,这增加了工艺的复杂性和所制造纸张的成本。

锆螯合物是已知的造纸添加剂,特别是在造纸涂料领域中,它们在含有淀粉、PVOH、胶乳或蛋白质粘合剂的造纸涂料组合物中被用作不溶粘料,旨在提高涂层的完整性和涂层更快的固定化。根据申请人在造纸领域的经验和专业知识,特别是在生产具有增强强度的纸方面的经验和专业知识,以及他们对现有技术的一般知识,芬兰SinocoChemicals Co,(2012年3月8日发布)公开的名称为“改善纸和板产品的强度(Improvingthe Strength of Paper and Board Products)”的专利申请US2012/0055642讨论了除其他外,制造具有增强拉伸强度的手纸。该专利声称,通过单独施加不溶于水的聚乙烯醇(PVOH)纤维或与纤维素纤维混合作为一个或多个增强层,然后使用锆作为标准的固定剂,以帮助将PVOH-纤维键合到结构上,覆盖所有称为纸或纸板的任何东西。

因此,显然,鉴于所讨论的在制造相当坚硬的纸张(其抗磨破性)方面的局限性,考虑到上述问题,对于能够有效地提高包括纸张在内的纤维产品的泰伯刚度、抗磨损性和一般强度的新和创新的化学溶液的需求尚未得到满足。

考虑到上述,本公开现在提供了超出上述限制和现有技术的令人惊讶和新的解决方案,特别是解决了迄今为止在造纸过程中面临的问题。

发明内容

根据本发明的第一方面,公开了一种用于改善纤维产品的抗磨损性和/或刚度的方法,该方法包括提供含水纤维原料(aqueous fiber stock,水性纤维原料),使纤维原料形成为湿纤维产品,以及将纤维产品干燥,其中,用金属螯合物溶液对湿纤维产品和/或干燥的纤维产品的至少一个表面进行处理,所述湿纤维产品和/或干燥的纤维产品的干燥度(dryness)为至少约15%干克固体/总浆料重量(dry gram solid/total slurry weight,克干固体/总浆料重量,干固体克数/总浆料重量),例如约15-65%克固体/总浆料重量,或约15%-35%克固体/总浆料重量,或至少约90%克固体/总浆料重量,例如约90-98%克固体/总浆料重量。

根据一些特定的实施方式,用金属螯合物溶液对现成的(ready-made,预先制好的,做好的)干燥的纸和/或干燥的纸板进行处理。

根据一些特定的实施方式,通过泰伯抗磨损性测试TAPPI T 476om-11测量,有利地,金属螯合物处理的纤维产品的抗磨损性比其它类似的未处理对照高约7.8%至21.3%。

根据一些特定的实施方式,纤维产品是纸或纸板,并且至少一个表面包括用金属螯合物溶液处理的纸或纸板的至少一侧。

根据一些特定的实施方式,纤维产品是纸或纸板,并且至少一个表面包括用金属螯合物溶液处理的纸或纸板的两侧。

根据一些特定的实施方式,金属螯合物包括锆螯合物。

根据一些特定的实施方式,金属螯合物包括碳酸锆铵(AZC)和/或碳酸锆钾(PZC)。

根据一些特定的实施方式,通过用施胶压榨机(size-press,施胶机)、用水箱喷涂(spraying,喷洒),通过填充,印刷,泡沫应用,辊应用,浸渍,将金属螯合物水溶液施加于纤维产品的至少一个表面上,用金属螯合物溶液对湿的纤维产品和/或干燥的纤维产品进行处理。

根据一些特定的实施方式,纤维产品选自再循环板、固体漂白硫酸盐(SBS)、未漂白的牛皮纸板、漂白或未漂白的再循环纸、或漂白纸,或者纤维产品是选自鸡蛋纸盒、食品托盘、饮料载体、蛤壳容器、盘、碗或用于铸造混凝土结构的模具的模制纤维产品。

根据一些特定的实施方式,施加在纤维产品的至少一个表面上的金属螯合物水溶液的量范围为约0.05-2.0lb固体/1000平方英尺,优选约0.5-1.2lb固体/1000平方英尺。

根据一些特定的实施方式,基于来自水溶液的总重量中金属螯合物的重量,金属螯合物水溶液的金属螯合物含量为约15%至约20%。

根据一些特定的实施方式,纤维原料包括再循环的漂白纤维和/或未漂白纤维和/或原生纤维(virgin fiber),优选再循环的纤维。

根据一些特定的实施方式,再循环的纤维源自旧瓦楞纸箱、硬纸板、混合办公废纸、双衬里牛皮纸和/或旧报纸。

根据一些特定的实施方式,通过用金属螯合物选择性地对纤维产品的一个或多个区域进行处理,在纤维产品的一个或多个区域中选择性地改善抗磨损性和/或刚度。

根据一些特定的实施方式,纤维原料形成为两个或更多个湿纤维网,其中,湿网连接在一起获得多层纤维产品,并且将纤维产品干燥,其中用金属螯合物对连接的湿纤维网的至少一个表面进行处理。

根据一些特定的实施方式,刚度的特征在于泰伯刚度。

根据本发明的第二方面,公开了一种纤维产品,优选纸、纸板或模制纤维产品,其具有通过上述方法实现的改善的抗磨损性和/或刚度。

根据一些特定的实施方式,纸或纸板的克重在约30克/平方米(g/m2)至约560克/平方米(g/m2)的范围内。

根据本发明的第三方面,石膏板包括石膏板芯,在其两侧的面纸(facing paper,护面纸)通过上述方法实现具有改善的抗磨损性和/或刚度。

根据本发明的第四方面,公开了金属螯合物溶液用于改善纤维产品的抗磨损性和/或刚度的用途,其中,用金属螯合物溶液对干燥度为至少约15%干克固体/总浆料重量,如约15-65%克固体/总浆料重量,或约15%-35%克固体/总浆料重量,或至少约90%克固体/总浆料重量,如约90-98%克固体/总浆料重量的纤维产品的至少一个表面进行处理。

附图说明

以下附图构成本说明书的一部分,并被包含以进一步证明本发明的某些方面。通过参考这些附图中的一个或多个与本文所示的说明书实施方式的详细描述,可以更好地理解本发明。

图1示出了造纸机和在造纸工艺中的造纸机的各个部件的示例性实施方式的示意图。

图2A-2C示出了可视化的泰伯磨损。图2A:未处理;图2B:仅水处理;图2C:AZC(100%)处理。

图3示出了泰伯刚度实验的结果。

图4显示了CD测试实验的结果。

具体实施方式

本发明的各种实施方式总体上涉及具有抗磨损性和/或泰伯刚度的纸和纸板和模制纤维产品,用于制造具有改善的抗磨损性和/或纸泰伯刚度的纸和纸板和模制纤维产品的方法,以及通过使用金属螯合物溶液(其有利地,然而,优选使用碳酸锆铵(AZC)或碳酸锆钾(PZC)作为活性化合物)改善抗磨损性和/或泰伯刚度的方法。

根据申请人的知识和造纸领域的专业,几十年来,两种化学化合物碳酸锆铵(AZC)和碳酸锆钾(PZC)已经作为涂覆不溶粘料用于纸和纸板涂层。

不受理论的束缚,假设这些化合物是通过使特定化学基团,特别是涂层中的羟基和羧基和胺基交联为基础而工作的。这个理论背后的想法是,在纸/纸板中的纤维与纤维键合涉及羟基的键合,从而在逻辑上,增强纤维与纤维键合的物质也有望增强纸/纸板片材或模制纤维产品的表面键合,使之更耐磨(抗磨坏或抗磨损)并推断出“I型梁效应”。更强的表面也将有助于使板材刚度更高。因此,这个想法解决了工业中看到的两个技术问题:一个是(a)需要改善的纸/纸板/纤维产品表面的抗磨坏或抗磨损性,第二个是(b)期望得到更具刚度(例如更硬的,不易发生弯曲)的片材或形状,而无需添加额外的纤维或机械工艺。

同样不受理论的约束,最初提出的机制是,金属螯合物,尤其是锆螯合物,通过与纤维上的-OH基团形成键,而增强表面纤维与纤维键合(或无论它深入纤维产品(如片)多远),这与锆分别与淀粉和胶乳上的-OH和-COOH基团形成键(交联)的机理相同。增强的键合提供了更大的抗磨损性,因为纤维将更少地倾向于拉出表面并进一步破坏纤维基体。在刚度方面,增强的纤维与纤维键合使纤维产品如片材的表面(泰伯刚度试验中的失效区)具有更强的抗弯曲性,因为相较于未处理的纤维产品如片材,纤维由此更强地互锁,提供了更高的屈服强度。

在典型的造纸过程中,具有相对高稠度的纤维素纤维悬浮液,所谓的稠原料,用白水或其它循环水稀释成稀原料。如图1所示并具体示出,典型地,纤维悬浮液(如图1所示的流入原料)在用白水稀释成稀原料之前,通常具有至少高于20g/l的稠度。

然后将稀原料从湿端供应器输送到造纸机湿端的流浆箱(10)。通常的做法是在原料从流浆箱排出之前向稀原料或稠原料中添加各种化学物质,以获得更好的加工性能和最终用途性能。一旦从流浆箱排出,纤维-水悬浮液就被排出在移动的筛网例如通常被称为机器线(20)上形成纤维垫,该纤维垫也可以被称为多层(multi-ply)片材中的“层(ply)”。任选地,单独的层与由其它成形设备同时成形的其它层组合,这些设备通常是流浆箱(10)或大桶(vat)成形器。然后湿网通过通常被称为伏辊的释放辊的成形部分释放出来,然后被引导到压榨部(press section,压制部),在那里通过机械作用(压榨)从片材中除去额外的水,同时仍然在湿网中进行加工,随后在干燥器部通过例如蒸汽加热的干燥器鼓或在某些情况下通过扬基干燥器或热空气干燥,以形成干燥的片材。

在主部分干燥器下行的1/3和2/3之间,通常有称为施胶压榨机(50)的设备,用于对纸幅的一侧或两侧进行表面处理,然后进行额外的干燥。在主部分干燥机的末端,许多操作将有干燥的或湿的压光辊组(60),它使片材压缩和平滑。然后,干燥的片材最后被卷轴卷成所谓的卷筒(reel,卷轴)(90)或原木纸或纸板。一些系统可能有额外的设备,在干燥的片材被卷成“原木”或“卷筒”或产品之前,将一个或多个着色涂层施加在片材的一侧或两侧。

具体参考图1,在某些特定的实施方式中,将含水纤维原料输送到造纸机流浆箱(10),用于在机器线(20)上形成湿纤维网,通过例如用喷涂杆(spray boom,喷雾杆,喷洒杆)(25)将金属螯合物水溶液喷涂在纤维网上,用金属螯合物对干燥度至少为27%的纤维网进行处理,然后将处理过的纤维网引导到湿压榨部(30),然后引导到干燥器(40),从而获得具有改善的抗磨损性和/或泰伯刚度的纸。

具体参考图1,在某些特定的实施方式中,将含水纤维原料输送到造纸机流浆箱(10),用于在机器线(20)上形成湿纤维网,将纤维网引导到湿压榨部(30),然后进入干燥器(40),通过使用施胶压榨机(50)将金属螯合物水溶液施加在纤维网上,用金属螯合物对干燥度至少为15%的干燥纤维网进行处理,将处理过的纤维网引导到进一步的干燥器(40),从而获得具有改善的抗磨损性和/或泰伯刚度的纸。

具体参考图1,在某些特定的实施方式中,将含水纤维原料输送到造纸机流浆箱(10),用于在机器线(20)上形成湿纤维网,将纤维网引导到湿压榨部(30),然后引导到干燥器(40),将干燥的纤维网引导到配备有水箱(70)的压光辊组(60),并通过在压光时将带有水箱(70)的金属螯合物水溶液施加到纤维网上,用金属螯合物对干燥度至少为90%的纤维网进行处理,从而获得具有改善的抗磨损性和/或泰伯刚度的纸。可选的涂料器(coater,涂布机)(80)可以放置在压光辊组(60)、水箱(70)和卷筒(90)之间,如图1所示。

具体参考图1,在某些特定的实施方式中,流浆箱(10)是能够在机械线上铺设多层纤维的多层流浆箱。

具体参考图1,在某些特定的实施方式中,存在用于在机器线(20)上形成湿纤维网的流浆箱(10),以及至少一个另外的流浆箱(10),用于在机器线上的湿纤维网上形成另外的纤维层。

具体参考图1,在某些特定的实施方式中,有多个流浆箱(10)在多根机器线(20)上形成湿纤维网,接着在将纤维网引导到压榨部(30)之前将多个湿纤维网连接成多层湿纤维网。可以将金属螯合物施加在被连接的层或网的一个或多个表面上。在这些实施方式中,尤其是泰伯刚度得到改善,并且层键合也可以得到改善。当金属螯合物处理不仅在层间进行,而且在多层纸或纸板的一个或多个外表面上进行时,可以改善泰伯刚度和抗磨损性。

因此,本公开的方法适用于制造具有改善的抗磨损和/或泰伯刚度和强度的单层和多层纤维网的简单纤维网,例如纸、纸板和硬纸板和石膏板产品。根据应用,纸或纸板产品中的纤维基板的数量可以变化。纸产品可具有多于一个纤维层。

在一个实施方式中,纸产品具有两个或更多个纤维层,例如,双层或多层纸产品。多层产品的每层可以具有不同的性质,并且可以由具有不同类型和量的纤维的纤维素纤维悬浮液形成。

本公开的方法可用于制造各种纸张等级的改善强度的纸,例如但不限于书写纸、印刷纸、石膏面纸、单层和多层纸和纸板、复印纸,含有但不限于由混合办公废纸、双衬里牛皮纸、旧报纸组成的再循环的纤维,以及其任何此类混合物及其组合,以及原生(新生产或非再循环的)纤维。在所有情况下,纤维可以是漂白的、未漂白的或其组合。

纸或纸板可以是任何未涂覆的纸或纸板,包括漂白或未漂白的,原生或再循环的纤维。漂白纸的实例包括书写纸、打印纸和复印纸。再循环板的实例包括石膏面纸,优选多层的。

某些特定的实施方式涉及用于改善纸、纸板或包含鸡蛋纸盒、杯架或食物托盘在内的模制纤维产品的泰伯刚度和抗磨损性的方法,其中,该方法包括提供含水纤维原料,将纤维原液形成为湿纤维产品,以及将纤维产品干燥,其中,用金属螯合物溶液对干燥度为至少约15%干克固体/总浆料重量、如约15-65%克固体/总浆料重量、或约15%-35%克固体/总浆料重量、或至少约90%克固体/总浆料重量、如约90-98%克固体/总浆料重量的湿和/或干燥的纤维产品的至少一个面进行处理,所述金属螯合物溶液的特征在于具有优选的化学化合物碳酸锆铵(AZC)或碳酸锆钾(PZC)。

通常在加入AZC或PZC之后,将AZC或PZC处理的纸、纸板或模制纤维产品干燥,这通常在烘箱、压板干燥器中通过红外线辐射、通过热风对流、使用蒸汽罐或任何其它干燥装置进行,如本领域技术人员通常所知的。

在造纸术语中,这些条件近似于从伏辊出来的条件,经过造纸机的湿压榨部,在造纸机的施胶压榨机,并从主部分干燥器(通常是水箱或压光辊组)出来,根据特定的机器配置,这是优选的应用点(手册Pulp and Paper Technologists,Smook&Kocurek,4th Ed,Tappi Press,2016)。

但是技术人员将容易理解,实施方式不一定仅限于且具体地限于所述锆盐。因此,实际上,实现满意地提高纸的泰伯刚度、抗磨损性和强度的最终目的的任何锆盐都可以类似地用于该目的。

在某些特定的实施方式中,用碳酸锆铵或碳酸锆钾处理纸的结果是,与未处理的对照相比,纸的泰伯刚度提高8.5%,更优选至少10%,甚至更优选19.2%。

在某些特定的实施方式中,将碳酸锆铵或碳酸锆钾处理的纸与水处理的对照进行比较。

在某些特定的实施方式中,可以通过用施胶压榨机,用水箱喷涂,通过填充、印刷、泡沫应用、辊应用、浸渍,将金属螯合物施用于纤维产品的至少一个表面上,或者喷涂到造纸机湿纸幅浆料和/或干燥的片材上,其中在纸的一个或多个区域中有选择地增加泰伯刚度和抗磨损性,以及将金属螯合物有选择地喷涂到需要增加纸强度的干燥的片材的一个或多个区域上。

在某些特定的实施方式中,如通过泰伯抗磨损性测试TAPPI T 476om-11所测量的,金属螯合物处理的纤维产品的抗磨损性比其它类似的未处理的对照高约7.8%至21.3%。

在某些特定的实施方式中,施加在纤维产品的至少一个表面上的金属螯合物水溶液的量范围为约0.05-2.0lb固体/1000平方英尺,优选约0.5-1.2lb固体/1000平方英尺,基于水溶液总重量的金属螯合物的重量,金属螯合水溶液中的金属螯合物含量约为15%至约20%。

在某些特定的实施方式中,金属螯合物水溶液是非稀释的,1:1-稀释的,1:2-用水稀释的,1:3-用水稀释的。

在造纸工艺的某些特定的实施方式中,形成多个网,并由此连接在一起,因此在湿网连接之前,将金属螯合物喷涂在所连接的湿网的至少一个表面上。

在造纸过程的某些特定的实施方式中,纤维原料形成两个或更多个湿纤维网,湿纤维网连接在一起获得多层纤维产品,并且纤维产品被干燥,其中所连接的湿纤维网的至少一个表面用金属螯合物进行处理。

在某些特定的实施方式中,湿端原料的纤维素纤维悬浮液包括再循环纤维材料和/或原生纤维材料、原生纤维、漂白的或未漂白纤维、再循环板、固体漂白硫酸盐(SBS)、未漂白的牛皮纸板、漂白的或未漂白的再循环纸,或漂白的纸,所述再循环纤维材料包括但不限于至少源自以下的材料:旧瓦楞纸箱、硬纸板、混合办公废纸、双衬里牛皮纸、旧报纸或其任何此类混合物,其中用金属螯合溶液处理的纸选自于至少由以下组成的组,但不限于书写纸、印刷纸、石膏面纸、单层和多层纸板、复印纸,或选自鸡蛋纸盒、食品托盘、饮料载体、蛤壳容器、盘子、碗或用于浇铸混凝土结构的模具的模制纤维产品。

某些特定实施方式涉及用于制造纤维产品的方法,所述纤维产品优选石膏板,其包含石膏芯,并且在其两侧的面纸具有改善的抗磨损性和/或泰伯刚度,和已经通过上述方法实现改善的抗磨损性和/或泰伯刚度的纸、纸板或模制纤维产品。

某些实施方式涉及金属螯合物溶液用于改善纤维产品的抗磨损性和/或泰伯刚度的用途,其中,用金属螯合物溶液对干燥度为至少约15%干克固体/总浆料重量、如约15-65%克固体/总浆料重量、或约15%-35%克固体/总浆料重量、或至少约90%克固体/总浆料重量、如约90-98%克固体/总浆料重量的纤维产品的至少一个表面进行处理,所述金属螯合物溶液的特征在于优选具有化学化合物碳酸锆铵(AZC)或碳酸锆钾(PZC)。

在某些特定的实施方式中,金属螯合物可以选自于锆金属螯合物,例如碳酸锆铵、碳酸锆钾、乙酸锆、氯氧化锆、羟基氯化锆、原硫酸锆和丙酸锆,优选碳酸锆铵和碳酸锆钾。

不受任何理论的束缚,金属螯合物如锆螯合物可以与各种材料上存在的羟基、胺、羧基、羰基和/或醛基反应。特别是在造纸纤维表面上存在丰富的羟基,还可以存在羧基、羰基和/或醛基,从而金属螯合物诱导交联并增加纤维之间的键合。因此,主意是,纤维之间的键合(bonding,结合)增加最终使得改善了泰伯刚度、抗磨损性。锆螯合物使用经济,且易得。

在某些特定的实施方式中,用造纸机施加金属螯合物。在某些实施方式中,用造纸机施加金属螯合物用于干燥和施胶。

在某些特定的实施方式中,用喷涂将金属螯合物施加在片材上。

在某些特定的实施方式中,在流浆箱(10)之前的任何时间,还可以向含水纤维原料中加入另外的造纸添加剂,例如但不限于进一步的强度剂和/或絮凝剂,以及助留剂、排水助剂、灭微生物剂、消泡剂、亮化剂、着色剂、染料、施胶剂、固定剂、凝固剂或其任何组合。

定义

除非另外定义,否则本文使用的所有技术和科学术语具有如通常由与本发明所属的领域的普通技术人员所理解的相同的含义。尽管在本发明的实践中也可以使用与类似于或等同于本文描述的任何材料,但为了说明的目的,对示例性材料进行了描述。

如本文所用,本公开中,术语“纸处理湿端原料”或“湿端原料”是指稠原料或稀原料或两者。术语“纸处理湿端原料”、“湿端原料”、“纤维原料”在本文公开内容中可互换使用。术语“造纸机的湿网”和“湿网”在本文中可互换使用。稠原料或稀原料可以包含除纤维和水以外的其它化学添加剂。

如本文公开内容中所使用的,泰伯“刚度”可以通过具有本领域普通技术的人员已知的任何已知方法来测量,但优选地,通过TAPPI T 476om-11标准方法来测量。

如本文公开内容中所使用的,纤维素纤维是指例如分离自木材、棉花、亚麻、大麻、黄麻、苎麻、洋麻、蕉麻或剑麻的任何纤维质或木质纤维素纤维,或者包含诸如人造丝、莱赛尔、粘胶纤维等的再生纤维素的纤维。

通常,纤维素纤维悬浮液包括通过诸如硫酸盐法制浆或亚硫酸盐法制浆等的化学制浆;机械制浆;热机械制浆;化学热机械制浆或有机溶剂制浆得到的纸浆纤维。纤维素纤维悬浮液可以由漂白的、未漂白的或者这两种类型的纤维素纤维的共混物组成。纤维素纤维还可以源自回收或再循环纤维,即,经过一个使用周期(通常定义为工业或消费者)处理的原生纤维,该纤维现在被包含用于再生和再利用。

在某些实施方式中,纤维素纤维悬浮液包括原生纤维;原生纤维材料,如漂白或未漂白的纤维。在某些实施方式中,纤维素纤维悬浮液包括再循环的纤维材料。在某些进一步的修正中,再循环的纤维材料选自于旧瓦楞纸箱、混合办公废纸、双衬里牛皮纸或它们的任何混合物。旧瓦楞纸箱(OCC)是指包含具有测试衬垫、黄麻或牛皮纸的衬里的瓦楞纸箱的材料,并且它也可覆盖双分选瓦楞纸箱(DS OCC)。混合办公废纸(MOW)是指主要含有静电复印纸和胶版纸的材料。双衬里牛皮纸是指包含清洁分选未印刷的瓦楞纸板纸盒、盒子、纸张或装饰的材料,例如牛皮纸或黄麻衬里。除了纤维素纤维,纤维素纤维悬浮液也可以包含非纤维素聚合物纤维,诸如,如单组分或双组分纤维形式的聚乙烯、聚丙烯或聚酯的纤维。

在一些实施方式中,纤维素纤维悬浮液可包含至少80重量-%,至少90重量-%,或至少95重量-%的纤维素纤维。

在一些实施方式中,可以包括无机填料加合成纤维,但是,金属螯合物溶液不影响无机填料和合成纤维。

如本文公开内容所使用的,术语“纸”应理解为包括含有纤维素纤维的片材,并且其还可以含有其它材料。在本发明方法中使用的合适的纤维材料包括天然纤维和合成纤维,例如,将漂白的或未漂白的纤维通过化学制浆(如牛皮纸或亚硫酸盐制浆)、半化学制浆或机械制浆得到的纤维素纤维;木材或非木材纤维,来源于再循环纸的纤维;合成纤维,废活性污泥(WAS),再生纤维残渣;软木纤维(SW),硬木纤维(HW)和它们的任何混合物。由这些纤维制成但不形成为片状而是作为最终物体的产品(称为“模制纤维”或“模制纸浆”产品)被包含在总标题“纸”下。纸板主要用于包装操作的纸的重级别。

如本文所用,在本公开中,术语纤维网和纸幅应理解为包括成形和形成的纸张材料。术语纸包括但不限于书写纸、印刷纸、石膏面纸、单层和多层纸和纸板,以及复印纸等。术语纸、纸板、纸产品和纸板产品在本文中可互换使用。

如本文和所附权利要求中所使用,单数形式“一个”和“该”包括复数指示物,除非上下文另有明确规定。

如本文所使用,术语“约”和“大约”可互换使用,并且具有本领域普通技术的人员将容易理解的意义。

术语“包含(comprises)”、“包含(comprising)”、“包括(includes)”、“包括(including)”、“具有(having)”和它们的同源词意味着“包括但不限于”。除非另有明确说明,否则本申请中使用的术语和短语及其变体应被解释为开放式,而非限制。作为前述示例,术语“包括(including)”应被解读为“包括但不限于”等的意义。术语“实施例”用于提供讨论中的项目的示例性实例,而非其穷举或限制列表。诸如“常规的”、“传统的”、“已知的”和类似含义的术语的形容词不应被解释为将描述的项目限制为给定时间段,或者作为给定时间可用的项目。而是应该将这些术语解读为涵盖可以在未来或随时可用的常规的、传统的、一般的或标准技术。

同样地,用连词“和”连接的一组术语不应被解读为这些术语中的每个和每一个均出现在组合中,而是应该被解读为“和/或”,除非另有明确说明。同样,用连词“或”连接的一组术语不应被解读为在该组之间需要相互排他性,而是也应该被解读为“和/或”,除非另有明确说明。在某些情况下,诸如“一个或多个”、“至少”、“但不限于”等宽泛的词或短语或类似短语的存在不应被解读为在缺乏这些宽泛短语的情况下有意或需要较窄的情况。

本发明所属相关领域中的普通技术人员将容易理解,本发明具有广泛的效用和应用。尽管已经参考某些实施方式对本发明进行描述和示出,但是对于本领域普通技术人员显而易见的是,其他实施方式可以执行类似的功能和/或实现类似的结果,并且所描述的实施方式仅用于说明性的目的。因此,应该理解,所公开的实施方式的各种特征和方面可以彼此组合,或者彼此替换,以便形成所公开的发明的变化模式。诸如变化、适应、修改和等效排布等许多不同的实施方式通过本文描述的实施方式隐式地和明确公开,因此落入本发明的范围和精神内。

关于本发明的一个方面所讨论的任何实施方式也适用于本发明的其他方面,反之亦然。本文所述的每个实施方式应理解为适用于本发明的所有方面的本发明的实施方式。预期本文所讨论的任何实施方式均可通过本发明的任何方法、产品或用途来实施,反之亦然。

此外,所讨论的现有技术并非被本申请所承认,并且不应被解释为先于当前发明而使得其相对于所讨论的现有技术缺乏可专利性,而是仅仅向技术人员和一般读者呈现出对本领域的知识更好地定义。

实施例

以下实施例以及附图被包括以证明本发明的优选实施方式。本领域技术人员应该理解,实施例或附图中公开的技术代表发明人所发现的在本发明的实践中发挥作用的技术,因此可以被认为构成其实践的优选模式。然而,鉴于本公开,本领域技术人员应该理解,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以在公开的具体实施方式中进行多种变化。

实施例1-碳酸锆铵(AZC)改善纸的泰伯刚度和抗磨损性

基础片材

尽管该方法已应用于所有类型的纤维素纤维,特别是纸和纸板上存在的纤维素纤维(羟基存在是关键因素),但对于本试验而言,选择称为“白板纸(white top liner)”的纸板等级。该等级由包含成品片材厚度的约80%至90%的未漂白的原生纤维或再循环纤维层和作为造纸工艺的一部分施用于片材一侧的包含片材最终厚度的10%至20%的漂白(白色)纤维素纤维的离散层组成。

使用该等级的原因是,即使对于未训练的观测者而言,其漂白纤维层的任何磨损将容易地看见。

待测试的纸样品在23℃和50%相对湿度下预处理一天。这遵循用于纸、板、纸浆、手抄纸和相关产品的TAPPI T 402om-93标准条件和测试气压方法。

应用

试验喷涂系统由带有Phoenix I单轴伺服控制器的1550自动喷射模块化喷雾系统(1550AutoJet Modular Spray System)组成。喷雾施用的目标是每1000ft2的纸板施用1磅湿液体。使用此系统,可以应用的最大值为0.88湿lbs/1000ft2,以此作为测试的默认最大值。

通过保持恒定的施用速率并稀释AZC来改变AZC涂层重量。在现场环境中,在恒定施用速率稀释或固定稀释而以可变的速率施用这两种选择均可以采用。

应用和测试条件

泰伯刚度(抗弯曲)和泰伯磨损(磨砂轮上除去了多少材料)在一系列样本条件下运行,以确定AZC提供的这些性质的变化。

测试条件如下:

·干燥对照-无额外的表面处理。这用作比较的基线值

·仅水-这使得测量片材最初在0.88lbs/1000ft2(湿)干燥之后润湿而引起的简单变化的性质。

·40%稀释AZC(得到的AZC是将6份水加入4份AZC稀释),0.82lbs/1000ft2(湿)

·60%稀释AZC(得到的AZC是将4份水加入6份AZC稀释),0.88lbs/1000ft2(湿)

·得到的AZC(无稀释),0.88lbs/1000ft2/MSF(湿)

每次测试进行三次磨损测试和四次泰伯刚度测试,并将每组测试的值取平均值。

在湿施加后,将样品在热压机上在240°F干燥60秒,然后如上所述在TAPPI室中进行修复。

测试结果

泰伯磨损-运行两组测试。一个为50次循环,更具侵略性的一个为200次循环。在仪器装载压力500g并使用绿色“校准酶(Calibrase)CS-10”泰伯轮进行测试。TAPPI测试方法T-476om-11用于该过程。

在50次循环中,每个条件的3组测试的平均值在下述条件下的泰伯磨损中产生以下差异(表1):

表1:50次循环泰伯磨损结果

50次循环条件下,三次测试平均值 泰伯磨损的改善%
未经处理的样品 0%(基线)
喷水 +2.7%
40%AZC溶液 +12.6%
60%AZC溶液 +8.1%
100%AZC溶液 +21.3%

对样品进行更具侵略性(aggressive)的200次循环试验(表2):

表2:200次循环泰伯磨损结果

200次循环条件下,三次测试平均值 泰伯磨损的改善%
未经处理的样品 0%(基线)
喷水 -4.0%
40%AZC溶液 +9.6%
60%AZC溶液 +7.8%
100%AZC溶液 +18.8%

对于磨损,相较于基线(无处理)高于5%的任何改善被认为是显著的。

关于泰伯磨损,在视觉上,改善的抗磨损性是显而易见的。附图示出:图2A:无处理;图2B:仅水处理;图2C:AZC(100%)。关于无处理,注意到白色层已经被擦掉,使棕色层显现出来。定性地,白纤维剩余越多,抗磨损性更好。

图2B.200次循环,水处理。

图2C.200次循环,AZC,0.88湿lbs/1000ft2,100%。清楚地注意到,存在较少磨损的白色纤维层。

泰伯刚度

纸的耐弯曲性是通过测量在控制条件下使样品弯曲所需的力来确定的。当载荷施加在离夹具50mm的地方时,对38mm(1.5英寸宽)垂直夹紧试样的自由端偏离中心线15°所需的弯矩进行测量,单位为克厘米。本试验遵循TAPPI试验方法T 489om-08。每种条件下,在横向(CD)和机器方向(MD)两个方向上进行了四次测量。TMI泰伯模型150-D用于该工作。

图3示出了在机器方向(MD)进行测试(与纸张的纹理)的结果。因为纤维在片材上的取向方式,纸和纸板通常在机器方向更具刚度(更耐弯曲)。因此,这种测试在两个主要取向上进行-纹理方向(机器方向或MD)和横纹(横向或CD)。

黑点表示各个测试结果。对照(Ctrl)如预期的那样具有最紧密的数据分组。标有“添加(add on)”的行是每1000ft2纸板施加的湿lbs的涂布重量。

在所有情况下(定性地),施加的AZC涂层重量的增加导致泰伯刚度的增加(改善)。所有AZC处理的样品的泰伯刚度均超过未处理的对照,并且AZC高应用水平也超过仅水处理条件,从而得出结论,AZC确实有助于片材的泰伯刚度。

图4示出了CD测试,并且可以看到更多的变化,但施加的涂层重量更高时,相较于仅水处理的条件仍然有改进。

关键条件的比较

对于MD条件,相较于未处理的对照,0.88湿lb/1000ft2应用使泰伯刚度改善8.5%,相较于仅应用水的情况,泰伯刚度改善4.7%。

对于CD条件,相较于未处理的对照,0.88湿lb/1000ft2应用使泰伯刚度改善19.2%,相较于仅应用水的情况,泰伯刚度改善12.7%。

所提出的机制是,由AZC处理提供的较高的纤维与纤维键合降低了片材内纤维的拉伸和滑移,得到较高的泰伯刚度。

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