專利名稱：用于造紙方法的填料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種包含鈣鹽和纖維素衍生物的填料。本發(fā)明進一步涉及一種制備該填料的方法、該填料在造紙中的應用、一種其中將該填料用作添加劑的造紙方法以及包含該填料的紙。
背景技術：
在造紙工業(yè)中高度填充的紙是一種既定趨勢，這不僅是因為減少使用纖維的節(jié)省而且還因為改進的產(chǎn)品質(zhì)量，例如更高的不透明性和更好的可印刷性。基于碳酸鈣的填料由于它們優(yōu)良的光散射性能而被普遍使用。在高度填充的、特別含有高表面積的填料的紙的制備中的主要缺陷是上膠劑的高消耗。從而，隨著紙中的填料含量增加，為了獲得相應的上膠結果而需要較大量的上膠劑。因此，當填料的量增加時更難以將纖維素懸浮液上膠。
為了實現(xiàn)紙或紙板的防水性和減少邊緣起芯(wicking)，主要進行上膠。其還將影響紙和紙板的機械性能，例如尺寸穩(wěn)定性、摩擦系數(shù)、柔韌性和耐折強度。另外，上膠可以通過控制油墨擴散和粘合而特別地提高可印刷性。
上膠方法涉及到使憎水性物質(zhì)-通常被稱作上膠劑沉積在纖維表面上。普遍采用的上膠劑是非纖維素活性的上膠劑例如基于松香的上膠劑，和纖維素活性的上膠劑，例如烷基烯酮二聚物(“AKD”)和酸酐例如鏈烯基琥珀酸酐(“ASA”)。然而，公知的是纖維素活性的上膠劑-即AKD和ASA經(jīng)歷了水解，這與所希望的和纖維的反應相競爭。此外，由于膠料倒置或遷移、膠料蒸發(fā)、產(chǎn)品的機械磨損等，可能出現(xiàn)最終產(chǎn)品的上膠損失。
Bartz和同事已經(jīng)觀察到在AKD蠟的流動性增加期間，一些AKD可能滲透并且此后被捕集在填料的孔隙結構中(Bartz，W.；Darroch，M.E.；Kurrle，F(xiàn).L.，“碳酸鈣填充的紙中的烷基烯酮二聚物上膠效率和倒置”，Tappi Journal，77卷，12期，1994)。對于具有多孔瓣狀體結構和高表面積的偏三角面體形狀的PCC而言，特別出現(xiàn)了這種現(xiàn)象。Voutllainen指出具有高表面積的填料吸附AKD甚至比纖維更好(Voutilainen，P.，“烷基烯酮二聚物在紙漿纖維和CaCO3填料上的競爭吸附”，Proceedings from International Paper andCoating Chemistry Symposium，1996)。填料表面上鋁氧化物和硅氧化物的存在可以另外吸附含于AKD顆粒中的陽離子淀粉。還提出了在AKD與碳酸鈣填料之間存在強的相互作用，或者可能甚至是結合。這些所提出的填料機理自然是不希望的，并且應作出努力以使這些相互作用減少到最小。
為了提高上膠效率，在美國專利No.5,514,212中提出可以用陰離子淀粉-皂復合物將顏料的表面改性。得自于玉米或馬鈴薯的蒸煮淀粉與脂肪酸鹽復合并且當與沉淀的鈣漿液或者含有高含量的鈣離子的造紙配料混合時沉淀在顏料表面上。
美國專利No.5,972,100提出了一種由纖維素活性的漿料(例如AKD)、陽離子分散劑(例如陽離子淀粉或聚酰胺)和填料組成的體系。除了改進的上膠之外，該發(fā)明使得能夠分別獨立地控制填料裝填量和上膠。
此外，WO95/13324涉及到用纖維素衍生物例如取代度為0.7的羧甲基纖維素鈉(“CMC”)處理的碳酸鈣。所述處理的碳酸鈣被用作堿性造紙懸浮液中的填料，由此提高了紙的亮度。
美國專利No.3,730,830披露了一種制備紙，特別是像紙的方法，其包括使用合成聚合物纖維。在將合成纖維加入纖維懸浮液之前，將無機顏料或碳加入含有羧甲基纖維素和合成纖維的漿液中，由此實現(xiàn)了聚合物纖維在造紙原料中的纖維素纖維之間均勻分散。
仍然需要一種提供改進的造紙方法和更好性能的所制備的紙的填料。將希望的是提供一種使得可以制備表現(xiàn)出優(yōu)良的印刷性能和機械性能的高度填充的紙的填料。還將希望的是提供一種減少了上膠需求并且由此導致改進的上膠效率的填料。還將希望的是提供一種可與助濾劑和助留劑相容并且由此導致優(yōu)良的排水性、保持性和造紙機運行能力的填料。還將希望的是提供一種簡單和有效的用于制備表現(xiàn)出以上特性的填料的方法。
發(fā)明概述總的來說，本發(fā)明涉及一種包含鈣鹽和纖維素衍生物的填料。總的來說，本發(fā)明進一步涉及一種包含鈣鹽和羧烷基纖維素衍生物的填料?？偟膩碚f，本發(fā)明還涉及一種通過將含有鈣鹽的材料與纖維素衍生物混合而制備填料的方法、該填料在造紙中用作添加劑的應用以及包含該填料的紙。總的來說，本發(fā)明進一步涉及一種其中將該填料引入含水的纖維素懸浮液的造紙方法。
更特別地，本發(fā)明涉及一種包含鈣鹽和凈離子基團取代度至多約0.65的纖維素衍生物的填料。本發(fā)明還涉及一種包含鈣鹽和羧烷基取代度至多約0.65的纖維素衍生物的填料。本發(fā)明進一步涉及一種制備填料的方法，其包括將含有鈣鹽的材料與凈離子基團取代度至多約0.65的纖維素衍生物混合。本發(fā)明還涉及一種制備填料的方法，其包括將含有鈣鹽的材料與羧烷基取代度至多約0.65的纖維素衍生物混合。本發(fā)明進一步涉及一種可通過這些方法獲得的填料。本發(fā)明進一步涉及一種造紙方法，其包括提供含有纖維素纖維的含水懸浮液、將包含鈣鹽和凈離子基團取代度至多約0.65的纖維素衍生物的填料引入懸浮液，和將懸浮液脫水以形成紙幅或紙片。本發(fā)明還涉及一種造紙方法，其包括提供含有纖維素纖維的含水懸浮液、將包含鈣鹽和羧烷基取代度至多約0.65的纖維素衍生物的填料引入懸浮液，和將懸浮液脫水以形成紙幅或紙片。在該造紙方法中，可以通過將鈣鹽和纖維素衍生物一起作為單一組合物加入而將填料引入纖維素懸浮液。
發(fā)明詳述本發(fā)明提供一種適用于造紙的新的填料。已經(jīng)令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明的填料使得可以減少與在造紙中普遍使用并且被摻入紙中的填料相關的一些問題。更特別地，通過將本發(fā)明的填料用于造紙方法，可以提供具有優(yōu)良的印刷性能例如高的光滑度、高的不透明度和潔白度，改進的機械性能例如干強度、拉伸強度、Scott結合性和抗彎剛度，和改進的上膠效果的紙。由本發(fā)明所表現(xiàn)出的另一些優(yōu)點包括優(yōu)良的和/或改進的脫水性和細粒保持性，這導致了就造紙機的運行性能而言的優(yōu)點。
當將該填料與上膠劑結合使用時，已經(jīng)觀察到本發(fā)明使得可以減少上膠需求并且因此通常提高了上膠效率。對于不同類型的上膠劑，包括非纖維素和纖維素活性的上膠劑，特別是纖維素活性的上膠劑例如烯酮二聚物和酸酐而言，均展現(xiàn)出提高的上膠效率。特別地，本發(fā)明提供了尤其是具有高的填料裝填量和/或當使用具有高表面積的填料時的填充紙的提高的上膠效率和上膠穩(wěn)定性。
根據(jù)本發(fā)明，還不能預期地觀察到在簡單的加工期間可以使纖維素衍生物與含有鈣鹽的材料混合并且更有效地吸附在或者粘附在含有鈣鹽的材料上。可以將本發(fā)明的填料看作是改性的填料，或者纖維素衍生物處理的填料。
根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以通過將含有鈣鹽的材料和纖維素衍生物以預混合或預處理的形式一起加入纖維素懸浮液中而獲得非常優(yōu)良的結果。用纖維素衍生物將含有鈣鹽的材料預處理提供了一種單獨加工纖維素懸浮液的僅僅一種組分以制得改性的填料的便利方式，可以使用該改性的填料代替或者部分代替常規(guī)的填料。沒有受任何理論的束縛，認為當將這些組分混合時纖維素衍生物吸附在含有鈣鹽的材料上。
根據(jù)本發(fā)明的填料包含鈣鹽和纖維素衍生物。合適的鈣鹽的例子包括碳酸鈣、硫酸鈣和草酸鈣，優(yōu)選碳酸鈣，和其混合物。碳酸鈣是石灰石、大理石、白堊和白云石中的主要成分?？梢灾苯佑缮鲜鎏烊恍纬傻氖^種類得到碳酸鈣，并且于是將其稱作為重質(zhì)碳酸鈣(“GCC”)。也可以合成制備碳酸鈣，通常將其稱作為沉淀碳酸鈣(“PCC”)。優(yōu)選由氫氧化鈣和在水相中產(chǎn)生碳酸根離子的材料例如堿金屬碳酸鹽或二氧化碳獲得碳酸鈣。GCC和PCC均可用于本發(fā)明，優(yōu)選PCC，包括存在的各種結晶形式或形態(tài)的任何一種例如菱形、棱柱形、板狀、立方形和偏三角面體形狀的方解石和針狀的霰石。PCC通常具有約2-約20m2/g，適宜地約為7-約12m2/g的比表面積。
鈣鹽可以作為基本純的鈣鹽，包括一種或多種鈣鹽的混合物而存在。其還可以與一種或多種其他組分一起的混合物形式存在。本文中使用的術語“含有鈣鹽的材料”是指一種包含鈣鹽和任選的一種或多種其他組分的材料。合適的這類其他組分的例子包括纖維素、木質(zhì)纖維素或類似的植物材料的纖維或原纖維、無機粘土、高嶺土、滑石、二氧化鈦、氫化的鋁氧化物、硫酸鋇等。優(yōu)選地，當使用時，這些其他組分適用于造紙。
在包含纖維素、木質(zhì)纖維素或類似的植物材料的纖維或原纖維的含有鈣鹽的材料中，可以使至少部分鈣鹽沉積在纖維或原纖維上。原纖維的平均厚度可以約為0.01-約10μm，適宜地至多約5μm，優(yōu)選至多約1μm。原纖維的平均長度可以約為10μm-約1500μm。合適的含有鈣鹽的材料的例子包括披露于美國專利Nos.5,731,080；5,824,364；6,251,222；6,375,794和6,599,391中的復合材料，這些專利的披露內(nèi)容因此被在此引入作為參考。可商購獲得的這類復合材料包括M-Real Oy的SuperFill。
根據(jù)本發(fā)明的填料進一步包含纖維素衍生物。優(yōu)選的是該纖維素衍生物是水溶的或者至少部分水溶的或水分散的，優(yōu)選是水溶的或者至少部分水溶的。優(yōu)選地，該纖維素衍生物是離子性的。該纖維素衍生物可以是陰離子的、陽離子的或者兩性的，優(yōu)選是陰離子的或兩性的。合適的纖維素衍生物的例子包括纖維素醚，例如陰離子和兩性的纖維素醚，優(yōu)選陰離子纖維素醚。纖維素衍生物優(yōu)選具有離子的或者帶電的基團，或取代基。合適的離子基團的例子包括陰離子基團和陽離子基團。合適的陰離子基團的例子包括羧酸鹽例如羧烷基、磺酸鹽例如磺烷基、磷酸鹽和膦酸鹽基團，其中烷基可以是甲基、乙基、丙基和其混合物，適宜地為甲基；適宜地，纖維素衍生物含有陰離子基團，包括羧酸鹽基團例如羧烷基。陰離子基團的抗衡離子通常是堿金屬或堿土金屬，適宜地為鈉。
根據(jù)本發(fā)明的纖維素衍生物的合適陽離子基團的例子包括胺鹽，適宜地為叔胺鹽，和季銨基團，優(yōu)選為季銨基團。連接在胺和季銨基團的氮原子上的取代基可以相同或不同并且可以選自烷基、環(huán)烷基和烷氧基烷基，并且一個、兩個或多個取代基與氮原子一起可以形成雜環(huán)。這些取代基彼此獨立地通常包含1-約24個碳原子，優(yōu)選1-約8個碳原子。陽離子基團的氮可以借助于原子鏈而與纖維素或其衍生物相連，這些原子適宜地包括碳原子和氫原子以及任選的O和/或N原子。通常，原子鏈是含有2-18個，適宜地為2-8個碳原子、任選地被一個或多個雜原子例如O或N打斷或取代的亞烷基，例如亞烷基氧基或羥亞丙基。優(yōu)選的含陽離子基團的纖維素衍生物包括通過使纖維素或其衍生物與選自2，3-環(huán)氧基丙基三甲基氯化銨、3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨和其混合物的季銨化試劑反應而獲得的那些。
本發(fā)明的纖維素衍生物可以含有非離子基團，例如烷基或羥烷基如羥甲基、羥乙基、羥丙基、羥丁基和其混合物，例如羥乙基甲基、羥丙基甲基、羥丁基甲基、羥乙基乙基、羥丙基等。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，纖維素衍生物含有離子基團和非離子基團。
根據(jù)本發(fā)明的合適纖維素衍生物的例子包括羧烷基纖維素例如羧甲基纖維素、羧乙基纖維素、羧丙基纖維素、磺乙基羧甲基纖維素、羧甲基羥乙基纖維素(“CM-HEC”)、其中纖維素被一個或多個非離子取代基取代的羧甲基纖維素，優(yōu)選為羧甲基纖維素(“CMC”)。合適的纖維素衍生物的例子和它們的制備方法包括披露于美國專利No.4,940,785中的那些，該專利因此被在此引入作為參考。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，填料包含含有纖維素或木質(zhì)纖維素的纖維或原纖維的鈣鹽和含有陽離子基團的纖維素衍生物。該陽離子基團可以是在本申請中所列舉的那些的任何一種。
在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案中，填料包含基本不含纖維素或木質(zhì)纖維素的纖維或原纖維的鈣鹽和可以是陰離子、陽離子或兩性的纖維素衍生物。
本文中使用的術語“取代度”或“DS”是指纖維素衍生物的β-葡萄糖酐環(huán)的取代環(huán)位點的數(shù)目。由于在纖維素的每個葡萄糖酐環(huán)上有三個羥基可用于取代，因此DS的最大值為3.0。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，纖維素衍生物的凈離子基團的取代度(“DSNI”)至多約0.65，即纖維素衍生物具有至多約0.65的凈離子平均取代度/每個葡萄糖單元。該凈離子取代可以是凈陰離子的、凈陽離子的或者凈中性的。當凈離子取代是凈陰離子的時，有凈余過量的陰離子基團(凈陰離子基團＝每個葡萄糖單元的陰離子基團的平均數(shù)-陽離子基團的平均數(shù)，如果有的話)并且DSNI與凈陰離子基團的取代度(“DSNA”)相同。當凈離子取代是凈陽離子的時，有凈余過量的陽離子基團(凈陽離子基團＝每個葡萄糖單元的陽離子基團的平均數(shù)-陰離子基團的平均數(shù)，如果有的話)并且DSNI與凈陽離子基團的取代度(“DSNC”)相同。當凈離子取代是凈中性的時，如果有的話，每個葡萄糖單元的陰離子基團和陽離子基團的平均數(shù)目相同，并且DSNI以及DSNA和DSNC為0。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案，纖維素衍生物的羧烷基取代度(“DSCA”)至多約0.65，即纖維素衍生物具有至多約0.65的羧烷基平均取代度/每個葡萄糖單元。羧烷基適宜地為羧甲基，于是本文中所指的DSCA與羧甲基的取代度(“DSCM”)相同。根據(jù)本發(fā)明的這些實施方案，DSNI、DSNA、DSNC和DSCA彼此獨立地通常為至多約0.60，適宜地至多約0.50，優(yōu)選至多約0.45，更優(yōu)選至多約0.40，而DSNI、DSNA、DSNC和DSCA彼此獨立地通常為至少0.01，適宜地至少約0.05，優(yōu)選至少約0.10，更優(yōu)選至少約0.15。DSNI、DSNA、DSNC和DSCA的范圍彼此獨立地通常約為0.01-約0.60，適宜地約為0.05-約0.50，優(yōu)選約為0.10-約0.45，更優(yōu)選約為0.15-約0.40。
陰離子或兩性的纖維素衍生物通常具有0.01-約1.0的陰離子取代度(“DSA”)，只要DSNI和DSNA如本文中所定義；適宜地從約0.05，優(yōu)選從約0.10，更優(yōu)選從約0.15，并且適宜地到至多約0.75，優(yōu)選至多約0.5，更優(yōu)選至多約0.4。陽離子或兩性的纖維素衍生物可以具有0.01-約1.0的陽離子取代度(“DSC”)，只要DSNI和DSNC如本文中所定義；適宜地從約0.02，優(yōu)選從約0.03，更優(yōu)選從約0.05，并且適宜地到至多約0.75，優(yōu)選至多約0.5，更優(yōu)選至多約0.4。陽離子基團適宜地為季銨基團，于是本文中所指的DSC與季銨基團的取代度相同(“DSCN”)。對于本發(fā)明的兩性纖維素衍生物而言，DSA或DSC當然可以高于0.65，只要DSNA和DSNC分別如本文中所定義。例如，如果DSA為0.75并且DSC為0.15，則DSNA為0.60。
具有如上定義的取代度的合適纖維素衍生物的例子包括在同一日期以Akzo Nobel N.V.的名義提交的共同懸而未決的專利申請中披露的水溶性低DS羧烷基纖維素衍生物。基于干纖維素衍生物的總重量，該水溶性纖維素衍生物在水溶液中適宜地具有至少85wt％的溶解度，優(yōu)選至少90wt％，更優(yōu)選至少95wt％，最優(yōu)選至少98wt％。
纖維素衍生物通常具有至少20,000道爾頓，優(yōu)選至少50,000道爾頓的平均分子量，并且平均分子量通常至多1,000,000道爾頓，優(yōu)選至多500,000道爾頓。
優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的填料中，纖維素衍生物至少部分吸附在或者連接在存在于含有鈣鹽的材料中的鈣鹽或其他組分上。適宜地，至少約10wt％，優(yōu)選至少約30wt％，更優(yōu)選至少約45wt％，最優(yōu)選至少約60wt％的纖維素衍生物吸附在或者連接在存在于含有鈣鹽的材料中的鈣鹽或其他組分上。
基于填料的固體重量-即基于填料的干重，根據(jù)本發(fā)明的填料通常具有至少0.0001wt％的鈣鹽含量；該鈣鹽含量可以約為0.0001-約99.5wt％，適宜地約為0.1-約90wt％，優(yōu)選約為60-約80wt％?；谔盍系墓腆w重量，該填料通常具有至少0.01wt％的纖維素衍生物含量；該纖維素衍生物含量可以約為0.01-約30wt％，適宜地約為0.1-約20wt％，優(yōu)選約為0.3-約10wt％。
可以將根據(jù)本發(fā)明的填料作為可以基本不含水的固體材料而提供。也可以將其作為含水組合物而提供。取決于制備方法和預期的應用，水相或水的含量可以在寬的范圍內(nèi)變化。
本發(fā)明還涉及一種制備填料的方法，其包括將纖維素衍生物例如本文中所定義的任何一種纖維素衍生物與包含鈣鹽和任選的一種或多種其他組分的含有鈣鹽的材料，例如本文中所定義的任何一種含有鈣鹽的材料混合。該纖維素衍生物和含有鈣鹽的材料適宜地以使得提供根據(jù)本發(fā)明的具有如本文中所定義的纖維素衍生物和鈣鹽含量的填料的量使用。
使用的纖維素衍生物和含有鈣鹽的材料可以作為固體、或以含水組合物和其混合物存在。含有鈣鹽的材料適宜地作為細碎的材料存在?？梢酝ㄟ^以間歇、半間歇或連續(xù)的方法將纖維素衍生物加入填料，或者反之亦然而實現(xiàn)混合。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，將纖維素衍生物作為固體加入含有鈣鹽的材料的含水組合物中，并且然后使獲得的組合物適宜地進行有效的分散以將纖維素衍生物溶解。優(yōu)選地，通過首先形成纖維素衍生物的中性到堿性水相，適宜地為水溶液，然后將其與含有鈣鹽的材料的含水組合物混合而進行混合。在與含有鈣鹽的材料混合之前，可以將纖維素衍生物的水相進行預處理例如均化、離心分離和/或過濾，以例如在如果有的情況下將未溶解的纖維素衍生物從水相中分離。
優(yōu)選地，將纖維素衍生物與含有鈣鹽的材料混合以使得至少部分纖維素衍生物吸附在或者連接在含有鈣鹽的材料上，優(yōu)選以使得通過用水稀釋很難將其從該材料上除去。這可以通過在足夠長的時間下進行混合以使得能夠吸附在附著物上而實現(xiàn)。適宜地，混合時間至少約1分鐘，優(yōu)選至少約5分鐘，更優(yōu)選至少約10分鐘，最優(yōu)選至少約20分鐘。如果希望達到高程度的連接，甚至幾小時(1-10小時)的混合時間也是可以的。適宜地，將至少約10wt％，優(yōu)選至少約30wt％，更優(yōu)選至少約45wt％，最優(yōu)選至少約60wt％的纖維素衍生物從水相中轉移并且吸附在或者連接在存在于含有鈣鹽的材料中的鈣鹽或其他組分上。
通常調(diào)節(jié)纖維素衍生物的水相的pH以使得在約4-約13，優(yōu)選約6-約10，更優(yōu)選約7-約8.5的值下吸附使用的特定纖維素衍生物?？梢詫⒑线m的堿或酸用于調(diào)節(jié)pH。合適的堿的例子包括堿金屬的碳酸氫鹽和碳酸鹽以及堿金屬氫氧化物，適宜地為碳酸氫鈉、碳酸鈉和氫氧化鈉。合適的酸的例子包括無機酸、有機酸和酸鹽，適宜地為硫酸和其酸鹽例如明礬。一般而言，在較低的pH-即約4.0至中性的pH下，纖維素衍生物的吸附量較高但溶解度降低，而在較高的pH下吸附量降低但溶解度升高。
溫度并不是關鍵的；在非加壓條件下的操作中溫度通常約為10-約100℃，優(yōu)選約20-約80℃。然而，更高的溫度更加有利，在混合期間含水組合物的溫度適宜地約為30-約70℃，更優(yōu)選約40-約60℃。
當使用除了鈣鹽之外還含有其他組分例如纖維素或木質(zhì)纖維素的纖維或原纖維的含有鈣鹽的材料時，纖維素衍生物的混合和連接可以與鈣鹽沉淀在原纖維或纖維上同時進行，或者在沉淀之后進行。還可以在沉淀之前加入纖維素衍生物。在該情況下，在打漿期間或者在打漿之后以單獨的吸附加入纖維素衍生物。纖維素衍生物可以吸附在或者連接在含有鈣鹽的材料或者纖維或原纖維表面上和/或吸收到纖維或原纖維中。將類似的纖維素衍生物吸附在類似的填料材料上的方法披露于美國專利Nos.5,731,080；5,824,364；6,251,222；6,375,794和6,599,391中，這些專利的披露內(nèi)容在此引入作為參考。
通過本發(fā)明的方法獲得的填料可以原樣用于例如造紙中。如果作為含水組合物存在，則可以將其直接使用或者在需要時可以將其干燥例如以簡化運輸。
本發(fā)明還涉及一種造紙方法，其包括提供含有纖維素纖維的含水懸浮液(“纖維素懸浮液”)、將填料例如本文中所定義的任何一種填料引入纖維素懸浮液，和將纖維素懸浮液脫水以形成紙幅或紙片。優(yōu)選地，通過將其作為單一組合物加入而將填料引入纖維素懸浮液。作為選擇，可以將鈣鹽或者含有鈣鹽的材料(例如本文中所定義的任何一種含有鈣鹽的材料)和纖維素衍生物(例如本文中所定義的任何一種纖維素衍生物)單獨加入纖維素懸浮液中并且在纖維素懸浮液中原位形成填料。
在該方法中，當然可以將其他組分引入纖維素懸浮液。這些組分的例子包括常規(guī)填料、熒光增白劑、上膠劑、助濾劑和助留劑、干強度試劑、濕強度試劑等。合適的常規(guī)填料的例子包括高嶺土、瓷土、二氧化鈦、石膏、滑石、天然和合成的碳酸鈣例如白堊、磨碎大理石和沉淀碳酸鈣，氫化的鋁氧化物(三氫氧化鋁)、硫酸鈣、硫酸鋇、草酸鈣等。當將根據(jù)本發(fā)明的填料與常規(guī)填料一起使用時，基于全部填料的干重，根據(jù)本發(fā)明的填料可以至少1wt％，適宜地至少5wt％，優(yōu)選至少10wt％，更優(yōu)選至少約20wt％，適宜地至多約99wt％的量存在。合適的上膠劑的例子包括非纖維素活性的上膠劑例如基于松香的上膠劑，比如基于松香的皂，基于松香的乳液/分散液；和纖維素活性的上膠劑例如酸酐比如琥珀酸酐(ASA)、鏈烯基和烷基烯酮二聚物(AKD)和多聚物的乳液/分散液。合適的助濾劑和助留劑的例子包括有機聚合物產(chǎn)品例如陽離子、陰離子和非離子聚合物，包括陽離子聚乙烯亞胺、陽離子、陰離子和非離子聚丙烯酰胺、陽離子聚胺、陽離子淀粉和陽離子瓜爾膠；無機材料，例如鋁化合物、陰離子微粒材料比如硅膠基顆粒、蒙脫石類粘土例如斑脫土、蒙脫土；膠體氧化鋁，和其組合。合適的助濾劑和助留劑組合的例子包括陽離子聚合物和陰離子微粒材料，例如陽離子淀粉和陰離子硅膠基顆粒、陽離子聚丙烯酰胺和陰離子硅膠基顆粒以及陽離子聚丙烯酰胺和斑脫土或蒙脫土。合適的濕強度試劑的例子包括聚胺和聚氨基酰胺。含有根據(jù)本發(fā)明的填料和陽離子淀粉的紙表現(xiàn)出非常優(yōu)良的強度性能。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，將至少一種上膠劑引入纖維素懸浮液以制得含有填料的上膠紙。優(yōu)選地，該上膠劑是本文中所提及的類型的纖維素活性上膠劑。合適的烯酮二聚物具有下面的通式(I)，其中R1和R2表示飽和或不飽和的烴基，通常為飽和烴，這些烴基適宜地含有8-36個碳原子，通常為含有12-20個碳原子的直鏈或支鏈烷基例如十六烷基和十八烷基。烯酮二聚物在環(huán)境溫度下-即在25℃下，適宜地在20℃下可以為液體。通常，酸酐可以由下面的通式(II)表征，其中R3和R4可以相同或不同并且表示適宜地含有8-30個碳原子的飽和或不飽和的烴基，或者R3和R4與-C-O-C-部分一起可以形成5至6元環(huán)，該環(huán)任選地進一步被含有至多30個碳原子的烴基取代。商業(yè)上使用的酸酐的例子包括烷基和鏈烯基琥珀酸酐，特別為異十八烯基琥珀酸酐。
合適的烯酮二聚物、酸酐和有機異氰酸酯包括披露于美國專利No.4,522,686中的化合物，該專利因此被在此引入作為參考。
可以將根據(jù)本發(fā)明的填料以可以在寬的范圍內(nèi)變化的量加入纖維素懸浮液，這尤其取決于纖維素懸浮液的類型、所制得的紙的類型、加入點等?；诟衫w維的重量，通常以1-約50wt％，適宜地約5-約40wt％，通常約10-約30wt％的量加入填料。因此，基于干纖維的重量，根據(jù)本發(fā)明的紙通常具有1-約50wt％，適宜地約5-約40wt％，通常約10-約30wt％的本發(fā)明的填料含量。
當在該方法中使用其他組分時，可以將這些組分以可以在寬的范圍內(nèi)變化的量加入纖維素懸浮液，這尤其取決于這些組分的類型和數(shù)量、纖維素懸浮液的類型、填料含量、所制得的紙的類型、加入點等。通常以基于干纖維的重量為至少約0.01wt％，適宜地至少約0.1wt％的量將上膠劑引入纖維素懸浮液，并且上限通常約為2wt％，適宜地約0.5wt％。一般而言，將助濾劑和助留劑以與當不使用這些助劑時獲得的相比產(chǎn)生更好的排水性和/或保持性的量引入纖維素懸浮液。通常將助濾劑和助留劑、干強度試劑和濕強度試劑彼此獨立地以基于干纖維為至少約0.001wt％，通常至少約0.005wt％的量引入，并且上限通常約為5wt％，適宜地約1.5wt％。
本文中使用的術語“紙”不僅包括紙和其產(chǎn)品，而且包括其他含有纖維素纖維的片狀或網(wǎng)狀產(chǎn)品，例如紙和紙板及其產(chǎn)品。該方法可用于由不同種類的纖維素(含纖維素的)纖維的含水懸浮液制備紙，并且這些懸浮液將適宜地含有基于干物為至少25wt％，優(yōu)選至少50wt％的這類纖維。纖維素纖維可以基于原纖維和/或再生纖維，包括木材或者一年生植物或多年生植物的纖維。纖維素懸浮液可以含有木材或者不含木材，并且其可以基于得自于以下物質(zhì)的纖維化學紙漿例如硫酸鹽、亞硫酸鹽和有機溶劑紙漿，機械紙漿例如熱-機械紙漿、化學-熱-機械紙漿、精煉紙漿和磨木紙漿，硬木和軟木，并且還可以基于任選地得自于脫墨紙漿的再生纖維，和其混合物。纖維素懸浮液適宜地具有中性至堿性范圍的pH，例如約6-約10，優(yōu)選約6.5-約8.0。
可以將制得的紙干燥、涂覆和壓延?？梢杂美缫韵挛镔|(zhì)涂覆紙?zhí)妓徕}、石膏、硅酸鋁、高嶺土、氫氧化鋁、硅酸鎂、滑石、二氧化鈦、硫酸鋇、氧化鋅、合成顏料，和其混合物。
制得的紙的克重可以在寬的范圍內(nèi)變化，這取決于制得的紙的類型；通常，克重約為20-約500g/m2，適宜地約30-約450g/m2，優(yōu)選30-約110g/m2。優(yōu)選地，將本發(fā)明用于制備未涂覆和涂覆的膠版紙、電子照相紙、任選地含有機械紙漿的未涂覆和涂覆的高級紙張，以及書寫紙和曬圖紙。一種尤其優(yōu)選的產(chǎn)品是其中結合了高光澤度和高不透明度以及容積的涂覆的膠版紙。
在以下實施例中進一步闡述本發(fā)明，然而這些實施例并不意在限制本發(fā)明。份和％分別涉及重量份和wt％，除非另外說明。
實施例1通過用纖維素衍生物將含有鈣鹽的材料處理而制備根據(jù)本發(fā)明的填料和用于比較的填料。使用的纖維素衍生物是DSNI(DSCA＝DSCM＝DSA＝DSNA＝DSNI)分別為0.3、0.32和0.7的羧甲基纖維素(“CMC”)。使用的另一種CMC是DSCA＝DSCM＝DSA＝0.4；DSC＝DSQN＝0.17；和DSNI＝DSNA＝0.4-0.17＝0.23的季銨羧甲基纖維素(“QN-CMC”)。使用的纖維素衍生物的平均分子量為100,000-400,000。使用的含有鈣鹽的材料是表面積分別為5.7和10.0m2/g的不同的沉淀碳酸鈣(“PCC”)。使用的另一種含有鈣鹽的材料是SuperFill(紙漿細粒上的PCC)。
通過將CMC溶解于水中至0.5wt％的濃度而制備填料。此后，將得到的CMC組合物加入PCC填料漿液中并且在25-45分鐘在約50℃的溫度下混合。根據(jù)本發(fā)明的填料(“本發(fā)明產(chǎn)品”)和用于比較的填料(“比較產(chǎn)品”)如下本發(fā)明產(chǎn)品1(“IP1”)CMC(DSNI0.3)處理的PCC(5.7m2/g)本發(fā)明產(chǎn)品2(“IP2”)CMC(DSNI0.3)處理的PCC(10m2/g)本發(fā)明產(chǎn)品3(“IP3”)CMC(DSNI0.32)處理的SuperFill本發(fā)明產(chǎn)品4(“IP4”)QN-CMC(DSNI0.23)處理的SuperFill比較產(chǎn)品1(“CP1”)CMC(DSNI0.7)處理的PCC(5.7m2/g)比較產(chǎn)品2(“CP2”)SuperFill實施例2對根據(jù)本發(fā)明制備的紙的上膠進行評價并且與出于比較的目的使用的紙比較。使用根據(jù)實施例1的IP1制備根據(jù)本發(fā)明的紙。使用根據(jù)實施例1的CP1并且使用不含纖維素衍生物的填料制備用于比較的紙。
由化學紙漿組成的并且含有如表1中所示的變化數(shù)量(wt％，基于干紙)的未處理的PCC的紙漿制備紙片。向紙漿懸浮液中加入2.0kg/噸干纖維的根據(jù)實施例1的填料和不含纖維素衍生物的填料；3.0kg/噸干纖維的AKD(含水分散液Eka Keydime C223)，和包含陽離子淀粉(Eka PL 1510)和二氧化硅顆粒(Eka NP 780)的保持體系。陽離子淀粉和二氧化硅顆粒以0.15kg/噸干纖維的量加入。加入順序如下CMC處理的PCC的加入0秒AKD分散液的加入30秒陽離子淀粉的加入45秒二氧化硅顆粒的加入60秒紙片成型75秒使用動態(tài)紙片成型機(“Formette”，CTP Grenoble)根據(jù)標準方法制備紙片。為了建立上膠結果，使用Cobb60(SCAN-P 1264)方法。表1示出了獲得的結果。
表1
實施例3在該實施例中，評價其中(i)將CMC處理的PCC加入紙漿懸浮液和(ii)將CMC和PCC(未處理)單獨加入紙漿懸浮液的根據(jù)本發(fā)明的造紙方法。
由實施例2中使用的并且含有基于干紙為30wt％未處理的PCC(表面積10m2/g)或CMC(DSNI0.3)處理的PCC(10m2/g)(根據(jù)實施例1的IP2)的相同類型的紙漿制備紙片。向紙漿懸浮液中加入4kg/噸干纖維的陽離子淀粉(PB 970)、3.0kg/噸干纖維的AKD(含水上膠分散液Eka Keydime C223)，和包含陽離子聚丙烯酰胺(Eka PL 1310)和二氧化硅顆粒(Eka NP 780)的保持體系。陽離子聚丙烯酰胺和二氧化硅顆粒均以0.20kg/噸干紙的量加入。當使用未處理的PCC時，單獨加入1.0kg/噸的DSNI為0.3的CMC。當加入CMC處理的PCC時，不單獨加入CMC。加入順序如下陽離子淀粉的加入0秒CMC處理的PCC/未處理的PCC的加入30秒CMC的單獨加入35秒AKD的加入45秒陽離子聚丙烯酰胺的加入60秒二氧化硅顆粒的加入75秒紙片成型90秒如實施例2中那樣評價紙片。結果示于表2中。
表2
實施例4在造紙方法中使用并且評價實施例1的產(chǎn)品。以類似于實施例3的方法由含有70wt％混合的硬木紙漿和30wt％分別在22°和25°SR下精煉的軟木紙漿的纖維配料制備紙片，除了不使用陽離子淀粉和使用未處理的SuperFill填料(CP2)或CMC處理的SuperFill填料(IP3和IP4)之外，這些填料以使得得到含有30wt％SuperFill填料的紙片的量加入。加入順序如下SuperFill填料的加入0秒陽離子聚丙烯酰胺的加入45秒二氧化硅顆粒的加入75秒AKD的加入90秒結果描述于表3中。
表權利要求
1.一種填料，其包含鈣鹽和凈離子基團的取代度至多約0.65的纖維素衍生物，其中該填料基本不含纖維素或木質(zhì)纖維素的纖維或原纖維。
2.一種填料，其包含鈣鹽和凈離子基團的取代度至多約0.65的纖維素衍生物，其中該纖維素衍生物含有陽離子基團。
3.根據(jù)權利要求1或2的填料，特征在于取代度至少為0.05。
4.根據(jù)權利要求1或2的填料，特征在于取代度約為0.15-約0.40。
5.根據(jù)權利要求1、2或3的填料，特征在于纖維素衍生物是纖維素醚。
6.根據(jù)前述權利要求任一項的填料，特征在于纖維素衍生物含有羧甲基。
7.根據(jù)前述權利要求任一項的填料，特征在于纖維素衍生物含有季銨基團。
8.根據(jù)權利要求1，3-7任一項的填料，特征在于纖維素衍生物是陰離子的。
9.根據(jù)權利要求1-7任一項的填料，特征在于纖維素衍生物是兩性的。
10.根據(jù)前述權利要求任一項的填料，特征在于纖維素衍生物是至少部分水溶的。
11.根據(jù)前述權利要求任一項的填料，特征在于基于填料的固體重量，該填料的纖維素衍生物含量為0.3-10wt％。
12.根據(jù)前述權利要求任一項的填料，特征在于基于填料的固體重量，該填料的鈣鹽含量為60-約80wt％。
13.根據(jù)前述權利要求任一項的填料，特征在于鈣鹽是碳酸鈣。
14.根據(jù)前述權利要求任一項的填料，特征在于鈣鹽是沉淀的碳酸鈣。
15.根據(jù)權利要求2的填料，特征在于該填料進一步包含纖維素或木質(zhì)纖維素的纖維或原纖維。
16.根據(jù)權利要求2的填料，特征在于該填料基本不含纖維素或木質(zhì)纖維素的纖維或原纖維。
17.包含根據(jù)權利要求1-16任一項的填料的紙。
18.根據(jù)權利要求17的紙，特征在于基于干紙，該紙的總填料含量為5-40wt％。
19.一種制備填料的方法，其包括在基本沒有纖維素或木質(zhì)纖維素的纖維或原纖維的存在下將含有鈣鹽的材料與凈離子基團取代度至多約0.65的纖維素衍生物混合。
20.一種制備填料的方法，其包括將含有鈣鹽的材料與羧烷基取代度至多約0.65的纖維素衍生物混合，其中該纖維素衍生物含有陽離子基團。
21.一種可通過根據(jù)權利要求19或20的方法獲得的填料。
22.一種造紙方法，其包括提供含有纖維素纖維的含水懸浮液、將根據(jù)權利要求1-16和21任一項的填料引入懸浮液，和將懸浮液脫水以形成紙幅或紙片。
23.根據(jù)權利要求22的方法，特征在于通過將含有鈣鹽和纖維素衍生物的單一組合物加入懸浮液而將填料引入懸浮液。
24.根據(jù)權利要求22或23任一項的方法，特征在于基于干纖維，將填料以5-30wt％的量加入。
25.根據(jù)權利要求22或23的方法，特征在于其進一步包括將纖維素活性的上膠劑加入懸浮液。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包含鈣鹽和凈離子基團取代度至多約0.65的纖維素衍生物的填料，其中該填料基本不含纖維素或木質(zhì)纖維素的纖維或原纖維。本發(fā)明還涉及一種包含鈣鹽和凈離子基團取代度至多約0.65的纖維素衍生物的填料，其中該纖維素衍生物含有陽離子基團。本發(fā)明進一步涉及一種制備填料的方法，其包括在基本沒有纖維素或木質(zhì)纖維素的纖維或原纖維的存在下將含有鈣鹽的材料與凈離子基團取代度至多約0.65的纖維素衍生物混合。本發(fā)明還涉及一種制備填料的方法，其包括將含有鈣鹽的材料與凈離子基團取代度至多約0.65的纖維素衍生物混合，其中該纖維素衍生物含有陽離子基團。本發(fā)明進一步涉及一種可通過這些方法獲得的填料。本發(fā)明進一步涉及一種造紙方法，其包括提供含有纖維素纖維的含水懸浮液、將包含鈣鹽和凈離子基團取代度至多約0.65的纖維素衍生物的填料引入懸浮液，其中該填料基本不含纖維素或木質(zhì)纖維素的纖維或原纖維，和將懸浮液脫水以形成紙幅或紙片。本發(fā)明還涉及一種造紙方法，其包括提供含有纖維素纖維的含水懸浮液、將包含鈣鹽和凈離子基團取代度至多約0.65的纖維素衍生物的填料引入懸浮液，其中該纖維素衍生物含有陽離子基團，和將懸浮液脫水以形成紙幅或紙片。
文檔編號D21H17/67GK1898439SQ200480038513
公開日2007年1月17日 申請日期2004年12月20日 優(yōu)先權日2003年12月22日
發(fā)明者P·M·范德豪斯特, E·薩尼, K·R·安德森, C·伽西雅-林德格倫, M-L·瓦爾比爾格, S·萬斯托姆 申請人:?？ɑ瘜W公司, M-雷爾公司