專利名稱：表面施膠紙/紙板的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種表面施膠紙/紙板的制造方法。
在印刷紙和紙板中，為了實現(xiàn)充分的運轉性能和適印性能，需要高的撓曲強度/體積的比率。例如通過表面施膠以及通過各種梯度結構(多重結構以及梯度壓光)能夠提高撓曲強度。
表面施膠的目的是提高紙或紙板的強度性能，例如內部粘合強度(層間剝離強度)和表面強度(掉毛)。用于表面施膠的化學品為水溶性聚合物，其主要包括淀粉，這是因為受到淀粉價格的吸引。淀粉的原材料包括諸如谷物、小麥、大麥、馬鈴薯、木薯等植物，它們的塊莖、種子等是淀粉的原料來源。淀粉(C6H10O5)由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成。用于表面施膠的其它化學品為例如各種纖維素衍生物(CMC)以及聚乙烯醇(PVA)。
由于紙幅(web)壓縮導致厚度減薄和體積縮小，所以在壓光中撓曲強度降低。根據(jù)下列公式，計算的撓曲強度作為厚度的函數(shù)而線性增加S1S2=E1h13E2h23]]>E1E2=h2h1]]>h2h31h1h32=h12h22]]>其中S1和S2分別表示經過壓光處理和未經過壓光處理的紙的撓曲強度，h1和h2分別表示經過壓光處理和未經過壓光處理的紙的厚度，以及E1和E2分別表示經過壓光處理和未經過壓光處理的紙的彈性模量。
下面概括描述紙和紙板的等級，以及在制造紙和紙板中使用的各種壓光和涂布處理。
紙和紙板的等級紙和紙板存在廣泛的各種等級，并且按基重分為兩類具有單層且基重為25-300g/m2的紙和采用多層技術制造且基重為150-600g/m2的紙板。注意，紙和紙板之間的分界線是變動的，最低基重的紙板比最重的紙輕。通常，紙用于印刷，而紙板用于包裝。
下面描述對于纖維紙幅當前采用值的實例，可能出現(xiàn)與給定值的實質偏離。用于描述的主要原始出版物為1999年由Fapet Oy，Jyvskyl出版、由Jokio M.編輯的“造紙科學與技術”(Papermaking Science and Technology)的造紙部分3，最終版，第361頁；以及2000年由Fapet Oy，Jyvskyl出版、由Paulapuro H.編輯的“造紙科學與技術”的“紙與紙板的等級”，第134頁。
由木漿制造的印刷紙、即那些具有木質成分的印刷紙包括新聞紙、未涂布的雜志紙和涂布的雜志紙。
新聞紙可完全由木漿組成，或者可包含一些漂白的軟木漿(0-15％)，和/或可采用再生的纖維漿替代一些木漿?？烧J為新聞紙的常規(guī)值大概如下基重為40-48.8g/m2、含灰量(SCAN-P 5:63)為0-20％、PPS s10粗糙度(SCAN-P 76-95)為3.0-4.5μm、本特生(Bendtsen)粗糙度(SCAN-P 21:67)為100-200ml/min、密度為600-750kg/m3、亮度(ISO 24701999)為57-63％和不透明度(ISO 24701998)為90-96％。
未涂布的雜志紙(SC＝超級壓光處理的)一般包括50-70％的木漿、10-25％的漂白軟木漿和15-30％的填料。壓光處理的SC紙(例如包括SC-C、SC-B和SC-A/A+)的典型值分別如下基重為40-60g/m2、灰塵含量(SCAN-P 5:63)為0-35％、亨特(Hunter)光澤度(ISO/DIS 8254/1)為＜20-50％、PPS s10粗糙度(SCAN-P 76:95)為1.0-2.5μm、密度為700-1250kg/m3、亮度(ISO24701999)為62-70％和不透明度(ISO 24701998)為90-95％。
表1示出了含有木漿的可涂布紙的典型值。(MFC＝機內整飾涂布、FCO＝薄膜涂布膠印、LWC＝輕量涂布、MWC＝中量涂布、HWC＝重量涂布)
表1
涂布的雜志紙(LWC＝輕量涂布)含有40-60％的木漿、25-40％的漂白軟木漿以及20-35％的填料和涂層。HWC(重量涂布)可涂布甚至多于兩次。
由化學漿制造的膠版(woodfree))印刷紙即優(yōu)級紙包括基于化學漿的未涂布印刷紙和涂布印刷紙，其中木漿的比例小于10％。
基于化學漿的未涂布印刷紙(WFU)具有55-80％的漂白樺木漿、0-30％的漂白軟木漿和10-30％的填料。在WFU中各值變動很大基重為50-90g/m2(到240g/m2)、本特生粗糙度為250-400ml/min、亮度為86-92％以及不透明度為83-98％。
在基于化學漿的涂布印刷紙(WFC)中，根據(jù)需要和預期的應用涂布量變動很大。基于化學漿的一次和兩次涂布印刷紙的典型值如下一次涂布基重為90g/m2、亨特光澤度為65-80％、PPS s10粗糙度為0.75-2.2μm、亮度為80-88％和不透明度為91-94％；兩次涂布基重為130g/m2、亨特光澤度為70-80％、PPS s10粗糙度為0.65-0.95μm、亮度為83-90％和不透明度為95-97％。
防粘紙(release paper)具有在25-150g/m2范圍內變化的基重。
紙板制造涉及化學漿、木漿和/或再生漿的使用。例如，根據(jù)預期應用，紙板可分為下列主要幾類。
設有襯里和褶邊的瓦楞紙板。
用于制造紙箱、紙盒的硬紙板。例如，硬紙板包括液體包裝紙板(FBB＝折疊硬紙板、LPB＝液體包裝紙板、WLC＝白漿襯里的粗紙板、SBS＝同質漂白亞硫酸鹽、SUS＝同質未漂白亞硫酸鹽)。
用于制造例如卡片、紙夾、文件夾、包裝箱、封面等的圖形紙板。
壁紙原紙。
壓光通過壓光來處理各種紙和紙板的表面特性和厚度分布以滿足印刷方法和進一步處理的需要。涂布類通常在涂布處理之前進行預壓光，并且在涂布處理之后進行最后的壓光。
壓光機分為機械壓光機、軟壓光機和多輥壓光機。機械壓光機典型具有1-2個壓區(qū)并且所有的壓區(qū)形成輥均為硬輥。軟壓光機通常具有1-4個壓區(qū)，并且至少一個壓區(qū)形成輥用軟封面紙覆蓋。多輥壓光機通常具有5-11個壓區(qū)。多輥壓光機的輥組件包括加熱輥和軟封面紙輥。
專用壓光機包括例如濕式雙輥壓光機(wet stack calender)、半干壓光機(breaker stack)和長壓區(qū)壓光機。
除了在壓光處理上完全不同以外，濕式雙輥壓光機幾乎與多輥機械壓光機相同。濕式雙輥壓光機有效地利用濕度梯度，到達壓光機的紙幅僅具有大約1-2％的濕度。濕式雙輥壓光機設有水箱，用于在壓區(qū)的紙幅表面上游形成水膜，所述膜被壓到壓區(qū)中的紙幅表面。因而，紙幅僅在表面處變濕，所以表面比過干的內部受到更多的壓光。采用濕式雙輥壓光機作為個別紙板類的預壓光機。
半干壓光機是設于造紙機的干燥區(qū)中的機械壓光機。
長壓區(qū)壓光機包括靴形壓光機和帶式壓光機，其中靴形壓光機在靴形輥周圍具有軟帶，并且靴形壓光機中的壓區(qū)長度典型為50-400mm。傳統(tǒng)的帶式壓光機由軟壓光機的熱輥、帶回路以及帶回路內的背輥組成，后者為硬輥或軟輥。帶在背輥上運行并導引/拉緊各輥。帶式壓光機的特定實施例為金屬帶式壓光機，其中壓光帶包括環(huán)繞導引輥行進的金屬帶并且與計數(shù)器元件(典型為輥)一起建立長度甚至大于5000mm的長壓區(qū)地帶。在帶回路內還設有印刷元件(press element)，例如偏轉補償輥，印刷元件可用于在長壓區(qū)地帶的中途建立具有較高壓縮載荷的壓點。
涂布技術隨著涂布紙等級和涂布方法變得越來越普及，由于需求的增加而使涂布處理和設備受到挑戰(zhàn)。在涂布步驟中，更具體地在顏料涂布步驟中，紙表面在涂布頭處形成有涂料層，然后將過多的水排出。涂料層的形成可分為在紙表面上供給涂料、即涂覆；以及調整最終的涂布量。最重要的顏料涂布方法是所謂的刮刀涂布，其中通過所謂的刮粉刀(doctor blade)來調整涂布量。最普通的刮刀涂布頭的種類包括設有涂覆輥的刮刀涂布機和設有噴嘴涂覆的刮刀涂布機。涂布過程還涉及所謂的膜轉移涂布機的使用，近來膜轉移涂布機的使用變得越來越普遍。引入的另一個新技術包括簾式涂布機的使用。
從實踐觀點來看，各種涂布設備之間最本質的區(qū)別在于涂覆過程，尤其是發(fā)生在涂覆過程中的滲透、即涂料滲透到紙中。
在高級涂布印刷紙的制造中，近來不但越來越注重高質量而且越來越注重產量。在批量生產型的輕涂布紙中質量同樣成為很重要的方面。幾乎所有的涂布機均經受提高質量、產量和運行速度的壓力。
在包含于刮刀涂布中的涂覆輥涂覆中，通過利用涂布盤中回轉的輥將涂料拾取到由背輥運送的紙的底表面來實現(xiàn)涂覆。涂覆量通常為200-250g/m2。在涂覆輥涂覆中，涂料有效地滲透到原紙中。此外，在刮除之前原紙的纖維來得及膨脹，因此增加了紙的粗糙度量(roughness volume)。
在噴嘴涂覆中，通過噴嘴將涂料依次直接地提供到紙幅表面上。噴嘴涂覆相比涂覆輥涂覆的一個優(yōu)點是無需回轉輥，從而提高了高運行速度的能力。另一個優(yōu)點是涂覆壓力的強脈沖較少，從而提高運轉性能。在噴嘴涂覆中，紙幅潤濕處理介于涂覆輥涂覆與短停留涂覆之間。在噴嘴涂覆中，涂覆量典型為130-220g/m2。
在短停留涂覆中，將涂料傳送到位于緊鄰刮粉刀之后的涂覆室中，所述涂覆室的一側墻壁由背輥支撐的移動紙幅構成。移動紙幅在涂覆室中形成渦流，并且涂料在紙幅表面上具有與紙幅的移動速度相等的流速。在短停留涂覆中，由于涂覆區(qū)受到的壓力小以及有效范圍短，所以紙的潤濕輕微。僅在刮粉刀的下游局部發(fā)生紙纖維的膨脹，這使由刮刀平滑過的表面變得粗糙。因此，通過短停留涂布機可獲得的涂布平滑度次于通過涂覆輥和噴嘴涂布機獲得的涂布平滑度。
紙表面上剩余的涂布量受到很多變量的影響。當原紙的特性例如粗糙度、多孔性和吸水性增加時，涂布量也將增加。同樣，當涂料的干物含量和粘性增加時，涂布量增加。另一方面，涂料的保水量增加會減少涂布量。當刮粉刀的壓力(stress)、工作角度和刮刀厚度增加時，涂布量也將減少。對于其它因素，運行速度增加以及涂覆壓力增加會導致涂布量增加。
除了上述刮刀涂布機之外，也可通過其它設備執(zhí)行涂布和表面處理。下面描述幾種最常用的選擇方案。施膠壓榨(size press)單元由兩個回轉輥構成。在這個選擇方案中，待涂覆到紙幅表面上的涂料在位于紙幅與輥之間的池中被涂覆到紙幅上。此外，除了用于表面施膠之外，施膠壓榨也可用于顏料涂布。涂布量大約為1.0-2.0g/m2/側。在標準施膠壓榨中存在的問題是在高運行速度下涂覆池具有不穩(wěn)定性。
已經嘗試通過設計膜施膠壓榨來消除上述問題，其中紙幅表面上所需的涂布層或施膠劑首先被涂覆到壓榨輥的表面，這些層從壓榨輥表面轉到位于輥之間的壓區(qū)中的紙上。所采用的涂覆設備包括類似于短停留涂布機的單元。通過這些裝置所獲得的優(yōu)點包括即使在高運行速度下也能控制涂覆以及進行顏料涂布(2-6g/m2/側)。此外，相對于標準施膠壓榨，涂料的干物含量增加。以一側或兩側的方式可執(zhí)行膜涂料的涂布。相對于刮刀涂布，膜轉移涂布處理的運轉性能通常較好。與刮刀涂布相比，通過膜轉移涂布獲得的涂布層通常與輪廓符合得更好并且在某種意義上具有更大的覆蓋率。然而，通過膜轉移涂布不能獲取高的涂布量。
在氣刷(air brush)涂布中，可通過單輥或多輥刮刀涂覆裝置或者通過噴嘴執(zhí)行涂料的涂覆。通過空氣噴射依次執(zhí)行涂布量的調整和表面的平滑處理。由于提供極好的覆蓋率，所以氣刷涂布幾乎專用于紙板涂布。氣刷涂布的缺點包括該方法的運行速度受到限制并且涂料的干物含量很低。通過氣刷形成的涂布層厚度均勻并且與紙的表面輪廓相符合。
因此，目前在涂布紙幅方面的基本方案由短停留和涂布輥涂布機、基于噴嘴涂覆的設備以及膜施膠壓榨機提供。仍需要設計通用的普通涂布機。
在涂布的各種形式中，刮刀涂布是最普遍的涂布方法并且在將來似乎也會如此。隨著運行速度提高和用于涂布的面積擴大，涂布輥將有可能幾乎完全被基于噴嘴涂覆的方案取代。
此外，一種新出現(xiàn)的技術是所謂的簾式涂布技術。簾式涂布機可分為槽饋送涂布機(slot-fed coater)或滑動饋送涂布機(slide fed coater)。在滑動饋送簾式涂布機中，將涂料設置為沿傾斜的平面流動，并且在該平面的邊緣上涂料簾(curtain)以涂料細流的形式形成。在槽饋送涂覆束中，涂料經由分配室被抽取到豎直的狹槽中，涂料簾沿著槽的邊緣形成并滴落到紙幅上。涂料可被涂覆一層或多層。與刮刀涂布相比，簾式涂布在紙幅上施加更小的力，因此在紙幅中由破裂引起的斷裂較少，從而提高了運轉性能。簾式涂布不能提供與通過刮刀涂布獲得的相同的平滑度，但是通過簾式涂布獲得的覆蓋率優(yōu)于通過刮刀涂布獲得的覆蓋率。主要觀點是簾式涂布機將最終取代氣刷。
本發(fā)明的目的是提供一種解決方案，相對于通過標準表面施膠和隨后的壓光而取得的撓曲強度和體積的值，該方案能夠提高表面施膠紙/紙板的撓曲強度和體積。為了實現(xiàn)這個目的，本發(fā)明的方法的特征在于，在該方法中在表面施膠之后待處理的紙幅經過用于提供預期的干燥收縮和/或增大的干燥應力的處理過程，從而對紙/紙板的撓曲強度和/或體積產生預期的作用。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例在從屬權利要求中限定。
與傳統(tǒng)的方法相比，本發(fā)明的方法在具有更少表面施膠劑量或更少材料量的情況下提供相等的撓曲強度。
現(xiàn)在參照附圖對本發(fā)明進行更為詳細的描述，其中

圖1示出在經過兩個不同的壓光處理的樣品中計算的和測量的撓曲強度與厚度之間的關系，圖2a示出表面施膠劑量及其干燥處理對紙的基重的影響，圖2b示出表面施膠劑量及其干燥處理對紙的厚度的影響，圖3示出表面施膠劑量對紙的體積的影響，圖4示出表面施膠劑量及其干燥處理對紙的體積的影響，以及圖5示出紙幅舒展(web spreading)對紙的厚度的影響。
根據(jù)本發(fā)明已經發(fā)現(xiàn)，通過在表面施膠之后進行用于抑制或限制干燥收縮效應的處理過程以提供增大的干燥應力，能夠提高表面施膠紙/紙板的撓曲強度和/或體積。這種現(xiàn)象是基于淀粉的干燥收縮增進效應，因而在添加淀粉后對干燥收縮的抑制導致干燥應力增大。干燥應力的增大與濕應變對纖維大小具有相同作用，即增加紙的厚度。濕應變的紙厚度增進效應是一種已知現(xiàn)象，例如從1998年由Fapet Oy，Jyvskyl出版、由Niskanen K.編輯的出版物“造紙科學與技術”的紙物理學部分第82-83頁獲知。通過舒展紙幅也能夠促進干燥應力的增大。
參照圖1，示出了在通過兩個不同步驟壓光后的樣品中計算的和測量的撓曲強度與厚度的關系。所述兩個壓光步驟為軟壓光和長壓區(qū)金屬帶壓光，后者在圖1中用字母PN表示。在軟壓光的樣品中，測量的撓曲強度與根據(jù)計算的撓曲強度所預期的一樣，作為厚度的函數(shù)而降低。發(fā)現(xiàn)計算的撓曲強度與測量的撓曲強度之間大小不同，這可能歸因于由軟壓光引起的纖維擾亂(fiber-violating)粗處理。由于在纖維處于塑性狀態(tài)的情況下發(fā)生壓縮，所以在金屬帶壓光機中沒有觀察到所述大小不同。對于金屬帶壓光的樣品，測量的撓曲強度不像軟壓光的樣品的撓曲強度那樣作為厚度的函數(shù)急劇降低。例如，在100μm厚度處，金屬帶壓光的樣品的撓曲強度比軟壓光的樣品的撓曲強度高約34％，在85μm厚度處，金屬帶壓光的樣品的撓曲強度相對于軟壓光的樣品的撓曲強度和相對于計算的撓曲強度分別提高約58％和27％。通過在表面施膠的處理過程下游中使用金屬帶壓光，當在金屬帶和輥之間建立的封閉壓區(qū)中支撐紙幅時進行紙幅的干燥，以實現(xiàn)干燥應力的受控增大。由于受控的干燥收縮/應力，所以在抗張強度以及撓曲強度和體積方面紙幅均得到改善。這導致明顯節(jié)省了原料以及提升了質量。由于在壓光處理期間施膠劑(例如淀粉)熔化/軟化/塑化，所以作為溫度、濕度、停留以及載荷的結果，金屬帶壓光中表面施膠劑的粘合效果增強。壓縮中纖維間(interfibrous)粘合劑接點經歷纖維間結合加固、纖維間粘合劑接點加固以及有效結合區(qū)擴大。當添加到紙中的塑化纖維、木質素或化學品變粘/加強而已經結合時，結合強度增加。結合的形成需要高含濕量。在傳統(tǒng)的壓光方法中不能獲得這樣的濕度水平。然而，紙中的濕度有可能分布不均衡，所以局部含濕量(例如淀粉分子中)可能實際上達到很高水平。因此，例如淀粉分子之間、甚或纖維之間可能形成氫鍵。
圖2a示出實驗發(fā)現(xiàn)的表面施膠劑量及其干燥處理對紙的基重的影響，圖2b示出表面施膠劑量及其干燥處理對紙的厚度的影響。從圖2b可看出通過限制干燥收縮能夠提高紙的厚度。
圖3示出表面施膠劑量對紙的體積的影響。如圖3中所示，表面施膠通常導致體積減小約4-5％。
圖4示出表面施膠劑量及其干燥處理對紙的體積的影響。根據(jù)圖4可看出，增加表面施膠劑量導致體積降低。然而，在表面施膠后通過抑制干燥收縮能夠提高體積。
圖5示出紙幅舒展對紙的厚度的影響。舒展度為0％和2％，紙幅具有42％的KAP。舒展輥設計為例如，給輥裝配上通過軸承獨立安裝的設有真空孔的輥尾端件，所述輥尾端件通過所述真空孔與紙幅邊緣相接合，并且所述輥尾端件被安裝在向外導引紙幅邊緣的角位處。圖5表明隨著舒展的進行紙的厚度增加。
權利要求
1.一種表面施膠紙/紙板的制造方法，其特征在于，在該方法中在表面施膠之后待處理的紙幅經過用于提供預期的干燥收縮和/或增大的干燥應力的處理過程，從而對紙/紙板的撓曲強度和/或體積產生預期的作用，使得在相同纖維紙幅厚度下測量的撓曲強度變化比計算的撓曲強度變化小45-95％，并使得該纖維紙幅相對于未進行表面施膠的纖維紙幅在厚度上增加0.5-10％。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，通過金屬帶壓光機執(zhí)行所述處理過程，該金屬帶壓光機能夠對紙幅應用預期持續(xù)時間和強度的壓縮和熱處理步驟。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，通過舒展輥執(zhí)行所述處理過程，該舒展輥設有用于與紙幅邊緣相接合和用于以擴展紙幅的方式導引所述紙幅邊緣的元件。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述接合元件包括通過軸承獨立安裝的設有真空孔的輥尾端件，所述輥尾端件通過所述真空孔與紙幅邊緣相接合并且所述輥尾端件安裝在向外導引所述紙幅邊緣的角位處。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，通過冷凝帶(Condebelt)干燥機執(zhí)行所述處理過程。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種表面施膠紙/紙板的制造方法。在該方法中在表面施膠之后，待處理的紙幅經過用于提供預期的干燥收縮和/或增大的干燥應力的處理過程，從而對紙/紙板的撓曲強度和/或體積產生預期的作用。
文檔編號D21H23/22GK101040087SQ200580034881
公開日2007年9月19日 申請日期2005年11月1日 優(yōu)先權日2004年11月30日
發(fā)明者雷約·皮耶蒂凱寧, 米卡·維爾揚馬, 尤哈·利波寧, 尤哈·帕卡里寧, 尤西·耶斯凱萊伊寧, 瑪麗亞·萊波拉 申請人:美卓造紙機械公司