專利名稱：提高紙和紙板制品的強度的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包含纖維素纖維、碳酸鋯化合物和水不溶性聚乙烯醇纖維的紙或紙板制品，以及制備紙或紙板制品的方法。
背景技術：
紙和紙板的機械強度與纖維網(wǎng)絡的粘合程度有關。因此通常通過提高該粘合程度而試圖提高紙和紙板制品的強度性能。例如這可以通過向紙或紙板紙漿中加入使纖維素纖維相互粘結的添加劑而實現(xiàn)。已經(jīng)使用鋯化合物來某種程度上提高紙和紙板的強度，特別是紙涂層的濕抗張強度。該用途是基于所述鋯化合物，其具有與纖維素纖維的OH基團和淀粉、可溶性聚乙烯醇和用作粘合劑的其它聚合物反應的能力，從而形成堅固的網(wǎng)絡。水溶性聚乙烯醇(PVA)有時用作粘合劑。然而其缺點也是已知的?？扇苄缘腜VA 具有高親水性，從而導致水在制備紙或紙板的過程中滲入PVA纖維中，獲得差的耐水性。已經(jīng)采取措施用不溶性PVA來取代可溶性PVA，例如GB 1260 028，但是發(fā)現(xiàn)為了得到不溶性 PVA、穩(wěn)固的交聯(lián)產(chǎn)品和所需的濕強度所用的合適的其他添加劑是成問題的。水不溶性PVA已經(jīng)廣泛應用于建筑業(yè)，用來提高水泥基構件、可噴涂物料和建筑紙板的強度和韌性。典型的例子是纖維應用于抗震建筑中的混凝土鑄件、橋梁、隧道的可噴涂物料中，以及用于建筑紙板中以取代現(xiàn)在由于健康原因而禁用的石棉絨。不溶性PVA的作用是基于其顯著的高抗張強度，及其在固化時，通過PVA纖維表面上的OH鍵與混凝土形成非常穩(wěn)固的結合的能力。已知改進紙或紙板制品的機械強度是有問題的，因為實現(xiàn)該改進的方法通常包括加入導致最終制品的其它性能劣化的助劑。而且，高濃度的添加劑可通過減弱纖維與纖維的鍵(fibre-to-fibre bonds)、纖維與粘合劑鍵而使得制品更脆。因此需要新的方法來改進這些產(chǎn)品的強度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供與現(xiàn)有技術相比其性能改進的紙或紙板制品。特別地，本發(fā)明的目的是提供與現(xiàn)有技術制品相比其抗張強度提高了的紙或紙板制品，該產(chǎn)品可以使用造紙廠的現(xiàn)有設備進行制備。如以下內(nèi)容和權利要求所述，本發(fā)明實現(xiàn)了這些以及其它目的，以及較已知產(chǎn)品和方法的優(yōu)點。本發(fā)明涉及包含纖維素纖維的紙或紙板制品，以及制備含纖維素的紙或紙板制品的方法。更具體地，本發(fā)明的紙或紙板制品的特征在于權利要求1的特征部分所述。而且，本發(fā)明的方法特征在于權利要求7的特征部分所述。本發(fā)明具有很多的優(yōu)點。因此本發(fā)明提供與已知類似產(chǎn)品相比其抗張強度提高了的紙或紙板制品。例如本發(fā)明使用不可溶聚乙烯醇纖維，能夠得到紙或紙板制品，與例如使用聚丙烯纖維得到的強度相比，其抗張強度高出達到3-5倍。接下來，本發(fā)明參照附圖和詳細說明來進一步描述。附圖簡述

圖1是本發(fā)明纖維素纖維、水不溶性聚乙烯醇纖維和碳酸鋯化合物之間形成的網(wǎng)狀結構的圖，纖維表示為直線或虛線，碳酸鋯表示為其分子結構的形式。圖2是從根據(jù)本發(fā)明方法制備的紙帶上撕扯下的單根纖維端部的顯微圖。發(fā)明詳述本發(fā)明涉及包含纖維素纖維、一種或多種碳酸鋯化合物和水不溶性聚乙烯醇纖維的紙或紙板制品，以及制備紙或紙板制品的方法。術語"紙或紙板制品"包括所有的含纖維狀纖維素的預成形制品，例如紙、紙板和預成形的造紙紙漿。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，該制品包含一種或多種其它的常規(guī)造紙化學品，選自涂料、粘合劑、填料、施膠劑、助留劑或其它造紙化學品。該其它的粘合劑例如可以是可溶性聚乙烯醇或淀粉，所述淀粉可以是任意改性或未改性的淀粉，優(yōu)選陽離子淀粉，最優(yōu)選所述淀粉衍生自大米、小麥、馬鈴薯、谷物或木薯。涂料可以是任何常規(guī)使用的涂料，例如聚合物涂料。填料可以是無機物填料，優(yōu)選碳酸鈣(例如沉淀碳酸鈣)，高嶺土，滑石粉，氧化鋁，二氧化鈦，無機硫酸鹽或硅酸鹽。助留劑可以是任意樹脂或其它離子或聚合物助留劑。本發(fā)明所用水不溶性聚乙烯醇(PVA)纖維的纖維長度為2-10mm，優(yōu)選4_8mm，最優(yōu)選約5mm。它們通過其反應性官能團與纖維素纖維形成氫鍵而起作用，例如它們的OH基團， 從而形成纖維素和聚乙烯醇纖維的交聯(lián)網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡通過加入碳酸鋯化合物而被進一步加強。聚乙烯醇(PVA)可以以各種形式存在，例如各種立體異構體的形式。這尤其在溶解性性能方面產(chǎn)生了差異。對于最通常形式的PVA，這里可溶性PVA，水是最常用的溶劑。該種形式的PVA尤其應用于水溶性膜中。因此此處所用術語"水不溶性聚乙烯醇"描述了與常用可溶性PVA相比，溶解性明顯更差的PVA形式。本發(fā)明中，碳酸鋯化合物優(yōu)選以浸漬入制品中的碳酸鋯化合物的水溶液而存在于最終的紙或紙板制品中。碳酸鋯化合物可以是碳酸鋯銨(AZC)或碳酸鋯鉀(KZC)。它們是陰離子無機羥基化鋯聚合物，通常以水基溶液存在，并應用于造紙涂料、漆和油墨配制劑， 金屬表面處理，粘合劑和催化劑中。它們通過鋯與例如自由羧基和羥基的反應而作為交聯(lián)劑起作用。與更傳統(tǒng)的(更老的)鋯基交聯(lián)劑相比，其中的一個優(yōu)點是40-70%的加入量通常就足以得到相同的交聯(lián)強度。所用碳酸鋯的反應機理在于當浸漬液干燥時，水分的損失導致碳酸鋯分子變得對于官能團，例如羥基和羧基有反應性，于是形成了不可逆的共價鍵。溫度升高能夠使得該反應更有效。制備紙或紙板制品所用的傳統(tǒng)交聯(lián)劑通常是其結構內(nèi)包含至少兩個可與纖維素分子的羥基基團發(fā)生反應的官能團的有機化合物。形成的交聯(lián)穩(wěn)固了纖維制品，使得產(chǎn)品在例如彎曲或其它方式變形后復原其初始形狀的趨勢增大。由交聯(lián)纖維制備的紙或紙板制品通常具有增加了的厚度、亮度、光散射效率和不透明度，以及良好的強度。紙或紙板制品的保水性能也通過交聯(lián)得到了提高。任選地，除了碳酸鋯化合物之外，還可以使用其它交聯(lián)劑。它們可以是例如包含羧基的化合物，例如丁二酸，馬來酸或檸檬酸。本發(fā)明還涉及制備紙或紙板制品的方法，例如本發(fā)明的制品，該方法包括以下步驟一形成纖維素纖維和水不溶性聚乙烯醇纖維的混合的水性懸浮液(aqueous suspension)，用常規(guī)方式將其壓制成紙或紙板制品，或者將聚乙烯醇纖維和纖維素纖維的層壓制成具有夾心結構的制品，一干燥前通過用碳酸鋯化合物的水溶液浸漬該制品的一個或多個表面或整個制品而用該溶液處理該制品，一干燥該處理過的制品。該纖維素纖維和水不溶性聚乙烯醇纖維的混合水性懸浮液，可以是通過將這些纖維混合入水中來直接形成，或者是通過首先形成纖維素纖維的水性懸浮液和水不溶性聚乙烯醇纖維的水性懸浮液，然后將這些懸浮液混合，并將其形成混合的懸浮液而形成。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，通過強力混合，例如使用高速旋轉(zhuǎn)葉片攪拌器，形成纖維素纖維和水不溶性聚乙烯醇纖維的實質(zhì)均勻的懸浮液，并將其壓制成具有實質(zhì)均勻厚度的紙或紙板制品，然后纖維能夠發(fā)生交聯(lián)。任選地使用的單獨制備的纖維素纖維的水性懸浮液優(yōu)選纖維含量為5_20g/l，最優(yōu)選10-14g/l，而任選地使用的單獨制備的水不溶性聚乙烯醇纖維的水性懸浮液優(yōu)選纖維含量為3-10g/l，最優(yōu)選5-7g/l。本發(fā)明中所用碳酸鋯分子是穩(wěn)定的形式。由于它們是絡合物，其濃度通常表示為氧化鋯( )的濃度。本發(fā)明中，該濃度優(yōu)選l_25wt %，更優(yōu)選3-15wt %，最優(yōu)選3-lOwt % 的&02。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，碳酸鋯化合物的溶液涂布于壓制紙或紙板制品的兩個表面上，其量足以浸漬表面的最外層，該溶液被吸收進入制品1-95%的纖維素材料中，優(yōu)選吸收進入25-90%的該材料，中最優(yōu)選吸收進入50-80%的該材料中。這足以使得制品的抗張強度顯著提高，而當將整個制品全部浸漬，以限制所用溶液量至不減弱現(xiàn)有纖維素纖維和水不溶性聚乙烯醇纖維的纖維與纖維的鍵的量時，需要更加慎重。根據(jù)另一優(yōu)選實施例，夾心結構包含2-10個聚乙烯醇纖維和纖維素纖維的交替層，優(yōu)選3-8個交替層，最優(yōu)選4-5個交替層。根據(jù)特別優(yōu)選的實施例，該夾心結構包含3層，由此該紙或紙板制品在其中心層中只包含纖維素纖維作為纖維，和兩個表面層使用纖維素纖維和聚乙烯醇纖維的混合物形成。該紙制品優(yōu)選在升高的溫度的下、在使用碳酸鋯化合物處理之前或者處理之后或者是在這兩個階段被干燥，，溫度范圍可以為30-120°C，優(yōu)選50-100°C，最優(yōu)選70-100°C。下面的例子并非限定本發(fā)明，只是用于描述其中一個優(yōu)選實施方案。
實施例
5
實施例1-講行纖維和碳酸鋯鉀之間的反應測試材料-纖維素纖維(無酸)一水不溶性聚乙烯醇纖維(King ‘ s PVA-纖維PF-120/纖維長度 5mm/12. 0士0. 2cN/dtex)一碳酸鋯鉀溶液(fciisacoat KZ 20 =ZrO2 濃度 2O % )使用高速旋轉(zhuǎn)葉片攪拌器在溫水中(50°C )，撕下(tearing apart)粗的無酸紙 (250g/m2)得到纖維素纖維。纖維/水的比例為6g/500ml。使用相同的攪拌器將水不溶性聚乙烯醇纖維(King' s PVA-纖維PF-120/纖維長度5mm/12. 0 士 0. 2cN/dtex)混合入水中。纖維/水的比例為2g/300ml。將該纖維懸浮液合并(800ml)并混合成均勻的混合物。得到的懸浮液(纖維素和不溶性PVA)用金屬篩(120目)過濾，使用真空吸管部分除去殘余的水分，得到潮濕的纖維物料，其只包含少量的在紙中用作膠性物(glue)的淀粉。最后以常規(guī)方式將該潮濕的纖維物料壓制成均勻厚度，在90-100°C下干燥。從干燥的材料上切下測試條，使用稀釋的(30%或35%)碳酸鋯鉀溶液， KZC (Raisacoat KZ 20 JrO2濃度20% )，將一些測試條完全浸漬，稀釋的碳酸鹽溶液具有濃度為6%或7%的最終的&02。通過在鋼板之間壓制該測試條而除去過量的KZC溶液，測試條在90-100°C干燥。測量由生產(chǎn)的纖維素制品制備的測試條的抗張強度。結果示于下表1中。表1.測試條的抗張強度(N/mm的測試條寬度)
纖維__KZC (%)__抗張醚N/mm_
纖維素纖維__0__103_
6g纖維素纖維+ 2g 010.1
PVA纖維___
6g纖維素纖維+ 2g 6__216_
PVA纖維___
6g纖維素纖維+2gPVA纖725.6
_m___該結果清楚地表明碳酸鋯化合物與纖維素基材料中的纖維發(fā)生反應，因此提高了其強度。觀察到只加入PVA纖維在其抗張強度方面無實質(zhì)效果。這或許是由于PVA纖維與纖維素纖維相比，其橫截面非常圓、直且光滑，使得它們易于從纖維素纖維物料中拉出，因為它們僅僅是在纖維素纖維之間滑出。但是，與KZC的反應在不同纖維與其它成分(圖1)之間形成了大量的網(wǎng)絡，導致其抗張強度的達到2. 5倍的提高。PVA纖維與該結構的強粘合還可以通過從測試條上撕下
6單根纖維并觀察纖維端部的顯微圖像而觀察到。該圖像清楚的顯示出纖維本身的撕裂(圖 2)?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)水不溶性PVA纖維的加入量和碳酸鋯銨或碳酸鋯鉀的濃度/量來調(diào)節(jié)該抗張強度。種·2- #臓—艦糖^Mf在該實施例中，根據(jù)本發(fā)明的方法在動態(tài)紙頁成形器(dynamic sheet former) (Formette Dynamic)中制備取向的實驗室紙頁，即，形成纖維素纖維和水不溶性聚乙烯醇纖維的水性懸浮液，并將其壓制成所用的實驗室紙頁，通過將紙頁表面用碳酸鋯銨水溶液浸漬而用該溶液處理該紙頁，將該處理過的紙頁干燥。該紙頁進行表面施膠，制得的紙進行抗張、撕裂和內(nèi)部粘合強度測試(見表2)。所用紙漿和化學品 -用 Voith Labrefiner 精制成 SR 30 的桉樹 SA 紙漿-SEL 0. 4J/m，濃度 4%，SRE 70kffh/t. -King' s PVA 纖維 PF-120/5mm.-用于表面施膠(AZC/淀粉)的7%(以^O2計)Raisacoat AZ 20碳酸鋯銨和 1.5%玉米淀粉(食品品質(zhì))在水中的混合物。紙頁成型條件.原紙的目標克重100g/m2.網(wǎng)速1000m/min，噴射速度 960m/min (1. 6 巴).壓榨1+2+3 巴.在90°C下干燥在該紙的表面處理中，樣品紙用漆刷進行涂布(表面施膠)，在烘箱的框架中干燥，在80-90°C下空氣循環(huán)30分鐘，在50%相對濕度、23°C下調(diào)整1周。這些測試的目的在于研究少量PVA纖維對于紙張強度的影響。使用過量的AZC用于確保PVA纖維與纖維素基質(zhì)的完全粘合。但該過量不是必需的。碳酸鋯的量可以進一步最佳化，特別是當從實驗室測試的實驗等級提高到較大等級時。下面的結果(表2)表明抗張強度在MD (+47-52% )和CD (+48-54% )方向上都得到了提高。在CD方向，撕裂強度提高達到+57%，其與PVA纖維含量相關。由于添加了 PVA 纖維和AZC-淀粉施膠，可以發(fā)現(xiàn)kottBOND的顯著提高。該提高在MD和⑶方向均約為 400%。在MD方向，抗張挺度(tensile stiffness)提高，其與PVA纖維含量相關。表2.本發(fā)明實驗室紙頁的性能邊禾0 "向狽取逝·ReEPVA3% PVA5% PVA7^
5Sll,g/m2 EN BO 536:1195 modif5110145 144 142
Wl只 cm3/g BO 534:200551.371.12 1.12 1.23
摘MSjIcNAti ENBO1924-2-1994 MD1011.717.2 17.7 17.6
JrS^SKkNAn EN ISO 1924-2-1994 CD104.837.38 7.42 7.13
ifSBIKkN/m ENBO1924-2-19 MD1010561332 1303 1364
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內(nèi)辦占銷！ *·)"— TAPPIT569modif CD10376>1996 >1966 1683氺Modif. Scott, (Huygen Internal Bond Tester)測試條件50%RH, 23 °CRef :纖維素
權利要求
1.包含纖維素纖維的紙或紙板制品，其特征在于該制品還包含一種或多種碳酸鋯化合物和水不溶性聚乙烯醇纖維。
2.根據(jù)權利要求1的紙或紙板制品，其特征在于該一種或多種碳酸鋯化合物是碳酸鋯銨或碳酸鋯鉀或其混合物。
3.根據(jù)權利要求1或2的紙或紙板制品，其特征在于該聚乙烯醇纖維的纖維長度為 2-10mm,優(yōu)選4_8mm，最優(yōu)選約5mm。
4.根據(jù)權利要求1-3中任一項的紙或紙板制品，其特征在于該纖維素纖維和該聚乙烯醇纖維是交聯(lián)的。
5.根據(jù)權利要求1-4中任一項的紙或紙板制品，其特征在于該碳酸鋯化合物的濃度為1-25wt%，優(yōu)選3-15wt%，最優(yōu)選3-10wt%，表示為的濃度。
6.根據(jù)權利要求1-5中任一項的紙或紙板制品，其特征在于該制品還包含一種或多種其它的涂料、粘合劑、填料、施膠劑、助留劑或其它造紙化學品或其混合物。
7.制備包含纖維素纖維的紙或紙板制品的方法，其特征在于一形成纖維素纖維和水不溶性聚乙烯醇纖維的混合的水性懸浮液，將其壓制成紙或紙板制品，或者將水不溶性聚乙烯醇纖維和纖維素纖維的層壓制成具有夾心結構的紙或紙板制品，一干燥前通過用碳酸鋯化合物的水溶液浸漬該制品的一個或多個表面或整個制品而用該溶液處理該制品，一干燥該處理過的制品。
8.根據(jù)權利要求7的方法，其特征在于首先形成纖維素纖維的水性懸浮液和水不溶性聚乙烯醇纖維的水性懸浮液，然后將這些懸浮液混合，從而形成混合的懸浮液。
9.根據(jù)權利要求7或8的方法，其特征在于通過強力混合形成該纖維素纖維和該水不溶性聚乙烯醇纖維的實質(zhì)均勻的懸浮液，將其壓制成實質(zhì)上均勻厚度的紙或紙板制品，并使該纖維交聯(lián)。
10.根據(jù)權利要求7的方法，其特征在于將水不溶性聚乙烯醇纖維和纖維素纖維的2-10個交替層形成夾心結構，優(yōu)選3-8個交替層，最優(yōu)選4-5個交替層。
11.根據(jù)權利要求7-10中任一項的方法，其特征在于將該碳酸鋯化合物的水溶液涂覆在該制品的一個或多個表面上，使其被能夠被吸收進入該制品的1-95%的纖維材料，優(yōu)選吸收進入25-90%的該材料，最優(yōu)選吸收進入50-80%的該材料。
12.根據(jù)權利要求7-11中任一項的方法，其特征在于在30-120°C，優(yōu)選50-100°C，最優(yōu)選70-100°C范圍內(nèi)的溫度下干燥該壓制的制品或該處理過的制品，或者是在所述范圍內(nèi)的溫度下首先干燥該壓制的制品和然后干燥該處理過的制品。
全文摘要
本發(fā)明涉及抗張強度提高的紙或紙板制品，其包含纖維素纖維，一種或多種碳酸鋯化合物和水不溶性聚乙烯醇纖維，以及涉及制備該制品的方法，其包括以下步驟形成纖維素纖維和水不溶性聚乙烯醇纖維的混合的水性懸浮液，將其壓制成紙或紙板制品，或者將水不溶性聚乙烯醇纖維和纖維素纖維的層壓制成具有夾心結構的制品，干燥前通過用碳酸鋯化合物的水溶液浸漬該制品的一個或多個表面或整個制品而用該溶液處理該制品。
文檔編號D21H21/18GK102482850SQ201080022102
公開日2012年5月30日 申請日期2010年5月17日 優(yōu)先權日2009年5月18日
發(fā)明者T·拉蒂南 申請人:辛諾科化工產(chǎn)品公司