專利名稱：用由直鏈和支鏈脂肪酸制得的2－氧雜環(huán)丁酮施膠劑施膠的紙張的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種其配料中有添加劑的紙張的生產(chǎn)方法，在該方法中，使用了堿性疏水紙張施膠劑。這些施膠劑具有能與纖維素纖維形成共價鍵的活性官能團，并且所述施膠劑的疏水末端從所述的纖維朝外取向。
由于易于使用沉淀碳酸鈣(PCC)，增加了抗老化的耐久性，以及具有更好的亮度，因此，在堿性條件下制造的高級紙張的生產(chǎn)量已迅速增加。另外紙機的水循環(huán)也可能更完全的封閉。
目前高級紙在印刷中的應用設(shè)置特定的施膠重量，印刷應用的例子是非擊打式印刷(NIP)，特別是噴墨打印。預期具有多功能且適用于包括噴墨打印機的各種拷貝機和印刷機的常規(guī)的辦公室紙張已不能滿足所謂的“多用途”辦公用紙的需要。預期這些紙張在不同種類的噴墨打印機和激光打印機中以及拷貝機中將具有良好的適印性(參見Malmstr_m，O.，Maier，K.H.Leimungsstrategien für PCC-haltige Büropapiere，Wochenblatt fürPapierfabrikation，10/1996)。
可以兩種基本的變體進行噴墨打印連續(xù)噴墨打印機和點陣式請求服務型(DOD)打印機。今天，噴墨打印機的應用已復蓋了許多的場合，它們包括從單色辦公打印機至四色照相級質(zhì)量的打印機，在線打印機和壓印機，以及十分大格式紙/輥介質(zhì)(roll medium)繪圖儀。與其它NIP方法相比，噴墨打印的應用范圍最廣。噴墨打印的特殊優(yōu)點在于其多色能力和打印速度。另外，該打印方法的成本也是相當?shù)偷摹?br> 在噴墨打印中，打印過程易于通過計算機系統(tǒng)來控制，借此，將易于得到數(shù)據(jù)處理工藝的所有條件。例如，在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的幫助下，能夠簡單地對顯色性和色平衡的調(diào)節(jié)進行控制。
根據(jù)噴墨打印所得到的經(jīng)驗，打印質(zhì)量受纖維組成的影響，從而主要受針葉木和闊葉木比例的影響。就成品紙質(zhì)量來說，成品紙中孔的結(jié)構(gòu)和構(gòu)形對于上述方法中的打印處理的結(jié)果將是關(guān)鍵性的。就紙張質(zhì)量而言，打印結(jié)果是由紙頁的不可壓縮紋理和表征紙頁吸墨能力的其它參數(shù)所確定的。最適用于噴墨打印的紙張要求有足夠的吸收打印油墨的能力，以及在油墨沿纖維進行分布或進入紙張結(jié)構(gòu)的孔中之前使油墨以足夠快的速率干燥的能力。因此，在噴墨打印中強調(diào)的是，紙頁與油墨的表面化學作用。
除涉及紙張結(jié)構(gòu)的這些基本因素以外，還可通過造紙中使用的添加劑，如疏水內(nèi)部施膠劑和表面施膠組合物，表面施膠淀粉以及大表面積的顏料，來改善噴墨打印的質(zhì)量。
為了通過紙張的疏水性改善紙張的表面化學性能和改善黑白單色打印質(zhì)量，現(xiàn)有技術(shù)中已開發(fā)出了紙張施膠劑組合物。通過增加紙張的疏水性，通過改善對在毛細管作用力下油墨在紙頁的橫向和深度方向吸入紙頁結(jié)構(gòu)中的控制，能取得黑色油墨在紙頁上更好的打印結(jié)果。該方法得到了清晰限定的打印圖案，并且消除了紙頁上黑色油墨的擴散(毛細作用)。
適用于在堿性條件下制得的高級紙的最常用的施膠配方，是以烯基丁二酸酐(ASA)和烷基烯酮二聚體(AKD)為基礎(chǔ)的。這兩種施膠劑均有能與纖維素纖維形成共價鍵的活性官能團，以及從纖維向外取向的疏水末端。所述這些末端的性質(zhì)和取向使纖維變成水排斥性的。AKD和ASA施膠劑以乳液形式計量加入紙機的濕部，并在干燥部和紙機壓輥處形成施膠劑粉末。
包含一個β-內(nèi)酯環(huán)的市售的烷基烯酮二聚體施膠劑是由兩個飽和直鏈脂肪酰氯的二聚合作用而制得的；最常用的烷基烯酮二聚體施膠劑是由棕櫚酸和/或硬脂酸制得的。以長鏈烯烴(C15-C20)與馬來酸酐反應產(chǎn)物的形式得到烯基丁二酸酐，或ASA化合物。
在紙張內(nèi)部施膠時，由于目的在于使紙張具有更高的疏水性，因此，需要在紙機中使用更多劑量的ASA和AKD施膠劑，結(jié)果是，損害了紙機的走紙性，并在造紙過程中增加了各種各樣的污染問題。
不幸的是，利用更高疏水性來控制黑色油墨打印性能的這種方法，在彩色打印時將得不到最佳的結(jié)果。事實上，該方法能夠改善油墨保持性，因此具有改善的密度。然而，在彩色打印時，油墨的施用速率高于黑色油墨打印時的油墨施用速率，更高的施用速度與更高的吸收率一起經(jīng)常造成打印彩色油墨不適當?shù)牡透稍锼俾?，這將使打印紙頁上疊置的色彩產(chǎn)生擴散和混合(稱之為滲色)。
因此，為改善彩色噴墨打印的質(zhì)量，已經(jīng)進行了各種嘗試，例如改變用量，以及利用更高表面積的填料等。另外，表面施膠也能影響紙張的適印性。
盡管已提出了各種各樣的方法來改進紙頁的吸收能力，以及噴墨打印足夠疏水性的平衡度，但該領(lǐng)域仍在尋找制造最適用于多色噴墨打印的高級堿性紙張的替代方法。
當在中性或堿性條件下，制備包含添加劑，特別是作為填料的沉淀碳酸鈣的紙張時，通過將基于2-氧雜環(huán)丁酮(2-oxetanone)的施膠劑加入紙張中，取得了良好的噴墨適印性，所述施膠劑由一種或多種主鏈帶6-22個通過飽和鍵連接的碳原子的脂肪酸制得的，并且所述酸中至少有一種帶有碳支鏈。
長期以來，在造紙過程中使用基于2-氧雜環(huán)丁酮的施膠劑是已知的(例如，參見US2,627,477，和J.W.Davis等人的紙張的新型施膠劑-烷基烯酮二聚體，Tappi 1956，Vol.39，No.1)，但該文獻沒有提及使用由飽和脂肪酸生產(chǎn)的2-氧雜環(huán)丁酮，所述的脂肪酸中至少一個有碳支鏈。
類似于常規(guī)的AKD施膠劑，這些新型的施膠劑可以由脂肪酸著手進行制備，借此，至少一個脂肪酸有碳支鏈，然而，所述的這些碳鏈中不含雙鍵。在原料脂肪酸中，碳鏈的長度范圍為6-22個碳原子。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，對于打算用于噴墨打印的紙張而言，直鏈和支鏈脂肪酸特定的混合物(例如混合比為50/50)將得到最佳的質(zhì)量，并且借此還可以用作“多用途”紙。就造紙而言，在此必須指出的是，為獲得所希望最終結(jié)果的該新型方法中所需的施膠量將小于常規(guī)施膠組合物所需的施膠量，因此，減輕了紙機內(nèi)的施膠劑所產(chǎn)生的污染和臟物粘附問題。
另外，本發(fā)明還涉及通過用基于由脂肪酸制得的2-氧雜環(huán)丁酮的施膠組合物處理而制備的紙張，在脂肪酸中至少一個有碳支鏈。所述紙張可以包含明礬和沉淀碳酸鈣(PCC)。
可以用與標準AKD乳液相同的方法，制備新型施膠劑的穩(wěn)定乳液。
通常對本發(fā)明的紙張進行施膠，施膠量以每噸紙計，至少為200克，有益地至少為600克，最佳至少為1公斤施膠劑。因此，所制得的紙張最適用于噴墨打印，借此，該紙張還可用于拷貝機和激光打印機(稱之為“多用途”紙)。
有利的是，根據(jù)本發(fā)明制得的紙張，能滿足黑色油墨和彩色油墨噴墨打印的需要，而不會出現(xiàn)噴墨打印通常將出現(xiàn)的問題。特別是，根據(jù)本發(fā)明的紙張在紙張的吸收性和疏水性質(zhì)量之間取得了綜合平衡，因此，對于黑色油墨和彩色油墨均能獲得高質(zhì)量的打印結(jié)果(即，當利用黑色油墨打印或彩色油墨進行彩色套印時，其益處包括最小的透印，高的打印密度，無毛細管作用，無滲色，以及打印外形最小的毛刺)。此外，通過不依靠紙頁涂層的本發(fā)明的紙張，通過表面處理或利用高于正常添加速率的表面施膠淀粉所進行的疏水性改進，也可獲得所述的綜合平衡的打印結(jié)果。因此，根據(jù)本發(fā)明的紙張能滿足辦公室使用的打印機紙張的要求，除此之外，還可以用作“多用途”紙。
此外，根據(jù)本發(fā)明的施膠組合物，利用小于常規(guī)AKD施膠劑所需的施膠劑量，在噴墨打印中能獲得所希望的最終結(jié)果，借此，可避免困擾常規(guī)AKD施膠劑的紙機污染，臟物粘附并在輥上熔融等問題。
根據(jù)本發(fā)明的一種施膠組合物是由異硬脂酸或包含至少40％異硬脂酸的脂肪酸的混合物或一些帶碳支鏈的其它脂肪酸制得的2-氧雜環(huán)丁酮施膠劑。
實施例1為了對該方法進行評估，利用循環(huán)水紙頁成形模，濕壓機和烘缸，根據(jù)標準SCAN測試法，首先制得定量為80克/米2的測試紙頁。利用比例為60/40的樺木/松木漿，纖維重量為0.3％的內(nèi)部施膠淀粉Raisamyl 135 ESP(由RaisioChemicals Oy生產(chǎn))，紙頁重量為22％的PCC填料和纖維總重量為0.16％的留著劑，制備漿液。以纖維重量的0.06，0.12和0.20％，將內(nèi)部施膠劑計量加入所得到的漿液中。
在干燥之后，在固化之前干燥后的次日以及干燥和固化之后，立即利用Cobb60吸水試驗和Schr_der透墨試驗，對制備好的測試紙頁進行試驗。通過將測試紙頁在加熱室中于105℃保持10分鐘而進行固化。
該實施例的對比的施膠組合物常規(guī)的AKD施膠劑(Raisafob 5105)。用與利用陽離子淀粉的常規(guī)AKD施膠劑相同的方式，對基于異硬脂酸的AKD施膠劑進行分散。
表1
由表1給出的結(jié)果可以看出，基于異硬脂酸的AKD施膠劑(50/50的碳支鏈/非支鏈)取得了可以與基于棕櫚酸/硬脂酸混合物的常規(guī)施膠劑相比的施膠質(zhì)量。
實施例2在車速為60米/分(4.1公斤/分)的中間規(guī)模紙機上，對各種不同的AKD施膠劑進行評估，并生產(chǎn)出定量為80克/米2的高級紙張。
在中間規(guī)模紙機上運行的紙漿組成如下以75/25的比例混合并打漿至25°SR游離度的樺木/松木漿。填料為22％重量的沉淀碳酸鈣(PCC)。內(nèi)部施膠淀粉為纖維重量為0.5％的Raisamyl 135(Raisio Chemicals)并以纖維總重量的0.22％使用留著劑。
以纖維重量的0.15和0.20％，將內(nèi)部施膠劑計量加入所得到的漿液中。表面施膠劑是Raisio Chemicals的Raisamyl 408 SP表面施膠淀粉，并且以干重量計8％的濃度使用。
利用剛?cè)∽允站頇C并在試驗之前調(diào)節(jié)10分鐘的試樣，通過Cobb60吸水試驗，對中間規(guī)模紙機制得的紙頁的疏水性進行測試。另外，利用壓輥固化的試樣，通過Cobb60吸水試驗和HSK透墨試驗，對中間規(guī)模紙機制得的紙頁的疏水性進行測試。HSK透墨試驗基于油墨滲透入紙頁，通過給定時間墨點的反射率來監(jiān)測，例如反射率落至其起始值80％的時間。利用市售的噴墨打印機(由Hewlett-Packard制造)，對紙張樣品的噴墨打印兼容性進行測試。通過肉眼觀察和利用圖象分析裝置，以及通過測量打印彩色區(qū)的光學密度，從打印的測試紙頁對打印結(jié)果的毛細作用和滲色量進行評估。
表2<
由表2給出的結(jié)果可以看出，基于異硬脂酸的AKD施膠劑(50/50的碳支鏈/非支鏈)取得的疏水質(zhì)量可以與用常規(guī)施膠劑得到的疏水質(zhì)量相比。
表3
由表3的結(jié)果可以看出，50/50的支鏈/非支鏈碳鏈比例的基于異硬脂酸的AKD施膠劑，在黑白打印時，在表征打印外形的毛刺的參數(shù)(試驗圖案的滲色，毛細管作用，面積和周長)和施膠劑的消耗之間取得了最佳的平衡。此外，必須指出的是，根據(jù)本發(fā)明的表面施膠是在不使用常規(guī)的疏水劑或其它表面疏水工藝的情況下而進行的。
實施例3在制備高級紙的紙機中，以工業(yè)規(guī)模再對本發(fā)明的內(nèi)部施膠劑進行試驗，特別是對在實驗室規(guī)模和中間規(guī)模的試驗中發(fā)現(xiàn)有最佳效果的基于異硬脂酸的AKD施膠劑(含50/50比例的支鏈/非支鏈碳鏈)進行試驗。利用常規(guī)的AKD施膠劑制得對比試樣。所制得的紙張的組分等于通常的包含沉淀碳酸鈣(PCC)的高級紙，因此，適用于噴墨打印。在試驗中所制得的紙張的定量為70克/米2。所加施膠劑的用量為1.3公斤/噸紙。
對試驗操作期間生產(chǎn)的取自多個紙機卷筒的紙頁試樣，分析其表面(topside)的疏水性(Cobb60和HST)和表征噴墨打印兼容性的參數(shù)(毛細管作用，滲色和光學密度)。
表4
根據(jù)用基于異硬脂的AKD施膠劑施膠的紙頁與用市售AKD施膠劑施膠的紙頁的噴墨打印兼容性的對比(根據(jù)表4給出的結(jié)果)可以看出，當利用黑色和彩色油墨時，基于異硬脂酸的AKD施膠劑將得到明顯更好的打印結(jié)果。利用基于異硬脂酸的施膠劑施膠的紙張既沒有油墨滲透通過紙頁，也沒有任何毛細管作用和滲色現(xiàn)象。此外，打印油墨的密度也明顯好于用市售AKD施膠劑施膠的紙樣。另外，必須指出的是，在無需對紙頁表面進行疏水化處理的情況下，該紙頁獲得了高質(zhì)量的適印性。
最后，根據(jù)大規(guī)模的生產(chǎn)試驗，業(yè)已證明，在試驗操作中于紙機上制得的紙張，不僅適用于噴墨打印，而且可滿足“多用途”紙的其它要求，如用于拷貝機和激光打印機輸出的充分疏水的紙張。在試驗期間，紙機的可操作性十分優(yōu)異，并且，在紙機零部件表面上沒有發(fā)現(xiàn)臟物的粘附或污染。
實施例4在本實施例中，對紙張進行表面處理，對于該紙張而言，通過在其紙漿制備中對紙張的內(nèi)部施膠，該紙張已有一定程度的疏水性。根據(jù)Cobb60，疏水作用為30克/米2。利用Helicor-裝置，對紙張進行表面施膠，其中，將待處理的紙頁放在可旋轉(zhuǎn)的筒上，并利用選定的刮刀壓力，施加表面施膠淀粉以及摻入的表面疏水劑。
在本實施例中使用的表面施膠淀粉是10％溶液形式的氧化的陽離子表面淀粉(Raisamyl 406 SP，Raisio Chemicls Oy)。將該10％濃度的淀粉溶液與根據(jù)淀粉干重的活性劑為準計算得到的不同用量的表面施膠添加劑混合。將異硬脂酸-硬脂酸AKD，丙烯酸苯乙烯酯和SMA表面施膠添加劑作為表面施膠添加劑，對其進行試驗。AKD施膠劑中異硬脂酸與硬脂酸(即支鏈/非支鏈)的比例為1∶1。將施膠劑Raisafob P400(Raisio Chemicals Oy)用作丙烯酸苯乙烯酯。所使用的SMA為苯乙烯馬來酸酐，由Raisio Chemicals制造，商品名為Raisafob D100。
試驗結(jié)果列于下表5中，其中以Cobb60和HST給出施膠結(jié)果。
表5
<p>表5的數(shù)值表明由包含異硬脂酸的脂肪酸制得的AKD施膠劑顯示出了在最低用量時的最佳性能，并且根據(jù)Cobb60和HST試驗值給出了最高的疏水性。
用于評估黑白適印性的試驗結(jié)果列于下表6中。利用Hewlett-Packard500C型噴墨打印機，對紙樣進行打印，并測量打印的光學密度。
表6.噴墨打印結(jié)果，HP560C打印機
表6的結(jié)果表明黑白打印將給出甚至比紙張表面施膠中使用的常用化合物更好的適印性結(jié)果。
實施例5還是在中間規(guī)模的紙機上對表面施膠添加劑進行試驗，其中，利用槽施膠壓榨和薄膜施膠壓榨，對沒有預先進行表面施膠的的紙張進行施膠。造紙配料由定量為80克/米2的高級紙組成，并且它還包含作為造紙配料(一種常用的多用途辦公用紙)填料的20％的沉淀碳酸鈣。所使用的表面施膠劑是8％濃度溶液形式的氧化的陽離子表面施膠劑(Raisamyl 405 SP，RaisioChemicls Oy)。將該表面施膠淀粉與不同的疏水表面施膠添加劑混合基本的AKD(棕櫚酸/硬脂酸，60/40％)，異硬脂酸/硬脂酸AKD(支鏈/非支鏈，50/50％)，丙烯酸苯乙烯酯(Raisafob P400，Raisio Chemicals Oy)和SMA基(苯乙烯馬來酸酐，Raisafob D100，Raisio Chemicals Oy)表面施膠添加劑。
下表7包含在中間規(guī)模紙機上得到的試驗結(jié)果，其中使用薄膜施膠壓榨。
表7.利用薄膜施膠壓榨在中間規(guī)模紙機上得到的施膠結(jié)果
下表8包含由紙樣的噴墨打印所得到的結(jié)果，其中，打印中使用HP560C型打印機。根據(jù)干燥評估法(dry evaluation method)，對打印結(jié)果進行分析。
表8.在HP560C打印機中的黑白適印性
<p>表7和表8中列出的數(shù)據(jù)表明，基本的AKD在評估試樣時將給出很好的疏水性結(jié)果。然而，高的疏水性將導致對彩色油墨太低的干燥速率，并將導致不均勻的彩色套印。這些結(jié)果似乎表明，利用由支鏈和非支鏈碳鏈組成的異硬脂酸/硬脂酸AKD能取得施膠劑消耗、黑白打印和彩色打印之間的最佳平衡。
權(quán)利要求
1.一種包含添加劑，特別是作為填料的沉淀碳酸鈣的紙張，在中性或堿性條件下的制備方法，在該方法中，為了控制紙頁的疏水性能，在其制漿步驟中，向其中添加2-氧雜環(huán)丁酮基的施膠劑，其特征在于，通過向紙漿中添加所述的2-氧雜環(huán)丁酮基的施膠劑保證了所述紙張的噴墨適印性，所述施膠劑由一種或多種主鏈帶6-22個彼此通過飽和鍵連接的碳原子的脂肪酸制得，并且所述酸中至少有一種帶有碳支鏈。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，向紙漿中添加由直鏈和支鏈脂肪酸的混合物制得的2-氧雜環(huán)丁酮施膠劑。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，向紙漿中添加由脂肪酸的混合物制得的2-氧雜環(huán)丁酮施膠劑，其中非支鏈和支鏈脂肪酸的比例為1∶1。
4.如權(quán)利要求1，2或3所述的方法，其特征在于，向紙漿中添加2-氧雜環(huán)丁酮施膠劑，其用量為紙漿中纖維重量的0.05-0.25％。
5.如前述權(quán)利要求1-4任一項所述的方法，其特征在于，除內(nèi)部施膠以外，還利用包含權(quán)利要求1特征部分所限定的疏水施膠劑的施膠劑對紙張進行表面施膠。
6.一種利用權(quán)利要求1-5任一項所限定的方法制得的紙張。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包含作為填料的沉淀碳酸鈣的紙張的制備方法。根據(jù)本發(fā)明,通過使用2－氧雜環(huán)丁酮施膠劑,有益地改善了所述紙張的噴墨打印適印性;所述施膠劑由一種或多種主鏈帶6—22個彼此通過飽和鍵連接的碳原子的非支鏈和支鏈的脂肪酸制得。
文檔編號D21H21/14GK1250499SQ98803299
公開日2000年4月12日 申請日期1998年3月11日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月14日
發(fā)明者奧洛夫·馬爾姆斯特羅姆, 馬庫·納米尼恩, 萊加·薩沃萊尼恩, 阿里·泰喬, 克萊斯·澤特爾 申請人:雷西歐聯(lián)合化學股份公司