[发明专利]工程化复合产品及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及含有纤维素纤维、纤维质原纤细料和颜料的工程化(engineered)复合产品。

本发明还涉及制造工程化复合产品的方法。

背景技术

每年作为打印纸和书写纸例如复印纸制造并消耗几百万吨未涂布的无木质的高级纸张。高级纸张典型地由化学浆纤维和用作填料的颜料制备。基本上，高级纸张是由作为带来纸页(sheet)强度和刚度的骨架的纤维素纤维、和填料构成的复合材料，所述填料与纤维组合有助于纸张的光散射和孔隙大小。主要填料为CaCO₃，最通常为PCC(沉淀碳酸钙)，其具有逐渐增长的市场份额。PCC的商业成功涉及PCC提供的高的松密度(bulk)和生产线生产的经济性解决方案。

颜料是欲用于打印和书写的未涂布的无木质的高级纸张的构成整体所需的组分。最通常的填料是粒径为0.1μm-10μm的无机矿物。在造纸中使用不同类型的颜料，这取决于工艺条件、使用颜料的成本有效性和纸张品质要求。将颜料加入到纸张配料(paper furnish)中以降低造纸成本，从而促进湿纸页的脱水，并且改善纸张的光学性能和适印性。在另一方面，颜料削弱纸张的强度和挺度，这就是为什么将常规高级纸张中颜料的比例限制到干纸的20-25重量％。逐渐提高颜料含量通过降低纤维的相对份额并且通过减少的纤维间结合削弱纸张的强度。因此，在常规高级纸张中，光散射和强度负相关。

填料还用于替代昂贵的纤维。由于PCC价格通常仅为纸浆市场价格的20％，原料的费用节省是明显的，但是填料水平受到由提高的填料水平引起的机械性能降低的限制。提高的填料含量显著地限制纸张的抗张强度和挺度，并且其还促使掉粉。高的填料水平可由于减小的湿强度而降低走纸性。典型地，提高高级纸张中填料含量的限制性因素为挺度、掉粉或湿强度，而抗张和撕裂强度对于大多数应用通常是足够的。

传统造纸领域中的最近研究进行首创设计以消除该瓶颈，即提高常规纸的强度和光散射以及提高纸中颜料的百分数。例如，尝试开发允许提高纸中的填料水平的新型填料。宣称含有粘合剂的复合共结构或共吸收颜料允许纸中较高的填料水平。

US 4445970公开了含有30-70％无机填料的复合高级纸张。该纸张由含有大量填料和3-7％离子乳胶的配料制成，所述离子乳胶进行选择以提供良好的助留和良好的强度。

WO 2006120235公开了包含15-70重量％填料的纸产品。在制造方法中，分至少三个步骤将聚合物加入到包含填料和纤维的配料中。

US 5731080公开了由许多具有扩大(expanded)的比表面积和亲水特性的纤维构成的纤维基复合材料，所述纤维在它们的表面上具有微原纤(microfibril)，基本上以颗粒簇进行组织化的沉淀碳酸钙晶体直接接枝在所述微原纤上而在PCC和微原纤之间的界面处不存在粘合剂或助留剂，使得大多数晶体通过可靠且稳定的机械结合截留(trap)微原纤。据称基于该复合材料的总固体计矿物组分大于40重量％。

WO 02090652公开了一种纤维纸幅，其中该纸幅内填料的5-100％由其上沉积有光散射材料微粒的纤维素原纤维或木质纤维素原纤维构成。涂布的纤维素原纤维最大占纸幅重量的约70重量％。无论如何，纸中矿物颜料的量始终小于50重量％。

US 6156118公开了一种填料，该填料包含通过打浆(refining)由纸浆纤维制成的废料(noil)和与该废料混合的颜料，所述废料包括尺寸分布与丝网级分P50相应或更细(finer)的废料纤维。US 6251222公开了一种生产填料的方法，包括以下步骤：将木浆进行打浆和筛分以提供经分级穿过100目丝网的原纤维部分，和使碳酸钙化学沉淀到该经分级的原纤维部分的表面上以提供沉淀到原纤维表面上的多孔碳酸钙集料。在每种情形中，纸中矿物颜料的量小于50重量％。

发明内容

本发明的目的是消除与现有技术有关的缺点。

本发明的另一个目的是生产可按低成本进行制造并且用于例如替代常规高级纸张的新型产品。

根据本发明的工程化复合产品的特征在于权利要求1中所要求。

根据本发明的方法的特征在于权利要求6中所要求。

通过为纸结构应用新型的模式设想到本发明。在常规的高级纸张中，纤维素纤维提供纸的结构。在本发明中，纸的结构或主体(bulk)由颜料(例如PCC)和最小分数的纤维提供。使用纤维质原纤细料而不是纤维素纤维提高了纤维素物质的强度有效性。纤维质原纤细料与纤维相比能够产生较高的结合面积和结合强度。