纖維素衍生組合物的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種包含微纖化纖維素和可選的無機顆粒材料的組合物，一種制造該 組合物的方法，以及包含所述包含微纖化纖維素和無機顆粒材料的組合物的造紙組合物和 紙制品。
【背景技術(shù)】
[0002] 無機顆粒材料、例如堿土金屬碳酸鹽（例如碳酸鈣）或高嶺土被廣泛地用于大量 應(yīng)用。這些應(yīng)用包括生產(chǎn)可用于造紙或紙張涂料的含有礦物的組合物。在紙制品中，通常 添加此類填料來代替一部分其他更昂貴的紙制品組分。也可以出于修改紙制品的物理、機 械和/或光學(xué)要求的目的而添加填料。很明顯，可納入的填料的量越大，則成本節(jié)約的可能 性越高。然而，所添加的填料的量和相關(guān)的成本節(jié)約必須要和最終紙制品的物理、機械和光 學(xué)要求取得平衡。因此，對于可以以高填充量使用而不會對紙制品的物理、機械和/或光學(xué) 要求產(chǎn)生不利影響的紙用填料的開發(fā)一直存在著需求。對于開發(fā)經(jīng)濟地制備所述填料的方 法也存在需求。
[0003] 本發(fā)明試圖提供一種紙制品用替代性和/或改進的填料，其可以以相對高填充量 并入紙制品中，同時可保持或甚至改善紙制品的物理、機械和/或光學(xué)性質(zhì)。本發(fā)明還試圖 提供一種經(jīng)濟的制備所述填料的方法。
[0004] 此外，本發(fā)明試圖解決以工業(yè)規(guī)模經(jīng)濟地制備微纖化纖維素的問題。當(dāng)前的纖維 素材料的微纖化方法需要相對較高的能量，部分歸結(jié)于原料和微纖化產(chǎn)物的相對高粘度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種組合物，其包含微纖化纖維素和可選的無機顆 粒材料，其中所述組合物包含：（i)基于組合物中纖維素材料的總重，不超過約5. 0重量％ 的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲，和/或（ii)基于組合物中纖維素材料的總重，不超過 約30重量％的纖絲直徑小于IOOnm的纖維素纖絲。在某些實施方式中，組合物包含無機顆 粒材料。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種造紙組合物，其包含根據(jù)本發(fā)明第一方面的組 合物。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種紙制品，其中該紙制品（i)包含根據(jù)本發(fā)明第 一方面的組合物，或（ii)由根據(jù)本發(fā)明第二方面的造紙組合物獲得。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種制造根據(jù)本發(fā)明第一方面的組合物的方法，其 包括在研磨介質(zhì)存在下以及可選地在無機顆粒材料存在下將包含纖維素的纖維性基材微 纖化，其中微纖化工序過程中的能量輸入為每噸包含纖維素的纖維性基材約500kWh~ 20, OOOkWh (kWh/t)，例如約 1250kWh/t ~10, 000kWh/t，或者例如約 1750kWh/t ~4000kWh/ t，以獲得包含微纖化纖維素和可選的無機顆粒材料的組合物，其中所述組合物包含：（i) 基于組合物中纖維素材料的總重，不超過約5. 0重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖 絲，和/或（ii)基于組合物中纖維素材料的總重，不超過約30重量％的纖絲直徑小于 IOOnm的纖維素纖絲。
【具體實施方式】
[0009] 包含微纖化纖維素和可選的無機顆粒材料的組合物
[0010] 組合物包含：（i)基于組合物的總重，不超過約5. 0重量％的纖絲直徑小于IOnm 的纖維素纖絲，和/或（ii)基于組合物的總重，不超過約30重量％的纖絲直徑小于IOOnm 的纖維素纖絲。在某些實施方式中，組合物包含不超過約4. 5重量％的纖絲直徑小于IOnm 的纖維素纖絲，例如，不超過約4. 0重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲，或不超過 約3. 8重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲，或不超過約3. 6重量％的纖絲直徑小于 IOnm的纖維素纖絲，或不超過約3. 4重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲，或不超過 約3. 2重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲，或不超過約3. 0重量％的纖絲直徑小于 IOnm的纖維素纖絲，或不超過約2. 8重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲，或不超過 約2. 6重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲，或不超過約2. 4重量％的纖絲直徑小于 IOnm的纖維素纖絲，或不超過約2. 2重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲。在某些實 施方式中，基于組合物的總重，組合物包含不超過約29重量％的纖絲直徑小于IOOnm的纖 維素纖絲，例如，不超過約28重量％的纖絲直徑小于IOOnm的纖維素纖絲，或不超過約27 重量％的纖絲直徑小于IOOnm的纖維素纖絲，或不超過約26重量％的纖絲直徑小于IOOnm 的纖維素纖絲，或不超過約25重量％的纖絲直徑小于IOOnm的纖維素纖絲，或不超過約24 重量％的纖絲直徑小于IOOnm的纖維素纖絲，或不超過約23重量％的纖絲直徑小于IOOnm 的纖維素纖絲，或不超過約22重量％的纖絲直徑小于IOOnm的纖維素纖絲，或不超過約21 重量％的纖絲直徑小于IOOnm的纖維素纖絲。
[0011] 纖維素纖絲的纖絲直徑及其量可以根據(jù)以下方法確定。將包含微纖化纖維素和無 機顆粒材料的組合物用蒸餾水稀釋，并通過來自Whatman的Cyclopore(RTM)膜過濾。該 膜由聚碳酸醋制造，具有0.4 μπι的孔徑和13mm的直徑。制造商分類號為7060-1304。樣 品保留在膜上。將一部分此膜固定于直徑為12. 5mm的鋁短銷柱（pin stub)。然后將該短 柱置于Polaron SC7640濺射鍍膜機上，并用金濺射90秒。在兩種放大率下于JEOL 6700F FESEM顯微鏡中分析該樣品短柱。以5000x和150, OOOx的放大率記錄至少20張圖像，以 使纖絲直徑分布能夠得到量化。然后將這些圖像顯示在圖像分析軟件平臺（來自Nikon的 NIS-Elements)中，并測量和記錄各個纖絲直徑。在此不考慮纖維上的濺射金涂層。通過假 定所有纖維為圓柱形的并且等長，將所獲得的數(shù)量分布轉(zhuǎn)化為重量分布。
[0012] 纖絲直徑d5(l為按照重量劃分的平均纖絲直徑。
[0013] 在某些實施方式中，組合物包含：（i)不超過約2.0重量％的纖絲直徑小于IOnm 的纖維素纖絲，和/或（ii)不超過約20重量％的纖絲直徑小于IOOnm的纖維素纖絲。在 某些實施方式中，組合物包含不超過約1. 9重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲，例 如，不超過約1. 8重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲，或不超過約1. 7重量％的纖 絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲，或不超過約L 6重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖 絲，或不超過約1. 5重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲，或不超過約1. 4重量％的 纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲，或不超過約L 3重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素 纖絲，或不超過約I. 2重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲，或不超過約I. 1重量％ 的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲。在某些實施方式中，組合物包含不超過約19重量％ 的纖絲直徑小于IOOnm的纖維素纖絲，例如，不超過約18重量％的纖絲直徑小于IOOnm的 纖維素纖絲，或不超過約17重量％的纖絲直徑小于IOOnm的纖維素纖絲，或不超過約16重 量％的纖絲直徑小于IOOnm的纖維素纖絲。
[0014] 在某些實施方式中，組合物包含：（i)不超過約1.5重量％的纖絲直徑小于IOnm 的纖維素纖絲，和/或（ii)不超過約15重量％的纖絲直徑小于IOOnm的纖維素纖絲。在 某些實施方式中，組合物包含不超過約1.4重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲，例 如，不超過約1. 3重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲，或不超過約1. 2重量％的纖 絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲，或不超過約I. 1重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖 絲。在某些實施方式中，組合物包含不超過約14重量％的纖絲直徑小于IOOnm的纖維素纖 絲，例如，不超過約13重量％的纖絲直徑小于IOOnm的纖維素纖絲，或不超過約12重量％ 的纖絲直徑小于IOOnm的纖維素纖絲，或不超過約11重量％的纖絲直徑小于IOOnm的纖維 素纖絲，或不超過約10重量％的纖絲直徑小于IOOnm的纖維素纖絲。
[0015] 在某些實施方式中，組合物包含不超過約I. 0重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維 素纖絲。
[0016] 在某些實施方式中，組合物包含至少約0. 25重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維 素纖絲，例如，至少約0. 50重量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲，或至少約0. 75重 量％的纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲。在某些實施方式中，組合物包含至少約2. 0重 量％的纖絲直徑小于IOOnm的纖維素纖絲，例如，至少約5. 0重量％的纖絲直徑小于IOOnm 的纖維素纖絲，或至少約7. 0重量％的或至少約10重量％的或至少約12重量％的纖絲直 徑小于IOOnm的纖維素纖絲。
[0017] 在某些實施方式中，組合物基本不含纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲。"基本不 含"是指纖絲直徑小于IOnm的纖維素纖絲的量是如此之小，以致使用本文中所述的測量方 法無法對該量進行量化。
[0018] 基于上述測量方法，纖維素纖絲可以基于組合物中纖維素材料的總重而具有 約IOOnm~700nm的纖絲直徑d 5(l。在某些實施方式中，纖絲直徑d5(l可以為約120nm~ 約600nm，例如，約140nm~約500nm，或約160nm~450nm，或約180nm~約400nm，或約 200nm ~約 350nm，或約 200nm ~約 300nm，或約 250nm ~約 300nm。
[0019] -纖維素的來源
[0020] 微纖化纖維素可以來自任何適當(dāng)來源，如下文中將在"微纖化工序"下所詳述。
[0021] -無機顆粒材料
[0022] 無機顆粒材料可以是，例如，堿土金屬碳酸鹽或硫酸鹽，如碳酸鈣、碳酸鎂、白云 石、石膏；無水高嶺石族粘土，如高嶺土、埃洛石或球粘土；無水（煅燒的）高嶺石族粘土， 如偏高嶺土或完全煅燒的高嶺土、滑石、云母、珍珠巖或硅藻土；或氫氧化鎂；或三水合鋁； 或者其組合。
[0023] 在某些實施方式中，無機顆粒材料包含碳酸鈣或者為碳酸鈣。下文中，將根據(jù)采用 碳酸鈣以及涉及碳酸鈣被加工和/或處理的方面來討論本發(fā)明。本發(fā)明不應(yīng)被理解為局限 于這些實施方式。
[0024] 本發(fā)明中所使用的顆粒狀碳酸鈣可以通過研磨由天然來源獲得。經(jīng)研磨的碳酸鈣 (GCC)通常通過下述方式獲得：將如白堊、大理石或石灰石等礦物源先粉碎隨后研磨，然后 進行粒徑分級步驟，以便獲得具有所需細度的產(chǎn)物。也可以使用如漂白、浮選和磁性分離等 其他技術(shù)來獲得具有所需細度和/或顏色的產(chǎn)物。顆粒狀固體材料可以被自體研磨，即通 過固體材料自身顆粒之間的摩擦而得到研磨，作為另外一種選擇，也可以在包含不同于被 研磨的碳酸鈣的材料顆粒的顆粒狀研磨介質(zhì)存在下進行研磨。這些工藝可以在存在或不存 在分散劑和殺生物劑下執(zhí)行，所述分散劑和殺生物劑可以在所述過程的任何階段添加。
[0025] 沉淀碳酸鈣（PCC)可以用作本發(fā)明中的顆粒狀碳酸鈣的來源，并可以通過本領(lǐng)域