Целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, способы получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, продукты, содержащие целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, и способы получения таких продуктов - RU2663380C2

Чертежи

Описание

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Данная заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США № 61/692880, зарегистрированной 24 августа 2012 г, и непредварительной заявки на патент США № 13/836760, зарегистрированной 15 марта 2013 г, каждая из которых полностью включена в настоящее описание в качестве ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом относится к целлюлозным волокнам с улучшенной поверхностью, которые могут использоваться например, в пульпе, бумаге, бумажном картоне, биоволокнистых композитах (например, волокнистой цементной плите, армированных волокном пластиках и т.д.), впитывающих продуктах (например, вспушенной пульпе, гидрогелях и т.д.), специальных химических производных целлюлозы (например, ацетате целлюлозы, карбоксиметилцеллюлозе (КМЦ) и т.д.) и других продуктах. Настоящее изобретение также относится к способам получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, к продуктам, содержащим волокна с улучшенной поверхностью и к способам получения продуктов, содержащих волокна с улучшенной поверхностью.

Предпосылки создания изобретения

Целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, такие как древесные целлюлозные волокна, используются в ряде продуктов, включающих, например, пульпу, бумагу, бумажный картон, биоволокнистые композиты (например, волокнистую цементную плиту, армированные волокном пластики и т.д.), впитывающие продукты (например, вспушенную пульпу, гидрогели и т.д.), специальные химические производные целлюлозы (например, ацетат целлюлозы, карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ) и т.д.) и другие продукты. Целлюлозные волокна могут быть получены из различных видов древесины, включая твердую древесину (например, дуб, эвкалипт (gum), клен, тополь, эвкалипт, осина, береза и т.д.), мягкую древесину (например, ель, сосна, пихта, гемлок, ложная сосна, красное дерево и т.д.), и недревесных материалов (например, кенаф, конопля, солома, багасса и т.д.). Свойства целлюлозных волокон могут определять свойства конечного готового продукта, такого как бумага, свойства промежуточных продуктов, и характеристики способов получения, используемых для получения продуктов (например, производительность бумагоделательной машины и стоимость получения). Целлюлозные волокна могут быть получены рядом способов с достижением различных свойств. В некоторых существующих способах некоторые целлюлозные волокна рафинируются перед введением в конечный продукт. В зависимости от условий рафинирования способ рафинирования может вызвать значительное снижение длины волокон, может образовать в некоторых применениях нежелательные количества очень коротких волокон и может в другом случае так воздействовать на волокна, что может ухудшающе воздействовать на конечный продукт, промежуточный продукт и/или способ получения. Например, образование очень коротких волокон может быть неблагоприятным в некоторых применениях, поскольку очень короткие волокна могут замедлять дренаж, увеличивать водоудержание и увеличивать химическое потребление мокрого конца в получении бумаги, что может быть нежелательно в некоторых способах и применениях.

Волокна в древесной пульпе обычно имеют линейную средневзвешенную длину волокна в интервале 0,5-3,0 мм перед переработкой в пульпу, бумагу, бумажный картон, биоволокнистые композиты (например, волокнистую цементную плиту, армированные волокном пластики и т.д.), впитывающие продукты (например, вспушенную пульпу, гидрогели и т.д.), специальные химические производные целлюлозы (например, ацетат целлюлозы, карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ) и т.д.) и другие продукты. Рафинирование и другие стадии переработки могут укорачивать длину целлюлозных волокон. В традиционной технологии рафинирования волокна пропускают только один раз, но обычно не более 2-3 раз, через рафинер с использованием относительно низкой энергии (например, примерно 20-80 кВтч/т для волокон из твердой древесины) и с использованием удельной краевой нагрузки 0,4-0,8 Вт×с/м для волокон из твердой древесины с получением типичной тонкой бумаги.

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение в целом относится к различным вариантам целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, к способам получения, применения и поставки целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, к продуктам, содержащим целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, и к способам получения, применения и поставки продуктов, содержащих целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, и к различным другим объектам, описанным здесь.

В различных вариантах целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью настоящего изобретения имеют значительно более высокую площадь поверхности без значительного снижения длины волокна по сравнению с традиционными рафинированными волокнами и без значительного количества очень коротких волокон, образованных в процессе фибриллирования. В одном варианте множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью имеет линейную средневзвешенную длину волокон, по меньшей мере, примерно 0,3 мм и среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности, по меньшей мере, примерно 10 м²/г, где число целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью составляет, по меньшей мере, 12000 волокно/мг в пересчете на сухую массу (сушка в печи). Волокна имеют линейную средневзвешенную длину волокон, по меньшей мере, примерно 0,35 мм в других вариантах и, по меньшей мере, примерно 0,4 мм - в других. В некоторых вариантах волокна имеют среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности, по меньшей мере, примерно 12 м²/г. Множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью в некоторых вариантах имеет значение средневзвешенной длины очень коротких волокон менее 40%, когда волокна, имеющие длину 0,2 мм или менее, классифицируются как очень короткие волокна. В других вариантах волокна имеют значение средневзвешенной длины очень коротких волокон менее 22%.

В некоторых вариантах настоящего изобретения множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью имеют линейную средневзвешенную длину волокон, которая составляет, по меньшей мере, 60% средневзвешенной длины волокон до фибриллирования и среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности, которая является, по меньшей мере, в 4 раза больше средней удельной площади поверхности волокон до фибриллирования. Множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью в некоторых других вариантах имеют линейную средневзвешенную длину волокон, которая составляет, по меньшей мере, 70% средневзвешенной длины волокон до фибриллирования. Множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью в некоторых других вариантах имеют среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности, которая является, по меньшей мере, в 8 раз больше средней удельной площади поверхности волокон до фибриллирования. Множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью имеют линейную средневзвешенную длину волокон (Lw), по меньшей мере, 0,3 мм и среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности, по меньшей мере, примерно 10 м²/г, где число целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью составляет, по меньшей мере, 12000 волокно/мг на сухую массу (сушка в печи) в некоторых других вариантах. Множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью в некоторых других вариантах имеют линейную средневзвешенную длину волокон (Lw), по меньшей мере, 0,4 мм и среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности, по меньшей мере, примерно 12 м²/г, где число целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью составляет, по меньшей мере, 12000 волокно/мг на сухую массу (сушка в печи). В некоторых вариантах множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью имеют линейное взвешенное значение очень коротких волокон менее 40%, когда волокна, имеющие длину 0,2 мм или менее, классифицируются как очень короткие. Множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью имеют линейное взвешенное значение очень коротких волокон менее 22% в некоторых вариантах.

Множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью может быть получено из твердой древесины или мягкой древесины в различных вариантах.

Настоящее изобретение также относится к изделию, содержащему множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно различным вариантам настоящего изобретения. Примеры таких изделий включают в себя (без ограничения) бумажные продукты, продукты из бумажного картона, волокнистые цементные плиты, армированные волокном пластики, вспушенные пульпы и гидрогели.

Настоящее изобретение также относится к изделию, формованному из множества целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно различным вариантам настоящего изобретения. Примеры таких изделий включают в себя (без ограничения) ацетатцеллюлозные продукты и карбоксиметилцеллюлозные продукты.

Настоящее изобретение также относится к различным способам получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. В некоторых вариантах способ получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью содержит введение нерафинированных целлюлозных волокон в механический рафинер, имеющий пару рафинирующих пластин, в котором пластины имеют ширину прутка 1,3 мм или менее и ширину канавки 2,5 мм или менее, и рафинирование волокон до достижения энергопотребления, по меньшей мере, 300 кВтч/т для рафинера с получением целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. В некоторых вариантах пластины имеют ширину прутка 1,0 мм или менее и ширину канавки 1,6 мм или менее. В некоторых вариантах волокна рафинируются до достижения энергопотребления, по меньшей мере, 450 кВтч/т для рафинера или до достижения энергопотребления, по меньшей мере, 650 кВтч/т для рафинера в других вариантах. В некоторых вариантах волокна рафинируются до достижения энергопотребления от примерно 300 кВтч/т до примерно 650 кВтч/т для рафинера. В некоторых вариантах волокна рафинируются до достижения энергопотребления от примерно 450 кВтч/т до примерно 650 кВтч/т для рафинера. Рафинер работает при удельной краевой нагрузке от примерно 0,1 до примерно 0,3 Вт×с/м в некоторых вариантах и при удельной краевой нагрузке от примерно 0,1 до примерно 0,2 Вт×с/м в других вариантах.

В некоторых вариантах волокна могут рециркулировать через рафинер. Например, в некоторых вариантах волокна рециркулируют через рафинер множество раз до достижения энергопотребления, по меньшей мере, 300 кВтч/т. В некоторых вариантах волокна рециркулируют через рафинер, по меньшей мере, три раза. В некоторых вариантах часть волокон удаляется, а другая часть рециркулирует. Некоторые варианты способов настоящего изобретения, таким образом, дополнительно содержат непрерывное удаление множества волокон из механического рафинера, где частью удаляемых волокон являются целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, и рециркулируется более примерно 80% удаленных волокон обратно в механический рафинер для дополнительного рафинирования.

Некоторые варианты способов настоящего изобретения используют два или более механических рафинеров. В некоторых таких вариантах способ получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью содержит введение нерафинированных целлюлозных волокон в первый механический рафинер, имеющий пару рафинирующих пластин, в котором пластины имеют ширину прутка 1,3 мм или менее и ширину канавки 2,5 мм или менее, рафинирование волокон в первом механическом рафинере, транспортирование волокон в, по меньшей мере, один дополнительный механический рафинер, имеющий пару рафинирующих пластин, в котором пластины имеют ширину прутка 1,3 мм или менее и ширину канавки 2,5 мм или менее, и рафинирование волокон в, по меньшей мере, одном дополнительном механическом рафинере до общего энергопотребления рафинеров, по меньшей мере, 300 кВтч/т с получением целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. Волокна рафинируются в первом механическом рафинере при рециркулировании, по меньшей мере, части волокон через первый механический рафинер множество раз в некоторых вариантах. В некоторых вариантах волокна рециркулируют через дополнительный механический рафинер множество раз. В первом механическом рафинере рафинирующие пластины в некоторых других вариантах имеют ширину прутка более 1,0 мм и ширину канавки более или равно 2,0 мм, и в, по меньшей мере, одном дополнительном механическом рафинере пластины имеют ширину прутка 1,0 мм или менее и ширину канавки 1,6 мм или менее.

Способы получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью в некоторых вариантах содержат введение нерафинированных целлюлозных волокон в механический рафинер, имеющий пару рафинирующих пластин, в котором пластины имеют ширину прутка 1,0 мм или менее и ширину канавки 2,0 мм или менее, рафинирование волокон, непрерывное удаление множества волокон из механического рафинера, где частью удаленных волокон являются целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, и рециркулирование более примерно 80% удаленных волокон обратно в механический рафинер для дополнительного рафинирования.

Целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, полученные способами настоящего изобретения, в некоторых вариантах могут обладать одним или более свойств, описанных здесь. Например, согласно некоторым вариантам, такие целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью имеют линейную средневзвешенную длину, которая составляет, по меньшей мере, 60% линейной средневзвешенной длины нерафинированных целлюлозных волокон, и средняя гидродинамическая удельная площадь поверхности которых является, по меньшей мере, в 4 раза больше, чем средняя удельная площадь поверхности нерафинированных целлюлозных волокон.

Указанные и другие варианты представлены более подробно в последующем подробном описании.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена технологическая схема, показывающая систему для получения бумажного продукта согласно одному неограничивающему варианту настоящего изобретения.

На фиг. 2 представлена технологическая схема, показывающая систему для получения бумажного продукта, которая включает второй рафинер, согласно одному неограничивающему варианту настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Варианты настоящего изобретения относятся в общем плане к целлюлозным волокнам с улучшенной поверхностью, к способам получения, применения и поставки целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, к продуктам, содержащим целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, и к способам получения, применения и поставки продуктов, содержащих целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, и другим объектам, как будет очевидно из последующего описания. Целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью фибриллируются в степени, которая обеспечивает желательные свойства, как представлено ниже, и могут характеризоваться как высоко фибриллированные. В различных вариантах целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью настоящего изобретения имеют значительно более высокую площадь поверхности без значительного снижения длины волокна по сравнению с традиционными рафинированными волокнами и без значительного количества очень коротких волокон, образовавшихся в процессе фибриллирования. Такие целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью могут использоваться в получении пульпы, бумаги и других продуктов, как описано здесь.

Целлюлозные волокна, которые могут иметь улучшенную поверхность согласно вариантам настоящего изобретения, могут происходить из ряда видов древесины, включая твердую древесину и мягкую древесину. Неограничивающие примеры целлюлозных волокон из твердой древесины, которые могут использоваться в некоторых вариантах настоящего изобретения, включают в себя (без ограничения) дуб, эвкалипт (gum), клен, тополь, эвкалипт, осину, березу и другие виды, известные специалистам в данной области техники. Неограничивающие примеры целлюлозных волокон из мягкой древесины, которые могут использоваться в некоторых вариантах настоящего изобретения, включают в себя (без ограничения) ель, сосну, пихту, гемлок, ложную сосну, красное дерево и другие виды, известные специалистам в данной области техники. Целлюлозные волокна могут быть получены из химического источника (например, Крафт-способа, сульфитного способа, способа натронной варки и т.д.), механического источника (например, термомеханического способа ((ТМС)(ТМР)), беленого хемитермомеханического способа ((БХТМС)(ВСТМР)) и т.д.) или их комбинаций. Целлюлозные волокна могут также происходить из недревесных волокон, таких как лен, хлопок, багасса, конопля, солома, кенаф и т.д. Целлюлозные волокна могут быть белеными, в частности, белеными или небелеными с различной степенью содержания лигнина и других примесей. В некоторых вариантах целлюлозные волокна могут быть регенерированными волокнами или волокнами, бывшими в употреблении.

Целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью согласно различным вариантам настоящего изобретения могут характеризоваться в соответствии с различными свойствами и комбинациями свойств, включая, например, длину, удельную площадь поверхности, изменение длины, изменение удельной площади поверхности, свойства поверхности (например, активность поверхности, энергия поверхности и т.д.), процентное содержание очень коротких волокон, дренажные свойства (например, Шоппера-Риглера), crill-измерения (фибриллирование), водовпитывающие свойства (например, значение водоудержания, скорость впитываемости и т.д.) и различные их комбинации. Хотя последующее описание специально не идентифицирует каждую из различных комбинаций свойств, должно быть понятно, что различные варианты целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью могут обладать одним, более одного или всеми из свойств, описанных здесь.

Некоторые варианты настоящего изобретения относятся к множеству целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. В некоторых вариантах множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью имеет линейную средневзвешенную длину волокон, по меньшей мере, около 0,3 мм, предпочтительно, по меньшей мере, около 0,35 мм с длиной около 0,4 мм, которая является наиболее предпочтительной, где число целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью составляет, по меньшей мере, 12000 волокно/мг в пересчете на сухое вещество (сушка в печи). Как использовано здесь, выражение «в пересчете на сухое вещество (сушка в печи)» означает, что образец сушится в печи, установленной при 105°C, в течение 24 ч. Обычно чем больше длина волокон, тем больше прочность волокон и получаемого продукта, содержащего такие волокна. Целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью таких вариантов могут использоваться, например, в применениях бумагоделательного производства. Как использовано здесь, линейная средневзвешенная длина волокон измеряется с использованием приборов LDA02 Fiber Quality Analyzer или LDA96 Fiber Quality Analyzer, каждый от фирмы OpTest Equipment, Inc. (Хаукесбери, Онтарио, Канада), и в соответствии с надлежащими методиками, определенными в руководстве, сопровождающем прибор Fiber Quality Analyzer. Как использовано здесь, линейная средневзвешенная длина волокон (Lw) рассчитывается по формуле:

в которой I относится к категории (или магазину) чисел (например, 1, 2, …, N), n_i относится к счету волокон в i-той категории, и L_i относится к длина контура - длина центра класса гистограммы в в i-той категории.

Как отмечено выше, один аспект целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью настоящего изобретения заключается в сохранении длин волокон после фибриллироввния. В некоторых вариантах множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью могут иметь линейную средневзвешенную длину волокон, которая составляет, по меньшей мере, 60% линейной средневзвешенной длины волокон до фибриллирования. Множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам могут иметь линейную средневзвешенную длину волокон, которая составляет, по меньшей мере, 70% линейной средневзвешенной длины волокон до фибриллирования. В определении процента сохранения длины линейная средневзвешенная длина волокон может быть измерена (как описано выше) как до, так и после фибриллирования, и значения могут быть сравнены с использованием следующей формулы:

Целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью настоящего изобретения преимущественно имеют большую гидродинамическую удельную площадь поверхности, которые могут быть использованы в некоторых применениях, таких как бумагоделательное производство. В некоторых вариантах настоящее изобретение относится к множеству целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, в которых волокна имеют среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности, по меньшей мере, примерно 10 м²/г и, более предпочтительно, по меньшей мере, примерно 12 м²/г. В целях иллюстрации типичное нерафинированное волокно для получения бумаги имеет гидродинамическую удельную площадь поверхности 2 м²/г. Как использовано здесь, гидродинамическую удельную площадь поверхности определяют согласно методике, приведенной в работе Characterizing the drainage resistance of pulp and microfibrillar suspensions using hydrodynamic flow measurements, N.Lavrykova-Marrain and B.Ramarao, TAPPI’s PaperCon 2012 Conference, доступной при http://www.tappi.org/Hide/Events/ 2PaperCon/Papers/12PAP116.aspx, которая поэтому приводится в качестве ссылки.

Одним преимуществом настоящего изобретения является то, что гидродинамическая удельная площадь поверхности целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью является значительно большей, чем у волокон до фибриллирования. В некоторых вариантах множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью могут иметь среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности, которая является, по меньшей мере, в 4 раза больше, чем средняя удельная площадь поверхности волокон до фибриллирования, предпочтительно, по меньшей мере, в 6 раз больше, чем средняя удельная площадь поверхности волокон до фибриллирования, и, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, в 8 раз больше, чем средняя удельная площадь поверхности волокон до фибриллирования. Целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью таких вариантов могут использоваться, например, в применениях бумагоделательного производства. Вообще гидродинамическая удельная площадь поверхности является хорошим показателем поверхностной активности, так что в некоторых вариантах может ожидаться, что целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью настоящего изобретения имеют хорошие свойства скрепления и водоудержания, и может ожидаться, что хорошо используются в применениях армирования.

Как отмечено выше, в некоторых вариантах целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью настоящего изобретения преимущественно имеют увеличенную гидродинамическую удельную площадь поверхности при сохранении длины волокон. Увеличение гидродинамической удельной площади поверхности может иметь ряд преимуществ в зависимости от использования, включая без ограничения обеспечение увеличенного скрепления волокон, впитывания воды или других материалов, удержания органических веществ, более высокой энергии поверхности и другие.

Варианты настоящего изобретения относятся к множеству целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, где множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью имеет линейную средневзвешенную длину волокон, по меньшей мере, около 0,3 мм и среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности, по меньшей мере, примерно 10 м²/г, где число целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью составляет, по меньшей мере, 12000 волокно/мг в пересчете на сухое вещество (сушка в печи). Множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью в предпочтительных вариантах имеет линейную средневзвешенную длину волокон, по меньшей мере, около 0,35 мм и среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности, по меньшей мере, примерно 12 м²/г, где число целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью составляет, по меньшей мере, 12000 волокно/мг в пересчете на сухое вещество (сушка в печи). В наиболее предпочтительном варианте множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью имеет линейную средневзвешенную длину волокон, по меньшей мере, около 0,4 мм и среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности, по меньшей мере, примерно 12 м²/г, где число целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью составляет, по меньшей мере, 12000 волокно/мг в пересчете на сухое вещество (сушка в печи). Целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью таких вариантов могут использоваться, например, в применениях бумагоделательного производства.

В рафинировании целлюлозных волокон с обеспечением целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью настоящего изобретения некоторые варианты, предпочтительно, минимизируют образование очень коротких волокон. Как использовано здесь, термин «очень короткие волокна» используется для обозначения целлюлозных волокон, имеющих длину 0,2 мм или менее. В некоторых вариантах целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью имеют значение длиновзвешенных очень коротких волокон менее 40%, более предпочтительно, менее 22%, причем менее 20% является наиболее предпочтительным. Целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью таких вариантов могут использоваться, например, в применениях бумагоделательного производства. Как использовано здесь, «значение длинновзвешенных очень коротких волокон» измеряется с использованием приборов LDA02 Fiber Quality Analyzer или LDA96 Fiber Quality Analyzer, каждый от фирмы OpTest Equipment, Inc. (Хаукесбери, Онтарио, Канада), и в соответствии с надлежащими методиками, определенными в руководстве, сопровождающем прибор Fiber Quality Analyzer. Как использовано здесь, процентное содержание длинновзвешенных очень коротких волокон рассчитывается по формуле:

в которой n относится к числу волокон, имеющих длину менее 0,2 мм, L_i относится к среднеточечной длине класса очень коротких волокон, и L_T относится к общей длине волокна.

Целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью настоящего изобретения одновременно обладают преимуществами сохранения длины и относительно высокой удельной площади поверхности без в предпочтительных вариантах вреда образования большого числа очень коротких волокон. Кроме того, множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно различным вариантам могут одновременно обладать одним или более вышеуказанных свойств (например, линейной средневзвешенной длиной волокон, изменением средней гидродинамической удельной площади поверхности и/или свойствами поверхностной активности), хотя также имея относительно низкое процентное содержание очень коротких волокон. Такие волокна в некоторых вариантах могут минимизировать отрицательные воздействия на дренаж, хотя также сохраняя или улучшая прочность продуктов, в которые они введены.

Другие преимущественные свойства целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью могут характеризоваться, когда волокна перерабатываются в другие продукты и описываются ниже после описания способов получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью.

Варианты настоящего изобретения также относятся к способам получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. Технология рафинирования, используемая в способах настоящего изобретения, может преимущественно сохранять длину волокон подобно увеличению количества площади поверхности. В предпочтительных вариантах такие способы также минимизируют количество очень коротких волокон и/или улучшают прочность продуктов (например, разрывную прочность, прочность связи Скотта, прочность мокрого холста бумажного продукта), содержащих целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, в некоторых вариантах.

В одном варианте способ получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью содержит введение нерафинированных целлюлозных волокон в механический рафинер, содержащий пару рафинирующих пластин, в котором пластины имеют ширину прутка 1,3 мм или менее и ширину канавки 2,5 мм или менее; и рафинирование волокон до энергопотребления, по меньшей мере, 300 кВтч/т для рафинера с получением целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. Специалисты в данной области техники знакомы с размерами ширины прутка и ширины канавки в связи с рафинирующими пластинами. Для поиска дополнительный информации ссылка делается на справочник Christopher J. Biermann, Handbook of Pulping and Papermaking (2d Ed., 1996), p. 145, который поэтому приводится в качестве ссылки. В предпочтительном варианте пластины имеют ширину прутка 1,0 мм или менее и ширину канавки 1,6 мм или менее, и волокна могут быть рафинированы до энергопотребления, по меньшей мере, 300 кВтч/т для рафинера с получением целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. В наиболее предпочтительном варианте пластины имеют ширину прутка 1,0 мм или менее и ширину канавки 1,3 мм или менее, и волокна могут быть рафинированы до энергопотребления, по меньшей мере, 300 кВтч/т для рафинера с получением целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. Как использовано здесь и как понятно специалистам в данной области техники, ссылки на энергопотребление и энергию рафинирования используют единицы кВтч/т с пониманием, что «/т» или «на т» относится к 1 т пульпы, проходящей через рафинер в пересчете на сухое вещество. В некоторых вариантах волокна рафинируются до достижения рафинером энергопотребления, по меньшей мере, 650 кВтч/т. Множество волокон может рафинироваться до тех пор, пока они обладают одним или более свойств, описанных здесь относительно целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью настоящего изобретения. Как описано более подробно ниже, специалистам в данной области техники известно, что энергия рафинирования значительно больше 300 кВтч/т может требоваться для некоторых типов древесных волокон, и что количество энергии рафинирования, необходимое для придания желаемых свойств целлюлозным волокнам, может также варьироваться.

В одном варианте нерафинированные целлюлозные волокна вводятся в механический рафинер, содержащий пару рафинирующих пластин, или в ряд рафинеров. Нерафинированные целлюлозные волокна могут включать в себя любые из целлюлозных волокон, описанных здесь, такие как, например, целлюлозные волокна из твердой древесины или целлюлозы из мягкой древесины, или недревесные целлюлозные волокна, из ряда способов, описанных здесь (например, механический, химический и т.д.). Кроме того, нерафинированные целлюлозные волокна или источник целлюлозных волокон могут быть предусмотрены в кипах или пастообразном состоянии. Например, в одном варианте источник целлюлозных волокон в кипах может содержать от примерно 7 до примерно 11% воды и от примерно 89 до примерно 93% твердого вещества. Аналогично, например, в одном варианте питание целлюлозных волокон может содержать примерно 95% воды и примерно 5% твердого вещества. В некоторых вариантах источник целлюлозных волокон не сушится в сушилке пульпы.

Неограничивающие примеры рафинеров, которые могут использоваться для получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью в соответствии с некоторыми вариантами настоящего изобретения, включают в себя рафинеры с двойными дисками, конические рафинеры, однодисковые рафинеры, многодисковые рафинеры или конические и дисковые рафинеры в комбинации. Неограничивающие примеры рафинеров с двойными дисками включают в себя рафинеры типов Beloit DD 3000, Beloit DD 4000 и Andritz DO. Неограничивающими примерами конических рафинеров являются рафинеры типов Sunds JC01, Sunds JC02 и Sunds JC03.

Конструкция рафинирующих пластин, а также рабочие условия являются важными в получении некоторых вариантов целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. Ширина прутка, ширина канавки и глубина канавки являются параметрами пластины рафинера, которые используются для характеристики рафинирующих пластин. Вообще, рафинирующие пластины для использования в различных вариантах настоящего изобретения могут характеризоваться как тонкорифленые. Такие пластины могут иметь ширину прутка 1,3 мм или менее и ширину канавки 2,5 мм или менее. Такие пластины в некоторых вариантах могут иметь ширину прутка 1,3 мм или менее и ширину канавки 1,6 мм или менее. В некоторых вариантах такие пластины могут иметь ширину прутка 1,0 мм или менее и ширину канавки 1,6 мм или менее. Такие пластины в некоторых вариантах могут иметь ширину прутка 1,0 мм или менее и ширину канавки 1,3 мм или менее. Рафинирующие пластины, имеющие ширину прутка 1,0 мм или менее и ширину канавки 1,6 мм или менее, могут также называться как ультратонкие рафинирующие пластины. Такие пластины поставляются под брендом FINEBAR фирмой Aikawa Fiber Technologies (AFT). В соответствующих рабочих условиях такие тонкорифленые пластины могут увеличить число фибрилл на целлюлозном волокне (т.е. увеличить фибриллирование) при сохранении длины волокна и минимизации получения очень коротких волокон. Традиционные пластины (например, с шириной прутка более 1,3 мм и/или шириной канавки более 2,0 мм) и/или несоответствующие рабочие условия могут значительно усилить рубку целлюлозных волокон и/или образовать нежелательный уровень очень коротких волокон.

Рабочие условия рафинера могут также быть важными в получении некоторых вариантов целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. В некоторых вариантах целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью могут быть получены при рециркуляции целлюлозных волокон, которые были первоначально нерафинированными, через рафинер (рафинеры) до достижения энергопотребления, по меньшей мере, примерно 300 кВтч/т. В некоторых вариантах целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью могут быть получены при рециркулировании целлюлозных волокон, которые были первоначально нерафинированными, через рафинер (рафинеры) до достижения энергопотребления, по меньшей мере, примерно 450 кВтч/т. В некоторых вариантах волокна могут рециркулировать в рафинере до достижения энергопотребления от примерно 450 до примерно 650 кВтч/т. В некоторых вариантах рафинер может работать при удельной краевой нагрузке от примерно 0,1 до примерно 0,3 Вт×с/м. В других вариантах рафинер может работать при удельной краевой нагрузке от примерно 0,15 до примерно 0,2 Вт×с/м. В некоторых вариантах энергопотребление в интервале примерно 450-650 кВтч/т достигается при использовании удельной краевой нагрузки от примерно 0,1 до примерно 0,2 Вт×с/м с получением целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. Удельная краевая нагрузка (или УКН (SEL)) представляет собой термин, понимаемый специалистами в данной области техники по отношению к частному от деления результирующей приложенной мощности на произведение скорости вращения и длины края. УКН используется для характеристики интенсивности рафинирования и выражается в Ватт×секунда/метр (Вт×с/м).

Как описано более подробно ниже, специалистам в данной области техники известно, что энергия рафинирования, которая значительно больше 400 кВтч/т, может требоваться для некоторых типов древесных волокон, и что количество энергии рафинирования, необходимое для придания желаемых свойств целлюлозным волокнам, может также варьироваться. Например, волокна из южной смешанной твердой древесины (например, дуб, эвкалипт (gum), ильм и т.д.) могут требовать энергии рафинирования в интервале 450-650 кВтч/т. Напротив, волокна из северной твердой древесины (например, клен, береза, осина, бук и т.д.) могут требовать энергии рафинирования в интервале 350-500 кВтч/т, т.к. волокна из северной твердой древесины являются менее грубыми, чем волокна из южной твердой древесины. Аналогично волокна из южной мягкой древесины (например, сосны) могут требовать даже больших количеств энергии рафинирования. Например, в некоторых вариантах энергия рафинирования волокон из южной мягкой древесины в некоторых вариантах может быть значительно выше (например, по меньшей мере, 1000 кВтч/т).

Энергия рафинирования может быть также обеспечена рядом путей в зависимости от количества энергии рафинирования, обеспечиваемого за один прогон через рафинер, и ряд прогонов является желательным. В некоторых вариантах рафинеры, используемые в некоторых способах, могут работать при более низкой энергии на прогон (например, 100 кВтч/т на прогон или менее), так что множественные прогоны или множественные рафинеры требуются для обеспечения определенной энергии рафинирования. Например, в некоторых вариантах единственный рафинер может работать при 50 кВтч/т на прогон, и целлюлозные волокна могут рециркулировать через рафинер в течение всего 9 прогонов с обеспечением 450 кВтч/т рафинирования. В некоторых вариантах множественные рафинеры могут быть предусмотрены последовательно для придания энергии рафинирования.

В некоторых вариантах, когда целлюлозные волокна достигают желаемой энергии рафинирования при рециркулировании волокон через единственный рафинер, целлюлозные волокна могут циркулировать, по меньшей мере, два раза через рафинер с получением желаемой степени фибриллирования. В некоторых вариантах целлюлозные волокна могут циркулировать от примерно 6 до примерно 25 раз через рафинер с получением желаемой степени фибриллирования. Целлюлозные волокна могут фибриллироваться в единственном рафинере при рециркуляции в периодическом способе.

В некоторых вариантах целлюлозные волокна могут фибриллироваться в единственном рафинере с использованием непрерывного способа. Например, такой способ может содержать в некоторых вариантах непрерывное удаление множества волокон из рафинера, где частью удаленных волокон являются целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, и рециркулирование более примерно 80% удаленных волокон обратно в механический рафинер для дополнительного рафинирования. В некоторых вариантах более примерно 90% удаленных волокон может быть рециркулировано обратно в механический рафинер для дополнительного рафинирования. В таких вариантах количество нерафинированных волокон, введенных в рафинер, и количество волокон, удаленных из рафинера без рециркуляции, может регулироваться так, что определенное количество волокон непрерывно проходит через рафинер. Другими словами, поскольку некоторое количество волокон удаляется из рециркуляционного контура, связанного с рафинером, соответствующее количество нерафинированных волокон должно вводиться в рафинер для того, чтобы поддерживать желаемый уровень волокон, циркулирующих через рафинер. Для облегчения получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, имеющих конкретные свойства (например, линейную средневзвешенную длину волокон, гидродинамическую удельную площадь поверхности и т.д.), интенсивность рафинирования (т.е. удельная краевая нагрузка) на прогон должна снижаться в ходе способа, т.к. число прогонов увеличивается.

В других вариантах два или более рафинеров могут быть размещены последовательно для циркуляции целлюлозных волокон с получением желаемой степени фибрилляции. Должно быть отмечено, что ряд многорафинерных размещений может быть использован для получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно настоящему изобретению. Например, в некоторых вариантах множественные рафинеры могут быть размещены последовательно, чтобы использовать одинаковые рафинирующие пластины и работать при одинаковых параметрах рафинирования (например, энергии рафинирования на прогон, удельной краевой нагрузке и т.д.). В некоторых таких вариантах волокна могут проходить через один из рафинеров только один раз и/или через другой из рафинеров множество раз.

В одном типичном варианте способ получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью содержит введение нерафинированных целлюлозных волокон в первый механический рафинер, содержащий пару рафинирующих пластин, где пластины имеют ширину прутка 1,3 мм или менее и ширину канавки 2,5 мм или менее, рафинирование волокон в первом механическом рафинере, транспортирование волокон в, по меньшей мере, один дополнительный механический рафинер, содержащий пару рафинирующих пластин, где пластины имеют ширину прутка 1,3 мм или менее и ширину канавки 2,5 мм или менее, и рафинирование волокон в, по меньшей мере, одном дополнительном механическом рафинере до достижения общего энергопотребления, по меньшей мере, 300 кВтч/т для рафинеров с получением целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. В некоторых вариантах волокна могут рециркулировать через первый механический рафинер множество раз. В некоторых вариантах волокна могут рециркулировать через дополнительный механический рафинер множество раз. В некоторых вариантах волокна могут рециркулировать через два или более механических рафинеров множество раз.

В некоторых вариантах способов получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью с использованием множества рафинеров первый механический рафинер может использоваться для обеспечения стадии относительно менее тонкого, начального рафинирования, а один или более последующих рафинеров могут использоваться для обеспечения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно вариантам настоящего изобретения. Например, первый механический рафинер в таких вариантах может использовать традиционные рафинирующие пластины (т.е. с шириной прутка более 1,0 мм и шириной канавки 1,6 мм или более) и работать в традиционных условиях рафинирования (например, при удельной краевой нагрузке 0,25 Вт×с/м) с обеспечением начального относительно менее тонкого фибриллирования волокон. В одном варианте количество энергии рафинирования, поданной в первый механический рафинер, может составлять примерно 100 кВтч/т или менее. После первого механического рафинера волокна затем могут быть поданы в один или более последующих рафинеров, которые используют ультратонкие рафинирующие пластины (например, с шириной прутка 1,0 мм или менее и шириной канавки 1,6 мм или менее) и работают в условиях (например, при удельной краевой нагрузке 0,13 Вт×с/м), достаточных для получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью в соответствии с некоторыми вариантами настоящего изобретения. В некоторых вариантах, например, длина резки края ((ДРК)(CEL)) может увеличиться между рафинированием, использующим традиционные рафинирующие пластины, и рафинированием, использующим ультратонкие рафинирующие пластины, в зависимости от различий между рафинирующими пластинами. Длина резки края (ДРК) представляет собой произведение длины края прутка и скорости вращения, как установлено выше, волокна могут проходить через или рециркулировать через рафинеры множество раз с достижением желаемой энергии рафинирования, и/или множественные рафинеры могут быть использованы для достижения желаемой энергии рафинирования.

В одном типичном варианте способ получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью содержит введение нерафинированных целлюлозных волокон в первый механический рафинер, содержащий пару рафинирующих пластин, где пластины имеют ширину прутка более 1,0 мм и ширину канавки 2,0 мм или более. Рафинирование волокон в первом механическом рафинере может быть использовано для обеспечения менее тонкого начального рафинирования волокон в некоторых вариантах. После рафинирования волокон в первом механическом рафинере волокна транспортируются в, по меньшей мере, один дополнительный механический рафинер, содержащий пару рафинирующих пластин, где пластины имеют ширину прутка 1,0 мм или менее и ширину канавки 1,6 мм или менее. В одном или более дополнительных механических рафинеров волокна могут быть рафинированы для достижения общего энергопотребления, по меньшей мере, 300 кВтч/т для рафинеров с получением целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. В некоторых вариантах волокна рециркулируют через первый механический рафинер множество раз. В некоторых вариантах волокна рециркулируют через один или более дополнительных механических рафинеров множество раз.

Что касается различных способов, описанных здесь, в некоторых вариантах целлюлозные волокна могут рафинироваться при низкой консистенции (например, в интервале 3-5%). Специалистам в данной области техники будет понятно, что консистенция относится к соотношению высушенных в печи волокон с объединенным количеством высушенных в печи волокон и воды. Другими словами, консистенция 3% будет отражать, например, присутствие 3 г высушенных в печи волокон в 100 мл суспензии пульпы.

Другие параметры, связанные с работающими рафинерами для получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью могут быть легко определены с использованием методик, известных специалистам в данной области техники. Аналогично специалисты в данной области техники могут корректировать различные параметры (например, общую энергию рафинирования, энергию рафинирования на прогон, число прогонов, число и тип рафинеров, удельную краевую нагрузку и т.д.) с получением целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью настоящего изобретения. Например, в некоторых вариантах интенсивность рафинирования или энергия рафинирования, прикладываемая к волокнам на прогон с использованием многопрогонной системы, должна постепенно снижаться, т.к. число прогонов через рафинер увеличивается, для того, чтобы получить целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, имеющие желаемые свойства.

Различные варианты целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью настоящего изобретения могут быть введены в ряд конечных продуктов. Некоторые варианты целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью настоящего изобретения могут придавать полезные свойства конечным продуктам, в которые они вводятся в некоторых вариантах. Неограничивающие примеры таких продуктов включают в себя пульпу, бумагу, бумажный картон, биоволокнистые композиты (например, волокнистую цементную плиту, армированные волокном пластики и т.д.), впитывающие продукты (например, вспушенную пульпу, гидрогели и т.д.), специальные химические вещества, производные целлюлозы (например, ацетат целлюлозы, карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ) и т.д.) и другие продукты. Специалисты в данной области техники могут идентифицировать другие продукты, в которые целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью могут быть введены на основании, в частности, свойств волокон. Например, при увеличении удельной площади поверхности целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью (и поэтому поверхностной активностью) использование целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью может преимущественно увеличить прочностные свойства (например, сухую разрывную прочность) некоторых конечных продуктов при использовании приблизительно такого же количества всех волокон и/или обеспечить сравнительные прочностные свойства в конечном продукте при использовании меньшего количества волокон по массе в конечном продукте в некоторых вариантах.

В дополнение к физическим свойствам, которые рассмотрены дополнительно ниже, использование целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения может иметь некоторые преимущества получения и/или экономию затрат в некоторых применениях. Например, в некоторых вариантах введение множества целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно настоящему изобретению в бумажный продукт может снизить общую стоимость волокон в шихте (т.е. при замене волокон высокой стоимости на целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью низкой стоимости). Например, длинные волокна из мягкой древесины обычно стоят больше, чем короткие волокна из твердой древесины. В некоторых вариантах бумажный продукт, содержащий, по меньшей мере, 2% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно настоящему изобретению, может дать в результате удаление около 5% волокон из мягкой древесины с высокой стоимостью при сохранении еще прочности бумаги, сохранении прогонности бумагоделательной машины, сохранении характеристик способа и улучшении печатных характеристик. В некоторых вариантах настоящего изобретения бумажный продукт, содержащий примерно 2-8% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно настоящему изобретению, может дать в результате удаление около 5-20% волокон из мягкой древесины с высокой стоимостью при сохранении еще прочности бумаги и улучшении печатных характеристик. Введение примерно 2-8% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно настоящему изобретению может способствовать снижению стоимости получения бумаги значительно по сравнению с бумажным продуктом, выполненным аналогичным образом с целлюлозными волокнами с незначительно улучшенной поверхностью в некоторых вариантах.

Одним применением, в котором могут использоваться целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью настоящего изобретения, являются бумажные продукты. В получении бумажных продуктов, использующих целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью настоящего изобретения, количество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, используемых в получении бумаг, может быть важным. Например, (и без ограничения) использование некоторого количества целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью может иметь преимущества увеличения разрывной прочности и/или увеличения прочности мокрого холста бумажного продукта, при минимизации потенциальных ухудшающих эффектов, таких как дренаж. В некоторых вариантах бумажный продукт может содержать более примерно 2% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью (по отношению к общей массе бумажного продукта). В некоторых вариантах бумажный продукт может содержать более примерно 4% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. В некоторых вариантах бумажный продукт может содержать менее примерно 15% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. В некоторых вариантах бумажный продукт может содержать менее примерно 10% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. В некоторых вариантах бумажный продукт может содержать от примерно 2 до примерно 15% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. В некоторых вариантах бумажный продукт может содержать от примерно 4 до примерно 10% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. В некоторых вариантах целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, используемые в бумажных продуктах, могут по существу или полностью содержать целлюлозные волокна из твердой древесины.

В некоторых вариантах, когда целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью вводятся в бумажные продукты, относительное количество волокон из мягкой древесины, которое может быть заменено, составляет примерно в 1-2,5 раза больше используемого количества целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью (по отношению к общей массе бумажного продукта) с балансом замены, идущим от традиционно рафинированных волокон из твердой древесины. Другими словами, и как один неограничивающий пример, примерно 10% мас. традиционно рафинированных волокон из мягкой древесины может быть заменено на 5% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью (допуская замену 2% мас. волокон из мягкой древесины на 1% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью) и примерно 5% мас. традиционно рафинированных волокон из твердой древесины. Такая замена может иметь место в некоторых вариантах без ущерба для физических свойств бумажных продуктов.

Что касается физических свойств, целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения могут улучшать прочность бумажного продукта. Например, введение множества целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения в бумажный продукт может улучшать прочность конечного продукта. В некоторых вариантах бумажный продукт, содержащий, по меньшей мере, 5% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно настоящему изобретению может дать в результате более высокую прочность мокрого холста и/или характеристики сухой прочности, может улучшить прогонность бумагоделательной машины при высоких скоростях и/или может улучшить характеристики способа, хотя также улучшая получение. Введение примерно 2-10% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно настоящему изобретению может способствовать улучшению прочности и характеристик бумажного продукта значительно по сравнению с подобным продуктом, выполненным таким же образом с целлюлозными волокнами с по существу не улучшенной поверхностью согласно настоящему изобретению, в некоторых вариантах.

В качестве другого примера бумажный продукт, содержащий примерно 2-8% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, согласно некоторым вариантам настоящего изобретения с от примерно 5 до менее примерно 20% мас. волокон из мягкой древесины может иметь подобную разрывную прочность мокрого холста подобному бумажному продукту с волокнами из мягкой древесины и без целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. В некоторых вариантах бумажный продукт, содержащий множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно настоящему изобретению может иметь разрывную прочность мокрого холста, по меньшей мере, 150 м. В некоторых вариантах бумажный продукт, содержащий, по меньшей мере, 5% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью и менее 10% мас. волокон из мягкой древесины согласно некоторым вариантам настоящего изобретения может иметь разрывную прочность мокрого холста (при 30% консистенции), по меньшей мере, 166 м. Введение примерно 2-8% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно настоящему изобретению может улучшить разрывную прочность мокрого холста бумажного продукта по сравнению с бумажным продуктом, выполненным таким же образом с целлюлозными волокнами с по существу не улучшенной поверхностью, так что некоторые варианты бумажных продуктов, содержащих целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью могут иметь желательную разрывную прочность мокрого холста с малым содержанием волокон из мягкой древесины. В некоторых вариантах введение, по меньшей мере, примерно 2% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью настоящего изобретения в бумажный продукт может улучшить другие свойства в различных вариантах, включая (без ограничения) непрозрачность, пористость, впитываемость, энергию поглощения разрыва, свойства связи Скотта/внутренней связи и/или свойства печати (например, печатный рисунок плотности краски, рисунок лоска).

В качестве другого примера в некоторых вариантах бумажный продукт, содержащий множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно настоящему изобретению, может иметь желаемую сухую разрывную прочность. В некоторых вариантах бумажный продукт, содержащий, по меньшей мере, 5% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, может иметь желаемую сухую разрывную прочность. Бумажный продукт, содержащий примерно 5-15% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно настоящему изобретению, может иметь желаемую сухую разрывную прочность. В некоторых вариантах введение примерно 5-15% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно настоящему изобретению может улучшить сухую разрывную прочность бумажного продукта по сравнению с бумажным продуктом, выполненным таким же образом с целлюлозными волокнами с по существу не улучшенной поверхностью.

В некоторых вариантах введение, по меньшей мере, примерно 5% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью настоящего изобретения может улучшить другие свойства в различных вариантах, включая (без ограничения) непрозрачность, пористость, впитываемость и/или свойства печати (например, печатный рисунок плотности краски, рисунок лоска).

В некоторых вариантах таких продуктов, содержащих множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, улучшение некоторых свойств в некоторых случаях может быть пропорционально больше, чем введенное количество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. Другими словами, и в качестве примера в некоторых вариантах, если бумажный продукт содержит примерно 5% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, соответствующее увеличение сухой разрывной прочности может быть значительно больше 5%.

В дополнение к бумажным продуктам, рассмотренным выше, в некоторых вариантах пульпа, содержащая множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно настоящему изобретению, может иметь улучшенные свойства, такие как (без ограничения) улучшенная активность поверхности или потенциал армирования, более высокая разрывная прочность листа (т.е. улучшенная прочность бумаги) с меньшей общей энергией рафинирования, улучшенная водовпитывающая способность и/или другие.

В качестве другого примера в некоторых вариантах промежуточная пульпа и бумажный продукт (например, вспушенная пульпа, армированная пульпа для бумажных сортов, рыночная пульпа для ткани, рыночная пульпа для бумажных сортов и т.д.), содержащие примерно 1-10% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, могут обеспечить улучшенные свойства. Неограничивающие примеры улучшенных свойств промежуточной пульпы и бумажных продуктов могут включать в себя увеличенную разрывную прочность мокрого холста, сравнимую разрывную прочность мокрого холста, улучшенную впитывающую способность и/или другие.

В качестве другого примера в некоторых вариантах промежуточный бумажный продукт (например, листы пульпы в кипах или рулонах и т.д.), содержащий целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, может обеспечить непропорциональное улучшение характеристик и свойств конечного продукта, причем содержание, по меньшей мере, 1% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью является более предпочтительным. В некоторых вариантах промежуточный бумажный продукт может содержать от 1% мас. до 10% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью.

Неограничивающие примеры улучшенных свойств таких промежуточных бумажных продуктов могут включать в себя увеличенную разрывную прочность мокрого холста, лучшие дренажные свойства при сравнимой разрывной прочности мокрого холста, улучшенную прочность при равном соотношении твердой древесины и мягкой древесины и/или сравнимую прочность при более высоком соотношении твердой древесины и мягкой древесины.

В получении бумажных продуктов согласно некоторым вариантам настоящего изобретения целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью настоящего изобретения могут быть обеспечены как боковой поток в традиционном способе получения бумаги. Например, целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью настоящего изобретения могут быть смешаны с потоком волокон из твердой древесины, рафинированных с использованием традиционных рафинирующих пластин и в традиционных условиях. Объединенный поток целлюлозных волокон из твердой древесины затем может быть объединен с целлюлозными волокнами из мягкой древесины и использован для получения бумаги с использованием традиционной технологии.

Другие варианты настоящего изобретения относятся к бумажным картонам, которые содержат множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения. Бумажные картоны согласно вариантам настоящего изобретения могут быть получены с использованием технологии, известной специалистам в данной области техники, за исключением введения некоторого количества целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью настоящего изобретения, причем с 2% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью является более предпочтительным. В некоторых вариантах бумажные картоны могут быть получены с использованием технологии, известной специалистам в данной области техники, за исключением использования примерно 2-3% целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью настоящего изобретения.

Другие варианты настоящего изобретения также относятся к биоволокнистым композитам (например, волокнистым цементным плитам, армированным волокном пластикам и т.д.), которые содержат множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения. Волокнистые цементные плиты настоящего изобретения обычно могут быть получены с использованием технологии, известной специалистам в данной области техники, за исключением введения некоторого количества целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью настоящего изобретения, причем 3% мас. целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью являются более предпочтительными. В некоторых вариантах волокнистые цементные плиты настоящего изобретения обычно могут быть получены с использованием технологии, известной специалистам в данной области техники, за исключением использования примерно 3-5% целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью настоящего изобретения.

Другие варианты настоящего изобретения также относятся к водовпитывающим материалам, которые содержат множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения. Такие водовпитывающие материалы могут быть получены с использованием технологии, известной специалистам в данной области техники, с использованием целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения. Неограничивающие примеры таких водовпитывающих материалов включают в себя (без ограничения) вспушенные пульпы и пульпы тканевого сорта.

На фиг. 1 показан один типичный вариант системы, которая может быть использована для получения бумажных продуктов, содержащих целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью настоящего изобретения. Нерафинированная емкость 100, содержащая нерафинированные волокна из твердой древесины, например, в форме основы пульпы, соединена с временной емкостью 102, которая соединена с рафинером 104 фибриллирования в селективном замкнутом контурном соединении. Как указано выше, в частном варианте, рафинер 104 фибриллирования представляет собой рафинер, который установлен с подходящими параметрами для получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, описанных здесь. Например, рафинером 104 фибриллирования может быть двухдисковый рафинер с парой рафинирующих дисков, каждый из которых имеет ширину прутка 1,0 мм и ширину канавки 1,3 мм, и с удельной краевой нагрузкой примерно 0,1-0,3 Вт×с/м. Замкнутый контур между временной емкостью 102 и рафинером 104 фибриллирования поддерживается до тех пор, пока волокна циркулируют через рафинер 104 требуемое число раз, например, до достижения энергопотребления примерно 400-650 кВтч/т.

Выпускная линия идет от рафинера 104 фибриллирования к емкости 105 для хранения, причем указанная линия остается закрытой, пока волокна циркулируют через рафинер 104 адекватное число раз. Емкость 105 для хранения соединена с потоком, выходящим из традиционного рафинера 110, установленного с традиционными параметрами для получения традиционных рафинированных волокон. В некоторых вариантах емкость 105 для хранения не используется, и рафинер 104 фибриллирования находится в соединении с потоком, выходящим из традиционного рафинера 110.

В частном варианте традиционный рафинер 110 также соединен с нерафинированной емкостью 100, так что единственный источник нерафинированных волокон (например, единственный источник волокон из твердой древесины) используется в способах как рафинирования, так и фибриллирования. В другом варианте другая нерафинированная емкость 112 соединена с традиционным рафинером 110 с обеспечением традиционных рафинированных волокон. В данном случае здесь обе емкости 100, 112 могут содержать одинаковые или различные волокна.

Понятно, что все соединения между различными элементами системы могут содержать насосы (не показано) или другое подходящее оборудование для нагнетания потока между, когда требуется, в дополнение к клапанам (не показано) или другому подходящему оборудованию для выборочного закрытия соединения, когда требуется. Также дополнительные емкости (не показано) могут быть расположены между последовательными элементами системы.

При использовании и в соответствии с частным вариантом нерафинированные волокна вводятся в способ механического рафинирования, где относительно низкая удельная краевая нагрузка (УКН), например, примерно 0,1-0,3 Вт×с/м прикладывается вслед за тем, например, посредством рафинирующих пластин, описанных выше. В показанном варианте это выполняется при циркулировании нерафинированных волокон из емкости 100 во временную емкость 102 и затем между рафинером 104 фибриллирования и временной емкостью 102. Способ механического рафинирования продолжается до достижения относительно высокого энергопотребления, например, примерно 450-650 кВич/т. выше. В показанном варианте это выполняется при циркулировании нерафинированных волокон между рафинером 104 фибриллирования и временной емкостью 102 до тех пор, пока волокна не будут иметь прогон через рафинер 104 “n” раз. В одном варианте n равно, по меньшей мере, 3, а в некоторых вариантах может составлять от 6 до 25, n может быть выбрано, чтобы обеспечить целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью свойствами (например, длиной, средневзвешенной длиной, удельной площадью поверхности, очень короткими волокнами и т.д.), например, в заданных интервалах и/или значениях, описанных здесь.

Поток целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью затем выходит из рафинера 104 фибриллирования в емкость 105 для хранения. Поток целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью выходит из емкости 105 для хранения и затем подается в поток традиционных рафинированных волокон, которые были рафинированы в традиционном рафинере 110, с получением сырьевой композиции для получения бумаги. Пропорция между целлюлозными волокнами с улучшенной поверхностью и традиционными рафинированными волокнами в сырьевой композиции может быть ограничена максимальной пропорцией целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, которая допускается для адекватных свойств получаемой бумаги. В одном варианте примерно 4-15% содержание волокон сырьевой композиции образуется целлюлозными волокнами с улучшенной поверхностью (т.е. примерно 4-15% волокон, присутствующих в сырьевой композиции, являются целлюлозными волокнами с улучшенной поверхностью). В некоторых вариантах примерно 5-10% волокон, присутствующих в сырьевой композиции, являются целлюлозными волокнами с улучшенной поверхностью. Другие пропорции целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью описаны здесь и могут быть использованы.

Сырьевая композиция рафинированных волокон и целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью затем может быть подана в оставшуюся часть бумагоделательного способа, где бумага может быть формована с использование технологии, известной специалистам в данной области техники.

На фиг. 2 показана разновидность типичного варианта, показанного на фиг. 1, где рафинер 104 фибриллирования заменен двумя рафинерами 202, 204, размещенными последовательно. В данном варианте начальный рафинер 202 обеспечивает относительно менее тонкую начальную стадию рафинирования, а второй рафинер 204 продолжает рафинировать волокна с обеспечением целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. Как показано на фиг. 2, волокна могут рециркулировать во второй рафинер 204 до тех пор, пока волокна не циркулируют через рафинер 204 требуемое число раз, например, до достижения требуемого энергопотребления. Альтернативно, в большей степени, чем рециркулирование волокон во второй рафинер 204, дополнительные рафинеры могут быть размещены последовательно после второго рафинера 204 для дополнительного рафинирования волокон, и любые такие рафинеры могут содержать контур рециркуляции, если требуется. Хотя не показано на фиг. 1, в зависимости от энергии на выходе начального рафинера 202 и требуемой энергии для приложения к волокнам на начальной стадии рафинирования некоторые варианты могут содержать рециркулирование волокон через начальный рафинер 202 перед транспортированием во второй рафинер 204. Число рафинеров, возможное использование рециркуляции и другие решения относительно размещения рафинеров для обеспечения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью могут зависеть от ряда факторов, включающих количество доступного объема получения, стоимость рафинеров, любых рафинеров, уже имеющихся у изготовителя, потенциальной энергии на выходе рафинеров, требуемой энергии на выходе рафинеров и других факторов.

В одном неограничивающем варианте начальный рафинер 202 может использовать пару рафинирующих дисков, каждый имеющий ширину прутка 1,0 мм и ширину канавки 2,0 мм. Второй рафинер 204 может иметь пару рафинирующих дисков, каждый имеющий ширину прутка 1,0 мм и ширину канавки 1,3 мм. В таком варианте волокна могут рафинироваться в первом рафинере при удельной краевой нагрузке 0,25 Вт×с/м до достижения общего энергопотребления примерно 80 кВтч/т. Волокна затем могут транспортироваться во второй рафинер 204, где они могут рафинироваться и рециркулировать при удельной краевой нагрузке 0,13 Вт×с/м до достижения общего энергопотребления примерно 300 кВтч/т.

Остальные стадии и характеристики варианта системы, показанного на фиг. 2, могут быть такими же, как на фиг. 1.

Различные неограничивающие варианты настоящего изобретения теперь будут проиллюстрированы в последующих неограничивающих примерах.

Примеры

Пример I

В данном примере целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения оценивают по их возможности улучшения прочности мокрого холста. Прочность мокрого холста обычно предполагают коррелировать с прогонностью бумагоделательной машины целлюлозных волокон. В качестве точки отсчета традиционно рафинированные волокна из мягкой древесины имеют двойную прочность мокрого холста традиционно рафинированных волокон из твердой древесины при заданной свободности. Например, при свободности 400 CSF мокрый лист бумаги, формованной из традиционно рафинированных волокон из мягкой древесины, может иметь разрывную прочность мокрого холста 200 м, тогда как мокрый лист бумаги, формованной из традиционно рафинированных волокон из твердой древесины, может иметь разрывную прочность мокрого холста 100 м.

В приведенных ниже примерах целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения вводятся в типичную шихту бумажного сорта, содержащую смесь традиционно рафинированных волокон из твердой древесины и традиционно рафинированных волокон из мягкой древесины. Относительные количества волокон из твердой древесины, волокон из мягкой древесины и целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью представлены в таблицах 1 и 2.

В таблице 1 сравниваются свойства мокрого холста примеров 1-8, содержащих целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения, с контрольным А, формованным только из традиционно рафинированных волокон из твердой древесины и мягкой древесины. Традиционно рафинированными волокнами из твердой древесины, использованными в контрольном А и примерах 1-8, являются волокна из южной твердой древесины, рафинированные до 435 мл CSF. Традиционно рафинированными волокнами из мягкой древесины, использованными в контрольном А и примерах 1-8, являются волокна из южной мягкой древесины, рафинированные до 601 мл CSF.

Целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения, используемые в примерах 1-8, представляют собой типичные нерафинированные волокна из южной твердой древесины. Нерафинированные волокна из твердой древесины вводят в дисковый рафинер с парой рафинирующих дисков, причем каждый имеет ширину прутка 1,0 мм и ширину канавки 1,3 мм, при удельной краевой нагрузке 0,2 Вт×с/м. Волокна рафинируют как партию до достижения энергопотребления 400 или 600 кВтч/т (как определено в таблице 1). Целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, которые были рафинированы до энергопотребления 400 кВтч/т, имеют линейную средневзвешенную длину волокон 0,81 мм, а целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, которые были рафинированы до энергопотребления 600 кВтч/т, имеют линейную средневзвешенную длину волокон 0,68 мм. Линейную средневзвешенную длину определяют с использованием прибора LDA 96 Fiber Quality Analyzer в соответствии с методиками, определенными в руководстве, приложенном к прибору Fiber Quality Analyzer. Линейная средневзвешенная длина волокон рассчитывается с использованием формулы для (L_w), приведенной выше.

Разрывную прочность мокрого холста некоторых целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью из указанных партий оценивают отдельно перед объединением с другими целлюлозными волокнами с улучшенной поверхностью из указанных партий с традиционно рафинированными волокнами из твердой древесины и традиционно рафинированными волокнами из мягкой древесины с формованием листов вручную и для оценки, как представлено ниже в связи с примерами 1-8. Типичную шихту бумажного сорта получают с использованием целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. Стандартные получаемые вручную листы с 20 г/м²(GSM) (грамм на квадратный метр) формуют из шихты и испытывают на разрывную прочность мокрого холста при 30% сухости в соответствии со стандартом Pulp and Paper Technical Association of Canada (“PAPTAC”) Standard D.23P. Получаемые вручную листы, формованные из целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, рафинированных до энергопотребления 400 кВтч/т, имеют разрывную прочность мокрого холста 8,91 км. Получаемые вручную листы, формованные из целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, рафинированных до энергопотребления 600 кВтч/т, имеют разрывную прочность мокрого холста 9,33 км.

Типичную шихту бумажного сорта получают с использованием определенных количеств волокон из твердой древесины, волокон из мягкой древесины и целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. Стандартные получаемые вручную листы с 60 г/м²(GSM) (грамм на квадратный метр) формуют из шихты и испытывают на разрывную прочность мокрого холста при 30% сухости в соответствии со стандартом Pulp and Paper Technical Association of Canada (“PAPTAC”) Standard D.23P. Результаты испытаний приведены в таблице 1, где “Hwd” обозначает традиционно рафинированные волокна из твердой древесины, “Swd” обозначает традиционно рафинированные волокна из мягкой древесины, “SEPF” обозначает целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью согласно вариантам настоящего изобретения, “SEPF Ref. Energy” обозначает энергию рафинирования, используемую для формования целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, «WW Tensile % increase” означает увеличение разрывной прочности мокрого холста по сравнению с контрольным А, и “Wet Web TEA” означает энергию поглощения разрыва мокрого холста. Такие же традиционно рафинированные волокна из твердой древесины и традиционные рафинированные волокна из мягкой древесины используются в контрольном А и примерах 1-8.

Как показано выше, введение 5% целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения может увеличить разрывную прочность мокрого холста на 8-20%. Аналогично, введение 10% целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения может увеличить разрывную прочность мокрого холста на 21-50%.

В таблице 2 сравниваются свойства мокрого холста примеров 9-13, содержащих целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения, с контрольным В, формованным только из традиционно рафинированных волокон из твердой древесины и мягкой древесины. Традиционно рафинированными волокнами из твердой древесины, использованными в контрольном В и примерах 9-13, являются волокна из северной твердой древесины, рафинированные до 247 мл CSF. Традиционно рафинированными волокнами из мягкой древесины, использованными в контрольном В и примерах 9-13, являются волокна из северной мягкой древесины, рафинированные до 259 мл CSF.

Целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, используемые в примерах 9-13, формуют из типичных нерафинированных волокон из южной твердой древесины. Нерафинированные волокна из твердой древесины вводят в дисковый рафинер с парой рафинирующих дисков, из которых каждый имеет ширину прутка 1,0 мм и ширину канавки 1,3 мм, при удельной краевой нагрузке 0,2 Вт×с/м. Волокна рафинируют как партию до достижения энергопотребления 400 кВтч/т или 600 кВтч/т (как определено в таблице 2).

Типичную шихту бумажного сорта получают с использованием определенных количеств волокон из твердой древесины, волокон из мягкой древесины и целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. Стандартные получаемые вручную листы с 60 г/м²(GSM) (грамм на квадратный метр) формуют из шихты и испытывают на разрывную прочность мокрого холста при 30% сухости в соответствии с PAPTAC Standard D.23P. Результаты испытаний приведены в таблице 2, где “Hwd” обозначает традиционно рафинированные волокна из твердой древесины, “Swd” обозначает традиционно рафинированные волокна из мягкой древесины, “SEPF” обозначает целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью согласно вариантам настоящего изобретения, “SEPF Ref. Energy” обозначает энергию рафинирования, используемую для формования целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью, «WW Tensile % increase” означает увеличение разрывной прочности мокрого холста по сравнению с контрольным В, и “Wet Web TEA” означает энергию поглощения разрыва мокрого холста. Одинаковые традиционно рафинированные волокна из твердой древесины и традиционные рафинированные волокна из мягкой древесины используются в контрольном В и примерах 9-13.

Как показано выше, введение 25% целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения может увеличить разрывную прочность мокрого холста на 45-653%. Аналогично, введение 50% целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения может увеличить разрывную прочность мокрого холста на 673% и выше.

Итак, примеры 1-13 ясно показывают, что, когда целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью вводятся в шихту, разрывная прочность мокрого холста мокрых листов бумаги, формованных из шихты, увеличивается. Это аналогично показывает многочисленные возможные выигрыши для работы бумагоделательной машины, включая, например, улучшенную прогонность, равную или улучшенную прогонность при более низком количестве волокон из мягкой древесины в шихте, увеличенное количество наполнителя в шихте без ухудшения прогонности машины и другие.

Пример II

В данном примере образцы бумаги, содержащие целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения, получают и испытывают с определением возможных выигрышей, связанных с введением целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью.

В приведенных ниже примерах образцы бумаги получают с использованием традиционной технологии бумагоделательного производства только с различиями в относительных количествах волокон из твердой древесины, волокон из мягкой древесины и целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. Традиционно рафинированными волокнами из твердой древесины, используемыми в контрольном С и примерах 14-15, являются волокна из южной твердой древесины, рафинированные до достижения энергопотребления примерно 50 кВтч/т. Традиционно рафинированными волокнами из мягкой древесины, используемыми в контрольном С и примерах 14-15, являются волокна из южной мягкой древесины, рафинированные до достижения энергопотребления примерно 100 кВтч/т.

Целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, используемые в примерах 14-15, формуют из типичных нерафинированных волокон из южной твердой древесины. Нерафинированные волокна из твердой древесины вводят в два дисковых рафинера, установленные последовательно. Первый рафинер имеет пару рафинирующих дисков, из которых каждый имеет ширину прутка 1,0 мм и ширину канавки 2,0 мм. Второй рафинер имеет пару рафинирующих дисков, из которых каждый имеет ширину прутка 1,0 мм и ширину канавки 1,3 мм. Волокна рафинируют в первом рафинере при удельной краевой нагрузке 0,25 Вт×с/м, за которым следует второй рафинер, где они рафинируются при удельной краевой нагрузке 0,13 Вт×с/м до достижения общего энергопотребления примерно 400 кВтч/т. Измеренная линейная средневзвешенная длина волокон целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью составляет 0,40 мм, где число целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью составляет 12000 волокно/мг в пересчете на сухое вещество (сушка в печи). Линейную средневзвешенную длину определяют с использованием прибора LDA 96 Fiber Quality Analyzer в соответствии с методиками, определенными в руководстве, приложенном к прибору Fiber Quality Analyzer. Линейная средневзвешенная длина волокон рассчитывается с использованием формулы для (L_w), приведенной выше.

Типичную шихту бумажного сорта получают с использованием определенных количеств волокон из твердой древесины, волокон из мягкой древесины и целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. Шихту затем перерабатывают в образцы бумаги с использованием традиционной технологии получения. Образцы бумаги имеют основную массу 69,58 г/м²(контрольный С), 70,10 г/м²(пример 14) и 69,87 г/м²(пример 15). Образцы бумаги испытывают на объем, разрывную прочность, пористость и жесткость, степень белизны, непрозрачность и другие свойства. Образцы бумаги также направляют на испытание на промышленную печать для оценки их общих печатных характеристик. Разрывную прочность в машинном направлении и в поперечном направлении измеряют в соответствии с РАРТАС методикой № D.12. Пористость измеряют с использованием денсометра Герлея в соответствии с РАРТАС методикой № D.14. Жесткость в машинном направлении и поперечном направлении измеряют с использованием прибора типа Taber в соответствии с РАРТАС методикой № D.28P. Каждое из других свойств, представленных в таблице 3, определяют согласно соответствующей РАРТАС методикой испытания. Результаты испытаний представлены в таблице 3, причем “Hwd” означает традиционно рафинированные волокна из твердой древесины, “Swd” означает традиционно рафинированные волокна из мягкой древесины, “SEPF” означает целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения, “md” означает различные свойства, относящиеся к значению данного свойства в машинном направлении, “сd” означает различные свойства, относящиеся к значению данного свойства в поперечном направлении.

Данные, представленные в таблице 3, показывают, что количество волокон из мягкой древесины в образцах бумаги может быть снижено на от 22% до 5% при введении 10% целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью согласно некоторым вариантам настоящего изобретения при сохранении толщины и физических прочностных свойств бумаги в спецификациях для бумажного сорта и без ухудшения дренажных свойств и прогонности бумагоделательной машины.

Пример III

В данном примере определяют среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности различных целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. Часть из указанных примеров представляют варианты целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью настоящего изобретения, тогда как часть - нет.

Целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, используемые в примерах 16-30, формуют из типичных нерафинрованных волокон из южной твердой древесины. Нерафинированные волокна из твердой древесины вводят в дисковый рафинер с парой рафинирующих дисков при удельной краевой нагрузке 0,25 Вт×с/м. Как представлено в таблице 4 ниже, часть волокон из твердой древесины рафинируют с использованием дисков, имеющих ширину прутка 1,0 мм и ширину канавки 1,3 мм, а другие рафинируют с использованием дисков, имеющих ширину прутка 1,0 мм и ширину канавки 2,0 мм. Волокна рафинируют как партию до достижения энергопотребления, определенного в таблице 4.

Гидродинамическую удельную площадь поверхности определяют согласно методике, приведенной в работе Characterizing the drainage resistance of pulp and microfibrillar suspensions using hydrodynamic flow measurements, N.Lavrykova-Marrain and B.Ramarao, TAPPI’s PaperCon 2012 Conference, доступной при http://www.tappi.org/Hide/Events/12PaperCon/Papers/12PAP116.aspx. Результаты представлены в таблице 4.

Данные, представленные в таблице 4, показывают, что более мелкие прутки на пластинах рафинера дают в результате большее фибриллирование и более высокую удельную площадь поверхности.

Общие замечания

Если не указано обратное, многочисленные параметры, представленные в данном описании, являются приближениями, которые могут варьироваться в зависимости от требуемых свойств, предполагаемых получить настоящим изобретением. Самое меньшее и не как попытка ограничить теорию эквивалентов в объеме изобретения, каждый цифровой параметр должен, по меньшей мере, истолковываться в свете представленных значащих цифр и при применении обычной техники округления.

Несмотря на то, что цифровые интервалы и параметры, представленные в широком объеме изобретения, являются приближениями, цифровые значения, приведенные в отдельных примерах, представлены как можно точно. Любое цифровое значение естественно содержит некоторые ошибки, обязательно являющиеся результатом стандартного отклонения, найденного в их соответствующих экспериментальных измерениях. Кроме того, все интервалы, рассмотренные здесь, должны пониматься как охватывающие любой и все подинтервалы, подсуммированные здесь. Например, установленный интервал от «1 до 10» должен рассматриваться как включающий любой и все подинтервалы между (и включительно) минимальным значением 1 и максимальным значением 10, т.е. все подинтервалы, начиная с минимального значения 1 или более, например, 1-6,1, и кончая максимальным значением 10 или менее, например, 5,5-10. Кроме того, любая ссылка, указанная как «приведенная здесь», должна пониматься как приведенная в ее полноте.

Должно быть понятно, что настоящее описание иллюстрирует аспекты рассматриваемого изобретения для ясного и четкого понимания последнего. Некоторые аспекты изобретения, которые являются очевидными для специалистов в данной области техники, не представлены, чтобы упростить настоящее описание. Несмотря на то, что настоящее изобретение описано в виде отдельных, частных вариантов, оно не ограничивается ими, и включает модификации, которые соответствуют сущности и объему изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения.

Реферат

Различные варианты настоящего изобретения относятся к целлюлозным волокнам с улучшенной поверхностью, к различным продуктам, содержащим целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью, и к способам и системам для получения целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью. Различные варианты целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью имеют значительно увеличенную площадь поверхности по сравнению с традиционными рафинированными волокнами при преимущественной минимизации снижения длины после рафинирования. Целлюлозные волокна с улучшенной поверхностью могут быть введены в ряд продуктов, которые могут выиграть от таких свойств, включая, например, бумажные продукты, продукты из бумажного картона, волокнистые цементные плиты, армированные волокном пластики, вспушенные пульпы, гидрогели, ацетатцеллюлозные продукты и карбоксиметилцеллюлозные продукты. В некоторых вариантах множество целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью имеют линейную средневзвешенную длину волокон по меньшей мере примерно 0,3 мм и среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности по меньшей мере примерно 10 м/г, где число целлюлозных волокон с улучшенной поверхностью составляет по меньшей мере 12000 волокно/мг в пересчете на сухое вещество (сушка в печи). 4 н. и 22 з.п. ф-лы, 2 ил. 4 табл., 3 пр.

Формула