纸板和生产纸板的方法

技术领域

本发明涉及具有改进的光学性质的纸板和生产这样的纸板的方法。

背景技术

纸板是可取决于最终用途而转化为不同类型的包装解决方案的包装材料。典型的纸板级别(grades)为折叠箱板(FBB)、实心漂白板(SBB)、液体包装板(LPB)和待用于瓦楞纸板的容器板。瓦楞纸板包含瓦愣原纸(瓦楞纸(fluting，沟纹芯纸))和至少一个附着在瓦楞原纸(fluted medium)的表面上的平箱纸板(flat liner)或挂面纸板，由此形成夹心结构。存在不同种类的瓦楞纸板品质，并且这些可包含不同类型的箱纸板和瓦愣原纸。不同类型的箱纸板的实例为牛皮纸箱纸板、白边挂面纸板和试验箱纸板。当需要高品质印刷时，使用白边挂面纸板。典型地，白边挂面纸板为具有一个或多个包含未漂白的化学或半化学浆的基底纸板和包含漂白的化学浆的顶层片的多层片结构。顶层片可进一步涂覆有基于矿物的涂层。

纸板典型地经历印刷和转化过程以提供适合最终用途的包装。对良好的印刷表面的需要对纸板的外观提出了很高的要求。亮度和不透明度是重要的性质。为了改进纸板的白色外观，纸板制造商传统上被迫使用颜料涂层或包含具有高克重的漂白浆的顶层片。对环境的关注已经提高对具有更轻重量(因此消耗更少的原材料)的纸板的要求。

US2007202347公开了双层片挂面纸板，其中将包含颜料和淀粉的中间层施加至多个层之间。在该公开物中描述的挂面纸板之中，所施加的中间层的颜料组分的一部分迁移到顶层片中并且迁移到底层片中，这降低了颜料的光学效果。

仍需要具有改进的光学性质的轻重量纸板。

发明内容

本发明的目标是提供轻重量纸板，其表现出改进的光学性质和改进的拉伸性。

本发明由所附独立权利要求限定。实施方式在所附从属权利要求和以下描述中阐述。

根据第一方面，本发明公开了纸板，该纸板包含至少一个底层片、顶层片和布置在至少一个底层片和顶层片之间的中间层，其中其中中间层包含颜料和微原纤化纤维素(MFC)。

在底层片和顶层片之间施加包含颜料和MFC的中间层引起纸板的改进的光学性质，甚至当使用具有低克重的未经涂覆的顶层片时也是如此。这使得可降低顶层片的克重并且仍获得良好的光学性质。不希望受任何理论的束缚，据信MFC改进了颜料的留着并且基本上不发生颜料向顶层片或底层片中的迁移。本发明进一步降低了对化学留着剂的需求。另外，纸板的拉伸性得到了改进，从而可以减少板转换时的裂纹。

在本专利申请的上下文中，微原纤化纤维素(MFC)应意指至少一个维度小于100nm的纳米尺度的纤维素颗粒纤维或原纤维。MFC包括部分或完全原纤化的纤维素或木质纤维素纤维。释放的原纤维的直径小于100nm，而实际的原纤维直径或粒度分布和/或纵横比(长度/宽度)取决于来源和制造方法。

最小的原纤维被称为基础原纤维(初级原纤维)并且直径约为2-4nm(参见例如Chinga-Carrasco,G.,Cellulose fibres,nanofibrils and microfibrils,:Themorphological sequence of MFC components from a plant physiology and fibretechnology point of view,Nanoscale research letters 2011,6:417)，而常见的是聚集形式的基础原纤维(其也被定义为微原纤维)(Fengel,D.,Ultrastructural behaviorof cell wall polysaccharides,Tappi J.,March 1970,Vol 53,No.3.)是在制造MFC时获得的主要产品，例如通过使用延长的精磨过程或压降分解过程制造。取决于来源和制造方法，原纤维的长度可在约1至大于10微米内变化。粗MFC级可含有相当大部分的原纤化纤维，即来自管胞(纤维素纤维)的突出原纤维，以及一定量的从管胞(纤维素纤维)释放的原纤维。

MFC有不同的首字母缩略词，例如纤维素微原纤维、原纤化纤维素、纳米原纤化纤维素、原纤维聚集体、纳米级纤维素原纤维、纤维素纳米纤维、纤维素纳米原纤维、纤维素微纤维、纤维素原纤维、微原纤状纤维素、微原纤维聚集体和纤维素微原纤维聚集体。MFC的特征还可在于各种物理或物理化学性质，例如大的表面积或其在分散在水中时在低固体(1-5重量％)下形成凝胶状材料的能力。优选将纤维素纤维原纤化至这样的程度，所形成的MFC的最终比表面积为约1至300m

存在制造MFC的各种方法，例如单次或多次精磨，预水解然后是精磨或高剪切分解或原纤维的释放。通常需要一个或若干个预处理步骤，以使MFC制造既节能又可持续。因此，待供应的纸浆的纤维素纤维可进行酶法或化学预处理，例如以降低半纤维素或木质素的量。纤维素纤维可在原纤化之前进行化学改性，其中纤维素分子含有除了在原始纤维素中所发现的之外(或更多)的官能团。这些基团尤其包括羧甲基(CM)、醛和/或羧基(通过N-氧基介导的氧化获得的纤维素，例如“TEMPO”)或季铵(阳离子纤维素)。在以上述方法之一中进行改性或氧化后，更容易将纤维分解成MFC或纳米原纤维尺寸的原纤维。

纳米原纤状纤维素可含有一些半纤维素；量取决于植物来源。经预处理的纤维例如水解的、预溶胀的或氧化的纤维素原材料的机械分解用合适的设备进行，例如精磨机，研磨机，均化器，胶体排出装置(colloider)，摩擦研磨机，超声波超声仪，流化器如微流化器、宏观流化器或流化剂型均化器。取决于MFC制造方法，产品还可含有细粒或纳米结晶纤维素或例如在木质纤维或造纸过程中存在的其他化学品。该产品还可含有各种量的未被有效地原纤化的微米尺寸的纤维颗粒。

MFC由木质纤维素纤维制备，包括硬木或软木纤维两者。其还可由微生物来源、农业纤维如麦草浆、竹子、甘蔗渣或其他非木质纤维来源制成。其优选由纸浆制成，包括来自原始纤维的纸浆，例如，机械、化学和/或热机械纸浆。其还可由损纸或再生纸制成。

上述MFC的定义包括但不限于在纤维素纳米原纤维(CMF)上新提出的TAPPI标准W13021，其定义了含有多个基础原纤维的纤维素纳米纤维材料，其具有结晶和无定形区域两者。

纸板一般涉及坚固的、厚纸或用于箱和其他类型的包装的卡纸板。纸板由漂白或未漂白的化学和/或机械纤维浆制造并且可为涂覆或未涂覆的。纸板的克重可在100–400gsm之间或在150–300gsm之间，取决于最终用途的需要。本发明的纸板是多层片纸板，其包含至少底层片和顶层片。在一个实施方式中，顶层片包含100重量％漂白浆。多层片纸板可进一步包含多个底层片，例如背层片和一个或多个中间层片。如本文使用的纸板层片，例如底层片和顶层片是指包含纤维素纤维的纸板层，优选包含至少50重量％纤维素纤维或至少70重量％或80重量％纤维素纤维，以所述层片的总重量计算。纸板可例如为挂面纸板、液体包装板、折叠箱板或实心漂白板。在优选的实施方式中，纸板为挂面纸板，最优选白边挂面纸板且最优选未涂覆的白边挂面纸板。纸板可进一步用一个或多个层涂覆矿物质、分散体或蜡，表面施胶，着色或以一个或多个层涂覆聚合物，这取决于最终用途。

在本发明的一些实施方式中，中间层进一步包含共粘合剂，其包含水溶性聚合物。水溶性聚合物可选自：淀粉，优选未煮淀粉，或部分或完全糊化(gelatinzed，凝胶化)淀粉，聚DADMAC，APAM，CPAM，PVA，CMC或其他纤维素衍生物和其组合。这样的共粘合剂改进了层片见的粘附。在一些实施方式中，水溶性聚合物可为不基于化石的水溶性聚合物。在一些实施方式中，水溶性聚合物可为不基于化石的水溶性聚合物，例如淀粉、纤维素衍生物、蛋白质或半纤维素。

在一些实施方式中，中间层包含10–90重量％或30–90重量％的量、优选50–90重量％或60–80重量％的量的MFC，10–70重量％的量、优选20–40重量％的量的颜料和0–50重量％或0–30重量％或0-10重量％的量的任选的共粘合剂，以所述中间层的总重量计算。中间层可由MFC、颜料和任选的共粘合剂组成。优选地，中间层基本上不包含纤维。中间层可含有其他添加剂，优选量为0–20重量％或0.1–20重量％或0-10重量％或0.1–10重量％，包括例如染料或其他光学试剂，例如光学增白剂(光学增亮剂)、木质素或UV吸收剂、松厚剂，例如膨松纤维、可膨胀塑料颗粒，微晶纤维素和/或结构化颗粒。

中间层的克重优选在0.1–30gsm的范围内，优选0.2–20gsm或最优选0.5–15gsm。克重，有时也称作“定量”，可根据ISO 536测量。

中间层中的颜料优选选自沉淀碳酸钙(PCC)、二氧化钛、粘土、二氧化硅、硅酸盐、纳米颜料、塑料颜料、滑石和/或其组合。在优选的实施方式中，颜料为PCC。

在一些实施方式中，颜料包含颜料颗粒，其中90体积％的所述颜料颗粒的直径小于5μm、优选低于3μm、最优选低于1μm。如本文所用的粒度分布是使用干激光衍射法测定的，优选通过使用来自Malvern，UK公司的Malvern Mastersizer 3000Laser DiffractionSystem。

在一些实施方式中，中间层中的PCC颜料和MFC为PCC-MFC复合物的形式，其中PCC沉淀在MFC的纤维或原纤维上。在此实施方式中，颜料的留着甚至被进一步改进。这样的PCC-MFC复合物可通过在MFC的存在下将氢氧化钙碳酸化以形成沉淀碳酸钙而生产。MFC可例如与Ca(OH)2的水溶液即石灰乳混合，于是二氧化碳被引入到混合物中由此PCC至少部分沉淀在MFC的纤维或原纤维上，形成PCC/MFC复合物。替代地，MFC、石灰乳和二氧化碳可在连续过程中同时添加至反应器。在碳酸化过程期间，可存在添加剂，例如盐和形貌控制剂。添加剂可例如选自氢氧化镁、氢氧化钠和氢氧化铵或其混合物。CaCO3可以一种或多种多晶型结晶，例如以下中的一种:方解石、文石、球霰石、一水碳酸钙、六水碳酸钙及无定形物质。因此也有可能形成亚稳态无定形碳酸钙。PCC可具有不同形态，例如菱形、截棱柱、偏三角、三角、正交/针状和六方晶系球状或链状附聚物。其也可以是两种或多种形态的混合。在替代方法中，沉淀过程可从其他原材料开始，例如产生PCC-MFC复合物的盐。

在一些实施方式中，PCC颜料沉淀在淀粉微粒上以形成PCC-淀粉。淀粉微粒可被糊化或溶胀。这样的PCC-淀粉复合物可在未煮淀粉的存在下通过将氢氧化钙碳酸化以形成沉淀碳酸钙而生产。未煮淀粉可例如与石灰乳预混合，于是二氧化碳被引入到混合物中由此PCC至少部分沉淀在淀粉微粒上。替代地，淀粉、石灰乳和二氧化碳可在连续过程中同时添加至反应器。颜料可包含PCC-MFC复合物和PCC-淀粉复合物的混合物。在一些实施方式中，PCC的沉淀在MFC与以下物质中的至少一种的存在下进行：淀粉，纤维素衍生物，例如CMC和/或PVOH。

在一些实施方式中，PCC-MFC复合物和/或PCC-淀粉复合物的BET比表面积高于5m

本发明在挂面纸板生产中是特别有利的。在一个实施方式中，挂面纸板的顶层包含100重量％漂白的化学浆。在一个实施方式中，纸板为挂面纸板并且所述至少一个底层片包含50–100重量％未漂白的化学浆和50–100重量％未漂白的CTMP浆或再循环浆，并且其中顶层片包含100重量％硬木或软木纤维的漂白的化学浆，全部百分比以所述层片的总重量计算。

本发明使得纸板-或挂面纸板生产者能够降低顶层片的克重并且仍能够得到具有高亮度挂面纸板并且其表现出低白顶斑点。在一些实施方式中，顶层片的克重低于70gsm、优选低于60并且最优选低于55gsm，或低于50gsm，顶层片的克重可在10–70gsm之间、或在20–60之间，或在20-55gsm之间或在30–50gsm之间。

纸板，或挂面纸板，可进一步表现出至少70％、优选至少75％或至少80％或甚至至少85％的根据ISO2470-1测量的亮度。亮度衡量蓝光的反射量。本文中所示的亮度根据ISO2470-1测量。

挂面纸板可进一步表现出小于0.9％的白顶斑点，优选小于0.7％并且最优选小于0.5％。白顶斑点指的是未印刷的板的反射率变化并且使用STFI-Mottling Light v1.0根据以下测量：平板扫描仪用于收集图像，并使用校准装置将数据校准为反射率。使用频率分析去除小规模和大规模变化。反射率变化表示为分为波长类别的变化系数(COV)。1至8毫米的反射率变化组合成一个单一的斑点

根据本文说明的第二方面，提供瓦楞纸板，其包含瓦愣原纸和上述参照第一方面作为挂面纸板所阐述定义的纸板。瓦楞纸板可例如包含三层：作为外箱纸板的本发明的挂面纸板，瓦愣原纸例如半化学瓦楞纸，和作为内箱纸板的牛皮纸箱纸板。瓦楞纸板可在多个层中进一步包含另外的瓦愣原纸和箱纸板。

根据本文说明的第三方面，提供生产纸板的方法，包括以下步骤，形成底层片，在所述底层片的表面上施加包含颜料和MFC的混合物形成中间层，和在中间层的表面上施加顶层片。根据本发明的第三方面的生产纸板的方法可由根据本发明的方面的纸板的特征而进一步定义。

本发明的纸板可在常规纸板制造机或挂面纸板制造机上制造，优选通过使用长网造纸机。底层片或层片以及顶层片可通过使用多个流浆箱和多个长网造纸机而单独形成。在该实施方式中，在施加顶层片之前在成形部上，包含颜料和MFC的混合物可被施加在所述底层片的表面上。当所述底层片的固含量在1–60之间或优选在3–15％之间时，可将混合物施加在底层片上。

包含颜料和MFC的混合物优选通过使用非冲击施加方法例如幕涂或喷雾施加在底层片的表面上。最优选的施加方法为幕涂，这已显示出提供最均匀的覆盖。涂料可在形成多层涂层的单个步骤或多个步骤中施加。在多个实施方式中，使用多层幕涂机以多个层施加涂料。混合物的固含量优选在0.5–50重量％之间或更优选在1–40重量％之间，或在2–30重量％之间。

在替代方法中，可使用多层片流浆箱来形成所有的底层片、顶层片和中间层。