在基材上沉积纤维素纤维的方法与流程

1.本发明涉及一种在基材上沉积具有可能的矿物填料的纤维素纤维组合物的方法。
2.该方法可以沉积范围为0.1g/m2至几克纤维素纤维、具有或不具有矿物填料的低克重的组合物。
3.本发明的使用范围特别地涉及包装或复合生物材料，并且更一般地涉及纸和纸板工业。


背景技术：

4.用于制造单层纸或纸板的片材的常规方法包括将纤维素纤维的水性悬浮液沉积在需要除去/排出水的成形织物(运输介质)上，和将该沉积物干燥以便形成纸或纸板的片材。
5.根据该相同的实施方案，可以通过(依次)将一种以上的其它高度稀释的纤维素纤维悬浮液(通常小于15g/l)沉积(施加)到沉积在织物上的纤维素纤维的第一悬浮液上来制备包括纸或纸板的片材的多层体(multi
‑
ply)。
6.以与单层纸或纸板相同的方式，多层体的形成通过连续或不连续的不同层的辅助脱水/排水，并且通过最终的共同干燥以形成多层纸或纸板的片材来实现。
7.辅助脱水/排水不是自然的，其特别是由“吸入系统”强制进行。由于保持不会完全(即使其可以特别地通过“保持剂”来化学改进)，这导致材料的实质上细小元素的损失。
8.该实施方案仅使用通常小于10g/l，或者在特定情况下甚至小于15g/l的纤维素纤维的一种以上的稀释悬浮液来进行。
9.无论是单层体还是多层体都可以进行用于形成或获得片的特定性能的材料或添加剂的添加：
10.·
在片材形成期间(和/或之前)，即与沉积在一种以上的不同织物上的一种以上的高度稀释的纤维素纤维悬浮液(通常小于10至15g/l)混合，用于形成多层或单层纸或纸板的片材。该用于添加物质或材料的方法允许添加与甚至高度稀释的一种以上的悬浮液中所含纤维素纤维的尺寸相似或更小的添加剂。
11.·
在例如通过例如帘涂等常规的所谓的“涂覆”工艺或通过例如施胶压榨等涂覆工艺形成片材之后。通常使用涂料以制备印刷和书写纸。该技术可以用一层小的(胶状的)或溶解的例如颜料等填料或颗粒覆盖片材的一侧或两侧。这可以改变片材的视觉外观(白度、颜色、光泽度)或其手感或印刷品质性能。
12.·
通过在造纸机的流浆箱中在多层体的两层之间插入薄层水。该方法可用于制备通常小于5g/l纤维的低浓度纤维的层叠纸板。
13.这些实施方案涉及排干和干燥多层体的上层。
14.本发明可以通过不涉及用于除去水和用于形成多层体中的一层的排水元件或台的方法的方式解决现有技术中的问题(排水、粘度、保持率等)。本发明可以直接在基材上沉积具有或不具有矿物填料的非常低克重的纤维素纤维，而不涉及预先形成片材。本发明不
限于原纤维的沉积，并且不限于低浓度纤维和/或原纤维的组合物的使用。


技术实现要素：

15.本发明涉及在基材上沉积基于纤维素纤维和可能的矿物填料的组合物的方法。该沉积通过喷雾(spraying)形成纤维状网络来进行。
16.根据本发明的方法在没有排水/脱水并且没有预成形步骤的情况下有利地进行。相反地，文献wo2016/050986描述了包括在过滤膜上沉积包含2重量％以下的纤维素原纤维的悬浮液的方法。原纤维的直径在20和60nm之间并且长度在0.5和5μm之间。在强制或辅助排水之后，该沉积物以湿态转移到纸或纸板的片材上。然后干燥由此获得的多层体。因此，该方法涉及排出形成顶层的悬浮液。另外，在上层形成期间，特别是由于排水阶段(通常由“负压”强制)，其会导致例如矿物填料等干物质的损失。
17.根据本发明，没有排水/脱水和片材预成形，使得可以获得在干物质方面具有与用于进行该沉积的纤维状悬浮液相同的组成的纤维状沉积物。
18.根据第一实施方案，本发明涉及在基材上沉积纤维素纤维的组合物的方法，其包括以下步骤：
19.1/制备至少包括纤维素纤维的水性悬浮液sa，
20.2/在不低于3mpa的压力下，将水性悬浮液sa喷雾在基材上，其中喷雾通过尺寸在0.05mm和3mm之间的喷嘴来进行，
21.3/在基材上获得纤维状沉积物df，
22.水性悬浮液sa包括相对于水性悬浮液sa的总重量为至少3重量％的纤维素纤维，
23.水性悬浮液sa和纤维状沉积物df具有组成相同的干物质。
24.根据第二实施方案，本发明涉及在基材上形成阻挡层的方法，其包括以下步骤：
[0025]1’
/制备水性悬浮液sa，水性悬浮液sa包括相对于水性悬浮液sa的总重量为至少3重量％的纤维素纤维，
[0026]2’
/在不低于3mpa的压力下通过喷雾而将水性悬浮液sa沉积在基材上，其中喷雾通过尺寸在0.05mm和3mm之间的喷嘴来进行，
[0027]3’
/在基材上获得由纤维状沉积物df制成的阻挡层，
[0028]
水性悬浮液sa和纤维状沉积物df具有组成相同的干物质。
[0029]
无论对于第一实施方案还是第二实施方案，水性悬浮液sa、基材和纤维状沉积物df都具有以下详细说明的性质。
[0030]
步骤1/或1’/
[0031]
水性悬浮液sa至少包括纤维素纤维和水。其有利地包括相对于水性悬浮液sa的总重量在3和20重量％之间，更有利地，在3和20％之间，并且甚至更有利地在4和10％之间的纤维素纤维。
[0032]
对于100重量份，水性悬浮液sa可以包括在50和97份之间，更有利地，在80和97份之间，并且甚至更有利地，在80和96份之间的水。
[0033]
因此，有利地，对于100重量份，水性悬浮液sa包括在3和50份之间，更有利地，在3和20份之间，并且甚至更有利地，在4和20份之间的干物质。
[0034]
当例如在80℃的温度下干燥45分钟之后除去水时，干物质对应于组合物的干燥提
取物。其特别包括纤维素纤维和适当的矿物填料和/或可能的添加剂。如上所述，水性悬浮液sa的干物质的组成对应于纤维状沉积物df的干物质的组成。
[0035]
方便地，在本发明中使用的纤维素纤维的平均长度有利地在50μm(50微米)和5mm(5毫米)之间，更有利地在50μm和3mm之间。更有利地，它们的平均长度不短于100μm，并且甚至更有利地不短于200μm。更有利地，纤维素纤维的平均长度可以在100微米和400微米之间。
[0036]
长度应理解为是指纤维素纤维的最大尺寸。
[0037]
纤维的尺寸，特别是其长度可以使用例如通过例如morfi型分析仪等纤维形态分析仪等常规技术来测量。
[0038]
纤维素纤维有利地是木质纤维。它们可以来自纸和/或纸板再循环来源。
[0039]
如上所述，对于100重量份，水性悬浮液sa包括在3和50重量份之间的干物质。干物质至少包括纤维素纤维。
[0040]
方便地，对于水性悬浮液sa的100重量份干物质，纤维素纤维可以占据3至100重量份，或3至20份，或3至30份，或3至40份，或甚至3至50份。
[0041]
如上所述，水性悬浮液sa和由此纤维状沉积物df可以包括矿物填料。这些填料有利地选自包括碳酸钙、高岭土和二氧化钛的组。
[0042]
矿物填料的平均尺寸有利地小于100微米，更有利地在1μm和100μm之间，甚至更有利地在1微米和50微米之间，并且甚至更有利地在1微米和10微米之间。当矿物填料呈附聚物形式时，它们的尺寸可以有利地在15微米和50微米之间。
[0043]
矿物填料的尺寸对应于填料截面的最大尺寸，例如球形填料的直径。
[0044]
有利地，对于水性悬浮液sa的100重量份干物质，矿物填料可以占据0至97重量份，或5至70重量份，或5至60份，或5至40份，或5至30份，或5至20份，或甚至3至10份。
[0045]
本领域技术人员应当知晓如何根据纤维素纤维和可能的添加剂的量来调节填料的量，特别是当干物质包括(对于100重量份)3至100重量份纤维素纤维，或3至20份，或3至30份，或3至40份，或甚至3至50份时。
[0046]
水性悬浮液sa可以任选地包括尺寸小于50微米的纤维素纤维，例如纳米纤维素和/或纤维素微原纤维，有利地，对于100重量份纤维素纤维，在50和90重量份之间，更有利地，在5和50份之间。
[0047]
水性悬浮液sa同样可以包括添加剂，例如淀粉或粘结剂，例如乳胶或任意其它常规涂料添加剂。对于sa的100重量份干物质，添加剂(不包括纤维素材料和矿物填料)可以占据0至90重量份，或5至70重量份。
[0048]
一旦制备，就将水性悬浮液sa用在步骤2/或2’/中。
[0049]
步骤2/或2’/
[0050]
该步骤(2/或2’/)包括通过喷雾将水性悬浮液sa沉积在基材上。
[0051]
该基材有利地基于纤维素纤维，和任选地，矿物填料。其特别可以由纸或纸板组成。在该情况下，可以部分或完全覆盖纸或纸板的一侧或两侧。因此，本发明可以允许形成多层体。
[0052]
在步骤2/或2’期间，基材可以是干的、湿的或潮湿的。因此，水性悬浮液sa可以喷雾到在例如造纸机的湿端处已经形成或者在形成过程中的纸或纸板上。
[0053]
然而，在形成过程中，喷雾有利地在例如在纸或纸板等半干基材上，即在湿基材上进行。湿基材是指包括至少15重量％的纤维素纤维和/或矿物填料和85重量％以下的水的基材。
[0054]
根据另一个特定的实施方案，水性悬浮液sa可以沉积在硅酮或聚氟乙烯基材上。在该情况下，特别是在例如烘箱中或甚至在露天干燥之后，可以回收纤维状沉积物。
[0055]
在不低于3mpa的压力下喷雾，即使组合物是高粘度的，也可以由组合物形成微滴。施加高压与喷雾喷嘴的小截面的组合加速水性悬浮液sa的运动速度，并且由此不仅克服水性悬浮液sa与粘度相关的流动阻力(尤其是由于sa是触变的或剪切稀化的)而且还克服水性悬浮液sa的表面张力。当加压的水性悬浮液sa穿过喷雾喷嘴时，其以致密的密集流(dense stream)的形式排出，当该密集流与空气接触时，密集流精细地破裂以形成微滴。这些微滴的尺寸有利地在1和800μm之间，更有利地在10和250微米之间。
[0056]
由于水性悬浮液sa的微滴的形成，在不低于3mpa的压力下的喷雾使得即使在低克重(有利地，0.1至50g/m2)下也形成均匀分布的沉积物。该在不低于3mpa的压力下喷雾的方法使得可以以最佳的均匀方式沉积纤维素纤维组合物。
[0057]
应当注意，常规喷雾通常在小于0.5mpa(5巴)的压力下进行。当水性悬浮液sa包括相对于水溶液总重量大于2重量％的纤维素纤维时，常规喷雾无法形成均匀的沉积物。当喷雾该组合物时，这些条件导致形成粗液滴，并且由此导致形成物质的块。该不均匀性通过喷雾的悬浮液的量而减弱。
[0058]
本发明可以通过在不低于3mpa的压力下喷雾来避免该缺陷。作为实例，由常规喷雾产生的液滴的尺寸通常在1000和6000微米之间，更特别地在2000和5000微米之间。
[0059]
另外，现有技术的喷雾方法喷雾包含比校准喷雾的开口小6至10倍的固体颗粒的组合物，因为本领域技术人员将明显地处理喷雾喷嘴的堵塞。
[0060]
在与任何理论无关的情况下，申请人认为由于纤维素纤维的柔性(当以悬浮液喷雾时，纤维素纤维可以在喷雾的压力和水性悬浮液sa的流变学作用下变形)而克服了该障碍。
[0061]
与常规纸或纸板制造方法不同，并且与常规喷涂(spray coating)不同，喷雾不需要排水/脱水。其不需要通过吸水或通过真空作用的脱水系统，更不干涉成形织物。因此，根据本发明的方法有利地在没有排水/脱水步骤的情况下进行。该方面还保证所涉及的添加剂的最佳保持，由此促使优化的控制和沉积量。因此，在干物质方面，纤维状沉积物df的组成与喷雾的水性悬浮液sa的组成相同。只有水的量将纤维状沉积物df的组成与水性悬浮液sa的组成区分开。
[0062]
另外，喷涂不仅适用于沉积尺寸不小于80μm的纤维，而且还适用于沉积包含相对于水性悬浮液总重量大于2重量％的纤维素纤维的组合物。喷涂需要通过“快速烘干(rapid kothen)”或强制脱水(抽吸)来最终排水。其在低压下进行。
[0063]
在不低于3mpa的压力下喷雾，可以形成纤维状沉积物df，该沉积物df不管其克重(每表面单位重量，例如g/m2)和组成如何在干燥期间都不收缩。
[0064]
方便地，喷雾(步骤2/或2’/)通过尺寸类似于，有利地，等于水性悬浮液sa的纤维素纤维的长度的喷嘴来进行。
[0065]
喷雾通过尺寸在0.05毫米和3毫米之间的喷嘴进行。喷雾喷嘴的尺寸有利地在0.1和2.5毫米之间，更有利地在0.2和2毫米之间，更有利地在0.4毫米和1.2毫米之间，甚至更有利地在0.5毫米和0.8毫米之间。
[0066]
喷雾条件(压力3mpa以上和小喷嘴0.05
‑
3mm)产生水性悬浮液sa的剪切。在剪切时，水性悬浮液sa粘性较小，并且由于其触变行为而可以喷雾。水性悬浮液sa的粘度在剪切时降低，并且当剪切结束时恢复到初始粘度或粘度经时增大。
[0067]
因此，喷雾条件导致sa悬浮液的剪切，并且使其粘性较小。然而，其不将纤维切断、细化或原纤化。
[0068]
这些条件(喷雾压力 喷嘴尺寸)进一步使本发明与常规喷涂方法区分开。
[0069]
在没有剪切的情况下，由于其粘度，不可能喷雾大于2.5wt％的纤维的水性悬浮液。
[0070]
根据本发明，喷嘴可以具有任意形状的喷出口(orifice)。例如，喷嘴可以具有封闭的环形喷出口(o形喷出口
‑
空心锥形喷雾)、开口的环形喷出口(全圆盘形
‑
圆形喷雾)、矩形喷出口(扁平喷雾)、坡形边缘矩形喷出口(具有坡形端部的扁平喷雾)。
[0071]
喷嘴尺寸是指喷嘴的最大尺寸，例如开口环形喷出口喷嘴的直径或矩形喷出口喷嘴的长度。
[0072]
喷雾喷嘴的尺寸和纤维素纤维的平均尺寸之间的比例有利地在1和6之间，更有利地在2和4之间。当水性悬浮液sa不包括尺寸大于纤维素纤维的平均尺寸的组分(矿物填料、添加剂等)时，该比例是特别适合的。
[0073]
当基材为多层纸或纸板时，喷雾沉积可以部分或完全覆盖基材的至少一个表面或基材中的一个层的至少一个表面。
[0074]
由于沉积在不与任何工具物理接触的情况下进行，喷雾可以避免纤维素纤维的任何块或凝结体。因此，与在其组合物中不使用纤维素纤维的涂覆/施胶技术相比，喷雾提供了无可争辩的优点。
[0075]
一般而言，可以在例如传送带等移动的基材上进行喷雾。因此，本领域技术人员将全部基于期望的克重和/或喷雾发生的距离来调节基材的速度和/或喷雾的水性悬浮液sa的流量和/或含水量。
[0076]
然而，喷雾有利地通过在以在5和1500m/分钟之间的速度下移动的基材上的固定(可能转动)装置来进行。
[0077]
另一方面，当喷雾时，例如为了改善复杂基材的涂覆，可以引导喷雾的喷射流。
[0078]
喷雾有利地在没有空气的情况下进行。
[0079]
喷雾压力有利地在3mpa和50mpa之间(30至500巴)，更有利地，在3mpa和30mpa之间(30至300巴)，并且甚至更有利地，在4mpa和10mpa之间(40至100巴)(10巴＝1mpa＝10
×
105pa)。
[0080]
喷雾速率有利地在0.5和10l/分钟之间的水性悬浮液a，更有利地，在1和5l/分钟之间。
[0081]
有利地，喷雾可以沉积0.1至50g/m2干物质，以形成步骤3/或3’/的纤维状沉积物df。
[0082]
步骤3/或3’/
[0083]
纤维状沉积物df具有有利的均匀组成。这涉及纤维素纤维和可能的矿物填料在沉积物中的分布。因此，纤维状沉积物df可以由于其均匀性而形成膜。特别是当基材为像硅酮或氟化乙烯丙烯时，可以处理该膜。
[0084]
该膜还具有轮廓效应，因为其完全遵循基材的形状。
[0085]
方便地，纤维状沉积物在其表面的至少90％上，更有利地，在其表面的90
‑
95％上，理想的是100％具有均匀的克重。均匀的克重是在纤维状沉积物的整个表面上变化小于10％，有利地小于5％，理想地为0％的克重。克重为形成纤维状沉积物的干物质的量。因此，其为喷雾到基材上的水性悬浮液a中的干物质的量。
[0086]
纤维状沉积物df的克重有利地在0.1和50g/m2之间，更有利地，在0.2和50g/m2之间，更有利地，在0.2和35g/m2之间，甚至更有利地，在0.5和25g/m2之间，甚至更有利地，在1和15g/m2之间，甚至更有利地，在1和12g/m2之间，优选在1和8g/m2之间，并且甚至更优选在1和3g/m2之间。其可以包括特别是在0.2和3g/m2之间。
[0087]
根据本发明的特定实施方案，在基材上进行步骤2/或2’/优选1至20次，更优选1至15次，甚至更优选1至10次。
[0088]
重复喷雾步骤2/或2’/可能是必要的，以便例如当沉积物df的克重为0,1g/m2以上时达到期望的克重。因此，沉积物df的克重可以超过50g/m2。然而，其优选为20g/m2以下，更优选10g/m2以下。
[0089]
然而，第二实施方案的覆层和/或阻挡层对应于克重有利地在0.1和30g/m2之间，更有利地，在0.3和10g/m2之间的纤维状沉积物df。
[0090]
通常，df沉积物(第一或第二实施方案)的厚度优选在0,2至50微米，更优选为0,5至25微米，甚至更优选为1至15微米的范围内。
[0091]
一旦形成纤维状沉积物df，不管基材如何，该方法可以包括在喷雾之后干燥的步骤。干燥可以有利地在20和100℃之间，更有利地在40和80℃之间的温度下进行。
[0092]
作为实例，纤维沉积物df可以通过造纸机的压榨部来干燥，特别是当水性悬浮液a包括97重量份以下的水时，特别是当在形成过程中基材是纸或纸板时。
[0093]
本发明的应用范围特别地包括复合生物材料、包装，并且更一般地包括在纸和纸板工业中。
[0094]
从以下附图和实施例中将更好地理解本发明和从其得到的优点，以便提供本发明的非限制性说明。
附图说明
[0095]
图1示出根据本发明的主题方法的、在不低于3mpa的压力下喷雾纤维素纤维组合物。
[0096]
图2示出纤维素纤维组合物的喷涂。
具体实施方式
[0097]
根据以下步骤将纤维素纤维的组合物沉积在基材(80g/m2印刷和书写纸)上：
[0098]
a)以重量计包括以下的水性悬浮液sa的制备：
[0099]
‑
至少95％的水，
[0100]
‑
1至2％的碳酸钙，
[0101]
‑
3至4％的来自mow的纤维素纤维(在水中包含85wt％纤维和15wt％
[0102]
填料的混合办公废料)
[0103]
b)将水性悬浮液sa喷雾在80g/m2印刷和书写纸上，喷雾压力为95巴，流量为2.3l/分钟
[0104]
c)在30℃下露天干燥25分钟
[0105]
d)在80g/m2印刷和书写纸上获得1.5g/m2的纤维状沉积物df。
[0106]
喷雾喷嘴的尺寸为600微米。纤维素纤维的平均长度为400微米。
[0107]
该沉积物如图1所示。喷雾条件产生微滴，而现有技术的条件(喷涂，图2)产生大的、不规则尺寸的液滴。
[0108]
遵循相同的步骤，以便制备表1和表2的沉积物。
[0109]
样品技术纤维纤维/填料水中填料的wt％填料沉积物(g/m2)厚度(μm)1本发明bekp100/00 28172本发明bekp100/00 50,6223本发明bekp100/00 88,3934本发明bekp100/00 57,4275本发明bekp100/00 58226本发明bekp100/00 62,1247本发明bekp100/00 90,8328本发明bekp100/00 56,6279涂覆bekp100/00 1610涂覆occ90/1011颜料1,5611涂覆bekp20/8080碳酸钙153612涂覆bekp20/8080碳酸钙101813涂覆bekp20/8080碳酸钙512
[0110]
表1：纤维素纤维膜
[0111]
bekp 漂白阔叶木浆：平均尺寸为200微米的纤维素纤维
[0112]
occ 旧瓦楞纸板：平均尺寸为200微米的纤维素纤维
[0113]
填料 平均尺寸为10微米的颜料和碳酸钙
[0114]
表2：喷雾条件
[0115]
1巴＝0,1mpa
[0116]
喷嘴种类是25或30，并且限定喷嘴种类和平均直径。
[0117]
喷嘴种类以μm计的当量直径以
°
计的喷雾角25.1155060
°
25.1355067
°
30.1161060
°
30.1361067
°
[0118]
表3：喷嘴特性