制备包含纤维素浆纤维和热塑性纤维的组合物的方法

制备包含纤维素浆纤维和热塑性纤维的组合物的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于制备包含纤维素浆纤维和热塑性纤维的组合物的方法，其中，所述方法包括下面的步骤：将精制的水性浆料悬浮液与热塑性纤维的水悬浮液混合。本发明还涉及通过所述方法可获得的组合物和复合品。
【专利说明】制备包含纤维素浆纤维和热塑性纤维的组合物的方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种制备包含纤维素浆纤维和热塑性纤维的组合物的方法。此外，本 发明涉及在所述方法中形成的包含纤维素浆纤维和热塑性纤维的组合物和/或物品。热塑 性纤维可以是聚乳酸纤维。

【背景技术】
[0002] 在过去二十年，来自可再生资源的聚合物已吸引了越来越多的关注，这主要是由 于以下两个原因：环保意识和石油资源的限制。像大多数来自石油原料的聚合物，来自可再 生资源的聚合物很少以纯态被用作功能材料。反之，包含来自可再生资源的聚合物的复合 材料经常被用来改善特定的性能。
[0003] 纤维素纤维广泛地用在聚合材料中，以改善复合材料的机械性能。纤维素为从植 物纤维中获得的主要物质，并且纤维素纤维增强的聚合物的应用在最前沿伴随着对可再生 原材料的焦点。
[0004] 利用来自天然资源的单体的合成聚合物的发展，为开发来自可再生资源的环境友 好的可生物降解的聚合物提供了新的方向。关于这一点，最有前景的聚合物之一为聚乳酸 (PLA)，这是因为其可由农业产品制成，且可容易生物降解。
[0005] 用于制备两种或更多种聚合物的新型混合物的通常目的不是彻底地改变聚合物 的性能，而是利用混合物的最大可能的性能。
[0006] 通过各种纤维素纤维增强的PLA基质的使用已被广泛地报道。纤维素纤维已成功 地提高了 PLA基质的模量和抗拉强度。然而，疏水性PLA和亲水性纤维素纤维之间的不良 界面导致差的机械性能。为了改善PLA纤维和基于纤维素的纤维之间的界面，已研制出各 种表面处理，例如，酯化、碱处理和氰乙基化。然而，生产纤维素纤维和PLA纤维的均质混合 物仍是一个问题。当制造具有大量的生物纤维的纸时，这点尤其是正确的，因为长的生物纤 维倾向于形成束和纤维屑。此外，当将生物聚合物（例如，PLA)与纤维素纤维混合时，纤维 素的强度将通常被降低。均质性的缺乏使所获得的产品的结构变差，进而形成具有不均匀 的性质的产品。因此，获得纤维素和生物纤维的尽可能均质的混合物是非常重要的。通过 利用短纤维素纤维的悬浮液，可提高均质性。然而，利用短纤维素纤维的悬浮液的缺点是， 机械性能（例如，所得到的材料的撕裂强度）变差。
[0007] -种增加如上文所公开的组合物的均质性的方法是，向纤维悬浮液加入例如润滑 剂和/或表面活性剂。润滑剂和/或表面活性剂将降低纤维之间的摩擦，从而减少大量纤 维屑的形成。然而，润滑剂和/或表面活性剂的加入趋向于产生发泡的问题。其他的方法 涉及改变纤维素纤维的表面。然而，这些解决方案未完全解决下面的问题：提供包含热塑性 纤维（例如，PLA纤维）和纤维素纤维，且当转变成不同产品时具有良好的匀度、可控的透 气度、良好的折叠和撕裂指数的适宜的复合品。
[0008] WO 2009008822公开了用于制备具有降低的机械吸附蠕变的复合材料的方法。然 而，所公开的方法未克服提供均质性的问题。
[0009] 本发明的目的是提供一种用于制备包含纤维素浆纤维和热塑性纤维的组合物的 改进方法。此外，本发明的目的也是提供克服上述问题的包含纤维素浆纤维和热塑性纤维 的组合物和复合品。热塑性纤维可以是PLA纤维。


【发明内容】

[0010] 本发明涉及一种用于制备包含纤维素浆纤维和热塑性纤维的组合物的方法，其 中，所述方法包括下面的步骤：
[0011] a)将精制的湿浆料与热塑性纤维的水悬浮液混合。
[0012] 已惊奇地发现，通过精制纤维素浆纤维，随后将湿态下的精制的纤维素浆纤维与 热塑性纤维的水悬浮液混合，避免了上述问题。因此，当混合在一起时，精制的纤维素浆纤 维以及热塑性纤维处于湿态。热塑性纤维未被精制，即，它们是未精制的热塑性纤维。在与 热塑性纤维混合之前，纤维素浆纤维被精制至所期望的程度。以这种方式，可获得纤维素浆 纤维的所期望的形状和/或性质，例如，纤维长度、解缠、机械强度、抗拉指数和张力，而不 影响热塑性纤维。由于热塑性纤维会以不期望的方式受到精制引起的影响，故这点是明显 的好处。例如，热塑性纤维的精制会导致纤维缩短、纤维表面改性、熔化、团块和/或堵塞的 形成。特别地，包覆的热塑性纤维会在精制期间失去它们的所有或部分的涂层，从而改变在 将湿态下的精制的纤维素浆纤维与热塑性纤维的水悬浮液混合而产生的分散体系中的纤 维性质和性能。
[0013] 本文所述描述的方法的其他优点是，其允许利用卷曲的以及直的（即，非卷曲的） 热塑性纤维，例如，PLA纤维。与袋提供的直的热塑性纤维相比，由于卷曲的热塑性纤维被 处理成捆，故在工业规模上优选使用卷曲的热塑性纤维。当制造例如纸张时，与卷曲的纤维 相比，非卷曲的纤维将被预计以不同的方式展开，从而影响所生成的纸张的机械性能。出乎 意料地，本发明的发明人已发现，当分别利用卷曲的热塑性纤维和非卷曲的热塑性纤维时， 自本文所描述的方法所得到的组合物和复合品的机械性能显示出基本上相同的机械性能。
[0014] 包含纤维素浆纤维的浆料的精制可利用常规的精制机进行，该精制机，例如，但不 受限于，圆锥式精制机、盘式精制机和圆柱式精制机。可利用60kWh/吨至300kWh/吨、例如 80kWh/吨至IlOkWh/吨、例如IOOkWh/吨的输入能量，进行精制。精制可在60°C至90°C的 温度范围内进行。此外，精制可在lj/m至5J/m的单位边缘载荷（S卩，跨越精制机的板的一 米所施加的能量的量（焦耳））下进行。
[0015] 纤维素浆纤维可从漂白的或未经漂白的浆料中获得。浆料可以是木浆或来自植物 (例如，棉花、大麻和竹子）的浆料。因此，纤维素浆纤维可以是纤维素木浆纤维。所述浆料 可直接从制浆厂获得，或其可以为来自制浆作业线的从未干燥过的浆料，以及干燥的浆料。 从未干燥过的浆料可以是从未干燥过的软木浆。从未干燥过的浆料也可以是从未干燥过的 软木牛皮纸浆。使用从未干燥过的浆料具有例如降低的能量需求和降低的成本这样的优 点。浆料可从技术人员已知的制浆工艺中制得。
[0016] 在本文所定义的组合物中的纤维素纤维可具有0· 5mm至4mm，例如Imm至3mm，例 如2mm至3mm的长度。此外，纤维素浆纤维可通过使用化合物（例如，但不受限于，例如 CMC(羧甲基纤维素））而被化学改性。此外，CMC可减少摩擦，改善纤维的分散。
[0017] 待与热塑性纤维混合的精制的纤维素浆纤维处于湿态，即，它们与水混合。正如本 文中所使用的，湿态下的纤维素浆纤维被称为湿浆料。湿浆料可以是浆料悬浮液或液体浆。
[0018] 纤维素浆纤维可包含在浆料悬浮液（即，含有2重量％至30重量％的纤维素浆纤 维的水悬浮液）中。浆料悬浮液通过向纤维素浆纤维加入水或白水而获得。浆料悬浮液的 浓度可以为4重量％或更小，例如，0. 1重量％至4重量％，例如1重量％至4重量％，例如 3重量％至4重量％，例如低于3. 5重量％，例如2重量％至4重量％。
[0019] 在将热塑性纤维与精制的湿浆料混合之前，使热塑性纤维悬浮在水中。水可以具 有70°c或更低的，例如60°C、例如50°C的温度。基于热塑性纤维，所获得的悬浮液的浓度 可以为2重量％至5重量％，例如3. 5重量％。通过将热塑性纤维悬浮在水中，且利用所形 成的热塑性纤维的水悬浮液用于湿浆料混合，大大地促进了热塑性纤维的处理。此外，热塑 性纤维的水悬浮液与湿浆料的混合提供了均质的悬浮液。这与利用干的热塑性纤维形成对 t匕，该干的热塑性纤维导致非均质的混合物，在该混合物中，存在纤维束。
[0020] 因此，提供一种用制备包含纤维素浆纤维和热塑性纤维的组合物的方法，其中，所 述方法包括下列步骤：
[0021] a)将精制的水性浆料悬浮液与热塑性纤维的水悬浮液混合。水性浆料悬浮液的浓 度可以为等于或小于4重量％，例如，0. 1重量％至4重量％，例如1重量％至4重量％，例 如3重量％至4重量％，例如低于3. 5重量％，例如2重量％至4重量％。
[0022] 可替选地，纤维素浆纤维可包含在液体浆（即，在水中含有35重量％至50重量％ 的纤维素浆纤维的浆料）中。因此，提供一种用制备包含纤维素浆纤维和热塑性纤维的组 合物的方法，其中，所述方法包括下列步骤：
[0023] a)将精制的水性液体浆与热塑性纤维的水悬浮液混合。
[0024] 将理解到，如本文所描述的方法可在步骤a)之前包括精制纤维素浆纤维的步骤。 因此，提供一种用于制备包含纤维素浆纤维和热塑性纤维的组合物的方法，其中，所述方法 包括下列步骤：
[0025] a')精制楽料，以及
[0026] a)将精制的浆料与热塑性纤维的水悬浮液混合。
[0027] 在本文所描述的方法中，热塑性纤维的水悬浮液的浓度可为2重量％至5重量％， 例如3重量％至4重量％，或大约为3. 5重量％。
[0028] 此外，热塑性纤维（例如，PLA纤维）可涂覆有涂层。
[0029] 该涂层可包括非离子聚合物和/或阴离子聚合物和/或阳离子聚合物和/或润滑 齐U。通过本文所描述的方法获得的复合材料和复合品的均质性可通过将热塑性纤维涂覆涂 层而增强。涂层可能够分离纤维素纤维和热塑性纤维，从而减少纤维的团聚。涂层也可被 称为表面处理组合物或涂饰表面。
[0030] 涂层可包括40重量％至60%的润滑剂、15重量％至35%的阴离子聚合物、和10 重量％至25%的非离子聚合物。涂层也可包括1重量％至5%的抗微生物剂、抗氧化剂、抗 摩擦剂和/或粘度调节剂。润滑剂可选自蜡（例如，合成蜡）、酯（例如，硬脂酸丁酯）、乙 氧基酯、乙氧基脂肪酸、乙氧基脂肪酸和聚醚。阴离子聚合物可选自阴离子表面活化剂，例 如，抗静电剂，例如，烷基酸磷酸酯及其盐、在前提到的物质的乙氧基衍生物、乙氧基脂肪酸 和醇的磷酸盐、有机硫酸盐和有机磺酸盐。非离子聚合物可选自非离子表面活化剂，例如， 乳化剂，例如，聚乙二醇、聚乙二醇酯和醚、甘油基脂肪酸酯、乙氧基醇、脂肪酸、脂肪酰胺、 烷基酚或其衍生物。包含在涂层中的每种组分的选择取决于如本文所限定的组合物的用 途，例如，如果组合物将在美国用于食品应用，那么应该选择由食品和药物管理局（FDA)批 准的组分。
[0031] 相对于热塑性纤维的量,涂层的量的范围可以从0. 19重量％至0. 5重量％ ,例如， 从0. 25重量％至0. 45重量％，例如，从0. 30重量％至0. 40重量％。此外，涂层可不必须 涂覆整个热塑性纤维，即，热塑性纤维可被部分地涂覆。此外，纤维可不必须涂有相同的涂 层，因此，热塑性纤维的总量可包括具有不同组成的涂层的热塑性纤维。同样地，并非所有 的热塑性纤维可被涂有如在上文或在下文中所限定的涂层，例如，但不受限于，80%或更多 的热塑性纤维可被涂覆，例如，80 %至99 %的热塑性纤维可被涂覆。热塑性纤维可被涂覆有 一层、两层或更多层的涂层。正如先前所提到的，热塑性纤维可以是PLA纤维。
[0032] 存在可用于向热塑性纤维（例如，PLA纤维）涂抹涂层的不同工艺。最通常利用的 工艺之一包括在辊上牵引纤维，反过来，该辊在含有涂层的浴器中旋转。所涂抹的涂层的量 由辊的速度、涂层的粘度、和涂层的润湿潜力来确定。当生产热塑性纤维诸如PLA纤维时， 可向热塑性熔化物（例如，PLA熔化物）中加入添加剂。这种添加剂的例子为可以以0.1% 至0.5%的量加入的乙撑双硬脂酰胺（EBS)。EBS有助于使纤维变软且有柔性，还降低金属 粘着力。
[0033] 热塑性纤维可选自聚烯烃、聚酯、聚碳酸酯、乙烯类聚合物、及其共聚物的纤维；及 其混合物。聚烯烃可选自聚乙烯和聚丙烯。聚酯可选自聚羟基丁酸酯（PHB)和PLA。
[0034] 热塑性纤维可选自由聚乙烯（包括LDPE (低密度聚乙烯）、LLDPE (线性低密度聚 乙烯）、MDPE (中密度聚乙烯）、HDPE (高密度聚乙烯）、聚羟基丁酸酯（PHB)和PLA和它们 的共聚物制成的纤维。
[0035] 优选地，热塑性纤维为PLA纤维。PLA纤维可被涂有如本文所描述的涂层。
[0036] 热塑性纤维（例如，如本文所描述的组合物或复合品的PLA纤维）可具有Imm至 6mm的长度。此外，热塑性纤维（例如，PLA纤维）可具有0. 5至2. 0,例如0. 9至1. 7,例如 1. 5至1. 7的纤度。热塑性纤维（例如，PLA纤维）可具有98°或更大，例如高达180°的 卷曲角度。根据本发明，热塑性纤维（例如，PLA纤维）可具有1卷曲/cm至7卷曲/cm，例 如1卷曲/cm至4卷曲/cm的卷曲数。意想不到地,在本文所描述的方法中,和当使用非卷 曲的热塑性纤维时一样，卷曲的热塑性纤维被发现提供了具有关于例如透气度和密度的基 本上相同的性质的组合物和复合品。热塑性纤维（例如，PLA纤维）的结晶度可以改变。例 如，热塑性纤维（例如，PLA纤维）可具有40%的结晶度。结晶度将取决于如本文所限定的 组合物的预期用途。
[0037] 如本文所描述的方法还可包括下列步骤：
[0038] b)使组合物脱水得到复合品，以及 [0039] c)干燥复合品。
[0040] 可使用压制机进行脱水，压制机例如，但不受限于，辊式压制机或靴型压制机。同 样，可使用数个连续的压制机（例如，两个或更多个压制机）进行脱水。已经受脱水的复合 品可具有30重量％至70重量％、例如40重量％至65重量％的含水量。
[0041] 可使用急骤干燥机或板式干燥机进行干燥。已经历干燥的复合品可具有1重量％ 至30重量％，例如5重量％至20重量％的水含量。
[0042] 本文所描述的方法将提供包含纤维素浆纤维和热塑性纤维的组合物和复合品。 组合物可被转变成复合品（例如，薄片或捆）。该捆可具有50kg至300kg，例如IOOkg至 300kg，或IOOkg至200kg的重量。例如，当制造捆时，组合物可通过利用压制机而被压紧。 复合品适合于存放、运输、和进一步转换成各种产品（例如，纸张、容器、食品容器、特种纸、 薄页纸、茶叶袋、标签、家具、防伪纸、钞票纸、纤维板、纸板、织物、层压板、和广告牌。已发 现，由根据本文所描述的方法生产的复合品制成的纸张具有关于撕裂指数、抗拉刚度、可控 的透气度和匀度的极佳的性能。纸张包含在高于热塑性材料的熔点的温度下干燥的纤维素 纤维和热塑性材料。热塑性材料可以是PLA。在下文中描述匀度的测量。
[0043] 如在本文所限定的组合物和/或复合品可包括70重量％或更少的热塑性纤维，例 如5重量％至50重量％的热塑性纤维，例如，10重量％至40重量％的热塑性纤维，例如，10 重量％至30重量％的热塑性纤维。热塑性纤维可以是PLA纤维。
[0044] 通过在本文所描述的方法获得的复合品可用作用于制造所期望的产品的起始材 料。可替选地，复合品在转变成所期望的产品之前可经受额外的处理。例如，如在本文所描 述的复合品在转化成产品（例如，茶叶袋、标签和特种纸）之前可被破裂、切碎、悬浮在水中 和/或精制。此外，技术人员意识到，在组合物或复合品被转化成不同的产品之前，可加入 其他组分。该组分的示例包括有机颜料或无机颜料、粘结剂、助留剂、植绒剂、粘合剂和/或 固定剂。
[0045] 因此，提供一种如本文所描述的还包括下列步骤的方法：
[0046] d)精制复合品。
[0047] 本文所描述的方法还可包括下列步骤：
[0048] e)添加热塑性纤维的水悬浮液。
[0049] 本文所描述的方法还可包括下列步骤：
[0050] f)使步骤e)的组合物脱水形成复合品，以及
[0051] g)在高于热塑性纤维的熔点下干燥复合品。
[0052] 匀度的测量
[0053] 匀度为纤维在纸张的平面内的分布，S卩，在一张纸的平面内质量分布的小范围变 化。匀度数，本文也称为匀度，为通常公认的匀度的量化指标，并且为局部克重的变化系数， 艮P，标准偏差与纸张平均克重的比。匀度被因此测量。
[0054] 通过将纸张样品暴露于β源（C-14)，并通过图像板记录透过纸张的辐射，形成射 线照片图像。扫描后的数字灰度图像通过沿着样品的一侧利用具有已知的克重水平的校正 条，被转移至实际的克重图。从克重图中进行匀度分析。分析提供了匀度数。
[0055] 所用的设备：
[0056] 福射源：C_14,尺寸至少120mm xl20mm，通常活度750MBq
[0057] 校正框：3至8条带，该基重是已知的
[0058] 扫描仪：具有IP清除器或类似物的Fujifilm IP阅读器
[0059] 成像板（IP) :Fujifilm BAS-IP MS 型或类似物
[0060] 软件：MatLab评估工具。
[0061] 程序被因此进行：
[0062] 测量样品的基重，然后将样品隔夜存储，用于调节。对样品进行称重，以g/m2为单 位计算克重。
[0063] 图像板在使用前必须被擦除。擦除时间至少20min。测量板也被擦除至少1分钟。
[0064] 为了获得图像板的同样的曝光，不依赖于样品的基重，曝光时间必须通过下面的 等式而变化：
[0065] (1)曝光时间=AeljB
[0066] 式中，A为取决于放射性源的强度的常数，μ为吸收系数：通常为0.031，B为样品 的平均基重。
[0067] 用于扫描仪中的每个像素的曝光的单元具有单元PSL，该单元PSL为用于Fuji设 备的内部单元。PSL水平与在曝光板上的纸的图像的平均灰度水平联接。通过评估程序，显 示PSL水平。
[0068] 来自等式⑴中的常数A被固定为PSL水平30。根据下面的程序，以找出对于每 个曝光系统必须被校正的系数A :
[0069] -将A设定为5 :在公式：（1)中。
[0070]-获取纸样品，测量基重，计算曝光时间。
[0071]-对纸样品进行曝光所计算的时间。如果在评估程序中所显示的PSL变成35,那 么对于该曝光设备，A = 5*30/35。
[0072] 在标准中存在两个PSL水平：
[0073] 高水平：PSL = 3〇
[0074] 低水平：PSL = 10
[0075] 当高的精确度是重要时，推荐PSL = 30。
[0076] 当用于分析的时间是重要时，可使用PSL= KLPSL= 10给出了稍微嘈杂的结果。 对于PSL = 10的曝光时间为对于PSL = 30所计算出的时间的1/3。
[0077] 样品被放在图像板和C-14辐射源之间。在对样品进行曝光之后，在曝光结束后的 1/2小时内，在Fuji扫描仪中读取图像板。空间分辨率被设定为100 μ m。当曝光时间已过 去时，通过曝光单元，曝光被自动停止。然而，在曝光已结束后的半小时内，扫描图像板。将 图像板放置在扫描仪中，该扫描仪扫描所曝光的图像至计算机。
[0078] 通过曝光没有样品的图像板至PSL水平30,获得背景轮廓（3D形貌）。平滑背景 轮廓，利用其修正所有的图像，提供更加精确的结果。
[0079] 通过沿着样品（例如，聚酯薄膜）的一侧，利用已知的克重条，进行对于灰度等级 图像的基重校正。
[0080] 从基重图像中计算匀度参数。
[0081] 定义
[0082] 术语热塑性纤维指的是基于聚合物的纤维，这里，聚合物可具有可再生来源或非 可再生来源。纤维的特征在于，当加热时，获得熔点。热塑性纤维的示例包括聚烯烃、聚酯、 聚碳酸酯、乙烯类聚合物、和它们的共聚物及其混合物。
[0083] 正如本文所使用的，术语"聚乳酸"（也被称为聚丙交酯或PLA，其为热塑性脂肪族 聚酯）意在也包括聚-L-丙交酯（PLLA)、聚-D-丙交酯（TOLA)和聚（L-丙交酯-共-D， L-丙交酯）（PLDLLA)。
[0084] 术语"纤维质纤维"和"纤维素纤维"意在包括来自任何植物和基于植物的材料的 纤维。然而不受限于此的该纤维的示例为来自木材、棉花、大麻和竹子的纤维。然而不受限 于此的木质纤维的示例为来自松树、云杉、桦木和桉树的纤维。制造方法的示例包括化学制 浆、化学热机械制浆（CTMP)、热机械制浆（TMP)、烧碱法蒸煮和有机溶剂法。
[0085] 表达"纤维素浆纤维"意在指来自浆料的纤维素纤维。浆料可从任何植物和基于 植物的材料（例如，软木、硬木、棉花、大麻和竹子）中获得。
[0086] 术语"匀度"意在指纤维在纸张的平面内的分布，并且可指可见光的传播（光学匀 度）或β-辐射线的传播（纸张匀度）。
[0087] 术语"卷曲"意在指纤维的波浪状，即，这样一种状况，其中，纤维在最小外部应力 下的轴线偏离直线，且遵循简单的或复杂的或不规则的波浪形的路径。
[0088] 术语"卷曲角度"意在指卷曲波的斜边和基准线之间的角度α，可用来表征卷曲几 何结构。卷曲角度为卷曲曲线的两个斜边之间的角度，表示卷曲的锐度。
[0089] 术语"卷曲数"（也被称为卷曲频率或卷曲数目）表征拉直纤维的单位长度的卷曲 曲线或卷曲波的数目。
[0090] 术语"湿浆料"意在指与水混合的纤维素浆纤维。
[0091] 液体浆意在指在水中包含35重量％至50重量％的纤维素浆纤维的浆料。
[0092] 术语浆料悬浮液意在指包含2重量％至30重量％的纤维素浆纤维的水悬浮液。

【专利附图】

【附图说明】
[0093] 参照附图，将更加详细地对本文所公开的方法进行描述，其中：
[0094] 图1示出如本文所限定的方法的流程图。
[0095] 图2示出用于制造捆的方法的流程图。
[0096] 图3示出制造片材的方法的流程图。
[0097] 图4示出纤维的卷曲角度α。
[0098] 图5示出通过不同的精制程序和不同的PLA浓度所生产的纸张的性能。
[0099] 图6分别示出包含卷曲的PLA纤维和非卷曲的PLA纤维的纸张的性能。
[0100] 应注意到，附图未按比例绘制，并且为了清晰，某些特征的尺寸被放大。

【具体实施方式】
[0101] 图1示出如本文所限定的方法的流程图。
[0102] "PL"为用于热塑性纤维（例如，PLA纤维）的容纳容器。
[0103] "PU"为用于纤维素浆悬浮液或液体浆的容器。
[0104] "DL1"为热塑性纤维浆体的制备步骤。
[0105] "DL2"为液体浆/稀释物的制备步骤。
[0106] "ST"为热塑性纤维浆体的存放塔。
[0107] "RE"为精制步骤。
[0108] " DE "为脱水步骤。
[0109] "FD "为急骤干燥机。
[0110] "SH"为片材干燥机。
[0111] 在脱水步骤之前混合PLA和纤维素。
[0112] 可对包含纤维素纤维（例如，浆料悬浮液或液体浆）的浆料进行精制步骤。纤维 素纤维的精制可增加纤维素纤维的溶胀，从而减小纤维之间的摩擦，提高如本文所限定的 组合物的均质性。对于由所述组合物制造的纸张，这点也是正确的。精制可对精制的纤维 素浆纤维的机械性能（例如，抗拉指数、Z强度和最大张力）提供积极的影响。在精制步骤 中，浆料可被泵送到精制机中，进一步到转子和定子之间的区域中。转子具有泵送功能，将 浆料带入到精制段之间的区域中，并将浆料转移至精制区的另一侧。在精制段中的中空槽 将运输浆料，同时在转子和定子之间的窄的区域中进行精制。杆角度可选自20°至40°， 例如30°。
[0113] 可利用温度低于热塑性纤维的熔点的热风来进行干燥，并且可在数个步骤中进行 干燥。
[0114] 图2公开一种用于制造包含如本文所限定的组合物的被急骤干燥的捆的方法。组 合物（备料）可被脱水和压制。固体含量可因此被增加，组合物可被切成碎片，进而可形成 薄片。然后，这些薄片可通过气流转移至急骤干燥机，其中，浆片可通过例如数个步骤被干 燥。在干燥后，薄片可通过利用螺旋进料机进入第一压制机，其中，可形成捆。其后，该捆可 被带入到第二压制机，其后被包装。
[0115] 图3公开一种用于制造包含如本文所限定的组合物的片材的方法。在制备所述组 合物（备料）期间，纤维素纤维和热塑性纤维（例如，PLA纤维）混合，可调节pH值，组合 物可通过白水（即，来自制浆工艺的湿端的滤液）稀释成浓度为0.15重量％。然后，所获 得的组合物可被泵送至流浆箱，且可被均匀地分布在成形网。
[0116] 成形网可以是聚氨酯的环状布或类似材料，其中，纤维悬浮液可被过滤，热塑性纤 维和纤维素纤维在脱水期间可被保留在网的顶部，同时溶剂/白水穿过可渗透的布网。通 过重力和真空进行脱水。在被转移至压毡之前，湿网的固体含量可以是大约20%，然后进入 压制工段。超声设备可用来改善湿网的构造和脱水。
[0117] 压制工段可包括一个或多个压制机，例如，但不受限于，辊式压制机或靴型压制 机。压制工段的主要任务可以是增加固体含量，从而降低所需的干燥能量。通过对湿网机 械冲击可进行脱水，水可被压出到压毡。
[0118] 干燥工段可包括通过干燥机的几百米长的干燥路径。通过热风（150°C )可进行干 燥，该热风可通过热蒸汽加热。干燥机可包括数个级别，其中，湿网可被转移在板上方，热风 可通过窄的喷嘴吹出。在干燥步骤之后，所获得的网的温度可被降低，网可被切成单独的纸 张，该纸张可被堆积成堆，直到已达到最终的堆叠高度。在下面的步骤中，该堆被压制，并且 可打成捆复合品（例如，捆）可被转变为片材或小卷。
[0119] 图4示出纤维的波浪状。纤维被描绘成实线。纤维具有卷曲角度α。
[0120] 图5示出通过不同的精制程序和三种不同的PLA浓度所制造的纸张的性能。按照 在下文的实施例2中所描述的，进行物理测试。按照在本文件中所描述的，测量匀度。
[0121] 三种不同的PLA浓度指的是浓度为10重量％、20重量％和30重量％的PLA的水 性悬浮液。命名为"浆磨（pulp mill)"的程序指的是在生产浆料/PLA混合物期间，仅对纤 维素浆进行精制的试验，而"纸磨（paper mill)"指的是仅对浆料/PLA混合物进行精制的 试验。
[0122] 浆磨：
[0123] 命名为"浆磨"的程序指的是精制浓度为4重量％的从未干燥过的软木牛皮纸浆， 在此之后，其与PLA纤维的水溶液混合。
[0124] 利用干的4mm的PLA纤维，且在水中稀释，制得4%的PLA纤维的悬浮液。类似地， 由从未干燥过的纤维素浆制得4%的浆料悬浮液。以实验室精制机LR40仅对纤维素浆进行 精制。用于精制的输入能量为l〇〇kWh/t。
[0125] 将悬浮液在搅拌机中混合，通过离心脱水。全部的湿的混合物被首先转换形成大 约Icm宽的抛片（fling)，该抛片被存储在大的干燥篮中，使得抛片的层为5cm高。然后，将 具有抛片-浆料的干燥篮放在干燥室中，干燥。在90°C和50% Rh下，通过热风，对在干燥 室中的抛片浆料进行干燥。热风在干燥室内循环，自动控制温度和Rh。热风从干燥室的下 面吹出，穿过干燥篮和湿的浆料/PLA抛片。继续进行干燥，直到浆料/PLA混合物的水分含 量降至10%。在干燥之后，浆料/PLA混合物被分解在水中，至4%的稠度，根据在SCAN-CM 26:99中所描述的标准程序，以Finnish纸张成型机制得湿的纸张。所生产的尺寸为16. 5cm xl6. 5cm的纸张的基重为100g/m2。根据精制和溶胀，湿的纸张被压制在两张吸墨纸之间，至 固体含量大约为40%至50%。限制在23°C和50% Rh下，将湿的被压制的纸张干燥48小 时，在那之后，制备的纸张用于热压。在热压之前，纸张在105°C的烘箱中干燥15分钟。在 该干燥之后，在平面式压制机中，在180°C的温度和200N/cm 2的压力下，将纸张压制7分钟。 具有熔化的PLA的"活性的"纸张被冷却，保留在23°C和50% Rh的测试实验室中，直至对 其进行分析。
[0126] 纸磨：
[0127] 利用干的4mm的PLA纤维，且在水中稀释，制得4%的PLA纤维的悬浮液。类似地， 由从未干燥过的纤维素浆制得4%的浆料悬浮液。
[0128] 将悬浮液在搅拌机中混合，通过离心脱水。全部的湿的混合物被首先转换形成大 约Icm宽的抛片，该抛片被存储在大的干燥篮中，使得抛片的层为5cm高。然后，将具有抛 片-浆料的干燥篮放在干燥室中，干燥。在90°C和50% Rh下，通过热风，对在干燥室中的 抛片浆料进行干燥。热风在干燥室内循环，自动控制温度和Rh。热风从干燥室的下面吹出， 穿过干燥篮和湿的浆料/PLA抛片。继续进行干燥，直到浆料/PLA混合物的水分含量降至 10%。
[0129] 在干燥之后，浆料/PLA混合物被分解在水中，至4 %的稠度，以实验室精制机LR40 对全部混合物进行精制。用于精制的输入能量为100kWh/t。
[0130] 在精制之后，浆料/PLA悬浮液被稀释，根据在SCAN-CM 26:99中所描述的标准程 序，以Finnish纸张成型机制得湿的纸张。所生产的尺寸为16. 5cm xl6. 5cm的纸张的基重 为100g/m2。根据精制和溶胀，湿的纸张被压制在两张吸墨纸之间，至固体含量大约为40% 至50%。限制在23°C和50% Rh下，将湿的被压制的纸张干燥48小时，在那之后，制备用 于热压。在热压之前，纸张在105°C的烘箱中干燥15分钟。在该干燥之后，在平面式压制 机中，在180°C的温度和200N/cm 2的压力下，将纸张压制7分钟。具有熔化的PLA的"活性 的"纸张被冷却，保留在23°C和50% Rh的测试实验室中，直至对其进行分析。
[0131] 待使用的方法将取决于纸张所期望的性能。例如，当想得到高的湿强度时，结合10 重量％的PLA浓度，可利用浆磨程序。
[0132] 图6示出根据本文所描述的实施例2所制造的纸张的性能。分别利用卷曲的纤维 和非卷曲的纤维。意想不到地，包含卷曲的PLA纤维的纸张显示出基本上与包含非卷曲的 (即，直的）PLA纤维的纸张相同的性能。
[0133] 其他方面
[0134] 提供针对用于制备包含热塑性纤维和纤维素纤维的组合物的方法的第一其他方 面，其中，所述方法包括下列步骤：
[0135] a)精制浆料；
[0136] b)将来自步骤a)的精制的浆料与未精制的热塑性纤维混合。
[0137] 在又一方面中，提供包含如本文所限定的组合物的纸张，以及用于制造所述纸张 的方法。纸张具有关于匀度、撕裂指数、可控的透气度和匀度的极佳的性能。纸张包含在低 于PLA的熔点的温度下干燥的纤维和PLA纤维。所述方法包括下列步骤：
[0138] i)精制浆料；
[0139] ii)将PLA纤维悬浮在水中；
[0140] iii)将来自步骤i)的精制的浆料与由步骤ii)获得的包含未精制的PLA纤维的 悬浮液混合；
[0141] iv)使由步骤iii)所获得的组合物脱水；
[0142] V)干燥由步骤iv)所获得的组合物；以及
[0143] vi)可选地，精制由步骤V)所获得的组合物。
[0144] 浆料可以是湿浆料或液体浆。此外，所述用于制造纸张的方法还可包括额外的步 骤，其中，通过在步骤Vi)之前加入溶剂，由步骤V)所获得的组合物被转变成浆体。在步骤 Vi)之后，组合物形成为纸张、脱水和干燥，可通过利用纸网，进行脱水和干燥。同样，纤维素 纤维可包含在湿浆料或液体浆中，PLA纤维可涂覆有如在上文或下文中所限定的涂层。可 选择地，在步骤iv)和步骤V)中，可利用纸网，进行脱水和干燥。此外，可根据如上文所公 开的步骤a)至步骤f)，进行步骤i)至步骤V)。
[0145] 包含纤维素纤维的捆可通过向组合物中加入水而转化成液体浆，直到已获得浓度 为4重量％的纤维。浆体可通过精制机（例如，圆锥式精制机）精制，特定的输入能量可以 为60kWh/吨至300kWh/吨，例如90kWh/吨至200kWh/吨，例如IOOkWh/吨，单位边缘载荷 可以是2J/m至50J/m。在精制之后，液体浆可与PLA纤维悬浮液混合。可以向包含PLA纤 维和纤维素纤维的组合物中加入水，直到已获得浓度为2重量％的纤维。可加入额外的添 加剂。在成型之前，包含PLA纤维和纤维素纤维的组合物可选地被再一次精制。通过利用 平面网，可进行成型。组合物可被脱水。在成型后，组合物可被转移至压制织物，通过利用 例如两个压辊或靴型压制机，可进行纸张的压制，其中，固体含量可从20%增加至50%。在 压制之后，纸张可被转移至干燥网，通过利用温度为120°C至150°C的被加热的烘缸，可进 行脱水。
[0146] 通过在上文或下文中所限定的用于制造纸张的方法所获得的纸张可具有30 μ m/ Pas 至 1400 μ m/Pas 的透气度、和 2. 0 至 3. 3 的折叠度（fold)、和 24mNm2/g 至 40mNm2/g 的 撕裂指数、和4. 9至10的匀度。
[0147] 在本发明的又一方面中，提供一种用于制备如在上文或下文中所限定的包含纤维 素纤维和热塑性纤维的组合物的方法，所述方法包括下列步骤：
[0148] a)提供包含未精制的热塑性纤维的悬浮液；所述悬浮液可具有2重量％至5重 量％，例如3重量％至4重量％，例如3. 5重量％的浓度；
[0149] b)提供包含纤维素纤维的液体浆；所述液体浆可具有2重量％至5重量％，例如3 重量％至4重量％，例如3. 5重量％的浓度；
[0150] c)精制所述包含纤维素纤维的液体浆；
[0151] d)将来自步骤c)的精制的液体浆与来自步骤a)的包含未精制的热塑性纤维的悬 浮液混合；
[0152] e)使由步骤d)所获得的组合物脱水；以及
[0153] f)干燥由e)所获得的组合物。
[0154] 此外，所述方法还可包括将组合物成形为片材或捆的步骤，该步骤可在步骤e)或 步骤f)后进行。另外，热塑性纤维可涂有如在上文或下文中所限定的涂层，热塑性纤维可 以是PLA纤维。
[0155] 因此，如在上文或下文中所公开的本方法将提供这样的组合物，当被转化成包含 热塑性纤维和纤维素纤维的浆体时，所述组合物将在所述浆体和在由所述组合物或所述浆 体所获得的产品中提供更少的短纤维，从而提供更好的性能。
[0156] 可向本文所描述的复合材料中加入添加剂，例如，有机颜料或无机颜料、粘结剂、 助留剂、植绒剂、粘合剂和/或固定剂。
[0157] 在本发明的又一方面中，提供包含纤维素纤维和聚丙交酯纤维（PLA)的组合物， 其中，所述聚丙交酯纤维被涂有包含非离子聚合物和/或阴离子聚合物和/或阳离子聚合 物和/或润滑剂的涂层。
[0158] 根据上文所描述的其他方面的组合物，包含纤维素纤维和聚丙交酯纤维的组合 物，其中，所述涂层包含非离子聚合物和/或阴离子聚合物和/或润滑剂。
[0159] 根据上文所描述的其他方面的组合物，包含纤维素纤维和聚丙交酯纤维的组合 物，其中，所述涂层包含非离子聚合物和阴离子聚合物和润滑剂。
[0160] 根据上文的其他方面的任何一个方面的组合物，包含纤维素纤维和聚丙交酯纤维 的组合物，其中，聚丙交酯纤维具有2mm至6mm的长度。
[0161] 根据上文的其他方面的任何一个方面的组合物，包含纤维素纤维和聚丙交酯纤维 的组合物,其中，纤维素纤维具有0. 5mm至4mm的长度。
[0162] 根据上文的其他方面的任何一个方面的组合物，包含纤维素纤维和聚丙交酯纤维 的组合物，其中，所述非离子聚合物为非离子表面活化剂，所述阴离子聚合物为阴离子表面 活化剂，所述润滑剂为蜡。
[0163] 根据上文的其他方面的任何一个方面的组合物，包含纤维素纤维和聚丙交酯纤维 的组合物，其中，聚丙交酯纤维具有98°或更大的卷曲角度。
[0164] 将理解到，本发明不受限于上文所述描述的实施方式，本发明的在权利要求范围 内的其他变型对于技术人员而言是显而易见的。
[0165] 通过下面的非限制性实施例进一步说明本发明。 实施例
[0166] 缩写词：
[0167] kg 千克
[0168] m3 立方米
[0169] OG 混合数
[0170] rpm 每分钟转数
[0171] H2SO4 硫酸
[0172] kWh 千瓦时
[0173] mm 毫米
[0174] J/m 焦耳 / 米
[0175] VPD 脱水压制机
[0176] LDPE 低密度聚乙烯
[0177] LLDPE线性低密度聚乙烯
[0178] MDPE 中密度聚乙烯
[0179] HDPE 高密度聚乙烯
[0180] TEA 拉伸能量吸附
[0181] TSI 拉伸刚度指数
[0182] Nm/g 牛顿米每克
[0183] mNm2/g毫牛顿平方米每克
[0184] mm/Pas毫米每帕秒
[0185] kPa 千帕
[0186] kj/kg千焦每千克
[0187] MNm/kg兆牛顿米每千克
[0188] LoglO十进制对数
[0189] dtex 纺织纤维的线性质量密度，其被定义为每10000米的质量克数
[0190] CTMP 化学热机械制浆
[0191] TMP 热机械制浆
[0192] Rh 相对湿度
[0193] RH 相对湿度
[0194] 实施例1-组合物的制备
[0195] PLA纤维悬浮液
[0196] 命名为 Trevira D260 的 PLA 纤维购自 Trevira GmbH，Hattersheim，德国。
[0197] 干的PLA纤维被悬浮在体积为30m3的悬浮容器中。向容器中加入温度为50°C的 水，然后，加入大约660kg至1200kg的被涂覆的PLA纤维。加入温度为60°C的额外的水，直 到悬浮液具有3. 5重量％的被涂覆的PLA纤维的浓度。
[0198] 通过转数为43±3rpm的叶轮进行混合，根据STAMO计算模型，该混合对应OG数 11。STAMO为用于描述混合器的效果的混合系数，利用Re数（S卩，雷诺数）、混合器的尺寸、 形式和速度，计算STAM0。在该实施例中，Re大约为3百万。OG为对湍流的测量值，该数值 取决于挡板叶片的角度、旋转速度（rpm)、容器的尺寸、叶轮的尺寸、悬浮液的性质。
[0199] 在混合之后，在大约15分钟期间，直到浆体被均匀地分散，将PLA浆体泵送至60m3 的存放槽，其中，通过利用四个安装在43±3rpm旋转的坚向轴上的叶轮，进行混合，根据 STAMO计算模型，该混合对应OG数12. 4。PLA浆体被短时间保持在存放槽中，直到1小时。
[0200] 纤维质纤维的悬浮液
[0201] 液体浆形式的纤维质纤维被加入到容器中，加入水，直到悬浮液的浓度为 3.5±2%。通过稀释的H2SO4，将pH从pH8调节至pH4.8。液体浆从容器中被泵送至抗磨筛 (wear sieve),其中，所接受的楽料被通过0.18mm的抗磨笼（wear cage)。然后，将筛过的 液体楽转移至圆锥式精制机，其中，通过配备有4mm的杆、5mm凹槽宽、切割长度4. 62mm和杆 角度60°的精制设备，精制浆料，直到IOOkWh/吨。在600rpm下，单位边缘载荷为4. 3J/m。 精制温度为60°C至90°C。在精制后，所获得的液体将在与PLA浆体混合之前，被存放在补 偿容器中。
[0202] 鉬合物的制各
[0203] 在运送到混合泵之前，PLA纤维浆在管子中被运送，然后被加入到有纤维质的液体 浆中。从此时起，所获得的组合物被泵送至VH)脱水压制机。组合物包含30±3%的PLA纤 维。
[0204] 脱水：
[0205] Vro压制机通过在下方的进料容器被用于使浆料/PLA纤维组合物脱水，在两个旋 转辊之间的收缩部中进行脱水。辊是中空的，起机械过滤器的作用，其中，水通过辊的内部， 而纤维饼被留在辊的表面上。所获得的纤维饼被从辊中刮下来，被运送在湿风机处，然后被 吹到急骤干燥机中。
[0206] 薄片的干燥率大约为55±5%。
[0207] 干燥：
[0208] 通过利用急骤干燥机和热风（150°C )，在数个步骤中进行干燥。组合物在干燥后 的干燥率大约为88. 5±1%。
[0209] 压制：
[0210] 在已进行干燥之后，组合物作为流态化组合物被转移至打捆压制机。温度为 30±3°C。所获得的组合物的重量被确定，且取决于利用多少层被压制的组合物和螺旋进料 机的旋转。
[0211] 实施例2-纸张的制造
[0212] 清洗从未干燥过的软木牛皮纸浆，在Voith LR40盘式精制机中精制浓度为4重 量％的被清洗的从未干燥过的软木牛皮纸浆。单位精制能量范围从OkWh/吨至150kWh/吨， 单位边缘载荷为2J/m。在精制后，液体浆与PLA含量为0重量％至50重量％的PLA纤维的 水悬浮液混合（〇意味着浆体仅包括有纤维素纤维，该样品被用作参照样品），且在90°C和 50% RH下干燥，直到获得90%的固体含量。在干燥后，通过将包含纤维素纤维和被涂覆的 PLA纤维压缩在钢模（10cm x20cm)(具有14吨的压力，之后具有35吨的压力）中，制得小 的薄片捆。
[0213] 该捆被溶解在水中，且再次在Voith LR40盘式精制机中精制浓度为4重量％的该 捆。在精制之前，浆料在无负载下通过循环10分钟而被分解。调节精制至单位精制能量为 OkWh/吨至200kWh/吨，单位边缘载荷为2J/m。
[0214] 根据ISO 5269-1，在Finnish纸张成型机中制得所有的纸张（浆磨精制的和纸磨 精制的）。在生产纸张之前，浓度为3%的包含纤维素纤维和被涂覆的PLA纤维的复合品以 30000rpm分解在碎浆机中。在制浆后，组合物被稀释，适当的量被加入到纸张成型中，其中， 制得基重为l〇〇g/m2的湿纸张（16. 5cm xl6. 5cm)。湿纸张被覆盖，且去除纸网。在成型之 后，湿纸张以400kPa的两个循环（5. 2分钟和2. 2分钟）被压制在吸墨纸之间，该吸墨纸在 压制之间被交换成干的吸墨纸。在压制之后，湿纸张的固体含量发生变化，为50重量％至 60重量％。在有条件的房间里，在23°C和50% RH下，将这些纸张干燥至少3天。
[0215] 干的纸张被用于物理测试。
[0216] 根据用于纸测试的标准程序进行物理测试。根据标准EN20534,确定厚度。通过精 密测微计，利用IOOkPa的静压，在200mm 2的表面上，进行测量。通过这些数据，计算样品重 量、表面密度和纸克重。通过Lorentzen&Wettre测试仪，根据标准方法EN 21 974,所用的 样品为62mm x40mm，获得撕裂强度。根据ISO 1924-3,在15mm的纸条内，通过100mm/min 的应变速率分析抗拉强度（抗拉指数、TSI、TEA、延展性），夹具之间的距离为100mm。根据 EN 12625-5,通过10个条和Roel Zwick抗张强度测定仪，进行湿强度测量。在15秒期间 进行浸湿样品，伸长率为50mm/min，夹具和杆之间的距离为50mm。根据IS05636_5(Gurly) 确定透气度。根据SCAN-C 62:00测量保水值WRV，其中，以lOOOOrpm，将2g的极干燥的浆 料离心10分钟。根据SCAN P90,分析Z强度。根据ISO 5626:1993分析抗折强度和耐折度 (Kdhler-Mo 丨 in),根据 FA 11 701 分析 β 勻度。
【权利要求】
1. 一种用于制备包含纤维素浆纤维和热塑性纤维的组合物的方法，其中，所述方法包 括下面的步骤： a) 将精制的水性浆料悬浮液与热塑性纤维的水悬浮液混合。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述水性浆料悬浮液的浓度为0. 1重量％至4重 量％，优选1重量％至4重量％，或者更优选3重量％至4重量％。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述浆料悬浮液的浆料为从未干燥过的木 浆。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述从未干燥的木浆为从未干燥过的软木浆。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述热塑性纤维的水悬浮液的浓度 为2重量％至5重量％，优选3重量％至4重量％，或者更优选为3. 5重量％。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述热塑性纤维为选自聚烯烃、聚 酯、聚碳酸酯、乙烯类聚合物、及其共聚物或其混合物的热塑性纤维。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，所述聚烯烃选自聚乙烯和聚丙烯。
8. 根据权利要求6所述的方法，其中，所述聚酯选自聚羟基丁酸酯（PHB)和聚乳酸 (PLA)。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述热塑性纤维为PLA纤维。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括下列步骤： b) 使所述组合物脱水得到复合品，以及 c) 干燥所述复合品。
11. 一种通过权利要求1至9中任一项能够获得的组合物。
12. -种通过权利要求10能够获得的复合品。
13. 根据权利要求12所述的复合品的用途，所述用途用于制造容器、食品容器、特种 纸、薄页纸、茶叶袋、标签、家具、防伪纸、钞票纸、纤维板、纸板、织物、层压板、和广告牌。
【文档编号】C08L1/02GK104321487SQ201380024788
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2013年5月10日 优先权日:2012年5月11日
【发明者】纳尔奇斯·梅西奇, 安娜·琳达·维多利亚·费尔曼 申请人:索德拉细胞公司