Волокна целлюлозы с увеличенной площадью

Изобретение относится к способу изготовления бумажной продукции, имеющей улучшенные характеристики печати. Способ включает этапы подготовки водной суспензии, содержащей смесь целлюлозных волокон и воды, и удаления воды из водной суспензии для создания волокнистой подложки. Затем наносят поверхностное покрытие на волокнистую подложку. При этом поверхностное покрытие выполняется составом на водной основе, содержащим целлюлозные волокна с увеличенной площадью, для образования обработанной волокнистой подложки. Далее сушат обработанную волокнистую подложку для создания бумажной продукции. При этом целлюлозные волокна с увеличенной площадью содержат рафинированные целлюлозные волокна из лиственной древесины со средневзвешенной длиной волокон по меньшей мере 0,3 мм, и средней гидродинамической удельной площадью поверхности по меньшей мере 10 м²/г. Обеспечивается повышенная поверхностная прочность бумажной продукции при пониженном содержании крахмала. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Данная заявка заявляет приоритет по предварительной заявке на патент США № 61/942694, поданной 21 февраля 2014 года, которая полностью включена в данную заявку посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0002] Данное изобретение в целом относится к использованию целлюлозных волокон с увеличенной площадью на поверхности волокнистой подложки. Данное изобретение относится к различным растворам, содержащим целлюлозные волокна с увеличенной площадью, способам их нанесения и продукции, содержащей данное поверхностное покрытие. Изобретение предусматривает размещение целлюлозных волокон с увеличенной площадью на подложке, имеющей волокнистую поверхность, в тех случаях, когда это является технически целесообразным. В частности, предусматривается использование целлюлозных волокон с увеличенной площадью, нанесенных на поверхность бумаги для принтера посредством клеильного пресса бумагоделательной машины, с целью уменьшения использования крахмала.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] Для многих сортов бумаги для принтера, а также писчей бумаги, предназначенной, например, для печати различных типов, с целью повышения поверхностной прочности на поверхность бумаги наносится раствор крахмала. Крахмал обычно наносится при операциях на мокрой части (проклейка в массе) бумагоделательной машины, а также в клеильном прессе (поверхностная проклейка) бумагоделательной машины. Тип и количество наносимого крахмала может влиять на физико-химические свойства бумаги и свойства готовой бумажной продукции. Таким образом, часть затрат при производстве бумаги относится к стоимости крахмала для клеильного пресса.

[0004] Ключевым свойством целлюлозных волокон с увеличенной площадью с высокой степенью фибриллирования является их способность в значительной степени повышать склеиваемость волокон. В данном случае требуется достичь повышения прочности и кроющей способности целлюлозных волокон с увеличенной площадью, в частности, на поверхности бумаги. В данном случае достигнутая повышенная прочность потенциально может привести к снижению требуемого количества крахмала, при сохранении химических свойств и поверхностной прочности. Уменьшение количества крахмала, используемого в клеильном прессе, может привести к значительной экономии средств. В крайнем случае, при сохранении свойств готовой продукции на поверхность бумаги может наноситься оптимальное количество целлюлозных волокон с увеличенной площадью и минимальное количество крахмала.

[0005] Целлюлозные волокна, такие как волокна древесной целлюлозы, используются в различной продукции, включая, например, целлюлозу, древесную массу, бумагу, картон, композитные материалы на основе биоволокна (например, цементно-волокнистая плита, волоконно-армированные пластики и т. д.), адсорбирующие материалы (например, распушенная целлюлоза, гидрогели и др.), специальные химические вещества, полученные из целлюлозы (например, ацетат целлюлозы, карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) и т. д.), и другая продукция. Целлюлозные волокна могут быть получены из древесины различных типов, включая лиственные породы (например, дуб, камедное дерево, клен, тополь, эвкалипт, осина, береза и др.), хвойные породы (например, ель, сосна, пихта, тсуга, южная сосна, секвойя и др.), и не содержащие древесины (например, кенафа, конопля, солома, выжатый сахарный тростник и т. д.). Свойства волокон целлюлозы могут влиять на свойства готовой продукции, например, бумаги, свойства промежуточных продуктов, и характеристики производственных процессов, используемых при изготовлении продукции (например, производительность бумагоделательной машины и затраты на производство). Для приобретения различных свойств целлюлозные волокна могут обрабатываться с помощью различных способов. В некоторых существующих процессах, некоторые из волокон целлюлозы рафинируются перед их добавлением в готовую продукцию. В зависимости от условий рафинирования, процесс переработки может привести к значительному сокращению длины волокон, при некоторых вариантах использования может появляться нежелательное количество мелких фракций волокон, а также может оказываться негативное воздействие на волокна, так что это может негативно сказаться на готовой продукции, промежуточной продукции и/или процессе производства. Например, возникновение мелких фракций волокон в некоторых вариантах применения может быть нецелесообразным из-за того, что мелкие фракции волокон могут замедлить удаление воды, увеличить удерживание воды, и увеличить расход химических веществ во время мокрой части процесса производства бумаги, что в некоторых процессах и применениях может быть нежелательным.

[0006] Волокна древесной целлюлозы перед переработкой в целлюлозу, бумагу, картон, композитные материалы на основе биоволокна (например, цементно-волокнистая плита, волоконно-армированные пластики и т. д.), адсорбирующие материалы (например, распушенная целлюлоза, гидрогели и др.), специальные химические вещества, полученные из целлюлозы (например, ацетат целлюлозы, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) и т. д.) и аналогичную продукцию, как правило, имеют средневзвешенную длину волокон (по длине) в диапазоне между 0,5 и 3,0 мм. Рафинирование и другие этапы обработки могут сократить длину волокон целлюлозы. Для производства обычной тонкой бумаги с помощью типовых способов рафинирования, как правило, волокна проходят обработку только один раз, но, в основном, не более 2-3 раз, с помощью рафинера со сравнительно низким потреблением энергии (например, примерно 72 МДж/т - 288 МДж/т (20-80 кВт⋅ч/т) для волокон древесины лиственных пород), а также с помощью удельной нагрузки на краях, примерно 0,4-0,8 Вт⋅с/м для волокон древесины твердых пород.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Данное изобретение относится к способу изготовления бумажной продукции, имеющей приемлемые/улучшенные характеристики печати при использовании в клеильном прессе меньшего количества крахмала. Это достигается путем образования волокнистой подложки и нанесения поверхностного покрытия, содержащего состав на водной основе. В частности, состав на водной основе содержит целлюлозные волокна с увеличенной площадью, при этом при размещении целлюлозных волокон с увеличенной площадью оптимизируются их функциональные возможности, причем размещение на поверхности реализуется посредством использования клеильного пресса в составе бумагоделательной машины, что способствует снижению обычного использования крахмала.

[0008] В соответствии с данным изобретением способ изготовления бумажной продукции с приемлемыми/улучшенными характеристиками печати включает этапы подготовки водной суспензии, содержащей смесь волокон целлюлозы и воду, и удаление воды из водной суспензии, содержащей целлюлозные волокна и воду, для образования волокнистой подложки.

[0009] Данный способ дополнительно включает нанесение поверхностного покрытия на волокнистую подложку, при этом поверхностное покрытие выполняется составом на водной основе, содержащим целлюлозные волокна с увеличенной площадью, для образования обработанной волокнистой подложки, высушивание обработанной волокнистой подложки для создания бумажной продукции, имеющей улучшенные характеристики печати.

[0010] В одном аспекте данного изобретения поверхностное покрытие содержит смесь целлюлозных волокон с увеличенной площадью и по меньшей мере одно из: крахмальной массы; пигментирующей смеси; и состава поверхностного покрытия.

[0011] В одном аспекте изобретения этап нанесения покрытия включает нанесение поверхностного покрытия с использованием по меньшей мере одного из: двухвалкового клеильного пресса; клеильного пресса с дозирующим валиком; устройства с ракельным ножом; фонтанного меловального станка; устройства каскадного нанесения покрытия; и спрея-распылителя.

[0012] На этапе нанесения покрытия, в данном изобретении, поверхностное покрытие содержит раствор этилированного крахмала, содержащий примерно от 0,25% до 1,0% по массе волокон древесной целлюлозы с увеличенной площадью. В данном аспекте данного изобретения раствор этилированного крахмала содержит примерно от 1,0% до 12% по массе твердого крахмала. При этом раствор этилированного крахмала имеет вязкость примерно от 0,01 Па⋅⋅с до 0,22 Па⋅с (от 10 до 220 сантипуаз).

[0013] В другом аспекте данный способ перед этапом нанесения покрытия включает отсеивание волокон древесной целлюлозы с увеличенной площадью для удаления относительно крупных фрагментов волокон с целью улучшения характеристик печати. В другом аспекте изобретения во время этапа нанесения покрытия поверхностное покрытие наносится на волокнистую подложку с целью покрытия зазоров и/или отверстий в волокнистой подложке.

[0014] В другом аспекте данного изобретения перед этапом нанесения покрытия целлюлозные волокна с увеличенной площадью вступают в химическую реакцию с составом для улучшения характеристик струйной печати на бумажной продукции.

[0015] В соответствии с данным изобретением целлюлозные волокна с увеличенной площадью содержат целлюлозу из лиственной древесины, рафинированную при потреблении энергии примерно 1440 МДж/т - 6480 МДж/т (400-1800 киловатт-часов/тонн). При этом целлюлозные волокна с увеличенной площадью имеют средневзвешенную длину волокон (по длине) по меньшей мере примерно 0,3 миллиметра, и среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности по меньшей мере примерно 10 квадратных метров на один грамм, причем количество целлюлозных волокон с увеличенной площадью составляет по меньшей мере 12000 волокон/миллиграмм в пересчете на абсолютно сухое вещество. В другом аспекте данного способа целлюлозные волокна с увеличенной площадью имеют средневзвешенную длину волокон, составляющую по меньшей мере 60% средневзвешенной длины волокон перед улучшением поверхности с помощью фибриллирования, и среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности по меньшей мере в 4 раза больше средней удельной площади поверхности волокон перед фибриллированием. В другом аспекте изобретения целлюлозные волокна с увеличенной площадью рафинируются при потреблении энергии по меньшей мере примерно 1080 МДж/т (300 киловатт-часов/тонн).

[0016] В соответствии с данным изобретением полученная бумажная продукция после проклейки демонстрирует уменьшенное снижение (чистый прирост) непрозрачности.

[0017] Эти и другие варианты реализации изобретения более детально рассматриваются в приведенном ниже подробном описании.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0018] На Фиг.1 проиллюстрирована структурная схема системы для изготовления бумажной продукции в соответствии с одним не ограничивающим вариантом реализации данного изобретения.

[0019] На Фиг.2 проиллюстрирована структурная схема системы для изготовления бумажной продукции, содержащая второй рафинер, в соответствии с одним не ограничивающим вариантом реализации данного изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0020] Данное изобретение относится к способу изготовления бумажной продукции, имеющей улучшенные характеристики печати. Это достигается путем создания волокнистой подложки и нанесения поверхностного покрытия, содержащего состав на водной основе. В частности, состав на водной основе содержит целлюлозные волокна с увеличенной площадью, при этом с размещением целлюлозных волокон с увеличенной площадью оптимизируются их функциональные возможности, причем размещение на поверхности реализуется посредством использования клеильного пресса в составе бумагоделательной машины, способствующим снижению использования крахмала по сравнению с обычным.

[0021] В соответствии с данным изобретением способ изготовления бумажной продукции с улучшенными характеристиками печати, включает этапы подготовки водной суспензии, содержащей смесь волокон целлюлозы и воду, и удаления воды из водной суспензии, содержащей целлюлозные волокна и воду, для создания волокнистой подложки.

[0022] Данный способ дополнительно включает нанесение поверхностного покрытия на волокнистую подложку, причем поверхностное покрытие является составом на водной основе, включающим целлюлозные волокна с увеличенной площадью, для образования обработанной волокнистой подложки, высушивание обработанной волокнистой подложки для изготовления бумажной продукции, обладающей улучшенными характеристиками печати.

[0023] В одном аспекте данного изобретения поверхностное покрытие содержит смесь целлюлозных волокон с увеличенной площадью и по меньшей мере одно из: крахмальной массы; пигментирующей смеси; и состава поверхностного покрытия.

[0024] В одном аспекте изобретения этап нанесения поверхностного покрытия включает поверхностное покрытие с использованием по меньшей мере одного из: двухвалкового клеильного пресса; клеильного пресса с дозирующим валиком; устройства с ракельным ножом; фонтанного меловального станка; устройства каскадного нанесения покрытия; и спрея-распылителя.

[0025] На этапе нанесения поверхностного покрытия данного изобретения поверхностное покрытие содержит раствор этилированного крахмала, содержащий примерно от 0,25% до 1,0% по массе волокон древесной целлюлозы с увеличенной площадью. В данном аспекте данного изобретения раствор этилированного крахмала содержит примерно от 1,0% до 12% по массе твердого крахмала. При этом раствор этилированного крахмала имеет вязкость примерно от 0,01 Па⋅с до 0,22 Па⋅с (от 10 до 220 сантипуаз).

[0026] В другом аспекте данный способ перед этапом нанесения поверхностного покрытия включает отсеивание волокон древесной целлюлозы с увеличенной площадью для удаления относительно крупных фрагментов волокон для улучшения характеристик печати. В другом аспекте изобретения во время этапа нанесения покрытия поверхностное покрытие наносится на волокнистую подложку с целью покрытия зазоров и/или отверстий в волокнистой подложке.

[0027] В другом аспекте данного изобретения перед этапом нанесения поверхностного покрытия целлюлозные волокна с увеличенной площадью вступают в химическую реакцию с составом для улучшения характеристик струйной печати на бумажной продукции.

[0028] В соответствии с данным изобретением целлюлозные волокна с увеличенной площадью содержат целлюлозу из лиственной древесины, рафинированную при потреблении энергии примерно 1440 МДж/т - 6480 МДж/т (400-1800 киловатт-часов/тонн). При этом целлюлозные волокна с увеличенной площадью имеют средневзвешенную длину волокон (по длине) по меньшей мере примерно 0,3 миллиметра, и среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности по меньшей мере примерно 10 квадратных метров на один грамм, причем количество целлюлозных волокон с увеличенной площадью составляет по меньшей мере 12000 волокон/миллиграмм в пересчете на абсолютно сухое вещество. В другом аспекте данного способа целлюлозные волокна с увеличенной площадью имеют средневзвешенную длину волокон, составляющую по меньшей мере 60% средневзвешенной длины волокон перед улучшением поверхности с помощью фибриллирования, и среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности по меньшей мере в 4 раза больше средней удельной площади поверхности волокон перед фибриллированием. В другом аспекте изобретения целлюлозные волокна с увеличенной площадью рафинируются при потреблении энергии по меньшей мере примерно 1080 МДж/т (300 киловатт-часов/тонн).

[0029] В соответствии с данным изобретением полученная бумажная продукция после проклейки демонстрирует уменьшенное снижение (чистый прирост) непрозрачности.

[0030] Варианты реализации изобретения могут включать различные применения в следующих областях:

• тип и свойства целлюлозных волокон с увеличенной площадью или модифицированных целлюлозных волокон с увеличенной площадью

• водные растворы целлюлозных волокон с увеличенной площадью, включая, но не ограничиваясь этим, крахмал, пигменты и составы покрытия

• оборудование для нанесения поверхностного слоя включает, но не ограничивается этим: опытную установку, двухвалковый клеильный пресс, клеильный пресс с дозирующим валиком, устройство с ракельным ножом, фонтанный меловальный станок, устройство каскадного нанесения покрытия, а также спрей-распылитель.

[0031] В одном варианте реализации изобретения, в опытном масштабе целлюлозные волокна с увеличенной площадью были добавлены к первоначальному 10% раствору этилированного крахмала в количестве 0,25%, 0,5% и 1% по массе целлюлозных волокон с увеличенной площадью. Количество твердого крахмала было снижено благодаря добавлению соответствующего количества целлюлозных волокон с увеличенной площадью. Раствор наносится на поверхность бумаги посредством двухвалкового клеильного пресса. Качественная офсетная печати свидетельствовала о том, что использование целлюлозных волокон с увеличенной площадью приводит к повышенной поверхностной прочности при пониженном содержании крахмала.

[0032] В аналогичном варианте реализации изобретения в опытном масштабе к раствору этилированного крахмала, содержащего крахмал в сухом виде в пределах от 1% до 12% с вязкостью от 10 до 220 сП, добавлялись целлюлозные волокна с увеличенной площадью в количестве от 0,5% до 1% и наносились на поверхность бумаги с помощью двухвалкового клеильного пресса.

[0033] В возможном варианте реализации изобретения для повышения безотказности клеильного пресса перед нанесением поверхностного слоя целлюлозные волокна с увеличенной площадью отсеиваются с целью удаления крупных фрагментов волокон.

[0034] В другом варианте реализации изобретения, целлюлозные волокна с увеличенной площадью наносятся на поверхность бумаги для покрытия зазоров и/или отверстий на поверхности волокнистой подложки бумаги. Это более полное покрытие с помощью волокон может привести к снижению пятнистости при офсетной печати и улучшению качества печати.

[0035] В другом возможном варианте реализации изобретения, целлюлозные волокна с увеличенной площадью вступают в реакцию с соответствующим химическим составом, предназначенным для повышения качества струйной печати. Вступившие в реакцию волокна затем наносятся на поверхность бумаги в виде раствора. Поскольку волокна остаются на поверхности, качество струйной печати является наилучшим.

[0036] В частности, было установлено, что ЦВУП (целлюлозные волокна с увеличенной площадью) могут предпочтительно выполнять функцию проклеивающего вещества, действуя на поверхности соответствующей подложки, такой как ткань или бумага, изготовленная из целлюлозного материала. ЦВУП может эффективно использоваться при разнообразных применениях, включая использование как органических, так и неорганических материалов.

[0037] Несколько вариантов реализации данного изобретения для создания волокнистой подложки были апробированы на широком спектре волокнистых материалов на основе волокон целлюлозы. Они включали: 1) использование волокнистых материалов как южных, так и северных лиственных и хвойных пород, 2) диапазон соотношений волокон целлюлозы лиственных/хвойных пород, включая 100% волокон целлюлозы лиственных пород, 3) различные степени образования волокон, рафинированных из отдельных компонентов волокнистых материалов, 4) введение до 10% по массе целлюлозных волокон с увеличенной площадью от поверхность целлюлозных волокон и 5) введение в волокнистый материал в качестве наполнителя осажденный карбонат кальция (ОКК).

[0038] С целью удовлетворения указанных конкретных требований можно изменять характеристики волокнистой подложки, такие как прочность, пористость (связанная с "плотностью" подложки листа), сопротивление расслаивание при офсетной печати и распределение поверхностных пор по размерам с помощью настройки вышеупомянутых параметров.

[0039] Используемые целлюлозные волокна с увеличенной площадью были изготовлены из: 1) целлюлозы, полученной из древесины северных лиственных пород, 2) целлюлозы, полученной из древесины южных лиственных пород, 3) сульфитной целлюлозы, полученной из древесины северных лиственных пород и 4) целлюлозы, полученной из древесины северных хвойных пород, рафинированной при потреблении энергии в диапазоне от 1440 МДж/т до 6480 МДж/т (400-1800 киловатт -часов/тонн).

[0040] Варианты реализации данного изобретения были апробированы с использованием смеси: 1) целлюлозных волокон с увеличенной площадью и этилированного крахмала, 2) состава из целлюлозных волокон с увеличенной площадью и этилированного крахмала/тонкодисперсного карбоната кальция (ТКК), и 3) целлюлозных волокон с увеличенной площадью с этилированным крахмалом, причем технология изготовления в целом была модифицирована с помощью авторского улучшенного герметизирующего закрепляющего состава на основе крахмала.

[0041] Несколько вариантов реализации изобретения были апробированы с использованием 0,25%, 0,5% и 0,75% до 1% по массе указанных целлюлозных волокон с увеличенной площадью. В соответствии с п. 5, несколько вариантов реализации изобретения были апробированы с использованием различных растворов крахмала, содержащих от 4% до 12% по массе твердого крахмала. Также была апробирована только вода (0% крахмала). Были апробированы растворы целлюлозных волокон с увеличенной площадью /крахмала вязкостью в диапазоне от 0, 02 Па⋅с до 1 Па⋅с (от 20 до 1000 сантипуаз). Указанные выше многочисленные составы для клеильного пресса наносились на волокнистую поверхность с помощью двухвалкового клеильного пресса.

[0042] Конкретный вариант реализации изобретения предусматривает производство 50 #/306,58 м кв. (3300 квадратных футов) листов для офсетной печати, на поверхность которых наносится 7% крахмала/0,5% раствора волокон с увеличенной площадью. По сравнению с 10% раствором крахмала, нанесенным на один и тот же лист, непрозрачность полученной продукции увеличилась более чем на 2 пункта. Это является значительным увеличением непрозрачности, чего очень трудно достичь с помощью других способов. Увеличение непрозрачности достигается за счет использования более низкого уровня крахмала, при этом, как известно, крахмал снижает уровень непрозрачности.

[0043] При нанесении целлюлозных волокон с увеличенной площадью отверстия и зазоры на поверхности листа покрываются пропорционально количеству нанесенных целлюлозных волокон с увеличенной площадью, что подтверждается сканированием поверхности с помощью электронных микрофотографий. Покрытие может быть улучшено за счет корректировки основных этапов процесса изготовления волокнистой подложки с меньшим распределением поверхностных пор по размерам. Благодаря сочетанию оптимальной волокнистой подложки и наносимого на поверхность раствора крахмала/ целлюлозных волокон с увеличенной площадью получают бумагу с высоким качеством печати.

[0044] В одном варианте реализации изобретения состав для клеильного пресса, содержащий 7% крахмала/0,5% волокон с увеличенной площадью, наносился на поверхность волокнистой подложки с прилипаемостью 47 #/т. При данном варианте реализации изобретения было достигнуто аналогичное качество офсетной печати и поверхностной устойчивости к расслаиванию подобное контрольному при использовании только 12% крахмала.

[0045] Предпочтительный аспект данного изобретения относится к способу изготовления бумажной продукции, причем продукция изготавливается с более низким уровнем крахмала, используемого клеильным прессом, что приводит к более высоким показателям непрозрачности листа. Как правило, непрозрачность в значительной степени коррелирует с эффективностью светорассеяния материалов, из которых состоит лист, в первую очередь волокнистой подложки и заполняющего пигмента. Высокая эффективность светорассеяния будет достигнута при условии, если существует высокая частота встречаемости пробелов в бумаге, микрозазоров между волокнами, а также волокнами и наполнителем.

[0046] Иными словами, для достижения наибольшего светорассеяния необходимо обеспечить наибольшее количество поверхностей раздела или микрозазоров между твердыми частицами и воздухом. Поскольку наносимый на клеильном прессе крахмал внедряется в бумагу, он заполняет микрозазоры и существенно снижает светорассеивающую способность и, следовательно, снижает непрозрачность. Данное влияние уменьшается за счет использования более низкого уровня крахмала, и, следовательно, приводит к увеличению измеренной непрозрачности.

Как показано в приведенной ниже таблице, при использовании набора вариантов реализации изобретения, в котором использовались 50 #/306,58 кв. м (3300 кв. футов) листов для офсетной печати, изготовленных из 80% лиственной древесины/20% хвойной древесины/без наполнителя были получены следующие уровни непрозрачности:

Режим	Количество крахмала в твердом виде на клеильном прессе	% целлюлозных волокон с увеличенной площадью	Прилипаемость (#/T)	Непрозрачность TAPPI	Отклонение непрозрачности от контрольного значения
Режим 8 - контрольный	~12%		~76 #/t	70,2
Режим 9	~7%		~44 #/t	73,2	+3,0
Режим 12	~7%	~0,5%	~47#/t	73,6	+3,4

[0047] При контрольном режиме 8 "только крахмал" величина непрозрачности составила 70,2. Снижение уровня прилипаемости крахмала при режиме 9 привело к увеличению непрозрачности на 3 значения. Но при данном режиме устойчивость к расслаиванию при офсетной печати, скорее всего, будет недостаточной. Особый интерес представляет режим 12, при котором для снижения содержания крахмала в твердом виде было добавлено 0,5% целлюлозных волокон с увеличенной площадью. В данном варианте реализации изобретения, в отличие от контрольного режима, должна повыситься поверхностная прочность, а непрозрачность увеличилась на 3,4 пункта. Данное увеличение является значительным.

[0048] Другой аспект данного изобретения относится к увеличению прилипающей способности при офсетной печати. Состав для клеильного пресса, содержащий 7% крахмала/0,5% волокон с увеличенной площадью, наносился на поверхность волокнистой подложки с прилипаемостью 47#/т. При данном варианте реализации изобретения было достигнуто аналогичное качество офсетной печати и поверхностной устойчивости к расслаиванию подобное контрольному при использовании только 12% крахмала при прилипаемости 76#/т. Одним из показателей поверхностной прочности является количество расслаиваний/пропусков после печати на четырехцветной офсетной печатной машине. Для успешного снижения прилипаемости крахмала крахмал вместе с волокнами целлюлозы с увеличенной площадью должен сохранять максимальную поверхностную устойчивость к расслаиванию как при контрольном режиме "только крахмал".

[0049] Одним показателем, который необходимо рассматривать в связи с нанесением большего количества ЦВУП на поверхность, является более высокая вязкость, вызванная в первую очередь ЦВУП. Можно полагать, что можно предпринять ряд шагов для снижения влияния этого эффекта, включая использование крахмала с уменьшенной вязкостью. Обычно предполагается, что значительная часть влияния вязкости ЦВУП возникает благодаря водоудерживающей способности ЦВУП с высокой степенью фибриллирования волокон.

[0050] До настоящего времени ЦВУП, используемые в клеильном прессе, изготавливались при более высоком уровне мощности с целью свести до минимума количество оставшихся длинных волокон, которые могут вызвать фракционирование. При этом считается, что это также повышает водоудерживающую способность ЦВУП. Соответственно, было предположено, что фракционирование может быть снижено, и что будут использоваться ЦВУП, изготовленные при меньшей мощности. Считается, что это может привести к более высокому уровню добавления ЦВУП.

[0051] Также считается, что смесь крахмал/ЦВУП демонстрирует истончение сдвига. Расчет был выполнен при разработке способа нанесения смеси с большим значением деформации сдвига или добавлением в крахмал большего количества ЦВУП.

[0052] В контексте данного изобретения наиболее предпочтительной целью было достичь снижения использования крахмала в клеильном прессе. Считается, что для производства подложки с хорошей прочностью и меньшим распределением поверхностных пор по размерам влияние крахмала может быть оптимизировано, например, за счет использования волокнистой подложки из древесины северных пород при использовании порядка 90% волокон древесины северных лиственных пород/ 10% древесины северных хвойных пород/7,5% ЦВУП из лиственной древесины /15% ОКК при умеренном рафинировании лиственной и хвойной древесины.

[0053] Считается, что покрытие поверхности в некоторой степени обеспечивается благодаря ЦВУП, добавленным на мокрой части бумагоделательной машины. Ожидается, что для такой подложки потребуется меньшее количество ЦВУП, наносимого на поверхность для дальнейшего покрытия зазоров и отверстий. Также считается, что нанесение на поверхность раствора, содержащего крахмал/от 0,75% до 1,0% ЦВУП, будет усиливать данный эффект. Ожидается, что более полное покрытие поверхностных зазоров и отверстий приведет к улучшению качества печати. В контрольном испытании использовалась целлюлоза из древесины южных хвойных пород, при этом для подложки из лиственных и хвойных пород использовалось рафинирование в несколько более высокой степени. Полученная подложка была более прочной и более плотной и, даже, без нанесения крахмала на поверхность при печати на офсетной печатной машине расслаивание отсутствовало.

[0054] Как будет видно из приводимого ниже описания, варианты реализации данного изобретения в целом относятся к волокнам целлюлозы с увеличенной площадью, способам получения, нанесения и производства волокон целлюлозы с увеличенной площадью, продукции, содержащей целлюлозные волокна с увеличенной площадью, а также способам получения, нанесения и производства продукции, содержащей целлюлозные волокна с увеличенной площадью, и другое, как будет очевидно из изложенного ниже. Поверхность улучшающих поверхность целлюлозных волокон фибриллируется до такой степени, при которой достигаются требуемые свойства, и может характеризоваться как сильно фибриллированная. В различных вариантах реализации данного изобретения, целлюлозные волокна с увеличенной площадью имеют значительно более высокие площади поверхности без значительного сокращения длины волокна, по сравнению с обычными рафинированными волокнами, и без значительного количества мелких фракций волокон, образующихся при фибриллировании. Как описано в данной заявке, данные целлюлозные волокна с увеличенной площадью могут использоваться при производстве целлюлозы, бумаги и другой продукции.

[0055] Волокна целлюлозы, которые могут улучшать поверхность в соответствии с вариантами реализации данного изобретения могут быть получены из различных типов древесины, включая древесину лиственных и хвойных пород. Не ограничивающие примеры волокон целлюлозы из лиственной древесины, которые могут использоваться в некоторых вариантах реализации данного изобретения, без ограничения включают древесину дуба, камедного дерева, клена, тополя, эвкалипта, осины, березы и других пород древесины, которые известны специалистам в данной области техники. Не ограничивающие примеры волокон целлюлозы из хвойной древесины, которые могут использоваться в некоторых вариантах данного изобретения, без ограничения включают древесину ели, сосны, пихты, тсуги, южной сосны, секвойи и других пород древесины, которые известны специалистам в данной области техники. Волокна целлюлозы могут быть получены химическим способом (например, с помощью крафт-процесса, сульфитного процесса, процесса натронной варки целлюлозы и т. д.), механическим способом (например, термомеханический процесс (ТМП), химический термо-механический процесс производства беленной целлюлозы (ХТМППБЦ), и т. д.), или путем их комбинации. Волокна целлюлозы также могут быть получены из недревесных волокон, таких как лен, хлопок, выжатый сахарный тростник, конопля, солома, кенафа и др. Волокна целлюлозы могут быть белеными, частично белеными, небелеными или с переменным содержанием лигнина и других примесей. В некоторых вариантах реализации изобретения целлюлозные волокна могут быть перерабатываемыми или использованными волокнами.

[0056] В соответствии с различными вариантами реализации изобретения целлюлозные волокна с увеличенной площадью 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, поверхностная активность, поверхностная энергия и т. д.), процентное отношение мелких фракций волокон, дренажные свойства (например, Шоппер-Риглера), измерение волокнистости (фибриллирования), свойств водопоглощения (например, водоудерживающей способности, скорости впитывания и т. д.), и их различными комбинациями. Хотя следующее описание конкретно не может определить каждую из различных комбинаций свойств, следует понимать, что различные варианты реализации целлюлозных волокон с увеличенной площадью могут иметь одно, несколько или все описанные в данной заявке свойства.

[0057] Некоторые варианты реализации данного изобретения относятся к множеству целлюлозных волокон с увеличенной площадью. В некоторых вариантах реализации изобретения множество целлюлозных волокон с увеличенной площадью имеют средневзвешенную длину волокон (по длине) по меньшей мере примерно 0,2 мм, предпочтительно по меньшей мере примерно 0,25 миллиметра, длиной примерно 0,3 миллиметра, которая является наиболее предпочтительной, причем количество целлюлозных волокон с увеличенной площадью составляет не менее 12000/миллиграмм в пересчете на абсолютно сухое вещество. Используемый в данной заявке термин, "абсолютно сухое вещество" означает, что образец в течение 24 часов высушивается в печи при 105 градусах Цельсия. Как правило, чем больше длина волокон, тем выше прочность волокон и полученная продукция, содержащая данные волокна. В данных вариантах реализации изобретения целлюлозные волокна с увеличенной площадью могут использоваться, например, при производстве бумаги. Используемая в данной заявке средневзвешенная длина волокон (по длине) измеряется с помощью анализатора качества волокон LDA02 или анализатора качества волокон LDA96 от OpTest Equipment, Inc., Хоксбери, Онтарио, Канада, согласно с соответствующими алгоритмами, которые описаны в руководстве по эксплуатации анализатора качества волокна. Используемая в данной заявке средневзвешенная длина (по длине) (L.sub.W) рассчитывается по формуле:

L.sub.W=.SIGMA.n.sub.iL.sub.i.sup.2/.SIGMA.n.sub.iL.sub.i

где i - номер категории (или интервала) (например, 1, 2,... N), n.sub.i -

количество волокон в категории i.sup.th, а L.sub.i - длина контура гистограммы

распределения длины волокон в пределах класса в категории i.sup.th.

[0058] Как отмечалось выше, одним из аспектов целлюлозных волокон с увеличенной площадью в данном изобретении является сохранение длины волокон после фибриллирования. В некоторых вариантах реализации изобретения множество целлюлозных волокон с увеличенной площадью может иметь средневзвешенную длину (по длине), которая составляет по меньшей мере 60% средневзвешенной длины (по длине) волокон до фибриллирования. Множество целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения могут иметь средневзвешенную длину (по длине), которая составляет по меньшей мере 70% от средневзвешенной длины (по длине) волокон до фибриллирования. При определении значения сохранение длины в процентах, средневзвешенная длина (по длине) множества волокон может измеряться (как описано выше) как до, так и после фибриллирования, причем значения могут сравниваться с помощью следующей формулы:

L.sub.W(до)-L.sub.W(после)/L.sub.W(до)

[0059] В данном изобретении целлюлозные волокна с увеличенной площадью преимущественно имеют большие гидродинамические удельные площади поверхности, которые могут использоваться, например, при производстве бумаги. В некоторых вариантах реализации данное изобретение относится к множеству целлюлозных волокон с увеличенной площадью, причем волокна имеют среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности не менее 10 квадратных метров на грамм, а более предпочтительно по меньшей мере примерно 12 квадратных метров на грамм. В качестве примера типичное нерафинированное волокно для производства бумаги будет иметь гидродинамическую удельную площадь поверхности 2 м кв./г. В контексте данной заявки гидродинамическая удельная площадь поверхности измеряется в соответствии с алгоритмом, предусмотренным в «Characterizing the drainage resistance of pulp and microfibrillar suspensions using hydrodynamic flow measurements», N. Lavrykova-Marrain и B. Ramarao, Конференция TAPPI PaperCon 2012, доступная по ссылке: http://www.tappi.org/Hide/Events/12PaperCon/Papers/12PAP116.aspx, которая полностью включена в данную заявку посредством ссылки.

[0060] Одним из преимуществ данного изобретения является то, что гидродинамические удельные площади поверхности целлюлозных волокон с увеличенной площадью значительно больше волокон до фибриллирования. В некоторых вариантах реализации изобретения множество целлюлозных волокон с увеличенной площадью могут иметь среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности, которая по меньшей мере в 4 раза больше средней удельной площади поверхности волокон перед фибриллированием, предпочтительно по меньшей мере в 6 раз больше средней удельной площади поверхности волокон перед фибриллированием, а наиболее предпочтительно по меньшей мере в 8 раз больше средней удельной площади поверхности волокон перед фибриллированием. В данных вариантах реализации изобретения целлюлозные волокна с увеличенной площадью могут использоваться, например, при производстве бумаги. Как правило, гидродинамическая удельная площадь поверхности является хорошим показателем поверхностной активности, благодаря чему, в некоторых вариантах реализации данного изобретения может предполагаться, что целлюлозные волокна с увеличенной площадью имеют хорошие свойства связывающей способности и задержания влаги и могут эффективно использоваться в качестве армирующих.

[0061] Как отмечалось выше, в некоторых вариантах реализации данного изобретения, целлюлозные волокна с увеличенной площадью, преимущественно, имеют увеличенные гидродинамические удельные площади поверхности при сохранении длин волокон. В зависимости от использования, увеличение гидродинамической удельной площади поверхности может иметь ряд преимуществ, включая, без ограничения, повышенную склеиваемость волокон, абсорбирование воды или других материалов, задержание органических веществ, высокую поверхностную энергию, и др.

[0062] Варианты реализации данного изобретения относятся к множеству целлюлозных волокон с увеличенной площадью, причем множество целлюлозных волокон с увеличенной площадью имеет средневзвешенную длину волокон (по длине) по меньшей мере примерно 0,2 миллиметра, и среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности по меньшей мере примерно 10 квадратных метров на грамм, при этом количество целлюлозных волокон с увеличенной площадью составляет не менее 12000/миллиграмм в пересчете на абсолютно сухое вещество. В предпочтительных вариантах реализации множество целлюлозных волокон с увеличенной площадью имеет средневзвешенную длину волокон (по длине) по меньшей мере примерно 0,25 миллиметра, и среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности по меньшей мере примерно 12 квадратных метров на грамм, причем количество целлюлозных волокон с увеличенной площадью составляет по меньшей мере 12000/миллиграмма в пересчете на абсолютно сухое вещество. В наиболее предпочтительном варианте реализации изобретения множество целлюлозных волокон с увеличенной площадью имеет средневзвешенную длину волокон (по длине) по меньшей мере примерно 0,3 миллиметра, и среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности по меньшей мере примерно 12 квадратных метров на грамм, причем количество целлюлозных волокон с увеличенной площадью составляет не менее 12 000/миллиграмма в пересчете на абсолютно сухое вещество. В данных вариантах реализации изобретения целлюлозные волокна с увеличенной площадью могут использоваться, например, при производстве бумаги.

[0063] При рафинировании волокон целлюлозы для получения целлюлозных волокон с увеличенной площадью в некоторых вариантах реализации данного изобретения желательно снизить образование мелких фракций волокон. В контексте данной заявки термин "мелкие фракции волокон" используется для обозначения целлюлозных волокон длиной от 0,2 мм или меньше. В некоторых вариантах реализации изобретения целлюлозные волокна с увеличенной площадью имеют взвешенный коэффициент мелких фракций волокон (по длине) менее 40%, более предпочтительно менее 22%, наиболее предпочтительным является менее чем 20%. В данных вариантах реализации изобретения целлюлозные волокна с увеличенной площадью могут использоваться, например, при производстве бумаги. Используемая в данной заявке "взвешенный коэффициент мелких фракций волокон (по длине)" измеряется с помощью анализатора качества волокон LDA02 или анализатора качества волокон LDA96 от OpTest Equipment, Inc., Хоксбери, Онтарио, Канада, согласно с соответствующими алгоритмами, описанными в руководстве пользователя для анализатора качества волокна. Используемое в данной заявке взвешенное процентное содержание мелких фракций волокон (по длине) рассчитывается по формуле:

% мелких фракций волокон, взвешенных по длине=100.times..SIGMA.n.sub.iL.sub.i/L.sub.T

где n - количество волокон длиной меньше 0,2 миллиметра, L.sub.i - медианная длина мелких фракций волокон (как класса), а L.sub.T - общая длина волокна.

[0064] В предпочтительных вариантах реализации изобретения, целлюлозные волокна с увеличенной площадью одновременно имеют преимущества сохранения длины и относительно высокой удельной площади поверхности, без недостатка, в предпочтительных вариантах реализации изобретения, образования большого количества мелких фракции волокон. Также, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения множество целлюлозных волокон с увеличенной площадью одновременно могут обладать одним или более других вышеупомянутых свойств (например, средневзвешенная длина волокон (по длине), изменение средней гидродинамической удельной площади поверхности, и/или поверхностной активности) и в то же время иметь сравнительно низкое процентное содержание мелких фракций волокон. В некоторых вариантах реализации изобретения данные волокна могут минимизировать негативное воздействие на извлечение воды и в то же время сохранять или повышать прочность продукции, в состав которой они добавляются.

[0065] Другие предпочтительные свойства целлюлозных волокон с увеличенной площадью могут быть охарактеризованы в случае, если волокна перерабатываются в другую продукцию и будут описаны при последующем описании способов создания целлюлозных волокон с увеличенной площадью.

[0066] Варианты реализации данного изобретения также относится к способам производства целлюлозных волокон с увеличенной площадью. Способы рафинирования, используемые в способах данного изобретения, могут обеспечивать преимущество, состоящее в сохранении длины волокон, а также в увеличении величины площади поверхности. В предпочтительных вариантах реализации изобретения данные способы также минимизируют количество мелких фракций волокон и/или повышают прочность продукции (например, прочность на растяжение, прочность к расслаиванию, измеренная на тестере Скотта, прочность бумажной продукции во влажном состоянии), содержащей целлюлозные волокна с увеличенной площадью в некоторых вариантах реализации изобретения.

[0067] В одном варианте реализации изобретения способ производства целлюлозных волокон с увеличенной площадью включает введение нерафинированных волокон целлюлозы в механический рафинер, содержащий пару размалывающих дисков, при этом диски содержат пластину шириной 1,3 мм или меньше и канавку шириной 2,5 мм или менее, причем волокна рафинируются до тех пор, пока потребление энергии рафинером при производстве целлюлозных волокон с увеличенной площадью не достигнет по меньшей мере 1080 МДж/т (300 кВт⋅ч/т). Для специалистов в данной области техники хорошо известны такие размеры размалывающих дисков как ширина пластины и канавки. Дополнительная информация содержится в книге Christopher J. Biermann, Handbook of Pulping and Papermaking (2d Ed.1996) на стр. 145, которая включена в данную заявку посредством ссылки. В предпочтительном варианте реализации изобретения диски имеют ширину пластины 1,0 миллиметр или меньше, а ширину канавки 1,6 миллиметр или меньше, причем волокна могут рафинироваться до тех пор, пока потребление энергии рафинером при производстве целлюлозных волокон с увеличенной площадью не достигнет по меньшей мере 1080 МДж/т (300 кВт⋅ч/т). В наиболее предпочтительном варианте реализации изобретения ширина пластины составляет 1,0 мм или меньше, а ширина паза составляет 1,3 мм или меньше, причем волокна могут рафинироваться до тех пор, пока потребление энергии рафинером при производстве целлюлозных волокон с увеличенной площадью не достигнет по меньшей мере 1080 МДж/т (300 кВт⋅ч/т). В контексте данной заявки и как известно специалистам в данной области техники, при ссылке на потребление энергии или энергию рафинирования в данной заявке используются единицы МДж/т (кВт⋅ч/т), при этом под "т" или "тонну" подразумевается тонна целлюлозы, проходящей через рафинер древесной массы в пересчете на сухое вещество. В некоторых вариантах реализации изобретения волокна рафинируются до тех пор, пока потребление энергии рафинером не достигнет по меньшей мере 2340 МДж/т (650 кВт⋅ч/т). Множество волокон может рафинироваться до тех пор, пока они не приобретут одно или более свойств, описанных в данной заявке, связанных с целлюлозными волокнами с увеличенной площадью в данном изобретении. Как более подробно описывается ниже, для специалистов в данной области техники будет очевидно, что для некоторых типов волокон древесины количество энергии, потребляемой для рафинирования может значительно превышать 1080 МДж/т (300 кВт⋅ч/т), при этом может варьироваться величина энергии рафинирования, необходимой для придания волокнам целлюлозы требуемых свойств.

[0068] В одном варианте реализации изобретения нерафинированные волокна целлюлозы подаются на механический рафинер, содержащий пару размалывающих дисков или на ряд рафинеров. Нерафинированные волокна целлюлозы могут включать любые из волокон целлюлозы, описанных в данной заявке, такие как, например, волокна целлюлозы из лиственной древесины или волокна целлюлозы из хвойной древесины или недревесные волокна целлюлозы, полученные с помощью различных процессов, описанных в данной заявке (например, механических, химических и т. д.). Кроме того, нерафинированные волокна целлюлозы или сырье для получения волокон целлюлозы могут поставляться в кипах или в виде суспензии. Например, в одном варианте реализации изобретения сырье для получения волокон целлюлозы в кипах может содержать примерно от 7 до 11% воды и примерно от 89 до 93% твердых частиц. Подобным образом, например, в одном варианте реализации изобретения суспензия для получения волокон целлюлозы может содержать примерно 95% воды и примерно 5% твердых веществ. В некоторых вариантах реализации изобретения сырье для получения волокон целлюлозы не подвергалось высушиванию на сушилке для целлюлозы.

[0069] Не ограничивающие примеры рафинеров, которые могут использоваться для производства целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с некоторыми вариантами реализации данного изобретения, включают двухдисковые рафинеры, конические рафинеры, однодисковые рафинеры, многодисковые рафинеры или сочетание конических и дисковых рафинеров. Не ограничивающие примеры двухдисковых рафинеров включают рафинеры Beloit DD 3000, Beloit DD 4000 или Andritz DO. Не ограничивающими примерами конических рафинеров являются Sunds JC01, Sunds JC02 и Sunds JC03.

[0070] Конструкция размалывающих дисков, а также эксплуатационный режим играют важную роль при производстве некоторых вариантов реализации целлюлозных волокон с увеличенной площадью. Параметрами размалывающих дисков, используемыми для характеристики размалывающих дисков, являются ширина пластины, ширина и глубина канавки. Как правило, размалывающие диски для использования в различных вариантах данного изобретения можно охарактеризовать как мелкорифленые. Данные диски могут иметь ширину пластины 1,3 миллиметра или меньше, а ширину канавки 2,5 миллиметра или меньше. В некоторых вариантах реализации данные диски могут иметь ширину пластины 1,3 миллиметра или меньше, а ширину канавки 1,6 мм или меньше. В некоторых вариантах реализации изобретения данные диски могут иметь ширину от 1,0 миллиметра или меньше, а ширину канавки 1,6 мм или меньше. В некоторых вариантах реализации данные диски могут иметь ширину пластины 1,0 миллиметр или меньше, а ширину канавки 1,3 мм или меньше. Размалывающие диски, имеющие ширину пластины 1,0 миллиметр или меньше, а ширину канавки 1,6 миллиметров или меньше могут также упоминаться как ультрадисперсные размалывающие диски. Данные диски от Aikawa Fiber Technologies (AFT) выпускаются под маркой FINEBAR.РТМ. При соответствующем эксплуатационном режиме с помощью данных мелкорифленых дисков можно увеличить количество волокон в волокнах целлюлозы (т.е., увеличение фибриллирования) при сохранении длины волокна и свести к минимуму производство мелких фракций волокон. Обычные диски (например, пластина шириной более 1,3 миллиметра и/или канавка шириной более 2,0 миллиметра) и/или неподходящий эксплуатационный режим может существенно повысить обрезку волокон в волокнах целлюлозы и/или послужить причиной образования нежелательного количества мелких фракций волокон.

[0071] Эксплуатационный режим рафинера может также играть важную роль в производстве некоторых вариантов реализации целлюлозных волокон с увеличенной площадью. В некоторых вариантах реализации изобретения целлюлозные волокна с увеличенной площадью могут производиться путем рециркуляции изначально нерафинированных волокон целлюлозы через рафинер(ы) до тех пор, пока потребление энергии рафинером не достигнет по меньшей мере примерно 1080 МДж/т (300 кВт⋅ч/т). Целлюлозные волокна с увеличенной площадью могут быть получены путем рециркуляции изначально нерафинированных волокон целлюлозы через рафинер(ы) до тех пор, пока потребление энергии рафинером в некоторых вариантах реализации изобретения, не достигнет по меньшей мере примерно 1620 МДж/т (450 кВт⋅ч/т). В некоторых вариантах реализации изобретения волокна могут рециркулироваться в рафинере до тех пор, пока потребление энергии рафинером не достигнет по меньшей мере примерно от 1620 МДж/т до 2340 МДж/т (450 до 650 кВт⋅ч/т). В некоторых вариантах реализации изобретения рафинер может работать при удельной нагрузке на краях примерно от 0,1 до 0,3 Вт⋅с/м. В других вариантах реализации рафинер может работать при удельной нагрузке на краях примерно от 0,15 до 0,2 Вт⋅с/м. В некоторых вариантах реализации изобретения при производстве целлюлозных волокон с увеличенной площадью потребление энергии примерно от 1620 МДж/т до 2340 МДж/т (от 450 до 650 кВт⋅ч/т) достигается при использовании удельной нагрузки на краях примерно от 0,1 Вт⋅с/м до 0,2 Вт⋅с/м. Удельная нагрузка на краях (или УНК) является термином, с помощью которого специалисты в данной области техники называют коэффициент, равный подаваемой в сеть мощности, деленный на произведение скорости вращения и длины краев. УНК используется для характеристики интенсивности рафинирования и измеряется в Ватт-секундах/метр (Вт⋅с/м).

[0072] Как более подробно описывается ниже, для специалистов в данной области техники будет очевидно, что для некоторых типов волокон древесины потребление энергии при рафинировании может значительно превышать 1440 МДж/т (400 кВт⋅ч/т) и, что также может варьироваться количество энергии, потребляемой для рафинирования, необходимой для придания волокнам целлюлозы требуемых свойств. Например, для смешанных волокон древесины южных лиственных пород (например, дуба, камедного дерева, вяза и др.) может потребоваться потребление энергии при рафинировании примерно 1620 МДж/т - 2340 МДж/т (450-650 кВт⋅ч/т). Наоборот, для волокон древесины северных лиственных пород (например, клена, березы, осины, бука и т. д.) может потребоваться потребление энергии при рафинировании от примерно 1260 МДж/т (350 кВт⋅ч/т) до примерно 1800 МДж/т (500 кВт⋅ч/т), поскольку волокна древесины северных лиственных пород по сравнению с древесиной южных лиственных пород являются менее грубыми. Аналогичным образом, для волокон древесины южных хвойных пород (например, сосны) могут потребоваться еще большие значения энергии рафинирования. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения рафинирование волокон из древесины южных хвойных пород в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения может быть значительно выше (например, по меньшей мере 3600 МДж/т (1000 кВт⋅ч/т)).

[00073] В зависимости от количества энергии, потребляемой для рафинирования, подаваемой за один проход через рафинер, и количества требуемых проходов энергия рафинирования также может подаваться с помощью нескольких способов. В некоторых вариантах реализации изобретения рафинеры, используемые в некоторых способах, могут работать при более низких значениях энергии рафинирования, подаваемой за один проход (например, 100 кВт⋅ч/т/проход или менее) так, чтобы для подачи определенной энергии рафинирования требовалось несколько проходов или несколько рафинеров. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения один рафинер может работать при 180 МДж/т/проход (50 кВт⋅ч/т/проход), причем для подачи энергии рафинирования 1620 МДж/т (450 кВт⋅ч/т) волокна целлюлозы могут рециркулироваться через рафинер всего за 9 проходов. В некоторых вариантах реализации изобретения для подачи энергии рафинирования несколько рафинеров могут соединяться в серии.

[0074] В некоторых вариантах реализации изобретения, в которых волокна целлюлозы получают требуемую энергию рафинирования за счет рециркуляции волокон через один рафинер, для получения требуемой степени фибриллирования волокна целлюлозы могут циркулировать через рафинер по меньшей мере дважды. В некоторых вариантах реализации изобретения для достижения требуемой степени фибриллирования волокна целлюлозы могут циркулировать через рафинер примерно от 6 до 25 раз. Волокна целлюлозы могут фибриллироваться в одном рафинере путем рециркуляции в периодическом процессе.

[0075] В некоторых вариантах реализации изобретения волокна целлюлозы могут фибриллироваться в одном рафинере с использованием непрерывного процесса. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения данный способ может включать непрерывное удаление множества волокон из рафинера, причем часть удаленных волокон являются целлюлозными волокнами с увеличенной площадью, и рециркуляцию более чем примерно 80% удаленных волокон обратно в механический рафинер для дальнейшей переработки. В некоторых вариантах реализации изобретения более чем примерно 90% удаленных волокон может рециркулироваться обратно в механический рафинер для дальнейшей переработки. В данных вариантах реализации изобретения можно управлять количеством нерафинированных волокон, вводимых в рафинер и количество волокон, удаленных из волокон без рециркуляции, так, чтобы через рафинер постоянно проходило определенное количество волокон. Иными словами, поскольку из контура рециркуляции, связанного с рафинером, удаляется некоторое количество волокон, для поддержания требуемого уровня волокон, циркулирующих через рафинер, в рафинер должно добавляться соответствующее количество нерафинированных волокон. С целью облегчения производства целлюлозных волокон с увеличенной площадью с определенными свойствами (например, средневзвешенная длина волокон (по длине), удельная гидродинамическая площадь поверхности и т. д.), по мере увеличения количества проходов во время процесса понадобится сократить интенсивность рафинирования (например, удельную нагрузку на краях) за проход.

[0076] В других вариантах реализации изобретения для достижения требуемой степени фибриллирования в серии могут входить два или более рафинеров для циркуляции волокон целлюлозы. Следует понимать, что для изготовления целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с данным изобретением могут использоваться разнообразные конструкции, содержащие множество рафинеров. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения несколько рафинеров могут быть расположены в сериях, в которых применяются аналогичные размалывающие диски и которые функционируют при тех же параметрах рафинирования (например, энергия, затрачиваемая на рафинирование за один проход, удельная нагрузка на краях и т. д.). В некоторых таких вариантах реализации изобретения волокна могут проходить через один из рафинеров только один раз и/или несколько раз через еще один из рафинеров.

[0077] В одном приведенном в качестве примера варианте реализации изобретения способ изготовления целлюлозных волокон с увеличенной площадью включает введение нерафинированных волокон целлюлозы в первый механический рафинер, содержащий пару размалывающих дисков, при этом толщина ножа дисков составляет 1,3 мм или меньше, а ширина канавки составляет 2,5 мм или меньше, рафинирование волокон в первом механическом рафинере, подачу волокон по меньшей мере в один дополнительный механический рафинер, содержащий пару размалывающих дисков, при этом толщина ножа дисков составляет 1,3 мм или меньше, а ширина канавки составляет 2,5 мм или меньше, и рафинирование волокон по меньшей мере в одном дополнительном механическом рафинере до тех пор, пока суммарное потребление энергии для рафинеров не будет составлять по меньшей мере 1080 МДж/т (300 кВт⋅ч/т) для получения целлюлозных волокон с увеличенной площадью. В некоторых вариантах реализации изобретения волокна могут рециркулировать через первый механический рафинер несколько раз. В некоторых вариантах реализации изобретения волокна могут рециркулировать через дополнительный механический рафинер несколько раз. В некоторых вариантах реализации изобретения волокна могут рециркулировать через два и более механических рафинеров несколько раз.

[0078] В некоторых вариантах реализации способов получения целлюлозных волокон с увеличенной площадью с использованием множества рафинеров первый механический рафинер может использоваться для обеспечения этапа первичного рафинирования со сравнительно меньшим измельчением и один или более последующих рафинеров могут быть использованы для обеспечения целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с вариантами реализации данного изобретения. Например, для обеспечения первоначального фибриллирования сравнительно менее мелких волокон в первом механическом рафинере в таких вариантах реализации изобретения могут использоваться обычные размалывающие диски (например, с толщиной ножа более 1,0 мм и шириной канавки 1,6 мм или больше) и функционировать при обычных условиях рафинирования (например, удельная нагрузка на краях 0,25 Вт⋅с/м). В одном варианте реализации изобретения количество энергии, потребляемой для рафинирования в первом механическом рафинере, может составлять примерно 360 МДж/т (100 кВт⋅ч/т) или меньше. Затем после прохождения первого механического рафинера волокна могут быть поданы в один или более последующих рафинеров, в которых используются ультрадисперсные размалывающие диски (например, с толщиной ножа 1,0 мм или меньше и шириной канавки 1,6 мм или меньше) и функционируют при условиях (например, с удельной нагрузкой на краях 0,13 Вт⋅с/м), достаточных для получения целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с некоторыми вариантами реализации данного изобретения. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения длина режущей кромки (ДРК) может увеличиваться между рафинированием с использованием обычных размалывающих дисков и рафинированием с использованием ультрадисперсных размалывающих дисков в зависимости от различий между размалывающими дисками. Длина режущей кромки (или ДРК) является произведением длины кромки ножа и частоты вращения, указанной выше, при этом волокна могут проходить или рециркулировать через рафинеры несколько раз с целью достижения требуемой энергии, затрачиваемой на рафинирование, и/или могут использоваться несколько рафинеров для достижения энергии, затрачиваемой на рафинирование.

[0079] В одном приведенном в качестве примера варианте реализации изобретения способ изготовления целлюлозных волокон с увеличенной площадью включает введение нерафинированных волокон целлюлозы в первый механический рафинер, содержащий пару размалывающих дисков, при этом толщина ножа дисков составляет более 1,0 мм, ширина канавки составляет 2,0 миллиметра или больше. В некоторых вариантах реализации изобретения для обеспечения сравнительно менее мелкого, первоначального рафинирования волокон может использоваться рафинирование волокон в первом механическом рафинере. После рафинирования волокон в первом механическом рафинере волокна доставляются по меньшей мере в один дополнительный механический рафинер, содержащий пару размалывающих дисков, при этом толщина ножа дисков составляет 1,0 мм или меньше, а ширина канавки составляет 1,6 мм или меньше. В одном или более дополнительных механических рафинерах волокна могут рафинироваться до тех пор, пока суммарное потребление энергии для рафинеров не составит по меньшей мере 1080 МДж/т (300 кВт⋅ч/т) с целью получения целлюлозных волокон с увеличенной площадью. В некоторых вариантах реализации изобретения волокна рециркулируются через первый механический рафинер несколько раз. В некоторых вариантах реализации изобретения волокна рециркулируются через один или более дополнительных механических рафинеров несколько раз.

[0080] Что касается различных способов, описанных в данной заявке, в некоторых вариантах реализации изобретения волокна целлюлозы могут рафинироваться при низкой степени густоты (например, от 3 до 5%). Специалистам в данной области техники будет понятно, что степень густоты подразумевает соотношение высушенных в печи волокон к суммарному количеству высушенных в печи волокон и воды. Иными словами, степень густоты 3% будет отражать, например, наличие 3 граммов высушенных в печи волокон в 100 миллилитрах суспензии целлюлозы.

[0081] Другие параметры, связанные с работой рафинеров для производства целлюлозных волокон с увеличенной площадью, могут быть без труда определены посредством методов, известных специалистам в данной области техники. Аналогичным образом, специалисты в данной области техники могут регулировать различные параметры (например, суммарную энергию, затрачиваемую на рафинирование, энергию, затрачиваемую на рафинирование за один проход, количество проходов, количество и тип рафинеров, удельную нагрузку на краях и т. д.) с целью получения целлюлозных волокон с увеличенной площадью по данному изобретению. Например, интенсивность рафинирования, или энергия, потребляемая для рафинирования волокон за один проход с использованием многопроходной системы, следует постепенно снижать по мере увеличения количества проходов через рафинер, чтобы получать волокна целлюлозы с увеличенной площадью, обладающие требуемыми свойствами в некоторых вариантах реализации изобретения.

[0082] Различные варианты реализации целлюлозных волокон с увеличенной площадью по данному изобретению могут быть добавлены в различную готовую продукцию. Некоторые варианты реализации целлюлозных волокон с увеличенной площадью по данному изобретению могут наделять выгодными свойствами готовую продукцию, в которую они добавлены в некоторых вариантах реализации изобретения. Не ограничивающие примеры такой продукции включают целлюлозу, бумагу, картон, композитные материалы на основе биоволокна (например, цементно-волокнистая плита, волоконно-армированные пластики и т. д.), адсорбирующие материалы (например, распушенная целлюлоза, гидрогели и т. д.), специальные химические вещества, полученные из целлюлозы (например, ацетат целлюлозы, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) и т. д.) и другую продукцию. Специалисты в данной области техники могут определить другие продукты, в которые могут включаться волокна целлюлозы с увеличенной площадью, в частности, исходя из свойств волокон. Например, за счет увеличения удельных площадей поверхности целлюлозных волокон с увеличенной площадью (и, следовательно, поверхностной активности) использование целлюлозных волокон с увеличенной площадью может выгодно увеличивать прочностные свойства (например, предел прочности сухого вещества) некоторой готовой продукции при использовании примерно такого же суммарного количества волокон и/или обеспечивать сопоставимые прочностные свойства готовой продукции при использовании меньшего количества волокон на основании веса в конечном продукте в некоторых вариантах реализации изобретения.

[0083] Помимо физических свойств, которые более подробно описаны ниже, использование целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с некоторыми вариантами реализации данного изобретения может иметь определенные преимущества в отношении производства и/или экономии средств в некоторых вариантах применения. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения введение множества целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с данным изобретением в бумажную продукцию может снизить совокупную стоимость волокон в волокнистом материале (т. е. замена дорогостоящих волокон менее дорогостоящими волокнами целлюлозы с увеличенной площадью). Например, более длинные волокна хвойной древесины обычно стоят дороже, чем более короткие волокна лиственной древесины. В некоторых вариантах реализации изобретения бумажная продукция, содержащая по меньшей мере 2 массовых процента целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с данным изобретением, может привести к снижению на примерно 5% более дорогостоящих волокон хвойной древесины при одновременном сохранении прочности бумаги, сохранении безотрывной проводки бумажного полотна бумагоделательной машины, сохранении технологических показателей и улучшении показателей печати. Бумажная продукция, включающая от примерно 2 до примерно 8 массовых процентов целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с некоторыми вариантами реализации данного изобретения, может привести к снижению на примерно 5% и примерно 20% более дорогостоящих волокон хвойной древесины при сохранении прочности бумаги и улучшении показателей печати в некоторых вариантах реализации изобретения. Включение от примерно 2 до примерно 8 массовых процентов целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с данным изобретением может помочь существенно снизить затраты на изготовление бумаги по сравнению с бумажной продукцией, изготовленной тем же способом, по существу, без целлюлозных волокон с увеличенной площадью в некоторых вариантах реализации изобретения.

[0084] Одно из применений, в котором могут использоваться волокна целлюлозы с увеличенной площадью по данному изобретению, представляет собой бумажную продукцию. В производстве бумажной продукции с использованием целлюлозных волокон с увеличенной площадью по данному изобретению количество целлюлозных волокон с увеличенной площадью, используемых при производстве разных типов бумаги, может играть важную роль. Например, и без ограничений, применение определенного количества целлюлозных волокон с увеличенной площадью может обладать преимуществами повышения прочности на растяжение и/или повышения влагопрочности бумажной продукции при минимизации потенциальных побочных эффектов, таких как удаление воды. В некоторых вариантах реализации изобретения бумажная продукция может содержать более чем примерно 2 массовых процента целлюлозных волокон с увеличенной площадью (исходя из общего веса бумажной продукции). Бумажная продукция может содержать более чем примерно 4 массовых процента целлюлозных волокон с увеличенной площадью в некоторых вариантах реализации изобретения. В некоторых вариантах реализации изобретения бумажная продукция может содержать менее чем примерно 15 массовых процентов целлюлозных волокон с увеличенной площадью. В некоторых вариантах реализации изобретения бумажная продукция может содержать менее чем примерно 10 массовых процентов целлюлозных волокон с увеличенной площадью. В некоторых вариантах реализации изобретения бумажная продукция может содержать от примерно 2 до примерно 15 массовых процентов целлюлозных волокон с увеличенной площадью. В некоторых вариантах реализации изобретения бумажная продукция может содержать от примерно 4 до примерно 10 массовых процентов целлюлозных волокон с увеличенной площадью. В некоторых вариантах реализации изобретения волокна целлюлозы с увеличенной площадью, использованные в бумажной продукции, могут по существу или полностью включать волокна целлюлозы из лиственной древесины.

[0085] В некоторых вариантах реализации изобретения, когда волокна целлюлозы с увеличенной площадью по данному изобретению добавлены в бумажную продукцию, относительное количество волокон хвойной древесины, которые могут быть замещены, приблизительно в 1-2,5 раза больше количества использованных целлюлозных волокон с увеличенной площадью (исходя из общего веса бумажной продукции), с уравновешиванием замещения за счет рафинированных обычным способом волокон лиственной древесины. Иными словами, и в качестве одного из не ограничивающих примеров, примерно 10 массовых процентов рафинированных обычным способом волокон хвойной древесины могут быть замещены примерно 5 массовыми процентами целлюлозных волокон с увеличенной площадью (при этом предполагается замещение 2 массовых процентов волокон хвойной древесины на 1 массовый процент целлюлозных волокон с увеличенной площадью) и примерно 5 массовыми процентами рафинированных обычным способом волокон лиственной древесины. В некоторых вариантах реализации изобретения такая замена может произойти без ущерба для физических свойств бумажной продукции.

[00086] Что касается физических свойств, волокна целлюлозы с увеличенной площадью в соответствии с некоторыми вариантами реализации данного изобретения могут повысить прочность бумажной продукции. Например, введение в бумажную продукцию множества целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с некоторыми вариантами реализации данного изобретения может повысить прочность готовой продукции. В некоторых вариантах реализации изобретения бумажная продукция, включающая по меньшей мере 5 массовых процентов целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с данным изобретением, может привести к повышенным характеристикам влагопрочности и/или сухой прочности, может улучшить безотрывную проводку бумажного полотна бумагоделательной машины на высоких скоростях и/или может повысить технологические показатели при одновременном улучшении продукции. В некоторых вариантах реализации изобретения введение от примерно 2 до примерно 10 массовых процентов целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с данным изобретением может содействовать существенному повышению прочности и показателей бумажной продукции по сравнению с аналогичной продукцией, изготовленной с помощью такого же способа, по существу, без целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с данным изобретением.

[0087] В качестве другого примера, бумажная продукция, включающая от примерно 2 до примерно 8 массовых процентов целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с некоторыми вариантами реализации данного изобретения, и содержащее на примерно 5-20 массовых процентов меньше волокон хвойной древесины, может иметь аналогичный предел влагопрочности по сравнению с аналогичной бумажной продукцией с волокнами хвойной древесины и без целлюлозных волокон с увеличенной площадью. В некоторых вариантах реализации изобретения бумажная продукция, содержащая множество целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с данным изобретением, может иметь предел влагопрочности по меньшей мере 150 метров. В некоторых вариантах реализации изобретения бумажная продукция, содержащая по меньшей мере 5 массовых процентов целлюлозных волокон с увеличенной площадью и на 10 массовых процентов меньше волокон хвойной древесины, в соответствии с некоторыми вариантами реализации данного изобретения может иметь предел влагопрочности (при 30% степени густоты) по меньшей мере 166 метров. Введение от примерно 2 до примерно 8 массовых процентов целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с данным изобретением может улучшить предел влагопрочности бумажной продукции по сравнению с бумажной продукцией, произведенной тем же способом, по существу, без целлюлозных волокон с увеличенной площадью, таким образом, что некоторые варианты реализации бумажной продукции, включающие волокна целлюлозы с увеличенной площадью, могут иметь требуемые пределы влагопрочности с меньшим количеством волокон хвойной древесины. В некоторых вариантах реализации изобретения введение по меньшей мере примерно 2 массовых процента целлюлозных волокон с увеличенной площадью по данному изобретению в бумажной продукции, может улучшить другие свойства в различных вариантах реализации изобретения, включая, без ограничения, непрозрачность, пористость, впитываемость, потребление энергии на разрыв, стойкость к расслаиванию/внутреннюю связь волокон и/или печатные свойства (например, пестрота при печати оптической плотности слоя краски, пестрота при глянцевании).

[0088] В качестве еще одного примера, в некоторых вариантах реализации изобретения бумажная продукция, содержащая множество целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с данным изобретением, может обладать требуемым пределом сухой прочности. В некоторых вариантах реализации изобретения бумажная продукция, содержащая по меньшей мере 5 массовых процентов целлюлозных волокон с увеличенной площадью, может обладать требуемым пределом сухой прочности на растяжение. Бумажная продукция, содержащая по меньшей мере от примерно 5 до примерно 15 массовых процентов целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с данным изобретением, может обладать требуемым пределом сухой прочности на растяжение. В некоторых вариантах реализации изобретения введение от примерно 5 до примерно 15 массовых процентов целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с данным изобретением может улучшить предел сухой прочности на растяжение бумажной продукции по сравнению с бумажной продукцией, произведенной тем же способом, по существу, без целлюлозных волокон с увеличенной площадью.

[0089] В некоторых вариантах реализации изобретения введение по меньшей мере примерно 5 массовых процентов целлюлозных волокон с увеличенной площадью по данному изобретению может улучшить другие свойства в различных вариантах реализации изобретения, включая, без ограничения, непрозрачность, пористость, впитываемость и/или печатные свойства (например, пестрота при печати оптической плотности слоя краски, пестрота при глянцевании и т. д.).

[0090] В некоторых вариантах реализации данной продукции, содержащей множество целлюлозных волокон с увеличенной площадью, улучшения определенных свойств, в некоторых случаях, могут пропорционально превышать количество включенных целлюлозных волокон с увеличенной площадью. Иными словами, и в качестве примера, в некоторых вариантах реализации изобретения, если бумажная продукция включает примерно 5 массовых процентов целлюлозных волокон с увеличенной площадью, то соответствующее увеличение предела сухой прочности может значительно превышать 5%.

[0091] Помимо бумажной продукции, которая была рассмотрена выше, в некоторых вариантах реализации изобретения целлюлоза, содержащая множество целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с данным изобретением, может обладать улучшенными свойствами, такими как, без ограничения, улучшенной поверхностной активностью или потенциалом упрочнения, большим пределом прочности листа (т. е. улучшенной прочностью бумаги) при меньшем совокупном количестве энергии, затрачиваемой на рафинирование, улучшенной впитываемости воды и/или других свойствах.

[0092] В качестве еще одного примера, в некоторых вариантах реализации изобретения, промежуточная целлюлозно-бумажная продукция (например, распушенная целлюлоза, упрочняющая целлюлоза для сортов бумаги, товарная целлюлоза для тканей, товарная целлюлоза для сортов бумаги и т. д.), содержащая от примерно 1 до примерно 10 массовых процентов целлюлозных волокон с увеличенной площадью может обеспечить улучшенные свойства. Не ограничивающие примеры улучшенных свойств промежуточной целлюлозно-бумажной продукции могут включать повышенную влагопрочность, сопоставимую влагопрочность, улучшенную впитываемость и/или другие свойства.

[0093] В качестве другого примера, в некоторых вариантах реализации изобретения, промежуточная бумажная продукция (например, листы или рулоны целлюлозы в кипах и т. д.), содержащая целлюлозные волокна с увеличенной площадью может оказывать непропорциональное улучшение характеристик и свойств готовой продукции, при этом более предпочтительным является по меньшей мере 1 массовый процент целлюлозных волокон с увеличенной площадью. В некоторых вариантах реализации изобретения промежуточная бумажная продукция может содержать от 1 массового процента до 10 массовых процентов целлюлозных волокон с увеличенной площадью. Не ограничивающие примеры улучшенных свойств такой промежуточной бумажной продукции могут включать свойства повышенной влагопрочности, более оптимального удаления воды при сопоставимом пределе влагопрочности, повышенной прочности при аналогичном соотношении лиственной древесины к хвойной древесине и/или сопоставимой прочности при более высоком соотношении лиственной древесины к хвойной древесине.

[0094] При изготовлении бумажной продукции в соответствии с некоторыми вариантами реализации данного изобретения волокна целлюлозы с увеличенной площадью по данному изобретению могут подаваться как набегающий поток в обычном процессе изготовления бумаги. Например, волокна целлюлозы с увеличенной площадью по данному изобретению могут быть смешаны с потоком волокон лиственной древесины, рафинированных с использованием обычных размалывающих дисков и в обычных условиях. Затем объединенный поток волокон целлюлозы из лиственной древесины может быть объединен с волокнами целлюлозы хвойной древесины и использован для производства бумаги с применением традиционных методов.

[0095] Другие варианты реализации данного изобретения относятся к типам картона, которые содержат множество целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с некоторыми вариантами реализации данного изобретения. Типы картона в соответствии с вариантами реализации данного изобретения могут быть изготовлены с использованием методов, известных специалистам в данной области техники, за исключением введения определенного количества целлюлозных волокон с увеличенной площадью по данному изобретению, причем более предпочтительными являются по меньшей мере 2% целлюлозных волокон с увеличенной площадью. В некоторых вариантах реализации изобретения типы картона могут быть изготовлены с использованием методов, известных специалистам в данной области техники, за исключением использования от примерно 2% до примерно 3% целлюлозных волокон с увеличенной площадью по данному изобретению.

[0096] Другие варианты реализации данного изобретения также относятся к волоконным композитным биоматериалам (например, волоконно-цементные плиты, волоконно-армированные пластики и т. д.), которые содержат множество целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с некоторыми вариантами реализации данного изобретения. Волоконно-цементные плиты по данному изобретению обычно могут быть изготовлены с использованием методов, известных специалистам в данной области техники, за исключением введения целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с некоторыми вариантами реализации данного изобретения, причем более предпочтительными являются по меньшей мере 3% целлюлозных волокон с увеличенной площадью. В некоторых вариантах реализации изобретения волоконно-цементные плиты по данному изобретению обычно могут быть изготовлены с использованием методов, известных специалистам в данной области техники, за исключением использования от примерно 3% до примерно 5% целлюлозных волокон с увеличенной площадью по данному изобретению.

[0097] Другие варианты реализации данного изобретения также относятся к впитывающим воду материалам, которые содержат множество целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с некоторыми вариантами реализации данного изобретения. Данные впитывающие воду материалы могут быть изготовлены с использованием методов, известных специалистам в данной области техники, с использованием целлюлозных волокон с увеличенной площадью в соответствии с некоторыми вариантами реализации данного изобретения. Не ограничивающие примеры таких впитывающих воду материалов включают, без ограничения, распушенную целлюлозу и целлюлозу по сорту ткани.

[0098] На Фиг.1 проиллюстрирован один типовой вариант реализации системы, которая может использоваться для изготовления бумажной продукции, содержащей целлюлозные волокна с увеличенной площадью по данному изобретению. Резервуар для нерафинированных волокон 100, содержащий нерафинированные волокна лиственной древесины, например, в виде целлюлозной основы, соединяется с резервуаром для временного хранения 102, который соединяется с рафинером для фибриллирования104, с которым он селективно связан с помощью замкнутого контура. Как упоминалось выше, в конкретном варианте реализации изобретения рафинер для фибриллирования104 является рафинером, в котором возможна регулировка соответствующих параметров для производства целлюлозных волокон с увеличенной площадью, описанных в данной заявке. Например, рафинером для фибриллирования104 может быть двухдисковый рафинер с двумя размалывающими дисками, каждый из которых содержит пластину шириной 1,0 миллиметр, и канавку шириной 1,3 мм, причем удельная нагрузка на краях составляет примерно 0,1-0,3 Вт⋅с/м. Замкнутый контур между резервуаром для временного хранения 102 и рафинером для фибриллирования104 сохраняется до тех пор, пока волокна циркулируют через рафинер 104 требуемое количество раз, например, до тех пор, пока потребление энергии не достигнет примерно 1440 МДж/т - 2340 МДж/т (400-650 кВт⋅ч/т).

[0099] Выпускной трубопровод простирается от рафинера для фибриллирования104 к резервуару для хранения 105, причем данный трубопровод остается закрытым до тех пор, пока волокна циркулируют через рафинер 104 достаточное количество раз. Резервуар для хранения 105 соединяется с потоком, выходящим из типового рафинера 110, с настроенными типовыми параметрами для производства типовых рафинированных волокон. В некоторых вариантах реализации изобретения резервуар для хранения 105 не используется, а рафинер для фибриллирования104 соединяется с потоком, выходящим из типового рафинера 110.

[0100] В конкретном варианте реализации изобретения типовой рафинер 110 соединяется с резервуаром для нерафинированных волокон 100, таким образом, что один источник грубых волокон (например, один источник волокон лиственной древесины) используются как при рафинировании, так и при и фибриллировании. В другом варианте реализации изобретения другой резервуар для нерафинированных волокон 112 соединяется с типовым рафинером 110 для получения типовых рафинированных волокон. В данном случае оба резервуара 100, 112 могут содержать в себе аналогичные или разные волокна.

[0101] Следует понимать, что все соединения между различными элементами системы, по мере необходимости, могут включать насосы (не показаны) или другое подходящее оборудование для нагнетания потока между ними в дополнение к клапанам (не показаны) или другому подходящему оборудованию для выборочного закрытия соединения в случае необходимости. Кроме того, между последовательно размещенными элементами системы могут располагаться дополнительные резервуары (не показаны).

[0102] При использовании и в соответствии с конкретным вариантом реализации изобретения нерафинированные волокна вводят в процесс механического рафинирования, где к ним применяется относительно низкая удельная нагрузка на краях (УНК), например, примерно 0,1-0,3 Вт⋅с/м, например, через размалывающие диски, описанные выше. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения это достигается посредством циркуляции нерафинированных волокон из резервуара 100 в резервуар для временного хранения 102, а затем между рафинером для фибриллирования104 и резервуаром для временного хранения 102. Процесс механического рафинирования продолжается до достижения сравнительно высокого энергопотребления, например, примерно 1620 МДж/т - 2340 МДж/т (450-650 кВт⋅ч/т). В проиллюстрированном варианте реализации изобретения это достигается посредством рециркуляции волокон между рафинером для фибриллирования104 и резервуаром для временного хранения 102 до тех пор, пока волокна не пройдут через рафинер 104 "n" раз. В одном варианте реализации изобретения n равно по меньшей мере 3, а в некоторых вариантах реализации изобретения оно может составлять от 6 до 25. n может быть выбрано для наделения целлюлозных волокон с увеличенной площадью свойствами (например, длина, средневзвешенная длина, удельная площадь поверхности, мелкие фракции волокон и т. д.), например, в пределах заданных диапазонов и/или значений, описанных в данной заявке.

[0103] Затем поток целлюлозных волокон с увеличенной площадью выходит из рафинера для фибриллирования104 и направляется в резервуар для хранения 105. Для получения состава сырьевого запаса для изготовления бумаги поток целлюлозных волокон с увеличенной площадью выходит из резервуара для хранения 105 и затем объединяется с потоком типовых рафинированных волокон, прошедших рафинирование в типовом рафинере 110. Соотношение между волокнами целлюлозы с увеличенной площадью и типовыми рафинированными волокнами в составе сырьевого запаса может быть ограничено максимальной долей целлюлозных волокон с увеличенной площадью, которые придадут изготавливаемой бумаге соответствующие свойства. В одном варианте реализации изобретения примерно 4-15% содержания волокна в составе сырьевого запаса образованы волокнами целлюлозы с увеличенной площадью (т. е. примерно 4-15% волокон, присутствующих в составе сырьевого запаса, являются волокнами целлюлозы с увеличенной площадью). В некоторых вариантах реализации изобретения от примерно 5 до примерно 10% волокон, присутствующих в составе сырьевого запаса, являются волокнами целлюлозы с увеличенной площадью. В данной заявке описаны и могут использоваться другие пропорции целлюлозных волокон с увеличенной площадью.

[0104] Затем состав сырьевого запаса рафинированных волокон и целлюлозных волокон с увеличенной площадью может подаваться в оставшуюся часть процесса производства бумаги, при этом бумага могут быть образована с использованием методов, известных специалистам в данной области техники.

[0105] На Фиг.2 проиллюстрирована разновидность приведенного в качестве примера варианта реализации изобретения, проиллюстрированного на Фиг.1, в котором рафинер для фибриллирования104 был заменен двумя размещенными последовательно рафинерами 202, 204. В данном варианте реализации изобретения первичный рафинер 202 обеспечивает этап первичного рафинирования со сравнительно меньшим измельчением, а второй рафинер 204 продолжает рафинировать волокна для получения целлюлозных волокон с увеличенной площадью. Как проиллюстрировано на Фиг. 2, волокна могут рециркулироваться во второй рафинер 204 до тех пор, пока волокна проциркулируют через рафинер 204 требуемое количество раз, например, до достижения требуемого потребления энергии. В качестве альтернативного варианта, вместо рециркуляции волокон во втором рафинере 204, в сериях могут быть размещены дополнительные рафинеры за вторым рафинером 204 для последующего рафинирования волокон, и любые такое рафинеры могут при необходимости содержать контур рециркуляции. Хотя это и не проиллюстрировано на Фиг. 1, в зависимости от энергоемкости первичного рафинера 202 и требуемой энергии, которую необходимо применять к волокнам на начальной стадии рафинирования, некоторые варианты реализации изобретения могут включать рециркуляцию волокон через первичный рафинер 202 до их транспортировки ко второму рафинеру 204. Количество рафинеров, возможности использования рециркуляции, а также другие решения, связанные с организацией рафинеров для получения целлюлозных волокон с увеличенной площадью, могут зависеть от ряда факторов, включая количество доступных производственных площадей, стоимость рафинеров, любые рафинеры, уже принадлежащие производителю, потенциальную энергоемкость рафинеров, требуемую энергоемкость рафинеров и другие факторы.

[0106] В одном не ограничивающем варианте реализации изобретения первичный рафинер 202 может использовать пару размалывающих дисков, каждый из которых имеет ширину пластины 1,0 мм и ширину канавки 2,0 мм. Второй рафинер 204 может содержать пару размалывающих дисков, каждый из которых имеет ширину пластины 1,0 мм и ширину канавки 1,3 мм. В данном варианте реализации изобретения волокна могут рафинироваться в первичном рафинере при удельной нагрузке на краях 0,25 Вт⋅с/м до тех пор, пока суммарное потребление энергии не достигнет примерно 288 МДж/т (80 кВт⋅ч/т). Затем волокна могут подаваться во второй рафинер 204, где они могут рафинироваться и рециркулировать при удельной нагрузке на краях 0,13 Вт⋅с/м до тех пор, пока суммарное потребление энергии не достигнет примерно 1080 МДж/т (300 кВт⋅ч/т).

[0107] Остальные этапы и функции варианта реализации системы, проиллюстрированного на Фиг.2, могут быть такими же, как на Фиг.1.

Общие сведения

[0108] Если не указано иное, численные параметры, изложенные в данной спецификации, являются приближениями, которые могут варьироваться в зависимости от требуемых свойств, которых стремятся достичь посредством настоящего изобретения. По меньшей мере, но не в качестве попытки ограничить применение доктрины эквивалентов к объему формулы изобретения, каждый числовой параметр должен по меньшей мере истолковываться с учетом количества сообщенных значащих разрядов чисел и путем применения обычных методов округления.

[0109] Несмотря на то, что области числовых значений и параметры, устанавливающие широкий объем данного изобретения, являются приближениями, числовые значения, указанные в конкретных примерах, подаются как можно точнее. Однако любое числовое значение неотъемлемо содержит определенные погрешности, неизбежно возникающие по причине стандартного отклонения в их соответствующих тестовых измерениях. Кроме того, все диапазоны, раскрытые в данной заявке, следует воспринимать как охватывающие любые и все включаемые в них поддиапазоны. Например, заявленный диапазон "от 1 до 10" следует рассматривать как включающий любые и все поддиапазоны от (и включительно) минимального значения 1 до максимального значения 10; то есть все поддиапазоны, начинающиеся с минимального значения 1 или более, например, от 1 до 6,1, и заканчивающиеся максимальным значением 10 или менее, например, от 5,5 до 10. Кроме того, любую ссылку, обозначаемую как "включенную в данную заявку", следует рассматривать включенной полностью.

[0110] Также следует отметить, что в контексте данного описания формы единственного числа включают и определяемые объекты во множественном числе, если они прямо и недвусмысленно ограничиваются одним определяемым объектом.

[0111] Заявка на патент США № 2014/0057105, опубликованная 27 февраля 2014 года, включена в данную заявку посредством ссылки.

[0112] Следует понимать, что данное описание иллюстрирует аспекты изобретения, относящиеся к четкому пониманию данного изобретения. В целях упрощения данного описания не были представлены некоторые аспекты изобретения, которые будут очевидны для специалистов в данной области техники и, следовательно, не будут способствовать лучшему пониманию изобретения. Хотя данное изобретение было описано в связи с определенными вариантами реализации изобретения, данное изобретение не ограничивается конкретными раскрытыми вариантами реализации, а предназначено для охвата модификаций, которые находятся в пределах сущности и объема изобретения, определенных в прилагаемой формуле изобретения.

1. Способ изготовления бумажной продукции, включающий следующие этапы:

подготовка водной суспензии, содержащей смесь целлюлозных волокон и воды;

удаление воды из водной суспензии целлюлозных волокон и воды для образования волокнистой подложки;

нанесение поверхностного покрытия на поверхность волокнистой подложки, при этом поверхностное покрытие выполняется составом на водной основе, содержащим целлюлозные волокна с увеличенной площадью, для образования обработанной волокнистой подложки; и

сушка обработанной волокнистой подложки для создания бумажной продукции,

причем целлюлозные волокна с увеличенной площадью содержат рафинированные целлюлозные волокна из лиственной древесины со средневзвешенной длиной волокон по меньшей мере 0,3 миллиметра, и средней гидродинамической удельной площадью поверхности по меньшей мере 10 квадратных метров на один грамм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхностное покрытие содержит смесь целлюлозных волокон с увеличенной площадью и по меньшей мере одно из: крахмальной смеси; пигментирующей смеси; и состава поверхностного покрытия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап нанесения покрытия включает нанесение поверхностного покрытия с использованием по меньшей мере одного из: двухвалкового клеильного пресса; клеильного пресса с дозирующим валиком; устройства с ракельным ножом; фонтанного меловального станка; устройства каскадного нанесения покрытия; и спрея-распылителя.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что поверхностное покрытие содержит раствор этилированного крахмала, содержащий от 0,25% до 1,0% по массе волокон древесной целлюлозы с увеличенной площадью.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что раствор этилированного крахмала содержит от 1,0% до 12% по массе твердого крахмала.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что раствор этилированного крахмала имеет вязкость от 0,01 Па⋅с до 0,22 Па⋅с (от 10 до 220 сантипуаз).

7. Способ по п.1, дополнительно включающий, для улучшения характеристики печати, этап отсеивания волокон древесной целлюлозы с увеличенной площадью для удаления относительно крупных фрагментов волокон перед этапом нанесения покрытия

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что во время этапа нанесения покрытия поверхностное покрытие наносится на волокнистую подложку для обеспечения покрытия зазоров и/или отверстий, имеющихся в лежащей ниже волокнистой подложке.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед этапом нанесения покрытия дополнительно включает химическую реакцию целлюлозных волокон с увеличенной площадью и состава для улучшения характеристик струйной печати на бумажной продукции.

10. Способ по п.1, дополнительно включающий рафинирование целлюлозы из лиственной древесины при потреблении энергии 1440 МДж/т - 6480 МДж/т (400-1800 киловатт-часов/тонн) для создания целлюлозных волокон с увеличенной площадью.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество целлюлозных волокон с увеличенной площадью составляет по меньшей мере 12000 волокон/миллиграмм в пересчете на абсолютно сухое вещество.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что целлюлозные волокна с увеличенной площадью имеют средневзвешенную длину, составляющую по меньшей мере 60% средневзвешенной длины волокон перед улучшением поверхности посредством фибриллирования, и среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности по меньшей мере в 4 раза больше средней удельной площади поверхности волокон перед фибриллированием.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что целлюлозные волокна с увеличенной площадью рафинируются при потреблении энергии по меньшей мере 1080 МДж/т (300 киловатт-часов/тонн).

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что целлюлозные волокна с увеличенной площадью выполняют функцию клеящего вещества для закрытия поверхности волокнистой подложки.

15. Способ по п.2, отличающийся тем, что поверхностное покрытие содержит 7,0% этилированного крахмала/0,5% по массе волокон древесной целлюлозы с увеличенной площадью.

16. Бумажная продукция, которая содержит:

волокнистую подложку, содержащую поверхность;

поверхностное покрытие, выполненное с возможностью заполнения зазоров, имеющихся в волокнистой подложке, причем поверхностное покрытие содержит слой целлюлозных волокон с увеличенной площадью, который нанесен на поверхность волоконной подложки,

при этом целлюлозные волокна с увеличенной площадью содержат рафинированные целлюлозные волокна из лиственной древесины со средневзвешенной длиной волокон по меньшей мере 0,3 миллиметра и средней гидродинамической удельной площадью поверхности по меньшей мере 10 квадратных метров на один грамм.

17. Бумажная продукция по п.16, отличающаяся тем, что поверхностное покрытие дополнительно содержит по меньшей мере одно из: крахмальной смеси; пигментирующей смеси; и состава поверхностного покрытия.

18. Бумажная продукция по п.17, отличающаяся тем, что поверхностное покрытие содержит раствор этилированного крахмала, содержащего от 0,25% до 1,0% по массе волокон древесной целлюлозы с увеличенной площадью.

19. Бумажная продукция по п.18, отличающаяся тем, что раствор этилированного крахмала содержит от 1,0% до 12% по массе твердого крахмала, причем раствор этилированного крахмала имеет вязкость от 0,01 Па⋅с до 0,22 Па⋅с (от 10 до 220 сантипуаз).

20. Бумажная продукция по п.16, отличающаяся тем, что для создания целлюлозных волокон с увеличенной площадью, целлюлоза из лиственной древесины рафинируется при потреблении энергии по меньшей мере 1440 МДж/т - 6480 МДж/т (400-1800 киловатт-часов/тонн).

21. Бумажная продукция по п.16, отличающаяся тем, что количество целлюлозных волокон с увеличенной площадью составляет по меньшей мере 12000 волокон/миллиграмм в пересчете на абсолютно сухое вещество.

22. Бумажная продукция по п.16, отличающаяся тем, что целлюлозные волокна с увеличенной площадью имеют средневзвешенную длину волокон, составляющую по меньшей мере 60% средневзвешенной длины волокон перед улучшением поверхности с помощью фибриллирования, и среднюю гидродинамическую удельную площадь поверхности по меньшей мере в 4 раза больше средней удельной площади поверхности волокон перед фибриллированием.

23. Бумажная продукция по п.16, отличающаяся тем, что целлюлозные волокна с увеличенной площадью выполняют функцию клеящего вещества для закрытия поверхности волокнистой подложки.

24. Бумажная продукция по п.17, отличающаяся тем, что поверхностное покрытие содержит 7,0% этилированного крахмала/0,5% по массе волокон древесной целлюлозы с увеличенной площадью.