用于制造纸的组合物和制造具有改善的湿强度的纸的方法与流程

1.本技术涉及用于制造纸的组合物和使用该组合物制造纸的方法。
2.具体而言，本技术涉及用于制造具有改善的湿强度的纸的组合物及其制造方法。


背景技术：

3.随着近年来关于塑料使用的环境问题的出现，减少塑料在各种领域中的使用的社会需求日益增长。因此，即使在使用很多塑料的食品工业中，对开发环保且可减少塑料使用的食品包装材料的研究也在进行中。
4.同时，根据上述要求，在使用纸浆(天然材料)方面，纸容器实践上被用作常规的一次性合成树脂包装材料的替代产品。此外，当包装材料仅由纸材料制成时，存在不合适的问题，例如纸的容易撕裂或水浸性质，以及纸渗透食品的独特气味。
5.此外，还尝试通过使用如下所述的包装材料来减少环境污染负担，所述包装材料是通过使用被微生物分解的生物可降解树脂作为原料代替具有高环境负担的不可降解的基于石油化工的塑料原料制成。然而，已发现，如果用生物可降解树脂代替一次性包装材料的原材料，则需要使用昂贵且稀少的原材料作为聚合单体，因此生产成本增加且并不合适。
6.因此，本领域一直需要具有优异物理性能的生态友好的食品包装材料。


技术实现要素：

7.技术问题
8.本技术旨在提供用于制造纸的组合物，使用所述组合物制造纸的方法以及通过所述方法制造的纸，所制造的纸是生态友好的并且具有优异的物理性能，从而代替不可降解的塑料包装材料。
9.技术解决方案
10.根据本技术的一个方面，提供了用于制造纸的组合物，所述组合物包含纸浆纤维和聚合物纤维，其中所述纸浆纤维和所述聚合物纤维的含量比为50:50至95:5，并且所述聚合物纤维是聚合物短纤维或聚合物粉末。
11.根据本技术的另一方面，提供了制造纸的方法，所述方法包括:通过粉碎和精制纸浆纤维和聚合物纤维来制造纸浆糊；将所述纸浆糊成型；以及在高温、高压下对所述纸浆糊或纸浆糊的成型产物进行成型和处理，其中所述纸浆糊中所述纸浆纤维与所述聚合物纤维的含量比为50:50-95:5，所述聚合物纤维为聚合物短纤维或聚合物粉末。
12.根据本技术的另一方面，提供了用于制造纸的组合物和/或根据制造纸的方法制造的纸。
13.有利效果
14.根据本技术的用于制造纸的组合物可用于制造可减少不可降解塑料的使用量的纸。
15.此外，根据本技术的用于制造纸的组合物可用于制造具有改进的纸材料的受限性
物理性质的纸，所述受限性物理性质例如湿强度、防潮性、防水性、防氧性、可成形性和热成形性。
16.在另一方面，根据本技术的制造纸的方法可用于制造具有上述特征的纸，特别是可以制造具有显著改进的湿强度的纸。
17.本发明的实施方案
18.下文详细描述本技术。
19.根据本技术的一个方面，提供了用于制造纸的组合物，所述组合物包含纸浆纤维和聚合物纤维，其中所述纸浆纤维和所述聚合物纤维的含量比为50:50至95:5，并且所述聚合物纤维是聚合物短纤维或聚合物粉末。
20.用于制造纸的组合物包含纸浆纤维和聚合物纤维，并且聚合物纤维由聚合物短纤维、聚合物粉末或这些形状的混合物制成。具体地，纸浆纤维和聚合物纤维的含量比为50:50至95:5，其表示为纸浆纤维:聚合物纤维。更具体地，纸浆纤维和聚合物纤维的含量比可以是例如55:45至95:5、60:40至90:10、65:35至95:5、70:30至90:10、75:25至95:5、75:25至85:15或80:20至85:15，但不限于此。
21.虽然纸浆纤维和聚合物纤维的含量比不受限制，但是当含量比在上述范围内时，该组合物可适用于造纸工艺，或者在纸的物理性能方面(例如湿强度，防潮性能和防氧性能)表现出优异的效果。
22.在用于制造纸的组合物中，纸浆纤维可以与聚合物纤维结合使用，以形成纸浆纤维和聚合物纤维的复合网络。在这种情况下，虽然本技术的机理不受限制，但是纸浆纤维中的亲水性可以通过形成的复合网络被具有疏水性的聚合物纤维降低，从而表现出降低吸收到纸中的水分的量的效果。具体地，复合网络可以通过亲水基团(例如羟基)减少纸浆纤维内的孔或掩蔽氢键，从而表现出减少吸收到纸中的水分的量的效果。此外，引入交联剂作为添加剂，以在亲水性聚合物中包含的羟基和亲水性纤维素之间形成交联键，从而减少纸吸收的水的量并改善湿强度。
23.在本技术中，根据获得纤维的原料，纸浆纤维可以包括木浆纤维和非木浆纤维中的至少一种。木浆纤维可以包括从软木浆(swp)、硬木浆(hwp)或它们的混合物获得的纤维。非木浆纤维可以包括从草浆、甘蔗渣浆、芦苇浆、竹浆、韧皮纤维浆、布浆、棉浆或它们的混合物获得的纤维。
24.根据原料的加工方法，纸浆纤维可以包括例如通过机械和/或化学处理木材或其它纤维植物制成的纸浆作为原料。例如，纸浆纤维可以是机械纸浆，例如磨木纸浆(gp)，精磨纸浆(rp)或热机械纸浆(tmp)，可通过机械研磨木材或其它植物获得；化学纸浆，例如牛皮纸浆(kp)，亚硫酸盐纸浆(sp)或半化学纸浆(scp)，可通过用各种化学品处理木材或其它植物以去除非纤维物质而获得；以及回收纸浆，例如脱纤维回收纸浆或脱墨纸浆(dip)，可由废纸制成。
25.在一个方面，纸浆纤维可以包括从具有长纤维长度、强纤维性能和优异强度性能的针叶树获得的木浆纤维。
26.在一个方面，当使用利用真空成形或压力成形方式制造托盘或包装袋的方法时，考虑到纸的可成形性，纸浆纤维可以包括通过混合软木纤维和棉纤维和/或软木纤维和非木纤维而加工的纸浆纤维。
27.在本技术中，聚合物纤维可以是聚合物短纤维、聚合物粉末或这些形状的混合物。本文中，“短纤维”可以指具有500μm至3mm的纤维长度的纤维，但不限于此。此外，“短纤维”的厚度可以是每纤维长度0.5-10旦尼尔，例如0.5-6旦尼尔，但不限于此，而且，“粉末”的粒径(d
50
)可以是3μm-3mm，但不限于此。
28.此外，聚合物纤维可以包括石油基聚合物短纤维和生物可降解聚合物短纤维中的至少一种。
29.石油基聚合物可以是基于聚烯烃的聚合物，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)或高密度聚乙烯(hdpe)，聚乙烯醇(pva)，以上的共混物，或每种单体的共聚物。
30.生物可降解聚合物是指可通过自然界中的微生物分解成低分子化合物的聚合物，并且生物可降解聚合物的种类可以是例如选自聚乳酸(pla)、热塑性淀粉(tps)、脂族聚酯(ap)、聚己内酯(pcl)、聚乙醇酸(pga)、聚琥珀酸丁二醇酯(pbs)、聚己二酸丁二酯对苯二甲酸酯(pbat)、聚羟基链烷酸酯(pha)及上述的混合物中的至少一种，但不限于此。此外，生物可降解的生物衍生聚合物可用作生物可降解聚合物。这种生物可降解的生物衍生聚合物可以是例如选自生物聚乙烯(bio-pe)、生物聚对苯二甲酸乙二醇酯(bio-pet)、生物聚对苯二甲酸丙二醇酯(bio-ptt)、生物聚酰胺(bio-pa)、生物聚丙烯(bio-pp)及上述的混合物中的至少一种，但不限于此。此外，通过使用构成上述生物可降解聚合物的每个单体的共聚物，可以改善制备的纸的物理性能，例如柔韧性和耐热性。此外，通过将滑石、粘土材料等掺入上述生物可降解聚合物、其共混物和其共聚物中，可以改善制备的纸的物理性能，例如刚性和耐热性。
31.在一个方面，聚合物纤维可以包括pla短纤维、pet短纤维和hdpe短纤维中的至少一种。
32.除了纸浆纤维和聚合物纤维之外，用于制造纸的组合物还可包含施胶剂、强度剂、助留剂、湿强剂和交联剂中的至少一种。
33.可以添加施胶剂以增加纸的耐水性，这是通过减少纸中存在的微孔、减少纸表面上存在的纤维之间的空间或改善纸的形式和尺寸变化的原因。施胶剂是疏水性材料，并且在造纸过程中添加的内部施胶剂可以包括但不限于，例如，乳液型施胶剂(如akd、asa、蜡)，分散松香施胶剂，溶液型施胶剂(如皂型松香施胶剂)，或它们的混合物。在一个方面，内部施胶剂可以是akd，并且akd可以是分子中的内酯环与纤维素的羟基反应以形成β-酮酯键并且疏水性烷基在纤维外部定向以赋予纸耐水性的施胶剂。此外，表面施胶剂可以通过施加到纸的表面来改善纸的物理性质(如尺寸稳定性、防水性和表面耐水性)，表面施胶剂可以包括但不限于，选自淀粉、淀粉氧化物、羧甲基纤维素(cmc)、羟基纤维素、海藻酸钠、壳聚糖、聚乙烯醇(pva)、苯乙烯-马来酸酐(sma)、苯乙烯丙烯酸乳液(sae)、苯乙烯丙烯酸(saa)、聚氨酯、乙烯丙烯酸(eaa)及它们混合物中的至少一种。
34.可以添加强度剂，以通过在纤维之间或在纤维填充材料之间产生静电吸引来提高保留率和补充纸的强度。强度剂可包括但不限于，例如，聚乙烯胺(pvam)，两性聚丙烯酰胺(a-pam)，阳离子聚丙烯酰胺(c-pam)或其混合物。在一个方面，强度剂可以是c-pam，并且c-pam可以对用于制造纸的组合物中的阴离子材料的表面进行改性，以在表面上形成强极性。形成的极性可以减少纤维之间的键合并提高纸的强度。
35.可以添加助留剂，以提高在造纸过程中用于制造纸的组合物中除水以外的原料的
保留程度，实现此目的是通过在造纸过程中重新聚集纤维或破坏的其它原料。助留剂可以包括但不限于例如二氧化硅、膨润土、精细聚合物或其混合物。在一个方面，助留剂可以使用阴离子颗粒，以便与使用阳离子材料作为强度剂的情况相匹配。例如，二氧化硅的使用可以与强度剂一起进一步改进用于制造纸的组合物的保持性和干强度。
36.可以加入湿强剂，以增强纸在水中完全饱和的状态下的强度(湿强度)。施胶剂可以表现出抑制水渗透到纸中的功能，但是存在局限性，即，当纸在水中完全润湿时，并且因此即使当纸暴露于水时，不能防止强度降低，为了保持纸的强度，施胶剂和湿强剂一起使用，从而进一步改善纸的耐水性。此外，可以通过引入交联剂和亲水性聚合物聚乙烯醇，从而在聚乙烯醇、交联剂和纤维素之间形成交联键来进一步提高纸的耐水性和湿强度。
37.作为湿强剂，可以使用永久湿强剂、临时湿强剂或其混合物。永久湿强剂是指当用湿强剂处理的纸浸泡在水中时，随着浸泡时间的增加，湿强度不表现出降低的湿强剂，而临时湿强剂是指纸的湿强度随着浸泡时间的增加而降低的湿强剂。湿强剂可以包括但不限于，例如，三聚氰胺-甲醛树脂、脲-甲醛树脂、环氧化聚酰胺树脂、乙二醛化聚丙烯酰胺树脂、聚乙烯亚胺、聚酰胺-表氯醇或以上的混合物。在一个方面，可以使用临时湿强剂作为湿强剂。
38.在本技术中，用于制造纸的组合物可以包含施胶剂、强度剂、助留剂和湿强剂中的至少一种，基于作为用于制造纸的组合物的主要成分的纸浆纤维和聚合物纤维的总含量，上述组分的含量能很好地改善纸的物理性能。
39.基于总共100重量份的纸浆纤维和聚合物纤维，添加剂的含量可以包括但不限于，例如0.1-5重量份的施胶剂，0.001-5重量份的强度剂，0.001-0.5重量份的助留剂和0.1-10重量份的湿强剂。在一个方面，基于总共100重量份的纸浆纤维和聚合物纤维，添加剂的含量可以包括0.3-5重量份的施胶剂，0.01-0.1重量份的强度剂，0.002-0.2重量份的助留剂和0.1-2重量份的湿强剂。
40.基于100重量份施胶剂，包含的交联剂的量可以例如为0.3-10重量份，但不限于此。
41.除了上述成分之外，用于制造纸的组合物还可以包含用于制造纸的溶剂，并且溶剂没有特别限制，并且例如，水可以用作溶剂。基于用于制造纸的组合物的总重量，溶剂的含量可以是例如99.9重量％或更少，例如90.0-99.9重量％、90-98重量％、90-97重量％、90-96重量％或90-95重量％。
42.在一个方面，本技术提供了通过使用用于制造纸的组合物来制造纸的方法。
43.纸的制造方法包括将纸浆纤维和聚合物纤维粉碎并精制成纸浆糊；将所述纸浆糊成型；在高温、高压下对纸浆糊或纸浆糊的成型产物进行成型和处理。具体而言，纸浆糊中纸浆纤维和聚合物纤维的含量比为50:50至95:5。纸浆纤维和聚合物纤维的更具体的含量比与上述用于制造纸的组合物中相同。
44.首先，纸浆纤维和聚合物纤维的纤维膜被破坏和去除，并且在40-50℃下在制备的溶剂中(例如，水)进行粉碎和精制，以形成微纤维和小纤维，从而制备纸浆糊。根据纸浆纤维和聚合物纤维的类型进行粉碎和精制，直至纤维充分溶解，并且可以进行调节，以适应产品和工艺条件，并且例如，可以进行粉碎和精制，以便基于加拿大标准游离度(csf)具有200-500ml或300-450ml的精制程度，但实施方案不限于此。
45.在一个方面，方法可以包括将施胶剂、强度剂、助留剂和湿强剂中的至少一种额外填充到通过粉碎和精制纸浆纤维和聚合物纤维制备的纸浆糊中，并且这种添加剂与上述用于制造纸的组合物中的添加剂相同。每种添加剂的加入顺序不受特别限制，添加剂可以顺序或同时加入。例如，可以依次加入施胶剂、强度剂、助留剂和湿强剂。此外，添加剂可以直接加入到粉碎和精制所制备的糊料中，或者可以加入到通过向制备的糊料中加入溶剂而稀释的纸浆糊中。
46.在一个实施方案中，各添加剂的顺序没有特别限制，但对于特定的添加剂需要按顺序引入。例如，分别用作强度剂和助留剂的c-pam和聚合物电解质(二氧化硅，膨润土等)是配对使用的材料，并且具有相反电荷的材料应该被按顺序注入到通过电荷诱导原料中的纤维、细粉和其它成分的聚集的过程中。
47.接下来，方法包括将纸浆糊成型。成型可以通过使用模具或通过挤出来进行。更具体地，可以使用制片机挤压纸浆糊，以形成片状纸，并且除了片状纸之外，还可以通过使用模具将纸形成为各种所需的形状。使用模具的成型过程可以通过将纸浆糊注入模具的干模方法，将模具浸入纸浆糊的湿模方法等进行，但不限于此。
48.方法包括在高温、高压下，对纸浆糊或纸浆糊的成型产品进行成型和处理。具体而言，当纸浆糊被挤出以制备片状纸时，纸浆糊可以在成型时(例如，在挤出时)在高温、高压下进行处理。此外，在通过使用模具将形成为所需形状的纸浆糊干燥以除去溶剂之后，或在不进行干燥和溶剂去除的情况下，可以在高温、高压下处理形成为所需形状的纸浆糊。纸浆糊的干燥可以在成型产物中的交联不被破坏、同时保持通过成型加工的形状下实施，并且例如可以在10-90％湿度和110-250℃下(例如180℃)进行。
49.本技术的机理没有特别限制，但是在高温、高压下的处理可以旨在改善纸的物理性能，例如湿强度、防潮性能和拉伸强度，例如通过使用诸如由于聚合物纤维的额外溶解而导致的孔的减少、掩蔽氢键、或通过热压熔合在聚合物纤维之间产生额外的键，以通过成型在纤维之间和/或在纤维和添加剂之间形成初级交联。
50.在一个方面，在高温、高压下的处理可以在等于或高于聚合物纤维的玻璃化转变温度的温度条件下进行，使得所使用的聚合物纤维可以溶解。例如，当pet短纤维用作聚合物纤维时，在高温、高压下的处理可以在150-260℃、150-250℃、120-240℃、120-230℃、130-220℃、130-210℃或125-200℃的温度下进行。此外，当pla短纤维用作聚合物纤维时，在高温、高压下的处理可以在150-200℃、150-190℃、160-190℃、170-190℃或175-185℃的温度下进行。此外，当使用hdpe短纤维作为聚合物纤维时，在高温、高压下的处理可以在90-170℃、95-170℃、95-160℃、95-150℃、100-140℃或110-135℃的温度下进行。
51.在一个方面，在高温、高压下的处理可以对纸施加压力，使得纸中的纤维可以形成致密的交联，而不破坏待制备的纸。例如，可以通过使用制片机将0.5kgf/cm2至2kg/cm2的压力施加到形成片状的纸上，并且可以通过使用纸浆模具将揉合的组合物注入模具中并施加0.5kgf/cm2至2kg/cm2的压力来形成容器或片材。
52.在一个实施方案中，通过在高温、高压下成型和处理纸浆糊而制备的片状纸可以在高温、高压下处理之后进一步经受热成型(例如，真空成型，压力成型)。
53.在另一方面，本技术提供由用于制造纸的组合物制造的纸。此外，本技术提供了根据制造纸的方法制造的纸。
54.根据本发明的纸表现出具有优异的受限于纸材料的物理性质的效果，特别是由于纸浆纤维和聚合物纤维在纸浆糊中的复合而优异地提高可成形性的效果。
55.此外，根据本技术的纸，例如片状纸，可以被另外加工以表现出作为包装材料(如小袋或容器)的优异用途。
56.下文中结合实施例详细描述本发明。
57.实验实施例1
58.造纸用组合物的制造
59.首先，将软木浆(得自samwha paper,co.,ltd.的软木漂白牛皮纸浆)和pet纤维(得自huvis corp.)在40-50℃混合以进行粉碎(30分钟)和精制(10分钟)。将精制的原料稀释并调整至目标浓度，然后按顺序添加添加剂akd、pam、二氧化硅和湿强剂。组合物的具体组成列于下表1中。
60.接着，通过使用矩形片材机将所制造的纸浆糊形成为纸浆或纸浆/聚合物短纤维复合材料，干燥(130℃)并在140℃下热处理10秒。相比之下，用于制备对比例1的纸的组合物没有进行热处理以制备纸。
61.[表1]
[0062][0063]
[0064]
拉伸强度评价
[0065]
按照以下方式评价所制造的纸的拉伸强度。
[0066]
实验方法：在1kn测压元件下，在宽度为15mm和测量距离为20mm的条件下，通过夹具抓取样品的两侧，然后通过以50mm/min的速度拉伸样品来测量拉伸断裂时的强度。
[0067]
实验条件：将样品浸入23℃的水中10分钟或85℃的水中30分钟后，通过kimwipe除去表面水分，然后测量湿拉伸强度。
[0068]
测量结果列于下表2中：
[0069]
[表2]
[0070][0071]
实验实施例2
[0072]
制备纸的组合物的制备
[0073]
首先，将软木浆和pla短纤维或hdpe短纤维混合，以在40-50℃下进行粉碎(10分钟)和精制(2分钟)。将精制的原料稀释并调节至目标浓度(1％)，然后按顺序添加添加剂akd、pam、二氧化硅和湿强剂。组合物的具体组成列于下表3中。
[0074]
接着，通过使用矩形片材机将制备的纸浆糊形成纸浆或纸浆/聚合物短纤维复合材料，进行干燥(130℃)，并且仅具有纸浆纤维的组合物(对比例2)不进行热压处理，具有pla短纤维的组合物(实施例4)在175-185℃、0.1-15吨下进行1-10秒的热压处理，并且使具有hdpe短纤维的组合物(实施例5)在110-135℃、0.1-15吨下经受1-10秒的热压处理，从而制造克重为300g/m2的片状纸。
[0075]
[表3]
[0076][0077]
物理性质评价
[0078]
按照以下方式评价上述制造的纸的水分吸收、孔隙率、拉伸强度、(冷水)湿拉伸强度和(热水)湿拉伸强度，结果列于下表4中。
[0079]
1)水分吸收：在85℃和10分钟的条件下，通过对于热水的防水性测量实验测量吸收的cobb的量。
[0080]
计算式：(吸收后-吸收前)g/0.01m2[0081]
2)孔隙度：孔隙度是用于确定作为多孔材料的纸内的孔程度的性能，并且测量在大气压下，在一定时间内通过的空气量或100cc空气通过样品所需的时间。
[0082]
3)拉伸强度：在1kn测压元件下，在宽度为15mm和测量距离为20mm的条件下，通过夹具抓取样品的两侧，然后通过以50mm/min的速度拉伸样品来测量拉伸断裂时的强度。
[0083]
4)(冷水)湿拉伸强度：将切成15mm宽的样品浸入室温自来水中10分钟后测量拉伸强度。
[0084]
5)(热水)湿拉伸强度：将切成15mm宽的样品在水中85℃下煮10分钟之后测量拉伸强度。
[0085]
[表4]
[0086][0087]
通过实验结果证实，通过使用添加有聚合物短纤维并且通过经受热压处理的用于制造纸的组合物制造的纸具有改善的物理性质，例如防水性、拉伸强度和湿拉伸强度。