CN101438005B - 具有膨胀聚合物微球的纸板材料 - Google Patents

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Abstract

发明本发明涉及具有定量在100-350磅/3,000平方英尺范围内的纸板制品。所述纸板包含至少一个适合印刷的涂层表面。所述至少一个涂层表面包含纤维素纤维和分散于其中的基于纤维素纤维总重量为约0.05-约0.5重量％折干计算的膨胀合成聚合物微球。所述涂层表面具有小于约2.0的Parker光滑度和不小于约20Sheffield单位的Hagerty/Sheffield光滑度。

Description

具有膨胀聚合物微球的纸板材料
技术领域
本发明大体涉及来自低密度纸张或纸板的制品的制备，和涉及由此制备的隔热制品，且特别地涉及由具有改善的印刷表面和质量的低密度纸张和纸板制备的纸杯和折叠纸箱。
背景技术
纸板用来制造用于多种消费品如药品、家庭娱乐、健美用品、食品和烟草制品的包装。隔热纸杯和折叠纸箱广泛地用于供应热饮料和冷饮料以及其它食品。该制品可由多种材料制成，所述材料包括聚苯乙烯泡沫、双壁容器和多层的纸基容器如包含外泡沫层的纸板容器。纸基容器经常比由苯乙烯基材料制成的容器更为合适，因为纸基材料通常更容易再循环、可生物降解并具有对于印刷更容易接受的表面。然而，与聚苯乙烯泡沫基制品相比，多层和多壁的纸基容器的生产成本相对昂贵，且经常未显示出相当的隔热性能。具有外部泡沫隔热层的纸板容器的生产成本通常比双壁容器更为低廉，但外表面更不适宜于印刷。
印刷墨斑在胶板印刷中是不合需要的品质。具体地，当来自前面的打印站(station)的印刷品与随后的打印站相接触时，在涂层纸板和其它涂层衬底中可观察到背面凹陷的印刷墨斑，其中所述打印站可为两个其它打印站至多达六个或更多个其它打印站。该印刷墨斑是由多种原因导致的，这些原因包括涂覆处理的干燥期间的粘合剂迁移、劣质原纸(basesheet)的形成和不均匀的涂覆重量分布(coat weight distribution)。印刷墨斑减少可包括在涂覆后控制干燥的技术，这可能限制生产效率并为了克服它们而需要额外投资。可减少所述印刷墨斑的任何方法在生产美观上具有吸引力的制品方面都是有用的。
从美学和经济的角度来看，具有改善的墨斑的低密度涂层纸板是合适的。纸板密度的减小得到了需要更少材料和更少的能量输入来生产相同面积的纸板的更经济的制品。涂层纸板的印刷特性取决于所述涂层制品的原纸结构、涂层性能和拼版(lay down)以及整饰加工的复杂相互作用。在理想状况中，将良好形成的原纸(优良构造)在砑光(进行最小化密化)前进行轻微的抛光，涂覆配方与设备允许均匀的涂层分布，即然后进行抛光以给出光滑表面，而没有更进一步地密化。在实践中，需要过度砑光以达到涂覆前目标光滑度的方式来形成基片，这是难以达到的。从生产成本的角度来看，纸板的密化是不合适的。此外，基片的过度密化促进了不均匀的粘合剂迁移，这导致产生印刷墨斑。校正原纸的密化的现有方法包括1)在纸板的中心板层增加具有膨体纤维(bulky fiber)如BCTMP和其它机械纤维的及其，2)使用在脱水期间降低密化的宽压区压榨部，和3)用于基料的替代砑光技术，包括热软砑光钢压区砑光(hot soft calendering)、热钢砑光(hot steelcalendering)、宽压区砑光、蒸汽润湿(steam moisturization)、靴形压区砑光(shoe nip calendering)。这些选择一般需要大量的资金并在经济性上是禁止的。如果未将所述基料整饰成目标光滑度，则需要使用较高的涂覆重量来取得希望的印刷质量。而在该情况中，所述基料密度可能较低，涂覆成本将显著增大并增大了总成本，和增大了最终产品的密度。
因此，需要用于降低具有改善的或希望的光滑度和打印质量的涂层纸板的密度的方法与装置。
发明内容
对所述涂层纸板的基料进行改性以改善所述纸板的胶版印刷性能。具体地，本发明的一个或多个优点是可使用现有的装置、工艺和设备来制备密度降低的基料，所述基料具有印刷墨斑减少的印刷衬底。同样地，如果墨斑的当前水平是可以接受的，则可降低所述纸板的定量，从而得到更经济的制品。本发明的另个优点是可使用膨胀微球来降低纸板的密度，而同时保持纸板挺度并改善了所述纸板的压缩率特性，从而在胶板印刷中能够改善印刷墨斑。本发明的其它优点是作为每吨纸板定量的重量百分数显著地减少了取得目标特性所需要的膨胀微球。
因此，本发明涉及包含纤维素纤维和分散在所述纤维素纤维中的膨胀合成聚合物微球的纸张或纸板衬底，所述膨胀合成聚合物微球的量基于衬底总重量为约0.05-约0.5重量％，折干计算。所述衬底包含至少一个适合印刷的表面。所述表面包含小于约5.0的Parker光滑度、小于约180Sheffield单位的Hagerty/Sheffield光滑度或其组合。
此外，本发明涉及具有定量为100-350磅/3,000平方英尺的纸板制品。所述纸板包含至少一个适合印刷的涂层表面。所述至少一个涂层表面包含纤维素纤维和分散于其中的基于纤维素纤维总重量为约0.05-约0.5重量％折干计算的膨胀合成聚合物微球。所述涂层表面具有小于约2.0的Parker光滑度，不小于约20Sheffield单位的Hagerty/Sheffield光滑度或其组合。
此外，本发明涉及制备纸张或纸板衬底的方法，该方法包含提供包含纤维素纤维和约0.05-约0.5重量％折干计算的膨胀或可膨胀微球的造纸配料；从所述造纸配料形成纤维性衬底；通过移动所述纤维性衬底使其通过至少一个压榨带或压榨毛毯设备或它们的组合来形成压榨的纸板衬底；通过使用所述印刷带或所述压榨毛毯来提高在所述压榨的纸板衬底和造纸机的干燥装置之间的传热速度；和减少在所述纸板衬底中使用的所述膨胀聚合微球的量。
附图说明
当结合以下附图进行理解时，可从对优选实施方式的以下描述中可得到对本发明的全面理解。其中：
图1是根据本发明优选实施方式，用来形成纸板衬底的、在压榨部具有至少一个压榨带的造纸机的示意图；
图2是图1的一部分，示出了所示多个压榨带的压榨部的详细结构；
图3是干燥设备与纸板衬底的部分剖面图，示出了图解在所述纸板衬底和所述干燥设备之间的温度分布细节；和
图4示出了使用压榨毛毯且不使用压榨带的纸板衬底在厚度和可膨胀微球方面的变化。
具体实施方式
尽管本发明可具有多种不同形式的实施方式，这些实施方式显示在附图中并在这里将在本发明的优选实施方式中进行描述，但可以理解本公开仅认为是本发明原理的示例性说明，且不是用来将本发明的纸板限定到具体实施方式。
容器如纸杯或折叠纸箱被广泛地用来分配热饮料和冷饮料。涂覆有隔热层的纸板衬底经常提供可接受的隔热性能，然而，所述外层通常为增大了成本且难以印刷的泡沫热塑性聚合物层。起皱和双壁纸板容器也通常提供合适的隔热性能，但比单层容器更为复杂且生产成本更为昂贵。这两种选择在结构上使用更多的材料，因此它们对环境具有更大的影响。到目前为止，难以生产基本上由纸板制成的经济的隔热容器，所述纸板具有用于可转换性(convertibility)的必需强度、显示出隔热性能，并包含易于印刷的表面。
本发明提供了改善的低密度纸板材料，该材料具有适合于热饮料和冷饮料容器的隔热性能，并具有在纸杯形成操作中转变成纸杯所必需的强度性能。通过提供包含硬木纤维、软木纤维或硬木纤维和软木纤维的组合的造纸配料而制得了所述低密度纸板材料。优选的造纸配料包含约60-约80重量％折干计算的硬木纤维和包含约20-约40重量％折干计算的软木纤维。优选地，所述纤维来自于漂白的硬木和软木牛皮纸浆。所述配料还包含约0.25-约10％折干计算的可膨胀微球，优选地所述微球处于未膨胀状态。最优选地，所述微球占所述配料的约2-约5重量％，折干计算。在所述造纸配料中也可加入其它常规材料如淀粉、填料，施胶化学物质和强化聚合物。可使用的所述填料是有机和无机颜料，例如仅作为实例的聚合物颗粒如聚苯乙烯胶乳和聚甲基丙烯酸甲酯，以及矿物质如碳酸钙、高岭土和滑石。
包含可膨胀微球的纸张的生产一般性地描述在例如Meyer的U.S.专利No.6,846,529、U.S.No.6,802,938、U.S.专利No.3,556,934中，如同这里充分阐述的那样，其公开内容通过引用而并入进来。合适的可膨胀微球包括具有基本上球形的含液体中心的合成树脂颗粒。所述树脂颗粒可由甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、邻-氯苯乙烯、聚邻-氯苯乙烯、聚乙烯基苄基氯(polyvinylbenzyl chloride)、丙烯腈、偏二氯乙烯、对-叔丁基苯乙烯、乙酸乙烯酯、丙烯酸丁酯、苯乙烯、甲基丙烯酸、乙烯基苄基氯以及上述两种或多种的组合。优选的树脂颗粒包含聚合物，所述聚合物包含约65-约90重量％的偏二氯乙烯，优选约65-约75重量％的偏二氯乙烯，以及约35-约10重量％的丙烯腈，优选约25-约35重量％的丙烯腈。所述可膨胀微球的中心可包括挥发性液体起泡剂，其优选不是所述聚合物树脂的溶剂。特别优选的起泡剂为异丁烷，其存在量可为所述树脂颗粒的约10-约25重量％。当在造纸机的干燥单元中将所述可膨胀微球加热到约80℃-约190℃时，所述树脂颗粒的直径膨胀为约0.5-约50微米。所述可膨胀微球组成、其含量、制备方法和应用的实例可见于2007年4月25日提交的标题为“ExpandableMicrospheres and Method ofMaking and Using the Same”的U.S.专利申请，SN--/---，---、以及具有U.S.公开号2007/0044929-A1、2006/0231227-A1、2001/0044477、2003/0008931、2003/0008932和2004/0157057中，这里通过引用而将其全部并入进来。更多的参考可见于U.S.专利Nos.3,615,972、3,864,181、4,006,273、4,044,176和6,617,364中，这里通过引用而将其全部内容并入进来。微球的量通常为约0.001-10.0重量％。在优选实施方式中，该量为约0.001-约5.0重量％。例如，在本发明的优选实施方式中，基于所述衬底的总重量，可膨胀微球的量可为0.001、0.002、0.005、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5重量％，并包括其中的任何和所有范围和子范围。优选地，基于所述衬底的总重量，用于本发明实施中的可膨胀微球的量为约0.01-1.0重量％折干计算的膨胀合成聚合物微球，当选择所述实施方式时，所述量为约0.05-约0.5重量％。
可使用常规纸浆制备(蒸煮、漂白精炼等)和造纸工艺来从所述配料形成纸板衬底。然而，本发明的一个方面是以如下方式优选制备包含膨胀微球的低密度衬底，从而使得相对于用来形成隔热容器如纸杯或低密度的折叠纸箱，所述低密度衬底显示出最小的平均内部结合强度(CD和MD内部结合强度的平均值)，同时降低了密度并提高了厚度。为此目的，本领域普通的熟练技术人员知道可采用单独或组合的多种手段来提高给定了定量的纸板衬底的内部结合强度性能。这些手段包括但不限于在所述配料中提高用于湿强度的湿和/或干强度剂如三聚氰胺甲醛、聚胺-表氯醇和聚酰胺-表氯醇与用于干强度的干强度剂如淀粉、树胶、和聚丙烯酰胺的加入量，提高纸浆的精炼和在造纸机的压榨部中提高湿衬底的压榨。除了改善内部结合强度之外，提高湿压榨也能减少在衬底中的水分，并使得所述纸板比另外可能的方法以更快的速度得以干燥。
根据本发明，优选采用能足够保持最小的平均内部结合强度至少为约100x10-3 ft-lbf的手段。至少就负载了以常规方式施加在其一个或两个表面上的常规重量防渗涂层的杯子原料而言，这些手段是优选的。然而，对于在中-上端施加的通常0.5-3.5mil的涂层厚度的较重的防渗涂层来说，这多少地放宽了所述最小内部结合强度。例如，在防渗涂层厚度高于约1.5mil时，相信约80×10-3 ft-lbf的最小内部结合强度对于可接受的转换性能来说是足够的。而且，挤压处理速度减少约25％的数量级可使得所述内部结合强度要求放宽到约相同的最小水平上。在用于增大平均内部结合强度的多种方法中，优选通过在造纸期间增大纸浆配料的精炼，增大所述湿衬底的内部淀粉、干强度添加剂和湿压榨到低于衬底压碎的水平，和如在施胶压榨中所做的那样增大施加到所述纸张衬底的表面上的淀粉与其它物质的量来实现所希望的所述平均内部结合强度的增大。
在所述造纸配料中以未膨胀状态包含可膨胀微球具有降低所得干燥纸板的表观密度的效果。然而，已经发现通过加入膨胀微球来降低纸板的密度不利地影响所述纸板成为纸杯和其它容器如折叠纸箱的可转换性。根据本发明，已经确定包含膨胀微球的低密度纸板制品提供了在多种转换操作中加工性能所必需的物理性能，制成的所述低密度纸板制品具有相对窄的密度和厚度范围并同时具有上述增大的内部结合强度。可膨胀微球用量的降低改善了隔热纸杯基料的可转换性，但降低了隔热性能。本发明允许以较少的可膨胀微球获得相同的密度，同时显示了优良的可转换性能、印刷质量和其它优点。
例如，表1显示未使用压榨带的情况下可膨胀微球的加入改善了纸板衬底的性能。
表1
 
性能 含膨胀微球 对照(不含膨胀微球)
印刷墨斑(扫描器) 2.74 3.43
印刷纹理 3.0 3.0
PPS 1.44 1.65
Sheffiedld 19.3 32.8
印刷光泽60° 36.0 33.6
印刷光泽60°(w/涂层) 50 48
BW，挺度，Glue 229 236
比如，表2显示了在膨胀效率方面的改善并允许用户来弥补在较高水平上观测到的挺度损失(MD和CD平均挺度)，并改善了没有挺度损失的纸板性能。
表2
 
生成/试验描述 厚度平均值 定量平均值 挺度MD平均值 挺度CD平均值 几何平均挺度 挺度指数
YTD 23.9 255.3 466.4 215.9 317.4 19.1
HB FC Trial#15.0#/T 24.1 240.0 422.8 195.5 287.5 20.8
HB FC Trial#110.0#/T 24.0 227.1 391.0 171.0 258.6 22.1
HB FC Trial#21.0#/T 23.8 251.2 454.5 2100 308.9 19.5
HB FC Trial#22.0#/T 24.0 247.0 450.0 213.0 309.6 20.6
EsPTrial#4＠3.0#/T 24.0 244.6 429.5 206.0 297.5 20.3
关于纸杯生产所需的其它物理性能，根据本发明的低密度纸板衬底还优选具有通过Tappi Standard Test T确定的约30lbf/in的最小抗张强度，具有通过Tappi Standard Test T494确定的约为3.3％的衬底平均横向(CD)拉伸的最小值。
本发明的另一方面是低密度纸板在Sheffield光滑度等级上具有小于或等于300的粗糙度，同时在柔性版印刷操作中显示出类似的印刷质量。所述纸板的可印刷性非常地出乎意料，因为为了得到据信是可接受印刷质量所必需的通常约125-约200SU(来自超过400SU的预砑光光滑度)级别的表面光滑度(无涂层)，将常规纸板如纸杯基料通常砑光至约20mil的厚度。同样地，包含可膨胀微球的涂层纸板或无涂层纸板的可压缩性也改善了在恒定粗糙度下的平版印刷和凹版印刷的可印刷性。尽管我们不希望被任何理论所限制，但相信所述纸板的可印刷性归因于它的相对高的压缩率，该压缩率能够在凸版印刷和平版印刷机器上改善性能。
使用用已知纤维类型制备的单层或多层纸板来制备涂层纸板，所述已知纤维类型包括漂白/未漂白、软木、硬木、再循环和机械纤维，以及其它天然和合成纤维。造纸操作的化学性质可为酸性或碱性，并可包括用来获得功能特性如施胶(sizing)、强度、光学性质如不透光度，亮度、油性、抗油性等的多种已知化学品。本发明包括以1-201b/吨的剂量比率加入可膨胀微球。所述加入可在造纸工艺的湿部(wet end section)中的多个点上完成，包括但不限于成浆池、原料箱、冲浆泵的吸水管和其它可能的位置。在多层纸板的情况中，优选将所述微球加入到在所述衬底内部的一个或多个层中。可使用留存化学品(retention chemical)如聚丙烯酰胺和PEI来确保所述微球保留在湿纸板中。将所述湿形成的纸张衬底在包含一个或多个压榨带的压榨部中进行压榨。然后将所述纸张衬底在可包含滚筒干燥、condebelt干燥、IR或其它干燥装置的干燥部中进行干燥。将所述纸板干燥至水分含量小于10％。然后所述纸板可通过施胶压榨机，其可为槽式施胶压榨机(倾斜、垂直、水平的)或计量的施胶压榨机(刀刃计量、棒计量或计量施胶压榨的其它形式)。所述施胶压榨操作可使用多种可能的粘合剂，所述粘合剂包括但不限于各种形式的淀粉(氧化的、阳离子的、乙基化的、羟乙基化的和其它的淀粉)、聚乙烯醇、聚乙烯胺、藻酸盐、羧甲基纤维素等。所述施胶压榨组合物可包括有机和无机颜料及其它功能添加剂。施胶压榨施加的优选方法可限制粘合剂从外边缘渗入到小于10％厚度以内。然后将具有淀粉的所述纸板在进行砑光前干燥至水分含量小于10％。可以多种砑光工艺来进行所述砑光，这些砑光工艺包括湿堆砑光(wet stack calendering)和干堆砑光(dry stack calendering)、钢压区砑光(steel nip calendering)、热软砑光或宽压区砑光或例如其中使用摩擦处理来整饰所述表面的精密整饰(microfinishing)工艺。整饰目标纸板至小于180Sheffield单位的目标光滑度。然后可将所述光滑纸板在机外或机上涂覆处理中进行涂覆。优选方法为具有一个或多个工作站的联机涂覆工艺。所述涂覆工作站可为任何已知的涂覆工艺，包括刷涂、棒涂、气刀刮涂、喷涂、刀刃涂、转移辊涂、逆辊涂和流延涂。所述涂层制品在常规干燥操作中进行干燥并在一个或多个抛光工作站如光泽砑光机、柔性压区砑光机或宽压区砑光机中进行整饰。最终的涂层产品具有以下规格：
密度：8-12.01bs/3MSF/mil
PPS10Kgf/cm2：<1.5微米
Sheffield光滑度<20SU
此外，当上述涂层纸板在商业胶印机中进行测试时，可显示出印刷墨斑减少，其中与在基料中没有可膨胀微球而生产的对照纸板相比，所述减少率可为10％-50％。
以前，为了降低定量或改善印刷质量，进行了试验来确定是否可将少量可膨胀微球加入造纸机的配料中。51b/吨和101b/吨水平的可膨胀微球显示出一些印刷质量和表面光滑度的改善，但伴随着挺度降低。1和21b/吨的水平未降低挺度，但在印刷质量方面未能产生明显的改善，且没有得到经济上可行的方法。
一般地，本发明旨在解决与a)改善的机器速度和/或降低的成本/吨，b)改善的表面质量，和c)改善的印刷质量有关的问题。所有这些问题都得到了解决，而没有牺牲纸板的挺度。应注意到上述任何问题的解决方案都提供了竞争优势。一个优点是提高了机械速度。如果可用可膨胀微球代替纤维，使得可得到纤维量减少的松密度(bulk)(Z-方向厚度)，然后可提高造纸机速度且可降低每吨纤维的成本。注意到用压榨带压榨的包含可膨胀微球的纸浆配料的组合导致可膨胀微球效率出乎意料地增大。包含可膨胀微球的纸浆配料的所述组合使得在造纸机上运转的隔热纸杯生产期间，可膨胀微球的量降低到曾经记录的最低水平。在启动隔热纸杯生产前，没有可膨胀微球的印刷带的操作产生了稍微改善的纸板光滑度。注意到未膨胀纸板的粗糙度降低，这导致对所述可膨胀微球的传热分布更均匀。膨胀效率提高的微球产生了比以前得到的更低密度的纸板。因为隔热纸杯基料的隔热值与所述纸板密度成正比，因此这产生了更有效率的制造能力。所述微球膨胀效率的提高还导致制品的成本降低。所用可膨胀微球的百分比对整饰纸板及其制品的总成本具有显著的影响。因为使用了较少的可膨胀微球，因此存在着有助于提高衬底强度的改善的纤维-纤维结合的强度。
获得目标纸板密度所需可膨胀微球的用量的意外减少起因于改善的光滑度，该光滑度允许在所述衬底和干燥设备之间存在更大的接触面积。与所述干燥设备密切接触的所述衬底部分通过传导进行加热。但靠近所述干燥机而不是接触所述干燥设备的那些部分通过对流进行加热。因为对流传热比传导传热的效率低，因而当在所述纸板或衬底中可得到足够的水分时，需要发生可膨胀微球的膨胀。如果将所述衬底干燥至其中所述可膨胀微球达到它们的膨胀温度的低水分水平时，则这些微球没有足够的力去替换纤维。如果发生了该情况，则也不能增大厚度或降低纸板密度。因此，当纸板纤维层仍具有足够水分以提供纤维之间的润滑性时，需要发生衬底膨胀。
没有可膨胀微球的纸板不易受到该缺陷的影响，并可通过增长干燥部的有效干燥长度(例如减速、增加蒸汽或加入更多干燥器)来将其干燥至目标水分含量。
当局部温度达到热塑性壳的软化温度时，可膨胀微球开始膨胀。气体在所述可膨胀微球的中心受热并然后扩张塑料球的直径。对于可膨胀微球的给定聚合物结构，用于膨胀的温度取决于所述可膨胀微球的壳厚度和在所述可膨胀微球内部的气体数量而开始稍微发生改变。任何批次的可膨胀微球可在一定温度范围内开始膨胀。如果在横向机器方向(CD)条(cross machinedirection strip)中，与干燥机相接触的局部衬底的温度是均匀的，则在所述条中的具有给定膨胀温度的所有可膨胀微球将同时膨胀。这产生了在所述加热CD条中的纸板厚度的均匀增大。随着当所述衬底穿过干燥部时衬底的温度持续增高，具有更高膨胀温度的更多可膨胀微球将均匀发生膨胀。如果衬底具有初始均匀外形且与所述干燥设备均匀接触，则所述衬底应当均匀膨胀，且所述衬底的所有区域将保持与干燥设备相接触并通过更有效的传导传热而持续受热。
如果包含可膨胀微球的衬底具有不均匀的外形，则低凹的区域将不能接触所述干燥设备。这些区域通过对流传热受热更慢，且它们的温度维持地比与所述干燥设备紧密接触通过传导传热而受热的高凸区域更低。因为这是瞬间的传热情况，所以在初始干燥阶段，提高下游温度并不能补偿局部降低的温度。一旦所述局部温度降低，它将趋于保持这种降低。因此所述高凸区域比所述低凹区域更早达到膨胀温度，并比所述低凹区域更早开始膨胀。正常的外形差异可通过提高所用可膨胀微球的量使得所有区域可包含更多所述可膨胀微球来克服，实现更低的平均膨胀温度。这增大了产品的成本并降低了可膨胀微球的效率。如果所述纸板的表面外形非常粗糙，则在局部温度上的差异可导致称为“豹点(Leopard spots)”的不能接受的缺陷，该缺陷引起了经常高达最终纸板厚度的50％的过度厚度差异。
图1是用来制备根据本发明优选实施方式的纸板的造纸机组件。所述造纸机10包括布浆器12、流浆箱14、长网台(fourdrinier table)或双网台(twinwire table)16、压榨部18、干燥部20、砑光组(calendering stack)22和卷轴24。将上述类型的造纸原料经过管道26从纸浆原料储槽(未绘出)供给到布浆器12。布浆器12分配纸浆原料流均匀地经过造纸机械10的纬轴。将所述均匀分配的纸浆原料引入流浆箱14中，该流浆箱将造纸原料的均匀射流释放到长网成形台16的活动成形网上。所述成形网是沿着在多个辊28上的行程的循环路程进行移动的多孔编织支承表面。所述成形网将纤维形成连续织结的衬底30，而所述长网成形台16通过抽吸力将水从所述纸张衬底中排出。然后湿纸张衬底30通过一系列滚压机19而穿过压榨部18，在滚压机19中基本上除去其它的水并加固所述纸张衬底的结构。然后将所述加固的纸张衬底30传送到干燥部20，在干燥部20中所述纸张衬底30通过与一系列蒸汽加热的设备或圆筒32进行接触而进行干燥，所述蒸汽加热的设备或圆筒32蒸发而除去大部分的残留水，并建立纤维-纤维的结合。将纸张衬底30的干燥衬底传送到砑光组22，在其中通过降低纸张衬底厚度并提高纸张衬底30光滑度的一系列辊压区(roll nip)对所述干燥的纸张衬底30进行砑光。然后通过缠绕在卷轴24上而收集干燥的砑光纸张衬底或衬底。
所述纸张衬底30的压榨通常与压榨部18中的两个常规辊之间的毛毯(未显示)进行接触来进行。所述毛毯通常包含具有不同设计和粗糙度水平的一层、两层或三层的粗糙基体编织物。所述纸张衬底30和所述毛毯在两个旋转辊之间进行压榨。通常地在常规压榨部中，与毛毯相接触的所述纸张衬底30受到压缩。水从纸张衬底30中流出并流入到所述毛毯中，当所述毛毯吸满水时，则水从所述毛毯中流出。在压榨部后，所述纸张衬底进入到造纸机10的干燥部20中。
图2解释了本发明的优选实施方式，其中用压榨带36代替至少一个压榨毛毯34。所述压榨带36通常由光滑橡胶制成，取决于设计，其可为透水的、半透水的或完全不透水的。所述带36也可由其它材料制成。所述纸张衬底30在压缩下与压榨带36的两侧相接触。在用两个辊19压缩所述纸张衬底30期间，在所述纸张衬底30中的水均匀分布在所述纸张衬底30的厚度内，且当所述纸张衬底30移到干燥部(未显示)时，则在示于图1中的所述纸张衬底30和干燥设备20之间有着更有效的传热相互作用。在所述干燥部20中，所述纸张衬底30中的水以高效速度和低蒸汽使用率进行蒸发。
本发明发现使用压榨带34代替压榨毛毯32导致膨胀微球在所述纸张衬底30上均匀分布。蒸发速度受到在干燥圆筒内部使用的蒸汽压的极大影响。因此，蒸发所述纸张衬底30中剩余的水导致所述微球均匀地在所述纸张衬底30的厚度上膨胀。所述微球的均匀膨胀允许纸张衬底30保持松散且也降低了初始加入到纤维中的微球的量。此外，本发明发现通过使用压榨带34，显著地降低了微球的量而没有不利地影响所述纸张衬底30的挺度或厚度。示于图1和2中的所述压榨部18是示例性的，且可不脱离本发明范围地使用具有至少一个压榨带34的多种设计的压榨部18。通常，取决于设计，纸张衬底可在进入干燥部之前在所述压榨部中穿过至少一个阶段或优选两个阶段，或最优选三个或更多个阶段。然而，应当注意到，不管在所述压榨部中的阶段的数目是多少，根据本发明的优选实施方式在压榨部中的至少一个阶段中，应当使用压榨带代替压榨毛毯。
图3示出了在干燥圆筒32中的蒸汽40和纸张衬底30之间的温度分布。相应地列出了来自所述干燥圆筒内部的对传热的多种阻力。通常地，所述圆筒32中的冷凝层44、外表面上的污垢膜46和空气层48提供了主要阻力。如图2中所示，与所述干燥设备32紧密接触的所述纸张衬底30的某些部分通过传导进行加热。但靠近而非接触所述干燥设备32的那些部分是通过对流进行加热。因为对流传热比传导传热具有更低的效率，所以当在所述纸张衬底30中可得到足够水分时，需要发生可膨胀微球的膨胀。如果所述纸张衬底已经干燥至其中可膨胀微球达到它们的膨胀温度的低水分含量，则所述微球将没有足够的力去代替纤维。如果发生了这种情况，则将不能提高厚度或也不能降低所述纸张衬底30的密度。因此，当所述衬底纤维层仍具有足够水分以提供纤维之间的润滑性时，需要发生纸张衬底的膨胀。
图4示出上述没有使用压榨带34(例如使用压榨毛毯36)和使用压榨带34时的纸板衬底在厚度和可膨胀微球方面的变化。在所述图中，线A描述了微球相对于使用压榨带34的所述纸张衬底30在标称20点上的厚度的各种变化。线B描述了微球相对于没有使用压榨带34(使用压榨毛毯36)的所述纸张衬底30在标称20点上的厚度的各种变化。使用用于200定量纤维的压榨毛毯36和压榨带34进行试验。发现通过使用压榨带34可显著地降低微球的量。事实上，如下表中所示也有利地影响了所述纸张衬底的挺度。
压榨类型                         带                     毛毯
BW(1b/令)                        224                    241
可膨胀微球流量(GPM)              8.9                    9.0325
机械速度(FPM)                    734                    676
Taber挺度MD平均值                303                    261
Taber挺度CD平均值            182             168
尽管已参考优选实施方式描述了本发明，但本领域熟练技术人员可以理解，可做出多种改变和进行等价替换而不脱离本发明的范围。此外，可根据本发明的教导而做出多种改进以适应特定情况或材料，而不脱离其范围。因此，本发明并不局限于公开的特定实施方式，而是本发明包括落入权利要求范围内的所有实施方式。

Claims (16)

1.纸张或纸板衬底，其包含：
纤维素纤维和分散于所述纤维素纤维中的基于所述衬底总重量为0.05-0.2重量%折干计算的膨胀合成聚合物微球，包含所述膨胀合成聚合物微球的所述衬底的密度大体上等于不包含所述膨胀合成聚合物微球的衬底的密度，所述衬底具有适合印刷的至少一个表面，其中所述表面具有小于5.0的Parker光滑度，小于180Sheffield单位的Hagerty/Sheffield光滑度或它们的组合。
2.权利要求1所述的纸张或纸板衬底，其中所述衬底的所述至少一个表面包括颜料涂层和涂层粘合剂，所述颜料涂层和涂层粘合剂提供具有小于2.0的Parker光滑度和小于120Sheffield单位的Hagerty/Sheffield光滑度的涂层表面。
3.权利要求2所述的纸张或纸板衬底，其中所述颜料选自碳酸钙、粘土、塑料颜料、二氧化钛、煅烧粘土、缎光白、硅石、硅酸铝、滑石、三水合铝和聚甲基丙烯酸甲酯珠，且所述涂层粘合剂选自胶乳、PVAc、蛋白质和山扁豆碱。
4.权利要求1所述的纸张或纸板衬底，其中所述衬底具有10-28mil的厚度。
5.权利要求1所述的纸张或纸板衬底，其中所述衬底具有8.0-12lb/3MSF/mil的表观密度。
6.权利要求1所述的纸张或纸板衬底，其中所述衬底具有增强的挺度性能。
7.权利要求1所述的纸张或纸板衬底，其中所述衬底具有100-350磅/3,000平方英尺的定量。
8.权利要求1所述的纸张或纸板衬底，其中所述衬底由形成在长网上的纤维性衬底制成，制造所述衬底的方法包括：在长网上沉积来自流浆箱的纤维素纤维的含水浆液与所述膨胀合成聚合物微球的混合物，并从所述纤维素纤维中除去水来制备所述纤维性衬底，然后压榨所述纤维性衬底以将其含水量减少到至少60重量%的水。
9.权利要求8所述的纸张或纸板衬底，其中所述纤维性衬底通过压榨带进行压榨。
10.权利要求8所述的纸张或纸板衬底，其中所述纤维性衬底通过压榨毛毯进行压榨。
11.权利要求8所述的纸张或纸板衬底，其中所述纤维性衬底通过压榨带和压榨毛毯的组合进行压榨。
12.权利要求8所述的纸张或纸板衬底，其中对所述纤维性衬底加压并加热以从所述纤维性衬底中蒸发出水分，从而将所述纤维性衬底的含水量降低至低于40重量%的水。
13.权利要求8所述的纸张或纸板衬底，其中传送所述纤维性衬底使其通过造纸机的压榨部，且至少一个所述压榨部包含半透水的压榨带。
14.权利要求13所述的纸张或纸板衬底，其中在所述纤维性衬底中的所述合成聚合物微球在加热时发生膨胀，该膨胀的合成聚合物微球迫使纤维素纤维分开，由此增大了所述纤维性衬底的松密度。
15.纸板制品，其具有100-350磅/3,000平方英尺的定量，并包含适合印刷的至少一个涂层表面，其中所述至少一个涂层表面包含纤维素纤维和分散于所述纤维素纤维中的基于纤维素纤维总重量为0.05-0.2重量%折干计算的膨胀合成聚合物微球，包含所述膨胀合成聚合物微球的衬底的密度大体上等于不包含所述膨胀合成聚合物微球的衬底的密度，其中所述涂层表面具有小于2.0的Parker光滑度，不小于20Sheffield单位的Hagerty/Sheffield光滑度或它们的组合。
16.制备纸张或纸板衬底的方法，包括：
提供包含纤维素纤维和0.05-0.2重量%折干计算的膨胀合成聚合物微球或可膨胀合成聚合物微球的造纸配料，其中包含所述膨胀合成聚合物微球的衬底的密度大体上等于不包含所述膨胀合成聚合物微球的衬底的密度；
由所述造纸配料形成纤维性衬底；
通过使所述纤维性衬底移动通过至少一个压榨带或压榨毛毯设备或它们的组合以形成压榨的纸板衬底来提高纸板衬底的光滑度；
通过使用压榨带或压榨毛毯来提高所述压榨的纸板衬底和造纸机的干燥设备之间的传热速度；和
减少用在所述纸板衬底中的所述膨胀聚合物微球的量。
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