(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）（ｉ）従来のセルロース繊維及び（ii）水性結合剤を0.1〜６重量％含む少なくとも１つの第一プライ；
（Ｂ）（ｉ）化学的に繊維内で架橋された嵩高いセルロース繊維と改質されていない従来のセルロース繊維との混合物及び（ii）水性結合剤を0.1〜６重量％含む少なくとも１つの第二プライ；
を含み、
前記の架橋された嵩高いセルロース繊維は、前記混合物の20重量％以下で存在し、プライの隣接繊維が、接触していて、複数の繊維交差点を作り、該水性結合剤の大部分が、繊維・繊維交差点に存在している、
マルチプライペーパーボード。
【請求項２】
該ペーパーボードが２つの外部プライと少なくとも１つの中間プライを有し、及び該外部プライが該第一プライを含み、該少なくとも１つの中間プライが該第二プライを含む請求項１記載のペーパーボード。
【請求項３】
水性結合剤がアニオン性、非イオン性又はカチオン性である請求項１又は２記載のペーパーボード。
【請求項４】
水性結合剤を、澱粉、改質澱粉、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、ポリエチレン／アクリル酸コポリマー、アクリル酸ポリマー、ポリアクリレート、ポリアクリルアミド、ポリアミン、グアーガム、酸化ポリエチレン、ポリビニルクロリド、ポリビニルクロリド／アクリル酸コポリマー、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレンコポリマー及びポリアクリロニトリルから成る群より選択する請求項１又は２記載のペーパーボード。
【請求項５】
水性結合剤が、澱粉又は改質澱粉からなる群から選択される請求項１又は２記載のペーパーボード。
【請求項６】
前記結合剤が、ポリビニルアルコールである請求項１又は２記載のペーパーボード。
【請求項７】
組成物が、水性結合剤を0.25重量％〜５重量％含む請求項１又は２記載のペーパーボード。
【請求項８】
架橋剤を、メチル化尿素、メチル化環状尿素、メチル化低級アルキル置換尿素、ジヒドロキシ環状尿素、メチル化ジヒドロキシ環状尿素、及びそれらの混合物から成る尿素誘導体から成る群より選択する請求項１又は２記載のペーパーボード。
【請求項９】
架橋剤を、ジメチロール尿素、ジメチロールジヒドロキシエチレン尿素、ジヒドロキシエチレン尿素、ジメチロールエチレン尿素、及び4,5−ジヒドロキシ−1,3−ジメチル−２−イミダゾリジノンから成る群より選択する請求項１又は２記載のペーパーボード。
【請求項１０】
架橋剤が、ポリカルボン酸である請求項１又は２記載のペーパーボード。
【請求項１１】
架橋剤を、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸、グルタル酸、シトラコン酸、及びそれらの混合物から成る群より選択する請求項１又は２記載のペーパーボード。
【請求項１２】
前記架橋剤が、ポリ（アクリル酸）、ポリ（メタクリル酸）、ポリ（マレイン酸）、ポリ（メチルビニルエーテル−コ−マレエート）コポリマー、ポリ（メチルビニルエーテル−コ−イタコネート）コポリマー、マレイン酸、イタコン酸及びタルトレートモノ琥珀酸からなる群から選択される請求項１又は２記載のペーパーボード。
【請求項１３】
該第二プライが、更に、従来の繊維完成紙料を５重量％〜99.5重量％含む請求項１又は２記載のペーパーボード。
【請求項１４】
該第二プライが、更に、従来の繊維完成紙料を少なくとも80重量％含む請求項１又は２記載のペーパーボード。
【請求項１５】
該第二プライが、1cm3/g〜50cm3/gの嵩を有する請求項１又は２記載のペーパーボード。
【請求項１６】
該第二プライが、3cm3/g未満の嵩を有する請求項１又は２記載のペーパーボード。
【請求項１７】
該嵩高い繊維を、剥離剤で処理したパルプから誘導した請求項１又は２記載のペーパーボード。
【請求項１８】
該嵩高い繊維を、第二プライを形成する前に個別化する請求項１又は２記載のペーパーボード。
【請求項１９】
第一プライを作る工程；
第二プライを作る工程；
該プライを組み合わせてマルチプライ構造とする工程；
該プライの１つは従来のセルロース繊維を含む；
該プライの他のプライが化学的に繊維内で架橋された嵩高いセルロース繊維を含み、該嵩高い繊維プライが、従来の繊維完成紙料を５重量％〜99.5重量％含む；
該プライが更にその中に混和された水性結合剤を0.1〜６重量％有する、
ここで、プライ中の隣接繊維が、接触していて、複数の繊維交差点を作り、該水性結合剤の大部分が、繊維・繊維交差点に存在しており；及び
該組み合わされたプライを乾燥させて、マルチプライペーパーボードを作る工程を含むマルチプライペーパーボードを製造する方法。
【請求項２０】
第三プライを作る工程；
該マルチプライ構造中にある該プライの１つが他の２つのプライの間にある；
該１つのプライが該嵩高い繊維を含む；
該他の２つのプライが従来のパルプ繊維を含む
を更に含む請求項19記載の方法。
【請求項２１】
水性結合剤が、アニオン性、非イオン性又はカチオン性である請求項19又は20記載の方法。
【請求項２２】
水性結合剤を、澱粉、改質澱粉、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、ポリエチレン／アクリル酸コポリマー、アクリル酸ポリマー、ポリアクリレート、ポリアクリルアミド、ポリアミン、グアーガム、酸化ポリエチレン、ポリビニルクロリド、ポリビニルクロリド／アクリル酸コポリマー、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレンコポリマー及びポリアクリロニトリルから成る群より選択する請求項19又は20記載の方法。
【請求項２３】
前記水性結合剤が、澱粉及び改質澱粉からなる群から選択される請求項19又は20記載の方法。
【請求項２４】
前記水性結合剤が、ポリビニルアルコールである請求項19又は20記載の方法。
【請求項２５】
水性結合剤が、繊維を0.25重量％〜５重量％混和させるのに十分な量で加える請求項19又は20記載の方法。
【請求項２６】
架橋剤を、メチル化尿素、メチル化環状尿素、メチル化低級アルキル置換尿素、ジヒドロキシ環状尿素、メチル化ジヒドロキシ環状尿素、及びそれらの混合物から成る尿素誘導体から成る群より選択する請求項19又は20記載の方法。
【請求項２７】
架橋剤を、ジメチロール尿素、ジメチロールジヒドロキシエチレン尿素、ジヒドロキシエチレン尿素、ジメチロールエチレン尿素、4,5−ジヒドロキシ−1,3−ジメチル−２−イミダゾリジノン、及びそれらの混合物から成る群より選択する請求項19又は20記載の方法。
【請求項２８】
架橋剤が、ポリカルボン酸である請求項19又は20記載の方法。
【請求項２９】
架橋剤を、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸、琥珀酸、グルタル酸、シトラコン酸、及びそれらの混合物から成る群より選択する請求項19又は20記載の方法。
【請求項３０】
前記架橋剤が、ポリ（アクリル酸）、ポリ（メタクリル酸）、ポリ（マレイン酸）、ポリ（メチルビニルエーテル・コ・マレエート）コポリマー、ポリ（メチルビニルエーテル・コ・イタコネート）コポリマー、マレイン酸、イタコン酸、及びタルトレートモノ琥珀酸、及びそれらの混合物からなる群から選択される請求項19又は20記載の方法。
【請求項３１】
該嵩高い繊維プライが、従来の繊維完成紙料を少なくとも90重量％含む請求項19又は20記載の方法。
【請求項３２】
該嵩高い繊維プライが、1cm3/g〜50cm3/gの嵩を有する請求項19又は20記載の方法。
【請求項３３】
前記嵩高い繊維のプライが、3cm3/g未満の嵩を有する請求項19又は20記載の方法。
【請求項３４】
該嵩高い繊維を、剥離剤で処理したパルプから誘導した請求項19又は20記載の方法。
【請求項３５】
該嵩高い繊維を、第二プライを形成する前に個別化する請求項19又は20記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、マルチプライセルロース製品に関するものであり、また、化学的に架橋されたセルロース繊維と水媒介性結合剤（水性結合剤と同義）（water−borne binding agent）とを含む組成物を用いる前記製品を作る方法に関するものである。
発明の背景
セルロース繊維から作られる製品は、生分解性で、再生可能源から作られ、そして再利用することができるので、望ましい。その主な欠点は、典型的なセルロース製品は比較的高密度であるか又は嵩高くない点である。嵩は、密度に反比例し、材料の比重量によって占められる体積であり、cm3/gmの単位で示される。必須の強度を提供するために必要とされるセルロース材料の量により、重い製品が作り出される。その製品の断熱性は良くない。
Weyerhaeuser Companyから1990年に出版された小冊子では、嵩高い添加剤（High Bulk Additive）又はHBAとして知られている化学的に架橋されたセルロース繊維が説明されており、またHBA繊維を５％及び15％のレベルでペーパーボードの中に組み込むことができることを示している。また、前記の小冊子は、HBAを３プライペーパーボードの中間プライにおいて用いることができることも示している。前記のボードを、従来の３プライボードと比較した。基本重量は25％減少し；テーパー剛性は一定のままであるが；破壊荷重は縦方向において25kN/mから16kN/mまで減少し、横方向においては9kN/mから6kN/mまで減少した。
Kundsenらによる米国特許第4,913,773号には、基本重量は増加していないが、剛性が増大している製品が記載されている。その製品は、３プライペーパーボードマットである。中間プライは多屈曲繊維から成る。２つの外部プライは従来の繊維から成る。すべて多屈曲繊維から成る中間プライを含むこの構造を、従来の繊維と多屈曲繊維とから成る単一プライマット、及び異なる従来の繊維から成るダブル及びトリプルプライ構造と比較している。その比較において、中間プライはすべて多屈曲繊維であるが、Kundsenらは、中間プライが、従来の繊維と多屈曲繊維とを組み合わせている構造も提案している。この後者の構造では、Kundsenらは、必要な剛性を得るために、中間プライにおいて多屈曲繊維が少なくとも10重量％存在していることを求めている。
Kundsenらは、機械的処理によって、アンモニア又は苛性ソーダによる化学的処理によって、あるいは機械的処理と化学的処理とを組み合わせることによって多屈曲繊維を得ている。Kundsenらによって提案された処理では、繊維内架橋が得られない。Kundsenらは、ある種のマルチプライ構造と共に結合剤を用いているかもしれない。また、プライを十分に結合させるために、澱粉を１重量％用いているかもしれない。
Kokkoによる欧州特許第0 440 472号では、嵩高い繊維について考察している。前記の繊維は、ポリカルボン酸を用いて木材パルプを化学的に架橋することによって作られる。Kokkoは、個別化され架橋された繊維、及びこの繊維から作られた単一プライ吸収剤と嵩高い紙製品に関心を向けている。
Kokkoは、未処理繊維75％と処理繊維25％とのブレンドを用いた。Kokkoによって達成された最大乾燥嵩高さは、クエン酸処理繊維を25％用いて5.2cm3/gm、及びクエン酸／燐酸−ナトリウム処理繊維25％を用いて5.5cm3/gmであった。
また、Kokkoは、ポリカルボン酸架橋繊維は、製紙にとって重要なカチオン性添加剤に対して一層受容的であるべきであり、更に架橋繊維から作られたシートの強度は、カチオン性湿潤補強樹脂（cationic wet strength resin）を混和することによって嵩高さを高めることに関して妥協しない回復可能なものであるべきである、ことを記載している。Kokkoが、カチオン性添加剤、または他の補強添加剤を架橋繊維と共に実際に試して見たという説明は無い。従って、Kokkoは、用いることができるカチオン性添加剤の量について、及び前記添加剤を用いた場合の結果について説明していなかった。例えばKokkoが説明しているようなアニオン性繊維をカチオン性添加剤で処理することによって、添加剤で前記繊維の全表面は実質的に完全に被覆される。前記の事実は、メチレンブルー染料による実験でKokkoによって注目されている。カチオン性添加剤は、アニオン性繊維の全表面に引き付けられる。全繊維が被覆されるので、繊維と繊維との接触点において結合剤を提供するのに必要とされるよりも更に多くの添加剤が用いられる。
Youngらによる米国特許第5,217,445号では、おむつの捕捉（acquisition）／分配領域が開示されている。前記おむつは、化学的に剛化されたセルロース繊維を50−100重量％及び結合手段を０−50重量％含む。結合手段は、他の剛化されていないセルロース材料、合成繊維、化学添加剤及び熱可塑性繊維であることができる。前記材料は、約0.30gm/cm3未満の乾燥密度、3.33cm3/gmの嵩を有する。
発明の概要
適当な水媒介性結合剤を繊維内架橋セルロース繊維に対して添加し、この材料をマルチプライ構造の１つ又はそれ以上のプライの中に組み込むと、比較的嵩高く且つ比較的高い物理的強度を有する材料が製造される。また、水媒介性結合剤を添加すると、望ましい強度を得るのに、従来の繊維に比べて繊維が少なくて済む（すなわち、より軽い基本重量製品）材料が製造される。２プライペーパーボード構造のプライのうちの１つ、３プライペーパーボード構造の中間プライ、又は３を超えるプライを有するマルチプライペーパーボード構造の中間プライは、嵩高い繊維／水媒介性結合剤組成物を用いている。
嵩高い繊維は、約1cm3/g−約50cm3/gの嵩を有するマットへと成形することができる。繊維内で化学的に架橋されたセルロース材料である。前記繊維から成形されるマットの嵩は、典型的には、約5cm3/gを超える。適当な架橋剤は、一般的には、ヒドロキシル基と結合して、繊維内のセルロース分子にあるヒドロキシル基の間に共有結合の橋を作り出すことができる二官能価タイプである。例えばクエン酸のようなポリカルボン酸架橋剤を用いると、食品包装に特に適する製品が製造される。
化学的に架橋された嵩高い繊維に対して、例えば澱粉及びポリビニルアルコールのような水媒介性結合剤をある重量％加えると、嵩高い繊維のみに比べて、従来の繊維のみに比べて、又は前記結合剤を有していない嵩高い繊維と従来の繊維とから成る混合物に比べて、優れた物理的性質を有する組成物が製造される。
【図面の簡単な説明】
図１は、嵩高い化学的に架橋された繊維を作る方法を示している構成図である。
図２は、本発明に従って作られた、嵩高い添加剤繊維（HBA）／水媒介性結合剤組成物の走査電子顕微鏡写真（SEM）である。
図３は、HBAを含む中間プライ部分が本発明に従って製造される方法を示している構造図である。
図４は、本発明に従って製造した代表的な２プライペーパーボードの一部の横断面図である。
図５は、本発明に従って製造した代表的な３プライペーパーボードの一部の横断面図である。
図６は、エッジ吸上（edge wicking）対密度のグラフであり、嵩高い繊維が完成紙料中に含まれているときには吸収性が低下することを示している。
図７は、固形分対荷重圧のグラフであり、嵩高い繊維が完成紙料（furnish）中に含まれているときには基本重量が増加することを示している。
好ましい態様の詳細な説明
本発明は、化学的に架橋されたセルロース繊維及び水媒介性結合剤を含む組成物を提供する。前記組成物は、マルチプライペーパーボード構造のプライ中に組み込むとき、従来の製紙繊維組成と組み合わされる。従来の製紙繊維組成とは、硬木及び軟材を含む任意の種から作られる製紙繊維のことであり、またパルプ化プロセスの後に別な方法で化学的に処理されていない場合に、繊維に対して適用される剥離剤を有し得る繊維のことである。それらは、化学木材パルプ繊維を含む。
セルロース繊維は、綿、麻、イヌ科の植物（grasses）、籐類、植物の殻（husks）、トウモロコシ茎又は他の適当な源を含む任意の源から得ることができる。化学木材パルプは好ましいセルロース繊維である。
嵩高い化学的に架橋されたセルロース繊維は、様々な適当な架橋剤を用いて架橋することができる、繊維内で架橋されたセルロース繊維である。各繊維は、それぞれ、多数のセルロース分子から構成されていて、セルロース分子にあるヒドロキシル基の少なくとも一部分は、架橋剤による架橋反応によって、同じ繊維内のセルロース分子にある他のヒドロキシル基に結合されている。架橋繊維は、約1cm3/gm−約50cm3/gm、典型的には約10cm3/gm−約30cm3/gm、及び通常は約15cm3/gm−約25cm3/gmの嵩を有するマットへと成形することができる。
適当な架橋剤は、一般的には、ヒドロキシル基と結合することができ、且つ繊維内のセルロース分子にあるヒドロキシル基との間に共有結合の橋を作り出すことができる二官能価タイプである。架橋剤の好ましいタイプは、ポリカルボン酸であるか、又は例えばメトリル化尿素、メチロール化環状尿素、メチロール化低級アルキル置換環状尿素、メチロール化ジヒドロキシ環状尿素のような尿素誘導体から選択される。好ましい尿素誘導体架橋剤は、ジメチロールジヒドロキシエチレン尿素（DMDHEU）及びジメチルジヒドロキシエチレン尿素である。尿素誘導体の混合物も用いることができる。好ましいポリカルボン酸架橋剤は、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸、琥珀酸、グルタル酸及びシトラコン酸である。これらのポリカルボン酸は、材料の目的用途が食品用包装であるときには特に有用である。用いることができる他のポリカルボン酸架橋剤は、ポリ（アクリル酸）、ポリ（メタクリル酸）、ポリ（マレイン酸）、ポリ（メチルビニルエーテル・コ・マレエート）コポリマー、ポリ（メチルビニルエーテル・コ・イタコネート）コポリマー、マレイン酸、イタコン酸、及びタルトレートモノ琥珀酸である。ポリカルボン酸の混合物を用いることもできる。
他の架橋剤は、Chungによる米国特許第3,440,135号、Lashらによる米国特許第4,935,022号、Herronらによる米国特許第4,889,595号、Shawらによる米国特許第3,819,470号、Steijerらによる米国特許第3,658,613号、Deanらによる米国特許第4,822,453号、及びGraefらによる米国特許第4,853,086号において説明されており、前記特許のすべては本明細書において参照として完全に含まれる。
架橋剤は、架橋剤とセルロース分子との間の結合反応を促進する触媒を含むことができるが、ほとんどの架橋剤は、触媒を必要としない。適当な触媒としては、尿素に基づく架橋物質を用いるときに有用であることができる酸性塩が挙げられる。前記の塩としては、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、塩化アルミニウム、塩化マグネシウム、あるいはこれら又は他の類似化合物の混合物を挙げられる。燐含有酸のアルカリ金属塩を用いることもできる。
架橋剤は、典型的にはセルロース繊維１トン当たり約2kg−約200kg、好ましくは約20kg−約100kgの量で適用される。
セルロース繊維は、架橋剤で処理する前に剥離剤で処理されたかもしれない。剥離剤は、内部繊維結合を最小にする傾向があり、それによって繊維を互いから一層容易に分離することができる。結合剤は、カチオン性、アニオン性又は非イオン性であることができる。カチオン性剥離剤は、非イオン性又はアニオン性剥離剤よりも優れていると考えられる。剥離剤は、典型的には、セルロース繊維紙料（stock）に加えられる。
適当なカチオン性剥離剤としては、第四アンモニウム塩が挙げられる。これらの塩は、典型的には、１つ又は２つの低級アルキル置換基、及び脂肪性で比較的長鎖の炭化水素であるか又はそれを含む１つ又は２つの置換基を有する。非イオン性結合剤は、典型的には、エチレンオキシド、プロピレンオキシド又はそれらの２つの材料の混合物と反応する脂肪性・脂肪族（fatty−aliphatic）アルコール、脂肪性・アルキルフェノール、及び脂肪性・芳香族酸及び脂肪酸の反応生成物を含む。
剥離剤の例は、Herveyらによる米国特許第3,395,708号及び第3,544,862号、Emanuelssonらによる米国特許第4,144,122号、Forssbladらによる米国特許第3,677,886号、Osborne IIIによる米国特許第4,351,699号、Hellstonらによる米国特許第4,476,323号及びLaursenによる米国特許第4,303,471号において見出すことができる。前記特許のすべては、引例として本明細書に完全に含まれる。適当な剥離剤は、Berol Chemicals,Incorporated of Metairie,Louisianaから市販されているBerocell 584である。それは、繊維の重量に対して剥離剤0.25重量％のレベルで用いることができる。又、剥離剤は必要ではないかもしれない。
嵩高い繊維は、Weyerhaeuser Companyから市販されている。それは、HBA繊維であり、多数のグレードのものが市販されている。そのグレードの任意のものの適合性は、製造される最終製品によって決まる。いくつかのグレードは、他のグレードに比べて、食品グレードの用途に一層適するかもしれない。米国特許出願第07/395,208号及び第07/607,268号では、HBA繊維を製造する方法及び装置が説明されている。これらの出願は、参照として本明細書に完全に含まれる。
本質において、コンベヤー12（図１）は、セルロース繊維マット14を運んで、アプリケーター18によりマット14上に架橋剤が適用される繊維処理領域16を通過させる。典型的には、化学薬品は、前記マットの両側に均一に適用される。マット14は、フィベライザー（fiberizer）20によって、実質的に破壊されていない独立繊維へと分離される。繊維化のために、ハンマーミル及びディスク精砕機（disc refiner）を用いることができる。次に、乾燥装置22において、その繊維を乾燥させ、架橋剤を硬化させる。
嵩高い繊維からは、繊維と繊維の結合強度が不良なセルロース製品が製造される。繊維と繊維の結合強度を測定する方法の１つは引張指数である。引張指数は、シートの基本重量に関して標準化されたシートの引張強さの尺度であり、材料の固有の引張強さの尺度を提供する。HBAが引き続いて作られる、未改質で破壊されていないセルロース繊維から作られたウェットレイドシート（wet laid sheet）は、約1.1Nm/gの引張指数を有し、それに対して、化学的に架橋された嵩高い繊維から作られた同様なウェットレイドシートは、前記引張指数の140分の１に当たるわずか約0.008Nm/gの引張指数を有する。繊維は、単にパッドを横切るように空気を吹込むことによって、嵩高い材料のパッドから容易に取り出すことができる。
本発明の組成物は、水媒介性結合剤を必要とする。これによって、嵩が増加し、密度が低下し、そして嵩高い繊維を用いずに作られた製品と実質的に同じ強度を有する製品が製造される。水媒介性という用語は、水で運ぶことができる任意の結合剤を意味しており、水溶性で、水中に分散することができ、あるいは水中懸濁液を形成する結合剤を含む。適当な水媒介性結合剤としては、澱粉、改質澱粉、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、ポリエチレン／アクリル酸コポリマー、アクリル酸ポリマー、ポリアクリレート、ポリアクリルアミド、ポリアミン、グアーガム、酸化ポリエチレン、ポリビニルクロリド、ポリビニルクロリド／アクリル酸コポリマー、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレンコポリマー及びポリアクリロニトリルが挙げられる。これらのうちの多くは、水中分散液又は懸濁液のためのラテックスポリマーとなる。特に適当な結合剤としては、澱粉、ポリビニルアルコール及びポリビニルアセテートが挙げられる。結合剤の目的は、シート内にある嵩高い繊維の全体の結合を増加させることである。
様々な量で水媒介性結合剤を用いることができる。結合剤の量は、添加レベルとして表すことができる。これは、繊維及び結合剤の乾燥重量に関連のある結合剤の量である。適当な結合剤添加レベルは、約0.1重量％−約６重量％、好ましくは約0.25重量％−約5.0重量％、最も好ましくは約0.5重量％−約4.5重量％である。
結合剤は嵩高い繊維パッドに対して適用し、真空によってシート中に吸収させることができる。過剰の結合剤は吸い取ることによって除去する。更に、パッドの中に140℃の空気を通すことによってシートを乾燥させる。処理したパッドは低密度であり、申し分の無い剛性を有する。パッドは鋭いナイフを用いて容易に切断することができる。その材料は、外観及び風合いが発泡ポリスチレンに極めて似ている。
上記の材料単独又は従来の繊維と混ぜたものを用いて、申し分の無い耐熱性を有するマルチプライペーパーボードを作ることができる。
２プライペーパーボードシートのプライのうちの１つ、又はマルチプライペーパーボードシートの中間プライ（複数又は単数のプライ）において用いられる嵩高い添加繊維の量は、最大20重量％まで可能である。好ましくは、約５重量％の量で用いる。10重量％の量を用いることもできる。マルチプライシートの外部プライでは嵩高い添加繊維を用いる必要はないが、外部プライでは約５％の量で用いると有利であることがある。前記プライのいずれかにおいてHBA繊維を用いると、プロセスの制限工程が何であるかに従って、二次成形プロセス、プレスプロセス及び乾燥プロセスを加速することができ、またペーパーボードの製造における圧延を向上させることができる。
マルチプライペーパーボードの例は、図４及び図５に示してある。図４は、プライ40の１つが従来のパルプ繊維であるか、又は従来の繊維と嵩高い添加繊維５重量％以下との組み合わせである２プライペーパーボードを示しており、他のプライ42は、嵩高い添加繊維であるか、又は嵩高い添加繊維と従来のパルプ繊維約５重量％−約99.5重量％との組み合わせである。嵩高い繊維の量は、プライ40に比べて、プライ42の方が多い。両方のプライは結合剤を含む。
図５は、外部プライ44及び46が従来の繊維であり、中間プライ48が嵩高い繊維である３プライペーパーボードを示している。ここでもまた、外部プライでは嵩高い繊維は５重量％以下であることができ、中間プライでは従来の繊維５重量％−99.5重量％であることができる。嵩高い繊維の重量％は、外部プライに比べて、中間プライの方が大きい。すべてのプライは結合剤を含む。
実施例１
市販のHBA繊維20gを9.5リットルの水の中に分散させて、コンシステンシー（consistency）0.21％のHBA/水スラリーを作った。コンシステンシーは、パルプ／水スラリー重量の百分率として表した風乾パルプの重量である。そのスラリーを、８インチx8インチの実験室用ハンドシート金型の中に配置した。まず最初に吸引し、次に吸取紙の間に入れて手でプレスし、最後に温度105℃のオーブンの中で乾燥させることによって、スラリーを脱水してパッドを作った。得られたセルロースパッドは、密度0.02g/cm3、嵩は50cm3/gであった。市販の紙の密度は、典型的には、約0.5g/cm3−約1g/cm3であり、嵩は約2cm3/g−1cm3/gである。ウェットレイドHBA繊維パッドの密度は、典型的なペーパーシートの密度に比べて約25−50分の１であり、嵩は、典型的なペーパーシートに比べて約50−100倍大きい。繊維は、空気をシートの中に吹込むことによって、HBA繊維パッドから取り出すことができた。
実施例２
HBA繊維6.5gを水８リットル中に分散させて、コンシステンシー約0.08％のセルロース・水スラリーを提供した。そのスラリーを、直径６インチの実験室用ハンドシート金型でパッドへと成形した。スラリーは実施例１のようにして脱水した。得られたパッドは、密度0.025g/cm3であり、嵩は40cm3/gであった。
このパッドの引張指数を測定した。HBA繊維パッドに関する引張指数、及び市販されているHBA用の出発パルプであるNB316から作られた対照パッドに関する引張指数。表Ｉはその結果である。
0003558638.tif 000002
エアレイイング（air laying）によって作られたHBA繊維パッドは同様な低い引張指数を有する。
嵩高い添加シートを実施例１のようにして調製した。水媒介性結合剤の水溶液をシートに適用した。典型的には、その溶液をシート中に真空吸引した。過剰の結合剤溶液は、まず最初に吸取ることによってシートから除去する。更に、パッドを通して空気を吸込むことによって乾燥させる。その空気は温度約140℃である。
この方法を用いて作られた乾燥パッドは、低密度であり、申し分の無い剛性を有する。シートの強度は、結合剤を用いずに作られた嵩高い添加シートに比べて、著しく増大した。製品はナイフで容易に切断することができた。その材料は、外観及び風合いが発泡ポリスチレンに極めて似ている。
実施例３
直径６インチのパッドを、エアレイド法又はウェットレイド法を用いて、嵩高い添加繊維から作った。各方法によって、実質的に結合していない嵩高い繊維添加パッドを作る。そのパッドの重量を計量し、直径６インチのブフナー漏斗中に置いた。
そのパッドを、澱粉又はポリビニルアルコールの水溶液で飽和させた。その澱粉は、A.E.Staley Manufacturing Companyから市販されているHAMACO 277澱粉であった。ポリビニルアルコールは、DuPont Chemical Companyから市販されているELVANOL HVであった。溶液中の結合剤の量は、溶液の総重量を基準として約0.5重量％−５重量％であった。
上記のパッドをブフナー漏斗から取り出し、合成不織布のシートの間に入れた。適当な不織布は、James River 0.5 oz/yd2Cerex 23不織布である。支持されたパッドを吸取紙の間で絞って、飽和シートから過剰の液体を除去した。次に、実験室用熱接着機を用いて、そのパッドの中に、約140℃の熱空気を通すことによって乾燥させた。パッド中にある繊維重量の約2.5％−約５％の結合剤添加レベルが、この方法を用いて得られた。結合剤添加レベルは、典型的には、パッド中繊維重量の約３％−約4.5％である。
パルプ密度及び引張指数を実施例２のようにして測定した。結合剤を有するNB316及び結合剤なしのNB316、及び結合剤を有していないHBA繊維を対照として用いた。サンプル及び結果を表IIに掲げる。たとえHBAパッドの密度がNB316パッドの密度0.220g/cm3の1/2未満であるとしても、結合剤で処理されたHBA繊維パッドのほとんどは、結合剤を有していないNB316の引張指数1.15Nm/gに等しいか又はそれを超える引張指数を有する、ことが注目される。ポリビニルアルコールはHBA繊維パッドの引張指数を大きく増加させることが注目された。ポリビニルアルコールで結合されたHBA繊維パッドは、澱粉で結合されたNB316繊維の1/3の密度を有していたが、澱粉で結合されたNB316の引張指数とほとんど等しい引張指数を有していた。ポリビニルアルコールで結合されたHBA繊維パッドの別のサンプルの密度は、澱粉で結合されたNB316の密度の1/3未満であったが、ポリビニルアルコール結合HBA繊維パッドの引張指数は、澱粉結合NB316の引張指数の２倍を超えるものであった。
0003558638.tif 000003
0003558638.tif 000004
また、HBAと従来のバルブ繊維との澱粉で結合された配合物は、低密度であり、且つ従来のパルプ繊維単独とほとんど同じ引張指数を有する製品を提供することができる、ということが表IIにおいて認められる。
図２は、実施例３に従って製造された、HBA/水媒介性結合剤組成物の電子顕微鏡写真である。図２は、水媒介性結合剤が実質的に完全に繊維間の交差点又は接触点に集まることを示している。１つの作業論理に本発明を限定するものではないが、ポリマーは主として毛管作用によって交差点又は接触点において集まるか又は濃縮される、と考えられる。結合剤の大部分は必要とされる場所に存在している。
実施例４
直径６インチのエアレイドHBA繊維パッドの重量を計量し、直径６インチのブフナー漏斗に置いた。水溶液の総重量を基準として２％及び５％ポリマー濃度の、ポリビニルアセテートラテックスポリマーであるReichold PVAcラテックス40−800の水溶液。その水溶液をブフナー漏斗中にある前記パッドの中に通した。そのパッドを実施例４におけるパッドと同じようにして乾燥させた。ポリマーバインダーの添加レベルは約２重量％−約４重量％であった。得られたパッドは十分に結合されていた。
実施例５
化学的に架橋された嵩高い繊維とNB316従来パルプとの重量比10/90配合物9.95gを水9.5リットル中に分散させた。水は、水溶性カチオン性ポテト澱粉であるD.S.0.3「ACCOSIZE 80」澱粉を0.8重量％含んでいた。そのセルロース分散液を８インチx8インチ  ハンドシート金型の中に入れて、基本重量約240g/m2を有するパッドを製造した。吸取紙の間でプレスすることによって、そのパッドから過剰の水分を除去し、次に105℃のファンオーブンの中で乾燥させた。
その乾燥パッドに関して密度、テーバー剛性及び耐熱性を試験した。McDonald's Corporationによって用いられているクラムの貝殻の包装箱のふたの発泡ポリスチレンと同じ値が得られた。セルロースパッドにおける単位面積当たりの材料費と、ポリスチレンぶたにおける単位面積当たりの材料費は実質的に等しかった。試験の結果を表IIIに掲げる。
0003558638.tif 000005
繊維配合物は、有望なことに、スチロフォーム材料の匹敵した。
実施例６
HBA繊維を、３プライペーパーボード構造において、従来の中間プライ10重量％で置き換えた。その方法は図３に示してある。高コンシステンシーにおいて中間プライ繊維100重量部を製造することについて説明している。この方法において、高コンシステンシーとは、組成において２重量％を超えるコンシステンシーのことである。この実施例では、組成は３重量％である。
従来の繊維Douglas Fir（DF）80重量部を、ハイドロパルパー（hydropulper）30において水と混合して、３重量％コンシステンシー組成を作る。その組成を、ハイドロパルパー30から、精砕又は叩解して繊維表面をフィブリル化し乾燥シートにおける繊維・繊維結合を強化する精砕機32へと送る。精砕機32を出る繊維は、カナダ標準叩解度（Canadian Standard Freeness）（CSF）において、約560であった。精砕した繊維は中間プライ貯蔵室34へと運んだ。
HBA繊維は、水性懸濁液中で凝集して、ゆるい繊維の凝集塊（clumps）及びアグロメレーションを形成する傾向がある。またHBAは皺（nits）又は結節（knots）を含むことがある。皺及び結節、並びに塊及びアグロメレーションによって、ペーパーボードにおいて塊（lumps）が生じることがある。凝集塊及びアグロメレーションは、HBA繊維と従来の繊維とを組み合わせて、水中において前記混合物を分散させることによって減少させることができる。従来の繊維の量は10重量％−90重量％であることができる。実施例では、HBA繊維10重量部を従来のDF繊維10重量部と組み合わせて、ハイドロパルパー36中にある水を加えて、３重量％コンシステンシー組成を作る。従来の繊維は、精砕又は未精砕の繊維であることができる。
皺又は結節及び残っている凝集塊又はアグロメレーションは、ハイドロパルパー36からデフレーカー（deflaker）38までスラリーを通すことによって除去される。
精砕によって繊維が破断して、繊維の長さが短くなり、製品における嵩高さを提供する能力が減少するので、HBA繊維を精砕すべきではない。ハイドロパルパー36からのHBA繊維／従来の繊維の組み合わせを、図３に示してあるように、精砕機32の後で、ハイドロパルパー30から送られてくる従来の繊維組成80重量部と組み合わせる。それは貯蔵室34で組み合わせられる。
実施例７
実施例６の繊維組成を用いて３プライペーパーボードの中間プライを調製した。中間プライは、高コンシステンシー生成ヘッドボックス（headox）を用いて作った。実験の目的は、化学的に改質された嵩高い繊維を高コンシステンシーシステムで用いることができるかどうか、前記繊維が、高コンシステンシーシステムで用いるとき、最終製品において嵩を提供するかどうか、及びペーパーボードが成形され、許容可能な結合強度を有するかどうかを測定するためであった。
水媒介性結合剤は、貯蔵室か、又は貯蔵室とヘッドボックスとの間で、プライのそれぞれに対して加える。
３つの条件について研究した。対照３プライペーパーボードはHBA繊維を有しておらず、風乾パルプ１トン（Air Dry Ton（ADT））当たり従来の澱粉添加量15ポンドを用いた。HBA繊維を２つの澱粉レベルで研究した。第一は、風乾パルプ１トン当たり澱粉添加量15ポンドであり；第二は、風乾パルプ１トン当たり澱粉添加量30ポンドであった。澱粉添加量は３つのプライすべてで同じであった。各場合において、澱粉は、冷水溶解性カチオン性澱粉であるROQUETTE High Cat.CSW 042カチオン性ポテト澱粉（DS 0.37−0.38）であった。ペーパーボードを成形し、従来の缶ドライヤーで乾燥させ、その後、圧延して、一定の滑らかさを得た。その結果を表IVに掲げる。
0003558638.tif 000006
上記表において認められるように、例えば厚さ、内部結合強度、印刷適性、ミューレン及び引張のようなボードの物理的性質を損なわずに、ボードの基本重量を有意に減少させることができる。
実施例８
従来の繊維から成るシートのエッジ吸上と、従来の繊維と嵩高い添加繊維との混合物から成るシートのエッジ吸上とを比較した。タッピー（Tappi）ハンドシートを調製した。それらは、風乾繊維１トン当たり澱粉10ポンド及び風乾繊維１トン当たりカイメン（Kymene）５ポンドを含んでいた。２種類の繊維組成を用いた。第一の組成は、従来のパルプ繊維を含んでいた。第二の組成は、従来のパルプ繊維を90重量％及び嵩高い添加繊維を10重量％含んでいた。湿潤ハンドシートをプレスして異なる密度とし、エッジ吸上について比較した。シートの重量を計量し、シートのエッジを、特定の時間、液体の中に入れた。その後で、シートの重量を再び計量した。吸上は、エッジ100インチ当たりに吸収される液体のｇ数で表す。その結果を図６に掲げる。任意の密度において、従来の繊維は、従来の繊維／嵩高い添加繊維混合物に比べて、より多量の液体を吸収した。従来の繊維は太線で示してあり、従来の繊維／嵩高い添加繊維混合物は点線で示してある。
実施例９
湿潤プレスの後、従来の繊維から成るシートの固形分レベルと、従来の繊維と嵩高い添加繊維との混合物から成るシートの固形分レベルとを比較した。２種類のパルプ組成を用いた。第一組成は従来のパルプ繊維を含んでいた。第二組成は、従来のパルプ繊維を90重量％及び嵩高い添加繊維を10重量％含んでいた。湿潤ハンドシートを異なる荷重圧でロールプレスし、プレスの後、シート中の固形分レベルを重量％で測定した。その結果を図７に掲げる。従来の繊維と嵩高い添加繊維との混合物から成るシートは、より高い固形分レベルを有していた。すなわち、前記のシートは、従来の繊維シートに比べて、プレス後に一層乾燥した。
明細及び実施例のほんの一例であり、本発明の範囲は以下の請求の範囲において具体化されることは当業者には明らかである。
【図１】
0003558638.tif 000007
【図４】
0003558638.tif 000008
【図５】
0003558638.tif 000009
【図２】
0003558638.tif 000010
【図３】
0003558638.tif 000011
【図６】
0003558638.tif 000012
【図７】
0003558638.tif 000013