(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容易に再パルプ化されるセルロース繊維紙製品の製造方法であって、
繊維完成紙料のバルクから５〜４０％の繊維を分離する工程と
分離した繊維を水性懸濁液中で、０．５〜５．０重量％の陽イオン架橋型湿潤強力樹脂添加剤によって、該樹脂添加剤を該セルロース繊維に結合させるために充分な時間処理する工程と
処理済み繊維を該セルロース完成紙料の非処理残部と、水性スラリー中で再結合させ、完全にかつ均一に混合する工程と
混合した処理済み繊維と非処理繊維とを紙製品にシート化し、該製品の乾燥強度が再パルプ化性に不利な影響を及ぼさずに強化されるように、該樹脂添加剤の少なくとも部分的な架橋を得るために充分な温度において乾燥させる工程と
を含む上記方法。
【請求項２】
繊維の１０％〜３０％を該陽イオン樹脂添加剤によって処理する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
分離した繊維を非処理繊維と再結合させる前に樹脂を繊維に結合させるために、樹脂を分離繊維に加えた後に少なくとも３０秒間の遅延時間が存在する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
遅延時間が３０秒間〜１時間である、請求項３記載の方法。
【請求項５】
架橋型湿潤強力樹脂が尿素−ホルムアルデヒド縮合生成物、メラミン−尿素−ホルムアルデヒド縮合生成物及びポリアミド−エピクロロヒドリン反応生成物から成る群から選択される、請求項１記載の方法。
【請求項６】
化学的反応性樹脂がポリアミド−エピクロロヒドリン反応生成物である、請求項５記載の方法。
【請求項７】
ポリアミド−エピクロロヒドリン樹脂が紙製品中の再結合繊維に基づいて０．１〜０．６重量％に達するために充分な量で用いられる、請求項６記載の方法。
【請求項８】
セルロース繊維完成紙料が主として、決して前乾燥されていない生繊維である、請求項１記載の方法。
【請求項９】
セルロース繊維完成紙料が少なくとも５％の既に乾燥済みのリサイクル繊維を含有する、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
セルロース繊維完成紙料が１０〜１００％の既に乾燥済みのリサイクル繊維を含有する、請求項７記載の方法。
【請求項１１】
０．５〜５．０重量％の反応性陽イオン架橋型湿潤強力樹脂添加剤によって処理された繊維，５〜４０％と、これと均一に混和された非処理繊維，９５〜６０％とを含み、前記樹脂が少なくとも部分的に架橋されているセルロース繊維紙製品であって、繊維の全てが等量の該樹脂添加剤によって処理されている同様な製品に比べて再パルプ化性が改良され、繊維の全てが非処理繊維である同様な製品に比べて乾燥強度が強化された、上記セルロース繊維紙製品。
【請求項１２】
繊維の１０〜３０％が該樹脂添加剤によって処理されている、請求項１１記載の紙製品。
【請求項１３】
樹脂が尿素−ホルムアルデヒド縮合生成物、メラミン−尿素−ホルムアルデヒド縮合生成物及びポリアミド−エピクロロヒドリン反応生成物から成る群から選択される、請求項１１記載の紙製品。
【請求項１４】
樹脂がポリアミド−エピクロロヒドリン反応生成物である、請求項１３記載の紙製品。
【請求項１５】
製品中のセルロース繊維の総量に基づいて０．１〜０．６重量％の樹脂を含有する、請求項１１記載の紙製品。
【請求項１６】
主として、決して前乾燥されていない生セルロース繊維を含む、請求項１１記載の紙製品。
【請求項１７】
決して前乾燥されていない生繊維と、少なくとも５％の既に乾燥済みのリサイクル繊維との混合物を含む、請求項１１記載の紙製品。
【請求項１８】
９０〜０％の決して前乾燥されていない生繊維と１０〜１００％の既に乾燥済みのリサイクル繊維とを含有する混合物を含む、請求項１７記載の紙製品。
【発明の詳細な説明】
本発明はセルロース紙製品の強度を、それらの再パルプ化性（repulpability）に重大な不利な効果を及ぼすことなく、強化する方法に関する。本発明は新規な生成製品にも関する。本発明は、非限定的に、かなりの量の故繊維（secondary fiber）が完成紙料（furnish）に用いられている生成製品に特に関する。
発明の背景
国内の製紙工場は現在、それらの製品にますます増加する量の故繊維を用いている。このことは、一部は例えばビジネスによる若しくは街路へり石側リサイクリングによるより効果的な廃棄紙製品回収に、また一部は以前は廃棄物であったものから許容される主要製品の製造を可能にしている改良技術に起因している。都市のゴミ投棄場に入る廃棄物量の１／２を充分に越える量が紙由来であることが実現した後にさらなる刺激が生じている。この量を減ずるようにする、重大な政策的及び環境的圧力が生じている。多くの取引先及び消費者が現在、かなりの量の消費後リサイクル繊維（post-consumer recycled fiber）を含む紙製品を現在要求している。
残念ながら、セルロース繊維がリサイクルされる毎に、強度の若干の低下が生ずる。これは、一部は再パルプ化プロセス中と次の精製からの繊維破壊と切断による。一部は、これは繊維自体の固有の性質による。水性系からひと度乾燥した繊維は固有の不可逆的な形態変化を受け、これがその後の繊維対繊維の結合に影響を与える。例えば坪量（basis weight）と添加剤が同じである紙のような、任意の特定の紙の種類に関して、同じ種類のリサイクル繊維から製造された製品は典型的に、生繊維から製造された同じ製品よりも特定の強度特性（selected strength properties）が約３０％低下する。その結果として、製紙工場は坪量の大きい製品を製造することによって、又は添加剤を用いて低下した強度を高めることによって、又はこれらの方法の何らかの組合せによって補償するように強要される。この結果は、主として生繊維から製造された同じ製品とはしばしば競合できない高コスト製品である。
ある一定の添加剤が湿潤強度及び乾燥強度を高めるために共通に用いられる。陽イオン澱粉が、乾燥強度を高めるために、段ボール原紙に長い間用いられている。少量、例えば０．１〜０．７重量％の陽イオン・ポリアミド−エピクロルヒドリン反応生成物（ＰＡＥ樹脂）が湿潤強度と乾燥強度の両方を高めることは周知である。これらは例えばフェイシャル・ティッシュとペーパータオルのような製品中にルーチンに用いられている。これらは湿潤強力段ボール製品の製造に用いられる少ない割合の段ボール原紙にも用いられている。ティッシュとタオルとは通常リサイクル流に入らないが、湿潤強力段ボールの殆どは入る。その場合に、これは非常に低い再パルプ化性のために問題を提示する。このことは、市場向けに製造される段ボールの典型的に約１％又は２％以下がこの種の湿潤強力処理を受けているにすぎないので、通常許容できる。しかし、かなり多量のＰＡＥ処理製品がリサイクル流に入るならば、再パルプ化繊維の選別から生ずる廃棄物は実質的に増加し、生産速度は不利に影響されると考えられる。したがって、乾燥強度と湿潤強度の両方を高めることにおけるＰＡＥ樹脂の公知の効力にも拘わらず、ＰＡＥ樹脂はそれらの低い再パルプ化性が重大な問題を提示しない特定の製品に対してのみ非常に選択的に用いられている。しかし、ＰＡＥ樹脂と他の湿潤強力樹脂は、リサイクル流に入るべく復帰する莫大な量のセルロース紙製品の強度を高めるための一般的な使用に適するとは今までに考えられていない。再パルプ化性湿潤強力樹脂が開発段階にあることは知られているが、これらの製品は如何なる有意な商業的使用にもまだ達していない。
Ｂｅｒｎａｒｄｉｎ，米国特許第３，４３４，９１８号は高い剛度を有する架橋セルロース繊維の製造方法を開示する。この繊維は例えばおむつのような吸収性製品の構成要素として有用である。同様な架橋セルロース製品はＧｒａｅｆ等の米国特許第５，３９９，２４０号に開示されている。Ｓｈａｗは、米国特許第３，８１９，４７０号において、湿潤強力樹脂とデバウンダー（debounders）とによるセルロース繊維の処理を教示している。これらは乾燥され、それらだけで用いるため、バインダーと共に用いる場合、又は非処理繊維と共に用いる場合に個別化される。得られる製品はかさが大きく、低強度である。
発明の概要
本発明は、湿潤強度を与えるために通常用いられるＰＡＥ樹脂とその他の種類の製紙添加剤を、紙の乾燥強度とその他の性質を高めるために、再パルプ化性に不利な影響を与えることなく、用いることができる方法を述べる。この方法は完成紙料の量（bulk）から約５〜４０％の繊維を分離することを含む。これを水性懸濁液中で約０．５〜５．０重量％の陽イオン架橋型湿潤強力樹脂添加剤によって処理して、樹脂が繊維表面に接着又は結合するために充分な期間保持する。次に、これを完成紙料の未処理量と再結合させて、それと完全にかつ均一に混合する。この点から、混合完成紙料をシート化して、通常の方法で乾燥させる。
用いる樹脂が充分に陽イオン性であり、セルロース繊維上の陰イオン部位にイオン結合することができることが重要である。樹脂が化学的に架橋する種類であることがさらに必要である。架橋は通常、抄紙機の乾燥部において生じ、通常その後しばらくの間続く。これらは湿潤強度の発達を目的とした商業的に入手可能な樹脂の全ての特徴である。例は前記で挙げた陽イオンポリアミド−エピクロルヒドリン（ＰＡＥ）樹脂と、陽イオン尿素−ホルムアルデヒド（ＵＦ）及びメラミン−尿素−ホルムアルデヒド（ＭＵＦ）縮合生成物である。ＰＡＦ樹脂は約ｐＨ８〜８．５までの比較的広いｐＨ範囲にわたって使用可能であるが、他の樹脂は酸性条件下で用いなければならないので、ＰＡＦ樹脂が好ましい。現在製造されている紙製品の多くはアルカリ性サイジングを用いるが、ＵＦ樹脂とＭＵＦ樹脂はアルカリ性系に適合しない。
陽イオン樹脂前処理に向けられる繊維の好ましい範囲は約１０〜３０％である。多かれ少なかれ繊維を前処理する場合には、再パルプ化性が何らかの影響を受ける傾向がある。樹脂と繊維との反応の保持時間は長い必要はない。通常、少なくとも３０秒間が必要であり、これより長い時間、好ましくは５分間〜１時間の範囲内の時間が好ましい。最終生成物中に約０．１〜０．６重量％の使用量に達する充分な量の樹脂が前処理済み繊維と共に用いられる。より典型的には、０．２〜０．４％が用いられる。
本発明は商業的に製造される多くの紙の種類のいずれに対しても使用可能であると考えられる。本発明は充分な量の故繊維を含有する紙の強度を高めるのに特に有用であるが、本発明が全て生繊維から製造された製品に有利に適用されうる場合がある。通常、強度の増強はかなりの量のリサイクル繊維を用いた製品と、生繊維製品とでは同じ大きさではない。この方法は、完成紙料が完全に故繊維である場合に特に有用である。容器用段ボール（corrugated container board）向けの非漂白段ボール原紙の製造が最大の用途であると期待される。しかし、漂白上級紙及び新聞用紙による他の使用も興味深いと思われる。製紙用完成紙料中にかなりの量の無機添加剤、例えば充填剤又は顔料が存在する場合に、この方法は等しく適用可能であると思われる。
生繊維とは、パルプ化プロセス後に主要量がまだ乾燥されていないセルロース繊維を意味する。低い割合の、例えば通常約１〜５％以下の工場損紙（mill broke）、例えば耳裁ち、シート破断からのスクラップ及び規格外材料は殆ど常に他の生材料に再加工されるので、少量の既に乾燥された繊維が含まれうることが理解されるであろう。故繊維とは、少なくとも１回乾燥された繊維を意味する。リサイクル材料は、消費後供給源であるか、種々な工場内供給源であるかに拘わらず、常に故繊維であると見なされる。
上述したように、この方法は、再パルプ化性に重大な不利な効果を及ぼすことなく、乾燥強度特性の改良を可能にする。本発明の主要な目的ではないが、湿潤強度も通常、幾らか増強する。幾つかの製品では、このことはかなり重大でありうる。ストックの全てを陽イオン樹脂によって通常の方法で処理する場合に、同じような乾燥強度の改良が湿潤強度の改良と同様に生ずる。残念ながら、再パルプ化は非常に顕著に影響を受ける。このことが今までは、湿潤強度の増強が要求される最高の性質向上である非常に特異的な用途への架橋性陽イオン樹脂の使用を妨害していた。しかし、製造される非常に多量の紙製品にとって、乾燥強度は最も重要と考えられる性質である。これらの製品にとって高い湿潤強度は著しく重要というわけではない。
本発明の使用によって生ずる、多くの二次的ではあるが、非常に重要な利益がある。段ボールの耐クリープ性は顕著に改良される。段ボール輸送容器（corrugated shipping container）を湿度の広範囲なかつ循環的な変動が存在する倉庫又は他の環境内で次々に積み重ねる場合に、このことはかなり重要である。精製レベルも幾らか減少することができ、結果としてエネルギー費用の減少及び工場生産性の向上が生ずる可能性がある。故繊維の使用が限定されている、多くの製品中に高い割合の故繊維を使用する可能性が存在する。前述したように、等しい強度を維持しながらの坪量の減少はかなり経済的に重要である。
この方法の使用によって実現する利益に一般的な数値を置くことが可能である。これらの数値は１例としてリサイクル繊維によって製造された非漂白段ボール原紙を用いる、異なる製品に関して幾らか異なるが、短期間圧縮強度（ＳＴＦＩ）の５〜１５％の改良が典型的である。耐クリープ性の２５〜３０％の改良とミューレン破裂強さ（mullen burst）の３０％までの改良とがしばしば実現される。これは、再パルプ化した場合の約２〜３％以下のみの選別リジェクトによって達成される。未処理繊維から製造されたシートに比べて、坪量はしばしば約１０％まで減少することができる。
故繊維として再使用した場合に選別リジェクトの有意な増加を生じないセルロース紙製品の乾燥強度を高める方法を提供することが、目的である。
生繊維から製造された等しい製品と同じ強度特性に匹敵する、かなりの量の故繊維を含有する製品を提供することが、他の目的である。
等しい乾燥強度の製品をより少ないシート坪量で製造することができる方法を提供する事が、さらなる目的である。
精製エネルギーを減ずることができる方法を提供することが、さらなる目的である。
これらの目的及び他の多くの目的は次の詳細な説明を図面に関連して読むならば、容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の方法のプロセスを示すブロック線図である。
図２は、選別リジェクト％対３レベルの陽イオン樹脂使用によって前処理したパルプ％を示すグラフである。
図３は、陽イオン樹脂の保持量対種々な前処理レベルでの樹脂導入量を示すグラフである。
図４は、陽イオン樹脂保持に対する前処理温度の影響を示すグラフである。
好ましい実施態様の詳細な説明
本発明を詳細に説明する前に、用いる方法に関して簡単な説明をする。手すき紙を製造する場合に、約５０ｇの繊維をＣａｎａｄｉａｎ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｆｒｅｅｎｅｓｓ（ＣＦＳ）試験によって測定して所望のろ水度になるまでＶａｌｌｅｙ  Ｂｅａｔｅｒリファイナーに通して流すことによって手すき紙を製造した。次に、濃度を０．３％に調節した。次に、２０３ｘ２０３ｍｍシートを製造するＮｏｂｌｅ  ａｎｄ  Ｗｏｏｄシート型を用いて慣用的に手すき紙を製造した。成形されたシートを最初にニューマチック・プレスで２７５ｋＰａにおいて圧縮した。この後に、約６９０ｋＰａにおいて二次圧縮して、段ボール原紙密度を得た。試験前に、シートを２０％Ｒ．Ｈ．及び２０℃の雰囲気に最初に暴露させ、その後に５０％Ｒ．Ｈ．及び２０℃に２４時間暴露させることを含む標準Ｔａｐｐｉ方法によって紙ならしした（conditioned）。
適当である場合には、標準試験方法を用いた。しかし、再パルプ化性とクリープとを測定するために利用可能な、このような方法は存在しない。これらの性質を評価するために開発された方法を説明する。
再パルプ化性試験
再パルプ化性を測定するために、試験すべき製品を約１３Ｘ１５０ｍｍストリップに切断し、これらのストリップの２５ｇ風乾サンプルを用いた。サンプルを６０℃の１５００ｍｌの水中に３０分間浸漬し、大型ブレンダー中で低速度で４分間撹拌した。ブレンダーに鋭敏なエッジの欠けているクローバーリーフインペラー（clove leaf impeller）を備えた。次に、混合物をＢｒｉｔｉｓｈ  Ｄｉｓｔｎｔｅｇｒａｔｏｒに５００ｍｌのすすぎ洗い水によって移して、５分間処理した。次に、この懸濁液を０．００６インチ（０．１５ｍｍ）スロットと、１００メッシュ・スクリーンボックスに結合したドレンとを有するＶａｌｌｅｙフラットスクリーン上で選別した。スクリーン上の残留物質を回収して、アルミニウム皿に載せ、１０５℃において２４時間乾燥させた。次に、乾燥サンプルを秤量して、リジェクト％を算出した。試験は一定の工場において検出される結果に関して絶対的な意味で同じ結果を与えないが、非常に良好な相関関係がある思われる。
クリープ試験
可変な湿度環境における一定荷重沿層クリープ（constant load edgewise creep）を、最初に直径１インチ（２５．４ｍｍ）かつ１インチ高さの試験円筒形を装置方向７８ｍｍかつ装置横断方向５０ｍｍのストリップから形成することによって測定する。このサンプルを２０％Ｒ．Ｈ．及び２３℃において２４時間予備紙ならしして（preconditioned）から、５０％Ｒ．Ｈ．及び２３℃において紙ならしして、使用するまで保存する。４サンプルを４４．５ｍｍ（１．７５インチ）マンドレルの周囲に巻き付けて、１６時間保持して、円筒形構成を促進する。次に、ストリップを２４．８ｍｍフルオロカーボン・マンドレルの周囲に巻き付けて、試験円筒形を形成する。円筒形端部の外側に、２５．４ｍｍの試験片を残すように、ステンレス鋼リングをぴったりと接着させることによって、縁の変形を防止した。試験円筒形は付加的なサポートを必要とする接着剤無しシーム（glueless seam）を有する。これは、一部は直径０．９６２インチ（２４．４ｍｍ）の内部フルオロカーボン・プラスチックサポートによって与えられる。シームの外側は０．５インチ（１２．７ｍｍ）半径面を有するフルオロカーボン・プラスチックブロックと、アルミニウムプレートと、２つの伸縮ばねとから成る束縛系（restraint system）によって対置される。フルオロカーボン・ブロックは水分吸収を促進するために面を横切って４５°角度で切削されたスロットを有する。
この試験円筒形では、外面において水分吸収が生ずる。完成した試験体を、試験前に、試験ジグ（test fixture）中で４０％Ｒ．Ｈ．及び２３℃において１６〜１７時間紙ならしする。円筒形を次に１．９２ｌｂ／インチ長さ（１０．２５Ｎ・ｍ／ｍ）で荷重を加える。相対湿度試験サイクルは、９３％Ｒ．Ｈ．まで６０分間ランプ、３時間保持、次に４０％Ｒ．Ｈ．まで６０分間ランプ、３時間保持から成る。標準試験長さは７日間又は２１回完全サイクルであった。非接触型トランスジューサーが、歪み対時間曲線を次にプロットすることができるように、サンプル変位（displacement）を測定する。
リング圧潰
リング圧潰をＴＡＰＰＩ試験方法Ｔ８１８ｏｍ−８７によっておこなう。１２．７Ｘ１５２．４ｍｍストリップを直径４９．２ｍｍの円筒形に成形する。これを溝付きサンプルホルダーに入れ、平行プレートの間で頂部から底部への圧縮（top to bottom compression）を加える。
ショートスパン圧縮試験
この試験はＴａｐｐｉ試験方法Ｔ８２６ｐｍ−９２によっておこなう。この試験は実際に使用されて権威者によって、リング圧潰のデータと同様なデータを与えると見なされ、段ボール容器の圧縮強度に密接に関連づけられることができる。この試験は５以下のスパン（span）対厚さ比率を有する容器用板紙向けに予定される。これは少なくとも１００ｇ／ｍ2でかつ４３９ｇ／ｍ2を越えない（２０．５〜９０ｌｂ／ｍｓｆ）の坪量を有するシートにほぼ等しい。１５ｍｍ幅の試験体（test specimens）を０．７０ｍｍのクランプ間初期自由スパンを有するクランプ間に掴ませる。試験中に、クランプを相互の方向に３±１ｍｍ／分の速度で動かし、破壊時の荷重を測定する。典型的に、少なくとも１０回の試験を各装置方向においておこなうが、装置方向は手すき紙に対する規準ではない。
実施例１
本発明のプロセスを図１に略述する。シート化すべき未処理パルプ完成紙料を２部分に分割する。前処理する部分は総完成紙料の約５〜４０％、好ましくは１０〜３０％を占める。完成紙料の残部は慣用的に取り扱う。次に、前処理するように向けられた部分に陽イオン架橋湿潤強力樹脂を約０．５〜５．０％の量で加える。正確な使用量は、総繊維のうちの前処理される特定の割合に多少依存する。一般には、総完成紙料重量の約０．１〜０．６％を占めることが充分である筈である。少なくとも約３０秒間、好ましくは約５分間以上の保持時間後に、次に、前処理部分を完成紙料の未処理部分と再結合させて、完全に混合する。この時点から、再結合完成紙料をあらゆる点で慣用的に取り扱う。
４種類の陽イオン製紙用化学薬品を、繊維の全てを処理する慣用的方法を用いた比較のために選択した。１種類は、乾燥強度を強化するために内部的にしばしば適用される製品である陽イオン澱粉であった。他の種類は、やはり乾燥強度強化向けに予定され、典型的に内部的に適用される製品である低分子量ポリアクリルアミドであった。他の２種類の物質は、湿潤強度改良向けに予定されるポリアミド−エピクロロヒドリン（ＰＡＥ）樹脂であった。これらの樹脂は相互に類似しているが、異なる供給者の製品であった。処理したパルプは、段ボール原紙製造向けに予定されたウェスタン針葉樹クラフトであった。全ての場合に、パルプの１００％を０．２５％又は０．５０％の添加剤を用いて処理した。続いて製造した手すき紙の製造に白水は用いなかった。下記表は紙ならし後の種々なサンプルに関して得られたリング圧潰値を示す。
0004145357.tif 000002
典型的な陽イオンＰＡＥ樹脂はＨｅｒｃｕｌｅｓ社（デラウエア州、ウィルミントン）からＫｙｍｅｎｅX５５７Ｈとして、又はＧｅｏｒｇｉａ  Ｐａｃｉｆｉｃ  Ｃｏｒｐ．（ジョージア州、アトランタ）からＡｍｒｅｓX８８５５として入手可能である。同様に適した樹脂が他の供給者から入手可能であるので、これがこれらの特定の樹脂の認可（endorsement）として意図されるわけではない。
陽イオン澱粉とポリアクリルアミドの低い使用量を有するサンプルを例外として、処理済みサンプルの全ては、非処理の一度乾燥した対照サンプルに比べて統計的に有意に優れたリング圧潰値を有した。ＰＡＥ処理サンプルは、陽イオン澱粉及びポリアクリルアミドを用いて製造したサンプルよりも明らかに優れていた。処理済みサンプルのいずれも、乾燥されなかった生繊維シートの値に達しなかった。しかし、リング圧潰によって測定された、ＰＡＥ処理サンプルの乾燥強度改良は、非処理の一度乾燥した対照サンプルに比べて、実際に劇的であった。ＰＡＥ処理サンプルの全てに関する再パルプ化リジェクトは４０％を越えた。ＰＡＥ樹脂処理サンプル以外のいずれのサンプルに関しても再パルプ化リジェクトを測定しなかったが、他のサンプルの全てに関する選別リジェクトが非常に低く、通常は約２％以下である筈であることを経験が指摘する。したがって、上記のように慣用的に用いられるＰＡＥ樹脂が有意な乾燥強度改良に寄与するが、結果として生ずる高い再パルプ化選別リジェクトがこの処理法を一般的な使用に不適切なものにする。
実施例２
実施例１に述べたＰＡＥ樹脂による今までの慣用的な処理を、本発明による処理と比較した。一度乾燥したウェスタン針葉樹クラフト繊維から処理せずに、１００％処理して、及び１０％をＰＡＥ樹脂によって前処理し、９０％の未処理繊維と再結合させてシートを製造した。樹脂使用量は前処理した繊維に関して２．５重量％であり、再結合繊維に関して０．２５％の総使用量を生じた。
0004145357.tif 000003
ＰＡＥ湿潤強力樹脂によって処理した２サンプルに関して、乾燥強度の有意な改良が得られたことは明らかである。しかし、繊維の全てが処理されたサンプルの再パルプ化性は約２３％の選別リジェクトを伴って非常に不良であった。他のサンプルの乾燥強度はやや低いが、選別リジェクトは３％未満であった。したがって、非処理シートと比べた場合に、前処理サンプルは乾燥強度の１８％改良をリジェクトのごく僅かな増加を伴って示した。
実施例３
陽イオン湿潤強力樹脂によって前処理する繊維量は広範囲に変えることができる。一部は、プロセスがおこなわれる工場内の特定の環境によって、特定の量が決定される。約５％〜４０％が一般に満足できる結果を生じる。しかし、再パルプ化時の選別リジェクトを最小にするという見地から、約１０％〜３０％の範囲内の前処理繊維という幅広い最適値が存在する。この場合も、繊維は段ボール原紙としての最終用途向けに予定される一度乾燥したウェスタン針葉樹クラフトであった。これは総再結合完成紙料に基づいて０．２５％、０．３０％及び０．４０％の処理レベルに関して図２にグラフによって示す。陽イオンＰＡＥ湿潤強力樹脂を全ての場合に用いた。２つの高い使用レベルに関しては、再パルプ化リジェクトの明白な最小値は約２０％の前処理レベルに認められる。低いＰＡＥ使用レベルではこの効果は劇的には現れない。
本発明者等はこの挙動（behavior）の如何なる特定の理由にも縛られることを望むわけではないが、下記説明が示唆される。ごく少量（例えば５％）のパルプを前処理する場合には、繊維上の有効陰イオン部位に結合するために過剰量の陽イオン樹脂が存在すると思われる。この過剰量は遊離状態で留まり、次に、両部分が再結合するときに、それまで抑制されていた繊維との反応に用いられることになる。換言すれば、前処理済み繊維は飽和まで樹脂によって処理されているが、繊維の全残部も低い程度ではあるが処理される。予想されるように、この効果は、前処理における使用樹脂量が増加するにつれて、よりいっそう顕著になる。前処理の上限、例えば約４０％では、非常に多くの繊維が樹脂と反応しているので、最終生成物も再パルプ化性が害を受けるほど、過剰に高い初期湿潤強度レベルに達していると考えられる。良好な再パルプ化性と共に乾燥強度を改良することが本発明の目的であることに留意しなければならない。良好な湿潤強度を有する製品を製造することが主要な目的ではない。これを実施する手段は周知である。しかし、前記で認められるように、現在の操作によって製造した湿潤強力紙の不可避の必然的結果は、これらの湿潤強力紙が固有に不良な再パルプ化性を有することである。
上記で示唆した機構の根拠は図３と４にグラフで描いた研究によって示される。一度乾燥した繊維を１％〜６％の範囲内の量の陽イオンＰＡＥ湿潤強力樹脂によって処理した。これらの量は再結合生成物中で０．３％に達するために種々な前処理レベルで必要な樹脂に等しいと考えられる。５分間の保持時間後に、通常の方法で手すき紙を製造した。得られたシートをＫｊｅｌｄａｈｌ法を用いて窒素に関して分析した、測定された窒素含量は存在するオリジナル樹脂量に関係した。図３は、５％の前処理レベルに対応する、非常に高い６％の初期樹脂使用量においてオリジナル樹脂のほぼ半分がシート化中に白水中に失われることを示す。これは、両部分を再結合させた後に未処理繊維に利用されたと考えられる。３０％前処理レベルに等しい、１％のみの初期使用量において、樹脂の実際に全てが繊維に結合した。
処理温度も樹脂保持に多少影響し、高い処理温度は保持を増加させる傾向がある。図３に示した研究における全てのパルプスラリーは、ほぼ室温の水を用いて製造したものである。製紙工場のシート・フォーマーでは温水〜熱水が通常用いられるので、６０℃水中の樹脂保持を以前に用いたほぼ２０℃水中の樹脂保持と比較する第２研究をおこなった。図４に示すように、全ての樹脂使用量において保持は多少改良される、但し、この効果は劇的ではない。
実施例４
前処理保持時間は、最終製品の乾燥強度に認められる改良に幾らか影響を与える他の変数である。このファクターは個々のミル（mill）の形態によって多少影響される変数でもある。しかし、前処理済み繊維を完成紙料の残部と再結合させる前の３０秒間程度の保持時間によって適当な製品を通常製造することができる。多少長い時間が好ましい。通常、前処理後の保持時間は少なくとも５分間であるべきである。保持時間を１〜２時間に増加する場合には小さい付加的な効果が見られるが、保持時間をこれより長くする場合には、殆ど又は全く利益が得られない。選別リジェクト量とショートスパン圧縮強度とに対する前処理時間の効果を下記表に示す。
前処理時間変数に影響を与える機構は、前処理すべき繊維の最適量の説明において直前で提供した機構と同様であると考えられる。陽イオン樹脂と繊維との反応は測定可能な時間量を要する。前処理時間が非常に短い場合には、完全な反応は恐らく生じなかったと思われる。前処理ストックに未処理材料の残部を混和する場合に、未反応樹脂が持ち越される。この未反応樹脂部分は、あたかもストックの全てに最初に加えられたかのように、自由に反応する。
0004145357.tif 000004
選別リジェクトは、繊維の全てを処理した場合に、全体を通して本質的に変化しなかった。５分間の前処理時間後に、このことは、繊維の２０％を前処理してから、未処理繊維の残部と再結合させた場合にも該当した。本発明の教示に従って製造したシートに見られるショートスパン圧縮強度の改良は統計的に有意である。
実施例５
本発明の非常に重要な利点の１つは、この方法がかなりの割合のリサイクル繊維を慣用的に用いて製造された製品に等しい乾燥強度を維持しながら、シート坪量の減少を可能にすることである。このことは下記表に呈示したデータに見られる。
0004145357.tif 000005
坪量の１０％減少によっても、前処理繊維によって製造した製品のショートスパン圧縮強度は、対照サンプルのショートスパン圧縮強度を越えた。これらのサンプルに関する選別リジェクトの割合は測定しなかったが、この割合は図３と４のサンプルに示した割合と一致すると考えられる。
実施例６
本発明の方法のさらにもう一つの利点は、この方法が低い精製レベルにおいて一定レベルの乾燥強度の達成を可能にすることである。精製は製紙工場における主要なエネルギー消費体である。精製を減ずることができる任意の手段は製紙費用のかなりの費用節約を表す。リサイクルされた段ボール容器から得られた繊維から製造されるシートを、３種類の精製レベルにおいて樹脂前処理をおこなって又はおこなわずに製造した。前処理した繊維の例では、完成紙料の２０％を再結合パルプ中で０．３％レベルに達するために充分な、１．５％ＰＡＥ樹脂によって処理した。結果は下記表５に示す。
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前処理サンプルのショートスパン圧縮強度は樹脂処理なしのサンプルよりもかなり高いことが、全てのろ水度レベルにおいて明らかである。したがって、任意の必要な強度レベルに関して、前処理方法を用いて製造されたシートでは低い精製度で充分である。
破裂強度はかっては、段ボール容器の材料を評価するための主要な試験であった。最近は、例えばリング圧潰とショートスパン圧縮強度のような、頂部から底部への圧縮強度を表示する試験がより大きく重要視されている。しかし、破裂強度はまだ、多くの顧客によって特に重要と考えられている性質である。以下の試験では、リサイクルされた段ボール容器からの繊維をＮｏｂｌｅ  ａｎｄ  Ｗｏｏｄパイロット規模製紙機で連続的にシート化した。実施した他の試験のなかでも特に湿潤及び乾燥破裂強度を測定した。本発明によって製造したようなサンプルでは、繊維の２０％を再結合完成紙料中で０．４５％レベルに達するために充分な、２．２５重量％ＰＡＥ樹脂によって前処理した。
ミル白水は典型的に、破壊繊維からの微粒子と、集約的に“陰イオントラッシュ（anionic trash）”と呼ばれる陰イオン性の他の製紙材料とを含有する。特定のミルと処理すべき完成紙料とに依存して、この材料自体が繊維置換基として予定される次の陽イオン添加剤の効率を除去又は軽減しないように、陽イオン電荷中和体を用いることが時には必要である。これらの電荷中和体は非常に慣用的な製紙用化学薬品である。これらは他の陽イオン添加剤の効率を改良すること以外に、紙自体の性質には殆ど又は全く変化を生じない。下記表に認められるように、これらは試験サンプルの製造に挙げた量で用いた。サンプルの全ては等しい坪量になるように製造した。
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全ての場合に、前処理サンプルの湿潤及び乾燥破裂強度の両方が完成紙料の２０％のＰＡＥ樹脂前処理を欠いたサンプルよりも優れていることが、容易に明らかである。
実施例７
現在のミル操作では、段ボール原子完成紙料が生繊維と、例えば使い古された段ボール容器及びその他のリサイクル紙製品のような、リサイクル繊維との混合物であることは実際に一般的である。前述したように、本発明の方法によって与えられる、乾燥強度の改良は生繊維に対するよりもリサイクル繊維に対する方がより顕著である。しかし、乾燥強度の改良は、下記表が示すように、全て生繊維から製造された製品にも、混合物にも見られる。
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ＰＡＥ樹脂を用いたショートスパン圧縮強度の改良が全てのペアに見られるが、完成紙料中のリサイクル繊維量が増加するにつれて、改良の大きさは有意に大きくなる。
実施例８
段ボール容器の破損の１つの原因はクリープ、積み重ねられた充填容器が周期的な温度と湿度の変化にさらされるときに経験される漸次の頂部から底部へのスランピング（slumping）である。湿潤強力処理済み板紙は耐クリープ性であるが、前述したように、かなりの選別損失なしには、再パルプ化は困難である。下記試験に用いた繊維はウェスタン針葉樹クラフトである。試験に用いた物質は使い古した段ボール容器からの繊維であった。下記表に見られるように、改良された湿潤強度を得ることを意図しないとしても、本発明の処理は耐クリープ性のかなりの改良を生じる。
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実施例９
上記実施例は主として、例えば段ボール容器向け段ボール原子のような紙製品に関するものであった。これらの紙中には無機充填剤（mineral filler）が殆ど又は全く存在しない。このことはいわゆる上級紙や他の多くの紙製品には該当しない。これらは通常は約２０重量％までの充填剤含量を有する。ある種の紙では、充填剤含量が非常に高い可能性がある。充填剤は、平滑さと不透明度に寄与するため、また充填剤は生セリロース繊維よりも量を基準にして通常安価であるので、費用を減ずるために用いられる。充填剤含量が増加するにつれて、充填剤粒子が繊維間結合機構を妨害するので、強度は通常低下する。最も通常用いられる充填剤はカオリン粘土又は沈降炭酸カルシウムである。両方とも陰イオン性物質であり、これらは特定等級紙のために特殊化表面特徴を有するように供給者によってしばしば化学的に修飾される。
上級紙の印刷品質（printing quality）は存在する充填剤によってのみでなく、サイジングとその後の表面処理によっても影響される。多くの上級紙はサイズプレスにおいて澱粉によって処理される。しかし、サイズプレスの種類と位置とがシート中の澱粉のＺ方向分布に影響する。厚さを通して分布する澱粉はシートにかなりの内部結合強度を与える。しかし、Ｚ方向強度が他の方法で改良されうるとしても、澱粉は、それが印刷品質に最も有益な効果を及ぼすと考えられるシート表面近くに集中することができる。
紙の非常に有意な割合がリサイクル流に入る。繊維はリサイクル段ボールに関して前述した強度劣化と同じ強度劣化を受ける。したがって、澱粉添加剤による以外に紙強度を改良する何らかの手段が非常に有益であると考えられる。本発明の方法はこのような手段を提供する。
６５：３５の重量比率の広葉樹繊維対針葉樹繊維を有するウェスタン漂白パルプを用いて、手すき紙を製造した。これに、２０重量％の偏三角面体沈降炭酸カルシウムと０．３８ｋｇ／ｔの陽イオン保持助剤（cationic retention aid）とを加えた。陽イオンジャガイモ澱粉も５ｋｇ／ｔの率で加えた。この完成紙料を幾つかの部分に分割して、紙料の２０％に２．２５重量％の陽イオンＰＡＥ樹脂を加えた。これは完成紙料中の全固形分の０．４５重量％に達するために充分であった。１サンプルでは、ＰＡＥ樹脂を加えてから他の添加物質を加え、別のサンプルでは、ＰＡＥ樹脂を後から加えた。結果は以下の表に示す。スコット・ボンド（Scott bond）はシートの内部結合の尺度である。
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第２条件のみを試験する、即ち、ＲＡＥ樹脂を完成紙料の２０％に、全ての他の添加剤の後で初めて加える第２実験をおこなった。表１０に示すように、多くの他の性質を評価した。
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全ての場合に、本発明の前処理方法を用いて性質が有意に改良されたことが見られる。
実施例１０
乾燥強度の改良と共に、湿潤強度もしばしばかなり改良されることが認められている。このことは表６のデータに明らかであるが、下記試験にさらに良好に見られる。リサイクルされたイースト・コースト段ボール容器を再パルプ化し、総繊維に基づいて０．４％レベルのＰＡＥ樹脂によって処理した。樹脂処理は繊維の２０％と１００％とに対して周囲温度と４９℃とにおいておこなった。処理の前にパルプを５００ｃｓｆのろ水度までに精製した。前処理時間は、非処理繊維との再結合前に５分間であった。パルプ希釈のために新鮮な水を用いて０．３％濃度で、手すき紙を前述したように製造した。坪量は２００ｇ／ｍ2であり、シート密度は約６５０ｋｇ／ｍ3であった。乾燥及び湿潤の両方の引張り指数を測定した。試験結果は下記表に示す。
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乾燥強度と湿潤強度の両方のかなりの増加が前処理プロセスを用いて見られる。前処理繊維に関して、湿潤／乾燥比率は周囲温度処理では０．２１であり、４９℃の処理では０．１８であった。湿潤強力紙の認可された標準は０．１５以上の比率である。したがって、数種類の完成紙料に関しては、強度がパルプの１００％が処理される場合よりも幾らか低いとしても、前処理プロセスは湿潤強力紙を生成する。上記サンプルに対して選別リジェクトの検査はおこなわなかったが、例えば表２と３のような経験に基づくと、選別リジェクトは前処理シートでは２〜３％の範囲内であり、繊維の１００％が処理されたシートでは１５＋％であると予想される。
本発明者等は本明細書において、本発明を実施する本発明の現在最も良い方法を開示している。しかし、プロセスパラメーターと、このように製造される、例示されていない製品とにおいて多くの変更がなされうることは、当業者に明らかであろう。それ故、添付請求の範囲内に包括されるならば、これらの変更が本発明の広い範囲に包含されるべきであるということが、本発明者等の意図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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