способ обработки волокнистых полотен

Формула изобретения

1. Способ обработки поверхности волокнистого полотна, включая бумажное или картонное полотно, используемое для печати, упаковки или обертывания, при котором полотно подвергают механическому шлифованию, причем шлифование осуществляют при по существу сухом состоянии посредством удаления только более высоких частей поверхности полотна по существу без увеличения плотности полотна.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что шероховатость поверхности уменьшают максимум на 90%, при этом прочностные свойства полотна остаются по существу неизменившимися или улучшаются.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что шероховатость поверхности уменьшают на около 40-60% для увеличения сопротивления на разрыв, по меньшей мере, на 5% по сравнению с сопротивлением на разрыв у необработанного полотна.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что обе стороны полотна подвергают обработке шлифованием.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что используют бумажное или картонное полотно с поверхностной плотностью 30-500 г/м² и шероховатостью 1-15 мкм.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что шлифование осуществляют посредством контактирования поверхности полотна с шлифовальным средством, выбранным из шлифовальных лент, шлифовальных плит и вращающихся шлифовальных барабанов.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что бумажное полотно подвергают воздействию энергии шлифования в количестве 700-14000 Дж/м², предпочтительно около 2000-8000 Дж/м².

8. Способ по любому из пп.6-7, отличающийся тем, что бумажное полотно подвергают воздействию энергии шлифования порядка 2000-3000 Дж/м² на 1 мкм уменьшенной шероховатости.

9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что во время шлифования к поверхности бумажного полотна прилагают давление около 0,01-20 кПа, предпочтительно около 1-10 кПа.

10. Способ по любому из пп.6-9, отличающийся тем, что используют шлифовальное устройство, содержащее шлифовальные зерна размером 2-50 мкм, предпочтительно около 5-20 мкм.

11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что полотно вводят в соприкосновение с шлифовальным средством, а разность между скоростями полотна и поверхности шлифовального средства поддерживают равной менее 10 м/с.

12. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что полотно вводят в соприкосновение с шлифовальной лентой, содержащей полимер в качестве материала ленты для увеличения электрического заряда поверхности ленты во время шлифования.

13. Способ по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что полотно обрабатывают катионным веществом для создания катионной поверхности на полотне, которая связывает материал, высвобожденный во время шлифования.

14. Способ по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что шлифованную поверхность слегка увлажняют водяным паром или равномерно распределенными каплями, а увлажненную поверхность вводят в соприкосновение с гладкой поверхностью для дополнительного увеличения гладкости поверхности волокнистого полотна.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что увлажненную поверхность прижимают к гладкой поверхности или продвигают вдоль нее.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхность покрыта материалом, высвобожденным во время шлифования поверхности.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что этот материал содержит мелкие частицы и/или волокна.

18. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют такую высокую скорость шлифовального устройства, которая не приводит к расплавлению смолы или лигнина, либо другого подобного вещества на удаленной поверхности или обработанной поверхности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается отделки волокнистых полотен. В частности, изобретение касается способа согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, предназначенного для увеличения гладкости бумажных и картонных полотен посредством механической обработки.

Бумагу обычно изготавливают мокрым способом. Согласно этому способу суспендируют волокна в воде для образования волокнистой композиции и из этой композиции на проволочной сетке формуют мокрое полотно. Затем полотно постепенно сушат до заданного состояния сухости, используя различные механические и тепловые устройства.

При обычной технологии волокнистую композицию до формования полотна поддерживают в турбулентном состоянии для того, чтобы предотвратить ориентацию волокон. Однако вследствие турбуленции в полотне будут образовываться хлопья, имеющие более высокую плотность волокон, чем плотность волокон в окружающих частях полотна.

Для проведения всех операций печатания поверхность бумаги должна быть как можно более гладкой и/или однородной. Это же справедливо для бумаг, покрытых слоем минеральных частиц и латексными связывающими веществами. Следовательно, очень часто бумаги (основы) каландрируют перед нанесением покрытия на них и, кроме того, бумаги, содержащие минеральные наполнители, обрабатывают на каландре для получения более гладкой поверхности. Вследствие вышеупомянутого образования хлопьев каландрирование особенно необходимо для получения определенных свойств бумаги.

Существуют многочисленные типы каландров, но все они сглаживают поверхность посредством механических сил сдавливания и скольжения. Обычные каландры страдают некоторыми значительными недостатками. После повторного увлажнения поверхность, сглаженная каландрированием, будет полностью или частично вновь принимать свою первоначальную форму. Кроме того, известно, что в результате каландрирования бумаги теряют вплоть до 35-40% своих прочностных свойств и 25-35% своей первоначальной непрозрачности. Более того, будет заметно уменьшаться первоначальная прочность бумажного полотна.

Ввиду вышеупомянутых проблем, связанных с каландрированием, прилагались большие усилия по предотвращению указанного образования хлопьев и по нахождению каких-нибудь различных способов сглаживания поверхности.

В патенте США 2349704 описывается способ полирования поверхности бумажного полотна посредством ролика для полирования ткани. Поверхность ролика содержит порошкообразный абразивный материал, который связан с поверхностью с помощью связующего вещества. Целью указанного технического решения является сдавливание и полирование бумаги до такой же самой степени, как и при процессе суперкаландрирования, и согласно описанию изобретения плотность обработанной бумаги такая же самая, как и после процесса суперкаландрирования, а глянец, измеренный на приборе для измерения глянца "Бош и Ломб", на 10 пунктов выше, чем перед обработкой.

В патенте США 5533244 описывается другой способ, несколько похожий на вышеупомянутый способ, для полирования бумаги тканой лентой, которая скользит по бумажному полотну с другой скоростью, чем скорость самого полотна, оказывая фрикционное действие.

В патенте США 4089738 описывается мягкое каландрирующее устройство, которое действует на поверхность бумаги как устройство с трением скольжения. Это устройство будет сглаживать поверхность бумаги таким же самым образом, как и первоначальные суперкаландры.

Ни один из способов, известных из уровня техники, не обеспечивает удовлетворительного удаления высокоплотных хлопьев с поверхности бумаги. Кроме того, очевидно, что при использовании известных способов ухудшаются прочностные свойства бумаги.

Следовательно, целью настоящего изобретения является устранение недостатков, известных из уровня техники, и создание нового способа обработки поверхности волокнистого полотна, в частности поверхности бумаги или картона, для того, чтобы улучшить ее гладкость, при этом по существу сохраняя механические свойства полотна.

Настоящее изобретение основано на неожиданном обнаружении того, что поверхность многих волокнистых полотен может быть сглажена со шлифовыванием только наиболее выступающих частей полотна с помощью шлифовального средства, как, например, шлифовальной ленты, вибрационного шлифовального устройства или вращающегося шлифовального барабана, чтобы обеспечить сглаженную поверхность, имеющую неизменившиеся или даже улучшенные свойства механической прочности. В частности, настоящее изобретение предусматривает шлифование в сухом состоянии ("сухое шлифование") только более высоких частей волокнистого полотна (в поперечном сечении), прижимая поверхность к шлифующей поверхности настолько незначительно, что не может быть обнаружено никакого заметного увеличения плотности полотна.

Конкретнее, изобретение отличается, главным образом, тем, что изложено в отличительной части пункта 1 формулы изобретения.

Настоящее изобретение обеспечивает ряд преимуществ. Неожиданно обнаружено, что, например, шлифованная бумага имеет лучшее сопротивление разрыву при растяжении и лучшее сопротивление продавливанию, чем первоначальная бумага. Хотя заявители не желают связывать себя какой-либо особой теорией, это явление, по-видимому, основано на том, что силы внутри напряженного полотна становятся более равномерно распределенными, когда уменьшается прочность частей, имеющих наибольшую прочность. Первоначально из-за плохой равномерности формования бумажного полотна эти силы не являются столь большими в самой тонкой части бумаги. Однако шлифование будет перераспределять силы адгезии внутри основы полотна. Другим возможным объяснением является то, что мелкие частицы, очевидно образующиеся во время процесса шлифования, а также фибриллы, которые одним концом по-прежнему приклеены к исходному волокну, перераспределяются по поверхности.

Во время процесса шлифования поверхности согласно настоящему изобретению образуются очень ограниченные количества свободных волокон и пыли. Это, вероятно, происходит потому, что из-за трения при шлифовании согласно настоящему изобретению с поверхности будет выделяться некоторое количество водяного пара, который будет конденсироваться на бумаге, покидающей шлифовальную часть оборудования. Эта сконденсировавшаяся влага будет вновь соединять мелкие частицы с поверхностью.

В дальнейшем изобретение будет подробнее рассмотрено с помощью следующего подробного описания и со ссылкой на рабочий пример.

В пределах объема настоящего изобретения термины "целлюлозный" и "лигноцеллюлозный" используются для обозначения материалов, полученных соответственно из целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов. В частности, термин "целлюлозный" относится к материалу, получаемому химической варкой древесины и другого растительного сырьевого материала. Таким образом, полотно, содержащее "целлюлозные волокна", изготовлено, например, из крафт-целлюлозы, сульфитной целлюлозы или органозольвной целлюлозы. Термин "лигноцеллюлозный" относится к материалу, получаемому из древесины или другого растительного сырьевого материала посредством механического разделения на волокна, например, по промышленному процессу рафинирования, а именно способами изготовления рафинерной механической древесной массы (РМДМ), рафинерной механической древесной массы под давлением (РМДМД), термомеханической древесной массы (ТМДМ), измельченной древесной массы (ИДМ) или древесной массы, измельченной раздавливанием (ИДМР), химико-термомеханической древесной массы (ХТМДМ) или любым другим способом изготовления волокнистого материала, из которого может быть образовано полотно и на который может быть нанесено покрытие.

Термины "бумага" и "картон" относятся к листовым изделиям, содержащим целлюлозные или лигноцеллюлозные волокна. Поверхностная плотность бумаги или картона может варьироваться в широких пределах от около 30 до около 500 г/м². Шероховатость полотна, которое подлежит обработке, составляет около 0,1-30 мкм, предпочтительно около 1-15 мкм. Настоящее изобретение может применяться для обработки любого желаемого бумажного или картонного полотна. Термин "бумага" или "бумажное полотно" здесь фактически используется для обозначения соответственно как "бумаги" и "картона", так и "бумажного полотна" и "картонного полотна".

Термины "мелкие частицы", "фибриллы" и "волокна" обозначают тонко измельченный материал, имеющий диаметр поперечного сечения частиц меньше, чем около 10 мкм, обычно в пределах 0,001-2 мкм, а "фибриллы" и "волокна" являются материалами, имеющими отношение длины к диаметру поперечного сечения больше, чем около 6.

"Шероховатость" полотна, на которое должно быть нанесено покрытие, обычно определяется в "микронах" (мкм). Шероховатость поверхности для печатания при 1000 кПа может быть измерена, например, в соответствии с ИСО 8791-4:1992 (Е). Обычно шероховатость бумажных полотен находится в пределах 8-2 мкм. Как обсуждается ниже и показано на рабочих примерах, подвергая поверхность бумажного или картонного полотна обработке шлифованием согласно изобретению, можно уменьшить шероховатость полотна, по меньшей мере, на 20%, предпочтительно, на около 40-60% при сохранении механических свойств полотна.

Настоящее изобретение содержит стадии формования мокрого полотна из волокнистой композиции на проволочной сетке. Полотно затем сушат на бумагоделательной машине или машине для выработки картона до заданной степени сухости. В любой желаемый момент сушки, но предпочтительно после того, как полотно высушено до достаточной степени сухости для придания ему приемлемой механической прочности, полотно подвергают сухому шлифованию, как это подробнее объясняется ниже. Шлифование можно выполнять между сматыванием и наматыванием полотна. После шлифования и возможного сглаживания на обработанное полотно затем наносят подходящие покрывающие материалы, известные сами по себе.

Шлифование согласно изобретению осуществляют посредством контактирования поверхности бумажного полотна с шлифовальным средством. Согласно предпочтительному варианту осуществления данного способа шлифования шлифование выполняют шлифовальными зернами, прикрепленными к подвижной шлифовальной ленте или вибрационной плите, которые образуют не глянцевую, а блеклую или матовую поверхность. Предпочтительный размер шлифовальных зерен составляет около 5-20 мкм и, конечно, зависит от качества поверхности и поверхностной плотности бумаги или картона. Поверхность шлифовального средства - по существу сухая (влажность меньше, чем около 50%, предпочтительно меньше, чем 20%, и в особенности меньше, чем 10%), и во время шлифования предпочтительно не подают воду между полотном и шлифовальным средством.

Согласно настоящему изобретению важно сошлифовывать более высокие точки, т. е. "возвышения", и для достижения этой цели необходимо подпирать сзади шлифовальные ленты и поддерживать бумаги таким образом, чтобы с поверхности бумаги удалять только более высокие части. Обычно после шлифования шероховатость поверхности, измеряемая микрометрами, уменьшается на 10-90%, предпочтительно на около 40-60%.

Во время шлифования полотно подвергается воздействию энергии шлифования порядка 700-14000 Дж/м², предпочтительно около 2000-8000 Дж/м². Согласно особо предпочтительному варианту воплощения изобретения полотно подвергается воздействию энергии шлифования в количестве 2000-3000 Дж/м² на один микрон уменьшенной шероховатости полотна. Как упоминалось выше, при шлифовании согласно настоящему изобретению механические свойства бумаги или картона остаются неизменившимися. Как объяснялось выше, они даже могут быть улучшены в результате шлифования. Таким образом, при уменьшении шероховатости поверхности максимум на 90% прочностные свойства полотна будут оставаться по существу неизменившимися или будут улучшаться. При уменьшении шероховатости поверхности на около 40-60% сопротивление на разрыв увеличивается, по меньшей мере, на 5% (предпочтительно свыше 10%) по сравнению с сопротивлением на разрыв у необработанного полотна.

При визуальной проверке бумаги, обработанной по данному способу шлифования, обнаруживается, что не происходит значительного изменения в непрозрачности бумаги, когда сошлифовыванию подвергаются 40-60% возвышенной и подобных неровностей на поверхности. В то же самое время механическая прочность бумаги является превосходной.

Давление, оказываемое на полотно, можно варьировать в широких пределах, пока не происходит никакого значительного сжатия бумаги. В противном случае это ослабило бы механическую прочность полотна. В общем, давление, оказываемое на поверхность во время шлифования, должно быть около 0,01-20 кПа, предпочтительно около 1-10 кПа. Поскольку шлифованная поверхность покрыта материалом, высвобожденным во время шлифования и содержащим мелкие частицы и/или волокна, то после шлифования полезно вновь увлажнить обработанную поверхность и слегка прижать ее к очень гладкой поверхности или к движущейся гладкой поверхности для возвращения всех свободных волокон и мелких частиц к поверхности. Эта обработка будет еще больше сглаживать шлифованную поверхность. Для увлажнения можно использовать водяной пар, а также туман, содержащий равномерно распределенные небольшие капли, которые образованы, например, ультразвуковой обработкой и которые могут быть присоединены к поверхности методами ионизации.

В статье "Трение при дефибрировании" (Paper and Timber, v. 79 (1997), 4) довольно подробно обсуждается дефибрирование дефибрерным камнем. Как утверждают авторы, скорость дефибрирования меньше, чем 7 м/с, является совершенно неэффективной, и лишь при скоростях 10-30 м/с дефибрерный камень будет высвобождать некоторые волокна из древесины. При меньших скоростях будет происходить только некоторое нежелательное фибриллирование на контактной поверхности древесины.

Настоящее изобретение основано на противоположной идее: заявители не желают высвобождать с поверхности бумажного или картонного волокна все волокна, а вместо этого только фибриллы и свободные части волокон. Следовательно, согласно настоящему изобретению разница скоростей может быть в пределах 1-10 м/с, при этом все еще получаются удовлетворительные результаты. Однако согласно другому варианту осуществления изобретения, чем больше разница между скоростями ленты и шлифуемой бумаги или картона, тем лучше результат. Наилучшим способом достижения этого является перемещение ленты и полотна в одинаковом направлении, но с разными скоростями. Это обеспечивает эффективное удаление пыли. Высокая скорость шлифования полезна по двум различным причинам: во-первых, она будет предотвращать собирание пыли и мелких частиц на ленте, и, во-вторых, при высокой скорости можно поддерживать низкое давление на поверхность, так что не будет происходить плавление смол, лигнина и т.п. на поверхности и, таким образом, не будет забиваться поверхность шлифовальной ленты или другого шлифовального средства. Критическая скорость зависит от качества древесины или древесной массы, из которой изготовлены бумага или картон, а также от качества шлифовальных частиц на поверхности шлифовального средства. Тем не менее, скорость шлифования и давление всегда нужно поддерживать на уровне, при котором не будет происходить локальный нагрев до такой степени, чтобы приводить к размягчению смол и лигнинов. Если это случилось бы, то шлифовальное средство скоро забилось бы волокнами, смолами, лигнином и свободной пылью с полотна.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, при котором используется ленточное шлифовальное устройство, содержащее сухую ленту из полимерного материала, волокнистая лента электризуется из-за трения в процессе шлифования. Следовательно, фибриллы и мелкие частицы, высвобожденные с полотна в результате шлифования, вновь соединяются с поверхностью под действием электростатических сил между фибриллами и полотном. Не происходит никакого пыления полотна. Электрическая зарядка поверхности может быть также осуществлена до шлифования для того, чтобы увеличить электрический заряд поверхности.

Благодаря обработке волокнистого полотна катионизированным крахмалом или подобным катионным веществом, обычно используемым для улучшения удерживаемости пигментов или очень тонких волокон на сетке бумаго- или картоноделательной машины, катионное вещество будет эффективно связывать с поверхностью фибриллы, высвобожденные во время процесса шлифования.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения шлифованную поверхность, которая, как упоминалось выше, обычно является блеклой или матовой после шлифования, можно сделать глянцевой, слегка увлажняя ее паром и прижимая ее к гладкой поверхности.

На бумагу или картон, обработанные согласно настоящему изобретению, может быть нанесено покрытие или они могут быть использованы как таковые по выбору после глянцевания обычным каландром или предпочтительно, как объяснялось выше, после увлажнения. В случаях нанесения покрытия бумага может быть снабжена полимерным слоем, защитным слоем, лаковым покрытием или покрытиями из обычных кроющих материалов. Эти бумаги или картон особенно подходят для печати и письма и для струйной печати. Необработанные материалы, имеющие по выбору глянцевость, пригодны также для целей упаковки, обертки и укладки в пакеты.

Изобретение иллюстрируется нижеследующим неограничительным примером.

Пример

Образцы бумаги, сохраняемые сухими при относительной влажности 50% и имеющие поверхностную плотность 114 г/м² и толщину 0,16 мм, подвергали шлифованию лентой, имеющей размер частиц 15 мкм и работающей при разных скоростях. Результаты обобщены в таблице 1.

Другой комплект образцов с аналогичным качеством бумаги подвергали шлифованию вибрационным средством со средней скоростью 0,36 м/с. Результаты видны из таблицы 2.

Вибрационное шлифование показало весьма быстрое ухудшение шлифовальной плиты, но ленточное шлифовальное устройство оставалось чистым в течение длительных периодов времени.

Шлифование бумажных образцов с обеих сторон 1 или 2 раза с помощью ленточного шлифовального устройства с размером частиц 15 мкм дало следующие результаты (см. таблицу 3).