[发明专利]具有改进的白度和亮度的针叶树材牛皮纸纤维及其制造和使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及具有改进的白度和亮度的针叶树材(更特别是南方松(southern pine))牛皮纸纤维。更具体而言，本发明涉及显示出一组独特特性的针叶树材纤维，例如南方松纤维，这些独特特性使其性能超过了源自牛皮纸浆的标准纤维素纤维并使其可在之前一直限于昂贵的纤维(例如，棉或高α含量的亚硫酸盐纸浆)的应用中使用。

本发明还涉及制造所述改进的纤维的方法。

最后，本发明涉及用所述改进的针叶树材纤维制得的产品。

背景技术

纤维素纤维及衍生物广泛用于纸、吸收性产品、食品或食品相关应用、药物以及工业应用中。纤维素纤维的主要来源是木浆和棉。纤维素来源和纤维素加工条件通常决定了纤维素纤维的特性，因此，也决定了纤维素在某些终端应用中的适用性。仍需要获得加工成本相对低但通用性高的纤维素纤维，以使其能够用于多种应用中。

牛皮纸纤维通过化学牛皮纸制浆法制得，其提供了纤维素纤维的廉价来源，这种纤维素纤维通常提供具有良好的亮度和强度特性的最终产品。因此，其被广泛用于纸应用中。然而，由于标准牛皮纸制浆和漂白所造成的纤维素化学结构所致，标准牛皮纸纤维在下游应用(例如，纤维素衍生物的制造)中的适用性有限。通常，标准牛皮纸纤维含有过多的残余半纤维素和可能会干扰对纤维的后续物理和/或化学改性的其他天然存在的物质。此外，标准牛皮纸纤维的化学官能度有限，且通常较硬，压缩性不高。

在标准牛皮纸的加工中，将一种称作“白液”的化学试剂与木屑在消化器中合并，以进行脱木质素化。脱木质素化是指使结合在纤维素纤维上的木质素凭借其在热碱性溶液中的高溶解性而脱去的过程。该过程通常称为“蒸煮(cooking)”。通常，白液是氢氧化钠(NaOH)和硫化钠(Na₂S)的碱性水溶液。根据所用的木材种类和所需的最终产品，向木屑中添加白液，基于该木材的干重其量足以提供所需的总碱装载。

通常，在约1～3小时的总反应时间内，将消化器中的木材/液体混合物的温度始终保持在约145℃～170℃。消化完成时，使所得的牛皮纸木浆从包含用过的化学品和溶解的木质素的废液(黑液)分离。常规上，在牛皮纸回收过程中灼烧黑液以回收钠和硫化学品从而再利用。

在此阶段，牛皮纸浆因残留在纤维素纤维上的木质素残余物而显示出特征性的褐色。在消化和洗涤后，常常对纤维进行漂白，以除去额外的木质素，并使纤维变白变亮。由于漂白用化学品比蒸煮用化学品贵得多，所以通常在蒸煮过程中尽可能多地除去木质素。然而，应理解的是，需要平衡这些过程，因为除去过多的木质素会增加纤维素的降解。针叶树材在蒸煮后、漂白前的卡伯值(用来确定纸浆中残余的木质素的量的量度)通常为28～32。

在消化和洗涤之后，通常以多步程序来漂白纤维，这种多步程序常规上包括强酸漂白步骤和强碱漂白步骤，在漂白程序结束时或接近结束时包括至少一个碱步骤。对木浆进行漂白的目的通常是：典型地通过除去木质素和其他杂质来选择性地增加浆料的白度和亮度，并且不对物理性质造成负面影响。化学浆料(例如牛皮纸浆)的漂白通常需要若干个不同的漂白步骤来以良好的选择性实现所需的亮度。通常，漂白程序采用在交替的pH范围下进行的步骤。这种交替有助于除去在漂白程序中产生的杂质，例如，通过使木质素分解产物溶解来除去所述杂质。因此，通常预期，在漂白程序中使用一系列酸步骤(例如依次进行的三个酸步骤)不会提供与酸/碱交替步骤(例如酸-碱-酸)相同的亮度。例如，常见的DEDED程序所产生的产物的亮度高于DEDAD程序(其中A表示酸处理)。

常规上，可用于制造吸收性产品或组织的纤维素源并不能同样用于制造下游的纤维素衍生物，例如纤维素醚和纤维素酯。从高粘度纤维素原料(例如标准牛皮纸纤维)制造低粘度的纤维素衍生物需要额外的制造步骤，这些额外的制造步骤会增加很大的成本，并且会带来不需要的副产物并降低纤维素衍生物的整体品质。棉绒和高α纤维素含量的亚硫酸盐纸浆通常具有高聚合度，常用于制造例如纤维素醚和酯等纤维素衍生物。然而，制造具有高聚合度(DP)和/或粘度的棉绒和亚硫酸盐纤维较为昂贵，因为1)在使用棉时原料成本高；2)在使用亚硫酸盐纸浆时制浆和漂白在能量、化学品和环境方面的成本高；3)上述两种情况都需要较长的纯化过程。除了高成本以外，市售的亚硫酸盐纸浆的供应量在缩小。因此，这些纤维非常昂贵，并且在浆料和纸应用中(例如，在可能需要更高纯度或更高粘度的浆料的应用中)的适用性有限。对于纤维素衍生物制造商而言，这些浆料占其整个制造成本的很大一部分。因此，需要获得可用于制造纤维素衍生物的高纯度低成本的白亮纤维，例如牛皮纸纤维。