CN101449002A - 包含高表面施胶和低内部施胶并具有高尺寸稳定性的纸张衬底 - Google Patents

包含高表面施胶和低内部施胶并具有高尺寸稳定性的纸张衬底 Download PDF

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Abstract

本发明涉及包含高表面施胶和低内部施胶并具有高尺寸稳定性的纸张衬底，以及制备和使用组合物的方法。

Description

包含高表面施胶和低内部施胶并具有高尺寸稳定性的纸张衬底
本申请根据35USC§119(e)要求2006年1月17日提交的标题为“PAPERSUBSTRATES CONTAINING HIGH SURFACE SIZING AND LOWINTERNAL SIZING AND HAVING HIGH DIMENSIONAL STABILITY”的美国临时专利申请60/759,629的优先权，这里其通过引用而全部并入进来。本申请根据35USC§119(e)要求2006年10月24日提交的标题为“PAPERSUBSTRATES CONTAINING HIGH SURFACE SIZING AND LOWINTERNAL SIZING AND HAVING HIGH DIMENSIONAL STABILITY”的美国临时专利申请60/853,882的优先权，这里其通过引用而全部并入进来。本申请根据35USC§119(e)要求2006年1月17日提交的标题为“PAPERSUBSTRATES CONTAINING A BULKING AGENT，HIGH SURFACESIZING，LOW INTERNAL SIZING AND HAVING HIGH DIMENSIONALSTABILITY”的美国临时专利申请60/759,630的优先权，这里其通过引用而全部并入进来。
技术领域
本发明涉及包含高表面施胶和低内部施胶并具有高尺寸稳定性的纸张衬底，以及制备和使用所述组合物的方法。
背景技术
纸张衬底的性能变量取决于该衬底的多种终端用途而有极大地改变。然而，随着所述衬底的尺寸稳定性提高，大多数性能变量可以更容易地在纸张中进行设计。因此，常年以来，在市场上要求提供具有出众尺寸稳定性而仍然具有高表面强度的动力纸张衬底。
Lipponen等人(2003)“Surface sizing with starch solutions at high solidscontent”，TAPPI计量施胶压制论坛(TAPPI Metered Size Press Forum)讨论了可在多种特别选择情况中用来提高表面强度的施胶压制涂覆的高淀粉溶液固体的使用，但未能取得和/或评价尺寸稳定纸张衬底的重要性。此外，在Lipponen等人描述的所述纸张具有作者描述为非所希望的低内部强度(不低于约140J/m2)。
此外，在Lipponen等人(2005)后来的论文“Effect of press draw and basisweight on woodffee paper properties during his solids surface sizing”，TAPPI春季技术会议和商品交易会(TAPPI Spring Technical Conference & Trade Fair)中，作者讨论了用于增大其上含有施胶压制涂覆的高淀粉溶液固体的纸张衬底的非希望低内部强度的方法。可惜地，这些参考文献代表了同时提供具有高尺寸稳定性和高表面强度的纸张衬底的失败尝试。
因此，仍然需要提高纸张衬底的尺寸稳定性和表面强度的低成本和有效解决方案。
发明内容
本发明人现在发现了提高纸张衬底的尺寸稳定性和表面强度的低成本和有效的解决方法。
本发明的一个方面涉及纸张衬底。
本发明的纸张衬底包含纤维素纤维幅。本发明的所述纸张衬底可包含再循环纤维和/或原生纤维。再循环纤维和原生纤维之间的一个示例性差别是再循环纤维可能已经经历至少一次干燥处理。
基于衬底的总重量，本发明的所述纸张衬底可包含1-99重量％，优选5-95重量％的纤维素纤维，包括1、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和99重量％，包括其中的任何和所有范围和子范围。
优选地，所述纤维素纤维来自于软木和/或硬木。
基于在所述纸张衬底中的纤维素纤维的总量，本发明所述纸张衬底可包含1-100重量％，优选10-60重量％的来自于软木物种的纤维素纤维。基于在所述纸张衬底中的纤维素纤维的总量，该范围包括1、2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100重量％，包括其中的任何和所有范围和子范围。
基于所述纸张衬底的总重量，所述纸张衬底可以择一地或重叠地包含来自软木物种的0.01-99重量％纤维，最优选10-60重量％。基于所述纸张衬底的总重量，所述纸张衬底包含不超过0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和99重量％的纤维，包括其中的任何和所有范围和子范围。
所述纸张衬底可包含来自软木物种的软木纤维，所述软木物种的加拿大标准游离度(Canadian Standard Freeness)(csf)为300-750，更优选400-550。该范围包括300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650、660、670、680、690、700、710、720、730、740和750csf，包括其中的任何和所有范围和子范围。加拿大标准游离度通过TAPPI T-227标准测试进行测量。
基于在所述纸张衬底中的纤维素纤维的总量，本发明的所述纸张衬底可包含1-100重量％，优选30-90重量％的来自于硬木物种的纤维素纤维。基于在所述纸张衬底中的纤维素纤维的总量，该范围包括1、2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100重量％，包括其中的任何和所有范围和子范围。
基于所述纸张衬底的总重量，所述纸张衬底可以择一地或重叠地包含来自硬木物种的0.01-99重量％纤维，最优选60-90重量％。基于所述纸张衬底的总重量，所述纸张衬底包含不超过0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、99和99重量％的纤维，包括其中的任何和所有范围和子范围。
所述纸张衬底可包含来自软木物种的纤维，所述软木物种的加拿大标准游离度(csf)为300-750，更优选400-550。该范围包括300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650、660、670、680、690、700、710、720、730、740和750csf，包括其中的任何和所有范围和子范围。加拿大标准游离度通过TAPPI T-227标准测试进行测量。
在一个实施方式中，所述纸张衬底包含软木和/或硬木的更低提纯的纤维。所述纸张衬底与常规纸张衬底相比，包含比用于常规纸张衬底中的纤维更低提纯至少2％的这些纤维，优选更低提纯至少5％，更优选更低提纯10％，最优选更低提纯至少15％的这些纤维。例如，如果常规纸张包含加拿大标准游离度(CSF)为350的软木和/或硬木纤维，则本发明的所述纸张衬底更优选包含CSF为385(即比常规提纯程度低10％)的纤维，即便性能没有达到更好，仍和所述常规纸张的性能类似。下面讨论本发明所述衬底的一些代表性性能质量。在为本发明特征的硬木和/或软木纤维的提纯方面的一些降低包括但不限于：1)从350到至少385CSF；2)从350到至少400CSF；3)从400到至少450CSF；和4)从450到至少500CSF。与常规纸张衬底中包含的那些纤维相比，在纤维提纯程度上的降低可至少为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20和25％，然而本发明纸张衬底的性能仍能相等于和/或优于所述常规纸张衬底。
当所述纸张衬底同时包含硬木和软木纤维时，优选所述硬木/软木比例为0.001-1000，优选从90/10到30/60。该范围可以包括0.001、0.002、0.005、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、200、300、400、500、600、700、800、900和1000，包括其中的任何和所有范围和子范围，以及这里这些比例的倒数的任何范围和子范围。
此外，本发明所述纸张衬底包含的所述软木和/或硬木纤维可通过物理和/或化学方法进行改性。物理方法的实例包括但不限于电磁法和机械法。用于电改性的方法包括但不限于使所述纤维接触电磁能源如光和/或电流。机械改性的方法包括但不限于使非生物物体接触所述纤维的方法。该非生物物体的实例包括具有尖锐和/或钝边缘的那些物体。例如，这些方法也涉及切割、捏合、捣碎、刺穿等方法。
化学方法的实例包括但不限于常规的化学纤维改性方法，其包括在其上交联和沉淀复合物。该纤维改性实例可为但不限于在下面专利中发现的那些：6,592,717、6,592,712、6,582,557、6,579,415、6,579,414、6,506,282、6,471,824、6,361,651、6,146,494、H1,704、5,731,080、5,698,688、5,698,074、5,667,637、5,662,773、5,531,728、5,443,899、5,360,420、5,266,250、5,209,953、5,160,789、5,049,235、4,986,882、4,496,427、4,431,481、4,174,417、4,166,894、4,075,136和4,022,965，这里其通过引用而全部并入进来。此外纤维改性可见于2005年2月19日提交的美国专利申请60/654,712，和2006年2月21日提交的美国专利申请11/358,543中，其可以包括这里讨论的加入光学增亮剂(即OBA)，上述文献通过引用而全部并入进来。
“细粒物料”的来源可见于SaveAll纤维，再循环物流、废弃物流、废物纤维液流。存在于所述纸张衬底中的“细粒物料”的量可通过调节将该物流加入到所述纸张生产过程中的速度来进行改变。
所述纸张衬底可包含硬木纤维、软木纤维和“细粒物料”纤维的组合。如上所讨论的，“细粒物料”纤维是再循环纤维并一般地在长度上平均不超过100μm，优选不超过90μm，更优选在长度上不超过80μm，和最优选在长度上不超过75μm。所述细粒物料的长度优选不超过5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100μm，包括其中的任何和所有范围和子范围。
基于所述纸张衬底的总重量，所述纸张衬底包含0.01-100重量％细粒物料，优选包含0.01-50重量％细粒物料，最优选包含0.01-15重量％细粒物料。基于所述纸张的总重量，所述纸张衬底包含不超过0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100重量％细粒物料，包括其中的任何和所有范围和子范围。
基于所述纸张衬底包含的纤维的总重量，所述纸张衬底可以择一地或重叠地包含0.01-100重量％细粒物料，优选包含0.01-50重量％细粒物料，最优选包含0.01-15重量％细粒物料。基于所述纸张衬底包含的纤维的总重量，所述纸张衬底包含不超过0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100重量％细粒物料，包括其中的任何和所有范围和子范围。
所述纸张衬底包含至少一种施胶剂。施胶剂是加入到纸张中以使其不同程度地具有湿度或抗水性的物质。施胶剂的实例可见于G.A.Smook(1992)，Angus Wilde Publications的“Handbook for pulp and paper technologists”中，其通过引用而全部并入进来。优选地，所述施胶剂是表面施胶剂。施胶剂的优选实例是淀粉和聚乙烯醇(PVOH)，以及聚乙烯胺、藻酸盐、羧甲基纤维素等。然而，可使用任何施胶剂。
当使用淀粉作为施胶剂时，淀粉可为改性的或未改性的。淀粉的实例见于上述的G.A.Smook(1992)，Angus Wilde Publications的“Handbook for pulpand paper technologists”中。改性淀粉的优选实例包括如氧化淀粉、阳离子淀粉、乙基化淀粉、氢乙氧基化淀粉等。此外，所述淀粉可来自任何来源，优选来自马铃薯和/或玉米。最优选地，所述淀粉来源是玉米。
当使用聚乙烯醇作为施胶剂时，其可具有任何％水解度(％hydrolysis)。优选地聚乙烯醇是％水解度为100％-75％的那些聚乙烯醇。所述聚乙烯醇的％水解度可为75、76、78、80、82、84、85、86、88、90、92、94、95、96、98和100％水解度，包括其中的任何和所有范围和子范围。
本发明的所述纸张衬底可以包含任何重量％的PVOH。优选地，当存在PVOH时，基于包含于和/或在所述衬底上的施胶剂的总重量，PVOH的存在量为0.001重量％-100重量％。基于在所述衬底中的施胶剂的总重量，该范围包括0.001、0.002、0.005、0.006、0.008、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、4、5、6、8、10、12、14、15、16、18、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100重量％，包括其中的任何和所有范围和子范围。
本发明的所述纸张衬底可包含任何量的所述施胶剂。优选地，基于所述衬底的总重量，本发明的所述纸张衬底可包含0.01-20重量％的至少一种施胶剂，更优选地包含1-10重量％施胶剂，最优选包含2-8重量％施胶剂。基于所述衬底的总重量，该范围包括0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19和20wt％的施胶剂，包括其中的任何和所有范围和子范围。
在本发明的优选实施方式中，所述施胶剂可为至少一种表面施胶剂。然而，所述表面施胶剂可与至少一种内部施胶剂组合使用。表面施胶剂和内部施胶剂的实例可见于G.A.Smook(1992)，Angus Wilde Publications的“Handbook for pulp and paper technologists”中，其通过引用而全部引入进来。在一些情况中，所述表面施胶剂和内部施胶剂可相同。
当所述纸张衬底同时包含内部施胶剂和表面施胶剂时，它们可以任何比例存在，它们可为相同和/或不同的施胶剂。优选地，表面施胶剂对内部施胶剂的比例为50/50-100/0，更优选为75/25-100/0的表面施胶剂/内部施胶剂。该范围包括50/50、55/45、60/40、65/35、70/30、75/25、80/20、85/15、90/10、95/5和100/0，包括这里任何的所有范围和子范围。
所述纸张衬底包含至少一种施胶剂。然而，施胶剂总量的至少大部分优选位于所述衬底的外表面上。本发明的所述纸张衬底可包含施胶压制施加的涂层内部的所述施胶剂。所述施胶压制施加的涂层可穿插或未穿插所述衬底的纤维素纤维。然而，如果所述涂层和所述纤维素纤维互相穿插，可产生具有互相穿插层的纸张衬底。
图1-3显示了在本发明纸张衬底中的所述纸张衬底1的不同实施方式。图1显示了具有纤维素纤维幅3和施胶组合物2的纸张衬底1，其中所述施胶组合物2具有最小的对所述纤维素纤维幅3的穿插。例如当将施胶组合物涂敷到纤维素纤维幅上时可完成该实施方式。
图2显示了具有纤维素纤维幅3和施胶组合物2的纸张衬底1，其中所述施胶组合物2穿插到纤维素纤维幅3中。纸张衬底1的穿插层4限定了其中至少施胶溶液渗入并处于所述纤维素纤维中的区域。所述穿插层可为至少部分所述纸张衬底的整个横载面的1-99％，包括可为所述纸张衬底的1、2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和99％，包括其中的任何和所有范围和子范围。例如，当在涂敷法之前将施胶溶液加入到所述纤维素纤维中时，可实施该实施方式，如果需要可将该实施方式与随后的涂敷法相结合。例如，加入点可位于施胶压制机处。
图3显示了具有纤维素纤维幅3和施胶溶液2的纸张衬底1，其中所述施胶溶液2大约均匀分布遍及纤维素纤维幅3。例如，当在涂敷法之前将施胶溶液加入到所述纤维素纤维中时，可实施该实施方式，如果需要可将该实施方式与随后的涂敷法相结合。示例性的加入点可在造纸过程中的湿部、薄坯(thin stock)和厚坯(thick stock)处。
优选地，使所述穿插层4最小化和/或所述施胶剂的浓度优选朝向所述纸张衬底的表面增大。因此，朝向所述衬底的顶部和/或底部外表面而存在的施胶剂的量优选大于朝向纸张衬底的内部中央而存在的施胶剂的量。或者，大部分所述施胶剂可优选位于距离所述衬底的外表面等于或小于所述衬底总厚度的25％，更优选10％的距离处。该方面也通称为使用例如淀粉通过列于实施例中的已知方法测量的Q全部。如果Q全部等于0.5，则所述施胶剂大约均匀分布遍及所述纸张衬底。如果Q全部大于0.5，则朝向所述纸张衬底的内部中央比朝向所述纸张衬底的表面有着更多的施胶剂。如果Q全部小于0.5，则朝向纸张衬底的内部中央比朝向纸张衬底的表面有着更少的施胶剂。考虑到上述理由，本发明的所述纸张衬底优选具有小于0.5的Q全部，优选具有0.4的Q全部，更优选具有小于0.3的Q全部，最优选具有小于0.25的Q全部。因此本发明所述纸张衬底的Q全部可为0至小于0.5。该范围包括0、0.001、0.002、0.005、0.01、0.02、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45和0.49，包括其中的任何和所有范围和子范围。
实质上，Q是从横截面图上看沿着从所述纸张的外部边缘从朝向所述纸张中央的方向上的淀粉量的测量值。这里可以理解Q可为任何Q使得其表示朝向所述纸张横截面的外表面方向上具有淀粉的能力增强，Q可选择Q(使用任何测试)以使得可提供本发明所述纸张衬底的任何一种或多种上述和下面提及的特性(例如内键、湿膨胀率、IGT粘附(IGT Pick)，和/或IGT VPP分层等)。
当然，有其它方法来测量上述Q的等价值。本发明的精神使得用于测量朝向所述衬底中心的施胶剂的量与朝向所述衬底外表面的施胶剂的量的比例的任何Q测量方法或其类似方法都是可接受的。在优选实施方式中，该比例使得尽可能多的施胶剂朝向所述衬底的外表面，因此可实现穿插区域最小化和/或位于所述穿插层中的淀粉的量最小化。还优选在所述衬底的内部和/或之上，甚至在非常高的施胶剂负载水平，优选外部施胶剂负载水平下发生施胶剂的这种分布。因此，本发明的一个目的是当通过使在该穿插层中的所述施胶剂浓度最小化或通过降低所述穿插层本身的厚度从而当越来越多的外部施胶剂负载在穿插层表面上时，紧密控制位于所述穿插层内部的施胶剂的量。本发明所述纸张衬底的以下特性是通过如此控制所述施胶剂而得到的。尽管所述施胶剂的该受控负载可以任何方式实现，在以下的讨论中优选通过施胶施胶压制机对所述施胶剂进行负载。
所述纸张衬底优选具有高尺寸稳定性。具有高尺寸稳定性的纸张衬底优选具有降低的卷曲倾向。因此，与常规纸张衬底相比，本发明的优选纸张衬底具有降低的卷曲倾向。
尺寸稳定性的一个很好的指标是湿膨胀率的物理测量值，湿膨胀率优选地是Neenah湿膨胀率，其是通过使用干燥器和增湿器而非简单地使用盐浓度对相对湿度(RH)进行电子监测和控制，使用TAPPI USEFUL METHOD 549测量的。周围环境的所述RH在50％-15％然后至85％之间变化，导致了在进行测量的纸张样品中的尺寸变化。例如，当改变上述的所述RH时，本发明的所述纸张衬底在CD方向上具有湿膨胀率为0.1-1.9％，优选0.7-1.2％，最优选0.8-1.0％。该范围包括0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8和1.9％，包括其中的任何和所有范围和子范围。
优选所述纸张衬底的MD内键(internal bond)为10-350ft-lbs×10-3/in2，优选75-120ft-lbs×10-3/in2，更优选80-100ft-lbs×10-3/in2，最优选90-100ft-lbs×10-3/in2。该范围包括10、11、12、13、14、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、160、165、170、175、180、185、190、195、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、330、340和350ft-lbs×10-3/in2，包括其中的任何和所有范围和子范围。所述MD内键是通过测试TAPPI t-569而测量的Scott Bond。
优选所述纸张衬底的CD内键为10-350ft-lbs×10-3/in2，优选75-120ft-lbs×10-3/in2，更优选80-100ft-lbs×10-3/in2，最优选90-100ft-lbs×10-3/in2。该范围包括10、11、12、13、14、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、160、165、170、175、180、185、190、195、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、330、340和350ft-lbs×10-3/in2，包括其中的任何和所有范围和子范围。所述CD内键是通过测试TAPPI t-569而测量的Scott Bond。
通过Scott Bond测试TAPPI t-569而测量的以上CD和MD内键也可以J/m2进行测量。将ft-lbs×10-3/in2转换成J/m2的换算系数是2。因此，为了将100ft-lbs×10-3/in2的内键换成J/m2，简单地乘以2即可(即100ft-lbs×10-3/in2×2J/m2/lft-lbs×10-3/in2＝200J/m2)。因此，在ft-lbs×10-3/in2中的所有上述范围可包括用于内键的如下为J/m2的相应范围。
优选所述纸张衬底的MD内键为20-700J/m2，优选150-240J/m2，更优选160-200J/m2，最优选180-200J/m2。该范围包括20、22、24、26、28、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、320、330、340、350、360、370、380、390、400、420、440、460、480、500、520、540、560、580、600、620、640、660、680和700J/m2，包括其中的任何和所有范围和子范围。所述MD内键是通过测试TAPPI t-569而测量的ScottBond。
优选所述纸张衬底的CD内键为20-700J/m2，优选150-240J/m2，更优选160-200J/m2，最优选180-200J/m2。该范围包括20、22、24、26、28、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、320、330、340、350、360、370、380、390、400、420、440、460、480、500、520、540、560、580、600、620、640、660、680和700J/m2，包括其中的任何和所有范围和子范围。所述CD内键是通过测试TAPPI t-569而测量的ScottBond。
优选所述纸张衬底的Gurley孔隙度(Gurley porosity)为5-100秒，优选7-100秒，更优选15-50秒，最优选20-40秒。该范围包括5、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39和40秒，包括其中的任何和所有范围和子范围。所述Gurley孔隙度是通过测试TAPPI t-536而测量的。
优选所述纸张衬底的CD Gurley挺度(Gurley Stiffness)为100-450mgf，优选150-450mgf，更优选200-350mgf。该范围包括100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、330、340、350、375、400、425和450mgf，包括其中的任何和所有范围和子范围。所述CD Gurley挺度是通过测试TAPPI t-543而测量的。
优选所述纸张衬底的MD Gurley挺度为40-250mgf，优选100-150mgf。该范围包括40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240和250mgf，包括其中的任何和所有范围和子范围。所述MD Gurley挺度是通过测试TAPPI t-543而测量的。
优选所述纸张衬底的不透明度为85-105％，更优选90-97％。该范围包括85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、101、102、103、104和105％，包括其中的任何和所有范围和子范围。所述不透明度是通过测试TAPPI t-425而测量的。
本发明的所述纸张衬底可具有任何CIE白度，但优选其CIE白度大于70，更优选大于100，最优选大于125或甚至大于150。所述CIE白度可在125-200，优选130-200，最优选150-200的范围内。所述CIE白度范围可大于或等于70、80、90、100、110、120、125、130、135、140、145、150、155、160、165、170、175、180、185、190、195和200CIE白度点，包括其中的任何和所有范围和子范围。测量CIE白度和在造纸纤维以及由此制备的纸张中得到该白度的实例可见于例如美国专利6,893,473中，这里其通过引用而全部并入进来。此外，测量CIE白度和在造纸纤维以及由此制备的纸张中得到该白度的实例可见于例如2005年2月19日提交的标题为“Fixationof Optical Brightening Agents Onto Papermaking Fibers”的美国专利申请60/654,712，和2006年2月21日提交的美国专利申请11/358,543、2006年6月2日提交的美国专利申请11/445809和2006年6月2日提交的美国专利申请11/446421中，这里其通过引用而全部并入进来。
本发明的所述纸张衬底可具有任何ISO亮度，但优选大于80，更优选大于90，最优选大于95ISO亮度点。所述ISO亮度可优选为80-100，更优选90-100，最优选95-100ISO亮度点。该范围包括大于或等于80、85、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99和100的ISO亮度点，包括其中的任何和所有范围和子范围。测量ISO亮度和在造纸纤维以及由此制备的纸张中得到该亮度的实例可见于例如美国专利6,893,473，这里其通过引用而全部并入进来。此外，测量ISO亮度和在造纸纤维以及由此制备的纸张中得到该亮度的实例可见于例如2005年2月19日提交的标题为“Fixation of OpticalBrightening Agents Onto Papermaking Fibers”的美国专利申请60/654,712，和2006年2月21日提交的美国专利申请11/358,543中，这里其通过引用而全部并入进来。
本发明的所述纸张衬底优选具有改善的打印性能和改善的运转性(runnability)(例如打印印刷性能(printpress performance))。打印性能可通过确定改善的油墨浓度、网点扩大、叠印(trapping)、印刷反差和/或印刷色调而进行测量来定义一些性能。通常用于该性能测试的色彩包括黑色、青色、品红和黄色，但并不限于这些。印刷性能可通过印刷系统、胶毯(blanket)、图版、油墨装置等的外观检查由打印沾污测定来进行确定。沾污通常由纤维污染、涂层或施胶污染、填料或粘合剂污染、堆积等组成。本发明的所述纸张衬底具有如通过上述特性的每种或任何一种或其组合而确定的改善的印刷性能和/或运转性。
所述纸张衬底可具有任何表面强度。似乎也与衬底打印性能密切相关的衬底表面强度的物理测试的实例是IGT粘附测试(IGT pick test)和蜡粘测试(wax pick test)。此外，在本领域中已知这两种测试与纸张衬底的强表面强度密切相关。尽管可使用这些测试中的任何一种，但优选IGT粘附测试。IGT粘附测试是标准测试，其中通过相当于标准测试ISO 3873的Tappi TestMethod 575来测量性能。
所述纸张衬底可具有通过IGT粘附测试而测量的表面强度至少约为1的至少一个表面，所述表面强度优选至少约为1.2，更优选至少约为1.4，最优选至少约为1.8m/s。所述衬底具有通过IGT粘附测试而测量的至少约为2.5、2.4、2.3、2.2、2.1、2.0、1.9、1.8、1.7、1.6、1.5、1.4、1.3、1.2、1.1和1.0m/s的表面强度，包括其中的任何和所有范围和子范围。
另种已知的相关测试是测量IGT VPP分层的测试且在本领域中是已知的(按N/m计量)。本发明所述纸张衬底的IGT VPP分层可为任何值，但优选大于150N/m，更优选大于190N/m，最优选大于210N/m。如果所述衬底是再生-纸张衬底(repro-paper substrate)，则所述IGT VPP分层优选为150-175N/m，包括其中的任何和所有范围和子范围。
根据本发明的所述纸张衬底在离开造纸机时具有高或低的定量(basisweight)，包括定量为至少10lbs/3000平方英尺，优选从至少20至500lbs/3000平方英尺，更优选从至少40至325lbs/3000平方英尺。所述定量可至少为10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、125、150、175、200、225、250、275、300、325、350、375、400、425、450、475和500lbs/3000平方英尺，包括其中的任何和所有范围和子范围。
根据本发明的所述纸张衬底可具有任何表观密度。所述表观密度可为1-20，优选4-14，最优选5-10lb/3000ft2/0.001英寸厚度。所述密度可至少为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19和20lb/3000ft2/0.001英寸厚度，包括其中的任何和所有范围和子范围。
根据本发明的所述纸张衬底可具有任何厚度(caliper)。所述厚度可为2-35mil，优选5-30mil，更优选10-28mil，最优选12-24mil。所述厚度可为至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34和35mil，包括其中的任何和所有范围和子范围。
所述纸张衬底可任选具有I-梁结构或如同其中包含I-梁结构而起作用。然而，I-梁结构是优选的。该I-梁结构是作为将所述施胶剂在所述纸张衬底内部和/或之上进行选择性放置和紧密可控定位的结果而产生的。“I-梁”和性能特征在文献中有描述，例如，其效果描述在2004年4月8日公布的USSN为10/662,699和公开号为20040065423的公开申请中，这里其通过引用也全部并入进来。然而，并不知道如何控制在造纸机和/或试验装置条件下制得的衬底的所述I-梁结构和/或I-梁性能特征。本发明的实施方式也可包括通过紧密控制所述施胶剂穿过所述衬底横截面的位置来取得改善的I-梁结构和/或性能特征。同时在本发明当前范围内的是产生所述衬底的改善的I-梁结构和/或改善的I-梁性能特征的机会，同时增大施胶剂在所述衬底内部和/或所述衬底之上的负载，特别是控制其中和/或其上的外部施胶剂负载。
本发明的所述纸张衬底也可包括任选物质，该任选物质包括助留剂、粘合剂、填料、增稠剂和防腐剂。填料的实例包括但不限于粘土、碳酸钙、硫酸钙半水合物和硫酸钙脱水物。优选的填料是优选形式为沉淀碳酸钙的碳酸钙。粘合剂的实例包括但不限于聚乙烯醇、Amres(聚酰胺3，3-环氧丁腈树脂型(Kymene))、Bayer Parez、多氯化物乳化液、改性淀粉如羟乙基淀粉、淀粉、聚丙烯酰胺、改性聚丙烯酰胺、多元醇、多元醇羰基加合物、乙二醛(ethanedial)/多元醇缩合物、聚酰胺、表氯醇、草酸醛(glyoxal)、草酸醛脲、乙二醛、脂族聚异氰酸酯、异氰酸酯、二异氰酸1，6-亚己基酯、二异氰酸酯、聚异氰酸酯、聚脂、聚酯树酯、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸酯树脂、丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯。其它任选物质包括但不限于硅石如胶体和/或溶胶。硅石的实例包括但不限于硅酸钠和/或硼硅酸盐。任选物质的其它实例是溶剂，包括但不限于水。
本发明的所述纸张衬底可包含分散在本体和孔隙度增强添加剂纤维素纤维中的选自凝结剂、絮凝剂和包埋剂的助留剂。助留剂的实例也可见于US专利6,379,497中，其通过引用而全部并入进来。
基于所述衬底的总重量，本发明的所述纸张衬底可包含0.001-20重量％的所述任选物质，优选包含0.01-10重量％，最优选0.1-5.0重量％的至少一种所述任选物质中的每一种。基于所述衬底的总重量，该范围包括0.001、0.002、0.005、0.006、0.008、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、4、5、6、8、10、12、14、15、16、18和20重量％，包括其中的任何和所有范围和子范围。
所述纸张衬底可通过使所述施胶剂接触所述纤维素纤维而制得。更进一步地，可在能使本发明的所述纸张衬底包含任何上述量的纤维素和施胶剂的容许浓度水平上发生所述接触。
本申请的所述纸张衬底可通过使所述衬底接触包含至少一种施胶剂的内部和/或外部施胶溶液而制得。所述接触可发生在造纸处理的任何时候，包括但不限于湿部(wet end)、流浆箱(head box)、施胶压制机、水箱和/或涂布机。另外的加入点包括成浆池、原料箱和风扇泵的吸水管。所述纤维素纤维、施胶剂和/或任选组分可以任何组合彼此之间进行顺序、连续和/或同时接触。
所述纸张衬底可通过施胶压制机，其中在造纸领域中通常已知的任何施胶方法都是可接受的。例如，所述施胶压制机可为槽式施胶压制机(puddlemode size press)(例如倾斜、垂直、水平)或计量施胶压制机(如刀刃计量(blademetered)、棒计量(rod metered))。在所述施胶压制机处，施胶剂如粘合剂可接触所述衬底。根据需要，任选可将这些施胶剂加入到造纸工艺的湿部。施胶后，所述纸张衬底可根据上述举例说明的方法和造纸领域中通常已知的其他干燥方法进行再次干燥或不进行干燥。可将所述纸张衬底干燥至含有任何选择量的水。优选地，将所述衬底干燥至包含少于或等于10％的水。
优选地，所述纸张衬底通过在施胶压制机上使至少一种施胶剂与所述纤维相接触而制得。因此，所述施胶剂是施胶溶液的一部分。所述施胶溶液优选以至少8重量％，优选至少或等于10重量％，更优选大于或等于12重量％，最优选大于或等于13重量％固体施胶剂的％固体浓度包含至少一种施胶剂。此外，所述施胶溶液包含8-35重量％固体施胶剂，优选10-25重量％固体施胶剂，更优选12-18重量％固体施胶剂，最优选13-17重量％固体施胶剂。该范围包括至少8、10、12、13、14重量％固体施胶剂和至多15、16、17、18、20、22、25、30和35重量％固体施胶剂，包括其中的任何和所有范围和子范围。
施加到纸张上的约等于或完全等于外部施胶剂的量的以及在一些情况中约等于或完全等于施加到所述纤维上的所有施胶剂的量的所述负载可为任何负载。优选地，所述施胶剂负载至少为0.25gsm，优选0.25-10gsm，更优选3.5-10gsm，最优选4.4-10gsm。所述施胶剂负载可优选为至少0.25、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.5、6.0、6.5，可优选最多为7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5和10.0gsm，包括其中的任何和所有范围和子范围。
所述纸张衬底可具有任何内键/施胶剂负载比。在本发明的一个方面，所述衬底包含大量的施胶剂和/或施胶剂负载，而同时具有低的内键。因此，如果可能，优选内键/施胶剂负载比接近0。表示在本发明衬底中的所希望现象的另个方式是提供以下纸张衬底，其随着施胶剂含量和/或施胶负载的增大，具有降低或保持恒定或最低限度的增大的内键。讨论该现象的另种方式是随着施胶剂负载的增大，所述纸张衬底在内键上的变化为0、负数或小的正数。希望以通过如上所述的施胶压制机施加到纤维上的施胶剂重量％固体的多种程度而使本发明的该纸张衬底呈现这种现象。在另个实施方式中，希望具有所述纸张衬底具有任何一种和/或所有上述现象以及具有通过上述的IGT粘附和/或蜡粘测试而测量的强表面强度。
本发明的所述纸张衬底可具有任何内键/施胶剂负载比。所述内键/施胶剂负载比可小于100J/m2/gsm，优选小于80J/m2/gsm，更优选小于60J/m2/gsm，最优选小于40J/m2/gsm。所述内键/施胶剂负载比可小于100、95、90、85、80、75、74、73、72、71、70、69、68、67、66、65、64、63、62、61、60、59、58、57、56、55、54、53、52、51、50、49、48、47、46、45、44、43、42、41、40、38、35、32、30、28、25、22、20、18、15、12、10、7、5、4、3、2和1J/m2/gsm，包括其中的所有任何范围和子范围。
在一个实施方式中，所述纸张衬底可证明内键的变化作为所述衬底包含的施胶剂的变化的函数即Δ内键/Δ施胶剂重量％，和/或作为施加到所述衬底上的施胶剂负载的变化的函数即Δ内键/Δ施胶剂负载优选是负的。即随着纸张包含的施胶剂的量的逐渐增加或随着施加到纸张上的施胶剂的量的逐渐增加，所述内键是减小的。优选地，所述Δ内键/Δ施胶剂重量％和/或所述Δ内键/Δ施胶剂负载等于或小于约0，优选小于-1，更优选小于-5，最优选小于-20。所述Δ内键/Δ施胶剂重量％和/或所述Δ内键/Δ施胶剂负载的该范围包括小于或等于0、-1、-2、-3、-4、-5、-6、-7、-8、-9、-10、-11、-12、-13、-14、-15、-16、-17、-18、-19和-20，包括其中的任何和所有范围和子范围。
在一个实施方式中，所述纸张衬底可证明内键的变化作为所述衬底包含的施胶剂的变化的函数即Δ内键/Δ施胶剂重量％，和/或作为施加到所述衬底上的施胶剂负载的变化的函数即Δ内键/Δ施胶剂负载当为正数时尽可能地小。即，随着纸张包含的施胶剂的量的逐渐增加或随着施加到纸张上的施胶剂负载的量的逐渐增加，所述内键也是增加的，但以非常小的增量而增加。优选地，所述Δ内键/Δ施胶剂重量％和/或所述Δ内键/Δ施胶剂负载等于或小于约100，优选小于75，更优选小于50，最优选小于25。Δ内键/Δ施胶剂重量％和/或所述Δ内键/Δ施胶剂负载的该范围包括小于或等于100、95、90、85、80、75、70、65、60、55、52、50、47、45、42、40、37、35、32、30、28、25、22、20、18、15、12、10、7、5、3和1，包括其中的任何和所有范围和子范围。
在一个实施方式中，当在施胶压制机中以12重量％、13重量％、14重量％或16重量％，或甚至更大的施胶剂固体含量来施加所述施胶剂时，所述Δ内键/Δ施胶剂负载小于55，优选小于40，更优选小于30，最优选小于25。在另个实施方式中，当在施胶压制机中以15重量％、16重量％或17重量％或甚至更大的施胶剂固体含量来施加所述施胶剂时，所述Δ内键/Δ施胶剂负载小于55，优选小于40，更优选小于30，最优选小于25。在另个实施方式中，当在施胶压制机中以18重量％、19重量％或20重量％，或甚至更大的施胶剂固体含量来施加所述施胶剂时，所述Δ内键/Δ施胶剂负载小于55，优选小于40，更优选小于30，最优选小于25。当在施胶压制机中以12重量％、13重量％、14重量％、15重量％、16重量％、17重量％、18重量％、19重量％、20重量％或甚至更大的施胶剂固体含量来施加所述施胶剂时，上述这些范围的每个包括但不限于小于55、54、53、52、51、50、48、46、44、42、40、38、35、32、30、28、25、23、20、18、15、12、10、7、5、2、0、-1、-5、-10和-20，包括其中的任何和所有范围和子范围。
当在施胶压制机中使纤维接触所述施胶剂时，优选所述施胶溶液的粘度在100rpm和150℉下，使用布氏粘度计、2号锭时为100-500厘泊。优选地，按照上述标准测量的所述粘度为125-450，更优选150-300厘泊。如在100rpm和150℉下，使用布氏粘度计、2号锭时测量的该范围包括100、125、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、325、350、375、400、425和450厘泊，包括其中的任何和所有范围和子范围。
在施胶压制机中，当包含所述施胶剂的所述施胶溶液接触所述纤维以制备本发明的纸张衬底时，有效压区压力(nip pressure)可为任何压区压力，但优选为80-300，更优选90-275，最优选100-250lbs/线性英寸。所述压区压力可为至少80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290和300磅/线性英寸，包括其中的任何和所有范围和子范围。
此外，所述施胶压制机的辊可具有P&J硬度，优选任何P&J硬度。因为有两个辊，第一个辊可具有第一硬度，而第二个辊可具有第二硬度。所述第一硬度和第二硬度可相等和/或彼此不同。例如，在施胶压制机中第一个辊的所述P&J硬度可具有35P&J硬度的第一硬度，而第二辊具有35P&J硬度的第二硬度。或者仅用于例举，在施胶压制机中第一辊的所述P&J可具有35P&J硬度的第一硬度，而第二辊具有45P&J硬度的第二硬度。即使所述辊可具有任何P&J，在施胶压制机中优选所述辊较软而不是较硬。
所述纸张衬底可在含一个或多个压区(nip)的加压区中进行压制。然而，可使用造纸领域中通常已知的任何压制方法。所述压区可为但不限于在压制机中的单毛毯(single felted)压区、双毛毯(double felted)压区、辊压区和宽压区。然而，可使用在造纸领域中通常已知的任何压区。
所述纸张衬底可在干燥区域进行干燥。可使用在造纸领域中通常已知的任何干燥方法。所述干燥区域可包括和包含烘筒、滚筒干燥、Condebelt干燥、IR或本领域中已知的其它干燥方法和机械。所述纸张衬底可干燥至包含任何选择量的水。优选地，将所述衬底干燥至包含小于或等于10％的水。
所述纸张衬底可通过造纸领域中通常已知的任何砑光方法进行砑光。更特别地，例如，可使用湿堆砑光(wet stack calendering)、干堆砑光(dry stackcalendering)、钢压区砑光(steel nip calendering)、热软砑光(hot softcalendering)或宽压区砑光(extended nip calendering)等。
所述纸张衬底可根据造纸领域中通常已知的任何精密磨削方法进行精密磨削。精密磨削是涉及摩擦处理来加工纸张衬底的表面的方法。可将所述纸张衬底与施加于它的砑光方法或不与该砑光方法相继和/或同时地进行精密磨削。精密磨削的实例可见于美国公开专利申请20040123966和其所引用文献，以及2006年6月2日提交的名称为“PROCESS FOR SMOOTHING THESURFACE OF FIBROUS WEBS”的美国临时专利申请USSN60/810,181，这里它们通过引用而全部并入进来。
本发明的纸板和/或衬底还可包含至少一个涂层，包括两个涂层以及多个涂层。所述涂层可施加到所述纸板和/或衬底的至少一个表面上，包括两个表面。此外，所述涂层可穿透所述纸板和/或衬底。所述涂层可包含粘合剂。此外，所述涂层也可任选包含颜料。所述涂层的其它任选成分为用于印刷组合物的表面活性剂、分散助剂和其它常规添加剂。
所述衬底和涂层通过包括浸渗方法的任何常规涂层施加方法而彼此接触。施加所述涂层的优选方法是具有一个或多个设备的串联涂敷方法。所述涂敷设备可为造纸领域中通常已知的任何已知涂敷装置，包括如刷、棒、气刀、喷雾、帘、刀刃、转移辊、反向辊和/或流延涂布装置，以及它们的任何组合。
所述涂敷的衬底可在干燥区域进行干燥。可使用造纸和/或涂敷领域中通常已知的任何干燥方法。所述干燥区域可包括和包含IR、空气冲击干燥机和/或蒸汽加热干燥罐，或涂敷领域中已知的其它干燥方法和机械。
所述涂敷衬底可根据造纸领域中通常已知的任何抛光方法进行抛光。包括一种或多种抛光设备的该抛光方法的实例包括光泽砑光(gloss calendar)、软压区砑光(soft nip calendar)和/或宽压区砑光。
制备本发明的所述组合物、颗粒和/或纸张衬底的这些上述方法可加入到任何常规造纸处理中以及转化处理中，这些方法包括磨光、砂磨、切开、擦划、穿孔、发火花、砑光、纸张抛光、转换、涂覆、层压、印刷等。优选的常规方法包括适用于生产能够用作涂敷和/或无涂敷纸张制品、纸板和/或衬底的纸张衬底的那些方法。教科书如在G.A.Smook(1992)，Angus WildePublications的“Handbook for pulp and paper technologists”中描述的那些，这里通过引用而全部并入进来。例如，可根据已知的机械、热机械、化学品和半化学品等、制浆和其它公知的制浆方法通过任何已知的合适的消化、精炼和漂白操作而制备纤维用于造纸。在特定实施方式中，可从非木质的草本植物中提供至少部分纸浆纤维，所述草本植物包括但不限于洋麻、大麻、黄麻、亚麻、剑麻或蕉麻，尽管由于法律约束和其它考虑可使得大麻和其它纤维来源的使用是不切实际的或不可能的。在本发明的方法中可使用漂白或未漂白的纸浆纤维。
所述衬底还可包括其它常规添加剂如淀粉、矿物质和聚合物填料、助留剂和强化聚合物。在可使用的所述填料中可为有机和无机颜料，例如矿物质如碳酸钙、高岭土和滑石以及膨胀和可膨胀微球。其它常规添加剂包括但不限于湿强度树脂、内部胶料(internal size)、干强度树脂、明矾、填料、颜料和染料。所述衬底可包括填充剂如可膨胀微球、纸浆纤维和/或二酰胺盐(diamide salt)。
具有膨化能力的可膨胀微球的实例是描述于2005年3月11日提交的，标题为“COMPOSITIONS CONTAINING EXPANDABLE MICROSPHERESAND AN IONIC COMPOUND，AS WELL AS METHODS OF MAKING ANDUSING THE SAME”的美国专利申请60/660,703中，以及2006年3月13日提交的美国专利申请11/374,239中，这里它们通过引用而全部并入进来。其它实例包括见于1999年5月19日提交的美国专利6,379,497和2004年6月1日提交的具有公开号20060102307的美国专利申请中，这里它们通过引用也全部并入进来。当加入该填充剂时，每吨纤维素纤维可加入0.25-20，优选3-15磅的填充剂(例如可膨胀微球和/或组合物和/或以下讨论的颗粒)。
填充纤维的实例包括例如机械纤维，如，细磨木浆、BCTMP和其它机械和/或半机械纸浆。更特定典型实例如下提供。当加入该纸浆时，占总重量的0.25-75重量％，优选小于60重量％的所用纤维可来自该填充纤维。
二酰胺盐的实例包括描述于2003年9月15日提交的公开号为20040065423的美国专利申请中的那些，其在这里通过引用而全部并入进来。该盐包括氨基乙基乙醇胺(aminoethylethalonalamine)的单-和二-硬脂酰胺，其商业上称为Reactopaque100，(Omnova Solutions Inc.，PerformanceChemicals，1476 J.A.Cochran By-Pass，Chester，S.C.29706，USA，其被总部在Ondeo Nalco Center，Naperville、Ill.60563 USA的Ondeo Nalco Co.出售)或其化学等价物。当使用该盐时，可使用以重量折干计算为约0.025-约0.25重量％的所述二酰胺盐。
在本发明的一个实施方式中，所述衬底可包括填充剂如描述于2005年3月11日提交的标题为“COMPOSITIONS CONTAINING EXPANDABLEMICROSPHERES AND AN IONIC COMPOUND，AS WELL AS METHODSOF MAKING AND USING THE SAME”的美国专利申请60/660,703中的那些，其在这里通过引用而全部并入进来。以下对该实施方式进行详细说明。
基于所述衬底的总重量，本发明的所述纸张衬底可包含0.001-10重量％，优选0.02-5重量％，更优选0.025-2重量％，最优选0.125-0.5重量％的本发明所述组合物和/或颗粒。该范围包括0.001、0.005、0.01、0.05、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0重量％，包括其中的任何和所有范围和子范围。
本发明的所述纸张衬底可包含的填充物(手段)/剂为0.25-50，优选5-20干燥磅/吨成品，当该填充物(手段)为添加剂时。该范围包括0.25、0.5、0.75、1.0、2.0、2.5、3.0、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、11、12、13、14、15、20、25、30、35、40、45和50干燥磅/吨成品，包括其中的任何和所有范围和子范围。
当所述纸张衬底包含填充剂时，所述填充剂优选是用于膨胀纸张制品和衬底的可膨胀微球、组合物和/或颗粒。然而，在该特定实施方式中，可使用任何填充物(手段)，而随后的所述可膨胀微球、组合物和/或纸张衬底是优选的填充物(手段)。其它可选择填充物(手段)的实例可为但不限于表面活性剂、Reactopaque、预膨胀球，BCTMP(漂白的化学-热机械木浆)、精密磨削和用于在纸张或纸板衬底中产生I-梁效果的叠层构造。当并入或施加到纸张衬底中时，该膨胀方法在缺少粗砑光条件(即在每个砑光装置中，在单个压区和/或较少压区的压力下)的情况下可提供足够的打印质量、厚度、定量等，仍然产生了具有单个、部分或结合的这里提及的物理规格和性能特性的纸张衬底。
当本发明的所述纸张衬底包含填充剂时，优选的填充剂如下。
基于所述衬底的总重量，本发明的所述纸张衬底可包含0.001-10重量％，优选0.02-5重量％，更优选0.025-2重量％，最优选0.125-0.5重量％的可膨胀微球。
所述可膨胀微球可包含形成了其内部空隙的可膨胀外壳。所述可膨胀外壳可包含含有碳和/或杂原子的化合物。含碳和/或杂原子的化合物的实例可为有机聚合物和/或共聚物。所述聚合物和/或共聚物可为支链的和/或交联的。
可膨胀微球优选是包含热活化膨胀剂的可热膨胀热塑性聚合物空心球。可膨胀微球组合物的实例，它们的含量/成分，制备方法和用途可见于U.S.Pat.Nos.3,615,972、3,864,181、4,006,273、4,044,176、6,617,364中，这里它们通过引用而全部并入进来。更多参考文献见公开的美国专利申请：20010044477、20030008931、20030008932和20040157057，这里它们通过引用而全部并入进来。微球可由聚偏二氯乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸烷基酯、聚苯乙烯或氯乙烯制备。
微球可包含Tg为-150至+180℃，优选50至150℃，最优选75至125℃的聚合物和/或共聚物。
微球也可包含至少一种起泡剂，通过施加适量的热量其能在所述微球的内壁上提供内压力，该压力导致所述球膨胀。起泡剂可为液体和/或气体。此外，起泡剂的实例可选自低沸点分子及其组合。该起泡剂可选自低级烷烃如新戊烷、新己烷、己烷、丙烷、丁烷、戊烷和它们的混合物及异构体。异丁烷是用于聚偏二氯乙烯微球的优选起泡剂。合适的涂敷的未膨胀微球和膨胀微球公开在美国专利4,722,943和4,829,094中，这里它们通过引用而全部并入进来。
所述可膨胀微球在未膨胀状态下的平均直径可以为约0.5-200微米，优选2-100微米，最优选5-40微米，其在最大膨胀状态下达到所述平均直径的约1.5-10倍，优选2-10倍，最优选2-5倍。
所述可膨胀微球可为带负电或带正电的。此外，所述可膨胀微球可为中性的。更进一步地，所述可膨胀微球可引入到本发明的组合物和/或颗粒中，所述组合物和/或颗粒在10-6M至0.1M的离子强度时在为约9.0或更小的pH下具有大于或等于0mV的净ζ电势。
在本发明的所述组合物和/或颗粒中，所述可膨胀微球可为中性的、带负电的或带正电的，优选为带负电的。
此外，本发明的所述组合物和/或颗粒可包含具有上述和下面公开的同样物理特性的可膨胀微球，并可以如上和如下所述的用于所述可膨胀微球的相同方法和相同量而引入到根据本发明的所述纸张衬底中。
更进一步地，本发明的所述组合物和/或颗粒可包含可膨胀微球和至少一种离子化合物。当本发明的所述组合物和/或颗粒包含可膨胀微球和至少一种离子化合物时，本发明的所述组合物和/或颗粒在10-6M-0.1M的离子强度和约9.0或更小的pH下具有大于或等于0mV的净ζ电势。优选地，如通过分析和物理领域中已知的测量ζ电势的标准和常规方法所测得的，优选在室温下使用显微电泳法的方法所测量的，在10-6M至0.1M的离子强度和约9.0或更小的pH时，所述净ζ电势大于或等于零至+500，优选大于或等于0至+200，更优选大于或等于0至+150，最优选+20至+130mV。
所述离子化合物可为阴离子和/或阳离子的，当所述可膨胀微球为阴离子的时则优选所述离子化合物为阳离子的。此外，所述离子化合物可有机的、无机的，和/或两者的混合物。更进一步地，所述离子化合物可为浆液和/或胶体的形式。最后，所述离子化合物可具有1nm-1微米，优选2nm-400nm的粒径。
所述离子化合物可为下面提及的和/或造纸领域中通常已知的任何任选物质和常规添加剂。更优选地，所述离子化合物可为下面提及的助留剂的任何一种或组合。
在本发明的所述组合物和/或颗粒中，离子化合物与可膨胀微球的重量比为1:500-500:1，优选1:50-50:1，更优选1:10-10:1，只要在10-6M至0.1M的离子强度和约9.0或更小的pH下所述组合物和/或颗粒具有大于或等于0mV的净ζ电势便可。
所述离子化合物可为无机的。所述无机离子化合物的实例可包括但不限于硅石、氧化铝、氧化锡、氧化锆、氧化锑、氧化铁和稀土金属氧化物。当与所述可膨胀微球接触时，所述无机物可优选为浆液和/或胶体和/或溶胶的形式并具有1nm-1微米，优选2nm-400微米的粒径。当所述无机离子化合物为胶体和/或溶胶的形式时，优选的化合物包含硅石和/或氧化铝。
所述离子化合物可为有机的。所述离子有机化合物的实例可为含碳化合物。此外，所述离子有机化合物可包含杂原子如氮、氧和/或卤素。更进一步地，所述离子有机化合物可包含含杂原子官能团如羟基、胺、酰胺、羰基、羧基等基团。此外所述离子有机化合物可包含多于一个的正电荷、负电荷或其混合物。所述离子有机化合物可为聚合的和/或共聚的，其可为环状、支化和/或交联的。当所述离子有机化合物是聚合的和/或共聚的时，所述化合物的重均分子量优选为600-5,000,000，更优选为1000-2,000,000，最优选为20,000-800,000。优选地，所述离子有机化合物可为含胺的化合物。更优选地，所述离子有机化合物可为多胺。最优选聚二烯丙基二甲基氯化铵(聚(DADMAC))、聚(乙烯基胺)和/或聚(乙烯亚胺)(poly(ethylene imine))。
本发明的所述组合物和/或颗粒可包含至少一种可膨胀微球和至少一种离子化合物，其中所述离子化合物接触所述可膨胀微球的外表面。该接触可包括其中用所述离子化合物涂敷和/或浸渍所述可膨胀微球的体系。优选地，当不希望被理论所限制时，所述离子化合物通过非共价内部分子力而连接到所述可膨胀微球的外表面上以形成具有内部可膨胀微球和在其上层敷有外部离子化合物的颗粒。然而，所述可膨胀微球层的外表面部分可以不完全被外部离子化合物层所覆盖，而所述可膨胀微球层的外表面部分实际上可被外部离子化合物层完全覆盖。这可导致所述可膨胀微球层的外表面的一些部分是暴露的。
本发明的所述组合物和/或颗粒可通过使所述可膨胀微球与所述离子化合物进行接触、混合、吸收、吸附等而制得。可膨胀微球和离子化合物的相对量可通过常规方法进行调整，只要在10-6M至0.1M的离子强度下和约9.0的pH下所得组合物和/或颗粒具有大于或等于0mV的净ζ电势便可。优选得，在本发明所述组合物和/或颗粒中，相互接触的离子化合物与所述可膨胀微球的重量比可为1:100-100:1，优选为1:80-80:1，更优选为1:1-1:60，最优选为1:2-1:50，只要在10-6M至0.1M的离子强度下和约9.0或更低的pH下所述组合物和/或颗粒具有大于或等于0mV的净ζ电势便可。
所述离子化合物和所述可膨胀微球之间的接触时间在毫秒至数年之间进行变化，只要在10-6M至0.1M的离子强度下和约9.0或更低的pH下所得组合物和/或颗粒具有大于或等于0mV的净ζ电势便可。优选地，所述接触发生0.01秒-1年，优选0.1秒-6个月，更优选0.2秒-3周，最优选0.5秒-1周。
在所述可膨胀微球与所述离子化合物接触之前，可膨胀微球和/或所述离子化合物均可分别为浆料、湿滤饼，固体、液体、分散体、胶体，凝胶。此外，可膨胀微球和/或所述离子化合物均可进行稀释。
本发明的所述组合物和/或颗粒在未膨胀状态下的平均直径可以为约0.5-200微米，优选为2-100微米，最优选为5-40微米，并且在最大膨胀状态下达到所述平均直径的约1.5-10倍，优选为2-10倍，最优选为2-5倍。
本发明的所述组合物和/或颗粒可在造纸之前和/或期间通过上述接触方法而制得。优选地，所述可膨胀微球和所述离子化合物进行接触以制备本发明的所述组合物和/或颗粒，并然后将该得到的本发明组合物和/或颗粒随后和/或同时接触以下提及的纤维。
所述纸张衬底可通过使填充剂(如上述的可膨胀微球和/或所述组合物和/或颗粒)连续和/或同时地接触纤维素纤维而制得。更进一步地，所述接触可在能使本发明的所述纸张衬底包含任何上述量的单独的或任何组合的纤维素和填充剂(如上述的可膨胀微球和/或所述组合物和/或颗粒)的容许浓度上发生。更具体地，本申请的所述纸张衬底可通过加入0.25-20，优选5-15，最优选7-12磅填充剂(如上述可膨胀微球和/或所述组合物和/或颗粒)/吨纤维素纤维而制得。该范围包括0.25、0.5、0.75、1.0、2.0、2.5、3.0、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、11、12、13、14、15、20、25、30、35、40、45和50干燥磅/吨成品，包括其中的任何和所有范围和子范围。
所述接触可发生在造纸处理中的任何时候，包括但不限于厚坯(thickstock)、薄坯(thin stock)、流浆箱和涂布机，优选的加入点为薄坯。其它加入点包括成浆池、原料箱和风扇泵的吸管。
所述纸张衬底也可通过使其它任选物质接触所述纤维素纤维而制得。所述接触可发生在造纸处理的任何时候，包括但不限于厚坯、薄坯、流浆箱、施胶压制机、水箱和涂布机。其它加入点包括成浆池、原料箱和风扇泵的吸管。所述纤维素纤维、填充剂、施胶剂和/或任选组分可以任何组合彼此之间连续、顺序和/或同时地进行接触。所述纤维素纤维和填充剂可在加入所述造纸处理之前或所述造纸处理期间以任何组合进行预混合。
如全文所使用的，将范围用作描述在包括其中所有子范围的范围内的每个值的简略表达方式。
根据上述教导在本发明上作出多种改变和变化是可能的。因此，可以理解在权利要求的范围内，可以以除这里特别描述之外的方式实施本发明。
相对于涉及本发明主题和所有其实施例的相关部分，这里引用的所有参考，以及它们所引用的参考在此通过参考而并入进来。
借助于以下具体实施例来详细地解释本发明，所述实施例并非以任何方式来限制本发明的范围。
实施例
实施例1
以下是对在量化上面描述的Q时所使用的一种方法的描述。
工艺使用报告
定量确定在z-方向上的淀粉渗透的新方法
Raj R.Bodalia，Steve Van Winkle和P.Johnson
工艺
分析科学-PDC
摘要：在该报告中研究和描述了使用图像分析(Lappalainen，Solasaari，Lipponen，2005)的用于确定量化淀粉渗透值Q的新方法。当在z-方向上的淀粉渗透降低时，无因次数Q全部接近于零。如果淀粉在z-方向上完全分布，所述Q全部值为0.5。在该研究中研究了三个纸张样品。纸盒板(carton)、C1S板和复印纸的Q全部值分别为0.2、0.5和0.5，这与视觉观察在定性方面是一致的。应注意的是图像分析数据并没有产生实际的淀粉的重量百分比或渗透深度，并且必须小心操作以免误报了数据。该方法可提供用于最优化和精调与淀粉-渗透有关的工艺参数的新手段。
前言
对于涉及纸张性能的相关工艺变量来说，在纸张和纸板中于z-方向上的淀粉渗透及其分布是很受关注的。在2005年4月的TAPPI涂料会议(TAPPICoating Conference)期间，引入了无因次数渗透值Q用来帮助评价淀粉渗透的图像分析数据(Lappalainen，Lipponen，Solasaari，2005)。该方法可便于对具有不同淀粉渗透水平的纸张样品进行半定量比较或分级。该报告的目的是使用标准复合显微镜和可免费获得的软件来重复作者的方法以确定在不同淀粉-施胶纸中的Q全部。
结果和讨论
选择具有不同淀粉水平的三个纸张和纸板样品进行评价。将来自每个样品的五个复制品进行横切片并用12/KI溶液(约2N)进行染色。使用光学显微镜在10X下对所述横截面进行拍照。代表性横截面的显微照片示于图1中。
在该研究中使用了图像分析免费软件ImageJ(从http://rsb.info.nih.gov/ij下载)。将图像转变成具有增强对比度的8-位灰度(在所有范围内归一化)。将所述饱和像素值设置成默认值、0.5％，并选择自动阈值选项。将所述横截面分成相等厚度的四个矩形部分(感兴趣的四个相等的区域，“ROI”)并将这些部分定义为顶部、顶部-中间、中间-底部和底部。基于所述自动阈值，计算了在每个ROI内部的碘染色部分的面积分数。使用如下显示的方程式计算了渗透值Q顶部和Q底部。然后作为从两个侧面得到的所述渗透值的加权平均而计算了平均渗透值Q全部。
Figure A200780008174D00301
Figure A200780008174D00302
上述方程式显示，当淀粉渗透值降低时，Q可达到零。如果淀粉在z-方向上均匀分布，Q值为0.5。如果Q>0.5，则在横截面样品的内部比其表面有着更多的淀粉。
三个纸张样品的结果见表1中。所述结果与对样品显微照片的视觉观察结果良好匹配。对于用于纸盒板样品的所述图像，淀粉仍然保留在表面上而没有在z-方向上渗透。其他样品显示出在表面上的淀粉浓度更高但也显示出完全的渗透。
表1.不同样品的无因次渗透数Q
 
样品 Q
液体纸盒板 0.2(±0.08)
C1S纸板 0.5(±0.01)
复印纸 0.5(±0.01)
根据这里所述方法得到的淀粉渗透值Q不能直接解释为淀粉含量分布：逐字比较了阈值灰色水平百分比，这些可能与淀粉重量百分比没有直接关系。例如，假定选择的灰色阈值等价于5重量％淀粉。则超过5％的任何淀粉百分比都将超出所述阈值且在5％和更高之间没有区别。
从前面的实施例中，可容易地推断出图像分析方法对在阈值的差异是敏感的。尽管并非是以统计上的精确度来进行，但不同分析者使用手动阈值处理对这些样品进行的重复试验显示，计算的面积百分比对阈值中的较小偏差并不敏感。也许更重要的，未发现自动阈值功能引入显著的额外偏差。
值得注意的是这些样品在反射光中进行成像且在白色纸张和淀粉-碘络合物之间的反差是明显的。在透射光中，如使用薄环氧嵌入的横截面(thinepoxy-embedded cross section)一样，更难以从紫色碘-淀粉络合物中分离气泡和填料的区域(阻断光)：它们可在类似的灰度等级设定阈限。
在图像收集期间使用了灰度等级参考靶以确保可重复的反射光照明。还使用了背景光以帮助改善对比度和照相响应。在将来的工作中可考虑这些在工艺上的改进。
总结
在该研究中重复了通过计算无因次渗透值Q全部来评价淀粉渗透的半定量法。该数值可用来比较淀粉在不同纸张样品中的渗透以确定不同造纸处理的效果。
参考文献：
Lappalainen，T，Lipponen，J，Solasaari，T.(2005)Novel method forquantitative starch penetration analysis through iodine staining and imageanalysis of cross-sections of uncoated paper and board.Presented at TappiCoating Conference，April 2005，Toronto.
分布：
Standard c：R.B.Phillips(MTC)，N.Marsolan(MTC)，S.Arenander(MTC)，D.Crawshaw(PDC)，C.Campbell(PDC)
Additional c：H.Munn(Augusta Mill)，K.Singh(PDC)，T.Arnson(PDC)，R.Williams(PDC)，A.Anderson(PDC)，David Reed(PDC)，S.Lucia(PDC)，B.McGaffin(MTC)，M.Bovee(MTC)，Dennis Reed(MTC)，D.Turner(PDC)，B.Schweikert(PDC)，R.Rudolph(PDC)，L Bednarik(PDC)，J.Jackson(MTC)，G.Bachman(MTC)
附件：
图1.纸张和纸板样品的横截面的照片(10x)
Figure A200780008174D00331
液体纸箱板(阈值处理后)
Figure A200780008174D00332
C1S板(归一化的灰度等级)
Figure A200780008174D00333
复印纸(如所记录的)
实施例2
以下是对在量化上面描述的Q时所使用的另一种方法的描述。
方法：
将纸张切割成1cm宽然后在机械加工的不锈钢块之间夹紧。通过单棱剃刀沿着磨光不锈钢夹具的面平齐地快速拖动，切掉伸出的纸张而制得了横截面。在仍然夹紧的同时，所述纸张样品用碘/碘化钾溶液(约0.1N)染色。对于该方法，将一滴所述碘溶液拖动横过所述X-截面并然后擦去。在记录图像之前，使所述润湿样品反应并吸收至少三分钟。将所述纸张从所述夹具中向前移出约1mm(是作为计量器的吸墨纸(blotter)的双倍厚度)并重新固定。
通过安装在用于上-照明(epi-illumination)和偏振光分析的OlympusBX-40复合显微镜上的数码显微照相机(Olympus DP-10，SHQ jpeg模式，1280×1024像素)沿着横截面而从随机位置得到图像。在图像获取期间两个偏光器滑片(polarized slide)位于适当位置。通过推进所述横截面确保了随意的图像获取，而没有观察照相机屏幕或通过所述显微镜来观察。
所述显微镜装备12v卤化物照明装置。所述照明装置设置为约11v。在右目镜上使用外部显微镜测光计(Olympus EMM7)以监测反射光。使用灰漆纸张碎片(gray paint-on-paper chip)(Sherwin Williams Serious Gray，SW6256)作为反射标准片。测量所述光，在高(中间)测量带上为7/10全尺寸设置。使用在所述显微镜的入射光路内部的孔径光阑来降低光级。在7/10全尺寸处的等值曝光值为在1/125秒光圈值是f/3.5(使用安装在右目镜上调整到ISO100感光度的Nikon CoolPix 950数码照相机)，得到了为约10.5的曝光值(ev)(evl0.5比照相标准“阳光f/16”或ev15慢了4.5个光圈)。
切割所述SW Serious Gray paint碎片的长条以适合邻近所述染色纸张X-截面的所述不锈钢夹具的表面。这些长条提供了散焦中灰值的均匀背景，同时曝光了所述聚焦横截面。将所述照相机设置成矩阵测光模式(matrix-metermode)并自动曝光。使用20X物镜，产生了0.55mm的像域长度。三十个图像得到了总分析长度为16.5mm，超过了文献中报道的推荐最小值。
对于纸张的通常1cm宽的长条，收集6-8个图像。对于每个纸张样品，通常收集4-5个不同横截面的图像。在使用具有FoveaPro4图像分析插件(Reindeer Graphics，John Russ)的Adobe Photoshop5.5处理前，将所述jpeg图像(在所述DP-10照相机上所能得到的唯一模式)重新存为tiff格式。
使用FoveaPro 4软件的图像分析方法由多个步骤组成。第一个步骤包括背景拟合和减除；旋转横截面以获得水平的上表面并确定感兴趣的矩形区以包括尽可能多的横截面同时包括最少的背景。将理想的感兴趣矩形区与不均匀纸张周边拟合，产生了在深色染色的样品周边和更明亮的灰色背景之间的中间亮度。典型的背景区负载了160的像素亮度(在256，8位灰度等级上)，而深色染色区域的像素亮度低于40，因此所述横截面的边缘区域通常接近100的亮度级并倾向于全深色。选择绿色平面并转化为灰度等级(在PhotoShop中是自动的)，计算在rastor扫描中整个所述图像的平均像素深色度(在Photshop/FoveaPro中的嵌入命令：Filter/IP* Measure Global/Profiles/Vertical(平均为水平的))，产生了所述纸张横截面的从顶面到底面的平均像素亮度的分布。对于三十个图像中的每一个，收集这些X-截面亮度分布，输入MS Excel电子数据表并然后取平均。
因为在所述30个图像之间的厚度上有显著区别，在强度数据上的分散从左至右(所述横截面的顶面至底面)显著增大。物理上地，将淀粉施加到所述纸张的一个或多个表面上并发生渗透：右侧起点(顶表面)和左侧(底表面)一样确定。因此，第二次绘制所述数据，这次移动数据集使得右端在相同起点对齐。这可通过以下操作而实现：在Excel电子数据表中通过复制空单元格到每个数据栏的开始，移动数据栏使得在同一行结束，作为在30个样品数据集中的最大厚度样品。例如，认为数据集在厚度上的范围为0.1-0.15mm。对于厚度小的样品(厚度小于0.15)，在所述数据范围的开始插入空单元格，使得它们全部在所述电子数据表的同一最后行对齐，作为0.15mm样品。从每个所得数据集计算平均曲线。
从原始数据集计算平均厚度。这是所有迹线(trace)的直接平均值。
对于在前的实施例，假定所述平均厚度为0.12mm。为了组合两条平均曲线(原始和右移曲线)，从每个曲线的不太确定端截去0.3mm。这产生了在厚度上与平均厚度相一致的两个曲线，并能够得到从各个表面对局部深色最小值(dark minima)的穿透深度的最佳估值。
通过结合最佳左端(顶部穿透)和右端(右移，底部穿透)和使用在中央的两个曲线的平均值而产生了复合曲线。通过将所述深色最小值之间的距离等分成三份并平均中央的第三个区域而确定了该中部区域的长度。
在两个最小值之间画一条线。在顶部通过复合曲线和在底部通过所画的直线而界定了用于计算的感兴趣区域。通过使用施加到局部最小值之间的Excel的趋势线功能和沿上方曲线的点而计算了在所述感兴趣区域内部的曲线的每个引线(leg)的斜率，所述上方曲线的点定义为沿着所述两个最小值之间的曲线的加权平均亮度。
计算出另外的数据点作为在所述直线和所述上方曲线之间界定的面积。该面积在Excel中计算，作为面积的总和，其定义为所述曲线和直线之间的高度差乘以相邻测量点之间的校准距离，准确地类似于Reimann和。
计算“Q”值作为所述接近尾区的两个面积的和与所述感兴趣区域(尾区加上中部区域)的总面积的比例。
以下是上述方法的代表图。
Figure A200780008174D00361
上图示出三十条单独迹线组成的Thor数据集沿迹线左端对齐绘制(顶部)和沿迹线右端对齐绘制(底部)。在非对齐迹线端的偏差明显增大。从总的数据集，计算了厚度的估计值。从靠上的图可看出厚度为约0.11-0.14mm。计算出该数据集的平均厚度为0.118mm。
在每条曲线的弱端(poor end)将所述移动曲线的平均曲线截短到所述平均厚度。形成了在每端保留了最可靠数据的复合曲线。所述图表的中间部分是两条平均曲线的平均值。该中间部分的长度定义为两个最小值之间的中央的第三部分。
在两个最小值之间画线，界定了在所述图表中部的感兴趣区域。经计算沿着在最小值之间的所述强度曲线的加权平均强度为85.84，显示为在所述图表上的黑色水平线。从平均亮度和强度曲线的交叉点到基线(未显示)的垂直线界定了在感兴趣区域中的三个子区域以及用来计算斜率的所述强度曲线部分。该隔离区域的分析给出了三个值：在所述强度曲线和基线之间的总面积；在曲线的每个末端的斜率；和“尾部”中包含的面积与曲线下总面积的比例(模拟“Q”比例)。
Figure A200780008174D00391
Figure A200780008174D00401
如上所述，通过使用施加到局部最小值之间的Excel的趋势线功能和沿上方曲线的点而计算了在所述感兴趣区域内部的曲线的每个引线(leg)的斜率，所述上方曲线的点定义为沿着所述两个最小值之间的曲线的加权平均亮度。。该斜率代表了淀粉含量的减少速率，作为朝向纸张横截面中间的渗透性能的函数。因此，所画直线的斜率是强度单位/mm(穿过纸张横截面前进的距离，单位mm)。对于左引线(代表所述纸张上表面的斜率)，本发明具有1612.9强度单位/mm的斜率，而常规纸张衬底具有426.1强度单位/mm的斜率。因此，当穿过所述纸张的上表面到达所述纸张的中心时，本发明的所述纸张衬底具有更大的淀粉消失速率(通过斜率进行测量)，所述淀粉明显地朝向所述纸张的上表面大部分发生分离。对于右引线(代表所述纸张底表面的斜率)，本发明具有1408.9强度单位/mm的斜率，而常规纸张衬底具有663.46强度单位/mm的斜率。因此，当闯过所述纸张的底表面到达所述纸张的中心时，本发明的所述纸张衬底也具有明显更大的淀粉消失速率(通过斜率进行测量)，所述淀粉明显地朝向所述纸张的上表面大部分发生分离。
尽管实施例是这样的，但是优选本发明的所述纸张衬底的其横截面的至少一半(顶部一半或底部一半)能提供以下斜率(如上所测量)，使得本发明所述纸张衬底具有上述特性(如内键、湿膨胀率、IGT粘附测试和IGT VPP分层)中的任何一个或多个特性。所述斜率可大于700强度单位/mm，优选大于850强度单位/mm，更优选大于900强度单位/mm，最优选大于1150强度单位/mm。在更优选的实施方式中，本发明的所述纸张衬底具有其横截面的两个半分部分(顶部半分部分和底部半分部分)以提供以下斜率(如上测量)，使得本发明所述纸张衬底具有上述特性(如内键、湿膨胀率、IGT粘附测试和IGT VPP分层)中的任何一个或多个特性。所述斜率可大于700强度单位/mm，优选大于850强度单位/mm，更优选大于900强度单位/mm，最优选大于1150强度单位/mm。
实施例3
下面的表1和表2描述了在使用包含淀粉作为施胶剂的棒计量施胶压制机的试验造纸机条件下制得的41个纸张衬底。每种条件的细节例如线速率、施胶压制机压区压力、淀粉负载、总淀粉固体、施胶压制溶液粘度、辊P&J硬度等描述在所述表中。在该研究中使用的所述P&J硬度条件以下两类之一：第一类：第一辊的P&J硬度为35和第二辊的P&J硬度为35；和第二类：第一辊的P&J硬度为35和第二辊的P&J硬度为45。此外，所述纸张衬底的所得性能特征和物理性能在所述表中提及，例如内键、gurley孔隙度、湿膨胀率、挺度、TS(上表面)IGT粘附、BS(底表面)IGT粘附等。内键示于两列中，一列的单位为ft-lbs×10-3/in2(即ft-lbs)，另一列的单位为J/m2(即J)。这些列不是单独的测量值，而是提供用来例举在用于上述内键测量的两个单位之间的换算系数。
表1
Figure A200780008174D00421
表2
实施例4
在下面的实施例中，表述“×-100”是指具有包含可膨胀微球和离子化合物的颗粒的上述优选填充剂，使得所述颗粒在10-6M-0.1M的离子强度下在pH为约9.0或更小的条件下具有大于或等于0mV的ζ电势。
实施例1-×-100
方法的条件
 
硬木/软木＝60/40 对照 试验
施胶压制机上的淀粉固体，％ 8 16
粘度，cP 50 200
施胶压制机上的棒 35 SP002
物理测试
 
对照 试验 变化，％
定量 56.25 56.38
厚度 5.01 4.91
内键，md 122 70 -42.6
内键，cd 117 88 -24.8
G.孔隙度，s 8.7 12.4 42.5
G.挺度，mgf，md 287 301 4.9
G.挺度，mgf，cd 109 124 13.8
不透光性，％ 92.4 93.1 0.8
湿膨胀率，85RH-15RH，％ 0.951 0.916 -3.7
灰分含量，％ 14.5 14.8
淀粉含量，％ 6.13 6.63
实施例2-×-100
方法的条件
 
硬木/软木＝60/40 对照 试验
施胶压制机上的淀粉固体，％ 9.4 16.5
粘度，cP 50.4 204
施胶压制机上的棒 004 SP002
物理测试
 
对照 试验 变化，％
定量 56.3 56.3
厚度 5.18 5.14
内键，md 148 80 -45.9
内键，cd 147 85 -42.2
G.孔隙度，s 11.4 17 49.1
G.挺度，mgf，md 309 285 -7.8
 
G.挺度，mgf，cd 143 167 16.8
不透光性，％ 91.7 91.8 0.1
湿膨胀率，85RH-15RH，％ 1.194 1.01 -15.4
灰分含量，％ 13.47 14.03
淀粉含量，％ 5.53 6.13
试验2的总结
在C35上的第二个X-100试验的目的是研究机械运行性能、机器清洁度和性能发展，以及确认在更长的18lb运行的胶印性能。然后在2005年11月3日的试验中进行了高膨体试验(HiBulk)。基于第一个试验的结果，对基于配比牵引力(furnish pull)的6.2lb/T的加入速率进行试验4至5小时，同时指标定为施胶压制机的Thor条件。将该试验的小部分进行绒面装饰(vellum finished)；大部分进行砑光到用于出口等级的厚度规格。起始加入速率为3.1lb/T(基于配比牵引力；绒面装饰)，在该加入速率观测30分钟。一旦负载增加到目标6.2lb/T，在砑光重新回到规格之前制备一套牛皮纸制品。该套制品可用于比在起始试验中更广泛的物理试验中。
在主筛管进口(main screen inlet)加入预阳离子化的X-100(642-SLUX-80)。
该试验的目的是：
.确定牛皮纸制品在3.1lb/T加入速度时的填充效率。
.观察机械响应和识别造纸问题，包括电荷平衡、干燥剂沉积、纸张缺陷、阴影(shade)和蒸汽需求。
.在第一个试验中重复所述6.2lb的加入速率。
.确定厚度和挺度对离开卷纸机的6.2lb牛皮纸制品的多个样品的影响。
.证实在RIT具有更长运转(目标9个辊)的胶印性能。
试验条件为：
对照：标准18Ib，高膨体(牛皮纸)
条件1：3.1lb/吨X-100；牛皮纸砑光-只有第1套顶部的样品
条件2：6.2lb/吨X-100；牛皮纸砑光-1卷轴
条件3：6.2lb/吨X-100；砑制成4.0厚度
由于试验条件而导致的预计的消耗工时估计为2小时。
背景
在施胶压制机上以增多的淀粉固体和淀粉粘附力(pickup)而完成了该试验。试验了两级的X-100：6.2lb/吨和12.0lb/吨，上述两个加入速率均基于成吨的配比牵引力(基于总卷轴生产率的相应加入速度分别为4.6和9.0lb/吨)。用于该试验的X-100原料在Western Michigan University使用高分子量PEI进行了阳离子化。
度量系统厚度倾向(gauging system caliper trend)展示了快速和准确的响应。在较低的加入速度时在线厚度从4.0增大到4.2，在较高加入速度时从4.2增大到4.3，相当于5-7％的容积。轧机挺度值并没有显示出明确和一致的挺度改善(部分是由于少数可得数据的分散)，但轧制制品的测试和卷轴剥离分析(reel strip analysis)说明挺度为6-7％ CD并高达15％ MD。Gurley孔隙度并没有随着X-100的加入而改变，部分地因为达到了高的淀粉固体含量和粘附力。
在该短的试验中机器清洁度结果远小于期望，唯一已知结果是看到凝聚的X-100薄片随着试验的进行落到了基座上。此外，6号干燥器有一些非常轻微的变色，但在试验结束后没有达到要求的清洁水平。在任何其它机器表面上未观察到聚积。
在整个试验中将主要部分的蒸汽压力增大到最大值，并且即使这样，施胶压制湿度也超过了目标。由于主要部分的干燥问题毫无疑问使得生产运行可能不得不缓慢返回。
对照和试验产品已被用于flexo印刷(PDC)、胶印(RIT)和EP印刷(Erie)。在所有印刷样式中，两个试验产品与18lb高膨体对照产品显示出非常类似的印刷质量和切割尺寸性能(cut-size performance)。
试验2的试验概要
所述11月3rd试验中残留的642-SLUX-80 X-100浆液可用于本试验(产物在Western Michigan University已预先阳离子化)。
可在试验之前或期间通过IR测量主要部分烘缸的头温度。
在该试验中计划助留剂或PAC无变化。
引入等级(lead-in grade)标准为18lb牛皮纸HB。一旦该卷轴卷起，基于纸料流量，在主筛管进口以3.1lb/吨加入X-100。与造纸厂用水(millwater)一起使用静态混合器以在注入前减少浆液固体。一旦机器稳定，则收集流浆箱和白水样品用于首程(first pass)和灰分保留。一旦制成了该(牛皮纸)套，将X-100增大到用于条件2的6.2lb/T(在牛皮纸抛光时，一个稳定卷轴)。然后增大砑光以达到砑光规格。
试验2的浆液描述
所述阳离子化浆液的活性固体为30％。使用变速Moyno泵将这些原料计量加入到CT35上的薄坯系统中。从下表1和2中可估计加入速率和体积需求。
表1
C35剂量计算       250加仑零件箱(250 gallon totes)
假定和剂量计算
Figure A200780008174D00471
3,400rpm
356 卷轴调整(reel trim)
18 卷轴重
4.50％ lb 湿度
4.25％ lb 淀粉
16.5％ 填料
13.46 大约BD重量w/o淀粉或填料
31.32 大约TPH供应生产量(从计算值中去除FPR)
1,044 lb/分钟供应生产量
0.522 吨/分钟供应生产量(752 TPD)
Figure A200780008174D00472
注释：在供应生产量(如在前试验中)上计算的lb/吨负载。
在100％保留时在成品中的负载少25.3％
表2
估计的试验时间和浆液消耗
试验2的加入点
从前面对所述湿部的叙述中，该试验的最佳加入点是在主筛管进料处(图2)。阳离子化X-100还可使用造纸厂用水和静态混合器场区那个正常的30％稀释到0.3％-3.0％的范围。可在1.4-9.9lb/吨的加入速度下使用薄坯加入在Pensacola成功使用该方法。
Figure A200780008174D00482
取样
对照：3卷轴带
条件1(3.1lb/T牛皮纸)：3卷轴带
条件2(6.2 lb/T牛皮纸)：3卷轴带
来自每个辗轧卷纸机(具有机械边缘)的6个切割尺寸样品
工厂试验
包括对照条件的所有试验条件将经受完全的电池QC测试，结果进入到Proficy系统中。此外，在该循环中应测试18lb高膨体的每个卷轴的挺度。
产品评价
在RIT上按序号切割卷形物用于胶印评价。
停工期
从过渡开始到对照条件(如果机器不在18lb.HB上)直到机器重新开始正常生产的所有试验时间应作为在PPR(代码XXX-预定/空闲/市场条件)中的停工期。在试验和/或清理机器期间由于中断而导致的任何停工期都应归入到所述停工期中。
分配
Courtland：J.Everett，H.Whiteley，R.Morgan
CTS：
Loveland：A.Anderson，K.Singh，P.Froass，K.Mohan，T.Arnson，S.Arenander，T.Barnes
Memphis：R.Hartman，J.Krc，S.Smith
需求或LIMS No：L6051-05       日期：
需求者：                      设计编号：
需求者地点：PDC，178E
样品来源：相同
样品描述：新产品开发，“Postsaver”
问题描述：产品创新和支持提交了“Postsaver”纸张的三个样品以检验淀粉渗透性能。
测试方法：通过光学显微法的淀粉渗透。
结果和结论：将提交的样品使用刀片进行横切并用碘染色。然后在约10分钟后对所述样品进行成像。(见本文献的附件部分中的显微照片)
分析者：Pamela Johnson
附件：
显微照片
Figure A200780008174D00502
5L0309(10X物镜)                5L0309(20X物镜)
Figure A200780008174D00503
Figure A200780008174D00504
5L0310(10X物镜)                5L0310(20X物镜)
Figure A200780008174D00505
Figure A200780008174D00506
5L0311(10X物镜)                5L0311(20X物镜)
Figure A200780008174D00511
Figure A200780008174D00521
Figure A200780008174D00531
Figure A200780008174D00541
Figure A200780008174D00551
Figure A200780008174D00561
Figure A200780008174D00571
实施例5
得到40＂宽辊，50＂直径的轧制品。这些制品使用结合了60％牛皮浆松(kraft pine)的40％磨木浆而制成的。定量为17.5lb/1300ft2。
将所述纸张船运至试验涂布压制机(pilot coater press)。作为棒计量施胶压制机而操作该机器。在所述纸张上涂敷一层淀粉，平均为8％或160lb/吨的淀粉粘附力。在超过200cP的高粘度下以150deg F涂敷该淀粉。所用淀粉是Cargill 235D氧化淀粉。该施胶压制机在500fpm下运转。将所得纸张干燥至5％湿度，并进行砑光用于平滑抛光。然后运输纸张用于胶印测试。得到了用于物理测试的层样品。
结果显示得到了根据本发明的优良性能和Q值。从IGT VVP分层值为64-190N/m可知，显著地改善了表面强度。两个辊使用高粘油墨(high tackink)进行了清洁打印，这是出乎意料的。含木材纸张，如作为常规纸张的Abitibi Equal Offset通常在2000-3000直线英尺(linear feet)内需要严格的洗涤。运转了大于2000直线英尺而无洗涤。
实施例5的特性表
 
原料-辊2 原料-辊3 涂敷-辊2 涂敷-辊3
定量，lb/1300ft2 17.4 17.6 19.2 19.1
厚度，mil 4.22 4.11 3.82 3.55
Sheff，平滑度，TS 238 201 152 112
Sheff，平滑度，BS 223 192 147 105
Gurley孔隙度，％ 49 50.9 776.8 916.2
亮度，TS，％ 71.5 71.5 69 68
亮度，BS，％ 71.2 72.1 68.5 68.7
不透光性，％ 92.6 92.3 91.4 91.5
MD挺度，mg 93 99 113 107
CD挺度，mg 29 35 41 35
IGT分层，VVP N/m，TS 68 55 197 178
IGT分层，VVP N/m，BS 62 62 183 202
蜡粘，TS 10 10 14 13
 
蜡粘，BS 13 13 16 14
灰分，525，％ 15.8 16.21 15.06 15.07
淀粉，％ 0.93 0.9 8.2 7.7

Claims (28)

1.纸张衬底，包含
多个纤维素纤维；和
施胶剂；其中所述纸张衬底具有0.6-1.5％的湿膨胀率，不超过130J/m2的CD内部Scott键和/或不超过130J/m2的MD内部Scott键。
2.纸张衬底，包含
多个纤维素纤维；和
施胶剂，其中所述纸张衬底具有0.6-1.25％的湿膨胀率，不超过300J/m2的CD内部Scott键和/或不超过300J/m2的MD内部Scott键。
3.纸张衬底，包含
多个纤维素纤维；和
25-10gsm的施胶剂，其中所述纸张衬底具有0.6-1.25％的湿膨胀率，不超过300J/m2的CD内部Scott键和/或不超过300J/m2的MD内部Scott键。
4.纸张衬底，包含
多个纤维素纤维；和
25-10gsm的施胶剂，其中所述纸张衬底具有小于100J/m2/gsm的内键/施胶剂比，和0.6-1.25％的湿膨胀率。
5.权利要求4所述的纸张衬底，其中内键/施胶剂比小于或等于80J/m2/gsm。
6.权利要求4所述的纸张衬底，其中内键/施胶剂比小于或等于60J/m2/gsm。
7.权利要求4所述的纸张衬底，其中内键/施胶剂比小于或等于40J/m2/gsm。
8.纸张衬底，包含
多个纤维素纤维；和
25-10gsm的施胶剂，其中所述纸张衬底具有小于55J/m2/gsm的Δ内键/Δ施胶剂和0.6-1.25％的湿膨胀率。
9.权利要求8所述的纸张衬底，其中所述Δ内键/Δ施胶剂小于或等于40J/m2/gsm。
10.权利要求8所述的纸张衬底，其中所述Δ内键/Δ施胶剂小于或等于25J/m2/gsm。
11.制备纸张衬底的方法，包括：
使包含0.5-10gsm施胶剂的溶液接触多个纤维素纤维，其中所述溶液具有至少12重量％固体施胶剂的固体含量，并且使用布氏粘度计，2号锭，在100rpm和150°F下，所述溶液的粘度为100-500厘泊。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述溶液的粘度为150-300厘泊。
13.通过权利要求12所述的方法制备的纸张衬底，其中所述纸张衬底具有小于55J/m2/gsm的Δ内键/Δ施胶剂和0.6-1.25％的湿膨胀率。
14.通过权利要求12所述的方法制备的纸张衬底，其中所述纸张衬底具有小于100J/m2/gsm的内键/施胶剂比和0.6-1.25％的湿膨胀率。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述溶液包含至少15重量％的施胶剂固体含量。
16.通过权利要求15所述的方法制备的纸张衬底，其中所述纸张衬底具有小于40J/m2/gsm的Δ内键/Δ施胶剂和0.6-1.25％的湿膨胀率。
17.通过权利要求15所述的方法制备的纸张衬底，其中所述纸张衬底具有小于60J/m2/gsm的内键/施胶剂比和0.6-1.25％的湿膨胀率。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述溶液包含至少15重量％的施胶剂固体含量。
19.通过权利要求15所述的方法制备的纸张衬底，其中所述纸张衬底具有小于25J/m2/gsm的Δ内键/Δ施胶剂和0.6-1.25％的湿膨胀率。
20.通过权利要求15所述的方法制备的纸张衬底，其中所述纸张衬底具有小于40J/m2/gsm的内键/施胶剂比和0.6-1.25％的湿膨胀率。
21.根据权利要求19或20所述的纸张衬底，其中所述衬底的IGT粘附(IGT pick)至少为1。
22.根据权利要求19或20所述的纸张衬底，其中所述衬底IGT粘附至少为1.25。
23.根据权利要求19或20所述的纸张衬底，其中所述衬底的IGT粘附至少为1.5。
24.根据权利要求19或20所述的纸张衬底，其中所述衬底的IGT粘附大于1.7。
25.根据权利要求19或20所述的纸张衬底，其中所述衬底包含大于4gsm的施胶剂。
26.根据权利要求19或20所述的纸张衬底，其中所述衬底包含大于3.5gsm的施胶剂。
27.根据权利要求19或20所述的纸张衬底，其中所述衬底包含大于4gsm的施胶剂。
28.根据权利要求19或20所述的纸张衬底，其中所述衬底包含大于4.5gsm的施胶剂。
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