製造機械紙漿的方法
2023-10-06 11:01:04 1
專利名稱：製造機械紙漿的方法
技術領域：
本發明涉及由含纖維素的材料製造機械紙漿的方法，其中，該材料在至少一個精煉步驟中處理以生產紙漿。本發明還涉及一種由該方法製成的機械紙漿及一種至少部分含有這種機械紙漿的紙板。
背景技術：
機械紙漿大部分通常是CTMP(化學熱磨機械紙漿)，其在多層紙板結構中是主要的成分，並通常構成中心層的大約70％且佔紙板配料的高達50％。
為獲得紙板的高彎曲硬度，希望中心層在紙張密度儘可能低的情況下具有高強度。因此，有效的Scott結合鍵密度關係是必需的。為此，有兩個相反的方面需要考慮。首先，在精煉後的紙漿中只希望具有對強度和蓬鬆度有利的原材料成分。在某種程度上對強度和蓬鬆度沒有貢獻的其它成分基本上在系統中形成負擔，需要額外的乾燥容量。額外的漂白劑消耗等。另一方面，保留在紙漿中的各成分有利於較高的生產率。使機械紙漿相對於化學漿具有競爭性的一個方面是機械紙漿的較高生產率。
機械紙漿的另一重要方面是氣味特性，這與紙漿中存在的萃取物和錳直接相關。當紙漿用於食品或液體的相關技術領域所用的紙板時，氣味特性尤其重要。對所有類型的機械紙漿都是這樣。對於TMP(熱磨機械紙漿)來說，氣味問題非常嚴重，以致於現在在紙板中已經不使用這種紙漿了。如果用非氯氣漂白劑(特別是含有過氧化物的漂白劑)漂白紙漿，紙漿中殘留的含錳量帶來的問題導致漂白劑的較高消耗量，並增加了對複合劑的需求，如EDTA或DTPA，以便達到所需的亮度。此外，紙漿中殘留的萃取物含量導致較高的清洗要求，增加了水系統的汙染以及來自工廠的汙水。
漂白後的牛皮紙漿的實驗室研究表明基礎細顆粒對紙漿的漂白率具有負面影響(Backstroem，M.，Htun M.《在沒有基礎細顆粒的情況下提高漂白率》，1998年國際紙漿漂白會議，會議論文2，第333-336頁)。在射線細胞的影響的研究中也記載了對於牛皮紙漿漂白率的類似結果(westermark，U.，Capretti，G.《射線細胞對CTMP和牛皮紙漿的漂白率和性能的影響》，《北歐紙漿與紙研究》雜誌J3(1998)2，第95-99頁)。在後一份參考文獻中，還研究了機械紙漿中射線細胞的影響。結論是對於帶有射線細胞的CTMP紙漿和不帶有射線細胞的CTMP紙漿檢測不到漂白率的明顯差別。至於射線細胞對CTMP和TMP紙漿的強度和連結性能方面的貢獻，結論是對於紙漿附加一點射線細胞就導致較差的連結和強度性能。
在Rydholm，S.A.的《製漿過程》，科學之間，New York(1965)，第744頁中，建議使用特別設計的所謂「射線細胞過濾器」來分離亞硫酸鹽紙漿工業中含樹脂的射線細胞。
然而，對於機械紙漿來說，還沒有指定工業處理過程來解決與基礎細顆粒相關的問題，而這些問題對於機械紙漿是特有的，如氣味、強度和蓬鬆度等問題。沒有一個工業處理過程具有粗糙紙漿部分、沒有基礎細顆粒、或被處理而獲得對紙或紙板改進的紙漿性能。
發明內容
本發明的目的在於提供一種製造機械紙漿的方法，該方法能生產低密度(即高蓬鬆度)但仍有優良的強度性能(特別是在Z方向測量的，如Scott結合鍵)的紙漿，同時該紙漿的萃取物、錳含量較低。
為此，提出了如本發明權利要求1的一種方法。因此，通過在第一精煉步驟後分離紙漿以便將基礎細顆粒從紙漿中分離而實現本發明的目的。
在紙漿強度的改善過程中，產生細顆粒材料，有助於纖維的連結和紙張的固結。主要包括中間夾層碎片和由薄壁組織細胞形成的材料的基礎細顆粒含有大量的木質素和萃取物。基礎細顆粒通常限定為機械紙漿製造中第一精煉步驟產生的細顆粒。根據Bauer McNett，基礎細顆粒的粒徑小於200目。與在後續的精煉處理階段(即後精煉步驟)中由作為小纖維的次纖維壁產生的次細顆粒相比，基礎細顆粒對於紙漿強度的貢獻較小。次細顆粒的粒徑與基礎細顆粒大致相同，但如上所述，次細顆粒是在後精煉步驟中產生的。基礎細顆粒中DCM萃取物和過渡金屬的含量比整個紙漿高几倍。
通過在第一精煉步驟之後分離紙漿，對強度和蓬鬆度貢獻很小且含有大量萃取物和錳的基礎細顆粒可以與紙漿分開。紙漿隨後在進行或不進行廢料篩分的第二精煉步驟中受到後精煉，從而在紙漿中產生有助於強度的次細顆粒。需要澄清的是在本文中，第一精煉步驟定義為產生基礎細顆粒的精煉步驟，該基礎細顆粒主要包括中間夾層碎片和由薄壁組織細胞形成的材料，含有大量木質素和萃取物。這意味著產生基礎細顆粒的兩個連續的物理意義上不同的精煉步驟被認為是一個第一精煉步驟。
根據本發明的一個方面，第一精煉步驟適於在紙漿中產生較高打漿度，優選至少為500ml CSF，更優選的是600-800ml CSF，以便在紙漿中產生的基礎細顆粒含量為3-15％，優選為5-10％。優選的是，分離通過在任何類型合適的篩網上篩分來實現，優選是在至少一個彎曲篩中。還可以設想優選在至少一個旋風機中離心紙漿。分離可以在至少兩個步驟中完成。合適的是，紙漿在分離之前稀釋至幹固體約佔1-4％，優選為1-2％。
根據本發明的另一方面，以乾重量測量的3-15％，優選為5-10％的紙漿在分離步驟中從紙漿中分離出來。基礎細顆粒與紙漿分離的程度取決於所需的最終產品。被分出的基礎細顆粒被引導遠離所述木漿生產。
根據本發明的另一方面，紙漿在第一精煉步驟之後、所述分離步驟之前經歷處理步驟，在處理步驟中，紙漿經過一道或多道處理，包括在一定保持時間內稀釋、溫度升高和機械攪拌。這可以在所謂的等待箱中或任何類型的保持容器中進行。該處理步驟的目的基本上是使纖維在第一精煉步驟後拉直。
在精煉和分離步驟之後，紙漿經受漂白，優選為過氧化物漂白。可以使用各種含漂白劑的過氧化物，但過氧化氫是特別優選的。
用於該處理的含纖維素原材料可以是任何類型的木種，如硬木或軟木，也可以是任何類型的非木種，如蔗渣、稻草等。用於生產機械木漿的處理類型可以是CTMP，CMP，TMP或HTCTMP(高溫CTMP)。本方法製造的機械紙漿優選用於生產紙板，更優選的是用於與食品和液體相關應用的紙板，如食品或液體容器等。
本發明還涉及含纖維素材料製成的機械紙漿，該紙漿由本發明的方法製成，並且本發明還涉及至少部分由這種機械紙漿生產的紙板。
通過該方法，在給定的強度下，可以獲得比沒有經過分離的參考紙漿高至少5％並高達20％，優選為10-15％的蓬鬆度。同時，萃取物和錳含量相對於參考紙漿下降了大約50％。並且，以10-30天後己醛水平測量的紙漿的氣味性能也降低了多達80-90％。對於TMP紙漿，萃取物的減少以及隨之而來的己醛水平的降低特別有益，從而可以在與食品和液體相關紙板的應用中使用TMP紙漿，這在以前由於TMP紙漿較差的氣味性能而是不可能的。
在給定強度下較高蓬鬆度的結果是，紙板的定量由於在中間層需要較少的紙漿而降低。高蓬鬆度在一定程度上抵消了除去基礎細顆粒帶來的產量損失。如果第一精煉步驟產生較少的細顆粒，則產量損失可以通過進一步選擇性的分離而保持在低水平。
根據本發明的系統的環境問題可以以兩種方式解決。首先，由於在處理過程的早期除去了含有大量萃取物的基礎細顆粒，水系統將變得更清潔。與此同時，清洗的需求也減少。這導致從紙漿廠流出的廢水更少，也更清潔。其次，由於分離後的紙漿中殘留的較低含錳量，可以預期螯合/複合劑(EDTA或DTPA)的需求在清洗和漂白過程中都減少。這降低了螯合劑對環境的影響。
另一方面，只要含基礎細顆粒的水流得以適當地處理，對環境的優點就可以實現。技術上可行的方法是採用市售的設備使細顆粒材料稠化。稠化的細顆粒可以送回現有的能量回收利用系統，用於產生熱；或用於牲畜飼料；或用於紙漿、紙或紙板的其它生產線；或作為固體廢物處理掉。
去除基礎細顆粒可節省大量的化學品。通常為2-2.5kg/t的DTPA用量可被削減多達50％，即為1-1.3kg/t(以清洗和漂白過程中的螯合需求計算)。此外，在同樣亮度下所需的過氧化物和氫氧化物的消耗量也降低。對於分離了基礎細顆粒的紙漿來說，不採用DTPA的亮度最大值也會高很多，這在將來立法限制使用螯合劑的情況下是有益的。
下面將參照附圖描述本發明及其示例，其中圖1為示出本發明優選實施例的流程圖；圖2為示出對比試驗的流程圖；
圖3為示出本發明精煉後紙漿和參考紙漿的打漿度與精煉能量關係的圖線；圖4為示出圖3中紙漿的Scott結合鍵與打漿度關係的圖線；圖5為示出圖3中紙漿及後續精煉前對應紙漿的Scott結合鍵與密度關係的圖線；圖6為示出圖3中紙漿及後續精煉前對應紙漿的拉伸硬度指數與密度關係的圖線；圖7為示出圖3中紙漿及後續精煉前對應紙漿的透氣性與密度關係的圖線；圖8為示出圖3中紙漿在有螯合劑及無螯合劑控制下亮度與過氧化物填充量關係的圖線。
具體實施例方式
下面參照圖1描述本發明的方法。在精煉前，含纖維素的原材料可以以傳統方式預處理(如用加熱或化學方法)，這取決於要製造的紙漿類型。此後，原材料在第一(主)精煉爐1中經過第一精煉步驟。第一精煉步驟在要製造的紙漿中產生高打漿度，約650mlCSF。在隨後的處理步驟2中(即所謂的等待箱中)，纖維在一定的保持時間中並在稀釋、加熱和化學攪拌的影響下被拉直。離開處理步驟2的紙漿的濃度為大約5-6％，並在受到分離步驟4之前進一步在稀釋步驟3稀釋到大約1-2％。
在分離步驟4，多至15％的紙漿纖維與紙漿流分離，作為基礎細顆粒5，即根據Bauer McNett粒度級小於200目。在優選實施例中，在分離步驟中採用一個或多個彎曲篩。紙漿的剩餘部分6的濃度為大約4％，在與傳統一樣的處理過程中引導經過紙漿箱7，並進一步到達篩分步驟8，用於分離粗糙的材料。粗糙材料篩分步驟8中的廢料在壓力機9中稠化，並在精煉爐10中經受同時作為第二精煉步驟的精煉步驟，隨後循環回位於粗糙材料篩分步驟8上遊的紙漿流。粗糙材料篩分步驟8中的合格品在一個或多個清洗壓力機11、12中脫水並清洗，而達到大約20-30％的濃度。優選在清洗壓力機11、12之間進行附加的精煉步驟13或後精煉步驟。可以在HC(高濃度)或MC(中等濃度)或LC(低濃度)下，採用不同種類的精煉設備(如盤形精煉爐或錐形精煉爐)進行輔助精煉或後精煉步驟。第二輔助精煉步驟和可選擇的後精煉步驟產生次要的細顆粒，有助於紙漿的強度。
在最後的清洗步驟11、12後，紙漿優選被漂白，較優選的是非氯氣漂白，更優選的是過氧化物漂白，添加或不添加螯合劑/複合劑，如DTPA或EDTA。
在分離步驟4中分出的基礎細顆粒5的濃度大約為0.1-1％，基礎細顆粒在步驟14被脫水/淨化，濾出液15返回到處理過程，優選是返回到分離上遊的稀釋步驟3，和/或返回到處理步驟2。在脫水步驟14之後，濃度為大約4％的基礎細顆粒在例如螺旋壓力機16中進一步脫水至大約30％的濃度，隨後導引基礎細顆粒以熱量回收利用或其它的用途。示例CTMP紙漿的粒度級粒度級試驗對已經在第一精煉步驟精煉過的CTMP紙漿進行。試驗採用篩縫寬度為100μm的彎曲篩設備，在不同紙漿濃度、入口間隙、流速和液壓下進行(見圖2)。作為從彎曲篩濾去的廢料的細顆粒去除率為4.8～8.5％，如表1紙漿BSK4所示，選擇細顆粒去除率最高的細顆粒以便進一步研究。
表1彎曲篩的粒度級
表2 CTMP紙漿的Bauer McNett粒度級
入流的紙漿(基礎)與分離的紙漿(BSK4)比較，長纖維部分(＞16目)由於分離作用而從49.2％增加到53.6％。這同時伴隨著細顆粒含量從12％降低到8.2％，導致打漿度從590ml升高到650ml(見表2)。分離的CTMP的後精煉根據圖2，分離的紙漿和參考紙漿在第二精煉步驟精煉，以研究強度的改善。在此，「超CTMP」指的是脫水和後精煉步驟(即第二精煉步驟)後的BSK4紙漿。「參考」指的是稀釋、脫水和後精煉步驟後的基礎紙漿。試驗在20英寸的常壓精煉爐中進行。精煉條件是精煉濃度21％(對於參考紙漿)和24％(對於分離的紙漿)；盤間隙0.7-2.0mm；轉速1500rpm；生產率約60kg/h。
如圖3所示，兩種紙漿的打漿度以與精煉能量相同的方式降低。經過分離、後精煉的紙漿(超-CTMP)由於分離過程中基礎細顆粒的損失而需要大約200kwh/t多的能量以達到相同的打漿度水平。有趣的是，至於長纖維和細顆粒含量，超-CTMP和參考紙漿(參考)在第二精煉步驟後具有極相似的Bauer McNett曲線(見表2)。紙漿性能物理性能超CTMP和參考紙漿的物理性能在150g/m2的紙張上測試，以便具有良好的細顆粒保留率(在紙張成型過程中沒有白水循環)。
在標準壓榨條件(400kPa)下比較，超CTMP在給定的打漿度下具有較高的Scott結合鍵(見圖4)。至於其它的物理性能(如拉伸強度和拉伸硬度指數)，在相同的打漿度下比較時沒有明顯的差別。
然而，更有趣的是所產生的紙漿的強度-密度關係。為了進一步評價，紙張以不同的溼壓榨壓力製造，並且在後精煉到390ml CSF(為中間層CTMP的大致打漿度水平)之前和之後對紙漿進行測試。
在三個不同的壓力水平上保持優良的Scott結合鍵-密度關係，見圖5。儘管超CTMP似乎對溼壓榨的抗力更大，在相同打漿度和壓榨壓力下顯示較低的紙張密度，但Scott結合鍵對於兩種紙漿來說都隨著壓榨壓力的增加而增加。在Scott結合鍵為72J/m2時(對於紙板生產的CTMP來說為標準值)，密度從大約350kg/m3降低到300kg/m3，改善了約13％。
圖6示出了在拉伸硬度指數為3.7kNm/g時(對於紙板生產的CTMP來說為標準值)，後精煉的超CTMP也具有降低了約13％的密度。隨著溼壓榨壓力的增加，參考紙漿的拉伸硬度指數也接近於超CTMP，但在該高壓力下，蓬鬆度的損失則更加嚴重。
在後精煉之前，分離的超CTMP具有更差的拉伸硬度-密度關係，這大概是因為細顆粒去除導致的較高紙漿打漿度的關係。
在後精煉之前和之後，超CTMP在給定密度下的透氣率也高於參考紙漿的，見圖7。
後精煉紙漿的物理測試清楚地表明超CTMP在給定的拉伸硬度和Scott結合鍵條件下具有更開放和蓬鬆的結構。在可比Scott結合鍵和拉伸硬度條件下，改善的性能導致蓬鬆度升高了約13％，從2.9(密度350kg/m3)至3.3(密度300kg/m3)。更蓬鬆的結構應該賦予更高的彎曲硬度，且更易於在紙板機中乾燥。過氧化物漂白後精煉的分離後的紙漿具有390ml的打漿度，用過氧化物漂白以評價其漂白率。為進行比較，精煉到相同打漿度的參考紙漿(參考)也被漂白。
如圖8所示，在所有的過氧化物水平上，對於超CTMP都具有良好的漂白反應。在漂白時，在不添加DTPA的情況下差別不很明顯。這可以通過對超CTMP中11ppm與參考紙漿中18ppm的較高錳含量來解釋。在漂白過程中加入DTPA的情況下，對兩種紙漿來說漂白反應都改善，而紙漿漂白反應的差別也減小。
與化學成分相關的氣味性能採用酸水解，並隨之進行糖分析來測量分離的CTMP紙漿(超CTMP)和參考的CTMP紙漿(參考)中的化學成分。彎曲篩中基礎細顆粒的部分去除減少了剩餘細顆粒及整個紙漿中的木質素含量，見表3。作為含有較少木質素的次細顆粒，後精煉之後的細顆粒含有較少的木質素和較多的纖維素。由於富含木質素的基礎細顆粒的去除，對於超CTMP來說產生更大的差別。
如表4所示，超CTMP中萃取物含量(丙酮含量)低於參考CTMP50％。不飽和酸/酯的降低更加劇烈。原因可能是由於萃取物一般富含在由中間夾層、環繞射線細胞和樹脂通道的薄壁組織細胞產生的材料中，而它們又都存在於基礎細顆粒中，去除基礎細顆粒自然導致萃取物含量的減低。此外，由於過渡金屬(特別是錳)優選位於中間夾層和薄壁組織細胞中，基礎細顆粒的去除導致錳含量的降低。同時，以10天和30天後己醛值測量的紙漿氣味性能對於分離的超-CTMP降低了80-90％。儘管在該研究中比較的紙漿沒有象在清洗機中那樣徹底地清洗(圖2)，超CTMP的氣味性能是可以與徹底清洗的清洗機CTMP(-3階段)相比較的。在超-CTMP和參考CTMP之間較大的差別值得特別注意，這顯示了可以通過去除基礎細顆粒來實現的趨勢。
本發明並不限於上述實施例和示例，在權利要求書限定的範圍內可進行多種變化。
表3 CTMP和細顆粒的化學成分
表4 己醛分析和萃取物含量
*清洗機CTMP**6-8天
權利要求
1.一種由含纖維素材料製造機械紙漿的方法，該材料在至少一個精煉步驟中得到處理以生產紙漿，其特徵在於，在第一精煉步驟(1)後，有紙漿被分離的步驟(4)，以便使基礎細顆粒(5)與紙漿分開。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第一精煉步驟(1)適於在紙漿中獲得高排水度，優選至少為500ml CSF，更優選的為600-800mlCSF，以便在紙漿中形成的基礎細顆粒含量為3-15％，優選為5-10％。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，至少一部分紙漿在第二精煉步驟(10、13)中被處理，優選是在所述分離步驟(4)之後，從而在紙漿中產生次細顆粒。
4.如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述紙漿在第一精煉步驟(1)之後、所述分離步驟(4)之前經歷處理步驟(2)，在所述處理步驟(2)中，紙漿經歷以下的一種或多種處理稀釋、溫度升高、機械攪拌和保持時間。
5.如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述分離步驟(4)通過優選在至少一個彎曲篩上的篩分來進行或通過優選在至少一個旋風器中的離心作用來進行。
6.如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述分離步驟(4)在至少兩個步驟中進行。
7.如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，以乾重測量時，3-15％，優選是5-10％的所述紙漿在所述分離步驟(4)中與紙漿分開。
8.如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述分開的基礎細顆粒(5)被引導而遠離所述紙漿生產，並用於熱回收利用、牲畜飼料、或用於紙漿、紙或紙板生產的其它生產線。
9.如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，紙漿在精煉步驟(1、13)和分離步驟(4)之後受到漂白，優選為過氧化物漂白。
10.如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述紙漿為CTMP、CMP、TMP或HTCTMP。
11.如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述生產出的紙漿用於製造紙板，優選為用於食品或液體的相關應用中的紙板。
12.一種由含纖維素材料製造的機械紙漿，其特徵在於，其根據權利要求1-11中任一項所述的方法生產。
13.紙板，至少部分地由含纖維素材料製造的機械紙漿製成，其特徵在於，所述紙漿是根據權利要求1-11中任一項所述的方法生產的。
全文摘要
一種由含纖維素材料製造機械紙漿的方法,該材料在至少一個精煉步驟中得到處理以生產紙漿。根據本發明,在第一精煉步驟(1)後,有紙漿被分離的步驟(4),以便將基礎細顆粒(5)與紙漿分開。本發明還涉及一種由該方法製造的機械紙漿和至少部分包含該機械紙漿的紙板。
文檔編號D21B1/14GK1372611SQ0081238
公開日2002年10月2日 申請日期2000年9月6日 優先權日1999年9月10日
發明者安德斯·莫伯格, 弗蘭克·彭, 馬茨·弗雷德倫德 申請人:斯託拉·科帕伯格斯·伯格斯拉格斯公司