製備玉米杆漿及由玉米杆漿製備紙產品的方法

2024-04-10 16:51:05 2

專利名稱：製備玉米杆漿及由玉米杆漿製備紙產品的方法
背景技術：
發明領域本發明涉及一種用於分離玉米植物的一部分並從該植物中生產紙漿以製備紙產品的方法。更具體地，本發明涉及一種收割玉米植物的一部分的方法，也就是收割玉米植物的自地面上至約植物耳穗部分的方法。此外，本發明涉及一種通用的製漿方法，該方法包括機械、半化學和化學方法中的至少一種，以生產適用於各種紙產品的紙漿，並且從該紙漿中生產各種紙產品。
相關技術討論樹木為紙和紙板產品工業提供了主要的纖維供應來源。針葉木是非常適合於機械製漿的種類。當紙產品的強度很重要時，使用針葉木的化學漿。闊葉木的纖維比針葉木短得多，典型地不適合機械製漿而適合化學和半化學製漿。當表面平滑度和光學性能很重要時，在紙產品中使用闊葉木化學漿。木質纖維是很昂貴的，因為它會導致製漿時的高化學品投料量、蒸煮和精煉時的高能量輸入、和高成本的化學品回收系統。此外，木質纖維的環境影響是不利的。
農業殘餘物如玉米杆提供了一種有希望的纖維替代來源。特別是它們可作為製備紙產品的重要原材料，所述紙產品包括用於印刷、書寫、頂層掛麵紙板、襯墊、薄紙和其它特殊級別紙。此外，環境關注提升了使用農業纖維的興趣。開發用於製備紙產品的基於農業的資源對提高農場收益率和減少因燃燒和土地處理而產生的環境汙染是很重要的。現在，使用農業植物來製備紙產品還不受重視。在美國尤其如此，這裡每年可利用約284百萬噸的總農業殘餘物，包括150百萬噸玉米杆。在主要的紙漿和紙生產國家，把玉米杆作為造紙的一種纖維來源並不普及，因為那裡有足夠和可靠的製漿木材供應，可滿足大型資本密集型紙漿廠的原材料需求。基於農業殘餘物的大型紙漿廠需要大量提供體積很大的原材料，因而會產生運輸問題。此外，農業殘餘物是季節性的，因而會產生儲存問題。在收割時分離玉米杆殘餘物的適當部分會減少運輸和儲存問題。基於玉米杆的紙漿廠應是小型的和地區型的。任選地，可使用大型工廠，這取決於玉米杆的可獲得性和後勤供應。
包括非木材製漿和造紙的相關技術包括授予Hurter等人的美國專利6,302,997。該專利描述了用於造紙的非木材製漿方法。該方法使用玉米飼料(杆、葉和殼)，其含有低質量的纖維和大量碎屑。因而，在相關技術中出現了農場和工廠的運輸和儲存問題。此外，髓、葉和殼含有少量的優質纖維。因此，管狀磨床、運輸機、水力製漿機、泵、磁力分離器和脫水篩必須處理巨大體積的多餘材料。
因而，紙漿收率為39.6％，這是相當低的，歸因於在下遊處理中通常會被除去的大量低質量纖維的存在。這種低質量纖維消耗了化學品而不對在質量和數量上給紙漿帶來任何好處，同時工廠面臨因大量廢棄物而產生的巨大處理問題。相關技術使用常規的鹼性蒸煮方法。增加酸處理步驟、臭氧漂白步驟和過氧化物-漂白步驟使這種方法昂貴而複雜。這種方法還包括過氧化氫漂白時的高劑量化學品。儘管在前述美國專利中公開了令人感興趣的方法步驟，該發明還有許多缺點，例如1)處理含材料如髓、葉和殼的玉米飼料，所述材料具有極低的纖維價值；2)把多餘的物質運送至工廠產生了大量廢棄材料的運輸、儲存和處理問題；3)低的紙漿收率；4)在酸階段、漂白階段和調整pH時的高化學品消耗；5)該方法包括額外的步驟，會增加資本成本和操作費用；和6)該方法在鹼法蒸煮時節約能量但通過精煉會消耗更多的能量。
本發明關注具有優勢方法的非木材造紙。通過在農場建立收割、擠壓和排水工序，並且允許貨物的集中地點和儲存。或者，它將在玉米生長地區的中心建立小型工廠，在那些地區農場主們將擁有他們自己的儲存設備，並且會按工廠制訂的計劃把材料運輸至工廠。理想地，工廠儲存不應超過約15天以在空間上優化工廠。工廠應使用簡單且環境良性的方法以及低的資金和操作成本以與較大的基於木材的工廠競爭。目前這些方法並未在本領域被利用。
發明概述因而，本發明涉及生產紙漿和從漿中生產紙產品的方法，該方法基本上避免了相關技術的限制和缺點所帶來的一個或多個問題。例如，生產適用於造紙、製造頂層白色襯墊、製造襯墊和製造其他特種紙的紙漿的方法。該方法包括收割方法，用於在野外分離最適合用作纖維來源的玉米杆部分；在有或沒有蒽醌和/或其他催化劑的情況下，把所選擇的玉米杆部分用鹼性製漿溶液蒸煮；以及用不含氯元素的漂白溶液處理紙漿從而產生適於造紙的漂白紙漿。本發明的一個優點是提供一種玉米杆收割方法，可收割玉米杆植物的約耳穗以下的底部部分，這部分主要包含優質纖維和較少的髓，把植物的剩餘部分留在田野裡以供傳統的農田使用。
本發明的另一個優點是使用改良的木材切割器切割所選擇的玉米杆段。
本發明的另一個優點是將切割過的葉和髓與切割過的莖氣動分離。
本發明的另一個優點是在收割至蒸煮的過程中減少玉米杆的處理步驟。
本發明的另一個優點是在蒸煮器中接受高達15％的髓以簡化分離過程。
本發明的另一個優點是提供一種需要最少數量的處理步驟的玉米杆製漿方法。
本發明的另一個優點是提供一種在小至中等規模水平具有成本效率和環境良性的玉米杆製漿方法。
本發明的另一個優點是提供一種使用最少量的易於得到且便宜的設備的玉米杆收割和製漿方法。
本發明的另一個優點是提供一種在收割過程中的玉米杆處理系統，從玉米杆植物的約耳穗以下的底部部分與植物的剩餘部分分離，剩餘部分還可被農場主用於傳統的農田利用。
本發明的另一個優點是在收割過程中製作乾燥玉米杆的緊壓正方形大包，從而減少體積以避免運輸和儲存問題。
本發明的另一個優點是為所選擇的玉米杆的運輸和儲存建立一個管理系統。
本發明的另一個優點是把玉米杆從收集地點運輸到工廠。
本發明的另一個優點是在收割過程中，把玉米杆植物的廢棄部分留在田野裡以供調節土壤和其他傳統農田用途。
本發明的另一個優點是在收割和緊壓打包過程中減少玉米杆內的汙染物，從而減少在化學浸漬和蒸煮步驟之前的洗滌階段的熱水需求量。
本發明的另一個優點是切割玉米杆，然後在螺杆進料器中用熱水洗滌並壓縮，在進入蒸煮器前在螺杆進料器中用蒸煮化學品浸漬。
本發明的還一個優點是使用壓縮步驟，以從材料中去除水和可溶於熱水的浸出物，同時還增加蒸煮器的輸入量。
本發明的還一個優點是在壓縮步驟後立即加入蒸煮化學品，從而在連續蒸煮器中得到已分解原材料的更好化學品浸漬。
本發明的另一個優點是使用壓縮步驟以增加蒸煮器輸入並且增加液體對材料的浸漬。
本發明的另一個優點是使用標準造紙廠設備處理蒸煮過的纖維。
本發明的另一個優點是在約110至160℃範圍的低溫下，用約30至180分鐘的保留時間蒸煮原材料。
本發明的另一個優點是在洗滌和壓縮步驟後立即增加預處理步驟，其中纖維保護劑如MgCl2或MgCO3及類似物將會在約60至100℃的溫度範圍內被浸漬約30至60分鐘的一段時間。
本發明的另一個優點是通過用纖維保護劑導入預浸漬階段，使玉米杆化學漿中的半纖維素含量最大化。
本發明的另一個優點是在造紙過程中，通過與針葉木牛皮紙漿混合併使用溼部化學來利用玉米杆漿中的半纖維素含量。
本發明的另一個優點是發現玉米杆漿在典型造紙/造板供料中的協同效應。
本發明的另一個優點是在有或沒有催化劑如蒽醌及類似物存在的情況下，使用較少的化學品如8至20％的活性鹼。
本發明的另一個優點是在不含氯元素的漂白過程中使用較少的化學品。
本發明的另一個優點是應用二氧化氯、鹼性提取物、過氧化物、臭氧和氧漂白階段以獲得到約80至95％的亮度。
本發明的另一個優點是在蒸煮液體或漂白液體中避免基於硫的化學品以保持對環境良性的製漿和漂白過程的責任。
本發明的另一個優點是在漂白後把纖維分級為長纖維(主要來自玉米杆外殼)和短纖維(主要來自髓)。
本發明的另一個優點是使用玉米杆漿製造各種級別的紙，甚至不必把纖維分級為長纖維碎片和短纖維碎片。
本發明的另一個優點是在與經漂白的針葉木牛皮紙漿(進行或不進行預先精煉)和填充物的混合物中使用化學漿的靈活性。
本發明的另一個優點是長纖維碎片將被精煉至約250-500mlCSF，然後在造紙步驟前被加入到短纖維碎片中。
本發明的另一個優點是玉米杆製漿方法，它通過減少洗滌階段的次數、把稀釋和增稠階段的次數最小化、儘可能多地循環內部水而使用水量最小化。
本發明的另一個優點是通過如下步驟改善從經漂白的玉米杆漿中製得的紙的質量加入約5至20％的經漂白的針葉木牛皮紙漿、約5至60％的無機填充物、約0.25至4％的澱粉、約0.025至0.5％的上漿劑、陽離子、陰離子和/或兩性助留劑及類似物。
本發明的另一個優點是，在與經漂白的針葉木牛皮紙(進行或不進行預先精煉)和填充物的混合物中在進行或不進行精煉的情況下使用玉米杆化學漿。
本發明的另一個優點是，在與經漂白的針葉木牛皮紙漿、經漂白的闊葉木化學漿及填充物的混合物中使用經漂白的玉米杆化學漿。
本發明的另一個優點是在與闊葉木CTMP(化學-熱機械漿)和/或BCTMP(經漂白的化學-熱機械漿)及填充物的混合物中使用經漂白的玉米杆化學漿。
本發明的另一個優點是在與經漂白的玉米杆化學-熱機械漿(CTMP/BCTMP)、經漂白的闊葉木機械漿、經漂白的針葉木牛皮紙漿及填充物的混合物中使用經漂白的玉米杆化學漿。
本發明的另一個優點是在與闊葉木化學漿和/或經漂白的闊葉木機械漿、經漂白的針葉木牛皮紙漿及填充物的混合物中使用經漂白的玉米杆機械漿。
本發明的另一個優點是在與未漂白的針葉木牛皮紙漿和/或未漂白的針葉木半化學(牛皮紙)紙漿的混合物中使用未漂白的玉米杆化學和/或半化學漿以製備包裝級別紙。
本發明的另一個優點是在多層紙的外層應用經漂白的玉米杆化學漿與經漂白的針葉木牛皮紙漿(0至10％)及填充物(10至60％)的混合物。該紙的內層可包含低質量的纖維如再生纖維、次等原始纖維、含提取物的紙漿以及不適合暴露在紙表面的紙漿。
本發明的另一個優點是通過把經漂白的玉米杆化學漿與經漂白的針葉木牛皮紙漿(0至10％)、填充物(0至60％)、以及非常少量的澱粉、上漿劑和助留劑混合起來，從而把經漂白的玉米杆化學漿應用在頂部襯墊中。
本發明的另一個優點是在使用由闊葉木漿、針葉木漿和填充物組成的材料供應的現有工廠中使用經漂白的玉米杆化學漿，從而通過玉米杆漿的高纖維結合性能增強紙的強度特性。
本發明的另一個優點是使用經漂白的玉米杆化學漿以增加填充物在紙中的保持力而不損失紙的強度特性。
本發明的另一個優點是把未漂白的玉米杆化學漿和未漂白的化學或半化學針葉木牛皮紙漿同時使用，從而增加紙如袋紙、包裝紙等的強度特性。
本發明的其它特徵和優點將列於下面的描述中，並且從該描述中部分會變得顯而易見，或可通過實施本發明學習到。本發明的目的和其它優點可通過在書面描述、權利要求書及附圖中特別指出的結構實現並獲得。
附圖簡述附圖被包括以提供對本發明的進一步理解，被包含並構成本發明的一部分，闡明了本發明的實施方案，並且與說明書一起用於解釋本發明的原理。


圖1是描述玉米杆漿的化學製漿過程的流程圖。
圖2是描述玉米杆漿的機械製漿和高收率製漿過程的流程圖。
圖3是描述從玉米杆漿製造紙的過程的流程圖。
圖示實施方案詳述現在美國的造紙業所處的狀況與鋼鐵業多年前所處的狀況一樣。小型現代化鋼鐵廠比大型工廠更有效率。因而，現在是尋找技術來發展小型高效製漿和造紙廠的時候了。也是尋找便宜的纖維來源以面對來自高收率的種植樹木如桉樹、金合歡等競爭的時候了。農業剩餘物如玉米飼料作為一種便宜的纖維來源可與桉樹和金合歡競爭。潛在的世界範圍的玉米飼料供應量每年約超過750百萬噸，而僅美國每年就可提供約150百萬噸。
本發明強調了造紙業轉向小型工廠方法和使用農業剩餘物如玉米杆及類似物作為纖維來源的需要。該方法是壓縮浸漬和化學方法的結合，可產生高質量紙漿。
術語農業剩餘物用於確定從植物上分離掉主要農作物後還留在農田裡的材料。例如，玉米杆是一種農業剩餘物，因為在收割完主要產物玉米後它還留在農田裡。目前剩餘物玉米杆具有極小或不具有商業價值。當然，其它農業剩餘物也可被利用並且已被預期使用。
本發明提供一種具有成本效率和環境良性的方法。例如，一個階段的壓縮浸漬和製漿和三至七個後續階段的漂白把所選擇的玉米杆部分轉變為高質量、高度光澤的造紙紙漿，具有優良的強度、清潔度及排水率。本方法利用玉米杆植物在其約耳穗以下的一部分，如在玉米杆植物底部大約2至3ft(沒有葉和殼)。這些部分在不使用任何類型的機械或化學除髓時含有高達約15％的髓，因而會產生強度特性的紙漿，該特性在實驗室規模試驗時類似於和/或優於闊葉木漿的特性。此外，對於所選擇的玉米杆部分可實現總紙漿收率為約46-50％，這等於或高於闊葉木漿的總收率值。闊葉木漿方法使用較苛刻的製漿條件和較昂貴的製漿和漂白工藝。本發明的方法建立了使用低化學品投入量、低溫和低壓時的高收率。
玉米杆處理階段本發明的方法包括一個獨特的收割過程，此過程分離玉米杆植物的一部分，即植物的自地面至約耳穗的部分。例如所分離的部分可以是玉米杆植物的約底部2至3ft。當然，這取決於植物的特性。所分離的玉米杆部分被壓緊為一個大包。例如，它們被壓緊為一個正方形或長方形的大包，在農場中儲存直到預定時間，然後被運輸至工廠。
在製漿時使用包括葉和殼的整個玉米杆會產生低收率且消耗更多化學品而不會有任何實際利益。
在化學-熱-機械製漿時常用而在化學製漿中從不使用的壓縮浸漬物步驟已用於不同的目的。
本發明在製漿時使用的鹼性製漿步驟比闊葉木製漿方法中使用的要溫和。製漿步驟既使用間歇過程，也使用連續過程。例如，潘迪亞(Pandia)型連續蒸煮器適合用於玉米杆的鹼性製漿。蒸煮器中的漿含有少量木素，例如8至10卡帕。此外，通過使用比闊葉木製漿過程較少的步驟，此漿可被漂白至高亮度且獲得相似收率。
本發明的方法可用以下順序實施，然而，還已預期該順序可發生改變。
玉米杆的收割、儲存和運輸在此過程中，收割者除去玉米杆植物的一部分。例如，收割者剛好自耳穗以下切割玉米杆。第一次切割可用於土壤調節、動物草墊和其它傳統的農田用途。第二次切割除去玉米杆植物約耳穗以下的部分。這部分的含水量為約10至20％，壓緊為一個大包。典型地，它被壓緊為長方形或正方形的大包，然後被運輸到儲存設備中。大包被儲存於乾燥空氣中以避免真菌及類似物。
相對於製漿廠半徑為約50英裡範圍內的每個農場主把壓緊的大包儲存在農場中直至預定時間再把材料送到工廠。這使工廠保存壓緊大包的存貨清單時間減少，例如保存約2周。當然大包的儲存時間可以更長或更短。這種類型的管理可減少工廠所在地的儲存要求。工廠可向農場主付儲存時間費用，或者可以與農場主建立一些其它形式的契約關係。
原材料處理本方法的下一步驟是安排原材料進入蒸煮器。在這個過程中被緊壓成大包的玉米杆部分會被鬆開，並被砍碎為約25至40mm大小。已砍碎的材料被安排，例如倒在一個傾斜運輸帶的較低部分上。可以將運輸帶安裝在充有恆速循環的熱水的鋼罩裡。運輸機可將在液體中的玉米杆從運輸機的一端運輸至運輸機的另一端。這是玉米杆的潤溼過程。在此過程中，灰塵和/或其它附著於玉米杆部分的外來物質被鬆開並通過熱水可溶性材料分離進入水介質中。運輸機的上端可稍微傾斜，另一個運輸機可以約30度的斜度安裝在鋼罩中。運輸帶通向料鬥。然而，帶的構造可以是通向料鬥的任何合適構造。例如，斜度可小於或大於30度。當玉米杆沿運輸帶被運輸時，就對其進行就地清洗工藝。例如，將連續的熱水噴到沿運輸帶被運輸的材料上，以洗去殘餘的灰塵和其它外來物質。在運輸帶的反向末端，可能被熱水飽和的已清洗材料被安排進入料鬥。材料可用螺塞進料器或任何其它合適技術加入到料鬥內。
製漿過程螺塞進料器對來自進料器的玉米杆進行壓縮，除去過量的水和可溶於熱水的提取物。在螺塞進料器的末端，已壓縮的玉米杆與蒸煮液接觸，從而當它進入蒸煮器時提供更好的蒸煮液滲透。在此區域控制蒸煮液流，以使液體與玉米杆的比率為約3∶1至7∶1。
當使用纖維素保護劑進行預處理時，在加入蒸煮液之前應在製漿過程中加上一個附加步驟。
可使用各種不同的蒸煮器例如潘迪亞蒸煮器及類似物。潘迪亞蒸煮器是一種水平的連續蒸煮器，非常適於從所有不同的非木質纖維原材料中生產紙漿，並為高收率處理提供極好結果。
當使用連續的潘迪亞蒸煮器時，它可包含兩至三個水平管。第一個管末端的溫度可升至約120至170℃，在第二個管中溫度為約120至170℃以繼續蒸煮，在第三個管中溫度為約100至110℃以使它在吹入出料槽之前冷卻下來。在第一個水平管中的升溫時間可在約20至40分鐘之間變化，在第二個管中的蒸煮時間可在約20至90分鐘之間變化，而在第三個水平管中的冷卻時間可在約10至15分鐘之間變化。任選地，出料槽可包括一種激發劑，用於在熱的廢液介質中使蒸煮過的纖維脫纖維。
在分批過程中，用螺塞進料器壓緊鬆散的玉米杆以達到最大的裝填量。裝填物充滿旋轉的和/或靜止的蒸煮器，液體與固體的比率為約3∶1至7∶1。蒸煮溫度在約120至170℃之間變化，所用時間在約30至120分鐘之間。把溫度從進料溫度升至蒸煮溫度的升溫時間在約15至60分鐘之間變化。蒸煮後，蒸煮器的溫度降至約100至110℃，把紙漿釋放到出料槽中。在出料槽中，加入激發劑以在熱的廢液介質中使蒸煮過的纖維脫纖維。
蒸煮液包括約2至20％的活性鹼。可使用約12至15％的活性鹼(按烘箱乾燥的玉米杆計)蒸煮溶液以獲得可漂白級別的玉米杆漿，收率範圍為約45至50％。要獲得收率範圍為約60至70％的襯墊漿，活性鹼度可在約6至10％的範圍內，要獲得收率範圍為約80至95％的瓦楞夾心原紙，活性鹼可在約2至4％的範圍內。蒸煮液可包含催化劑蒽醌和/或其它類似試劑的任意組合。
纖維處理步驟對於化學漿，可把激發劑安置在底部以在熱液體存在的情況下實現脫纖維。脫纖維過程可分離纖維以進行徹底的紙漿洗滌，纖維可能需要被進一步精煉以用於造紙。化學漿特別是高收率化學漿，也就是收率為約60至70％，在蒸煮處理後被精煉以釋放單根纖維。對於所獲得的用作瓦楞夾心原紙的收率為約80至95％的超高收率紙漿，紙漿被精煉以分離單根纖維。
篩分、洗滌和清洗階段紙漿在出料槽中被分解之後，在將紙漿送去洗滌階段之前，紙漿會被通過一個粗篩以除去未蒸煮的和/或半蒸煮的和/或纖維塊。黑色液體可在篩分和洗滌階段被分離，然後送至一個化學品回收鍋爐進行循環。要求對化學漿徹底洗滌以回收處理化學品並清洗紙漿。粗漿可用現有的工業洗滌機進行洗滌。玉米杆漿的篩分和清洗優選在漂白之前進行。這樣可節省漂白化學品並改善紙漿的漂白率。
漂白漂白溶液如二氧化氯、鹼性過氧化氫和鹼性提取溶液的適當應用可用於除去殘餘木素，並把紙漿的亮度升高到預定水平。漂白條件如溫度、時間及漂白液體濃度，典型地取決於紙漿中的木素含量和具體漂白劑的最優條件。
例如，當在一個封閉系統中使用二氧化氯或鹼性過氧化物作為漂白劑時，所用的溫度範圍為約60至約90℃之間。典型地，漂白過程持續約30至120分鐘，其中包括調整紙漿溫度至所需溫度水平所需要的時間。漂白溫度維持約30至120分鐘。三步漂白順序(下文中為「DED」)可把玉米杆漿的亮度升高到約80至85％ISO水平，加用更多漂白階段如過氧化物、臭氧或氧漂白階段中的一種可把亮度升高到約86至95％ISO。
造紙經漂白的紙漿是主要來自玉米杆外殼的長纖維和主要來自髓的短纖維的混合物。在造紙之前精煉此混合物將產生更多細小纖維，導致排水問題，因為細小纖維保持的水比纖維多。
短纖維不需要精煉，然而長纖維可能需要或不需要精煉以增進結合特性。經漂白的纖維可被分級為長纖維碎片和短纖維碎片。把長纖維碎片精煉然後在造紙之前與短纖維碎片混合。
在替換方法中，當經漂白的玉米杆漿與經漂白的針葉木牛皮紙漿和/或經漂白的闊葉木牛皮紙漿混合用於造紙時，分級並非必需。因為玉米杆漿更柔軟、更纖細、精煉所需的能量更少，所以在與針葉木牛皮紙漿和/和闊葉木牛皮紙漿的混合過程中的機械作用會導致某種程度的精煉並增進纖維-纖維結合特性。玉米杆漿(經漂白或未經漂白的)可與針葉木牛皮紙漿(經漂白或未經漂白的，且進行或未進行精煉的)以各種程度混合，這取決於最終產物。
經漂白的紙漿被用於製備紙，如印刷和書寫紙、影印紙、頂部白色掛麵紙板、薄紙、原紙、不含木材的紙、塗層紙、多層紙/紙板、特種紙以及類似物。通過與針葉木牛皮紙漿(5至20％)混合，玉米杆的CTMP和BCTMP可用於製備新聞用紙。經漂白的玉米杆CTMP可與玉米杆漂白過的化學漿混合用於製備書寫及印刷級別用紙。高收率半化學玉米杆紙可與高收率針葉木牛皮紙漿混合以生產袋紙、包裝紙、包裝紙板、硬紙盒板等。可用玉米杆生產溶解紙漿和源於半纖維素的有用副產物。
印刷和書寫紙、影印紙以及頂部白色掛麵紙板可包含約5至20％的經漂白的針葉木牛皮紙漿，具有約5至60％的填料量。填料可包括碳酸鈣、粘土、滑石、高嶺土、二氧化鈦及類似物的任意組合。除了填料之外，上漿劑、乾燥的增強劑、溼的增強樹脂及助留劑的任意組合也可用於造紙過程中。上漿劑可包括松香乳劑、烯基琥珀酸酐(ASA)、烷基乙烯酮二聚物及類似物的任意組合。乾燥的增強劑可包括澱粉、樹膠、可溶纖維素衍生物及類似物的任意組合。溼的增強樹脂可包括聚乙烯醇、膠乳及類似物的任意組合。助留劑可包括聚丙烯醯胺、聚乙烯胺及類似物的任意組合。
實施例下面所列的實施例說明了與闊葉木漿相比玉米杆漿和紙的質量。按照發明人建立的技術和方法，對實施例的某些方面加以描述，以順利用於實施本發明。通過應用發明人的標準實驗室操作產生實施例。所列實施例並不意味著限制，在不背離本發明的範圍的情況下可進行許多的改變、修改或替換。
實施例1把玉米杆部分從葉和其他不需要的材料裡手工分離。然後把玉米杆莖機械破碎為小塊。用兩個反向旋轉的切碎齒板(devil teeth plates)實現機械分離。系統分離了外殼，但大量的髓仍與外殼保留在一起。注意，可使用任何其它合適的機械分離工具。
使用以上過程中得到的髓和外殼進行製漿實驗。髓的數量佔玉米杆除去葉、球果和耳穗後總量的約23％。在少數實驗室規模的實驗中，玉米杆外殼被完全分離掉，在一些情況下15％的髓被加入外殼以檢驗髓對手抄紙特性的效果。在實驗中，用熱水在碎漿機中清洗玉米杆塊，並在空氣中乾燥以獲得所需要的玉米杆稠度。經清洗的玉米杆的稠度是有益的，用於調整蒸煮化學品的量、調整液體對玉米杆的比率以及得知紙漿收率。
在本系列實驗中，所用的升溫時間為約60分鐘，蒸煮時間為約60分鐘，蒸煮溫度為約150℃。使用蘇打法進行蒸煮。以活性鹼表示的氫氧化鈉量在約12％至15％之間變化，以獲得合意的紙漿。表1、2和3顯示了蒸煮液中活性鹼的量、篩選紙漿的收率、紙漿排水度(CSF)以及手抄紙的機械和光學特性。
表1從被PFI磨粉機精煉的無髓玉米杆中得到的已篩選紙漿的手抄紙特性
表2從經PFI磨粉機精煉過的含約15％髓的玉米杆中得到的已篩選紙漿的手抄紙特性
表3從含約23％的未打碎的髓的玉米杆中得到的已篩選紙漿的手抄紙特性
從含約15％的髓的玉米杆中得到的紙漿的特性質量稍低於從不含髓的玉米杆中得到的紙漿的特性質量。手抄紙特性與闊葉木漿接近。這些結果表明含一定量髓的玉米杆適於生產優質漿。可輕鬆避免將髓與外殼機械分離所帶來的巨大任務和成本。可將外殼與髓分離的現有方法是錘式粉碎。這種方法會產生大量的細小纖維和灰塵，這將造成環境汙染、損害纖維質量並且增加優質纖維的丟失。開發可用環境良性方法有效分離外殼而不會剪斷和損失優質纖維的新機械將會是非常昂貴的。把玉米杆外殼從髓中分離出來是根本不必要的，就像在實驗室規模實驗中顯示的那樣，其表示在表1、2和3中。在相似的紙漿收率下，用Tappi標準方法測得的紙漿的卡帕值在約8至12之間，與牛皮紙針葉木漿(卡帕值為約27至30)和闊葉木漿(卡帕值為約18至22)相比這是非常低的。因而，與針葉木和闊葉木漿所需要的那些漂白化學品相比，玉米杆漿需要的量比它們所需要量的一半還少。
實施例2從植物的底部以上，粗玉米杆材料主要包括外殼，並包括節和髓。它包括玉米杆植物約耳穗以下的較低部分，例如約玉米杆底部的2至3ft。它由厚外殼和相對少量的髓組成。在玉米杆較低部分的葉可在砍斷後容易地除去。由於已砍碎的玉米杆和葉的密度差別，可通過吹氣把葉除去或分離。如實施例1所示，由於玉米杆較低部分存在少量的髓，纖維質量沒有受到顯著影響。
在本實驗中，用約14％的活性鹼對上述1.27kg(按烘箱乾燥計)經選擇的玉米杆進行蒸煮。液體與玉米杆的比率為約7∶1，蒸煮溫度為約150℃，蒸煮時間為約60分鐘，升溫時間為約60分鐘以把溫度從約80℃升至150℃，進行以上操作。已篩選紙漿的收率為約46％。用0.008英寸的狹縫型篩網篩分紙漿，用200目篩網使漿脫水以除去漿中的細小纖維。這種蒸煮所得的漿用(CT-D1)表示，並進行漂白率測試。兩個經漂白的紙漿樣品被處理以製備手抄紙，從而確定機械和光學特性。
六個樣品，每個約10g，在下表4中用CT-d-1-1、CT-d-1-2、CT-d-1-3、CT-d-1-4、CT-d-1-5、CT-d-1-6表示。這些樣品在(D1)階段用不同的二氧化氯濃度漂白，然後在提取階段(E)使用相似的氫氧化鈉濃度，並且在(D2)階段使用相似的二氧化氯濃度。此外，在所有三種情況下，使用過氧化氫(P)階段的相似的化學品組成對六個樣品中的三個進一步漂白。漂白條件、化學品濃度、和不同漂白階段所用的化學品以及最終亮度展示於表4中。
表4漂白條件和所得最終亮度
結果顯示當使用少量的化學品時，玉米杆漿可獲得高的亮度水平。此結果是因為紙漿中木素含量較低，對應針葉木和闊葉木化學品漿的三分之一。與木材相比，玉米杆需要較少的蒸煮化學品、較低的蒸煮溫度和較少的蒸煮時間。當使用玉米杆的較低部位的經選擇部分時，玉米杆處理成本將與木材的成本相似。此外，因為玉米杆成本低，儲存和運輸成本可被最小化，在工廠中玉米杆的最終成本會比木材的小得多。
下面描述了關於玉米杆漿的漂白對手抄紙的機械和光學特性的影響。
表5經漂白的玉米杆漿的特性
經漂白的玉米杆漿的加拿大標準排水度(CSF)在約540ml的範圍內。通過在PFI磨粉機內以僅1000轉進行精煉後，這些CSF值可降至約330ml，此轉速少於經漂白的桉樹(闊葉木)化學品漿所需要那些轉速的十分之一。這意味著在減少精煉能量消耗方面玉米杆漿具有極大優勢。
加用一個過氧化物步驟可把紙漿的亮度從約82.4％升至約87.2％，但手抄紙的強度特性顯著下降。結果是，必須評估終產品的亮度要求以選擇漂白順序和階段數量。例如，書寫和印刷紙含有約15至25％的碳酸鈣作為填料，以改善紙的表面光滑度、印刷不透明性和亮度。使用溼部化學可輕易操縱紙的溼網強度和幹強度。
實施例3在試驗規模的蒸煮中，約21.56kg已砍碎的玉米杆(按烘箱乾燥計)被裝入一個旋轉蒸煮器中。在蒸煮器中產生真空以允許液體(蒸煮溶液)更好地浸漬入玉米杆中。蒸煮器旋轉約30分鐘，以使溫度從環境溫度升至約80℃以進行良好浸漬。升溫時間為約30分鐘，以允許溫度從約80℃升至約150℃，在約150℃下蒸煮時間為約60分鐘。蒸煮液包括約14％的活性鹼。在蒸煮過程結束時，連接在蒸煮器與出料槽之間的管線，緩慢釋放壓力使壓力下降至相應溫度為約100至105℃。此時閥門被完全打開，以利用壓力差把所有紙漿從蒸煮器中吹入出料槽。出料槽包括在底部的篩網，以在把紙漿轉移到出料槽後便於用熱水洗滌紙漿。紙漿用熱水洗滌，然後轉移至一個狹縫寬為0.008英寸的大篩網上。篩網除去率低於約0.07％。然後紙漿被加壓脫水至固含量為約30％。然後，把脫水後的漿破碎並保存在冷室中供將來使用。已篩選紙漿收率為約46.5％，與實驗室規模研究相似。三個樣品，每個約30g(按烘箱乾燥計)，用PFI磨粉機以400、700和1000轉進行精煉。按照TAPPI標準方法製備手抄紙並進行測試。表6顯示了用PFI磨粉機分別以400、700和1000轉精煉三個樣品所得的結果。
表6試驗規模製漿得到的已篩選的未漂白紙漿的物理、機械和光學特性
手抄紙展示了極好的機械特性，其張力指數為82N-m/g，撕裂指數為4.5mN.m2/g，爆炸指數為5.5kPa.m2/g。很重要的是，注意在實驗室規模製漿時，將玉米杆用熱水充分洗滌，髓含量是手工調整的。然而，在試驗規模的試驗中，因為所用的材料數量巨大，我們不能洗滌和調整髓含量。結果是，與實驗室規模蒸煮所用的玉米杆相比，試驗規模蒸煮所用的玉米杆可能包含更高百分率的灰塵和髓。這是與實驗室規模紙漿相比，會得到稍微低質的紙漿和低初始亮度的一個原因。如果紙漿是在製漿工廠生產並且進行了全套洗滌、篩分和清洗系統的話，這些問題可得到解決。
實施例4在此實施例中，把經漂白的玉米杆漿的特性與經同樣漂白的牛皮紙闊葉木漿相比。此外，使用填料如沉澱碳酸鈣、澱粉、上漿劑、助留劑等製備了兩套每平方米克重為約75g/m2的複印紙，以觀察特性。從表中可以看出，與桉樹和白楊樹紙漿相比，玉米杆漿具有明顯更高的張力和爆炸指數值。然而，桉樹的撕裂值明顯高於玉米杆漿。結果顯示於表7中。
表7經漂白的玉米杆漿、經漂白的牛皮桉樹紙漿和經漂白的牛皮白楊樹紙漿的機械和光學特性
注釋-1BD-2(DEDP)，填料6.6％手抄紙每平方米克重75g/m2，類似於複印紙，是用86.6％的玉米杆、6.6％的經漂白的針葉木牛皮紙漿和6.6％的沉澱碳酸鈣作為填料製備而得。在手抄紙製備過程中，使用20kg/ton(按烘箱乾燥計)的陽離子馬鈴薯澱粉、2kg/ton的AKD上漿劑和陽離子與陰離子的助留劑。
注釋-2BD-2(DEDP)，填料15.1％手抄紙每平方米克重75g/m2，類似於複印紙，是用77.4％的玉米杆、7.5％的經漂白針葉木牛皮紙漿和15.1％的沉澱碳酸鈣作為填料製備而得。在手抄紙製備過程中，使用了20kg/ton(按烘箱乾燥計)的陽離子馬鈴薯澱粉、2kg/ton的AKD上漿劑和陽離子與陰離子助留劑。
這兩個實驗表明，通過在造紙過程中正確使用溼部化學，從玉米杆漿中製得的紙可得到顯著改善。因為在纖維基質中結合了填料(沉澱碳酸鈣)，手抄紙的不透明性(印刷和書寫級別紙的一個重要要求)得到了極大改善。
實施例5在此實施例中，用試驗規模造紙機器從經漂白的玉米杆漿和經漂白的混合闊葉木牛皮紙漿中製備的紙的物理、光學和機械特性被說明以進行比較。用試驗規模蒸煮器進行玉米杆漿的製漿，然後對紙漿進行洗滌、篩分、脫水和漂白。玉米杆漿的亮度範圍在88至90％之間，如實施例2所示。
製備玉米杆紙的配料如下經漂白的玉米杆化學漿60％；經漂白的北方針葉木牛皮紙漿(工業級別)20％；填料(沉澱碳酸鈣)20％；澱粉0.5％(按烘箱乾燥的纖維計)；Hercon膠料79AKD(0.5％)0.2％(按烘箱乾燥的纖維計)以及Nalco7520助留劑(0.1％)0.05％(按烘箱乾燥的纖維計)。經漂白的玉米杆漿(從未乾燥)在水力製漿機中與針葉木牛皮紙漿混合。不要求進行精煉，而僅激發水力製漿機將排水度下降至約400ml。把填料和澱粉加入紙機貯漿池中。把上漿劑和助留劑計量加入紙機貯漿池中。
製備闊葉木紙的配料如下經漂白的混合闊葉木漿(工業級別)60％；經漂白的北方針葉木牛皮紙漿(工業級別)20％；填料(沉澱碳酸鈣)20％；澱粉0.5％；Hercon膠料79AKD(0.5％)0.2％以及Nalco7520助留劑(0.1％)0.05％。
闊葉木和針葉木牛皮紙溼漿板在水力製漿機中進行混合，在3.71％的稠度下精煉至470ml CSF水平。把填料和澱粉加入紙機貯漿池中。上漿劑和助留劑計量加入紙機貯漿池中。結果表示在表8、9、10和11中。
表8在試驗造紙機內製備的紙的測試結果表
表8顯示玉米杆漿的密度大於木材漿。玉米杆漿的亮度比木漿高約1點，但印刷不透明性比木漿低了超過2點。木漿的散射係數和吸收係數都稍高於玉米杆漿。散射係數與紙的結合性能呈負相關。玉米杆漿的孔隙率是171sec/100ml，相比之下，木漿為7.1sec/100ml。這表示木漿會比玉米杆漿產生更多孔隙的結構。
表9在試驗造紙機內製備的紙的測試結果
表9顯示玉米杆漿的CIE白度比木漿高約4點，CIE色調比木漿低。玉米杆漿與木漿的亮度、不透明度、散射係數、吸收係數相似。LL*表示亮度從黑色的零升至全白色的100，玉米杆漿和木材漿紙的這個特性是相似的；aa*表示當其為正時代表紅色，玉米杆漿的這個特性高於木漿；b，b*表示當其為正時代表黃色，木漿的這個特性高於玉米杆漿。
表10在試驗造紙機內製備的紙的測試結果
表10顯示在縱向(MD)和橫向(CD)上木漿和玉米杆漿的強度特性的對比。玉米杆漿的所有強度特性均比木漿高40％至300％。玉米杆漿在縱向的張力強度特性比木漿高約50％，在橫向高122％。玉米杆漿在MD和CD方向的伸長值分別比闊葉木漿高50％和100％。玉米杆漿在MD方向的TEA(張力能量吸收)值比闊葉木漿高130％，在CD方向高200％。類似地，玉米杆漿在MD方向的撕裂指數比闊葉木漿高55％，在CD方向高36％。通常，紙的弱結合特性歸因於填料。儘管玉米杆漿保留了22％的填料，而相比之下，闊葉木漿保留了17％的填料，玉米杆漿還是比木漿更強。試驗造紙機器的試驗還顯示，與木漿相比，玉米杆漿可更有效地把填料保留在纖維基質中。
表11在試驗造紙機內製備的紙的測試結果
注釋*a在MIT摺疊時使用0.5kg重量而不是1kg重量。
表11顯示玉米杆和闊葉木漿的Sheffield光滑度、爆炸指數、Taber剛度和雙疊數。在毛氈方向，玉米杆漿和闊葉木漿的Sheffield光滑度相似，但在線方向，玉米杆漿比闊葉木漿更光滑。玉米杆漿的爆炸強度比闊葉木漿高100％。玉米杆漿在MD和CD方向的雙疊數分別為41和19，相比之下，木漿為23*和8*。因為木漿太脆弱而不能在1kg張力下摺疊，所以使用0.5kg張力。如果在1kg張力下測量，8*實際上相當於折1次，而23*相當於僅折8次。
造紙機器試驗清楚地顯示，用與闊葉木紙同樣的條件製得的玉米杆紙在強度特性方面明顯優於闊葉木紙，在光學特性上彼此相近似。
可以理解在不背離本發明範圍的情況下，本發明的各種細節可被改變。而且，在各個實施例中的上述描述僅是為了說明的目的而不是為了進行限制。在不背離本發明的精神或範圍的情況下可對本發明進行各種修改。因此，目的在於本發明涵蓋本發明的修改和變化，只要這些修改和變化在附加的權利要求書及其等價物的範圍內。
權利要求
1.一種從農業殘餘物中生產紙漿的方法，包括收割玉米杆植物的一部分，其中收割包括將玉米杆植物的約至少一個耳穗以下的部分從玉米杆上除去；乾燥玉米杆部分；砍碎玉米杆部分；洗滌被砍碎的玉米杆部分；在螺杆進料器中壓縮經洗滌的玉米杆部分以除去水；在預定條件下用鹼性製漿溶液從壓縮的玉米杆部分中提取紙漿；使紙漿纖維化；洗滌紙漿；和用漂白溶液處理經纖維化和洗滌的紙漿，其中漂白溶液可除去殘餘的木素和顏色以增加亮度到大於約70％IS0。
2.如權利要求1所述的方法，其中利用了振動、固定式蒸煮器和特級分批蒸煮器中的至少一個的分批過程。
3.如權利要求1所述的方法，其中利用潘迪亞蒸煮器和Kymer蒸煮器中的至少一個的連續處理。
4.如權利要求1所述的方法，其中在鹼性溶液中蒸煮玉米杆是在約120℃至160℃的溫度範圍內進行約30分鐘至120分鐘。
5.如權利要求4所述的方法，其中鹼性溶液包括鹼性氫氧化物溶液，其包括氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化銨和氫氧化鈣中的至少一種。
6.如權利要求4所述的方法，其中鹼性溶液還包括碳酸鈉和碳酸氫鈉中的至少一種。
7.如權利要求6所述的方法，其中鹼性溶液還包括氫氧化鈉。
8.如權利要求7所述的方法，其中鹼性溶液還包括蒽醌。
9.如權利要求7所述的方法，其中氫氧化鈉濃度在約2％至18％活性鹼的範圍內，蒽醌的濃度在約0.0％至0.5％的範圍內。
10.如權利要求7所述的方法，其中可能使用一個如下預處理步驟，該步驟包括在約60至約100℃的溫度下將玉米杆材料與纖維素保護劑如MgCl2、CaCO3壓縮約30至約60分鐘，以在玉米杆的鹼性蒸煮過程中保護半纖維素。
11.如權利要求1所述的方法，其中漂白溶液包括二氧化氯。
12.如權利要求1所述的方法，其中用漂白溶液處理經纖維化和洗滌的紙漿是在從約50至100℃的溫度範圍內進行約30至120分鐘。
13.如權利要求1所述的方法，其中鹼性製漿溶液包括濃度範圍為約1％至3％的氫氧化鈉。
14.如權利要求1所述的方法，其中二氧化氯-鹼性提取-二氧化氯(DED)漂白順序可提高紙漿亮度至約80-85％ISO。
15.如權利要求14所述的方法，其中在DED順序之後，過氧化氫漂白溶液(P)、臭氧溶液(Z)和氧溶液(O)中的一個被使用以提高紙漿亮度至約86至95％ISO。
16.如權利要求15所述的方法，其中二氧化氯漂白溶液包括二氧化氯，其劑量等於紙漿的卡帕因子，範圍為約0.01至0.5。
17.如權利要求16所述的方法，其中過氧化氫漂白溶液包括佔烘箱乾燥的紙漿重量約1至3％的過氧化氫；佔烘箱乾燥的紙漿重量約1至3％的氫氧化鈉；佔烘箱乾燥的紙漿重量約1至3％的矽酸鈉；佔烘箱乾燥的紙漿重量約0.02至0.06％的硫酸鎂；和痕量的螯合劑。
18.如權利要求17所述的方法，還包括一個漂白階段，以改善玉米杆漿的亮度，其中漂白階段使用漂白劑如約0.05至5％的臭氧(按烘箱乾燥的紙漿重量計)和約0.1至2％的氧(按烘箱乾燥的紙漿重量計)。
19.一種從農業殘餘物中生產紙的方法，包括從農業殘餘物中精煉紙漿；混合來自農業殘餘物的紙漿；清洗；篩分；和在造紙機中軋制，其中來自農業殘餘物的紙漿是玉米杆漿。
20.如權利要求19所述的方法，其中玉米杆漿的排水度水平為至少250ml或更高。
21.如權利要求19所述的方法，其中玉米杆漿的卡帕值在約7至80的範圍內。
22.如權利要求19所述的方法，其中玉米杆漿的卡帕值在約2至7的範圍內。
23.如權利要求19所述的方法，其中玉米杆漿的卡帕值低於約2。
24.如權利要求19所述的方法，其中在與木漿混合之前，玉米杆漿不進行精煉和/或精煉至250-500mlCSF就可被使用，以提供符合紙產品最終用途的特性。
25.如權利要求19所述的方法，其中玉米杆漿可被分級為長纖維碎片和短纖維碎片並再混合，這取決於最終用途的特性，以使玉米杆漿的性能最佳。
26.如權利要求19所述的方法，其中通過將經漂白的玉米杆漿與一種或多種紙漿和/或添加劑混合，可生產書寫和印刷紙、影印紙、特種紙和信封紙，所述紙漿和/或添加劑選自經漂白的針葉木化學漿；經漂白的闊葉木化學漿0-20％；填料(沉澱或研磨的碳酸鈣、粘土、高嶺土、滑石、二氧化鈦等)0-30％；乾燥的增強化學品(澱粉或其它聚合物材料)0-4％；上漿劑(松香乳劑、AKD、ASA或其它)0.05-5％；和陽離子和/或陰離子的聚合物助留劑(澱粉、聚丙烯醯胺、聚氮丙啶、矽膠、膨潤土、有機微粒等)0-5％。
27.如權利要求19所述的方法，其中通過將經漂白的玉米杆漿與一種或多種添加劑混合，可生產頂部白色襯墊，所述添加劑選自經漂白的針葉木化學漿0-30％；經漂白的闊葉木化學漿；0-30％；填料(沉澱或研磨的碳酸鈣、粘土或高嶺土)0-20％；乾燥的增強劑(澱粉或其它聚合物材料)0-4％；上漿劑(松香乳劑、AKD、ASA或其它)0.05-2％；和助留劑(澱粉、聚丙烯醯胺、聚氮丙啶、矽膠、膨潤土、有機微粒等)0-5％。
28.如權利要求19所述的方法，其中通過將經漂白的玉米杆漿與一種或多種添加劑混合，可生產用於牛奶、果汁和其它飲料的紙盒包裝，所述添加劑選自經漂白的針葉木化學漿0-20％；上漿劑(松香乳劑、AKD、ASA或其它)0.01-5％；和助留劑(澱粉、聚丙烯醯胺、聚氮丙啶、矽膠、膨潤土、有機微粒等)0-5.5％。
29.如權利要求19所述的方法，其中在不使用或使用未漂白的針葉木化學或半化學漿的情況下，可從未漂白的玉米杆化學或半化學漿中生產掛麵紙板。
30.如權利要求19所述的方法，其中從混有高收率闊葉木漿的高收率玉米杆漿中生產瓦楞夾心原紙。
31.如權利要求19所述的方法，其中將經漂白的玉米杆漿與一種或多種添加劑混合，可生產薄紙、溼強度紙和工業用紙，所述添加劑選自經漂白的針葉木化學漿0-30％；經漂白的闊葉木化學漿0-20％；上漿劑(松香乳劑、AKD、ASA或其它)0.01-5％；和助留劑(澱粉、聚丙烯醯胺、聚氮丙啶、矽膠、膨潤土、有機微粒等)0-5.5％。
32.如權利要求19所述的方法，其中通過將經漂白的玉米杆漿與一種或多種添加劑混合，可生產影印紙、特種紙和信封紙，所述添加劑選自經漂白的針葉木化學漿0-30％；經漂白的闊葉木化學漿0-20％；填料(沉澱或研磨的碳酸鈣、粘土或高嶺土)0-40％；乾燥的增強劑(澱粉或其它聚合物材料)0-5％；上漿劑(松香乳劑、AKD、ASA或其它)0.01-5％；和助留劑(澱粉、聚丙烯醯胺、聚氮丙啶、矽膠、膨潤土、有機微粒等)0-5.5％。
全文摘要
本發明公開了一種從農業殘餘物中生產紙漿的新方法，包括收割植物杆的某些部分。所收割的植物杆被打包、運輸和儲存。在工廠裡，植物杆被砍碎並進入製漿程序。紙漿與其它基於木材的紙漿混合或不與其不混合，用於製造各種紙。
文檔編號D21B1/00GK1697901SQ200480000325
公開日2005年11月16日 申請日期2004年6月3日 優先權日2003年6月18日
發明者元種鳴, 柳海日, 阿齊茲·艾哈邁德 申請人:玉米漿及紙製品公司