包括有二氧化碳的紙張的生產方法
2023-06-01 23:07:41 1
專利名稱：包括有二氧化碳的紙張的生產方法
技術領域：
本發明涉及紙產品的製造方法，更準確地說，本發明涉及其中通過使用二氧化碳而使酸化鋁化合物的添加量最小化的紙產品的製造方法。
造紙是將纖維素原材料通常是木漿轉變成紙或紙板的方法。在下文中，將術語紙產品，紙漿產品，或簡單地產品用來表示由纖維素材料製得的最終產品。換句話說，紙或紙漿產品可以是紙或紙板。紙產品可由各種原材料製得，最常用的原材料是木質材料。另外，紙產品也可以由非木質材料如稻，棉等來生產。
對於從木材和非木質材料製備原漿而言，可利用許多方法。這些方法通常被分成機械法，化學法，或混合法。除原漿，回用紙漿以外，另外還可利用所謂的二次纖維來製備液體漿。二次纖維源的例子有舊的新聞紙，舊的瓦楞容器和混合的辦公室廢紙。紙產品可由100％的回用材料，100％原材料，或原材料和回用材料的混合物來製備。
在下文中，將使用造紙領域中已知的術語，這些術語的定義可在Appendix中找到。通過使用液體漿即水和纖維素材料的混合物，並使之經過一系列的處理步驟而製得紙產品；這些步驟包括精製，混合，泵送，清洗，稀釋，增濃，脫水，壓榨，乾燥和復卷。在處理期間，將各種添加劑摻入配料中；這些添加劑的例子是染料，填料，澱粉，pH調節劑，和施膠劑。
目前通常使用兩種造紙方法即酸法和鹼法。鹼法造紙包括將中性或鹼性化學劑通常是碳酸鈣以及烷基烯酮二聚體(AKD)施膠劑添加至紙漿配料中。相反，酸法造紙是其中紙漿配料呈弱酸性的造紙方法。在酸法造紙中，通常使用硫酸鋁和松香的施膠劑。
硫酸鋁，或造紙用明礬是酸法造紙中常用的填料，並且起兩種主要作用。所述的兩種作用是(1)降低pH值，這將改善紙機網部的脫水作用，(2)固定添加劑如染料和松香，因此改善了細小纖維，施膠劑，以及其它填料的留著率。明礬，或者更具體地說鋁離子的水合配合物根據下面的反應式在水溶液中進行水解
(1)該反應表明了酸的離解，並且是由此硫酸鋁調節酸法造紙中pH的方法。為了得到施膠劑的最佳留著率，對pH進行調節是必需的。在通常的明礬-松香施膠體系中，將pH降至5.0以下，通常在4.5左右。對pH進行調節的結果是，改善了紙機網部的脫水作用。
上述反應的鋁產物，[Al(H2O)5(OH)]2+，對於下一步的松香施膠是至關重要的。該產物進行一系列複雜的聚合物反應，以便用作與松香結合形成不溶性配合物的媒染劑。該配合物又將松香固定至纖維結構上，並增加松香的留著率。由於該配合物能用來連接多個纖維素分子，形成留著在成形網上而不是在洗滌出的溶液中的更大的化合物，因此，該配合物還能用來留著細小纖維。
由於造紙明礬的雙重性以及易操作性，因此，造紙時往往過量添加明礬，以實現施膠劑的留著作用，調節pH值，以及增加脫水作用。通過主要由酸性施膠的紙產品組成的廢紙製備紙產品時，這種傾向確實是正確的。這種組分的廢紙，通常是牛皮紙如紙板和掛麵紙板已包含足以與在紙漿的製備過程中添加的部分輔助的施膠劑進行配合的明礬。因此，輔加的明礬主要用來調節漿液的pH並增加其濾水性。
然而，過量使用硫酸鋁將會出現許多問題，即相對而言，硫酸鋁是有害的化學品，它將增加操作者受傷害的可能性；硫酸鋁是有腐蝕性的，因此增加了造紙設備的維護成本；硫酸鋁相當昂貴；硫酸鋁將反應形成硫酸，這使之易於使漿液過度酸化；留在最終產品中的過量的硫酸鋁將與溼氣反應，產生硫酸，硫酸將腐蝕紙漿纖維並使紙產品發生降解；硫酸鋁的硫酸根部分會在白水體系中積累，產生一些生產和維護問題；過量的硫酸鋁會在纖維懸浮液中形成絮凝物，並在紙頁成形和最終的紙產品中出現紙病。
US1,753,690(Brown)示出了使用硫酸鋁以便有助於紙張生產的現有技術。Brown的專利披露了廢蠟紙和新鮮纖維如混合紙或亞硫酸鹽紙纖維的混合物的用途。將該混合物加熱至足以使包含在廢紙中的松香軟化的溫度。對加熱的纖維混合物進行打漿，使紙張發生離解，添加另外的松香並再添加矽酸鈉溶液，以便產生一分散體。然後，將該混合物冷卻至分散顆粒凝膠化點之前的溫度。然後，添加硫酸鋁，其用量以產生輕度酸反應為準。硫酸鋁與矽酸鈉反應產生絮凝狀沉澱物，後者將包含在廢紙中的防水材料的分散顆粒帶入到纖維中。
US5,505,819(DeWitt)披露了一種在造紙過程中將酸優選磷酸與膨潤土和合適的聚合物一起使用的方法。DeWitt表明，通過鹼性或中性造紙方法的pH值控制在6.7-7.5的範圍內，可獲得增加的濾水性。
US5,378,322(Hornsey，題目為「中性和鹼性施膠過程中的二氧化碳」)披露了在鹼性環境下利用烷基烯酮二聚體施膠劑和CO2對紙張進行施膠的方法。Hornsey沒有在該專利中指出，CO2能與酸性施膠劑如明礬一起使用。
如上所述，過量使用硫酸鋁不僅將使紙張的質量下降，而且還將增加造紙設備的維護成本。此外，如果由於硫酸鋁產物即硫酸的強酸性的結果而使pH出現波動的話，這樣的波動將直接影響脫水性，並損害控制該方法的造紙能力。
因此，本發明的目的是提供一種改進的造紙方法，該方法使添加至紙漿配料中的硫酸鋁量最少。
本發明的另一個目的是提供一種改善紙產品的最大耐變質性的改進的造紙方法。
本發明還有一個目的是提供一種改進的造紙方法，該方法減少最終產品中由有缺陷的分散體所產生的潛在的紙病。
紙產品的製備方法包括將二氧化碳氣流供至包含有鋁化合物這樣的材料的物流中。所述材料優選是包含硫酸鋁或造紙明礬的廢紙。該材料還可以是已向其中添加新鮮紙漿的廢紙物流(包含有硫酸鋁)。將二氧化碳添加至該物流中將使該物流的pH值降至酸性值，這使得鋁化合物能溶解並分布在整個物流中。
附圖
是包括本發明紙機流漿系統的簡圖。
在由廢紙，新鮮紙漿，或廢紙和新鮮紙漿的混合物製造紙張的生產過程中，本發明將二氧化碳進料用作硫酸鋁Al2(SO4)3的替代物。某些廢紙即由酸法造紙得到的廢紙包括有很高的硫酸鋁殘留量。在添加或不添加新鮮紙漿的情況下，當將這些廢紙製成紙漿並用來製備新的紙張時，本發明將作為硫酸鋁的替代物二氧化碳添加至紙漿配料中。一部分留著松香施膠劑的硫酸鋁由於添加廢紙而已經存在於配料中。因此，通過將二氧化碳添加至配料中所提供的pH的降低作用和最終酸性的增加足以實現紙產品的施膠。
在本發明的第一實施方案中，將包含高殘留量硫酸鋁的廢紙與新鮮的紙漿混合。調節與新鮮紙漿混合的廢紙量，以便與隨後的造紙操作中添加的松香施膠劑進行配合。用這種方式，無需輔加的硫酸鋁，只需將二氧化碳添加至配料中調節pH並增加濾水性。
在本發明的第二實施方案中，將包含硫酸鋁的廢紙與新鮮的紙漿混合。然而，如果所存在的硫酸鋁量不夠的話，將足量的輔加硫酸鋁混入液體漿中，以得到與輔加的松香施膠劑進行配合所需的硫酸鋁量。通常在添加硫酸鋁之前，將二氧化碳添加至液體漿中，以便得到所希望的紙漿pH值。
在本發明的第三實施方案中，液體漿包含100％的回用紙漿，而不添加任何新鮮紙漿。將二氧化碳添加至該液體漿中，以得到所希望的紙漿pH值。通常在回用紙漿中有足量的硫酸鋁，因此，無需另外添加明礬。如果沒有足量的與輔加的施膠劑進行配合的硫酸鋁，那麼需添加足量的明礬。
在本發明的第四實施方案中，將二氧化碳添加至已向其中添加施膠劑的新鮮紙漿中。二氧化碳能使該漿液達到所希望的pH值。然後，在能與施膠劑完全反應的用量，將硫酸鋁添加至該漿液中。
當使用二氧化碳時，最終紙產品的質量將會提高。當水與二氧化碳反應時，二氧化碳將形成弱酸，即碳酸。這種弱酸對纖維素纖維的腐蝕不會達到強酸所達到的程度。事實上，硫酸鋁即強酸性的鹽確實將腐蝕纖維。此外，由過量硫酸鋁製得的紙張易於被硫酸腐蝕，所述硫酸是殘留的硫酸鹽與溼氣反應時所形成的。該反應將降低最終紙產品的耐水性和質量。當使用二氧化碳時避免了這個問題。
另外，由於過量的硫酸鋁會引起紙頁成形的一些問題，如有缺陷的分散體等，因此使用二氧化碳還能減少最終紙產品中的紙病。由於二氧化碳形成一弱酸，因此紙漿的pH值易於控制。此外，碳酸往往會在中等酸性pH處進行緩衝。與改良的控制相結合，這實際上很難使目標pH產生過調。改善的PH穩定性結果，保證了更好的脫水性，並且能增加紙機的運行速度。另外，增加的脫水率表現為在長網上改善的除水。用這種方式，只需更少量的能量來蒸發紙機乾燥部的水份，這將在經濟性方面得到改善。
下面參考附圖進行說明，將新鮮漿和回用漿的混合物送至磨漿機10，該磨漿機將紙漿混合物磨至造紙通常的規格。然後，將已磨的紙漿混合物送至紙機漿池12，在該漿池中將各種添加劑，如澱粉和施膠劑(例如松香)摻入到配料中。在該位置，可通過包括在導管14中的分布器或注射器將二氧化碳注入配料中。
必須理解的是，用於注射二氧化碳的具體位置並不是至關重要的，並且正如將在下面被理解的，二氧化碳的加料位置可以在造紙過程的不同位置。
將配料從紙機漿池12泵送至調漿箱16，該調漿箱用來產生漿泵18和定量閥(未示出)用的恆定的壓頭。另外，二氧化碳也可在配料泵送至調漿箱16時，通過導管20來添加。當從調漿箱泵送配料時，用已知的方式，通過添加白水對其進行稀釋，並通過漿泵18泵送至淨化器中。應指出的是，二氧化碳還可以在漿泵18的出口處添加。
在二氧化碳的各注射位置均起相同的作用，即酸化配料。可單獨地使用圖中所示出的注射位置，或者可將它們結合使用。如果只使用一個注射位置的話，將pH探頭置於足夠遠的注射位置的下遊，以便能控制二氧化碳的注射流速。如果使用多個注射位置(例如兩個)的話，在每個注射位置均使用pH探頭和控制器以便保證能取得最終的酸化目標。
在使用兩個注射位置的場合，第二個(或下遊)注射位置必須補足第一位置。即，配料應酸化至儘可能最低的pH值，在經濟限定的範圍內，利用第一位置將pH降低至一固定值。第二注射注射位置將進一步使pH降低至所希望的操作範圍。
根據能提供最大混合機會的具體的紙廠條件，對二氧化碳的注射位置進行選擇。應指出的是，在圖中示出的注射位置並不是僅有的可能的注射位置。本領域熟練技術人員，根據紙廠條件將能夠確定二氧化碳注射和混合的最佳位置。還應指出的是，是否在添加澱粉和補充的施膠劑之前或之後注射二氧化碳並不是至關重要的。然而，優選的是，在添加硫酸鋁之前添加二氧化碳。
溫度，壓力和紙漿流速並不是至關重要的。這些參數可根據紙廠的工藝規程進行設定，當使用二氧化碳時，無需使這些參數不同於其正常值。二氧化碳的優選添加速率是，約5公斤二氧化碳/噸紙漿配料，但在任何位置，根據具體的處理條件，該速率能從約2-約10公斤/噸變化。由於其中所包括的硫酸鋁量將直接影響配料最終的pH值，因此，當確定二氧化碳用量時，廢紙用量是重要的並且應加以考慮。
為了研究用二氧化碳替代硫酸鋁Al2(SO4)3所起的作用，進行了一系列的實驗。
使用牛皮紙和瓦楞紙製備的紙漿，利用Al2(SO4)3和二氧化碳製備試樣，以便進行脫水和施膠試驗。
在S.R.游離度測定儀中進行模擬脫水試驗，確定達到39°SR時的體積，並測量達到該體積所需的時間。開始的質量為2.3g(2.3g/l),並在不同的pH值，對用硫酸鋁製備的紙漿試樣以及用二氧化碳製備的紙漿試樣進行脫水測量。結果如下脫水時間(秒)pH Al2(SO4)3CO26.6 18.818.35.5 - 14.95.0 - 14.54.5 16.4-在pH6.6時，用二氧化碳製得的紙漿的脫水時間與用硫酸鋁製得的紙漿的脫水時間基本相同。當降低pH時，用二氧化碳製得的紙漿的脫水時間明顯降低。事實上，甚至當用明礬製得的紙漿的pH降低至用二氧化碳製得的紙漿的極點以下時，明礬製得的紙漿的脫水時間仍然較高。這些表明，用二氧化碳製得的紙漿其脫水速度要比用明礬製得的紙漿的脫水速度快。因此，能增加生產率或改善乾燥的經濟性。
利用與脫水試驗相同組分和打漿度的紙漿進行施膠試驗。製備定量為130g/m2手抄紙。
結果列於如下
cobb(gH2O/m2紙頁)松香施膠劑消耗量(乾燥公斤/噸)Al2(SO4)3CO2(pH=4.5) (pH=5.5) (pH=5.0)0 114 122 1140.05109 106 730.1084 103 620.1550 80510.2056 78490.2545 64630.3050 2463根據這些試驗可以確定的是，當用二氧化碳替代輔加的硫酸鋁時，可維持適當的施膠水平。也就是說，當使用二氧化碳時改善了游離度，但松香施膠劑仍能保留在紙產品中，其保留程度與用明礬製得的紙產品中的保留程度相同。酸性施膠劑在酸法造紙中使用的施膠劑。常用的酸性施膠劑是松香。通常用硫酸鋁來固定酸性施膠紙中的施膠劑。參見硫酸鋁和施膠劑。明礬 參見硫酸鋁。硫酸鋁在酸法造紙中使用的填料，它能降低pH，增加紙頁的松厚性，固定添加劑如染料和松香施膠劑，改善填料和細小纖維的留著率，以及改善濾水性能。它還被稱為明礬或造紙明礬。淨化器用來從液體漿中除去塵埃或其它雜質的裝置。Cobb試驗 測量一施膠紙頁耐水能力的一種試驗(Tappi試驗法T441)。Cobb值越高表明吸水率越大，因此具有更小的抗水腐蝕性。濾水 通過成形網從液體漿中排水的過程。濾水在長網上進行並能通過游離度進行測量。參見游離度。網前箱置於長網頭部的流漿箱。該網前箱接收稀釋的液體漿，並調節壓頭和水位，以便在整個網寬上提供均勻的液流。漿泵泵送和混合紙漿和大量稀釋水至紙機網前箱的大離心力泵長網緊接在網前箱下遊的、紙機的主要脫水部分。長網通常是從液體漿中濾去水份的金屬網或塑料網。游離度 紙漿和水的混合物脫除或留著水的能力。游離度測量儀游離度的測量裝置。配料紙漿混合物材料，如各種紙漿，染料，添加劑，以及在造紙廠備料工段混合的其它化學品的混合物，並且將被送至紙機的溼部。配料也稱為紙漿或紙漿配料。內部施膠添加適當的化學品對造紙紙漿進行施膠的方法，所述的化學劑沉澱在纖維上以便對液體滲透入由此製得的紙張或紙板中進行控制。參見施膠劑和表面施膠。Kraft 1．對木片進行蒸煮以生產木漿的化學方法。
2．利用Kraft法製得的未漂紙產品。Kraft產品的例子有雜貨袋和紙板。媒染劑 添加至液體漿中以改善填料如澱粉和染料對纖維的固定作用的材料。造紙機 由配料製備紙或紙板所使用的機器。所述紙機通常包括有下面的操作步驟脫水，壓榨，乾燥，塗布，以及復卷。紙機流漿系統在紙機之前的一系列容器，磨漿機，淨化器，泵等。另外，也稱之為流漿系統。紙產品 包括紙和紙板的常用術語。某些例子有印刷紙和書寫紙，新聞紙，紙板，掛麵紙板和瓦楞介質。造紙將配料轉化成紙或紙板的方法，包括許多操作步驟，其中一些步驟是磨漿，混合，篩選，脫水，壓榨，乾燥，和復卷。磨漿機 通過磨擦，破碎，磨破或切斷對纖維進行機械處理的機器。
磨漿機連接打漿機。另外也稱之為ticklers。留著率 指的是液體漿保留纖維和填料而不讓它們通過網排出並因此從最終紙產品中除去的能力。松香一種常用的施膠劑。參見施膠劑。施膠劑添加至紙漿配料中或由該配料製得的紙產品的表面上的物質，如松香，明膠，(動物)膠，澱粉，蠟等；以便賦予抗墨性和抗水性。紙漿 用來製造紙產品的、包含或不含填料，添加劑和染料的紙漿混合物。也稱之為配料。廢紙 返回至造紙廠用作隨後紙產品生產用纖維源的紙或紙板。
應理解的是，所進行的說明僅僅是對本發明的說明。在不違背本發明的前提下，本領域熟練技術人員能作出各種變更和改進。因此，本發明包括所有的變更，改進和變動，所有這些均落入所附權利要求的範圍內。
權利要求
1．一種紙產品的製造方法，包括如下步驟將新鮮紙漿和二氧化碳混合，以便得到降低pH值的液體漿；將包含鋁化合物的材料添加至所述的液體漿中。
2．如權利要求1所述的方法，其中所述的材料包括廢紙。
3．如權利要求1所述的方法，其中所述的鋁化合物包括硫酸鋁，所述的材料包括廢紙。
4．如權利要求3所述的方法，其中，通過將所述降低pH的液體漿中的所述的二氧化碳和所述廢紙中的所述硫酸鋁混合，可取得所述廢紙用施膠劑所希望的留著率。
5．如權利要求3所述的方法，其中，將足量的二氧化碳添加至所述的液體漿中，以便將其pH降低至能使所述硫酸鋁與有效量的施膠劑反應所需的值，以便取得所希望的最終產品的施膠。
6．如權利要求1所述的方法，另外還包括如下步驟將補充量的所述鋁化合物添加至所述產物流中，其中所述補充量的所述鋁化合物足以取得最終產品所希望的施膠，但低於在沒有所述二氧化碳的情況下所需的所述鋁化合物量。
7．一種紙產品的製造方法，包括如下步驟提供由廢紙得到的紙漿，所述紙漿包含有鋁化合物；將二氧化碳添加至所述的紙漿中，以便將所述紙漿的pH值降至使所述鋁化合物能溶解的酸性值。
8．如權利要求7所述的方法，其中所述的鋁化合物包括硫酸鋁。
9．如權利要求8所述的方法，其中，將足量的二氧化碳添加至所述的液體漿中，以便將其pH降低至能使所述硫酸鋁與有效量的施膠劑反應所需的值，以便取得所希望的最終產品的施膠。
10．如權利要求7所述的方法，另外還包括如下步驟將補充量的所述硫酸鋁添加至所述的紙漿中，其中所述補充量的所述硫酸鋁足以取得最終產品所希望的施膠，但低於在沒有所述二氧化碳的情況下所需的所述硫酸鋁量。
全文摘要
一種紙產品的製造方法,包括:將二氧化碳氣流送至包括含鋁化合物的材料的產物流中。所述材料優選是包含硫酸鋁或造紙明礬的廢紙。該材料還可以是已向其中添加有新鮮紙漿的廢紙(包含硫酸鋁)的產物流。將二氧化碳添加至所述產物流中將使該產物流的pH值降至能使鋁化合物溶解並分布在整個產物流中的酸性值。
文檔編號D21H11/14GK1214388SQ981029
公開日1999年4月21日 申請日期1998年6月9日 優先權日1997年6月10日
發明者J·L·布羅託, D·B·馬德羅斯, A·S·瓦拉達雷斯, 小J·A·斯羅庫姆普 申請人:普拉塞爾技術有限公司