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PROCEDE MECANO-CHIMIQUE POUR LA FABRICATION DE LA PATE A PAPIER.
La présente invention concerne un procédé de fabrication de la pâ- te à papier à partir de matières à fibres grossièreso
Elle a notamment pour objet un nouveau procédé mécano-chimique de fabrication de la pâte, qui peut être conduit à la pression atmosphérique aux moindres frais opératoires et d'installation et dans le temps minimum, tout en obtenant un produit amélioré et plus homogèneo
Du point de vue de l'invention, on peut considérer comme matiè- res à fibres grossières les matières cellulosiques à structure fibreuse se trouvant à 1-'état naturel ou qui ont été transformées en une matière consis- tant essentiellement en paquets de fibres au en groupes de paquets de fibres dont la section transversale, mesurée perpendiculairement à l'axe de la fi- bre ou "grain" de la matière.,
est relativement mince. Dans le cas des matiè- res ligneuses la dimension de la section transversale doit être inférieure ou du même ordre de grandeur que les longueurs des fibres individuelles.
Dans le cas des matières ligneuses, cette limitation est nécessaire du fait de la densité ou de la compacité de la structure ligneuse qui, si elle se présentait sous de plus grandes épaisseurs, aurait tendance à s'opposer à, ou à limiter, l'imprégnation des liquides ou produits chimiques liquides au cours de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. A titre d'exemples de matières fibreuses grossières selon l'invention, on peut citer les matiè- res non ligneuses telles que la paille, la filasse de lin et de chanvre, le coton, la bagasse de canne à sucre, les tiges de mais, le jute, les roseaux, les fibres de manille et de sisal, etc...
Ces matières comprennent également les matières fibreuses lig- neuses telles que les fibres d'asplenium, les fibres de Mc Millan, les fi- bres grossières de bois broyé, les copeaux fins d'emballage ou de rembourra- ge, etcooo
L'invention a également pour objet un procédé combiné de diges- tion chimique et de défibrage mécanique, permettant d'obtenir de meilleurs
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rendements en pâte à teneur supérieure en hémi-cellulose, nécessitant moins d'énergie en utilisant une installation de pilonnage et de raffinage moins dispendieuse.
L'invention a en outre pour objet une pâte de paille sensiblement exempte de nodules, de rachis et de graines, et contenant un minimum de fi- breso
On prépare ordinairement la pâte à partir de la paille, de la fi- lasse de lin et de chanvre, du coton, de la bagasse de canne à sucre, des tiges de mais, du jute, des roseaux, des fibres de manille et de sisal ou matières analogues au moyen de procédés ayant recours à la pression et qùi nécessitent le chauffage pendant plusieurs heures de la liqueur chimique destinée à produire la pâte, à des températures sensiblement supérieures à 100 C et sous des pressions de vapeur correspondantes. Ces procédés sont soumis aux nombreux inconvénients et éventualités qui accompagnent le chauf- fage de volumes importants de matière sous une pression considérable,pen- dant de longues périodes de temps.
Bien qu'on puisse obtenir une pâte à pa- pier d'excellente qualité au moyen de ces procédés, ces derniers sont relati- vement compliqués et coûteux du fait qu'il est nécessaire d'avoir recours à des installations sous pression ; ilsentraînent par conséquent une grande dépense de main-d'oeuvre et de temps.
Bien qu'on sache que des résidus agricoles tels que la paille puissent être réduite.- en pâte sous la pression atmosphérique, les procédés utilisés jusqu'à présent ont nécessité des quantités relativement importan- tes de produits chimiques et de longues durées de cuisson ou de digestion.
On a découvert selon l'invention qu'un facteur influençant gran- dement la vitesse et la transformation convenable de la matière brute à l'é- tat de pâte est la vitesse de diffusion du liquide contenant le produit chimi- que actif à travers les éléments de la matière brute, jusqu'aux couches ou surfaces internes des dits éléments., Ainsi, la réaction entre un agent de réduction à l'état de pâte et la matière à délignifier peut être,considérée comme étant une réaction chimique locale, c'est-à-dire qu'elle a lieu prin- cipalement aux surfaces de contact ou interfaces entre la matière solide à traiter et le liquide de traitement. Lorsque la réaction en ce point est terminée, il n'y a plus aucune action sensible jusqu'à ce que les produits de la réaction aient été éliminés, exposant ainsi de nouvelles surfaces.
Pendant la première partie de la cuisson habituelle, cette élimination peut avoir lieu en faisant circuler la liqueur à travers la matière de charge, contenue de façon plus ou moins immobile à l'intérieur d'un appareil fixe d'extraction ou digesteur, ou en faisant circuler à des vitesses différentes ladite matière et la liqueur, dans un digesteur à secousses ou rotatif. A- près la première action sur les surfaces extérieures de la matière solide, on doit procéder à l'élimination des produits de la réaction des surfaces en réaction, de manière à pouvoir amener à ces surfaces de nouvelles quan- tités des produits chimiqueso On arrive d'ordinaire à ce résultat par dif- fusion,qui constitue un procédé relativement lent.
C'est principalement pour cette raison que la vitesse de production de la pâte par les procédés habituels diminue au fur et à mesure du processus de cuisson.
L'invention fournit un procédé de fabrication de la pâte qui consiste à soumettre la matière de charge à une action mécanique et chimi- que simultanée, de telle sorte que la vitesse de diffusion est fortement augmentée. L'accroissement de la vitesse de diffusion est obtenu en soumet- tant la matière gonflée de liquide, et à l'état relativement libre au sein de la liqueur, à un choc mécanique. Sous l'action du choc vigoureux auquel la matière gonflée est soumise tandis qu'elle est immergée dans la liqueur de cuisson, la matière est comprimée, de telle sorte qu'une certaine quanti- té de liquide en est expulsée, à la manière dont un liquide est exprimé d'une éponge pressée,la matière étant immédiatement expulsée de la zone d'impact.
Après avoir quitté cette zone, la matière tend à reprendre son volume primi- tif et à absorber une nouvelle quantité de liquide fraisa Ainsi, sous l'ac- tion de cycles répétés d'expression et d'absorption, provoqués mécaniquement,
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La vitesse de diffusion à travers la matière, dans les deux sens, du liqui- de contenant la matière chimique de traitement est fortement accélérée, ce qui conduit à une accélération dans une mesure étonnante de la vitesse de la production de la pâte, laquelle est de l'ordre du quadruple au moins cel- -... de celle obtenue au moyen des procédés ordinaireso
Cette accélération de la diffusion peut être réalisée à l'aide de divers moyens mécaniques;
c'est ainsi par exemple qu'une plaque animée d'un mouvement rapide de rotation et munie d'ailettes non coupantes immer- gées dans la liqueur, ou un agitateur en hélice tournant à grande vitesse, donnent des résultats satisfaisants. L'action de choc sur lequel l'invention est basée ne doit pas être confondue avec Inaction de déchirure d'un pilon ordinaire, appareil Jordan ou autres appareils ordinaires utilisés dans le raffinage de la pâteo En outre, les procédés antérieurs en vue de la produc- tion de la pâte qui utilisaient un degré sensible d'agitation mécanique com- portaient l'emploi de pilons, malaxeurs, roues à ailettes, casseurs de fibres et analogues
Dans ces procédés antérieurs,
les morceaux de la matière à met- tre en pâte sont délimités mécaniquement et coupés ou séparés par l'action opposée d9éléments de frottement, de meulage ou de coupe relativement non déformables, ou du fait de la-friction interne d'une masse à consistance é- paisseo Cette action entre deux surfaces, écrasant et broyant la matière, désagrège les nodules et rachis et/ou rompt et coupe les fibres.
Dans le pro- cédé selon l'invention, les particules sont réduites à l'état de pâte et les cycles de.diffusion prennent naissance tandis que les fibres flottent librement dans un milieu à consistance relativement peu épaisse, de telle sorte que lorsque le liquide est exprimé d'une particule, celle-ci absorbe immédiatement du liquide frais, d'une façon en quelque sorte analogue à cel- le d'une machine ordinaire à lavero
Le procédé nouveau selon l'invention s'accompagne de nombreux avantages, dont quelques unes ont été mentionnés précédemment' En outre, on a constaté, particulièrement dans le cas de la paille, qu'il est possible de supprimer, comme étape préliminaire à la cuisson, le découpage préala- ble,
var il est possible d'introduire dans la liqueur chaude de la paille entière et de l'y transformer en pâte sous l'action de chocs, tout aussi facilement que si elle avait été découpée préalablemento Les brins de pail- le sont suffisamment ramollis pour être déchiquetés aisément sous l'action du choc au sein du bain de liqueuro
Les nodules et rachis de la paille ont toujours constitué des inconvénients dans la fabrication de la pâteo Ils ne cuisent pas aussi fa- cilement que les tiges- Les procédés habituels de pilonnage ou de raffina- ge réduisent ces nodules et rachis à l'état de menus fragments ou particu- les que l'on ne peut blanchir facilement et qui apparaissent sous forme de taches dans le papier final,
ainsi qu'à l'état de-pellicules ou plaquettes et de cellules qui ralentissent le fonctionnement de la machine à fabriquer le papier. Dans le procédé selon l'invention, les nodules et rachis sont gonflés et ramollis mais non désagrégés, contrairement à ce qui se passe dans les appareils habituels de pilonnage ou de raffinageo Une fois la. pâ- te obtenue, ces nodules et rachis sont sensiblement exempts de fibres ad- hérentes et ils peuvent être éliminés au moyen d'un rifle et par tamisage En outre les graines qui sont habituellement digérées et désagrégées par les procédés habituels de-réduction à l'état de pâte et de raffinage sont retenues sur le rifle ou sur le tamis, à l'état gonflé et ramolli.
La pâte obtenue par le présent procédé présente par-conséquent une teneur en lig- nine quelque peu plus faible', elle se blanchit mieux et présente moins de tâches qu'une pâte analogue défibrée dans un pilon ou raffineur à disque avant d'être décantée au rifle ou tamiséeo
La réduction à l'état de pâte par le procédé mécano-chimique selon l'invention peut être réalisée au moyen d'une grande variété de méca- nismessusceptibles de provoquer un choc sur les morceaux de matière immergés libres, c'està-dire libres de se mouvoir sous l'influence d'un coup vigou-
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reux.
Il est commode d'utiliser les dispositifs mécaniques destinés à remet- tre le papier en pulpe, mais l'invention n'est pas limitée à cette utilisa- tiono
L'un des avantages les plus importants du procédé consiste en ce qu'il est possible d'obtenir une pâte satisfaisante à la pression atmos- phérique. Il en résulte une augmentation de la sécurité et une diminution du prix de revient. La surveillance se trouve également facilitée, étant donné qu'on peut procéder plus rapidement et plus aisément au prélèvement d'échantillons, ainsi qu'aux vérifications nécessaires au cours de la mar- che de l'opération.
L'emploi de températures plus faibles conduit à une pâ- te plus résistante, étant donné qu'on sait que des températures sensible- ment supérieures à 100 C tendent à diminuer la longueur des chaînes molécu- laires de la celluloseo Probablement aussi pour les mêmes raisons, on ob- tient des rendements en pâte supérieurs.
La pâte contient également une plus grande proportion d'hemi-celluloses, telles que les pentosanes, qui sont présentes dans la paille originelleo Ceci est dû à l'action douce, sensiblement non-hydrolysante, de la liqueur de cuisson aux températures plus basseso Le procédé se rapproche davantage du procédé idéal de fabri- cation de la pâte, et qui consiste à éliminer la lignine sans qu'il se pro- duise une attaque, sinon faible, de la portion hydrocarbonée de la paille ou autre matière fibreuse, que tout autre procédé ha.bituel de fabrication de la pâte ayant recours à la pression.
La température du procédé peut varier entre 90 et 100 C, de pré- férence entre 96 et 9800; on peut utiliser des températures plus faibles, mais alors l'action est plus lente. On peut par contre utiliser des tempé- ratures plus élevées, mais cela n'est généralement pas nécessaire et con- duit à une consommation exagérée de vapeur, à moins de prendre des mesu- res pour confiner les vapeurso
Le procédé mécano-chimique selon l'invention réalise le défi- brage pratiquement complet, c'est-à-dire la séparation des fibres des no- dules et rachis, de même que la rupture des paquets de fibres en fibres é- lémentaires. On préfère habituellement arrêter l'opération dès que la paille est suffisamment réduite à l'état de pâte, même '.s'il reste encore une petite quantité de fibres adhérent aux nodules et rachis.
On obtient ainsi un rendement élevé en pâte d'excellente qualité et empêche la sur- chauffe. Si la matière n'est pas entièrement défibrée au cours de l'opé- ration de réduction à l'état de pâte, le défibrage complet ou final peut être réalisé dans le même récipient après qu'on a enlevé le produit chi- mique de réduction, ou bien dans toute installation convenable d'un type connu utilisée pour le défibrage.
Pour obtenir des pâtes fines, on doit choisir l'installation destinée à procéder à ce défibrage final de manière telle que les nodules et rachis ne soient pas désagrégés au cours de cette opération. Par exem- ple, on peut réaliser à cet effet un deuxième traitement mécano-chimique dans le récipient, en utilisant de l'eau seule, de manière à ne pas briser ou désagréger les nodules et rachis et il est ensuite facile de les enle- ver de la pâte. On peut utiliser toute installation de défibrage qui ne brise pas ou ne coupe pas les nodules et rachis.
Pour la production de pul- pes grossières, telles par exemple que celles destinées à la fabrication du carton ondulé N 9, dans lequel les nodules et rachis'brisés ne consti- tuent pas nécessairement un inconvénient, on peut utiliser des broyeurs à disques, pilons, appareils Jordan et analogues.
L'invention est illustrée par les exemples suivants, lesquels décrivent la production de pâte pour carton et de pâte fine obtenues à partir de paille de blé, mais elle n'y est nullement limitée, étant donné qu'elle peut être appliquée à toute autre matière non ligneuse, telle que la paille, la filasse de lin ou de chanvre, le coton, la bagasse de canne à sucre, les tiges de mais, le jute, les roseaux, les fibres de manille et de sisal, etc .... ainsi qu'à la matière fibreuse plus grossière obtenue à partir de copeaux de bois dans un broyeur à disques, des fibres grossières de bois broyé, des copeaux fins d'emballage, etc... L'invention n'est éga-
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lement pas limitée à la liqueur chimique particulière de cuisson utilisée,
car elle est basée sur la diffusion de produit chimique., provoquée mécani- quement à l'intérieur et hors de ladite matièreo
On a procédé à la fabrication de la pâte dans un dispositif con- sistant en un récipient sur le fond duquel est adapté une plaque rotative sur laquelle sont fixées un certain nombre d'ailettes disposées de telle sor- te que les particules de paille immergées reçoivent un coup vigoureux sous l'effet de la rotation rapide de ladite plaqueo On commence à entraîner la plaque en rotation après avoir introduit la liqueur de traitement et l'on ajoute la paille le plus rapidement possibleo On injecte de la vapeur pour maintenir la température et on mesure la durée nécessaire à la digestion et au défibrage combinés à partir du moment où l'on a introduit la dernière charge de paillée On prélève fréquemment des
échantillons du récipient au cours de l'opération et on les examine à l'oeil pour déterminer le degré de la réduction à l'état de pâteA la fin de la période de cuisson, on retire la pâte du récipient et on la lave. La pâte fine convenant pour le papier et le carton blanchis est tamisée avant d'être soumise aux essais de résis- tance. Afin de servir comme éléments de comparaison, on a préparé également de la pâte fine pour papier et carton par les procédés habituels sous près- siono Les essais mentionnés ici ont été effectués selon les normes de la TAPPI (Technical Association Pulp and Paper Industry).
Pour la réduction de la paille en vue de la fabrication du car- ton, les rendements en pulpe lavée obtenue par le procédé selon l'inven- tion, nécessitant une heure de réduction entre 90 C et 96 C, sont de 78 à 79%, contre 76 à 78% pour la pâte obtenue en chauffant pendant 5 heures à 140 C et sous une pression de 2,8 Kg/cm2, en utilisant la même quantité de produit chimique dans les deux types de cuisson (6% de chaux et 1,5% de soude caustique, basés sur le poids de la paille sèche)o Le pH de la li- queur noire résultant du procédé selon l'invention est de 11,1, contre 8,8 pour celle de la cuisson sous pressiono Ceci indique un épuisement moins complet des produits chimiques actifs dans le procédé selon l'invention.
La pâte préparée selon l'invention présente de meilleures ca- ractéristiques de pilonnage et de résistances en particulier de résistance à l'éclatement, et au déchirage que celles obtenues par le procédé sous pressiono Les valeurs comparées des deux pâtes obtenues selon le procédé mécano-chimique et le procédé sous pression sont indiquées au tableau I ci-dessous.
TABLEAU I
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T <6 "t Temps de Degré Résis - RésisRésis Résis- Densi-
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Ces essais sont effectués suivant les méthodes standard de la TAPPI.
La densité apparente quelque peu supérieure des pâtes obtenues par le présent procédé indique une meilleure délignification que celle des pâtes obtenues par le procédé sous pression, et par conséquent des carac- téristiques d'hydrolyse et de feutrage supérieures pour les fibres obtenues.
Ceci est corroboré par l'analyse chimique des pâtes obtenues par le présent procédé lesquelles présentent 15,6% de lignine et 30,4 % de pentosanes, contre 17,7% de lignine et 25,5% de pentosanes pour les pâtes obtenues sous
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pression. La couleur de la pâte pour carton est plus claire que celle de la pâte obtenue sous pressiono
Pour produire une pâte plus fine, on a effectué des opérations selon le procédé, en utilisant comme réactifs du sulfite de sodium et le réactif chimique habituellement utilisé pour la production du papier kraft, à savoir un mélange d'hydroxyde de sodium et de sulfure de sodium.
Les résultats obtenus au moyen d'agents énergiques de réduction, tels que la soude caustique et le sulfure de sodium ou liqueur kraft sont meilleurs que ceux obtenus avec le sulfite neutreCe dernier nécessite beaucoup plus de temps pour permettre d'obtenir la pâte à partir de la pail- leo En utilisant 12% de produits chimiques du type kraft, basés sur le poids de la paille sèche, le rendement en pâte filtrée obtenue par digestion de laaille pendant une demi-heure à 98 C selon la présente invention est de 55% environ,
soit de 8 % environ supérieur à celui obtenu par cuisson pen- dant 2 heures à 170 C et 7 Kg/cm2 avec la même quantité de produits chimi- queso Les caractéristiques de pilonnage et de résistance des pâtes kraft non blanchies obtenues par les procédés mécano-chimique et sous pression respectivement sont très analogues.
TABLEAU II
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<tb> Type <SEP> de <SEP> pâte <SEP> Temps <SEP> de <SEP> Degré <SEP> Résis- <SEP> Résis- <SEP> Résistan- <SEP> Densité
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<tb> pilonna- <SEP> d'en- <SEP> tance <SEP> tance <SEP> ce <SEP> à <SEP> la <SEP> apparente
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<tb> kraft <SEP> (non
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<tb> blanchi)
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Ces essais sont effectués suivant les méthodes standard de la TAPPI.
La pâte kraft obtenue selon l'invention a une couleur beaucoup plus claire que celle de la pâte kraft ordinaire obtenue par le procédé sous pression.
En diminuant la quantité des produits chimiques kraft utilisés, pour la cuisson, on augmente la durée du temps nécessaire pour obtenir la pâte. Les teneurs en cendres;, comprises entre 1,9 et 3,7 %, obtenues en di- minuant la quantité des produits chimiques, étaient inférieures à celles de la pâte obtenue par le procédé sous pression (4,9%).
La concentration en produits chimiques de 'cuisson dans le présent procédé n'a pratiquement aucun effet sur la teneur en pentosanes des pâtes, qui est élevée et com- prise entre 32e5 et 33,5% Ceci souligne le fait que le présent procédé se rapproche des conditions idéales de délignification de la pâte, produisant une action relativement faible sur la partie hydrocarbonée de la matière premièreo
Etant donné que la cuisson est poursuivie à une consistance plus faible que celle utilisée dans le procédé sous pression, la concen- tration des liqueurs-noires en matières organiques est relativement faible.
On a effectué une série de quatre cuissons en utilisant une proportion de 10 % de produits chimiques kraft, dans la première cuisson. On a réutili- sé dans la deuxième cuisson la liqueur soutirée de la première,, en ajoutant une nouvelle quantité en réactif pour amener la teneur totale à 10 % de la paille. On a répété encore duex fois ce processus. Les caractéristiques
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