CN100363554C

CN100363554C - 一种制备在纤维物质悬浮液中含有的纤维的方法

Info

Publication number: CN100363554C
Application number: CNB038030357A
Authority: CN
Inventors: K·多勒
Original assignee: Voith Paper Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2002-02-02
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2023-02-03
Also published as: EP1474568A1; EA200401018A1; US20050000665A1; EA006451B1; JP2005517100A; CA2474933A1; CN1625630A; WO2003066962A1; MXPA04007332A; AU2003244495A1

Abstract

本发明涉及一种制备在纤维物质悬浮液中含有的纤维的方法，其具有下列步骤：制备具有预定的固体物质浓度的悬浮液形式的纤维；用沉淀产物填充纤维；研磨用沉淀产物填充的纤维以生成沉淀产物颗粒的最大粒度为约0.05-约5μm；其中生成结晶的沉淀产物，并且结晶的沉淀产物颗粒的生成是在在线工艺过程中直接在物料生产线中进行的。

Description

一种制备在纤维物质悬浮液中含有的纤维的方法

技术领域

本发明涉及一种制备在纤维物质悬浮液中含有的纤维和/或制备用于涂敷纸张的涂敷料的方法。

技术背景

在纸张制备中，填料，如特别是沉淀的碳酸钙(PCC)或经破碎的或经研磨的碳酸钙(GCC)是常用的物质，其应用于此的目的是，减少纤维含量以及改善纸张的光学性能。

市场出售的PCC或GCC填料是大批量生产的物质，其在特殊的制备操作中生产，其可连接到造纸厂作为附属装置。然而PCC的在线制备在造纸工业中从未考虑过，这要归因于制备PCC所必需的特别的工艺过程性能。取而代之的是PCC或GCC作为松散材料或以悬浮液的形式而输送到造纸厂中。

此外，PCC和GCC填料以0.3μm和更大的粒度用作为涂敷颜料。因为小颗粒的GCC填料不能满足所需要的光学性能，所以添加TiO₂。在涂敷时，所需要的光学性能可通过使用TiO₂而达到，然而在此它是非常昂贵的和研磨的颜料，其可能是比PCC或GCC颜料昂贵直至10倍。因为目前所用的GCC和PCC颜料的光学性能受制备方法所限制，所以迄今为止都采用TiO₂，以改善这些性能。

用添加物质，如填料加载填充例如可通过化学沉淀反应，这就是说特别地通过所谓的“纤维填充^TM”工艺过程而进行，如尤其在US-A-5223090中所描述的那样。在这样一个“纤维填充^TM”工艺过程中，在纤维材料的润湿的纤维表面上填充至少一种添加物质，特别是填料。在此纤维可例如用碳酸钙填充。在此，氧化钙和/或氢氧化钙被添加到潮湿的、经破碎的纤维材料中，使得其中的至少一部分与在纤维材料中存在的水缔合。经这样处理的纤维材料随后用二氧化碳加载处理。

在加入含有氧化钙和/或氢氧化钙的介质到纤维物质悬浮液中时发生具有放热性质的化学反应，在此氢氧化钙优选以液态的形式(石灰乳)加入。这意味着，在纤维物质悬浮液的纤维物质中或上可能存在的水不是绝对对于化学反应的开始和进行是必需的。

发明内容

本发明的目的是，提出一种开头所述种类的经改善的方法。

根据本发明这一任务通过具有下列步骤的制备在纤维物质悬浮液中含有的纤维和/或制备用于涂敷纸张的涂敷料的方法而解决：

-制备具有预定的固体物质浓度的悬浮液形式的纤维，

-用沉淀产物填充纤维，

-研磨用沉淀产物填充的纤维以生成沉淀产物颗粒的最大粒度为约0.05-约5μm，

-其中生成结晶的沉淀产物颗粒，并且结晶的沉淀产物颗粒的生成是在在线过程中直接在物料生产线上进行。

在此下列装置和/或试剂中的至少一种可用于在线过程：净化装置、特别是HC净化器，混合装置、特别是静态混合器，石灰熟化装置，压机、特别是螺杆压机或皮带压机，均衡反应器，结晶器，其他的混合装置、特别是静态混合器，CO₂供给装置或附加的CO₂再生装置、选择性的CO₂加热器、选择性的化学漂白剂添加剂、高压水箱。

结晶的沉淀产物颗粒的形成尤其具有这些优点，即在需要的情况下对于最终产物可达到较高的光泽值。

应说明的是，在通常情况下只研磨经填充的纤维。涂敷料通常情况下不研磨，但其可以被研磨。这通常取决于各自定义，然而也取决于各自的结晶过程。假如CaCO₃晶体在涂敷房中制备，那么在悬浮液中就没有纤维，这就是说，泵结晶器只作为高效的化学反应器或混合器工作。当然在混合和反应过程中也可以有研磨组分，特别是通过在悬浮液中颗粒的研磨，其是通过转子和静子进行的。

根据本发明的方法的优选的实用方案，在结晶器一侧的高压水用作为稀释水。

其他的混合装置特别可用来精细调节纤维物质悬浮液的pH-值，优选在6-8之间的范围内调节。

第一个混合装置优选用来将石灰乳混合进纤维物质悬浮液中。

根据本发明的方法的另一个实用的方案，净化装置是用来阻止在工艺过程中由较重的物料，特别如沙子、石块和金属小块而产生的杂质。

有利地通过CO₂再生系统而制备至少一部分必需的CO₂。这样其例如可以从锅炉的烟气或发电厂的烟气再生获得。

根据本发明的方法的优选的方案，沉淀产物是碳酸钙。

在加入含有氧化钙和/或氢氧化钙的介质到纤维物质悬浮液中时发生具有放热性质的化学反应，在此氢氧化钙优选以液态的形式(石灰乳)加入。这意味着，在纤维物质悬浮液的纤维物质中或上面可能存在的水不是绝对对于化学反应的开始和进行是必需的。

例如可以生成具有各自的立方体大小为约0.05-约2μm的斜方六面体形式的沉淀产物颗粒。在一定的情况下，也具有优点的是，生成具有各自的长度为约0.05-约2μm和各自的直径为约0.01-约0.05μm的偏三角面体形式的沉淀产物颗粒。

根据本发明的方法的优选的实用方案，所制备的纤维物质悬浮液的固体物质浓度选择为约5-约60％和优选为约10-约35％。

也是特别具有优点的是，加入氧化钙和/或氢氧化钙到纤维物质悬浮液中用采用碳酸钙填充纤维，并且通过用二氧化碳加载处理纤维物质悬浮液而引发沉淀。

在用填料填充例如纤维时，通过将氧化钙(CaO)和/或氢氧化钙(Ca(OH)₂)加入到潮湿的纤维材料中，其中至少一部分可以与纤维物质量的水缔合，这样例如碳酸钙(CaCO₃)也可沉积在润湿的纤维表面。然后经这样处理的纤维材料可用二氧化碳(CO₂)加载。

概念“润湿的纤维表面”可以包括所有的单个纤维的润湿的表面。在此还特别包括这种情况，即纤维不仅在它的外表面而且在它的内表面(内表面)用碳酸钙或其他的任意的沉淀产物填充。

因此，例如纤维可以例如用填料碳酸钙填充，其中，在润湿的纤维表面上的沉积通过所谓的“纤维填充^TM”工艺过程而进行，如其本身在US-A-5223090中所描述的那样。在这个“纤维填充^TM”工艺过程中，例如二氧化碳与氢氧化钙反应生成水和碳酸钙。

氢氧化钙可以以液体的形式或以干燥的形式加入到纤维物质悬浮液中。

根据本发明的方法的有利的实用方案，二氧化碳在约-15-约120℃的温度下，优选为约20-约90℃的温度下加入到纤维物质悬浮液中。

所制备的纸张也可含有粒度为约0.05-约5μm的填料，这样提高了最终产品的光学性能。填料特别是碳酸钙，其在自然界中例如以方解石、霰石和以较少见的形式Vaterit存在。这种填料主要可由方解石的形式构成，其中应存在300多种不同的晶体形式。所用的填料颗粒的形式例如可以是具有各自的立方体大小为约0.05-约2μm的斜方六面体或具有各自的长度为约0.05-约2μm和各自的直径为约0.01-约0.05μm的偏三角面体，这各自取决于所要制备的纸张种类。

填料良好地在纤维的上面、周围和内部分布，这意味着，没有产生束状的晶体的附聚物。各个填料颗粒，也即晶体是各自分别有一定距离的或各自个别地提供在纤维上。填料颗粒通过沉积在纤维上而覆盖纤维，这样就改善了最终产品的光学性能。所以颗粒粒度对于达到最佳的不透明性是重要的。高的不透明性当可见光的色谱良好地被散射时才达到。假如色谱被吸收，那么颜色就为黑色。假如填料颗粒的粒度在0.2-0.5μm以下时，那么就有趋于透明和较高的光泽的倾向。

为了达到上述的结果，用来生成填料晶体的相关的制备过程例如可以如下安排和具有下列的变量：

-潮湿的，也就是还未经干燥的纸浆或物料

-液体或干燥形式的氢氧化钙

-CO₂

-气体区域

-转子

-定子

-在气体气氛中不施加混合能量下晶体的生成

-在较小剪切下的混合

-没有压力容器

预先已经与Ca(OH)₂混合的纤维物质悬浮液以约5-约60％，优选为约10-约35％的稠度或固体物质浓度加入到纤维分离机、精制机、分散机或类似的机器中。Ca(OH)₂可以以液体或以干燥的形式加入。纤维物质悬浮液用CO₂加载处理。CO₂例如可以在约-15-约120℃的温度下，优选为约20-约90℃的温度下加入。

纤维物质悬浮液进入气体区域，在此每一单个纤维处于气体气氛中，随后进行沉淀反应，从而直接生成CaCO₃。CaCO₃晶体的形式可以例如是斜方六面体、偏三角面体或球形，其中晶体量特别地与所选择的用于纤维物质悬浮液的温度区域和与在纤维物质悬浮液中的CO₂含量以及Ca(OH)₂含量有关。在具有已形成了的晶体的纤维物质悬浮液已经通过气体区域之后，通过转子和定子在纤维内表面、在纤维上和在纤维之间输送所形成的PCC或具有晶体的纤维物质悬浮液，在此在纤维物质悬浮液中的晶体分布在以较小的剪切混合下而结束。

在纤维物质/晶体悬浮液通过转子的过程中形成剪切分布，其产生的晶体的粒度分布为约0.05-约0.5μm和优选为约0.3-约2.5μm。

所用的填料颗粒的形式例如是具有各自的立方体大小为约0.05-约2μm的斜方六面体或具有各自的长度为约0.05-约2μm和各自的直径为约0.01-约0.05μm的偏三角面体的，这取决于所要制备的纸张种类。

纤维物质悬浮液碰到转子圆盘越远，剪切是越小，这取决于用来稀释所加入的H₂O。通过转子圆盘的纤维物质悬浮液的浓度为约0.1-约50％和优选为约35-约50％。

作用到CO₂输入管道上的压力特别地为约0.1-约6bar和优选为约0.5-约3bar，以保证对用于所期望的化学反应的气体环的恒定CO₂供给。如同在通过园艺用软管供给水那样，对于高的水需求时应提高压力，以通过软管输送更多的水。因为CO₂是压缩气体，所以也可以以此提高必需的量，以保证完全的反应。CO₂供给和由此生成CaCO₃的沉淀反应可以通过pH-值调节和/或控制。

例如可以考虑6.0-约10.0pH，优选为约7.0-约8.5pH的pH值用于CaCO₃晶体的最终反应。用于这一过程的能量特别地可以是约0.3-约8kWh/t和优选为约0.5-约4kWh/t。可以加入稀释水和与纤维物质悬浮液混合，以得到最终的稀释，其中所生成的具有填料的纤维物质悬浮液具有例如约0.1-约16％，优选为约2-约6％的稠度或固体物质浓度。然后该纤维物质悬浮液置于在机器、容器或下一步的过程机器中的气氛下。

转子圆盘的转动速度在外径处可以特别为约20-100m/s和优选为约40-约60m/s。

转子和定子之间的缝隙例如为约0.5-约100mm和优选为约25-约75mm。

转子和定子的直径特别地可以例如为约0.5-约2m。

反应时间优选为约0.001-1min，优选为约0.1-约10sec。

上述的方法使得单个颗粒的制备成为可能，其是互相等距离地沉积纤维上，在此，其以必需的种类和方式覆盖纤维，以满足对于白色的或光泽的纸张所期望的高程度的需求。颗粒粒度优选为约0.05-约5μm，其中对于立方体的斜方六面体形式优选的粒度为约0.05-约2μm或对于偏三角面体形式在长度方面为约0.05-约2μm和在直径方面为约0.01-约0.5μm。对于高光泽用途，颗粒粒度适宜地应为在0.2-0.5μm以下。

用来制备由经沉淀的碳酸钙构成的填料颗粒的在线过程也特别地直接在物料生产线中给出。

得到的填料颗粒的优点尤其在如下方面：

-现在可能的是要求的填料颗粒均匀地分布于纤维表面上，这样在线地在物料制备中得到最佳的光学性能，其中所达到的填料水平可在40％以下或以上。

-因为在纤维内表面也填充了填料颗粒，所以显著地减少由于砑光而变黑的趋势。

-得到了一种新的用来填充颜料的方式，以直接在纸张制备时而不是在涂敷过程中在纸张中和在纸张上达到所期望的光学性能和达到所期望的可印刷性。在上述的实施方案中，涂敷过程也只可用来精细调节纸张表面的性能。然而另外地或附加地在涂敷过程中相应的影响也是可想象的。

-因为填料颗粒填充在纤维中，所以它们在造纸机的长网部不能再被洗出，使得不需要如同针对常用的GCC或PCC颗粒一样通过涂敷过程处理这些颗粒，这意味着，可节省涂敷颗粒，这就可导致较高的机器速度，因为必须涂敷较少的涂料量。

-因为填料颗粒在在线过程中沉积纤维上，也就是说在纤维物质制备体系中结晶，所以可以通过节省助留剂、纤维和污渣，减少白水污染以及节省能量和原料而达到经济的优点。

-用所形成的填料颗粒而生成高光泽纸张是可能的。

-因为所沉淀的填料颗粒在较小的程度上是打光的或研磨的，所以可以带来涂敷装置以及造纸机毡垫和网的较长的寿命。

-在可达到较高的白度和较好的光学性能之后，可以减少TiO₂的使用。

根据本发明的方法特别地也可用于经涂敷的纸张的涂敷料。PCC制备可以是涂敷过程的一部分，在此又可以形成上述的晶体形式。

在此，特别可能的是，以下列方式对在预干燥前和后干燥之间的在线涂敷机器以及应用独立于造纸机的涂敷装置或精制机器产生影响：

-必须应用较少的TiO₂。

-纸张表面通过小晶体而改善。需要较少的涂敷物料。

-给出较好的可印刷性，因为纤维是均匀地用晶体覆盖的。

-因为纤维是用晶体均匀覆盖的，所以也就减少了水的吸收和油的吸收。

-此外，如果进行在线涂敷的话，减少了在涂敷装置以及在造纸机中的损耗。

因此根据本发明的方法特别地也可结合地应用于涂敷机器和造纸机。

原则上脱线操作和在线操作都是可能的。

与传统的PCC填料不同，根据本发明制备的具体晶体形式，其例如甚至在涂敷过程中也可以所期望的方式改变。

适合的可能的纸张种类尤其列举如下：

印刷和书写纸：

-其可由新闻纸制备。

-含木质的或不含木质的经涂敷的印刷和书写纸

-未经涂敷的含木质的或不含木质的印刷和书写纸。

由磨木浆(Holzstoff)或(Zellstoff)确定的纸张种类：

-已知作为具有25-100％的磨木浆或化学浆的含木质的纸张种类。添加化学浆，以提高强度和涂敷机和造纸机的工作运转能力，等等。

新闻纸种类：

-可以含有直到100％的再生纤维或直至100％的磨木浆或化学浆，它们或者是机械木材纤维、热机械纸浆(TMP＝热机械纸浆)、压力研磨纸浆(PGB＝压力研磨木材纸浆)，或者是CTMP(化学热机械纸浆)。化学浆的采用可达到直至30％。再生纤维(RCF)的采用可提高填料含量。

SC-纸张：

-在此它们是一种纸张种类，其通过化学浆的使用而确定，并且可具有直至30％的填料含量。

经涂敷的纸张种类：

-这种纸张种类是通过机械纸浆，也就是机械磨木浆或化学浆而确定，其含量直至100％。

化学浆种类：

-这种纸浆含有直至10％的机械纸浆。不仅采用硬木化学纸浆而且采用软木化学纸浆。

复印纸：

-这种纸由直至90-100％的新鲜化学纸浆纤维构成，然而也可含有直至100％的再生纤维，其中可提供填料含量直至约30％。

印刷和书写纸张：

-这种纸可由新闻纸制备。

-含木质的或不含木质的经涂敷的印刷和书写纸。

-含木质的和不含木质的未经涂敷的印刷和书写纸。

纸板种类：

-这种纸板含有由经漂白的硬木(直至90％)和经漂白的软木(直至30％)的混合物构成的覆盖层，在此覆盖层或底层是经涂敷的。这也可以在下层中采用，其可以含有由经漂白的纸浆、OCC和电脑印刷品的混合物。中间层含有例如由废物和生产废料构成的混合物，而基底层可含有未经漂白的软木和生产废料以及OCC。

附图说明和具体实施方式

根据本发明的方法例如可以在所附的唯一一张图中再次给出的种类的“纤维填充^TM”系统中实现。

对此至少一种下列的装置和/或试剂可用于在线工艺过程：净化装置10，特别优选HC净化器(高稠度净化器)、混合装置12，特别优选静态混合器、石灰熟化装置14、压机16，特别优选为螺杆压机或皮带压机、均衡反应器18、结晶器20、其他的混合装置22，特别优选为静态混合器、CO₂供给装置24或附加的CO₂再生装置、选择的CO₂-加热器26、选择的化学漂白添加剂、高压水箱28。

净化装置10或类似的装置以优选的方式设置有至少一种起保护作用的机械。

混合装置10和其他的混合装置22也可根据在德国公开文献DE4125513A1公开的用来混合悬浮的纤维物质的装置而进一步构成。这种装置包括用于悬浮的纤维物质(“浓稠物质”)的导入管道，其伸入到经特别弯曲的管段的内壁处，导入稀释物质。浓稠物质从导入管道的流出速度在此优选为在伸入区域流动的稀释物质的速度的至少三倍。此外，导入管道优选伸入到管段的中间区域。

在进一步的构成中混合装置10和/或其他的混合装置22可设置有或不设置已知的停留槽。

此外在附图中可看到，设置在通向净化装置10的管道中的控制阀28，一个在石灰熟化装置14和第一个混合装置12之间的一个石灰乳泵30，一个在高压水容器28和结晶器20之间的高压水泵32，一个混合容器34以及一个在CO₂供给装置24和CO₂加热器26之间的CO₂泵36。

图例说明

10 净化装置

12 第一混合装置

14 石灰熟化装置

16 压机

18 均衡反应器

20 结晶器

22 其他的混合装置

24 CO₂供给装置或附加的CO₂再生装置

26 任选的CO₂加热器

28 高压水箱

30 熟石灰泵

32 高压水泵

34 混合容器

36 CO₂泵

Claims

1.一种制备在纤维物质悬浮液中含有的纤维和/或制备用于涂敷纸张的涂敷料的方法，其具有下列步骤：

-制备具有预定的固体物质浓度的悬浮液形式的纤维，

-用沉淀产物填充纤维，

-研磨用沉淀产物填充的纤维以生成沉淀产物颗粒的最大粒度为0.05-5μm，

-结晶的沉淀产物颗粒的生成是在在线过程中直接在物料生产线中进行。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，至少一种下列的装置和/或试剂用于在线工艺过程：净化装置(10)、混合装置(12)、石灰熟化装置(14)、压机(16)、均衡反应器(18)、结晶器(20)、另外的混合装置(22)、CO₂供给装置(24)或CO₂再生装置、非必要的CO₂加热器(26)、非必要的化学漂白添加剂、高压水箱(28)。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于，至少一种下列的装置和/或试剂用于在线工艺过程：HC净化器、静态混合器、石灰熟化装置(14)、螺杆压机或皮带压机、均衡反应器(18)、结晶器(20)、另外的静态混合器、CO₂供给装置(24)或CO₂再生装置、非必要的CO₂加热器(26)、非必要的化学漂白添加剂、高压水箱(28)。

4.根据权利要求2或3的方法，其特征在于，在结晶器一侧的高压水用作为稀释水。

5.根据权利要求2或3的方法，其特征在于，所述另外的混合装置(22)用来精细调节纤维物质悬浮液的pH-值。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于，所述的pH-值调节为6-8之间的范围。

7.根据权利要求2-6之一的方法，其特征在于，混合装置(12)用来将石灰乳混合入纤维物质悬浮液中。

8.根据权利要求2-7之一的方法，其特征在于，净化装置(10)用来阻止在工艺过程中由较重的物料而产生的杂质。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于，所述较重的物料是沙子、石块和金属小块。

10.根据权利要求2-9之一的方法，其特征在于，至少一部分必需的CO₂通过CO₂再生体系而制备。

11.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，沉淀产物是碳酸钙。

12.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，生成具有各自的立方体粒度为0.05-2μm的斜方六面体形式的沉淀产物颗粒。

13.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，生成具有各自的长度为0.05-2μm和各自的直径为0.01-0.5μm的偏三角面体形式的沉淀产物颗粒。

14.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所制备的纤维物质悬浮液的固体物质浓度选择为5-60％。

15.根据权利要求14的方法，其特征在于，所述浓度为10-35％。

16.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，加入氧化钙和/或氢氧化钙以便用纤维物质悬浮液的碳酸钙填充纤维，并且通过用二氧化碳加载纤维物质悬浮液而引发沉淀。

17.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，纤维物质悬浮液的氢氧化钙以液态的形式加入。

18.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，纤维物质悬浮液的氢氧化钙以干燥的形式加入。

19.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，纤维物质悬浮液的二氧化碳在-15-120℃的温度下加入。

20.根据权利要求19的方法，其特征在于，纤维物质悬浮液的二氧化碳在20-90℃的温度下加入。