CN101827973B - 改善纸浆特性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过利用选择性除去细粉来改善非木纸浆的特性的方法。

Description

改善纸浆特性的方法
技术领域
本发明涉及通过从纸浆中除去部分细粉来改善纸浆，特别是非木纸浆的特性。
背景技术
纸浆的细粉通常是指可通过McNett装置上的200目筛网的片段，或者指短于0.2mm的纤维。已经知道，纸浆的细粉不是均质的，但可分为片状和纤维状颗粒，此二者皆会以不同的方式影响纸浆的特性(Brecht&Klemm 1953)。已经知道，纸浆的细粉对于纸浆和纸的特性具有许多影响。
化学木纸浆的细粉主要作为精制的结果而产生，并被称作二次细粉。具体而言，细粉对于例如纸浆的强度特性、拉伸强度等具有正面影响。
相反，化学非木纸浆主要在未精制下使用，原因在于其良好的粘合特性，还在于大量的细粉限制其脱水特性，该特性在精制中会进一步劣化。特别是，细粉的含量在谷草纤维中固有地极高，因而谷草纤维纸浆也具有较差的脱水特性。非木纸浆的细粉主要是一次细粉，发现它们对于拉伸强度和不透明性具有正面影响(Rousu&2007)。
由于非木纸浆的细粉使纸浆的脱水性劣化，因而例如进行了下述尝试，即，通过减少原料预处理中叶材料的量来除去细粉，由此限制纸浆中细粉的量。已经知道，原料(例如麦秆)预处理能够除去细粉，还知道预处理能够降低纸浆中无机成分(例如硅)的含量、使得纸浆中含有较高含量的综纤维素并且增加纤维长度(Ma等1992，Papaheofanous等1995，Petersen 1988，Paavilainen&Tulppala 1996)。除此之外，还已发现，除去细粉可提高纸浆的脱水特性、体积、透气性和强度(Ma等1992，Paavilainen&Tulppala 1996，Paavilainen等1999)。谷草纸浆的脱水特别缓慢。确已提出，在麦秆纸浆中除去的细粉的最优量为按总纸浆计的10％(Ma等1992)。
根据上述现有技术，提出了细粉一般在原料预处理中以较大量除去，这将导致纸浆损失并可能对纸浆的其它特性产生有害影响。纸浆的原料通常以多步预处理的形式进行预处理，所述多步预处理一般包括首先的干处理和随后的湿处理，另外，多步预处理的缺点在于，在干处理中，有许多合乎需要的材料和纤维也随细粉一起被除去，而且，湿处理会产生许多废水。此外，湿处理由于要在处理中额外引入水，因而不适用于所有的纸浆生产方法。另外，这些处理步骤需要专门的投资。
但是，本领域中还未曾描述或提出下述方法，所述方法以能够改善重要的纸浆特性而基本不损害其它纸浆特性的方式，同时使工艺设置保持尽可能的简单，来尽可能少量地选择性地除去纸浆细粉。
发明内容
已经出乎意料地发现，即使除去非常少量的细粉，也会使纸浆的滤水特性和亮度得到显著的改善，且不会使诸如纸浆的拉伸强度和不透明性等其它纸浆特性劣化。还已发现，纸浆细粉的品质和组成对于不同纸浆特性具有显著影响。拟除去的细粉主要由表皮细胞、小薄壁细胞、硅酸盐(silicate)和木栓细胞、以及导管细胞的不同片段和相应的非纤维细胞类型构成。这些颗粒的特征在于其小尺寸和它们的低宽长比，以及它们的片状性质。已经发现，例如通过从全部纸浆中仅除去非常小部分的细粉组分所实现的脱水性的改善效果与仅除去同样量的细粉级分所实现的脱水性的改善效果相似。因此，通过仅除去给定部分的细粉，即可实现高纸浆收率，并具有纸浆和纸的相应特性。
具体实施方式
本发明涉及改善非木纸浆的特性，特别是纸浆的滤水性和/或亮度的方法。所述方法的特征在于，从纸浆中除去平均长度(平均最大维度)至多为0.18mm、宽度(平均最小维度)至多为0.05mm的细粉颗粒。
在本发明中，非木纸浆是指由草本植物的纤维(草纤维)、韧皮纤维、叶纤维或果实纤维制造的纸浆。可用的草本植物类纤维的实例包括：秸秆，例如谷物(小麦、黑麦、燕麦、大麦、稻)秸秆；芦苇类，例如草芦、芦苇、纸莎草、甘蔗或甘蔗渣、竹子；和草类，例如西班牙草、印度草和柠檬草。韧皮纤维的实例包括：亚麻类，例如亚麻的茎和胡麻的茎、大麻、东印度大麻、洋麻、黄麻、苎麻、构皮、雁皮(gampi)纤维和三桠皮(mitsumata)纤维。叶纤维的实例包括例如蕉麻和剑麻。果实纤维的实例包括棉籽毛、棉绒纤维、木棉和椰壳纤维。
作为可用在本发明中并且在芬兰生长的草本植物可举出：芦苇、草芦、猫尾草、鸭茅、黄花草木樨、无芒雀麦、紫羊茅、白花草木樨、红三叶草、山羊豆和苜蓿。
根据本发明，特别优选使用的是由草本植物制造的纸浆，例如谷草纸浆。在一个实施方式中，使用的是由一年生草本植物制造的纸浆，在另一个实施方式中，使用的是由多年生非乔木植物制造的纸浆。根据本发明，也可以使用包括例如上述谷物秸秆在内的农业废料。
在非木纸浆中，例如麦秆纸浆的细粉含量以干纸浆计通常为总纸浆的20％～25％。
纸浆可以是由任何常规纸浆制造方法制造的任何非木纸浆，例如通过硫酸盐、亚硫酸盐或苏打法制造的纸浆。纸浆也可以是通过溶剂类方法，例如甲酸类和/或乙酸类、醇类或离子类方法制造的纸浆。纸浆可以是漂白或未漂白的纸浆。
根据本发明，从非木纸浆中除去尺寸为长度至多0.18mm、宽度至多0.05mm的细粉颗粒。优选的是，颗粒的平均长度至多为0.10mm，其宽度至多为0.04mm。
在本发明中，颗粒尺寸的定义“尺寸为长度至多0.18mm或0.10mm”是指在拟除去的颗粒的粒径分布中，平均长度(平均最大维度)分别为至多0.18mm或至多0.10mm。另外，其宽度(平均最小维度)分别为至多0.05mm和0.04mm。
拟除去的颗粒的形状优选为片状，在特别优选的实施方式中，颗粒的宽度与其长度的比例等于或大于1∶10，更优选为等于或大于1∶5，特别是等于或大于1∶2，至多为值1∶1。
拟除去的细粉颗粒主要由表皮细胞、薄壁细胞、硅酸盐细胞、导管细胞的片段、木栓细胞和/或相应的非纤维细胞和/或这些细胞的部分或者这些细胞和/或所述非木材植物的细胞部分的组合构成。此处，薄壁细胞是指根据上述定义，长度(最大维度)为至多0.18mm的小薄壁细胞。拟除去的细粉颗粒包含至少50％，优选为至少75％的所述细胞类型。
拟除去的细粉颗粒的量以干纸浆计通常少于总纸浆的8％，优选为少于5％。
可以使用基于例如过滤、筛分、分级或重量差的装置来除去细粉。出于此目的，适当的工业装置包括例如过滤器、筛网、分级器(例如压力分级器)和水力旋流器(涡流除渣器)。
在优选实施方式中，采用了筛分，筛孔为180μm～40μm，优选为100μm～40μm，特别是60μm～40μm。
可以在由纸浆的原料制造纸浆之前、纸浆制造过程中或者在由成品纸浆制造纸浆之后除去细粉。
在优选实施方式中，在由成品纸浆直接制造纸浆之后除去细粉颗粒，其稠度降低至0.1％～5％。例如当使用0.05mm～0.2mm的筛网作为缝筛或孔筛或具有适当压力差的涡流除渣器或者它们的不同组合时，可以由纸浆洗涤器、造纸机和干燥机的过滤、由圆盘过滤器、由压力筛的接受器来进行分离。
以下实施例旨在作为本发明的说明性、非限制性实施例。
实施例和整个说明书及权利要求中的百分比值(％)是指重量百分比。
实施例中所采用的标准如下：
SR数：SCAM-CM 19:65
纸张的制造：SCAN-P 26:76
拉伸强度：SCAN-P 38:80
吸光系数、不透明度和亮度：ISO 2467
卡伯值：SCAN-C 1:00
实施例1
将使用甲酸和乙酸类混合酸制造并通过EPP系列漂白的麦秆纸浆用作起始材料。使用具有40μm筛孔的筛网除去通过该筛网的细粉部分，由此将纸浆分级。除去的细粉的量相当于总纸浆的2.34％。使用ShopperRiegier装置测量纸浆的滤水时间，测量13℃时在纸张成型模(sheet mould)中的自由脱水时间，并且制备纸张及由其测试纸浆的拉伸强度。对于未处理的起始纸浆和除去细粉的纸浆(除去了通过40μm筛网的部分的纸浆)都进行测量。
研究的纸浆部分 SR数   在纸张成型模中的自由脱水，s   拉伸强度Nm/g
  除去了40μm级分   32.0   17.01   50.76
  参照，未除去任何级分   34.5   18.72   51.00
发现当除去了通过40μm筛网的部分(即，纸浆的2.34％)时，SR数改善了7.2％，并且相应地，在纸张成型模中的脱水时间改善了9.1％。在所述测试中，拉伸强度没有实质性改变。
使用显微镜分析所分离的细粉。发现所述细粉主要由表皮细胞、小薄壁细胞、硅酸盐细胞、导管细胞的片段、木栓细胞和相应的非纤维颗粒及它们的部分构成。颗粒的形状为片状，并且其宽度与其长度之比通常大于1∶5。
实施例2
使用具有50μm筛孔的筛网除去通过该筛网的细粉部分，由此将实施例1的麦秆纸浆分级。除去的细粉的量相当于总纸浆的3.87％。使用Shopper Riegler装置测量纸浆的滤水时间，并测量13℃时在纸张成型模中的自由脱水时间。对于未处理的起始纸浆(参照)和除去细粉的纸浆都进行测量。除了参照之外，还使用下述纸浆作为比较，已从所述纸浆除去了不同百分比的通过了200目标准筛网(筛孔74)的细粉。
研究的纸浆部分 SR数   在纸张成型模中的自由脱水，s
  除去了50μm级分   30.5   15.28
  除去了5％的200目级分   34.5   17.88
  除去了10％的200目级分   32.5   16.83
  除去了25％的200目级分   31.5   16.30
  除去了50％的200目级分   29.0   13.80
  参照，未除去任何级分   34.5   18.72
发现当除去了通过50μm筛网的部分(即，纸浆量的3.87％)时，SR数改善了11.6％，并且相应地，在纸张成型模中的脱水时间改善了18.4％。例如，将除去了3.87％的通过50μm筛网的级分的效果与除去了所有细粉的效果进行比较时，发现相同的脱水效率需要降低细粉量的约35％。
对于分离的细粉，使用光学分析器确定的颗粒的平均长度为0.18mm。在显微镜分析中，检测到了与实施例1中相同的颗粒类型。颗粒的形状也为片状，但宽度与长度之比通常大于1∶10。
实施例3
通过将其细粉(通过使用筛孔为74μm的200目标准筛网来分级并且通过收集通过了所述筛网的部分而获得)分为以下三部分来分级麦秆纸浆：(1)除去了通过50μm筛网的细粉的细粉，(2)通过了50μm筛网并已从中除去了通过40μm筛网的细粉的细粉，和(3)收集的通过了40μm筛网的细粉。
  研究的纸浆部分   卡伯值
  纤维级分，即，保留在200目筛网上的纸浆部分   3.1
  除去了已通过50μm筛网的纸浆部分的细粉部分   4.2
  通过了50μm筛网并且除去了通过40μm筛网的纸浆部分的细粉部分   6.2
  通过了40μm筛网的细粉部分   6.7
发现不同部分的细粉具有不同的卡伯值，但是这些卡伯值都高于纤维级分的卡伯值。最细的细粉部分具有最高的卡伯值。
实施例4
通过除去已通过40μm筛网的细粉部分和已通过50μm筛网的部分来对麦秆纸浆分级。所除去的细粉量分别相当于总纸浆的2.34％和3.87％。由最初的纸浆和已除去上述细粉级分的纸浆制备纸张，并且确定所述纸张的吸光系数、不透明度和亮度。
Figure GPA00001102452000061
发现由纸浆中除去了通过40μm筛网的细粉部分时，吸光系数改善了9.4％，并且相应地，当由纸浆中除去了通过50μm筛网的细粉部分时吸光系数改善了17.6％。类似的是，不透明度仅降低了0.6％和1.1％，但纸张的亮度改善了1.0个亮度单位和1.9个亮度单位。
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Claims (15)

1.一种改善非木纸浆的特性的方法，其中所述非木纸浆由硫酸盐法、亚硫酸盐法或苏打法、溶剂类方法或离子法制造，所述方法的特征在于，从所述非木纸浆中除去平均长度至多为0.18mm并且宽度至多为0.05mm的细粉颗粒，其中拟除去的所述颗粒主要由表皮细胞、薄壁细胞、硅酸盐细胞、导管细胞的片段、木栓细胞和/或相应的非纤维细胞和/或这些细胞的部分或者这些细胞和/或细胞部分的组合构成，
其中所述平均长度是指在拟除去的颗粒的粒径分布中的平均最大维度，所述宽度是指在拟除去的颗粒的粒径分布中的平均最小维度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述颗粒的平均长度至多为0.10mm并且其宽度至多为0.04mm。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述颗粒的形状为片状。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述颗粒的宽度与长度的比例等于或大于1:10。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述比例等于或大于1:5。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述比例等于或大于1:2。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，拟除去的所述细粉颗粒的量以干纸浆计少于总纸浆的8重量%。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，拟除去的所述细粉颗粒的量以干纸浆计少于总纸浆的5重量%。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过过滤、筛分、分级或基于重量差的方法来除去所述细粉颗粒。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于利用筛分，所述筛孔为180μm～40μm。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述筛孔为100μm～40μm。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从纸浆制造之前的纸浆原料中、在纸浆制造的过程中或在纸浆制造之后除去所述细粉颗粒。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非木纸浆为由草本植物制造的纸浆。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非木纸浆为由农业废弃物制造的纸浆。
15.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述非木纸浆为谷草纸浆。
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