CN1092832A - 一种生产机制和化学机制纸浆的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种从含有木质纤维素的原料中以 85％以上的产出率生产用于制造纸张或纸板产品的 机制和化学机制纸浆的方法。原料经至少两个步骤 的机械处理。原料送入第一步骤时其温度低于木质 素的软化温度，原料送入至少一个后续步骤时其温度 高于木质素的软化温度。

Description

本发明涉及从含有木质纤维素的原料以85%以上的产出率生产用于制造纸张或纸板产品的机制和化学机制纸浆。
目前机制纸浆（如TMP）或化学机制纸浆（如CTMP）是用几种不同的工艺方案来生产的，其中是把经蒸汽加工的粉碎原料放在各种类型的盘形匀料机中进行匀料。在生产用于不同印刷纸或纸板型包装材料的纸浆时，通常，匀料加工以一个或多个步骤来进行。一般，第一步是加压，即，在高于100℃的温度下，往往是在稍低于或就在所谓木质素的软化温度（Tg）下进行匀料加工。迄今，在后续的各匀料加工步骤中都是把压力和温度选择得保持在与第一个匀料步骤相同的水平，或者在不加压的系统中进行后续的匀料步骤，即在低于初始步骤的温度下，通常是在木质素的软化温度下或低于该温度下进行。
最近几十年来，在对多种有关类型的木材进行了大量科学试验之后，已经确定，在机制和化学机制纸浆生产工艺中，木质素的软化温度对粉碎原料的匀料加工是一个重要的变量。在试验研究中，一直是使用标准设备和传统的测量原理来确定粘弹性参数。对于木材，与对于其它的粘弹性材料一样，软化温度随测量时的载荷频率变化。在较高的载荷频率下，软化温度增高。在通常施加于匀料机的加工频率下，针叶树木材的软化温度已确定为在125℃和145℃之间，尽管其证明为对于我们最常用的硬木类型的木材是稍低了一点。通过添加不同的化学品可以使软化温度偏移。例如，在用亚硫酸盐型的常用木质素软化化学品浸渍了之后，可以降低软化温度。
生产上述类型的纸浆需要相当高的总电能消耗。例如用针叶树木材生产用于新闻纸的纸浆，电耗可能达2000千瓦小时/吨纸浆。在最近进行的以降低电耗为目的的TMP工艺过程研究中发现，在不同的工艺方案中和对于形成的纸浆的性质，初始工艺阶段对总能耗似乎是至关重要。尽管匀料工艺过程中的总电耗中仅有一小部分是用于纤维分离本身，即用于从粉碎原料脱离的单体纤维的转变（也称为纤维脱离），但这似乎是适用的。
然而，由于富含木质素的粉碎原料方面的有效的热或化学软化而达到的纤维分离能量有效性本身并不证明为是总能耗将会降低的一种保障。相反，已证明，以能耗低的纤维温和分离开始的TMP工艺方案往往需要很高的总能量输入。
这种情况似乎是由以下事实引起的：通过在高于木质素的软化温度的温度下进行纤维脱离而得到的中度分离但未处理好的纤维难以在匀料工艺中的继续加工过程中形成原纤维。这种原纤化对于把纤维的柔软性提高到所需要的程度和生产出有良好TMP质量的优良材料是必要的。另一方面，在一开始和在继续的匀料工艺过程中在低于木质素的软化温度下进行的强烈的处理容易导致长纤维含量降低，从而使纸浆的强度特性降低。从质量的观点来看，在许多情况下，这是不能接受的。从已确立的TMP工艺过程的能耗水平再降低能耗，照例关系到所得到的纸浆的某些质量特性的降低，例如，长纤维含量低、撕裂强度低、抗拉强度低以及木质下脚含量高。因此，目前的TMP和CTMP工艺的高能耗一直是达到所希望的纸浆特性所必需的。
现在出乎意料地发现，在机制或化学机制纸浆制造工艺中可以达到低能耗而又能保持质量特性。本发明就是涉及这样一种方法，其中机制工艺过程，例如匀料以至少两个步骤进行。按照本发明，原料送入第一个工艺步骤时的温度低于木质素的软化温度，而在送入至少一个后续工艺步骤时其温度高于木质素的软化温度。下面参照一些合适的实施例和例子结合图1～8更详细地描述本发明。
在本发明的TMP工艺中，匀料以至少两个步骤进行。第一步，把粉碎原料送入温度低于木质素软化温度的匀料机中，然后在相对强烈的条件下进行处理，例如，在双盘匀料机中以至少1200转/分的转速进行处理，或者，在单盘匀料机中以高的盘间相对速度（至少1800转/分，最好是至少2400转/分）进行处理。第一步中的能量输入选择在这样一种低的水平，即，使纸浆中的长纤维含量不会明显地减少，因为长纤维含量对于在以后的匀浆中增加强度有潜在的好处。因此，在第一步骤之后，纸浆的脱离度（freeness）（CSF）将是高的，最好＞500ml。下一个匀料步骤要在纤维原料的木质素充分软化的状态下进行。于是把纤维原料送入温度高于木质素软化温度的匀料机中。在原料是由未经化学处理的针叶树木材组成的情况下，温度应该高于150℃，合适的是高于160℃，且最好是高于170℃。如果原料经过化学处理，温度应高于135℃，合适的是高于150℃，且最好是高于160℃。至于温度上限，为防止纤维变黑，应该避免超过200℃。在处理充分软化了的纤维原料时，处理频率最好高一些（相对速度至少2400转/分），从能量观点来看，这是特别有利的。
原料送入第一个工艺步骤时的温度和送入随后一个工艺步骤时的温度之差应当至少为15℃，合适的是至少25℃，最好是至少35℃。
在本发明的工艺中，原料中的碎屑和碎屑表征物首先引入纤维壁中不富含木质素的各层。那么，在最后的匀料过程中，可以利用这一已知事实，即，在富含木质素的区域可以在高于木质素软化温度的温度下以低的能量输入来分离纤维料。由于碎屑已在初始时被导入不富含木质素的区域，因而可避免得到仅具有木质素覆盖表面的难以形成原纤维的纤维料。这是以前在尝试用高于木质素软化温度的匀料温度生产印刷用纸或纸板产品的机制纸浆时一直存在的大问题。在后续匀料步骤中也容易在高于木质素的软化温度的温度下从最初的碎屑区域和富含木质素的纤维中间层之间的区域分离出精细的料，这可以解释本发明的这一工艺步骤和整个工艺中对一定脱离度（CSF）只需低的总能耗的原因。而精细料的生产却是采用传统技术的机制纸浆生产工艺中最耗能的部分。
例子
在一装备良好的试验装置的20″单盘匀料机中进行了两个步骤的匀料之后从云杉木粉碎料生产了加热机制纸浆。第一个步骤（纤维脱离）是在对粉碎料以115℃（即以一低于木质素软化温度的温度）预加热约3分钟之后进行的。匀料机由一3000rpm的马达驱动，以确保初始纤维脱离不是在太缓和的条件下进行。在第一步中的有效输入为640千瓦小时/吨，产出了脱离度（CSF）为518ml的纸浆。在第二匀料步骤中，条件是按下表改变的：
试验 预加热时间（分钟） 匀料温度（℃）※ 马达速度（rpm)
A 约1 115（＜Tg) 1500
B 约1 160(＞Tg) 1500
C 约1 160(＞Tg) 3000
D 170(＞Tg) 3000
※：预加热和送入匀料机时的温度
图1-6示出了变化的条件的作用，其中评价了纸浆的最重要的性质，对这些性质评价如下：
图1示出了脱离度与能耗的函数关系。它显示出，通过在高于木质素软化温度的温度下进行第二匀料步骤，与传统的在低于木质素软化温度下进行。匀料的第二步骤相比较（请比较试验A和B），可以显著地降低匀料到某一脱离度的能量输入。另外，如果速度从1500rpm增加到3000rpm，能量的降低也较大（请把试验B与试验C和D相比较）。
图2示出了木质下脚含量与能耗的函数关系。它显示出，在某一能量输入下在高于木质素软化温度的温度下进行匀料的第二步骤产出的木质下脚含量明显地低于在低于木质素软化温度的温度下进行的匀料所产生的木质下脚含量（请将试验A与试验B～D相比）。而且在这种情况下，较高的转速产生更有利的数值。这证明是使用本发明的又一个优点。
图3示出了长纤维含量与脱离度的函数关系。它显示出，纸浆的长纤维含量一般可以一直保持到150～200ml脱离范围。但是在按照本发明的条件进行匀料时能耗大为减小。
图4示出了纸浆的撕裂指数与脱离度之间的函数关系。它显示出，纸浆的撕裂指数可以一直保持到150～200ml的脱离度范围，但是在按照本发明的条件进行匀料时能耗大为减小。
图5和图6分别示出了抗拉指数和光散射与脱离度之间的函数关系。它显示出，所有试验的纸浆的抗拉指数和光散射系数的变化情况分别与在用常规工艺时它们对脱离度的关系相似。
在进行所描述的试验的同时，并参照这些试验，还试验研究了当匀料工艺过程不采用本发明的条件而是以送入第一步匀料机的温度高于木质素的软化温度的匀料步骤开始时能耗和纸浆质量会受到怎样的影响。而且，也在这种情况下，在用单盘匀浆机进行两步骤匀料之后从云杉木粉碎料制得了加热机制纸浆。第一匀料步骤是在前面试验中使用的同一设备上在高于木质素软化温度的温度下进行的，第一匀料步骤的条件和用一定能量输入进行匀料之后的脱离如下表所示：
试验 预加热时间 匀料温度※马达转速 能量输入 排水度
(分)  ℃  rpm  kwh/t  ml
E  约1  150(>Tg)  3000  940  450
F  约1  160(>Tg)  1500  900  580
G  约1  160(>Tg)  300  790  415
※：预加热和送入匀料机时的温度。
第二匀料步骤是在20″匀料机中在大气条件下即在低于木质素软化温度的温度下进行的，在这一步骤中脱离度降低到对于作为印刷纸纸浆很有利的范围。这种情况下的匀料机转速是1500rpm。
图7和图8示出了变化的条件对能耗和光散射性能影响，分别示出了脱离度与能耗之间的函数关系以及光散射与脱离度的函数关系。
图7示出了以温度高于木质素软化温度的匀料步骤开始的TMP工艺过程的能耗显著地大于按照本发明的条件进行匀料的能耗（请与图1相比）。
图8示出了以温度高于木质素软化温度的匀料步骤开始的TMP工艺过程的光散射系数显著地低于按照本发明的条件进行匀料的光散射系数（请与图6相比）。因此，按照本发明生产的纸浆明显地最适合用作光散射系数必须足够大以具有所希望的光学性能的印刷纸的纸浆。
所描述的例子清楚地证明，用本发明的条件可以以低的能耗生产机制纸浆，同时，诸如木质下脚含量、长纤维含量、撕裂强度、抗拉强度和光散射等主要特性均满足对这类纸浆的高要求。例如，与传统制浆方法相比，生产新闻纸纸浆的能耗可降低约40%。
在本发明的工艺中，在第一匀料步骤之后或其过程中，为了避免在后续匀料步骤中浆料在高于木质素软化温度的温度下发黑，可以加入化学品。化学品还能有漂白作用。
代表性的这类化学品是亚硫酸纳、亚硫酸氢钠、连二硫酸钠、过氧化物等。
按照本发明，初始处理除可在匀料机中进行之外，还可在磨料机、压缩螺旋装置或其它机械加工设备中进行。
在对从已处理过的原料中分离出来的未达到要求的部分进行附加机械处理的情况下，温度高于木质素软化温度的条件下产生的未达到要求部分应送入至少一个后续处理步骤中。
本发明当然不受限于所示的例子，它可以在本发明的构思范围内变化。

Claims (10)

1、一种从含有木质纤维素的原料以85%以上的产出率生产用于制造纸张或纸板产品的机制和化学机制纸浆的方法，此方法包含至少两个机械处理步骤，其特征在于，原料在送入第一工艺步骤时其温度低于木质素的软化温度，在送入至少一个后续工艺步骤时其温度高于木质素的软化温度。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，原料送入第一工艺步骤时的温度和送入至少一个后续工艺步骤时的温度之间的温度差至少为15℃，合适的温度差是至少25℃，最好是至少35℃。
3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，原料由未经化学处理的针叶树木材组成，原料送入至少一个后续工艺步骤时的温度超过150℃，合适的温度是超过160℃，最好是超过170℃。
4、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，原料是经化学处理的，原料送入至少一个后续工艺步骤时的温度超过135℃，合适的温度是超过160℃，最好是超过170℃。
5、如上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，至少一个后续工艺步骤中的原料处理是由匀料机进行的。
6、如上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所有处理步骤都是由匀料机进行的。
7、如上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，把从在高于木质素软化温度的温度下经机械处理的原料中分离出来的未达到要求的部分送入至少一个后续工艺步骤中。
8、如上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，第一工艺步骤是在转速为至少1200rpm的双盘匀浆机中进行，或者是在转速为至少1800rpm、最好为至少2400rpm的单盘匀料机中进行。
9、如上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，至少一个后续步骤是在相对转速为至少2400rpm的匀料机中进行。
10、如上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，在第一工艺步骤之后或其过程中，加入诸如亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、连二硫酸钠、过氧化物等起保持光泽作用的或起漂白作用的化学品。
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