CN1149898A - 超声波在造纸中的应用 - Google Patents

Abstract

这是一种用以防止产生纤维絮凝块、分散已形成的絮凝块、更好地分布添加的化学品、增进原纤化、改善两种组分化学品的反应和出产量、防止在白水循环路线上的机器部件和其它部件上形成微生物或其它类型的积累层、防止金属丝网和压毡堵塞、防止在涂膜设备上产生絮凝块、减少纸料中的含气量、减少泡沫的方法。这些效果是靠在外部安装的超声振子或在内部起作用的浸入式超声单元往纸料、机器部件、清洗槽或涂膜槽内加进15-60kHz频率的超声能而取得的。优选地是用在网前箱外部安装的超声振子或在内部起作用的浸入式超声单元来加超声能。超声能量的水平可用在线安装的用以测量结构或絮凝块尺寸的系统来控制，以达到所要求的絮凝作用。该实测的絮凝块系用作所生产的纸或纸板的单位面积重量的定量优化指标，还用作单位时间最大生产量的指标。

Description

超声波在造纸中的应用

本专利申请涉及在造纸过程中运用超声能以获取重大的效益。在此是将超声能加到通常称之为短白水系统，即一个或多个网前箱和该白水系统内的白水槽和白水罐中的那部分生产过程中。白水是在金属丝网部分分离出来，并用以将纸料稀释到要求的稠度的。此外，还将超声能加到清洗系统中，该系统是用来清洗金属丝网和压毡，以保持其彻底清洁，防止其阻塞，以便在造纸的那些生产过程中取得较高的、固定不变的脱水量。简言之，这意味着改进纸的质量、增加纸的组分的出产量、减少蒸气消耗并增加每台造纸机的产量。

将超声能加到白水系统中是为了防止在纸中形成纤维絮凝块并防止微生物繁殖，微生物繁殖会导致形成粘浆团块，粘浆团块与纤维团块结合就会引起生产中断和停机刷洗从而损失生产时间。在某些情况下，当发现加入白水系统的某一生料中已有微生物污染时，就有必要在该生料中也加超声能，以防止这一污染源的扩展。

过去有人曾在纸浆和造纸工业中利用过超声能，但限于用在纸浆生产并局限在纸料制备系统，在造纸机前面很远的地方加超声能。

专利GBA1577664描述了利用超声能除去树脂的方法，它是从用特种木材制造的纸浆中除去很难处理的一种树脂，这种树脂沉积在造纸机的不同部件而引起了很大的问题。因此，该专利提出的问题是与本专利完全不同的，而且它是在造纸机前面很远的地方加超声能的。

Derwent文摘No.82-97003E/45，SU896130描述了一种方法，它是将超声能加在筛滤纸浆的高稠度粗筛上，专门用来防止形成纤维结，也就是说，它是加在造纸机前面很远的地方的。

Derwent文摘No.82-85514E/40，SU887610描述了在纸料制备中利用超声能的方法，目的是改进纸料的染色，它也是在造纸机前面很远的地方加超声能的。该专利描述的是批次加工方法，它没有预见能用在连续生产过程上。

Derwent文摘No.81-17053/D，SU746012描述的也是在纸料制备中间隙加工处理的方法，它是用超声能帮助在纸料中加进石蜡分散剂和共聚物以便生产出具有改进机械强度和斥水性能的纸张。

另外，从Tappi杂志第77卷第3期获悉，超声能还可用来改善回收纤维纸料的脱墨，这种回收纸料是用激光打印过的纸做成的，激光打印的纸意味着有机调色剂是用高温固结在纸面上的，因此非常难以除去。

在上述各项工艺方法中使用超声能所要解决的问题与本专利迥然不同，所涉及的工艺过程也不相同，例如是用在将木材和再生纤维制造纸浆和制备纸料等远离实际造纸过程的场合。

利用超声能来解决本专利申请所涵盖的问题是上述出版物所始料不及的，也不是本领域的专家能一目了然的。对经济的影响

因纤维的絮凝作用所造成的纸张中的纤维分布不均是相当多的。统计的纤维重量的波动，当用面积为23.5平方毫米的纸团进行测试时为7-10％，而当用传统的20000平方毫米的纸团测试时为0.5-0.8％。因此，如果能消灭或减少纤维的絮凝作用就可获得巨大的效益，消灭或减少纤维絮凝作用本身还能以较小的单位面积重量而达到同样的强度指标。对瑞典的纸张市场来说，单位面积的重量每减少1％，总的获益潜力为350,625,000瑞典克朗。

由于消灭了粘浆团和纤维附聚团而减少中断或停机清洗次数，可给瑞典造纸业每年带来730,000,000瑞典克朗的直接利益，此外还有环境利益，这是因为不用污染环境的化学品来控制粘浆团。

由于金属丝网工段和干燥工段改进了脱水而对利益产生的影响也很可观。全部压毡的连续清洗，可使在压制工序以后干固体含量提高0.4-0.5％。干固体含量提高0.5％，相当于可能增加生产量2.21％，相当于给瑞典造纸工业提供每年620,000,000瑞典克朗的潜在获益。设备描述

图1为带有空气垫并装有适于本发明使用的超声振子1的网前箱的部分剖面轮廓简图。

图2-5为装有适于本发明使用的超声振子1的几种不同的液压网前箱的部分剖面轮廓简图。

图6为装有适于本发明使用的超声振子1的双层液压网前箱。

图7为一种网前箱，其中空心滚筒已被装有适于本发明使用的超声振子1的浸入式单元所代替。

图8、图9为装有适于本发明使用的超声振子1的金属丝网和压毡清洗系统的实施例。

上述设施只是为说明本发明如何实施的例子，在本发明的领域内还可能有其他的实施方法。絮凝作用的防止

在造纸过程中，人们试图用各种机械设备来防止从网前箱流向改良型金属丝长网的纤维悬浮液中产生絮凝块，以便在最终的纸张产品中纤维和填充物的分布尽可能地均匀。絮凝块是由纤维和填充物构成的，但最初是由纤维形成的。纸浆的稠度愈高，匀浆程度愈高，纤维长度愈长，絮凝块也就愈多，这就迫使纸的生产者在生产例如牛皮纸(sack paper)时使用非常低的稠度。絮凝块的尺寸和形状可很容易地用观察纸张半透明光线的办法来确定。纸的较暗部分就代表着絮凝块，在它们之间有比较亮的部分。因此纸就由较大单位面积重量的较暗部分和较小单位面积重量的较亮部分所构成。纸的机械强度特性是随着单位面积重量的高低而增减。这意味着纸的强度特性是受纸的较暗部分中间的较亮部分所左右的。在絮凝块中，填充物和纤维的保持量，特别是细料的保持量较高，而在较亮部分，它们则倾向于随着白水从造纸机的铜网部即金属丝网和压制工段排走。

因此，絮凝作用的减少，纸的生产者称之为结构的改进，就会导致或者以同样的单位面积纤维重量而制得强度特性更好的纸张，或者以单位面积中较少的纤维而制得具有同样强度特性的纸张。因此，结构的改进就使提高纤维的出产量成为可能，而这本身就能更好地节省生料。絮凝块中还含有更多的水分并会降低在金属丝网以及压制工段的脱水率，这本身就会导致增加在压制工段被压破的倾向，这是由于有较多的水要从纸张上分离从而使水流太快而引起的，水流太快就会把纤维撕开而脱离纸张，当液压足够大时就会造成一次中断。为了减少中断次数，就不得不在压制中使用较低的压力，这样就会减少从压制上段出来进入干燥工段的纸中的干固体物质的含量。这本身就会导致每吨的蒸汽消耗量增大，还会降低必要的生产速度，除非你加大干燥工段的能力。总而言之，改进的结构会带来生料和能量的经营管理改善，并使增加单位时间产量成为可能，这些都可使单位投资减少。当能做到既能利用全部可能性来生产出较小单位面积重量的纸，又仍能保持所生产的纸的同样强度特性时，就可获得最大的投资费减幅。

由此可见，结构的改进是在技术上同时也在经济上有重大的好处的。为实现这一目的，已开发设计出了各种不同的网前箱，通常是把网前箱装配在旋转的空心滚筒内和/或者把直通流动区域做成交替重复的扩大和缩小，以引起纸料产生湍流，至少在理论上湍流应是能防止新絮凝块的形成的。人们可能会说情况已有所改善，但问题仍未得到解决。

为取得上述的好处，加入15kHz-60kHz范围的超声能就可解决或显著减少这些问题。在此，超声能是在网前箱中被加到纸料中去的，安装在铝板上的超声振子或者是粘结在当空气垫用的网前箱上，对开式网前箱则最好粘结在其底部，对液压式网前箱则围绕其四周粘结(见图1-6)。还可把超声振子安装在多个浸入式单元中再装入网前箱内(见图7)，或者把不同的方法结合起来安装。超声振子要安装得使超声能能抵达网前箱中全部长宽高内的纸料中，这可用几排平行的振子结合起来来做到。用这样的办法来确信已给纸料中加入了足以解决问题的超声能。

纸料是通过支管和扩散套而泵入网前箱的。当它流过扩散套后进入网前箱时，流速发生急剧降低，这可确保絮凝块已被散开。絮凝块重新形成是很快的，因此还须确保能防止其再生。现有技术尚未能达到这一结果，尽管近几十年来已试验运用过多种不同的设计方案。

超声能的分散作用是源于众所周知的气穴现象，这一现象被用来进行不同部件的超声清洗，例如挠性和轮转凹版印刷用的anilox滚子或凹板滚子的清洗，在这里还可从凹版槽中清除掉已干的水基墨。当超声穿越某种材料时，材料的分子会被诱发而沿波动传播的方向纵向振动。振动引起压力变化，在液体中就会导致气穴出现，或形成直径约0.1-0.2mm的许多小气泡。当这些小气泡与超声一起放射出来时，它们会不断地从超声的压缩和膨胀的循环中吸收能量并胀大到它们的极限尺寸，尺寸的大小取决于波长，到达极限尺寸后，它们迅速胀大并最终向内破裂，这一过程只用不到一微秒的时间就完成了。破裂的气泡会把能量传给附近的介质，在纤维悬浮液中，这就意味着它能分散已有的絮凝块，同时还能防止产生新的絮凝块，此外还能增大原纤化作用。原纤化作用是否产生可用测量排水度的值来证实，已证实在加入超声能前后的排水度是不一样的。在瑞典专利申请9002006-6(468754)中也已记载了超声能的分散作用，其中用此取得了改善印刷质量和节省用墨的效果。

加入超声能可以防止絮凝块的再生并分散掉已结成的絮凝块。如果加入的超声能遍布一定范围的波长，其波长扫过该范围，则将由于波长直接取决于频率而引起不同频率的波长会位于离超声振子不同的距离，并将传输到这些距离的倍数上的介质中去。这样，超声气穴现象就会分布在整个纤维悬浮液中，并防止絮凝块的再生。这种方法还对脱气和减少泡沫有所助益。

在纸的生产中还使用别的化学品，例如助留剂，这是一种聚合物，通常是双组份类型的，用它来改善金属丝网工段中纸坯内纤维和填充物的存留量，从而减少这些纸的组份在白水中的含量，并增加这些组份在离开金属丝网工段进入压制上段的纸坯中的含量。超声能把这些化学品的每个成分分散开，这就加大了它们的反应速度并改进其出产量。此外，超声能还会使它们分布得更均匀，这就可获致用同样多的助留剂而得到改进的留存量，或者用较少的助留剂而得到同样的留存量。

纤维在机器部件上附聚，到一定时候就会脱落并最终造成生产中断，是另一个可以运用超声能的分散作用的领域。纤维附聚通常发生在有涡流的地方，例如超声振子周围、检查门、框板附近等。在这些地方附近安装超声振子就可防止形成这样的纤维附聚物。

造纸机的其它部分也可以利用超声能的分散作用和清洁作用。例如压毡和金属丝网，其上沉积了沥青和其它有机物和无机物会降低其脱水效果并缩短其使用寿命，可将它们穿过装有超声清洗浴的槽，槽中有时还可含有防止微生物生长的化学品。运用的实施例如图8和图9所示。

过去人们曾有这样的看法：认为纸料中存在着纤维素纤维、纸料的流量大和网前箱的容积大，这几个条件使得不可能在纸张生产过程中采用超声能，因为超声能会很快被吸收掉，不可能在整个纸料容积中造成冲击。事实已向人们展示，这不是真的。因此，在造纸过程中运用超声能代表着一种完全新的思路，因而它是一种技术创新。超声能会很快地分布在纤维悬浮液中。的确，纤维素纤维由于增加原纤化和减少或防止絮凝块生成是吸收了一部分超声能，但这是必要的和所要求的功能，它并不会阻止超声能在整个网前箱容积内分布。其理由在于细胞腔内完全充满了水而细胞壁也吸收了大量的水。这样，整个纤维素悬浮液的容积就象液体一样起作用，因此，只要加入足够的超声能量，超声能是能够在网前箱内的整个纸料容积内分布的。匀浆程度愈高、纸浆稠度愈大、以及纸料流速愈快，单位能量要求也愈大。

安装在造纸机铜网部用以检测结构和纤维重量的系统，也可用来进行纸料稠度、超声能量和其它生产指标的优化和控制，例如控制保持足够的纸张单位面积重量(grammage)以满足纸张性能特性的要求。生料(如纸浆)、化学品和能量的单位用量就可用迄今尚不可能的办法来进行优化，并有革命的可能性来获得质量和效益的改善。

在造纸过程中，微生物在循环的纸料和水中繁殖历来是个大问题。形成粘浆的需氧性和厌氧性微生物会在机器部件上和白水和纸料罐壁上形成粘浆累积。之所以有厌氧微生物繁殖的原因是需氧性微生物在它的下面造成了缺氧的条件，因为需氧性微生物会消耗掉所有可以得到的氧气。厌氧繁殖，特别是能使硫酸盐减少的细菌如脱磺弧菌属的Desulfuricnas的繁殖会增加金属的锈蚀，而且会直接影响到(纸的)白度，特别是当使用亚硫酸氢锌或亚硫酸氢钠来减少漂白时更会这样。

微生物繁殖会引起粘浆在机器部件上积累，这些积累层迟早会象团块一样脱落下来，这些团块是很难化解掉的。它们会例如通过翼轮泵或其它泵并通过扩散套和空心滚筒并引起粘浆斑点和生产中断。团块中包含的真菌和细菌是其它有机物和无机物的很多倍。在水和纸料系统中存在涡流有利于细菌繁殖和纤维团块的形成，这会使情况恶化。

传统上控制这些问题是依靠生物活性物质，如生物杀伤剂和生物稳定剂(biostats)，还常与分散剂合并使用。一开始用过有机汞化合物或氯化的酚类，这些化学物质对外界环境造成许多环境公害，这就是为什么要求实行无毒控制的原因。要想提供一种物质，它既有化学活性又有生物活性，而同时又须对生物生命不发生影响，这肯定是很难或者是不可能的。

超声能可以解决这个问题。在微生物生长的地方加上超声能可以有效地防止在那里产生附聚团块。超声能可以从外部加入，就如为了其中的部件而加在网前箱上，以及加在金属制的罐上，特别是不锈钢罐上。如果是贴有瓷砖或加有涂层的混凝土罐，则就不得不用浸入式单元来加超声能，在此情况下，安装处至罐壁的距离应与能量水平相适配，以使气穴作用有足够的强度来解决这一问题，但不能强到能剥离瓷砖和涂层的程度。

在造纸过程中加入超声能并不限于上述的例子，类似的问题还可结合其它装置来解决，例如装在均浆机(defloccu1ator)中以改进除气，或用于使用水基产物的各种不同的涂膜台或层合机以防止形成絮凝块。本领域的专家会发现，此项技术可用于造纸机或涂膜机的许多不同的部分，在线或不在线使用均可，但这些应用都在本发明的范围之内。图注

图1-4：1-超声振子

图5：  1-超声振子

       2-带有分步扩散套的管簇

       3-交叉散布器

图6：  1-超声振子

       2-交叉散布器

       3-管簇

       4-塑料薄膜

图7：  1-超声振子

图8：  1-超声振子

       2-注满水的清洗槽，上有溢流管

       3-压毡

       4-压毡导辊

       5-抽真空箱

       6-上水管

图9：  1-超声振子

       2-注满水的清洗槽，上有溢水管

       3-成形金属丝网

       4-金属丝网导辊

       5-漂清金属丝网并向清洗槽注水的喷水管

Claims (9)

1、一种用以防止产生纤维絮凝块、分散已形成的纤维絮凝块；能增进原纤化、改善存留量和有两组份的化学品的出产量；能防止在白水循环路线上的机器部件和其它部件上形成微生物或其它类型的积累层、防止金属丝网和压毡堵塞、防止涂膜台或涂膜机内发生絮凝作用；能减少纸料中的空气含量、减少泡沫的方法，其特征在于，在纸料中、机器部件上、清洗槽和涂膜槽内用在外部安装的超声振子或在内部起作用的浸入式超声单元加进频率为15-60kHz的超声能。

2、权利要求1的方法，其特征在于超声能是借助于在网前箱外部安装的超声振子或在内部起作用的浸入式超声单元(如图2或图3)而加进去的，而且该超声能是用来改进结构和存留量的。

3、权利要求1和2的方法，其特征在于超声能量的水平是由安装在流水线上的用以测量结构或絮凝块尺寸的系统来控制的，其目的是要达到所要求的絮凝作用，同时该实测的絮凝块还被用作所生产的纸或纸板的单位面积重量的定量优化指标，而且还用作单位时间最大生产量的指标。

4、权利要求1的方法，其特征在于超声能系加到白水循环路线上的机器部件或白水罐上，用以防止产生微生物性质的、有机或无机性质的积累层。

5、权利要求1的方法，其特征在于超声能系加到专门的清洗槽中，用以防止压毡和金属丝网产生微生物性质的、有机或无机性质的堵塞。

6、权利要求1的方法，其特征在于超声能系加到涂膜台或层合台中的涂层物质内，用以防止涂层物质循环路线上产生各种各样的絮凝物或在涂膜台的机器部件上产生积累层。

7、权利要求1的方法，其特征在于超声能系加到纸料内，用以减少泡沫并改善除气。

8、权利要求1-7的方法，其特征在于所加的超声能是扫过15kHz-60kHz的频率范围的。

9、权利要求1-7的方法，其特征在于所加的超声能具有15kHz-60kHz之间的一种或几种频率。

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