CN1214388A

CN1214388A - 包括有二氧化碳的纸张的生产方法

Info

Publication number: CN1214388A
Application number: CN98102923A
Authority: CN
Inventors: J·L·布罗托; D·B·马德罗斯; A·S·瓦拉达雷斯; 小J·A·斯罗库姆普
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1997-06-10
Filing date: 1998-06-09
Publication date: 1999-04-21
Also published as: US6200416B1; EP0884416A3; KR19990006782A; BR9801811A; CA2240031A1; KR100404803B1; EP0884416A2

Abstract

一种纸产品的制造方法,包括:将二氧化碳气流送至包括含铝化合物的材料的产物流中。所述材料优选是包含硫酸铝或造纸明矾的废纸。该材料还可以是已向其中添加有新鲜纸浆的废纸(包含硫酸铝)的产物流。将二氧化碳添加至所述产物流中将使该产物流的pH值降至能使铝化合物溶解并分布在整个产物流中的酸性值。

Description

包括有二氧化碳的纸张的生产方法

本发明涉及纸产品的制造方法，更准确地说，本发明涉及其中通过使用二氧化碳而使酸化铝化合物的添加量最小化的纸产品的制造方法。

造纸是将纤维素原材料通常是木浆转变成纸或纸板的方法。在下文中，将术语纸产品，纸浆产品，或简单地产品用来表示由纤维素材料制得的最终产品。换句话说，纸或纸浆产品可以是纸或纸板。纸产品可由各种原材料制得，最常用的原材料是木质材料。另外，纸产品也可以由非木质材料如稻，棉等来生产。

对于从木材和非木质材料制备原浆而言，可利用许多方法。这些方法通常被分成机械法，化学法，或混合法。除原浆，回用纸浆以外，另外还可利用所谓的二次纤维来制备液体浆。二次纤维源的例子有：旧的新闻纸，旧的瓦楞容器和混合的办公室废纸。纸产品可由100％的回用材料，100％原材料，或原材料和回用材料的混合物来制备。

在下文中，将使用造纸领域中已知的术语，这些术语的定义可在Appendix中找到。通过使用液体浆即水和纤维素材料的混合物，并使之经过一系列的处理步骤而制得纸产品；这些步骤包括精制，混合，泵送，清洗，稀释，增浓，脱水，压榨，干燥和复卷。在处理期间，将各种添加剂掺入配料中；这些添加剂的例子是染料，填料，淀粉，pH调节剂，和施胶剂。

目前通常使用两种造纸方法：即酸法和碱法。碱法造纸包括将中性或碱性化学剂通常是碳酸钙以及烷基烯酮二聚体(AKD)施胶剂添加至纸浆配料中。相反，酸法造纸是其中纸浆配料呈弱酸性的造纸方法。在酸法造纸中，通常使用硫酸铝和松香的施胶剂。

硫酸铝，或造纸用明矾是酸法造纸中常用的填料，并且起两种主要作用。所述的两种作用是：(1)降低pH值，这将改善纸机网部的脱水作用，(2)固定添加剂如染料和松香，因此改善了细小纤维，施胶剂，以及其它填料的留着率。明矾，或者更具体地说铝离子的水合配合物根据下面的反应式在水溶液中进行水解：

(1)

该反应表明了酸的离解，并且是由此硫酸铝调节酸法造纸中pH的方法。为了得到施胶剂的最佳留着率，对pH进行调节是必需的。在通常的明矾-松香施胶体系中，将pH降至5.0以下，通常在4.5左右。对pH进行调节的结果是，改善了纸机网部的脱水作用。

上述反应的铝产物，[Al(H₂O)₅(OH)]²⁺，对于下一步的松香施胶是至关重要的。该产物进行一系列复杂的聚合物反应，以便用作与松香结合形成不溶性配合物的媒染剂。该配合物又将松香固定至纤维结构上，并增加松香的留着率。由于该配合物能用来连接多个纤维素分子，形成留着在成形网上而不是在洗涤出的溶液中的更大的化合物，因此，该配合物还能用来留着细小纤维。

由于造纸明矾的双重性以及易操作性，因此，造纸时往往过量添加明矾，以实现施胶剂的留着作用，调节pH值，以及增加脱水作用。通过主要由酸性施胶的纸产品组成的废纸制备纸产品时，这种倾向确实是正确的。这种组分的废纸，通常是牛皮纸如纸板和挂面纸板已包含足以与在纸浆的制备过程中添加的部分辅助的施胶剂进行配合的明矾。因此，辅加的明矾主要用来调节浆液的pH并增加其滤水性。

然而，过量使用硫酸铝将会出现许多问题，即：

相对而言，硫酸铝是有害的化学品，它将增加操作者受伤害的可能性；

硫酸铝是有腐蚀性的，因此增加了造纸设备的维护成本；

硫酸铝相当昂贵；

硫酸铝将反应形成硫酸，这使之易于使浆液过度酸化；

留在最终产品中的过量的硫酸铝将与湿气反应，产生硫酸，硫酸将腐蚀纸浆纤维并使纸产品发生降解；

硫酸铝的硫酸根部分会在白水体系中积累，产生一些生产和维护问题；

过量的硫酸铝会在纤维悬浮液中形成絮凝物，并在纸页成形和最终的纸产品中出现纸病。

US1,753,690(Brown)示出了使用硫酸铝以便有助于纸张生产的现有技术。Brown的专利披露了废蜡纸和新鲜纤维如混合纸或亚硫酸盐纸纤维的混合物的用途。将该混合物加热至足以使包含在废纸中的松香软化的温度。对加热的纤维混合物进行打浆，使纸张发生离解，添加另外的松香并再添加硅酸钠溶液，以便产生一分散体。然后，将该混合物冷却至分散颗粒凝胶化点之前的温度。然后，添加硫酸铝，其用量以产生轻度酸反应为准。硫酸铝与硅酸钠反应产生絮凝状沉淀物，后者将包含在废纸中的防水材料的分散颗粒带入到纤维中。

US5,505,819(DeWitt)披露了一种在造纸过程中将酸优选磷酸与膨润土和合适的聚合物一起使用的方法。DeWitt表明，通过碱性或中性造纸方法的pH值控制在6.7-7.5的范围内，可获得增加的滤水性。

US5,378,322(Hornsey，题目为“中性和碱性施胶过程中的二氧化碳”)披露了在碱性环境下利用烷基烯酮二聚体施胶剂和CO₂对纸张进行施胶的方法。Hornsey没有在该专利中指出，CO₂能与酸性施胶剂如明矾一起使用。

如上所述，过量使用硫酸铝不仅将使纸张的质量下降，而且还将增加造纸设备的维护成本。此外，如果由于硫酸铝产物即硫酸的强酸性的结果而使pH出现波动的话，这样的波动将直接影响脱水性，并损害控制该方法的造纸能力。

因此，本发明的目的是提供一种改进的造纸方法，该方法使添加至纸浆配料中的硫酸铝量最少。

本发明的另一个目的是提供一种改善纸产品的最大耐变质性的改进的造纸方法。

本发明还有一个目的是提供一种改进的造纸方法，该方法减少最终产品中由有缺陷的分散体所产生的潜在的纸病。

纸产品的制备方法包括：将二氧化碳气流供至包含有铝化合物这样的材料的物流中。所述材料优选是包含硫酸铝或造纸明矾的废纸。该材料还可以是已向其中添加新鲜纸浆的废纸物流(包含有硫酸铝)。将二氧化碳添加至该物流中将使该物流的pH值降至酸性值，这使得铝化合物能溶解并分布在整个物流中。

附图是包括本发明纸机流浆系统的简图。

在由废纸，新鲜纸浆，或废纸和新鲜纸浆的混合物制造纸张的生产过程中，本发明将二氧化碳进料用作硫酸铝Al₂(SO₄)₃的替代物。某些废纸即由酸法造纸得到的废纸包括有很高的硫酸铝残留量。在添加或不添加新鲜纸浆的情况下，当将这些废纸制成纸浆并用来制备新的纸张时，本发明将作为硫酸铝的替代物二氧化碳添加至纸浆配料中。一部分留着松香施胶剂的硫酸铝由于添加废纸而已经存在于配料中。因此，通过将二氧化碳添加至配料中所提供的pH的降低作用和最终酸性的增加足以实现纸产品的施胶。

在本发明的第一实施方案中，将包含高残留量硫酸铝的废纸与新鲜的纸浆混合。调节与新鲜纸浆混合的废纸量，以便与随后的造纸操作中添加的松香施胶剂进行配合。用这种方式，无需辅加的硫酸铝，只需将二氧化碳添加至配料中调节pH并增加滤水性。

在本发明的第二实施方案中，将包含硫酸铝的废纸与新鲜的纸浆混合。然而，如果所存在的硫酸铝量不够的话，将足量的辅加硫酸铝混入液体浆中，以得到与辅加的松香施胶剂进行配合所需的硫酸铝量。通常在添加硫酸铝之前，将二氧化碳添加至液体浆中，以便得到所希望的纸浆pH值。

在本发明的第三实施方案中，液体浆包含100％的回用纸浆，而不添加任何新鲜纸浆。将二氧化碳添加至该液体浆中，以得到所希望的纸浆pH值。通常在回用纸浆中有足量的硫酸铝，因此，无需另外添加明矾。如果没有足量的与辅加的施胶剂进行配合的硫酸铝，那么需添加足量的明矾。

在本发明的第四实施方案中，将二氧化碳添加至已向其中添加施胶剂的新鲜纸浆中。二氧化碳能使该浆液达到所希望的pH值。然后，在能与施胶剂完全反应的用量，将硫酸铝添加至该浆液中。

当使用二氧化碳时，最终纸产品的质量将会提高。当水与二氧化碳反应时，二氧化碳将形成弱酸，即碳酸。这种弱酸对纤维素纤维的腐蚀不会达到强酸所达到的程度。事实上，硫酸铝即强酸性的盐确实将腐蚀纤维。此外，由过量硫酸铝制得的纸张易于被硫酸腐蚀，所述硫酸是残留的硫酸盐与湿气反应时所形成的。该反应将降低最终纸产品的耐水性和质量。当使用二氧化碳时避免了这个问题。

另外，由于过量的硫酸铝会引起纸页成形的一些问题，如有缺陷的分散体等，因此使用二氧化碳还能减少最终纸产品中的纸病。由于二氧化碳形成一弱酸，因此纸浆的pH值易于控制。此外，碳酸往往会在中等酸性pH处进行缓冲。与改良的控制相结合，这实际上很难使目标pH产生过调。改善的PH稳定性结果，保证了更好的脱水性，并且能增加纸机的运行速度。另外，增加的脱水率表现为在长网上改善的除水。用这种方式，只需更少量的能量来蒸发纸机干燥部的水份，这将在经济性方面得到改善。

下面参考附图进行说明，将新鲜浆和回用浆的混合物送至磨浆机10，该磨浆机将纸浆混合物磨至造纸通常的规格。然后，将已磨的纸浆混合物送至纸机浆池12，在该浆池中将各种添加剂，如淀粉和施胶剂(例如松香)掺入到配料中。在该位置，可通过包括在导管14中的分布器或注射器将二氧化碳注入配料中。

必须理解的是，用于注射二氧化碳的具体位置并不是至关重要的，并且正如将在下面被理解的，二氧化碳的加料位置可以在造纸过程的不同位置。

将配料从纸机浆池12泵送至调浆箱16，该调浆箱用来产生浆泵18和定量阀(未示出)用的恒定的压头。另外，二氧化碳也可在配料泵送至调浆箱16时，通过导管20来添加。当从调浆箱泵送配料时，用已知的方式，通过添加白水对其进行稀释，并通过浆泵18泵送至净化器中。应指出的是，二氧化碳还可以在浆泵18的出口处添加。

在二氧化碳的各注射位置均起相同的作用，即酸化配料。可单独地使用图中所示出的注射位置，或者可将它们结合使用。如果只使用一个注射位置的话，将pH探头置于足够远的注射位置的下游，以便能控制二氧化碳的注射流速。如果使用多个注射位置(例如两个)的话，在每个注射位置均使用pH探头和控制器以便保证能取得最终的酸化目标。

在使用两个注射位置的场合，第二个(或下游)注射位置必须补足第一位置。即，配料应酸化至尽可能最低的pH值，在经济限定的范围内，利用第一位置将pH降低至一固定值。第二注射注射位置将进一步使pH降低至所希望的操作范围。

根据能提供最大混合机会的具体的纸厂条件，对二氧化碳的注射位置进行选择。应指出的是，在图中示出的注射位置并不是仅有的可能的注射位置。本领域熟练技术人员，根据纸厂条件将能够确定二氧化碳注射和混合的最佳位置。还应指出的是，是否在添加淀粉和补充的施胶剂之前或之后注射二氧化碳并不是至关重要的。然而，优选的是，在添加硫酸铝之前添加二氧化碳。

温度，压力和纸浆流速并不是至关重要的。这些参数可根据纸厂的工艺规程进行设定，当使用二氧化碳时，无需使这些参数不同于其正常值。二氧化碳的优选添加速率是，约5公斤二氧化碳/吨纸浆配料，但在任何位置，根据具体的处理条件，该速率能从约2-约10公斤/吨变化。由于其中所包括的硫酸铝量将直接影响配料最终的pH值，因此，当确定二氧化碳用量时，废纸用量是重要的并且应加以考虑。

为了研究用二氧化碳替代硫酸铝Al₂(SO₄)₃所起的作用，进行了一系列的实验。

使用牛皮纸和瓦楞纸制备的纸浆，利用Al₂(SO₄)₃和二氧化碳制备试样，以便进行脱水和施胶试验。

在S.R.游离度测定仪中进行模拟脱水试验，确定达到39°SR时的体积，并测量达到该体积所需的时间。开始的质量为2.3g(2.3g/l),并在不同的pH值，对用硫酸铝制备的纸浆试样以及用二氧化碳制备的纸浆试样进行脱水测量。结果如下：

脱水时间(秒)

pH Al₂(SO₄)₃ CO₂

6.6 18.8 18.3

5.5 - 14.9

5.0 - 14.5

4.5 16.4 -

在pH6.6时，用二氧化碳制得的纸浆的脱水时间与用硫酸铝制得的纸浆的脱水时间基本相同。当降低pH时，用二氧化碳制得的纸浆的脱水时间明显降低。事实上，甚至当用明矾制得的纸浆的pH降低至用二氧化碳制得的纸浆的极点以下时，明矾制得的纸浆的脱水时间仍然较高。这些表明，用二氧化碳制得的纸浆其脱水速度要比用明矾制得的纸浆的脱水速度快。因此，能增加生产率或改善干燥的经济性。

利用与脱水试验相同组分和打浆度的纸浆进行施胶试验。制备定量为130g/m²手抄纸。

结果列于如下：

cobb(gH₂O/m²纸页)松香施胶剂消耗量(干燥公斤/吨) Al₂(SO₄)₃ CO₂

(pH=4.5) (pH=5.5) (pH=5.0)

0 114 122 114

0.05 109 106 73

0.10 84 103 62

0.15 50 80 51

0.20 56 78 49

0.25 45 64 63

0.30 50 24 63

根据这些试验可以确定的是，当用二氧化碳替代辅加的硫酸铝时，可维持适当的施胶水平。也就是说，当使用二氧化碳时改善了游离度，但松香施胶剂仍能保留在纸产品中，其保留程度与用明矾制得的纸产品中的保留程度相同。酸性施胶剂在酸法造纸中使用的施胶剂。常用的酸性施胶剂是松香。通常用硫酸铝来固定酸性施胶纸中的施胶剂。参见硫酸铝和施胶剂。明矾参见硫酸铝。硫酸铝在酸法造纸中使用的填料，它能降低pH，增加纸页的松厚性，固定添加剂如染料和松香施胶剂，改善填料和细小纤维的留着率，以及改善滤水性能。它还被称为明矾或造纸明矾。净化器用来从液体浆中除去尘埃或其它杂质的装置。Cobb试验测量一施胶纸页耐水能力的一种试验(Tappi试验法T441)。Cobb值越高表明吸水率越大，因此具有更小的抗水腐蚀性。滤水通过成形网从液体浆中排水的过程。滤水在长网上进行并能通过游离度进行测量。参见游离度。网前箱置于长网头部的流浆箱。该网前箱接收稀释的液体浆，并调节压头和水位，以便在整个网宽上提供均匀的液流。浆泵泵送和混合纸浆和大量稀释水至纸机网前箱的大离心力泵长网紧接在网前箱下游的、纸机的主要脱水部分。长网通常是从液体浆中滤去水份的金属网或塑料网。游离度纸浆和水的混合物脱除或留着水的能力。游离度测量仪游离度的测量装置。配料纸浆混合物材料，如各种纸浆，染料，添加剂，以及在造纸厂备料工段混合的其它化学品的混合物，并且将被送至纸机的湿部。配料也称为纸浆或纸浆配料。内部施胶添加适当的化学品对造纸纸浆进行施胶的方法，所述的化学剂沉淀在纤维上以便对液体渗透入由此制得的纸张或纸板中进行控制。参见施胶剂和表面施胶。Kraft 1．对木片进行蒸煮以生产木浆的化学方法。

2．利用Kraft法制得的未漂纸产品。Kraft产品的例子有杂货袋和纸板。媒染剂添加至液体浆中以改善填料如淀粉和染料对纤维的固定作用的材料。造纸机由配料制备纸或纸板所使用的机器。所述纸机通常包括有下面的操作步骤：脱水，压榨，干燥，涂布，以及复卷。纸机流浆系统在纸机之前的一系列容器，磨浆机，净化器，泵等。另外，也称之为流浆系统。纸产品包括纸和纸板的常用术语。某些例子有：印刷纸和书写纸，新闻纸，纸板，挂面纸板和瓦楞介质。造纸将配料转化成纸或纸板的方法，包括许多操作步骤，其中一些步骤是磨浆，混合，筛选，脱水，压榨，干燥，和复卷。磨浆机通过磨擦，破碎，磨破或切断对纤维进行机械处理的机器。

磨浆机连接打浆机。另外也称之为ticklers。留着率指的是液体浆保留纤维和填料而不让它们通过网排出并因此从最终纸产品中除去的能力。松香一种常用的施胶剂。参见施胶剂。施胶剂添加至纸浆配料中或由该配料制得的纸产品的表面上的物质，如松香，明胶，(动物)胶，淀粉，蜡等；以便赋予抗墨性和抗水性。纸浆用来制造纸产品的、包含或不含填料，添加剂和染料的纸浆混合物。也称之为配料。废纸返回至造纸厂用作随后纸产品生产用纤维源的纸或纸板。

应理解的是，所进行的说明仅仅是对本发明的说明。在不违背本发明的前提下，本领域熟练技术人员能作出各种变更和改进。因此，本发明包括所有的变更，改进和变动，所有这些均落入所附权利要求的范围内。

Claims

1．一种纸产品的制造方法，包括如下步骤：

将新鲜纸浆和二氧化碳混合，以便得到降低pH值的液体浆；

将包含铝化合物的材料添加至所述的液体浆中。

2．如权利要求1所述的方法，其中所述的材料包括废纸。

3．如权利要求1所述的方法，其中所述的铝化合物包括硫酸铝，所述的材料包括废纸。

4．如权利要求3所述的方法，其中，通过将所述降低pH的液体浆中的所述的二氧化碳和所述废纸中的所述硫酸铝混合，可取得所述废纸用施胶剂所希望的留着率。

5．如权利要求3所述的方法，其中，将足量的二氧化碳添加至所述的液体浆中，以便将其pH降低至能使所述硫酸铝与有效量的施胶剂反应所需的值，以便取得所希望的最终产品的施胶。

6．如权利要求1所述的方法，另外还包括如下步骤：将补充量的所述铝化合物添加至所述产物流中，其中所述补充量的所述铝化合物足以取得最终产品所希望的施胶，但低于在没有所述二氧化碳的情况下所需的所述铝化合物量。

7．一种纸产品的制造方法，包括如下步骤：

提供由废纸得到的纸浆，所述纸浆包含有铝化合物；

将二氧化碳添加至所述的纸浆中，以便将所述纸浆的pH值降至使所述铝化合物能溶解的酸性值。

8．如权利要求7所述的方法，其中所述的铝化合物包括硫酸铝。

9．如权利要求8所述的方法，其中，将足量的二氧化碳添加至所述的液体浆中，以便将其pH降低至能使所述硫酸铝与有效量的施胶剂反应所需的值，以便取得所希望的最终产品的施胶。

10．如权利要求7所述的方法，另外还包括如下步骤：将补充量的所述硫酸铝添加至所述的纸浆中，其中所述补充量的所述硫酸铝足以取得最终产品所希望的施胶，但低于在没有所述二氧化碳的情况下所需的所述硫酸铝量。