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Die
Erfindung betrifft einen lignocellulosischen Faserstoff aus Holz.
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Lignocellulosische
Fasern werden unter anderem zur Herstellung von Papier und Pappe
eingesetzt. Es ist eine große
Zahl von industriell hergestellten lignocellulosischen Fasern bekannt,
die sich in ihren Eigenschaften stark unterscheiden: Als Holzstoff
werden Fasern bezeichnet, die durch mechanische Zerfaserung des
Faserverbundes mittels Mahl- oder Schleifaggregaten erzeugt werden.
Bei der Herstellung von Holzstoff wird kaum Holzsubstanz abgebaut.
Die ursprünglich
eingesetzte Biomasse findet sich fast vollständig im Holzstoff wieder. Die
Holzstoff-Erzeugung erfordert hohen Energieeinsatz. Neuere Verfahren
zur Herstellung von Holzstoff versuchen, durch Vorbehandlung des
Holzes mit Dampf und/oder Chemikalien die Fasereigenschaften zu
verbessern und/oder den Energiebedarf zu verringern. Hierzu gehören insbesondere
CTMP (Chemo-Thermomechanical Pulp) und TMP (Thermomechanical Pulp).
Bei CTMP werden in der technischen Anwendung üblicherweise zwischen 1–5 Gewichts-%
Chemikalien bezogen auf otro Holz eingesetzt, um ein teilweises
Lösen des
Faserverbundes zu ermöglichen.
Holzstoff ist allgemein charakterisiert durch niedrige Festigkeitseigenschaften,
insbesondere niedrige Reißlänge, und
hohe Opazität
und Lichtstreuung bei geringem Weißgrad mit hoher Vergilbungsneigung.
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Als
Zellstoff werden Fasern bezeichnet, die durch chemische Auflösung des
Faserverbundes erzeugt werden. Bei der Herstellung von Zellstoff
werden Chemikalien eingesetzt, die meist unter hohem Druck und hoher
Temperatur auf die Biomasse wirken. Unter mehr oder weniger weitgehender
Entfernung des Lignins und eines Teils der Kohlenhydrate, also unter
signifikantem Verlust an Ausbeute, entstehen Fasern mit guten Festigkeitseigenschaften,
insbesondere hoher Reißlänge und
mit guter Bleichbarkeit auf hohe Weißgrade und geringer Vergilbungsneigung.
Die für
die Herstellung des Zellstoffs erforderliche Energie wird aus der
Ablauge des Aufschlusses gewonnen.
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Für die Verwendung
der Fasern ist der Ligningehalt oft nicht entscheidend. Kritisch
ist in der Regel das Festigkeitsniveau, da es oft die Einsatzbereiche
limitiert. Es wurden daher zahlreiche Verfahren entwickelt, die versuchen,
auf der Basis von Verfahren der Zellstoff-Herstellung auch für Fasern
mit höherem
Ligningehalt ein höheres
Festigkeitsniveau zu erreichen.
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Ein
solches Verfahren, das sich vereinzelt in der Praxis etabliert hat,
ist das NSSC-Verfahren.
Unter Einsatz von möglichst
geringen Mengen Sulfit wird in der technischen Anwendung mit neutralen
bis leicht alkalischen pH-Werten angestrebt, bei minimalem Abbau
von Lignin eine möglichst
hohe Festigkeit der Faser zu erreichen. Die Chemikalienmengen werden
in der Praxis so gering wie möglich
gehalten, denn das Verfahren wird ohne Rückgewinnung der Chemikalien
betrieben und erzeugt aufgrund der Chemikalien und der organischen
Fracht, die durch Abbau des lignocellulosischen Materials entsteht,
eine hohe Abwasserbelastung. Nach dem NSSC-Verfahren hergestellte
Faserstoffe werden meist ungebleicht eingesetzt.
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Ein
anderes Verfahren ist das Bisulfit-Verfahren, das bei pH-Werten
um 4 betrieben wird. Auch andere Verfahren, wie das Kraft-Verfahren
(auch Sulfat-Verfahren genannt) oder das Soda-Verfahren, die an
sich für die
Herstellung von Zellstoffen mit minimalem Ligningehalt entwickelt
wurden und angewendet werden, sind auf ihre Eignung für die Herstellung
von Hochausbeute-Faserstoffen geprüft worden.
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Bei
der Eignungsprüfung
für solche
Faserstoffe ist man stets von der praktischen Erfahrung ausgegangen,
dass aufgrund des hohen Ligningehalts die Faser im ungemahlenen
oder im wenig gemahlenen Zustand nur unbefriedigend niedrige Festigkeiten
aufweist und eine wirtschaftliche Nutzbarkeit nicht gegeben ist. Eine
gute Übersicht über Hochausbeute-Faserstoffe
bietet "Choosing
the best brightening process",
N. Liebergott und T. Joachimides, Pulp & Paper Canada, Vol. 80, No 12, December
1979 T391–T395.
Dort wird für
ungebleichte Faserstoffe, die mit verschiedenen Verfahren hergestellt
wurden, das erreichbare Festigkeitsniveau in Abhängigkeit von der Ausbeute und
vom Ligningehalt angegeben. Als Untergrenze für Fasern, die zur Papierherstellung
verwertbar sind, wird das Festigkeitsniveau bei 500 ml CSF (26 °SR) gemessen,
und es wird eine Vergleichsmessung für 300 ml CSF (41 °SR) durchgeführt. Bei
Ausbeuten von ca. 80 % werden für
Fichte Reißlängen (Breaking
length) von ca. 9–10
km bei 500 ml CSF (26 °SR)
erreicht. Bei weiterer Mahlung steigen die Festigkeitswerte. Diese
bereits verhältnismäßig hohen
Werte werden durch Aufschlüsse
im sauren pH-Bereich (Bisulfitaufschluss, saurer Sulfitaufschluss)
erzielt. Für
Fasern aus neutralen und alkalischen Aufschlüssen (Neutralsulfit-Aufschluss,
Kraft- und Soda-Aufschluss) werden deutlich niedrigere Festigkeitswerte
angegeben, die zudem mit einem um das Mehrfache höheren Einsatz
an Zerfaserungs- und Mahlenergie erzeugt werden müssen. Dies
lässt sich
an den höheren
Umdrehungszahlen des PFI-Mahlwerks ablesen, die erforderlich sind,
um einen Mahlgrad von 500 ml CSF (26 SR) bzw. 300 ml CSF (41 °SR) zu erreichen.
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Ausgehend
von dem geschilderten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung,
einen ungebleichten und einen gebleichten Faserstoff bereitzustellen,
der bei hohem Ligningehalt der Faser ein hohes Festigkeitsniveau
bietet.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit einem lignocellulosischen Faserstoff mit
- – einer
Reißlänge von
mehr als 8 km bei 15 °SR
und einem Ligningehalt von mindestens 15% bezogen auf den ungebleichten
otro Faserstoff für
Nadelholz
- – einer
Reißlänge von
mehr als 5,0 km bei 20 °SR
und einem Ligningehalt von mindestens 12 % bezogen auf den ungebleichten
otro Faserstoff für
Laubholz.
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Der
vorbeschriebene Faserstoff weist einen Ligningehalt von mindestens
15 % bezogen auf den otro Faserstoff für Nadelholz und von mindestens
12 % für
Laubholz auf. Dieser Ligningehalt wird ermittelt durch Bestimmung
des Klason-Lignins und des säurelöslichen
Lignins (Definition hierfür
siehe weiter unten). Klason-Lignin und säurelösliches Lignin zusammen ergeben
den Ligningehalt des jeweiligen Faserstoffs: Der Ligningehalt für Laubhölzer ist
niedriger als der Wert für
Nadelhölzer,
weil letztere einen höheren
Ausgangs-Ligningehalt aufweisen. Der Ligningehalt des erfindungsgemäßen Faserstoffs
kann für
Laub- und Nadelhölzer aber
auch durchaus höher
liegen, insbesondere bei mehr als 18 %, bei mehr als 21 % oder bei
mehr als 24 % für
Nadelholz. Für
Laubhölzer
können
die Werte bei mindestens 14 %, mindestens 16 % oder bei mehr als
18 % Lignin bezogen auf den otro Faserstoff liegen. Je höher der
Ligningehalt des Faserstoffs bei der erforderlichen Reißlänge von
mehr als 8 km bei 15 °SR
für Nadelholz
oder bei mehr als 5 km bei 20 °SR
bei Laubholz ist, desto geringer sind die Verluste an Holzsubstanz
beim Herstellen des Faserstoffs. Dieses Mehr an Ausbeute steigert
die Wettbewerbsfähigkeit
des Faserstoffs.
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Der
erfindungsgemäße Faserstoff
unterscheidet sich vom Stand der Technik dadurch, dass die Fasern bereits
bei einem gegenüber
bekannten Fasern weitaus geringeren Mahlgrad hohe Festigkeitswerte
zeigen. Der Mahlgrad ist ein Maß für das Entwässerungsverhalten
einer Fasersuspension. Bei einem Mahlgrad von 12 °SR oder von
15 °SR für Nadelholz
ist die Faser morphologisch nur wenig verändert. Bekannte Fasern mit
hohem Ligningehalt weisen bei 15 °SR
eine Struktur auf, die nicht in der Lage ist, eine gute Bindung
an benachbarte Fasern – und
damit ein akzeptables statisches Festigkeitsniveau- aufzubauen.
Der erfindungsgemäße Faserstoff
ist jedoch bereits bei niedrigem Mahlgrad von 12 °SR oder von
15 °SR – und damit
nach geringem Aufwand an Mahlenergie – in der Lage, eine gute Bindung
an benachbarte Fasern aufzubauen.
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Die
erreichbaren Festigkeitswerte liegen für Nadelholz mit einem Ligningehalt
von mindestens 15 % über
8 km. Werte von mehr als 9 km, von über 9,5 km und – bevorzugt – von mehr
als 10 km Reißlänge bei jeweils
15 °SR sind
für diese
Faserstoffe ohne weiteres erreichbar. Für Laubholz mit einem Ligningehalt
von mindestens 12 % ist die erreichbare Reißlänge häufig vorgegeben durch die Holzart.
Die in Anspruch 1 angegebenen Werte stellen die Untergrenze für Laubhölzer dar.
Beispielsweise wurden für
Pappel-Faserstoffe mit einem Ligningehalt von mehr als 12 % Reißlängen-Werte
von mehr als 6 km, bevorzugt von mehr als 7 km, besonders bevorzugt
mehr als 7,5 km bei jeweils 20 °SR
gemessen.
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Der
erfindungsgemäße Faserstoff
zeichnet sich jedoch nicht nur durch hohe Reißlängen aus. Vielmehr ist das
Festigkeitsniveau insgesamt hoch.
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So
weist der erfindungsgemäße Nadelholz-Faserstoff
mit einem Ligningehalt von mehr als 15 % bei 15 °SR und bezogen auf ein Blattgewicht
von 100 g/m2 eine Durchreißfestigkeit
von mindestens 65 cN auf. Für Laubholz-Faserstoff
mit einem Ligningehalt von mehr als 12 % liegt die Durchreißfestigkeit
bei 100 g/m2 Blattgewicht bei mindestens
50 cN bei einem Mahlgrad von 20 °SR.
Diese Durchreißfestigkeit
in Verbindung mit den hohen Reißlängen bereits
bei so ungewöhnlich
niedrigen Mahlgraden von 15 °SR
für Nadelholz
und 20 °SR
für Laubholz
ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt.
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Gleichzeitig
weist der Faserstoff bei hohem Ligningehalt (mehr als 15 % für Nadelholz
und mehr als 12 % für
Laubholz) einen ungewöhnlich
hohen Weißgrad
auf. Nach dem Aufschluss, also ohne jede Bleichbehandlung, werden
für Nadelholz
Werte von 40 %ISO und mehr, für
Laubholz Werte von mindestens 60 %ISO gemessen. Es ist auch ohne
weiteres möglich,
Werte von über
60 %ISO für
Nadelholz zu erreichen. Da das Lignin im Allgemeinen als farbgebend
für den
Faserstoff angesehen wird, ist es bemerkenswert, wenn trotz des
hohen Ligningehalts ein solcher Weißgrad erzielt wird.
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Wird
der erfindungsgemäße Faserstoff
einer Bleichbehandlung unterzogen, so verbessern sich die Faser-Eigenschaften
erheblich. Die Bleichbehandlung ist für manche Anwendungen mit höheren Anforderungen
an den Weißgrad
erforderlich; sie zielt aber auch auf die Einstellung und Verbesserung
der Fasereigenschaften ab. Der gebleichte Faserstoff weist nicht
nur einen deutlich höheren
Weißgrad
von über
70 %ISO, bevorzugt von über
75 %ISO für
Nadelholz und von mehr als 60 % ISO, bevorzugt von mehr als 80 %
ISO für Laubholz
auf. Mit der Bleichbehandlung steigern sich die Reißlängen für Nadelholz
auf mehr als 9 km, bevorzugt auf mehr als 9,5, besonders bevorzugt
auf mehr als 10 km bei 15 °SR.
Während
der Bleichbehandlung kann für
Nadelholz die Durchreißfestigkeit
stabilisiert, in der Regel verbessert werden. Nach der Bleiche haben Pappel-Faserstoffe
bei 20 °SR
eine Reißlänge von
mehr als 7 km, bevorzugt von mehr als 8 km. Buchen-Faserstoffe weisen
nach der Bleiche eine Reißlänge von
mehr als 5,5 km, bevorzugt von mehr als 6 km auf. Die Durchreißfestigkeit
verändert
sich durch die Bleiche nicht wesentlich.
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Im
Folgenden werden Wege zur Herstellung sowie wesentliche Eigenschaften
des erfindungsgemäßen Faserstoffs
anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Die
Eigenschaften der Fasern wurden nach folgenden Standards erfasst
und gemessen:
- – Die Ausbeute wurde durch
Wägung
des eingesetzten Rohstoffs und des nach dem Aufschluss oder der Bleiche
erhaltenen Faserstoffs, jeweils bei 105 °C auf Gewichtskonstanz (atro)
getrocknet, berechnet.
- – Der
Ligningehalt wurde als Klason-Lignin bestimmt gemäß TAPPI
T 222 om-98. Das säurelösliche Lignin wurde
bestimmt gemäß TAPPI
UM 250
- – Der
Weißgrad
wurde ermittelt durch Herstellung der Prüfblätter nach Zellcheming-Merkblatt V/19/63,
gemessen wurde nach SCAN C 11:75 mit einem Datacolor elrepho 450
x Photometer; die Weiße
ist in Prozent nach der ISO-Norm 2470 angegeben.
- – Die
Opazität
wurde nach den Vorschriften des Zellcheming-MerkblattsVI/1/66 bestimmt.
- – Die
papiertechnologischen Eigenschaften wurden an Prüfblättern bestimmt, die nach Zellcheming-Merkblatt
V/8/76 hergestellt wurden.
- – Raumgewicht
wurde nach Zellcheming-Vorschrift V/11/57 ermittelt.
- – Reißlänge wurde
nach Zellcheming-Vorschrift V/12/57 bestimmt.
- – Die
Durchreißfestigkeit
wurde nach DIN 53 128 Elmendorf ermittelt. Sie wird für ein Blatt
mit einem Blattgewicht 100 g/m2 angegeben.
- – Der
Mahlgrad wurde nach Zellcheming-Merkblatt V/3/62 erfaßt.
- – Die
Ermittlung von Tensile-, Tear- und Burst-Index erfolgte gemäß TAPPI
220 sp-96.
- – Alle
Prozentangaben in diesem Dokument sind Gewichtsangaben, soweit nicht
anders vermerkt.
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Beispiele 1–4: Herstellung des Nadelholz-Faserstoffs
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Ein
möglicher
Weg zur Herstellung des erfindungsgemäßen Faserstoffs ist nachstehend
beschrieben: Fichtenholz-Hackschnitzel, die für 30 Minuten bei 105 °C bis 110 °C gedämpft wurden,
werden mit einem Gesamt-Chemikalieneinsatz von 27,5 % Natriumsulfit
(berechnet als NaOH), bezogen auf otro Holzmasse, versetzt. Es wird
ein Flottenverhältnis
von 4 : 1 (Chemikalienlösung
: otro Holzmasse) eingestellt. Der pH-Wert stellt sich zu Beginn
des Aufschlusses auf pH 9,4 ein (Beispiel 4). Aufschlüsse bei
niedrigeren Anfangs-pH-Werten von 8 (Beispiel 3), 7 (Beispiel 2)
oder 6 (Beispiel 1) werden durch Zugabe von SO2 auf
diese niedrigeren Anfangs-pH-Werte eingestellt.
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Die
Hackschnitzel werden bei einem Aufschluss in der flüssigen Phase
innerhalb von 90 Minuten auf eine Aufschluss-Temperatur von 170 °C aufgeheizt
und 180 Minuten bei dieser Temperatur aufgeschlossen. Die freie
Kochlauge wird abgezogen und die Hackschnitzel werden zerfasert.
Der Faserverbund wird also zerlegt, ohne auf die einzelne Faser
oder die Faseroberfläche
mechanisch einzuwirken. Zum Zerfasern der Hackschnitzel ist weitaus
weniger Energie erforderlich als bei bekannten Verfahren zur Herstellung
von Hochausbeute-Zellstoffen. Weniger als 500 kWh/t Hackschnitzel
genügen,
um den Zellstoff zu zerfasern. Bevorzugt beträgt die erforderliche Energie
weniger als 300 kWh/t Hackschnitzel. Tabelle
1 Ergebnisse der Beispiele 1–4
ungebleicht,
(dargestellt bei Mahlgrad 15 °SR)
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Für die vorstehend
beschriebenen Beispiele 1–4
lassen sich folgende Ergebnisse festhalten:
Die Ausbeute von
jeweils über
75 % bezogen auf die ursprünglich
eingesetzte Holzmasse entspricht einem Faserstoff mit einem Ligningehalt
von weit über
20%. Der durchschnittlicher Ligningehalt für Fichtenholz wird mit 28 %
bezogen auf die otro Holzmasse angegeben (Wagenführ, Anatomie des Holzes, VEB
Fachbuchverlag Leipzig, 1980). Der tatsächliche Ligningehalt des Faserstoffs
liegt höher,
da während
des Aufschlussses vorwiegend, aber nicht ausschließlich Lignin
abgebaut wird. Auch Kohlenhydrate (Cellulose und Hemicellulosen) werden
in geringen Mengen gelöst.
Die angegebe nen Werte zeigen, dass der Aufschluss eine gute Selektivität mit Blick
auf den Lignin- und
Kohlenhydratabbau aufweist.
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Der
Weißgrad
liegt mit Werten von über
55 % ISO unerwartet hoch und bietet so eine gute Ausgangsbasis für eine ggf.
anschließende
Bleiche.
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Um
die Fichtenholz-Faserstoffe der Beispiele 1 bis 4 auf einen Mahlgrad
von 15 °SR
zu mahlen, ist eine Mahldauer von 20 bis 30 Minuten erforderlich.
Bis zu einer Mahldauer von 20 Minuten (Mahlgrad 12 °SR – 15 °SR) entwickelt
sich der Mahlgrad unabhängig
vom pH-Wert zu Beginn des Aufschlusses (pH 6 bis pH 9,4) in einem
engen Korridor.
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Ebenfalls
unabhängig
vom Anfangs-pH-Wert des Aufschlusses und der zum Erreichen des Mahlgrads erforderlichen
Mahldauer wird bei einem Mahlgrad 15 °SR ein hohes Festigkeitsniveau
erreicht. Beispiel 1 führt zu
einem insgesamt hohen Festigkeitsniveau mit einer Reißlänge von
8,9 km und einer Durchreißfestigkeit
von 53,8 cN. Liegt der Ausgangs-pH-Wert jedoch bei 7 oder darüber, steigt
die Reißlänge auf
9 km und darüber an.
Die Durchreißfestigkeit
erreicht Werte von 65 cN und darüber.
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Beispiele 5 und 6 – Herstellung von Laubholz-Faserstoffen
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Buchen-
oder Pappel-Hackschnitzel werden jeweils 30 Minuten bei 105 °C bis 110 °C gedämpft. Die Buchen-Hackschnitzel
werden dann mit 22,5 % Natriumsulfit (berechnet als NaOH), bezogen
auf die eingesetzte otro Holzmasse, bei einem Flottenverhältnis von
Chemikalienlösung
: Holz = 4 : 1 versetzt. Die Pappel-Hackschnitzel werden mit 20
Natriumsulfit bezogen auf die otro Holzmasse bei einem Flottenverhältnis von 4
: 1 versetzt.
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Zum
Aufschluss wurden beide Holzarten in 90 Minuten bis auf die Aufschlusstemperatur
von 170 °C aufgeheizt.
Die Aufschlussdauer beträgt
60 Minuten bei Maximaltemperatur für Buche und 30 Minuten bei
Maximaltemperatur für
Pappel. Die freie Aufschlusslösung
wird abgezogen und die Hackschnitzel werden defibriert, das heißt, der
Faserverbund wird aufgelöst,
ohne mahlend auf die einzelne Faser bzw. Faseroberfläche einzuwirken.
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Die
Ergebnisse dieser Aufschlüsse
zeigt Tabelle 2. Die Buchen- und Pappelfaserstoffe wurden mit einem
Minimum an Energie zerfasert (weniger als 300 kWh/t). Sie erreichten
schon nach wenigen Minuten außerordentlich
hohe Mahlgrade. Bereits ungemahlen wurden mehr als 15 °SR gemessen.
Die Laubholz-Faserstoffe wurden deshalb bei Mahlgrad 20 °SR analysiert.
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Die
Ausbeute liegt bei 75 % und darüber,
bezogen auf die otro Hackschnitzel. Auch hier zeigt sich die gute
Selektivität
des erfindungsgemäßen Aufschlusses.
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Die
so erzeugten Faserstoffe weisen trotz der hohen Ausbeute bereits
einen außerordentlich
hohen Weißgrad
auf, der bei über
65 % ISO liegt. Damit ist für
eine ggf. anschließende
Bleiche eine gute Basis gelegt.
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Die
Buche weist mit einer Reißlänge von über 5 km
bei 20 °SR
eine für
diese Holzart beachtliche Reißlänge auf.
Die Durchreißfestigkeit
liegt bei mehr als 50 cN. Das Festigkeitsniveau für den Pappel-Faserstoff liegt
noch höher.
Eine Reißlänge von
mehr als 7,5 km und eine Durchreißfestigkeit von 65 cN bei 20 °SR sind für Laubholz-Faserstoffe
mit hohem Ligningehalt nicht bekannt. Tabelle
2 Ergebnisse der Beispiele 5, 6, ungebleicht,
(dargestellt
bei Mahlgrad 20 °SR)
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Bleichbehandlung
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Der
wie vorbeschrieben hergestellte Nadelholz-Faserstoff wurde zur Steigerung
des Weißgrads
gebleicht. Die Aufhellung sollte bei möglichst geringen Ausbeuteverlusten
erfolgen. Angestrebt wurde also eine Lignin erhaltende Bleiche.
In der Regel wurde in mehreren Stufen gebleicht. Die Reaktionsbedingungen
für die verschiedenen
Bleichbehandlungen werden im Folgenden erläutert: Q-Stufe Mittels eines
Komplexbildners wird der Schwermetall-Gehalt des Faserstoffs reduziert.
Der Faserstoff wird bei 3 % Stoffdichte mit 4N Schwefelsäure auf
einen pH-Wert von 5–5,2
eingestellt und für
30 Minuten bei 60 °C
mit 0,2 % DTPA versetzt.
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P-Stufe
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Die
P-Stufe wurde mit Wasserstoffperoxid als Bleichmittel durchgeführt. Bei
einer Stoffdichte von 10 % wurde bei 80 °C über 240 Minuten unter Zusatz
von 5 % Wasserstoffperoxid bezogen auf otro Faserstoff sowie Zugabe
von 2,5 % NaOH, 3 % Silikat und 0,1 % Magnesiumsulfat (jeweils bezogen
auf otro Faserstoff) gebleicht. Der pH-Wert zu Beginn wurde mit
11 gemessen, am Ende der Bleiche mit 9,7. Anschließend erfolgt eine
Wäsche.
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FAS-Stufe
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Die
FAS-Stufe stützt
sich auf FAS (Formamidinsulfinsäure)
als Mittel zur Aufhellung des Faserstoffs. Die Bleiche wird bei
hoher Temperatur (99 °C) über 30 Minuten
bei einer Stoffdichte von 12 % durchgeführt. Zugesetzt werden 1 % FAS,
0,5 % NaOH und 0,5% Silikat, jeweils bezogen auf otro Faserstoff.
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Fasereigenschaften
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Nach
dem Zerfasern werden die Aufschluss-Ergebnisse erfasst, insbesondere
Ausbeute, Ligningehalt, Reißlänge, Durchreißfestigkeit
und Weißgrad
des Faserstoffs. Um ein möglichst
vollständiges
Bild von den Eigenschaften der Fasern zu erhalten, werden Teile
des Faserstoffs 15, 30, 45 und 60 Minuten gemahlen.
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Beispiel 1 (Faserstoff bei pH 6 aufgeschlossen),
gebleicht
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Der
Faserstoff wurde nach dem Aufschluss mit einer Sequenz Q P FAS gebleicht.
Er weist bei einer Gesamt-Ausbeute nach der Bleiche von 82% (bezogen
auf die otro Hackschnitzel zu Beginn des Aufschlusses) einen Ligningehalt
von 24 % bezogen auf die otro Fasermasse auf. Der Weißgrad am
Ende der Bleichsequenz wird mit 77 % ISO gemessen.
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Die
Reißlänge bei
15 °SR beträgt 8,86
km, die Durchreißfestigkeit
liegt bei 60,1 cN. Die Opazität
wird – bezogen
auf ein Blattgewicht von 80 g/m2 – mit 68,3
gemessen. Bei fortgesetzter Mahlung steigt die Reißlänge weiter
an, Durchreißfestigkeit
und Opazität
sinken.
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Beispiel 2 (Faserstoff bei pH7 aufgeschlossen),
gebleicht
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Für diesen
Aufschluss wird eine Ausbeute (ungebleicht) von 78,5 % bezogen auf
otro Holz-Hackschnitzel und ein Weißgrad von 61,7 % ISO gemessen.
Der Ligningehalt der Fasern wurde mit 20 % bezogen auf die otro
Fasermasse ermittelt (vgl. Tabelle 1). Die Reißlänge bei 15 °SR beträgt 8,97 km, die Durchreißfestigkeit
69,8 cN und die Opazität
wurde mit 82,2 % gemessen.
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Der
Weißgrad
des gebleichten Faserstoffs wird mit 76,7 % ISO gemessen. Die Bleichsequenz
war Q P FAS. Die gesamte Ausbeute, bezogen auf die eingesetzten
Fichten-Hackschnitzel
betrug 74,3 %. Der Ligningehalt der gebleichten Fasern war 17,8
% bezogen auf die otro Fasermasse der gebleichten Fasern.
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Die
Reißlänge dieses
gebleichten Faserstoffs wurde mit 9,34 % bei 15 °SR gemessen, die Durchreißfestigkeit
mit 56,6 cN. Die Opazität
wurde mit 71,2 % bestimmt.
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Beispiel 3 (Faserstoff bei pH 8 aufgeschlossen),
gebleicht
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Nach
dem Aufschluss der Fichten-Hackschnitzel wurde eine Ausbeute von
82,1 % bezogen auf die otro Hackschnitzel zu Beginn des Aufschlusses,
und ein Ligningehalt von 21,4 % bezogen auf die ungebleichte otro
Fasermasse ermittelt. Der Weißgrad
wurde mit 60,5 % ISO gemessen. Die Reißlänge wurde bei 15 °SR mit 9,36
km bestimmt, die Durchreißfestigkeit
mit 70,3 cN und die Opazität
mit 81,1 %.
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Für den gebleichten
Faserstoff wurde ein Weißgrad
von 75,7 % ISO und eine Ausbeute von 77,4 % bezogen auf otro Fichten-Hackschnitzel
bestimmt. Es wurde ein Ligningehalt von 19,3 % für die gebleichte otro Fasermasse
gemessen.
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Die
Reißlänge des
gebleichten Fichten-Faserstoffs wurde mit 10,5 km bei 15 °SR gemessen,
die Durchreißfestigkeit
mit 70,2 cN und die Opazität
mit 66,8 %.
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Beispiel 4 (Faserstoff bei pH 9,4 aufgeschlossen),
gebleicht
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Der
Weißgrad
des ungebleichten Faserstoffs wurde mit 57,6 % ISO gemessen. Die
Ausbeute wurde mit 79,3 % bezogen auf die eingesetzten otro Fichten-Hackschnitzel
bestimmt. Der Ligningehalt betrug 19,9 % für die ungebleichte otro Fasermasse.
Die Reißlänge des
Faserstoffs bei 15 °SR
betrug 9,64 km, die Durchreißfestigkeit
66,8 cN und die Opazität
wurde mit 79,9 gemessen.
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Für den gebleichten
Faserstoff wurde ein Weißgrad
von 75,1 % ISO gemessen, die Ausbeute betrug 75,1 % bezogen auf
die ursprünglich
eingesetzten otro Fichten-Hackschnitzel.
Für die
gebleichte Fasermasse wurde ein Ligningehalt von 17,7 % bezogen
auf die otro Fasermasse gemessen.
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Die
Reißlänge bei
15 °SR betrug
10,58 km, die Durchreißfestigkeit
70,7 cN und die Opazität
betrug 66 %.
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Zu
den vorstehend beschriebenen Versuchsergebnissen ist allgemein festzuhalten,
dass die gebleichten Faserstoffe gegenüber den ungebleichten Stoffen
geringfügig
verbesserte Festigkeitseigenschaften aufweisen, ohne dass übermäßige Ausbeuteverluste
zu verzeichnen sind. Insgesamt verhält sich der Faserstoff in der
Bleiche sehr positiv, zusammen mit der erzielten Weißgrad-Steigerung
ist ein gutes Festigkeitsniveau und eine insgesamt gute Ausbeute
bezogen auf die ursprünglich
eingesetzte otro Hackschnitzel-Menge
zu verzeichnen.
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Anzumerken
ist, dass die untersuchten Fichten-Faserstoffe sich mit sehr wenig
Mahlenergie zerfasern und auf einen Mahlgrad von 15 °SR mahlen
ließen.
Die ungebleichten Faserstoffe waren – wie zu erwarten – mit etwas
mehr Aufwand zu mahlen als die ge bleichten Faserstoffe. Die Mahlenergie
zum Erreichen von 15 °SR
betrug für
ungebleichte Fichten-Faserstoffe weniger als 500 kwh/t Faserstoff.
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Beispiel 5 (Buchen-Faserstoff bei pH 9,4
aufgeschlossen), gebleicht
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Buchen-Hackschnitzel
wurden mit einem Anfangs-pH-Wert von 9,4 aufgeschlossen. Der erkochte
Faserstoff ließ sich
außerordentlich
leicht und mit sehr wenig Mahlenergie mahlen. Die Faserstoff-Eigenschaften wurden
bei 20 °SR
bestimmt.
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Der
Weißgrad
des ungebleichten Stoffs wurde mit 69,7 % ISO gemessen, die Ausbeute
betrug 75,0 % der insgesamt eingesetzten otro Hackschnitzelmenge.
Der Ligningehalt des Buchen-Faserstoffs wurde – ausgehend von einem durchschnittlichen
Ligningehalt für
Buche von 22 % – mit
16,5 % bezogen auf die ungebleichte otro Buchen-Fasermasse ermittelt.
Die Reißlänge bei
20 °SR wurde
mit 5,25 km gemessen, die Durchreißfestigkeit mit 53,1 cN und
die Opazität
für ein
Blattgewicht von 80 g/m2 mit 853 %. Für den gebleichten
Buchen-Faserstoff lag die Reißlänge, gemessen
bei 20 °SR,
bei über
6 km. Die Durchreißfestigkeit
hat sich nicht signifikant verändert.
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Beispiel 6 (Pappel-Faserstoff bei pH 9,4
aufgeschlossen), gebleicht
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Auch
der ungebleichte Pappel-Faserstoff wurde bei 20 °SR analysiert. Der Weißgrad wurde
mit 67,8 % ISO gemessen, die Ausbeute lag bei 79,0 % bezogen auf
die eingesetzten otro Pappel-Hackschnitzel. Der Ligningehalt des
Pappel-Faserstoffs wurde – ausgehend
von einem durchschnittlichen Ligningehalt für Pappel von 20 % – mit 15
% bezogen auf die ungebleichte otro Pappel-Fasermasse bestimmt.
Die Reißlänge wurde bei
20 °SR mit
7,72 km gemessen, die Durchreißfestigkeit
mit 65,0 cN und die Opazität
wurde mit 80,0 % bestimmt.
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Die
Reißlänge des
gebleichten Pappel-Faserstoffs wurde bei 20 °SR mit ca. 8,3 km Reißlänge gemessen,
die Durchreißfestigkeit
hat sich durch die Bleiche nicht signifikant verändert.
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Beispiel 7 Fichten- Faserstoff, ungebleicht
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Der
Faserstoff nach Beispiel 7 wurde aus Fichten-Hackschnitzeln unter
den Bedingun gen des Beispiels 1 hergestellt, mit folgenden Änderungen:
Zusätzlich
zu den 27,5 Gesamtchemikalien (Sulfit und NaOH in vorgegebenem Verhältnis) wurde
der Chemikalienlösung
0,1 % Anthrachinon bezogen auf die eingesetzte Holzmenge zugegeben.
Die Dauer des Aufschlusses wurde auf 45 Minuten verkürzt.
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Beispiel 8 Fichten-Faserstoff, ungebleicht
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Wie
Beispiel 7, aber mit einem Gesamt-Chemikalieneinsatz von 25 % bezogen
auf die eingesetzte otro Holzmenge und einer Aufschlussdauer von
50 Minuten. Tabelle
3 Ergebnisse der Beispiele 7–11,
ungebleicht
(dargestellt bei Mahlgrad 15 °SR)
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Beispiel 9 Fichten-Faserstoff, ungebleicht
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Wie
Beispiel 7, mit einem Gesamt-Chemikalieneinsatz von 22,5 % und einer
Aufschlussdauer von 50 Minuten.
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Beispiel 10 Fichten-Faserstoff, ungebleicht
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Wie
Beispiel 7, aber mit einem Gesamt-Chemikalieneinsatz von 20 % und
einer Aufschlussdauer von 55 Minuten.
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Beispiel 11 Fichten-Faserstoff, ungebleicht
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Wie
Beispiel 7, aber mit einem Gesamt-Chemikalieneinsatz von 17,5 %
und einer Aufschlussdauer von 55 Minuten.
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Beispiel 12 Fichten-Faserstoff, ungebleicht
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Wie
Beispiel 7, aber mit einem Gesamt-Chemikalieneinsatz von 15 % und
einer Aufschlussdauer von 60 Minuten.
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Zunächst fällt auf,
dass durch Zusatz von 0,1 % Anthrachinon die Dauer des Aufschlusses
gegenüber 180
Minuten bei Beispiel 1 unter ansonsten unveränderten Aufschlussbedingungen
um 135 Minuten (75% der Aufschlussdauer) auf 45 Minuten verringert
werden kann. Die Ergebnisse der Aufschlüsse sind vergleichbar, wie
in Tabelle 4 dargestellt ist. Dieser Zeitgewinn ist wertvoll, vor
allem deshalb, weil die Anlagen zur Faserstoffherstellung kleiner
dimensioniert werden können.
Weiteres Einspar-Potential liegt darin, dass die zum Aufschluss
erforderliche Temperatur nur über
einen sehr viel kürzeren
Zeitraum aufrecht erhalten werden muss. Tabelle
4 Ergebnisse der Beispiele 4 und 7, ungebleicht
(dargestellt
bei Mahlgrad 15 °SR)
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Weiter
ist den Daten der Tabelle 3 zu entnehmen, dass bei sinkendem Einsatz
an Gesamtchemikalien von 27,5 % bis auf 15 % Faserstoff mit weitgehend
gleich guten Eigenschaften erzeugt wird. Diese Ergebnisse sind nicht
vom Einsatz des Anthrachinons abhängig. Das Anthrachinon bewirkt
eine Beschleunigung des Aufschlusses, der gewünschte Faserstoff kann aber
auch ohne Zusatz von Anthrachinon aufgeschlossen werden. Der Weißgrad liegt
für jedes
der Aufschluss-Beispiele bei über
50 % ISO und der Lignin- gehalt bewegt sich bei den Beispielen 7
bis 11 zwischen 21,5 % und 22 % bezogen auf otro Faserstoff. Die
Reißlänge liegt
bei über
10 km und die Durchreißfestigkeit
wurde mit mehr als 70 cN, in der Regel mit mehr als 75 cN bei 15 °SR gemessen.
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Die
Bleiche des Faserstoffs nach Beispiel 12 führt zu folgenden Ergebnissen:
Nach der Q-Stufe stagniert der Weißgrad bei 52,2 % ISO. Die Ausbeute
diese Stufe beträgt
99,3 bezogen auf otro Fasermasse.
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Die
P-Stufe führt
zu einer Weißgradsteigerung
auf 64,3 % ISO bei einer Ausbeute vo 97,1 % bezogen auf otro Fasermasse.
Die FAS-Stufe bringt eine weitere Weißgrad-Steigerung auf 75,1 % ISO bei einer
Ausbeute von 98,9 % bezogen auf otro Fasermasse. Die Weißgradsteigerung
insgesamt beträgt
21,3 % ISO bei einer Gesamt-Ausbeute von 77,3 % bezogen auf die
eingangs eingesetzte otro Holzmasse.
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Die
nachfolgend erläuterten
Aufschlüsse
gemäß der Beispiele
13 bis 16 betreffend Dampfphasen-Aufschlüsse.
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Beispiel 13 Fichten-Faserstoff in der
Dampfphase erzeugt, ungebleicht
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Fichtenholz-Hackschnitzel
werden mit 27,5 % Chemikalieneinsatz bei einem Flottenverhältnis von Holz
: Chemikalienlösung
= 1:5 bei 120 °C
in der Dampfphase für
120 Minuten imprägniert.
Als Chemikalien werden Sulfit und 0,1 % Anthrachinon eingesetzt.
Zu Beginn der Imprägnierung
stellt sich ein pH-Wert von 9,4 ein. Nach der Imprägnierung
wird die Chemikalienlösung
entfernt.
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Die
mit der Chemikalienlösung
imprägnierten
Hackschnitzel werden mit Dampf in ca. 5 Minuten auf 170 °C aufgeheizt.
Diese Dampfphase bei 170 °C
wird über
60 Minuten gehalten. Dann wird der Dampf abgelassen und innerhalb
von 30 Sekunden wird der Kocher auf 100 °C abgekühlt und es stellt sich Umgebungsdruck
ein. Die Hackschnitzel werden dem Kocher entnommen und zerfasert.
Teilmengen des so hergestellte Fichten-Faserstoff werden gemahlen und für die gemahlenen
Teilmengen werden Mahlgrad und Faserstoff-Eigenschaften bestimmt.
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Beispiel 14 Fichten-Faserstoff in der
Dampfphase erzeugt, ungebleicht
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Wie
Beispiel 13, aber mit einer Aufschlussdauer in der Dampfphase von
45 Minuten. Der Chemikalieneinsatz ist auf 63,0 % bezogen auf die
otro Holzmenge erhöht.
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Beispiel 15 Fichten-Faserstoff in der
Dampfphase erzeugt, ungebleicht
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Wie
Beispiel 14, aber mit einer Aufschlussdauer von 30 Minuten.
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Beispiel 16 Fichten-Faserstoff in der
Dampfphase erzeugt, ungebleicht
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Wie
Beispiel 14, aber mit einer Aufschlusstemperatur von 170 °C. Tabelle
5 Ergebnisse der Beispiele 13–16,
ungebleicht
(dargestellt bei Mahlgrad 15 °SR)
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Die
Aufschlüsse
in der Dampfphase zeigen einen geringen Gesamt-Zeitbedarf. Gegenüber dem
Aufschluss in der flüssigen
Phase erfolgt das Aufheizen auf die maximale Aufschlusstemperatur
sehr viel schneller. Der eigentliche Aufschluss benötigt dann
die gleiche Dauer wie eine Kochung in der flüssigen Phase. Während des
Dampfphasen-Aufschlusses
ist keine frei fließende
Chemikalienlösung
vorhanden, diese wird nach der Imprägnierung und vor dem Aufschluss
abgezogen. Sie ist daher weniger mit organischem Material versetzt
als die Chemikalienlösung,
die nach dem Aufschluss in der flüssigen Phase abgezogen wird.
Auf die Qualität
des erzeugten Faserstoffs hat dies jedoch keinen signifikaten Einfluss.
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Die
Ausbeute der in Tabelle 3 dargestellten Aufschlüsse in flüssiger Phase mit Zusatz von
Anthrachinon liegt bei über
75 % bezogen auf die otro Holzmenge. Für die Dampf phasen-Aufschlüsse wird
dies mit Ausnahme des Beispiels 14 ebenfalls erreicht. Der Weißgrad der
in den Beispielen 13 bis 16 erzeugten Faserstoffe liegt allerdings
deutlich niedriger gegenüber
den Beispielen 7 bis 12. Von lediglich 32,2 % ISO beim Dampfphasen-Aufschluss
mit maximaler Aufschlussdauer von 60 Minuten steigt der Weißgrad bei
Verkürzung
des Aufschlusses auf 45 Minuten auf 39,1 % ISO. Eine weitere Verringerung
der Aufschlussdauer auf 30 Minuten führt zu einer Steigerung auf
43,1 % ISO. Einen signifikanten Effekt bewirkt die Verringerung
der maximalen Aufschlusstemperatur von 170 °C auf 155 °C: der Weißgrad steigt auf 49,1 % ISO.
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Die
in der Dampfphase hergestellten Faserstoffe weisen hervorragende
Festigkeiten auf. Die Reißlänge wurde
mit 10 km (Beispiel 15) und mit 11 km (Beispiel 14) bei 15 °SR gemessen.
Die Durchreißfestigkeit wurde
mit 82,8 cN (Beispiel 15) und mit 91,0 cN (Beispiel 14) gemessen.
Diese Werte entsprechen den besten Werten, die für Aufschlüsse in der flüssigen Phase
erreicht wurden oder liegen noch darüber. Für Faserstoffe aus dem Stand
der Technik sind vergleichbare Festigkeitswerte nicht bekannt.
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Überraschenderweise
stellt sich bei der Bleiche eines in der Dampfphase aufgeschlossenen
Faserstoffs heraus, dass der niedrige Ausgangsweißgrad kein
Hindernis für
die Verwendungs-Anforderungen darstellt. Auch hier bewirkt die Q-Stufe
keine signifikante Weißgrad-Änderung.
Die P-Stufe resultiert allerdings in einem Weißgrad-Anstieg um ca. 20 % ISO
auf 63,4 % ISO. Bereits hier bewegt sich der Faserstoff auf demselben
Weißgrad-Niveau,
das die in der flüssigen
Phase aufgeschlossenen Faserstoffe nach der P-Stufe zeigen. Nach
Abschluss der FAS-Stufe wird ein Weißgrad von 74,0 % ISO gemessen,
der ebenfalls mit den Ergebnissen übereinstimmt, die für in der
flüssigen
Phase aufgeschlossenen Faserstoffe gemessen wird. Die Gesamtausbeute
nach Abschluss der Bleichsequenz Q P FAS beträgt 71,6 % bezogen auf die ursprünglich eingesetzte
otro Holzmasse. Die Weißgradsteigerung
durch die Bleiche beträgt
mehr als 30 % ISO.
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Mit
den nachfolgend gezeigten Tabellen 6 und 7 soll dargestellt werden,
dass die erfindungsgemäß hergestellten
Faserstoffe bereits bei Mahlgraden von 12 °SR gute Festigkeitseigenschaften
bieten. Aus diesen Tabellen ist besonders deutlich zu entnehmen,
dass die erfindungsgemäßen Faserstoffe
nur eines geringen Energieaufwands bei der Mahlung bedürfen, um
hohe Reißlängen aufzubauen,
ohne dass die Durchreißfestigkeit verringert
wird. Mahlgrad 12 °SR
wurde jeweils in 0–10
Minuten erreicht; Mahlgrad 13 °SR
5–30 Minuten,
meist 10–20
Minuten. Um auf Mahlgrad 14 °SR
zu kommen, musste die Jokro-Mühle
30–40
Minuten arbeiten und für
Mahlgrad 15 °SR
waren zwischen 35 und 40 Minuten erforderlich. Es liegt auf der
Hand, dass eine Mahlung bis auf Mahlgrade um 40 °SR einen enormen Aufwand an
Mahlenergie erfordern würde.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist also darin
zu sehen, dass mit geringem Energieaufwand zu mahlende Faserstoffe
erzeugt werden. Tabelle
6 Reisslänge
(km) für
die Beispiele 7–12,
dargestellt bei verschiedenen Mahlgraden
Tabelle
7 Durchreißfestigkeit
(cN; 100 g/m
2) für die Beispiele 7–12, dargestellt
bei verschiedenen Mahlgraden
-
Bei
Mahlgrad 12 °SR
ist die Reißlänge mit
mehr als 6,5 km für
Fichten-Faserstoff bereits gut entwickelt. Der Zuwachs an Reißlänge nimmt
mit jedem weiteren Mahlgrad ab, bei 14 °SR bis 15 °SR ist das Festigkeitspotential
der Faser im wesentlichen ausgeschöpft.