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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Tissuebahn,
die aus einer Fasern umfassenden Stoffsuspension hergestellt wird.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Stoffsuspension
zur insbesonderen Verwendung für die Herstellung von Tissuebahnen.
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Tissueprodukte
werden heute hauptsächlich aus Vollzellstoffen, bevorzugt
Kraftzellstoffen hergestellt.
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Mechanisch
hergestellte Faserstoffe finden nur begrenzt Einsatz, da hier die
Vergilbungsneigung und die schlechten Festigkeiten der Stoffe einen
breiten Einsatz verhindern.
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Übliche
Mischungsverhältnisse zwischen Langfaser- und Kurzfaserzellstoffen
liegen im Bereich 50:50.
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Die
Porosität und die Permeabilität des Tissuepapiers
werden entscheidend durch den Mahlgrad der Fasern in der Stoffsuspension
bestimmt, aus der das Tissuepapier hergestellt wird.
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Hierbei
bedingt ein hoher Mahlgrad einen hohen Feinstoffgehalt in der Suspension,
was zu einer geringen Porosität und Permeabilität
führt.
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Des
Weiteren bedingt ein hoher Mahlgrad einen hohen Wasser-Retentionswert
für die Fasern der Stoffsuspension, wodurch das Tissuepapier
bei dessen Herstellung schlecht entwässerbar ist.
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Die
schlechte Entwässerbarkeit hat bei hohen Maschinengeschwindigkeiten
oft einen zu niedrigen Trockengehalt bei der Herstellung zur Folge.
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So
ist beispielweise vor dem Yankee-Trockenzylinder ein gewisser Trockengehalt
notwendig, um ein Abheben der Tissuepapierbahn durch deren Kontakt
mit der heißen Mantelfläche des Tissue-Trockenzylinders zu
verhindern.
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Außerdem
muss die Tissuebahn reißfest sein.
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Die
Reißfestigkeit wird sowohl durch den Herstellungsprozess
als auch durch den Mahlgrad der Fasern bestimmt. Zur Erhöhung
der Reißfestigkeit muss das Tissuepapier bei seiner Herstellung
verdichtet werden. Um eine hohe Reißfestigkeit zu erhalten,
muss des Weiteren der Feinstoffanteil hoch sein.
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Die
Anforderungen an die Reißfestigkeit widersprechen so den
Anforderungen an das Wasseraufnahmevermögen, die Saugfähigkeit
und die Entwässerbarkeit.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es daher die Herstellung von Tissuepapier
mit hohem spezifischem Volumen, möglichst hoher Reißlänge
bei möglichst geringem Mahlgrad zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wurde
die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Stoffsuspension lignocellulosischen Faserstoff
aus Holz oder Einjahrespflanzen enthält, der eine Reißlänge
von mehr als 6,0 km bei 12°SR oder eine Reißlänge
von mehr als 7,5 km bei 15°SR und einen Ligningehalt von
mindestens 15% bezogen auf den otro Faserstoff für Nadelholz
im ungebleichten Zustand oder eine Reißlänge von
mehr als 4,5 km bei 20°SR und einen Ligningehalt von mindestens
12% bezogen auf den otro Faserstoff für Laubholz im ungebleichten Zustand
oder eine Reißlänge von mehr als 3,5 km bei 20°SR
und einen Ligningehalt von mindestens 10% bezogen auf den otro Faserstoff
für Einjahrespflanzen im ungebleichten Zustand aufweist.
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Die
Fasern zeigen bereits bei einem gegenüber bisher eingesetzten
Fasern weitaus geringerem Mahlgrad hohe Festigkeitswerte. Der erfindungsgemäße
Faserstoff ist bereits bei niedrigem Mahlgrad und damit auch geringerem
Aufwand an Mahlenergie in der Lage, eine gute Bindung an benachbarte
Fasern aufzubauen.
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Der
Ligningehalt des ungebleichten Faserstoffs kann bei Nadelholz mit
Vorteil mindestens 15%, vorzugsweise mindestens 18%, insbesondere
mindestens 21% des otro Faserstoffs, bei Laubholz mindestens 12%,
vorzugsweise mindestens 14%, insbesondere mindestens 16% des otro
Faserstoffs und bei Einjahrespflanzen mindestens 10%, vorzugsweise
mindestens 12% und insbesondere mindestens 19% des otro Faserstoffs
betragen.
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Je
höher der Ligningehalt des Faserstoffs desto geringer sind
die Verluste an Holzsubstanz beim Herstellen des Faserstoffs.
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Dabei
lassen sich durchaus auch höhere Festigkeitswerte erreichen.
Daher sollte die Reißlänge für Nadelholz-Fasermasse
bei 12°SR größer als 7 km, vorzugsweise
größer als 7,5 km und insbesondere größer als
8 km sein. Die Reißlänge für Nadelholz-Fasermasse
bei 15°SR sollte größer als 9 km, vorzugsweise
größer als 9,5 km und insbesondere größer
als 10 km sein.
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Die
Reißlänge für Laubholz-Fasermasse sollte
bei einem Ligningehalt von zumindest 12% und einem Mahlgrad von
20°SR größer als 6 km, vorzugsweise größer
als 7 km und insbesondere größer als 7,5 km sein.
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Die
Reißlänge für Einjahrespflanzen-Fasermasse
sollte bei 20°SR größer als 3,5 km, vorzugsweise größer
als 4 km und insbesondere größer als 4,5 km sein.
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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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Wird
der erfindungsgemäße Faserstoff einer Bleichbehandlung
unterzogen, so verbessern sich die Fasereigenschaften 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. Mit der Bleichbehandlung steigen die Reißlängen.
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So
sollte die Stoffsuspension lignocellulosischen Faserstoff aus Holz
oder Einjahrespflanzen enthalten, der eine Reißlänge
von mehr als 7,5 km bei 15°SR und einen Ligningehalt von
mindestens 13% bezogen auf den otro Faserstoff für Nadelholz
im gebleichten Zustand oder eine Reißlänge von
mehr als 5,0 km bei 20°SR und einen Ligningehalt von mindestens
10% bezogen auf den otro Faserstoff für Laubholz im gebleichten
Zustand oder eine Reißlänge von mehr als 5,5 km
bei 20°SR und einen Ligningehalt von mindestens 10% bezogen
aus den otro Faserstoff für Einjahrespflanzen im gebleichten
Zustand aufweisen.
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Auch
hier sind höhere Reißlängen von Vorteil.
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So
sollte die Reißlänge für Nadelholz-Fasermasse
bei 15°SR größer als 9 km, vorzugsweise
größer als 10 km sein.
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Die
Reißlänge für Laubholz-Fasermasse sollte
bei 20°SR größer als 5,5 und die Reißlänge
für Einjahrespflanzen-Fasermasse sollte bei 25°SR
größer als 5 km, vorzugsweise größer
als 5,5 km und insbesondere größer als 6 km sein.
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Um
die Vorteile hinsichtlich eines hohen spezifischen Volumens und
einer hohen Festigkeit bei möglichst geringem Mahlgrad
optimal nutzen zu können, sollte die Stoffsuspension ausschließlich
lignocellulosischen Faserstoff gemäß obiger Beschreibung
enthalten.
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Für
viele Anwendungen ist es aber ausreichend, wenn die Stoffsuspension
nur zum Teil von derartigem lignocellulosischem Faserstoff gebildet
wird. Dabei ist es von Vorteil, wenn zwischen 20 und 80%, vorzugsweise
zwischen 30 und 50% des Faserstoffs der Stoffsuspension von lignocellulosischem
Faserstoff gemäß obiger Beschreibung gebildet
werden.
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Nach
der Bildung einer Tissuebahn wird diese vorzugsweise in einem Entwässerungsschritt
zwischen einem oberen, strukturierten und permeablen Band und zwischen
einem unteren permeablen Band geführt, wobei entlang einer Entwässerungsstrecke
Druck auf das obere Band, die Tissuebahn und das untere Band ausgeübt
wird.
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Der
dabei auf die Anordnung aus oberem Band, Tissuebahn und unterem
Band ausgeübte Druck kann durch eine Gasströmung
und/oder durch eine mechanische Presskraft bewirkt werden.
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Vorzugsweise
wird bei einem Entwässerungsschritt zuerst das obere Band,
dann die Tissuebahn und anschließend das untere Band von
einem Gas durchströmt. Die Entwässerung findet
hierbei in Richtung des unteren Bandes statt.
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Zusätzlich
oder alternativ zur Gasdurchströmung kann es vorteilhaft
sein, wenn bei dem Entwässerungsschritt die Anordnung aus
oberem Band, Tissuebahn und unterem Band zumindest abschnittsweise
zwischen einem unter Spannung stehenden Pressband und einer glatten
Oberfläche geführt wird, wobei das Pressband auf
das obere Band einwirkt und sich das untere Band auf der glatten
Oberfläche abstützt.
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Vorzugsweise
wird die Anordnung aus oberem Band, Tissuebahn und unterem Band
zumindest abschnittsweise im Bereich der Entwässerungsstrecke
von dem Gasstrom durchströmt, so dass die Entwässerung
gleichzeitig durch die Presskraft des Pressbandes und die Durchströmung
des Gases erfolgt.
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Versuche
haben gezeigt, dass der Gasstrom durch die Tissuebahn ca. 150 m3 pro Minute und Meter Länge entlang
der Entwässerungsstrecke betragen sollte.
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Im
Interesse einer ausreichenden Entwässerung der Tissuebahn
sollte das Pressband unter einer Spannung von zumindest 30 kN/m,
vorzugsweise wenigstens 60 kN/m und insbesondere 80 kN/m stehen.
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Um
sowohl eine gute Entwässerung der Tissuebahn durch die
mechanische Spannung des Pressbandes als auch auf Grund des Gasstromes
durch das Pressband erzielen zu können, sollte das Pressband
eine offene Fläche von mehr als 50% und eine Kontaktfläche
von zumindest 15% haben.
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Die
glatte Oberfläche wird vorzugsweise durch die Mantelfläche
einer Walze gebildet. Die Erzeugung der Gasströmung kann
mit Vorteil über eine Saugzone in der Walze und/oder über
eine oberhalb des oberen Bandes angeordnete Überdruckhaube
erfolgen.
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Bei
der Herstellung der erfindungsgemäßen, lignocellulosischem
Faserstoff enthaltenden Stoffsuspension ist wesentlich, dass zumindest
ein Suspensionsanteil aus Holz oder Einjahrespflanzen mit einem
Ligningehalt von mindestens 15% für Nadelholz und 12% für
Laubholz sowie 10% für Einjahrespflanzen, jeweils bezogen
auf die otro Fasermasse mit den folgenden Schritten hergestellt
wird:
- – Herstellen einer Chemikalienlösung
mit mehr als 5% Chemikalien (berechnet als NaOH) für Nadelholz oder
mit mehr als 3,5% Chemikalien (berechnet als NaOH) für
Laubholz oder mit mehr als 2,5% Chemikalien (berechnet als NaOH),
jeweils bezogen auf die otro Menge des eingesetzten Holzes,
- – Mischen der Chemikalienlösung mit dem Holz
bzw. Einjahrespflanzen in einem vorgegebenen Flottenverhältnis,
- – Erwärmen der Chemikalienlösung
und des Holzes bzw. Einjahrespflanzen auf eine Temperatur über Raumtemperatur
und anschließend entweder (1. Alternative)
- – Entfernen frei fließender Chemikalienlösung
und
- – Aufschließen des Holzes bzw. Einjahrespflanzen
in der Dampfphase oder (2. Alternative)
- – Aufschließen des Holzes bzw. Einjahrespflanzen
in Gegenwart der Chemikalienlösung in flüssiger
Phase und
- – Separieren der frei fließenden Chemikalienlösung
und des Holzes bzw. der Einjahrespflanzen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, dass
zur Herstellung von Hochausbeute-Faserstoffen höhere Chemikalienmengen
eingesetzt werden als bisher üblich. Mehr als 5% Chemikalien
für Nadelholz liegen deutlich über den bisher üblichen
Chemikalienmengen für die technische Faserstoff-Erzeugung,
ebenfalls mehr als 3,5% Chemikalien für Laubholz und 2,5%
für Einjahrespflanzen. Dieser hohe Chemikalieneinsatz erbringt
Faserstoffe mit guter Ausbeute und exzellenten Festigkeitseigenschaften.
So werden für Nadelholz bei Mahlgraden von nur 12°SR
bis 15°SR Reißlängen von mehr als 8 km,
aber auch Reißlängen von mehr als 9 km und mehr
als 10 km gemessen. Für Laubhölzer werden bei
nur 20°SR Werte von mehr als 5 km, aber auch Reißlängen
von mehr als 6 km und mehr als 7 km gemessen. Damit wird das gewünschte
hohe Festigkeitsniveau erreicht.
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Es
ist als außerordentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen
Verfahrens anzusehen, dass diese Festigkeitswerte bereits bei äußerst
geringen Mahlgraden erreicht werden, wie sie bisher für
Hochausbeute-Faserstoffe nicht verfügbar waren. Faserstoffe
nach dem Stand der Technik zeigen bei Mahlgraden von 12°SR bis
15°SR für Nadelholz-Faserstoffe oder von 20°SR
für Laubholz ein nicht akzeptables Festigkeitsniveau. Bekannte
Faserstoffe haben bei diesen niedrigen Mahlgraden bisher Fasern
ergeben, die kein ausreichendes Bindungsvermögen aufgewiesen
haben und die entsprechend keine ausreichenden Festigkeitseigenschaften für
eine wirtschaftliche Verwendung solcher Faserstoffe geboten haben.
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Als
Einjahrespflanzen eignen sich insbesondere Bambus, Hanf, Reisstroh,
Bagasse, Weizen, Miscanthus o. ä.
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Die
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Faserstoffe weisen dagegen bereits bei Mahlgraden im Bereich von
12°SR bis 15°SR Reißlängen von
mehr als 8 km bis zu 11 km und Durchreißfestigkeiten von
mehr als 70 cN bis zu mehr als 110 cN auf, bezogen auf ein Blattgewicht
von 100 g/m2. Diese geringen Mahlgrade werden überdies
mit einem niedrigen spezifischen Bedarf an Mahlenergie erreicht,
der für Nadelholz-Faserstoffe bei weniger als 500 kWh/t
Faserstoff liegt, bei Laubholz-Faserstoffen kann der Bedarf an Mahlenergie
sogar weniger als 300 kWh/t Faserstoff betragen. Die Erkenntnis,
dass das hohe Festigkeitsniveau bereits bei niedrigen Mahlgraden
von 12°SR bis 15°SR für Nadelholz und
bei 20°SR für Laubholz und darunter erreicht wird,
ist wesentlicher Teil der Erfindung.
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Diese
hohen Festigkeitswerte in Kombination mit niedrigen Mahlgraden sind
für Faserstoffe mit einem Ligningehalt von mehr als 15%
für Nadelholz-Faserstoffe, von mehr als 12% für
Laubholz-Faserstoffe oder von mehr als 10% für Einjahrespflanzen
bisher nicht bekannt. Das hohe Festigkeitsniveau kann aber auch
für Faserstoffe mit einem noch höheren Ligningehalt
beibehalten werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist auch geeignet zur Herstellung von Nadelholz-Faserstoffen mit
einem Ligningehalt von mehr als 18%, bevorzugt mehr als 21%, vorteilhaft
von mehr als 24% bezogen auf die otro Fasermasse. Laubholz-Faserstoffe
mit einem Ligningehalt von mehr als 14%, bevorzugt mehr als 16%,
besonders bevorzugt mehr als 18% sowie Einjahrespflanzen mit einem
Ligningehalt von mehr als 10%, bevorzugt mehr als 12%, insbesondere
mehr als 19% können ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellt werden und zeigen ein hohes Festigkeitsniveau.
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Die
Zusammensetzung der zum Aufschluss verwendeten Chemikalienlösung
kann in Abstimmung auf das aufzuschließende Holz bzw. die
Einjahrespflanzen und die gewünschten Faserstoff-Eigenschaften
festgelegt werden. In der Regel wird allein eine Sulfit-Komponente
eingesetzt. Alternativ oder in Ergänzung kann eine Sulfid-Komponente
hinzu kommen. Ein Aufschluss mit einer Sulfit-Komponente wird durch
die Gegenwart von Sulfid-Komponenten nicht gestört. Technisch
wird meist Natriumsulfit eingesetzt, aber auch die Verwendung von
Ammonium- oder Kaliumsulfit oder von Magnesiumbisulfit ist möglich.
Insbesondere wenn hohe Mengen an Sulfit eingesetzt werden, kann
auf den Einsatz einer alkalischen Komponente verzichtet werden,
weil sich auch ohne Zugabe alkalischer Komponenten ein hoher pH-Wert
einstellt, der den Aufschluss begünstigt.
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Zur
Einstellung des pH-Werts und zur Unterstützung der Delignifizierung
kann eine saure und/oder eine alkalische Komponente zudosiert werden.
Als alkalische Komponente wird technisch meist Natriumhydroxid (NaOH)
eingesetzt. Möglich ist aber auch der Einsatz von Carbonaten,
insbesondere Natriumcarbonat. Sämtliche Angaben zu Chemikalien-Mengen
des Aufschlussverfahrens in diesem Dokument, z. B. zum Gesamt-Chemikalieneinsatz
oder zur Aufteilung der Sulfit-Komponente und der alkalischen Komponente,
sind, soweit nicht anders angegeben, jeweils berechnet und angegeben
als Natriumhydroxid (NaOH).
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Als
saure Komponente können Säuren zudosiert werden,
um den gewünschten pH-Wert einzustellen. Bevorzugt wird
aber der Zusatz von SO2, ggf. in wässriger
Lösung. Es ist preiswert und gut verfügbar, insbesondere
dann, wenn die verbrauchte Chemikalienlösung z. B. auf
der Basis von Natriumsulfit, nach dem Aufschluss für eine
Weiterverwendung aufbereitet wird.
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Es
wird als eigenständige erfinderische Leistung angesehen,
die Vorteile der Verwendung einer Chinon-Komponente für
den erfindungsgemäßen Hochausbeute-Aufschluss
erkannt zu haben. Chinon-Komponenten, insbesondere Anthrachinon,
werden bisher bei der Herstellung von Zellstoffen mit minimalem
Ligningehalt eingesetzt, um gegen Ende des Aufschlusses einen unerwünschten
Angriff auf die Kohlenhydrate zu verhindern. Durch Zusatz von Chinon-Komponenten
wird es möglich, den Aufschluss von Holz weiter bis zum annähernd
vollständigen Abbau des Lignins fortzuführen.
Es hat sich als bisher nicht gekannte, unerwartete Eigenschaft von
Chinon-Komponenten herausgestellt, dass diese die Geschwindigkeit
des Ligninabbaus bei der Herstellung von Hochausbeute-Zellstoffen
signifikant erhöhen. Die Dauer des Aufschlusses kann z.
B. bei der Herstellung von Nadelholz-Faserstoffen um mehr als die
Hälfte, je nach Aufschlussbedingungen um mehr als drei
Viertel verkürzt werden. Diese bemerkenswerte Wirkung wird
mit minimalem Einsatz von Chinon erreicht. Optimal ist ein Einsatz
von z. B. Anthrachinon, der zwischen 0,005% und 0,5% beträgt.
Ein Einsatz von Anthrachinon von bis zu 1% erbringt auch die gewünschte
Wirkung. Ein Einsatz von mehr als 3% Anthrachinon ist meist unwirtschaftlich.
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Aus
einzelnen oder mehreren der vorgenannten Chemikalien wird eine Chemikalienlösung
hergestellt. Meist wird eine wässrige Lösung angesetzt.
Als Option kann auch der Einsatz oder der Zusatz von organischen Lösungsmitteln
vorgesehen werden. Alkohol, insbesondere Methanol und Ethanol, ergeben
in Mischung mit Wasser besonders wirkungsvolle Chemikalienlösungen
für die Herstellung von qualitativ hochwertigen Hochausbeute-Faserstoffen.
Das Mischungsverhältnis von Wasser und Alkohol kann für
den jeweiligen Rohstoff in wenigen Versuchen optimiert werden.
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Die
zur Herstellung eines Faserstoffs mit einer Ausbeute von mindestens
70% erfindungsgemäß einzusetzende Chemikalienmenge
beträgt mindestens 5% für Nadelholz, mindestens
3,5% für Laubholz und mindestens 2,5% für Einjahrespflanzen,
jeweils bezogen auf die aufzuschließende otro Holz- bzw.
Einjahrespflanzenmasse. Die Qualität des hergestellten
Faserstoffs zeigt die besten Ergebnisse bei einem Chemikalieneinsatz
von bis zu 15% für Nadelholz bis zu 10% für Laubholz
und bis zu 10% bei Einjahrespflanzen. Bevorzugt werden zwischen
9% und 11% Chemikalien bezogen auf das eingesetzte otro Holz bei
Nadelholz, zugesetzt. Für Laubhölzer liegt der
Einsatz an Chemikalien eher niedriger, bevorzugt zwischen 4% und
10%, besonders bevorzugt zwischen 6% und 9% und bei Einjahrespflanzen
zwischen 3 und 10%.
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Wie
bereits vorstehend erläutert, ist das Einstellen eines
spezifischen pH-Werts keineswegs erforderlich. Nur wenn z. B. besondere
Eigenschaften der Zellstoffe (besonders hoher Weißgrad,
ein bestimmtes Verhältnis von Reißlängen
und Durchreißfestigkeit) mit dem Aufschluss erreicht werden
sollen, kann es sinnvoll sein, Säure oder eine alkalische
Komponente vor oder während des Aufschlusses zuzusetzen.
Nach einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann, unabhängig von dem gewählten
Einsatz an Chemikalien insgesamt, ein Verhältnis zwischen
einer alkalischen Komponente und Schwefeldioxid (SO2)
in einem weiten Bereich eingestellt werden. SO2 wird
hier stellvertretend für die oben erwähnte saure
Komponente genannt. Es kann also statt SO2 auch
eine Säure eingesetzt werden. Da die ggf. zugesetzte Chinon-Komponente
nur in minimalen Mengen, meist von deutlich unter 1% eingesetzt
wird, ist sie für die Einstellung dieses Verhältnisses
vernachlässigbar. Ein Verhältnis alkalische Komponente:
SO2 in einem Bereich von 5:1 bis 1,6:1 ist
gut geeignet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen
und Faserstoffe mit hohen Festigkeitseigenschaften zu erreichen.
Ein üblicher, besonders geeigneter Bereich ist liegt zwischen
2:1 und 1,6:1. Die Anpassung der anteiligen Komponenten erfolgt
in Abhängigkeit vom aufzuschließenden Rohstoff
und der jeweils gewählten Verfahrensführung (Aufschlusstemperatur,
Aufschlussdauer, Imprägnierung).
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann in einem weiten
pH-Wert-Bereich durchgeführt werden. Das Verhältnis
von alkalischer Komponente zu saurer Komponente bzw. der Einsatz
einer sauren oder einer alkalischen Komponente kann so eingestellt
sein, dass zu Beginn des Verfahrens ein pH-Wert zwischen 6 und 11, bevorzugt
zwischen 7 und 11, besonders bevorzugt zwischen 7,5 und 10 eingestellt
wird. Die eher alkalischen pH-Werte zwischen 8 und 11, die für
das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft sind,
begünstigen auch die Wirkung der Chinon-Komponente. Das
erfindungsgemäße Verfahren ist hinsichtlich des
pH-Werts tolerant; es sind wenig Chemikalien zur pH-Wert Einstellung
erforderlich. Dies wirkt sich günstig auf die Kosten für
Chemikalien aus.
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Ohne
weiteren Zusatz von Säure oder alkalischer Komponente stellt
sich, z. B. für Nadelholz, am Ende des Aufschlusses ein
pH-Wert zwischen 5 und 9, meist zwischen 6,5 und 9 in der frei fließenden
Chemikalienlösung sowie den darin gelösten organischen
Bestandteilen, die durch den Aufschluss verflüssigt wurden,
ein. Zu den gelösten organischen Bestandteilen zählen
vor allem Lignosulfonate.
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Das
Flottenverhältnis, also das Verhältnis der Menge
des otro Holzes bzw. Einjahrespflanzen zur Chemikalienlösung,
wird zwischen 1:1,5 und 1:6 eingestellt. Bevorzugt wird ein Flottenverhältnis
von 1:2 bis 1:4. In diesem Bereich ist eine gute und einfache Mischung
und Imprägnierung des aufzuschließenden Materials gewährleistet.
Für Nadelholz wird ein Flottenverhältnis von 1:3,5
bevorzugt. Für Holz-Hackschnitzel mit großer Oberfläche
kann das Flottenverhältnis auch deutlich höher
liegen, um eine schnelle Benetzung und Imprägnierung zu
ermöglichen.
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Gleichzeitig
kann die Konzentration der Chemikalienlösung so hoch gehalten
werden, dass die umzuwälzenden Flüssigkeitsmengen
nicht zu groß werden.
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Die
Mischung oder Imprägnierung der Holz- bzw. Einjahresaufschlussgut
erfolgt vorzugsweise bei erhöhten Temperaturen. Ein Erhitzen
der Hackschnitzel und der Chemikalienlösung auf bis zu
110°C, bevorzugt auf bis zu 120°C, besonders bevorzugt
auf bis zu 130°C führt zu einem schnellen und
gleichmäßigen Aufschluss des Holzes. Für
das Mischen oder Imprägnieren der Hackschnitzel ist ein
Zeitraum von bis zu 30 Minuten, bevorzugt von bis zu 60 Minuten,
besonders bevorzugt von bis zu 90 Minuten vorteilhaft. Die jeweils optimale
Zeitdauer hängt unter anderem von der Menge der Chemikalien,
dem Flottenverhältnis, der gewählten Temperatur
sowie der Art des Aufschlusses (flüssig oder Dampfphase)
ab.
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Der
Aufschluss des mit der Chemikalienlösung gemischten oder
imprägnierten lignocellulosischen Materials erfolgt bevorzugt
bei Temperaturen zwischen 120°C und 190°C, vorzugsweise
zwischen 140°C und 180°C. Für die meisten
Hölzer werden Aufschluss-Temperaturen zwischen 150°C
und 170°C eingestellt. Höhere oder niedrigere
Temperaturen können eingestellt werden, aber in diesem
Temperaturbereich stehen der Energieaufwand für das Aufheizen
und die Beschleunigung des Aufschlusses in einem wirtschaftlichen
Verhältnis zueinander. Höhere Temperaturen können
sich zudem negativ auf die Festigkeiten und den Weißgrad der
Faserstoffe auswirken. Der durch die hohen Temperaturen erzeugte
Druck kann durch entsprechende Auslegung des Kochers ohne weiteres
aufgefangen werden. Üblicherweise beträgt die
Dauer des Aufheizens nur wenige Minuten, meist bis zu 30 Minuten,
vorteilhaft bis zu 10 Minuten, insbesondere, wenn mittels Dampf
aufgeheizt wird. Die Dauer des Aufheizens kann bis zu 120 Minuten,
bevorzugt bis zu 60 Minuten dauern, z. B. wenn in flüssiger
Phase aufgeschlossen wird und die Chemikalienlösung zusammen
mit den Hackschnitzeln zu erhitzen ist.
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Die
Dauer des Aufschlusses wird vor allem in Abhängigkeit von
den gewünschten Faserstoff-Eigenschaften gewählt.
Die Dauer des Aufschlusses kann auf bis zu 2 Minuten verkürzt
werden, z. B. für den Fall eines Dampfphasen-Aufschlusses
eines Laubholzes mit geringem Ligningehalt. Sie kann aber auch bis
zu 180 Minuten betragen, wenn z. B. die Aufschlusstemperatur gering
und der natürliche Ligningehalt des aufzuschließenden
Holzes hoch ist. Auch wenn der Anfangs-pH-Wert des Aufschlusses
im neutralen Bereich liegt, kann eine lange Aufschlussdauer erforderlich
sein. Bevorzugt beträgt die Aufschlussdauer bis zu 90 Minuten,
insbesondere bei Nadelholz. Besonders bevorzugt beträgt
die Aufschlussdauer bis zu 60 Minuten, vorteilhaft bis zu 30 Minuten.
Eine Aufschlussdauer von bis zu 60 Minuten kommt vor allem bei Laubhölzern
in Betracht.
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Bei
Einjahrespflanzen liegt die Aufschlussdauer bei bis zu 90 Minuten.
Der Einsatz einer Chinon-Komponente, insbesondere Anthrachinon,
ermöglicht eine Verringerung der Aufschlussdauer auf bis
zu 25% des Zeitbedarfs ohne Zusatz von Anthrachinon. Wird auf den
Einsatz von Chinon-Komponenten verzichtet, verlängert sich
für vergleichbare Aufschlussresultate die Aufschlussdauer
um mehr als eine Stunde, zum Beispiel von 45 Minuten auf 180 Minuten.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die Dauer des Aufschlusses in Abhängigkeit
von dem gewählten Flottenverhältnis eingestellt.
Je geringer das Flottenverhältnis ist, desto kürzer
kann die Verfahrensdauer eingestellt sein.
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Die
Herstellung von Hochausbeute-Faserstoff mit hohem Chemikalieneinsatz
von mehr als 5% für Nadelholz, von mehr als 3,5% für
Laubholz und mindestens 2,5% für Einjahrespflanzen erscheint
zunächst unwirtschaftlich. Versuche haben aber ergeben,
dass nur ein Teil der Chemikalien während des teilweisen
Aufschlusses des lignocellulosischen Materials verbraucht wird.
Der überwiegende Teil der Chemikalien wird unverbraucht
ausgeschleust, entweder vor dem Aufschluss (Dampfphasen-Aufschluss)
oder nach dem Aufschluss (Aufschluss in der flüssigen Phase).
Der eigentliche Verbrauch an Chemikalien liegt unter den in der Aufschluss-Lösung
eingesetzten Mengen.
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Der
Chemikalienverbrauch wird erfasst als die Menge an Chemikalien die – bezogen
auf die ursprünglich eingesetzte Menge an Chemikalien – nach
dem Entfernen oder Separieren der Chemikalienlösung sowie ggf.
dem Erfassen von Chemikalienlösung, die nach dem Zerfasern
oder in Verbindung mit einer Erfassung der Chemikalienlösung
gemessen wird. Der Chemikalienverbrauch ist abhängig von
der absoluten Menge der für den Aufschluss eingesetzten
Chemikalien, bezogen auf die aufzuschließende otro Holzmasse.
Je höher der Einsatz von Aufschlusschemikalien ist, um
so geringer ist der direkte Umsatz an Chemikalien. Bei einem Einsatz
von 27,5% Chemikalien bezogen auf otro Holzmasse, werden beispielsweise
nur ca. 30% der eingesetzten Chemikalien verbraucht. Bei Einsatz
von 15% Chemikalien bezogen auf otro Holz werden jedoch 60% der
eingesetzten Chemikalien verbraucht, wie in Laborversuchen nachgewiesen
werden konnte. Der Chemikalienverbrauch für das erfindungsgemäße
Verfahren beträgt nach einer bevorzugten Ausführung
des Verfahrens während des Aufschlusses bis zu 80%, bevorzugt
bis zu 60%, besonders bevorzugt bis zu 40%, vorteilhaft bis zu 20%,
besonders vorteilhaft bis zu 10% des Chemikalieneinsatzes, der zu
Beginn des Aufschlusses eingesetzt wird.
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Der
Chemikalienverbrauch zum Herstellen einer Tonne Faserstoff liegt
bei ca. 6% bis 14% Sulfit- und/oder Sulfid-Komponente sowie ggf.
alkalischer und/oder sauerer Komponente sowie ggf. Chinon-Komponente
bezogen auf otro Faserstoff (Laub- und Nadelholz bzw. Einjahrespflanzen).
Erfindungsgemäß genügt diese Menge Chemikalien,
um einen Faserstoff mit den vorgegebenen Eigenschaften herzustellen.
Um jedoch ein gleichmäßiges Verfahrensergebnis
zu gewährleisten und ggf. besondere, gewünschte
Faserstoff-Eigenschaften zu erhalten, kann es sich als sinnvoll
erweisen, höhere Chemikalienmengen für den Aufschluss
einzusetzen, z. B. die vorstehend genannten bis zu 30% Chemikalien
bezogen auf otro Holz- bzw. Einjahrespflanzenmasse.
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Der
Einsatz dieser Chemikalienmengen zu Beginn des Aufschlusses zeigt
vorteilhafte Wirkung, da die auf diese Weise erhaltenen Faserstoffe
bisher nicht verfügbare Eigenschaften, insbesondere hohe
Festigkeitseigenschaften und hohe Weißgrade aufweisen.
Insbesondere ist bisher kein Aufschlussverfahren verfügbar, dass über
ein breites pH-Wert-Spektrum vom neutralen bis zum alkalischen Bereich
Faserstoffe mit hohen Festigkeiten erzeugt. Als wirtschaftlich besonders
attraktiv hat sich herausgestellt, dass die erfindungsgemäß hergestellten
Faserstoffe mit weitaus geringerem Energiebedarf auf vorgegebene
Mahlgrade zu mahlen sind als bekannte Faserstoffe. Zudem entwickeln
sie die hohen Festigkeiten bereits bei ungewöhnlich niedrigen Mahlgraden
von 12°SR bis 15°SR für Nadelholz und
von 20°SR für Laubholz.
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Ein Überschuss
an Chemikalien befindet sich nach dem Mischen und Imprägnieren
des Holzes mit der Chemikalienlösung bzw. nach dem Aufschluss
in der frei fließenden Flüssigkeit. Dieser Überschuss
wird vor dem Aufschluss (1. Alternative) oder nach dem Aufschluss
(2. Alternative) abgezogen. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung
des Verfahrens wird die Zusammensetzung der entfernten Chemikalienlösung
erfasst und anschließend für den erneuten Einsatz
zur Herstellung von Fasern auf eine vorgegebene Zusammensetzung
eingestellt. Die Chemikalienlösung, die vor oder nach dem
Aufschluss des Holzes bzw. der Einjahrespflanzen entfernt wird,
weist nicht mehr die ausgangs eingestellte Zusammensetzung auf.
Mindestens ein Teil der zum Aufschluss eingesetzten Chemikalien
ist – wie vorstehend beschrieben – in das aufzuschließende
Material eingedrungen und/oder ist beim Aufschluss verbraucht worden.
Die unverbrauchten Chemikalien können ohne weiteres wieder
für den nächsten Aufschluss eingesetzt werden.
Es wird jedoch erfindungsgemäß vorgeschlagen, die
Zusammensetzung der entfernten Chemikalienlösung zunächst
zu bestimmen und dann die verbrauchten Anteile an z. B. Sulfit,
alkalischer Komponente, Chinon-Komponente oder auch Wasser bzw.
Alkohol zu ergänzen, um wieder die vorgegebene Zusammensetzung
für den nächsten Aufschluss herzustellen. Dieser
Ergänzungsschritt wird auch als Hufstärken bezeichnet.
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Es
ist als erheblicher Vorteil dieser Maßnahme anzusehen,
dass die Chemikalienlösung erst recht bei einem Entfernen
vor dem Aufschluss, aber auch bei einem Entfernen nach dem Aufschluss
gar keine oder nur sehr wenige Substanzen enthält, die
sich bei einer erneuten Verwendung der aufgestärkten Chemikalienlösung für
den nächsten Aufschluss als störend erweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren, dass darauf abstellt,
bei der Imprägnierung ein Überangebot an Aufschluss-Chemikalien
zur Verfügung zu stellen, kann also trotz der zunächst
unwirtschaftlich erscheinenden Vorgehensweise des hohen Chemikalieneinsatzes äußerst wirtschaftlich
arbeiten, denn das Entfernen bzw. das Separieren und das Hufstärken
der Chemikalienlösung kann einfach und kostengünstig
durchgeführt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren wird gezielt so gesteuert,
dass nur möglichst wenig des eingesetzten Ausgangsmaterials
abgebaut oder gelöst wird. Angestrebt wird es, einen Faserstoff
herzustellen, der für Nadelholz einen Ligningehalt von
mindestens 15% bezogen auf die otro Fasermasse aufweist, bevorzugt
einen Ligningehalt von mindestens 18%, besonders bevorzugt von 21%,
vorteilhaft von mindestens 24%. Für Laubholz wird angestrebt,
einen Ligningehalt von mindestens 12% bezogen auf die otro Fasermasse
zu erreichen, bevorzugt von mindestens 14%, besonders bevorzugt
von mindestens 16%, vorteilhaft von mindestens 18%. Bei Einjahrespflanzen
beträgt der bevorzugte Ligningehalt zwischen 10 und 28%,
insbesondere zwischen 12 und 26%.
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Die
Ausbeute des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt
bei mindestens 70%, bevorzugt bei mehr als 75%, vorteilhaft bei
mehr als 80%, jeweils bezogen auf das eingesetzte Holz. Diese Ausbeute
korreliert mit dem vorstehend angegeben Ligningehalt des Faserstoffs.
Der ursprüngliche Ligningehalt von Holz ist spezifisch
für die Art. Der Ausbeuteverlust stellt sich bei dem vorliegenden
Verfahren überwiegend als Verlust an Lignin dar. Bei unspezifischen
Aufschlussverfahren ist der Anteil an Kohlenhydraten deutlich erhöht,
z. B. weil Aufschluss-Chemikalien in an sich unerwünschter
Weise auch Cellulose oder Hemicellulosen in Lösung bringen.
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Eine
weitere, vorteilhafte Maßnahme ist es, nach dem Zerfasern
und ggf. Mahlen des lignocellulosischen Materials die noch verbliebene
Chemikalienlösung zu entfernen und einer Weiterverwendung
zuzuführen. Diese Weiterverwendung kann in bevorzugter
Ausgestaltung zwei Aspekte umfassen. Zum einen wird das während
des teilweisen Aufschlusses abgebaute oder in Lösung gebrachte
organische Material, überwiegend Lignin, weiter genutzt.
Es wird beispielsweise verbrannt um Prozessenergie zu gewinnen.
Oder es wird aufbereitet, um anderweitig genutzt zu werden. Zum
anderen werden die verbrauchten und unverbrauchten Chemikalien wieder
so aufbereitet, dass sie für einen erneuten, teilweisen
Aufschluss von lignocellulosischem Material eingesetzt werden können.
Dazu gehört die Aufbereitung von verbrauchten Chemikalien.
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Nach
einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die eingesetzte Chemikalienlösung außerordentlich
effizient genutzt. Nach dem Zerfasern und ggf. Mahlen wird der Faserstoff gewaschen,
um die Chemikalienlösung so weit wie möglich durch
Wasser zu verdrängen. Das bei diesem Wasch- bzw. Verdrängungsvorgang
entstehende Filtrat enthält beträchtliche Mengen
an Chemikalienlösung und organischem Material. Erfindungsgemäß wird
dieses Filtrat der entfernten oder separierten Chemikalienlösung
zugeführt, bevor die Chemikalienlösung aufgestärkt
und dem nächsten Aufschluss zugeführt wird. Die im
Filtrat enthaltenen Chemikalien und organischen Bestandteile stören
den Aufschluss nicht. Soweit sie noch einen Beitrag zur Delignifizierung
während des nächsten Aufschlusses leisten, wird
ihr Gehalt in der Chemikalienlösung erfasst und bei der
Bestimmung der für diesen Aufschluss erforderlichen Chemikalienmenge
berücksichtigt. Die weiter in dem Filtrat enthaltenen Chemikalien
verhalten sich während des anstehenden Aufschlusses inert.
Sie stören nicht. Die im Filtrat enthaltenen organischen
Bestandteile verhalten sich ebenfalls inert. Sie werden nach dem
nächsten Aufschluss bei der Aufbereitung der Chemikalienlösung
weiter verwendet, entweder um Prozessenergie zu erzeugen oder auf
andere Weise.
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Es
wird als besonders vorteilhaft angesehen, dass durch diese Führung
des Filtrats weniger Frischwasser und weniger Chemikalien für
den Aufschluss verwendet werden. Gleichzeitig wird ein Maximum an
gelöstem organischem Material erfasst. Auch diese verbesserte
Nutzung des in Lösung gegangenen organischen Materials
verbessert die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Nachfolgend
soll die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher
erläutert werden. In der beigefügten Zeichnung
zeigt:
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1:
eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens und
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2:
eine zweite Vorrichtung.
-
Zuerst
werden jedoch die Details des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung der Stoffsuspension nachfolgend an Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Die
nachfolgenden Versuche wurden gemäß der folgenden
Vorschriften ausgewertet:
- – Die Ausbeute
wurde durch Wägung des eingesetzten Rohstoffs und des nach
dem Aufschluss erhaltenen Zellstoffs, jeweils bei 105°C
auf Gewichtskonstanz (atro) getrocknet, berechnet.
- – Der Ligningehalt wurde als Klason-Lignin bestimmt
gemäß TAPPT T 222 om-98. Das säurelösliche
Lignin wurde bestimmt gemäß TAPPT UM 250
- – Die papiertechnologischen Eigenschaften wurden an
Prüfblättern bestimmt, die nach Zellcheming-Merkblatt
V/8/76 hergestellt wurden.
- – Der Mahlgrad wurde nach Zellcheming-Merkblatt V/3/62
erfaßt.
- – Das Raumgewicht wurde nach Zellcheming-Vorschrift
V/11/57 ermittelt.
- – Die Reißlänge wurde nach Zellcheming-Vorschrift
V/12/57 bestimmt.
- – Die Durchreißfestigkeit wurde nach DIN
53 128 Elmendorf ermittelt.
- – Die Ermittlung von Tensile-, Tear- und Burst-Index
erfolgte gemäß TAPPT 220 sp-96.
- – 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 × Photometer;
die Weiße ist in Prozent nach der ISO-Norm 2470 angegeben.
- – Die Viskosität wurde bestimmt nach dem Merkblatt
IV/36/61 des Vereins der Zellstoff- und Papier-Chemiker und -Ingenieure
(Zellcheming).
- – Sämtliche %-Angaben in diesem Dokument sind
als Gewichtsprozent zu lesen, soweit nicht im einzelnen anders angegeben.
- – Die Angabe "otro" in diesem Dokument bezieht sich
auf "ofentrockenes" Material, das bei 105°C bis zur Gewichtskonstanz
getrocknet wurde.
- – Die Chemikalien für den Aufschluss sind
in Gewichtsprozent als Natriumhydroxid angegeben, soweit nicht anders
erläutert.
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Beispiel 1 – Nadelholzaufschluss
in flüssiger Phase
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Ein
Gemisch aus Fichtenholz- und Douglasienhackschnitzeln wurde nach
einer Dämpfung (30 Minuten bei Sattdampf mit 105°C)
mit einer Natriumsulfit-Aufschlusslösung bei einem Flottenverhältnis
von Holz:Aufschlusslösung 1:3 versetzt. Der gesamte Einsatz
an Chemikalien lag unter 15% bezogen auf otro Hackschnitzel. Der
pH-Wert zu Beginn des Aufschlusses wurde durch Zugabe von SO2 auf pH 8,5–9 eingestellt.
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Die
mit Chemikalienlösung imprägnierten Fichtenholz-Hackschnitzel
wurden über einen Zeitraum von 90 Minuten auf 170°C
aufgeheizt und über 60 Minuten bei dieser maximalen Temperatur
aufgeschlossen.
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Anschließend
wurde die frei fließende Flüssigkeit durch Zentrifugieren
entfernt, aufgefangen und in einer Anordnung zum Rückführen
unverbrauchter Flüssigkeit analysiert und aufgestärkt
und so für den nächsten Aufschluss bereitgestellt.
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Die
aufgeschlossenen Hackschnitzel wurden zerfasert. Teilmengen des
so erzeugten Faserstoffs wurden verschieden lang gemahlen, um die
Festigkeit bei verschiedenen Mahlgraden zu ermitteln. Der Energieaufwand
zum Zerfasern der teilweise aufgeschlossenen Hackschnitzel betrug
weniger als 300 kWh/t Faserstoff.
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Die
Ausbeute lag bei diesem Versuch bei 77% bezogen auf die eingesetzte
Holzmasse.
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Diese
entspricht einem Faserstoff mit einem Ligningehalt von weit über
20%. Der durchschnittliche 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 als 20%, da während
des Aufschlusses vorwiegend, aber nicht ausschließlich
Lignin abgebaut wird. Auch Kohlenhydrate (Cellulose und Hemicellulosen)
werden in geringen Mengen gelöst. Die angegebenen 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, in der Weißgrade von 75%
ISO erreichbar sind.
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Bei
einem Ausgangsmahlgrad von 12°SR haben diese Stoffe bereits
6 km Reißlänge bei einem spezifischen Gewicht
von 1,87 cm3/g.
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Um
die Faserstoffe 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.
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Beispiel 2
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Der
Faserstoff wurde aus Fichten-Hackschnitzeln hergestellt, wobei der
pH-Wert zu Beginn des Aufschlusses bei 9,4 lag.
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Zusätzlich
zu den 15% Gesamtchemikalien (Sulfit und NaOH in vorgegebenem Verhältnis)
wurde der Chemikalienlösung 0,1 Anthrachinon bezogen auf
die eingesetzte Holzmenge zugegeben.
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Die
Dauer des Aufschlusses betrug 60 Minuten.
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Dabei
ergaben sich folgende Werte:
| Ausbeute
(%): | 81,1 |
| Ligningehalt: | 22,7 |
| Weißgrad
(% ISO): | 53,7 |
| Reißlänge
(km): | 9,6 |
| Durchreißfestigkeit
(cN; 100 g/m2): | 75,0 |
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Durch
den Zusatz von 0,1% Anthrachinon kann die Dauer des Aufschlusses
von ca. 180 Minuten unter ansonsten unveränderten Aufschlussbedingungen
auf 60 Minuten verringert werden. 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.
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Weiterhin
wurde ermittelt, dass bei sinkendem Einsatz an Gesamtchemikalien
bis auf Werte zwischen 5 und 15% bei Nadelholz 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.
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Beispiel 3: Laubholzaufschluss in flüssiger
Phase
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Eukalyptushackschnitzel
wurden nach der Dämpfung mit einer Natriumsulfit-Aufschlusslösung
bei einem Flottenverhältnis von Holz-Aufschlusslösung
1:3 versetzt. Der Chemikalieneinsatz lag hier bei 10,5% (als NaOH)
auf otro Hackschnitzel.
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Im
Zeitraum von 90 Minuten wurde das Aufschlussgut imprägniert
und das Kochgut auf die maximale Aufschlusstemperatur von 170°C
aufgeheizt. Die Kochdauer betrug 50 Minuten.
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Aufschlüsse
mit Eukalyptusholz zeigen, dass sich diese Stoffe mit einem spezifischen
Energieeintrag zur Zerfaserung von weniger als 250 KWh/t herstellen
lassen.
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Die
Ausbeute lag bei diesen Versuchen bei 77% bezogen auf die eingesetzte
Holzmasse. Bei einem Ausgangsmahlgrad von 14 SR haben diese Stoffe
bereits 3,5 km Reißlänge bei einem spezifischen
von 2,05 cm3/g. Diese Stoffe ließen
sich in der folgenden Bleiche auf Weißgrade von 79,6% ISO
bleichen.
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Versuche
haben gezeigt, dass die Aufschlüsse in der Dampfphase einen
geringen Gesamt-Zeitbedarf zeigen. 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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Während
bei Dampfphasen-Aufschlüssen ähnliche Werte bei
der Ausbeute erreichbar sind, liegt der Weißgrad der beim
Dampf-Aufschluss erzeugten Faserstoffe allerdings deutlich niedriger.
Einen signifikanten Effekt bewirkt die Verringerung der maximalen
Aufschlusstemperatur von 170°C auf 155°C: der
Weißgrad steigt.
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Die
in der Dampfphase hergestellten Faserstoffe weisen hervorragende
Festigkeiten auf. Die Reißlänge wurde beispielsweise
mit 10 km und mit 11 km bei 15°SR gemessen. Die Durchreißfestigkeit
wurde beispielsweise mit 82,8 cN und mit 91,0 cN gemessen. Diese
Werte entsprechen den besten Werten für Faserstoffe mit
hohem Ligningehalt, die für Aufschlüsse in der
flüssigen Phase erreicht wurden oder liegen noch darüber.
Für Faserstoffe mit hohem Ligningehalt aus dem Stand der
Technik sind vergleichbare Festigkeitswerte nicht bekannt.
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Aus
den Beispielen 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 mit hohen Festigkeiten erzeugt werden.
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Die
Vorrichtung zur Bereitstellung einer Stoffsuspension, die nachfolgend
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung
einer Tissuebahn verwendet wir, umfasst einen Pulper, in dem die
trockenen Roh- und Halbstoffe sowie Altpapier in Wasser aufgelöst
und in einen pumpfähigen Zustand überführt
werden. Anschließend wird der so gebildete Stoff einer
Mischbütte zugeführt
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Beim
anschließenden Mahlvorgang wird die Stoffsuspension auf
einen Mahlgrad von 12°SR oder mehr gemahlen.
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Nach
der Maschinenbütte wird die Stoffsuspension mit Siebwasser
sehr stark verdünnt und einem Stoffauflauf 13 zugeführt.
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Unabhängig
davon, wie die Stoffsuspension erhalten wird, ist es für
die Herstellung von Tissuepapier wichtig, dass die aus dem Stoffauflauf 13 austretende Stoffsuspension
einen Mahlgrad von weniger als 20°SR hat und eine Reißlänge
von mehr als 4,5 km aufweist.
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Eine
Stoffsuspension 1 mit den oben genannten Eigenschaften tritt aus
dem Stoffauflauf 13 derart aus, dass diese in den einlaufenden
Spalt zwischen einem Formiersieb 14 und einem strukturierten,
insbesondere 3-dimensional strukturierten Band 3 injiziert
wird, wodurch eine Tissuebahn 1 gebildet wird.
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Das
Formiersieb 14 weist eine zur Tissuebahn 1 gerichtete
Seite auf, die relativ zu der des strukturierten Bandes 3 glatt
ist.
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Hierbei
weist die zur Tissuebahn 1 weisende Seite des strukturierten
Bandes 3 vertiefte Bereiche und relativ zu den vertieften
Bereichen erhöhte Bereiche auf, so dass die Tissuebahn 1 in
den vertieften Bereichen und den erhöhten Bereichen des
strukturierten Bandes 3 gebildet wird. Der Höhenunterschied
zwischen den vertieften Bereichen und den erhöhten Bereichen
beträgt vorzugsweise 0,07 mm und 0,6 mm. Die durch die erhöhten
Bereiche gebildete Fläche beträgt vorzugsweise
10% oder mehr, besonders bevorzugt 20% oder mehr und besonders bevorzugt
25% bis 30%.
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In
den dargestellten Ausführungsformen wird die Anordnung
aus oberen Band 3, Tissuebahn 1 und Formiersieb 14 um
eine Formierwalze 15 gelenkt und die Tissuebahn 1 im
wesentlichen durch das Formiersieb 14 entwässert,
bevor das Formiersieb 14 von der Tissuebahn 1 abgenommen
wird und die Tissuebahn 1 auf dem Band 3 weiter
transportiert wird.
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Die
in den vertieften Bereichen des Bandes 3 gebildeten voluminösen
Abschnitte der Tissuebahn 1 haben ein höheres
Volumen und ein höheres Flächengewicht als die
in den erhöhten Bereichen des Bandes 3 gebildeten
Abschnitte der Tissuebahn 1.
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Die
Tissuebahn 1 weist demzufolge bereits aufgrund deren Formierung
auf dem strukturierten Band 3 eine 3-dimensionale Struktur
auf.
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Die
Blattbildung kann allerdings auch zwischen zwei glatten Formiersieben 14 erfolgen,
so dass sich eine im wesentlichen glatte Tissuebahn 1 ohne
3-dimentionale Struktur ausbildet.
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Bei
einem der Bildung der Tissuebahn 1 nachfolgenden Entwässerungsschritt
wird die Tissuebahn 1 zwischen dem strukturierten Band 3,
welches oben angeordnet ist, und einem unteren, permeablen und als Filz
ausgebildeten Band 2 geführt, wobei bei dem Entwässerungsschritt
entlang einer Entwässerungsstrecke Druck auf das strukturierte
Band 3, die Tissuebahn 1 und das Band 2 derart
ausgeübt wird, dass die Tissuebahn 1 in Richtung
des Bandes 2 entwässert wird, wie durch die Pfeile
in beiden Figuren angedeutet.
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Während
der Entwässerung umschlingt die Tissuebahn 1 mit
den Bändern 2, 3 eine Walze 5.
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Dadurch
dass die Tissuebahn 1 bei diesem Entwässerungsschritt
in Richtung des Bandes 2 entwässert wird und dadurch
dass die Tissuebahn 1 auf dem strukturierten Band 3 entwässert
wird, auf dem diese bereits gebildet wurde, werden die voluminösen
Abschnitte weniger stark komprimiert als die anderen Abschnitte,
so dass im Ergebnis die voluminöse Struktur dieser Abschnitte
erhalten bleibt.
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Der
Druck zur Entwässerung der Tissuebahn 1 wird bei
dem Entwässerungsschritt gemäß 1 zumindest
abschnittweise gleichzeitig durch einen Gasstrom und durch eine
mechanische Presskraft erzeugt.
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Der
Gasstrom durchströmt hierbei zuerst das strukturierte Band 3,
dann die Tissuebahn 1 und anschließend das als
Filz ausgebildete untere Band 2. Der Gasstrom durch die
Tissuebahn 1 beträgt ca. 150 m3 pro
Minute und Meter Bahnlänge.
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Im
vorliegenden Fall wird die Gasströmung durch eine Saugzone 10 in
der Walze 5 erzeugt, wobei die Saugzone 10 eine
Länge im Bereich zwischen 200 mm und 2500 mm, bevorzugt
zwischen 800 mm und 1800 mm, besonders bevorzugt zwischen 1200 mm
und 1600 mm hat.
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Der
Unterdruck in der Saugzone 10 beträgt zwischen –0,2
bar und –0,8 bar, bevorzugt zwischen –0,4 bar
und –0,6 bar.
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Im
Hinblick auf die Durchführung des durch mechanische Presskraft
und optional oder zusätzlich mit Gasströmung durchgeführten
Entwässerungsschritts sowie auf die verschiedenen Konfigurationen
von Vorrichtungen zur Durchführung eines solchen Entwässerungsschritts
soll die
PCT/EP2005/050198 vollumfänglich
mit in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung aufgenommen
werden.
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Die
mechanische Presskraft wird gemäß 1 dadurch
erzeugt, dass bei dem Entwässerungsschritt die Anordnung
aus strukturiertem Band 3, Tissuebahn 1 und Band 2 einer
Entwässerungsstrecke 11 zwischen einem unter Spannung
stehenden Pressband 4 und einer glatten Oberfläche
geführt wird, wobei das Pressband 4 auf das strukturierte
Band 3 einwirkt und sich das Band 2 an der glatten
Oberfläche abstützt.
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Die
glatte Oberfläche wird hierbei durch die Mantelfläche
der Walze 5 gebildet.
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Die
Entwässerungsstrecke 11 wird im wesentlichen durch
den Umschlingungsbereich des Pressbandes 4 um die Mantelfläche
der Walze 5 festgelegt, wobei der Umschlingungsbereich
durch den Abstand der beiden Umlenkrollen 12 festgelegt
wird.
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Das
Pressband 4 steht unter einer Spannung von zumindest 30
kN/m, vorzugsweise zumindest 60 kN/m oder 80 kN/m und hat eine offene
Fläche von zumindest 25% und eine Kontaktfläche
von zumindest 10% seiner gesamten zum oberen Band 3 weisenden
Fläche.
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Im
konkreten Fall hat das Pressband 4, als Spiral Link Fabric
ausgebildet, eine offene Fläche zwischen 51% und 62% und
eine Kontaktfläche zwischen 38% und 49% seiner gesamten
zum oberen Band 3 weisenden Fläche.
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Im
Hinblick auf die Struktur des Pressbandes soll die
PCT/EP2005/050198 vollumfänglich
mit in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung aufgenommen
werden.
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Die
Tissuebahn 1 verlässt die Entwässerungsstrecke 11 mit
einem Trockengehalt zwischen 25% und 55%.
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Nachfolgend
wird die Tissuebahn 1 in einem dem Entwässerungsschritt
nachfolgenden weiteren Entwässerungsschritt zusammen mit
dem struktuierten Band 3 durch einen Pressspalt geführt,
wobei die Tissuebahn 1 im Pressspalt zwischen dem strukturierten
Band 3 und einer glatten Walzenoberfläche eines
Yankee-Trockenzylinders 7 angeordnet ist. Der Pressspalt
ist hierbei ein durch den Yankee-Trockenzylinder 7 und einer
Schuhpresswalze 8 gebildeter, verlängerter Pressspalt.
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Die
Tissuebahn 1 liegt auf einer Seite mit einer relativ großen
Fläche auf der Mantelfläche des Yankee-Trockenzylinders 7 auf,
wobei die Tissuebahn 1 auf der anderen Seite auf dem strukturierten
Band 3 aufliegt.
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Die
vertieften Bereiche und die relativ dazu erhöhten Bereiche
des strukturierten Bandes 3 sind hierbei derart ausgebildet
und zueinander angeordnet, dass die voluminösen Abschnitte
im Pressspalt im wesentlichen nicht gepresst werden. Die anderen
Abschnitte werden dagegen gepresst, wodurch die Festigkeit der Tissuebahn 1 weiter
erhöht wird.
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Zwischen
den beiden beschriebenen Entwässerungsschritten kann ein
weiterer Entwässerungsschritt vorgesehen sein, der mittels
einer Vorrichtung 9 durchführbar ist.
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Optional
kann vorgesehen sein, dass die Tissuebahn 1, bevor diese
durch den Pressspalt läuft, zusammen mit dem strukturierten
Band 3 um eine besaugte Umlenkwalze geführt wird,
wobei das strukturierte Band 3 zwischen der Tissuebahn 1 und
der besaugten Umlenkwalze angeordnet ist (nicht dargestellt).
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Aus
der 2 ist ersichtlich, dass die Gasströmung
zusätzlich durch eine oberhalb des strukturierten Bandes 3 angeordnete Überdruckhabe 6 erzeugt
werden kann, wobei der Entwässerungsschritt in diesem Fall ohne
mechanische Presskraft erfolgt, d. h. es ist im Gegensatz zur 1 kein
Pressband 4 vorgesehen, das die Walze 5 abschnittweise
umschlingt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 2005/050198 [0119, 0125]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - DIN 53 128 [0076]
- - ISO-Norm 2470 [0076]