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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerfasern von chemisch behandeltem,
lignocellulosischen Rohstoff mit einem Ligningehalt von mehr als 15%
für Nadelholz und von mehr als 12% für Laubholz,
jeweils bezogen auf otro Rohstoff.
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Fasern
aus lignocellulosischem Rohstoff werden vielfältig, insbesondere
zur Herstellung von Pappe und Papier, eingesetzt. Sie werden ungebleicht,
für hochwertige Verwendungen aber vor allem auch gebleicht
eingesetzt. Bei der Herstellung von Faserstoff wird ein Gleichgewicht
angestrebt, bei dem aus dem eingesetzten lignocellulosischen Rohstoff
mit einem Minimum an Ausbeuteverlust ein Maximum an Fasern vorgegebener
Qualität erzeugt wird. Die Faserqualität wird
definiert über verschiedene Eigenschaften der erzeugten
Faser, insbesondere die Festigkeit der Faser, die Bleichbarkeit
der Faser und/oder faseroptische Eigenschaften sowie das spezifische
Volumen der Fasern.
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Ein
weiterer wesentlicher Parameter der Faserherstellung, der zunehmend
die Wirtschaftlichkeit der Faserproduktion bestimmt, ist der Energieverbrauch
beim Zerfasern bzw. beim Mahlen der Fasern zum Entwickeln des Bindungspotentials.
Bekannt sind bisher Fasern, die mechanisch durch Zermahlen des Rohstoffs
hergestellt werden. Sie werden in hoher Ausbeute von ca. 75% bis
98% bezogen auf den otro eingesetzten Rohstoff erzeugt, weisen aber
nur ein geringes Festigkeitspotential von bis zu 3,5 km Reißlänge
auf, das durch weiteres Mahlen der Fasern nicht gesteigert werden
kann. Zur Herstellung dieser Fasern ist eine spezifische Mahlenergie
von bis zu 3.500 kWh/t bezogen auf otro Faserstoff erforderlich.
Bei leicht zu zerfasernden Rohstoffen kann auch bereits eine spezifische
Mahlenergie von 1.000 kWh/t gennügen.
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Um
das Zerfasern zu erleichtern, und um Fasern besserer Qualität
zu erzeugen, wird der lignocellulosische Rohstoff vor dem Zerfasern
meist mit Chemikalien behandelt.
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Die
Chemikalienbehandlung erstreckt sich von einer einfachen Imprägnierung über
Aufschlussverfahren, die Ausbeuten von ca. 80% bezogen auf den otro
Rohstoff erzeugen bis zu Aufschlussverfahren, die Ausbeuten von
ca. 45% bis 55% bezogen auf den otro Rohstoff ergeben. Bei den so
erzeugten Fasern kann das Festigkeitspotential der Fasern durch Mahlen,
also durch Aufwenden von mehr Energie, weiter erschlossen werden.
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Bei
den Verfahren, die eine Imprägnierung des Rohstoffs, aber
keinen Aufschluss vorsehen, beispielsweise CTMP, BCTMP oder APMP,
wird das Fasergefüge des Rohstoffs lediglich geschwächt
bzw. erweicht, aber kaum gelöst. Die Ausbeute dieser chemomechanischen
Verfahren liegt bei 75% bis 90% bezogen auf den otro Rohstoff, die
zum Zerfasern benötigte Energie liegt bei mindestens 1.000
kWh/t spezifischer Mahlenergie. CTMP-Stoffe weisen dann typischerweise
einen Mahlgrad von z. B. 16°SR auf, bei einer Reißlänge
von 1 km bis zu 2 km. Erst nach Aufwand dieser spezifischen Mahlenergie
ist das maximale Festigkeitsniveau dieser Fasern erreicht.
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Einen
Schritt weiter geht man mit dem Einsatz von Chemikalien bei den
so genannten semi-chemical pulps; man lässt die Chemikalien
intensiver, bei höherer Temperatur und über längere
Zeit auf den lignocellulosischen Rohstoff einwirken. Das Fasergefüge
wird wiederum geschwächt bzw. erweicht und in gewissem
Umfang auch gelöst. Die Ausbeute dieser semi-chemical pulps
beträgt zwischen 65% und 90% bezogen auf den otro Rohstoff. Die
erreichbaren Faserfestigkeiten liegen über den vorbeschriebenen
Verfahren, gehen aber bei einem Einsatz von ca. 500 kWh/t nicht über
ein Niveau von 5 km Reißlänge bis 7 km Reißlänge,
je nach Holzart und Aufschlussbedingungen hinaus. Allerdings lassen
sich auch diese semi-chemical-pule-Fasern noch nicht auf Weißgrade
von ca. 70% ISO bleichen. Damit können auch diese Fasern
nur eingeschränkt für solche Anwendungen eingesetzt
werden, für die gebleichte Fasern einsetzbar sind.
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Schließlich
stehen zur Erzeugung von hochwertigen, gebleichten Fasern mit hoher
Festigkeit von über 5 km Reißlänge, die
auf einen Weißgrad von mehr als 70% ISO bleichbar sind,
nur so genannte Vollzellstoffe, beispielsweise Sulfit- oder Sulfat- bzw.
Kraftzellstoffe zur Verfügung. Bei den Verfahren zur Vollzellstoff-Herstellung
wirken Chemikalien mit hoher Temperatur von meist über
130°C bis ca. 190°C über längere
Zeit (bis zu ca. 5 Stunden) auf den lignocellulosischen Rohstoff
ein. Das Fasergefüge wird bereits während des
Aufschlusses nicht nur geschwächt sondern weitgehend aufgelöst.
Dabei wird nicht nur Lignin aus dem Faserverbund gelöst, es
werden auch in nicht unbeträchtlichem Maße Kohlenhydrate
abgebaut. Je nach dem, wie spezifisch das jeweils gewählte
Aufschlussverfahren abläuft, betragen die Ausbeuten zwischen
45% und 55% bezogen auf den otro Rohstoff. Eine Zerfaserung nach dem
Aufschluss ist bei Vollzellstoffen nicht erforderlich.
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Es
besteht daher Bedarf nach einem wirtschaftlichen Verfahren zum Zerfasern
von lignocellulosischem Rohstoff, insbesondere von Rohstoff mit hohem
Ligningehalt.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Zerfasern
von chemisch behandeltem, lignocellulosischen Rohstoff mit einem
Ligningehalt von mehr als 15% für Nadelholz und von mehr
als 12% für Laubholz, vorgeschlagen, bei dem nur eine spezifische
Mahlenergie von bis zu 400 kWh/t otro Faserstoff aufzuwenden sind,
um den lignocellulosischen Rohstoff in Fasern mit einem Mahlgrad
von mehr als 10°SR zu zerlegen.
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Die
spezifische Mahlenergie von bis zu 400 kWh/t otro Faserstoff ist
gering bezogen aufbekannte Werte. Sie genügt aber insbesondere
zum Zerfasern und Mahlen von Hochausbeute-Faserstoffen, die mit einer
wässrigen Sulfitlösung hergestellt wurden. Vor allem
Hochausbeute-Faserstoffe, die mit einer wässrigen Sulfitlösung
ohne Zusatz von Alkali hergestellt wurden, so wie es z. B. in der
DE 10 2006 027 006 beschrieben
ist, sind geeignet. Auf die Offenbarung der
DE 10 2006 027 006 nehmen wir
an dieser Stelle Bezug und machen sie zum Gegenstand dieser Patentanmeldung.
Solche Fasern haben bereits nach kurzer Mahlung, das heißt,
bei einem niedrigen Mahlgrad von 10°SR oder mehr, bevorzugt
bei Mahlgraden zwischen 10°SR und 20°SR ein hohes
Festigkeitsniveau erreicht. Die einfache Zerfaserung und die schnelle
Entwicklung des Festigkeitspotentials sind ursächlich für
den geringen Bedarf an spezifischer Mahlenergie.
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Mit
der genannten spezifischen Mahlenergie von bis zu 400 kWh/t otro
Faserstoff werden vorzugsweise Mahlgrade zwischen 10°SR
und 20°SR erreicht. In diesem Mahlgradbereich weisten gerade solche
Faserstoffe, die unter Einsatz von wässrigen Sulfitlö sungen
eingesetzt wurden, bereits ein hohes Festigkeitsniveau von z. B.
mehr als 3 km Reißlänge auf.
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Bevorzugt
wird zur Behandlung des Rohstoffs eine Sulfitlösung eingesetzt,
die keine alkalische Komponente aufweist. Nach einer weiter vorteilhaften
Ausführung wird der Rohstoff unter Einsatz mindestens einer
Chinon-Komponente behandelt.
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Überraschend
hat sich zudem herausgestellt, dass die so zerfaserten und gemahlenen
Fasern auf Weißgrade von mehr als 70% ISO zu bleichen sind.
Sie sind damit für weitaus mehr Verwendungen einzusetzen
als andere Fasern mit vergleichbarem Ligningehalt.
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Nach
einer bevorzugten Ausführung der Erfindung genügt
es, für das Zerfasern von chemisch behandeltem Nadelholz
bis zu 350 kWh/t spezifische Mahlenergie aufzuwenden, bevorzugt
bis zu 300 kWh/t spezifische Mahlenergie, besonders bevorzugt bis
zu 250 kWh/t spezifische Mahlenergie aufzuwenden, um das Nadelholz
in Fasern mit einem Mahlgrad von mehr als 10°SR zu zerlegen.
Nadelholz, das ein besonders stabiles Fasergefüge aufweist,
zeigt normalerweise den höchsten Bedarf an Mahlenergie, um
die Fasern zu zerlegen und das Festigkeitspotential der Fasern durch
Mahlung zu erschließen. Die erfindungsgemäß erforderliche
spezifische Mahleenergie ergibt sich zum einen aus dem durch den
Aufschluss bereits geschwächten Fasergefüge. Zum
anderen resultiert sie aus der schnellen Entwicklung des Festigkeitspotentials,
das sich bereits nach geringer Mahlung z. B. mehr als 10°SR,
typischerweise von 10°SR bis 20°SR ergibt.
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Nach
einer weiter bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind für das Zerfasern von chemisch behandeltem
Laubholz bis zu 250 kWh/t spezifische Mahlenergie aufzuwenden, bevorzugt
bis zu 200 kWh/t spezifische Mahlenergie, besonders bevorzugt bis
zu 150 kWh/t spezifische Mahlenergie, um das Laubholz in Fasern
mit einem Mahlgrad von mehr als 10°SR zu zerlegen. Auch
hier gelten die zuvor ausgeführten Überlegungen
hinsichtlich der Schwächung des Fasergefüges und
der schnellen Entwicklung der Faserfestigkeit bei nur kurzer Mahlung
auf Mahlgrade z. B. in einem Bereich von 10°SR bis 20°SR.
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Auch
für das Zerfasern von chemisch behandelten Einjahrespflanzen
ist nur wenig Energie aufzuwenden. Wegen des ohnehin geringen Ligningehalts sind
nur bis zu 200 kWh/t spezifische Mahlenergie aufzuwenden, bevorzugt
bis zu 150 kWh/t spezifische Mahlenergie, besonders bevorzugt bis
zu 50 kWh/t spezifische Mahlenergie, um die Einjahrespflanzen in
Fasern mit einem Mahlgrad von mehr als 10°SR zu zerlegen.
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Wie
zuvor beschrieben, entwickelt sich das Festigkeitspotential von
Fasern, die einen hohen Ligningehalt aufweisen, und die bevorzugt
mit wässriger Sulfitlösung ohne alkalische Komponente
aufgeschlossen wurden, in Folge Zerfaserung und Mahlung sehr schnell.
Zudem wird eine sehr schonende Faserbehandlung mit niedriger spezifischer
Kantenbelastung durch die Mahlaggregate möglich, so dass schnell
Festigkeiten entwickelt werden, ohne dass ursprünglich
lange Fasern durch die Mahlung gekürzt werden. Die Faseroberfläche
muss kaum mechanisch bearbeitet werden, um ein hohes Bindungspotential
zu entfalten. Das Festigkeitsniveau ist bereits bei einem als außerordentlich
niedrig einzustufenden Mahlgrad von 10°SR beachtlich. Es
kann nach einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
weiter verbessert werden, wenn der chemisch behandelte, lignocellulosische
Rohstoff in Fasern mit einem Mahlgrad von mindestens 12°SR,
bevorzugt in Fasern mit einem Mahlgrad von mindestens 15°SR,
besonders bevorzugt in Fasern mit einem Mahlgrad von mindestens
20°SR zerlegt wird. Dabei ist festzuhalten, dass insbesondere
Fasern aus Laubholz und aus Einjahrespflanzen bei Mahlgraden von
20°SR bis 30°SR das Maximum der Faserfestigkeit
zeigen. Bei Nadelholz ist in der Regel das maximale Festigkeitsniveau
erreicht, wenn auf 15°SR bis 25°SR, bevorzugt
auf 15°SR bis 20°SR gemahlen wird.
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Die
in den Beispielen ermittelten Parameter wie Restligningehalt, Weißgrad,
Viskosität und die Festigkeitseigenschaften wurden nach
den folgenden Standard-Verfahren bestimmt:
- – Der
Weißgrad wurde ermittelt durch Herstellung der Prüfblätter
nach Zellcheming-Merkblatt V/19/63, gemessen wurde nach SCALA C
11:75 mit einem elrepho 2000 Photometer; die Weiße ist in
Prozent nach der ISO-Norm 2470 angegeben.
- – Der Restligningehalt (Kappazahl) wurde nach Zellcheming
Merkblatt IV/37/63 bestimmt.
- – Die papiertechnologischen Eigenschaften wurden an
Prüfblättern bestimmt, die nach Zellcheming-Merkblatt
V/8/76 hergestellt wurden.
- – Raumgewicht und Reißlänge wurden
nach Zellcheming-Vorschriften V/11/57 und V/12/57 bestimmt.
- – Die Durchreißfestigkeit wurde nach DIN
53 128 Elmendorf ermittelt.
- – Der Mahlgrad wurde nach Zellcheming-Merkblatt V/3/62
erfaßt.
- – Die Ausbeute wurde durch Wägung des eingesetzten
Rohstoffs (Hackschnitzel oder Faserstoff) und des nach dem Aufschluss
erhaltenen Faserstoffs, jeweils bei 105°C auf Gewichtskonstanz (otro)
getrocknet, berechnet.
- – Die Ermittlung von Tensile-, Tear- und Burst-Index
erfolgte gemäß TAPPI 220 sp-96.
- – In sämtlichen nachstehend aufgeführten
Beispielen sind die Mengenangaben der Sulfit-Komponente jeweils
berechnet als NaOH.
- – Soweit Prozentangaben nicht anders definiert sind,
handelt es sich um Gewichtsprozent.
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Details
des erfindungsgemäßen Verfahrens erschließen
sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen und Abbildungen
hierzu:
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1 Entwicklung
des Schopper-Riegler Wertes (°SR) als Funktion der spezifischen
Mahlenergie (kWh/t) für Eukalyptus-Faserstoff und einen
Referenz-Faserstoff
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2 Entwicklung
der Reißlänge (km) als Funktion des Schopper-Riegler
Wertes (°SR) für Eukalyptus-Faserstoff und einen
Referenz-Faserstoff
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Beispiel 1 Fichte
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Fichtenholz-Hackschnitzel,
wurden für 30 Minuten bei 105°C gedämpft.
Sie werden mit 27,5 Gewichts-% Natriumsulfit bezogen auf otro Hackschnitzel
versetzt. Es wird ein Flottenverhältnis von 1:4 (Fichtenholz:
Flüssigkeit) eingestellt. Die Hackschnitzel werden auf
eine Aufschluss-Temperatur von 170°C aufgeheizt und eine
Stunde bei dieser Temperatur aufgeschlossen. Die freie Kochlauge wird
abgezogen und die Hackschnitzel werden zerfasert. Zum Zerfasern
der Hackschnitzel ist weitaus weniger Energie erforderlich als bei
bekannten Verfahren zur Herstellung von Hochausbeute-Zellstoffen.
250 kWh/t otro Hackschnitzel genügen zum Zerfasern. Für
diesen Auf schluss wird eine Ausbeute von 78,5% bezogen auf otro
Holz-Hackschnitzel und ein Weißgrad von 61,7% ISO gemessen.
Die Reißlänge bei 15°SR beträgt
8,97 km, die Durchreißfestigkeit 55,2 cN und die Opazität
wurde mit 82,2% gemessen.
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Die
Zerfaserungsenergie wurde auf 320 kWh/t otro Faserstoff ermittelt.
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Beispiel 2 Eukalyptus
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Eukalyptus-Hackschnitzel
wurden unter denselben Bedingungen aufgeschlossen wie im Beispiel 1
für Fichte geschildert. Der Eukalyptus-Faserstoff wurde
mit einem Minimum an Energie zerfasert: ein Mahlgrad von 20°SR
wurde mit weniger als 50 kWh/t otro Faserstoff erreicht. Ein Mahlgrad
von ca. 15°SR konnte mit kaum messbarem Energieeinsatz
erreicht werden.
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Die
Ausbeute liegt bei über 75%, bezogen auf die otro Hackschnitzel.
Auch hier zeigt sich die gute Selektivität des erfindungsgemäßen
Aufschlusses.
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Der
so erzeugte Faserstoff weist trotz der hohen Ausbeute bereits einen
außerordentlich hohen Weißgrad auf, der bei über
60% ISO liegt. Damit ist für eine ggf. anschließende
Bleiche eine gute Basis gelegt.
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Auch
die Festigkeitseigenschaften des Eukalyptus-Faserstoffs sind ausgzezeichnet.
So beträgt die Reißlänge bereits bei
ca. 16°SR ca. 4,2 km, bei 20°SR steigt die Reißlänge
auf ca. 5,1 km, so wie in den 1 und 2 zur
Auswertung der Zerfaserung des Eukalyptus-Faserstoffs dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006027006 [0011, 0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ISO-Norm 2470 [0019]
- - DIN 53 128 [0019]