DE2537414C2

DE2537414C2 - Verfahren zur Freilegung von Zellulosefasern

Info

Publication number: DE2537414C2
Application number: DE2537414A
Authority: DE
Inventors: John Rickard Bergström; Ernst Birger Örnsköldsvik Tiberg
Original assignee: MO OCH DOMSJOE 89191 OERNSKOELDSVIK SE AB
Current assignee: MO OCH DOMSJOE 89191 OERNSKOELDSVIK SE AB
Priority date: 1974-09-27
Filing date: 1975-08-22
Publication date: 1982-11-18
Also published as: NO753276L; CA1056559A; FR2286232B1; GB1511310A; US4000032A; NO145250C; JPS5160701A; FI752648A; BR7506148A; FI63074B; NO145250B; FR2286232A1; SE385027B; JPS5443601B2; SE7412207L; DE2537414A1; FI63074C

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Freilegung von Zellulosefasern in wasserhaltigem Lignozellulosematerial unter Einwirkung von Hochfrequenzenergie. ·»

Die Freilegung von Zellulosefasern in Lignozellulosematerial erfolgt normalerweise entweder durch chemischen Aufschluß oder durch mechanische Bearbeitung oder eine Kombination der genannten Methoden. Der Sinn eines chemischen Aufschlusses von Lignozellulosematerial liegt darin, das Bindemittel Lignin zu entfernen, so daß die Zellulosefasern freigelegt werden. Damit dies geschehen kann, müssen hohe Drücke und hohe Temperaturen angewendet werden. Die Aufschlußchemikalien reagieren jedoch auch mit der Zellulose im Lignozellulosematerial. was eine Verringerung der Festigkeit der Fasern mit sich bringt. Weiters erfolgt eine Herauslösung eines großen Teiles des Pflanzenmaterials, was zu niedriger Ausbeute führt. Die ausgelösten Substanzen können ferner die Umwelt negativ beeinflussen ebenso wie die Reste der AufsehlüßGhemikalien, Trotz dieser Nachteile ist der chemische Aufschluß der bisher beste Weg, der zur Erzielung von starken Fasern zugänglich ist. Die Freilegung der Fasern durch mechanische Bearbeitung wird Z, B. durch Bearbeitung des Lignozellulösemateriais iri Form von Holz in Schleifstühlen, Mahlung des zerkleinerten Zellulosematerials in Scheibenmühlen, Defibratoren od, dgl. und Raffinierung von defibriertem Material in P.afFmeuren vorgenommen. Bei dieser Behandlung erfolgt keine Herauslösung von Zellulose oder Lignin, was eine hohe Ausbeute und geringe Umwelteinwirkung des Prozesses mit sich bringt. Ein Nachteil ist jedoch, daß man während der Behandlung eine unerwünschte Verkürzung der Fasern erhält, was zu schlechten Festigkeitseigenschaften der erhaltenen Masse führt. Weiters sind große elektrische Energiemengen für die Freilegung notwendig, wovon lediglich ein kleiner Teil für die eigentliche Freilegung der Zellulosefasern ausgenützt wird.

Bei Kombinationen von chemischem Aufschluß und mechanischer Bearbeitung erhält man eine erhöhte Ausbeute von Zellulosematerial im Vergleich mit einzig chemischem Aufschluß sowie eine höhere Festigkeit der Masse im Vergleich mit re.n mechanischer Bearbeitung. Leider werden auch die dem jeweiligen Prozeß anhaftenden Nachteile beibehalten.

Es sind auch Verfahren hekannt, bei welchen Iignozellulosematerial in zerkleinerter Form hohen Temperaturen (ca. 180 bis 290 C) und hohem Druck (ca. 8 MPa) wahrend einer Zeit von bis zu 2 min ausgesetzt wird, worauf der Druck rasch abgebaut wird. Hierbei expandiert im Lignozellulosematerial eingeschlossenes Wasser rasch unter Verdampfung und Zersprengung des Materials (der sogenannte Masonitprozeß). Die auf diese Weise frei gemachten Fasern sind jedoch aufgrund der hohen Temperaturen mit erweichtem Lignin bedeckt, so daß das Bindungsvermögen zwischen den Fasern so gering wird, daß das Material lediglich zur Herstellung von Bauplatten usw. geeignet wird. Weiters entsteht aufgrund der relativ langen Behandlungszeit bei hoher Temperatur und hohem Druck eine starke Verfärbung des freigelegten Fasermaterials, die dieses zur Herstellung von Zellstoffmassen mit guten Bleicheigenschaften ungeeignet macht.

Die DE-PS 538818 beschreibt bereits ein Verfahren zur Freilegung von Zellulosefasern in wasserhaltigem Lignozellulosematerial unter Einwirkung von geeigneten Chemikalien mit Unterstützung von Hochfrequenzenergie. Die Hochfrequenzenergie dient somit lediglich zum Beschleunigen des chemischen Aufschlusses. Sie wird nur vorübergehend in das Lienozellulosomaterial eingeleitet. Es ist anzunehmen, daß bei einem Einwirken der Hochfrequenzenergie alleine auf das Material dieses nic^hf aufgeschlossen wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, das sich durch einen geringen Energieverbrauch auszeichnet.

Zur Losung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Lignozellulosematerial in zerkleinerter Form, vorzugsweise in Form von Hackschnitzeln, einer Behandlung mit Mikrowellen mit einer Frequenz von 10-3(K)OOO Megahertz, zweckmiiljigerweise 2IMKSO(K)O Megahertz und vorzugsweise 8OfKlSOOO Megahertz, in kurzen Impulsen, deren Dauer weniger als 0,1 Sekunde ist, so ausgesetzt wird, daß dabei das im Lignocellulosematerial Vorhandene Wasser so rasch verdampft, daß eirte Sprengwirkung entsteht, welche die Fasern freilegt,

Durch diese Maßnahmen werden die Zellulosefa^ sern lediglich durch die Einwirkung der Mikrowellen-

energie freigelegt, ohne daß dabei die Fasern in nenneswertem Ausmaß verkürzt oder sonstwie zerstört werden. Die Mikrowellenenergieimpulse sind so kurz, daß das im Lignozellulosematerial vorhandene Wasser so rasch verdampft, daß eine Sprengwirkung entsteht, welche die Fasern freilegt. Im allgemeinen werden nicht mehr als 40%, vorzugsweise nicht mehr als 20% der Fasern während der Behandlung verkürzt. Das neuartige Verfahren ergibt eine höhere Ausbeute als bei chemischem Aufschluß sowie eine bessere Festigkeit der Masse als bei mechanischer Freilegung der Fasern. Der Wirkungsgrad ist sehr hoch, so daß der Energieaufwand beim erfindungsgemäßen Verfahren geringer als beim mechanischen Freilegen ist. Insgesamt sind die Energiekosten also verringert.

Der Wassergehalt im verwendeten Lignozellulosematerial beträgt vorzugsweise 10 bis 99% auf die Summe des Gewichts des Wassers und des Lignozellulosematerials gerechnet, zweckmäßigerweise 25 bi? 20 95% und am zweckmäßigsten 50 bis 90%.

Das Verfahren nach der Erfindung ergibt eine höhere Ausbeute als bei chemischem Aufschluß sowie bessere Festigkeit der Masse als bei mechanischer Freilegung der Fasern. Die Energiezuführungsart ergibt einen so hohen Wirkungsgrad, daß der Energieaufwand beim Verfahren nach der Erfindung geringer als bei mechanischen Prozessen wird, was somit niedrigere Energiekosten als bisher möglich ergibt.

Das Verfahren nach der Erfindung kann unter normalern Druck, unter Überdruck oder unter Unterdruck durchgeführt werden In den meisten Fällen wird normaler DrucK angewendet, doch kann es in gewissen Fällen zweckmäßig sein, Untc/druck anzuwenden , um die Sprengwirkung de;. Wasserdampfes zu erhöhen.

Das gemäß der Erfindung angewendete Lignozellulosematerial kann als Hackschnitzel vorliegen, doch kann auch Holz, dessen Fasern in einem Defibrator teilweise freigelegt worden sind, oder chemisch oder ίο physikalisch vorbehandeltes Holz oder ähnliches Material mit vorgeschriebenem Wassergehalt behandelt werden.

Obwohl eine vollständige Theorie für den beim Verfahren nach der Erfindung beobachteten Effekt noch nicht aufgestellt werden kann, ist es wahrscheinlich . daß die Mikrowellen von dem in den Hackspänen enthaltenen Wasser rasch absorbiert werden, das dabei verdampft. Die Verdampfung erfolgt so rasch, daß der Dampf keine Zeit findet, aus dem Pflanzenmaterial auszudiffundieren. sondern innerhalb desselben expandiert und dabei die Fasern auseinandersprengt. Da das Material, das die Fasern im Pflanzenmaterial zusammenhält, einen Erweichungspunkt von 120 bis 200 C hat. schmilzt es bei der raschen Temperaturer- " höhung. Dadurch zerspringt das Pflanzenmaterial zwische.i den Fasern und nicht innerhalb derselben, was die Fasern zerstören würde.

Das Verfahren nach der Erfindung kann mit einer Vorwärmung des Ligpozellulosemateria|s kombiniert werden, die vor der Behandlung mit Mikrowellenenergie durchgeführt wird, um den Bedarf an durch Mikrowellen zugeführter Energie zu verringern.

Es ist auch möglich, das Lignozellulosematerial vor der Mikrowellenbehandlung mit Chemikalien vorzubehandeln, die mit dem Lignin reagieren oder einen Teil desselben herauslösen.

Die Erfindung wird durch folgende Ausfühnrngsbeispiele erläutert:

Hackschnitzelmasse aus Fichtenholz wurde nach drei verschiedenen Methoden hergestellt:

1. Chemischer Aufschluß nach der Sulfatmethode.

2. Thermomechanische Herstellung, wobei 10 kg Hackschnitzel pro Minute mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 60% auf das Gesamtgewicht gerechnet während 4 Min. bei einer Temperatur von 100^c C mit Dampf behandelt wurden sowie unter einem Druck 0,32 MPa* in einer Scheibenmühle gemahlen wurden, welcher eine Leistung von 475 kW zugeführt wurde.

3. 10 Sätze von jeweils 5 g Fichtenhackschnitzeln wurden gemäß der Erfindung behandelt, indem sie in einem Wellenleiter plaziert wurden, der an einen Mikrowellengenerator mit einer Leistung von 5 MW bei einer Frequenz von Ή50 Megahertz angeschlossen war. Jede Probe wurde 0,001 Sekunden bestrahlt. Die verwendeten Proben hatten zu Beginn der Bestrahlung eine Temperatur von 100^c C Der Feuchtigkeitsgehalt der Schnitzel betrug 70% von deren Gesamtgewicht gerechnet.

Aus den drei verschiedenen Massen wurden Laboratoriumsbögen hergestellt, die auf Papiereigenschaften geprüft wurden.

-	Reißlänge, km	rhermomech	. Chemische	Masse gem.
1	Ausbeute, %	vlasse	Masse	Erfindung
Energiebedarf,	3	12	6
Megajoule pro	96	46	96
kg Masse	10,8	5,6	6,6
Freeness, ml
CSF**)
150	325	159

) 1 MPa = 1 Megapascal ( IO⁶-	Newton .
**) »CSF« = »Canadian Standard Freeness« ( = Maß des Mahl-

grades der Masse)

Die Ergebnisse zeigen, daß die nach der Erfindung hergestellte Masse gute Festigkeitseigenschaften hatte sowie in sehr guter Ausbeute erhalten wurde. Der Energiebedarf für ihre Herstellung war weiters bedeutend geringer als bei mechanischer Freilegung.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Freilegung von Zellulosefasern in wasserhaltigem Lignozellulosematerial unter Einwirkung von Hochfrequenzenergie, dadurch gekennzeichnet, daß das Lignozellulosematerial in zerkleinerter Form, vorzugsweise in Form von Hackschnitzeln, einer Behandlung mit Mikrowellen mit einer Frequenz von 10-300000 Mega- ι ο hertz, zweckmäßigerweise 200-50000 Megahertz und vorzugsweise 800-15000 Megahertz, in kurzen Impulsen, deren Dauer weniger als 0,1 Sekunde ist, so ausgesetzt wird, daß dabei das im Lignozellulosematerial vorhandene Wasser so rasch is verdampft, daß eine Sprengwirkung entsteht, welche die Faser freilegt.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassergehalt des Lignozellulosematerials 10 bis 99% auf die Summe des Gewichts des Wassers und des Lignozellulosematerials gerechnet, zweckmäßigerweise 25 bis 95% und vorzugsweise 50 bis 90%. beträgt.

3. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und

2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lignozellulosematerial vor der Behandlung mit Mikrowellenenergie vorgewärmt wird.

4. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lignozellulosematerial mit einem Chemikal vorbehandelt so wird, welches das Lignin vor der Behandlung mit Mikrowellenenergie modifiziert oder einen Teil desselben herauslost.

5. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Behandlung mit Mikrowellenenergie Unterdruck angewendet wird.