DE2714730C3

DE2714730C3 - Verfahren zur Herstellung eines thermo-mechanischen Stoffs aus Ligno-Zellulose enthaltendem faserhaltigem Material

Info

Publication number: DE2714730C3
Application number: DE2714730A
Authority: DE
Inventors: Hans Erik Matfors Hoeglund (Schweden)
Original assignee: SCA Development AB
Current assignee: SCA Development AB
Priority date: 1976-04-02
Filing date: 1977-04-01
Publication date: 1979-02-08
Also published as: BR7702080A; FR2360712A1; SE397851B; JPS52124902A; NO771171L; DE2714730B2; AU2362677A; FI770974A; DE2714730A1; SE7603949L

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Refiner-Holzstoff hoher Qualität in industriellem Maßstab aus Ligno-Zellulose enthaltendem faserhaltigen! Material, das vor dem Raffinieren in einem chemischen und thermischen Vorgang erweicht wurde. Als Beispiele von Anwendungsgebieten können genannt werden Deckbögen. Sackpapier, Druckpapier, Pappe und verschiedene absorbierende Qualitäten.

Bekanntlich wird das Zerfasern von Holzmaterial verschiedener Art erleichtert, wenn das faserhaltige Material eine gewisse Zeit lang mit Dampf, vorzugsweise bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur, vorerhitzt wurde. Ein auf diesem Prinzip beruhender Vorgang, der sogenannte thermo-mechanische Stoffprozeß, ergibt Stoffe, die sich z. B. eignen für die Verwendung als Druckpapier, Zellwollvlies, Rohzellstoff, Pappe usw. Diese Refiner-Holzstoffe werden im allgemeinen mit einer hohen Ausbeute (>95%) und gutem Glanz (55—60%) erhalten.

Um aus diesem Vorgang Stoffe mit diesen Eigenschäften zu erhalten, müssen die Vorerhitzungstemperatur verhältnismäßig niedrig (> 140⁰C) und die Vorerhitzungszeit kurz (>5min) sein. Das Erweichen des sich aus dieser Vorbehandlung ergebenden faserhaltigen Materials ist daher beschränkt Das für diese Stoffe

ίο erzielbare Festigkeitsniveau ist wesentlich niedriger als das für sogenannte chemische Stoffe. Bei der Herstellung dieser letzteren Stoffe wird das Holzmaterial zu nur 50—60% ausgenutzt Diese Vorgänge erzeugen schlanke, biegsame Fasern, deren Festigkeit nach einem geringen üblichen Aufschlagen zufriedenstellend in einem Papierbogen erhalten werden kann.

Es sind verschiedene Stoffprozesse im Ausbeuteintervall 60—95% bekannt und als halbchemische Prozesse (Ausbeute 60—80%) oder chemisch-mechanische Prozesse (Ausbeute 80—95%) definiert Die Stoffprozesse zeichnen sich dadurch aus, daß der normale Kochprozeß (Sulfat, Sulfit, Sodakochen usw.) bei dem gewünschten Ausbeuteniveau unterbrochen wird, wonach die leicht erweichten Späne raffiniert werden. Das Energieniveau beim Raffinieren wird im allgemeinen erhöht, wenn der Ertrag beim Kochprozeß erhöht wird. Die aufgewandte Energiemenge ist kleiner als bei der

Herstellung von mechanisch erzeugtem Refiner-Stoff. Die Eigenschaften der halbchemischen Faser sind

denjenigen der chemischen bei niedriger Ausbeute ähnlich, zeichnen sich jedoch bei höheren Ausbeuteniveaus durch verminderte Bindungsfähigfceit geringere Biegsamkeit und geringere Reinheit (hoher Holzsplittergehalt) aus. Der Stoff wird fast ausschließlich zur Herstellung von Wellpappe verwendet, wo die geringe Faserbiegsamkeit und der höhere Holzsplittergehalt von geringerer Bedeutung sind.

Die chemisch-mechanischen Prozesse wurden hauptsächlich entwickelt, um die Herstellung von mechanisch erzeugten] Refiner-Stoff aus Holz zu ermöglichen, das sich zur Herstellung von Refiner-Stoff weniger gut eignet, z. B. aus verschiedenen Arten von Hartholz. Die Vorbehandlung der Späne wurde so eingeschränkt, daß der hergestellte Stoff in günstigen Fällen dieselben Eigenschaften wie mechanisch erzeugter Stoff aus Weichholz zeigte und sich zur Verwendung als gemischter Stoff in Druckpapier eignete. Ein Druckpapierstoff muß zusätzlich zu gewissen Festigkeitseigenschaften gute Lichtstreuungseigenschaften haben, um

so einen lichtundurchlässigen Bogen bilden zu können. Eine verstärkte chemische Vorbehandlung erhöhte die Festigkeit, verminderte jedoch die Lichtstreuung. Die erweichende chemische Vorbehandlung wurde daher so eingeschränkt, daß die optischen Eigenschaften des hergestellten Stoffs in nicht zu hohem Ausmaß verschlechtert wurden. Die beim nachfolgenden Raffinieren aufgewandte Energiemenge war kleiner als üblicherweise im Fall ohne chemische Vorbehandlung. Es war erforderlich, den Energieaufwand beim Raffinieren einzuschränken, da sonst die Entwässerungseigenschaften des Stoffs so verschlechtert worden wären, daß es praktisch unmöglich gewesen wäre, den Stoff in einer Papierherstellungsmaschine zu verwenden. Hierdurch erreichte der Stoff nicht die Festigkeitseigenschaften, die ausreichen, um seine Verwendung in Papierprodukten höherer Qualität zu ermöglichen.

Um reine (von Holzsplittern im wesentlichen freie) Refiner-Stoffe herstellen zu können bei einer hohen

Ausbeute (90%) mit Festigkeitseigenschaften in derselben Höhe wie die chemischen Stoffe und mit Entwässerungseigenschaften, die eine Verwendung in einer Papierhersteilungsmaschine ermöglichen, muß eine Kombination von chemischem und thermischem Erweichen, gefolgt von einem entsprechend eingestellten Raffinieren, verwendet werden, die wirksamer als bisher bekannt ist

Die Erfindung betrifft eine Kombination von chemischem unL thermischem Erweichen und Raffinieren mit einem verhältnismäßig hohen Energieaufwand. Es hat sich herausgestellt, daß diese Stoffe mit extrem guten Festigkeitseigenschaften und Holzsplittergehalten hervorbringt, die niedriger als für chemische Stoffe sind. Das Durchsieben und Zentrifugalreinigen des Stoffs sollte sich daher in vielen Fällen erübrigen.

Zur Erzielung dieser hohen Festigkeitswerte ohne eine zu starke Verschlechterung der Entwässerungseigenschaften des Stoffs muß das Erweichen der Späne so wirksam ausgeführt werden, daß das t tonmaterial leicht zerfasert werden kann, ohne den Anteil des sich ergebenen feinen Materials zu stark zu erhöhen. Als Zerfaserung ist die Zerteilung von Spänen zu einzelnen Fasern zu verstehen. Die zerfaserten Fasern müssen daher zur Erzielung einer Biegsamkeit behandelt werden, die höher ist als sie bei der Herstellung von thermo-mechanischen, chemisch-mechanischen und halb-chemischen Stoffen erzielbar ist. Der bein Raffinieren bis zur gewünschten hohen Faserbiegsamkeit erforderliche Energieaufwand ist dabei bei jeder Entwässerungskapazität im Verhältnis höher als es bsi der Herstellung anderer Stoffarten bekannt ist.

Es wurde gefunden, daß ein wirksames Erweichen von Holzmaterial ausgeführt werden kann durch Tränken der Späne mit Lignin erweichenden Chemikalien in Form von leicht alkalischen Lösungen mit einem pH von 7 — 12, vorzugsweise 9—12, wodurch eine thermische Vorbehandlung bei hoher Temperatur (135—200⁰C) ermöglicht wird. Der Verlust an herausgelöster Holzsubstanz muß 10% nicht übersteigen, wenn die Wärmevorbehandlungszeit zwischen 1 und 30 Minuten gewählt wird. Geeignete Chemikalien bei der Vorbehandlung sind z. B. Na₂SO₃, NaOH und Na₂CO₃ oder Kombinationen hiervon. Das Tränken wird vorzugsweise vor dem Vorerhitzen ausgeführt. Der Druck und die Temperatur während des Tränkens sind vorzugsweise niedriger oder gleich dem Druck oder der Temperatur während der Vorbehandlung.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

F i g. 1 die Entwässerungskapazität des Stoffs in Abhängigkeit vom Energieaufwand;

F i g. 2 die Zugfestigkeit des Stoffs in Abhängigkeit von der Ausbeute, wobei die Menge von hinzugefügtem Na₂SO₃ ein Parameter ist;

Fig.3 den Holzsplittergehalt in Abhängigkeit von der Entwässerungsfähigkeit;

Fig.4 den Anteil an langen Fasern des Stoffs in Abhängigkeit von der Entwässerungskapazität;

F i g. 5 die Zugfestigkeit des Stoffs in Abhängigkeit von der Entwässerungskapazität;

Fig.6 die Menge an im Stoff aufgenommenen Na₂SO₃ in Abhängigkeit von der hinzugefügten Menge;

F i g. 7 die Zugfestigkeit des Stoffs in Abhängigkeit vom Schwefelanteil im Stoff bzw. vom Sulfonierungs- b5 grad.

Beim Raffinieren einer chemisch und thermisch erweichten Faser kann die Behandlung unter optimalen Bedingungen so ausgeführt werden, daß ein außergewöhnlich reiner Stoff (niedriger Holzsplittergehalt) erzielt wird, obwohl der Anteil an Fasern höher als z. B. bei einer normalen thermo-mechanischen Stoffherstellung ist, vgl. F i g. 3 bzw. 4. Die chemisch und thermisch erweichte Faser kann zu hoher Biegsamkeit behandelt und raffiniert werden, ohne daß feines Material in einem Ausmaß gebildet wird, wie bei der Behandlung von beispielsweise nur chemisch erweichten Spänen, etwa bei der Herstellung von thermo-mechanischem Stoff. Da der Anteil an feinem Material in hohem Maß die Entwässerungseigenschaften eines Stoffs bestimmt, ist es im Anschluß an das oben beschriebene Erweichen möglich, die Fasern mit einem höheren Energieaufwand und bis zu höherer Biegsamkeit zu behandeln, als beispielsweise beim thermo-mechanischen Stoffprozeß und trotzdem dieselben Eigenschaften wie für beiden Stoffarten zu erzielen. Auf diese Weise wird das Raffinieren ohne einen Energieaufwand durchgeführt, der bezüglich der Entwässerungskapazität des hergestellten Refiner-Stoffs in den Bereich ABCD, vorzugsweise EBCF, in der graphischen Darstellung von F i g. 1 fällt, die die Entwässerungskapazität des Stoffs, gemessen in CSF (Canadian Standard Freeness = kanadische Norm-Stoffdurchlässigkeit), in Abhängigkeit vom Energieaufwand, gemessen in kWh je Tonne völlig trockenem Stoff. Die Linie AD stellt den Energieaufwand bezüglich der Entwässerungskapazität dar, unter dem sich der Energieaufwand für die normale thermomechanische Stoffherstellung befindet.

Bei erhöhter Faserbiegsamkeit nehmen die Möglichkeiten zur Erhaltung der Festigkeit der Faser in einem Papierbogen zu. Die hohe Biegsamkeit der Faser eines chemischen Stoffs, die dadurch erhalten wurde, daß fast die Hälfte des Naturfaserstoffs durch Kochen entfärbt wurde, ergibt bei der Papierherstellung Bögen, die sich unter anderem durch hohe Festigkeit und Dichte auszeichnen. Dieselben Eigenschaften kennzeichnen den Refiner-Stoff, der gemäß den obigen Ausführungen erweicht und unter optimalen Bedingungen und mit hohem Energieaufwand raffiniert wurde.

Zur Durchführung eines wirkungsvollen Raffinieren ist das Material in den Refiner vorzugsweise zu laden bei einer Faserkonzentration von 15—35% und bei einem geringeren Druck und einer geringeren Temperatur als beim Vorerhitzen, z.B. 100—120"C und entsprechendem Dampfdruck, wodurch die Verwendung eines offenen Refiners und eines Raffinierens in einer Stufe möglich ist. Für gewisse Stoffqualitäten ist jedoch der Energieverbrauch so hoch, daß das Raffinieren zweckmäßig in zwei Stufen ausgeführt wird.

Es ist beim Raffinieren in mehreren Stufen möglich, den Druck und die Temperatur vom Vorerhitzen in der ersten Raffinierungsstufe aufrechtzuerhalten. Beim Raffinieren in mehreren Stufen wird das Raffinieren nach der ersten Stufe bei atmosphärischem Druck und einer Temperatur von weniger als 100° C ausgeführt. Unter den beschriebenen Bedingungen beim Raffinieren ist es möglich, die Fasern sehr wirksam zu behandeln. Sie können zu einer solch hohen Biegsamkeit behandelt werden, daß Papierbögen erhalten werden können, deren Festigkeitseigenschaften und Dichte dieselbe Höhe haben wie solche von aus chentischen Fasern hergestellten Papierbögen.

Beispiel

Späne aus Fichtenholz wurden durch Tränken mit Na₂SO₃-Lösungen mit unterschiedlichem Gehalt an

Na₂SO₃ und einem pH-Wert 10 behandelt.

Im Anschluß an das Tränken wurden die Späne durch Dampfbehandlung 10 Minuten lang bei einer maximalen Temperatur von 135° C bzw. 170⁰C vorerhitzt. Das anschließende Raffinieren wurde in einem offenen Refinsr bei einer Temperatur von etwa über 100° C ausgeführt.

F i g. 2 zeigt die Festigkeitseigenschaften des auf diese Weise hergestellten Stoffs, gemessen als Zugfestigkeit in Abhängigkeit von der Ausbeute mit einer Menge von zugeführtem Na₂SO₃ als Parameter. Der Stoff wurde bis zu einer Entwässerungskapazität von 400 ml CSF raffiniert Aus der Figur ergibt sich, daß die Festigkeitseigenschaften bei erhöhtem Na₂SO₃-Zusatz verbessert werden. Beim höchsten Sulfitzusatz (18%) und der höchsten Vorerhitzungstcnspcratssr {170° C) wurde die Festigkeit jedoch unbedeutend und auf Kosten der Ausbeute erhöht Ein Zusatz von 12% Na₂SO₃ scheint der höchste Zusatz zu sein, der in Verbindung mit einer hohen Vorerhitzungstemperatur zum Erhalten einer hohen Ausbeute von Interesse ist

Die Entwicklung dar Zugfestigkeit des Stoffs in einem niedrigeren Stoffdurchlässigkeitsbereich bei drei unterschiedlichen Vorbehandlungen ist in F i g. 5 gezeigt Nach dem Tränken mit 6 bzw. 12% Na₂SO₃ wurden die Späne 10 Minuten lang bei einer maximalen Temperatur von 135°C bzw. 170⁰C mit Dampf behandelt. Zum Vergleich ist auch die Zugfestigkeit für auf herkömmliche Weise hergestellten thermo-mechanischen Stoff angegeben.

Ein charakteristisches Merkmal des nach der

Erfindung hergestellten Stoffs ist der sehr geringe Holzsplittergehalt selbst bei hoher Entwässerungsfähigkeit, was sich aus F i g. 3 ergibt, die den Holzspüttergehalt, gemessen in % Kleinhoizsplitter, in Abhängigkeit von der Entwässerungsfähigkeit, gemessen in ml CSF, zeigt. Zum Vergleich sind die Werte für einen Stoff angegeben, der gemäß dem herkömmlichen thermo-mechanischen Raffinieren hergestellt ist.
Von der zugefügten Menge an Na₂SO₃ wird nur ein

ίο Teil in der Stoffaser aufgenommen. Der Unterschied zwischen der hinzugefügten und aufgenommenen Menge ergibt sich aus F i g. 6. Es ist somit gemäß der Erfindung möglich, vom Stoffwaschvorgang einen großen Teil des Sulfits zum Tränkkessel zurückzuführen.

Die Menge der hinzugefügten und im Stoff aufgenommenen Lignin erweichenden Chemikalien kann auch gemessen werden als der Anteil des Schwefels in völlig trockenem Stoff nach dem Waschen bzw. als Sulfonierungsgrad. Der Sulfonierungsgrad ist der Gehalt an stark sauren Gruppen im Stoff und kann durch Messen der Menge der Na+ -Ionen bestimmt werden, die von einem Stoff aufgenommen werden können, der gesättigt ist mit H+-Ionen durch Behandlung mit 0,1 η Salzsäure (HCl) und durch anschließendes Waschen. F i g. 4 zeigt daß die Zugfestigkeit des Stoffs, gemessen in km bei CSF 400 ml, zunimmt mit zunehmendem Schwefelanteil im Stoff bzw. mit zunehmendem Sulfonierungsgrad, gemessen in ml-Äquivalent/g völlig trockenem Stoff.

Die Vorerhitzungstemperatur beträgt 135° C bzw. 170⁰C.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines chemisch abgeänderten thermo-mechanischen Refiner-Stoffs aus Holzmaterial mit einer Ausbeute von über 90% mit einem hohen Gehalt an langen Fasern, wobei die Fasern eine hohe Bindungsneigung und Biegsamkeit haben, durch ein zuerst erfolgendes Erweichen des Holzmaterials durch Behandlung mit Lignin erweichenden Chemikalien in Verbindung mit einem Vorerhitzen bei hoher Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend daran das Holzmateriai raffiniert wird, wobei das Raffinieren mit einem Energieaufwand durchgeführt wird, der bezüglich der Entwässerungskapazität des hergestellten Refiner-Stoffs in den Bereich ABCD, vorzugsweise EBCF, in der graphischen Darstellung von F ig. 1 fällt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Holzmaterial bei geringerem Druck und geringerer Temperatur als beim Vorerhitzen in den Refiner eingeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß daß Holzmaterial 1—30 Minuten lang auf 135—200^CC vorerhitzt wird, und daß die Temperatur beim Einführen in den Refiner 100-120⁰C beträgt

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das chemische Erweichen durch Tränken mit 2—12% Na₂SO₃ bei einem pH-Wert von 7—12 erzielt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Tränken mit 4—8% Na₂SO₃ bei einem pH-Wert von 9—12 statifindet

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das chemische Erweichen und das Vorerhitzen bei demselben Druck und derselben Temperatur ausgeführt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das chemische Erweichen vor dem Vorerhitzen bei einer Temperatur ausgeführt wird, die niedriger als die Vorerhitzungstemperatur ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der hinzugefügten Lignin erweichenden Chemikalien, der nicht vom Holzmaterial aufgenommen wird, aus dem Stoff ausgewaschen und zur Vorbehandlungsstufe zurückgeführt wird.