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Die
vorliegende Erfindung sieht Verfahren zur Verminderung des Polymerisationsgrads
von Pulpen ohne wesentliche Verminderung des Hemizellulosegehalts
vor. Die sich ergebende Pulpeprodukt hat eine geringe Kupferzahl
und kann zur Herstellung von Lyocellfasern verwendet werden.
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Lyocellfasern
werden typischerweise aus stark verarbeiteter Pulpe hergestellt,
die als „high
alpha" Pulpe bekannt
ist, welche hauptsächlich
aus Zellulose besteht und von der viel Hemizellulose und Lignin
entfernt wurde. Die hochreinen „alpha Pulpen" sind teuer in der
Herstellung. Ein übliches
Verfahren, das als „Kraft" bekannt ist, wird
weithin zur Herstellung einer Pulpe verwendet, die weniger Zellulose
und mehr Hemizellulose im Vergleich zu den „high alpha Pulpen" aufweist. Das Kraft-Aufschlussverfahren
ist generell von allen Aufschlussverfahren eines der wirksamsten.
Es wird allerdings davon ausgegangen, dass die relativ großen Mengen
an Hemizellulose, die in der Kraft-Pulpe verbleiben, die Pulpe zur
Verwendung bei der Lyocell-Herstellung ungeeignet machen. Kürzlich sind
eine Anzahl von Patenten erteilt worden, die dem Rechtsnachfolger
der vorliegenden Erfindung abgetreten wurden und Verfahren zur Herstellung
von Pulpen beschreiben, die einen hohen Hemizellulosegehalt aufweisen,
aber trotzdem erfolgreich zu Lyocellfasern versponnen wurden. Eine
solche bekannte Technologie konzentriert sich auf die Verringerung
des Polymerisationsgrads (D.P.) der Zellulose. Eine solche Verringerung
des Polymerisationsgrads soll dafür verantwortlich sein, dass
sich die Pulpe mit hohem Hemizellulosegehalt in Amin N-Oxid-Lösungsmitteln vollständig lösen und
zu Lyocellfasern versponnen werden kann.
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Die
Kupferzahl stellt den Carbonylgehalt der Pulpe dar. Es wird allgemein
davon ausgegangen, dass eine hohe Kupferzahl zu einem Abbau des
Amin-N-Oxid-Lösungsmittels
führt.
Demgemäß muss die
Pulpe, um für
die Lyocellherstellung von Nutzen zu sein, einen bestimmten Kupferzahlbereich
aufweisen. Im
US-Patent Nr. 6,210,801 werden
Verfahren beschrieben, die den Polymerisationsgrad der Zellulose
von Pulpe verringern, ohne im Wesentlichen den Hemizellulosegehalt
zu reduzieren. Diese Verfahren umfassen die Behandlung der Pulpe
mit einer Säure
oder einer Säurekombination;
die Behandlung der Pulpe mit Dampf; die Behandlung der Pulpe mit
einer Kombination aus Eisensulfat und Wasserstoffperoxid; die Behandlung
der Pulpe mit einer Kombination aus einem Übergangsmetall und Peressigsäure; und
die Behandlung der Pulpe mit einem alkalischen Chlordioxid oder
mit einem alkalischen Natriumhypochlorit. Allerdings ist Eisensulfat
in einer Konzentration von etwa 15000 ppm bis 90000 ppm vorhanden.
Die zuvor erwähnten
Verfahren erfordern, dass eine zweite, nachfolgende Behandlung durchgeführt wird,
um die Kupferzahl der Pulpe auf ein akzeptables Niveau zu senken. Im
Patent '801 wird
die Kupferzahl dadurch verringert, dass die Pulpe mit Natriumborhydrid
oder Natriumhydroxid behandelt wird oder dass die Pulpe mit einer
oder mehr Bleichmitteln behandelt wird.
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Im
US-Patent 6,331,354 werden
Verfahren beschrieben, die die Notwendigkeit einer nachfolgenden Behandlung
zur Senkung der Kupferzahl nach der Reduzierung des Polymerisationsgrads
der Zellulose überflüssig gemacht
haben. Durch dieses alternative Verfahren wurde der Polymerisationsgrad
gesenkt, ohne den Hemizellulosegehalt wesentlich zu reduzieren und
auch ohne die Kupferzahl wesentlich zu erhöhen. Das Verfahren verwendet
einen Sauerstoffreaktor, der unter alkalischen Bedingungen betrieben
wird. Ein Sauerstoffreaktor wird typischerweise nach den Braunstoffwäschern und
vor der Bleichfolge aufgenommen und wird zum Zerstören oder
Lösen der
Farbstoffe in der Pulpe verwendet. Das Patent 354 beschreibt Bedingungen
zum Betreiben eines Sauerstoffreaktors zur Verringerung des Polymerisationsgrads
von Zellulose ohne wesentliche Verringerung des Hemizellulosegehalts
oder Erhöhung
der Kupferzahl.
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Ungeachtet
der Fortschritte, die bei der Verringerung des Polymerisationsgrads
in der Pulpe erzielt wurden, gibt es noch immer Gelegenheiten zur
Entwicklung von Alternativen, um den Polymerisationsgrad ohne wesentliche
Reduzierung des Hemizellulosegehalts zu verringern und Pulpe mit
einer geeigneten Kupferzahl zur Verfügung zu stellen. Die vorliegende
Erfindung stellt alternative Strategien zur Verringerung des Polymerisationsgrads
von Pulpen mit hohem Hemizellulosegehalt zur Verfügung, die
in einigen bestehenden Pulpe- bzw. Zellstoffwerken mit Bleichfolgen
durchgeführt
werden können.
Die Pulpewerke sind ansonsten nicht in der Lage, Pulpe mit einem
niedrigen Polymerisationsgrad zu erzeugen, ohne dass die Mengen
an Bleichchemikalien und die Bleichtemperatur von den normalen Bedingungen
angehoben werden.
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Es
wird ein Verfahren mit einem hohen pH-Wert zur Verringerung des
Polymerisationsgrads einer Pulpe mit einem Hemizellulosegehalt von
mindestens 7 % beschrieben. Das Verfahren mit hohem pH-Wert wird bei
einem pH-Wert von über
8 durchgeführt.
Das Verfahren mit hohem pH-Wert verringert den Polymerisationsgrad
ohne die Kupferzahl wesentlich zu erhöhen. Das Verfahren kann in
Pulpewerken mit einer Bleichfolge mit einer oder mehr der Stufen
E oder D durchgeführt
werden. Am Ende der Bleichfolge wird eine Pulpe mit einem Polymerisationsgrad
von 200 bis 1100, einer Kupferzahl von unter 2 und einem Hemizellulosegehalt
von mindestens 7 % zur Verfügung
gestellt. Die Pulpe kann zur Herstellung von Lyocellfasern verwendet
werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann Pulpen mit einem geringen Polymerisationsgrad
in der Bleichfolge eines bestehenden Pulpewerks ohne eine wesentliche
Anpassung an die normalerweise verwendeten Chemikalienmengen und
Temperaturen erzeugen.
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Die
vorstehenden Aspekte und viele der begleitenden Vorteile der vorliegenden
Erfindung sind ohne weiteres ersichtlich, da sie mit Bezug auf die
folgende ausführliche
Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich werden,
worin:
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1 eine
schematische Darstellung eines Bleichfolgeverfahrens gemäß der Erfindung
ist;
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2 eine
schematische Darstellung eines alternativen Bleichfolgeverfahrens
gemäß der Erfindung ist;
und
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3 eine
schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Lyocellfasern
ist.
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Eine
große
Menge der chemischen Pulpe, die mittels des Kraft-Verfahrens hergestellt
wird, wird zum Entfernen der Farbkomponenten in der Pulpe durch
eine Bleichfolge gegeben. Die Bleichfolge kann ein oder mehr Bleichstufen
umfassen, die mit den Buchstaben C, E, H, D, P und O bezeichnet
sind. Jede Stufe betrifft eine bestimmte, beim Bleichen von Pulpe
verwendete Chemikalie. Es gibt natürlich fast unendliche Variationen im
Hinblick auf die Temperatur, Chemikaliendosierung, den Druck und
die Pulpekonsistenz, die in jeder Bleichstufe angewendet werden
können.
Eine ausführliche
Erörterung
der Bleichchemie ist hier nicht notwendig, trotzdem wird auf das „Handbook
of Pulping and Papermaking" von
Christopher S. Biermann Bezug genommen. Eine Auswirkung des Bleichens
von Pulpe ist ein gleichzeitiger Zelluloseabbau. Der Zelluloseabbau
außerhalb
des Kontextes der bekannten, im Abschnitt über den Stand der Technik beschriebenen
Patente, verwandten Patente und Anmeldungen und der vorliegenden
Anmeldung ist nachteilig, weil er zu einem Abbau der Pulpefestigkeit
führt.
Allerdings versucht, während
ein Teil des Standes der Technik die Verhinderung des Zelluloseabbaus
während
des Bleichens lehrt (siehe beispielsweise Samuelsson,
US-Patent Nr. 5,985,097 ), die vorliegende
Erfindung, den Zelluloseabbau mit einem Katalysator in einer oder
mehr Bleichstufen oder zwischen den Stufen zu beschleunigen, um
Pulpen zu erzeugen, die zur Lyocell herstellung geeignet sind. Unter Zugabe
des Katalysators zur Bleichstufe oder Zwischenstufe zwischen den
Stufen verringert das ganze Bleichfolgeverfahren gemäß der Erfindung
den Polymerisationsgrad der Zellulose in der Pulpe auf einen Bereich
von 200 bis 1100, ohne dass es den Hemizellulosegehalt der Pulpe
signifikant reduziert. Die Kupferzahl wird auf unter 2 eingestellt,
und zwar entweder gleichzeitig mit der Verringerung des Polymerisationsgrads
oder anschließend
an die Verringerung des Polymerisationsgrads. Das Verfahren gemäß der Erfindung
kann in Pulpewerken mit Bleichfolgen durchgeführt werden, die normalerweise
Pulpen mit hohem Hemizellulosegehalt erzeugen, die ansonsten für die Lyocellherstellung
ungeeignet sind. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann die Pulpen
für die
Lyocellherstellung nützlich
werden lassen.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung kann in Bleichfolgen mit einer Stufe D mittels Chlordioxid
und einer Stufe E oder Extraktionsstufe mittels Natriumhydroxid
und Wasserstoffperoxid durchgeführt werden.
Da einige der gängigen
Bleichfolgebedingungen in bestehenden Bleichanlagen zu mild sind,
um den Polymerisationsgrad von Zellulose auf den Bereich von 200
bis 1100 zu reduzieren, wird einer Bleichstufe oder Zwischenstufe
zwischen den Stufen in der Bleichfolge ein Katalysator zugesetzt,
um die ganze Verringerung des Polymerisationsgrads der Zellulose
zu erhöhen.
Es wird davon ausgegangen, dass, obwohl Wasserstoffperoxid die bevorzugte
Chemikalie für
die Verwendung in der Stufe E ist, auch andere Oxidationsmittel
verwendet werden können.
In ähnlicher
Weise können,
obwohl Natriumhydroxid die bevorzugte Chemikalie zur Verwendung
in der Stufe E ist, auch andere Alkalichemikalien verwendet werden.
Weiter ist es, obwohl jede Bleichstufe im Allgemeinen in einem einzigen
Bleichturm, der einer Bleichstufe zugeordnet ist, durchgeführt wird,
möglich,
die Erfindung in einem oder mehr Bleichtürmen auszuführen, wobei mehr als eine Bleichstufe
in einem einzelnen Bleichturm durchgeführt werden kann oder wobei
eine Stufe in einem oder mehr Türmen durchgeführt werden
kann.
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Chemische
Pulpe, wie beispielsweise Kraft-Pulpe, wird, nachdem sie in Braunstoffwäschern gewaschen
wurde, normalerweise „gebleicht", um die in der Pulpe
gefundenen Farbkomponenten zu entfernen. Braunstoff-Pulpe, die gemäß dem Kraft-Verfahren
unter alkalischen Bedingungen chemisch aufgeschlossen wurde und
keiner sauren Prähydrolysebehandlung
ausgesetzt war, enthält
eine Hemizellulosemenge, die mindestens 7 Gew.-% beträgt, gemessen
mit einem Zuckergehaltsassay bezogen auf einen eigenen Weyerhaeuser
Zuckergehaltsassay (AM W-LC-Holzpulpe). Die Verringerung des Polymerisationsgrads
findet ohne wesentliche Verringerung des Hemizellulosegehalts der
Pulpe statt. In dieser Anmeldung bedeutet der Ausdruck „ohne wesentliche
Verringerung des Hemizellulosegehalts" ohne Verringerung des Hemizellulosegehalts
um mehr als 50 %, vorzugsweise nicht über 15 % und ganz besonders
bevorzugt nicht über
5 % während
des D.P. Reduzierungsschritts.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Katalysator zur Verringerung des Polymerisationsgrads der
Zellulose einer Pulpe in einer Stufe E oder vor einer Stufe E aber
nach einer Stufe D oder sowohl vor einer Stufe D als auch E vorgesehen.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung erfolgt ein Verfahren mit einem hohen pH-Wert zur Verringerung
des Polymerisationsgrads.
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Die
Verringerung des Polymerisationsgrads der Zellulose einer Pulpe
kann bei einem pH-Wert von über
8 auftreten. Wenn die Verringerung des Polymerisationsgrads bei
einem hohen pH-Wert von über
8 auftritt, ist es nicht notwendig, anschließend eine Alkalibehandlung
durchzuführen,
um die Kupferzahl auf unter 2 zu senken. Das Verfahren mit einem
hohen pH-Wert zur Verringerung des Polymerisationsgrads von Zellulose findet
sowohl ohne wesentliche Verringerung des Hemizellulosegehalts als
auch ohne wesentliche Erhöhung der
Kupferzahl statt. In dieser Anmeldung bedeutet der Ausdruck „ohne wesentliche
Erhöhung
der Kupferzahl" ohne
Erhöhung
der Kupferzahl um über
100 %, vorzugsweise nicht über
50 % und ganz besonders bevorzugt nicht über 25 % während der Verringerung des
Polymerisationsgrads. Die Kupferzahl wird mit dem Weyerhaeuser Verfahren
AM W-PPD-3 gemessen. Ein nützlicher
Kupferzahlbereich der mit dem Verfahren gemäß der Erfindung erzeugten Pulpe
liegt unter oder bei etwa 2. Natriumhydroxid in einer Menge von
etwa 1,5 %, bezogen auf das Gewicht der Pulpe, wird zur Reduzierung
der Kupferzahl der Pulpe auf unter 2 zugesetzt. Das Verfahren mit
hohem pH-Wert ist dazu geeignet, den Polymerisationsgrad der Zellulose
zu verringern, wenn der anfängliche
Polymerisationsgrad der Zellulose einer Pulpe etwa 1050 oder weniger
beträgt.
Die Verringerung des Polymerisationsgrads bei einem pH-Wert von über 8 führt zu einer
etwa 20 %igen bis 40 %igen Verringerung des Polymerisationsgrads
vom Ausgangswert. Im Gegensatz dazu führt eine Verringerung des Polymerisationsgrads
bei einem pH-Wert von 2 bis 8 zu einer etwa 10%igen bis 20%igen
Verringerung des Polymerisationsgrads vom Ausgangswert. Der Polymerisationsgrad
wird mittels des ASTM Tests D1795 gemessen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird bei einem Verfahren mit einem hohen pH-Wert
von über
8 ein Katalysator in einer Stufe EP zugesetzt,
um den Polymerisationsgrad der Zellulose zu verringern. Bei der
Stufe EP handelt es sich um eine mit Wasserstoffperoxid
verstärkte
Extraktionsstufe unter Verwendung von Natriumhydroxid. Ein in der
vorliegenden Erfindung nützlicher
Katalysator stellt Übergangsmetallionen
zur Verfügung,
die die Verringerung des Polymerisationsgrads der Zellulose katalysieren.
Ein solcher Katalysator weist ein Übergangsmetall mit einem positiven
Oxidationszustand oder Kation, wie beispielsweise Fe(II), Fe(III),
Mn(II), Cu(II), Cu(I), Co(II), Co(III), Ni(II) auf. Von diesen sind
die bevorzugten Katalysatoren Eisen und Kupferkationen: Fe(II),
Fe(III), Cu(II). Die Katalysatoren umfassen auch die Salze der zuvor
erwähnten
Metallionenarten sowie alle Kombinationen davon.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird in einem Verfahren mit einem hohen pH-Wert
von mindestens 8 ein Katalysator, Wasserstoffperoxid und Natriumhydroxid
einer Stufe E zugegeben. In jeder der zur Verringerung des Polymerisationsgrads
verwendeten Stufen E liegt eine wirksame Katalysatormenge im Bereich
von 0,1 ppm bis 30 ppm, bezogen auf das Gewicht der Pulpe. Eine
wirksame Menge an Wasserstoffperoxid ist 1 % bis 3 %, bezogen auf
das Gewicht der Pulpe. Eine wirksame Menge an Natriumhydroxid ist
1 bis 4 %, bezogen auf das Gewicht der Pulpe. Natriumhydroxid wird
verwendet, um das Perhydroxyl-Ion vorzusehen und den pH-Wert über einem
Wert von 8 zu halten. Die Temperatur der Stufe EP ist
75°C bis
90°C. Bei
einem hohen pH-Wert von über
8 senkt die Stufe den Polymerisationsgrad der Zellulose ohne die
Kupferzahl wesentlich zu erhöhen.
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Mit
Bezug auf die 1 wird eine repräsentative
Bleichfolge zur Verfügung
gestellt, die eine Stufe D0 (Block 102),
eine Stufe EP,1 (Block 104), eine
Stufe D1 (Block 106), eine Stufe
EP,2 (Block 108) und eine Stufe D2 (Block 110) aufweist. Für eine Verringerung
des Polymerisationsgrads mit hohem pH-Wert kann der Katalysator
entweder in der ersten oder zweiten Stufe EP zugesetzt
werden. Die 1 zeigt die Zugabe eines Katalysators 114 in
der ersten Stufe E, Block 104. Es kann von Vorteil sein,
die Verringerung des Polymerisationsgrads in der Stufe EP,1 durchzuführen und die Stufe EP,2 kann falls notwendig zur weiteren Anpassung
des Polymerisationsgrads verwendet werden. Die Durchführung des
in der 1 gezeigten Bleichverfahrens unter Zugabe eines
Katalysators vor oder in mindestens einer Stufe E führt zu einer
Pulpe mit einem Polymerisationsgrad von 200 bis 1100, einem Hemizellulosegehalt
von mindestens 7 % und einer Kupferzahl von unter 2.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Verwendung
eines Katalysators den Polymerisationsgrad der Zellulose einer Pulpe
ohne wesentliche Anpassung an die normalen Chemikalienraten oder
Temperaturen, die normalerweise in den Bleichstufen verwendet werden,
reduzieren kann. In einigen Fällen
kann die Verwendung von Bleichchemikalien bei Verwendung eines Katalysators
im Hinblick auf die normalen Mengen verringert werden. Die typischen
Arbeitsbedingungen der Bleichfolge der 1 sind nachfolgend
angegeben.
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In
der ersten Stufe D0, Block 102,
wird die Pulpekonsistenz unter Zugabe von Wasser auf etwa 10 % eingestellt.
Chlordioxid, das einer Menge von 0,5 bis 1,5 Gew.-%, bezogen auf
das Gewicht der Pulpe, entspricht, wird zugesetzt. Das Gemisch wird
für 40
bis 90 Minuten bei einer Temperatur von 65°C bis 75°C gehalten.
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In
der Papricyclestufe, Block 116, wird Natriumhydroxid mit
0,5 % bis 1,5 %, bezogen auf das Gewicht der Pulpe, zugesetzt. Die
Temperatur beträgt
60°C bis
80°C und
die Dauer ist 15 bis 60 Minuten.
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In
der ersten Stufe EP,1, Block 104,
wird die Pulpekonsistenz unter Zugabe von Wasser bei etwa 10 % gehalten.
Natriumhydroxid wird der Stufe in einer Menge von 1,5 % bis 3 %,
bezogen auf das Gewicht der Pulpe, zugesetzt. Wasserstoffperoxid
wird der Stufe in einer Menge von 1 % bis 3 %, bezogen auf das Gewicht der
Pulpe, zugegeben. Die Temperatur beträgt 75°C bis etwa 90°C. Die Stufendauer
liegt bei 50 bis 90 Minuten.
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In
der zweiten Stufe D1, Block 106,
wird Chlordioxid in einer Menge von 0,5 % bis 1,5 %, bezogen auf das
Gewicht der Pulpe, zugesetzt und die Pulpe erneut verdünnt, um
die Konsistenz auf etwa 10 % zu bringen. Die Temperatur ist 70°C bis 85°C. Die Stufendauer
liegt bei 60 bis 90 Minuten.
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In
der zweiten Stufe EP,2, Block 108,
wird der Stufe Natriumhydroxid zugegeben, wobei Wasser zugesetzt
wird, um eine Konsistenz von etwa 10 % zu erzielen. Die Zugabe von
Natriumhydroxid liegt bei 1,5 % bis 3,5 %, bezogen auf das Gewicht
der Pulpe. Wasserstoffperoxid wird auch in einer Menge von 1 % bis
3 %, bezogen auf das Gewicht der Pulpe, zugesetzt. Die Temperatur
beträgt
80°C bis
90°C. Die
Stufendauer liegt bei 50 bis 90 Minuten.
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In
der zweiten Stufe D2, Block 110,
wird Chlordioxid mit 0,3 % bis 1 %, bezogen auf das Gewicht der Pulpe,
zugesetzt. Die Temperatur beträgt
70°C bis
85°C. Die
Stufendauer liegt bei 60 bis 90 Minuten.
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Mit
Bezug auf die 2 wird eine weitere repräsentative
Bleichfolge gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Verfügung
gestellt. Die Bleichfolge umfasst eine Stufe O (Block 216),
eine Stufe D1, (Block 218), eine Stufe
Ep (Block 220) und eine Stufe D2 (Block 222). Die Bleichfolgen
mit einer einzelnen Stufe E können
das Verfahren mit einem hohen pH-Wert zur Reduzierung des Polymerisationsgrads
verwenden.
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In
einer Ausführungsform,
das die Verringerung des Polymerisationsgrads mit hohem pH-Wert
verwendet, wird der Katalysator, das Wasserstoffperoxid und das
Natriumhydroxid einer einzelnen Stufe EP,
Block 220, zugegeben, die den Polymerisationsgrad der Zellulose
verringert, ohne die Kupferzahl wesentlich zu erhöhen und
ohne den Hemizellulosegehalt wesentlich zu reduzieren.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Verwendung
eines Katalysators den Polymerisationsgrad der Zellulose einer Pulpe
ohne wesentliche Anpassung an die normalen Chemikalienraten oder
Stufentemperaturen reduzieren kann. In einigen Fällen kann die Verwendung von
Bleichchemikalien gegenüber
den normalen Mengen mittels eines Katalysators reduziert werden.
Die typischen Arbeitsbedingungen der Bleichfolge der 2 sind
nachfolgend angegeben.
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Die
erste Bleichstufe ist eine Stufe O, Block 216. Die Stufe
O umfasst das Bleichen mit Sauerstoff. Das Sauerstoffbleichen ist
ein Bleichen mit Sauerstoff unter Druck. Sauerstoff wird für die Entfernung
von Farbkomponenten als weniger spezifisch angesehen als die Chlorverbindungen.
Das Sauerstoffbleichen findet in einem Sauerstoffreaktor statt.
Der Reaktor kann mit hoher Konsistenz arbeiten, wobei die Konsistenz
des Speisestroms zum Reaktor über
20 % liegt, oder er kann bei mittlerer Konsistenz betrieben werden,
wobei die mittlere Konsistenz im Bereich zwischen 8 % und 20 % liegt.
Vorzugsweise kann bei Anwendung eines Sauerstoffreaktors mit hoher
Konsistenz der Sauerstoffdruck die maximale Druckauslegung für den Reaktor
erreichen, liegt aber vorzugsweise über 0 bis 0,6 MPa (0 bis 85
psig). Bei Reaktoren mit mittlerer Konsistenz kann der Sauerstoff
in einer Menge im Bereich von über
0 bis 50 g/kg (über
0 bis 100 Pounds pro Tonne) Pulpe vorhanden sein, liegt aber vorzugsweise
bei 25 bis 40 g/kg (50 bis 80 Pounds pro Tonne) Pulpe. Die Temperatur
der Stufe O liegt im Bereich von 100°C bis 140°C.
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Die
Stufe D1, Block 218, umfasst das
Bleichen der Pulpe, die vom Sauerstoffreaktor kommt, mit Chlordioxid.
Die Menge an Chloridoxid, die in dieser Stufe verwendet wird, liegt
im Bereich von 0,5 % bis 1,5 %, bezogen auf das Gewicht der Pulpe.
Die Temperatur der Stufe D1 liegt im Bereich
von 70°C
bis 100°C.
Die Stufendauer beträgt
60 bis 90 Minuten.
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Die
Stufe EP, Block 220, ist die mit
Wasserstoffperoxid verstärkte
Extraktionsstufe, bei der die Pulpe mit Natriumhydroxid in einer
Menge im Bereich von 1,5 % bis 5 %, bezogen auf das Gewicht der
Pulpe, behandelt wird. Die Wasserstoffperoxidmenge liegt im Bereich
von 1,5 % bis 3 %, bezogen auf das Gewicht der Pulpe. Die Temperatur
der Stufe E liegt im Bereich von etwa 80°C bis 95°C. Die Stufendauer beträgt 60 bis
90 Minuten.
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In
einer Ausführungsform
folgt die zweite Stufe D2, Block 222,
der Stufe EP, Block 220. Die Menge
an Chlordioxid, die in dieser Stufe verwendet wird, liegt im Bereich
von 0,5 % bis 1,5 %, bezogen auf das Gewicht der Pulpe. Die Temperatur
der Stufe D2 liegt im Bereich von 70°C bis 90°C. Die Stufendauer
ist 60 bis 90 Minuten.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung führt
jedes der oben erwähnten
Modelle zur Verringerung des Polymerisationsgrads der Zellulose
zu einer Pulpe mit einem Zellulose-Polymerisationsgrad von 200 bis
1100, einer Kupferzahl von unter 2 und einem Hemizellulosegehalt
von mindestens 7 %.
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Ein
typisches Werk weist unerwünschte
Metalle, wie beispielsweise Magnesium und Calcium, im Wasser auf,
die in die Pulpe eingeführt
werden können.
Magnesium- und Calciumverbindungen können eine deaktivierende Wirkung
auf den Katalysator haben. Die Ca(II)- und Mg(II)-Ionenarten im Wasser
deaktivierten, wie man festgestellt hat, den Katalysator und verhinderten
den Abbau von Zellulose. Die Metalle können durch Zugabe eines Chelatbildners
mit dem Katalysator in oder vor einer der Stufen D oder E entfernt
werden. Geeignete Chelatbildner umfassen Aminopolycarbonsäuren (APCA),
Ethylendiamintetraessigsäure
(EDTA), Diethylentriaminpentaessigsäure (DTPA), Nitrilotriessigsäure (NTA),
Phosphonsäuren,
Ethylendiamintetramethylenphosphonsäure (EDTMP), Diethylentriaminpentamethylenphosphonsäure (DTPMP),
Nitrilo trimethylenphosphonsäure
(NTMP), Polycarbonsäuren,
Gluconate, Citrate, Polyacrylate und Polyaspartate oder eine Kombination
davon, sind aber nicht darauf beschränkt. Ein Chelatbildner kann
in einer Menge von bis zu 0,1 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der
Pulpe, zugesetzt werden. Zusätzlich
zu den Chelatbildnern kann die Pulpe unter sauren Bedingungen gewaschen
werden, um die normalerweise vor oder nach dem Verfahren auftretenden Metalle
zur Verringerung des Polymerisationsgrads zu entfernen. In Bleichfolgen
mit einer Stufe D als letzte Stufe der Bleichfolge kann die Stufe
D die normalerweise auftretenden Metalle und Katalysatoren auswaschen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt daher eine zur Lyocellherstellung nützliche
Pulpe zur Verfügung,
die einen Polymerisationsgrad im Bereich von 200 bis 1100, mindestens
7 % Hemizellulose, bezogen auf das Gewicht, und eine Kupferzahl
von unter 2 aufweist. Die Pulpe kann auch einen Gesamtgehalt an Übergangsmetallen
(Eisen, Mangan, Kupfer, Kobalt und Nickel) von unter 25 ppm aufweisen.
Die Übergangsmetalle
werden mittels des Weyerhaeuser Verfahrens AM T-266M/E 6010 gemessen.
Die gemäß der Erfindung
behandelten Pulpen zeigen auch einen niedrigen ☐R (nachfolgend
Delta R), der zwischen R10 und R18 variiert. R10 betrifft das
restliche ungelöste
Material, das nach dem Versuch, die Pulpe in einer 10%igen Ätzlösung zu
lösen, übrig bleibt.
R18 betrifft die restliche Menge an ungelöstem Material,
die nach dem Versuch, die Pulpe in einer 18%igen Ätzlösung zu
lösen, übrig bleibt.
R10 und R18 werden
mittels des Weyerhaeuser Verfahrens AM T-235 gemessen.
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Die
gemäß der vorliegenden
Erfindung behandelte Pulpe kann in einem Lösungsmittel gelöst und durch
Schmelzzerstäuben,
Zentrifugalspinnen oder Spunbounding einer Zelluloselösung, wie
im
US-Patent Nr. 6,235,392 beschrieben,
zu Lyocellfasern versponnen werden. Alternativ kann eine Spinnlösung, die
durch die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Pulpe erzeugt wird, auf jede herkömmliche
Weise zur Verwendung mit „high
alpha" Pulpen versponnen
werden.
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Die 3 zeigt
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
eines Verfahrens zum Ausbilden von Lyocellfasern aus den gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Pulpen. Ausgehend von Pulpe mit reduziertem
D.P. in Block 300 wird die Pulpe physikalisch aufgebrochen,
zum Beispiel mit einem Zerkleinerer in Block 302. Die Pulpe
wird mit einem Aminoxid-Wasser-Gemisch gelöst, um eine Spinnlösung zu
ergeben, Block 304. Die Pulpe kann mit einem Nichtlösungsmittelgemisch
aus etwa 40 % NMMO und 60 % Wasser benetzt werden. Das Gemisch kann
in einem doppelarmigen Sigma Schaufelmischer gemischt und ausreichend Wasser
abdestilliert werden, wobei etwa 12 bis 14 %, bezogen auf NMMO, übrig bleibt,
so dass eine Zelluloselösung
gebildet wird, Block 306. Alternativ kann NMMO mit geeignetem
Wassergehalt anfänglich
dazu verwendet werden, die Notwendigkeit der Vakuumdestillation,
Block 308, auszuschalten. Dies ist ein bequemer Weg, um
die Spinnlösungen
im Labor herzustellen, wo im Handel erhältliches NMMO mit einer Konzentration von
etwa 40 bis 60 % mit Labroreagens NBMMO mit nur etwa 3 % Wasser
gemischt werden kann, um ein Zelluloselösungsmittel mit 7 bis 15 %
Wasser herzustellen. Die Feuchtigkeit, die normalerweise in der
Pulpe vorhanden ist, sollte zum Anpassen des im Lösungsmittel
vorkommenden Wassers berücksichtigt
werden. Es wird auf die Artikel von Chanzy, H., und A. Peguy, Journal
of Polymer Science, Polymer Physics, Hrsg. 18:1137–1144 (1980)
und Navard, P., und J.M. Haudin, British Polymer Journal, Seite
174 (Dezember 1980) für
die Herstellung von Zellulosespinnlösungen in NMMO und Wasserlösungsmitteln
im Labor Bezug genommen. Eine dritte Alternative zur Herstellung
von Spinnlösung
ist es, die Pulpe mit Wasser zu mischen und anschließend die
Pulpe zu entwässern
und danach die Pulpe mit NMMO zu lösen.
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Die
gelöste,
gebleichte Pulpe (die nun als Spinnlösung bezeichnet wird) wird
in einem Verfahren, das als Spinnen, Block 310, bezeichnet
wird, durch Extrusionsöffnungen
gedrückt,
um Zellulosefasern zu produzieren, die dann mit einem Nichtlösungsmittel,
Block 312, regeneriert werden. Das Spinnen zur Bildung
von lyocellgeformten Körpern,
einschließlich
Fasern, Filmen und Vliesstoffen, kann das Schmelzzerstäuben, Zentrifugalspinnen,
Spunbonding und das Trocken-Jet Nassverfahren umfassen. Schließlich werden
die Lyocellfäden
oder -fasern gewaschen, Block 314.
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BEISPIEL A
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VERRINGERUNG DES POLYMERISATIONSGRADS
MIT HOHEM PH-WERT
MIT EINEM KATALYSATOR
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Sobald
die Pulpe (NB416 Flockenpulpe, die von Weyerhaeuser Co. Von Federal
Way, WA erhältlich ist),
die dann eine Konsistenz von 10 % besaß, einmal getrocknet war, wurde
sie mit 1,5 % NaOH (bezogen auf der Pulpegewicht) und 1,5 % H
2O
2 (bezogen auf
das Pulpegewicht) in einem Behälter
gemischt und bei 90°C
1 Stunde lang in einem Labor gebleicht. Es wurde ein Katalysator
zugesetzt, um die Verringerung des Polymerisationsgrads der Zellullose
zu erhöhen.
Eine Kontrollprobe besitzt einen Polymerisationsgrad von 1310. Die
Ergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammengefasst. TABELLE 1: KATALYSATOREN FÜR DIE H
2O
2 BLEICHUNG VON
PULPE
Pulpe | Katalysator | Katalysator
im Wasser (ppm) | D.P.
(nach der Behandlung) | D.P.
Abnahme (%) |
NB416-dry | Keiner | | 1310 | |
NB416-dry | Wasser/H2O2/NaOH | Keiner | 1165 | 11 |
NB416-dry | FeCl2·4H2O | 13,6 | 1015 | 23 |
NB416-dry | FeCl3·6H2O | 11,2 | 894 | 32 |
NB416-dry | MnCl2·3H2O | 13,5 | 1241 | 5 |
NB416-dry | MnCl2 | 11,2 | 1242 | 5 |
-
BEISPIEL B
-
VERRINGERUNG DES POLYMERISATIONSGRADS
MIT HOHEM PH-WERT
MIT EINEM KATALYSATOR
-
Noch
nie getrocknete Pulpe vom Kamloops Werk der Firma Weyerhaeuser der
Stufe D
1 mit einer Konsistenz von 10 % wurde
mit NaOH und H
2O
2 in
einem Behälter
gemischt und bei 90°C
1 Stunde lang in einem Labor gebleicht. Es wurde Natriumhydroxid
mit einer Rate von 1,5 % zugesetzt und Wasserstoffperoxid mit einer
Rate von 1,5 % zugegeben, wobei der prozentuale Anteil auf das Gewicht
der Pulpe bezogen ist, wenn nicht anders angegeben. Es wurde ein
Katalysator zugesetzt, um die Verringerung des Polymerisationsgrads der
Zellulose zu katalysieren. Der pH-Wert lag über 8. Eine Kontrollprobe hat
einen Polymerisationsgrad von 939. Einige der Proben wurden vor
dem Bleichen mit entionisiertem (DI) Wasser gewaschen. Die Ergebnisse sind
in der Tabelle 2 zusammengefasst. TABELLE 2: KATALYSATORWIRKSAMKEIT ZUM
BLEICHEN VON WERKSPROBEN
Pulpe | Katalysator | Katalysator
im Wasser (ppm) | D.P./Kupferzahl (nach
der Behandlung) | D.P.
Abnahme (%) |
Kamloops
D1 | kein | | 939 | |
Kamloops
D1 | Wasser/H2O2/NaOH | 0 | 781 | 17 |
Kamloops
D1 | Doppel
H2O2 | 0 | 698/0,8 | 26 |
Kamloops
D1 | FeCl3/·6H2O | 13 | 694/0,8 | 26 |
Kamloops
D1 | FeCl3/·6H2O | 3 | 754 | 20 |
Kamloops
D1 | MnCl2 | 27 | 895 | 5 |
Kamloops
D1 | MnCl2 | 13,5 | 786 | 7 |
Kamloops
D1 | MnCl2 | 3 | 884 | 6 |
Kamloops
D1 | FeCl3·6H2O/MnCl2 | 3/80 | 911 | 3 |
Kamloops
D1 | FeCl3·6H2O/MnCl2 | 9/40 | 886 | 6 |
Kamloops
D1 | FeCl3·6H2O/MnCl2 | 6/60 | 903 | 4 |
Kamloops
D1 | CuCl2·2H2O* | 12 | 664/1 | 29 |
Kamloops
D1 | CuCo3Cu(OH)2* | 12 | 670/0,9 | 29 |
Kamloops
D1 | CuSO3* | 12 | 655/0,9 | 30 |
Kamloops
D1 | CoCO3* | 12 | 811/0,6 | 14 |
* 1,1 %
NaOH und 1,5 % H2O2,
bezogen auf das Gewicht der Pulpe |
Kamloops
D1 (gewaschen mit Labor DI Wasser) | FeCl3·6H2O | 8 | 767/0,8 | 18 |
Kamloops
D1 (gewaschen mit Labor DI Wasser) | MnCl2 | 7 | 895 | 5 |
Kamloops
D1 (gewaschen mit Labor DI Wasser) | FeCl3·6H2O/MnCl2 | 7/7 | 895 | 5 |
Kamloops
D1 (gewaschen mit Labor DI Wasser) | Wasser/H2O2/NaOH* | 0 | 629 | 33 |
Kamloops
D1 (keine Waschung) | Wasser/H2O2/NaOH* | 0 | 686/0,9 | 27 |
* Vergleichsbleichung
mit den folgenden chemischen Mengen: 1,5 % NaOH und 3,0 % H2O2, bezogen auf das
Gewicht der Pulpe. |
-
Diese
Ergebnisse zeigen, dass 3 ppm Fe(III) die Wasserstoffperoxidbleichung
erhöhen
können.
Die Zugabe von 12 bis 13 ppm Cu(II) oder Fe(III) kann das Wasserstoffperoxid
um die Hälfte
oder mehr verrin gern und noch etwa zu derselben Verringerung des
D.P. wie bei Wasserstoffperoxid allein führen. Demgemäß wird weniger
Bleichmittel verwendet. Mn(II) ist nicht so wirksam wie Cu(II) oder
Fe(III) und ein Gemisch aus Mn(II) und Fe(III) ist auch nicht so
effektiv. CO(II) ist nicht sehr wirksam. Kamloops D1 Pulpe
ist gegenüber
einem Bleichen widerstandsfähiger
als Kamloops D1 Pulpe, die mit DI Wasser
gewaschen wurde.
-
BEISPIEL C
-
VERRINGERUNG DES POLYMERISATIONSGRADS
MIT HOHEM PH-WERT
MIT EINEM KATALYSATOR
-
Noch
nie getrocknete Pulpe (zentrifugierte Kamloops D
1 Pulpe)
mit einer Konsistenz von 10 % wurde mit 1,0 % NaOH (bezogen auf
das Pulpegewicht) und 2,0 % H
2O
2 (bezogen
auf das Pulpegewicht) in einem Behälter gewaschen und bei 88°C 1 Stunde
lang in einem Labor gebleicht. Der pH-Wert lag über 8. Es wurde dann ein Katalysator
zugesetzt, um die Verringerung des Polymerisationsgrads der Zellulose
zu steigern. Eine Kontrollprobe hat einen Polymerisationsgrad von
939. Die Übergangsmetalle
Ca und Mg, die normalerweise im Werk vorkommen, werden durch Zugabe
von Wasser simuliert, das geringe Konzentrationen dieser elementaren Übergangsmetalle
enthält.
Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 zusammengefasst. TABELLE 3: WERKWASSERBELASTUNG AUF DAS
BLEICHEN
Pulpe | Katalysator | Katalysator
im Wasser (ppm) | D.P./Kupferzahl
(nach der Behandlung) | Kommentar | Cu/Fe
im Endprodukt |
Kamloops
D1 | Kein | | 939 | | |
Kamloops
D1 | Wasser/H2O2/NaOH | 0 | 789 | 1,0
% H2O2 bezogen auf
die Pulpe | 10 |
Kamloops
D1 | Wasser/H2O2/NaOH | 0 | 711/0,8 | | 6/4 |
Kamloops
D1 | Wasser/H2O2/NaOH | Wasser* | 939 | 13
ppm Ca/3 ppm Mg/0,3 ppm Mn im Wasser | |
Kamloops
D1 | CuSO3 | 6 | 587 | | 32 |
Kamloops
D1 | CuSO3 | 6/Wasser* | 939 | 13
ppm Ca/3 ppm Mg/0,3 ppm Mn im Wasser | |
Kamloops
D1 | CuSO3/EDTA | 6/1
kg/Tonne | 616 | | 17 |
Kamloops
D1 | FeCl3·6H2O | 6 | 681 | | |
Kamloops
D1 | FeCl3·6H2O | 6/Wasser* | 939 | 13
ppm Ca/3 ppm Mg/0,3 ppm Mn im Wasser | |
Kamloops
D1 | FeCl3·6H2O/EDTA | 6/1
kg/Tonne | 704 | | 8/6 |
* simuliertes
Werkswasser im Labor mit elementaren Metallen |
-
Diese
Ergebnisse zeigen, dass Cu(II) ein besserer Katalysator als Fe(III)
ist. Ein Chelatbildner, wie beispielsweise EDTA, kann dem Katalysator
zugesetzt werden, um den Polymerisationsgrad zu verringern und gleichzeitig
die Übergangsmetalle
zu chelieren. Ca und Mg im Wasser können die Katalysatoren deaktivieren und
einen Zelluloseabbau verhindern.
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BEISPIEL D
-
VERRINGERUNG DES POLYMERISATIONSGRADS
MIT HOHEM PH-WERT
MIT EINEM KATALYSATOR
-
Noch
nie getrocknete Pulpe (Kamloops D
1 Pulpe)
mit einer Konsistenz von 10 % wurde mit 1,5 % NaOH (bezogen auf
das Pulpegewicht) und 2,3 % H
2O
2 (bezogen
auf das Pulpegewicht) in einem Behälter gemischt und bei 88°C 1 Stunde
lang gebleicht. Der pH-Wert lag über
8. Es wurde ein Katalysator zugesetzt, um die Verringerung des Polymerisationsgrads
der Zellulose zu steigern. Eine Kontrollprobe hat einen Polymerisationsgrad
von 718 und eine Kupferzahl von 0,8. Die Ergebnisse sind in der
Tabelle 4 zusammengefasst. TABELLE 4: ANDERE KATALYSATOREN ZUM BLEICHEN
Pulpe | Katalysator | Katalysator
in Wasser (ppm) | D.P./Kupferzahl (nach
der Behandlung) | Kommentar |
Kamloops
D1 | Keiner | | 939 | |
Kamloops
D1 | Wasser/H202/NaOH | 0 | 718/0,8 | Kontrolle |
Kamloops
D1 | Fe(II)
D-Gluconatdehydrat | 10 | 628 | |
-
Diese
Ergebnisse zeigen, dass die Werkspulpe mit einem Fe(II) Katalysator
zu einem sehr niedrigen D.P. abgebaut werden kann.
-
BEISPIEL E
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VERRINGERUNG DES POLYMERISATIONSGRADS
MIT HOHEM PH-WERT
MIT EINEM KATALYSATOR
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Noch
nie getrocknete Pulpe (Flint River Werksflockenpulpe der Stufe D
1) wurde wahlweise auf einen pH-Wert von
2,0 mittels H
2SO
4 und
EDTA bei 1kg/Tonne Pulpe eingestellt und 15 Minuten lang bei 50°C gemischt.
Nach dem Filtrieren wird die Pulpe mit einer Konsistenz von 10 %
mit Leitungswasser und 2,4 % NaOH (bezogen auf das Gewicht der Pulpe)
und 3,4 % H
2O
2 (bezogen
auf das Gewicht der Pulpe) in einem Behälter gemischt und in einem
Bad bei 88°C
1 Stunde lang in einem Labor gebleicht. Es wurde ein Katalysator
zugesetzt, um die Verringerung des Polymerisationsgrads der Zellulose
zu steigern. Der pH-Wert lag über
8. Eine Kontrollprobe hat einen Polymerisationsgrad von 1052 und
eine Kupferzahl von 0,6. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 5 zusammengefasst. TABELLE 5: VERWENDUNG DER KATALYSATOREN
ZUM BLEICHEN VON FLOCKENWERKSPULPE
Behandlung | Behandlung mit
EDTA/H2SO4 | Katalysator | Katalysator im
Wasser, ppm | EDTA* (kg/Tonne) | D.P. | Kupferzahl |
Kontrolle | Ja | Kein
Bleichen | | 1 | 1052 | 0,6 |
Behandelt | Ja | Gebleicht | 0 | 1 | 862 | 0,9 |
Behandelt | Ja | Fe(III)Cl3 Hydrat | 15 | 1 | 842 | 0,9 |
Behandelt | Ja | Cu(II)SO4 Hydrat | 15 | 1 | 755 | 1,1 |
Behandelt* | nein | Cu(II)SO4 Hydrat | 6 | 0 | 769 | 1,6 |
Behandelt** | nein | Cu(II)SOo4 Hydrat | 6 | 0 | 1006 | 0,7 |
Behandelt* | nein | Cu(II)SO4 Hydrat | 3 | 0 | 737 | 1,6 |
Behandelt* | nein | Co(II)(OH)2 Hydrat | 3 | 0 | 909 | |
Behandelt* | nein | Fe(III)Cl3 Hydrat | 3 | 0 | 940 | |
* 0,75 %
NaOH und 2,3 % H2O2 wurden
zum Bleichen verwendet. ** 1,5 % NaOH und 2,3 % H2O2 wurden zum Bleichen verwendet. |
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Diese
Ergebnisse zeigen, dass eine Flockenpulpe mit einem Katalysator,
wie beispielsweise Cu(II), bis zu einem D.P. Bereich abgebaut werden
kann, der für
Lyocellanwendungen geeignet ist. Eine EDTA Vorbehandlung kann die
Metalle verringern. Wenn der pH-Wert während der D.P. Verringerung
hoch ist (über
8), ist eine nachträgliche
Zugabe von Natriumhydroxid zur Kontrolle der Kupferzahl nicht notwendig.
Die Verringerung von D.P. findet ohne wesentliche Erhöhung der
Kupferzahl statt.
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BEISPIEL F
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VERRINGERUNG DES POLYMERISATIONSGRADS
MIT HOHEM PH-WERT
MIT EINEM KATALYSATOR
-
Noch
nie getrocknete Pulpe (Flint River D
1 Pulpe)
wurde zur Herstellung von Pulpe mit geringem D.P. in einem Labor
verwendet. Die verwendeten Mengen an NaOH und H
2O
2 sind in der Tabelle 6 gezeigt. Es wurde
ein Katalysator zugegeben, um die Verringerung des Polymerisationsgrads zu
steigern. Der pH-Wert lag über
8. Eine Kontrollprobe hat einer Polymerisationsgrad von 1272 und
eine Kupferzahl von 0,6. TABELLE 6: VERWENDUNG DES KATALYSATORS
ZUM BLEICHEN VON FLOCKENWERKSPULPE
Behandlung | NaOH/H2O2 (1b/1b) | Katalysator | Katalysator im
Wasser, ppm | Abschließender pH-Wert (Eop) | D.P.
(nach der Behandlung | Kupferzahl |
Kontrolle | | | | | 1272 | 0,6 |
Behandelt | 11/51 | Cu(II)SO4 Hydrat | 3,3 | 6,3 | 886 | 1,4 |
behandelt | 10/50 | Cu(II)SO4 Hydrat | 2,3 | 4,2 | 730 | 2,2 |
-
Eine
Verringerung des Polymerisationsgrads mit hohem pH-Wert zeigte aufgrund
der hohen Kupferzahl keinen guten Erfolg. Eine zu hohe D.P.
-
Verringerung
in einer Stufe erzeugt Pulpe mit einer hohen Kupferzahl.