DE69028631T2

DE69028631T2 - Behandlung von fasermaterialien

Info

Publication number: DE69028631T2
Application number: DE69028631T
Authority: DE
Inventors: David Blackburn Lancashire Bb2 5Bd Barlow; Michael James Loughborough Leicestershire Le11 0Ny Jaycock; Peter Christopher Robert Blackburn Lancashire Bb2 6Dr Street
Original assignee: Roe Lee Paper Chemicals Co Ltd
Current assignee: Ciba Specialty Chemicals RC GB Ltd
Priority date: 1989-07-29
Filing date: 1990-07-30
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2010-07-31
Also published as: EP0485498B1; AU6186490A; ES2094161T3; WO1991002119A1; CA2059529A1; EP0485498A1; CA2059529C; DE69028631D1; ES2094161T5; GB9201848D0; EP0485498B2

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Leimen von Fasern (besonders, aber nicht ausschließlich, von Cellulosefasern) in einer wäßrigen Suspension davon, wobei die geleimten Fasern bei der Herstellung von Papier verwendet werden. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Papierherstellungsvorrichtung.
Die Bezeichnung Papier, wie hierin verwendet, ist generisch für Papier, Pappe und ähnliche Faserbahnmaterialien, die im allgemeinen (aber nicht unbedingt) von einer Cellulosebeschaffenheit sind.
Der Prozeß zur Papiererzeugung umfaßt im wesentlichen das Herstellen einer Fasersuspension (gewöhnlich Cellulosefasern), aus denen das Papier hergestellt werden soll und dann Durchlaufen dieser Suspension entlang einer geeigneten Rohrleitung an ein Papiermaschinensieb oder einen -bildner (hierin nachstehend generisch als Sieb bezeichnet), auf dem die Suspension abgelagert wird. Ein Vakuum wird auf dieser Seite des Siebs gegenüber der Seite aufgebracht, auf der die Suspension abgelagert wird, damit Wasser durch das Sieb gezogen wird, um eine Bahn aus den Fasern zurückzulassen, die dann gegebenenfalls weiter getrocknet und verarbeitet werden kann.
Für diesen Prozeß werden verschiedene Additive benötigt. Besonders werden der Suspension häufig Papierleimmittel zugesetzt. Beispiele dieser Papierleimmittel sind Harzemulsionen, die zusammen mit Alaun (oder anderen einfachen oder polymeren Aluminiumsalzen) verwendet werden. Zu weiteren Beispielen zählen kationische Polymer- und Harzemulsionsgemische, siehe zum Beispiel GB-A-2,141,751. Andere Kombinationen von Leimen und Fixiermitteln werden auch verwendet.
Was die Leimung von Fasern mit einer Harzemulsion zusammen mit Alaun (das heißt Aluminiumsulfat) betrifft, ist das Alaun unter sauren Bedingungen wirksam, um die Emulsion zu spalten und zu veranlassen, daß das Harz auf dem partikulären Material abgelagert wird, das den Stoffeintrag (das heißt Fasern und alle vorliegenden Füllstoffe) ausmacht. Die herkömmliche Praxis besteht darin, daß die Harzemulsion (pH ca. 7) und Alaunlösung (pH unter 3) der Cellulosefasersuspension, aus der das Papier hergestellt werden soll, getrennt zugesetzt werden.
Die Zugaben von Harz und Alaunlösung erfolgen herkömmlicherweise an getrennten Orten entlang eines Rohres, durch welches der Faserstoff fließt. Ganz besonders wird die Alaunlösung in der Regel dem Rohr erheblich vor der Harzemulsion zugesetzt.
Die Menge zugesetzter technischer Alaunlösung wird im allgemeinen dergestalt sein, daß ein pH von 5 bis 5,5 in der Suspension vor der Zugabe der Harzemulsion bereitgestellt wird. Dieser Säuregrad ist in der Suspension erforderlich, damit das Harz auf den Cellulosefasern abgelagert und zurückgehalten wird.
Dieser saure pH kann jedoch Probleme verursachen, wenn der Faserstoff mindestens teilweise aus Abfallpapier hergestellt wurde, in dem Calciumcarbonat enthalten ist oder wenn Calciumcarbonat als ein Füllstoff zugesetzt wird. In diesem Fall führt das Calciumcarbonat zu Ablagerungen von Calciumsulfat. Diese Ablagerungen sammeln sich im Laufe der Zeit an und verursachen eine Blockierung der verschiedenen Leitungen in der Anlage und noch wichtiger, in den Öffnungen des Lochsiebs, auf dem das Papier gebildet wird. Der Prozeß muß deshalb periodisch stillgelegt werden, damit die Blockierungen beseitigt werden können. Dies ist offensichtlich ein erheblicher Nachteil. Die Verwendung von pH-Bedingungen dicht am Neutralpunkt ist nicht möglich, weil das Harz nicht ausreichend auf den Fasern abgelagert oder zurückgehalten wird. Dies ist ein signifikanter Nachteil des Leimens mit Harzemulsionen.
Die Bildung von Calciumsulfat-Ablagerungen kann durch die Verwendung reaktiver Leime, wie zum Beispiel von Alkylketendimer(AKD)-Leimen, anstelle des Harzes und Alauns vermieden werden. AKD-Leime sind jedoch nicht die ideale Lösung, wenn die Herstellung von Papier auf einer Maschine zum einseitigen Glätten erwünscht ist, da die Glättzylinderadhäsion häufig verlorengeht und AKD darüber hinaus an diesen Maschinen nur eine unzureichende Oberfläche herstellt.
Wir sind nun der Ansicht, daß sich die oben erwähnten Einschränkungen des Leimens mit Harz und Alaun aus der Weise ergeben, in der das Harz und das Alaun während des Prozesses auf dem Stand der Technik in die Fasersuspension eingeführt werden und daß diese Einschränkungen durch Verwendung der Verfahren überwunden werden, die unten dargelegt sind, welche das schnelle Mischen der Harzemulsions- und der Alaunlösungsströme und die Inkorporation einer lokalisierten Zone (von relativ hoher Konzentration) in die Fasersuspension beinhalten. Das System aus Harzemulsion/Alaunlösung ist ein instabiles System insofern als ein Gemisch aus diesen beiden Komponenten normalerweise ausflockt, aber unter Verwendung der unten dargelegten Schnellmischverfahren kann ein Gemisch aus Harzemulsion und Alaunlösung ohne weiteres in die Suspension inkorporiert werden, ohne die Probleme, die sich durch Ausflockung ergeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Leimen von Fasern in einer wäßrigen Suspension davon bereitgestellt, wobei das Verfahren folgendes umfaßt:
a. Bereitstellen einer wäßrigen Fasersuspension mit einem pH von mindestens 6,
b. Durchlaufen der wäßrigen Fasersuspension durch ein Stoffrohr,
c. Aufeinanderauftreffen anderer turbulenter, diskreter Ströme einer Aluminiumsalzlösung und einer Harzemulsion, um ein Mischen der Ströme zu bewirken und ein frisch hergestelltes Gemisch aus dem Aluminiumsalz und der Harzemulsion bereitzustellen, das einen sauren pH aufweist, der unter dem der Suspension von Schritt a liegt,
d. Bereitstellen des frisch hergestellten Gemisches in der Fasersuspension in einem im wesentlichen zentralen Bereich des Stoffrohres zum Bilden einer lokalisierten Zone des frisch hergestellten Gemisches, und
e. Veranlassen, daß das frisch hergestellte Gemisch in der Suspension dispergiert wird, wobei das Gemisch einem pH-Übergang unterliegt, der bei der Veranlassung wirksam ist, daß Harz auf den Fasern abgelagert wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Papierherstellungsvorrichtung bereitgestellt, die folgendes umfaßt: Suspensionsherstellungsmittel zum Herstellen einer Fasersuspension, ein Lochsieb, auf dem die Suspension zur Herstellung des Papiers abgelagert wird und ein Stoffrohr zum Befördern der Suspension zwischen dem Suspensionsherstellungsmittel und dem Sieb, worin entlang dem Stoffrohr ein Mischaggregat mit zwei Einlaufanschlüssen, in welche zu mischende gesonderte Ströme einer Harzemulsion und einer Aluminiumsalzlösung gespeist werden können, und mit einem Auslaufbereich vorgesehen ist, der sich im wesentlichen zentral in dem Stoffrohr befindet, an dem die lokalisierte Zone eines Gemisches der Additive vorgesehen ist.
Die zu behandelnden Fasern werden im allgemeinen Cellulosefasern sein, und die Erfindung wird spezifisch unter Bezugnahme auf diese Fasern beschrieben. Es sollte jedoch verstanden werden, daß die Erfindung auch auf das Leimen anderer Fasertypen zutrifft, aus denen Papier hergestellt werden kann.
Die Fasersuspension wird selbst ein fließender Strom in dem Stoffrohr sein, und die lokalisierte Zone aus der frisch gemischten Lösung des Aluminiumsalzes und der Harzemulsion wird in dem Fasersuspensionsstrom durch die im folgenden ausführlicher beschriebenen Verfahren bereitgestellt. Die lokalisierte Zone wird in einem derartigen Fasersuspensionsstrom dessen Fließen verteilt. Der pH der lokalisierten Zone in der Suspension könnte aus praktischen Gründen schwer zu messen sein. Der pH der Suspension selbst (vor der Mischung mit der Harzemulsion (Aluminiumsalzlösung)) ist jedoch leicht zu messen, und es ist lediglich notwendig, sicherzustellen, daß ein Gemisch aus Harzemulsion/Aluminiumsalzlösungen einen sauren pH hat, der unter dem der Fasersuspension liegt. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die lokalisierte Zone der gemischten Harzemulsion/Aluminiumsalzlösung einen sauren pH aufweist, der unter dem der Fasersuspension liegt. Bevorzugt liegt der pH der Fasersuspension über 6,5, bevorzugt über 6,7, nachdem die Harzemulsion/das Aluminiumsalz dort hindurch dispergiert wurde. Damit wird sichergestellt, daß sich kein wesentliches Calciumsulfat ablagert (für den Fall, daß der Faserstoff mindestens teilweise aus Calciumcarbonat als ein Füllstoff hergestellt wurde). Darüber hinaus verbessert der Betrieb bei diesen pH-Werten die Drainage durch das Sieb der Papierherstellungsmaschine.
Wir haben entdeckt, daß es möglich ist, Harzemulsionen und Lösungen von Aluminiumsalzen zu verwenden, um das Leimen von Cellulosefasern zu bewirken, die in wäßriger Suspension vorliegen, vorausgesetzt, daß die Harzemulsion und die Aluminiumsalzlösung kontinuierlich in der Suspension als eine frisch gemischte, lokalisierte Zone bereitgestellt werden, die einen pH aufweist, der unter dem der Suspension liegt. Da diese Zone durch die ganze Suspension hindurch verteilt ist, unterliegt das Gemisch aus Harzemulsion und Alaun einem pH-Übergang, der bei der Veranlassung wirksam ist, daß das Harz auf den Fasern abgelagert wird.
Wir möchten nicht durch irgendeine bestimmte Theorie in bezug auf den chemischen Mechanismus des Leimungsprozesses der Erfindung gebunden werden, wir sind aber der Ansicht, daß der pH-übergang die Bildung von polynuklearen Aluminiumspezies und wahrscheinlich auch etwas Aluminiumhydroxid-Präzipitat verursacht (das auf dieser Stufe durchaus amorph sein kann, da der Kristallisationsprozeß eine erhebliche Zeit in Anspruch nimmt) und daß es die polynuklearen Komplexe sind, möglicherweise mit einem gewissen Beitrag von präzipitiertem Aluminiumhydroxid, die für die Wirksamkeit der Erfindung verantwortlich sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird am bevorzugtesten mit Cellulosefasersuspensionen bei einem pH (vor dem Beimischen der Harzemulsion/des Aluminiumsalzes) von höher als 6, besonders im Bereich von 7 bis 8 durchgeführt. Die Erfindung ist auch bei nahezu jedem normalen sauren pH von mindestens 6 für das Harzleimen und bis zu ungefähr 9,5 funktionsfähig. Dies sollte dem Prozeß auf dem Stand der Technik gegenübergestellt werden, bei dem die Harzemulsion und die Alaunlösung, die in dem Papierherstellungsprozeß an getrennten Orten zugesetzt werden, nicht zum Leimen von Zellulosefasern wirksam sind, die sich in einer Suspension bei einem pH von höher als 6 befinden.
Die Erfindung stellt folglich den signifikanten Vorteil bereit, daß sie zum Leimen, mit Harzemulsion, von Cellulosefasersuspensionen, die Calciumcarbonat enthalten und die bei einem pH über 6 vorliegen, verwendet werden kann. Mit diesen Suspensionen gibt das erfindungsgemäße Verfahren keinen Anlaß zu nicht akzeptierbaren Ablagerungen von Cacliumsulfat, Calciumaluminiumsulfat und verwandten Verbindungen in der Papiermaschine. Alle gebildeten Ablagerungen sind möglicherweise von sehr kleiner Kristallgröße und sind wahrscheinlich im endgültigen Papier eingeschlossen.
Im Gegensatz zur Verwendung von reaktiven Leimen (zum Beispiel AKD-Leimen), die bisher zum Leimen von Suspensionen mit einem pH über 6 benötigt wurden, produziert das erfindungsgemäße Verfahren Papier mit einer ausgezeichneten Oberfläche an einer einseitig glättenden Maschine und auch eine Erhöhung der Laufgeschwindigkeit im Vergleich zu derjenigen, die mit AKD-Leimen erreicht wird.
Das in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Aluminiumsalz sollte bevorzugt ein saures Salz sein und ist am bevorzugtesten Alaun. Es ist jedoch möglich, andere Aluminiumsalze zu verwenden, die zu Polyhydroxyaluminiumionen und/oder Al(OH)&sub3;, wie zum Beispiel Polyhydroxyaluminiumsalzen, wie zum Beispiel der als Polyaluminiumchlorid bekannten Verbindung führen. Die Menge der verwendeten Alaunlösung wird bevorzugt dergestalt sein, daß 1 - 4 Gew.-% Alaun (ausgedrückt als Al&sub2;(SO&sub4;)&sub3; 18 H&sub2;O) (Trockenmasse) bezogen auf die Fasern bereitgestellt werden. Andere Aluminiumsalze können in angemessenen Mengen verwendet werden. So haben wir zum Beispiel gefunden, daß die in dem Prozeß verwendete Polyaluminiumchloridmenge circa ein Fünftel der entsprechenden Menge des erforderlichen Alauns sein kann.
Mindestens in dem Fall, in dem das Aluminiumsalz Alaun ist, sollte der pH eines Gemisches aus dem Alaunlösungsstrom und dem Harzemulsionsstrom bevorzugt unter 4, bevorzugter bei circa 3,8 liegen.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet wirksam mit einer breiten Vielfalt von Harzen, wie zum Beispiel Tallharz und Balsamharz. Das Harz weist gewöhnlich einen Schmelzpunkt von 70 - 85ºC auf. Die Harzemulsion umfaßt im allgemeinen 20 - 50% Feststoffe und wird in einer Menge dergestalt verwendet, daß 0,1 - 2 Gew.-% (Trockenmasse) bezogen auf die Fasern bereitgestellt werden.
Die Erfindung wird unter spezifischer Bezugnahme auf Alaun als das Alurniniumsalz weiter beschrieben, obwohl zur Kenntnis zu nehmen ist, daß andere Aluminiumsalze dafür substituiert werden können.
In einem bevorzugten Durchführungsverfahren der Erfindung werden die Alaunlösung und die Harzemulsion unmittelbar vor der Injektion des Gemisches in das Stoffrohr, entlang dem die Cellulosefasersuspension fließt, intensiv zusammengemischt. Praktischerweise wird das Mischen anhand des Durchlaufens der Harzemulsion und der Alaunlösung in entgegengesetzten Richtungen und unter turbulenten Strömungsbedingungen entlang einem Rohr bewirkt, das intermediär an seinen Enden einen Auslauf aufweist, der mit dem Inneren des Stoffrohres in Verbindung steht. Dieses Mischrohr kann zum Beispiel ein T-Stück umfassen, wobei die Harzemulsion und die Alaunlösungen (bevorzugt unter turbulenten Strömungsbedingungen) in entgegengesetzten Richtungen entlang dem 'Balken' des T-Stückes gerichtet werden und das resultierende Gemisch entlang dem 'Schaft' des T-Stückes in das Stoffrohr geleitet wird.
In einer anderen bevorzugten Durchführungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Harzemulsion und die Alaunlösung als getrennte Ströme in die Cellulosefasersuspensionen eingeführt, die entlang dem Stoffrohr fließen und in situ in der Suspension gemischt werden. In diesem Fall müssen die Punkte, an denen die Aluminiumlösung und die Harzemulsion in die entlang dem Stoffrohr fließende Cellulosefasersuspension abgegeben werden, ausreichend dicht beieinanderliegen, um eine Mischzone zu schaffen, bevor entweder die Harzemulsion oder die Alaunlösung zu stark verdünnt wird.
Unter Verwendung der oben beschriebenen Verfahren ist das Gemisch aus Harzemulsion/Alaunlösung dazu in der Lage, in die Fasersuspension inkorporiert zu werden, ohne daß Flockungsprobleme auftreten.
Es wird bevorzugt, daß die lokalisierte Zone des Gemisches aus Harzemulsion und Alaunlösung in einer Cellulosefasersuspension bereitgestellt wird, die in der Form von sogenanntem dickem Stoff, das heißt einer Suspension vorliegt, die im allgemeinen circa 3 Gew.-% der Cellulosefasern anstelle des dünnen Stoffs (der im allgemeinen circa 1 Gew.-% der Fasern umfaßt) enthält, obwohl dies von dem Verdünnungsgrad beim Übergang von dickem zu dünnem Stoff abhängt. Die Erfindung trifft jedoch auf die Behandlung von Fasersuspensionen zu, die größere oder geringere Fasermengen enthalten. Die Suspension wird jedoch bevorzugt 0,1 - 10 Gew.-%, bevorzugter 0,2 - 5 Gew.- % der Fasern umfassen.
Die Erfindung wird weiter anhand eines beliebigen Beispiels nur unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, worin:
Fig. 1 ein Diagramm der Aluminiumhydroxid-Löslichkeit als eine Funktion des pH ist; und
Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines Papierherstellungsprozesses ist; und
Fig. 3 bis 14 verschiedene Mischvorrichtungstypen diagrammatisch darstellen, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können.
Fig. 1 ist eine Kurvendarstellung von gelöstem Gesamtaluminium (At) in Abhängigkeit zum pH und zeigt den Stabilitätsbereich von frisch präzipitiertem Al(OH)&sub3; basierend auf der Annahme, daß die einzigen anderen vorliegenden Spezies sowohl als Al(OH)&sub4;&supmin;, Al(OH)²&spplus;, sein Dimer Al&sub2;(OH)&sub2;&sup4;&spplus;, Al&sub1;&sub3;(OH)&sub3;&sub4;&sup5;&spplus; und Al&sub7;(OH)&sub1;&sub7;&sup4;&spplus; als auch als das nicht komplexierte Ion Al³+ vorliegen. Fig. 1 ist ein thermodynamisches Diagramm und kann als den Äquilibrierungszeiten entsprechend angesehen werden, die länger sind als die, die normalerweise beim Leimungsprozeß in einer Papierfabrik angetroffen werden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren weist das Gemisch aus Harzemulsion und Alaunlösung, das die lokalisierte Zone in der Cellulosefasersuspension bildet, bevorzugt einen pH unter 4 auf. Die Alaun-Stoffe enthalten in vielen Papierfabriken Al&sub2;O&sub3; in der Größenordnung von 8% (MG = 101,96), das heißt circa 0,78 mol dm³. Für die Mehrzahl von in einer Papierfabrik gefundenen Stoffen ist somit die Aluminiumkonzentration normalerweise höher als 10&supmin;&sup4; mol dm&supmin;³ und somit höher als der Mindestwert von AlT, bei dem sich Al(OH)&sub3;-Präzipitat bildet. Verändern des pH von einem Wert von unter 4 auf über 6 verursacht eine Bewegung nach rechts auf dem Diagramm dergestalt, daß das System in den unlöslichen Bereich eintritt, wobei die Bildung polynuklearer Komplexe herbeigeführt und einiges und möglicherweise einer ganzen Menge an Al(OH)&sub3;, wahrscheinlich in einer gelatinösen Form präzipiziert wird. Es wird angenommen (R. Counter, M.J. Jaycock und J.L. Pearson, Svensk Papperstidning 78, 333 (1975)), daß eine oder beide der letzteren beiden Spezies zum zufriedenstellenden Leimen notwendig sind. Da Aluminium aus der Lösung präzipitiert wird, ist die Bewegung auf dem Diagramm von dem niederen zu dem höheren pH in Wirklichkeit eine diagonale Bewegung nach unten. Abhängig von den genauen Fabrikbedingungen, kann sich die Endposition auf dem Löslichkeitsdiagramm innerhalb des Bereichs befinden, der Al(OH)&sub3; entspricht oder im Al(OH)&sub4;&supmin;-Bereich, wo die Konzentration von polynuklearen Komplexen verschwindend klein sein wird, und es würde kein präzipitiertes Al(OH)&sub3; vorliegen. In der letzteren Situation, wenn der Punkt, an dem die lokalisierte Zone des Gemisches aus Harzemulsion/Alaunlösung bereitgestellt ist, jedoch in die Nähe bewegt wird, wo die Bahn gebildet wird, wird angenommen, daß die Zeit nicht ausreicht dafür, daß das Al(OH)&sub3; sich wieder lösen kann oder dafür, daß die polynukleare Spezies in Al(OH)&sub4; umgewandelt werden kann, so daß sich eine zufriedenstellende Leimungsleistung erreichen läßt. In dieser Hinsicht sollte daran gedacht werden, daß Fig. 1 ein thermodynamisches (und kein kinetisches) Diagramm ist, das die Position im Äquilibrium darstellt, dessen Erreichen einige Zeit dauern kann. In dem gerade beschriebenen Fall bleiben das Al(OH)&sub3; und die polymere Aluminiumhydroxy-Spezies (anfänglich gebildet) somit lange genug bestehen, damit Leimen stattfinden kann.
Eine etwaige Vorstellung von der relativen Labilität der polynuklearen Komplexe kann aus der Arbeit von R.W. Smith gewonnen werden, über die in 'Nonequilibrium Systems in Natural Water Chemistry', Advances in chemistry Series ACS, Nr. 106, 5. 250 (1971) berichtet wird. Diese Arbeit bringt zum Ausdruck, daß die am schnellsten wirkenden Spezies die mononuklearen, wie zum Beispiel Al³&spplus; Al(OH)² und Al(OH)&sub2; sind. Die polynuklearen Spezies in den berichteten Experimenten hatten Lebenszeiten bis zu einer Stunde und das gealterte Präzipitat Al(OH)&sub3; eine viel längere. Diese Arbeit verleiht der Annahme Unterstützung, daß es sich um die polynuklearen Aluminiumspezies handelt, die in dem Prozeß der vorliegenden Erfindung wichtig sind und daß sich daher die Notwendigkeit ergibt, durch den zur Bildung relevanten pH-Bereich in der Mischzone zu gehen.
Fig. 2 ist eine sehr schematische Darstellung der bei der Papierherstellung beteiligten grundlegenden Schritte. In einem Tank 100 wird eine Cellulosefasersuspension hergestellt, die dann entlang Rohrleitung 101 an einen Stoffauflaufkasten 102 geleitet wird, aus dem die Suspension auf einem Sieb 103 einer Langsiebmaschine abgelagert wird. Saugkästen 104 dienen dazu, Wasser aus der Faserschicht auf dem Sieb zu entziehen.
Es sollte zur Kenntnis genommen werden, daß die in Fig. 2 gezeigte Rohrleitung 101 auf sehr schematische Weise die Verbindung zwischen dem Tank 100 und dem Stoffauflaufkasten 102 darstellen soll. In der Praxis ist die Rohrleitungsanordnung wahrscheinlich viel komplizierter als die dargestellte und kann eine dicke Stoffleitung und eine dünne Stoffleitung sowie Pumpen zum Fortbewegen der Suspension einschließen.
Ungeachtet der Rohrleitungsanordnung ist jedoch eine Mischanordnung 105 an einem Punkt entlang der Rohrleitung zum Bereitstellen einer lokalisierten Zone von frisch gemischten Strömen aus Harzemulsion und Alaunlösung darin bereitgestellt. Verschiedene Beispiele dieser Mischanordnungen sind in Fig. 3 - 14 dargestellt.
Fig. 3 - 14 zeigen verschiedene Mischanordnungen zur Bereitstellung der lokalisierten Zone des Gemisches aus Harzemulsion und Alaunlösung in einer Rohrleitung 1, entlang derer eine wäßrige Cellulosefasersuspension in der Richtung von Pfeil A fließt. Die Rohrleitung 1 wird bevorzugt das dicke Stoffrohr sein. In jeder der Fig. 3 - 14 wird angenommen, daß die Harzernulsion in der Richtung von Pfeil B entlang einem Rohr oder einer Rohrlänge eingespeist wird, das/die mit 2 bezeichnet wird, und die Alaunlösung wird in der Richtung von Pfeil C entlang einem Rohr oder einer Rohrlänge eingespeist, das/die mit 3 bezeichnet wird.
Die Mischvorrichtung von Fig. 3 ist die bevorzugte Vorrichtung zur Verwendung in der Erfindung und ist eine T-Stück-Anordnung, in der die Harzemulsions- und Alaunlösungsströme dergestalt aufeinanderauftreffen, daß das Gemisch in der Richtung von Pfeil D entlang dem Schaft des T-Stückes austritt, das im Zentrum der Rohrleitung 1 bereitgestellt ist. Das Gemisch tritt in Rohrleitung 1 als eine lokalisierte Zone bei einem pH von unter 4 ein, das dann in der ganzen Cellulosefasersuspension dispergiert wird und somit dem notwendigen pH-Übergang unterzogen wird. Anhand des Beispiels und wie in den zeichnungen dargestellt, kann der pH der Fasersuspension vor dem T- Stück circa 7 - 8 sein, wohingegen der pH nach dem T-Stück (und nach Verteilung der Harzemulsion/Alaunlösung in der Suspension) circa 6,7 sein kann.
Idealerweise wird es sich bei der Strömung von Harzemulsion und Alaunlösung entlang den entsprechenden Rohrlängen 2 und 3 um eine turbulente strömung handeln, da dies ein intensiveres und schnelleres Mischen der beiden Ströme fördern wird. Ob die Strömung im Inneren des Mischers laminar oder turbulent ist, hängt von der Reynolds-Zahl (Re) ab. Für ein langes, glattes, gerades Rohr wird der kritische Wert von (Re) gewöhnlich bei 2000 angesetzt, und dieser Wert kann als ungefähre Richtlinie bei der Berechnung der Durchmesser verwendet werden, die zur Herbeiführung der bevorzugten turbulenten Strömungsbedingungen im Inneren des Mischers benötigt werden. Eine ausführlichere Annahme bezüglich der Bedingungen, welche die turbulente Strömung beeinflussen, wird in Anhang a dargelegt, und die Konstruktion eines T- Stückes zum Mischen von Harzemulsion und Alaunlösung wird in Anhang b dargelegt.
Fig. 4 zeigt eine Modifikation von Fig. 3, bei der der Schaft des T-Stückes ausgelassen ist und die Harzemulsion/Alaunlösungsmischung einfach durch eine Mündung 4 in das Stoffrohr 1 austritt.
Die in Fig. 3 und 4 gezeigten Mischvorrichtungen könnten aus Schlauch hergestellt werden, der einen Durchmesser aufweist, der spezifisch ausgewählt (oder gefertigt) wurde, um die erforderlichen turbulenten Strömungsbedingungen herzustellen. Das T-Stück kann jedoch auch aus einem Schlauch der Standardgröße hergestellt werden und sein Innendurchmesser kann mit Hilfe von Einsatzteilen 5 wie in Fig. 5-6 gezeigt verkleinert werden. Diese Einsatzteile 5 können mit den größenmäßig richtigen Löchern zur Bildung von Konfigurationen des T-Stück-Typs (Fig. 5 und 6) gebohrt werden.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Mischvorrichtung des T-Stück-Typs. In diesem Fall weist ein T-Stück-Anschlußteil Innengewindeenden dergestalt auf, daß Rohre 2 und 3 zur Abgabe der Harzemulsion bzw. der Alaunlsung darin wie gezeigt angebracht werden können. Außerdem kann ein Rohr im Schaft des T-Stückes angebracht werden, durch welches das Gemisch aus Alaunlösung und Harzernulsion in die Cellulosefasersuspension austritt. Die Länge dieses letzteren Rohres kann in bezug auf die Länge der Zeit gewählt werden, für die es die Alaunlösung und Harzemulsion in Kontakt miteinander halten soll, bevor sie in die Cellulosefasersuspension eintreten. Falls gewünscht oder notwendig können Einsatzteile 5 in dem T-Stück- Anschlußteil wie gezeigt bereitgestellt sein. Das dargestellte Einsatzteil kann aus einem einzelnen Schlauchstück (von dem ein Ende geschlossen ist) gebildet werden, wobei einfach quer durch das Rohr unmittelbar an sein geschlossenes Ende angrenzend ein Loch gebohrt wird, um die gezeigte Konfiguration zu erhalten. Dieses Einsatzteil kann dann einfach in das T-Stück-Anschlußteil entlang seinem Schaft eingesetzt werden.
Als eine Alternative zum Zusammenmischen der Harzemulsion und der Alaunlösung vor ihrer Injektion in die Rohrleitung 1, ist es möglich, eine Mischzone im Inneren des durchfließenden Hauptstromes der Cellulosefasersuspension, aber außerhalb von Injektionsrohren 2 und 3 zu schaffen. Das Wesentliche der Idee besteht in diesem Fall darin, daß die Ausflußpunkte aus den Rohren 2 und 3 ausreichend dicht beieinanderliegen müssen, um eine Mischzone zu schaffen, bevor der eine oder der andere der injizierten Ströme stark verdünnt wird. Fig. 8 - 12 zeigen, was als virtuelle T Stücke betrachtet werden könnte, wobei die Mischzone durch die Injektionsströme geschaffen wird und das Rohrwerk etwas eingeschränkt ist. Fig. 8 zeigt die beiden gewinkelten Rohre 2 und 3 mit ihren Enden, eines hinter dem anderen dergestalt, daß die Mischzone um das Ende des hinteren Rohres herum auftritt. Ein gerader Rohreintritt (siehe Fig. 9) in den Cellulosefaserstrom funktioniert ebensogut.
Fig. 10 zeigt die beiden Rohre 2 und 3 in rechten Winkeln zu den Wnden der Rohrleitung 1, die in die Mitte des Cellulosefaserstromes dergestalt injizieren, daß die injizierten Flüsse aufeindertreffen. Fig. 11 zeigt eine ähnliche Anordnung zur Herbeiführung aufeinandertreffender Ströme, bei der aber die Rohre 2 und 3 relativ zueinander gewinkelt sind. Es besteht jedoch die Ansicht, daß die Anordnungen von Fig. 10 und 11 beim Mischen, wie erwartet werden könnte, weniger leistungsfähig und unter dem Gesichtspunkt der Leimungsleistung bei der Papierherstellung weniger wirksam sind, als das T-Stück von Fig. 3 und 4.
In der Anordnung von Fig. 12 befindet sich das Ende von Rohr 3 im Ende von Rohr 2, um auf diese Weise einen Misch- Ringraum bereitzustellen.
In den Mischvorrichtungen von Fig. 3 bis 12 wird das Gemisch aus Harzemulsion und Alaunlösung innerhalb der Grenzen der Rohrleitung 1 hergestellt. Es ist jedoch möglich, die Harzemulsions- und die Alaunströme außerhalb des Stoffrohrs 1 zu mischen und das Gemisch in die Mitte des Stoffrohres 1 zu injizieren. Eine derartige Anordnung wird in Fig. 13 gezeigt. Der Mischprozeß und die Verwendung von Einsatzteilen wird durch ähnliche Annahmen wie diejenigen abgedeckt, die oben für das T-Stück von Fig. 3 beschrieben werden.
Fig. 14 ist eine Modifikation der in Fig. 13 gezeigten Anordnung, bei der jedoch anstelle eines T-Stückes ein Kreuzstück bereitgestellt ist. Wie zuvor wird die Harzemulsion entlang Rohrlänge 2 und die Alaunlösung entlang Rohrlänge 3 eingespeist. Wasser wird entlang der zusätzlichen Rohrlänge eingeleitet, die mit 4 bezeichnet wird. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin daß, wenn die Strömung von Alaun und Leim aufhört, das Wasser aus Rohrlänge 4 die Leitung frei hält. Außerdem kann das notwendige Minimum (Re) für die turbulente Strömung durch Regulieren des Wasserflusses erreicht werden. Darüber hinaus kann die Konzentration des Gemisches aus Alaun/Leim, das an die Stoffleitung geleitet wird, reguliert werden.
Es ist auch möglich, anstelle der in Fig 3 - 14 gezeigten einfachen Rohranordnungen andere im Handel erhältliche Mischvorrichtungen zu verwenden, diese anderen Vorrichtungen könnten jedoch teurer sein.

ANHANG a

BEDINGUNGEN. DIE DEN ÜBERGANG VON LAMINARER ZU TURBULENTER STRÖMUNG BEEINFLUSSEN

Der Parameter, der in einem bestimmten Fall zur Beurteilung des Strömungsschemas für eine Flüssigkeitsströmung in einem zylindrischen Rohr oder Ringraum verwendet wird, ist als Reynolds-Zahl (RE) bekannt. Diese kann als eine dimensionslose Parametergruppe angesehen werden, die definiert ist durch: -
(RE) = DVL/n ..... (1)
wobei d = Dichte der Flüssigkeit, die in SI die Einheiten kg m&supmin;³ aufweist
V = Strömungsgeschwindigkeit (durchschnittlich), m s&supmin;¹
L = charakteristische Länge, m
n = Viskosität, kg m&supmin;¹ s&supmin;¹
Deshalb ist (RE) = kg m&supmin;³ . m s&supmin;¹ . m / kg m&supmin;¹ s&supmin;¹, welche ohne Einheit ist.
Es gibt in bestimmten Fällen Probleme bei der Definition der 'charakteristischen Länge'. Für ein zylindrisches Rohr bringen viele Texte vor, daß bei der Strömung in einem zylindrischen Rohr der Radius eingesetzt werden sollte [1]. Eine Standardarbeit über Flüssigkeitsströmung empfiehlt jedoch die Verwendung von Durchmessern, zum Beispiel im Fall eines Ringraumes [2]. Diese Wahl wird offensichtlich zu einem Unterschied des Wertes von (Re) führen, der den Übergangspunkt von laminarer zu turbulenter Strömung definiert, wobei die verschiedenen Möglichkeiten einen Unterschied von 2x den entsprechenden Wert ausmachen.
Verweis [1] bringt vor, daß turbulente Strömung auftritt, wenn (Re) größer als 1000 ist bzw. 2000, wenn der Durchmesser für die charakteristische Länge verwendet wird. Es wurde auch vorgebracht, daß ein Übergangsbereich oberhalb dieses Wertes berücksichtigt werden sollte, wobei wirkliche Turbulenz nur garantiert ist, wenn (Re) größer als 2000 (bezogen auf L = Radius) ist.
Wenn die Effekte von Rohrradiusänderungen in einer praktischen Werkssituation berücksichtigt werden, dann ist die lineare durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit normalerweise nicht konstant; es ist gewöhnlich die Volumenströmungsgeschwindigkeit, v, die konstant gehalten wird. Diese beiden Geschwindigkeiten stehen bei einem zylindrischen Rohr in Zusammenhang miteinander durch: -
v = πr²V ..... (2)
was bei Substitution in (1) folgendes ergibt: -
(Re) = dvl/(πr²n) ..... (3)
Unter Berücksichtigung der Gleichungen (1) und (3) ergibt sich somit: -
(a) Wenn V (die lineare Strömungsgeschwindigkeit) konstant ist, dann nimmt durch Erhöhen des Radius des Rohres der (Re)-Wert zu und erhöht die Turbulenzmöglichkeit, aber
(b) wenn v (die Volumenströmungsgeschwindigkeit) konstant ist, dann vermindert das Erhöhen der Größe des Rohres den Wert von (Re) und vermindert die Turbulenzmöglichkeit.
Die Relevanz des Vorstehenden für den T-Stück-Mischer ist offensichtlich, da Volumenströmungsraten festgelegt sind, und deshalb Verengungen in der Mischzone den Wert von (Re), die Wahrscheinlichkeit von Turbulenz und leistungsfähigem schnellem Mischen erhöhen.
Die anderen zu berücksichtigenden Faktoren sind, daß diese kritischen Werte von (Re) sich auf ein langes, glatt gebohrtes zylindrisches Rohr beziehen. Unregelmäßigkeiten der Wände und Schmutz im Rohr tragen möglicherweise zur Abnahme des kritischen Wertes von (Re) bei. Folglich ist bei (Re)-Werten größer als 2000 Turbulenz nahezu garantiert, es könnten jedoch erheblich niedrigere Werte von (Re) als 1000 (in etwa circa 500) notwendig sein, um mit Gewißheit laminare Strömung vorhersagen zu können.

VERWEISE

[1] 'Physics' , SG Starling & AJ Woodall; Longmans, Green & Co. (1950), S. 96.
[2] 'Internal Fluid Flow' , AJ Ward-Smith, darendon Press (1980), S. 174.

ANHANG b

KONSTRUKTION EINES T-STÜCKS ZUM MISCHEN VON EMULSION UND ALAUN VOR DER INJEKTION

Die folgenden Durchflußmengen werden vorausgesetzt:
1. Größe des Emulsionsdurchflusses = 150 - 400 1 h&supmin;¹
2. Durchfluß von flüssigem Alaun = 150 - 370 1 h&supmin;¹
und daß dies in einen Rückwasserstrom injiziert wird, der mit einer Geschwindigkeit von über 600 1 h&supmin;¹ fließt.
Die Reynolds-Zahl (Re) der Strömung wird durch folgendes wiedergegeben:
(Re) = dVL / n
wobei d = Dichte, V = Strömungsgeschwindigkeit, n = Viskosität und L = charakteristische Länge (zum Beispiel der Rohrdurchmesser) ist.
Wenn wir in ST-Einheiten arbeiten, wobei dann vorausgesetzt wird, daß die Lösungen eine Viskosität haben, die geringfügig höher ist als die von Wasser, haben wir n = 1 Centipoise = 0,001 N s m&supmin;¹. Die Dichte ist circa 1 g cm&supmin;³ = 1000 kg m&supmin;³, und wenn wir annehmen, daß der Innendurchmesser des Rohres 0,5 Inches = 0,0125 m ist, dann ist L = 0,0125 m. Der Mindestdurchfluß beträgt insgesamt 300 1 h&supmin;¹ = 300 x 10&supmin;³ m³ h&supmin;¹, daher ist: -
v = 300 x 10&supmin;³/(60 x 60) m³ s&supmin;¹
= 300 x 10&supmin;³ x 4/(60 x 60 x π x 0,0125²) = 0,068 m s&supmin;¹
in dem rostfreien Stahlrohr von 0,5 Inch Durchmesser. Deshalb ist:
(Re) = (1000 x 0,68 x 0,0125)/0,001 = 8500
was erheblich über der Übergangsbereichsgrenze von 2000 und weit innerhalb des Bereichs der turbulenten Strömung liegt. Dies bedeutet, daß die Strömung selbst bei den Annäherungen an die Verbindung der Strömungen in der Mischzone des T Stückes, wo (Re) - 4250 ist, turbulent wäre.

Claims

1. Verfahren zum Leimen von Fasern in einer wäßrigen Suspension davon, wobei das Verfahren folgendes umfaßt:

a. Bereitstellen einer wäßrigen Fasersuspension mit einem pH von mindestens 6,

b. Durchlaufen lassen der wäßrigen Fasersuspension durch ein Stoffrohr (1),

c. Aufeinanderauftreffen lassen turbulenter, diskreter Ströme einer Aluminiumsalzlösung (C) und einer Harzemulsion (B), um ein Mischen der Ströme zu bewirken und ein frisch hergestelltes Gemisch aus dem Aluminiumsalz und der Harzemulsion bereitzustellen, das einen sauren pH aufweist, der unter dem der Suspension von Schritt a liegt,

d. Bereitstellen des frisch hergestellten Gemisches in der Fasersuspension in einem im wesentlichen zentralen Bereich des Stoffrohres zum Bilden einer lokalisierten Zone (D) des frisch hergestellten Gemisches, und

e. Veranlassen, daß das frisch hergestellte Gemisch in der Suspension dispergiert wird, wobei das Gemisch einem pH-übergang unterliegt, der die Ablagerung von Harz auf den Fasern bewirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der pH der Fasersuspension nach Dispersion der Harzemulsion/des Aluminiurnsalzes darin mindestens 6,5 ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der pH der Fasersuspension nach Dispersion der Harzemulsion/des Aluminiumsalzes darin mindestens 6,7 ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der pH eines Gemisches aus dem Aluminiumsalz/der Harzemulsion weniger als 4 ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der pH des Gemisches aus dem Aluminiumsalz/der Harzernulsion ungefähr 3,8 ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Aluminiumsalz Alaun ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die verwendete Menge von Alaun dergestalt ist, um 1-4 Gew.-% technisches Aluminiumsulfat (Trockenmasse) bezogen auf die Fasern bereitzustellen.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Aluminiumsalz ein Polyhydroxyaluminiumsalz ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Harzemulsion aus 20-50 Gew.-% Trockensubstanz besteht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Harzemulsion in so einer Menge verwendet wird, daß 0,1- 2 Gew.-% (Trockenmasse) bezogen auf die Fasern bereitgestellt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Fasern Cellulosefasern sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Fasersuspension, in der die lokalisierte Zone des Gemisches aus Aluminiumsalzlösung und Harzemulsion gebildet wird, aus 0,2 bis 5 Gew.-% Fasern besteht.

13. Papierherstellungsvorrichtung, welche folgendes umfaßt: Suspensionsherstellungsmittel (100) zum Herstellen einer Fasersuspension, ein Lochsieb (103), auf dem die Suspension zur Herstellung des Papiers abgelagert wird und ein Stoffrohr (1) zum Befördern der Suspension zwischen dem Suspensionsherstellungsmittel und dem Sieb, bei der entlang dem Stoffrohr ein Mischaggregat mit zwei Einlaufstutzen (2,3), in welche zu mischende gesonderte Ströme einer Harzemulsion bzw. einer Aluminiumsalzlösung gespeist werden können, und mit einem Auslaufbereich vorgesehen ist, der sich im wesentlichen zentral in dem Stoffrohr (1) befindet, an dem die lokalisierte Zone eines Gemisches der Additive vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der das Mischaggregat zwei kollineare Rohrleitungen (2,3) enthält, entlang denen die zu mischenden Ströme in entgegengesetzter Richtung eingespeist werden können, und der Auslaufstutzen sich rechtwinklig zu genannter Rohrleitung befindet.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der das Mischaggregat ein T-Stück ist.