DE69732265T2

DE69732265T2 - Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von einer Fasersuspension zur Papiererzeugung

Info

Publication number: DE69732265T2
Application number: DE69732265T
Authority: DE
Inventors: Petri Silenius; Matti LINDSTRÖM; Philip Luner
Original assignee: M Real Oyj
Current assignee: Metsa Board Oyj
Priority date: 1996-05-03
Filing date: 1997-04-22
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2017-04-23
Also published as: FI961907A0; DE69734327T2; CA2204215A1; ATE287530T1; DE69732265D1; ATE306076T1; FI961907A; AU1996297A; EP0806649A3; NO971957L; DE69734327D1; EP0806649B1; PT806649E; NZ314719A; FI104195B; NO317205B1; JP3046260B2; AU716454B2; CA2204215C; FI104195B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Charakterisieren der Papierherstellungseigenschaften einer Suspension von Fasern, aufweisend die Bestimmung einer Menge in Abhängigkeit von der Diffusionsrate in der Faserwand für eine Diffusion, die dort hindurch auftritt.
Die EP-A-0 703 451 zum Stand der Technik offenbart ein Verfahren zum Überwachen eines Papierherstellungssystems und ist zu der Anmeldung in Bezug gesetzt.
In der vorliegenden Patentbeschreibung bezieht sich der Ausdruck „sekundäre Faser" auf eine Faser, die durch den Papierherstellungsvorgang zumindest einmal gelaufen ist. Dementsprechend weist eine sekundäre Faser eine tatsächlich recycelte Faser, erhalten von Abfallpapier, und eine Faser, erhalten von ausgesuchtem Papier, hergestellt in einer Papiermühle, auf. Eine primäre Faser oder eine jungfräuliche Faser bezieht sich auf eine Faser, die nicht durch den Papierherstellvorgang gelaufen ist. Faser bezieht sich auf Fasern, die in der Papier- und Pulpe-Industrie verwendet werden, hergestellt durch chemische oder mechanische Verfahren aus Pflanzen oder Pflanzenteilen, die Lignozellulose, wie beispielsweise Holz oder Pflanzen, mit einem krautigen Strunk, enthalten, von denen das Lignin entfernt worden ist oder bei denen das Lignin teilweise oder vollständig erhalten ist, wie beispielsweise Zellulose, Holzschliff und/oder mechanische Refiner-Pulpe oder Mischungen von diesen.
Die Verwendung einer sekundären Faser hat schnell in Europa und in den USA während der vergangenen paar Jahre zugenommen, und ökonomische Prognosen sagen eine anhaltende Zunahme voraus. Die Nachfrage nach Handelszellstoff, erzeugt aus recyceltem Papier, hat auch sehr stark zugenommen.
Ein Faser-Recycling wird durch verschiedene Regulatorien und grüne Werte (green values) kontrolliert, allerdings wird sich die Technologie auf lange Sicht stark selbst nach Versorgung und Anforderung orientieren. Natürlich dient ein guter Han delswert von recyceltem Papier als ein Anreiz für die Entwicklung von Abfallpapier-Sammel- und -Sortiersystemen. Die Situation variiert von einem Land zu dem anderen. Zum Beispiel ist in Japan die Menge an Fasern, die recycelt ist, sehr hoch, da dem Land eigene, natürliche Faser-Ressourcen fehlen. Die skandinavischen Länder haben eine ausreichende Versorgung von primärer Faser und die Menge an Abfallpapier, die dort erzeugt ist, ist relativ niedrig, da das Zentrum des Papierverbrauchs Zentraleuropa ist; deshalb besitzt, aus ökonomischen Gründen alleine, die Verwendung von sekundärer Faser geringere, signifikantere Verhältnisse in Skandinavien.
Eine sekundäre Faser wird vor der erneuten Verwendung in einem sogenannten Entfärbungsprozess behandelt, um so sein Potenzial in der Papierherstellung auf ein Niveau anzuheben, das für ein neues Papierprodukt ausreichend ist. Die Einheitsprozesse beim Entfärben weisen sowohl physikalische als auch chemische Vorgänge auf, die einen Effekt auf die Qualität der Faser haben, und deshalb auf die Qualität des Papierprodukts, das aus der sekundären Faser hergestellt werden soll. Auch besitzt die frühere Historik der Faser bei der Papierherstellung einen Effekt auf das Endprodukt. Die Eigenschaften von Papier, hergestellt aus sekundärer Faser, z.B. die Zug- und Berstfestigkeit des Papiers, sind schlecht im Gegensatz von Papier, das nur unter Verwendung von primärer Faser hergestellt ist. Papier, hergestellt aus sekundärer Faser, besitzt auch eine niedrigere Helligkeit, allerdings hängt dies von dem Bleichungsverfahren ab.
Wenn eine sekundäre Faser bei der Herstellung eines neuen Papierprodukts verwendet wird, wird primäre Faser nahezu ausnahmslos zu der Pulpe-Mischung hinzugefügt, um die erforderliche Produkteigenschaft zu erreichen. Systeme sind entwickelt worden, um das Verhältnis von sekundärer Faser, und deshalb die Qualität der Mischung, d.h. deren Nutzbarkeit, zu messen und zu charakterisieren.
In der Literatur sind verschiedene Untersuchungen bekannt, die darauf zielen, eine sekundäre Faser zu charakterisieren. Das Ziel ist gewesen, Fasereigenschaften aufzustellen, die in dem Recyclingprozess geändert werden, und solche dieser Änderungen, die zu einer Verschlechterung der Papiereigenschaften führen. Mechanische Vorgänge, wie beispielsweise Pulpe-Bildung und Refining, sind dahingehend bekannt, dass sie einen Effekt auf die Dimensionen und die Morphologie von Fasern haben. Andererseits beeinflussen die chemischen Entfärbungsvorgänge die Oberflä cheneigenschaften von Fasern, und ein Sortieren beeinflusst Änderungen in der Verteilung der Fasereigenschaften. Das Problem ist dasjenige, dass die meisten Änderungen, die erwähnt sind, zu klein sind, um zuverlässig bestimmt und gemessen zu werden. Deshalb ist es schwierig, eine Verbindung zwischen solchen Änderungen und Änderungen in den Papiereigenschaften herzustellen.
Einige Untersuchungen (z.B. Ellis und Sedlachek) haben vertretbare Argumente in Bezug auf den Effekt angegeben, dass die Verschlechterung der Papierfestigkeit, wenn eine sekundäre Faser verwendet wird, aufgrund der Tatsache erfolgt, dass die Bindungsbereiche zwischen sekundären Fasern in dem Fasernetzwerk des Papiers kleiner als in dem Fall einer primären Faser sind. Diese Angaben unterstützen die Idee, dass die Verschlechterung in den Festigkeitseigenschaften von recyceltem Papier wahrscheinlicher aufgrund von Änderungen in der Adaptierfähigkeit von Fasern als in den chemischen Änderungen darin erfolgt. Eine Adaptierbarkeit bedeutet die Fähigkeit von Fasern, sich in dem Fasernetzwerk während der Papierherstellung so zu deformieren, dass ein besserer Kontakt zwischen Fasern und deshalb ein größerer Bindungsbereich erreicht wird.
Allgemein besteht die Meinung, dass die Faser-Keratinisierung, die während des Recycelns auftritt, die Adaptierbarkeit von Fasern verringert. Eine Keratinisierung tritt bei der Papierherstellung in Verbindung mit dem Trocknen auf und sie verursacht ein irreversibles Blockieren der Mikroporen der Faserwand, wodurch die Wanddichte der Fasern erhöht wird.
Aus den vorstehenden Gründen, die hauptsächlich in Verbindung mit der Verwendung einer sekundären Faser entstanden sind, ist die Messung der Papierherstelleigenschaften, der Adaptierbarkeit und/oder der Keratinisierung der sekundären Faser von primärer Wichtigkeit, insbesondere im Hinblick auf die Verwendung einer sekundären Faser, und um eine Charakterisierung einer sekundären Faser zu erreichen.
Bisher ist es nicht möglich gewesen, das Verhältnis einer sekundären Faser, z.B. in Pulpe, in einer geeigneten und zufriedenstellenden Art und Weise zu bestimmen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile, die vorstehend beschrieben sind, zu beseitigen.
Eine spezifische Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Verfahren zum Charakterisieren der Papierherstelleigenschaften einer Fasersuspension, enthaltend sekundäre Faser, anzugeben. Das Verfahren beruht in der Bestimmung einer Menge, abhängig von der Diffusionsrate, und insbesondere in der Bestimmung des Diffusionskoeffizienten von der Faserwand bei der Diffusion, die durch die Wand hindurch auftritt, was es möglich macht, die Papierherstelleigenschaften, die Adaptierbarkeit und/oder die Keratinisierung der sekundären Faser in Fasermischungen abzuschätzen.
In Bezug auf die Merkmale, die für die Erfindung charakteristisch sind, wird Bezug auf die Ansprüche genommen.
Die Erfindung basiert auf umfangreichen Untersuchungen, bei denen festgestellt wurde, dass die Diffusionsrate eines Indikators in der keratinisierten Wand einer sekundären Faser niedriger als in der Wand einer nicht getrockneten, primären Faser ist. Dies kommt daher, dass die Faser-Keratinisierung bei der Papierherstellung in Verbindung mit einem Trocknen von Blöcken der Mikroporen in der Faserwand auftritt, und die Dichte der Wand erhöht, was die Diffusion, die Diffusionsrate und eine Menge, in Abhängigkeit von der Diffusion, oder der Rate der Diffusion, verringert, insbesondere den Diffusionskoeffizienten, und zwar bei der Diffusion, die durch die Wand hindurch stattfindet.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Messen der Diffusionsrate und/oder irgendeiner Menge, in Abhängigkeit davon, und insbesondere des Diffusionskoeffizienten, wenn ein Indikator durch die Faserwand hindurch diffundiert wird, entwickelt worden. Die gemessene Diffusionsrate und/oder der Diffusionskoeffizient oder Mengen, in Abhängigkeit von diesen, charakterisieren die Papierherstelleigenschaften oder die Adaptierbarkeit der Fasermischung. Die Mengen, die erhalten sind, können dazu verwendet werden, das Verhältnis der keratinisierten Faser (sekundären Faser) in der Fasermischung zu bestimmen. Die Mengen, die erhalten sind, können dazu verwendet werden, die Papierherstelleigenschaften der Fasersuspensionen, die die sekundäre Faser enthalten, zu charakterisieren.
In dem Vorgang der Erfindung wird ein Diffusionsindikator in die Fasern in einer Faserprobe, die untersucht werden soll, eingeführt. Die Fasern werden dann in Wasser eingegeben und die Diffusion durch die Faserwand des diffundierbaren Indi kators, enthalten in den Fasern, wird durch Messen der Konzentration des diffundierbaren Indikators in einer Bulk-Mischung außerhalb der Fasern zu einer bestimmten Zeit oder als eine Funktion der Zeit gemessen. Die gesamte Diffusion oder die Diffusionsrate, die durch die Faserwand hindurch stattfindet, kann auf der Basis der Konzentration der Bulk-Mischung bei einem gegebenen Fall und/oder auf der Basis der Änderung in der Konzentration pro Zeiteinheit berechnet werden.
Für die Berechnung des Diffusionskoeffizienten werden die Messdaten in ein mathematisches Modell, das die Diffusion beschreibt, die innerhalb der Fasern auftritt, eingebunden, woraufhin der Diffusionskoeffizient, der die Diffusionsrate in einer bekannten Art und Weise beschreibt, und/oder eine Menge in Abhängigkeit davon, berechnet werden kann.
Der Indikator kann allgemein irgendeine wasserlösliche Substanz sein, deren Konzentration genau in einer Fasersuspension außerhalb der Fasern gemessen werden kann. Typischerweise sind Indikatoren organische oder anorganische Säuren, Alkali- oder Salzlösungen, ionisierbar oder nicht-ionisierbar, in der Fasersuspension, neutrale Indikatoren, Färbemittel oder Radioindikatoren. Die Messung kann unter Verwendung irgendeines ausreichend schnellen, kostengünstigen und zuverlässigen Analyseverfahrens durchgeführt werden, dessen dynamisches Verhalten bekannt ist oder gemessen werden kann.
Der Indikator kann in die Fasern vorzugsweise durch Imprägnieren einer Faserprobe in einer gesättigten oder nahezu gesättigten Indikatorlösung, z.B. einer Salzlösung, wie beispielsweise einer Halogenidlösung eines alkalischen Metalls, eingeführt werden. Die zusätzliche Indikatorlösung außerhalb der Fasern kann, zum Beispiel, durch Pressen der Fasern so, dass keine wesentlichen Mengen des Indikators auf der Außenseite der Fasern verbleiben wird, oder in einer bestimmten anderen Art und Weise, entfernt werden. Für die Messung werden die Fasern, die so extern gereinigt sind, in ein Gefäß eingebracht, das mit einer starken Mischfähigkeit ausgestattet ist, vorzugsweise in ionen-ausgetauschtem Wasser, und die Konzentration des Indikators, diffundiert in dem Wasser, wird außerhalb der Fasern als eine Funktion der Zeit bestimmt, z.B. über eine potenziometrische Messung der Leitfähigkeit, wenn sich der Indikator in einem ionisierten Zustand befindet, oder durch Spek trofotometrie oder in einer bestimmten anderen Art und Weise, wie dies allgemein in der analytischen Chemie bekannt ist.
Für die Bestimmung der Diffusionsrate und des Diffusionskoeffizienten wurde ein theoretisches Modell für die Diffusion des Indikators durch die Wände der Fasern, suspendiert in Wasser, entwickelt. Allgemein findet die Diffusion durch die Faserwand schnell statt und das Untersuchungsverfahren, das angewandt ist, um die Diffusion zu untersuchen, muss ausreichend schnell sein, um zuverlässige Ergebnisse zu liefern. Eine Beobachtung und Messung der Diffusion in einer individuellen Faser ist schwierig aufgrund der kleinen Dimensionen der Faser. Deshalb wird die Messung in Bezug auf die Diffusion mit einer bekannten Menge an Fasern, suspendiert in Wasser, durchgeführt. Weiterhin wurde, gemäß der Erfindung, ein neues Verfahren entwickelt, das ermöglicht, dass die Diffusion, die innerhalb der Faser auftritt, vollständig geprüft wird.
Bei der Entwicklung des Verfahrens war der Ausgangspunkt eine bekannte, mathematische Gleichung für einen infiniten Zylinder, der, in der Praxis, eine Faser einer wahlweisen Länge beschreibt, in der eine Diffusion nur durch die Faserwand auftritt (Carslaw, H. S. et al, Conduction of Heat in Solids, 2^nd ed., Oxford University Press, Oxford (1959)).
Unter der Annahme, dass der Faserradius konstant ist, muss die Faserlänge viel größer als der Radius sein, und die Indikatorkonzentration auf der äußeren Oberfläche der Faser muss Null sein, so dass eine radiale Diffusion, die durch die Faserwand auftritt, entsprechend dem zweiten Gesetz nach Fick in zylindrischen Koordinaten dargestellt werden kann. Das Problem kann unter Verwendung der nachfolgenden Anfangs- und Randbedingungen gelöst werden: C = Cmax wenn 0 ≤ r ≤ R und t = 0 (1a) C = 0 wenn r = R (1b)
wobei C die Indikatorkonzentration innerhalb der Faser ist, r der Abstand von der Symmetrieachse der Faser ist, R der Faserradius ist und C_max die Indikatorkonzentration innerhalb der Faser vor dem Beginn des Diffusionstests ist.
Der Anfangszustand (1a) bedeutet, dass der Indikator homogen innerhalb der Faser verteilt sein muss, bevor der Test gestartet wird. Die Randbedingung (1b) wird dann gelten, wenn die Suspension effektiv gemischt ist und/oder der Diffusionskoeffizient für den Indikator viel höher in Wasser als innerhalb der Faserwand ist. Entsprechend dem Kantenzustand (1c) sind die Fasern symmetrisch und nicht beschädigt.
Eine Lösung, die eine Bessel-Funktion der ersten Art der nullten Ordnung ist, kann als eine Reihenentwicklung dargestellt werden, und die Konstanten in der Lösung können aus dem Anfangszustand (1a) (Carslaw und Jaeger, Conduction of Heat in Solids) bestimmt werden. Andererseits kann, wie bekannt ist, der molare Fluss des Indikators durch die Faserwand entsprechend dem ersten Gesetz von Fick mittels des Konzentrationsgradienten, der in der Oberflächenschicht der Faser vorherrscht, in ähnlicher Weise in zylindrischen Koordinaten dargestellt werden. Der Konzentrationsgradient kann durch Differenzieren der Reihenentwicklungslösung der Bessel-Funktion in der Oberflächenschicht der Faser, und eingesetzt in das erste Gesetz von Fick, gelöst werden. Wenn der molare Fluss, der durch die Faserwand entsprechend dem ersten Gesetz von Fick auftritt, erhalten in der Art und Weise, die vorstehend beschrieben ist, in Bezug auf die Zeit integriert wird und das Ergebnis durch das Volumen des Gefäßes, das für die Messung verwendet ist, geteilt wird, wird die folgende Gleichung erhalten:
wobei A der gesamte Flächenbereich der Fasern ist, V_H2O das Volumen der Suspension ist, β_n die n:te Wurzel der Gleichung J_o(β_n) = 0 ist (J_o ist eine Bessel-Funktion der ersten Art der Ordnung 0) und D der Indikatordiffusionskoeffizient in der Faserwand ist.
Gleichung (2) ergibt die theoretische Indikatorkonzentration C_s ^* in der wässrigen Faser außerhalb der Fasern zu unterschiedlichen Zeiten während des Diffusionstests.
Um genauere Ergebnisse zu erhalten, werden die Dynamiken des Messgefäßes so genau wie möglich mittels der Übertragungsfunktion beschrieben. Für diesen Zweck wird das bekannte Verfahren eines Beschreibens einer Zwischenabhängigkeit zwischen einer Anregungsfunktion f_in(s), gegeben auf der Laplace-Ebene, und einer entsprechenden Ansprechfunktion f_out(s) mittels einer Übertragungsfunktion G(s), in ähnlicher Weise gegeben auf der Laplace-Ebene, gemäß der Gleichung (3) verwendet,
wobei f_in(s) die Laplace-Transformation der theoretischen Konzentration des Indikators in der wässrigen Phase ist, f_out(s) die Laplace-Transformation der gemessenen Konzentration des Indikators in der wässrigen Phase ist, und G(s) die Übertragungsfunktion ist, die die dynamische Art des Systems so genau wie möglich beschreibt.
Die Übertragungsfunktion kann in einem separaten Test unter Verwendung keiner Faser in dem System, durch nur Hinzufügen von konzentriertem Elektrolyt in das Messgefäß zum Zeitpunkt t = 0, bestimmt werden. In diesem Fall ist f_in(t) eine Stufenfunktion, die den Wert 1 besitzt, wenn t > 0 gilt. Wie für f_out(t) kann dies mathematisch mit einer ausreichenden Genauigkeit z.B. durch Gleichung (4) ausgedrückt werden fout(t) = 1 – e–(i-T)Ik (4)wobei k eine Zeitkonstante ist und T eine Zeitverzögerung ist; k und T sind Parameter, die für die Ausrüstung und das Verfahren für die Analyse und deren Werte-Abhängigkeit in Bezug auf kleine Fehler in den Werten zum Zeitpunkt t = 0 und von den dynamischen Faktoren, die sich auf die Mischungs- und Konzentrationsmessungen beziehen, spezifisch sind.
Die Übertragungsfunktion G(s) wird durch Lösen der Laplace-Transformationen für die Funktionen f_in(t) und f_out(t) und Einsetzen davon in Gleichung (3) erhalten.
Die Endlösung, die unter Verwendung der Übertragungsfunktion korrigiert ist, für die gemessene Indikatorkonzentration außerhalb der Faser, wird durch Substituieren der Laplace-Transformation von Gleichung (2) für die Anregungsfunktion f_in(s) und Einsetzen des G(s), das so bestimmt ist, in Gleichung (3), und Lösen der inversen Transformation aus der Gleichung, erhalten für die Ansprechfunktion f_out(s), nach der Variablenänderung u = t – T, erhalten. Zum Beispiel wird, wenn die Funktion f_out(t) so, wie durch Gleichung (4) gegeben, ist, wird die Lösung, die erhalten ist, Gleichung (5) sein
wobei C_s(u) = f_out(u) und C_s(max)(u) die gemessene Indikatorkonzentration in dem Glättungsbereich der Grafik an dem Ende des Texts ist,
Die linke Seite von Gleichung (5) gibt die relative Indikatorkonzentration an.
In dem Vorgang der Erfindung wird, um den Diffusionskoeffizienten, der in Faserwand vorherrscht, zu bestimmen, tatsächlich der durchschnittliche Diffusionskoeffizient, der in den Fasern in der Fasersuspension vorherrscht, bestimmt. Dasjenige, was erhalten wird, ist deshalb an erster Stelle ein virtueller Diffusionskoeffizient, da die Suspension aus unterschiedlichen Arten von Fasern besteht, die unterschiedliche Diffusionskoeffizienten haben. In dem Vorgang sind es nicht die unterschiedlichen Diffusionskoeffizienten, die in den individuellen Fasern vorherrschen, die bestimmt werden, sondern anstelle davon führt der Vorgang zu einem einzelnen, virtuellen Diffusionskoeffizienten, der die gesamte Fasersuspension charakterisiert.
In dem Beispiel, in dem Messungen ausgeführt werden, wurde vorausgesetzt, dass Gleichung (5) die Diffusion beschreibt, wenn Ionen von innerhalb der Faser in das umgebende Wasser hinein diffundiert werden. Mit der Hilfe dieser Gleichung ist es möglich, die Diffusionsraten und/oder die Diffusionskoeffizienten, die die Diffusion und/oder die Mengen in Abhängigkeit davon darstellen, zu lösen. Weiterhin können die Diffusionsraten und/oder die Diffusionskoeffizienten, die so bestimmt sind, verwendet werden, um das Verhältnis einer sekundären Faser in einer Faserprobe und/oder die Papierherstelleigenschaften einer Fasersuspension allgemein abzu schätzen und zu bestimmen. Der Vorgang der Erfindung ist vollständig neu und besitzt eine große Wichtigkeit in der Papierindustrie.
Nachfolgend wird die Erfindung im Detail unter Zuhilfenahme von Beispielen deren Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 stellt ein Diagramm dar, das Grafiken für die Funktionen in Gleichung (3) darstellt,
2 stellt ein Diagramm dar, das die Messanordnung, verwendet in den Beispielen, darstellt,
3 zeigt eine Grafik, die die relative Konzentration von KCl bei der Diffusion von KCl durch die Faserwand darstellt,
4 zeigt eine grafische Darstellung von Diffusionstests, und
5 stellt die Diffusionskoeffizienten, bestimmt in Beispiel 2, als eine Funktion der Anzahl von Malen, für die die Fasern recycelt worden sind, dar.
Beispiel 1
Die Tests wurden unter Verwendung von chemischer Birkenholz-Pulpe durchgeführt. Bestimmt wurden, unter Verwendung von Lasermikroskopbildern und der Lasermikroskopie, die durchschnittlichen Faserdurchmesser dahingehend, dass sie ungefähr 30 μm und 35 μm für getrocknete Fasern und für Fasern, suspendiert in Wasser, jeweils, waren. Der Elektrolyt, der verwendet wurde, war Kaliumchlorid (Merck, p.a.).
Die Ausrüstung, die in dem Test verwendet wurde, ist in 2 dargestellt und weist ein Messgefäß 1, versehen mit einer Mischeinrichtung 2 und einem Temperaturreguliersystem 3, auf. Weiterhin weist die Ausrüstung eine Vorrichtung 4 zum Messen der Temperatur in dem Messgefäß und eine Vorrichtung 5 zum Messen der Indikatorkonzentration in der Messlösung in dem Gefäß, basierend auf einer Leitfähigkeitsmessung, auf. Die Daten wurden zu einer Daten-Akquisitionsvorrichtung 6 und weiter zu einem Computer 7 übertragen.
Alle Messungen wurden in dem Gefäß mit regulierten Temperaturbedingungen durchgeführt, wobei die Temperatur 5°C betrug, und das ein Flüssigkeitsvolumen von 500 ml besaß; das Gefäß wurde mit einer effektiven Mischeinrichtung (Mischrate 750 l/min) ausgestattet, und die hydrodynamischen Bedingungen wurden konstant in jedem Test gehalten.
Der Parameter T, die Zeitverzögerung und die Zeitkonstante k sind Parameter, die für die Ausrüstung und das Analysierverfahren, das verwendet ist, spezifisch sind, und sie sind für unterschiedliche Sätze einer Ausrüstung unterschiedlich. Die Parameter können separat für jeden Fall bestimmt werden. Zuerst wurde, um die Zeitverzögerung T und die Zeitkonstante k zu bestimmen, die aufgrund von Fehlern in den Werten zu dem Zeitpunkt t = 0 und der dynamischen Faktoren, die sich auf die Mischung und die Konzentrationsmessungen beziehen, auftreten, die Leitfähigkeit der wässrigen Lösung, in der 3 M KCl zu dem Zeitpunkt t = 0 hinzugefügt wurde, gemessen. Die gesamte Menge an KCl, die hinzugefügt wurde, war dieselbe wie in den Tests, in denen Fasern verwendet wurden. Um die Diffusionskoeffizienten des Elektrolyts zu bestimmen, wurden die Fasern zuerst mit 3 M KCl Lösung imprägniert, wonach sie gepresst wurden, bis keine Lösung auf der Außenseite der Fasern verblieb. Zu dem Zeitpunkt t = 0 wurde die Faserprobe in das Messgefäß eingegeben und durch Mischen unter einer schnellen Rate suspendiert. Die Erhöhung der Konzentration von KCl auf der Außenseite der Faser wurde durch Messen der Leitfähigkeit der Lösung als eine Funktion der Zeit überwacht. Es ist allgemein bekannt, dass Konzentration und Leitfähigkeit direkt proportional in schwachen Lösungen sind. Die Diffusionskoeffizienten für KCl in der Faserwand wurden aus der Kurve, die die Abhängigkeit der gemessenen Konzentration über die Zeit darstellt, wie dies vorstehend beschrieben ist, berechnet.
Die Tests zeigten, dass die Konsistenz der Fasersuspension keinen Einfluss auf die Dynamiken der Leitfähigkeitsmessungen besaß, und deshalb auf die Diffusionskoeffizienten in dem Bereich unter 2 g k.a./1000 ml einer Suspension. In den tatsächlichen Messungen war die Menge an Fasern, die gemessen wurde, 0,25 g im trockenen Zustand.
Bei den tatsächlichen Messungen war die Menge an Fasern so niedrig, dass die Elektrolyt-Konzentration auf der Oberfläche der Fasern dahingehend angenommen werden konnte, dass sie 0 ist. Die End-Elektrolyt-Konzentration in der wässrigen Faser an dem Ende jedes Tests war nicht 0, sondern, verglichen mit der Konzentration innerhalb der Fasern zu Beginn jedes Tests, war sie so niedrig, dass diese An nahme relativ genau war. Der Anfangswert der Zeitkonstanten k war 0,79, bestimmt aus den Ergebnissen der Leitfähigkeitsmessung an einem reinen Elektrolyt durch Einsetzen der Testergebnisse in Gleichung (4).
Für die Berechnung der Diffusionskoeffizienten innerhalb der Faserwände wurden die Testergebnisse, erhalten in den Faser-Suspensions-Messungen, die das Sigma Plot Adaptions-Programm von Jandel Scientific Co. verwendeten, in Gleichung (5) eingesetzt. Als Ergebnis konnten die Werte der Parameter B, D/R², T und das Anfangsniveau der relativen Konzentration gelöst werden. Das Anfangsniveau der relativen Konzentration wurde nicht irgendeinem Wert aufgrund der kleinen Variationen von dem Wert 0 zugeordnet. Weiterhin war es nicht möglich, genau die Zeitverzögerung T einzustellen. Deshalb wurde sie nicht zu irgendeinem Wert hinzugefügt, sondern es wurde zugelassen, dass sie frei als ein Einstellparameter in jedem individuellen Test variierte. Aus den Werten des Parameters D/R² wurde der Diffusionskoeffizient D in der Faserwand abgeschätzt, wobei der durchschnittliche Faserradius R bekannt ist. Die theoretische Gleichung (durchgezogene Linie) stimmte sehr genau mit den Testergebnissen (unterbrochene Linie) überein, wie anhand des Beispiels in 3 gesehen werden kann, das einen typischen Test beschreibt; die Messergebnisse, dargestellt in 3, sind auch in Tabelle 1 angegeben. Die Messungen an den Fasern und dem Elektrolyt wurden mehrere Male wiederholt, um Fehler zu minimieren. Die durchschnittlichen, relativen Konzentrationskurven sind in 4 angegeben.
Die Diffusionskoeffizienten wurden in der Art und Weise berechnet, die theoretisch vorstehend beschrieben ist, und sie sind in Tabelle 2 zusammen mit den Werten der Parameter in Gleichung (5) angegeben; Tabelle 2 stellt die Diffusionskoeffizienten für KCl in der Faserwand unter der Annahme dar, dass der durchschnittliche Radius der trockenen Fasern 15 μ beträgt. Die Grenzen eines Fehlers wurden auf einem Zuversichtsniveau von 95% bestimmt.
Tabelle 1
Nach 20 Sekunden ist die Diffusion abgeschlossen. Einstellparameter:

Anfangswert = 0,003

B = 4,2595 mol/m²

T = 3,3385 s

D/R2 = 0,04603 l/s

D = 14,1 × 10^–12 m²/s

Tabelle 2

Diffusionskoeffizient primäre Faser

D_KCl, m²/s 14,6 ± 4,5 × 10^–12

B, mol/m3 4,3 ± 0,04

D/R², s^–1 47,8 ± 14,9 × 10^–3
Beispiel 2
In diesem Beispiel wurden die Messungen in derselben Art und Weise wie in Beispiel 1 durch Recyceln der Faser, verwendet in Beispiel 1, und unter Durchführung der Messungen für jeden Zyklus durchgeführt. In Messung 1 wurde eine Faser, wie sie in Beispiel 1 beschrieben ist, in dem nassen Zustand verwendet; in Messung 2 wurde dieselbe Faser wie in Messung 1, gebildet zu einem Blatt Papier und getrocknet, verwendet; in Messung 3 wurde die Faser, verwendet in Messung 2, gebildet wiederum zu einem Blatt Papier und getrocknet, verwendet; in Messung 4 wurde die Faser, verwendet in Messung 3, gebildet wiederum zu einem Blatt Papier und getrocknet, verwendet. An jeder Stufe wurde die Faser der vorherigen Stufe sehr sorgfältig vor der nächsten Stufe gewaschen, um das KCl zu entfernen.

In der Messung wurden die Diffusionskoeffizienten bestimmt. Die Diffusionskoeffizienten sind in Tabelle 3 und in 5 angegeben. Tabelle 3

	Diffusionskoeffizient
Messung 1 nicht getrocknete Faser	14,6 × 10^–12 m²/s
Messung 2 Faser, einmal recycelt	7,6 × 10^–12
Messung 3 Faser, zweimal recycelt	6,1 × 10^–12
Messung 4 Faser, dreimal recycelt	5,5 × 10^–12

Der Anteil an sekundärer Faser in der Fasersuspension, die gemessen wird, kann ungefähr zum Beispiel so, wie dies in 5 dargestellt ist, bestimmt werden, indem der gemessene Diffusionskoeffizientenwert in die Grafik eingesetzt wird und der entsprechende Wert, der das Verhältnis an sekundärer Faser definiert, von der Skala abgelesen wird. Es sollte angemerkt werden, dass dieses Verfahren nur dazu verwendet werden kann, das Verhältnis von sekundärer Faser als einen ungefähren Wert zu definieren. Um ein genaueres Ergebnis zu erhalten, kann eine Grafik, wie sie in 5 dargestellt ist, präziser unter Durchführen von weiteren Messungen in Bezug auf bekannte Fasersuspensionen definiert werden, z.B. unter den Bedingungen, die in einer gegebenen Papiermühle vorherrschen; aus einer genaueren Grafik kann das Verhältnis von sekundärer Faser genauer interpoliert werden. Falls nur ein ungefährer Wert der Menge an sekundärer Faser erwünscht ist, kann das Verhältnis von sekundärer Faser in der Fasersuspension, die analysiert wird, durch die Annahme abgeschätzt werden, dass der Diffusionskoeffizient hauptsächlich linear von den Proportionen der primären und sekundären Faser in der Fasersuspension abhängt. Dementsprechend korreliert der Diffusionskoeffizient mit den Papierherstellverhältnissen der Fasersuspension, und die Papierherstellverhältnisse können deshalb durch den virtuellen Diffusionskoeffizienten der Fasersuspension und/oder durch eine Menge, die davon abhängig ist, charakterisiert werden.
Die Differenz zwischen Diffusionskoeffizienten ist sehr deutlich, was bedeutet, dass der Vorgang der Erfindung für die Abschätzung des Verhältnisses an sekundärer Faser verwendet werden kann. Die größte Änderung tritt dann auf, wenn die Faser zum ersten Mal recycelt wird, und die Änderung wird kleiner, wenn sich die Anzahl von Regenerierungszyklen erhöht. Demzufolge zeigt der Vorgang eine stärker hervortretende Reaktion in Bezug auf die Menge von regenerierter Faser als die Anzahl von Malen, für die die Faser recycelt worden ist. Dies macht es möglich, das Verhältnis von zurückgewonnener Faser mittels Diffusionskoeffizienten abzuschätzen, wie dies durch 5 dargestellt ist.
Der Anteil der sekundären Faser in einer Fasersuspension, die analysiert wird, kann durch die Annahme abgeschätzt werden, dass der Diffusionskoeffizient hauptsächlich linear von den Verhältnissen der primären und der sekundären Faser in der Fasersuspension abhängt. Eine lineare Skala wird unter Verwendung eines Diffusionskoeffizienten, der eine nicht recycelte Faser beschreibt, erhalten von 5, und einem geeignet ausgewählten Diffusionskoeffizienten, der die recycelte Faser beschreibt, erzeugt. Ein Diffusionskoeffizient, der am repräsentativsten für eine recycelte Faser ist, wird unter Verwendung der Diffusionskoeffizienten ausgewählt, die unterschiedliche Zurückgewinnungszyklen darstellen, z.B. als deren Durchschnittswert, falls wahrscheinlich ist, dass die Suspension Fasern enthält, die sich in Bezug auf die Anzahl von Malen, mit denen sie recycelt worden sind, unterscheiden. Wenn die Differenz in dem Diffusionskoeffizienten sogar nach dem ersten Zurückgewinnungszyklus klein ist, wenn die Faser weiter recycelt wird, enthält dieser Vorgang nicht irgendeinen großen Fehler. In der Praxis kann, in einer gegebenen Papiermühle, wenn die Recycling-Historik der Faser bekannt ist, z.B. wenn das Verhältnis an Faser, erhalten von Abfallpapier, abgeschätzt ist, der Vorgang genauer gestaltet werden. Die Kurve, die in 5 angegeben ist, kann auch genauer unter Verwendung einer größeren Anzahl von Messungen in Bezug auf bekannte Fasersuspensionen unter den Bedingungen, die in einer bestimmten Papiermühle vorherrschen, bestimmt werden.
Dementsprechend enthält der Diffusionskoeffizient eine Korrelation zu der Menge der Fasersuspension, und die Papierherstelleigenschaften können deshalb durch einen virtuellen Diffusionskoeffizienten und/oder eine Menge, die davon abhängig ist, charakterisiert werden. Obwohl dieser Vorgang eine stärker hervortretende Reaktion auf die Menge an recycelter Faser als auf die Anzahl von Malen, für die die Faser recycelt worden ist, zeigt, haben beide einen Effekt derselben Art. Mit anderen Worten ist, je niedriger der Diffusionskoeffizient ist, desto schlechter die Fasermischung in Bezug auf die Papierherstelleigenschaften. Entsprechend ist, je höher der Diffusionskoeffizient ist, desto besser die Fasermischung in Bezug auf die Papierherstelleigenschaften. Das Modell, das entwickelt ist, erläutert die Testergebnisse sehr gut.
Beispiel 3
In diesem Beispiel wird der Anteil der sekundären Faser in der Fasersuspension, die gemessen wird, ungefähr so bestimmt, wie dies in 5 dargestellt ist, durch Einfügen und Lesen eines entsprechenden Werts, der das Verhältnis der sekundären Fasern definiert, von der Skala. Der Anteil der sekundären Faser in der Suspension, die analysiert wird, wird unter der Annahme abgeschätzt, dass der Diffusionskoeffizient hauptsächlich linear von den Verhältnissen primärer und sekundärer Fasern in der Fasersuspension abhängt. Eine lineare Skala wird unter Verwendung eines Diffusionskoeffizienten, der eine nicht recycelte Faser beschreibt, erhalten von 5, und einem geeignet ausgewählten Diffusionskoeffizienten, der die recycelte Faser beschreibt, erzeugt. Ein Diffusionskoeffizient, der am repräsentativsten für die recycelte Faser ist, wird unter Verwendung der Diffusionskoeffizienten, die unterschiedliche Zurückgewinnungszyklen darstellen, z.B. als deren Durchschnittswert, ausgewählt, falls die Suspension wahrscheinlich Fasern enthält, die sich in Bezug auf die Anzahl von Malen, mit denen sie recycelt worden sind, unterscheiden. Da der Unterschied in dem Diffusionskoeffizienten klein sogar nach dem ersten Zurückgewinnungszyklus ist, wenn die Faser weiter recycelt wird, enthält dieser Vorgang nicht irgendeinen großen Fehler.
In der Messung 1 werden eine primäre Faser, wie sie in Beispiel 2 gemessen ist, und eine Faser, erhalten von Abfallpapier, erzeugt in der Papiermühle, verwendet.
In Messung 2 enthält die Faser die primären Fasern, verwendet in Beispiel 2, und recycelte Fasern, recycelt 2-, 3- und 4-mal.
In Messung 1 wird das Verhältnis der primären und sekundären Fasern unter der Annahme berechnet, dass der gemessene Diffusionskoeffizient 9,0·10^–12 m²/s hauptsächlich linear von dem Verhältnis primärer und sekundärer Fasern in der Fasersuspension abhängt, d.h. das Verhältnis der sekundären Faser ist
In der Messung 2 wird der durchschnittliche Diffusionskoeffizient der Fasern, recycelt 2-, 3 und 4-mal, berechnet, wobei das Ergebnis 6,4·10^–12 m²/s ist. Der gemessene Diffusionskoeffizient 9,1·10^–12 m²/s wird dahingehend angenommen, dass er hauptsächlich linear von dem Verhältnis der primären und sekundären Faser in der Fasersuspension abhängt, d.h. das Verhältnis der sekundären Faser ist:
Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 angegeben.
Tabelle 4
Entsprechend den Messungen in der Messung 1 war der Anteil der primären Faser ab. 20% und der sekundären Faser 80% der Gesamtmenge der Faser. In der Messung 2 war der Anteil der primären Faser ab. 53% und der sekundären Faser (recycelt 2-, 3 und 4-mal) ab. 67%.
Die Beispiele der Ausführungsformen sind dazu vorgesehen, die Erfindung zu erläutern, ohne sie in irgendeiner Art und Weise einzuschränken.

Claims

Verfahren zum Charakterisieren der Papiefierstellungseigenschaften einer Suspension von Fasern, wobei das Verfahren umfasst: I) Ausführen von Schritten a) bis e) für Fasern, die die Suspension von Fasern sind, für Fasern, die Primärtasern sind, sowie für Fasern, die Sekundärfasern sind; a) Einleitung eines diffusionsfähigen Indikators in die Fasern; b) Suspension der Fasern in einer wässrigen Phase; c) Bestimmung der Indikatorkonzentration in der wässrigen Phase als Funktion der Zeit, die seit dem Zeitpunkt der Suspension der Fasern verstrichen ist; d) Bestimmung des Diffusionskoeffizienten in den Fasern; e) Berechnung einer Größe, die von der Diffusionsrate abhängt, auf Basis der bestimmten Konzentration und der verstrichenen Zeit; II) Vergleichen der Größe, die von der Diffusionsrate der Suspension von Fasern abhängt, mit der Größe, die von der Diffusionsrate der Primärfasern abhängt, und der Größe, die von der Diffusionsrate der Sekundärfasern abhängt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein diffusionsfähiger Indikator in die zu messenden Fasern eingeleitet wird, die Fasen in einer wässrigen Phase suspendiert werden, die Indikator-Konzentration in der wässrigen Pha se bestimmt wird, und der Diffusionskoeffizient entsprechend Gleichung (2) bestimmt wird,
wobei C * / s die Elektrolyt-Konzentration außerhalb der Fasern in der wässrigen Phase ist, A die Gesamtfläche der Fasern ist, C_max die Anfangs-Elektrolyt-Konzentration innerhalb der Fasern ist, R der Faserradius ist, V_H2O das Suspensions-Volumen ist, β_n die n-te Wurzel (die eine Bessel-Funktion erster Art der Ordnung 0 ist) von Gleichung J_o (β_n) = 0 ist, D der Indikator-Diffusionskoeffizient innerhalb der Faserwand ist und t die Zeit ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusionskoeffizient entsprechend Gleichung (5) bestimmt wird.
wobei C_s(u) die Indikator-Konzentration gemessen anhand der wässrigen Phase ist, C_s(max)(u) die End-Indikatorkonzentration in der wässrigen Phase ist, B 2AC_maxR/V_H2O entspricht, γ_n Dβ² _n/R₂ entspricht, u t – T entspricht (wobei T die Länge einer Verzögerung ist) und k eine Zeitkonstante ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil von Sekundärfasern in einer Fasersuspension, die Primärfasern und Sekundärfasern enthält, so bestimmt wird, dass die Diffusionskoeffizienten in der Faserwand bei durch sie hindurch stattfindender Diffusion in wenigstens zwei Fasersuspensionen, für die die Anteile von Primär- und Sekundärfasern bekannt sind, und in einer zu messenden Fasersuspension bestimmt werden, und dass der Anteil von Sekundärfasern in der zu messenden Suspension geschätzt wird, indem angenommen wird, dass der Diffusionskoeffizient hauptsächlich linear von dem Anteil der Primär- und der Sekundärfasern in der Fasersuspension abhängt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Indikator in die Faser eingeleitet wird, indem die Fasern in einer Indikatorlösung suspendiert werden und der Indikator außen von der Oberfläche der Fasern entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern so gepresst werden, dass jegliche Indikatorlösung von der Oberfläche der Fasern entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–6, dadurch gekennzeichnet, dass der Indikator ein Elektrolyt ist,
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikatorkonzentration in der wässrigen Phase über eine Leitfähigkeitsmessung gemessen wird.