EP1521883A1 - Verfahren zur faserstoffbehandlung - Google Patents

Verfahren zur faserstoffbehandlung

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Publication number
EP1521883A1
EP1521883A1 EP03793666A EP03793666A EP1521883A1 EP 1521883 A1 EP1521883 A1 EP 1521883A1 EP 03793666 A EP03793666 A EP 03793666A EP 03793666 A EP03793666 A EP 03793666A EP 1521883 A1 EP1521883 A1 EP 1521883A1
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EP
European Patent Office
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grinding
fibers
movement
zone
fibrous material
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03793666A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Berger
Klaus Eibinger
Rudolf Eichinger
Dietmar GRÜNEIS
Andrea Hierner
Walter RÜF
Ronald Sigl
Helmut Stark
Peter-Rigobert Winter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEUSIEDLER AG
Norske Skog Bruck GmbH
Mondi Frantschach GmbH
SCA Graphic Laakirchen AG
Institut fuer Papier Zellstoff und Fasertechnik
SAPPI PAPIER HOLDING AG
Voith Paper Fiber and Environmental Solutions GmbH and Co KG
Original Assignee
NEUSIEDLER AG
Norske Skog Bruck GmbH
Frantschach Pulp and Paper Austria AG
SCA Graphic Laakirchen AG
Institut fuer Papier Zellstoff und Fasertechnik
Voith Paper Fiber Systems GmbH and Co KG
SAPPI PAPIER HOLDING AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21D—TREATMENT OF THE MATERIALS BEFORE PASSING TO THE PAPER-MAKING MACHINE
    • D21D1/00—Methods of beating or refining; Beaters of the Hollander type
    • D21D1/20—Methods of refining
    • D21D1/34—Other mills or refiners
    • D21D1/36—Other mills or refiners with vertical shaft
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21D—TREATMENT OF THE MATERIALS BEFORE PASSING TO THE PAPER-MAKING MACHINE
    • D21D1/00—Methods of beating or refining; Beaters of the Hollander type
    • D21D1/20—Methods of refining
    • D21D1/34—Other mills or refiners
    • D21D1/38—Other mills or refiners with horizontal shaft

Definitions

  • the invention relates to a method for fiber treatment according to the preamble of claim 1.
  • Process for fiber treatment of the above Kinds are generally also referred to as grinding processes. It has long been known that pulp fibers have to be ground so that the paper subsequently produced from them has the desired properties, in particular strength, formation and surface. By far the most frequently used grinding processes use grinding surfaces which are provided with strips known as knives. The corresponding machines are mostly called knife refiners. For special cases, grinding processes are also used in which at least one of the grinding surfaces is knife-free, so that the grinding work is transmitted by friction or shear forces.
  • the effect of the method can be controlled over a wide range by changing the grinding parameters, and in addition to the amount of grinding, a distinction is made in particular as to whether a more cutting or more fibrillating grinding is desired. If pulp fibers are processed by the known grinding processes, their resistance to dewatering increases with increasing grinding. A common measure of drainage resistance is the Schopper-Riegler degree of grinding.
  • the invention is based on the object of providing a method for treating pulp with which it is possible to change pulp or paper fibers in such a way that the strengths of the paper produced therefrom are increased.
  • the increase in dewatering resistance that occurs should be at least less than in known grinding processes.
  • the new grinding process essentially works in such a way that grinding shear stress on the cellulose fibers is largely avoided. This essentially achieves three important advantages over the known grinding processes:
  • the fiber surface is not or significantly less fibrillated.
  • the specific grinding work to achieve the desired strength is generally less.
  • FIG. 2 Schematic: A device for performing the method
  • FIG. 4 schematically in the position of use: Another device for
  • FIG. 1 can be seen as a top view of part of a device that is particularly suitable for carrying out the method be considered. However, no technical-constructive details are shown.
  • the grinding surface 1 is located on the outer circumference of a rotating grinding body 9.
  • the grinding surface 2, as the inside of a likewise rotating grinding drum 8, carries on its inside the fibrous material F to be ground, that is to say the aqueous suspension containing the paper or cellulose fibers. Due to the centrifugal forces, it is evenly distributed on the grinding surface 2 and rotates on it.
  • the peripheral speed of the grinding element 9 is indicated by an arrow 6 and that of the grinding drum 8 by an arrow 7.
  • the kinematics of these two grinding surfaces is such that at point 5, where the two grinding surfaces come closest, there is at most a very low relative speed between the fibrous material F and the grinding surfaces in the direction of the main movements of the grinding surfaces.
  • the main directions of movement arise from the movement of the grinding surfaces due to the drive.
  • the grinding body 9 rolls here on the inside of the grinding drum 8.
  • the axis of rotation of the grinding element 9 is parallel to that of the grinding drum 8 and can be fixed in space.
  • the actual grinding zone 3 begins at the point at which the grinding surface 1 dips into the layer of the fibrous material F.
  • the grinding body 9 is pressed against the grinding surface 2 with the force P here. The grinding effect can be adjusted by changing this force.
  • the grinding surface 1 is here provided with grooves 4, the effect of which cannot be compared with that of knives known from knife refiners, in which the knives are moved relative to one another at high speed.
  • the grooves 4 in cooperation with the counter surface, generate pressure pulses which serve, for example, to absorb water from the fibers. They also ensure the transport of the fibrous material F through the grinding zone 3.
  • the grooves can run over the entire axial length of the grinding body, but they can also be interrupted. Depth t and width u should generally be at least 2 mm. Deviations from the rectangular profile shown here are also conceivable, as shown by way of example in FIG. 3 using a trapezoidal profile.
  • a device for performing the method could basically be constructed as shown in FIG. 2 in the position of use.
  • a horizontally arranged grinding drum 8 can be seen, which is set in rotation via the drive 11.
  • Within this grinding drum there are several grinding bodies 9 which - as already described - are moved in such a way that a rolling movement is formed at the contact points with the grinding drum 8.
  • the grinding media 9 are set in rotation by the drive 10, their axes of rotation being vertical and fixed in space.
  • the added fibrous material F can be ground in batches with such a device and removed after the grinding process as ground fibrous material F '. If such a device is to be operated continuously, precautions must be taken which bring about a constant throughput of the fibrous material, so that uniform grinding takes place.
  • FIG. 4 Another possibility for carrying out the method is shown in FIG. 4, in which the center lines of the grinding drum 8 and the grinding element 9 lie horizontally.
  • This device allows continuous grinding what However, this presupposes that the desired grinding is achieved with just a few passes through a grinding zone.
  • a wide layer of the fibrous material F to be ground is introduced into the stationary grinding drum 8 in such a way that it runs down on the inner wall of the grinding drum due to gravity.
  • the grinding element 9 rolls on the inner wall of the grinding drum 8 such that the rotational movement (directional arrow 6) of the grinding element 9 about its axis is superimposed with a rotational movement (directional arrow 6 ') of the axis of the grinding element 9 about the center line of the grinding drum 8.
  • such a device contains a plurality of grinding media 9 which are mounted on a rotating frame.
  • the grinding media can run against the flow of the pulp (as drawn here) or follow it.
  • FIG. 5 The improvement that can be achieved by the new method is indicated on a schematic diagram according to FIG. 5.
  • This diagram shows the degree of grinding (arrow 12), plotted over the tearing length (arrow 13).
  • Curve 14 shows the result of a conventional knife grinding and curve 15 shows a result achieved by the new method. It can easily be seen that in order to achieve a desired high tearing length, the new process produces a significantly lower degree of grinding. This diagram is only intended to show a general trend.

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Abstract

Das Verfahren dient der Veränderung von suspendierten Papier- oder Zellstofffasern, insbesondere um die Festigkeit des aus diesen Fasern hergestellten Papiers zu erhöhen. Dabei werden zwei Mahlflächen (1, 2) gegeneinander gedrückt und so bewegt, dass in der Mahlzone (3) eine möglichst geringe Relativgeschwindigkeit zwischen den Mahlflächen (1, 2) und dem Faserstoff (F) herrscht. Eine besonders günstige Durchführung des Verfahrens kann mit die eine Mahlfläche (1) tragenden Mahlkörpern (9) realisiert werden, die auf der Innenseite einer die Mahlfläche (2) tragenden Mahltrommel (8) abgewälzt werden.

Description

Verfahren zur Faserstoffbehandlung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Faserstoffbehandlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Verfahren zur Faserstoffbehandlung der o.g. Art werden im Allgemeinen auch als Mahlverfahren bezeichnet. Seit langem ist bekannt, dass Zellstofffasern gemahlen werden müssen, damit das später daraus hergestellte Papier die gewünschten Eigenschaften, insbesondere Festigkeiten, Formation und Oberfläche, aufweist. Die weitaus am häufigsten verwendeten Mahlverfahren benutzen solche Mahlflächen, die mit als Messer bezeichneten Leisten versehen sind. Die entsprechenden Maschinen werden zumeist Messerrefiner genannt. Für Spezialfälle werden auch Mahlverfahren verwendet, bei denen mindestens eine der Mahlflächen messerlos ist, so dass die Mahlarbeit durch Reib- oder Scherkräfte übertragen wird.
Die Wirkung des Verfahrens lässt sich durch Ändern der Mahlparameter in einem weiten Bereich steuern, wobei neben der Höhe der Ausmahlung insbesondere auch unterschieden wird, ob eine stärker schneidende oder stärker fibrillierende Mahlung gewünscht wird. Werden Zellstofffasern durch die bekannten Mahlverfahren bearbeitet, so steigt ihr Entwässerungswiderstand mit zunehmender Ausmahlung. Ein übliches Maß für den Entwässerungswiderstand ist der Mahlgrad nach Schopper-Riegler.
Die Erhöhung des Mahlgrades wirkt sich bei der Blattbildung auf der Papiermaschine ungünstig aus, wird aber hingenommen, da die bereits genannten Qualitätsmerkmale des Zellstoffes eine überragende Rolle für dessen Einsetzbarkeit spielen. In vielen Fällen werden die Mahlparameter so gewählt, dass der zur Erreichung der geforderten Faserqualität eingetretene Mahlgradanstieg möglichst gering ist. Diese Einflussmöglichkeit ist aber sehr begrenzt. Außerdem kann dadurch die Mahlung kraftwirtschaftlich ungünstiger werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Faserstoffbehandlung zu schaffen, mit dem es möglich ist, Zellstoff- oder Papierfasern so zu verändern, dass die Festigkeiten des daraus hergestellten Papiers erhöht werden. Die dabei auftretende Zunahme des Entwässerungswiderstandes soll zumindest geringer sein als bei bekannten Mahlverfahren.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Das neue Mahlverfahren arbeitet im Wesentlichen so, dass eine mahlende Scherbeanspruchung der Zellstofffasern weitestgehend vermieden wird. Dadurch werden im Wesentlichen gegenüber den bekannten Mahlverfahren drei wichtige Vorteile erzielt:
1. Die Faserlänge bleibt wesentlich besser erhalten.
2. Die Faseroberfläche wird nicht oder bedeutend weniger fibrilliert.
3. Die spezifische Mahlarbeit zur Erreichung der gewünschten Festigkeiten ist im Allgemeinen geringer.
Vergleichsversuche mit Langfaserzellstoff haben gezeigt, dass zur Erzielung einer Reißlänge von 8 km bei einer Messermahlung 45° SR Mahlgrad entstand und mit dem neuen Verfahren nur 18° SR. Die benötigte spezifische Mahlarbeit lag bis zu 50% niedriger. Es ist anzunehmen, dass durch das neue Mahlverfahren die Oberfläche der Fasern so verändert wird, dass sie eine verbesserte Flexibilität und Bindungsfähigkeit erhält, ohne dass Fibrillen aus der äußeren Oberfläche der Fasern herausgelöst werden müssen. Auch die Erzeugung von Feinstoff, also Faserbruchstücken, kann unterbleiben.
Wird das Verfahren auf rezyklierte Fasern angewendet, können die unter 1. und 2. genannten Vorteile eine besondere Rolle spielen. Rezyklierte Fasern haben bereits mindestens einen, oft sogar mehrere Mahlvorgänge hinter sich, so dass jede weitere Zerkleinerung gerne vermieden wird.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden erläutert an Hand von Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein einfaches Beispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 Schematisch: Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens;
Fig. 3 Variation des Rollenprofils;
Fig. 4 schematisch in Gebrauchslage: Eine weitere Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens;
Fig. 5 Qualitatives Festigkeitsdiagramm.
Die Darstellung in der Fig. 1 kann als Ansicht von oben auf einen Teil einer zur Durchführung des Verfahrens besonders geeigneten Vorrichtung angesehen werden. Dabei sind allerdings keine technisch-konstruktiven Details gezeigt. Die Mahlfläche 1 befindet sich gemäß dieser Darstellung auf dem Außenumfang eines rotierenden Mahlkörpers 9. Die Mahlfläche 2, als Innenseite einer ebenfalls rotierenden Mahltrommel 8, trägt auf ihrer Innenseite den zu mahlenden Faserstoff F, also die die Papier- oder Zellstofffasern enthaltende wässrige Suspension. Auf Grund der Zentrifugalkräfte wird er gleichmäßig auf der Mahlfläche 2 verteilt und rotiert auf dieser mit. Die Umfangsgeschwindigkeit des Mahlkörpers 9 ist durch einen Richtungspfeil 6 und die der Mahltrommel 8 durch einen Richtungspfeil 7 angedeutet. Die Kinematik dieser beiden Mahlflächen ist erfindungsgemäß so, dass an der Stelle 5, an der sich die beiden Mahlflächen am meisten nähern, höchstens eine sehr geringe Relativgeschwindigkeit zwischen dem Faserstoff F und den Mahlflächen in Richtung der Hauptbewegungen der Mahlflächen entsteht. Die Haupt- Bewegungsrichtungen entstehen durch Bewegung der Mahlflächen auf Grund des Antriebs. Der Mahlkörper 9 wälzt sich dabei hier auf der Innenseite der Mahltrommel 8 ab. Die Drehachse des Mahlkörpers 9 ist parallel zu der der Mahltrommel 8 und kann raumfest sein. An der Stelle, an der die Mahlfläche 1 in die Schicht des Faserstoffs F eintaucht, beginnt die eigentliche Mahlzone 3. Um eine Kompressionskraft zu erzeugen, wird hier der Mahlkörper 9 mit der Kraft P gegen die Mahlfläche 2 angepresst. Durch Verändern dieser Kraft lässt sich die Mahlwirkung einstellen. Als vorteilhaft haben sich Linienkräfte zwischen 2 und 10 N/mm erwiesen. Bei dieser Angabe wird die Kraft auf die Breite der kontaktierenden Mahlkörper bezogen, ohne die Ausdehnung der Berührungsfläche in Laufrichtung zu berücksichtigen. In der Mahlzone 3 entsteht dadurch eine Faserbehandlung mit Kompressions- und Quetschvorgängen, die die Fasern sehr schonend flexibilisieren. Nennenswerte Scher- oder gar Schnittkräfte werden auf die Fasern nicht übertragen. Die Mahlfläche 1 ist hier mit Rillen 4 versehen, deren Wirkung nicht mit der von Messern bekannter Messerrefiner zu vergleichen ist, bei denen die Messer mit hoher Geschwindigkeit relativ zueinander bewegt werden. Hier erzeugen die Rillen 4 im Zusammenwirken mit der Gegenfläche Druckimpulse, die z.B. der Wasseraufnahme der Fasern dienen. Sie sorgen auch für den Transport des Faserstoffes F durch die Mahlzone 3. Die Rillen können über die ganze axiale Länge des Mahlkörpers verlaufen, sie können aber auch unterbrochen sein. Tiefe t und Breite u sollten im Allgemeinen mindestens 2 mm betragen. Es sind auch Abweichungen von dem hier gezeigten Rechteckprofil denkbar, wie Fig. 3 an Hand eines Trapezprofiles exemplarisch zeigt.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens könnte grundsätzlich so aufgebaut sein, wie es die Fig. 2 in Gebrauchslage zeigt. Man erkennt eine horizontal angeordnete Mahltrommel 8, die über den Antrieb 11 in Rotation versetzt wird. Innerhalb dieser Mahltrommel befinden sich mehrere Mahlkörper 9, die - wie bereits beschrieben wurde - so bewegt werden, dass sich eine Abwälzbewegung an den Kontaktstellen zur Mahltrommel 8 ausbildet. Die Mahlkörper 9 werden durch den Antrieb 10 in Rotation versetzt, wobei ihre Rotationsachsen senkrecht und raumfest sind. Der zugegebene Faserstoff F kann mit einer solchen Vorrichtung absatzweise gemahlen und nach dem Mahlvorgang als ausgemahlener Faserstoff F' entnommen werden. Soll eine solche Vorrichtung kontinuierlich betrieben werden, müssen Vorkehrungen getroffen werden, die einen stetigen Durchsatz des Faserstoffes bewirken, so dass eine gleichmäßige Mahlung erfolgt.
Eine andere Möglichkeit zur Durchführung des Verfahrens zeigt die Fig. 4, bei der die Mittellinien der Mahltrommel 8 und der Mahlkörper 9 waagerecht liegen. Diese Vorrichtung gestattet die kontinuierliche Mahlung, was allerdings voraussetzt, dass mit wenigen Durchgängen durch eine Mahlzone bereits die gewünschte Ausmahlung erreicht wird. In die stillstehende Mahltrommel 8 wird eine breite Schicht des zu mahlenden Faserstoffs F so eingegeben, dass sie auf Grund der Schwerkraft an der Innenwand der Mahltrommel herabläuft. Der Mahlkörper 9 wälzt sich dadurch an der Innenwand der Mahltrommel 8 ab, dass sich die Rotationsbewegung (Richtungspfeil 6) des Mahlkörpers 9 um seine Achse mit einer Rotationsbewegung (Richtungspfeil 6') der Achse des Mahlkörpers 9 um die Mittellinie der Mahltrommel 8 überlagert. In der Regel enthält eine solche Vorrichtung mehrere Mahlkörper 9, die auf einem rotierenden Gestell gelagert sind. Durch Wahl der Zugabe- und Entnahmestellen des Faserstoffs F kann dessen Strömungsgeschwindigkeit reguliert werden. Die Mahlkörper können dem Strom des Faserstoffs entgegenlaufen (wie hier gezeichnet) oder ihm folgen.
Die Verbesserung, die sich durch das neue Verfahren erzielen lässt, ist an einem schematischen Diagramm gemäß Fig. 5 angedeutet. Dieses Diagramm zeigt den Mahlgrad (Pfeil 12), aufgetragen über die Reißlänge (Pfeil 13). Die Kurve 14 gibt das Ergebnis einer konventionellen Messermahlung wieder und die Kurve 15 ein durch das neue Verfahren erzieltes Ergebnis. Man erkennt ohne weiteres, dass zur Erzielung einer gewünschten hohen Reißlänge nach dem neuen Verfahren ein deutlich geringerer Mahlgrad erzeugt wird. Dieses Diagramm soll nur grundsätzliche Tendenz zeigen.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Veränderung von wässrig suspendierten Papierfasern oder Zellstofffasern, bei dem der Faserstoff (F) durch mindestens eine Mahlzone (3) geführt wird, die zwischen Mahlflächen (1, 2) liegt, bei dem die Mahlflächen (1, 2) relativ zueinander bewegt und gegeneinander gedrückt werden, wodurch mechanische Mahlarbeit so auf die Fasern übertragen wird, dass sich die Festigkeiten des daraus hergestellten Papiers ändern, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Faserstoff (F) und den Mahlflächen, in Haupt-Bewegungsrichtung der Mahlflächen gesehen, an der Stelle (5), an der sich zwei Mahlflächen (1, 2) in der Mahlzone (3) am nächsten sind, höchstens 10% der Absolutgeschwindigkeit der am schnellsten angetriebenen Mahlfläche ist, so dass in der Mahlzone (3) keine oder höchstens sehr geringe Scherkräfte auf die Fasern übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Faserstoff (F) und den Mahlflächen, in Haupt-Bewegungsrichtung der Mahlflächen gesehen, an der Stelle (5), an der sich zwei Mahlflächen (1,
2) in der Mahlzone (3) am nächsten sind, kleiner als 5% der Absolutgeschwindigkeit der am schnellsten angetriebenen Mahlfläche ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung der Mahlflächen (1, 2) eine Abwälzbewegung ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Mahlarbeit durch Komprimieren des Faserstoffes übertragen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mahlfläche (1) mit Rillen (4, 4') versehen ist, die quer zur Hauptbewegungsrichtung der bewegten Mahlfläche verlaufen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (4, 4") eine Tiefe (t) von mindestens 2 mm und eine Erstreckung (u) in Bewegungsrichtung der bewegten Mahlflächen von mindestens 2 mm aufweisen.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Mahlfläche (2) nicht mit quer laufenden Rillen versehen ist.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Mahlfläche (1) außen auf einem zylindrischen Mahlkörper (9) befindet, der mit seiner Mittellinie relativ zu einer Mahl- trommel (8) bewegt wird, die auf ihrer Innenseite die andere Mahl- fläche (2) enthält.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Mahltrommel (8) mehrere Mahlkörper (9) verwendet werden.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserstoff (F) in der Mahlzone (3) relativ zu einer der Mahlflächen (1, 2) nicht bewegt wird.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in einer Suspension mit höchstens 10 % Feststoffgehalt vorliegen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffgehalt höchstens 6 % ist.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absolutgeschwindigkeit mindestens einer Mahlfläche (1 , 2) auf einem Wert zwischen 8 und 30 m/sec gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlflächen (1, 2) so gegeneinander gedrückt werden, dass in der Mahlzone (3) eine Linienkraft zwischen 2 und 10 N/mm entsteht.
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