FI125948B - Paperin valmistusmenetelmä - Google Patents

Description

PAPERIN VALMISTUSMENETELMÄ Selitys

Tekniikan ala

Keksintö liittyy paperin valmistusteknologiaan ja koskee selluloosamassan käsittelyä, joka massa on tarkoitettu käytettäväksi paperin valmistamisessa. Tarkemmin keksintö koskee massan mekaanista käsittelyä.

Tausta

Varsin monenlaisia selluloosakuituja käytetään paperinvalmistusprosesseissa. Kuidun pituudella on voimakas vaikutus valmistetun paperin ominaisuuksiin.

Alalla ollaan sitä mieltä, että pitkät kuidut antavat tuotetulle paperille huikkia ja lujuutta, kun taas lyhyemmät kuidut antavat opasiteettia, pehmeyttä ja hyvää rai-nanmuodostumista. Lehtipuumassalla on lyhyt kuidunpituus, yleensä 1 mmm paikkeilla, ja se on erityisen sopivaa pehmeiden paperien, kuten paino-, kirjoitus-ja kopiopaperin, tuotantoon. Havupuumassafla on pidempi kuidunpituus, tyypillisesti 2 3 mm pitkä, ja se on siksi sopiva aikakausilehtipaperin ja lainerikartongin tuotantoon.

Puukuitulajien saatavuus ja hinta valitelevat ajoittain, mikä tuo lisää epävarmuutta massantuottajalle. Sitä paitsi olisi toivottavaa muokata massan ominaisuudet haluttujen paperilaatujen mukaan ilman, että tarvitsee vaihtaa raaka-ainetta.

Ennen kuin massa tuodaan paperinvalmistusprosessiin, sitä usein käsitellään mekaanisilla toimenpiteillä, kuten jauhatuksella. Jauhatuksessa massaa hienonnetaan tarkoituksena modifioida kuiturakennetta. Isku- tai leikkausvoimia yritetään välttää. Jauhatuksen aikana fibnlloituminen etenee, vedenpidätyskyky lisääntyy ja freeness vähenee. Lujuus lisääntyy aina jauhatuksessa.

Ainakin matalasakeusjauhatuksen tiedetään lyhentävän kuituja jonkin verran. US 6 361 650 kuvaa jauhatusprosessin, jossa TMP:n keskimääräinen kuidunpituus pieneneelO - 25 %. Freeness väheni radikaalisti (CSF 90 mi:sta 30 ml:aan), ja vetolujuus kasvoi aivan olennaisesti (40 N/m2:stä 52 N/nr:iin).

Kuivan massan kuivakuidutuksen on todettu vaikuttavan haitallisesti kuidutetun massan paperinvalmistuspotentiaaliin. Tämän tutkimiseksi tarkemmin tehtiin tutkimus, jossa kuivattua kemiallista havupuumassaa, kemiallisen havupuumassan ja lehtipuumassan seosta ja CTMP;tä kadutettiin vasaramyilyssä (Yli-Viitala P. et a!., Appita 2006, pp. 75-80). Tämän tutkimuksen tarkoitus oli kuiduttaa kuivattuja massoja (kuivapitoisuus 95 %:n tienoilla) ja samalla säilyttää kuidunpituus ja lujuusominaisuudet. Kemiallisten massojen kuidutuksessa kuidunpituuteen ja vetolujuuteen el ollut vaikutusta, mutta repäisyiujuus pieneni jonkin verran. CTMP-kuidut lyhenivät 2,25 mrrustä 1,75 mrmiin (eli noin 22 %), ja sen seurauksena massan vetolujuus ja repäisyiujuus pienenivät. Muiden massojen yhteydessä ei havaittu kuitujen olennaista lyhenemistä. Seula-aukon koko (joka sijaitsi myllyn pohjalla) ei vaikuttanut kuidunpituuteen, ei ainakaan havupuumassaseoksella. Eräs tutkimuksen johtopäätöksistä oli, että huonot massan ominaisuudet aiheutuvat kuitujen leikkautumisesta.

Massan fibriiioitumista kuivassa tilassa on myös tutkittu (Grandmaison E. W. and Gupta A,, Tappi Journal August 1986, pp. 110-113). Koska mainitussa tutkimuksessa tarkasteltiin kuivamuodostettuja tuotteita, päämääränä oli säilyttää massan kuidunpituus ja asianmukainen lujuus. Tutkimus osoitti, että on mahdollista tuottaa fibrilioitua havupuumassaa, joila on vain 15 % lyhyemmät kuidut kuin vertai-lumassalia. Tutkittu fibril!ointisysteemi ei soveltunut lehtipuumassoille, koska kuidunpituus pieneni liian paljon (noin 50 %),

Alalia on myös puiverisoitu selluloosa kuitu massaa erilaisiin tarkoituksiin. Sellaista pulverisoitua massa on esimerkiksi käytetty tai ehdotettu käytettäväksi paperien lisäaineena. Sellaisen lisäaineen pitoisuus on enintään muutamia prosentteja paperin painosta.

Keksinnön yhteenveto

Nyt on keksitty itsenäisten patenttivaatimusten mukaisesti paperin tai kartongin valmistusmenetelmä, paperi tai kartonki ja massa. Keksinnön eräitä edullisia toteutustapoja esitetään epäitsenäisissä vaatimuksissa.

Esillä olevan keksinnön perusidea on käyttää leikattua kuitumassaa raaka-aineena paperin tai kartongin rainanmuodostamisessa.

Keksinnön mukainen leikattu kuitumassa on valmistettu perusmassasta leikkaamalla siten, että sen keskimääräinen kuidunpituus pienenee yli 25 %:!ta.

Keksintö antaa paperin ja kartongin valmistajille mahdollisuuden lyhentää kuituja haluttuun kuidunpituuteen. Tämä tekniikka tarjoaa mahdollisuuksia parantaa paperi- ja kartonkituotteiden laatua, tehostaa tuotantoa ja vähentää raaka-aineriippuvuutta.

On yllättäen osoitettu, että massa, joka sisältää keksinnön mukaisesti leikattuja kuituja, johtaa parempaa vedenpoistoon ja korkeampaan bulkiin verrattuna leik-kaamattomaan massaan.

Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus

Keksinnössä lähtöaineena käytettävä keksinnössä massa, jota kutsutaan myös pe-rusmassaksi, voi edullisesti olla puumassaa. Perusmassa voi olla kemiallista massaa, kuten sulfaatti ma s saa, tai mekaanista massaa, kuten termomekaanista tai kemitermomekaanista massaa, tai niiden seosta. Perusmassa voi olla massaa, joka sisältää ensiökuituja, tai massaa, joka on tehty tehtaan hylkypaperista, kuten ko-nehyikypaperista, k u iva hyi ky pa peri sta ja/tai päällystetystä hylkypaperista, tai massaa, joka on tehty kierrätyskuiduista.

Keksinnön mukaisen massan keskimääräinen kuidunpituus pienentyy yli 25 %:lla, tyypillisesti yli 30 %:l!a, kuten yli 50 %:lla. Keksimääräinen kuidunpituus ei edullisesti pienene enemmän kuin 90 %, edullisemmin ei enemmän kuin 80 %. Keksinnön mukaisesti leikattujen kuttujen keksimääräinen kuidunpituus on edullisesti yli 0,2 mm.

Leikkaukseen johdettavan massan sakeus on vähintään 25 %, Edullisesti sakeus on vähintään 40 %, edullisemmin vähintään 60 %, vielä edullisemmin vähintään 80 %, ja edullisimmin 85 - 95 %. Kuivat kuidut ovat jäykkiä ja hauraita, mikä mahdollistaa sen, että kuituja voidaan leikata tehokkaasti ja vain vähän fibrilioi-den. Kuitujen leikkaamisen tarvittava energiankulutus on keskitason alhainen,

On havaittu, että toisin kuin märkä massan jauhatus, keksinnön mukainen leikkaus ei vähennä bulkkia tai lisää vedenpidätyskykyä. Leikkauksessa vieläpä vaikutus optisiin ominaisuuksiin, esim. vaionsirontaan, on ainakin merkittävästi pienempi märkä jauhatukseen verrattuna.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä massaa leikataan leikkausprosessissa siten, että sen keksimääräinen kuidunpituus pienenee. Leikkausprosessissa käytetään leikkauslaitetta. Sellaisessa laitteessa on yksi tai useampi ieikkausterä, joilla kuidut leikataan. Leikkauksessa käytetään edullisesti suhteellisen suurta iskuvoimaa. Leikkauksessa väitetään kuitujen hiertämistä. Laitteessa voi olla roottori, jolla on leikkausteriä ja joka on ympäröity kammiolla, jonka sisäpinnalla on vastateriä.

Massan lujuus yleensä pienenee leikkausprosessissa.

Leikatun massan freeness-arvo on edullisesti olennaisesti sama tai korkeampi kuin perusmassan. Jos freeness leikkauksessa vähenee, vähennys on edullisesti enintään 10 %, edullisemmin enintään 5 %.

Vastaavasti Schopper-Riegler-luku, jota kutsutaan myös SR-luvuksi, ei leikkauksessa eduilisesti kasva tai kasvaa mahdollisimman vähän. SR-luvun kasvu on enintään 20 %, edullisesti enintään 10 %,

Massan vedenpidätyskyvyn arvo edullisesti vähenee leikkauksessa. Vedenpidätyskyvyn arvon vähennys on edullisesti ainakin 5 %, edullisemmin ainakin 8 %.

Leikatun massan bulkki on edullisesti olennaisesti sama tai korkeampi kuin perusmassan.

Leikatun massan kuitujen fibrilloitumisaste on edullisesti olennaisesti sama kuin perusmassan.

Leikatun massan määrä on edullisesti vähintään 5 % paperin tai kartongin sisältämän massan kokonaispainosta, edullisemmin ainakin 10 % ja edullisimmin ainakin 20 %.

Keksinnön eräässä edullisessa toteutustavassa leikattua massaa käytetään raaka-aineena sulpun valmistuksessa, ja sulpusta muodostetaan raina märkärainauspro-sessissa.

Leikattua massaa voidaan leikkauksen jälkeen jauhaa.

Eräs keksinnön pääetu on, että tietystä massamateriaalista on mahdollista saada modifioitua massamateriaalia, jolla on lyhyempi kuidunpituus mutta joka muuten vielä soveltuu käytettäväksi paperin tai kartongin valmistuksessa.

Leikatun havupuumassan keskimääräinen kuidunpituus voi olla esim 0,2 - 1,8 mm, leikatun lehtipuumassan esim, 0,2 - 0,8 mm.

Keksintö mahdollistaa sen, että voidaan saada käyttökelpoisia massoja, joita ei lainkaan voida saada perinteisillä menetelmillä ilman että vaikutetaan negatiivisesti muihin massan ominaisuuksiin. On vieläpä mahdollista saada massoja, joilla on spesifisiä kuidunpituusjakaumia. Kun kuituja leikataan keksinnön mukaisesti, on mahdollista esimerkiksi saavuttaa kapeampi kudunpituusjakauma. Nämä uuden tyyppisesti massat tarjoavat uusia mahdollisuuksia paperien kehityksessä.

Leikkaus prosessi! la saatavaa keskimääräistä kuidun pituutta voidaan helposti säätää esim. valitsemalla seulonnassa käytettävän seulan reikäkoko. Tällä tavalla massan valmistaja voi helposti tuottaa yhdestä ainoasta raaka-aineesta massalaa-tuja, joilla on erilaiset kuidunpituudet

Keksinnön eräs erityinen käyttö on ieikata havupuu massaa ja käyttää tällaista leikattua massaa lehtipuumassan sijasta kun valmistetaan tuotteita, joissa perinteisesti käytetään lehtipuumassaa. Mäin esim. koivu- tai eukalyptysmassa hienopapereissa ja kartongeissa voidaan korvata leikatulla massalla.

EsijTierkit

Seuraavissa esimerkeissä massoja leikattiin laboratoriomittakaavaiselia VViley-myflyilä (maili nro 2), Myllyssä on roottori, jolla on neljä terävää terää, joita ympäröi kammio, jossa on kuusi terävää vastaterää. Terien välinen rako on noin 0,1 -0,3 mm. Kammion halkaisija on 20 cm ja pituus 7,5 cm. Pyörimisnopeus on 850 rpm. Syöttö on yläpuolelta ja poisto alapuolelta seulan läpi. Myllyn sisällä terät hajottavat massa-arkit ja leikkaavat kuituja. Leikatut kuidut poistuvat myllyn pohjalla sijaitsevan seulan läpi. Valitsemalla seulan aukkokoko voidaan säätää keksimääräistä kuidunpituutta.

Keskimääräinen kuidunpituus mitattiin Kajaani FS30Ö -laitteella (Metso Automation)

Leikatut massat jauhettiin kiekkotäyttöiseilä Voith Sulzer -jauhimella.

Jauhetuista massoista tehtiin koearkkeja standardin ISO 5269-1 mukaisesti. Esimerkki 1. Havupuumassan leikkaus

Kuivattua havupuu(SW)massaa (tehdaskuivattua massaa, enimmäkseen männystä, keskimääräinen kuidunpituus 2,25 mm) ieikattiin keskimääräiseen kuidunpituu-teen 1,0 ja 0,6 mm käyttäen vastaavasti aukkodimensioita 6 mm ja 2 mm. Massat käsiteltiin kahteen kertaan. Leikatut massat jauhettiin kuten lehtipuumassat omi-naisteräkuormitukselia 0,5 J/m,

Kuitujen rakennetta tutkittiin valoläpäisymikroskoopilla. Kuvia esitetään kuviossa 1. Kuva l esittää käsittelemättömiä kuituja, kuva 2 jauhettuja lakkaamattomia kuituja ja kuva 3 leikattuja kuituja.

Kuten kuviosta 1 nähdään, jauhettujen kuitujen kuitumuoto poikkeaa selvästi jau-hamattomlsta kuiduista (litistyneitä, muodonmuutoksia jne). Ulkoista fibrilloitumis-ta havaitaan selvästi kuidun pinnalla (1.). Leikattujen kuitujen muoto on samanlainen kuin jauhamattomien kuitujen. Leikkaus (2.) on tapahtunut suhteellisen terävästi. Leikkaus ei ole fibrilloinut kuituja.

Verta il u-SW-massaa, jonka kuidunpituus on 2,25, mm leikatuilla SVV-massoilla on alempi vedenpidätyssarvo (parantunut vedenpoisto) ja korkeampi bulkki (kuviot 3 & 4). Kuten kuviosta 5 voidaan nähdä, optiset ominaisuudet (valonsironta ja opasiteetti) paranevat ja säilyvät selvästi parempina jauhatuksessa.

Koivumassaan verrattuna leikatulla SW-massalla, jolla on sama kuidunpituus, on selvästi parempi vedenpoisto (alempi WRV) ja korkeampi buikki tietyllä jauhatus-tasolla (kuviot 3 & 4). Vaikka lujuusominaisuudet (esim. kimmokerroinindeksi) ovat alun perin huonommat, se voidaan osaksi tai jopa kokonaan kompensoida voimakkaammalla jauhatuksella, jos lujuutta tarvitaan (kuvio 2). Parempi vedenpoisto ja paremmat optiset ominaisuudet mahdollistavat voimakkaamman jauhatuksen. Siten voi olla mahdollista korvata koivumassa leikatulla SW-massai!a ja parantaa hienopaperi- ja kartonkituotteiden laatua ja vedenpoistoa paperikoneella.

Esimerkki 2. Eukalyptusmassan leikkaus

Kuivattua eukalyptus(euca)massaa (tehdaskuivattua massaa, keskimääräinen kuidunpituus 0,85 mm) leikattiin keskimääräiseen kuidunpituuteen 0,5 ja 0,35 mm käyttäen vastaavasti reikädimensioita 2 mm ja 1 mm. Massat käsiteltiin kerran. Sekä vertailu- että leikatut massat jauhettiin ominaisteräkuormituksella 0,4 J/m. Leikatuilla eukalyptusmassoilia oli selvästi parempi vedenpoisto (aiempi WRV ja SR-iuku) ja korkeampi bulkki (kuvio 4). Optiset ominaisuudet (valonsironta, opasiteetti ja kirkkaus) eivät jauhatuksessa huonone päinvastoin kuin vertailumassoilla (kuvio 5). Lujuusominaisuudet (esim. kimmokerroinindeksi) ovat leikatuilla massoilla huonommat, mutta se voidaan osaksi kompensoida voimakkaammalla jauhatuksella, jos tarvitaan. Voisi olla mahdollista parantaa joidenkin paperituotteiden laatua ja parantaa vedenpoistoa paperikoneella käyttämällä leikattua eukalyptus-massaa tavanomaisen eukalyptusmassan sijasta.

Esimerkki 3. Leikattujen kuitujen ia jauhettujen SVV-kuituien vertailu

Taulukko 1. Vertailu leikattujen SW-kuitujen ja jauhamattomien ja jauhettujen SW-kuitujen välillä

Taulukko 1 näyttää keksinnön mukaisen ieikkausprosessin vaikutuksen massan laatuun verrattuna perinteiseen LC-jauhatukseen, SW-mässän kuidunpituus voidaan pienentää n. 1,2 mm:iin perinteisellä LC- jauhatuksella. Perinteinen LC-jauhatus kuitenkin aiheuttaa SR-luvun kasvun (vähintään 25 %) ja bulkin vähenemisen (vähintään 9 %). Kun kuidunpituus perinteisessä massanjauhatuksessa pienenee, lisäongelmana on se, jauhimen levyt kuluvat nopeasti ja että prosessia on vaikea säätää. Nämä ongelmat kuten myös nega tiiviset vaikutukset massan laatuun voidaan välttää pienentämällä kuidunpituutta keksinnön mukaisella tavalla.

Esimerkki 4. Kartongin pintakerrosten koivumassan korvaaminen leikatulla SW-massaiia

Kolmikerroskartonkeja simuloitiin arkeilla, jotka tehtiin dynaamisella arkinmuodos-tuslaitteella. Vertailuarkklen päällyskerrokset sisälsivät 70 % koivumassaa ja 30 % SVV-massaa. Koivumassa jauhettiin ominaisjauhatusenergialla 15 kWh/t, jolloin saavutettiin SR-luku n. 20. Lisäksi tehtiin arkkeja, joissa päällyskerroksen koivu-massa korvattiin leikatulla SW-massalla, jonka keskimääräinen kuidunpituus oli 0,6 mm. Leikattu havupuumassa jauhettiin suuremmalla ominaisenergiankulutuksella (100 kWh/'t) kuin koivumassa, jotta saatiin lähempänä koivumassaa olevat lujuusominaisuudet.

Koetulosten mukaan (taulukko 2) näyttää olevan mahdollista korvata kartongin päällyskerrosten koivumassa leikatulla SW-massalia. Erot tuloksissa olivat enimmäkseen mittausten standardipoikkeaman sisällä. On huomionarvoista, että vertai-Iukartongin peruspaino 3 % korkeampi verrattuna kartonkiin, jossa pääflyskerrok-sissa oli leikattua SVV-massaa.

Taulukko 2. Vertailukolmikerroskartongin (A) ja kartongin (B), jossa päällyskerrok-sissa käytettiin leikattua SW-kuitua, ominaisuudet

Claims (15)

1. Menetelmä paperin tai kartongin valmistamiseksi, jossa menetelmässä valmistetaan selluloosakuitumassaa sisältävä sulppu s a muodostetaan suipusta raina, tunnettu siitä, että valmistetaan leikattua massaa leikkaamalla perusselluloosa-kuitumassaa vähintään 25 %:n sakeudessa siten, että perusmassan keskimääräinen kuidurpituus pienenee yli 25 %:ilaT että leikatun massan SR-luku on enintään 20 % korkeampi kuin perusmassan, ja että leikattua massaa käytetään raaka-aineena suipun valmistamisessa.

2. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, jossa leikatun massan määrä on vähintään 5 paino-% suipun sellulocsakuitumassan kokonaismäärästä.

3. Vaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, jossa raina muodostetaan märkä-rainausprosessilla.

4. Jonkin vaatimuksen 1 - 3 mukainen menetelmä, jossa leikattua massaa jauhetaan ennen suipun valmistamista.

5. Paperi tai kartonki, joka sisältää selluloosakuitumassaa, tunnettu siitä, että paperi tai kartonki sisältää leikattua massaa, joka leikattu massa valmistetaan leikkaamalta perusselluloosakuitumassaa vähintään 25 %:n sakeudessa siten, että sen keskimääräinen kuidunpituus pienenee yli 25 %:IIa ja että leikatun massan SR- luku on enintään 20 % korkeampi kuin perusmassan.

6. Massa käytettäväksi jonkin vaatimuksen 1 - 4 mukaisessa menetelmässä tai vaatimuksen 5 mukaisessa paperissa tai kartongissa, tunnettu siitä, että massa valmistetaan leikkaamalla perusselluloosakuitumassaa vähintään 25 %:n sakeudessa siten, että sen keskimääräinen kuidunpituus pienenee yli 25 %:Ma ja että leikatun massan SR-luku on enintään 20 % korkeampi kuin perusmassan.

7. Vaatimuksen 6 mukainen massa, jossa, perusmassa leikataan vähintään 40 %:n sakeudessa.

8. Vaatimuksen 6 tai 7 mukainen massa, jossa leikatun massan freeness-arvo on olennaisesti sama tai korkeampi kuin perusmassan.

9. Jonkin vaatimuksen 6 - 8 mukainen massa, jossa leikatun massan SR-luku on enintään 10 % korkeampi kuin perusmassan.

10. Jonkin vaatimuksen 6 - 9 mukainen massa, jossa leikatun massan vedenpidätyskyvyn arvo olennaisesti sama tai alempi kuin perusmassan.

11.

Jonkin vaatimuksen 6-10 mukainen massa, jossa leikatun massan bulkki on olennaisesti sama tai korkeampi kuin perusmassan. 12. jonkin vaatimuksen 6-11 mukainen massa, jossa leikatun kuitujen massan fibrilloitumisaste on olennaisesti sama kuin perusmassan.

13. Jonkin vaatimuksen 6-12 mukainen massa, jossa perusmassa on havupuu-massaa ja leikatun massan keksimääräinen kuidunpituus on 0,2 - 1.8 mm, tai perusmassa on lehtipuumassaa ja leikatun massan keskimääräinen kuidunpituus on 0,2 - 0,8 mm, tai perusmassa. on havupuu massan ja lehtipuumassan seosta

14. Jonkin vaatimuksen 6-13 mukainen massa, jossa perusmassa on massaa, joka sisältää ensiökuitumassaa. tai perusmassa on hylkykuitumassaa.

15. Leikatun massan käyttö rain an muodostamisen raaka-aineena, joka leikattu massa on saatu leikkausprosessissa, joka on suoritettu vähintään 25 %:n sakeudessa ja jossa kuidut eivät olennaisesti fibriHoidu.