FI71779B - Foerfarande foer framstaellning av mekanisk raffinoermassa - Google Patents

Description

II . KUULUTUSJULKAISU n < 7 n g lbJ (11) utlAggnincsskrift ( i < t y c (45) Patentti myönnetty

Patent rol/ciat Zd CC 1037 (51) Kv.lk.*/lnt.Cl.‘ D 21 B 1/16 SUOMI —FINLAND (21) Patenttihakemus — Patentansökning 80265^ (22) Hakemispäivä — Ansökningsdag 22.08.8 0

(23) Alkupäivä — Giltighetsdag 22.08.SO

(41) Tullut julkiseksi — Blivit offentlig ]g 06.8l

Patentti- ja rekisterihallitus ^ Nähtäväksipanon ja kuul.julkaisun pvm. -

Patent- oeh registerstyrelsen ' Ansökan utlagd och utl.skriften publicerad 31-10-86 (86) Kv. hakemus -- Int. ansökan

(32)(33)(31) Pyydetty etuoikeus — Begärd prioritet I 2.7S

USA(US) 10^*668 (71) Q.N.S. Paper Company Limited, 12^5 Sherbrooke Street West, Montreal, P.Q., Kanada(CA) (/2) Adrian John Barnet, St. Catharines, Ontario, Alan C. Shaw, St. Catharines, Ontario, Charles Donald Logan, St. Catharines, Ontario, Kanada(CA) (7^0 Oy Koi ster Ab (5^) Menetelmä hierteen valmistamiseksi - Förfarande för framstä11 ning av mekanisk raffinörmassa

Esiteltävä keksintö kohdistuu parantuneet ominaisuudet omaavan hierteen valmistukseen, jota voidaan käyttää kemiallisen massan korvaamiseen.

Termillä "mekaaninen massa" tässä käytettynä on alan tavanomainen merkitys ja se tarkoittaa puumateriaalia mekaanisesti hajottamalla saatua tuotetta, joka muodostuu pääasiassa vapautetuista ja erotetuista yksittäisistä puukuiduista ja niiden osista ja joka soveltuu paperin valmistukseen.

Termillä "kuitu" tässä käytettynä on myös alalla tavanomainen merkitys ja se tarkoittaa yksittäisiä kasvisoluja, jotka muodostavan puumateriaalin ja jotka havupuiden suhteen tunnetaan kasvitieteellisesti nimillä parenchyma-solut ja trakeidit. Näiden kuitujen läpimitat ovat yleensä pienempiä kuin 0,05 mm ja niiden puulajien tapauksessa, joita tavallisesti käytetään massan ja paperin valmistukseen, kuten kuusen, jalokuusen, männyn, haavan ja poppelin tapauksessa huomattavasti pienempiä kuin 0,05 mm.

2 71779

Termillä "hierre" tarkoitetaan mekaanista massaa, joka on muodostettu johtamalla pienennettyä selluloosakuitumateri-aalia, tavallisesti haketta, kahden rivoilla varustetun yhdensuuntaisen pinnan välisen pienen raon lävitse, pintojen pyöriessä toistensa suhteen (tunnetaan kiekkojauhimen nimellä). Menettely voidaan suorittaa normaali-ilmanpaineessa, jolloin tuote tunnetaan nimellä "hierre" (RMP) tai painetta käyttäen, tavallisesti noin 1-2 ilmakehää normaalipaineen yläpuolella ja kohotetuissa lämpötiloissa, kuten esimerkiksi 120°C:ssa, jolloin tuote tunnetaan nimellä "kuumahierre" (TMP). Jauhatus suoritetaan tavallisesti kahdessa vaiheessa. Ensimmäisessä vai-hessa kuidut vapautetaan ja erotetaan ja toisessa vaiheessa käytetään lisäjauhatusenergiaa kuitujen taipuisuuden, yhdenmukaisuuden, fibrilloitumisen ja sitoutumisen parantamiseksi. Tavallisesti noin puolet jauhatuksen kokonaisenergiasta noin 1800 - 2000 kWh/t kohti käytetään kuidun erotusvaiheessa.

Koska mekaanisia massoja voidaan valmistaa yli 95 %:n saantoina minimaalisin saastumisongelmin, on tämä voimakas kiihoke niiden käytön lisäämiseksi paperinvalmistuksessa. Yleensä ei kuitenkaan ole mahdollista siirtää pelkästään mekaanisesta massasta valmistettua arkkia suurella nopeudella paperinvalmis-tuskoneen muodostus-, puristus-, kuivaus- ja kelausosastojen lävitse ilman liiallisten katkojen esiintymistä. Kemiallista massaa lisätään tavallisesti paperin raaka-aineisiin sen käsi-teltävyyden parantamiseksi koneessa. Sanomalehtipaperi valmistetaan tavallisesti raaka-aineista, jotka muodostuvat noin kolmesta osasta hioketta tai muuta mekaanista massaa ja yhdestä osasta kemiallista massaa.

Termillä "käsiteltävyys" tarkoitetaan ominaisuuksien yhdistelmää, joka sallii märän arkin siirtämisen suuremmalla nopeudella paperikoneen muodostus-, puristus- ja kuivausosastojen lävitse ja sallii kuivan rainan kelaamisen ja painattamisen niin, että esiintyy vain hyväksyttävä määrä katkoja. Itse asiassa käsiteltävyys on mitta sille tehokkuudelle, jolla paperi kulkee paperikoneen ja painokoneen lävitse.

Kemiallista massaa oleva aineseos valmistetaan tavallisesti sulfiittimenetelmän avulla saantoina, jotka ovat alueella 3 71779 noin 45-65 %. Kemiallinen massa on kallista, vaatii runsaasti puuraaka-aineita ja aiheuttaa huomattavia saastumisongelmia.

Kuten edellä on mainittu, mekaanista massaa saadaan yli 95 %:n saantoina vähäisin saastumisongelmin.

Huolimatta kaikista niistä epäkohdista, joita liittyy kemiallisen massan käyttöön, käytetään sitä yleisesti sanomalehtipaperia valmistettaessa, koska käsiteltävyys on ratkaiseva pa-perinvalmistuskoneessa ja painosalin tehokkuuden vuoksi, mikä vuorostaan on ratkaisevaa taloudellisuudelle.

Tämän keksinnön avulla saadaan menetelmä parantuneen hierteen valmistamiseksi, joka soveltuu korvaamaan kemiallista massaa useissa sovellutuksissa, mukaan luettuna sanomalehtipaperin raaka-aineet.

Tämän keksinnön ansiosta murtovenymä (märkävenymä) kasvaa ja massasta muodostetun märän rainan jännitys-muodonmuutosominaisuudet paranevat samalla kun nopea vedenpoisto säilyy. Nyt on havaittu tähän saakka tuntematon ilmiö, että korkea märkävenymä ja hyvät jännitys-muodonmuutoskarakteristikat märkänä yhdessä nopean vedenpoiston kanssa ovat perustavaa laatua olevat ominaisuudet, joka parantaa sanomalehtipaperimassan kulkua paperikoneessa .

Kuitu-kuitusidos kuivassa paperiarkissa, joka on muodostettu hierteestä, joka on valmistettu keksinnön mukaisella menetelmällä, on parantunut, jolloin veto- ja repäisylujuus kasvavat ja arkin tiheys kasvaa.

Eräs tämän keksinnön tärkeä piirre on, että valmistetaan hierrettä, jota voidaan käyttää korvaamaan kaikki tai osa kemiallisesta massasta useissa sen sovellutuksissa ja jolloin saadaan menetelmä, jossa muodostuu vain merkityksettömiä määriä saastuttavia päästöjä, milä poikkeaa täysin kemiallisen massan valmistusmenetelmistä, joissa on käsiteltävä suuria määriä saastuttavia päästöjä. Energian kokonaistarve jauhatuksessa etukäteen määrätyn laatutason omaavan massan muodostamiseksi vähenee myös verrattuna tavanomaiseen hierteen valmistusprosessiin.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista, että se käsittää seuraavat vaiheet: 4 71779 (a) hakekkeeseen, jota ei ole pehmennetty kemiallisesti, kohdistetaan mekaaninen vaikutus kiekkojauhimessa ligniinin termisen pehmenemispisteen alapuolella olevassa lämpötilassa mekaanisen puumassan saamiseksi, joka koostuu pääasiassa erillisistä puukuidusta ja niiden osista; (b) massaa käsitellään korotetussa lämpötilassa noin 100°C yläpuolella ylipaineessa rikkihapokkeen liukoisen suolan vesi-liuoksella, joka sisältää riittävästi alkalia pH-arvon pitämiseksi suurempana kuin noin 3 käsittelyn aikana, jolloin käsittely suoritetaan sellaisessa lämpötilassa ja sellaisen ajan, että reaktio tapahtuu massan kanssa kemiallisesti käsitellyn massan saamiseksi, joka pystyy muodostamaan paperirainan, jonka märkälujuus on kasvanut ja venytys-muodonmuutosominaisuudet ovat parantuneet säilyttäen nopean vedenpoistokyvyn, jolloin käsittely suoritetaan sellaisessa lämpötilassa ja aikana, jotka riittävät antamaan käsitellyn massan saannoksi yli noin 85 pai-no-% ja (c) kemiallisesti käsiteltyyn massaan kohdistetaan mekaa-nimen käsittely kiekkojauhimessa massan laadun parantamiseksi ja hierteen saamiseksi, jonka Canadian Standard freeness-luku on noin 50 - 700.

Selluloosakuitumateriaalilajit ja käsittelyolosuhteet, jotka vaaditaan käyttökelpoisen mekaanisen massan valmistamiseksi, ovat alalla hyvin tunnetut. Tiedetään esimerkiksi hyvin, että useimpia lehtipuulaatuja ei voida jauhaa riittävän lujuuden omaavan mekaanisen massan saamiseksi. Keksinnön sovellutus rajoittuu hierteeseen, joka on valmistettu puulajeista tai muista selluloosakuitumateriaaleista, joita teollisuudessa pidetään sopivina mekaanisen hierteen valmistamiseen. Keksintöä esitellään edelleen erikoisesti puulajeihin viitaten.

Keksinnön mukaisen menetelmän muodostavat kolme vaihetta on esitetty seuraavassa erikseen:

Vaihe (a) Kuitujen erottaminen

Puukuitu muodostuu pääasiassa soluseinämästä, jonka ulkopinta taas muodostuu selluloosaa runsaasti sisältävistä kuitumaisista kerroksista, jotka tunnetaan S^- ja S2~kerroksina. Puussa 5 71779 kuitujen välisen tilan, joka tunnetaan keskilamellina, täyttää ligniinirikas materiaali.

Keksinnön mukainen materiaali vaatii, että kuitujen alku-vapautuksessa puusta kiekkojauhimessa irtoaminen tapahtuu pääasiassa S·^- ja S2~kerroksessa, jolloin paljastuu selluloosaa runsaasti sisältävää kuitumateriaalia, mikä antaa fibrillaatio-ominaisuudet hyvälle mekaaniselle massalle. Koska tämä kuitu-morfologia muodostuu kuidun vapautushetkellä, on välttämätöntä, että kuitujen irtautumistapahtuma jatkuu oleellisesti loppuun. Täten keksinnön mukaisen menetelmän aluksi tapahtuvassa mekaanisessa kuitujen erotteluvaiheessa saadun tuotteen täytyy muodostua pääasiassa yksittäisistä puukuiduista, joiden keskimääräinen läpimitta on luonnostaan pienempi kuin 0,05 mm. Voidaan käyttää enemmän kuin välttämättä tarvittava määrä energiaa tässä erotusvaiheessa, mutta se on tarpeetonta.

Tiedetään hyvin, että kuumahierteen valmistuksessa, jos käytetty lämpötila ylittää ligniinin lämpötilan kuitujen erottaminen tapahtuu keskilamellissa, jolloin saadaan sileä kuitu, jonka pinta sisältää runsaasti ligniiniä. Tämä kuitu on vaikea tai mahdoton fibrilloida edelleen ja se on yleensä sopimaton käytettäväksi mekaanisena massana. Täten tämän keksinnön mukainen kuitujen alkuerotteluvaihe suoritetaan lämpötilassa, joka on ligniinin pehmenemislämpötilan alapuolella. Tämä jälkimmäinen lämpötila vaihtelee eri puulajeilla ja se riippuu kuumennus- ja hierto-olosuhteista, mutta se on yleensä noin 150°C:n alapuolella.

On pyritty vähentämään kuitujen erotteluun tarvittavaa energiamäärää ja parantamaan massan laatua pehmentämällä puuta kemiallisesti ennen jauhatusta. Tällainen menetelmä, jossa käytetään sulfiittia käsittelykemikaalina, on esitetty US-patentissa nro 4 116 758. Tämän menetelmän mukaiset tuotteet ovat sileäsei-näisiä kuituja, joiden fibrilloitumispyrkimys on pieni vastaten edellä esitettyjä kuituja, jotka on saatu ligniinin pehmenemispisteen yläpuolella olevassa lämpötilassa eivätkä ne sovellu käytettäviksi tämän keksinnön mukaisena mekaanisena massana.

Esiteltävään keksintöön kuuluu kuitenkin seuraavassa käsittelyvaiheessa tarvittavien kemikaalisen lisääminen hakkeeseen ennen niiden siirtymistä kiekkojauhimeen edellyttäen, että lämpö- 6 71 779 tila ja kosketusaika ovat sellaiset, että ei tapahdu oleellista reaktiota eikä hakkeen merkittävää kemiallista pehmenemistä.

Kiekkojauhin toimii massan ja kemikaalien tehokkaana sekoitti-mena tavallisesti käytetyissä suurissa sakeuksissa.

Keksinnön alueeseen kuuluu myös hakkeen höyrykäsittely painetta käyttäen ennen jauhatusta ligniinin pehmenemispisteen alapuolella olevassa lämpötilassa, tyypillisesti noin 140°C alapuolella teollisuudessa tavanomaisesti käytetyn menettelyn mukaisesti valmistettaessa kuumahierrettä.

Tämän keksinnön mukaan jatkokäsittelyyn soveltuva tuote vaiheesta (a) voidaan saada yksinkertaisesti alalla tunnetun jauhatusmenetelmän ensimmäisen vaiheen mukaisesti valmistettaessa hyvää mekaanista massaa. Tähän tavallisesti liittyy puukui-tujen esihöyrytys yleensä noin 120-135°C olevassa lämpötilassa ja 1-2 ilmakehän paineessa 2-10 minuutin ajan, esihöyrystetyn hakkeen, joka ei ole pehmennyt kemiallisen käsittelyn vaikutuksesta, siirtäminen kiekkojauhimeen ligniinin pehmenemispisteen alapuolella olevassa lämpötilassa ja käyttäen riittävästi energiaa mekaanisen massan saamiseksi, joka muodostuu pääasiassa yksittäisistä kuiduista ja niiden osista, jolloin näiden kuitujen ja niiden osien läpimitta on yleensä keskimäärin pienempi kuin 0,05 mm. Tämä vaihe suoritetaan yleensä noin 10-40 paino-%:n, erikoisesti 25-30 paino-%:n sakeudessa.

Vaihe (b) Kemiallinen reaktio

Puukuitujen halutun fysikaalisen muodon saavuttamisen jälkeen vaiheessa (a) muutetaan kuitujen kemiallista luonnetta reaktiolla rikkihapokkeen liukoisen suolan, tavallisesti natrium-sulfiitin vesiliuoksen kanssa. Reaktio suoritetaan noin 110°C yläpuolella olevassa lämpötilassa ylipaineessa aikana, joka riittää muodostamaan kemiallisesti käsiteltyä mekaanista massaa, joka pystyy muodostamaan paperirainan, jonka märkälujuus- ja jännitys-muodonmuutosominaisuudet ovat parantuneet ja josta ve-denpoistuminen on nopeaa, mutta mikä aika ei ole riittävä aiheuttamaan ligniinin oleellista liukenemista, mikä aiheuttaisi saannon vähenemisen ja muodostaisi saastuttavia päästöjä. Tässä keksinnössä käytettyyn kemialliseen käsittelyyn liittyvien kemiallisten reaktioiden tarkkaa luonnetta ei tunneta, mutta li 71779 7 sulfonoitumisen oletetaan liittyvän niihin.

Reaktion aikana liuoksen pH-arvo laskee ja alkalia kuluu. Esiteltävän keksinnön mukaiselle menetelmälle on oleellista, että kemikaalipanoksessa on riittävästi alkalia estämään pH-ar-von alenemisen pienemmäksi kuin kolme käsittelyn aikana kuitujen vaurioitumisen estämiseksi hydrolyyttisen vaikutuksen vuoksi, mistä aiheutuisi lujuuden heikkenemistä. Tarvittavan alkalin tarkka määrä vaihtelee puuraaka-aineen asetyylipitoisuuden mukaan eikä sitä voida määrittää tarkasti, mutta se on kokeiden avulla helposti todettavissa.

Alkalitarve voidaan tyydyttää pelkästään natriumsulfii-tilla. Kuitenkin, koska vain puolet natriumsulfiitin natriumista on käytettävissä neutralointiin on tavallisesti taloudellisempaa tyydyttää osa alkalitarpeesta lisäämällä natriumhydrok-sidia tai natriumkarbonaattia. Seoksen pH-arvo pidetään kuitenkin edullisesti pienempänä kuin noin 12, koska hemiselluloosat liukenevat puukuiduista suuremmilla pH-arvoilla saannon heiketessä vastaavasti.

Keksinnön suositellussa toteutuksessa kemiallisessa käsittelyssä käytetyn natriumsulfiitin määrä on alueella noin 4-15 paino-% vaiheesta (a) saadusta mekaanisesta massasta laskettuna, vaikkakin pienempiä pitoisuuksia, aina noin 1 paino-%:iin asti, voidaan käyttää edullisen vaikutuksen heikentyessä edellyttäen, että seoksen jäännössulfiittipitoisuus jodometrisesti mitattuna ei oleellisesti lähene nollaa ennen reaktion päättymistä. Natriumsulf iittimäärän ollessa pienemmän kuin 1 paino-%, parannukset ovat liian vähäiset käsittelykustannuksiin verrattuna. Vastaavia parannuksia havaitaan käytettäessä kemikaaleja noin 25 paino-%:iin asti mekaanisesta massasta, mutta lisäkustannukset eivät ole oikeutettuja saavutetun pienen parantumisen perusteella. Kemikaalipanos on siten yleensä noin 1-25 paino-%, edullisesti noin 4-15 paino-% mekaanisesta massasta laskettuna. Kemiallisen panoksen pH-arvo on edullisesti noin 7-12 ja se sisältää natriumsulfiittia ja riittävästi alkalia pH-arvon säilyttämiseksi arvossa yli 3 kautta koko reaktion.

Sulfiitin reaktioiden puun kanssa tiedetään käsittävän suuren määrän eri reaktioita, joiden nopeudet riippuvat reaktio-olosuhteista, erityisesti pH-arvosta ja lämpötilasta. Nykyinen 71779 tietämyksemme tästä monimutkaisesta tapahtumasta on esitetty yhteenvetona julkaisussa G. Gellerstedt, Svensk Papperstidning nro 16, 1976, sivut 537-543. On todettu, että reaktiot, jotka ovat välttämättömiä keksinnön mukaista menetelmää sovellettaessa ja niihin liittyvät tulokset, etenevät pH-arvoilla, jotka ovat yli 3 ja edullisesti yli 7 ja lämpötiloissa, jotka ovat korkeampia kuin noin 110°C ja edullisesti korkeampia kuin noin 130°C. Tunnetaan myös muita puumateriaalien reaktioita sulfiit-tien kanssa, jotka etenevät pienemmillä pH-arvoilla ja 100°C alapuolella olevissa lämpötiloissa ja joita on esitetty julkaisussa H.J. Kvisgaard, Norsk Skogindustri 19, Nro 4, 1965, sivut 155-163. Nämä reaktiot eivät kuitenkaan ole tehokkaita parannuksen saamiseksi märkä- ja kuivaominaisuuksiin, kuitujen tai-puisuuteen, niiden liittämiseksi yhteen eikä tehovaatimuksiin, jotka saavutetaan esiteltävän keksinnön avulla.

Nyt on havaittu, että suurin parannus, nimittäin suurin märkälujuuden kasvu, suurin parannus jännitys-muodonmuutosominaisuuksissa, suurin parannus vetolujuuteen ja suurin väheneminen hierreprosessin energiatarpeessa toista vaihetta varten (vaihe (c) esitetty seuraavassa), saavutetaan keksinnön mukaisessa menetelmässä, josa vaiheesta (a) saatua mekaanista massaa lisättyjen kemikaalien kanssa kuumennetaan noin 160°C:ssa 30 minuuttia. Kuten jokaisessa muussa kemiallisessa reaktiossa lämpötilaa voidaan alentaa, jos reaktioaikaa pidennetään.

Noin 120°C alapuolella tulee reaktioaika epäkäytännöllisen pitkäksi ja 110°C alapuolella vaadittavat reaktiot keskeytyvät perusteellisesti. Vastaavasti reaktiolämpötilaa voidaan nostaa, jos reaktioaikaa lyhennetään. Lämpötilan käytännöllinen yläraja osoittautuu olevan noin 200°C, jolloin reaktioajat ovat noin 1-2 minuuttia, koska optimaalisen tuotteen saamiseksi tarvit-vien olosuhteiden ja reaktioaikojen tarkka valvonta on vaikea suorittaa.

On myös mahdollista käyttää optimaalista reaktioaikaa lyhyempiä tai pitempiä aikoja tuotteen saamiseksi, joka ei ole aivan optimaalinen, mutta kuitenkin vielä käyttökelpoinen. Jos reaktioaika on optimaalista reaktioaikaa lyhyempi, parannukset märkävenymässä, jännitys-muodonmuutosominaisuuksissa ja lujuudessa sekä energiatarpeessa ovat pienempiä kuin ne olisivat toimit- 9 71779 taessa optimiolosuhteissa. Jos reaktioaika on liian pitkä, tapahtuu ligniinin huomattavaa liukenemista massasta käsittely-kemikaaleihin saannon heikentyessä ja saastuttavien päästöjen syntyessä. Vaikka menetelmää voidaan vielä käyttää ominaisuuk-siensa parantamiseksi näissä olosuhteissa, eräät puumateriaaliin taloudellisuuteen ja pieneen saastumiseen liittyvät edut menetetään ja tätä on yleensä vältettävä.

Kemiallinen käsittely voidaan suorittaa aika/lämpötila-alueella välillä noin 110°C/12 h aikana ja noin 200°C/1 min aikana. On huomattava, että lämpötilan nousuun täytyy liittyä vastaava reaktioajan lyhennys. Esimerkiksi menetelmää ei voida käyttää 200°C lämpötilassa 12 h ajan. Maksimietujen saavuttamiseksi kemiallisessa käsittelyvaiheessa on edullista toimia rajoitetummalla alueella välillä noin 130°C noin 2 h aikana ja 180°c noin 15 min aikana.

Koska on epävarmaa määrittää tarkat ylärajat kemiallisen käsittelyvaiheen suhteen ajalle ja lämpötilalle, pidetään käyttökelpoisempana ja tarkempana määrätä yläraja kemiallisen käsittelyn tehokkuudelle siitä saadun saannon mukaan. Reaktio-olosuhteet, jotka alentavat saannon massasta laskettuna pienemmäksi kuin noin 85 %, ovat keksinnön mukaisen menetelmän ulkopuolella, koska puu-häviöt ja jätevesifaasin saastuttamiskyky kasvavat merkittävästi ja tulevat sietämättömiksi tämän rajan ulkopuolella. On suotavaa valita reaktion maksimiolosuhteet siten, että käsitellyn massan saanto on suurempi kuin noin 90 %. Vaadittavat tarkat olosuhteet vaihtelevat puulajien, kemiallisen panoksen ja sakeuden mukaan, mutta ne ovat edellä esitetyllä alueella ja ne voidaan helposti määrittää kokeellisesti.

Kemiallinen reaktio, joka suoritetaan vaiheessa (b) vaiheesta (a) saadulle mekaaniselle massalle, poikkeaa täysin niistä menetelmistä, joita käytetään puumateriaalin käsittelyssä sulfii-tin tai bisulfiitin kanssa kemiallisen massan saamiseksi. Sul-fiittikeitossa lämpöä ja kemikaaleja syötetään hakkeena olevaan puumateriaaliin (esim. kuitukimppuihin) kierrättämällä kuumaa keittoliuosta puumateriaalin muodostaman kerroksen lävitse. Tämän keksinnön mukaisen menetelmän vaiheessa (a) muodostetun mekaanisen massan vastus nestevirtauksen suhteen on niin suuri, että liuoksen kierrätys sen lävitse on epäkäytännöllistä. Täten 1° 71779 kaikki ne kemikaalit, jotka tarvitaan reaktiovaiheesa (b), täytyy lisätä massaan sen saapuessa reaktoriin. On edullista lisätä kemikaalit liuotettuna vesimäärään, jonka massa voi täysin absorboida. Käytännössä tämä merkitsee, että sakeuden kemikaali-lisäyksen jälkeen täytyy tavallisesti olla suurempi kuin 15 pai-no-%. Pienemmät kuin 50 paino-% olevat sakeudet ovat suositeltavia, koska on helpompi saavuttaa kemikaalien ja massan tasainen sekoittuminen tämän tason alapuolella. Sakeusalue on noin 15-50 paino-% on siten suositeltavaa mukavuussyistä, mutta sa-keus ei rajoita menetelmän käytettävyyttä.

Esiteltävän keksinnön mukainen kemiallinen käsittelyvaihe eroaa myös kemiallisista kuidutusmenetelmistä siinä, että keksinnön mukaista menetelmää ei voida käytännöllisesti suorittaa erämenetelmänä, kuten kemiallisen massan valmistuksessa. Tämä aiheutuu siitä, että mekaanisen massan lämpöeristysominaisuudet ovat niin hyvät, että suurta massamäärää ei voida kuumentaa reaktiolämpötilaan lämmönsiirron avulla kohtuullisen ajan kuluessa. Kemiallinen käsittely voidaan suorittaa erämenetelmänä käyttäen dielektristä tai mikroaaltokuumennusta, mutta nämä menetelmät ovat kalliita. On suositeltavaa suorittaa kemiallinen reak-tiovaihe laitteessa, jossa massaa jatkuvasti kuumennetaan reaktiolämpötilaan ja syötetään reaktioastian toiseen päähän, jonka astian koko on sellainen, että saadaan haluttu reaktion kesto ja käsitelty massa poistetaan samanaikaisesti toisesta päästä.

Vaihe (c) Jalostus

Keksinnön mukaisen menetelmän kolmannessa ja viimeisessä vaiheessa (c) vaiheesta (b) saadulle tuotteelle suoritetaan jauhatus kiekkojauhimessa teollisuudessa käytetyn tavanomaisen menetelmän mukaisesti, jota käytetään mekaanisen massan toisen vaiheen jauhatusta varten. Tulokset tästä toisesta jauhatuksesta eroavat niistä, jotka saadaan tavanomaista mekaanista massaa käytettäessä, koska tämän keksinnön mukaisten vaiheiden (a) ja (b) käyttö antaa massalle vaadittavan fysikaalisen ja kemiallisen konfiguraation lisäjauhatusenergian käyttämiseksi tehokkaasti ja taloudellisesti. On hyvin tunnettua, että mekaanisen massan laatua voidaan parantaa lisäjauhatuksella, mutta hitaamman vedenpoiston ja kasvaneen energiankulutuksen kustannuksella. Vaiheesta n 71779 (b) saatu tuote voidaan jauhaa vastaavaan laatutasoon käyttäen huomattavasti vähemmän energiaa ja saavuttaen nopeamman vedenpoiston kuin vaiheesta (a) saatua mekaanista massaa käytettäessä, jolle ei ole suoritettu vaiheen (b) käsittelyä. Nämä tulokset on esitetty graafisesti kuviossa 1, jossa massan laatu on esitetty jauhatustehon suhteen kahdessa tapauksessa. Massan laadulle käytetty mitta oli märän rainan vetomurtolujuus mitattuna 5 %:n märkävenymässä massan latenssin energian aiheuttamien vaikutusten poistamiseksi. Samanlaisia käyriä saadaan käytettäessä muita vastaavia massan laadun mittoja, kuten katkea-mispituutta tai puhkeamisindeksiä.

Piste A kuviossa 1 määrittää massan tilan keksinnön mukaisen menetelmän vaiheen (a) jälkeen. Piste B esittää samaa massaa vaiheen (b) jälkeen. Viiva B-C esittää vaiheesta (b) saatujen massojen ominaisuuksia käytettäessä eri määriä jauhatusenergiaa keksinnön mukaisen menetelmän vaiheessa (c). Viiva A-D edustaa massan ominaisuuksia saatuna jauhamalla suoraan vaiheen (a) tuotetta käyttämättä vaihetta (b). Vaiheen (b) kemiallisen käsittelyn merkittävä vaikutus jauhetun massan vedenpoiston parantamiseksi, mitattuna kanadalaisen freenesstestin (C.S.F.) mukaan, massan lujuuden parantamiseksi ja energiatarpeen vähentämiseksi käytettäessä vaiheen (c) jauhatusta ilmenee selvästi kuvion 1 graafisesta esityksestä.

Vaiheessa (c) käytettyjä sakeuksia voidaan vaihdella alueella, jota tavallisesti käytetään mekaanisen massan toisen vaiheen jauhatuksessa, mutta tuotteen ominaisuudet riippuvat jossain määrin valitusta jauhatussakeudesta. Noin 20 % suuremmat sakeudet antavat suuremman märkävenymän omaavia tuotteita, kun taas pienemmät tiiviydet massoja, joiden lujuus on suurempi. Jauhatus-sakeutta säätämällä voidaan saavuttaa haluttu tasapaino märkävenymän ja lujuuden välille kutakin sovellutusta varten. Useimmissa sovellutuksissa on edullista suorittaa jauhatusvaihe (c) noin 1-35 paino-%:n sakeuksilla.

Vaiheessa (c) käytettyä energiamäärää voidaan vaihdella tuotteelle haluttujen ominaisuuksien ja käyttötarkoituksen mukaan. Tuotteeseen kohdistettavaa jauhatusta säädetään tavallisesti valmiin massan freenessluvun avulla. Useimmissa sovellu- i2 71 779 tuksissa tämän freenessluvun tulisi olla aluella noin 50-700 C.S.F. Esimerkiksi kotelonkartongin materiaalin freenessluku on tyypillisesti suurempi kuin aikakauslehtipainopaperin. Sanomalehtipaperia varten on suositeltavaa jauhaa alueella noin 100-400 C.S.F. olevaan freenesslukuun vaiheessa (c).

Keksintöä esitellään seuraavien esimerkkien avulla.

Esimerkki 1 2

Kuusihaketta esihöyrystettiin 25 minuuttia 2,5 kp/cm :n paineessa ja johdettiin 1 000 HP Sprout-Waldron 26 ICP jauhimeen seuraavissa olosuhteissa:

Syöttö: 2,0 tonnia päivässä

Poistosakeus: 25-30 %

Ominaisenergia: 800 kwh tonnia kohti

Paineistetusta jauhimesta saatua massa, joka muodostui pääasiassa yksittäisistä kuiduista eikä siinä juuri ollut osasia, joiden läpimitta on suurempi kuin 0,05 mm, jaettiin kolmeen osaan. Yksi osa sekoitettiin 10 paino-%:n kanssa natriumsulfiittia pH-arvon ollessa 9 ja sitä kuumennettiin 18 %:n sakeudessa 90°C:ssa yksi tunti. Toinen osa sekoitettiin 10 paino-%:n kanssa natriumsulf iittia pH-arvossa 7 ja seosta kuumennettiin 18 %:n sakeudessa ja 160°C:ssa 5,25 kp/cm paineessa yksi tunti. Kolmas osa oli käsittelemätön. Jokaista osaa jauhettiin sitten edelleen 30 cm Sprout-Waldron avoinpoistojauhimessa 18 %:n sakeudessa ominais-energiasyötön ollessa 1 120 kWH tonnia kohti. Kaikkissa näissä massoissa käytettiin sitten kaikkiaan 1 920 kWh tonnia kohti jauhatusenergiaa.

Tavallinen käytäntö mekaanisessa kuidutuksessa on poistaa latenssi ennen seulomista, puhdistamista ja lopullista käyttöä. Tämä menettely on esitetty julkaisussa L.R. Beath, M.T. Neill & F.A. Masse "Latency in Mechanical Pulps", Pulp and Paper Magazine of Canada 67 (10) T423 (1966) . Tämän yleisen teollisen menettelyn mukaan poistettiin latenssi esillä olevista massoista käsittelemällä 90°C:ssa 15 minuuttia ennen testausta. Näiden massojen ominaisuudet on esitetty seuraavassa taulukossa I.

71 779 13

Taulukko I

Käsittely Ei 90°C 160°C

Saanto, % 100 98 93

Freenessluku 194 197 80

Vedenpoisto, sekuntia 0,83 0,93 2,16 Märkälujuus, N/m 62 63 75 Märkävenymä, % 3,3 3,7 5,3 Märkäpaksuus, mm 0,344 0,353 0,302

Kiintotiheys 2,68 2,57 2,12

Puhkaisu 16 17 23

Katkeamispituus 3100 3300 5100 Käyttäen samaa kokonaisjauhatustehoa käsittelemätön näyte ja 90°C:ssa käsitelty näyte jauhettiin oleellisesti samaan free-nesslukuun, jolloin esiintyi vain merkityksettömiä eroja märkä-ja kuivaominaisuuksissa. Sitä vastoin 160°C:ssa käsitellyllä näytteellä, joka oli jauhettu pienempään freenesslukuun samaa tehoa käyttäen saatiin suurempi kuin 60 %:n kasvu märkävenymään ja katkeamispituuteen sekä merkittävä kasvu märkävetolujuuteen ja puhkaisuun. Vedenpoistonopeus oli paljon suurempi kuin käsittelemättömällä, samaa laatua olevalla kuumahierteellä.

Märkäpaksuus ja kiintotilavuus ovat mittoja kuitujen kyvylle muodostaa paperiarkki. Pienet arvot, jotka saatiin 160°C:ssa käsitellyllä massalla, merkitsevät taipuisia kuituja, jotka kiinnittyvät toisiinsa hyvin muodostaen tiiviin, yhtenäisen arkin.

Esimerkki 2

Kuumahierre, joka oli valmistettu paineistetussa jauhimessa esimerkin 1 mukaisesti sekoitettiin 10 %:n kanssa natriumsulfiit-tia pH-arvolla 9,0 ja seosta kuumennettiin 18 %:n sakeudessa 160°C:ssa ja 5,3 kp/cm^ paineessa yksi tunti. Käsiteltyjä ja käsittelemättömiä kuumahierrenäytteitä jauhettiin sitten vastaaviin freenesslukuihin ja massan ominaisuudet mitattiin latenssin poistamisen jälkeen 90°C:ssa 15 minuutin aikana.

Energiakulutus ja vastaavat massan ominaisuudet on esitetty seuraavassa taulukossa II.

71 779 14

Taulukko II

Käsittelemätön Käsitelty Käsittelemätön Käsitelty

Energiatarve, kWh/tonni 2 255 1 800 1 800 1 468

Freeness 107 118 305 331

Vedenpoisto, sekuntia 1,27 1,63 0,66 0,83 Märkävetolujuus, N/m 58 77 59 76 Märkävenymä,% 4,0 5,1 3,3 4,3 Märkäpaksuus, mm 0,322 0,290 0,385 0,326

Kiintotiheys 2,47 1,92 3,14 2,08

Puhkeama 14 28 14 32

Katkeamispituus 3200 5600 2800 5800

Saanto, % 100 94 100 96 Nämä arvot osoittavat, että keksinnön mukaisella käsittelyllä energiantarvetta halutun freenessluvun ja vedenpoistonopeu-den saavuttamiseksi voidaan vähentää enemmän kuin 20 %. Tähän energian säästöön liittyy lisäksi huomattavat parannukset märkä-rainaominaisuuksiin, kuivalujuuteen ja kuitujen yhteenliittymiseen.

Esimerkki 3

Kaupallisen sanomalehtipaperitehtaan ensimmäisen vaiheen jauhimesta saatua Pinus rigida-mäntymassaa käsiteltiin 145°C:ssa tunti 10 paino-%:n kanssa natriumsulfiittia pH-arvossa 9. Saatua massaa jauhettiin sitten 340 ja 680 kWh tonnia kohti olevilla energiamäärillä 30 cm:n Sprout-Waldron-jauhimessa.

Käsittelemätöntä massaa jauhettiin samalla tavalla. Näiden tuotteiden ominaisuudet latenssinpoistokäsittelyn jälkeen 90°C:ssa 15 minuutin aikana on esitetty seuraavassa taulukossa III.

Taulukko III

Käsittelemätön Käsitelty

Jauhatusenergia, kWh/tonni 680 340 680

Freeness, C.S.F. 194 243 146

Vedenpoisto, sekuntia 0,64 0,65 0,82 Märkävetolujuus, N/m 36 42 46 Märkävenymä, % 4,4 5,4 5,9

Paksuus, mm 0,402 0,375 0,348

Kiintotiheys 3,65 2,74 2,56 15 71779

Taulukko III (jatkoa) Käsittelemätön Käsitelty

Puhkeama 9 19 20

Katkeamispituus 2100 3400 3800

Repeytyminen 67 92 89 Nämä arvot esittelevät keksinnön mukaisen menetelmän soveltamista vaikeisiin puulajeihin; Pinus rigida-männyn kuidut ovat jäykempiä ja paksumpia kuin kuusen ja niistä yleensä saadaan heikkolaatuista kuumahierrettä. Kuitenkin keksinnön mukaista menetelmää käytettäessä voidaan saada tuotetta, jonka laatu on sama 0 tai parempi kuin tavallisesti saadun ja jolla on lisäksi seuraavat lisäedut: 1) Tarvitaan vähemmän energiaa vastaavan freenessluvun saavuttamiseksi.

2) Samoilla energiasyötöillä käsitelty massa jauhautui alempaan freenesslukuun sekä märkä- että kuivaominaisuuksien parantuessa suuresti. Puhkeama ja katkeamispituus likimain kaksinkertaistuvat .

3) Käytettäessä puolta toisen vaiheen energiansyötöstä ja suurempaa freenesslukua on käsitelty tuote vielä parempi kuin käsittelemättömästä kuumahierteestä saatu.

4) Keksinnön mukaisen menetelmän avulla saadaan merkittävä parannus kuitujen yhteenliittymiseen, kuten märkäpaksuuden ja kiintotiheyden lasku osoittavat.

Esimerkki 4

Kuusihaketta jauhettiin Bauer 420 avoinpoistojauhimessa nopeudella 65 tonnia päivässä käyttäen energiamäärää 1 074 kWh/t. Yksi osa tästä hierteestä sekoitettiin 10 %:n kanssa natriumsul-fiittia pH-arvolla 9 ja kuumennettiin sitä 145°C:ssa paineessa 3,5 kp/cm yksi tunti. Sekä käsitelty että käsittelemätön massa jauhettiin edelleen 30 cm:n Sprout-Waldron jauhimessa 20 %:n sa-keudessa. Saadun hierteen ominaisuudet on esitetty seuraavassa taulukossa IV. Latenssi poistettiin 90°C:ssa 15 minuutin aikana.

71779

Taulukko IV

16 Käsittelemätön Käsitelty

Toisen vaiheen jauhatusteho, kWh/tonni 0 806 806 572

Freeness, C.S.F. 388 122 81 156

Vedenpoisto, sekuntia 0,61 1,16 2,3 1,28 Märkärainan ominaisuudet

Vetolujuus, N/m 36 56 63 68

Venymä, % 3,2 4,3 5,6 4,7

Paksuus, mm 0,454 0,336 0,287 0,311

Kuivaominaisuudet

Kiintotiheys 3,98 2,70 1,98 2,22

Puhkeama 8 16 23 25

Katkeamispituus 1700 3300 4900 4700

Venymä 1,2 1,8 1,7 1,9

Repeytyminen 61 66 52 69 Tässä esimerkissä voidaan havaita useita kohtia. Ensimmäisestä jauhimesta saatu hierre (ensimmäinen sarake) vaatii jauha-tustehon lisäkäyttöä riittävien ominaisuuksien saamiseksi. Käytettäessä vielä 806 kWh/tonni jauhatusenergiaa, saadaan sarakkeessa 2 esitetyt suuresti parantuneet tulokset. Kuitenkin käytet-teässä sama energiamäärä hierteelle, joka oli käsitelty esiteltävän keksinnön mukaisesti, saadaan tuote, jonka freenessluku on pienempi ja jonka märkä- ja kuivaominaisuudet ovat paljon paremmat (sarake 3). Käytettäessä vaihtoehtoisesti vain 572 kWh/ton-ni lisähiontaenergiaa, saadaan tuote, jonka freenessluku ja ve-denpoistonopeus ovat vastaavat, mutta jonka kaikki märkä- ja kuivaominaisuudet ovat parantuneet (sarake 4).

Tämä osoittaa, että keksinnön mukaista menetelmää voidaan soveltaa hierteeseen sekä kuumahierteeseen.

Yhteenvetona mainittakoon, että esiteltävä keksintö kohdistuu parannetun mekaanisen massan valmistamiseen, jota voidaan käyttää kemiallisen massan korvikkeena. Muutokset ovat mahdollisia keksinnön puitteissa.

Claims (10)

17 71779

1. Menetelmä parantuneet ominaisuudet omaavan hierteen valmistamiseksi, tunnettu siitä, että se käsittää seu-raavat vaiheet: (a) hakkeeseen, jota ei ole pehmennetty kemiallisesti, kohdistetaan mekaaninen vaikutus kiekkojauhimessa ligniinin termisen pehmenemispisteen alapuolella olevassa lämpötilassa mekaanisen puumassan saamiseksi, joka koostuu pääasiassa erillisistä puukuiduista ja niiden osista; (b) massaa käsitellään korotetussa lämpötilassa noin 110 °C yläpuolella ylipaineessa rikkihapokkeen liukoisen suolan vesiliuoksella, joka sisältää riittävästi alkalia pH-arvon pitämiseksi suurempana kuin noin 3 käsittelyn aikana, jolloin käsittely suoritetaan sellaisessa lämpötilassa ja sellaisen ajan, että reaktio tapahtuu massan kanssa kemiallisesti käsitellyn massan saamiseksi, joka pystyy muodostamaan paperirai-nan, jonka märkälujuus on kasvanut ja venytys-muodonmuutosominaisuudet ovat parantuneet säilyttäen nopean vedenpoistokyvyn, jolloin käsittely suoritetaan sellaisessa lämpötilassa ja aikana, jotka riittävät antamaan käsitellyn massan saannoksi yli noin 85 paino-% ja (c) kemiallisesti käsiteltyyn massaan kohdistetaan mekaaninen käsittely kiekkojauhimessa massan laadun parantamiseksi ja hierteen saamiseksi, jonka Canadian Standard freeness-luku on noin 50 - 700.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että rikkihapokkeen liukeneva suola on nat-riumsulfiitin vesiliuos, jonka alku-pH-arvo on edullisesti noin 9 - 12, että käsittelyvaihe (b) suoritetaan massan sakeudessa noin 4-15 paino-%, ja että käytettyjen kemikaalien määrä on noin 1-25 paino-% natriumsulfiittia laskettuna massan määrästä .

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että rikkihapokkeen liukoisen suolan vesiliuos lisätään hakkeeseen ennen niiden siirtämistä kiekko-jauhimeen vaiheessa (a) siten, että vesiliuos sekoittuu kuitu- 18 71779 jen kanssa niiden muodostuessa.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käsittelyvaihe (b) suoritetaan välillä noin 130 °C noin 2 h ja noin 180 °C noin 15 min, jolloin käsittelyn lämpötila ja aika sovitetaan siten, että saadaan yli noin 90 paino-%:n saanto.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että haketta käsitellään höyryllä noin 120 - 135 °C:n lämpötilassa noin 1-2 atm. paineessa ennen vaihetta (a).

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaihe (a) suoritetaan 10 - 40 paino-%:n sakeudessa.

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaiheesta (a) saatu mekaaninen massa koostuu pääasiassa yksittäisistä kuiduista ja niiden osista, joiden halkaisija on alle noin 0,05 mm.

8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaihe (a) suoritetaan korotetussa lämpötilassa, joka on ligniinin termisen pehmenemispisteen alapuolella, ja ylipaineessa.

9. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaihe (c) suoritetaan noin 1-35 paino-%:n sakeudessa.

10. Jonkin patenttivaatimuksista 1-9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaihe (c) suoritetaan hierteen saamiseksi, jonka Canadian Standard freenessluku on noin 100 -400 C.S.F. 19 71779