FI73473C - Foerfarande foer framstaellning av fibermassa. - Google Patents

Description

1 73473

Menetelmä kuitumassan valmistamiseksi. - Förfarande för framställning av fibermassa.

Esillä olevan keksinnön kohteena on menetelmä kuitumassan valmistamiseksi lignoselluloosapitoisesta materiaalista, joka sisältää kuusipuuta tai jolla on kuusipuuluonne, jossa menetelmässä on kyllästämisvaihe, jossa vetysulfiitin ja/tai sulfiitin, edullisesti natriumsulfiitin (Na^SO^) muodossa olevaa ligniinin pehmennyskemikaalia lisätään materiaaliin ennen sen kuiduttamista tarkoituksena ensiksi pehmentää materiaa li.

Eri puumateriaalien kuidutus helpottuu, mikäli kuitumateriaali ensin esilämmitetään höyryllä tietyn ajan kuluessa, edullisesti korotetussa paineessa ja lämpötilassa. Nk. lämpömekaaninen massaprosessi suoritetaan tällä tavoin ja sillä saadaan massoja korkealla saannolla ('95 %). Tällaisten massojen valonheijatuskykyyn vaikuttaa puumateriaalin laji ja laatu, mutta tavallisesti se on 55 - 60 % (ISO).

Kemikaalien lisäys ennen tai jälkeen mekaanisen käsittelyn on osoittautunut menetelmäksi, joka antaa massalle paremmat mekaaniset ominaisuudet verrattuna puhtaan lämpömekaanisen massan ominaisuuksiin. Kemiallismekaanisen lämpömassan (saanto tavallisesti suurempi kuin 95 %) valmistusta esiintyy nykyään, mutta kemikaalien lisäysmäärät ylittävät olennaisesti esillä olevassa hakemuksessa annetut arvot. Tähän mennessä julkaistut tulokset osoittavat, että kemikaalipanostusta lisäämällä saadaan paperin vetolujuutta lisätyksi vakioveden-poistokyvyllä (ml CSF), mutta lisääntyneen kokonaisjauhatus-energian kustannuksella. Edelleen on raportoitu lisätystä kemikaalipanoksesta seuraava negatiivinen vaikutus, nimittäin valon diffraktiokyvyn (himmeyden) merkittävä aleneminen.

Korkea valon diffraktiokerroin on olennainen vaatimus paino-paperimassalle tiettyjen mekaanisten ominaisuuksien ohella, ja tästä syystä on kemiallinen, lujuutta lisäävä käsittely pitänyt rajoittaa siten, että optiset ominaisuudet eivät 2 73473 huonone liian suuressa määrin.

Hyvillä mekaanisilla lujuusominaisuuksilla ja maksimaalisella valon diffraktiokertoimella varustetun mekaanisen massan valmistamiseksi tarvitaan ennen kuidutusta entistä paremmin vaaitettua kuituraaka-aineen kemiallisen ja lämpökäsittelyn yhdistelmää siihen liittyvän mekaanisen työstön seurauksena.

Esillä olevan keksinnön pääasiallisena tarkoituksena on siis yllä kuvatun tapaisella menetelmällä varmistettaessa korkealaatuista mekaanista massaa tehda sm ittaka avassa ligno-selluloosapitoisessa kuitumateriaalissa, joka on esikäsitelty ennen kuidutusta kemiallisesti ja lämpökäsittelyllä, säilyttää erittäin vähäisen kemikaalipanostuksen antamat edulliset ominaisuudet ja valmistaa massa, jonka saanto on korkea (> 95 Ä) ja jolla on optimilujuus ja optiset ominaisuudet ja jolloin jauhatusenergian käyttö on suhteellisen vähäinen.

Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä, joka on pääasiallisesti tunnettu siitä, että mainittua kemikaalia lisätään sellainen määrä, että paineistamattomassa ra ffinöörissä tai paineistetussa ra ffinöörissä suoritetun kuidutuksen jälkeen natriumsulfiitti (Na^SO^) absorboituu ja sitoutuu massan kuituihin olennaisesti täysin kuivasta massasta laskettuna prosenttipitoisuude11a, joka kuusipuu-pitoisuuden tai vastaavan materiaalin suhteen järjestetään alueelle ABCD ja EFGH kuvion 1 kaaviossa käytettäessä paineistamatonta ja vastaavasti paineistettua raffinööriä, jolloin jauhatustilan paine on olennaisesti ilmakehän paine ja vastaavasti noin 140 kPa oleva ylipaine, jolloin kuusi-puupitoisuutta ja vastaavasti jauhatustilan painetta koskevissa toisissa olosuhteissa suoritetaan interpolointi tai ekstrapolointi mainitun kaavion avulla sopivan Na^SO^-pitoisuuden määrittämiseksi.

Keksintöä selvitetään seuraavassa viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa: t 3 73473

Kuvio 1 on kaavio, joka esittää neljän eri suoritusmuodon yhdistelmää ja joka esittää massan rikkipitoisuuden puutavaran kuusipuupitoisuuden funktiona.

Kuvio 2 esittää laitetta, joka sopii käytettäväksi kuitumassan valmistamiseksi keksinnön mukaisella tavalla käytettäessä paineistamatonta raffinööriä.

Kuviot 3-9 esittävät ensimmäisen suoritusesimerkin tuloksia.

Kuviot 10 - 12 esittävät toisen suoritusesimerkin tuloksia.

Kuviot 13 - 16 esittävät kolmannen suoritusesimerkin tuloksia.

Kuvio 17 esittää lopuksi neljännen suoritusesimerkin tuloksen.

Hakijoiden suorittamat tutkimukset ovat osoittaneet, että kuitumateriaalin, tavallisesti puuhakkeen, tehokas kemikaali-käsittely saadaan aikaan kyllästämällä hake sulfiitin, edullisesti natriumsulfiitin muodossa olevilla ligniinin-pehmennyskemikaaleilla määrän ollessa sellainen, että kemikaalin absorboitunut ja sitoutunut muoto kuidutuksen jälkeen muodostaa vain prosentin murto-osia laskettuna Na^SO-jtna ehdottoman kuivasta puusta. Kyllästys suoritetaan sopivasti upottamalla puuhake suhteellisen kylmään, edullisesti 20 -60°C olevaan su 1 fiittiliuokseen ilmakehän paineessa ja lyhyeksi ajaksi, joka on tavallisesti noin 10 minuuttia. Koska puumateriaalin sulfiittip itoisuus on edullisesti vähäinen, voidaan kyllästysliuoksen pitoisuus pitää alhaisena ja arvossa, joka kyllästyksessä tapahtuvan nesteenoton huomioonottaen antaa halutun pitoisuuden hakkeeseen, ja, huomioonottaen käyttöasteen, kuidutettuun tuotteeseen. Kyllästystä edeltää edullisesti puuhakkeen keitto vesihöyryllä ilmakehän paineessa noin 10 minuutin ajan, jolloin puumateriaali saavuttaa edullisesti lämpötilan 90 - 100°C. Kyllästystä seuraa esilämmi-tys noin 3 minuutin ajan edullisesti lämpötilassa 113 -126°C. Kuidutus suoritetaan edullisesti avoimessa kiekko- 4 73473 myllyssä.

Suoritettaessa kuidutus/raffinointi paineistetussa kiekkomyl-lyssä keskilämpötilan ollessa normaalisti korkeampi jauhatus-vyöhykkeessä kuin edullisesti avoimessa jauhatuksessa, tarvitaan vähemmän kemiallista ligniinipehmennystä optimiolosuhteiden saavuttamiseksi massan ominaisuuksiin ja energiatarpeeseen nähden. Muussa tapauksesa joudutaan helposti tilaan, jossa jauhatus tapahtuu ligniinin pehmenny slämpötilan ylittävässä lämpötilassa, mikä johtaa tuotteen huononemiseen ja/tai huonontuneisiin jauhatusolos uhte isiin.

Kuidutettaessa/raffinoitäessä kuusi/mäntyseosta saavutetaan optimiedellytykset hiukan suuremmalla kemikaalipanostukse11a kuin mitä tarvitaan puhdasta kuusipuuta käytettässä. Kemi-kaalipanostuksen suuruuden määrää puutavaran kuusipuupitoisuus.

Kuvio 1 esittää massan rikkipitoisuuden (esitettynä painoprosentteina Na2S0^:na ehdottoman kuivassa massassa, a.t.m.), jolloin maksimaalinen vetokerroin (kts. kuviot 6, 12, 14 ja 17) on puutavaran kuusipuupitoisuuden (painoprosentteja) funkt io.

Pistekatkoviiva esittää edullisesti avointa raffinööriä.

Ehjä viiva esittää paineistettua raffinööriä, jauhatustilan paineen ollessa noin 140 kPa.

Ohuet viivat AB, CD, EF ja GH esittävät vastaavassa tapauksessa esiintyvää väliaikaa, kun taas paksu viiva edullista maksimitilaa.

Optimaalisen kemiallisen ligniinipehmennyksen täsmällinen määrääminen vaatii kunkin laitoksen ominaisrakenteen ja raaka-ainekoostumuksen tarkkaa tutkimista. Jauhettaessa edullisesti avoimessa raffinöörissä yhdessä tai kahdessa vaiheessa asettuu puutavarasta riippuen kuitupitoisen massan rikkipitoisuus (ilmaistu painoprosentteina Na^SO^) alueelle ABCD (kuvio.,1). Jauhettaessa pain estetussa ra ffinöörissä 5 73473 yhdessä tai kahdessa vaiheessa, jolloin vaihe 2 voi vaihtoehtoisesti tapahtua edullisesti avoimessa ra ffinöörissä, rikkipitoisuus on alueella EFGH (kuvio 1).

Kuusella ymmärretään esillä olevassa keksinnössä kuusipuuta tai lignoselluloosapitoista materiaalia, jolla on kuusipuu-mainen luonne. Raffinoitaessa puuseosta voi pienempi osa olla mänty- tai haapapuuta.

Sulfiittikäsittelyn käyttö vähäisellä sulfiittimääräl1ä ei rajoitu siihen tapaukseen, että lähtökuitumateriaali on tuoretta tai varastoitua puuta, vaan sitä voidaan soveltaa myös kuidutettaessa/raffinoitäessä mekaanisen massanvalmistuksen poistetta.

ESIMERKKI

Esimerkki 1: Kuusipuuhaketta esikäsiteltiin ja raffinoitiin keksinnön mukaisesti kuviossa 2 kaaviomaisesti esitetyssä laitteessa. Eri sulfiittipitoisuuden aikaansaamiseksi puuhun käytettiin kyllästysliuoksia, joissa oli eri natriumsulfiitti-pitoisuus. Liuosten pH-arvo oli alueella 8,2 - 9,0.

Tavanomaista kokoa olevaa seulottua haketta keitettiin ensin 10 minuuttia vesihöyryssä ilmakehän paineessa (100°C). Tämän jälkeen hake upotettiin välittömästi kyllästysliuokseen. Kyllästysaika oli 10 minuuttia ja aloitettaessa liuoksen lämpötila oli noin 20°C. Kuivatuksen tai tyhjennyksen jälkeen kyllästetty hake esilämmitettiin höyrykäsittelyssä 3 minuutin ajan lämpötilan ollessa 126°C. Tämän jälkeen seurannut raffinointi suoritettiin kahdessa vaiheessa avoimessa kiekkoraf-finöörissä lämpötilan ollessa jonkin verran yli 100°C.

Massan lähtöväkevyys oli ensimmäisen vaiheen jälkeen 30 % ja toisen vaiheen jälkeen 20 %. Massan saanto oli 97 % alhaisella sulfiittipanostuksella ja laski 95 %: iin suurimmalla sulfiittipanostuksella.

Valmistettujen massojen rikkipitoisuus (ilmaistu painoprosent- 6 73473 teinä laskettuna ehdottoman kuivasta massasta, a.t.m.)» ominaisuudet ja jauhatusenergiatarve ilmenevät kuvioista 3-9.

Kuvio 3 esittää rikkipitoisuuden massassa (esitetty painoprosentteina Na2S0j a.t.m.:stä) käytetyn sulfiittin funktiona (ilmaistu painoprosentteina Na^SO^ ehdottoman kuivasta puusta, a.t.v.). Massasta raffinoinnin jälkeen uudelleen havaitusta rikistä oli 90 - 98 % kemiallisesti sitoutunut massaan, jolloin korkeampi prosenttiluku liittyy alhaiseen optimaalipanostukseen.

Kuvio 4 esittää ei-keittopitoisuuden (mitattuna Sommerville-spet-järjestelmällä, %) rikkipitoisuudeltaan (ilmaistu painoprosentteina ^2^0^ a.t.m. :ssä) erilaisissa massoissa vedenpoistokyvyn (ml CSF, Canadian Standard Freeness) funktiona.

Kuvio 5 esittää vedenpoistumiskyvyn (ml CSF) eri jauhatus-energiakäytöillä massan rikkipitoisuuden (esitetty painoprosentteina Na2S0^ a.t.m.:ssä) funktiona.

Kuvio 6 esittää vetokertoimen (Nm/g) eri jauhatusenergiamääri1-lä massan rikkipitoisuuden (esitetty painoprosentteina Na2S0^ a.t.m.:ssä) funktiona.

Kuvio 7 esittää energian käyttöä (kWh/t) 45 Nm/g vetokertoimen saavuttamiseksi massan rikkipitoisuuden (ilmaistu painoprosentteina Na2S0j a.t.m.:ssä) funktiona.

Kuvio 8 esittää jauhatusenergiakäytön (kWh/t) 100 ja vastaavasti 130 ml CSF vedenpoistokyvyn saavuttamiseksi massan rikkipitoisuuden (ilmaistu painoprosenttiena Na2S0^ a.t.m.:ssä) f unkt iona.

Kuvio 9 esittää valon diffraktiokertoimen (m^/kg) eri jauhatus-energiamäärillä massan rikkipitoisuuden (ilmaistu painopro- 7 73473 sentteinä Na^SO^ a.t.m.:ssä) funktiona.

Esimerkki 2: Kuusi- ja mäntypuuhakkeen seosta, jossa oli 80 painoprosenttia kuusta ja 20 painoprosenttia mäntyä, esikäsiteltiin ja raffinoitiin esimerkin 1 mukaisesti. Valmistettujen massojen rikkipitoisuus ja ominaisuudet ilmenevät kuvioista 10 - 12.

Kuvio 10 esittää massan rikkipitoisuutta (ilmaistu painoprosentteina N 2^3 a*t*ro*'ssä) käytetyn sulfiitin (ilmaistu painoprosentteina Na^SO^ a.t.v.tssä) funktiona.

Kuvio 11 esittää ei-keittopitoisuuden (mitattuna Somerville-step-järjesteImällä, %) rikkipitoisuudeltaan (ilmaistu painoprosentteina ^£50^ a.t.m.:ssä) erilaisissa massoissa vedenpoistokyvyn (ml CSF) funktiona.

Kuvio 12 esittää vetokertoimen (Nm/g) eri jauhatusenergiamää-rillä massan rikkipitoisuuden (ilmaistu painoprosentteina Na^SOj a.t.m.rssä) funktiona.

Esimerkki 3: Kuusi- ja mäntypuuhaketta suhteessa 85 painoprosenttia kuusta ja 15 painoprosenttia mäntyä käsiteltiin natriumsulfiittiliuoksilla, joissa oli erilainen sulfiitti-pitoisuus ja pH-arvo 8,2 - 9,5.

Haketta keitettiin 10 minuuttia vesihöyryllä ilmakehän paineessa (100°C). Hakkeen päälle suihkutettiin sulfiitti-liuosta sen tullessa keittoastiaan. Keiton jälkeen hake upotettiin hakepesuun, kuivattiin ja esilämmitettiin höyry-käsittelyllä 3 minuutin aikana lämpötilassa 126°C. Tämän jälkeen tapahtuva raffinointi suoritettiin paineistetussa ensivaiheraffinöörissä lämpötilassa 126°C tai hieman enemmän ja avoimessa toisvaiheraffinöörissä hiukan yli 100°C lämpötilassa. Massan väkevyys oli ensimmäisen vaiheen jälkeen 40 S ja toisen vaiheen jälkeen 20 ?□.

8 73473

Kuvio 13 esittää massan rikkipitoisuuden (ilmaistu painoprosentteina Na2S0^ a.t.m.:ssä) käytetyn sulfiiitin (ilmaistu painoprosentteina a.t.v.:ssä) funktiona.

Kuvio IA esittää vetokertoimen (Nm/g) eri jauhatusenergiamää-rillä massan rikkipitoisuuden (ilmaistu painoprosentteina Na2SC>2 a.t.m.:ssä) funktiona.

Kuvio 15 esittää jauhatusenergian käytön (kWh/t) 25 ja vastaavasti 28 Nm/g vetokertoimen saavuttamiseksi massan rikkipitoisuuden (esitetty painoprosentteina Na2S0^ a.t.m.:ssä) f unkt iona.

2

Kuvio 16 esittää valon diffraktiokertoimen (m /kg) vedenpoisto-kyvyllä 200 ml CSF massan rikkipitoisuuden (ilmaistu painoprosentteina Na2S0^ a.t.m.rssä) funktiona.

Esimerkki A: Kuusi- ja mänty puuhakkeen seoskoostumuksen ollessa 75 painoprosenttia kuusta ja 25 painoprosenttia mäntyä esikäsiteltiin ja raffinoitiin esimerkin 3 mukaisesti.

Kuvio 17 esittää valmistettujen massojen vetokertoimen (Nm/g) eri jauhatusenergiamäärillä massan rikkipitoisuuden (ilmaistu painoprosentteina Na2S0^ a.t.m.:ssä) funktiona.

YHTEENVETO

Kuvion 1 mukainen alhainen, optimoitu sulfiittipanostus antaa seuraavat edut verrattuna nykyään normaalisti käytettyihin panostuksiin: 1. Suuri massan saanto

Mieto kemikaalikäsittely johtaa suureen massasaant oon ( 95 ?ό).

2. Käytetyn sulfiitin suuri käyttöaste (kts. kuviot 3, 10, 15)

Il 9 73473 noin 98 % käytetystä sulfiitista on raffinoinnin jälkeen kemiallisesti sitoutuneessa muodossa massassa. Ei ole lainkaan tai äärimmäisen vähän vapaata sulfiittia. Tämä on edullista käytettäessä vetyperoksidia seuraavassa valkaisuvaiheessa ja eliminoi välipesuvaiheen tarpeen sekä sulfiittia varten tarkoitetun erityisen kemikaalien talteenottojärjestelmän tarpeellisuuden.

3. Alhaiset kemikaalikustannukset

Ennen kaikkea raffinoinnissa, mutta myös vetyperoksidivalkai-sussa johtuen siitä, että massassa on erittäin vähän tai ei lainkaan vapaata sulfiittia.

4. Esikäsittely vaiheen alhaiset asennuskustannukset

Vesihöyryllä keittäminen ilmakehän paineessa sekä paineeton kyllästys sulfiittiliuoksella merkitsevät sitä, että voidaan käyttää yksinkertaista laitteistoa. Investointikustannukset muodostuvat tästä syystä pieniksi sekä uusissa laitteistoissa että täydennettäessä vanhoja.

5. Alhainen ei-keittopitoisuus

Jopa vähäinen sulfiitin käyttö vähentää selvästi ei-keittopi-toisuutta (kts. kuviot 4, 11).

6. Vähäinen energian käyttö

Jauhettaessa vakiovedenpoistokykyyn (kts. kuvio 8) tai vaihtoehtoisesti vakiovetokertoimeen (kts. kuviot 7, 15) tarvitaan alhaisella optimoidulla sulfiitin käytöllä olennaisesti vähemmän jauhatusenergiaa kuin muussa tapauksessa. Energiahyöty voi tällöin olla suuruusluokkaa 20 %.

7. Hyvät lujuusominaisuudet

Vakiojauhatusenergian käytöllä saadaan alhaisella, optimoidulla .r.

10 73473 sulfiittilisäyksellä maksimivetokerroin (kts. 6, 12, 14, 17). Vastaava vetokerroinarvo saavutetaan vasta sulfiitti-lisäyksillä >2 % (kts. kuviot 3 ja 6), jolloin kuitenkin massan saantoon vaikutetaan negatiivisesti.

8. Maksimaalinen valon diffraktiokerroin Vähäisellä, optimoidulla sulfiitin käytöllä saavutetaan maksimiarvo valon diffraktiokertoimesta (kts. kuviot 9, 16). Sulfiitin käytön lisäys aiheuttaa valon diffraktiokyvyn nopean huononemisen. Käytettäessä mekaanista massaa eri painopapereissa muodostaa valon diffraktiokerroin tärkeän ja olennaisen laatuvaatimuksen.

Yllä esitetyissä esimerkeissä on kemikaalina käytetty sulfiit-tia, edullisesti natriumsulfiittia (Na2S0j). On kuitenkin myös mahdollista käyttää vetysulfiittia ja/tai sulfiittia.

Materiaalin esilämmitykseen käytetty lämpötila väli voidaan valita myös suuremmaksi kuin esimerkeissä esitetty. Sopivasti tämä väli on noin 110 - 130°C, mutta edullisesti 115 -12 6°C.

Keksintö ei rajoitu piirustuksissa esitettyihin ja yllä kuvattuihin suoritusmuotoesimerkkeihin, vaan se voi vaihdella oheisten patenttivaatimusten rajoissa.

Il

Claims (3)

73473

1. Menetelmä kuitumassan valmistamsiseksi lignoselluloosapi-toisesta materiaalista, joka sisältää kuusta tai on kuusipuu-luonteinen, jolloin menetelmään kuuluu kyllästysvaihe, jossa materiaaliin ennen sen kuiduttamista lisätään ligniininpehmen-nyskemikaalia vetysulfiitin ja/tai sulfiitin, edullisesti nat-riumsulfiitin(Na2S03) muodossa tarkoituksena ensiksi pehmentää materiaali, tunnettu siitä, että 1igniininpehmennys-kemikaalia lisätään laimennetun vesiliuoksen muodossa sellainen määrä, että suoritetun kuidutuksen jälkeen absorboitunut ja massan kuituihin sitoutunut kemikaalimäärä, laskettuna paino-% Na2SC>3, edustaa pistettä alueella ABCD raffinoitaessa paineistamattomassa raffinöörissä, jonka jauhatustilan paine on olennaisesti ilmakehän paine, ja pistettä alueella EFGH Kuviossa 1 raffinoitaessa paineistetussa raffinöörissä, jonka jauhatustilan paine vastaa ylipainetta noin 140 kPa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että absorboitunut ja massan kuituihin sitoutunut kemikaalimäärä laskettuna paino-% Na2S03 sovitetaan lähtömateriaalin kuusipuupitoisuuden ja atmosfäärin kuidutusolosuhtei-den mukaan edustamaan pistettä keskimmäisessä, pistekatkovii-voilla kuviossa 1 esitetyistä viivoista.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että absorboitunut ja massan kuituihin sitoutunut kemikaal imäärä laskettuna paino-% Na2SC>3 sovitetaan lähtömateriaalin kuusipuupitoisuuden ja raffinointiolosuhteiden mukaan paineistetussa kuiduttimessa kuidutuspaineessa noin 140 kPa ja järjestetään keskimmäiselle, yhtenäiselle viivalle kuviossa 1. 1 Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että Na2SC>3_iisäys suoritetaan ilmakehän paineessa noin 10 minuutin aikana sen jälkeen, kun materiaalia on keitetty noin 10 minuuttia edullisesti ilmakehän paineessa, jolloin lisäystä seuraa esilämmitys noin 110 - 130°C, edullisesti 12 73473 115 - 126°C lämpötilassa noin 3 minuutin ajan ennen kuidutusta esimerkiksi edullisesti avoimessa kiekkomyllyssä.