FI74051C - Foerfarande foer behandling av mekanisk massa foer att foerbaettra dess draeneringsfoermaoga och vaottoejning. - Google Patents

Description

1 74051

Menetelmä mekaanisen puumassan käsittelemiseksi sen vedenpoisto- ja märkävenymäominaisuUksien parantamiseksi -Förfarande för behandling av mekanisk massa för att för-bättra dess dräneringsförmäga och vättöjning 5

Keksinnön kohteena on menetelmä sellaisen mekaanisen puuhiokemassan käsittelemiseksi, joka on saanut kuituisen muotonsa mekaanisen toiminnan avulla ja joka on sopivaa muodostettavaksi paperiarkiksi, tarkoituksella pa-10 rantaa sen vedenpoisto- ja märkävenymäominaisuuksia.

Tavallisesti sanomalehtipaperi valmistetaan pape-riraaka-aineesta, joka sisältää noin 3 osaa puuhioketta ja 1 osan selluloosaa. Puuhioketta, valmistettuna puristamalla tukkeja pyörivää hiomakiveä vastaan, saadaan lähes 15 100 % lisinä saantoina ja se on paperiraaka-aineen halvin aineosa. Taloudellisuuden lisäksi puuhioke antaa useita edullisia ominaisuuksia paperiarkkiin. Erikoisesti puuhiok-keen suuri valonsidontakerroin aiheuttaa paperin läpinäkymättömyyden ja sallii ohuempien arkkien käytön. Puuhiok-20 keen voimakas Ö1jynabsorptiokyky parantaa painovärin vastaanottokykyä painatuksen aikana. Puuhiokkeen valmistuk-***: seen liittyvät saasteongelmat ovat vähäisiä.

Selluloosa-aineosa valmistetaan tavallisesti joko ·. : sulfaatti- tai sulfiittiprosessin avulla saantojen ollessa ·.*. 25 45 - 65 paino-%.

. Selluloosa on kallista, se asettaa suuret vaatimuk- I ' set selluloosatehtaan puuvarastoille ja aiheuttaa huomatta via saasteongelmia. Sanomalehtipaperin valmistuksessa pyritään nykyisin siksi vähentämään selluloosan käyttöä.

30 Selluloosaa käytetään koska se antaa paperiraaka- aineelle ominaisuuksia, jotka parantavat sen käsiteltävyyt-tä. Käsiteltävyys tarkoittaa niiden ominaisuuksien yhdis-V: telmää, jotka sallivat kostean painon siirtämisen suurella nopeudella paperikoneen muodostus-, puristus- ja kuivaus-35 osan lävitse ja sallii kuivan paperin kelaamisen rullalle ja painamisen niin, että esiintyy vain hyväksyttävä määrä : : katkoksia. Käsiteltävyys on ratkaiseva tekijä paperikoneen ja painon tehokkuudelle, joka vuorostaan ratkaisee tuotta- 2 74051 vuuden. Huolimatta edellä mainituista selluloosan epäkohdista, säilyy se oleellisesti korvaamattomana aineosana sanomalehtipaperin raaka-aineessa käsiteltävyyssyistä.

Yllättävästi sitä mekanismia, millä selluloosa pa-5 rantaa käsiteltävyyttä, ei ymmärretä hyvin. Jatkuvasti ilmenee todistuksia siitä, että ratkaisevat ominaisuudet suu-rinopeuksisen paperikoneen tehokasta käyttöä varten ovat suuri märän rainan venyminen ja veden poistumisnopeus. Ve-nymiskyky sekä märkänä että kuivana, estää katkosten muo-10 dostumisen estäen jännitysten kerääntymisen paperin vika-kohtien ympärille, joista katkokset tavallisesti saavat alkunsa. Suuri veden poistumisnopeus vähentää vesipitoisuutta, jolloin saadaan vähemmän hauras raina. Näitä ilmiöitä on käsitelty viime aikoina artikkeleissa, joita ovat 15 kirjoittaneet D. Y. Harvey, A. J. Barnet ja L. M. Lyne (Pulp and Paper Canada (7) T 154 - 6, heinäkuu 1977); ja D. F. Rutland, A. Y. Jones, P. M. Shallhorn, J. Tichy ja A. Karnis (Pulp and Paper Canada 78 (4) T 99 - 105, huhtikuu 1977).

20 Tavanomaisissa puuhiokkeissa märkävenymä saavute taan veden poistokyvyn kustannuksella, so. hyvin puhdiste-tun hiokeen märkävenymä on suuri, mutta vedenpoistokyky pieni, kun taas heikosti puhdistetuissa hiokkeissa asia on : päinvastoin. Puuhiokkeita voidaan valmistaa myös raffinoi- • - 25 misvalssaimissa sekä avoimissa poistotyyppisissä että pai- . i neistetuissa yksiköissä, korkeammissa lämpötiloissa. Saatu- ; *’ ja hiokkeita, joita kutsutaan raffinoiduksi puuhiokkeeksi (RMP) ja kuumahiotuksi puuhiokkeeksi (TMP), ovat laadultaan parempia kuin tavallinen puuhioke ja niitä saadaan suurem-30 pina kuin 95 %:n saantoina saasteongelmien ollessa vähäisiä. Ne eivät kuitenkaan korvaa selluloosaa, eikä niitä yleensä hyväksytä ainoaksi raaka-aineeksi sanomalehtipaperikonei-siin.

\ Puuhiokkeita on pyritty parantamaan laadullisesti " 35 edelleen hakkeen kemiallisen esikäsittelyn avulla ennen ja- lostusta. Lukuisia tällaisia menetelmiä on nykyisin kehit-: : teillä ja niitä kutsutaan kemiallismekaaniseksi (CMP) ja termokemialliseksi (TMCP) menetelmäksi. Nämä käsittelyt li 3 74051 yleensä nostavat valmistuksen ehergiavaatimuksia. Vaikkakin käyttökelpoisia ominaisuuksia on kehitetty määrätyin kustannuksin, oleellisia parannuksia ei yleensä ole havaittu ominaisuuksissa, jotka ovat ensiarvoisen tärkeitä käsi-teltävyyden suhteen, nimittäin vedenpoistossa ja venymises-5 sä märkänä.

Nyt on yllättäen havaittu, että puuhiokemassojen vedenpoisto- ja märkävenymisominaisuuksia voidaan parantaa näiden massojen valvotun kemiallisen käsittelyn avulla niiden muodostamisen jälkeen.

10 Keksinnön mukaiselle menetelmällä tietynlaisen me kaanisen puuhiokemassan käsittelemiseksi on tunnusomaista, että massaa keitetään 5 - 50 %:n sakeusasteessa natriumsul-fiittivesiliuoksen kanssa, jonka määrä on noin 1-25 pai-no-% mekaanisesta massasta, korotetussa lämpötilassa, joka 15 on riittävä aikaansaamaan reaktion massan kanssa ja parantamaan massan vedenpoisto- ja märkävenymäominaisuuksia, mutta aika, joka ei ole riittävä alentamaan massan saantoa noin 90 paino-%:n alapuolelle, jolloin natriumsulfiittivesi-liuos sisältää riittävästi alkalia pitämään pH-arvo keiton 20 aikana suurempana kuin 3.

.···. Keksinnön mukaisella menetelmällä saavutettavat pa- rannukset mekaanisen puuhiokemassan vedenpoistokykyyn ja märkävenymiskykyyn mahdollistavat näin käsiteltyjen hioke-; . massojen käytön sanomalehtipaperissa hyvän käytettävyyden 25 saamiseksi ilman selluloosaa tai sen vähennetyn osuuden kanssa.

Keksinnön mukainen menettely voidaan suorittaa kaikille edellä mainituille puuhioketyypeille, nimittäin tavalliselle puuhiokkeelle, RMP-, TMP-, CMP- ja TCMP-hiok-30 keelle ja parannus vedenpoistokykyyn ja märkävenymäominai-suuksiin saavutetaan kaikilla näillä puuhioketyypeillä.

*.·. Tässä käytettynä "puuhiokkeella" tarkoitetaan puuta, joka on hienonnettu kuitumaiseen muotoon mekaanisen vaikutuksen avulla ja joka on sopiva muotoiltavaksi paperiarkiksi.

..." 35 Puuhiokkeet valmistetaan usein kaksivaiheisen raffi noinnin avulla. Kuumahiottua hioketta valmistettaessa esi-· merkiksi painettua raffinointivaihetta seuraa tavallises- 4 74051 ti raffinointi ilmassa. Tämän keksinnön mukaista kemiallista käsittelyä voidaan soveltaa puuhiokeeseen raffinoin-tivaiheiden välissä edullisen vaikutuksen saamiseksi.

Keksinnön mukaista menetelmää voidaan myös käyttää 5 puuhiokkeesta erotetuille erillisille osille. Esimerkiksi puuhiokkeet erotetaan yleensä "hyväksytty"- ja "hylätty"-jakeisiin seulojen tai hydrosyklonien avulla ennen käyttöä. Keksinnön mukaista menetelmää voidaan soveltaa erikseen joko toiseen tai molempiin näissä erotuksissa saatuihin jalo keisiin.

Erikoisesti keksinnön mukainen menetelmä käsittää puuhiokkeen käsittelemisen natriumsulfiitilla yhdessä nat-riumbisulfiitin tai lisäalkalin, kuten natriumhydroksidin tai natriumkarbonaatin, kanssa tai ilman näitä korotetussa 15 lämpötilassa ajan, joka riittää reaktion aikaansaamiseksi puuhiokkeen kanssa, mutta joka ei ole niin pitkä, että aiheutuisi oleellista ligniinin liukenemista puuhiokkeeseen.

On havaittu, että reaktion edetessä väliaineen pH-arvo laskee todennäköisesti puuhiokkeen asetyyliryhmien 20 hydrolyysin tuloksena. Jos pH laskee arvon 3 alapuolelle, esiintyy kuitujen vaurioitumisen vaara hydrolyyttisen vai-kutuksen takia, mistä aiheutuu lujuuden heikkenemistä. Me-kaaniselle vaikutukselle alttiiksi joutuneet puukuidut, ; kute raffinoidut kuidut, ovat erikoisen alttiita hajaantu- - - 25 miselle hapon vaikutuksesta. Siten esillä olevan keksin- .I nön suhteen on oleellista, että riittävästi alkalia on läs- ; nä kemikaalipanoksessa estämään pH-arvon aleneminen alle 3 käsittelyn aikana. Tarvittavan alkalin tarkka määrä riippuu puuraaka-aineen asetyylipitoisuuden suuruudesta, eikä 30 sitä voida tarkoin määrätä, mutta se voidaan helposti arvioida kokeellisesti.

Alkalitarve voidaan täyttää pelkästään natriumsul-V: fiitilla. Kuitenkin, koska vain puolet natriumsulfiitin natriumista on käytettävissä neutralointiin, on tavallises-35 ti taloudellisempaa muodostaa osa tarvittavasta alkalista -*** lisäämällä natriumhydroksidia tai natriumkarbonaattia.

; : Seoksen pH-arvo pidetään kuitenkin edullisesti pienempänä kuin 12, koska hemiselluloosat liukenevat kuiduista suu- I: 5 74051 rilla pH-arvoilla, mikä vastaavasti aiheuttaa häviötä saantoon.

Keksinnön mukaisen menetelmän suositellussa toteutuksessa käytetyn natriumsulfiitin määrä on alueella 4 -5 10 % puuhiokkeen painosta laskettuna, vaikkakin pienempiä pitoisuuksia aina noin 1 paino-%:iin asti voidaan käyttää edullisen vaikutuksen silloin laskiessa. Jos natriumsul-fiittipitoisuus on alle 1 paino-%, ovat parannukset liian pieniä käsittelyn kustannuksiin verrattuna. Samanlaisia 10 parannuksia havaitaan kemikaalimäärän ollessa 25 %:iin asti hiokkeen painosta, mutta lisäkustannukset ovat kohtuuttomia saavutettuihin lisäparannuksiin verrattuina. Täten yleensä käytetään noin 1-25 paino-%, edullisesti noin 4-10 paino-%, kemikaalipanosta puuhiokkeesta laskettuna.

15 Kemikaalipanoksen pH-arvo on edullisesti välillä noin 9-12 ja se sisältää natriumsulfiittia ja riittävästi alkalia pH-arvon pitämiseksi suurempana kuin 3 reaktion aikana.

On suositeltavaa suorittaa reaktio välillä 5 - 50 % olevina sakeusasteina, edullisesti noin 25-%:isena. Pienem-20 mät sakeusasteet suurentavat laitteiston kokoa ja energiakustannuksia ja vähentävät reaktionopeutta reaktanttien lai-mentumisen vuoksi, jolloin tarvitaan pitempiä reaktioaiko-.·*·. ja. Suurempia sakeusasteita kuin 50 % ei voida helposti kä- ; sitellä mekaanisesti puristamalla.

25 Reaktion vaatima aika ja lämpötila voivat vaihdella ; laajoissa rajoissa. Oleelliset vaatimukset ovat, että reak- tion täytyy antaa vaikuttaa vedenpoistonopeuden ja märkäve-nyvyyden parantamiseksi, eikä se saa edetä liian pitkälle ligniinin oleellisen liukenemisen aikaansaamiseksi, koska 30 se alentaisi hiokeen saantoa ja aiheuttaisi saastumisongel-mia. Käytännössä keksinnön mukaisen menetelmän soveltaminen rajoittuu käsittelyihin, joissa saadaan suurempia kuin 90 %:n saantoja lähtöpuuhiokeen painosta laskettuna.

*. Minimireaktioaika parannusten saamiseksi märkäveny- ’·** 35 vyyteen, jotka ylittävät 10 %, vastaa keksinnön mukaisesti noin 30 minuuttia 100°C:ssa, jolloin lyhyempiä aikoja käy- tetään korkeammissa lämpötiloissa. Ajan ja lämpötilan vai- 6 74051 kutukset yhdistetään laskusuureeseen, jota kutsutaan "H-tekijäksi", ja jonka K. E. Vroom on esittänyt julkaisussa Pulp and Paper Mag. Can. 58 (3) (1957), s. 228. H-tekijää voidaan käyttää ajan ja lämpötilan muuttamiseksi samanai-5 kaisesti halutun keittoasteen saavuttamiseksi. Keksinnön mukaisia tarkoituksia varten siten puuhiokkeelle suoritetaan minimikeittoaste, joka vastaa 30 minuuttia 100°C:ssa ja maksimikeittoaste, joka vastaa 90 paino-%:n puuhioke-saantoa.

10 Keksintöä selvennetään seuraavien esimerkkien avul la.

Esimerkki 1 Tässä esimerkissä esitellään keksinnön soveltamista eri puuhiokemassoille.

15 Puuhiokkeita käsiteltiin natriumsulfiittiliuoksil- la pH-arvossa 9 ja puristettiin 25 %:n sakeuteen. Puuhiok-keeseen jäänyt kemikaalimäärä oli 4 paino-% kuivasta kuitu-pitoisuudesta laskettuna. Puuhiokkeita kuumennettiin sitten 140°C:ssa 30 minuuttia autoklaavissa. Niistä valmistet- 20 tiin käsin koearkkeja ja mitattiin paperiominaisuudet.

Saadut tulokset on esitetty seuraavassa taulukossa I.

I: 7 74051 c α> <d ro o X vo o oo o en o i—i » * * o σν »

:<ö o vo m o (N

CXi ·γί »H n g 0

En C ή <N

0) r·* m ro o p* vo C * * * in o *« C o ro vo r-ι ih ih Φ ih ro

C

0) (D tt in X iH VO ^ O rH t" (—i k ^ * m * :<ö rH n* ro vo i-i

•ΓΟ t—I OM

01

2 c o IN

O) ^ m <r> o r» C ·. «. ». t—i vo >.

C «h rr (N r~ i—i

0) rH CM

e a; in o h <D σνσνοοοοιη X - » - m o -

O rH O Γ"- 00 O rH CN

X :t0 i-ι ro M ft -ro 3 g Ή E-t 3 C nj ie OJ ro t-' o o m ov EH β * * «· O O ··

e (N CM VO rH rH

<U cm ro e : a) cu r~- i—i

Aid) Γ'ΐηοοοσνττ ·· O X - * cm ro -

: -H rH CM VO CM 00 rH

Λ :nj rH cm . : 3 -ro *: 3 Q,

·" e CM CM

· O) ro o tn o ov ro > e * » « vo ro -

* - <d e ro in o vo rH

• Eh <u iH CM

to dP

w w en to 3 3 O atJ 3 aö 3 -o g e -p e tQ to <U -H >1 •H -H e C Oi e (0 o 0) -H :re >1 Φ C O* > E g to > •H C atJ aö :<ö -H 3 g <u a: φ cu :te > O Ό C Οι Οι Οι Ή . 0) aö <U <D <U 3 . _ > g « 0ί « « 8 74051

Taulukon I tuloksista voidaan nähdä, että jokaisen puuhiokkeen kemiallinen käsittely paransi vedenpoistoa ja venymää jokaisessa tapauksessa vaikuttamatta haitallisesti muihin ominaisuuksiin.

5 Esimerkki 2 Tämä esimerkki osoittaa reaktiolämpötilan vaikutuksen puuhiokkeen ominaisuuksiin.

Puuhiokkeita, jotka oli kyllästetty 4 paino-%silla natriumsulfiittia pH-arvossa 9, kuumennettiin 30 minuutin 10 ajan eri lämpötiloissa. Saadut hiokkeiden ominaisuudet on esitetty seuraavassa taulukossa II.

Taulukko II

15 Λ . TMP TCMP

Ominaisuus --------

__ennen 100°C 140° ennen 100°C 140°C

Vedenpoisto (s) 1,32 1,19 0,95 0,71 0,89 0,63 Märkävenymä (%) 4,7 5,0 7,9 3,5 3,8 6,0

Repeäminen 22,0 22,4 18,0 16,3 17,1 15,8 20 Repeämispituus 3600 3740 3050 3150 3100 3000

Repäisy 105 103 108 107 108 99

Kuivavenymä (%) 1,94 2,24 2,50 1,62 1,98 2,00 pH reaktion jälkeen_ - 6,02 4,19 - 6,77 6,10 25

Taulukon II tulokset osoittavat parantuneita ve-! denpoisto- ja märkävenymäominaisuuksia TMP:n suhteen 140°C:ssa verrattuna 100°C:n reaktiolämpötilaan.

Esimerkki 3 30 Tässä esimerkissä esitetään kemikaalimäärän vai kutus puuhiokkeen ominaisuuksiin.

TMP-hioketta kyllästettynä 4 paino-%silla ja 10 paino-%silla natriumsulfiittia pH-arvon ollessa 9 kuumen-nettiin 30 minuuttia 140°C:ssa; siitä valmistettiin käsin 35 koearkkeja ja mitattiin ominaisuudet.

" Tulokset on esitetty seuraavassa taulukossa III.

i.

9 74051

Taulukko III

Ominaisuus Ennen 4 % 10 % 5 Vedenpoisto (s) 1,32 0,95 1,16 Märkävenymä (%) 4,7 7,9 7,9

Repeäminen 22 18 23,7

Repeämispituus 3600 3050 3820

Repäisy 105 108 96 10 Kuivavenymä (%) 1,94 2,50 2,92 pH reaktion jälkeen - 4,19 6,83

Taulukon III arvot osoittavat edullisen vaikutuksen molemmilla kemikaalitasoilla. Suuuremman kemikaalita-15 son päävaikutus on suuremman pH-arvon ylläpitäminen reaktion aikana, mikä johtaa repeämisen ja repeämispituuden paranemiseen.

Esimerkki 4 Tässä esimerkissä esitetään pH-arvon vaikutus reak-20 tion aikana hiokkeen ominaisuuksiin.

Puuhioketta kuumennettiin 4 paino-%:n kanssa nat-riumsulfiittia eri pH-arvoilla.

Tulokset on esitetty taulukossa IV

25 Taulukko IV

V TMP__TCMP_

Ominaisuus__ennen jälkeen ennen_jälkeen

Alkuperäinen pH 7,0 79 30 Reaktiolämpötila °C 140 140 140

Vedenpoisto (s) 0,81 0,64 0,71 0,61 0,63 Märkävenymä (%) 4,4 10,6 3,5 7,6 6,0

Repeäminen 17,2 8,7 16,3 9,9 15,8 ·.·. Repeämispituus 2970 1810 3150 2020 3000 35 Repäisy 117 106 107 112 108

Kuivavenymä 1,61 2,05 1,62 1,89 2,00 pH reaktion jälkeen - 2,51 - 2,72 6,10 10 74051

Taulukon IV tulosten perusteella on ilmeistä, että pH:n laskiessa arvon 3 alapuolelle kuumennukseen liittyy vakava heikkeneminen repeämisen ja repäisypituuden suhteen. Havaittiin myös, että tämä ominaisuuksien huononeminen oli 5 suurempi korkeammissa lämpötiloissa ja pitemmillä reaktio-ajoilla.

Esillä oleva keksintö antaa täten menetelmän puu-hiokkeen käsittelemiseksi, joka menetelmä parantaa sekä sen vedenpoisto- että märkävenymäominaisuuksia. Muutokset 10 ovat mahdollisia keksinnön puitteissa.

Claims (4)

11 74051

1. Menetelmä sellaisen mekaanisen puuhiokemassan käsittelemiseksi, joka on saanut kuituisen muotonsa mekaa-5 nisen toiminnan avulla ja joka on sopivaa muodostettavaksi paperiarkiksi, tarkoituksella parantaa sen vedenpoistoja märkävenymäominaisuuksia, tunnettu siitä, että massaa keitetään noin 5 - 50 %:n sakeusasteessa nat-riumsulfiittivesiliuoksen kanssa, jonka määrä on noin 10 1-25 paino-% mekaanisesta massasta, korotetussa lämpö tilassa aika, joka on riittävä aikaansaamaan reaktion massan kanssa ja parantamaan massan vedenpoisto- ja märkävenymäominaisuuksia, mutta aika, joka ei ole riittävä alentamaan massan saantoa noin 90 paino-%:n alapuolelle, jol-15 loin natriumsulfiittivesiliuos sisältää riittävästi alkalia pitämään pH-arvo keiton aikana suurempana kuin 3.

2. .Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että natriumsulfiittiliuoksen alkuperäinen pH-arvo on noin 9 - 12 ja sen alkalipitoisuus 20 saadaan osaksi natriumhydroksidin ja/tai natriumkarbonaatin avulla.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että natriumsulfiitin määrä on ;;· noin 4-10 paino-% mekaanisesta massasta. -- 25

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen mene telmä, tunnettu siitä, että minimikeittoaika vastaa 30 minuutin keittoaikaa noin 100°C:ssa.