FI84634B - Foerfarande foer framstaellning av kemimekanisk eller semikemisk fibermassa i en en-fas impregneringsprocess. - Google Patents

Description

84634

Menetelmä valkaistun, kemimekaanisen ja puolikemiallisen kuitumassan valmistamiseksi yksivaiheimeytystä käyttämällä

Massanvalmistukseen sopivan puun niukkuus lisääntyy jatkuvasti, ja tulevaisuudessa tulee lyhytkuituisen massan käyttö paperinvalmistukseen kasvamaan johtuen tavanomaisen pitkä-kuituisen raaka-aineen vähentyneestä saatavuudesta. Samoin massanvalmistuksen energiakustannukset nousevat myös nopeasti. Siten on olemassa kaksitahoinen ongelma, tarve parantaa menetelmiä käyttökelpoisten puulajien lisäämisen mahdollistamiseksi teollisuudessa ja aikaansaada taloudellisempia ja tehokkaampia jauhatus- ja valkaisumenetelmiä.

Tämän keksinnön tarkoituksena on ratkaista nämä massa- ja paperiteollisuuden ongelmat ja/tai vähentää niitä. Tämä tapahtuu hakkeen uudella esikäsittelytavalla.

Alun alkaen valmistettiin puumassaa siten, että tukki puristettiin hiomakiveä vasten ja puu hienojakeistettiin kuitu-massaksi. Tällä tavalla saatiin yli 95%:n saanto, koska syntynyt massa sisälsi kaiken ligniinin. Tällaisella massalla on suuri tikkupitoisuus ja pienet lujuusarvot, koska kuitu-pituus pienenee voimakkaasti hiottaessa.

Korkeampilaatuisen massan saamiseksi kehitettiin nk. kemialliset menetelmät, sulfIitti, sulfaatti ja sooda. Näissä puu haketetaan, ja haketta käsitellään kemikaaleilla korotetussa lämpötilassa ja korotetussa paineessa. Keitossa liukenee ligniini sekä osa hiilihydraateista, jolloin massasaannoksi tulee tavallisesti noin 45-50%. Massat valkaistaan sitten erilaisissa vaiheissa kloorilla, alkalilla, happikaasulla, klooridioksidilla, vetyperoksidilla ja hypokloriitilla jään-nösligniinin ja muiden värillisten yhdisteiden poistamiseksi.

2 84634

Kemiallisilla massoilla on erittäin hyvät lujuusominaisuudet ja suuri vaaleusaste, mutta tämä saadaan pienen saannon ja valkaisimojätteiden muodossa esiintyvän hyvin epäedullisen ympäristövaikutuksen kustannuksella.

Tämä on johtanut voimakkaaseen kehitystyöhön viime vuosina, jonka tarkoituksena on ollut sellaisten mekaanisten massojen valmistaminen, joilla on suuri saanto, _< 90%, ja korkea vaaleusaste, mutta joiden lujuusominaisuudet lähestyvät kemiallisten massojen vastaavia samalla kun mekaanisten massojen ainutlaatuiset opasiteetti- ja bulkkiominaisuudet säilyvät.

Kehitys on siten mennyt asteettain hierteen (RMP) ja termomekaanisen massan (TMP) kautta kemimekaanisten massojen nykyisiin variantteihin (CMP, CTMP). Tällaisia massoja käytetään tällä hetkellä etupäässä revinnäismassa-, pehmo- ja kartonkilaatuihin.

Tämän keksinnön tuloksena on uusi, energiaa säästävä menetelmä suurisaantoisen kemimekaanisen massan valmistamiseksi, jolla on tähän asti saavuttamaton loppuvaaleus, jolloin tällaista massaa voidaan perinteisten käyttöalueiden lisäksi käyttää myös muualla, esim. hienopaperilaaduissa johtuen saavutettavissa olevasta suuresta vaaleusasteesta.

Raaka-aineena käytetään lignoselluloosapitoista kuitumateriaalia, joka on haketettu tai hienonnettu karkeaksi kuitumas-saksi, jota jatkossa kutsutaan yleisesti hakkeeksi. Hakkeen kemikaalikäsittely,, imeytys, suoritetaan alkalin vesiliuoksella ja jollain peroksidityypillä. Imeytys tapahtuu upottamalla hake imeytysliuokseen tai ruuvipuristintyyppisellä laitteella, kuten Sprout-Waldrons-tulpparuuvisyöttimellä tai Sunds-Defibrators'in "Prex":llä. Kuitenkin myös muita laitetyyppejä voidaan käyttää. Hake käsitellään höyryllä, höyrytetään, edullisesti ennen imeytystä, mutta tämä ei tuloksen kannalta ole mitenkään välttämätöntä.

3 84634

Jo vanhastaan tiedetään, että lignoselluloosapitoisen kuitumateriaalin alkalikäsittely pehmentää materiaalia kemiallisella vaikutuksella. Pehmentyminen on hyväksi, koska tällöin kuidutuksen aikana kuitujen alkuperäinen geometrinen muoto säilyy paremmin. Pehmennetyn materiaalin kuituerottuminen tapahtuu myös täydellisimmin, jolloin ei-toivotun kuituai-neksen, tikkujen, osuus vähenee.

Kuitumateriaalin alkalisessa pehmennyksessä kuluu osa lisätystä alkalista reaktioissa puun happamien komponenttien, kuten hemiselluloosan uronihappo- ja asetyyliryhmien kanssa.

On tunnettua, että alkalikäsittely värjää lignoselluloosama-teriaalin tummaksi. Tummuus kasvaa lämpötilan noustessa ja tulee hyvin häiritseväksi yli 100°C:n lämpötiloissa. Alkali-sen pehmittimen yhdistäminen orgaaniseen tai epäorgaaniseen peroksidiin vaikuttaa kuitenkin tummentumista estävästi samalla tavalla kun kuitumateriaalin kyky vaaleudenlisäykseen jauhatuksen jälkeisessä valkaisuvaiheessa parantuu huomattavasti. Peroksidi on itsessään myös pehmitin kuitumateriaalille ja siten positiivinen myös tässä suhteessa.

Vetyperoksidin hajoamismaksimi on ll,6:n vaiheilla olevassa pH:-ssa. Jos alkalin ja peroksidin väliset suhteet imeytyk-sessä valitaan siten, että pH ennen tätä imeytysvaihetta, sen aikana tai heti sen jälkeen lähestyy tätä arvoa, hajoaa vetyperoksidi ja samalla kehittyy happikaasua. Tällaiset reaktiot huonontavat imeytymistä, koska niissä muodostuu kuitumateriaalin tyhjiin tiloihin kaasukuplia, jotka vaikeuttavat imeytysliuoksen tunkeutumista. Kaasunmuodostus voi johtaa myös siihen, että jo tunkeutunut imeytysneste puristuu pois lastuista.

Tässä keksinnössä osoitetaan, että valitsemalla alkalin ja peroksidin suhde niin, että liuoksen pH selvästi eroaa 4 84634 optimi-pH:sta peroksidin hajoamiselle, voidaan nämä imeytyk-sen kannalta negatiiviset reaktiot estää.

Vain alkalin ja peroksidin välisen suhteen valitseminen sillä tavalla, että puhdas imeytysliuos tulee stabiiliksi, ei kuitenkaan riitä. Koska puu sisältää joukon happamia komponentteja kuten uronihappo- ja asetyyliryhmiä, joiden määrä vaihtelee puulajin mukaan, kuluu osa tuodusta alkalista hyvin nopeasti neutralointireaktioihin. Jos imeytysliuokseen lisätään ylimäärä alkalia, niin että hakkeeseen tunkeutuneen nesteen pH pysyy maksimihajoamiseen tarvittavan yläpuolella silloinkin kun tietty osa alkalia on kulunut neutralointireaktioihin, ts. ylittää pH:n 12, voidaan tavanomaisessa imey-tyslaitteistossa imeyttää tehdashaketta natriumhydroksidin ja peroksidin seoksella. Tätä varten on yleensä lisätyn NaOH:n ja lisätyn vetyperoksidin painosuhteen oltava > 2,5. Puuaineksen pH:n tulee silloin olla 7-11, edullisesti 8-10 imeytysvaiheen jälkeen.

Esimerkkinä natriumhydroksidin ja peroksidin välisen suhteen vaikutuksesta esitetään taulukossa I imeytystulokset imeytynen nesteen määränä tonnia absoluuttikuivaa haketta kohti imeytettäessä tuoretta koivuhaketta.

Taulukko I Yhteisimeytys H2Ο2/ paino-%:ia

NaOH + Η2θ2:η koko- Nesteen imeytyminen Koe no. naismäärästä litraa/tonni a.k. haketta 1 0 830 2 15 800 3 25 730 4 35 500 5 50 400 6 75 300 7 100 730 5 84634

Imeytysaika voi vaihdella 2 ja 60 minuutin välillä, edullisesti 2 ja 10 minuutin välillä, jotta saataisiin imeytysnes-teen hyvä tunkeutuminen hakkeeseen.

Imeytyskemikaalien liuos voidaan lisäksi stabiloida lisäämällä jonkin tyyppistä piiyhdistettä, esim. vesilasia.

Koska piipitoiset yhdisteet aiheuttavat inkrustimuodostusta prosessilaitteistoissa, erityisesti jauhatuslaitteen kuumilla pinnoilla, tulee tätä kuitenkin välttää, sillä tasapainottamalla natriumhydroksidin ja peroksidin suhde imeytysli-uoksessa keksinnön mukaisesti, ei tällainen stabilointi ole välttämätöntä. Imeytys voidaan suorittaa lisäämällä jonkin tyyppistä orgaanista kompleksinmuodostajaa, EDTA:aa, DTPA: ta, Dequestia tai vastaavia, tai ilman sitä.

Imeytyksen jälkeen annetaan imeytetylle hakkeelle reaktioaika 0-60, tai tietyissä tapauksissa aina 90 minuuttiin asti, suositeltavasti 5-25 tai tietyissä tapauksissa 30 minuuttia, 20-100°C:n, suositeltavasti 60-90°C:n välillä olevissa lämpötiloissa.

Seuraavaksi keksintöä kuvataan yksityiskohtaisemmin suoritu-sesimerkin muodossa sekä oheiseen piirustukseen liittyen, joka esittää lohkokaaviota yhteisimeytyksestä alkalilla ja peroksidilla.

Esimerkki 1;

Tuoretta, seulottua koivuhaketta, Betula Verrucosa, höyrytettiin säiliössä 1 (kts. kuva) vesihöyryllä ilmakehän paineessa (100°C) 10 minuutin ajan höyrytyskammiossa 1 ja jät- 6 84634 kokäsiteltiin välittömästi sen jälkeen imeytysliuoksella eri tavoilla. Ensimmäisessä tapauksessa hake upotettiin ammeeseen 2, jossa oli imeytysliuosta, joka käsitti natriumhyd-roksidin vesiliuosta vetyperoksidin kanssa tai ilman. Upotettaessa liuoksen lämpötila oli 20°C ja lämpötila tulee pitää 15 ja 60°C:n välillä. Imeytysaika oli 10 minuuttia. Toisessa tapauksessa imeytys tapahtui ruuvipuristimessa 3.

Imeytetty hake valutettiin, vaihe 4, 3 minuuttia 20°C:ssa tai sen yläpuolelle, ja kuljetettiin sitten jauhimen esikuu-mentimeen 5 lämpökäsiteltäväksi 80°C:ssa 15 minuutin ajan. Tärkeää esikuumennuksessa on, ettei lämpötila saa nousta yli 100°C:n. Esikuumennuksen jälkeen jauhettiin hake ilmakehän paineessa kaksoislevyjauhimessa 6, "Sund-Bauer 36".

Imeytysnesteen ja puun painosuhde oli 7,5:1, jolloin puun paino on laskettu absoluuttikuivana hakkeena. Massan kuiva-pitoisuus jauhatuksen jälkeen oli 22 % ja sen pH oli 7,4-7,8, kun lisätty natriumhydroksidi ylitti 4 painoprosenttia absoluuttikuivasta hakkeesta laskettuna.

Valkaisemattoman massan ominaisuudet heti jauhatuksen jälkeen määritettiin vaaleutta lukuunottamatta SCAN-menetelmil-lä latenssin poiston jälkeen. Tulokset on esitetty taulukossa II. Vaaleusmittaukset tehtiin arkinmuodostajassa valmistetulle arkille, joka antaa joitakin yksikköjä pienemmän vaaleuden verrattuna siihen, kun mittaus suoritetaan SCAN-menetelmällä buchnersuppilolla valmistetulle suuripintapai-noiselle arkille.

Osia massoista valkaistiin myös vetyperoksidilla latenssin poiston jälkeen. Valkaistut suoritettiin laboratoriomittakaavassa erilaisilla määrillä vetyperoksidia sekä natrium-hydroksidia, natriumsilikaattia ja orgaanista kompleksinmuodostajaa, dietyleenitriamiinipentaetikkahappoa, DTPA:ta, I: 7 84634 sellaisina osuuksina lisättyyn vetyperoksidiin, että saatiin maksimivaaleus. Tulokset on esitetty taulukossa III. Labora-toriovalkaisujen 7 lämpötila oli 60°C, aika 2 h ja massakon-sentraatio 12 %. Valkaistu massa analysoitiin myös SCAN-me-netelmillä samalla poikkeuksella vaaleuden suhteen kuin edellä.

8 84634

I I

I ft u m c u a» tr 0 0-¾ <—I [f] O -H \ * * * nj Λ -H on tr m vo

> id P U B I

id c

1 P -H

C C O tr> 10 T- to 0 O H W M ' ' ' Η P P \ in oi m id -Η φ in ro *3* ro

> tn M B

in

P

Φ (NON

H O " - - rö co r- oo 'S* n3 h ro -^r

> ÖP

tn tl) B o o in R \ ^ N r- H Oi ^ ro -rr

Eh M

Id I

ω >1·Η tn tn in en

<0 -h y, M

E :id <u \ on m t" a tm * e <U e E ^ ro -3·

O «-HR

-P

id

E

d) tn -h h tn tr td \ M M ίο r- Λί O <D \ ^ Ή -P Ό E oo m m id CU δ 2 ro nj ro > > -H Ai

H

H

r-f

O E

M -H

Ai >i PO

d u id co >-» -P Ή o <- P tU tr P t o o o td P P \ (N 0 ΓΗ >, <U ,ö ft co tr oo

;id CSto X JIAiU

OP

i td 0 -P C tn •h 3 >i rd 3 u aa

P

:d (N· r-~ tn O Ai l •H (N · o r- pi « td <#> 1 td O -P ö tn •h ^ >i td 3 p ft ft P h O N1 :td K . * tn o a: '«r ro m H (0 · P) 2 id . . ·

O

e O) oo tr o O r— *

tP

X n τ- n r·- σι οο \ σ\ r- m ro »- σ1 Λ C C C C ο 84634 CP y X O VO O CP CO <3· [fl "N. ». k «> v v «.

cn m tj» o oo m g co oo n1 co co co 0)

P

d) H O o o co o (N ro (0 CO - (OH O O nf h σι > dP Γ— t~~ I— t'' Γ~ Γ~ tn 0) g m m in o o o X \ t- CN 00 OV PO N·

•H Oi >» ·» 01 CO

H Ai I

>1 -H

tn tn Cp

r4 X X

:(0Q)\ o oo oo o ld oo CU TM - d)CE m m n ^ rt t P4 -H 2

C Cp *H 1H

tO O tn \ 00 r- Ν' r- O'. O

W 4-> X G ......

tn 0)02: n vo oo oo vo ρ-

(0 > T) ,γ CO PO (N CN CO CO

G

3 -P

-p tn tn m h tn n) >i on tn

X -p I ro (N (N CN (N CN CN

H +J0E - (ö :(d <C C · oooooo > tn cu 1h Ai H E-t (0 ·

H (J) Q CU tO

H

H | |

0) -H

0 > (0 · M QcAi (0

-¾ >i · -P

P -p -H (0 tn h +) tn to

P (COlOdPtn Ν' Ν' Ν’ Ν' Ν' N

(O tn η I tn E-· -H -H O to P1 tn c g to dP -p I tn 0 to ti tn •h tn >i(0(0 CO LD N" VO CO LTl P CU ε ......

+J t— t— T— r- r- T— :t0 K · tn O X H (0 · P1 2 (0 (0 dP -p 1 tn 0 (0 G tn •H tn >i to (0 +J CU ε CO N1 CO N< CO Ν'

-P

:c0 (N · tn o a; •H CN ·

Pl K to o ti

r- CN T— CN r- CN

0) ............

O co oo oi oi o o « i- t- 10 84634

Peroksidilla, joka lisätään keksinnön mukaisesti hakkeeseen ennen kuidutusta ja jauhatusta, saadaan teknisesti kaksi ratkaisevaa etua. Osaksi vähenee materiaalin se tummuminen, jonka alkali-imeytys aiheuttaa, osaksi estetään materiaalin sitä tummumista, jonka korkea jauhatuslämpötila tuo mukanaan. Nämä suotuisat tekijät vaikuttavat osaltaan kummatkin siihen, että massan kyky tavanomaisella peroksidivalkaisulla myöhemmässä vaiheessa lisätä vielä vaaleuttaan paranee huomattavasti .

Keksinnön mukainen systeemi sallii tämän tehtävän kohtuullisilla peroksidilisäyksillä ja ilman silikaattipitoisten stabilisaattorien läsnäoloa, mikä tekee prosessin halvemmaksi ja osittain poistaa inkrustihaitat, joita silikaatit voivat aiheuttaa sekä massa- ett. paperitehtaissa.

Jos keksinnön mukainen menetelmä täydennetään tavanomaisella tornivalkaisulla, voidaan joko, jakamalla annettu peroksidi-määrä optimaalisesti hakkeen imeytykseen ja massan tornival-kaisuun, vähentää kokonaisperoksidimäärää annettua vaaleutta kohti, tai, mikä lienee kiinnostavinta, saada optimaalisesti jaetuilla kohtuullisilla kokonaisperoksidimäärillä valmiille massoille vaaleuksia, jotka huomattavasti ylittävät sen, minkä tämän päivän vakiintunut tekniikka mahdollistaa.

Keksinnön mukainen menetelmä perustuu edistykselliseen imey-tystekniikkaan, joka tekee mahdolliseksi hyödyntää tavanomaista tehdashaketta ilman minkäänlaista koon pienentämistä ennen imeytystä.

Keksinnön mukaisen menetelmän etuna on myös se, että käytetyt imeytyskemikaalit, natriumhydroksidi ja peroksidi reagoivat optimaalisesti tarkoitukseensa nähden alle 100°C:n lämpötiloissa. Tämän hetken tavanomainen tekniikka perustuu sellaisten kemikaalien käyttöön, joiden optimireaktiolämpö- li il 84634 tilat tämän tyyppisissä sovellutuksissa ovat huomattavasti yli 100°C.

Tämä ero lämpötilojen suhteen mahdollistaa keksintöä sovellettaessa energian käytön vähentämisen imeytysvaiheessa ja antaa lisäksi hakkeelle sellaiset ominaisuudet, että energiantarve jauhatuksessa jää pieneksi, 600-1000 kWh/tonni freenessvälillä 300-100 ml.

Claims (9)

1. Menetelmä kemimekaanisen massan valmistamiseksi lignosel-luloosapitoisesta materiaalista, esimerkiksi hakkeesta, jossa materiaali höyrytetään, imeytetään alkalilla ja peroksi-dilla, valutetaan, esikuumennetaan, jauhetaan ja valkaistaan, tunnettu siitä, että imeytys suoritetaan yhdessä vaiheessa liuoksella, joka sisältää alkalia ja pe-roksidia painosuhteessa, joka on yhtä suuri tai suurempi kuin 2,5:1, ja että välissä olevan valutus- ja reaktiovai-heen jälkeen materiaali esikuumennetaan lämpötilassa noin 50°C:sta lähtien mutta ei yli 100°C:ssa, suositeltavasti noin 80°C:ssa, ja että jauhatus tapahtuu yhdessä tai kahdessa vaiheessa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet- t u siitä, että imeytettäessä materiaali tuodaan imeytysli-uokseen upottamalla aina 20 minuutin, suositeltavasta 10 minuutin ajaksi asti 15-60°C:ssa.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että materiaali saa imeytyksessä turvota imey-tysliuoksessa senjälkeen kun se on puristettu ja valutettu valutusruuvipuristimessa.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että materiaali valutetaan ja sen annetaan reagoida välissä olevassa valutus- ja reaktiovaiheessa 0-60 minuutin ajan, suositeltavasti 5-25 minuuttia, jotta kemikaaleille annettaisiin aikaa vaikuttaa materiaalin astiassa, jolloin lämpötila on 20-100°C, suositeltavasti 60-90°C.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet- t u siitä, että jauhatus tapahtuu avoimessa jauhimessa pääasiassa ilmakehän paineessa. i3 84634

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että kemikaalilisäys sovitetaan siten, että materiaalin pH esikuumennuksen jälkeen ja ennen jauhatusta on 7-11, suositeltavasti 8-10.

7. Jonkin edellisenn patenttivaatimuksista mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että peroksidia on läsnä koko jauhatuksen ajan.

8. Jonkin edellisen patennttivaatimuksista mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että imeytykseen ja loppuvalkai-suun käytetty kokonaisperoksidimäärä jaetaan optimaalisesti imeytyksen ja loppuvalkaisun välille siten, että valkaistulle massalle saadaan maksimivaaleus.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksista mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että osa myöhempään loppuvalkai-suvaiheeseen tarvittavista kemikaaleista lisätään jo jauhatuksen yhteydessä laimennusveden kautta.