HU214933B - Eljárás szalmában lévő, cellulózalapú szálak elválasztására egymástól, és formázókompozíció cellulóztartalmú szálas termékek plasztikus formázására - Google Patents

Abstract

A találmány szalmában lévő cellűlózszálak diszpergálására vőnatkőziklúg és erős mechanikai keverés segítségével. Ezzel a szalmában lévőpentőzánt szűlűbilizálják, és az elegyet nagy viszkőz tású péppéalakítják, mivel a keverésből eredő erők a szalmát egyes részekretépik szét, és a szálakat is diszpergálják. Ily módőn a szilárdanyag-tartalőm 40–85 tömeg% lesz, szemben a hagyőmányős elj rásők 8 tömeg%-ával. A kezeléssel őlyan főrmázókőmpőzíciót kapnak, amely semlegesítésűtán közvetlenül alkalmazható cellűlózalapú szálak plasztikűsfőrmázására. ŕ

Description

(54) Eljárás szalmában lévő, cellulózalapú szálak elválasztására egymástól, és formázókompozíció cellulóztartalmú szálas termékek plasztikus formázására

KIVONAT

A találmány szalmában lévő cellulózszálak diszpergálására vonatkozik lúg és erős mechanikai keverés segítségével. Ezzel a szalmában lévő pentozánt szulubilizálják, és az elegyet nagy viszkozitású péppé alakítják, mivel a keverésből eredő erők a szalmát egyes részekre tépik szét, és a szálakat is diszpergálják. Ily módon a szilárdanyag-tartalom 40-85 tömeg% lesz, szemben a hagyományos eljárások 8 tömeg%-ával. A kezeléssel olyan formázókompozíciót kapnak, amely semlegesítés után közvetlenül alkalmazható cellulózalapú szálak plasztikus formázására.

A leírás terjedelme 6 oldal

HU 214 933 B

HU 214 933 Β

A találmány szalmában lévő, cellulózalapú szálak diszpergálására vonatkozik lúggal, erős mechanikai hatással és 85 tömeg%-ig terjedő szilárdanyag-tartalom mellett. Ezzel a művelettel egy formázókompozíciót kapunk, amely alkalmas cellulóztartalmú szálas termékek plasztikus formázására.

A szalma legértékesebb része a cellulózszál. Ezt papír előállítására lehet alkalmazni, de ez csak valamivel több, mint egyharmadát teszi ki a szalma szilárdanyagtartalmának. A szilárd anyagnak majdnem a fele lúggal extrahálható. Az ilyen extrahálással a cellulóznál rövidebb szénláncú szénhidrátok oldhatóvá válnak, a papíriparban ezt hemicellulóznak nevezik. Ez főleg pentozánokból áll, és hidrokolloidként működik.

A papírgyártásban a szalmát lúg hozzáadása után vízzel pépesítik, mielőtt felhasználnák. A feltárási eljárás megkezdésekor alkalmazott legnagyobb koncentrációk 40 tömeg% száraz szalma plusz 8 tömeg% lúg. A feltárás végén a koncentráció sokkal alacsonyabb, mivel a melegítést direkt gőzbevezetéssel végzik. Lúgként rendszerint marónátront, meszet vagy ezek elegyét alkalmazzák.

A feltárás során a lúggal extrahálható anyag többsége szolubilizálódik. Ez meglágyítja a szalmát, így a nem extrahálható cellulózszálak felszabadulhatnak egy soron következő őrlési művelet során. A szálak fenti diszpergálására alkalmazott koncentráció tipikusan néhány százalék, és speciális esetekben legfeljebb 8 tömeg%.

A DE Β 1 051 109 számú szabadalmi leírásban ismertetett eljárás szalma félig kémiai pépesítésére vonatkozik, amelynek során a lúggal átitatott szalmát csigás présben erős mechanikai hatásnak teszik ki. A szalma és lúg elegyének szilárdanyag-tartalma nem éri el a 40 tömeg%-ot.

A találmány egyik előnye, hogy megoldja az alacsony koncentrációból adódó problémát, a szalmában lévő cellulózalapú szálak lúggal, vízben való diszpergálására szolgáló új eljárás segítségével.

A találmány szerinti új eljárás jellemzője, hogy a szálak erős mechanikus hatással történő egymástóli szétválasztását 40-85 tömeg%-ig terjedő szilárdanyagtartalom mellett hajtjuk végre. Ily módon a szuszpenziót homogén pasztává alakítjuk.

A találmány egyik tárgya eljárás cellulózszálakat tartalmazó termékek előállítására szalmából, miközben a szalmát vizes lúggal erős mechanikai kezelésnek tesszük ki, amelyre jellemző, hogy a szalma és a lúg elegyében 40-85 tömeg% szilárdanyag-tartalmat biztosítunk, és az erős mechanikai kezeléssel kapott pépet plasztikusan formázzuk.

A találmány másik tárgya formázókompozíció cellulóztartalmú termékek plasztikus formázására, amelyre jellemző, hogy a találmány szerinti eljárással van előállítva.

Noha a találmány alapját képező mechanizmust nem kívánjuk különösebben elméleti magyarázatokkal alátámasztani, feltételezzük, hogy a képlékenységet az oldott pentozán biztosítja. Ez hidrokolloidként hat. Ha a víz mennyisége kicsi, a pentozán megköti a vizet, és az elegy nagy viszkozitásúvá válik, mint a kenőcsök. Ily módon egy önmagát fokozó hatást kapunk, mivel a nagy viszkozitás közvetíti a keverő mozgását a kenőcs belsejébe az egyes szalmaszálakhoz, valamint az egyes szálakba, hogy azokat széttépje, és ily módon még több pentozán oldódik. Nagy kémiai affinitás van a szálakon és a pentozánon lévő hidroxilcsoportok között. Ennek következtében a pentozán a szálakat bevonja, és megvédi azokat az újbóli kapcsolódástól, ha a keverő mozgását leállítjuk.

Ha a pép képződését gyorsítani akarjuk, a szalmában lévő természetes pentozántartalmon kívül extra hidrokolloidot, például keményítőt adhatunk, így a keverő hamarabb megtámadja a szálakat.

A szalma kezelését különlegesen erős keverőkben végezhetjük, előnyösen egy gyúrógépben, amelyet melegíthetünk.

A találmány a hagyományos papírgyártási eljárás bevezető lépéseként alkalmazható oly módon, hogy a szálak szabaddá válásával keletkező pépet nagy mennyiségű vízzel hígítjuk, és a kapott szuszpenziót ezután egy vízáteresztő szitán vízmentesítjük, így a szálak a szitán fennmaradnak. Azonban a nagy mennyiségű pentozán a szalmát alkalmatlanná teszi a hagyományos papírgyártásra. A pentozán három problémát okoz:

1. A feltárás után mosást és szűrést kell végrehajtani - az őrlés előtt vagy után. Ily módon az extrahálható anyag legnagyobb része és a lúg feleslege elveszik. Ez a szilárd anyagoknak körülbelül felét teszi ki, és ezért nagy gazdasági veszteséget jelent.

2. Az effluens vízben oldott fenti nagy mennyiségű anyag megsemmisítése súlyos környezeti problémát jelent.

3. A szalmából származó szálak hemicellulózt és a cellulóznál vagy a papírgyártásra rendszerint alkalmazott aprított fánál rövidebb szálakat tartalmaznak, és ez csökkenti azt a sebességet, amellyel a papír kialakul a vízáteresztő szitán való vízmentesítés során.

A szalma magas pentozántartalma az oka annak, hogy ez, a mezőgazdaságban nagy mennyiségben keletkező melléktermék még nem nyert iparilag életképes alkalmazást. Ezért a szalmát rendszerint elégetik.

A találmány másik előnye, hogy a diszpergálással kapott pép közvetlenül alkalmazható plasztikus formázásra a cellulózalapú szálak és termékek előállítására alkalmazott új eljárásokkal, például extrudálással, fröccsöntéssel, bevonással, préseléssel és/vagy hengereléssel.

A fenti módon a pentozán termelési problémából a termelést elősegítő tényezővé változott. Először is, elősegíti a szálak diszpergálását a fent ismertetett módon, és ezután elősegíti a plasztikus formázást. Egy jó öntőpépnek nemcsak tökéletesen diszpergált szálakat kell tartalmaznia. Ha a pépet extrudálásra vagy fröccsöntésre alkalmazzuk, az is szükséges, hogy a pép annyi hidrokolloidot tartalmazzon, hogy a vizet teljesen megkösse, vagy még pontosabban, hogy szabad víz ne legyen látható az öntőpép felületén közvetlenül azután, hogy az extruderfejből kipréselődött. Ha szabad (fény2

HU 214 933 Β lő) víz látható a fejből kijövő szálon, a gyakorlat azt mutatja, hogy a fej rövid idő alatt eltömődik a szálaktól, amelyek vizet és hidrokolloidot vesztettek. A víz teljes kötődése a szálak diszpergálásánál is előnyt jelent.

A szálak diszpergálását, vagy más szavakkal a formázókompozíció előállítását, különböző hőmérsékleteken végezhetjük. Különösen érdekesek a magasabb hőmérsékletek. Ekkor a szálak még nagyobb szilárdanyag-tartalommal válhatnak szabaddá, mint normál hőmérsékleten, és a pentozán szolubilizálása gyorsabb. A hőmérséklet felső határa körülbelül 250 °C, amely hőmérsékleten a pentozán bomlani kezd. Kimutattuk, hogy a formázópép állja a nagy nyomásokat, amelyek a gyúrás során, és a formázópép formálására alkalmazott extruderekben is jelentkeznek.

A cellulóztartalmú szálak előállítását egyszerűsíthetjük azáltal, hogy a szálak diszpergálását és a szálas termékek formálását folyamatos eljárásban végezzük, például oly módon, hogy a pépet először magas hőmérsékleten és magas pH-η gyúrjuk egy feltáró extruder bemeneti részében, majd - lehetőleg hűtés és a pH semlegesítése után - formáljuk az extruder kiömlőnyílásán keresztül, vagy egy fröccsöntőgép öntőformájába való préseléssel.

A találmány szerint alkalmazható szalma árpából, búzából, zabból, rozsból, rizsből és egyéb gabonákból származhat.

Különféle típusú lúgok alkalmazhatók, de a gyakorlat kimutatta, hogy a marónátron (nátrium-hidroxid), mész [Ca(OH)₂] és az égetett mész (CaO) a legérdekesebb. A marónátron a leghatékonyabb. A kétféle mész előnye azonban, hogy olcsóbbak, és vízzel szemben ellenállóbb végtermékeket eredményeznek.

Mind a szálak diszpergálását, mind a szálas termékek formázását legkönnyebben közepes, körülbelül 50 tömeg% szilárdanyag-tartalomnál végezhetjük. Azonban a formálás után egy szárítás következik, és ezt bonyolultabb kivitelezni alacsony szilárdanyag-tartalommal. Ezért a diszpergálást általában előnyös alacsonyabb szilárdanyag-tartalommal végrehajtani, mint a formázást. A pentozán szolubilizálását és a szálak diszpergálását ezért meleg gyúrással kezdhetjük el, 40 tömeg% szilárdanyag-tartalomnál. A kezelés során a gyúrógépből a víz elpárolog, és a szálak tökéletesen diszpergálódnak, például, ha a szilárdanyag-tartalom elérte az 55 tömeg%-ot. A pépet ezután tovább gyúrhatjuk további melegítés alkalmazásával, amíg a szilárdanyag-tartalom eléri a 80 tömeg%-ot. A formázás ezután egy kicsit magasabb nyomást igényel 80 tömeg% szilárdanyag-tartalomnál, mint ha a gyúrást 55 tömeg%-nál befejeztük volna, de ez a hátrány, és a 80 tömeg% a szilárdanyag-tartalomig történő extra bepárlási művelet előnyösen megtérül azzal, hogy a szárítás könnyebb.

A pentozán hajlamos a pépet ragadóssá tenni, és ez a ragadósság a műveletekben problémát okozhat. A ragadósságot csökkenthetjük adalékanyagok, például viasz és látex-emulziók hozzáadásával. A ragadósságot a szilárdanyag-tartalom növelésével is csökkenthetjük, például az előző fejezetben leírtak szerint. Ily módon a pép az egyéb részekhez kevésbé tapad, és kohéziója önmagában nagyobb lesz. A megfelelő olvadáspontú viasz hozzáadása szintén növelheti a formázás sebességét, és a pép gyorsabban keményedik hűtésre, például a fröccsöntő gép öntőformájában.

Rendszerint előnyös, ha egy savat adunk a diszpergálás után a pentozán szolubilizálásából eredő lúgfelesleg semlegesítésére.

Az alábbiakban ismertetünk néhány vizsgálatot. Ezeket a pentozán szolubilizálásához és az elegy extrudálható péppé való alakításához szükséges körülmények megállapítására végeztük.

Bevezető műveletként a kísérletek előtt egy premixet készítettünk 200 ml vízzel megnedvesített, árpából származó 100 g levegőn szárított szalmából. Az árpát választottuk nyersanyagként, mivel ezt még nehezebb feltárni, mint a búzát, így ha a kísérletek árpával sikerülnek, akkor azok búzával is bizonyosan végrehajthatók. Ehhez a premixhez adtuk az alább ismertetett kemikáliákat.

A kísérleteket két szinten végeztük: először egy durva szortírozást végeztünk egy, a háztartásokban szokásosan alkalmazott keverővei, Braun KM 32 gyártmányú vágófej alkalmazásával. Azokat a keverékeket, amelyek ezzel a módszerrel jól pépesíthetők voltak, ezek után alaposabban megvizsgáltuk egy Brabender PlastCorder PL 2000 gyártmányú, nagy nyírású laboratóriumi keverővei. Ez a készülék nagyon erős gyúrást biztosít, és tartalmát melegíteni lehet. A nagy nyírású keverőt úgy tervezték, hogy az a műanyagiparban alkalmazott extruderek belsejében végbemenő keverőhatást szimulálja. A keverő két vastag, propeller alakú keverőlapátból áll, amelyek egymáshoz és a keverőkamra belső falához viszonyítva nagyon kis távolságban forognak, nagyon hasonló módon, mint egy fogaskerekes szivattyúban.

A háztartási keverőben végzett előkísérleteket úgy hajtottuk végre, hogy a mintákat vagy 90 °C-on melegítettük egy háztartási mikrohullámú sütőben, vagy a keverékben gyúrtuk. Ezt a kezelést négyszer ismételtük meg gyors egymásutánban. Ezek után a szalmát megvizsgáltuk, hogy milyen mértékben lágyult meg. Ez a lágyulás mindig egy pasztaszerű anyag keletkezésével járt a szalma felületén. Az előkísérleteket alább a pépesedés növekvő sorrendjében ismertetjük.

1. keverék: 8 ml 96 tömeg%-os kénsav hozzáadásával. Nem kaptunk pépet, és a szalma merev maradt.

2. keverék: 11 ml 65 tömeg%-os salétromsav hozzáadásával. Nem kaptunk pépet, és a szalma merev maradt.

3. keverék: 30 g mész hozzáadásával. Kevés pép keletkezett, és a szalma majdnem olyan kemény maradt, mint a kezelés előtt.

4. keverék: Azonos a 3. keverékkel, azzal a változtatással, hogy a szalma nedvesítését 200 ml 25 tömeg%-os ammóniaoldattal végeztük 200 ml víz helyett. A pépesedés és a keménység ugyanolyan volt, mint a 3. keverékben, azaz az ammóniával nem értünk el javulást.

5. keverék: 15 g marónátron hozzáadásával. Az elegy bámult, és erős pépképződést észleltünk. A szal3

HU 214 933 Β ma meglágyult, de a mechanikus hatás nem volt elég nagy ahhoz, hogy homogén pépet kapjunk.

Fentiek szerint az előkísértetek azt mutatták, hogy a marónátron és a mész a legérdekesebb. Az alaposabb vizsgálatot ezért a Brabender-keverőben marónátronnal, mésszel és ezek elegyeivel végeztük.

Miközben a Brabender-keverő szétszaggatta a szalmát, az elegy térfogata eredeti térfogatának '/₅-énél kisebbre csökkent a szalma belsejében lévő üreges tér összeesése miatt. Ezért minden egyes kísérlet elkezdésekor az elegyet erősen össze kellett préselni, és újra feltölteni, ahogy a térfogat csökkent. Ha ezt elmulasztottuk, a keverő tartalma két zónára vált szét: a keverőlapátok körüli belső zónára, amely jól diszpergált pépből állt, és a keverőkamra falával szomszédos külső zónára, amely az érintetlen szalmát tartalmazta. Az alább közölt eredményeket a keverő teljes tartalmának megfelelő feltöltésével és keverésével kaptuk.

A Brabender-keverő forgási sebességét 75 fordulat/percre állítottuk be, és a hőmérséklet 115 °C volt. A különböző elegyek forgatónyomatékát automatikusan regisztráltuk egy diagramon.

3. keverék: A forgatónyomaték gyorsan 4 Nm-re nőtt. Szabad vizet figyelhettünk meg a keverőben azokon a helyeken, ahol az elegy a legmagasabb nyomásnak van kitéve. Kitűnt, hogy a mész nem szolubilizálja a pentozánt elég gyorsan ahhoz, hogy a vizet teljesen megkösse. A forgatónyomaték körülbelül 4 Nm maradt a gyúrás a megkezdésétől számított 7 percig. Ezután hirtelen emelkedett, mivel a víz elpárolgott. A keverőt leállítottuk, és a mintát kivettük. A keverő a szalmát darabokra tépte, de nem sikerült az egyes szálakat szabaddá tennie. A minta nem volt homogén.

6. keverék: 22 g égetett mész és 8 g extra víz hozzáadásával, amelynek azonosnak kellene lennie a 3. keverékkel. Bebizonyítottuk, hogy valóban így van, mivel a keverőben lejátszódó események a két mésztípusnál azonosak voltak.

7. keverék: 20 g mész és 5 g marónátron hozzáadásával. A forgatónyomaték először 4 Nm lesz. Megfigyelhető, hogy az elegy fokozatosan egyre homogénebbé válik. 2,5 perc elteltével olyan sok víz párolog el, hogy a forgatónyomaték gyorsan növekedik. A keverőt ezután leállítottuk, és a mintát kivettük. A minta homogén volt, és szilárdanyag-tartalma 64 tömeg%.

8. keverék: 10 g mész és 10 g marónátron hozzáadásával. A forgatónyomaték ekkor is 4 Nm lesz, de néhány perc múlva 1 Nm-re csökken, és ugyanakkor megfigyelhető, hogy a szalma szétfoszlik, és az inhomogén elegyből különálló, szabaddá vált cellulózszálakat tartalmazó, homogén pép keletkezik. Összesen 7 percen keresztül tartó gyúrás után a forgatónyomaték ismét emelkedni kezd. 8 perc elteltével eléri a 15 Nm-t, ami a műanyagok esetén 75 fordulat/percnél szerzett tapasztalatok szerint a legmagasabb forgatónyomaték, amely még kezelhető. Ezt a forgatónyomatékot 8 perc után értük el, és a mintát kivettük. Ha a mintát vékony lappá préseltük, teljesen homogénnek bizonyult minden csomós szálmaradvány nélkül. A szilárdanyag-tartalom 71 tömeg%.

5. keverék: a forgatónyomaték kezdetben 4 Nm volt, mint a megelőző kísérletekben. Néhány perc elteltével majdnem 0-ra csökkent, és az elegy egyidejűleg sima, homogén péppé alakult. 9 perc elteltével a forgatónyomaték elérte a 15 Nm-t, ekkor a mintát kivettük. Egy vékony lap vizsgálata azt mutatta, hogy a minta tökéletesen homogén elegyben tartalmazza az egyes cellulózszálakat. A szilárdanyag-tartalom a mérések szerint 76 tömeg%.

Ezt az utolsó kísérletet megismételtük úgy, hogy 96 tömeg%-os kénsavat adtunk semlegesítés céljából az elegyhez, amikor a forgatónyomaték a 10 Nm-t éppen átlépte. A pH 9-re csökkentéséhez szükséges kénsav mennyisége 8 ml volt, hasonló azokhoz a mennyiségekhez, melyeket a kísérleti rész elején megadtunk.

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

Claims (12)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Eljárás cellulózszálakat tartalmazó termékek előállítására szalmából, miközben a szalmát vizes lúggal erős mechanikai kezelésnek tesszük ki, azzal jellemezve, hogy a szalma és a lúg elegyében 40-85 tömeg% szilárdanyag-tartalmat biztosítunk, és az erős mechanikai kezeléssel kapott pépet plasztikusan formázzuk.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a pép gyorsabb kialakulása és/vagy a víz tökéletesebb megkötése céljából hidrokolloidot adunk hozzá.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a diszpergálást 250 °C-ig terjedő hőmérsékleten végezzük.
4. 4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a diszpergálást az extruderekben fellépő szokásos nyomástartományban végezzük.
5. 5. Az 1—4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a diszpergálást egy folyamatos eljárás első lépéseként végezzük, amelyben az elegyet először egy extruder bemeneti részében gyúrjuk, majd közvetlenül formázzuk az extruder kiömlőnyílásán keresztül, vagy egy fröccsöntő gép öntőformájában.
6. 6. Az 1-5. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy szalmaként árpából, búzából, zabból, rozsból, rizsből vagy egyéb gabonaféléből származó szalmát alkalmazunk.
7. 7. Az 1-6. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy lúgként marónátront, meszet, égetett meszet vagy ezek elegyeit alkalmazzuk.
8. 8. Az 1-7. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az elegy víztartalmát bepárlással legalább 15 tömeg%-ra csökkentjük a diszpergálás során, a diszpergálás és a formázás között, vagy mind a diszpergálás, mind a diszpergálás és formázás között.
9. 9. Az 1-8. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az önthetőség javítására viaszt vagy látexet adagolunk.
10. 10. Az 1-9. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a diszpergálás után a lúg feleslegének semlegesítése céljából savat adagolunk.

    HU 214 933 Β

    13. A 12. igénypont szerinti formázókompozíció extrudálással vagy fröccsöntéssel történő formázásra, azzal jellemezve, hogy a víz teljes megkötéséhez elegendő mennyiségű szolubilizált és hozzáadott

    5 hidrokolloidot tartalmaz.
11. 11. Az 1-10. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a plasztikus formázást extrudálással, fröccsöntéssel, bevonással, préseléssel vagy hengerléssel végezzük.
12. 12. Formázókompozíció cellulóztartamú szálas termékek plasztikus formázására, azzal jellemezve, hogy az 1—11. igénypontok bármelyike szerinti eljárással van