SE461796B - Impregnering av lignocellulosamaterial i form av stycken av minst 100 mm laengd - Google Patents

Description

15 '20 25 30 35 461 796 R 1 50 3 fllâX = I 1,Û56 ICQ/dm där Rmax är den porfria vedens maximala torrdensitet vid svällningsmaximum.

Vid ímpregnering önskar man att så fullständigt som möjligt fylla vedens porer med impregneringsvätska. Då får man en snabb och jämn upp- slutning vid vedens reaktion med kemikalierna, så att reaktionstiden kan göras kort och den framställda massan får en hög och jämn kvalitet.

Impregneringen kan utföras på olika sätt, t ex genom atmosfärisk uppsugning eller genom tryckimpregnering, vid vilken man med hjälp av ett hydrostatiskt tryck pressar in vätskan i veden. Dessa och liknande metoder har nackdelen, att kvarvarande luft i porerna stängas inne och hindrar vätskans tillträde. Man försöker därför på olika sätt att driva ut luften genom basning med ånga, vakuumutsugning etc.

Det är vanligt att impregnera ved i flisform genom att komprimera den och låta den expandera i vätskan. Detta sker oftast genom att flisen sammanpressas i en komprimerande skruvtransportör, t ex enligt svenska patentet nr 160636. Att därvid anbringa det tryck, som er- fordras för att effektivt trycka ihop vedens porer leder emellertid till så stora friktionskrafter och så stort slitage på apparaturen, att det är praktiskt ogörligt. Kompressionen i en skruvmatare för flis består därför i praktiken till största delen av att flisen packas samman, så att luft och ev vatten mellan flísbitarna utdrives.

För att uppnå en högre kompression har man också försökt att pressa flis mellan valsar, t ex enligt kanadensiska patentet nr 677 418. Med de små partiklar med ojämn storlek och form, som flisen utgör, är detta dock svårt och tillämpas inte i praktiken.

Mekaniska massor framställes av ved på två principiellt olika sätt, genom slipning av kubb eller raffinering av flis. Vid slipning anpressas kubben, dvs de avkapade stockarna, mot en roterande slipsten under vatten- tillsättning. Vid raffinering sönderdelas flisen till massa mellan två relativt mot varandra roterande malskivor. Metoden kan kompletteras med upphettning av flisen med ånga under övertryck före och under raffine- 'ringen, s k termomekanisk process, och/eller impregnering oth eventuellt kokning av flisen med en kemikalielösning före raffineringen, s k kemi- mekanisk process. Med dessa metoder, i synnerhet den kemimekaniska, er- hålles långfibriga massor med~bättre hâllfasthetsegenskaper än vid slip- ning, medan de optiska egenskaperna blir något sämre. Den stora nackdelen är dock, att energiförbrukningen blir mycket hög, väsentligt högre än vid 10 15 20 25 30 35 461 796 slipning. Detta anses bero på att flisbitarna virvlar runt mellan malski- vorna utan bestämd fiberorientering, medan vid slipning kubben hålles fast och anpressas mot slipskivan med fibrerna orienterade åt ett och samma håll, dvs i slipytans plan vinkelrätt mot dess rörelseriktning.

Endast det yttersta, tunna vedskiktet närmast slipytan fibreras, medan resten av veden är opâverkad och inte förbrukar någon onödig energi.

För att göra en långfibrigare och starkare slipmassa har man impregnerat och kokat kubben, t ex enligt det amerikanska patentet nr 2,713,54Û. Detta är dock mycket besvärligt, och man får en oimpregnerad kärna, som mörkfärgas vid kokningen.

Han har också slipat impregnerad flis, såsom enligt Tappi Journal maj 1987, vol. 7D, No. 5, sid 119-123. Eftersom flisstyckena blir slump- mässigt orienterade i förhållande till slipytan och dess rörelserikt- ning, blir massan ojämn med hög spethalt.

Att orientera flisen vid slipningen har inte visat sig vara praktiskt möjligt på grund av flisbitarnas form och ringa utsträckning i fiberriktningen.

I den svenska patentansökan nr 860b769-3 har föreslagits en metod för att framställa mekaniska massor genom anpressning av impregnerad långved mot en fibreringsskiva, t ex en slipskiva. Därvid har veden klu~ vits före impregneringen för att underlätta densamma. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att vid detta och andra förfaranden för framställning av pappersmassa från lignocellulosamaterial i styckeform med en längd i fiberriktningen av minst 100 mm uppnå en bättre impregnering än vid hittillsvarande metoder. Detta och andra syften uppnås genom förfarandet enligt uppfinningen, sådan den definieras i patentkraven. _ I det följande skall uppfinningen beskrivas närmare med hänvisning till figurerna där Fig 1 visar fuktkvoten hos bokved efter kompression med olika tryck; Fig 2 visar densiteten hos bokved efter kompression med olika tryck samt efter expansion; Fig 3 och 4 visar ett utföringsexempel på en anordning för utförande av sättet enligt uppfinningen. Fig 3 är ett vertikalsnitt och fig 4 en perspektivskiss.

Det effektivaste och snabbaste sättet att impregnera veden har visat sig vara att komprímera den, så att porerna trycks ihop, och sedan låta den expandera under vätskenivån. När porerna då återbildas, sugs vätskan in i dem. 461 796 Ett antal försök med komprimering av bokved har utförts. Därvid uppvärmdes vedblock av storleken 100x100x50 mm till 100°C och komprimera- des därefter i en laboratoriepress. Följande resultat erhölls, baserade på 100 g torrtänkt ved.

Tryck Volym Torrden- Fuktkvot Torr- Volym Torrdensiter MPa m1 sïtet 1 2 halt efter efter komprï- 2 ' expan- expansion merat síon kg/dm3 tillstånd m1 0 185.5 0.539 73.7 57.6 135,5 0,539 5' 110,1 0.573 71,1 58.0 105.5 0.539 7,5 138,8 0,720 61,11 62,0 182.11 0,508 10 118,0 0,8hb 51,0 66,1 180,0 0,554 12,5 109.5 0,913 05.0 68,8 177.8 0.562 15 103,1 0.970 00,2 71,3 174,6 0,573 17,5 98,2 1,018 38,11 72,3 172,2 0,581 20 97,9 1,021 36,2 73,4 167,2 0.593 Fuktkvoten och densiteten efter kompression visas också grafiskt i diagram, fig 1 och 2. De synes asymptotiskt närma sig värden, som väl överensstämmer med de av Kollmann angivna, se ovan. Detta innebär, att vid tillräckligt hög kompression lumen och övriga håligheter fullständigt sammanpressas, medan de submikroskopiska porerna, som alltjämt innehåller det kapíllärt bundna vattnet, finns kvar.

Diagrammet, fig 2, visar också, att kurvan för densiteten är mycket flack i början, har ett brant förlopp i omrâdet ca 5-15 MPa och sedan böjer av mot asymptoten.

Densiteten efter expansion till trycket noll har också ínlagts i diagrammet. Detta visar att större delen av hoptryckningen fjädrar till- baka, men för de högre trycken finns dock en ej obetydlig kvarstående deformation.

Konklusionen av dessa försök blir, att man måste gå upp till tryck över ca 5 MPa för att få en effektiv hoptryckning av veden. Ett tryck av över 10, helst 12,5-15 MPa eller ännu högre, 15-30 MPa är önskvärt.

En extrapolering av kurvorna i fig 1 och 2 visar dock att högre tryck än ca 25 MPa knappast är motiverade.

Värt att notera är ocksâ, att man lyckats pressa ur så mycket vätska, att en torrhalt för veden på mer än 70 % har uppnåtts. 10 15 20 25 30 35 40 5 Enligt den i fig 3 och 4 visade utföringsformen¿hšlimabzäâåâstycke- na eller stavarna 1 en längd i fiberriktningen av minst 100 mm, lämpligen minst 200 mm och företrädesvis minst 500 mm samt ett minsta mått tvärs fiberriktningen av högst 50 mm, företrädesvis högst 25 mm. Alla stavarna 1 bör dock vara lika långa. De har först mjukgjorts, exempelvis genom basning med ånga.

Stavarna 1 föres via ett matningsschakt 2 in i nypet mellan två mot- roterande valsar 3. Materialets fiberríktning är parallell med valsarnas axlar och valsarna är något längre än stavarna. Valsarna är lagrade i ett tråg 5 och roteras av varsin motor (ej visad). Tråget är fyllt med impregne- ringsvätska upp till nypet. Nypet regleras genom ansättning av den ena valsen mot den andra med hjälp av hydraulcylindrarne 4. Valsarna kan vara räfflade för att underlätta medbringandet av stavarna.' När stavarna inkommer i nypet, sammanpressas de så hårt, att porerna praktiskt taget helt tryckes ihop. Därvid utpressas luft, vatten och extraktivämnen. Samtidigt valsas stavarna ut vinkelrätt mot fiberrikt- ningen, så att de blir bredare, tunnare och får en större yta. Efter nypet expanderar materialet igen, varvid porerna återbildas. Impregneringsvätskan suges då in i porerna. Stavarna transporteras sedan upp ur badet av en transportör 6 för vidare behandling, t ex kokning i ångfas. Stavarna bibehålles därvid med fibrerna orienterade i en och samma riktning. Där- efter sönderdelas materialet till fiberknippen och/eller enskilda fibrer.

Detta åstadkommas lämpligen genom sönderdelning på mekanisk väg till fib- rer och fiberfragment, exempelvis genom anpressning av materialet under vätsketillsättning mot ett roterande fibreringsorgan såsom en slipskiva med fiberriktníngen väsentligen i samma plan som den anpressade fibre- ringsytan och vinkelrät mot dess rörelseriktning.

Kokningen eller den kemiska uppslutningen av det impregnerade mate- rialet kan eventuellt drivas så långt att endast obetydlig eller ingen mekanisk efterbehandling erfordras för friläggning av fibrerna.

För impregneringen kan olika vätskor användas, bl a vatten. Vanligen användes en vattenlösning av t ex en bas, såsom natriumhydroxíd, en per- förening, såsom väteperoxid, ett salt av svavelsyrlighet, såsom natrium- sulfit eller natriumvätesulfit, eller en blandning av några av dessa kemi- kalier.

En ytterligare effekt av högtryckpressningen är att materialet deformeras, varvid fiberförbandet uppluckras. Detta underlättar för vätskan att tränga in i substansen. Den kombinerade kemiska och mekaniska påverkan gör att fibrerna delvis lösgöres, så att den vidare fiberfriläggningen underlättas, vilket skonar fibrerna och minskar energiförbrukningen.

Ett antal försök har körts, dels med aspved, dels med granved. 10 15 20 461 796 6 Försök med aspved Aspveden var torkad till en torrhalt av 83 %, vilket motsvarar en fuktkvot av 20 %. Den uppsâgades i stycken ca 100 mm långa i fiberrikt- ningen och 40x10 mm tvärs fiberriktningen. Vedstyckena slipades till massa i ett laboratorieslipverk, dels obehandlade, dels efter impregne- ring med vatten, dels efter impregnering med en natriumhydroxidlösníng.

Följande data gällde för impregneringen: Uppmjukning i kokande vatten, min 0 20 20 Presstryck vid vedens kompression, MPa 20 25 25 Lutkoncentration, Na0H g/l 0 25 25 vätskans temperatur °c so so so Reaktionstid min 0 30 60 Upptagen mängd Na0H på absolut torr ved % 0 2,3 4,7 Den impregnerade vedens surhetsgrad efter neutralisering med natriumbisulfit pH - 5,9 6,0 Den slipade massan arkades och provades. Som jämförelse har även medtagits data för en typisk raffinerad kemimekanisk aspmassa (CTMP).

Följande resultat erhölls _ Na0H Förbehandlíng Ingen Yâššâgä 2,3 zïmpreg2}7 2 CTMP Freeness ml CSF' 103 272 124 75 E 100 Malgrad°SR 6ß 29,5 6Ä,5 74.5 65 Spethalt Somervïlle Z 0,55 ä 3,Ü2 0,72 0.32 ' Fíberfraktïoneríng i I Bauer Mc Nett. Z f . + 30 mesh 1,6 . 1h,8 ä,7 § ä,6 5 -m -- 59,6 29,2 36,6 I 31,8 zs uensnet kg/m3 mo ses uns svs sou Dragíndex KNm/kg 8,8 12,7 22,7 39.6 ÄO nivindex Nmz/kg 1,06 2,11; 2,115 3.06 11 Ljushet Z ' 72 73 6# 60 55 Sprídníngskoeffícíent E mz/kg 3 79 es 62,5 s: sn Energiförbrukning Kwh/ton a.t. 701 9Å6 I 930 916 2500 1 5 10 15 20 461 796 Massan från den obehandlade, torra vaden är mycket svag, den vatten- impregnerade är jämförbar med normal aspslipmassa, medan vid impregnering _med 4,7 % NaÛH erhållits en massa, som är jämförbar med CTMP vid raffine- ring av flis. Spethalten är mycket låg; Det mest anmärkningsvärda är att energiförbrukningen enligt uppfinningen endast varit ca 40 % av energiför- brukningen för CTMP-massan.

Försök med granved En liknande försöksserie gjordes med torkad granved, som också hade en torrhalt av 83 %. Någon uppmjukning i kokande vatten gjordes inte.

Veden impregnerades med en lösning av natriumsulfít och kokades sedan i ångfas. Följande data gällde.

Presstryck vid vedens kompression MPa 25 25 koncentration, NaZSDB g/l 0 90 Impregneringstemperatur OC 60 60 Impregneringstid min 0 7 Upptagen mängd Na2S03 på absolut torr ved % 0 5,0 Koltemperatur OC - 127 Koktid min - 30 Surhetsgrad efter koket pH - 6,5 För de slipade massorna erhölls följande provningsresultat Förbehandnng ungen Naz 503 cTMP Freeness ml CSF - #0 110 100 Malgrad °SR 72,5 73,5 54 Spethalt Somerville Z 3,ä 1,5 2-3 Fiberfraktïoneríng Bauer Hc Nett Z g + 30 mesh 2,9 5,1 26,7 Å5 i _ 200 -- 67,8 u9.3 29,8 22 * Densitet kg/m3 "77 470 "00 Dragindex KNm/kg 25-5 hflvz ha azvindex NmZ/kg -. _ 2,68 h.s7 8 Ljushet 7 2 É 52 É 67 55 61 Spridningskoeffícíent m2/kgf 71 50 #9 Energiförbrukning ' ; kWh/ton a.t. 93k § 1290 977 2590 l 461 796 Liksom av aspveden blev massan av den torra veden mycket svag, så att den inte ens kunde arkas. Av den vattenimpregnerade veden erhölls en normal slipmassa, medan massan från den ved, som impregnerats och kokats, är jämförbar med CTMP. Den är dock något nedklippt, som fiberfraktione- ringen visar. Detta försämrar styrkan, särskilt rivetyrkan. En optimering av betingelserna, särskilt för slipningen, behöver göras.

Energiförbrukningen är, liksom för aspen, endast ca 40 % av energi- förbrukningen för CTMP.

Andra utföringsformer är möjliga inom ramen för uppfinningstanken.

Basningen före kompressionen kan uteslutas eller ersättas av annan mjuk- göring. Kompressionen kan göras på annat sätt än mellan valsar, t ex mellan två eller flera pressplattor. Impregneringsvätskan kan tillsättes på olika sätt, t ex genom sprayning på det komprimerade fibermaterialet.

Uppfínningen är givetvis inte begränsad till de redovisade utför- ingsexemplen utan kan varieras inom uppfinningstankens ram.

O»

Claims (9)

f: Paterrtkrav 461 ïvb

1. Sätt för impregnering av lignocellulosamaterial genom att materialet sammanpressas i sådan grad att dess porer väsent- ligen trycks ihop och sedan får expandera i impregnerings- vätska, varefter materialet sönderdelas till fiberknippen och/eller enskilda fibrer, k ä n n e t e c k n a t a v att materialet i form av stycken med en längd i fiberriktningen av minst 100 mm först klyvs i fiberriktningen för reducering av tjockleken till ett minsta tvärsnitt av högst 50 mm, företräde- svis högst 25 mm, och att sammanpressningen sker vinkelrätt mot materialets fiberriktning.

2. Sätt enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a t a v att trycket vid materialets sammanpressning är minst 5 MPa, lämp- ligen minst 10 MPa, företrädesvis 15-30 MPa.

3. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k - n a t a v att materialstyckena mjukgöres före sammanpress- ningen.

4. Sätt enligt kravet 3, k ä n n e t e c k n a t a v att materialstyckena basas med ånga omedelbart före sammanpress- ningen.

5. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k - n a t a v att sammanpressningen sker i nypet mellan två mot- roterande valsar.

6. Sätt enligt kravet 5, k ä n n e t e c k n a t a v att materialets fiberriktning är parallell med valsarnas axlar.

7. Sätt enligt något av kraven 1-Å, k ä n n e t e c k n a t a v att sammanpressningen sker mellan två eller flera press- plattor.

8. B. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k - n a t a v att det impregnerade materialet sönderdelas på mek- anisk väg till enskilda fibrer och fiberfragment.

9. Sätt enligt kravet 8, k ä n n e t e c k n a t a v att det impregnerade materialet sönderdelas genom anpressning under -vätsketillsättning mot ett roterande fibreringsorgan, såsom en slipskiva, med fiberriktningen väsentligen i samma plan som den anpressade fibreringsytan och vinkelrät mot dess rörelserikt- ning.