WO2007118264A2 - Verfahren zur behandlung eines cellulosischen fasermaterials - Google Patents

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WO2007118264A2
WO2007118264A2 PCT/AT2007/000168 AT2007000168W WO2007118264A2 WO 2007118264 A2 WO2007118264 A2 WO 2007118264A2 AT 2007000168 W AT2007000168 W AT 2007000168W WO 2007118264 A2 WO2007118264 A2 WO 2007118264A2
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fiber material
hemicellulose
magnesium
treatment
paper
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English (en)
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WO2007118264A3 (de
Inventor
Markus Wiesinger
Leo Arpa
Original Assignee
Mondi Packaging Frantschach Gmbh
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Publication of WO2007118264A3 publication Critical patent/WO2007118264A3/de

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Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C9/00—After-treatment of cellulose pulp, e.g. of wood pulp, or cotton linters ; Treatment of dilute or dewatered pulp or process improvement taking place after obtaining the raw cellulosic material and not provided for elsewhere
    • D21C9/001—Modification of pulp properties
    • D21C9/002—Modification of pulp properties by chemical means; preparation of dewatered pulp, e.g. in sheet or bulk form, containing special additives

Definitions

  • the present invention relates to a method for treating a cellulosic fibrous material.
  • One of the driving forces in the development of packaging materials e.g. Cardboard, liners, corrugating, sack paper, kraft paper made from cellulosic fibrous material, predominantly pulp and cellulosic material, such as waste paper and groundwood, are designed to increase the strength of the package without increasing its weight.
  • the strength properties of a package depend on the strength of the wrapping paper, which depends on the number of fiber-fiber bonds on the one hand, and the strength of the fiber-fiber bonds on the other hand.
  • the size of the contact surface of the fibers to each other is important. This is increased in particular by grinding the cellulosic fiber material.
  • Adjuvants such as e.g. cationized starch or epichlorohydrin resins adsorb onto cellulosic fibers and, upon drying, increase the strength of papers and board due to their ability to hydrogen bond or covalently crosslink.
  • auxiliaries depends on the available surface, whereby the grinding is a well-known, important influencing parameter due to its specific surface-increasing effect. Furthermore, the chemical nature of the Auxiliary agent for determining which interaction forces between fiber and auxiliaries on the one hand and aids with solution on the other hand occur.
  • anionic negatively charged
  • cationic positively charged
  • hemicelluloses usually have anionic character and therefore adsorb on the pulp only inadequately.
  • a maximum of 60% of the amount of xylan used is adsorbed on the fiber material. For use in industrial paper and board production this is subject to technical problems and uneconomical.
  • the object of the present invention is to provide a process with which a greatly improved adsorption of hemicelluloses, in particular xylan, on a cellulosic fiber material can be achieved.
  • This object is erfmdungs according to the treatment of a cellulosic fiber material with a treatment agent containing hemicellulose, dissolved, which is characterized in that the treatment is carried out at least partially in the presence of magnesium ions.
  • the cellulosic fiber material is preferably brought into contact with a magnesium ion source.
  • the inventive method is preferably designed so that the cellulosic fiber material, the treatment agent and a magnesium ion source are mixed together in any order.
  • the hemicellulose-containing treating agent is preferably an agent selected from the group consisting of aqueous solutions of hemicellulose, aqueous dispersions of hemicellulose, non-aqueous solutions of hemicellulose, non-aqueous dispersions of hemicellulose and mixtures thereof.
  • the pH of the treating agent prior to mixing with the fibrous material may be 5 to 12, preferably 6 to 12, most preferably 9.
  • Preferred embodiments of the method according to the invention include the use of an alkaline hemicellulose solution, e.g. a xylan solution having a pH above 9, the xylan preferably being dissolved in dilute sodium hydroxide, or the use of a dispersion of hemicellulose, e.g. Xylan, in an aqueous system or in another medium, or in the form of a solution in a solvent whose pH is below 10.
  • an alkaline hemicellulose solution e.g. a xylan solution having a pH above 9
  • the xylan preferably being dissolved in dilute sodium hydroxide
  • a dispersion of hemicellulose, e.g. Xylan e.g. Xylan
  • the amount of hemicellulose used, based on the cellulosic fiber material 0.1 wt.% To 10 wt.%, Preferably 0.3 wt.% To 3 wt.%, Particularly preferably 0.5 wt.% To 2 wt.% be.
  • the hemicellulose used is preferably at least partially xylan.
  • xylan and xylans are understood to mean branched-chain polysaccharides and oligosaccharides of non-uniform chemical composition, which predominantly consist of xylose monomers. Arabinose, glucose, galactose are other important ingredients. Xylan can be obtained, for example, by dissolution from annual plants such as oat shells and rice husks (arabino-xylan), as well as from wood (glucurono-xylan), or precipitates when the wood is broken down into pulp (eg sulfite pulping) as a by-product.
  • the magnesium ion source used in the inventive method is preferably a magnesium salt.
  • the magnesium salt can be used in the form of a solution or a dispersion.
  • Magnesium salts preferred for the process according to the invention are selected from the group consisting of magnesium sulfate, magnesium chloride, magnesium nitrate, magnesium citrate, magnesium acetate, magnesium oxide and mixtures thereof.
  • the amount of magnesium ions used may be 0.005 mol / 1 to 0.100 mol / 1, preferably 0.015 mol / 1 to 0.045 mol / 1, particularly preferably 0.030 mol / 1 based on the total volume of the mixture fiber material / treatment agent / magnesium ion source.
  • the cellulosic fibrous material used in the method according to the invention is preferably selected from the group consisting of pulp, natural or synthetic cellulose fibers, mechanically, thermomechanically or chemithermomechanically defiberized wood, and paper.
  • the fibrous material may be pretreated in a manner known per se, e.g. be mercerized.
  • a preferred starting material is one for the manufacture of high strength papers, e.g. Sack papers, suitable pulp.
  • the cellulosic fiber material can be used in particular as an aqueous suspension having a solids content of 0.5% by weight to 30% by weight, preferably 4% by weight to 18% by weight, particularly preferably 8% by weight.
  • This aqueous suspension is then mixed in any order with the hemicellulose-containing treating agent and the magnesium ion source.
  • the aqueous suspension may be thickened between these two stages, e.g. be pressed off.
  • the treatment may be at a temperature of 20 ° C to 100 ° C, preferably 40 ° C to 8O 0 C, particularly preferably 50 ° C, are carried out.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention consists in that, to complete the treatment, the pH of the reaction mixture consisting of cellulosic fiber material, treatment agent and magnesium ion source is brought to a value of 8 or less, preferably 7. By lowering the pH, the adsorption of hemicellulose to the fiber material can be further increased.
  • the cellulosic fiber material can be ground before and / or after the treatment.
  • the fiber material is pressed after completion of the treatment and returned the resulting Pressfiüsstechnik.
  • the recirculated pressing liquid can be remixed to the fiber material at any stage of the process.
  • the fiber material before, during or after the treatment with the hemicellulose-containing treatment agent with a second treatment agent selected from the group consisting of strength-increasing aids, e.g. native starch or cationized starch, wet strength agents, e.g. Wet-strength agents based on epichlorohydrin, optical brighteners, retention aids, and mixtures thereof treated.
  • the present invention also relates to a fibrous material obtainable by a method according to any one of the preceding claims.
  • the fiber material according to the invention is characterized by a high content of hemicellulose in the surface layer of the fiber material.
  • the content of hemicellulose in the surface layer of the fiber material may be 5% by weight or more, preferably 20% or more, more preferably 60% by weight or more. It is possible to achieve adsorption levels of up to just below 100%.
  • the fiber material according to the invention is also characterized in particular by the fact that the content of hemicellulose in the surface layer of the fiber material is higher than in the interior of the fiber material.
  • the content of hemicellulose in the surface layer of the fiber material according to the invention may be higher by 5% by weight or more, preferably 20% by weight or more, more preferably 65% by weight or more, than in the interior of the fiber material. All stated percentages are based on the weight of the fiber material.
  • the content of hemicellulose in the interior of the fiber material may vary depending on the origin of the fiber material and the digestion process.
  • Long fiber sulphate pulp for example, has a typical hemicellulose content of 0 to 30% by weight.
  • the surface layer of the erf ⁇ ndungs proper fiber material also has a relation to conventional cellulosic fiber material increased proportion of magnesium ions.
  • surface layer refers to the uppermost layer of the fiber material, which makes up about 1% of the fiber material, and this surface layer can be obtained or analyzed by one of the following methods:
  • the surface layer of the fiber material can be obtained by mechanical separation (Kallmes Tappi Journal 43 (1960): 2, 143-153; Heijnesson et al., Holzaba 49)
  • the sample After washing the fibers and removing the fiber fines ( ⁇ 100 ⁇ m), the sample is treated mechanically at a consistency of 4.5% with 20,000 revolutions in accordance with the method described in SCAN-C 18:65 and thus the surface layer is peeled off.
  • the fibers are separated from the particles of the surface layer by filtration (100 ⁇ m).
  • the amount of magnesium in the filtrate can now be determined by means of atomic absorption spectroscopy (AAS) and the hemicellulose content together with its composition by HPLC after enzymatic degradation, or by gas chromatography (Theander and Westerlund J.Agric.Food.Chem. (1986): 34, 330-36) become.
  • AAS atomic absorption spectroscopy
  • the level of hemicellulose in the surface layer can also be removed enzymatically (e.g., with xylanases or mannases) and subsequently determined (e.g., by HPLC).
  • Another method for determining the hemicellulose content is an NIR spectroscopy of the fiber material or of the products produced therefrom, eg papers.
  • the fiber material according to the invention is outstandingly suitable for the production of papers, filters, cardboard boxes, cartons and corrugated board products.
  • the present invention therefore also relates to a product from the group of paper, filter, cardboard, cardboard or corrugated product containing a fiber material according to the invention.
  • the product according to the invention from the group of paper, filter, cardboard, cardboard or corrugated product is preferably selected from the group of sack paper, e.g. for cement bags and construction bags; Packaging papers, e.g. Carrier bags and sacks for food; Newsprint; Magazine paper; Paper filter; Filter papers; Label papers and sanitary papers, e.g. Toilet paper, kitchen rolls and handkerchiefs.
  • group of sack paper e.g. for cement bags and construction bags
  • Packaging papers e.g. Carrier bags and sacks for food
  • Newsprint Magazine paper
  • Paper filter Filter papers
  • Label papers and sanitary papers e.g. Toilet paper, kitchen rolls and handkerchiefs.
  • the sack papers or packaging papers according to the invention are particularly strong and readily deformable (before bursting).
  • Packaging papers according to the present invention which are printed are also distinguished by their strength but also by their printability.
  • the ink repellent behavior is improved by the hemicellulose on the fiber surface, which gives a better printed image.
  • Invention label papers are characterized in that, due to the content of hemicellulose in the fibrous material, the absorbency for wet strength agents used in this field, e.g. Epichlorohydrin resins is increased.
  • FIG. 1 to 3 show schematically advantageous embodiments for carrying out the method according to the invention.
  • a pulp is fed via a feeder 10 into a conventional treatment unit, e.g. a mixer, a pulper or a pulper 1 introduced. From the unit 1, the pulp is transferred by means of a pump 11 into a tank or stack container 2. From there, the pulp passes by means of a pump 12 to a thickener 3 and is further treated via a refiner 4.
  • a conventional treatment unit e.g. a mixer, a pulper or a pulper 1 introduced.
  • the pulp is transferred by means of a pump 11 into a tank or stack container 2.
  • the pulp passes by means of a pump 12 to a thickener 3 and is further treated via a refiner 4.
  • Reference numerals 20 and 21 indicate material flows of a hemicellulose-containing treatment agent or of a magnesium ion source, which can be added to the pulp in the respective units 1 or 2.
  • the magnesium ion source e.g. to supply a solution of a magnesium salt, but also a reverse order is possible.
  • a treatment of the pulp with the hemicellulose-containing treatment agent or the magnesium ion source can thus take place in both or only in one of the units 1 and 2.
  • the resulting liquid 22 is returned and can optionally be supplied to the units 1 and 2 again via one or both of the streams 23 and 24.
  • the embodiment shown in FIG. 2 differs from the embodiment shown in FIG. 1 in that the treated pulp is ground before the thickener 3 by means of a further refiner 5.
  • the pulp is subjected to grinding in a refiner 6 before being introduced into the tank 2.
  • the pulp before grinding by means of the streams 20 and 24 with the Hemicellulose-containing treatment agent and / or the magnesium ion source are brought into contact.
  • the pH is adjusted to 6 to 8 by addition of H 2 SO 4 or CO 2 and the suspension is diluted to 5% by weight.
  • the suspension is stored temporarily in a storage chest for about one hour before being dewatered by means of a twin-wire press or Lindblad filter and the pulp is sent to papermaking.
  • the filtrate thus obtained is reused to disperse the pulp in the pulper.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines cellulosischen Fasermaterials mit einem Behandlungsmittel, welches Hemicellulose enthält. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung zumindest teilweise in Gegenwart von Magnesiumionen durchgeführt wird.

Description

Verfahren zur Behandlung eines cellulosischen Fasermaterials
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines cellulosischen Fasermaterials.
Eine der treibenden Kräfte in der Entwicklung von Verpackungsmaterialien, z.B. Karton, Liner, Wellenstoff, Sackpapier, Kraftpapier, welche aus cellulosischen Fasermaterial, überwiegend aus Zellstoff und cellulosehaltigem Material, wie Altpapier und Holzschliff hergestellt werden, ist es, die Festigkeiten der Verpackung zu steigern, ohne das Gewicht derselben zu erhöhen.
Die Festigkeitseigenschaften einer Verpackung hängen von der Festigkeit des Packpapieres ab, welche von der Anzahl der Faser-Faserbindungen einerseits, und der Festigkeit der Faser-Faser Bindungen andererseits abhängig ist.
Der Einfluss der Faserorientierung, der Blattdichte und der Trocknung sind ebenfalls als festigkeitsbeeinflussend bekannt.
Da die Festigkeit der Faser-Faser Bindung durch Wasserstoffbrückenbindungen und andere Wechselwirkungskräfte gebildet wird, ist auch die Größe der Kontaktfläche der Fasern zueinander wichtig. Diese wird insbesondere durch eine Mahlung des cellulosischen Fasermaterials vergrößert.
Für das Ausbilden von Wasserstoffbrückenbindungen ist die chemische Beschaffenheit der Faser von wesentlicher Bedeutung. Hilfsstoffe wie z.B. kationisierte Stärke oder Epichlorhydrinharze adsorbieren auf cellulosische Fasern und erhöhen nach erfolgter Trocknung durch ihre Fähigkeit zur Wasserstoffbrückenbildung oder der kovalenten Vernetzung die Festigkeit von Papieren und Karton.
Besonders bei gebleichten Zellstoffen ist jedoch die Fähigkeit Hilfsstoffe zu adsorbieren stark limitiert. Eine ausreichend hohe Adsorbtion des jeweiligen Hilfsstoffes am Faserstoff vor der Blattbildung ist jedoch Voraussetzung, um nach dem Pressen und der Trocknung des Fasernetzwerkes an den Faser-Faser Bindungsflächen festigkeitsbildend zu wirken.
Die adsorbierte Menge an Hilfsmittel hängt von der zur Verfügung stehenden Oberfläche ab, womit die Mahlung durch ihre die spezifische Oberfläche vergrößernde Wirkung ein bekannter, wichtiger Einflussparameter ist. Weiters ist die chemische Beschaffenheit des Hilfsstoffes dafür ausschlaggebend, welche Wechselwirkungskräfte zwischen Faserstoff und Hilfsmittel einerseits und Hilfsmittel mit Lösung andererseits auftreten.
Eine hohe Affinität zum negativ geladenem („anionischen") cellulosischen Faserstoff besitzen positiv geladene („kationische") Hilfsstoffe wie kationisierte Stärke.
Es ist auch bekannt, Hemicellulosen, insbesondere Xylan, zur Erhöhung der Festigkeit von aus cellulosischen Faserstoffen hergestellten Produkten, wie z.B. Papier, einzusetzen, siehe z.B. die US 5,810,972, die US 2004/0129395 Al sowie die US 2004/0206464 Al.
Hemicellulosen besitzen aber in der Regel anionischen Charakter und adsorbieren am Faserstoff daher nur unzureichend. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren werden maximal 60% der eingesetzten Xylanmenge am Fasermaterial adsorbiert. Für einen Einsatz bei der industriellen Papier- und Kartonherstellung ist dies mit technischen Problemen behaftet und unwirtschaftlich.
Die vorliegende Erfindung stellt sich zur Aufgabe, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchem eine stark verbesserte Adsorption von Hemicellulosen, insbesondere Xylan, an einem cellulosischen Fasermaterial erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfmdungs gemäß zur Behandlung eines cellulosischen Fasermaterials mit einem Behandlungsmittel, welches Hemicellulose enthält, gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Behandlung zumindest teilweise in Gegenwart von Magnesiumionen durchgeführt wird.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass eine Behandlung des cellulosischen Fasermaterials mit Hemicellulose in Gegenwart von Magnesiumionen dazu führt, dass die Hemicellulose in einem Ausmaß von bis zu über 90% der Einsatzmenge an der Faseroberfläche adsorbiert wird.
Zur Durchführung des erfmdungs gemäßen Verfahrens wird das cellulosische Fasermaterial bevorzugt mit einer Magnesiumionenquelle in Kontakt gebracht.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt dahingehend ausgestaltet, dass das cellulosische Fasermaterial, das Behandlungsmittel sowie eine Magnesiumionenquelle in beliebiger Reihenfolge miteinander vermischt werden. So ist es z.B. möglich, zunächst das Behandlungsmittel mit der Magnesiumionenquelle zu vermischen und diese Mischung auf das cellulosische Fasermaterial aufzubringen.
Ebenso ist es möglich, zunächst die Magnesiumionenquelle und das cellulosische Fasermaterial miteinander zu vermischen und erst anschließend das hemicellulosenhältige Behandlungsmittel einzumischen.
Das hemicellulosehältige Behandlungsmittel ist bevorzugt ein Mittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus wässerigen Lösungen von Hemicellulose, wässerigen Dispersionen von Hemicellulose, nichtwässerigen Lösungen von Hemicellulose, nichtwässerigen Dispersionen von Hemicellulose und Mischungen daraus.
Der pH- Wert des Behandlungsmittels vor dem Vermischen mit dem Fasermaterial kann 5 bis 12, bevorzugt 6 bis 12, insbesondere bevorzugt 9 betragen.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen den Einsatz einer alkalischen Hemicelluloselösung, z.B. einer Xylanlösung mit einem pH- Wert über 9, wobei das Xylan vorzugsweise in verdünnter Natronlauge gelöst ist, oder den Einsatz einer Dispersion von Hemicellulose, z.B. Xylan, in einem wässrigem System oder in einem anderem Medium, oder in Form einer Lösung in einem Lösungsmittel, deren pH- Wert unter 10 liegt.
Die Einsatzmenge der Hemicellulose kann, bezogen auf das cellulosische Fasermaterial, 0,1 Gew.% bis 10 Gew.%, bevorzugt 0,3 Gew.% bis 3 Gew.%, besonders bevorzugt 0,5 Gew.% bis 2 Gew.% betragen.
Die eingesetzte Hemicellulose ist bevorzugt zumindest teilweise Xylan.
Unter dem Begriff „Xylan" und „Xylane" werden verzweigtkettige PoIy- und Oligosaccharide uneinheitlicher chemischer Zusammensetzung verstanden, welche überwiegend aus Xylose-Monomeren bestehen. Arabinose, Glucose, Galactose sind weitere wichtige Bestandteile. Xylan kann z.B. durch Lösung aus Einjahrespflanzen wie Haferschalen und Reisschalen (Arabino-Xylan), sowie aus Holz gewonnen werden (Glucurono-Xylan), oder fällt beim Aufschluss des Holzes zu Zellstoff (z.B. Sulfitaufschluss) als Nebenprodukt an. Die im erfindungs gemäßen Verfahren eingesetzte Magnesiumionenquelle ist bevorzugt ein Magnesiumsalz. Das Magnesiumsalz kann in Form einer Lösung oder einer Dispersion eingesetzt werden.
Für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugte Magnesiumsalze sind aus der Gruppe bestehend aus Magnesiumsulfat, Magnesiumchlorid, Magnesiumnitrat, Magnesiumeitrat, Magnesiumacetat, Magnesiumoxid und Mischungen daraus ausgewählt.
Die Einsatzmenge der Magnesiumionen kann 0,005 mol/1 bis 0,100 mol/1, bevorzugt 0,015 mol/1 bis 0,045 mol/1, besonders bevorzugt 0,030 mol/1 bezogen auf das Gesamtvolumen der Mischung Fasermaterial/Behandlungsmittel/Magnesiumionenquelle betragen.
Das im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte cellulosische Fasermaterial ist bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Zellstoff, natürlichen oder synthetischen Cellulosefasern, mechanisch, thermomechanisch oder chemithermomechanisch zerfasertem Holz, und Papier ausgewählt. Das Fasermaterial kann in an sich bekannter Weise vorbehandelt, z.B. mercerisiert sein. Ein bevorzugtes Ausgangsmaterial ist ein für die Herstellung von Papieren mit hoher Festigkeit, z.B. Sackpapieren, geeigneter Zellstoff.
Das cellulosische Fasermaterial kann insbesondere als wässerige Suspension mit einem Trockengehalt von 0,5 Gew.% bis 30 Gew.%, bevorzugt 4 Gew.% bis 18 Gew.%, besonders bevorzugt 8 Gew.% eingesetzt werden.
Diese wässerige Suspension wird dann in beliebiger Reihenfolge mit dem hemicellulosehältigen Behandlungsmittel und der Magnesiumionenquelle vermischt.
Wenn das Zumischen des hemicellulosehältigen Behandlungsmittels einerseits und der Magnesiumionenquelle andererseits in zwei Stufen erfolgt, kann die wässerige Suspension zwischen diesen beiden Stufen eingedickt, z.B. abgepresst, werden.
Die Behandlung kann bei einer Temperatur von 20°C bis 100°C, bevorzugt 40°C bis 8O0C, insbesondere bevorzugt 50°C, durchgeführt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass zum Abschluss der Behandlung der pH- Wert der aus cellulosischem Fasermaterial, Behandlungsmittel und Magnesiumionenquelle bestehenden Reaktionsmischung auf einen Wert von 8 oder weniger, bevorzugt 7, gebracht wird. Durch ein Absenken des pH- Wertes kann der Adsorptionsgrad der Hemicellulose an das Fasermaterial weiter gesteigert werden.
Das cellulosische Fasermaterial kann vor und/oder nach der Behandlung gemahlen werden.
Vorzugsweise wird das Fasermaterial nach Abschluss der Behandlung abgepresst und die anfallende Pressfiüssigkeit rückgeführt. Die rückgeführte Pressflüssigkeit kann an einer beliebigen Stufe des Verfahrens dem Fasermaterial wieder zugemischt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fasermaterial vor, während oder nach der Behandlung mit dem hemicellulosehältigen Behandlungsmittel mit einem zweiten Behandlungsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus festigkeitssteigernden Hilfsmitteln, z.B. nativer Stärke oder kationisierter Stärke, Nassfestmitteln, z.B. Nassfestmitteln auf Epichlorhydrin-Basis, optischen Aufhellern, Retentionsmitteln, sowie Mischungen daraus behandelt.
Es hat sich gezeigt, dass durch die chemische Veränderung der Faseroberfläche, welche aufgrund der Anlagerung der Hemicellulose erzielt wird, die Aufnahmefähigkeit für weitere Hilfsstoffe, insbesondere jener aus der oben erwähnten Gruppe, gesteigert wird. Damit kann z.B. beim Einsatz von festigkeitssteigernden Hilfsmitteln, wie z.B. Stärke, eine zusätzlich stark erhöhte Festigkeit der aus dem Fasermaterial erhaltenen Produkte, z.B. Papiere, erzielt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Fasermaterial, welches durch ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche erhältlich ist.
Das erfindungsgemäße Fasermaterial zeichnet sich durch einen hohen Gehalt an Hemicellulose in der Oberflächenschicht des Fasermaterials aus. Insbesondere kann der Gehalt an Hemicellulose in der Oberflächenschicht des Fasermaterials 5 Gew.% oder mehr, bevorzugt 20% oder mehr, besonders bevorzugt 60 Gew.% oder mehr betragen. Es ist möglich, Adsorptionsgrade von bis zu knapp unterhalb 100% zu erreichen.
Das erfindungsgemäße Fasermaterial zeichnet sich insbesondere auch dadurch aus, dass der Gehalt an Hemicellulose in der Oberflächenschicht des Fasermaterials höher ist als im Inneren des Fasermaterials. Der Gehalt an Hemicellulose in der Oberflächenschicht des erfindungsgemäßen Fasermaterials kann dabei um 5 Gew.% oder mehr, bevorzugt 20 Gew.% oder mehr, besonders bevorzugt 65 Gew.% oder mehr, höher sein als im Inneren des Fasermaterials. Sämtliche genannten Prozentwerte verstehen sich als bezogen auf das Gewicht des Fasermaterials.
Der Gehalt an Hemicellulose im Inneren des Fasermaterials kann je nach Herkunft des Fasermaterials und dem Aufschlussverfahren unterschiedlich hoch sein. Langfasersulfatzellstoff hat beispielsweise einen typischen Hemicellulosengehalt von 0 bis 30 Gew. %.
Die Oberflächenschicht des erfϊndungs gemäßen Fasermaterial weist zudem einen gegenüber herkömmlichem cellulosischen Fasermaterial erhöhten Anteil an Magnesiumionen auf.
Unter „Oberflächenschicht" versteht man jene oberste Schicht des Fasermaterials, die einen Anteil von ca. 1% des Fasermaterials ausmacht. Diese Oberflächenschicht kann nach einem der folgenden Verfahren gewonnen bzw. analysiert werden:
Die Oberflächenschicht des Fasermaterials kann durch mechanische Ablösung gewonnen werden (Kallmes Tappi Journal 43 (1960):2, 143-153; Heijnesson et al. Holzforschung 49
(1995):4, 313-318).
Nach dem Waschen der Fasern und Entfernen der Faserfeinstoffe (<100μm) wird die Probe bei einer Konsistenz von 4,5% mit 20.000 Umdrehungen nach der in SCAN-C 18:65 beschrieben Methode mechanisch behandelt und damit die Oberflächenschicht abgelöst.
Die Fasern werden von den Partikeln der Oberflächenschicht durch Filtration (lOOμm) abgetrennt. Im Filtrat kann nun die Magnesiummenge mittels Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) und der Hemicellulosengehalt samt dessen Zusammensetzung mittels HPLC nach einem enzymatischem Abbau, oder mittels Gaschromatographie (Theander und Westerlund J.Agric.Food.Chem.(1986):34, 330-36) ermittelt werden.
Der Anteil an Hemicellulose in der Oberflächenschicht kann auch enzymatisch (z.B. mit Xylanasen oder Mannasen) abgelöst werden und anschließend bestimmt werden (z.B. mittels HPLC).
Eine weitere Methode zur Bestimmung des Hemicellulosengehaltes ist eine NIR- Spektroskopie des Fasermaterials bzw. der daraus hergestellten Produkte, z.B. Papiere. Das erfindungsgemäße Fasermaterial eignet sich hervorragend zur Herstellung von Papieren, Filtern, Kartonagen, Kartonen und Wellpappenprodukten.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch ein Produkt aus der Gruppe von Papier, Filter, Kartonage, Karton oder Wellpappenprodukt, welches ein erfindungsgemäßes Fasermaterial enthält.
Durch den hohen Anteil an Hemicellulose im erfindundgsgemäßen Fasermaterial können besonders hohe Festigkeiten der genannten Produkte erzielt werden. Dies kann noch durch den oben erwähnten synergistischen Effekt in Zusammenhang mit einer zusätzlichen Verwendung von weiteren festigkeitserhöhenden Hilfsstoffen gesteigert werden.
Das erfindungsgemäße Produkt aus der Gruppe von Papier, Filter, Kartonage, Karton oder Wellpappenprodukt ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe aus Sackpapieren, z.B. für Zementsäcke und Baustoffsäcke; Verpackungspapieren, z.B. Tragetaschen und Säcke für Lebensmittel; Zeitungsdruckpapieren; Magazinpapieren; Papierfilter; Filterpapiere; Etikettenpapieren und Hygienepapieren, z.B. Toilettenpapieren, Küchenrollen und Taschentüchern.
Die erfindungsgemäßen Sackpapiere oder Verpackungspapiere sind besonders fest und gut verformbar (bevor sie bersten).
Erfindungsgemäße Verpackungspapiere, die bedruckt werden (z.B. Tragetaschen, Säcke für Lebensmittel) zeichnen sich ebenfalls durch ihre Festigkeit, aber auch durch ihre Bedruckbarkeit aus. Das Wegschlagverhalten der Druckfarbe wird durch die Hemicellulose an der Faseroberfläche verbessert, wodurch ein besseres Druckbild erhalten werden kann.
Ähnliche Vorteile sind auch bei sonstigen Papieren, die bedruckt werden, z.B. Zeitungsdruckpapieren oder Magazinpapieren, feststellbar.
Erfindungs gemäße Etikettenpapiere sind dadurch ausgezeichnet, dass aufgrund des Gehaltes an Hemicellulose im Fasermaterial die Aufnahmefähigkeit für in diesem Gebiet verwendete Nassfestmittel, z.B. Epichlorhydrinharze gesteigert wird.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden durch Figuren näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren 1 bis 3 in schematischer Weise vorteilhafte Ausfuhrungsformen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gemäß der in Figur 1 dargestellten Ausfuhrungsform wird ein Zellstoff über eine Zubringung 10 in ein übliches Behandlungsaggregat, z.B. einen Mischer, einen Stofflöser oder einen Pulper 1 eingebracht. Aus dem Aggregat 1 wird der Zellstoff mittels einer Pumpe 11 in einen Tank oder Stapelbehälter 2 übergeführt. Von dort gelangt der Zellstoff mittels einer Pumpe 12 zu einem Eindicker 3 und wird über einen Refiner 4 weiterbehandelt.
Mit den Bezugsziffern 20 und 21 sind Stoffströme eines hemicellulosenhältigen Behandlungsmittels bzw. einer Magnesiumionenquelle gekennzeichnet, die zum Zellstoff in den jeweiligen Aggregaten 1 oder 2 zugemischt werden können.
Dabei ist es denkbar, im Aggregat 1 mittels Stoffstrom 20 das hemicellulosenhältige Behandlungsmittel zuzumischen und in den Tank 2 mittels Stoffstrom 21 die Magnesiumionenquelle, z.B. eine Lösung eines Magnesiumsalzes zuzuführen, aber auch eine umgekehrte Reihenfolge ist möglich.
Es ist auch möglich, in beiden Stoffströmen 20, 21 oder auch nur in einem dieser beiden Stoffströme eine Mischung aus Behandlungsmittel und Magnesiumionenquelle zuzuführen.
Eine Behandlung des Zellstoffes mit dem hemicellulosehältigen Behandlungsmittel bzw. der Magnesiumionenquelle kann somit in beiden oder auch nur in einem der Aggregate 1 bzw. 2 stattfinden.
Nachdem der in den Aggregaten 1 und/oder 2 behandelte Zellstoff im Eindicker 3 eingedickt wurde, wird die dabei angefallene Flüssigkeit 22 zurückgeführt und kann wahlweise über einen oder beide der Stoffströme 23 und 24 wieder den Aggregaten 1 bzw. 2 zugeführt werden.
Die in der Figur 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass der behandelte Zellstoff vor dem Eindicker 3 mittels eines weiteren Refiners 5 gemahlen wird.
In der Ausführungsform der Figur 3 wird der Zellstoff vor dem Einbringen in den Tank 2 anstelle einer Behandlung im Aggregat 1 einer Mahlung in einem Refiner 6 unterworfen. Dabei kann der Zellstoff vor der Mahlung mittels den Stoffströmen 20 bzw. 24 mit dem hemicellulosehältigen Behandlungsmittel und/oder der Magnesiumionenquelle in Kontakt gebracht werden.
Beispiel:
In einen 40 m3 Pulper werden 3200 kg Zellstoff in Wasser bei einer Stoffdichte um 8 Gew.% aufgelöst und mit Magnesiumsulfat versetzt, sodass die Magnesiumionenkonzentration 0.03 mol/1 erreicht. Anschließend werden 48 kg Xylan zugegeben, welches zuvor in NaOH gelöst wurde. Der pH- Wert der Zellstoffsuspension beträgt hiernach 8-10.
Beim Entleeren des Pulpers wird der pH Wert durch Zugabe von H2SO4 oder CO2 auf 6 bis 8 eingestellt und die Suspension auf 5 Gew.% verdünnt.
Die Suspension wird in einer Vorratsbütte rund eine Stunde zwischengespeichert, ehe sie mittels Doppelsiebpresse oder Lindbladfilter entwässert und der Zellstoff der Papierherstellung zugeführt wird.
Das so gewonnene Filtrat wird zur Dispergierung des Zellstoffes im Pulper wieder verwendet.

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur Behandlung eines cellulosischen Fasermaterials mit einem Behandlungsmittel, welches Hemicellulose enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung zumindest teilweise in Gegenwart von Magnesiumionen durchgeführt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das cellulosische Fasermaterial mit einer Magnesiumionenquelle in Kontakt gebracht wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das cellulosische Fasermaterial, das Behandlungsmittel sowie die Magnesiumionenquelle in beliebiger Reihenfolge miteinander vermischt werden.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Behandlungsmittel ein Mittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus wässerigen Lösungen von Hemicellulose, wässerigen Dispersionen von Hemicellulose, nichtwässerigen Lösungen von Hemicellulose, nichtwässerigen Dispersionen von Hemicellulose und Mischungen daraus ist.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der pH- Wert des Behandlungsmittels vor dem Vermischen mit dem Fasermaterial 5 bis 12, bevorzugt 6 bis 12, insbesondere bevorzugt 9 beträgt.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Hemicellulose bezogen auf das cellulosische Fasermaterial 0,1 Gew.% bis 10 Gew.%, bevorzugt 0,3 Gew.% bis 3 Gew.%, besonders bevorzugt 0,5 Gew.% bis 2 Gew.% beträgt.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hemicellulose zumindest teilweise Xylan ist.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnesiumionenquelle ein Magnesiumsalz ist.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnesiumsalz aus der Gruppe bestehend aus Magnesiumsulfat, Magnesiumchlorid, Magnesiumnitrat, Magnesiumeitrat, Magnesiumacetat, Magnesiumoxid und Mischungen daraus ausgewählt ist.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Magnesiumionen 0,005 mol/1 bis 0,100 mol/1, bevorzugt 0,015 mol/1 bis 0,045 mol/1, besonders bevorzugt 0,030 mol/1 bezogen auf das Gesamtvolumen der Mischung Fasermaterial / Behandlungsmittel / Magnesiumionenquelle beträgt.
11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das cellulosische Fasermaterial aus der Gruppe bestehend aus Zellstoff, natürlichen oder synthetischen Cellulosefasern, mechanisch, thermomechanisch oder chemithermomechanisch zerfasertem Holz und Papier ausgewählt ist.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das cellulosische Fasermaterial als wässerige Suspension mit einem Trockengehalt von 0,5 Gew.% bis 30 Gew.%, bevorzugt 4 Gew.% bis 18 Gew.%, besonders bevorzugt 8 Gew.% eingesetzt wird.
13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung bei einer Temperatur von 200C bis 1000C, bevorzugt 400C bis 800C, insbesondere bevorzugt 500C, durchgeführt wird.
14. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abschluss der Behandlung der pH-Wert der aus cellulosischem Fasermaterial, Behandlungsmittel und Magnesiumionenquelle bestehenden Reaktionsmischung auf einen Wert von 8 oder weniger, bevorzugt 7, gebracht wird.
15. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial nach Abschluss der Behandlung abgepresst wird und die anfallende Pressflüssigkeit rückgeführt wird.
16. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial vor, während oder nach der Behandlung mit dem Behandlungsmittel mit einem zweiten Behandlungsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus festigkeitssteigernden Hilfsmitteln, z.B. nativer Stärke oder kationisierter Stärke, Nassfestmitteln, z.B. Nassfestmitteln auf Epichlorhydrin-Basis, optischen Aufhellern, Retentionsmitteln, sowie Mischungen daraus behandelt wird.
17. Fasermaterial, erhältlich durch ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
18. Fasermaterial gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Hemicellulose in der Oberflächenschicht des Fasermaterials 5 Gew.% oder mehr, bevorzugt 20% oder mehr, besonders bevorzugt 60 Gew.% oder mehr beträgt.
19. Fasermaterial gemäß Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Hemicellulose in der Oberflächenschicht des Fasermaterials höher ist als im Inneren des Fasermaterials.
20. Fasermaterial gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Hemicellulose in der Oberfiächenschicht um 5 Gew.% oder mehr, bevorzugt 20 Gew.% oder mehr, besonders bevorzugt 65 Gew.% oder mehr, höher ist als im Inneren des Fasermaterials.
21. Verwendung eines Fasermaterials gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20 zur Herstellung von Papieren, Filtern, Kartonagen, Kartonen und Wellpappenprodukten.
22. Papier, Filter, Kartonage, Karton oder Wellpappenprodukt, enthaltend ein Fasermaterial gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20.
23. Papier, Filter, Kartonage, Karton oder Wellpappenprodukt gemäß Anspruch 22, ausgewählt aus der Gruppe aus Sackpapieren, z.B. für Zementsäcke und Baustoffsäcke; Verpackungspapieren, z.B. Tragetaschen und Säcke für Lebensmittel; Zeitungsdruckpapieren; Magazinpapieren; Papierfilter; Filterpapiere; Etikettenpapieren und Hygienepapieren, z.B. Toilettenpapieren, Küchenrollen und Taschentüchern.
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