CN1170978C - 制造机械纸浆的方法 - Google Patents

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Abstract

一种由含纤维素材料制造机械纸浆的方法，该材料在至少一个精磨步骤中得到处理以生产纸浆。根据本发明，在第一精磨步骤(1)后，有纸浆被分离的步骤(4)，以便将初生细小纤维(5)与纸浆分开。本发明还涉及一种由该方法制造的机械纸浆和至少部分包含该机械纸浆的纸板。

Description

制造机械纸浆的方法
                        技术领域
本发明涉及由含纤维素的材料制造机械纸浆的方法，其中，该材料在至少一个精磨(refining)步骤中处理以生产纸浆。本发明还涉及一种由该方法制成的机械纸浆及一种至少部分含有这种机械纸浆的纸板。
                       背景技术
机械纸浆大部分通常是CTMP(化学热磨机械纸浆)，其在多层纸板结构中是主要的成分，并通常构成中心层的大约70％且占纸板配料的高达50％。
为获得纸板的高弯曲硬度，希望中心层在纸张密度尽可能低的情况下具有高强度。因此，有效的Scott结合键密度关系是必需的。为此，有两个相反的方面需要考虑。首先，在精磨后的纸浆中只希望具有对强度和松厚度有利的原材料成分。在某种程度上对强度和松厚度没有贡献的其它成分基本上在***中形成负担，需要额外的干燥负荷、额外的漂白剂消耗等。另一方面，保留在纸浆中的各成分有利于较高的得率。使机械纸浆相对于化学浆具有竞争性的一个方面是机械纸浆的较高得率。
机械纸浆的另一重要方面是气味特性，这与纸浆中存在的萃取物和锰直接相关。当纸浆用于食品或液体的相关技术领域所用的纸板时，气味特性尤其重要。对所有类型的机械纸浆都是这样。对于TMP(热磨机械纸浆)来说，气味问题非常严重，以致于现在在制造纸板中已经不使用这种纸浆了。如果用非氯气漂白剂(特别是含有过氧化物的漂白剂)漂白纸浆，纸浆中残留的含锰量带来的问题是导致漂白剂的较高消耗量，并增加了对络合剂(complexing agent)的需求，如EDTA或DTPA，以便达到所需的白度。此外，由于纸浆中残留的萃取物含量导致较高的清洗要求，增加了水***的污染以及来自工厂的污水。
漂白后的牛皮纸浆的实验室研究表明：初生细小纤维对纸浆的漂白率具有负面影响(Backstroem，M.，Htun M.：《在没有初生细小纤维的情况下提高漂白率》，1998年国际纸浆漂白会议，会议论文2，第333-336页)。在射线细胞的影响的研究中也记载了对于牛皮纸浆漂白率的类似结果(westermark，U.，Capretti，G.：《射线细胞对CTMP和牛皮纸浆的漂白率和性能的影响》，《北欧纸浆与纸研究》杂志J3(1998)2，第95-99页)。在后一份对比文献中，还研究了机械纸浆中射线细胞的影响。结论是：对于带有射线细胞的CTMP纸浆和不带有射线细胞的CTMP纸浆检测不到漂白率的明显差别。至于射线细胞对CTMP和TMP纸浆的强度和连结性能方面的贡献，结论是：对于纸浆附加一点射线细胞就导致较差的连结和强度性能。
在Rydholm，S.A.的《制浆过程》，科学之间，New York(1965)，第744页中，建议使用特别设计的所谓“射线细胞过滤器”来分离亚硫酸盐纸浆工业中含树脂的射线细胞。
然而，对于机械纸浆来说，还没有指定工业处理过程来解决与初生细小纤维相关的问题，而这些问题对于机械纸浆是特有的，如气味、强度和松厚度等问题。没有一个工业处理过程具有粗糙纸浆部分、没有初生细小纤维、或被处理而获得对纸或纸板改进的纸浆性能。
                         发明内容
本发明的目的在于提供一种制造机械纸浆的方法，该方法能生产低密度(即高松厚度)但仍有优良的强度性能(特别是在Z方向测量的，如Scott结合键)的纸浆，同时该纸浆的萃取物、锰含量较低。
为了实现上述目的，本发明提供了一种由含纤维素材料制造机械纸浆的方法，该材料被精磨以生产纸浆，所述精磨包括：第一精磨步骤，其中形成初生细小纤维，该初生细小纤维主要包括胞间层碎片和由薄壁细胞形成的材料并且含有大量的木质素和萃取物；以及第二精磨步骤，其中形成的次生细小纤维具有和初生细小纤维大致相同的粒径但是具有不同的成分，在第一精磨步骤后但在第二精磨步骤之前，有纸浆被分离的步骤，以便使初生细小纤维与纸浆分开，然后分开的初生细小纤维最终被引导而远离机械纸浆的生产。因此，通过在第一精磨步骤后分离纸浆以便将初生细小纤维从纸浆中分离而实现本发明的目的。
在纸浆强度的改善过程中，产生细小纤维材料，有助于纤维的连结和纸张的固结。主要由胞间层碎片和薄壁细胞形成的材料组成的初生细小纤维含有大量的木质素和萃取物。初生细小纤维通常定义为机械纸浆制造中第一精磨步骤产生的细小纤维。根据Bauer McNett，初生细小纤维的粒径小于200目。与在后续的精磨处理阶段(即后精磨步骤)中由作为小纤维的次纤维壁产生的次生细小纤维相比，初生细小纤维对于纸浆强度的贡献较小。次生细小纤维的粒径与初生细小纤维大致相同，但如上所述，次生细小纤维是在后精磨步骤中产生的。初生细小纤维中DCM萃取物和过渡金属的含量比整个纸浆高几倍。
通过在第一精磨步骤之后分离纸浆，对强度和松厚度贡献很小且含有大量萃取物和锰的初生细小纤维可以与纸浆分开。纸浆随后在进行或不进行废料筛分的第二精磨步骤中受到后精磨，从而在纸浆中产生有助于强度的次生细小纤维。需要澄清的是：在本文中，第一精磨步骤定义为产生初生细小纤维的精磨步骤，该初生细小纤维主要包括胞间层碎片和由薄壁细胞形成的材料，含有大量木质素和萃取物。这意味着产生初生细小纤维的两个连续的物理意义上不同的精磨步骤被认为是一个第一精磨步骤。
根据本发明的一个方面，第一精磨步骤适于在纸浆中产生较高打浆度，优选至少为500ml CSF，更优选的是600-800ml CSF，以便在纸浆中产生的初生细小纤维含量为3-15％，优选为5-10％。优选的是，分离通过在任何类型合适的筛网上筛分来实现，优选是在至少一个弯曲筛中。还可以设想优选在至少一个旋风机中离心纸浆。分离可以在至少两个步骤中完成。合适的是，纸浆在分离之前稀释至干固体约占1-4％，优选为1-2％。
根据本发明的另一方面，以干重量测量的3-15％，优选为5-10％的纸浆在分离步骤中从纸浆中分离出来。初生细小纤维与纸浆分离的程度取决于所需的最终产品。被分出的初生细小纤维被引导远离所述木浆生产。
根据本发明的另一方面，纸浆在第一精磨步骤之后、所述分离步骤之前经历处理步骤，在处理步骤中，纸浆经过一道或多道处理，包括在一定保持时间内稀释、温度升高和机械搅拌。这可以在所谓的等待箱中或任何类型的保持容器中进行。该处理步骤的目的基本上是使纤维在第一精磨步骤后拉直。
在精磨和分离步骤之后，纸浆经受漂白，优选为过氧化物漂白。可以使用各种含漂白剂的过氧化物，但过氧化氢是特别优选的。
用于该处理的含纤维素原材料可以是任何类型的木种，如硬木或软木，也可以是任何类型的非木种，如蔗渣、稻草等。用于生产机械木浆的处理类型可以是CTMP，CMP，TMP或HTCTMP(高温CTMP)。本方法制造的机械纸浆优选用于生产纸板，更优选的是用于与食品和液体相关应用的纸板，如食品或液体容器等。
本发明还涉及含纤维素材料制成的机械纸浆，该纸浆由本发明的方法制成，并且本发明还涉及至少部分由这种机械纸浆生产的纸板。
通过该方法，在给定的强度下，可以获得比没有经过分离的对比纸浆高至少5％并高达20％，优选为10-15％的松厚度。同时，萃取物和锰含量相对于对比纸浆下降了大约50％。并且，以10-30天后己醛水平测量的纸浆的气味性能也降低了多达80-90％。对于TMP纸浆，萃取物的减少以及随之而来的己醛水平的降低特别有益，从而可以在与食品和液体相关纸板的应用中使用TMP纸浆，这在以前由于TMP纸浆较差的气味性能而是不可能的。
在给定强度下较高松厚度的结果是，纸板的定量由于在中间层需要较少的纸浆而降低。高松厚度在一定程度上抵消了除去初生细小纤维带来的产量损失。如果第一精磨步骤产生较少的细小纤维，则产量损失可以通过进一步选择性的分离而保持在低水平。
根据本发明的***的环境问题可以以两种方式解决。首先，由于在处理过程的早期除去了含有大量萃取物的初生细小纤维，水***将变得更清洁。与此同时，清洗的需求也减少。这导致从纸浆厂流出的废水更少，也更清洁。其次，由于分离后的纸浆中残留的较低含锰量，可以预期：螯合/络合剂(EDTA或DTPA)的需求在清洗和漂白过程中都减少。这降低了螯合剂对环境的影响。
另一方面，只要含初生细小纤维的水流得以适当地处理，对环境的优点就可以实现。技术上可行的方法是采用市售的设备使细小纤维材料稠化。稠化的细小纤维可以送回现有的能量回收利用***，用于产生热；或用于牲畜饲料；或用于纸浆、纸或纸板的其它生产线；或作为固体废物处理掉。
去除初生细小纤维可节省大量的化学品。通常为2-2.5kg/t的DTPA用量可被削减多达50％，即为1-1.3kg/t(以清洗和漂白过程中的螯合需求计算)。此外，在同样白度下所需的过氧化物和氢氧化物的消耗量也降低。对于分离了初生细小纤维的纸浆来说，不采用DTPA的白度最大值也会高很多，这在将来立法限制使用螯合剂的情况下是有益的。
                           附图说明
下面将参照附图描述本发明及其示例，其中：
图1为示出本发明优选实施例的流程图；
图2为示出对比试验的流程图；
图3为示出本发明精磨后纸浆和对比纸浆的打浆度与精磨能量关系的图线；
图4为示出图3中纸浆的Scott结合键与打浆度关系的图线；
图5为示出图3中纸浆及后续精磨前对应纸浆的Scott结合键与密度关系的图线；
图6为示出图3中纸浆及后续精磨前对应纸浆的拉伸硬度指数与密度关系的图线；
图7为示出图3中纸浆及后续精磨前对应纸浆的透气性与密度关系的图线；
图8为示出图3中纸浆在有螯合剂及无螯合剂控制下白度与过氧化物填充量关系的图线。
                       具体实施方式
下面参照图1描述本发明的方法。在精磨前，含纤维素的原材料可以以传统方式预处理(如用加热或化学方法)，这取决于要制造的纸浆类型。此后，原材料在第一(主)精磨炉1中经过第一精磨步骤。第一精磨步骤在要制造的纸浆中产生高打浆度，约650ml CSF。在随后的处理步骤2中(即所谓的等待箱中)，纤维在一定的保持时间中并在稀释、加热和化学搅拌的影响下被拉直。离开处理步骤2的纸浆的浓度为大约5-6％，并在受到分离步骤4之前进一步在稀释步骤3稀释到大约1-2％。
在分离步骤4，多至15％的纸浆纤维与纸浆流分离，作为初生细小纤维5，即根据BauerMcNett粒度级小于200目。在优选实施例中，在分离步骤中采用一个或多个弯曲筛。纸浆的剩余部分6的浓度为大约4％，在与传统一样的处理过程中引导经过纸浆箱7，并进一步到达筛分步骤8，用于分离粗糙的材料。粗糙材料筛分步骤8中的废料在压力机9中稠化，并在精磨炉10中经受同时作为第二精磨步骤的精磨步骤，随后循环回位于粗糙材料筛分步骤8上游的纸浆流。粗糙材料筛分步骤8中的合格品在一个或多个清洗压力机11、12中脱水并清洗，而达到大约20-30％的浓度。优选在清洗压力机11、12之间进行附加的精磨步骤13或后精磨步骤。可以在HC(高浓度)或MC(中等浓度)或LC(低浓度)下，采用不同种类的精磨设备(如盘形精磨炉或锥形精磨炉)进行辅助精磨或后精磨步骤。第二辅助精磨步骤和可选择的后精磨步骤产生次要的细小纤维，有助于纸浆的强度。
在最后的清洗步骤11、12后，纸浆优选被漂白，较优选的是非氯气漂白，更优选的是过氧化物漂白，添加或不添加螯合剂/络合剂，如DTPA或EDTA。
在分离步骤4中分出的初生细小纤维5的浓度大约为0.1-1％，初生细小纤维在步骤14被脱水/净化，滤出液15返回到处理过程，优选是返回到分离上游的稀释步骤3，和/或返回到处理步骤2。在脱水步骤14之后，浓度为大约4％的初生细小纤维在例如螺旋压力机16中进一步脱水至大约30％的浓度，随后导引初生细小纤维以热量回收利用或其它的用途。
示例
CTMP纸浆的粒度级
粒度级试验对已经在第一精磨步骤精磨过的CTMP纸浆进行。试验采用筛缝宽度为100μm的弯曲筛设备，在不同纸浆浓度、入口间隙、流速和液压下进行(见图2)。作为从弯曲筛滤去的废料的细小纤维去除率为4.8～8.5％，如表1纸浆BSK4所示，选择细小纤维去除率最高的细小纤维以便进一步研究。
表1 弯曲筛的粒度级
    弓形筛配置                处理参数   细小纤维去除率％
  缝宽um   间隙mm   流速1/min  压力kPa    浓度％
  BSK1     100     3     1350     100     2.0     4.8
  BSK2     100     3     1890     200     2.0     5.9
  BSK3     100     2     900     100     1.1     7.8
  BSK4     100     2     1260     200     1.1     8.5
表2 CTMP纸浆的Bauer McNett粒度级
                 Bauer McNett粒度级         整体纸浆
＞16目％   ＞30％   ＞100％   ＞200％   ＜200％   锰ppm   打浆度CSF
  基础 49.2   18.5   13   3.9   12.0   25   590
  BSK4 53.6   19.8   14   4.1   8.2   13   650
  对比 47.9   19.9   14   4.3   13.5   18   390
  超-CTMP 47.6   20   15   4.1   13.3   11   390
入流的纸浆(基础)与分离的纸浆(BSK4)比较，长纤维部分(＞16目)由于分离作用而从49.2％增加到53.6％。这同时伴随着细小纤维含量从12％降低到8.2％，导致打浆度从590ml升高到650ml(见表2)。
分离的CTMP的后精磨
根据图2，分离的纸浆和对比纸浆在第二精磨步骤精磨，以研究强度的改善。在此，“超CTMP”指的是脱水和后精磨步骤(即第二精磨步骤)后的BSK4纸浆。“对比”指的是稀释、脱水和后精磨步骤后的基础纸浆。试验在20英寸的常压精磨炉中进行。精磨条件是：精磨浓度21％(对于对比纸浆)和24％(对于分离的纸浆)；盘间隙0.7-2.0mm；转速1500rpm；得率约60kg/h。
如图3所示，两种纸浆的打浆度以与精磨能量相同的方式降低。经过分离、后精磨的纸浆(超-CTMP)由于分离过程中初生细小纤维的损失而需要大约200kwh/t多的能量以达到相同的打浆度水平。有趣的是，至于长纤维和细小纤维含量，超-CTMP和对比纸浆(对比)在第二精磨步骤后具有极相似的Bauer McNett曲线(见表2)。
纸浆性能
物理性能
超CTMP和对比纸浆的物理性能在150g/m2的纸张上测试，以便具有良好的细小纤维保留率(在纸张成型过程中没有白水循环)。
在标准压榨条件(400kPa)下比较，超CTMP在给定的打浆度下具有较高的Scott结合键(见图4)。至于其它的物理性能(如抗张强度和拉伸硬度指数)，在相同的打浆度下比较时没有明显的差别。
然而，更有趣的是所产生的纸浆的强度-密度关系。为了进一步评价，纸张以不同的湿压榨压力制造，并且在后精磨到390ml CSF(为中间层CTMP的大致打浆度水平)之前和之后对纸浆进行测试。
在三个不同的压力水平上保持优良的Scott结合键-密度关系，见图5。尽管超CTMP似乎对湿压榨的抗力更大，在相同打浆度和压榨压力下显示较低的纸张密度，但Scott结合键对于两种纸浆来说都随着压榨压力的增加而增加。在Scott结合键为72J/m2时(对于纸板生产的CTMP来说为标准值)，密度从大约350kg/m3降低到300kg/m3，改善了约13％。
图6示出了在拉伸硬度指数为3.7kNm/g时(对于纸板生产的CTMP来说为标准值)，后精磨的超CTMP也具有降低了约13％的密度。随着湿压榨压力的增加，对比纸浆的拉伸硬度指数也接近于超CTMP，但在该高压力下，松厚度的损失则更加严重。
在后精磨之前，分离的超CTMP具有更差的拉伸硬度-密度关系，这大概是因为细小纤维去除导致的较高纸浆打浆度的关系。
在后精磨之前和之后，超CTMP在给定密度下的透气率也高于对比纸浆的，见图7。
后精磨纸浆的物理测试清楚地表明：超CTMP在给定的拉伸硬度和Scott结合键条件下具有更开放和蓬松的结构。在可比Scott结合键和拉伸硬度条件下，改善的性能导致松厚度升高了约13％，从2.9(密度350kg/m3)至3.3(密度300kg/m3)。更蓬松的结构应该赋予更高的弯曲硬度，且更易于在纸板机中干燥。
过氧化物漂白
后精磨的分离后的纸浆具有390ml的打浆度，用过氧化物漂白以评价其漂白率。为进行比较，精磨到相同打浆度的对比纸浆(对比)也被漂白。
如图8所示，在所有的过氧化物水平上，对于超CTMP都具有良好的漂白反应。在漂白时，在不添加DTPA的情况下差别不很明显。这可以通过对超CTMP中11ppm与对比纸浆中18ppm的较高锰含量来解释。在漂白过程中加入DTPA的情况下，对两种纸浆来说漂白反应都改善，而纸浆漂白反应的差别也减小。
与化学成分相关的气味性能
采用酸水解，并随之进行糖分析来测量分离的CTMP纸浆(超CTMP)和对比的CTMP纸浆(对比)中的化学成分。弯曲筛中初生细小纤维的部分去除减少了剩余细小纤维及整个纸浆中的木质素含量，见表3。作为含有较少木质素的次生细小纤维，后精磨之后的细小纤维含有较少的木质素和较多的纤维素。由于富含木质素的初生细小纤维的去除，对于超CTMP来说产生更大的差别。
如表4所示，超CTMP中萃取物含量(丙酮含量)低于对比CTMP 50％。不饱和酸/酯的降低更加剧烈。原因可能是：由于萃取物一般富含在由胞间层、环绕射线细胞和树脂通道的薄壁细胞产生的材料中，而它们又都存在于初生细小纤维中，去除初生细小纤维自然导致萃取物含量的减低。此外，由于过渡金属(特别是锰)优选位于胞间层和薄壁细胞中，初生细小纤维的去除导致锰含量的降低。同时，以10天和30天后己醛值测量的纸浆气味性能对于分离的超-CTMP降低了80-90％。尽管在该研究中比较的纸浆没有象在洗浆机中那样彻底地清洗(图2)，超CTMP的气味性能是可以与彻底清洗的洗浆机CTMP(-3阶段)相比较的。在超-CTMP和对比CTMP之间较大的差别值得特别注意，这显示了可以通过去除初生细小纤维来实现的趋势。
本发明并不限于上述实施例和示例，在权利要求书限定的范围内可进行多种变化。
表3 CTMP和细小纤维的化学成分
             整体纸浆          细小纤维(＜200目)
  葡萄糖％   合计糖％     木质素％   葡萄糖％   合计糖％   木质素％
对比CTMP(基础)   46.2   67     27.00   32.8   54.3   37.9
分离的CTMP   47.1   68.4     26.20   34.3   56.8   36.5
对比CTMP(后精磨的)   33.3   54.8   37.7
超CTMP(后精磨的)   36.9   59.4   35.2
表4 己醛分析和萃取物含量
丙酮萃取物％ 不饱和脂肪酸mg/g 不饱和甘油三酯mg/g 不饱和甾醇酯mg/g  树脂酸mg/g    锰ppm   己醛10天后   己醛30天后
  对比CTMP   0.45     0.25     1.25     0.5   0.55     18     90     955
  超-CTMP   0.21     0.05     0.3     0.2   0.15     11     15     55
洗浆机CTMP*
-2阶段   0.63     0.17     2.4     0.5   0.3   250
-3阶段   0.37     0.09     1.4     0.3   0.1   ＜2   12**   45
*洗浆机CTMP
**6-8天

Claims (16)

1.一种由含纤维素材料制造机械纸浆的方法，该材料被精磨以生产纸浆，所述精磨包括：第一精磨步骤(1)，其中形成初生细小纤维，该初生细小纤维主要包括胞间层碎片和由薄壁细胞形成的材料并且含有大量的木质素和萃取物；以及第二精磨步骤(10，13)，其中形成的次生细小纤维具有和初生细小纤维大致相同的粒径但是具有不同的成分，其特征在于，在所述第一精磨步骤(1)后但在所述第二精磨步骤(10，13)之前，有纸浆被分离的步骤(4)，以便使初生细小纤维(5)与纸浆分开，然后所述分开的初生细小纤维(5)最终被引导而远离所述机械纸浆的生产。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一精磨步骤(1)适于在纸浆中获得至少为500ml CSF的高打浆度，以便在纸浆中形成的初生细小纤维含量为3-15％。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一精磨步骤(1)适于在纸浆中获得600-800ml CSF的高打浆度，以便在纸浆中形成的初生细小纤维含量为5-10％。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述纸浆在第一精磨步骤(1)之后、所述分离步骤(4)之前经历处理步骤(2)，在所述处理步骤(2)中，纸浆经历以下的一种或多种处理：稀释、温度升高、机械搅拌和保持时间。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述分离步骤(4)通过在至少一个弯曲筛上的筛分来进行或通过在至少一个旋风分离器中的离心作用来进行。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述分离步骤(4)在至少两个步骤中进行。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，以干重测量时，3-15％的所述纸浆在所述分离步骤(4)中与纸浆分开。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，以干重测量时，5-10％的所述纸浆在所述分离步骤(4)中与纸浆分开。
9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述分开的、被引导的初生细小纤维(5)用于热回收利用、用于牲畜饲料、或用于纸浆、纸或纸板生产的其它生产线。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，纸浆在精磨步骤(1、13)和分离步骤(4)之后受到漂白。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，纸浆受到过氧化物漂白。
12.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述纸浆为CTMP、CMP、TMP或HTCTMP。
13.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述生产出的纸浆用于制造纸板。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述纸板是用于食品或液体的相关应用中的纸板。
15.一种由含纤维素材料制造的机械纸浆，其特征在于，其根据权利要求1所述的方法生产。
16.纸板，至少部分地由含纤维素材料制造的机械纸浆制成，其特征在于，所述纸浆是根据权利要求1所述的方法生产的。
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