DE60302540T2

DE60302540T2 - Verwendung von Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht zur Herstellung von Lyozellprodukten

Info

Publication number: DE60302540T2
Application number: DE60302540T
Authority: DE
Inventors: James E. Sealey; Kent Robarge; Jr. W. Harvey Persinger; Mengkui Luo
Original assignee: Weyerhaeuser Co
Current assignee: Weyerhaeuser Co
Priority date: 2003-01-02
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: DE60302540D1; CN1519424A; JP2004211282A; CA2453241A1; EP1437428A1; CN1306111C; MXPA04000071A; TWI259859B; BR0305987A; EP1437428B2; KR20040062399A; CA2453241C; TW200420799A; EP1437428B1; ATE311488T1; KR100566200B1; JP4012878B2; US6797113B2; US20030183351A1; DE60302540T3

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf Zellstoffe gerichtet, die zur Herstellung von Lyocell-Formkörpern geeignet sind, die Überzüge, Fasern und nicht gewebte Gewebe umfassen, und auf Verfahren zur Herstellung solcher Zellstoffe, die zur Herstellung der Lyocell-Formkörper geeignet sind, auf Lyocell-Formkörper, die aus den Zellstoffen hergestellt sind, sowie auf Verfahren zur Herstellung der Lyocell-Formkörper. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf die Verwendung von "Jung"-Holz (oftmals auch als "Kernholz", "Jugendholz", "Holz mit einer geringen Dichte" oder in einigen Fällen als "Durchforstungsholz" bezeichnet) gerichtet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Cellulose ist ein D-Glucose-Polymer sowie ein struktureller Bestandteil von Pflanzenzellwänden. Diese Zellen werden als Fasern bezeichnet. Cellulosefasern liegen in den Baumstämmen, aus welchen sie extrahiert, in Zellstoff umgewandelt und anschließend verwendet werden, um eine Vielzahl an Produkten herzustellen, besonders reichlich vor.
Als Reyon wird eine faserartige Form von gewonnener Cellulose bezeichnet, die in der Textilindustrie in großem Umfang verwendet wird, um Bekleidungsartikel herzustellen. Seit über einem Jahrhundert sind durch die Viskose- und Kupferoxid-Ammoniak-Verfahren kernige Reyonfasern hergestellt worden. Das letztere Verfahren wurde zuerst 1890 patentiert und das Viskose-Verfahren zwei Jahre später. In dem Viskose-Verfahren wird Cellulose zunächst in eine merzerisierende stärkende Ätznatronlösung eingetaucht, um eine Alkalicellulose zu bilden. Die Cellulose wird anschließend mit Schwefelkohlenstoff umgesetzt, um Cellulosexanthogenat zu bilden, welches anschließend in verdünnter Ätznatronlösung gelöst wird. Nach der Filtration und Entlüftung wird die Xanthogenatlösung aus untergetauchten Spinndüsen in ein Regenerierungsbad von Schwefelsäure, Natriumsulfat und Zinksulfat extrudiert, um kontinuierliche Filamente zu bilden. Die sich ergebende Viskose Reyon wird zur Zeit in Textilien verwendet und wurde früher in großem Umfang zum Verstärken von Gummiartikeln, wie beispielsweise Reifen und Antriebsriemen verwendet.
Cellulose ist auch in einer Lösung von Ammoniakkupferoxid löslich. Diese Eigenschaft bildet die Grundlage zur Herstellung von Kupferoxidammoniak-Reyon. Die Celluloselösung wird durch untergetauchte Spinndüsen in eine Lösung von 5% Ätznatron oder verdünnter Schwefelsäure gepreßt, um die Fasern zu bilden, welche anschließend entkupfert und gewaschen werden. Kupferoxidammoniak-Reyon ist in Fasern mit sehr niedrigen Denier und erhältlich und wird nahezu ausschließlich in Textilien verwendet.
Die vorhergehenden Verfahren zur Herstellung von Reyon erfordern sowohl, dass die Cellulose chemisch derivatisiert als auch komplexiert wird, um sie löslich zu machen und daher in der Lage ist, in Fasern gesponnen zu werden. In dem Viskose-Verfahren wird die Cellulose derivatisiert, während die Cellulose in dem Kupferoxidammoniak-Reyon-Verfahren komplexiert wird. In beiden Verfahren muss die derivatisierte oder komplexierte Cellulose regeneriert werden, und die zum Anlösen verwendeten Reagenzien müssen entfernt werden. Die Derivatisierungs- und Regenerationsschritte bei der Herstellung von Reyon tragen wesentlich zu den Kosten dieser Form von Cellulosefaser bei. Folglich sind in den letzten Jahren Versuche zur Ermittlung von Lösungsmitteln unternommen worden, die in der Lage sind, nicht derivatisierte Cellulose zu lösen, um eine Spinnlösung von nicht derivatisierter Cellulose zu bilden, aus welcher Fasern gesponnen werden können.
Eine Klasse von organischen Lösungsmitteln, die zum Lösen von Cellulose geeignet ist, sind Amin-N-Oxide, insbesondere die tertiären Amin-N-Oxide. Zum Beispiel offenbart Graenacher in U.S. Patent Nr. 2,179,181 eine Gruppe von Aminoxidmaterialien, die als Lösungsmittel geeignet sind. Johnson beschreibt in U.S. Patent Nr. 3,447,939 die Verwendung von wasserfreiem N-Methylmorpholin-N-Oxid (NMMO) und anderen Amin-N-Oxiden als Lösungsmittel für Cellulose sowie für viele andere natürliche und synthetische Polymere. Franks et al. handelt in U.S. Patent Nr. 4,145,532 und 4,196,282 die Schwierigkeiten des Lösens von Cellulose in Aminoxid-Lösungsmitteln und des Erreichens höherer Cellulosekonzentrationen ab.
Lyocell ist eine anerkannte allgemeine Bezeichnung für eine Cellulosefaser, die aus einer organischen Lösung ausgefällt wird, wobei keine Substitution von Hydroxylgruppen stattfindet und keine chemischen Zwischenprodukte gebildet werden. Verschiedene Hersteller stellen zur Zeit Lyocell-Fasern hauptsächlich zur Verwendung in der Textilindustrie her. Zum Beispiel stellt Acordis, Ltd. zur Zeit eine Lyocell-Faser her, die Tencel^®-Faser genannt wird, und verkauft diese.
Gegenwärtig erhältliche Lyocell-Fasern werden aus Holzzellstoffen hergestellt, die zur Entfernung von Nicht-Cellulosebestandteilen, insbesondere Hemicellulose, weitgehend veredelt worden sind. Diese hochveredelten Zellstoffe werden als Zellstoffe von Chemiefaserqualität oder als Zellstoffe mit hohem alpha-Gehalt (oder hohem α-Gehalt) bezeichnet, wobei sich die Bezeichnung alpha (oder α) auf den prozentualen Anteil an Cellulose bezieht. Daher enthält ein Zellstoff mit hohem alpha-Gehalt einen hohen prozentualen Anteil an Cellulose und einen entsprechend niedrigen prozentualen Anteil an anderen Bestandteilen, insbesondere Hemicellulose. Die Veredelung, die erforderlich ist, um einen Zellstoff mit hohem alpha-Gehalt zu erzeugen, trägt wesentlich zu den Kosten von Lyocell-Fasern und daraus hergestellten Produkten bei.
Da das herkömmliche Kraft-Verfahren verbleibende Hemicellulosen gegenüber weiterem alkalischen Angriff stabilisiert, ist es nicht möglich, durch anschließende Behandlung von Kraft-Zellstoff in den herkömmlichen Bleichschritten annehmbare Zellstoffe mit hohem alpha-Gehalt für Lyocell-Produkte zu erhalten. Um durch das Kraft-Verfahren Zellstoffe mit hohem alpha-Gehalt herzustellen, ist es notwendig, die Holzschnitzel vor dem Schritt des alkalischen Zellstoff-Aufschlussverfahrens in einer Säurephase vorzubehandeln. Eine wesentliche Menge an Material, vor allem an Hemicellulose in der Größenordnung von 10% oder mehr der ursprünglichen Holzsubstanz, wird in dieser Säurephasen-Vorbehandlung angelöst, und auf diese Weise sinken die Verfahrensausbeuten. Unter diesen Bedingungen ist Cellulose weitgehend widerstandsfähig gegenüber Angriffen, aber die verbleibenden Hemicellulosen werden zu einer weitaus kürzeren Kettenlänge abgebaut und daher in der anschließenden Kraft-Kochung durch eine Vielzahl von Hemicellulose-Hydrolysereaktionen oder durch Lösen weitgehend entfernt. Der Nachteil von herkömmlichen Zellstoffen mit hohem alpha-Gehalt, die für Lyocell verwendet werden, ist der sich ergebende Verlust an Ausbeute, der von dem Erfordernis, Hemicellulosen zu entfernen, herrührt. Angesichts des finanziellen Aufwands zur Herstellung kommerzieller Zellstoffe mit hohem alpha-Gehalt ist es wünschenswert, Alternativen zu herkömmlichen Zellstoffen mit hohem alpha-Gehalt zur Herstellung von Lyocell-Produkten zu haben. Darüber hinaus möchten Hersteller die Investitionen, die zur Herstellung solcher Zellstoffarten notwendig sind, durch Verwendung bestehender Großanlagen minimieren. Daher besteht ein Bedarf nach verhältnismäßig kostengünstigen Zellstoffen mit niedrigem alpha-Gehalt (z.B. Zellstoffe mit hoher Ausbeute, hohem Hemicelluloseanteil), die Merkmale aufweisen, die sie für die Herstellung von Lyocell-Formkörpern geeignet machen.
In U.S. Patent Nr. 6,210,801, welches hierin vollständig unter Bezugnahme in vollem Umfang berücksichtigt ist und auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, ist offenbart, dass Zellstoff mit hohem Hemicelluloseanteil und niedriger Viskosität für die Herstellung von Lyocell-Formkörpern geeignet ist. Der Zellstoff wird durch Vermindern der Viskosität der Cellulose hergestellt, ohne dass dabei der Hemicellulosegehalt wesentlich vermindert wird. Solche Verfahren verwenden eine Säure oder ein Säureersatzmittel oder andere hierin beschriebene Verfahren.
Während die in dem '801 Patent beschriebenen Verfahren beim Vermindern des durchschnittlichen Polymerisationsgrades (P.G.) von Cellulose ohne wesentliches Vermindern des Hemicellulosegehaltes effektiv sind, bestand ein weiterer Bedarf für ein Verfahren, das keinen separaten Schritt zum Vermindern der Kupferzahl erfordert und welches für Zellstoffwalkmaschinen leicht anwendbar ist, die Sauerstoffreaktoren, mehrfache alkalische Schritte und/oder alkalische Bedingungen aufweisen, die für eine wesentliche P.G.-Verminderung von gebleichtem oder halbgebleichtem Zellstoff geeignet sind. Umweltbedingte Belange haben auch ein großes Interesse daran erzeugt, Bleichmittel zu verwenden, die die Verwendung von Chlorverbindungen reduzieren. In den letzten Jahren ist Sauerstoff als delignifizierendes Mittel in kommerziellem Maßstab verwendet worden. Beispiele für Ausrüstung und Geräte, die zum Ausführen eines Sauerstoff-Delignifizierungsverfahrens geeignet sind, sind in U.S. Patent Nr. 4,295,927; 4,295,925; 4,298,426 und 4,295,926 beschrieben. In U.S. Patent Nr. 6,331,354, welches auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, ist ein Zellstoff mit niedriger Viskosität und einem hohen Hemicellulosegehalt offenbart, der zur Bildung von Lyocell-Formkörpern geeignet ist. Der Zellstoff wurde aus einem alkalischen Zellstoff durch Behandeln des alkalischen Zellstoffes mit einem Oxidationsmittel in einem Reaktor für mittlere bis hohe Konsistenz hergestellt, um den P.G. der Cellulose ohne wesentliches Vermindern des Hemicellulosegehaltes oder Erhöhen der Kupferzahl zu vermindern. Im Gegensatz zu dem in dem '801 Patent beschriebenen Verfahren erfordert das in dem '354 Patent beschriebene Verfahren keinen zweiten und nachfolgenden Schritt zur Verminderung der Kupferzahl. Darüber hinaus weist der Zellstoff, der durch das in dem '354 Patent beschriebene Verfahren hergestellt ist, vorteilhafterweise niedriges ΔR auf.
Weitere Bemühungen zum Vermindern der Herstellungskosten von Lyocell-Formkörpern haben zu dem U.S. Patent 6,605,350 und seiner Teilanmeldung US 2002/0155292 geführt. In dem U.S. Patent 6,605,350 beschreibt der Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung Zellstoffe, die aus Sägemehl und anderem Holz von niedriger Faserlänge unter Verwendung einer ähnlichen Prozedur wie derjenigen des '354 Patentes hergestellt sind. Diese Zellstoffe weisen einen hohen Hemicellulosegehalt und eine niedrige Viskosität auf, was sie für die Bildung von Lyocell-Formkörpern besonders geeignet macht. Im Gegensatz zu den '801 und '354 Patenten beschreibt U.S. Patent Nr. 6,605,350 ein Zellstoffprodukt mit Zellstofffasern mit wesentlich kürzeren Längen.
Die Holzverarbeitungsindustrie erzeugt weiterhin im normalen Ablauf der alltäglichen Forstwirtschafts-Unternehmensführung und Holzverarbeitung riesige Mengen an Abfallprodukten. Diese Abfallprodukte werden größtenteils nicht genutzt. Der Bedarf, Rohstoffquellen durch Verwendung von Holzabfallprodukten über neue Wege zu erhalten, stellt eine einzigartige Gelegenheit dar. Es ist vorteilhaft, einen preiswerten Zellstoff zu entwickeln, der für die Herstellung von Lyocell-Formkörpern aus all diesem nicht genutzten Holz geeignet ist, nämlich dem Kernholz oder Jung- oder Jugendholz, wie beispielsweise Durchforstungsholz, welches hier im Folgenden als Holz mit niedriger Dichte bezeichnet wird. Daher wird eine preiswerte Alternative zu den hochveredelten Zellstoffen mit hohem alpha-Gehalt dargestellt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der Erfindung stellt einen Zellstoff dar, der mindestens 7 Gewichtsprozent Hemicellulose; eine Viskosität von weniger als oder etwa 32 cP; eine Kupferzahl von weniger als oder etwa 2; einen gewichteten Mittelwert der Faserlänge von weniger als oder etwa 2,7 mm; und eine Längenmasse von weniger als oder etwa 23 mg/100 m aufweist. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von einem Lyocell-Formkörper bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Lösen eines Zellstoffes in einem Lösungsmittel, um eine Celluloselösung zu bilden; Bilden eines Lyocell-Formkörpers aus der Lösung; und Regenerieren des Formkörpers, wobei der Zellstoff mindestens 7 Gewichts-% Hemicellulose, eine Viskosität von weniger als oder etwa 32 cP; eine Kupferzahl von weniger als oder etwa 2; einen gewichteten Mittelwert der Faserlänge von weniger als oder etwa 2,7 mm; und eine Längenmasse von weniger als oder etwa 23 mg/100 m aufweist. Das Verfahren kann Meltblowing, ein Zentrifugalspinnverfahren, Spunbonding oder eine Trocken-Nass-(dry-jet wet)-Methode verwenden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zellstoffes bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Aufschließen von Feuchtmaterial mit einer Dichte von weniger als oder etwa 0,41 unter Verwendung eines Alkali-Zellstoff-Aufschlussverfahrens; sowie Bleichen des Zellstoffes, um die Viskosität des Zellstoffes auf oder auf etwa 32 cP oder weniger zu vermindern. Der gebleichte Zellstoff weist mindestens 7 Gewichts-% Hemicellulose, eine Kupferzahl von weniger als oder etwa 2, einen gewichteten Mittelwert der Faserlänge von weniger als oder etwa 2,7 mm und eine Längenmasse von weniger als oder etwa 23 mg/100 m auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Lyocell-Produkt bereitgestellt. Das Lyocell-Produkt weist mindestens 7 Gewichts-% Hemicellulose sowie Cellulose auf, wobei der Zellstoff, der zur Herstellung des Produktes verwendet wird, eine Viskosität von weniger als oder etwa 32 cP, eine Kupferzahl von weniger als oder etwa 2, einen gewichteten Mittelwert der Faserlänge von weniger als oder etwa 2,7 mm und eine Längenmasse von weniger als oder etwa 23 mg/100 m aufweist. Lyocell-Produkte können zum Beispiel Fasern, Überzüge oder nicht gewebte Gewebe sein.
Die Verwendung von Holz mit niedriger Dichte kann für eine vorgegebene Kappa-Zahl zu ungebleichtem Holz mit einer niedrigeren Viskosität führen. Die Verwendung von Holz mit niedrigen Dichtewerten vermindert die Temperatur des Bleichschrittes und die Chemikaliendosierung, die in der Bleichanlage benötigt werden, um Zellstoff mit annehmbaren Lyocell-Spezifikationen aufzuweisen. Holz mit niedriger Dichte führt zu einem sehr niedrigen Grad an Viskosität, ohne dass dabei die Kupferzahl des Zellstoffes oder die Carbonylkonzentration in dem Zellstoff über einen annehmbaren Grad erhöht wird. Das Verfahren verwendet vor dem Aufschließen keine Vorbehandlung der Säurephase, und die anschließenden Bleichbedingungen führen zu keiner wesentlichen Abnahme des Hemicellulosegehalts.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorhergehenden Aspekte und viele der begleitenden Vorteile dieser Erfindung erkennt man leicht, da diese unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden, wobei:
1 ein Flussdiagramm darstellt, welches eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Zellstoffes gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
2 ein Flussdiagramm darstellt, welches eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Lyocell-Formkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein geeignetes Verfahren zur Herstellung von Lyocell veranschaulicht, wobei Zellstoff aus Holz mit niedriger Dichte gelöst wird. Das Verfahren kann so aufgefasst werden, dass es zwei breite Veredelungsbereiche umfasst, wobei das Zellstoff-Aufschließen als Block 126 und das Bleichen als Block 128 dargestellt ist.
In Block 100 wird ein Zellstoffkocher mit Holzschnitzeln mit niedriger Dichte beladen oder beschickt. Die Dichte stellt gemäß The Handbook of Pulping and Papermaking, 2. Ausgabe, von Christopher J. Biermann, das (einheitslose) Verhältnis der Dichte des festen Holzes zu der Dichte des Wassers bei derselben Temperatur dar. Wie hierin verwendet, ist die Dichte die durchschnittliche Dichte jeder beliebigen Population von Holzausgangsmaterial. Die Dichte des festen Holzes kann unter Verwendung des grünen Volumens, des ofengetrockneten Volumens oder von Zwischenvolumina bestimmt werden. Die Holzschnitzel, die beim Ausüben der Erfindung verwendet werden können, können aus jeder beliebigen Cellulosequelle hergestellt werden. Im Gegensatz zur herkömmlichen Denkweise hat man herausgefunden, dass Holz mit niedriger Dichte zur Verwendung als Cellulosequelle zur Herstellung von Lyocell-Formkörpern verwendet werden kann. Ein geeigneter Bereich von Holz mit niedriger Dichte, der für die vorliegende Erfindung verwendet wird, ist ein beliebiges Holzmaterial mit einer Dichte von etwa gleich oder weniger als 0,41. Holz mit niedriger Dichte führt zu einer niedrigeren Viskosität von ungebleichtem Zellstoff, wovon man annimmt, dass die Verwendung bleichender Chemikalien in der Bleichanlage vermindert ist. Typische Quellen von Holz mit niedriger Dichte können von "Durchforstungsholz" und "Jugend"-Holz abstammen. Jugend-Holz ist gemäß Biermann als die ersten 10 Jahresringe, die das Kernholz umringen, definiert. Andere definieren es als Holz, das in der Nähe des Kernholzes des Baums gebildet wird, welches oft durch breite Jahresringe, niedrigere Dichte und kürzere Fasern charakterisiert ist. In einigen Fällen kann sich das Jugend-Holz auf 15 Ringe oder mehr erstrecken. Die Dichte nimmt mit der zunehmenden Höhe des Baumes zu, sodass die Dichte bei 16 Fuß, 32 Fuß oder 48 Fuß stufenweise höher ist am unteren Stammende des Baumes. In einigen Ausführungsformen beträgt die Dichte weniger als 0,41 und kann weniger als 0,38, 0,36, 0,34, 0,32 oder 0,30 oder weniger betragen.
Zellstoffkocher zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung können jeden beliebigen Zellstoffkocher umfassen, der geeignet ist, Holz mit niedriger Dichte aufzuschließen. Ein Beispiel eines geeigneten Zellstoffkochers ist ein kontinuierlicher Zellstoffkocher, der oft als "Kamyr"-Zellstoffkocher bezeichnet wird. (Es ist anzumerken, dass Kamyr der Name einer Firma ist, die solche Zellstoffkocher entwickelt und gebaut hat, und dass die Bezeichnung Kamyr nur lose mit einem kontinuierlichen Zellstoffkocher in Zusammenhang steht. Kamyr existiert nicht mehr als Firma. Solche kontinuierlichen Zellstoffkocher werden von Kvaerner geliefert.) Diese Zellstoffkocher sind in der Zellstoff- und Papierindustrie für mehrere Jahre verwendet worden, wobei der erste 1950 in Schweden eingeführt wurde. Im Laufe der Jahre sind an diesen Zellstoffkochern Modifizierungen durchgeführt worden, um ihren Betrieb zu verbessern. Das System des Zellstoffkochers kann entweder ein Ein-Gefäß- oder ein Zwei-Gefäß-System sein.
"Kamyr"-Zellstoffkocher werden üblicherweise beim Kraft- oder Alkali-Aufschlussverfahren von Holz verwendet, können aber auch in halbchemischen Aufschlussverfahren verwendet werden. Weitere kontinuierliche Zellstoffkocher, wie beispielsweise der M&D-Zellstoffkocher und der Pandia-Zellstoffkocher sind ebenso zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet. Die vorliegende Erfindung kann auch unter Verwendung eines beliebigen diskontinuierlichen Zellstoffkochers oder anderen kontinuierlichen Zellstoffkochern ausgeübt werden.
Unter Bezugnahme auf 1 liegen innerhalb des Aufschlussverfahrens, Block 126 mehrere Prozessschritte vor, die als Blöcke 100–116 dargestellt sind. Beschicken oder Beladen mit Schnitzeln findet, wie oben erörtert, in Block 100 statt. Die Holzschnitzel können vor der Kochung mit Dampf vorbehandelt werden, Block 102. Dampf bei atmosphärischem Druck wärmt die Schnitzel vor und vertreibt Luft, sodass das Eindringen von Lauge verstärkt wird. Nachdem der Prozessschritt des Vorbehandelns mit Dampf beendet ist, kann Kochlauge, bezeichnet als Weißlauge, welche die Chemikalien zum Zellstoffaufschluss enthält, zu den Schnitzeln zugegeben werden, Block 104. Der Zellstoffkocher wird anschließend mit Weißlauge und Schnitzeln beschickt. Beim Kraft-Zellstoffaufschluss sind die wirksamen chemischen Verbindungen NaOH und Na₂S. Andere Chemikalien können hinzugefügt werden, um wünschenswerte Effekte beim Zellstoffaufschlussverfahren zu beeinflussen oder zu vermitteln. Diese zusätzlichen Chemikalien sind einem Fachmann wohlbekannt. Die vorliegende Erfindung stellt eine niedrigere Viskosität des ungebleichten Zellstoffes aus Holz mit verhältnismäßig niedriger Dichte bereit im Vergleich dazu, wenn es aus Holz mit einer höheren Dichte bestehen würde, d.h. die Dichte bezieht sich auf die Kappa-Zahl.
Das Imprägnieren, Block 106, ist der Zeitraum, während dessen die Chemikalien das Holzmaterial mit niedriger Dichte imprägnieren können. Ein gutes Eindringen der Lauge unterstützt ein gleichmäßiges Kochen der Schnitzel.
"Kochung" findet in Blöcken 108 und 110 statt. Im Anschluss an den Gleichstrom-Flüssigkeitskontakt-Prozessschritt, Block 108, erfolgt der Gegenstrom-Flüssigkeitskontakt-Prozessschritt, Block 110. Die Kochung des Holzes mit niedriger Dichte findet während dieser zwei Prozessschritte statt. Entweder in Block 108 oder 110 können die Kochlauge und Schnitzel auf Temperatur gebracht erden.
Das Waschen im Zellstoffkocher, Block 112, wird durch Einbringen von Waschlauge in den unteren Teil des Zellstoffkochers durchgeführt und im Gegenstrom zu dem gekochten Zellstoff bewegt. Die Kochung ist größtenteils beendet, wenn der Zellstoff auf die kühlere Waschlauge trifft.
Nach Beendigung des Kochprozessschrittes und des Waschens im Zellstoffkocher wird der Zellstoffkocherinhalt ausgeblasen, Block 112. Das Ausblasen des Zellstoffkochers umfasst das Übertreiben der Holzschnitzel und der Lauge bei atmosphärischem Druck. Das Übertreiben findet mit einer ausreichenden Menge an Druck statt, um die Faserauftrennung zu bewirken. Gegebenenfalls kann der Ausblastank mit Ausrüstung zur Wärmerückgewinnung ausgestattet sein, um Betriebsaufwendungen zu reduzieren.
In Block 114 wird der Zellstoff von dem Ausblastank zu externen Wäschern für gebleichten Zellstoff geführt. Die Trennung der Schwarzlauge von dem Zellstoff findet bei den Wäschern für gebleichten Zellstoff statt.
In einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung von Zellstoff aus Holz mit niedriger Dichte, welches bei der Herstellung von Lyozell-Formkörpern verwendet werden sollte, beträgt die Zeit, welche für das Imprägnieren in Block 106 vorgesehen ist, etwa 35 Minuten. Die prozentuale anfängliche Menge an effektivem Alkali beträgt etwa 8,5%. Die prozentuale Menge an effektivem Alkali bei 5 Minuten beträgt etwa 1,6. Die prozentuale Sulfidität beträgt etwa 29. Das Laugenverhältnis beträgt etwa 4. Die Ausgangstemperatur beträgt etwa 110°C. Die verbleibenden Gramm pro Liter an effektivem Alkali betragen etwa 9,63. Die verbleibende prozentuale Menge an effektivem Alkali beträgt etwa 3,85. Der pH-Wert beträgt etwa 12,77 und der H-Faktor beträgt etwa 2.
In einer Ausführungsform des Gleichstromprozessschrittes, Block 108, beträgt die prozentuale Menge an effektivem Alkali etwa 4,2. Nach Biermann ist das effektive Alkali als diejenigen Bestandteile definiert, die Laugen unter Zellstoffaufschlussbedingungen tatsächlich herstellen. Die prozentuale Sulfidität beträgt etwa 29. Nach Biermann ist die Sulfidität das Verhältnis von Natriumsulfid zu dem effektiven Alkali, welches in Prozent ausgedrückt ist. Die Zeitdauer der Laugenzugabe beträgt etwa 1 Minute. Die Temperaturen können sprungartig auf eine endgültige Kochtemperatur erhöht werden, wobei das Verfahren bei einer oder mehreren Temperaturen gestoppt werden kann. Die erste Temperaturstufe beträgt etwa 154°C. Die Zeit bis zum Erreichen der Temperatur beträgt etwa 9 Minuten und die Zeit, während dessen die Temperatur beibehalten wird, beträgt etwa 5 Minuten. Eine zweite und höhere Kochtemperatur beim Gegenstrom-Prozessschritt wird bei 170°C bereitgestellt. Die Zeit bis zum Erreichen der zweiten Temperatur beträgt etwa 51 Minuten und die Zeit, während dessen die Temperatur beibehalten wird, beträgt etwa 3 Minuten. Das effektive Alkali, das nach einem Kochprozeßschritt verbleibt, wird Restalkali genannt. Die im Anschluss an den Gegenstrom-Prozessschritt verbleibenden Gramm pro Liter an effektivem Alkali betragen etwa 9,42. Die verbleibende prozentuale Menge an effektivem Alkali beträgt etwa 3,77. Der pH-Wert beträgt etwa 12,92 und der H-Faktor beträgt etwa 649.
In einer Ausführungsform des Gegenstrom-Prozessschrittes, Block 110, beträgt die prozentuale Menge an effektivem Alkali etwa 8. Die prozentuale Sulfidität beträgt etwa 29,2. In dem Gegenstromschritt besteht auch die Möglichkeit für ein sprungartiges Erhöhen auf zwei unterschiedliche Temperaturen. In einer Ausführungsform liegen die Temperaturen der ersten und zweiten Kochung jedoch beide bei etwa 171°C. Die Zeit bis zum Erreichen der Temperatur beträgt etwa 54 Minuten und die Zeit, während dessen die Temperatur beibehalten wird, beträgt etwa 162 Minuten. Die Gramm pro Liter an effektivem Alkali betragen etwa 16,0. Die Verdrängungsrate beträgt etwa 93 ml pro Minute. Das Verdrängungsvolumen beträgt etwa 20 Liter. Die hier angegebenen Volumina sind verhältnismäßig klein, da das Verfahren an einem Ofenreaktor im Labormaßstab getestet wurde. Mit den hierin bereitgestellten Parametern und ohne unverhältnismäßigen experimentellen Aufwand kann das Verfahren auf eine beliebige Rate skaliert werden. Die verbleibenden Gramm pro Liter an effektivem Alkali betragen etwa 9,95. Die verbleibende prozentuale Menge an effektivem Alkali beträgt etwa 3,98. Der pH-Wert beträgt etwa 12,74 und der H-Faktor beträgt etwa 3877. In einer Ausführungsform beträgt die Gesamtzeit etwa 319 Minuten und die prozentuale Menge an effektivem Alkali für die Gesamtkochung beträgt etwa 22,3.
In einer Ausführungsform beträgt die Viskosität des gebleichten Zellstoffes nach dem Waschen etwa 153 cP. Die Gesamtausbeute an ofengetrocknetem Holz beträgt etwa 41.04.
Im Anschluss an das Zellstoffaufschlussverfahren, das in 1 allgemein als Referenzzahl 126 veranschaulicht ist, wird der ungebleichte Zellstoff, der aus dem Holz mit niedriger Dichte hergestellt ist, zum Vermindern seiner Viskosität gebleicht. Das Bleichverfahren führt zu keiner wesentlichen Verminderung des Hemicellulosegehalts des Zellstoffes. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt einen gebleichten Kunstfaserzellstoff her, welcher zur Herstellung von Lyocell-Formkörpern geeignet ist. Das Bleichen der chemischen Zellstoffe umfasst die Entfernung von Lignin mit gleichzeitiger Abnahme an Zellstofffaserlänge und – viskosität. Das Bleichverfahren führt jedoch nicht zu einer wesentlichen Verminderung des Hemizellulosegehaltes des Zellstoffes. Das Bleichen von ungebleichtem Zellstoff, der aus Holz mit niedriger Dichte hergestellt ist, kann weniger Chemikalien erfordern als die herkömmlichen, hochveredelten Zellstoffe mit hohem alpha-Gehalt, welche zur Zeit für Lyocell verwendet werden.
In einer Ausführungsform kann der ungebleichte Zellstoff mit niedriger Dichte, der erfindungsgemäß hergestellt wurde, in verschiedenen Schritten in der Bleichanlage mit verschiedenen Chemikalien behandelt werden. Die Schritte werden in Gefäßen oder Türmen von herkömmlicher Ausgestaltung ausgeführt. Eine typische Bleichabfolge ist ODE_pD. Die Prozessschritte, die in der Bleichanlage stattfinden, werden durch die Referenzzahl 128 in 1 gemeinsam dargestellt. Weitere Ausführungsformen des Nachbleichens des Zellstoffes nach dem Zellstoffaufschluss sind in U.S. Patent Nr. 6,331,354 und U.S. Patent 6 605 350 beschrieben, auf welche hierin in ihrer Gesamtheit Bezug genommen wird.
Der erste Bleichschritt ist ein O-Schritt, Block 116. Der O-Schritt umfasst Bleichen mit Sauerstoff. Nach Biermann betrachten jedoch einige das Sauerstoffbleichen als Ausweitung des Zellstoffaufschlussverfahrens. Sauerstoffbleichen stellt die Delignifizierung von Zellstoffen unter Verwendung von Sauerstoff unter Druck dar. Der Sauerstoff wird für die Entfernung von Lignin für weniger spezifisch als die Chlorverbindungen gehalten. Sauerstoffbleichen findet in einem Sauerstoffreaktor statt. Geeignete Sauerstoffreaktoren, die in der Lage sind, das Verfahren der vorliegenden Erfindung auszuführen, sind in U.S. Patent Nr. 4,295,925; 4,295,926; 4,298,426; und 4,295,927 beschrieben. Der Reaktor kann bei hoher Konsistenz arbeiten, wobei die Konsistenz des Zustroms zu dem Reaktor größer als 20% ist. Alternativ kann der Reaktor bei einer mittleren Konsistenz arbeiten, wobei die mittlere Konsistenz im Bereich zwischen 8% und 20% liegt. Bevorzugt kann der Sauerstoffdruck den zugelassenen Höchstdruck für den Reaktor erreichen, wenn ein Sauerstoffreaktor für hohe Konsistenz verwendet wird. Stärker bevorzugt ist der Sauerstoffdruck jedoch größer als 0 bis etwa 85 psig (pounds per square inch, gauge scale) (Pfund pro Quadratzoll, Eichmaßstab). In Reaktoren für mittlere Konsistenz kann der Sauerstoff in einer Menge von größer als 0 bis etwa 100 Pfund pro Tonne des Zellstoffes vorliegen, es ist jedoch stärker bevorzugt, dass er in einer Menge vorliegt, die etwa 50 bis etwa 80 Pfund pro Tonne des Zellstoffes beträgt. Die Temperatur des O-Schrittes reicht von etwa 100°C bis etwa 140°C.
In einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens eines Zellstoffes, welches zur Herstellung von Lyocell-Formkörpern geeignet ist, findet ein D-Schritt, Block 118, im Anschluss an den O-Schritt, Block 116, statt. Der D-Schritt umfasst das Bleichen des Zellstoffes, der aus dem Sauerstoffreaktor kommt, mit Chlordioxid. Chlordioxid ist für die Ligninentfernung selektiver als Sauerstoff. Die Menge an Chlordioxid, die in diesem Schritt verwendet wird, reicht von etwa 20 bis etwa 30 Pfund/Tonne, welche niedriger sein kann als in einer herkömmlichen Bleichanlage, die Zellstoff aus Holzschnitzeln veredelt, wobei die Holzschnitzel eine Dichte aufweisen, die nicht innerhalb des Bereiches von niedriger Dichte dieser Erfindung liegt. Die Temperatur des D-Schrittes reicht von etwa 50°C bis etwa 85°C.
In einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens eines Zellstoffes, der zur Herstellung von Lyocell-Formkörpern geeignet ist, erfolgt im Anschluss an den D-Schritt, Block 118, ein E_P-Schritt, Block 120. Der E_P-Schritt stellt den durch Wasserstoffperoxid verstärkten Extraktionsschritt dar, wobei Lignin aus dem Zellstoff unter Verwendung von Ätznatron in einer Menge, die von etwa 20 bis etwa 50 Pfund/Tonne reicht, entfernt wird. Die Menge an Wasserstoffperoxid reicht von etwa 20 bis etwa 60 Pfund/Tonne, welche niedriger sein kann als bei einer herkömmlichen Bleichanlage, die Zellstoff aus Holzschnitzeln mit einer Dichte veredelt, die nicht innerhalb des niedrigen Dichtebereichs dieser Erfindung in Betracht kommt. Die Temperatur des E_P-Schrittes reicht von etwa 75 bis etwa 95°C.
In einer Ausführungsform findet im Anschluss an den E_P-Schritt, Block 120, ein zweiter D-Schritt, Block 122, statt. Die Menge an Chlordioxid, die in diesem Schritt verwendet wird, reicht von etwa 10 bis etwa 30 Pfund/Tonne, was niedriger sein kann als bei einer herkömmlichen Bleichanlage, die Zellstoff aus Holzschnitzeln mit einer herkömmlichen Dichte veredelt, die nicht innerhalb des niedrigen Dichtebereichs dieser Erfindung liegt. Die Temperatur des D-Schrittes reicht von etwa 60°C bis etwa 90°C.
Eine Ausführungsform eines Zellstoffes, der aus Holz mit niedriger Dichte hergestellt ist, weist einen Hemicellulose-Gehalt von mindestens 7 Hemicellulose, eine Zellstoffviskosität von weniger als 32 cP, eine Kupferzahl von weniger als 2,0 und in einigen Fällen von weniger als 1,3 (TAPPI T430), einen gewichteten Mittelwert der Faserlänge von weniger als 2,7 mm und eine Längenmasse von weniger als 23 mg/100 m auf. Weitere Ausführungsformen von Zellstoffen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, weisen einen Gesamtgehalt von Kupfer, Mangan und Eisen von weniger als 2 ppm, eine Gesamtmetallbeladung von weniger als 300 ppm und einen Siliciumgehalt von weniger als 50 ppm auf. Lyocell-Formkörper, die aus den Zellstoffen der Erfindung hergestellt wurden, weisen einen entsprechend hohen Hemicellulose-Gehalt von mindestens 7 Gewichts-% und Cellulose auf.
Hemicellulose wird durch eine Untersuchung des Zuckergehaltes auf Grundlage der TAPPI-Norm T249 hm-85 gemessen.
Verfahren zum Messen der Zellstoffviskosität, wie z.B. TAPPI T230, sind im Fachbereich bekannt. Die Kupferzahl stellt ein Maß für den Carboxylgehalt des Zellstoffes dar. Die Kupferzahl stellt einen empirischen Test dar, der zum Messen des Reduktionswertes von Cellulose verwendet wird. Die Kupferzahl wird als die Anzahl an Milligramm metallischem Kupfer ausgedrückt, welche in einem alkalischen Medium durch ein vorgegebenes Gewicht von Cellulosehaltigem Material von Kupferdihydroxid zu Kupfer(I)oxid reduziert wird. Das Maß, mit welchem sich die Kupferzahl während des Bleichprozessschrittes verändert, wird durch Vergleichen der Kupferzahl des ungebleichten Zellstoffs, der in die Bleichanlage eintritt, mit der Kupferzahl des gebleichten Zellstoffs nach der Bleichanlage bestimmt. Eine niedrige Kupferzahl ist wünschenswert, da im Allgemeinen angenommen wird, dass eine höhere Kupferzahl Celluloseabbau und Lösungsmittelzersetzung während und nach dem Lösen des gebleichten Zellstoffes, um eine Spinnlösung zu bilden, verursacht.
Der gewichtete Mittelwert der Faserlänge (GMFL) wird geeigneterweise mit einer FQA-Maschine, Modell Nr. LDA93-R9704, mit der Software Version 2.0 gemessen, welche durch die Optest Company von Hawkesbury, Ontario, Kanada, hergestellt wird.
Die Längenmasse wird unter Verwendung des Weyerhäuser Standardverfahrens WM W-FQA gemessen.
Übergangsmetalle sind in Zellstoff ungewünscht, da sie den Abbau von Cellulose und die Zersetzung von NMMO in dem Lyocell-Verfahren beschleunigen. Beispiele von Übergangsmetallen, die im Allgemeinen in gebleichten Zellstoffen nachgewiesen werden, umfassen Eisen, Kupfer und Mangan. Bevorzugt beträgt der Gesamtmetallgehalt dieser drei Metalle in den Zellstoffen der Erfindung in dem Weyerhäuser Test Nr. AM5-PULP-1/6010 weniger als etwa 20 ppm.
Darüber hinaus weisen Zellstoffe der Erfindung in dem Weyerhäuser Test Nr. AM5-PULP-1/6010 eine Gesamtmetallbeladung von weniger als 300 ppm auf. Die Gesamtmetallbeladung bezieht sich auf die Gesamtmenge von Nickel, Chrom, Mangan, Eisen und Kupfer, welche in Einheiten von Teilchen pro Million (parts per million (ppm)) ausgedrückt wird.
Sobald der Zellstoff zum Vermindern seiner Viskosität gebleicht worden ist, ohne dass im Wesentlichen seine Kupferzahl erhöht oder der Hemicellulose-Gehalt erniedrigt wurde, kann der Zellstoff entweder in Wasser gewaschen und in ein organisches Lösungsmittelbad, wie beispielsweise N-Methyl-morpholin-N-oxid (NMMO) überführt werden, um den Zellstoff vor der Bildung der Lyocell-Formkörper zu lösen. Alternativ kann der gebleichte, gewaschene Zellstoff getrocknet und zum Aufbewahren und/oder Versenden in beispielsweise einer Rolle, einer Folie oder einem Ballen in Bruchstücke aufgeschlagen werden.
Um Lyocell-Produkte aus Holzzellstoffen mit niedriger Dichte herzustellen, wird der Zellstoff zunächst in einem Aminoxid, bevorzugt einem tertiären Aminoxid, gelöst. Typische Beispiele von Aminoxidlösungsmitteln, die in der Technik der vorliegenden Erfindung geeignet sind, und in U.S. Patent Nr. 5,409,532 dargelegt. Das bevorzugte Aminoxidlösungsmittel ist NMMO. Weitere typische Beispiele für in der Technik der vorliegenden Erfindung geeignete Lösungsmittel umfassen Dimethylsulfoxid (D.M.S.O.), Dimethylacetamid (D.M.A.C.), Dimethylformamid (D.M.F.) und Caprolactanderivate. Der gebleichte Zellstoff wird durch ein beliebiges bekanntes Mittel, wie ein solches, das in U.S. Patent Nr. 5,534,113; 5,330,567; und 4,246,221 dargelegt ist, in einem Aminoxidlösungsmittel gelöst. Die Zellstofflösung wird Spinnlösung genannt. Die Spinnlösung wird verwendet, um Lyocell-Fasern, -Überzüge und -Fließstoffe oder andere Produkte durch eine Vielzahl von Methoden herzustellen, die Melt Blowing, Spun-Bonding, Zentrifugalspinnverfahren, Trocken-Nass(Dry-Jet Wet)-Verfahren oder ein beliebiges anderes geeignetes Verfahren umfassen. Beispiele einiger dieser Methoden sind in U.S. Patent Nr. 6,235,392; 6,306,334; 6,210,802; und 6,331,354 beschrieben. Beispiele von Methoden zum Herstellen von Überzügen sind in U.S. Patent Nr. 5,401,447 und 5,277,857 dargelegt. Melt Blowing, Zentrifugalspinnverfahren und Spun-Bonding, welche verwendet werden, um Lyocell-Fasern und nicht gewebte Gewebe herzustellen, sind in U.S. Patent Nr. 6,235,392 und 6,306,334 beschrieben. Trocken-Nass-Verfahren sind in U.S. Patent Nr. 6,235,392; 6,306,334; 6,210,802; 6,331,354 und 4,142,913; 4,144,080; 4,211,574; 4,246,221 ausführlicher beschrieben.
Es wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung von Lyocell-Produkten, einschließlich Fasern, Überzügen und nicht gewebten Geweben aus Spinnlösung, die aus Zellstoff stammt, bereitgestellt, wobei der Zellstoff aus Holz mit niedriger Dichte hergestellt ist, und wobei der Zellstoff mindestens 7% Hemicellulose, eine Viskosität von weniger als oder etwa 32 cP, eine Kupferzahl von weniger als oder etwa 2, einen gewichteten Mittelwert der Faserlänge von weniger als oder etwa 2,7 mm und eine Lägenmasse von weniger als oder etwa 23 mg/100 m aufweist. Das Verfahren umfasst das Extrudieren der Spinnlösung durch eine Düse, um eine Vielzahl von Filamenten zu bilden, Waschen der Filamente zum Entfernen des Lösungsmittels, Regenerieren der Filamente mit einem Nicht-Lösungsmittel einschließlich Wasser oder Alkohol, und Trocknen der Filamente.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Bildung von Lyocell-Fasern aus Zellstoffen, die aus Holz mit niedriger Dichte gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Ausgehend von Holzzellstoff mit niedriger Dichte in Block 200 wird der Zellstoff mechanisch zerkleinert, z.B. in einem Reißwolf in Block 202. Der Zellstoff wird mit einem Aminoxid-Wasser-Gemisch gelöst, um eine Spinnlösung zu bilden, Block 204. Der Zellstoff kann mit einem Nicht-Lösungsmittel-Gemisch von etwa 40% NMMO und 60% Wasser befeuchtet werden. Das Gemisch kann in einem zweiarmigen Sigma-Flügelmischer gemischt werden und es kann ausreichend Wasser herausdestilliert werden, sodass etwa 12 bis 14% beruhend auf NMMO übrig bleibt, damit eine Cellulose-Lösung gebildet wird, Block 208. Alternativ kann zunächst NMMO mit geeignetem Wassergehalt verwendet werden, sodass kein Vakuumdestillationsblock 208 benötigt wird. Dies stellt eine zweckmäßige Art und Weise dar, um Spinnlösungen im Labor herzustellen, wobei kommerziell erhältliches NMMO mit einer Konzentration von etwa 40 bis 60% mit dem Laborreagenz NMMO mit nur etwa 3% Wasser gemischt werden kann, um ein Cellulose-Lösungsmittel mit 7–15% Wasser zu erzeugen. Die Feuchtigkeit, die üblicherweise in dem Zellstoff vorliegt, sollte dazu dienen, das Wasser, welches in dem Lösungsmittel vorliegt, einzustellen. Es wird auf die Artikel von Chanzy, H., und A. Peguy, Journal of Polymer Science, Polymer Physics Ausg. 18: 1137–1144 (1980) und Navard, P. und J. M. Haudin, British Polymer Journal, S. 174 (Dez. 1980) Bezug genommen, welche die Laborherstellung von Cellulosespinnlösungen in NMMO- und Wasser-Lösungsmittel beschreiben.
Der gelöste, gebleichte Zellstoff (nunmehr Spinnlösung genannt) wird in einem Verfahren durch Öffnungen einer Extrusionsdüse gepresst, welches Spinnen genannt wird, Block 210, um Cellulosefilamente herzustellen, die anschließend mit einem Nicht-Lösungsmittel, Block 202, regeneriert werden. Spinnen zur Bildung von Lyocell-Formkörpern einschließlich Fasern, Überzügen und nichtgewebten Geweben, kann Melt Blowing, Zentrifugalspinnen, Spun-Bonding und Trocken-Nass-Methoden umfassen. Schließlich werden die Lyocell-Filamente oder -Fasern gewaschen, Block 214.
Das Lösungsmittel kann entweder entsorgt oder wieder verwendet werden. Aufgrund seiner hohen Kosten ist es im Allgemeinen ungewünscht, das Lösungsmittel zu entsorgen. Die Regeneration des Lösungsmittels weist den Nachteil auf, dass das Regenerationsverfahren gefährliche, potenziell explosive Bedingungen mit sich bringt.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen lediglich die beste Ausführungsform, die nunmehr für das Ausüben der Erfindung vorgesehen ist, sie sollten jedoch nicht dahingehend ausgelegt werden, dass sie die Erfindung einschränken.
BEISPIEL 1
Ein kommerzielles kontinuierliches ausgeweitetes Delignifizierungsverfahren wurde im Labor unter Verwendung eines speziell gebauten Reaktorgefäßes mit dazugehöriger Hilfsausrüstung einschließlich Umlaufpumpen, Akkumulatoren und Direktwärmeaustauschern, etc. nachgebildet. Reaktortemperaturen wurden durch indirektes Erwärmen und kontinuierliche Zirkulation von Kochlauge reguliert. Das Reaktorgefäß wurde mit einer üblichen Menge an gleichwertigem feuchtigkeitsfreiem Holz beladen. Ein optionaler Schritt des atmosphärischen Vorbehandelns mit Dampf kann vor der Kochung ausgeführt werden. Eine Menge an Kochlauge, die von etwa 50% bis etwa 80% der Gesamtmenge reicht, wurde anschließend zusammen mit Verdünnungswasser auf den Zellstoffkocher aufgesetzt, um das vorgegebene Lauge zu Holz-Verhältnis zu erreichen. Der Reaktor wurde anschließend auf Imprägnierungstemperatur und -druck gebracht und für die vorgegebene Zeit bei dieser Temperatur und diesem Druck belassen. Im Anschluss an den Imprägnierungszeitraum wurde ein zusätzlicher Anteil der Gesamtkochlauge zu dem Reaktorgefäß zugegeben, welcher von etwa 5% bis 15% der Gesamtmenge reicht. Der Reaktor wurde anschließend auf Kochtemperatur gebracht und für die vorgegebene Zeitdauer dort belassen, um den Gleichstromanteil der Kochung nachzubilden.
Im Anschluss an den Gleichstromanteil der Kochung wurde der Rest der Kochlauge mit einer bestimmten Rate zu dem Reaktionsgefäß hinzugefügt. Die Rate ist von der vorgegebenen Zeitdauer und dem Anteil der Kochlauge, die für diesen Schritt der Kochung verwendet wird, abhängig. Der Reaktor wurde auf eine vorgegebene Kochtemperatur reguliert und während der Simulation des Gegenstromanteils der Kochung bei dieser Temperatur belassen. Verbrauchte Kochlauge wurde mit derselben vorgegebenen Rate aus dem Reaktor in einen externen Sammelbehälter abgezogen. Am Ende der Kochung wurde der Druck im Reaktorgefäß langsam abgebaut und das Reaktorgefäß wurde stehen gelassen, bis es auf eine Temperatur unterhalb des Entzündungspunktes abgekühlt war. Das Reaktionsgefäß wurde geöffnet und die aufgekochten Holzschnitzel wurden gesammelt, die Lauge wurde abgegossen, und sie wurden gewaschen, sortiert und zur Untersuchung bereitgestellt. Es wurden drei Kochungen von Holzschnitzeln mit niedriger Dichte zusammen mit drei Kochungen von Holz, das keine niedrige Dichte aufweist, zubereitet.
BEISPIEL 2
PARAMETER DES ZELLSTOFFAUFSCHLUSSVERFAHRENS FÜR HOLZ MIT NIEDRIGER DICHTE
Eine Kochung für Holzschnitzel mit niedriger Dichte wies die folgenden Parameter auf.
TABELLE 1
BEISPIEL 3
BLEICHVERFAHREN FÜR HOLZ MIT NIEDRIGER DICHTE
Der durch das Verfahren von Beispiel 2 hergestellte Zellstoff wurde gemäß der folgenden Prozedur gebleicht.
O-Schritt
Inwoods-Holzschnitzel mit niedriger Dichte wurden in einen alkalischen Kraft-Zellstoffaufschluss mit einer Kappa-Zahl von 16,8 (TAPPI Norm T236 cm-85) und einer Viskosität von 239 cP (TAPPI T230) aufgeschlossen. Der ungebleichte Zellstoff wurde mit Sauerstoff in einem Druckgefäß mit Hochkonsistenz-Mischleistungsfähigkeit behandelt. Das Gefäß wurde auf etwa 120°C vorgewärmt. Eine Menge von Natriumhydroxid (NaOH), die 100 Pfund pro Tonne Zellstoff entspricht, wurde zu dem alkalischen Zellstoffaufschluss hinzugefügt. Das Reaktionsgefäß wurde anschließend geschlossen und der Druck wurde durch Einbringen von Sauerstoff in das Druckgefäß auf 60 psig (pounds per square inch, gauge scale) (Pfund pro Quadratzoll, Eichmaßstab) erhöht. Wasser lag in dem Gefäß in einer ausreichenden Menge vor, um eine Konsistenz von 10% bereitzustellen.
Nach 45 Minuten wurde das Rühren beendet und der Zellstoff wurde aus dem Druckgefäß entfernt und gewaschen. Die sich ergebende Viskosität des gewaschenen Zellstoffes betrug 35,3 cP und wies eine Kappa-Zahl von 3,8 auf.
D-Schritt
Der D-Schritt behandelte den Zellstoff, der in dem O-Schritt veredelt wurde, durch dreimaliges Waschen mit destilliertem Wasser, Entstauben des Zellstoffes mit einem Staubabscheider und anschließendes Überführen des Zellstoffes in einen Polypropylensack behandelt. Die Konsistenz des Zellstoffes in dem Polypropylensack wurde durch Zugabe von Wasser auf 10% eingestellt. Chlordioxid, welches einer Menge entspricht, die 28,4 Pfund pro Tonne des Zellstoffes entspricht, wurde durch Lösen des Chlordioxids in dem Wasser, welches verwendet wurde, um die Konsistenz des Zellstoffes in dem Sack einzustellen, in den verdünnten Zellstoff eingebracht. Der Sack wurde abgedichtet und gemischt und anschließend bei 75°C für 30 Minuten in einem Wasserbad belassen. Der Zellstoff wurde entfernt und mit entionisiertem Wasser gewaschen.
E_P-Schritt
Der gewaschene Zellstoff aus dem D-Schritt wurde anschließend in einen frischen Polypropylensack hinzugegeben und Ätznatron wurde mit der Hälfte der Menge an Wasser, die notwendig ist, um eine Konsistenz von 10 bereitzustellen, eingebracht. Wasserstoffperoxid wurde mit der anderen Hälfte des Verdünnungswassers gemischt und in den Sack hinzugegeben. Die Beladung mit Wasserstoffperoxid entsprach 40 Pfund pro Tonne des Zellstoffes. Der Sack wurde abgedichtet und gemischt und für 55 Minuten bei 88°C in einem Wasserbad belassen. Nach dem Entfernen des Zellstoffes aus dem Sack und Waschen mit Wasser wurde der Vlies filtriert und anschließend in den Polypropylensack wieder eingebracht und per Hand zerlegt.
D-Schritt
Chlordioxid wurde ein zweites Mal in den Zellstoff in einer Menge, die 19 Pfund pro Tonne des Zellstoffes entspricht, mit dem Verdünnungswasser, welches notwendig ist, um eine Konsistenz von 10% bereitzustellen, eingebracht. Der Sack wurde abgedichtet und gemischt und anschließend für 3 Stunden bei 88°C in einem Wasserbad belassen. Der behandelte Zellstoff wies eine Kupferzahl von etwa 0,9 auf, welche durch die TAPPI Norm 430 gemessen wurde, und wie einen Hemicellulose (Xylan und Mannan)-Gehalt von 12,7% auf.
BEISPIEL 4
Holz mit niedriger Dichte, welches eine Dichte von 0,410 aufweist, wurde unter Verwendung des Kraft-Verfahrens aufgeschlossen und anschließend gebleicht und zum Vermindern seiner Viskosität mit verschiedenen Mengen an Sauerstoff behandelt. Die Bestandteile in den Zellstoffen, die unter Verwendung der Inwoods-Holzschnitzel mit niedriger Dichte hergestellt wurden, sind 7,2% Xylane und 5,5% Mannane.
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse für drei verschiedene Kochbedingungen. Während ungebleichter Zellstoff WAFL bereitgestellt wird, ist offensichtlich, dass gemäß den Bedingungen der vorliegenden Erfindung das Bleichen des ungebleichten Zellstoffes zum Vermindern seiner Viskosität ohne wesentliches Vermindern des Hemicellulose-Gehaltes nicht zu einem spürbaren Anstieg an dem gebleichten Zellstoff WAFL führt und tatsächlich niedriger sein mag als der ungebleichte Zellstoff WAFL.
TABELLE 2
VERGLEICHSBEISPIEL 5
PARAMETER DES ZELLSTOFFAUFSCHLUSSVERFAHRENS FÜR HOLZ MIT NIEDRIGER DICHTE
Herkömmliche Tolleson-Holzschnitzel, die aus Holz mit einer Dichte von 0,495 hergestellt wurden, wurden unter Verwendung des Kraft-Verfahrens aufgeschlossen und anschließend zum Vermindern seiner Viskosität mit unterschiedlichen Mengen an Sauerstoff behandelt. Tabelle 3 zeigt die Zellstoffaufschlussbedingungen für eine Kochung von Tolleson-Holzschnitzeln.
TABELLE 3
Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse von drei verschiedenen Kochungen unter Verwendung von herkömmlichen Tolleson-Holzschnitzeln, die aus Holz mit niedriger Dichte hergestellt sind. Bestandteile in den Zellstoffen, die unter Verwendung der Tolleson-Holzschnitzel mit niedriger Dichte hergestellt wurden, sind 6,5% Xylose; 6,6% Mannose; 5,7% Xylane; und 5,9% Mannane.
TABELLE 4
Man kann erkennen, dass die Viskosität der Zellstoffe, die aus den Inwoods-Holzschnitzeln mit niedriger Dichte hergestellt wurden, niedriger ist als die Viskosität der Zellstoffe, die aus den Tolleson-Holzschnitzeln mit niedriger Dichte hergestellt wurden.
Man kann erkennen, dass die Viskosität der Zellstoffe, die aus den Inwoods-Holzschnitzeln mit niedriger Dichte hergestellt wurden, niedriger ist als die Viskosität der Zellstoffe, die aus den Tolleson-Holzschnitzeln mit niedriger Dichte hergestellt wurden.
Während die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht und beschrieben worden ist, erkennt man, dass verschiedene Änderungen daran durchgeführt werden können, ohne von dem erfinderischen Gedanken und dem Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Zellstoffes, umfassend: Aufschließen eines Holzmaterials mit einer Dichte von weniger als 0,41 durch ein alkalisches Aufschlussverfahren; und Bleichen des Zellstoffes, um die Viskosität des Zellstoffes zu vermindern und einen gebleichten Zellstoff bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Viskosität mindestens 32 cP oder weniger beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gebleichte Zellstoff mindestens 7 Gewichts-% Hemicellulose aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gebleichte Zellstoff eine Kupferzahl von weniger als 2 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gebleichte Zellstoff einen gewichteten Mittelwert der Faserlänge von weniger als 2,7 mm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gebleichte Zellstoff eine Längenmasse von weniger als 32 mg/100 m aufweist.