FI126694B - Kemimekaaninen massa ja menetelmä sen valmistamiseksi - Google Patents

Description

Kemimekaaninen massa ja menetelmä sen valmistamiseksi

Esillä oleva keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista menetelmää kemimekaanisen massan valmistamiseksi hakepaloista koostuvasta puurakaa-aineesta. Tällaisen menetelmän mukaan puuraaka-aineesta koostuvat hakepalat saatetaan kosketuksiin alkalisen kyllästysliuoksen kanssa olosuhteissa, joissa liuos tunkeutuu hakepalojen sisään hakepalojen impregnoimiseksi, ja kyllästysliuoksella käsitellyt hakepalat jauhetaan mekaanisen massan valmistamiseksi.

Keksintö koskee myös patenttivaatimuksen 13 mukaista kemimekaanista massaa.

Kemimekaanista massaa valmistetaan jauhamalla haluttuun suotautuvuuteen hakepaloja, jotka on esikäsitelty kemikaaleilla, tyypillisesti alkalisella nesteellä. Kemikaalikäsittely edistää jauhatusta ja parantaa mekaanisen massan ominaisuuksia. Myös kemiallisessa keitossa esikäsitellään hakepaloja emäksisillä liuoksilla kuidutuksen parantamiseksi.

Niin mekaanisen kuin kemiallisenkin massan valmistuksessa hyvä, tasainen kemikaalien imeytys hakkeeseen on oleellisen tärkeää. Epätasainen imeytys johtaa massan korkeaan tikkupitoisuuteen ja alentuneeseen lujuuspotentiaaliin.

Nesteen ja kemikaalien imeytyminen puuhun tapahtuu kahdella mekanismilla, nimittäin penetraatiolla ja diffuusiolla. Penetraatio tapahtuu paine-eron ja diffuusio vastaavasti vallitsevien konsentraatioerojen vaikutuksesta. Imeytyksen alussa hakepalojen sisäisen ja vastaavasti niiden ulkopuolella vallitsevien paineiden ero on se tekijä, joka ajaa penetraatiota, kunnes paine-erot ovat tasoittuneet. Kun koko hakepala on täyttynyt nesteellä, diffuusio on se aineensiirtomekanismi, jolla kemikaalit voivat siirtyä hakkeeseen ja reaktiotuotteet hakkeesta ulos on.

Penetraatiota on luonnollista ja pakotettua. Luonnollisessa penetraatiossa paine-ero syntyy kapillaarivoimista, kun taas pakotetussa penetraatiossa paine-ero aikaansaadaan ulkopuolisella paineella tai aikaansaamalla alipaine hakkeessa.

Alkaliset imeytysliuokset turvottavat kuitujen seinämiä ja kaventavat näin kapillaareja. Tämä heikentää pituussuunnan penetraatiota. Toisaalta alkaliset liuokset liuottavat myös kuidun komponentteja ja nopeuttavat näin penetraatiota.

Diffuusio on penetraatiota huomattavasti hitaampi. Lämpötilan nosto lisää diffuusionopeutta, mutta on tunnettua, että reaktionopeus kasvaa huomattavasti nopeammin kuin diffuusio-nopeus. Niinpä kirjallisuudessa on tietoja, joiden mukaan esimerkiksi sulfaattikeitolle on laskettu diffuusiokertoimien ja aktivoitumisenergin avulla, että diffuusionopeus 170 °C:ssa on noin 4 kertaa suurempi kuin 100 °C:ssa. Reaktionopeus on samalla kasvanut 900-kertaiseksi (Taiton, J. The diffusion of sodium hydroxide in wood at high pH as a function of temperature and degree of pulping, M.Sc. Thesis, North Carolina State University, 1986, 45 s).

Reaktionopeuden nousu johtaa samalla alkalin kulutuksen kasvuun.

Diffuusioon vaikuttaa puolestaan alkaliannos ja hakepalan koko. Hakepalan paksuutta kasvatettaessa on alkaliannosta kasvatettava, jotta rejektin määrä ei kasvaisi.

Alkaliannostuksen kasvattaminen kasvattaa alkaligradienttia hakepalan ja ympäröivän liuoksen välillä (neste/puu -suhde sama) ja näin diffuusionopeus kasvaa.

Todettakoon edelleen, että impregnointiin annosteltavan alkalin annostus on tärkein kemimekaanisen massan, CTMP:n, saantoon vaikuttava tekijä. Kuituhävikki johtuu pääasiassa etikkahapon lohkeamisesta, ligniinin ja happamien polysakkaridien liukenemisesta alkalin vaikutuksesta. Alkaliannostuksen vaikutus on lehtipuulla suurempi kuin havupuulla ja haavalla se on erityisen suuri. Alkaliannoksen (esim. NaOH:n määrän) kasvaessa arvosta 0,5 % arvoon 3 % saanto laskee lineaarisesti n. 95 %:sta 89 %:iin haavalla konventionaalisessa prosessissa.

Osa saantohäviöstä tapahtuu jo impregnoinnin aikana, osa vasta sitä seuraavassa jauhatus-aiheessa korkeassa lämpötilassa. Käytännössä suurta alkaliannosta joudutaan käyttämään, kun impregnointi halutaan saada tapahtumaan mahdollisimman täydellisesti. Alkaliliuoksen penetraatio hakepalaseen on hidas ja alkali pyrkii kulumaan hakepalan ulko-osissa sisäosan jäädessä ilman alkalia. Tämä näkyy jauhatuksessa massan korkeana tikkupitoisuutena.

Erityisen ongelmallinen on alkalin vaikutus valmiin kemimekaanisen massan sirontaan. Alkaliannostuksen kasvaessa sironta laskee ja on samassa jauhatustasossa verrattaessa aina pienempi suuremmalle alkaliannostukselle. Valkaisu edelleen alentaa sirontaa. Korkealuokkaisia painopapereita ajatellen sironta ja vaaleus ovat keskeiset massalta vaadittavat ominaisuudet. Lehtipuu-CTMP -massoja on mahdollista valmistaa korkeaan vaaleuteen, jopa ISO-vaaleuteen 88 %, asti.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnettuun tekniikkaan liittyvät epäkohdat ja saada aikaan aivan uudenlainen ratkaisu kemimekaanisen massan valmistamiseksi.

Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että kemimekaanisen massan valmistuksessa hakkeen impregnointi suoritetaan ylipaineessa.

Richardson ja LeMahieu ovat esittäneet superhiokkeen valmistusmenetelmän, jossa haapahaketta impregnoidaan noin 75 °C:n lämpötilassa ja 4 bar paineessa natriumhydroksidin ja natriumsulfiitin seoksella ennen hakkeen jauhamista [Tappi 1965 (48), nro 6, p. 344-346], Kasvattamalla emäksen konsentraatiota massan lujuutta voitiin artikkelin mukaan lisätä ja samalla energiankulutusta vähentää. Ongelmana tunnetussa ratkaisussa oli kuitenkin, että alkalin lisääminen heikensi massan valkaistavuutta.

Julkaisussa US5164042A on esitetty menetelmä massan valmistamiseksi hakepaloista koostuvasta puuraaka-aineesta, joka sisältää lignoselluloosaa. Menetelmässä materiaalia käsitellään höyryllä ilman poistamiseksi materiaalista ja sen lämmittämiseksi. Lämpökäsitelty materiaali sekoitetaan kemikaaleja sisältävän nesteen kanssa. Kyllästysasemalla lämpökäsitelty materiaali kyllästetään yllä mainituilla kemikaaleilla, jonka jälkeen materiaali puhdistetaan jalostusasemalla. Kyseisen julkaisun mukaan höyrykäsitelty materiaali sekoitetaan yllä mainitun nesteen kanssa annoksittain niin, että sekoituksen seurauksena syntyvällä materiaalia ja nestettä sisältävällä seoksella oletetaan olevan virtaava pumpattava koostumus, joka voidaan pumpata sekoitusasemalta kyllästysasemalle.

Esillä olevassa keksinnössä on yllättäen todettu, että yhdistämällä hakkeen tehokas ilmanpoisto, joka sopivimmin suoritetaan höyryttämällä, paineelliseen impregnointiin, kyllästämistä voidaan tehostaa ja alkaliannosta merkittävästi vähentää. Samassa freeness-tasossa verrattuna päästään oleellisesti pienemmällä alkaliannostuksella samaan tai jopa pienempään tikkupitoisuuteen ja vastaavasti massan sironta on korkeampi kuin konventionaalisessa paineettomassa impregnoinnissa.

Keksinnön mukainen menetelmä voidaan toteuttaa laitteistossa, jossa on sarjaan järjestettyinä hakkeen ilmanpoisto-yksikkö, hakkeen impregnointiyksikkö sekä hakkeen jauhatusyksikkö, jolloin impregnointi-yksikkö käsittää suljetun astian, jossa impregnointikäsittely voidaan suorittaa ylipaineessa. Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaiselle massalle on puolestaan tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksessa 13.

Keksinnöllä saavutetaan huomattavia etuja. Niinpä pilot-kokein on voitu osoittaa, että paineellisella impregnoinnilla voidaan alkaliannosta alentaa jopa 50 %:lla ja enemmän. Keksinnöllä voidaan kasvattaa massan sirontaa; yllättäen sironta on kokeissa ollut jopa korkeampi kuin TMP-referenssillä (0 % alkali) ja merkittävää on, että sirontaa on voitu kasvattaa ilman tikkupitoisuuden kasvua. Samassa freeness-tasossa myös bulkki paranee.

Paineellista impregnointia soveltamalla on ollut mahdollista päästä jopa yli 95 %:n penetraatioasteisiin laboratoriokokeissa, joissa referenssipisteissä maksimipenetraatioaste on ollut 63 - 74 %. Pilot-koeajoissa on myös voitu laskea alkalikonsentraatiota tavanomaiselta tasolta 0,8 -1,2 %/Adt jopa tasolle 0,25 %/Adt ilman tikkupitoisuuden kasvua. Kaikissa koepisteissä sironta on ollut referenssiä selvästi korkeampi.

Paineellinen impregnointi antaa paremmat mahdollisuudet kemihierremassojen laadulliseen kehittämiseen eri loppukäyttösovellutuksiin.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan yksityiskohtaisen selityksen avulla alla esitettäviin sovellutusesimerkkeihin viitaten.

Oheisessa kuviossa on esitetty keksinnön mukaisessa menetelmässä käytettävän laitteiston yksinkertaistettu kaaviokuva.

Kuten yllä esitetystä käy ilmi, keksinnön mukainen menetelmä käsittää kolme vaihetta, jolloin - puuraaka-aineesta poistetaan ensin ainakin suurin osa sen sisältämästä ilmasta, - näin saatu raaka-aine kyllästetään, eli impregnoidaan, alkalisella liuoksella ylipaineessa siten, että alkali saadaan tehokkaasti imeytetyksi hakepalojen sisään, ja - käsitellyt hakepalat jauhetaan ennalta valittuun suotautuvuuteen.

Massa valmistetaan siten kemimekaanisesti. Kemimekaanisella massanvalmistuksella tarkoitetaan tässä keksinnössä yleisesti prosessia, johon sisältyy sekä kemiallinen että mekaaninen kuidutusvaihe, kuten yllä on selostettu. Kemimekaanisia prosesseja ovat CMP- ja CTMP-prosessit, joista CMP-prosessissa puuraaka-aine hierretään normaalipaineessa, kun taas CTMP-prosessissa valmistetaan painehierre. CMP-prosessin saanto on yleensä CTMP-prosessia pienempi (alle 90 %), mikä johtuu siitä, että sen kemikaaliannostus on suurempi. Molemmissa tapauksissa puun kemikaalikäsittely tapahtuu perinteisesti natriumsulfiitilla (sulfonointikäsittely), jolloin lehtipuuta voidaan myös käsitellä natriumhydroksidilla. Tyypillinen kemikaaliannostus on tällöin CTMP-prosessissa noin 0-4 % natriumsulfiittia ja 1-7 % natriumhydroksidia ja lämpötila noin 60-120 °C. CMP-prosessissa kemikaaliannostus on 10-15 % natriumsulfiittia ja/tai 4-8 % natriumhydroksidia (annostukset laskettu kuivasta puusta) ja lämpötila 130-160 ja vastaavasti 50-100 °C.

Kemimekaanisessa prosessissa hake voidaan impregnoida myös alkalisella peroksidiliuoksella (APMP-prosessi). Peroksidin annostus on yleensä 0,1 - 10 % (kuivan massan painosta), tyypillisesti noin 0,5 - 5 %. Alkalia, kuten natriumhydroksidia syötetään saman verran, eli noin 1-10 paino-%.

Etenkin keksintö koskee CTMP-prosessia, jossa impregnoinnista saatava hake kuidutetaan painehierremenetelmäl lä.

Keksinnön mukaisen prosessin lähtöaine on havu- tai lehtipuumateriaalista koostuva hake. Etenkin valmistukseen käytetään lehtipuuhaketta, joka on tuotettu koivusta (yleisesti Betula-suvun puulajista) tai Populus-suvun puulajista tai näiden seoksesta. Esimerkkinä soveltuvista Betula-suvun puulajeista mainittakoon Be tuki pendula ja Betula pubescens ja Populus-suvun puulajeista mainittakoon etenkin: P. tremula, P. tremuloides, P balsamea, P. balsamifera, P. trichocarpa, P. heterophylla, P. deltoides ja P. grandidentata. Haapaa (maatiaishaapa, P. tremula; nk. kanadalainen haapa E. tremuloides), erilaisista kantahaavoista risteytettyjä haapalajeja ns. hybridihaapoja (esim. P. tremula x tremuloides, P. tremula x tremula, P. deltoides x trichocarpa, P. trichocarpa x deltoides, P. deltoides x nigra, P. maximowiczii x trichocarpa) ja muita geeniteknisesti tuotettuja lajeja sekä poppelia pidetään erityisen edullisina.

Betula- ja Populus-sukujen puulajien lisäksi raaka-aineena voidaan myös käyttää muita lehtipuulajeja, kuten eukalyptusta ja mixed tropical hardwoodia. Havupuusta mainittakoon kuusi (Picea ah ie s) ja mänty (Pinus silvestris) sekä muut Picea-ja. Pinus-sukujen puulajit.

Yhden sovelluksen mukaisesti valmistetaan kemimekaanista massaa, joka 100 %:sesti koostuu havupuukuiduista. Keksinnössä voidaan kuitenkin valmistaa lehti-ja havupuukuitujen seoksesta koostuvaa kemimekaanista massaa, joka sisältää ainakin 5 % havupuukuituja, esimerkiksi se voi sisältää 50 - 99 % lehtipuukuituja ja 1 - 50 % havupuukuituja. Havupuukuiduilla, etenkin kuusikuiduilla, voidaan massan huikkia, lujuusominaisuuksia ja jäykkyyttä kasvattaa.

Puuraaka-aineen hakepalat ovat tavallisesti noin 20 - 50 mm x 1 - 10 mm, tyypillisesti noin 35 - 40 mm x 3 - 5 mm.

Puuhakkeesta poistetaan ensin sen sisältämä ilma mahdollisimman täydellisesti. Yleensä pyritään poistamaan ainakin 70 %, etenkin noin 80-100 %, hakkeeseen sisältyvästä ilmasta. Oheisen prosessikaavion mukaisessa tapauksessa tämä ilmanpoisto suoritetaan höyryttämällä haketta höyrystimessä 1. Kuvion mukaisessa prosessissa lähtöainehake syötetään ruuvi-kuljettimen 2 avulla höyrytyssiiloon 1 Johon syötetään höyryä joko yhdestä syöttöyhteestä tai, kuten kuviossa on esitetty, useammasta yhteestä 3a-3c höyryn jakamiseksi tasaisesti siilossa olevaan hakkeeseen. Höyrytyksen tehtävä on ajaa ilma pois hakepalasista. Samalla hakepalasiin jää höyryä. Höyrytys voidaan tehdään esim. kuvion esittämässä jatkuvatoimisessa höyryttimessä 1, jossa hakepalat kulkevat kuvion mukaisen höyrytyssiilon 1 läpi, jossa ne saatetaan kosketuksiin kylläisen tai lähes kylläisen höyryn kanssa noin 0,5 - 20 minuutin, etenkin noin 1-10 minuutin ajan. Höyrytys voidaan tehdä ylipaineessa, mutta tavallisesti normaali-ilmanpainehöyrytys on täysin riittävä. Etenkin toimitaan korotetussa lämpötilassa, joka onesim. noin 50- 100 °C, etenkin noin 80-100 °C, aina sen mukaan, miten kylläinen käytettävä höyry on. Höyrytyksen sijaan ilmanpoisto voidaan tehdä alipaineessa/vakuumissa tai höyrytystä voidaan tehostaa vakuumikäsittelyllä. Höyrytyssiilosta käsitelty hake poistetaan poistoyhteen 4 kautta, minkä jälkeen haketta sopivimmin puristetaan tulpparuuvissa 5. Tämän vaiheen jälkeen ilmasta on saatu tyypillisesti ainakin 95 %, edullisesti ainakin 98 % poistetuksi, jolloin samalla osa höyrystä poistuu. Täydellisyyden vuoksi on syytä todeta, että hakkeen höyrytystä käytetään sekä sulfaattisellun että kemimekaanisen hierteen valmistuksessa. Ennen tätä keksintöä ei kuitenkaan olla ehdotettu hakkeen höyrytyksen ja paineellisen impregnoinnin yhdistämistä kemimekaanisen massan valmistuksessa.

Ilmanpoistovaiheen jälkeen hakepalat saatetaan impregnointikäsittelyyn 6. Keksinnön edullisessa sovellutusmuodossa höyrytetyt hakepalat tuodaan oleellisesti höyrytyksen lämpötilassa imeyttimessä 6 suoritettavaan impregnointivaiheeseen, jolloin impregnointivaiheessa kyllästysliuoksen lämpötila pidetään höyrytyksen lämpötilaa matalampana. Käytännössä impregnointivaihe suoritetaan suljetussa astiassa, eli paineastiassa, joka on järjestetty alavirtaan suhteessa höyryttimeen. Kuviossa on esitetty imeytin käsittää yleisesti ottaen pitkänomaisen imeyttimen, jolla on oleellisesti pystysuoraan järjestetty pituusakseli ja jossa on yläosa ja alaosa, jolloin ilmanpoistoyksiköstä saatava hake on syötettävissä imeyttimen yläosaan ja poistettavissa imeyttimen alaosasta. Keksinnön mukaisesti imeyttimeen on yleensä muodostettavissa ainakin 1,5 bar, edullisesti noin 1,5-15 bar absoluuttinen paine.

Kun hakepalat syötetään nopeasti impregnointiastiaan, niiden lämpötila ehtii laskee enintään noin 10 - 20 °C ennen impregnointivaiheen alkamista.

Imeyttimessä 6 on yläerotin 7, jonka syöttöyhteen 7a kautta hake syötetään imeyttimeen ja jossa erotetaan nestettä hakepaloista. Tämä neste kierrätetään höyrytyssiilon 1 poistevirtaan.

Edullisessa sovelluksessa hövrytetyt hakepalat syötetään impregnointivaiheeseen yhdessä impregnointikemikaalien kanssa, jolloin imeytyskemikaalit syötetään erillisistä syöttöyhteistä 10a-10c siihen putkijohtoon 11, joka yhdistää höyryttimen 1 poistoyhteen 4 ja imeyttimen 6 syöttöyhteen 7a. Putkilinjassa on sopivimmin pumput 20, 21 tai vastaavat elimet paineen kehittämiseksi.

Impregnointivaiheessa käytetään kyllästysliuosta, joka käsittää alkalisen aineen vesiliuoksen, joka valinnaisesti sisältää sulfonointikemikaaleja. Tyypillisesti käytetään alkalimetalli-hydroksidin, kuten NaOH:n, tai maa-alkalimetallihydroksidin, kuten Mg(OH)2:n, vesiliuosta, joka haluttaessa sisältää esim. sulfiittiyhdisteitä, kuten natriumsulfiittia. Alkalihydroksidin pitoisuus on tyypillisesti noin 2-12 kg/Adt (air dried ton of pulp), edullisesti kuitenkin korkeintaan noin 6 kg/Adt, erityisen edullisesti korkeintaan noin 4 kg/Adt. Liuoksen pH-arvo on noin 9-11 Sulfiittiyhdistettä käytetään noin 1-20 kg/Adt, lehtipuulle sopivimmin korkeintaan 3 kg/Adt.

Puhtaiden liuosten lisäksi impregnointiin voidaan käyttää myös alkalisten aineiden seosten vesiliuoksia, kuten sellunkeiton keittolientä, kuten valko- tai viherlipeää. Impregnointivaiheen lämpötila on noin 30-95 °C, edullisesti noin 40 - 90 °C, mikä voidaan saavuttaa ainakin osittain jo hakkeen kautta tuotavalla lämmöllä. Yleensä lämpötila on impregnoinnissa ilmanpoistovaiheen lämpötilaa alhaisempi. Impregnointivaiheen paine on keksinnön mukaan noin 1,5-15 bar, edullisesti noin 2- 10 bar, absoluuttista painetta. Tämä tarkoittaa siten, että impregnoinnissa käytetään ainakin noin 0,5 bar ylipainetta. Puun ja nesteen suhde (p/p) on yleensä noin 1:20... 1:4, etenkin noin 1:15.1:6.

Imeytyskemikaalien annostusta voidaan säätää käsiteltävän hakkeen mukaan ja tarvittaessa kasvattaa.

Imeytyskäsittelyn kesto on noin 1 - 240 minuuttia, edullisesti noin 5-120 minuuttia, etenkin noin 10-60 minuuttia.

Impregnointivaiheessa hakepalat kyllästetään mahdollisimman täydellisesti emäksellä.

Yleensä pyritään täyttämään kyllästysliuoksella ainakin 85 %, edullisesti ainakin 90 %, erityisen edullisesti ainakin 95 %, hakepalojen huokosten tilavuudesta.

Kyllästys voi olla yksi- tai useampivaiheinen, jolloin ainakin yksi kyllästysvaihe suoritetaan ylipaineessa. Yhden edullisen sovelluksen mukaan tehdään ensin kuumalle hakkeelle kyllästys ylipaineessa edellä mainituissa olosuhteissa, minkä jälkeen kyllästystä jatketaan vielä avoimessa säiliössä tai astiassa samassa tai eri lämpötilassa. Voidaan suorittaa ajallisesti noin 10-80 % koko kyllästyskäsittelystä paineellisissa olosuhteissa. Alla esitettävässä sovelluksessa paineellisen ja paineettoman käsittelyn kesto oli yhtä pitkä, jolloin kokonaisaika oli 40 minuuttia.

Kyllästysvaiheesta saatavat hakepalat poistetaan poistoyhteen 6a kautta. Viitenumero 6b tarkoittaa imeyttimen purkainta, jonka avulla laitteen pohjalle jäävä fraktio voidaan poistaa. Hake viedään tämän jälkeen konventionaalisen kemimekaanisen massan jauhatukseen 12, joka voidaan suorittaa esim. uritetuilla jauhatusterillä varustetuissa jauhimissa. Puuraaka-aine jauhetaan ennalta valittuun suotautuvuuteen, joka on 50 - 500 ml CSF, erityisen edullisesti noin 90-150 ml CSF.

Kaaviossa 1 on esitetty, miten käytännössä imeytyksestä saatava hakevirta voidaan ennen jauhatusta saattaa jatkokäsittelyyn, jossa ruuvipuristimessa 13 ensin poistetaan ylimääräinen impregnointiliuos, minkä jälkeen kemikaalien reaktiota voidaan jatkaa reaktiosiilossa 14 ennen kuin hake ruuvikuljettimien 15a ja 15b jälkeen siirretään jauhatukseen. Reaktioaika reaktiosiilossa 14, mikäli tällaista käytetään, on tyypillisesti noin 0,1-10 tuntia.

Hakkeesta voidaan ruuvipuristimessa 13 erottaa epäpuhtaudet ja jauhatukseen kelpaamaton kuituaines, joka lajittimen 16 kautta poistetaan rejektikanavaan. Ruuvipuristimesta saatava nestefaasi 17 voidaan kierrättää, mahdollisesti tuorevesisyöttöön yhdistettynä putkilinj aan 10. Viitenumerot 22 ja 23 tarkoittavat nestefaasin syöttämiseen järjestettyjä pumppuja. Kuten kuviosta näkyy, imeytysliuosta sopivimmin kierrätetään prosessissa ja sen alkali-konsentraatiota voidaan säätää (kasvattaa) alkalin tuoresyötöllä.

Korostettakoon että oleellista keksinnössä on hyvä ilmanpoisto ennen imeytysliuoksen ja hakkeen yhdistämistä sekä paineellinen impregnointi. Nämä yhdessä aikaansaavat tehokkaan imeytysliuoksen penetraatiota hakepalojen sisälle. Viipymäaika ja lämpötila paineastiassa valitaan siten, että diffuusio-ja reaktioaika saadaan säädetyksi. Diffuusion täytyy ehtiä tapahtua, reaktionopeus ei saa olla liian suuri.

Edellä esitetyllä kemimekaanisella massalla on poikkeuksellisen hyvät ominaisuudet. Kuten johdannossa todetaan, massalla on parannettu valonsironta, joka on aikaansaavutettu tikkupitoisuutta kasvattamatta. Niinpä verrattuna samassa ffeeness-tasossa keksinnön mukaisen massan valonsironta on ainakin 5 %, jopa 10 %, parempi kuin korkea alkalireferenssin. Samalla keksinnön mukaisten massojen tikkupitoisuudet ovat alempia kuin TMP-referenssillä ja yllättäen jopa alempia kuin korkea alkalireferenssillä. Samassa freeness-tasossa myös bulkki paranee, jopa 5 %:lla

Esimerkkinä voidaan mainita, että haavasta valmistetulla CTMP-massalla voi olla sironta, joka on suurempi kuin 45 m2/kg ja tikkupitoisuus pienempi kuin 0,3 %. Vastaavasti koivusta on mahdollista saada massaa, jonka sironta on suurempi kuin 45 m2/kg ja tikkupitoisuus pienempi kuin 1,5 %. Nämä ovat vain esimerkkejä massan ominaisuuksista ja korostettakoon, että massanvalmistaja voi keksinnön puitteissa vapaasti valita joko halutun sirontatason tai tikkutason ja keksinnön avulla saavuttaa merkittävän parannuksen toisen parametrin osalta.

Keksinnön mukaista massaa voidaan käyttää paperi- ja kartonki tuotteiden valmistamiseen.

Niinpä edellä esitetyn kuidutuksen jälkeen massa valkaistaan tavallisesti esim. vetyperoksidilla aikalisissä olosuhteissa vaaleuteen, joka on noin 75 - 88 %. Lähtöaineen ominaisuuksien muokkaamiseksi massa voidaan haluttaessa sekoittaa kemiallisen massan kanssa, siten että saadaan sulputettava lähtöaine, joka kuitenkin sisältää merkittävän määrän (ainakin 30 paino-%) kemimekaanista massaa. Kemiallisena massana käytetään edullisesti havupuusellua, jonka osuus tällöin on 1 - 50 % raaka-aineen kuitujen kuivapainosta. On kuitenkin mahdollista käyttää pelkästään kemimekaanista haapamassaa.

Paperimassa sulputetaan sinänsä tunnettuun tapaan sopivaan sakeuteen (tyypillisesti noin 0,1 -1 %:n kiintoainepitoisuuteen) ja levitetään viiralle, jossa se rainataan paperi- tai kartonkiradan muodostamiseksi. Kuitusulppuun voidaan lisätä täyteainetta, kuten kalsiumkarbonaattia, yleensä noin 1-50 paino-% kuitujen painosta.

Paperirata voidaan pintaliimata ja/tai varustaa päällystyskerroksella sekä haluttaessa kalan-teroida. Päällystyspastoja voidaan käyttää kertapäällystyspastoina sekä nk. esipäällystys-ja pintapäällystyspastoina. Myös kolmikertaisen päällysteet ovat mahdollisia. Yleisesti keksinnön mukainen päällystysseos sisältää 10-100 paino-osaa ainakin yhtä pigmenttiä tai pigmenttien seosta, 0,1-30 paino-osaa ainakin yhtä sideainetta sekä 1-10 paino-osaa muita sinänsä tunnettuja lisäaineita.

Edellä esitetyllä tavalla keksinnön mukaisesta massasta voidaan tuottaa materiaalirainoja, joilla on erinomaiset painettavuusominaisuudet, hyvä sileys ja korkea opasiteetti ja vaaleus. Esimerkkeinä käyttökohteista mainittakoon hienopaperit, päällystetyt painopaperit ja esitepaperit sekä monikerroskartonkien liner-kerrokset.

Seuraavat ei-rajoittavat esimerkit havainnollistavat keksintöä.

Esimerkki 1

Valmistettiin laboratoriossa CTMP-massaa haavasta seuraavissa olosuhteissa:

Sadassa asteessa 2-5 minuutin ajan höyrytettyjä haapahakepaloja kyllästettiin eri määrillä natriumhydroksidia 5 bar (a) paineessa, 80 °C:ssa 20 minuutin ajan suljetussa säiliössä. Tämän jälkeen kyllästystä jatkettiin vielä 20 minuuttia avoimessa reaktiosiilossa 80 °C:ssa.

Massan ominaisuuksien määrittämiseen käytettiin mm. seuraavia menetelmiä: - bulkki cm3/g: EN 20534 - sironta m2/kg: ISO 9416 - CSF ml: ISO 5267-2 - tikut: ns. Pulmac-tikut, näytemäärä 3 g ja rakolevy 150 ml CSF-massalle 0,08 ja 325 ml CSF-massalle 0,10 mm.

Taulukossa 1 on esitetty tulokset, kun näin käsitelty hake jauhettiin suotautuvuustasolle 150 ml CSF.

Taulukko 1. Haapamassa. CSF 150 ml

Kuten taulukosta näkyy, keksinnön avulla voidaan alentaa alkalihydroksidin annostusta, jolloin sironta selvästi kasvaa ilman tikkupitoisuuden kasvua. Sironnassa havaitaan konventionaaliseen alkalimäärään nähden yli 10 %:n kasvu. Yllättäen tikkupitoisuus oli jopa alempi kuin 1,2 %:n alkalireferenssillä.

Taulukossa 2 on esitetty yllä esitettyjen massojen bulkki.

Taulukko 2

Kuten nähdään, samassa CSF-tasossa myös bulkki on hieman parempi.

Kokeet toistettiin koivuhakkeelle. Paineellinen impregnointi koivulla (80 °C, 5 bar, 20 min) antoi CSF-tasossa 325 ml seuraavat sirontatulokset:

Taulukko 3. Koivumassa. CSF 325 ml

Tässäkin tapauksessa saatiin siten merkittävä sironnan parannus, vaikka tikkupitoisuus jäikin tässä kokeessa korkeaksi. Se oli kuitenkin kolmanneksen pienempi kuin referenssillä.

Koivun tapauksessa alkaliannoksen pienentäminen ei merkittävästi vaikuttanut huikkiin.

Esimerkki 2. Laboratorioimpregnoinnit

Laboratoriossa normaalipaineessa tehtiin impregnointeja haavalla ja koivulla alkaliannoksilla 2.5, 5 ja 10 kg NaOFkta / ADt haketta. Puu:neste-suhde 1:8, lämpötila 80 °C.

Impregnointiliuoksesta otettiin näytteitä 15 min, 30 min, lh ja 3 h kuluttua impregnoinnin alusta. Impregnointiliuokseen liuenneen orgaanisen aineen määrä kasvoi jyrkästi alkaliannoksen kasvaessa ja impregnointiajan funktiona. Samalla liuennut COD kasvoi jyrkästi.

Alla olevaan taulukkoon on kerätty esimerkissä saadut tulokset alkaliannoksen vaikutuksesta kuituhäviöön haavan 40 minuutin laboratorioimpregnoinnissa.

Todettakoon samalla, että kuituhäviö on määritetty impregnointiliuoksesta ennen jauhatusta. Jauhatus kasvattaa liuenneen aineksen määrääjä vastaavasti kuituhäviötä sitä enemmän mitä suurempi alkaliannos on ollut.

Taulukko 4. Haapahake

Claims (13)

1. Menetelmä kemimekaanisen massan valmistamiseksi hakepaloista koostuvasta puurakaa-aineesta, jonka menetelmän mukaan - hakepalat saatetaan impregnointivaiheessa kosketuksiin alkalisen kyllästysliuoksen kanssa olosuhteissa, joissa kyllästysliuos tunkeutuu hakepalojen sisään, - puuraaka-aineesta poistetaan ainakin suurin osa sen sisältämästä ilmasta höyrytyksellä, joka suoritetaan lämpötilassa 50- 100 °C, ja - kyllästysliuoksella käsitellyt hakepalat jauhetaan haluttuun suotautuvuuteen massan valmistamiseksi, tunnettu siitä yhdistelmästä, että - impregnointivaiheessa käytetään kyllästysliuosta, joka sisältää alkalimetallihydroksidia, jonka annos on korkeintaan noin 6 kg/Adt, ja - näin saatu raaka-aine kyllästetään alkalisella kyllästysliuoksella ylipaineessa lämpötilassa 30 - 95 °C siten, että kyllästysliuos saadaan tehokkaasti imeytetyksi hakepalojen sisään ennen hakepalojen jauhatusta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puuraaka-ainetta höyrytetään korotetussa lämpötilassa, etenkin noin 80 - 100 °C:ssa, ilman poistamiseksi hakepaloista.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että - höyrytetyt hakepalat tuodaan oleellisesti höyrytyksen lämpötilassa impregnointi- vaiheeseen ja - impregnointivaiheessa kyllästysliuoksen lämpötila pidetään höyrytyksen lämpötilaa matalampana.

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että höyrytetyt hakepalat syötetään impregnointi vaiheeseen ruuvi puristimen kautta.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että impregnointivaiheessa käytetään kyllästysliuosta, joka sisältää alkalimetallihydroksidia, jonka annos on korkeintaan noin 4 kg/Adt.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kyllästysliuoksena käytetään alkalimetallihydroksidin, kuten natriumhydroksidin vesiliuosta, kemiallisen sellunkeiton keittolientä, kuten viher- tai valkolipeää, tai sulfiittiyhdistettä, kuten natriumsulfiittia, tai näiden yhdistelmiä.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puuraaka-aine jauhetaan suotautuvuuteen, joka on 50 - 500 ml CSF, edullisesti noin 90 -150 ml CSF.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että impregnointivaiheen lämpötila on noin 40 - 90 °C.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että impregnointivaiheen paine on noin 1,5-15 bar, edullisesti noin 2-10 bar, absoluuttista painetta.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että impregnointivaiheessa täytetään kyllästysliuoksella ainakin 85 %, edullisesti ainakin 90 %, erityisen edullisesti ainakin 95 %, hakepalojen huokosten tilavuudesta.

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että impregnointi suoritetaan useammassa vaiheessa, jolloin ainakin yksi vaiheista suoritetaan ylipaineessa ja ainakin yksi vaihe normaali-ilmanpaineessa.

12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hakepalojen höyrytys suoritetaan ainakin oleellisesti normaali-ilmanpaineessa käyttämällä kylläistä tai lähes kylläistä vesihöyryä.

13. Kemimekaaninen massa, tunnettu siitä, että se on valmistettu jonkin patenttivaatimuksen 1-12 mukaisella menetelmällä. Patentkrav: