Способ производства модифицированной целлюлозы для использования в продуктах из бумаги или бумажного полотна, беленая модифицированная сульфатная целлюлоза, бумага или картон - RU2454494C2

Чертежи

Описание

РОДСТВЕННЫЕ ПАТЕНТНЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая непредварительная заявка притязает на приоритет предварительной патентной заявки США с серийным номером 60/684,018, поданной 24 мая 2005 г.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к усовершенствованному способу производства целлюлозы, целлюлозе, произведенной в соответствии с данным способом, и бумажным и картонным изделиям, произведенным из беленой целлюлозы настоящего изобретения. Более конкретно, настоящее изобретение относится к усовершенствованию в способах производства целлюлоз, имеющих пониженное содержание гемицеллюлозы, которые имеют одно или несколько выгодных свойств.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны способы варки древесных стружек для образования целлюлоз и способы беления целлюлоз и использования беленых целлюлоз в производстве бумаги, картона и впитывающих изделий. Смотрите, например, патенты США №6,063,982, 5,766,159, 5,902,454 и 6,464,832.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Один аспект настоящего изобретения относится к способу производства модифицированной крафт-целлюлозы для использования в изделиях из бумаги или бумажного полотна, содержащему:

- обработку древесных стружек жидкостью, содержащей воду, в процессе экстракции для удаления гемицеллюлозы и получения обработанных древесных стружек, и сульфатной варке упомянутых обработанных древесных стружек для образования модифицированной крафт-целлюлозы, причем количество гемицеллюлозы, содержащейся в модифицированной крафт-целлюлозе, составляет приблизительно от 5 до 10 мас.% от сухой массы модифицированной целлюлозы.

Еще один аспект настоящего изобретения относится к модифицированной крафт-целлюлозе, полученной способом настоящего изобретения. Модифицированная крафт-целлюлоза настоящего изобретения имеет одно или несколько преимуществ. Эти преимущества включают улучшенное дренирование, которое повышает скорость производства бумаги при использовании целлюлозы настоящего изобретения по сравнению с немодифицированными целлюлозами. Такие преимущества также включают повышенную степень помола и улучшенные белимость, дренирование, обезвоживание и/или сушку по сравнению с немодифицированной крафт-целлюлозой.

Еще один аспект настоящего изобретения относится к бумаге, картону и впитывающим изделиям, изготовленным из модифицированной целлюлозы настоящего изобретения. Такие изделия имеют повышенный объем по сравнению с изделиями, полученными из немодифицированных целлюлоз.

Еще один аспект настоящего изобретения относится к предмету личной гигиены для впитывания жидкостей, причем такое изделие содержит по меньшей мере один верхний листовой слой, проницаемый для жидкости, и по меньшей мере один нижний листовой слой, в сущности непроницаемый для жидкости, и абсорбирующий материал промежуточного слоя, введенный между верхним листовым слоем и нижним листовым слоем, причем этот материал промежуточного слоя содержит модифицированную целлюлозу настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На чертежах:

Фиг.1 является графиком удержания воды против степени помола модифицированной целлюлозы настоящего изобретения и немодифицированной целлюлозы.

Фиг.2 является графиком объема против гладкости Sheffield для модифицированной целлюлозы настоящего изобретения и немодифицированной целлюлозы.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На первом этапе способа настоящего изобретения древесную щепу экстрагируют жидкостью, содержащей воду, для уменьшения и удаления гемицеллюлозы и получения обработанной древесной щепы. Тип древесной щепы, используемой в способе настоящего изобретения, особого значения не имеет, и можно использовать любой такой материал. Например, подходящая древесная щепа включает щепу лиственной древесины, хвойной древесины или сочетание лиственной и хвойной древесины. Термин "лиственные целлюлозы", используемый в настоящем документе, относится к волокнистой массе, полученной из древесного вещества листопадных деревьев (покрытосемянных), таких как осина и клен, тогда как термин "хвойные целлюлозы" относится к волокнистым массам, полученным из древесного вещества хвойных деревьев (голосемянных), таких как болотная сосна.

Древесную щепу экстрагируют композицией, содержащей воду. Эта жидкость может состоять только из воды или может содержать один или несколько дополнительных материалов, которые усиливают экстракцию гемицеллюлозы. Такие дополнительные материалы, которые усиливают экстракцию гемицеллюлозы, могут изменяться в широких пределах и включают неорганические щелочи, такие как гидроксид натрия, гидроксид калия и гидроксид аммония. Гидроксид натрия является предпочтительным при осуществлении настоящего изобретения на практике.

В лучших вариантах осуществления настоящего изобретения древесную щепу обрабатывают водным раствором щелочи, имеющим pH больше 7. Использование водного раствора щелочи позволяет проводить экстракцию при более низких температурах, как, например, при комнатной температуре или температуре окружающей среды с более коротким временем экстрагирования. Значение pH водного раствора щелочи предпочтительно равно или больше приблизительно 8, более предпочтительно от приблизительно 8 до 12 и наиболее предпочтительно от приблизительно 9 до 11.

Температуры обработки могут изменяться в широких пределах, и может использоваться любая температура, достаточная для получения требуемых обработанных древесных стружек. Температура обработки обычно составляет не меньше приблизительно 20°C, хотя могут использоваться и более низкие температуры, если они эффективно дают требуемую обработанную древесную щепу. Температура обработки предпочтительно составляет от приблизительно 20°C до 120°C, более предпочтительно от приблизительно 40°C до 120°С и наиболее предпочтительно от приблизительно 40°С до 90°С, причем температура от приблизительно 60°C до 90°C является температурой особо предпочтительных вариантов осуществления.

Время обработки может изменяться в широких пределах, и может использоваться любое время, достаточное для образования требуемых обработанных древесных стружек. Время обработки обычно составляет не меньше приблизительно 5 минут, хотя может использоваться и более длительное время обработки, если оно эффективно дает требуемый лигноцеллюлозный материал. Время обработки предпочтительно составляет от приблизительно 5 минут до 20 часов, более предпочтительно от 15 минут до 10 часов и наиболее предпочтительно от приблизительно 30 минут до 4 часов.

Количество гемицеллюлозы, удаленной из древесных стружек на первом этапе способа настоящего изобретения, может изменяться в широких пределах при условии, что количество, оставшееся в модифицированной целлюлозе после сульфатной варки на втором этапе способа настоящего изобретения, составляет от приблизительно 5% до 10% от сухой массы модифицированной целлюлозы. Например, количество гемицеллюлозы, удаленной на первом этапе, может изменяться от приблизительно 5 мас.% до 20 мас.% или больше от общего количества гемицеллюлозы в древесной щепе. В лучших вариантах осуществления настоящего изобретения количество гемицеллюлозы, удаленной на первом этапе, может изменяться от приблизительно 10 мас.% до 15 мас.% от общего количества гемицеллюлозы в древесной щепе.

Экстрагированные гемицеллюлозы могут быть отведены из технологического потока варки, таким образом уменьшая тепловую нагрузку на котел рекуперации черного щелока (обычно являющийся узким местом в технологическом процессе). Экстрагированные гемицеллюлозы могут быть помещены в котел для отходов или котлы для биомассы других типов, например путем распыления на сырье для получения топлива из биомассы (окорье, сосновые стружки, опилки, уголь и т.д.), этим сохраняя энергетический баланс на заводе. Альтернативно, экстрагированные гемицеллюлозы могут использоваться в качестве сырья для ферментативного получения химических топлив. Экстрагированные гемицеллюлозы могут быть окислены или модифицированы эфирными функциональными группами или катионными зарядами. Обработанные таким образом гемицеллюлозы могут использоваться в качестве добавок при производстве бумаги, например, могут быть добавлены в конце мокрого процесса на бумагоделательной машине или смешаны с крахмалом для использования в клеильном прессе или покрытии.

На втором этапе способа настоящего изобретения обработанная или прошедшая экстракцию древесная щепа подвергается химической или полухимической варке. Способы такой варки хорошо известны специалистам в данной области техники и подробно описаны не будут. Смотрите, например, "Handbook for Pulp & Paper Technologies" (Справочник по технологиям целлюлозно-бумажного производства), 2nd Edition, G.A.Smook, Angus Wilde Publications (1992) и указанные в нем справочные материалы, которые все включены в настоящий документ путем ссылки. Примерами подходящей химической или полухимической варки являются способы карбонатной варки, способы варки с зеленым щелоком, способы сульфатной варки или способы сульфитной варки. Для осуществления настоящего изобретения на практике предпочтительной является сульфатная варка.

Количество гемицеллюлозы, содержащейся в модифицированной крафт-целлюлозе, составляет от приблизительно 3 до 15% от сухой массы модифицированной целлюлозы. Количество гемицеллюлозы, содержащейся в модифицированной крафт-целлюлозе, предпочтительно составляет от приблизительно 4 до 13% от сухой массы модифицированной целлюлозы. Количество гемицеллюлозы, содержащейся в модифицированной крафт-целлюлозе, более предпочтительно составляет от приблизительно 5 до 10% от сухой массы модифицированной целлюлозы и наиболее предпочтительно составляет от приблизительно 6 до 8% от сухой массы модифицированной целлюлозы. Эта модифицированная крафт-целлюлоза (лиственная или хвойная) имеет значительно более высокую яркость и объем при улучшенном дренировании и потенциале сушки по сравнению с немодифицированной целлюлозой.

В одном из лучших вариантов осуществления настоящего изобретения модифицированная крафт-целлюлоза содержит не меньше приблизительно на 1 мас.% меньше гемицеллюлоз, чем такая же немодифицированная целлюлоза. В этих лучших вариантах осуществления изобретения модифицированная крафт-целлюлоза содержит приблизительно на 1-20 мас.% меньше гемицеллюлоз, чем такая же немодифицированная целлюлоза. В этих лучших вариантах осуществления изобретения модифицированная крафт-целлюлоза предпочтительно содержит приблизительно на 1-16 мас.% меньше гемицеллюлоз, чем такая же немодифицированная целлюлоза. В этих лучших вариантах осуществления изобретения модифицированная крафт-целлюлоза более предпочтительно содержит приблизительно на 2-16 мас.% меньше гемицеллюлоз, чем такая же немодифицированная целлюлоза. В этих лучших вариантах осуществления изобретения модифицированная крафт-целлюлоза содержит приблизительно на 2-8 мас.% меньше гемицеллюлоз, чем такая же немодифицированная целлюлоза.

В лучших вариантах осуществления настоящего изобретения модифицированная целлюлоза имеет более высокую степень помола и более хорошее дренирование, чем немодифицированная целлюлоза. Увеличение в степени помола составляет предпочтительно по меньшей мере на 20 единиц CSF больше, чем у немодифицированной целлюлозы. В более предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения увеличение степени помола составляет по меньшей мере на 50 единиц CSF больше, чем у немодифицированной целлюлозы, и в наиболее предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения увеличение степени помола составляет на 50-200 единиц CSF больше, чем у немодифицированной целлюлозы.

В лучших вариантах осуществления модифицированная целлюлоза настоящего изобретения имеет пониженные значения удержания воды по сравнению с немодифицированной целлюлозой. В этих лучших вариантах осуществления уменьшение степени удержания воды предпочтительно больше приблизительно 0,1 г/г. В более предпочтительных вариантах осуществления уменьшение степени удержания воды предпочтительно больше приблизительно 0,2 г/г и в наиболее предпочтительных вариантах осуществления уменьшение степени удержания воды составляет приблизительно от 0,2 до 0.5 г/г.

Число каппа целлюлозы может изменяться в широких пределах. Число каппа предпочтительно составляет от приблизительно 15 до 28 и более предпочтительно от приблизительно 23 до 26.

Модифицированная целлюлоза настоящего изобретения может подвергаться одному или нескольким видам обработки после варки, как, например, беление с использованием известных отбеливателей, таких как диоксид хлора, элементарный хлор, озон и перекись, и порядка/устройств, описанных в "Handbook For Pulp & Paper Technologies", 2nd Edition, G.A.Smook, Angus Wilde Publications (1992) и указанных в нем справочных материалах. Целлюлоза также может быть подвергнута экстрагированию, как, например, кислородной делигнификации или экстрагированию щелочью, предпочтительно в присутствии перекиси. В лучших вариантах осуществления модифицированная целлюлоза настоящего изобретения имеет улучшенную белимость. Выгода от улучшенной белимости заключается в том, что величину дозы (фактор каппа) химического вещества, используемого для беления, можно уменьшить, при этом достигнув той же белизны, что у немодифицированной беленой целлюлозы, таким образом сэкономив на химических веществах. Еще одна выгода от улучшенной белимости заключается в том, что можно использовать такое же количество отбеливателя, как и для немодифицированной целлюлозы, особенно на ранних стадиях беления, и за счет этого уменьшить количество стадий беления (экономия средств и энергии) при достижении такой же белизны. Еще одна выгода улучшенной белимости заключается в том, что можно получить целлюлозу очень высокой белизны, которой практически нельзя достигнуть у немодифицированной целлюлозы. Например, известно, что крафт-целлюлозу практически нельзя отбелить до показателя выше 90 по ISO. Для модифицированной крафт-целлюлозы настоящего изобретения можно, однако, достигнуть очень высоких уровней белизны 90-95 по ISO в лучших вариантах осуществления при практичном количестве отбеливателей.

В другом лучшем варианте осуществления настоящего изобретения модифицированная целлюлоза имеет меньший анионный заряд или меньшую поверхность гидрированных волокон, проявляя более хорошее сродство к химическим веществам, используемым в производстве бумаги, таким как клеи, красители и оптические отбеливатели. В другом лучшем варианте осуществления настоящего изобретения модифицированная крафт-целлюлоза, содержащая меньше гемицеллюлозы, имеет пониженную чувствительность к влаге и улучшенные характеристики гидрорасширяемости.

Модифицированная целлюлоза настоящего изобретения также может использоваться в производстве бумажных и упаковочных изделий, таких как бумага для печати, письма, публикаций и бумага и картон для обложек. Примеры этих изделий и способов их производства приведены в патентах США №5,902,454 и 6,464,832.

В способах изготовления бумаги или картона модифицированная целлюлоза настоящего изобретения может использоваться без облагораживания или с небольшим облагораживанием, или модифицированная целлюлоза может быть смешана с полностью облагороженной немодифицированной целлюлозой, особенно хвойной целлюлозой, перед использованием в производстве бумаги или картона. Модифицированная целлюлоза настоящего изобретения или смеси целлюлоз, содержащие модифицированную целлюлозу настоящего изобретения, образуют исходную водную композицию для изготовления бумаги, причем такая композиция также содержит одну или несколько добавок, которые придают или усиливают особые свойства листа или регулируют другие параметры способа. Примером таких добавок являются квасцы, которые используются для регулирования pH, фиксирования добавок на волокнах целлюлозы и улучшения удержания волокон целлюлозы на бумагоделательной машине. Другими химикатами на основе алюминия, которые могут быть добавлены в композицию, являются алюминат натрия, сульфат полиалюмосиликата и полиалюмохлорид. Другими химикатами мокрого процесса, которые могут быть включены в исходную композицию для изготовления бумаги, являются кислоты и щелочи, проклеивающие агенты, сухопрочные смолы, влагопрочные смолы, наполнители, подцвечивающие материалы, средства, способствующие удержанию, флоккулянты волокон, противопенные добавки, средства, способствующие дренированию, оптические отбеливатели, противоотмарывающие химикаты, противошламовые химикаты, биоциды, специальные химикаты, такие как ингибиторы коррозии, химикаты, противодействующие воспламенению и лакированию и т.д. Способы и порядок получения целлюлозы механического беления, применения химикатов на основе алюминия и других в мокром процессе известны в уровне техники и подробно описаны не будут. Смотрите, например, "Handbook For Pulp & Paper Technologies", 2nd Edition, G.A.Smook, Angus Wilde Publications (1992) и указанные в нем справочные материалы, которые все включены в настоящий документ путем ссылки.

Водную исходную композицию для изготовления бумаги, содержащую беленую механическую целлюлозу и соединения на основе алюминия, выкладывают на формующую сетку бумагоделательной машины для формования мокрого полотна бумаги или картона, и полученное мокрое полотно бумаги или картона сушат для образования сухого полотна бумаги или картона. Бумагоделательные машины и порядок их использования для изготовления бумаги известны из уровня техники и не будут описаны здесь подробно. Смотрите, например, Handbook For Pulp & Paper Technologies, выше. Для примера, водную исходную композицию для изготовления бумаги, содержащую целлюлозу, добавки на основе алюминия и другие добавки и обычно имеющую консистенцию приблизительно от 0,3% до 1%, выкладывают из напорного ящика подходящей бумагоделательной машины, например длинносеточной бумагоделательной машины с одной или двумя сетками. Отложенная исходная композиция для изготовления бумаги обезвоживается под вакуумом в секции формовки. Обезвоженная композиция переносится из секции формовки в прессовую секцию на фетры специальной конструкции через последовательность зон контакта прессовых валов, которые удаляют воду и упрочняют мокрое полотно бумаги, и после этого в секцию сушки, где мокрое плотно бумаги сушат для получения сухого полотна бумаги настоящего изобретения. После сушки сухое полотно бумаги может быть дополнительно подвергнуто нескольким операциям сухого процесса, таким как различные виды обработки поверхности, например, нанесение покрытия, проклеивание и каландрирование.

В лучших вариантах осуществления настоящего изобретения модифицированная целлюлоза образует бумажные изделия, которые имеют объем больше, чем у такой же или в сущности такой же немодифицированной целлюлозы. В этих лучших вариантах осуществления изобретения модифицированная целлюлоза образует бумажные изделия, которые имеют объем по меньшей мере на 2% больше, чем у изделий из такой же или в сущности такой же немодифицированной целлюлозы. В этих лучших вариантах осуществления изобретения модифицированная целлюлоза образует бумажные изделия, которые имеют объем по меньшей мере на 5% больше, чем у изделий из такой же или в сущности такой же немодифицированной целлюлозы. В этих лучших вариантах осуществления изобретения модифицированная целлюлоза образует бумажные изделия, которые более предпочтительно имеют объем приблизительно на 5-40% больше, чем у изделий из такой же или в сущности такой же немодифицированной целлюлозы. В этих лучших вариантах осуществления изобретения модифицированная целлюлоза образует бумажные изделия, которые более предпочтительно имеют объем приблизительно на 5-30% больше, чем у изделий из такой же или в сущности такой же немодифицированной целлюлозы.

Бумага, изготовленная в соответствии с настоящим изобретением, может использоваться в обычных целях. Например, бумага может подходить для использования в качестве бумаги для печати, бумаги для публикаций, бумаги для газет и т.д.

Например, модифицированную целлюлозу настоящего изобретения можно использовать в производстве впитывающих изделий, например, подгузников, салфеток, полотенец, предметов личной гигиены, известными способами. Такие изделия и способы их производства известны специалистам в данной области техники и не будут описаны здесь подробно. Смотрите, например, патенты США №6,063,982 и 5,766,159 и ссылки в них. Модифицированная целлюлоза настоящего изобретения может быть использована для производства пропитанной крафт-бумаги. Пропитанная крафт-бумага производится из небеленой крафт-целлюлозы (смеси главным образом лиственной целлюлозы с некоторым количеством хвойной, например, из болотной сосны) и пропитывается полимерами смол. Пропитанная крафт-бумага используется в качестве строительного материала для домов и офисов, например для крыш кухонь.

Настоящее изобретение будет теперь описано со ссылками на следующие примеры. Эти примеры только иллюстративные, и настоящее изобретение не ограничивается материалами, условиями или параметрами способов, изложенных в примерах.

Пример 1

Щепу северных пород лиственных деревьев (главным образом клена) экстрагировали водой при 160°C для удаления 19% материала. Экстрагированную щепу затем подвергали сульфатной варке до числа каппа 25. В качестве контрольной пробы неэкстрагированную щепу также подвергали сульфатной варке до числа каппа 25. Обработанную целлюлозу и контрольную целлюлозу отбеливали в последовательностях, указанных в таблице 1.

Результаты по белизне приведены в таблице II.

Таблица II

Очевидно, что обработанная целлюлоза может быть очень легко отбелена. В данном примере экономия на количестве ClO₂ составляет больше 11 фунтов на тонну производства целлюлозы. Это очень существенная экономическая выгода. Более того, это также указывает, что если для модифицированной крафт-целлюлозы на ступени D_o использовать "нормальную" дозу ClO₂ (т.е., фактор каппа от 0,14 до 0,2), можно получить целлюлозу очень высокой белизны (намного выше обычного предельного значения белизны 90). Фактически, целлюлозу очень высокой белизны можно использовать для производства бумаги высокой белизны, получая экономию на количестве используемого оптического отбеливателя.

Пример 2

Модифицированную целлюлозу и контрольную целлюлозу, которые были отбелены с тем же количеством отбеливателя ClO₂, как в Примере 1, облагораживали до разных уровней степени помола. Оценивали значения удержания воды, объема и гладкости. Результаты приведены в таблице III и на Фиг.1 и 2.

Значения степени помола и удержания воды являются показателями дренирования и обезвоживания бумаги. Как показано на Фиг.1, данные показывают, что модифицированная целлюлоза может быть обезвожена и высушена на бумагоделательной машине быстрее, чем немодифицированная целлюлоза.

Эти данные также показывают, что объем бумаги значительно улучшается. Как показано на Фиг.2, это даже верно при сравнении увеличения объема при той же гладкости бумаги.

Пример 3

Модифицированную крафт-целлюлозу также изготавливали из щепы болотной сосны. Как и в случае с лиственной целлюлозой, была получена существенная экономия при белении. В таблице IV приведены данные по уменьшенной крупности волокон модифицированной целлюлозы против контрольной целлюлозы при том же числе каппа 26. Проверку проводили с помощью прибора Kajaani FiberLab.

Пример 4

Беленую крафт-целлюлозу из южных пород лиственных деревьев обработали раствором NaOH s (концентрация NaOH 5% от общей системы целлюлозы и воды) при температуре окружающей среды в течение 15 мин. Это альтернативный способ экстрагирования гемицеллюлоз из волокон. Затем целлюлозу тщательно промыли водой и изготовили листы ручной отливки Tappi.

Объем бумаги, сформованной из модифицированной целлюлозы, составил 2,03 см³/г, тогда как у контрольной бумаги объем составил 1,85 см³/г. Белизна по ISO также увеличилась с 86,4 у контрольной целлюлозы до 89,2 у модифицированной целлюлозы.

Реферат

Изобретение относится к усовершенствованному способу производства целлюлозы, целлюлозе, произведенной в соответствии с данным способом, и бумажным и картонным изделиям, произведенным из беленой целлюлозы настоящего изобретения. Способ производства модифицированной целлюлозы для использования в продуктах из бумаги или бумажного полотна включает экстрагирование древесной щепы с жидкостью, содержащей воду, при температуре 20-120°C в течение от 5 минут до 10 часов, для уменьшения содержания и удаления гемицеллюлозы, чтобы получить обработанную древесную щепу. Затем производят сульфатную варку и беление обработанной древесной щепы для получения модифицированной сульфатной целлюлозы. Причем количество гемицеллюлозы, содержащейся в модифицированной беленой сульфатной целлюлозе, составляет от 4% до 9% от веса сухой модифицированной сульфатной целлюлозы. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 табл., 4 прим., 2 ил.

Формула