紙漿組合物的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種由農(nóng)業(yè)可再生纖維(ARF)制得的紙漿組合物，其具有低κ數(shù)，并具有足以用于造紙的出乎意料的品質(zhì)(例如高強(qiáng)度參數(shù)和高游離度)。本發(fā)明的另一方面涉及一種ARF紙漿，其具有60%或更高的ISO白度和足以用于造紙的出乎意料的品質(zhì)(例如高強(qiáng)度參數(shù)和高游離度)。本發(fā)明的另一方面涉及一種紙漿組合物，其由包括使用高濃度的蒽醌(AQ)的制漿方法制得。所述制漿方法可使用木材或非木材纖維(例如蔗渣和玉米秸稈)來提供具有良好造紙品質(zhì)的紙漿。
【專利說明】紙漿組合物
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及新的紙漿組合物及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]紙漿為通過從木材或非木材纖維源以化學(xué)或機(jī)械方式分離纖維素纖維而制得的木質(zhì)纖維素纖維材料。
[0003]“制漿”通常指將本體纖維源材料還原至其組分纖維。用于制備紙漿的木材和其他植物材料通常含有三種主要組分(除了水之外):纖維素纖維(造紙所需)、木質(zhì)素(將纖維素纖維粘結(jié)在一起的三維聚合物)和半纖維素(較短的支化碳水化合物聚合物)。制漿的目的是將纖維源(其為小木片、莖桿或其他植物部分)的本體結(jié)構(gòu)分解成組成纖維。
[0004]化學(xué)制漿通過如下方式實(shí)現(xiàn):將木質(zhì)素降解成小的水溶性分子，其可從纖維素或半纖維素纖維中洗去而不使纖維素或半纖維素纖維解聚。使纖維素解聚弱化纖維，并降低所獲得的紙漿的強(qiáng)度。盡管紙漿中的木質(zhì)素可提高強(qiáng)度，但是具有高脫木質(zhì)素程度的紙漿可使漂白過程容易。
[0005]通常，在不使用多個脫木質(zhì)素過程和/或無不可接受地破壞或弱化紙漿中的纖維素的情況下，現(xiàn)有的制漿方法不提供K足夠降低的紙漿。因此，需要一種改進(jìn)的制漿方法，其可獲得具有期望特性的紙漿，并同時消除目前技術(shù)的必須步驟中的許多步驟。
[0006]另外，農(nóng)業(yè)可再生纖維(ARF)是使用木材作為纖維源的一種環(huán)境友好的替代方案。ARF代表非木材纖維的經(jīng)濟(jì)上有前途的來源。然而，由于農(nóng)業(yè)殘余物的易碎性質(zhì)，目前市場上可得的ARF紙漿對于許多工業(yè)用途(例如制造印刷書寫級紙張)強(qiáng)度不夠。因此，需要高品質(zhì)的一致的ARF紙漿。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本公開的一個方面涉及一種紙漿組合物，其由木材纖維或ARF制得，具有約15或更低的未漂白K數(shù)(Kappa number)和足以用于造紙的強(qiáng)度參數(shù)。
[0008]本公開的另一方面涉及一種紙漿組合物，其由制漿方法制得，所述制漿方法包括以足以形成第一紙漿的蒸煮時間和蒸煮條件蒸煮(COOk)包含纖維、水、堿和脫木質(zhì)素選擇性提高化學(xué)品的第一混合物，所述第一紙漿具有約15或更低的期望K數(shù)和足以用于造紙的強(qiáng)度參數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1:對于高H-因子和低H-因子處理，用于蒸煮處理中的蒽醌(AQ)濃度對所獲得紙漿的K數(shù)的影響。
[0010]圖2:本公開的一個實(shí)施方案的制漿方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】[0011]本公開的一個方面涉及一種紙漿組合物，其由木材纖維或ARF制得，具有約15或更低的未漂白K數(shù)和足以用于造紙的強(qiáng)度參數(shù)。
[0012]木材纖維包括獲自木材(例如軟木和硬木)的纖維。
[0013]ARF包括獲自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的纖維。ARF的例子包括但不限于蔗渣、小麥秸桿、稻桿、玉米秸桿(莖、葉和殼)、大豆殘余物、椰子組織、棉桿、葵籃、洋麻、工業(yè)大麻、種子亞麻桿、織物亞麻桿、劍麻、晚蘆薈(hesperaloe)、黑麥草和它們的混合物。在一個實(shí)施方案中，ARF為蔗渣或玉米秸桿。
[0014]K數(shù)反映硬度、可漂白性或紙漿的脫木質(zhì)素的程度。通常，K數(shù)為約5或更低的紙漿可由二氧化氯(無元素氯(ECF)技術(shù))或在無氯化合物(完全無氯(TCF)技術(shù))的情況下漂白，以提供具有期望白度(例如小于50%的ISO白度、約65%或更高、84%或更高、約88%或更高、約80至約90%、或約90%或更高的ISO白度)。通常，需要花費(fèi)超過一個制漿步驟(有時稱為蒸煮或脫木質(zhì)素)來降低K數(shù)而同時保持紙漿的強(qiáng)度參數(shù)。具有更高K數(shù)的紙漿會使得ECF或TCF漂白困難，從而需要氧脫木質(zhì)素和/或臭氧，和/或多得多的過氧化物。或者，具有更高K數(shù)的紙漿可由氯漂白。因此，能夠提供具有足夠低的K數(shù)和足夠高的強(qiáng)度參數(shù)的紙漿的一步制漿方法是本領(lǐng)域所需的。
[0015]本領(lǐng)域已開發(fā)測量脫木質(zhì)素程度的許多方法，但大多數(shù)為高錳酸鹽測試的變體。當(dāng)量高錳酸鹽測試可提供高錳酸鹽或“ K數(shù)”，其為在指定條件下由I克烘箱干燥的紙漿所消耗的十分之一當(dāng)量(0.1N)高錳酸鉀溶液的立方厘米數(shù)。例如，其可通過TAPPI標(biāo)準(zhǔn)測試T-236測定?？山邮艿腒數(shù)范圍取決于紙漿的預(yù)期用途而不同(例如，棕紙板的K數(shù)要求可為約50至約90，而白紙漿的要求可小于5)。
[0016]斷裂長度、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)為用于制造制品(例如紙料或紙產(chǎn)品)的紙漿的強(qiáng)度參數(shù)的例子。通常，期望較高的紙漿強(qiáng)度參數(shù)來提供由其制得的制品的較高強(qiáng)度。相比于獲自非木材纖維(例如ARF，如蔗渣)的紙漿，獲自木材纖維的紙漿通常表現(xiàn)出具有更好的強(qiáng)度參數(shù)。然而，本文公開的紙漿組合物的強(qiáng)度參數(shù)中的一些(例如斷裂長度)出乎意料地類似于或優(yōu)于由木材制得的紙漿(參見例如實(shí)施例9，表2)。
[0017]足以用于造紙的紙漿的強(qiáng)度參數(shù)的例子包括但不限于至少約5.50km的斷裂長度、至少約6.0OmN.m2/g的撕裂指數(shù)、至少約3.0OkPa.m2/g的耐破指數(shù)以及它們的組合。
[0018]在一個實(shí)施方案中，紙漿組合物具有約15或更低、約10或更低、或約5或更低的K數(shù)。
[0019]在另一實(shí)施方案中，紙漿組合物也具有高的游離度(freeness)。
[0020]本文所用的術(shù)語“游離度”指“紙漿游離度”，表示紙漿的排水速率，或紙漿排出其水的自由程度。游離度在造紙中的重要性在于，如果游離度過低，則不可能在造紙機(jī)上去除足夠的水而獲得良好的片結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。通常，機(jī)械紙漿由于施加至原料的苛刻作用而具有低游離度，該苛刻作用產(chǎn)生堵塞排水紙墊的細(xì)屑和顆粒。使用全莖桿(韌皮和芯)非木材纖維源材料的許多化學(xué)制漿方法存在由于芯部分的特性而導(dǎo)致的差游離度的問題。
[0021]一些實(shí)施方案不存在現(xiàn)有技術(shù)方法的游離度問題。實(shí)際上，本公開的一些方法制備具有高游離度的紙漿組合物。特別地，對于本發(fā)明的方法，紙漿游離度為至少約400、425、450、475、500、525或550mL CSF，或至少約500mL CSF0因此，如本文所用，術(shù)語“高游離度”指至少約400mLCSF和以上的游離度。[0022]在某些實(shí)施方案中，本文公開的紙漿組合物具有至少約400、425、450、475、500、525或550mL CSF的游離度。
[0023]本公開的另一方面涉及紙漿組合物，其由ARF制得并且強(qiáng)度參數(shù)足以用于造紙。
[0024]有許多測量紙漿白度的方法。該參數(shù)通常為反射率的量度，且其值通常表示為某種標(biāo)度的百分比。在本文使用國際標(biāo)準(zhǔn)組織(International StandardsOrganization, ISO)白度測試。在某些實(shí)施方案中，本公開的紙衆(zhòng)組合物具有小于50%的ISO白度。在某些實(shí)施方案中，本公開的紙漿組合物應(yīng)該具有約60%或更高的ISO白度(適合用于制造印刷和書寫級紙)。
[0025]在一個實(shí)施方案中，紙漿組合物具有約60%或更高、約70%或更高、約80%或更高、約84%或更高、約88%或更高、約80%至約90%，或約90%或更高的ISO白度。
[0026]本公開的另一方面涉及一種紙漿組合物，其由制漿方法制得，該制漿方法包括以足以形成第一紙漿的蒸煮時間和蒸煮條件蒸煮包含纖維、水、堿和脫木質(zhì)素選擇性提高化學(xué)品的第一混合物，所述第一紙漿具有約15或更低的期望K數(shù)和足以用于造紙的強(qiáng)度參數(shù)。蒸煮步驟可包括單個蒸煮步驟以獲得期望的紙漿。
[0027]在一個實(shí)施方案中，所述制漿方法中所用的纖維為ARF。在另一實(shí)施方案中，ARF為蔗渣或玉米秸桿。
[0028]在另一實(shí)施方案中，所述制漿方法中所用的纖維為木材纖維，例如硬木纖維或軟木纖維。
[0029]足以用于造紙的強(qiáng)度參數(shù)的例子包括但不限于至少約5.50km的斷裂長度、至少約6.0OmN.m2/g的撕裂指數(shù)、至少約3.0OkPa.m2/g的耐破指數(shù)以及它們的組合,其中在蒸煮之前原料具有約60或更高的K數(shù)。
[0030]第一混合物中的堿的濃度可為纖維進(jìn)料(烘箱干燥)的約10重量％至30重量％、約15重量％至約25重量％、約20重量％至約22重量％、約20重量％至約22.5重量％、約20重量％、約21重量％、約22重量％、約22.5重量％、約24重量％或約27重量％。堿的例子有但不限于氫氧化鈉或氫氧化鉀，其也可含有硫化合物。如本文所用，“0D”和“0.D.”為烘箱干燥。合適的堿添加劑的其他例子包括氨和乙醇胺或它們的衍生物。
[0031]脫木質(zhì)素選擇性提高化學(xué)品的例子包括但不限于蒽醌(AQ)或其衍生物。第一混合物中AQ或其衍生物的濃度可為OD纖維進(jìn)料的約0.2重量％至約1.0重量％、至少約0.1重量％、至少約0.17重量％、至少約0.2重量％、至少約0.25重量％、至少約0.27重量％、至少約0.3重量％、至少約0.35重量％、至少約0.4重量％、至少約0.45重量％、至少約0.5重量％、至少約0.55重量％、至少約0.6重量％、至少約0.65重量％、至少約0.7重量％、至少約
0.75重量％、至少約0.8重量％或至少約0.85重量％。
[0032]第一混合物的液體/干燥纖維比(L/W)為相比完全干燥的纖維的總液體量，例如施用至單位重量的烘箱干燥的蒸煮器(digester)進(jìn)料的液體重量。其包括蒸煮涉及的所有液體，并可為約4、5、6、7、8或9至約10、約7或約8。
[0033]本文用于表示“反應(yīng)稠度”、“混合物稠度”和“紙漿稠度”的術(shù)語“稠度”表示反應(yīng)混合物、混合物或紙漿漿料的百分比(%)固體，例如在紙漿/水漿料中的纖維(通常為紙漿而非粗纖維)的重量％。
[0034]蒸煮條件可為在蒸煮溫度和蒸煮壓力下。蒸煮溫度可為約120°C至約200°C、約150°C 至約 190°C、或約 165°C 至約 185°C、約 175°C、低于約 175°C、不高于 175°C、約 165°C、低于約165°C或不高于165 °C。蒸煮壓力可為約60psi/g至約150psi/g、120psi/g至約150psi/g 或約 130psig 至約 140psig。
[0035]在蒸煮條件下足以形成第一紙漿的蒸煮時間取決于條件，并且在最高蒸煮溫度下可為約15分鐘至約180分鐘、約15分鐘至約120分鐘、約15分鐘至約90分鐘、約30至約90分鐘、約30至約60分鐘、約53分鐘、約50分鐘、約40分鐘、約35分鐘或約34分鐘。
[0036]在某些實(shí)施方案中，在第一蒸煮時間期間將第一混合物從較低溫度加熱至期望溫度，并在期望溫度下保持第二蒸煮時間。例如，期望溫度可為約90°C至約200°C、約120°C至約 200°C、約 150°C至約 190°C、或約 165°C至約 185°C、約 185°C、約 175°C或約 165°C。較低溫度可為約室溫、約90°C、約120°C、約150°C或約165°C。第一蒸煮時間可為約I分鐘至約120分鐘、約I分鐘至約90分鐘、約I分鐘至約60分鐘、約5分鐘至約120分鐘、約5分鐘至約90分鐘、約5分鐘至約60分鐘或約60分鐘。第二蒸煮時間可為約15分鐘至約180分鐘、約15分鐘至約120分鐘、約15分鐘至約90分鐘、約30至約90分鐘、約30至約60分鐘、約53分鐘、約50分鐘、約40分鐘、約35分鐘或約34分鐘。在某些實(shí)施方案中，蒸煮條件為在約130psi/g至約140psi/g的蒸煮壓力下，且期望溫度為約175°C。較低溫度為約90°C，第一蒸煮時間為60分鐘，且第二蒸煮時間為約40分鐘。
[0037]在某些實(shí)施方案中，蒸煮溫度為約120°C至約200°C，且蒸煮時間為約15、20或30至約45、50、60、70、80或90分鐘。在某些實(shí)施方案中，蒸煮溫度為約150°C至約190°C，且蒸煮時間為約30至60分鐘。在某些實(shí)施方案中，蒸煮溫度為約165°C至約185°C，且蒸煮時間為約35至約45分鐘。
[0038]在某些實(shí)施方案中，第一混合物的溫度降低至期望溫度下的蒸煮器模擬。例如，具有除了 ARF之外的第一混合物的每種成分的第二混合物可在期望溫度下制得，然后將ARF添加至第二混合物中以形成第一混合物。期望溫度下的蒸煮時間可為約15分鐘至約180分鐘、約15分鐘至約120分鐘、約15分鐘至約90分鐘、約30至約90分鐘、約30至約60分鐘、約53分鐘、約50分鐘、約40分鐘、約35分鐘或約34分鐘。
[0039]在現(xiàn)有技術(shù)中，由第一蒸煮步驟制得的紙漿通常具有較高的K數(shù)，或者已損壞或破壞纖維素的期望性質(zhì)。例如，由本領(lǐng)域已知的蔗渣制得的紙漿通常具有約20或更高的K數(shù)。這種紙漿必須進(jìn)一步脫木質(zhì)素以降低K數(shù)(例如氧脫木質(zhì)素和/或臭氧處理)，和/或通過氯漂白。這種脫木質(zhì)素和/或氯處理可能損害所獲得的紙漿的強(qiáng)度和其他參數(shù)以及增加加工成本。
[0040]第一紙漿的K數(shù)為約5或更低、約7或更低、約10或更低或約15或更低。κ數(shù)為5或更低的第一紙漿可由TCF或ECF漂白，以獲得適于制備具有期望白度(例如小于50%、約60%或更高、約70%或更高、約80%或更高、約84%或更高、約88%或更高、約80至約90%或約90%或更高的ISO白度)的紙張的紙漿。
[0041]在某些實(shí)施方案中，第一紙漿的K數(shù)隨應(yīng)用于蒸煮過程的AQ的量的增加而減小(圖1)。
[0042]H-因子表示木質(zhì)素溶解的相對速度。其取決于蒸煮時間和溫度。由于脫木質(zhì)素的溫度依賴性，H-因子對溫度的依賴性極強(qiáng)。甚至蒸煮溫度的幾度的差異也可產(chǎn)生紙漿品質(zhì)的顯著差異。已對H-因子進(jìn)行了限定，從而在100°C下I小時等同于H-因子I。通常，蒸煮過程中較高的H-因子更有可能提供第一紙漿的較低的K數(shù)。
[0043]H-因子可由
【權(quán)利要求】
1.一種紙漿組合物，所述紙漿組合物包含: 來自農(nóng)業(yè)可再生纖維源的纖維，其中所述紙漿組合物具有約15或更低的未漂白K數(shù)、高游離度、至少約5.50km的斷裂長度、至少約6.0OmN.m2/g的撕裂指數(shù)和至少約3.0OkPa.m2/g的耐破指數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紙漿組合物，其中所述K數(shù)為約10或更低。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紙漿組合物，其中所述K數(shù)為約5或更低。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紙漿組合物，其中所述農(nóng)業(yè)可再生纖維源為蔗渣或玉米秸桿。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紙漿組合物，其中所述農(nóng)業(yè)可再生纖維源為蔗渣或玉米秸桿。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的紙漿組合物，其中所述農(nóng)業(yè)可再生纖維源為蔗渣或玉米秸桿。
7.一種紙漿組合物，所述紙漿組合物包含來自農(nóng)業(yè)可再生纖維源的纖維，其中所述紙漿組合物具有約15或更低的未漂白K數(shù)、高游離度和足以用于造紙的強(qiáng)度參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的紙漿組合物，其中所述紙漿組合物具有至少約5.50km的斷裂長度、至少約6.0OmN.m2/g的撕裂指數(shù)和至少約3.0OkPa.m2/g的耐破指數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的紙漿組合物，其中所述ISO白度為小于50%IS0。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的紙漿組合物，其中所述ISO白度為約70%或更高。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的紙漿組合物，其中所述ISO白度為約80%或更高。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的紙漿組合物，其中所述ISO白度為約80%或更高。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的紙漿組合物，其中所述ISO白度為約88%或更高。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的紙漿組合物，其中所述ISO白度為約88%或更高。
15.根據(jù)權(quán)利要求7所述的紙漿組合物，其中所述ISO白度為約90%或更高。
16.根據(jù)權(quán)利要求8所述的紙漿組合物，其中所述ISO白度為約90%或更高。
17.根據(jù)權(quán)利要求7所述的紙漿組合物，其中所述ARF為蔗渣或玉米秸桿。
18.根據(jù)權(quán)利要求8所述的紙漿組合物，其中所述ARF為蔗渣或玉米秸桿。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的紙漿組合物，其中所述ARF為蔗渣或玉米秸桿。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的紙漿組合物，其中所述ARF為蔗渣或玉米秸桿。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的紙漿組合物，其中所述ARF為蔗渣或玉米秸桿。
22.—種紙漿組合物，所述紙漿組合物由包括如下的制漿方法制備: 提供包含如下物質(zhì)的反應(yīng)產(chǎn)物的第一混合物: 纖維， 水， 濃度為干燥纖維的約0.1重量％或更高的蒽醌或其衍生物，和 堿， 其中所述混合物具有約4至約10的液體/干燥纖維比和約60或更高的初始K數(shù)；以及 在足以形成具有約15或更低的K數(shù)、高游離度和足以用于造紙的強(qiáng)度參數(shù)的第二混合物的蒸煮時間和蒸煮條件下使所述混合物反應(yīng)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的紙漿組合物，其中所述足以用于造紙的強(qiáng)度參數(shù)選自至少約5.50km的斷裂長度、至少約6.0OmN.m2/g的撕裂指數(shù)、至少約3.0OkPa.m2/g的耐破指數(shù)或它們的組合。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的紙漿組合物，其中所述蒸煮條件和蒸煮時間提供約200或更高的H-因子。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的紙漿組合物，其中所述H-因子為約1000或更高。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的紙漿組合物，其中所述第二混合物具有約10或更低的K數(shù)。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的紙漿組合物，其中所述第二混合物具有約5或更低的K數(shù)。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的紙漿組合物，其中所述纖維包含農(nóng)業(yè)可再生纖維。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的紙漿組合物，其中所述農(nóng)業(yè)可再生纖維包含蔗渣或玉米秸桿。
30.根據(jù)權(quán)利要求23所述的紙漿組合物，其中所述纖維包含木材纖維。
31.根據(jù)權(quán)利要求31所述的紙漿組合物，其中所述木材纖維包含松木纖維。
32.根據(jù)權(quán)利要求23所述的紙漿組合物，其中所述制漿方法還包括漂白所述第二混合物。
33.根據(jù)權(quán)利要求28所述的紙漿組合物，其中所述紙漿具有小于50%的ISO白度。
34.根據(jù)權(quán)利要求28所述的紙漿組合物，其中所述紙漿具有約70%或更高的ISO白度。
35.根據(jù)權(quán)利要求28所述的紙漿組合物，其中所述紙漿具有約80%或更高的ISO白度。
36.根據(jù)權(quán)利要求28所述的紙漿組合物，其中所述紙漿具有約85%或更高的ISO白度。
37.根據(jù)權(quán)利要求28所述的紙漿組合物，其中所述紙漿具有約90%或更高的ISO白度。
【文檔編號】D21C9/10GK103764906SQ201280042291
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月30日
【發(fā)明者】B·A·霍金斯, F·馬丁 申請人:嘉吉公司